Виды бетонов

МИНИСТЕРСТВО АГРАРНОЙ ПОЛИТИКИ УКРАИНЫ

ЛУГАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра: строительных конструкций

РЕФЕРАТ

На тему: «Виды бетонов»

Выполнил: студент гр 622

Чумак И.В.

Проверила: Погостнов А.П.

Луганск 2008

План

1.                 Дорожные и гидротехнические бетоны

2.                 Пропариваемые бетоны

3.                 Бетоны с активными минеральными добавками

4.                 Мелкозернистые бетоны

5.                 Бетоны термосного твердения

6.                 Бетоны с противоморозными добавками

7.                 Легкие бетоны

1.Дорожные и гидротехнические бетоны

Характерными представителями бетонов с комплексом нормируемых свойств являются дорожные и гидротехнические бетоны. Эти виды бетонов объединяют обычно жесткие условия эксплуатации и соответственно повышенные требования к свойствам определяющим их долговечность.

Для дорожного бетона основной прочностной характеристикой является прочность бетона на растяжение при изгибе. Этот параметр нормируется часто и для гидротехнического бетона. При проектировании конструкций обычно используют корреляционную формулу, связывающую прочность бетона на изгиб (Rр.и, МПа) с прочностью бетона на сжатие (Rсж, МПа).

Степенной характер зависимости отражает уменьшение соотношения Rр.и/Rсж по мере увеличения Rсж, характерное для цементных бетонов. В то же время она не учитывает изменчивость прочности цемента на изгиб (Rц.и) при практически одинаковой активности цемента Rц.

Как известно, Rц.и зависит от многих факторов: химико-минералогического состава клинкера, тонкости помола и зернового состава цемента, вида и содержания добавок. Влияние указанных факторов на Rц.и не всегда оказывается идентичным их влиянию на Rц. Например, по данным Оргпроектцемента при активности клинкера Щуровского завода 46,2 МПа предел прочности на изгиб оказался равен 5,82 МПа, а при активности клинкера Амвросиевского завода 45,7 - 7,08 МПа, т.е на 21,6% больше. Анализ отклонений экспериментальных данных Rр.и бетона и расчетных значений по формуле также показывает, что они достигают 20%.

Все формулы приведенного вида отражают некоторое негативное влияние на Rр.и крупных заполнителей, что согласуется с известными представлениями. Действительно, при Ц/В=2,5 характерном, как правило, при стандартном испытании цементно-песчаного раствора и рекомендуемых значениях коэффициента А для рядовых материалов по формуле (6.4) - 0,39, (6.5) - 0,4 и (6.6) - 0,42 Rр.и будет соответственно равной 0,936Rц.и, 0,92Rц.и и 0,924Rц.и. Для сравнения Rсж, как следует из формулы, при Ц/В=2,5 и А=0,6 равна 1,2Rц. В наибольшей мере влияние особенностей заполнителей на прочность бетона при изгибе исследовано И.М.Грушко с сотрудниками. Ими приведены значения А1 и А2 в формуле в зависимости от качественных особенностей песка и щебня и показано, что применение известнякового и фракционированного шлакового щебня позволяет довести Rр.и до 1.08Rц.и.

В табл.6.2 приведены расчетные значения Rр.и при использовании формул и применении рядовых материалов. Для определения Rр.и по формуле рассчитывали сначала прочность бетона на сжатие Rсж по выражению , при этом активность цемента принимали равной его марке при данном значении Rц.и.

Величины Rр.и, вычисленные по формулам при указанном выше допущении, достаточно близки и отклонения расчетных значений при правильном выборе коэффициентов не превышают 3%. Отклонения несколько повышаются при использовании формулы, однако остаются при этом сравнительно низкими (до 8...10%) при минимально допустимых соотношениях Rц.и и Rц, рекомендуемых ДСТУ. Во многих случаях фактическое соотношение Rц.и и Rц оказывается значительно выше нормативного, и тогда расчетные значения Rр.и по формуле оказываются заниженными. Выбор формул для определения Rр.и бетона также как и ряда других показателей нормируемых свойств в значительной мере должен определяться имеющейся исходной информацией.

