СПОСОБ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВА СМЕСИ ЛЕГКОГО БЕТОНА Российский патент 1994 года по МПК C04B28/00 

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано на заводах железобетонных изделий и конструкций.

Известен способ подбора состава смеси легкого бетона по оптимальному расходу воды.

Недостатками данного способа подбора состава смеси легкого бетона являются: сложный и трудоемкий процесс составления рецептуры смеси бетона, подбор опытным путем соотношения щебня и песка, водоцементного отношения, отсутствие оптимальности гранулометрического состава минеральной смеси легкого бетона.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ подбора состава смеси легкого бетона.

Однако известный способ имеет существенные недостатки, которые выражаются в следующем: расход цемента, требуемое водоцементное отношение и соотношение между щебнем и песком определяются методом подбора путем последовательного проведения серии экспериментальных проверок, бетонные смеси, получаемые известным способом, не отличаются оптимальностью гранулометрического состава.

Цель изобретения - упрощение проектирования бетонной смеси и оптимизация зернового каркаса системы.

Достигается тем, что в способе, включающем определение межзерновых пустот минеральных компонентов - щебня, песка и цемента расчетным путем и их пористости, проведение ситового анализа минеральных компонентов, расчет объемных коэффициентов раздвижки зерен по данным ситового анализа, определение расхода щебня, песка, цемента и воды производится соответственно по формулам
V_щ= , м^3,
V_щ= , м³,
V_ц= · , м³,
V_в= · · , м³,
V_вн= V_щ V_пор.щ.+V_п V_пор.п, м³, где V_щ, V_п, V_ц, V_в, V_вн - насыпные объемы соответственно щебня, песка, цемента, объем воды затворения, доля единицы объема, м³;
V_пщ, V_пп, V_пц - объемы межзерновых пустот (пустотность) соответственно щебня, песка и цемента, доля единицы объема; α _щп, α _щц, α _щв, α _пц, α_пв, α_цв - объемные коэффициенты раздвижки зерен (частиц) соответственно щебня - песком, щебня - цементом, щебня - пpослойкой воды, песка - цементом, песка - прослойкой воды, цемента - прослойкой воды, безразмерные величины; V_пор.щ, V_пор.п. - пористость зерен щебня и песка, доля единицы объема.

Сущность предлагаемого способа иллюстрируется следующим примером.

Для проектирования состава смеси легкого бетона предусмотрено использование щебня в виде пористых зерен пемзы, песка в виде пористых зерен активного глинозема, сланцезольного портландцемента марки "М500" и воды.

Измельченную пемзу фракционируют просеиванием через набор сит по ГОСТ 3584-73 и отбирают фракции с размерами зерен 20 и 40 мм. Гранулометрический состав щебня определяют по ГОСТ 18318-73. Полученные фракции пемзы испытывают по ГОСТ 9758-86. Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытаний. По результатам испытаний получены следующие физические показатели пемзы: истинная плотность материала 2,84 т/м³; кажущаяся плотность 1,4 т/м³ (плотность без учета пористости зерен); насыпная плотность 0,662 т/м³; объем межзерновых пустот (пустотность) 0,507 м³/на 1 м³ зерен; пористость зерен 0,260 м³/на 1 м³ зерен.

Активный глинозем представляет собой готовый продукт с размерами зерен 3-6 мм, фракционированием определяют распределение зерен по размерам: фракция с размерами зерен 3-5 мм по массе составляет 88% , с размерами зерен 5-6 мм - 12% .

Фракции активного глинозема испытаны по ГОСТ 9758-86. Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытаний. По результатам испытаний песка (активного глинозема) получены следующие физические показатели, т/м³
истинная плотность материала 3,6 ;
кажущаяся плотность песка (без учета пористости зерен) 1,908;
насыпная плотность песка 0,972;
Объем межзерновых пустот насыпного объема песка (активного глинозема) - 0,470 м³;
пористость зерен - 0,260 м³;
сланцезольный портландцемент марки "М500"; по РСТ ЭССР 213-84 определяют плотность цемента, которая равна 3,01 т/м³, и насыпную плотность цемента, которая равна 1,30 т/м³. Объем межзерновых пустот цемента (пористость) рассчитан по формуле
V_пц= 1- = 1 = 0,568 м³
Проектирование состава смеси легкого бетона для приготовления 1м³ бетонной смеси производится в следующей последовательности.

