Зональность бетона в конструкциях. Методы подбора и расчет состава бетона
Понятие зональности связано с реализацией принципа о долговечности бетона. Действительно, рассматривая многочисленные конструкции (сооружения), можно увидеть, что их разные части находятся не в однотипных условиях. По этой причине бетон надо классифицировать не по видам конструкций (сооружений), а по условиям их работы. Например, бордюрный камень в районах с частыми изменениями отрицательных и положительных температур и высокой влажностью воздуха подвергается таким же агрессивным воздействиям, как и стены доков, шлюзов, плит откосов каналов, лотков для пропуска воды. Вместе с тем перечисленные элементы и конструкции из бетона (железобетона) ниже зоны замерзания воды или выше горизонта воды-среды находятся в иных условиях, что во многих случаях позволяет применять разные составы бетона в каждой из этих двух зон.
Разбивка бетона сооружений на зоны должна производиться при полном учете всех агрессивных внешних факторов. В ряде случаев при членении на зоны должны в полной мере учитываться проектные требования, предъявляемые к конструкции (сооружению) при расчете по предельным состояниям, как и возможность организации работ на различных составах бетона.
Зная требования, предъявляемые к смеси и бетону, переходят к подбору, который заканчивают расчетом состава. На первых этапах состав бетона подбирали по объему компонентов и оценивали по так называемому номинальному составу, в котором давалось отношение каждого из заполнителей (песка, гравия, щебня) к единице объема или массы цемента в бетоне. В практике строительства широко использовали следующие номинальные отношения в составах бетона: 1 : 1,5 : 3; 1 :2 : 4 и ряд других. Из этих отношений видно, что количество воды не считалось определяющим качество бетона. Это естественно, так как применялись жесткие смеси с ограниченным содержанием воды, которая должна была обеспечить уплотнение бетонной смеси трамбованием, осуществляемым ручными трамбовками.
Первые наиболее обоснованные методы подбора состава относятся к 1895 г., когда проф. И. Г. Малюга опубликовал книгу «Состав и способ приготовления цементного раствора (бетона) для получения наибольшей крепости». В частности, он установил, что изменение прочности бетона (раствора) непосредственно связано с количеством воды затворения. Это положение подтвердилось в обширных работах, осуществленных в течение ряда лет в США под руководством проф. Абрамса.
На основании многочисленных опытов ее использования в научных работах и строительной практике указанная закономерность формулируется следующим образом: прочность бетона из пластичной смеси, удобной для ручного уплотнения при прочих равных условиях вслед за ее замешиванием, определяется как функция отношения количества воды к количеству цемента в единице объема бетона. Под прочими равными условиями подразумевается приготовление, транспортирование, укладка, уплотнение смеси и уход за бетоном.
Заметим, что начало использования в практической деятельности этой закономерности относится к 1915 г., когда многие научные положения химии цемента, технология и средства производства бетона находились на значительно более низком уровне.
Для сравнения приводим более ранние формулировки указанной закономерности, названной в те годы законом водоцементного фактора в бетоне.
Одна из формулировок была следующей: прочность бетона при использованных материалах и условиях их обработки, пока смесь остается пластичной и удобной для работы, определяется единственно отношением количества воды, употребляемой для смеси, к количеству цемента. Применяя жесткие смеси, нельзя осуществить широкое внедрение монолитных железобетонных конструкций с относительно небольшими сечениями и значительным уменьшением максимальной крупности гравия (щебня) при отсутствии средств для уплотнения бетонной смеси (кроме центрифугирования опор). Поэтому развитие новых видов более ажурного железобетона требовало гарантированного обеспечения заданных проектных решений.
Методы подбора состава бетона и его расчета продолжают усо-вершенствоваться. Любой из ныне применяемых методов должен завершаться приготовлением рассчитанного состава бетона и испытанием контрольных образцов. Для облегчения практической деятельности строительных лабораторий должны быть подобраны и рассчитаны типовые составы бетона на материалах, применяемых в конкретном строительстве. Тогда при наличии типовых составов в текущую деятельность лаборатории входит только систематический контроль качества материалов (соответствие компонентов бетона, поступающих на строительную площадку, а также на заводы сборного железобетона, качеству материалов, заложенных в типовые составы).
Независимо от методов составы бетона должны получаться одни и те же. Из наиболее широко применяемых можно назвать метод абсолютных объемов Мак-Миллана, подбор по методу Абрамса — Беляева, пробный метод (Trial Method) или метод попыток; метод последовательного приближения (проф. Б. Г. Скрамтаева); метод подбора состава бетона при заданном содержании цемента в 1 м3 бетона и заданном В/Ц и др.
В методах подбора и расчета составов конечным результатом является определение весовых частей компонентов бетона, что отличает такой состав в лучшую сторону по точности от ранее применявшихся составов при подборе в номинальном выражении (в единице объема бетона).
