Приборы и материалы

Формы для изготовления образцов 10x10x10 см по ГОСТ 22685 [25].

Лабораторная виброплощадка типа 435А или СМЖ 539 по ТУ 22- 4419 , СМЖ 739 по ТУ 22-109-24.

Камера нормального твердения.

Весы по ГОСТ Р 53228 [22].

Линейка стальная ГОСТ 427 [26].

Прессы для испытания на сжатие по ГОСТ 28840 [27].

Кельмы типа КБ по ГОСТ 9533 [28].

Противень для приготовления смеси

Цилиндрические металлические сосуды по ГОСТ 10181 [29] объемом 1, 2 и 5 дм3.

Мерные цилиндры емкостью 500, 1000 мл.

Прибор-конус для определения подвижности бетонной смеси по ГОСТ 10181 [29].

Стержень для штыкования по ГОСТ 10181 [29].

Гладкий металлический лист размером нс менее 100x100 мм

Форма размером 200x200x200 мм по ГОСТ 22685 [25].

Прибор конструкции Красного по ГОСТ 10181 [29].

Проектирование состава бетона по математическим моделям

4.2.1 Управление свойствами сложных систем предполагает принятие решений о выборе или изменении тех или иных входных параметров (факторов), влияние которых на систему усложняется при увеличении их количества.

Изучение системы при помощи упрощенных моделей, которые отражают отдельные ограниченные в нужном направлении стороны происходящих процессов -называется моделированием.

Данные для построения модели поведения системы можно получить либо при помощи пассивного наблюдения, либо путем проведения эксперимента. Наиболее эффективным экспериментом является активный или планируемый эксперимент. В этом случае, исходя из теоретической информации или предварительных исследований. выбирается количество и величина факторов и предположительный характер влияния их на свойства системы. Проведение эксперимента по плану позволяет при меньших затратах материалов и времени получить представление о поведении системы.

Процесс получения по результатам эксперимента многофакторных математических моделей включает следующие этапы: расчет основного исходного состава бетонной смеси; выбор факторов и интервалов их варьирования ; выбор плана и условий проведения эксперимента ; расчет всех составов бетонной смеси и проведение экспериментов по выбранному плану ; обработка результатов эксперимента с получением математических зависимостей свойств бетона и бетонной смеси от выбранных факторов^ 1,52].

4.2.2 Для построения зависимости удобоукладываемости смеси у, , прочности бетона уг, от расхода цемента xi , воды хг предположим, что связь между входными и выходными параметрами носит линейный характер и имеет вид

у = Ь() + Ь|Х| + ЬэХ2 + ЬзХ|Х2 (4.1)

Коэффициенты в уравнении bi определяются при помощи полного двухфакторного эксперимента. В данном случае варьируемыми факторами являются расход цемента xi и воды хг в бетоне, а выходными параметрами удобоукладывасмость смеси у, , прочность бетона уг .Характеристики плана эксперимента после их выбора заносятся в таблицу 4.1.

Таблица 4.1- Характеристики плана эксперимента

Характеристики

Код

Расход цемента XI , кг/м3

Расход воды Х2

м3

Интервал варьирования

Нижний уровень

Основной уровень

Верхний уровень

Д -1 0 +1

Матрица планирования полного двухфакторного эксперимента представлена в таблице 4.2

Таблица 4.2 - Матрица планирования

План в кодированных координатах

х,(ц)

х:(в)

-1

-1

+ 1

-1

-1

+ 1

+ 1

+ 1

Сначала необходимо назначить основной уровень варьируемых факторов эксперимента (таблица 4.1) и рассчитать расходы остальных компонентов бетонной смеси. Нужно отметить, что основной или нулевой состав может быть назначен на основе экспериментальных или теоретических данных, в предположении, что выходные параметры для такого состава являются оптимальными. В нашем случае он рассчитывается по следующей методике.