Определяют оптимальное соотношение зерен щебня (пемзы) размером 40 мм и размером 20 мм для получения бинарной смеси щебня. Определяют объемный коэффициент раздвижки зерен щебня размером 40 мм зернами щебня размером 20 мм по формуле
α= ,
α_40-20= = 3,375.

Определяют потребность фракции щебня с размерами зерен 40 мм для приготовления 1 м³ смеси щебня:
V_d40= = = 0,296 м³ .

Определяют потребность фракции щебня с размерами зерен 20 мм для приготовления смеси щебня объемом 1 м³ по формуле:
^Vd20^=1-·Vd40^{=1-·0,296=0,854} , где 1,4 т/м³ - кажущаяся плотность пемзы.

Определяют объем пористых зерен щебня (пемзы) в смеси щебня:
V_п.з.щ= (V_d40-V_d40 V_мз.пd40)+(V_d20-V_d20x xV_мз.пd20)= (0,296-0,296˙ 0,507)+ (0,854- -0,854˙0,507)= (0,296-0,150)+(0,854- -0,433)= 0,146++0,421= 0,567 м³.

Определяют объем монолитного материала пористых зерен щебня (пемзы) в смеси щебня:
V_мон= (V_монd40-V_монd40x xV_пор.d40)+(V_монd20-V_монd20V_пор.d20)= (0,146- -0,146 ˙0,260)+(0,421-0,421˙ 0,260)= (0,146- -0,038)+(0,421-0,109)= 0,108+0,312= 0,420 м³.

Определяют насыпную плотность единицы объема смеси щебня (пемзы): ρ_смщ= ρ_щ V_монd40+ ρ_щ V_мd20= 2,84x x0,108+2,84 ˙0,312= 0,307+0,886= 1,193 т/м³.

Объем межзерновых пустот смеси щебня (пемзы) определяют по формуле
V_оп= V_d20 V_пцсd20= 0,854˙ 0,507= 0,433 м³.

Объем смеси щебня (пемзы) составит величину:
V_смщ= V_п.з.щ+V_оп= 0,567+0,433= 1,000 м³, т. е. получен планируемый объем смеси щебня.

Расчет соотношения компонентов для приготовления 1 м³ смеси легкого бетона производят в следующей последовательности.

Определяют объемные коэффициенты раздвижки зерен щебня (пемзы) (40 мм и 20 мм) зернами активного глинозема по формуле
.

Определяют средний размер зерен песка (активного глинозема)
= 4 мм,
= 5,5 мм,
1,472;
α_40-4= = 1,331 ;
;
α_20-4= = 1,728
Определяют долю участия зерен песка (активного глинозема) в объемном коэффициенте раздвижки зерен щебня размером 40 мм с учетом массового содержания зерен песка:
α₄₀= 1,472 ˙ 0,12= 0,177;
α₄₀= 1,331·0,88= ;
Определяют долю участия зерен песка (активного глинозема) в объемном коэффициенте раздвижки зерен щебня размером 20 мм с учетом массового содержания зерен песка:
α ₂₀= 2,073 ˙ 0,12= 0,249;
;
Определяют долю участия в объемном коэффициенте раздвижки зерен щебня (пемзы) зернами песка (активного глинозема) с учетом массового содержания зерен щебня в смеси щебня:
содержание зерен размером 40 мм составляет 23,9% , зерен размером 20 мм 76,1% ;
α₄₀= 1,525 ˙0,239= 0,364;
α₂₀= 1,770·0,761= ;
Общий объемный коэффициент раздвижки зерен смеси щебня (пемзы) всеми зернами (частицами) песка (активного глинозема) равен:
α _щп= 1,711.