Следует обратить внимание на то, что методы подбора составов различаются выделением на первое место разных показателей: расхода цемента; пустотности заполнителей с использованием коэффициентов избытка цементного теста в пустотах песка и раствора в пустотах крупного заполнителя; условного показателя абсолютной плотности бетона после его расчета; практических значений зависимости пластичности смеси от качества заполнителей, прочности бетона при различной пластичности смеси и разных марок цемента и ряд других.
Все методы позволяют рассчитать состав бетонной смеси по заданной прочности. По методу Абрамса — Беляева исходными данными для подбора состава бетонной смеси служат марка бетона и пластичность смеси по осадке конуса; активность цемента Rц; стандартность качества заполнителей и их характеристика — наибольшая крупность гравия, модуль его крупности Мкр г(щ); плотность, объемная масса и модуль крупности песка Мкр.п; таблица номинального состава бетона 1 : п для выбора коэффициента г; таблица модуля смеси мелкого и крупного заполнителя Мс и номинального состава бетона; график связи Мс номинального состава бетона и его прочности для смесей с определенной осадкой конуса и график зависимости.
Указанные графики — результат статистической обработки многочисленных исследований и практических данных различных строительств, осуществленных в СССР и за рубежом. Большую работу по обработке таких первичных данных осуществил проф. Н. М. Беляев, который предложил для расчета бетона формулу зависимости предела прочности бетона на 28 сут. от активности цемента Rц и водоцементного отношения.
Активность цемента Rц определяется по итогам испытания цемента и нормам, которые действовали в 1930 г. В связи с этим отметим, что у исследователей разных стран аналогичные зависимости при новых методах испытания и маркировки цемента будут иными.
Рассмотрим подбор и расчет состава бетона по методу абсолютных объемов. Используя метод подбора по абсолютным объемам каждого компонента бетона в сочетании с экспериментальной проверкой сделанных расчетов, наметим этапы расчета состава бетонной смеси и бетона. Основными исходными данными для этого должны быть:
1. Проектные требования к бетонной смеси и бетону для изготовления детали, элемента, изделия, конструкции и всего сооружения. Следовательно, лаборатория должна иметь не только перечень строительно-технических свойств, записанных в проекте, но и чертежи той продукции, которая должна быть изготовлена.
2. Условия организации и приготовления бетонной смеси и производства работ, запроектированные и осуществленные с участием лаборатории.
3. Результаты испытания (или паспортные данные) на все компоненты (соответствующих ГОСТу) бетона, в том числе результаты определения объемной массы, плотности песка и крупного заполнителя (гравия или щебня).
4. Типовой график зависимости пластичности-жесткости бетонной смеси от содержания в ней воды
5. Типовой график зависимости
6. Таблица числовых значений коэффициента r.
Указанные графики при работе лаборатории на неизвестных материалах позволяют составить типовые графики для каждого строительства (завода железобетонных конструкций), которые значительно сокращают объем экспериментальной проверки подбираемых составов бетонной смеси. Для хорошо организованных строительств и предприятий работы по подбору и расчету бетонной смеси в основном заменяются использованием таких хорошо проверенных типовых составов. Напомним, что хороший типовой состав при минимальном содержании в нем цемента отвечает всем технико-экономическим требованиям, предъявляемым к нему проектом изделия, конструкции, сооружения.
Мы полагаем, что в расчетах состава бетона целесообразнее пользоваться зависимостью в ее графической интерпретации, не прибегая каждый раз к вычислениям.
Имея указанные сведения, можно приступать к расчету состава. Принятое условие не точно определяет существо вопроса, так как при приготовлении в условиях окружающей среды обязательным пятым компонентом является воздух. Представим, что условный разрез бетонного куба получен сплавлением всех твердых материалов до жидкого состояния. Тогда схема расчета по этапам протекает следующим образом:
1. Определение количества воды с учетом требований к пластичности-жесткости. Для этого используем график зависимости пластичности-жесткости бетонной смеси от содержания воды. Многолетние исследования в области повышения качества бетонной смеси и бетона показали, насколько значителен эффект от применения пластифицирующих— воздухозадерживающих (гидрофильных) и гидрофобизирующих — воздухововлекающих ПАВ в технологии -бетонных работ. Определив группу пластифицирования цемента, необходимо уменьшить в бетонной смеси содержание воды «а эту величину. Действительное количество воды определится при опытных затворениях бетонной смеси.
2. Определение количества цемента по трафику Rб=(В/Ц, Rц) и В/Ц бетона. Здесь известными являются марки бетона и цемента (или активность цемента). Определив значение В/Ц и зная количество воды в бетоне из первого этапа расчета, находят количество цемента.
Для использования принятого метода подбора необходимо получить по ходу расчета абсолютные объемы воды и цемента, что делается путем деления их числовых значений на соответствующие значения плотности.
3. Определение суммы абсолютных объемов заполнителей путем вычитания из объема бетона (1 м3 абсолютно плотного объема бетона) абсолютных объемов воды и цемента.
4. Определение абсолютного объема песка. Зная числовое значение коэффициента r, легко определить этот объем.