Предложено значительное число эмпирических формул, связывающих с прочностью при сжатии ряд других физико-механических свойств (Рі): прочность при осевом растяжении, износостойкость, кавитационную стойкость, ударную стойкость и др. В большинстве случаев такие зависимости представлены функциями с некоторыми усредненными коэффициентами. Для задач МПСБ указанные зависимости целесообразно применять с соответствующими коэффициентами, учитывающими специфическое влияние особенностей цемента и заполнителей. Оно может быть весьма существенным, что снижает уровень корреляции.

По данным применение щебня из доменных или электрофосфорных шлаков взамен гранитного увеличивает Rо.р на 26...73%. Совместное введение щебня и песка из плотного известняка взамен гранитного щебня и кварцевого песка в другой работе позволило увеличить прочность при осевом растяжении с 4,97 до 6,32 МПа, т.е. на 27%.

Алгоритмы для проектирования составов бетона с комплексом нормируемых свойств соответствуют общей схеме, рассмотренной ранее, но учитывают выбранные расчетные зависимости. Экспериментальная проверка показала достаточно высокую сходимость результатов расчета, полученных двумя способами.

Для массивного гидротехнического бетона необходимо учитывать тепловыделение, с которым связана достигаемая к определенному сроку твердения температура бетона.

Примеры реализации алгоритмов проектирования составов дорожного и гидротехнического немассивного бетона

I.? Запроектировать состав цементного бетона для покрытия автомобильной дороги с классом по прочности на сжатие В20. Марка бетона по морозостойкости - F300. Подвижность бетонной смеси ОК=2…4 см.

Исходные материалы: портландцемент М500, нормальная густота НГ=25,5%; кварцевый песок с модулем крупности Мк=2,2, содержанием отмучиваемых примесей 2,5%, истинной плотностью =2,67 кг/л, насыпной плотностью =1,55 кг/л, пустотностью 42%; гранитный щебень фракции 5-40 мм с истинной плотностью =2,7 кг/л, насыпной плотностью =1,4 кг/л, пустотностью 48%, содержанием отмучиваемых частиц 0,8%.

В бетонную смесь вводится воздухововлекающая добавка.

II.?? Запроектировать состав бетона для облицовки стенок водоема классов по прочности на сжатие В15, осевое растяжение Вt1,2; растяжение при изгибе Вtв2,4; с маркой по морозостойкости F300 и коэффициентом фильтрации в 28-суточном возрасте Кф=1,5.10-10 см/с. Осадка конуса бетонной смеси 2…4см.

Для задач проектирования составов бетона с заданным тепловыделением необходимо использовать экспериментально определенные значения. Расчет q возможен лишь для самых ориентировочных оценок. Применение с этой целью известной аддитивной формулы, учитывающей вклад отдельных минералов целесообразно для оценки q клинкера, когда известен его химико-минералогический состав. Эта формула, однако, не учитывает влияние на тепловыделение цемента многих факторов и, прежде всего, содержания минеральных и других добавок.

Зависимости отражают решающее влияние на удельное тепловыделение вклада гидратации трехкальциевого силиката, являющегося основным источником экзотермии цемента и одновременно решающим фактором, влияющим на активность цемента. Вместе с тем, две приведенные формулы не являются в достаточной мере совместимыми. Формула отражает аддитивный характер влияния минералогического состава цемента на его экзотермический эффект, в то же время известно, что активность цемента не является его аддитивной функцией.

На активность цемента весьма существенно сказывается тонкость помола цемента, в то время как на величину тепловыделения она оказывает заметное влияние лишь в первые сроки твердения. Увеличение удельной поверхности цемента сверх 400 м2/кг практически уже не вызывает прироста теплового эффекта после 4...5 сут. твердения.