Определяют объемный коэффициент раздвижки зерен щебня (40 и 20 мм) частицами цемента (0,04 мм) по формуле
α_щп= ;
= 1,003 ;
;
α _щ40ц= 1,003 ˙ 0,239= 0,240;
α_щ20ц= 1,006·0,761= ;
Общий объемный коэффициент раздвижки зерен смеси щебня всеми частицами цемента равен
α_щц= 1,006.

Определяют объемный коэффициент раздвижки зерен щебня прослойкой воды по формуле
α_щв= ,
= 1,000015 :
;
α_щ40в= 1,000015 ˙ 0,239= 0,2390035;
α_щ20в=1,00003·0,761= ;
Общий объемный коэффициент раздвижки зерен щебня (пемзы) прослойкой воды равен:
α _щв= 1,000026.

Определяют объемный коэффициент раздвижки зерен песка (активного глинозема) частицами цемента по формуле
α_пц= ,
= 1,022 :
= 1,030 .

Определяют долю участия в общем объемном коэффициенте раздвижки зерен песка (активного глинозема) частицами цемента с учетом массового содержания зерен в песке (активном глиноземе):
α _5,5= 1,022˙ 0,120= 0,123;
, 030·0,880= ;
Общий объемный коэффициент раздвижки зерен песка частицами цемента равен:
α_пц= 1,029.

Определяют объемный коэффициент раздвижки зерен песка прослойкой воды по формуле
;
= 1,0001;
= 1,00015;
α _п5,5в= 1,0001˙ 0,120= 0,120012;
α_п4в=1,00015·0,880= .

Общий объемный коэффициент раздвижки зерен песка прослойкой воды равен:
α_пв= 1,00014.

Определяют объемный коэффициент раздвижки частиц цемента прослойкой воды по формуле: α_цв= 1,015.

Определяют потребность щебня (пемзы) для приготовления 1 м³бетонной смеси легкого бетона по формуле
V_щ= · = 0,581 м³ .

Определяют потребность песка (активного глинозема) для приготовления 1 м³ бетонной смеси по формуле
.

Определяют потребность цемента для приготовления 1 м³ бетонной смеси по формуле
V_ц= · =
· = → .

Определяют потребность воды затворения для приготовления 1 м³бетонной смеси по формуле
V_в= · · =
.

Предварительное насыщение зерен щебня и песка водой в количестве:
V_вн= V_щ V_пор.щ+V_п V_пор.п= 0,581x x0,26+0,652 ˙ 0,26= 0,321 м³обеспечит снижение объемной массы бетона, расхода цемента и повышение его пористости.

Определяют объем зерен (частиц) минеральной части бетонной смеси по формуле
V_зерен= (V_щ-V_щ V_пщ)+(V_п-V_п V_пп)+(V_ц-V_цx xV_пц)= (0,581-0,581 ˙0,433)+(0,652-0,652x x0,470)+(0,321-0,321 ˙0,568)= (0,581- -0,252)+(0,652-0,306)+(0,321-0,182)= 0,329+ +0,346+0,139= 0,814 м³;
V_пщ= 0,433 м³; V_пп= 0,470; V_пц= 1- = 1 = 0,568 .

Объем уплотненной бетонной смеси
V_см= V_зерен+V_пцс.см= 0,814+0,186= 1,000 м³,
V_пус.см= V_в равен планируемой величине.

Определяют плотность бетонной смеси по формуле γ _cм= ρ_щ V_мон.щ+ ρ_п V_мон.п+ ρ_ц V_мон.ц+V_в= ρ_щ(V_зеренщ-V_зер.щ. V_пор.щ)+ ρ_п(V_зер.пп. V_пор.п)+ + ρ_ц V_мон.ц+V_в= 2,84˙ (0,329-0,329x x0,260)+3,6(0,346-0,346 ˙0,260)+3,01x x0,139+0,186= 2,84˙ (0,329-0,086)+ 3,6x x(0,346-0,090)+ 0,418+0,186= 2,84 ˙0,243+3,6x x0,256+0,418+0,186= 0,690+0,922+0,418++86= 2,216 т/м³.