  • 4.2.3 Расчет основного состава бетонной смеси производится методом абсолютных объемов. Необходимыми исходными данными для расчета являются :
    • - требуемая прочность бетона (назначается)
    • - условия уплотнения и соответствующая удобоукладываемость бетонной смеси ( назначается);
    • - характеристики исходных материалов (определяются экспериментально или по литературным источникам);

Расчет основан на следующих положениях :

а) прочность бетона зависит от активности цемента, цементо-водного отношения и качества заполнителя. Эта зависимость выражена в виде основного закона прочности бетона в формуле Боломея - Скрамтаева

Для обычного бетона В/Ц > 0,4

/?6=АЛц(^-0,5), ?>

В _ ARU

U-R6 + A0.5Ru

(4.2)

Для высокопрочного бетона В/Ц < 0,4

R6=A,RtIA + 0,5), 15

в A,Ru

Ц R6-A,-0,5Ru

(4.3)

где Rg - требуемая прочность бетона , кг/см2;

Ru- активность ( марка, класс ) цемента , кг /см2 ;

Переход от классов цемента по прочности к еще использующимся маркам и обратно может быть осуществлён по методике ГОСТ Р 55224-2012 Цементы для транспортного строительства. Технические условия [10] (см. приложение Б);

А - коэффициент качества заполнителя принимается 0,65 для высококачественных заполнителей, 0,6 - для рядовых, 0,55 - для низкокачественных (гравий вместо щебня, мелкий песок);

А1 - коэффициент качества заполнителя принимается 0,43 для высококачественных заполнителей, 0,4 - для рядовых, 0,37 - для низкокачественных (i равий вместо щебня, мелкий песок);

б) удобоукладываемость бетонной смеси при расходах цемента менее 400 кг / м 3 зависит только от расхода воды, т. е. для получения смеси заданной удобоукла-дываемости при различных расходах цемента требуется примерно одинаковое количество воды ( закон постоянства водопотребности ). Исходя из этого ориентировочный расход воды определяется по таблице 1.15 или по графикам в зависимости от заданной удобоукладываемости смеси и крупности заполнителя.

Расход цемента определяется по формуле

  • (В/Ц)
  • (4.4)

НО

Допускаемый нормами расход цемента для плотного тяжелого бетона находится в пределах от 180 до 600 кг/м3 бетона.

  • в) расход крупного и мелкого заполнителя вычисляют исходя из следующих условий:
    • 1) сумма абсолютных объемов компонентов, расходуемых на 1 м3 уплотненной бетонной смеси должна равняться 1м3 (1000 л), если пренебречь 1,5-2% вовлеченного воздуха
    • (4.5)

Рц Рв Рп Рщ

2) пустоты между крупным заполнителем в бетонной смеси должны быть заполнены цементно - песчаным раствором с учетом некоторой раздвижки зерен а > 1

Рц

Щ* ущ* а Рнщ

(4.6)

где Ц , В, П и Щ- расходы цемента , воды , песка и щебня ,кг;

рнщ - насыпная плотность щебня , кг / м3;

рп ,рп ,рщ, рв - плотность цемента , песка , щебня и воды ,кг / м3;

а - коэффициент раздвижки зерен щебня раствором (таблица 4.3);

v11( - пустотность щебня в относительных единицах.

Решая совместно уравнения (4.5, 4.6 ) относительно расхода щебня получаем

Уща

Рнщ

Рщ

(4.7) где - условные обозначения см. уравнение (4.6).