Сложность задач проектирования составов массивного гидротехнического бетона заключается в необходимости увязки В/Ц и В, определяющих расход цемента, а также вида применяемого цемента и добавок, с требованиями обеспечить прочностные свойства, морозостойкость, водонепроницаемость с необходимым тепловыделением (Q). В еще большей мере усложняется поиск оптимальных решений, включающий не только сравнительные расчеты стоимости различных рецептурных вариантов, но и технологических решений, направленных на регулирование начальной температуры бетонной смеси, охлаждение бетона в процессе твердения.

2.Пропариваемые бетоны

При проектировании составов пропариваемого бетона в отличие от бетона нормального твердения, кроме проектной или марочной прочности через 28 сут, необходимо обеспечить отпускную (распалубочную, передаточную) прочность после тепловой обработки. Нормируемые прочностные параметры могут достигаться как при одинаковом, так и при различных Ц/В. В последнем случае можно установить определяющий прочностной параметр, для достижения которого требуется большее значение Ц/В. Последний может изменяться в зависимости от величины и соотношения и режима пропаривания, длительности последующего твердения.

По мере сокращения режима пропаривания и длительности последующего выдерживания, увеличения численного значения создаются предпосылки, чтобы последняя стала определяющим прочностным параметром и наоборот. Сужению интервала необходимых Ц/В вплоть до их совпадения способствует применение быстротвердеющих цементов, добавок-ускорителей твердения, оптимизация режимов тепловой обработки.

Прочность пропаренного бетона в 28 сут. может отклоняться от соответствующей прочности бетона нормального твердения в меньшую или большую сторону. Исследования и практический опыт показывают, что при оптимальном режиме пропаривания можно свести к минимуму или вообще устранить снижение 28-суточной прочности. Для определения Ц/В, обеспечивающего прочность пропаренного бетона в 28-суточном возрасте удобно использовать общую формулу.

3. Бетоны с активными минеральными добавками

В технологии бетона все шире применяют активные минеральные компоненты (активные наполнители) для экономии цемента и улучшения ряда строительно-технических свойств. Наряду с давно известной и широко применяемой добавкой как зола-унос в последние годы показана эффективность таких минеральных добавок как микрокремнезем, метакаолин и др. К настоящему времени разработан ряд методик проектирования оптимальных составов наполненных бетонов, основанных в основном на совместном решении комплекса полиномиальных факторных моделей.

Приемлемые результаты могут быть получены также при расчетах составов наполненных бетонов с минеральными добавками с помощью метода "приведенного Ц/В". Алгоритм расчета составов бетонов данным методом базирующемся на рассмотренном ранее правиле "приведенного Ц/В", отличается от обычного тем, что после установления оптимального количества активного наполнителя при известном значении его "цементирующей эффективности" определяется по зависимости сначала (Ц/В)пр, а затем расход цемента.

Для определения расхода добавки используются известные данные или специальные зависимости, связывающие расход добавки с требуемыми значениями прочности, условиями твердения и др.

Например, известно, что для бетонов нормального твердения оптимальный расход золы-уноса составляет 100...150 кг/м3, пропариваемых - 150...200 кг/м3, для микрокремнезема и метакаолина он колеблется в интервале 30...50 кг/м3. При введении активного минерального наполнителя увеличивается объем вяжущего в бетонной смеси и соответственно должен увеличиваться коэффициент раздвижки (Кр) и уменьшаться доля песка в смеси заполнителей (r). Проведены опыты по определению возможности применения известных рекомендаций по назначению Кр и r, разработанных для цементных бетонов без добавки золы-унос. В качестве критерия оптимальности данных параметров выбрана подвижность бетонных смесей при постоянном объеме цементно-зольного теста. Исходными компонентами бетонных смесей служили портландцемент Здолбуновского ЦШК, зола-унос Бурштынской ТЭС, песок средней крупности с Мк=2,1 и гранитный щебень 5...20 мм.