Значение коэффициента r берут из таблицы, составленной на основании многочисленных опытов. Следует иметь в виду, что увеличение пластичности смеси для сохранения ее нерасслаиваемости вызывает соответствующее увеличение значения r и, наоборот, его уменьшение приводит к снижению пластичности.
5. Определение абсолютного объема крупного заполнителя (гравия, щебня или их смеси). Вычитая из абсолютного объема всех заполнителей абсолютный объем песка, определяют абсолютный объем крупного заполнителя, в котором при изучении чертежей бетонируемого объекта была заранее установлена максимальная крупность зерен. Если не учитывать сказанного, при использовании гравия (щебня) крупнее допустимого такой заполнитель не пройдет между стержнями или пакетами арматуры, между арматурой и стенками опалубки, что нарушит ритм работы и приведет к браку. Следует учитывать, что при использовании песка, гравия (щебня) более крупного зернового состава можно применять смеси с меньшим содержанием воды.
6. Проверка правильности вычислений абсолютных объемов каждого компонента путем арифметической проверки — их сложения. Сумма объемов должна равняться 1.
7. Переход от абсолютных объемов компонентов бетона к их весовым значениям. Для этого числовые значения абсолютных объемов каждого компонента умножают соответственно на числовые значения их плотности. Объемная масса тяжелого бетона (и других видов бетона) должна отвечать требованиям проекта. Закончив расчет, переходят к опытным затворениям смеси сначала в лаборатории, затем на производстве для определения стабильности ее свойств (получения смеси надлежащей пластичности-жесткости при. стабильности ее параметров на всех технологических переделах, т. е. с надлежащей подвижностью, удобоукладываемостью и формуемостью).
Если пластичность-жесткость и внешний вид смеси (наличие избытка или недостатка песка) при опытном определении на замесе объемом 8 л соответствует заданной величине и смесь не расслаивается, переходят к приготовлению смеси в объеме, требующемся для изготовления серий образцов, позволяющих проверить заданные технические свойства бетона — прочность на различные виды нагрузок, морозостойкость, водонепроницаемость и др. (ГОСТ 10180—62, ГОСТ 4800—59 и ГОСТ 8424—63).
Если пластичность-жесткость смеси (в том числе и внешний вид, расслаиваемость или связность) не соответствует требованиям, которые положены в основу расчета, результаты последнего корректируют по тому же замесу (что возможно сделать, когда в смеси недостаточно песка или пластичность смеси ниже заданной) или другому замесу. При этом не формуют опытных контрольных образцов бетона.
Указанный способ подбора и расчета состава бетонной смеси по сравнению с другими способами отличается простотой. Объем пустот в каменных материалах учитывается по связности бетонной смеси и коэффициенту г, числовое значение которого определено опытами и производством бетонных работ, осуществленных в раз-пых условиях.
Действительно, любой способ требует проверки. Даже широко проведенные эксперименты по составлению табличных, рекомендаций подбора и назначения состава бетона с учетом особенностей заполнителей также требуют опытных затворений. Эти снизано с чрезвычайным разнообразием рыхлых каменных материалов-заполнителей и исключительным различием свойств цементов.
При проектировании бетона главным является не последний его этап —подбор и расчет, который при любых способах с большей или меньшей затратой времени позволяет получить его состав, а те проектные предпосылки, которые служат основой для получения бетона заданных свойств (правильный выбор материалов, назначение параметров качества бетона, которые определяют его оптимальные технико-экономические показатели при минимальном расходе цемента и высокой долговечности, условий организации и осуществления бетонных работ, которые реально обеспечивают массовое изготовление бетона).
Многолетняя практика показала, что использование этого простого способа подбора и расчета состава бетона не приводит к увеличенному содержанию цемента в бетоне или разрушению бетона, получению бетона более низкого качества. Основное внимание должно уделяться этапам проектирования бетона, обеспечивающим его правильный выбор не только по количеству компонентов, но и по их качеству, что значительно сложнее подбора и расчета состава и, по существу, является содержанием технологии бетона. Никакой способ расчета состава только по одной прочности, без учета всего комплекса требований, не обеспечит долговечную надежную работу бетона.
Существовавшая много лет тенденция подбирать и рассчитывать состав бетона по показателю прочности, несомненно, принесла пользу и позволяет осуществлять это с надлежащей простотой и скоростью. Однако на дальнейшем этапе развития технологии бетонных работ, когда расширилась область применения бетона, усложнились условия службы конструкций при возросших темпах производства работ на протяжении всего года, при широком и систематически уменьшающемся сроке твердения бетона в пропарочных камерах (в целом при ускорении режима твердения бетона), особенности материалов-компонентов бетона, подбор и расчет состава бетона по прочности позволили применять любые материалы. Последующее воздействие различных агрессивных сред приводит такой бетон к разрушению. Необходимо совершенствовать все стадии проектирования состава бетона, начиная с определения условий службы сооружений, которые должны быть органически связаны, что в конечном счете должно обеспечить подбор и расчет состава долговечного бетона для любых условий работы.