Далее определяют расход песка по формуле:

(4.8)

Таблица 4.3 - Значение коэффициента раздвижки

Расход цемента кг/ м3

а при В/Ц

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

  • 250
  • 300 350 400 500
  • 600
  • 1,31
  • 1,44
  • 1,52
  • 1,32
  • 1,40
  • 1,52
  • 1,56
  • 1,30
  • 1,38
  • 1,46
  • 1,56
  • 1,26
  • 1,36
  • 1,44
  • 1,32
  • 1.42

1,38

Примечания

  • 1 .При других значениях Ц и В / Ц коэффициент а находится интерполяцией .
  • 2. При использовании мелкого песка с водопогребностью менее 7 % коэффициент а уменьшают на 0,03 на каждый процент увеличения водопотрсбности песка. Для крупного песка с водопотребностью менее 7 % а увеличивают на 0,03 на каждый процент уменьшения водопотребности .
  • 3. Для жестких бетонных смесей при расходе цемента менее 400 кг/м3 принимают а ® 1,1.
  • 4.Значения а < 1,05 принимают в случае использования мелких песков.
  • 5.Для жестких смесей с расходом цемента более 400 кг/ м3 принимают а > 1,1

Правильность расчета можно проверить подставив в левую часть уравнения (4.5) полученные значения расходов цемента, воды и заполнителей.

Имея расход материалов для основного состава бетона определяют по формуле ( 4.9 ) расчетную плотность бетонной смеси.

Плотность основного состава равна

Рбсм - Ц + П + Ш +В

  • (4.9) где Ц , П , Щ , В - расход соответственно цемента , песка , щебня и воды на 1 м3 бетона основного состава .
  • 4.2.4 Расчет состава бетонных смесей соответствующих плану эксперимента производился из условия равенства плотности смесей плотности смеси основного состава. При этом интервал варьирования факторов (А) относительно основного состава (нулевого уровня) рационально принять для расхода цемента от 40 до 60 кг, для воды от 10 до 20 л.

Затем по формулам ( 4.10- 4.13 ) с учетом расчетной плотности определяют составы бетонной смеси для каждой точки плана эксперимента, данные расчетов оформляются в виде таблицы 4.4.

Расход заполнителей для каждого опыта определяем по формуле

З = рбсм-Ц-В (4.10)

Расход песка

П = 3г (4.11)

где 3 - расход заполнителей , кг

г - доля песка в смеси заполнителей

П/Рп

Г — ------------- (412)

(Щ/Рщ + П/рп)

Расход щебня

Щ = 3 —П (4.13)

Таблица 4.4 - Матрица планирования и расчет составов бетона.

План в кодированных координатах

В/Ц

План в натуральных переменных, кг

Расход остальных компонентов смеси, кг

Х1(Ц)

х2(в)

Цемент

Вода

Песок

Щебень

В/Ц = A Ru / ( R6 +

+А 0,5 Ru)

Ц= В/(В/Ц)

Ориентировочный расход воды определяется по таблице 4.3

П =( 1 -(Ц/рц + + В + Щ / рщ )) р„

Щ = 1 / (ущ а / р11Щ

+ 1 / Рш)

1

2

3

4

5

6

7

8

№0

0

0

Плотность исходного состава равнарбсм = Ц + П + Щ +В

Расход заполнителей для каждого опыта 3 = р бСМ- Ц - В

№1

№2

№3

№4

Продолжение таблицы 4.4

1

2

3

4

5

6

7

8

П = 3г

  • ___рп___
  • (Щ/рщ + П/рп)

щ = з - п

№1

-1

-1

№2

+ 1

-1

№3

-1

+1

№4

+ 1

+1

115

4.2.5 Для каждой точки плана изготавливается не менее двух образцов для определения прочностных характеристик бетона.

Расход материалов на лабораторный замес определяется по формулам:

Цу = nV Ц* 0.001

Bv = n V В *0.001

(4.14)

Щу= nVLH * 0.001

Пу = nV П * 0.001

где Цу, Bv, Щу, Пу - расход материалов на опытный замес, кг;

Ц, В , Щ, П - расход материалов на 1 м3 бетонной смеси для данной точки плана, кг;

V - объем образцов для данной точки плана, дм3;

п- коэффициент запаса бетонной смеси ;

0.001 - переходный коэффициент;

Таблица 4.5 - Расходы материалов на лабораторные замесы.