Результаты проведенных трех серий опытов показывают, что при равных расходах цементного и цементно-зольного вяжущих и одинаковых В/Ц оптимальные значения Кр и r, при которых достигается наилучшая подвижность бетонных смесей, практически одинаковы.

4. Мелкозернистые бетоны

В последние годы все шире применяются мелкозернистые бетоны (МЗБ), в том числе для литых, прессованных и вибропрессованных изделий.

Многочисленные экспериментальные данные показывают, что на прочность мелкозернистого бетона при сжатии кроме Ц/В, активности цемента и качества заполнителя, влияет много других факторов, таких как удобоукладываемость смеси, условия твердения, вид и количество активных минеральных добавок и т.д. Наряду с этим, значительное влияние на свойства мелкозернистого бетона имеет также и способ уплотнения смеси.

Предлагаемая методика проектирования состава мелкозернистого бетона имеет ряд особенностей по сравнению с существующими:

• при назначении необходимого цементно-водного отношения учитывается тип бетонной смеси по ее удобоукладываемости, который определяет способ формования изделий и конструкций;

• учитывается не только крупность, но и форма зерен заполнителя через величину его удельной поверхности;

• используется физическая концепция формирования плотной структуры бетонной смеси (цементное тесто заполняет пустоты между зернами заполнителя и создает на его зернах пленку некоторой толщины, от величины которой зависит удобоукладываемость бетонной смеси).

Анализ экспериментальных данных позволяет предложить усредненные значения коэффициентов А и b с учетом вида бетонных смесей по удобоукладываемости.

При расчете состава мелкозернистой бетонной смеси необходимо учитывать, что после ее уплотнения в бетоне всегда остается некоторый объем воздуха. Количество вовлеченного воздуха определяется особенностями конкретных воздухововлекающих добавок. Определенный объем воздуха остается в результате недоуплотнения бетонной смеси (защемленный воздух Vз.в). Аппроксимация данных позволяет предложить выражения для расчета объема защемленного в мелкозернистых бетонных смесях воздуха (л):

• для пластичных смесей:

Vз.в=-6,52ln(ОК+1) + 19,9,

• для жестких смесей:

Vз.в=24,95ln(Ж+1) - 8,3.

Для смесей, жесткость которых нельзя определить обычными методами, (сверхжесткие или полусухие смеси), а также для бетонных смесей, которые уплотняются силовыми способами, объем защемленного воздуха зависит от параметров и особенностей способа уплотнения. Для бетонных смесей, которые уплотняются вибропрессованием, количество защемленного воздуха можно найти по номограмме, полученной на основе экспериментальных данных. Расходы всех компонентов мелкозернистой бетонной смеси связываются между собою условием: Vц.т+ Vп+ Vз.в =1000 л,

где Vц.т -объем цементного теста, л; Vп -объем песка, л.

Количество цементного теста должно быть таким, чтобы заполнить пустоты между зернами песка и создать на них пленку некоторой толщины.

Анализ известных экспериментальных данных дает возможность утверждать, что условная толщина пленки ?зависит от удобоукладываемости бетонной смеси (Ж или ОК), Ц/В, удельной поверхности заполнителя (S), пустотности заполнителя в насыпном состоянии и объема пустот между зернами заполнителя незаполненного цементным тестом (Vн).

Определить условную толщину цементной пленки на зернах заполнителя можно пользуясь номограммами полученными на основе экспериментальных данных В.П.Сизова.

Величина Vн характеризует недостаток цементного теста для заполнения пустот между зернами заполнителя (а в некоторых случаях и на создание пленки условно-минимальной толщины (13 мкм)), наличие защемленного воздуха.

В первом приближении Vн можно принимать равным объему защемленного воздуха Vз.в., однако в случае, если полученная величина ?будет меньше 13 мкм, Vн нужно увеличивать, пока условие не будет выполнено.

Снижение величины Vн можно достичь увеличением количества цементного теста за счет введения дисперсного активного или инертного наполнителя (например золы или гранитной пыли).