Таким образом, для получения 1 м³ смеси легкого бетона с оптимально упакованной структурой зерен и частиц с учетом физических свойств конкретного сырья требуется:
V_щ= 0,581 м³ (0,69 т) щебня,
V_п= 0,652 м³ (0,922 т) песка,
V_ц= 0,321 м³ (0,418 т) цемента,
V_в= 0,186 м³ (0,186 т) вода затворения
V_вн= 0,321 м³ вода для насыщения зерновой пористости щебня и песка
γ смеси бетона - 2,216 т/на 1 м³ бетонной смеси.

Применение предлагаемого способа проектирования состава смеси легкого бетона по сравнению с прототипом обеспечивает возможность определения соотношения между всеми компонентами бетонной смеси на основе качественного испытания исходных сырьевых материалов с использованием математического аппарата, причем точность определения соотношения компонентов зависит только от точности измерения физических показателей минеральных материалов и точности расчетов. Предлагаемый способ проектирования состава бетонной смеси основан на точном соблюдении физической закономерности упаковки зерен и частиц в сложной системе с учетом заполнения межзернового объема и раздвижки всех зерен большего размера зернами (частицами) меньшего размера и с учетом раздвижки всех зерен и частиц водной прослойкой.

Регулирование подвижности бетонной смеси (удобоукладываемость) может производиться только увеличением количества вводимой воды сверх расчетного.

Увеличение прочности бетона на изгиб может производиться только увеличением вводимого цемента, но с обязательным перерасчетом соотношения компонентов с учетом большего значения величины объемного коэффициента раздвижки всех зерен цементом (для одной и той же марки цемента). (56) Комар А. Г. Строительные материалы и изделия М. , 1976, с. 191-195, 535.

Методические рекомендации по подбору состава дорожного бетона, М. , СоюздорНИИ, 1973, с. 9-11.

Использование: в промышленности стройматериалов. Сущность: способ проектирования состава смеси легкого бетона, включающий определение межзерновой пустотности минеральных компонентов - щебня, песка и цемента расчетным путем и их пористости, проведение ситового анализа минеральных компонентов, расчет объемных коэффициентов раздвижки зерен по данным ситового анализа и определение расхода компонентов на 1 м³ бетонной смеси с учетом полученных данных. С целью упрощения проектирования бетонной смеси и оптимизации зернового каркаса системы, расход щебня, песка, цемента и воды определяют соответственно по формуле, приведенной в описании.

СПОСОБ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВА СМЕСИ ЛЕГКОГО БЕТОНА, включающий определение межзерновой пустотности минеральных компонентов - щебня, песка и цемента расчетным путем и их пористости, проведение ситового анализа минеральных компонентов, расчет объемных коэффициентов раздвижки зерен по данным ситового анализа и определение расхода компонентов на 1 м³ бетонной смеси с учетом полученных данных, отличающийся тем, что, с целью упрощения проектирования бетонной смеси и оптимизации зернового каркаса системы, расход цемента, щебня, песка и воды определяют соответственно по формуле
V_щ= , м³
V_п=
V_ц= ·
V_в= · ·
V_вн = V_щ˙V
где V_щ, V_п, V_ц, V_в, V_вн - насыпные объемы соответственно щебня, песка, цемента, объем воды затворения, доля единицы объема, м³;
V_пщ, V_пп, V_пц - объемы межзерновых пустот (пустотность) соответственно щебня, песка и цемента, доля единицы объема, м³;
α_щп,α_щц,α_щв,α_вц,α_пв,α_цв - объемные коэффициенты раздвижки зерен (частиц) соответственно щебня - песком, щебня - цементом, щебня - прослойкой воды, песка - цементом, песка - прослойкой воды, цемента - прослойкой воды, безразмерные величины;
V_пор.щ, V_пор.п - пористость зерен щебня и песка, м³.