Цемент Цу = n V Ц * 0.001

Вода

By = nVB* 0.001

Щебень Щу= nVLU * 0.001

Песок

Пу = nV П* 0.001

1

2

3

4

4.2.6 Изготовление опытных образцов (реализация эксперимента) должна производиться в течение одного дня за возможно более короткий отрезок времени, т.к. изменение условий проведения эксперимента может вызвать отклонения в результатах.

Бетонная смесь изготавливается в предварительно смоченных противе-нях. Сначала перемешиваются заполнители щебень и песок, затем добавляются 116 цемент и вода и вновь производится перемешивание до полной гомогенизации смеси в течение 2-4 минут.

После приготовления смеси нужно определить се реологические характеристики (подвижность, жесткость) для получения математической модели влияния варьируемых факторов на свойства смеси (см. раздел 3.3).

Реализация эксперимента должна производиться в течение одного дня за возможно более короткий отрезок времени т.к. изменение условий проведения эксперимента может вызвать отклонения в результатах.

4.2.7 Определение фактических расходов материалов производится в связи с тем, что реальный состав бетонной смеси может отличаться от расчетного. Если при определении плотности бетонной смеси значения отличаются от расчетной больше чем на 2 %, состав бетона необходимо уточнить.

Для этого при приготовлении бетонной смеси определяют ее фактическую плотность рсм по 3.4 (за исключением ячеистого бетона) равную

Рем = ГЛ СМ /V см (4.15)

где V см - объем бетонной смеси , дм 3;

m см - масса бетонной смеси , г ;

Рсм - фактическая плотность бетонной смеси , г/ дм 3;

и для каждого состава рассчитывают фактический расход материалов на 1 м3 бетона по формулам [37]:

т т Геи

Цф=

(4.16)

пф=

(4.17)

ТТТ -Ан_

Щф=

(4.18)

Вф=^?. (4.19)

где g4, gn, gup g«, — масса соответственно цемента, мелкого заполнителя, крупного заполнителя и воды в замесе, кг;

Рем — фактическая плотность бетонной смеси, кг/м3;

— суммарная масса всех материалов в замесе, кг.

Результаты заносят в таблицу 4.6

Таблица 4.6-Перерасчет состава бетона

Масса пустого сосуда , ГПс

Масса сосуда со смесью, Шссм

Масса смеси, Шсм= Шссм -тс

Фактической плотностью бетонной смеси рсм = m См

с

я + tn + ii + ti = q.i.nnH.i.niffi крнюьпрд

Цемент

Цф-^кц

Вода

Вф-?*-Хв

Ще

бень

Песок

Нф = ^--ga

Проверочное условие Р см = Цф +Пф 4-Щф+Вф

1

2

3

4

Примечание -. Ц, П, Щ и В — расход соответственно цемента, мелкого заполнителя, крупного заполнителя и воды, кг/м3 бетона.

4.2.8 В зависимости от удобоукладывасмости бетона и способа уплотнения опытные образцы изготавливаются следующим образом.

Перед использованием внутренние поверхности форм покрывают тонким слоем смазки не влияющей на внешний вид и свойства поверхностного слоя бетона. Избыточное количество смазки может замедлить твердение бетона, снизить прочность и исказить результаты эксперимента.

Смесь с подвижностью более 10 см укладывают в формы слоями не более 100 мм штыкованием стальным стержнем диаметром 16 мм с закругленным кон

цом.

При подвижности менее 10 см и жесткости менее 11 с смесь уплотняют вибрированием до прекращения выделения пузырьков воздуха и появления тонкого слоя цементного теста на поверхности.

При жесткости смеси более 11 с используют вибрирование с пригру-зом (давление 0,04 га с/ см2).

Непосредственно после изготовления на каждый образец должна быть нанесена маркировка отражающая номер состава в плане, номер образца, дату изготовления.

Образцы предназначенные для твердения в нормальных условиях до распалубки хранят в формах покрытых материалом исключающим возможность испарения из них влаги при температуре воздуха ( 2()±5)°С.