5.Бетоны термосного твердения

Задачи проектирования состава бетона при выдерживании конструкции методом термоса преследуют цель определить такое соотношение компонентов бетонной смеси, которое позволит обеспечить заданные свойства бетона к моменту его замерзания. В зависимости от характера учитываемых ограничений можно выделить три основные типы задач:

1) с заданными характеристиками исходных материалов и параметрами термосного выдерживания бетона;

2) с заданными параметрами термосного выдерживания бетона и возможностью выбора вида и марки цемента;

3) с возможностью выбора вида и марки цемента и параметров термосного выдерживания бетона.

Расчеты составов бетона сводятся к решению оптимизационных задач с использованием уравнений:

• требуемой прочности бетона для обеспечения заданного класса;

• теплового баланса, при котором обеспечивается необходимый тепловлажностный режим твердения бетона;

• роста прочности бетона во времени для принятых температурно-влажностных параметров режима твердения;

• абсолютных объемов.

Критериями оптимальности в задачах указанных типов могут быть минимально возможный расход цемента, энергозатраты или стоимость бетона с учетом нагрева смеси и изготовления соответствующей опалубки. Возможна постановка задач оптимизации с целью достижения заданного критерия оптимальности, например, минимальной стоимости при ограничениях по энергоресурсам и расходу цемента.

При заданном значении прочности бетона к моменту замерзания необходимую длительность изотермического выдерживания находят по известным рекомендациям с учетом температуры твердения и вида цемента.

Модуль поверхности конструкции и коэффициент теплопередачи опалубки определяют по известным формулам, затем назначают конструкцию опалубки и, при необходимости, для задач третьего типа выбирают и дополнительно рассчитывают толщину теплоизоляции.

Принимая за температуру изотермического выдерживания бетона среднюю его температуру tб.ср за период охлаждения, из формулы теплового баланса можно найти необходимый расход цемента при термосном выдерживании бетона, обеспечивающий при данном коэффициенте теплопередачи опалубки такую экзотермию, которая требуется для поддержания tб.ср. Расход цемента, принятый из условия теплового баланса, может существенно превышать необходимый расход цемента из условия прочности. В этом случае фактические прочности бетона как на момент замерзания, так и в 28 сут R28,20 будут значительно завышены. Поэтому оптимальный расход цемента можно определить путем совместного решения уравнений, и уравнения проектной прочности бетона R28,20. Очевидно, что это возможно лишь с помощью метода последовательных приближений. Расчет считают завершенным, когда разница между значениями расхода цемента из условий прочности и теплового баланса не превышает 5%.

При условии, что прочность бетона после термосного выдерживания должна быть не ниже заданной, по уравнениям можно оценить энергетическую эффективность разных возможных технологических приемов уменьшения в пределах каждого из указанных типов задач, в том числе и целесообразности некоторого перерасхода цемента.

Наиболее сложными представляются задачи с использованием критерия оптимальной стоимости (С), особенно задачи третьего типа, когда оптимизация состава бетона рассматривается неразрывно с оптимизацией параметров термосного выдерживания бетона. В этом случае целевая функция:

С = Сб.с + Соп + Снагр ,

где Сб.с - стоимость бетонной смеси на момент окончания укладки; Соп - стоимость опалубки; Снагр - стоимость предварительного нагрева бетонной смеси.

Все составляющие уравнения взаимозависимы. Решение оптимизационных задач связано с некоторыми ограничениями, вызванными наличием материальных ресурсов и условиями выполнения работ.

На стадии проектирования производства работ оптимизационные расчеты могут применяться для сравнения эффективности метода термоса с другими методами зимнего бетонирования. При этом следует рассматривать все возможные способы уменьшения расхода цемента и срока твердения бетона (утепление опалубки, применение цементов с повышенной экзотермией и ускорителей твердения, уменьшение водопотребности смеси и др.).

При расчетах составов бетонов для зимнего бетонирования, подвергаемых электропрогреву или другим способам термической обработки, необходимо учитывать различный прирост прочности при разогреве, изотермическом прогреве и охлаждении бетона, поскольку средние значения температур в каждый период обработки существенно отличаются.

6. Бетоны с противоморозными добавками

К наименее энергоемким технологиям зимнего бетонирования относятся технологии, предполагающие введение в бетонные смеси противоморозных добавок. Применение их возможно в комплексе с технологиями термоса, электропрогрева, пароразогрева и др. Во всех случаях исходной технико-экономической задачей является назначение расчетной температуры твердения бетона tб.ср.

В конкретных технологических условиях необходимое значение tб.ср. может достигаться как за счет регулирования начальной температуры бетона, так и ограничением конечной температуры твердения.

На выбор конечной температуры влияют прежде всего температурные условия окружающей среды и возможная конструкция опалубки.

Определение необходимой tб.ср должно быть увязано с заданными значениями нормируемых свойств и возможными ограничениями во времени.

При положительной температуре твердения tб.ср химические добавки выступают в роли ускорителей твердения, увеличивая соответственно А?,t или уменьшая при заданном А,t - срок твердения.

При отрицательном значении tб.ср возникает необходимость применения противоморозных добавок.

7. Легкие бетоны

Расчет составов легких бетонов направлен на предварительное определение расходов входящих в них компонентов, обеспечивающих при заданных условиях твердения достижение нормируемых показателей. Во всех случаях проектирование составов легких бетонов наряду с прочностью при сжатии должно обеспечивать их заданную плотность.

Проектирование составов легких бетонов может производиться:

1) при заданных видах крупного и мелкого заполнителей с известными значениями их плотности;

2) при заданном виде и плотности крупного пористого заполнителя с возможным выбором вида песка;

3) с выбором как крупного так и мелкого заполнителей.

Выбор марки цемента производится с учетом рекомендаций. В соответствии с ними при данном классе бетона эффективность повышения марки цемента тем больше, чем ниже средняя плотность бетона и меньше прочность крупного пористого заполнителя.

Выбор крупного пористого заполнителя производится на основе эмпирических данных, связывающих его насыпную плотность с плотностью и прочностью бетона (Rб).

Минимально возможная плотность крупного пористого заполнителя определяется из условия достижения заданной прочности бетона в зоне эффективных составов (первый участок кривой Rб=f(Rр), где Rр- прочность раствора).

Известно, в частности, что для плотного легкого бетона максимальное отношение рекомендуется при до 800 кг/м3 - 0,40, 800...1100 кг/м3 - 0,45, 1200...1400 кг/м3 - 0,50, 1400...1800кг/м3 - 0,55.

Вид песка, характеризуемый плотностью его зерен, зависит от требуемой плотности растворной составляющей, а последняя от необходимой плотности бетона.

Предлагаемые ниже алгоритмы расчета составов легких бетонов, основаны на сформулированных в разделе 4 правиле "приведенного Ц/В" и соответствующих расчетных зависимостях прочности бетонов, учитывающих как Ц/В так и объем пор, образованных пористыми заполнителями и вовлеченным воздухом. Линейная зависимость прочности легких бетонов от приведенного Ц/В сохраняется в области эффективных составов, когда крупный заполнитель работает совместно с растворной составляющей, т.е. в пределах первой фазы кривой прочности бетона в зависимости от прочности входящего в него раствора (по А.И.Ваганову).

Традиционные методики проектирования составов легких бетонов основаны на предварительном назначении расхода цемента и объемной концентрации пористого заполнителя на основе эмпирических данных, учитывающих прочность и плотность бетона, подвижность бетонной смеси, плотность и прочность заполнителей. С этой целью могут быть использованы как табулированные справочные данные, так и соответствующие уравнения регрессии.

Расчет составов легких бетонов методом "приведенного Ц/В" предполагает определение параметра Z из уравнения, а затем последовательное определение необходимых расходов крупного и мелкого заполнителей, вовлеченного воздуха, воды и цемента.