Распалубка производится для бетонов класса В 7,5 и выше не ранее чем через 24 ч , класса В 5 и ниже не ранее чем через 48-72 ч

Распалубленные образцы хранят при температуре (20 ± 3 )°С и влажности воздуха ( 95 ± 5 ) % .

4.2.9 Испытание опытных образцов производится по истечении нормативного времени твердения (для естественного твердения обычно 28 суток). Предварительно образцы выдерживают при температуре ( 20 ± 5 )°С и влажности воздуха нс мснсс 33 % в течение 4 часов.

Перед испытанием образцы подвергают осмотру устанавливая наличие дефектов (трещины, околы ребер глубиной более 10 мм, раковины диаметром более 10 мм и глубиной более 5 мм, следы расслоения, недоуплотнения) при их наличии образцы испытанию не подлежат.

На образцах выбирают и отмечают грани, к которым должны быть приложены усилия в процессе нагружения.

Для образцов предназначенных к испытанию на сжатие сжимающая сила при испытании должна быть направлена параллельно слоям укладки бетонной смеси в формы.

Перед испытанием образцы измеряют и взвешивают с целью определения их средней плотности. Все образцы должны быть испытаны в расчетном возрасте в течение нс менее 1 ч.

Предварительно, исходя из предполагаемой прочности бетона, определяют требуемую мощность испытательной машины и скорость нагружения из условия, что ожидаемое значение разрушающей нагрузки должно быть в интервале 20-80 % максимальной нагрузки, а скорость нагружения должна составлять (0,6 ± 0,4) МПа/с при испытаниях на сжатие , при этом время нагружения одного образца должно быть не менее 30 с).

Для выбора пресса необходимо определить ожидаемую разрушающую нагрузку при испытании образцов.

R-A F= ~

( 4.20)

где R- требуемый класс бетона (указывается в исходных данных при проектировании состава бетона), МПа;

А - площадь приложения нагрузки, мм 2;

Мощность пресса определяется из неравенства

F F

ОД >N >

(4.21 )

Скорость нагружения образца должна быть равномерной и составлять (0,6 ± 0,4) МПа/с.

Следовательно, время на1ружеиия образца до его разрушения должно составить

R R

ОД >f“ Т

(4.22)

Принимается не менее 30 с.

При испытании образец должен быть расположен в центре на нижней опорной плите пресса.

Прочность бетона, МПа (кгс/см2), следует вычислять с точностью до 0,1 МПа (1 кгс/см2) при испытаниях на сжатие для каждого образца по формуле

R = a ^Kw (4.23)

где F - разрушающая нагрузка, Н (кгс);

А - площадь рабочего сечения образца , мм2 (см 2);

а- масштабный коэффициент, для образцов с ребром 70,100 150;

200, 300 мм равен соответственно 0,85;0,95; 1,00; 1,05; 1,10;

К w - поправочный коэффициент учитывающий влажность образцов (только для ячеистых бетонов).

Вид бетона

Номер образца

изготовления

Дата

4^

испытания

'-Л

Срок твердения

Os

Цемент

Расчетный

Расход материалов, кг/м’

<1

Песок

00

Кр. зап

Вода

о

Цемент

После пересчета

Песок

N)

Кр. зап

Вода

Цемент

Расход материалов на замес, кг

СП

Песок

Ch

Кр. зап

н—

Вода

00

Масса образца, г

19 20

Объем образца, см’

фактиче-

о

* * да

О О -4 О

  • 3 ? ? *
  • 1 о

Средняя плотность бетона, кг/м3

ГО

расчетная

М to

При испытании

to

Расчетная сухого

to

Разрушающее усилие ,кг

to сл

При испытании

я а X

i 1 М I 1

to

OS

Приведенная

to

ОК,см;

Ж,с

= i я

S и s

Таблица 4.7- Оформление таблицы результатов

Продолжение таблицы 4.7

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

сред нее

2-1

2-2

сре дн ее

3-1

3 2

сре

дн

ее

4 1

4-2

сре дн ее

123

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >