СПОСОБ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА Российский патент 1997 года по МПК G01N33/38 

Изобретение относится к области производства строительных материалов и может быть использовано на заводах железобетонных изделий, в гидротехническом строительстве, в строительных и дорожно-строительных организациях.

Известен способ проектирования бетонной смеси, включающий определение качества исходных материалов (цемент, вода, песок, щебень или гравий) согласно требованиям действующих стандартов и последующий расчет состава бетона в следующем порядке: определение цементно-водного отношения, расхода воды, цемента, щебня (гравия) и песка, проверка подвижности (жесткости) бетонной смеси, приготовление образцов для определения прочности и их испытание в заданные сроки, пересчет номинального на производственный состав бетонной смеси [1]
Известный способ проектирования состава бетона является трудоемким, длительным, недостаточно точным и не в полной мере учитывает свойства реально используемых производственных материалов, в первую очередь с точки зрения оптимальной упаковки зерен минеральных компонентов. Объем уплотненной бетонной смеси всегда меньше 1 м³ и корректируется поправочным коэффициентом - коэффициентом выхода (β).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ проектирования состава тяжелого бетона, включающий определение плотности и насыпной плотности щебня, песка, цемента, гранулометрический анализ исходных компонентов, расчет объемных коэффициентов раздвижки зерен по результатам гранулометрического анализа и расхода компонентов для приготовления 1 м³ уплотненной смеси тяжелого бетона [2]
Указанный способ подбора состава бетона предполагает использование многочисленных и сложных методов испытаний исходных материалов, большого объема расчетов, нескольких корректировок расчетных составов бетона. Кроме того, затруднена возможность управления составом бетонной смеси с целью оптимизации плотности бетона и зернового каркаса, регулирования его физико-механических свойств.

Технический результат изобретения снижение трудозатрат и времени на проведение испытаний сырьевых компонентов, точное определение расхода каждого компонента для приготовления 1 м³ уплотненной бетонной смеси, получение бетона с упорядоченной скелетной зерновой структурой, обеспечивающей максимальное уплотнение системы с учетом конкретного набора исходных сырьевых материалов, соотношений размеров зерен, снижение расхода цемента за счет оптимизации состава смеси щебня (гравия).

Технический результат достигается тем, что в способе проектирования состава тяжелого бетона, включающем определение плотности и насыпной плотности щебня, песка, цемента, гранулометрический анализ исходных компонентов, расчет объемных коэффициентов раздвижки зерен по результатам гранулометрического анализа и расхода компонентов для приготовления 1 м³ уплотненной смеси тяжелого бетона, используют фракции щебня с размерами зерен d₁, d₂, d_n, удовлетворяющими условию d₁>d₂>d₃>.>d_n рассчитывают насыпные объемы монофракций бинарной, тернарной и кватернарной смеси щебня по формулам
бенарной


тернарной

кватернарной

где Vd₁, Vd₂, Vd₃, Vd₄ насыпные объемы монофракций щебня, м³;
α, α_1-6- объемные коэффициенты раздвижки зерен щебня зернами щебня, безразмерные величины;
d₁, d₂, d₃ и d₄ размеры зерен монофракций щебня, м,
ρd₁, ρd₂, ρd₃ и ρd₄ плотность зерен фракций с размерами зерен d₁, d₂, d₃ и d₄, кг/м³;
γd₁, γd₂, γd₃ и γd₄ насыпная плотность фракций щебня с размерами зерен d₁, d₂, d₃ и d₄, кг/м³;
V_оп пустотность смеси щебня, безразмерная величина, по результатам расчета выбирают смесь щебня с минимальной величиной пустотности, расход щебня, песка, цемента и воды для приготовления 1 м³ смеси тяжелого бетона рассчитывают по формулам

где 1 объем смеси щебня с минимальной величиной пустотности, м³;
α_щп, α_щц, α_щв объемные коэффициенты раздвижки зерен смеси щебня песком, цементом, водой соответственно, безразмерные величины;

V_п насыпной объем песка, м³;
V_смщ насыпная плотность смеси щебня с минимальной величиной пустотности, кг/м³;
ρ_щ плотность зерен смеси щебня, кг/м³;
α_пц; α_пв объемные коэффициенты раздвижки зерен песка цементом и водой соответственно, безразмерные величины,

V_ц- насыпной объем цемента, м³;
ρ_п и γ_п плотность и насыпная плотность песка, кг/м³;
α_цв объемный коэффициент раздвижки цемента водой, безразмерная величина,

V_в объем воды затворения цемента, м³;
ρ_ц и γ_ц плотность и насыпная плотность цемента, кг/м³.

Способ осуществляют следующим образом.

Пример 1. Из полидисперсной смеси гранитного щебня фракционированием выделяют следующие фракции: d₁=70 мм, d₂=40 мм и d₃=10 мм. Плотность гранитного материала, определенная по ГОСТ 8269-87, составила 2730 кг/м³, насыпная плотность фракции с размерами зерен 70 мм 1670 кг/м³, фракции с размерами зерен 40 мм 1640 кг/м³ и фракции с размерами зерен 10 мм 1620 кг/м³. Для гидротехнического бетона допускают применение щебня с размерами зерен более 70 мм.

Определение состава оптимально упакованных бинарных смесей щебня (70 мм и 40 мм, 70 мм и 10 мм и 40 мм и 10 мм) производят в следующей последовательности (расчет приведен для бинарной смеси щебня 70 мм + 40 мм).

Определяют объемный коэффициент раздвижки зерен большего размера зернами меньшего размера по формуле

определяют расход фракции d₁= 70 мм для приготовления бинарной смеси щебня объемом 1 м³ оптимального состава:

Определяют расход фракции d₂= 40 мм для приготовления бинарной смеси щебня объемом 1 м³ по формуле

величину остаточной пустотности смеси щебня Vd₇₀=0,258 м³ и Vd₄₀=0,842 м³ рассчитывают по формуле

Аналогичные результаты расчета для других составов представлены в таблице 1.

Насыпная плотность бинарной смеси щебня с величиной остаточной пустотности 0,240 составит
γ_смщ= γd₇₀•Vd₇₀•γd₁₀•Vd₁₀= 1670•0,670+1620•0,590=2075 кг/м³.

Бинарную смесь щебня с минимальной величиной остаточной пустотности (0,240, табл. 1, поз. 2) используют для расчета состава смеси тяжелого бетона.

Природный кварцевый песок испытывают по ГОСТ 8735-75.

Плотность песка 2650 кг/м³, насыпная плотность 1400 кг/м³.

По результатам ситового анализа частные остатки песка на ситах составляют
2,5 мм 4%
1,25 мм 3,6%
0,63 мм 11,1%
0,315 мм 31%
0,14 мм 41,5%
0,14 мм 8,6%
Цемент марки М500, плотность 3010 кг/м³, насыпная плотность 1300 кг/м³.

Определение расхода компонентов для приготовления 1 м³ уплотненной бетонной смеси производят в следующей последовательности. Определяют объемные коэффициенты раздвижки зерен смеси щебня (70 мм и 10 мм) зернами природного песка по формуле


Принимают, что фракции <0,14 соответствуют среднему размеру частиц - 0,07 мм. Определяют долю участия в общем объемном коэффициенте раздвижки зерен щебня песка с учетом массового содержания отдельных фракций:

Определяют долю участия в общем объемном коэффициенте раздвижки зерен щебня частицами песка с учетом массового содержания зерен щебня в смеси щебня: содержание зерен щебня размером 70 мм в смеси щебня составляет 54% а зерен размером 10 мм -46%

α_щп = 1,064
Определяют объемный коэффициент раздвижки зерен щебня (70 мм и 10 мм) частицами цемента (0,04 мм) по формуле


α_щц = 1,007.
Определяют объемный коэффициент раздвижки зерен щебня прослойкой воды по формуле


α_щв = 1,00003
Определяют объемный коэффициент раздвижки зерен песка частицами цемента по формуле



Определяют объемный коэффициент раздвижки зерен песка водой по формуле

Определяют объемный коэффициент раздвижки частиц цемента водой прослойкой по формуле

Рассчитывают расход смеси щебня для приготовления 1 м³ уплотненной бетонной смеси по формуле

Рассчитывают расход природного песка для приготовления 1 м³ уплотненной бетонной смеси по формуле

Рассчитывают расход цемента для приготовления 1 м³ уплотненной бетонной смеси по формуле

Рассчитывают расход воды для приготовления 1 м³ бетонной смеси по формуле

Объем монолитного вещества в смеси бетона составляет
V_мон=V_смщ(1-V_псмщ+V_п(1-V_пуст.п)+ +V_ц(1-V_пуст.ц)=0,933 (1-0,240)+0,155(1-0,472)+0,206 (1-0,568)=0,880 м³.

V_бет.см=V_мон+V_в=0,880+0,120=1,000 м³ (расчет произведен правильно).

Пример 2. Из полидисперсной смеси гранитного щебня фракционированием выделены следующие монозернистые фракции: d₁=40 мм, d₂=30 мм, d₃=20 мм и d₄= 10 мм.

Плотность гранита 2730 кг/м³, насыпная плотность фракции с размерами зерен 40 мм 1640 кг/м³, фракции с размерами зерен 30 мм - 1630 кг/м³, фракции с размерами зерен 20 мм 1630 кг/м³, фракции с размерами зерен 10 мм 1620 кг/м³.

На основе имеющихся в наличии монозернистых фракций щебня производят расчет оптимальных по составу тернарных смесей щебня (критериями оценки оптимальности составов служат максимальная плотность смеси, максимальное содержание минерального вещества или минимальная величина остаточной пустотности смеси щебня): d₁=40 мм, d₂=30 мм и d₃=20 мм, d₁=40 мм, d₂=30 мм и d₄= 10 мм и d₁=40 мм, d₃=20 мм и d₄=10 мм.

Расчет произведен для приготовления 1 м³ тернарной смеси щебня (40 мм+30 мм+20 мм).

Определение расхода каждой монозернистой фракции для приготовления 1 м³ тернарной смеси щебня производят в следующей последовательности.

Определяют объемные коэффициенты раздвижки зерен больших размеров зернами меньших размеров по формулам

Определяют потребность во фракции с размерами зерен 40 мм для приготовления 1 м³ тернарной смеси щебня оптимального состава:

Определяют потребность во фракции с размерами зерна 30 мм для приготовления 1 м³ тернарной смеси щебня оптимального состава:

Определяют потребность во фракции с размерами зерен 20 мм для приготовления 1 м³ тернарной смеси щебня оптимального состава:

Величина остаточной пустотности тернарной смеси щебня равна

Аналогичные результаты расчета составов тернарных смесей щебня на основе других монозернистых фракций щебня представлены в табл. 2.

Для приготовления бетонной смеси рациональной является тернарная смесь щебня с величиной остаточной пустотности, равной 0,287, и насыпной плотностью

Пример 3. Из полидисперсной смеси гранитного щебня фракционированием выделены следующие монозернистые фракции: d₁70 мм, d₂=40 мм, d₃=30 мм, d₄=20 мм и d₅= 10 мм. Плотность гранита 2730 кг/м³. Насыпные плотности фракций аналогичны примеру 1 и 2.

Расчет потребности в монозернистых фракциях для приготовления 1 м³ кватернарных смесей щебня оптимального состава (d₁+d₂+d₃+d₄), (d₁+d₂>+d₃+d₅,
(d₁+d₃+d₄+d₅) производят в следующей последовательности.

Определяют объемные коэффициенты раздвижки зерен больших размеров зернами меньших размеров (расчет приведены для кватернарной смеси щебня - d₁+d₂+d₃+d₄):

Определяют потребность во фракции с размерами зерен 70 мм для приготовления 1 м³ кватернарной смеси щебня оптимального состава:

Определяют потребность во фракции с размерами зерен 40 мм:

Определяют потребность во фракции с размерами зерна 30 мм:

Определяют потребность во фракции с размерами зерен 20 мм

Величину остаточной пустотности кватернарной смеси щебня (0,042 m³+0,054 м³+0,203 м³+0,820 м³) определяют по формуле

Аналогичные результаты расчета оптимальных составов кватернарных смесей щебня на основе других монозернистых фракций представлены в таблице 3.

Для приготовления бетонной смеси с экономической и технической точки зрения наиболее выгодной является кватерная смесь щебня с величиной остаточной пустотности, равной 0,277, насыпная плотность которой составляет величину

Расчет составов смесей тяжелого бетона с использованием тернарных и кватернарных смесей щебня с минимальной величиной остаточной пустотности производят по примеру 1.

Применение способа проектирования состава тяжелого бетона обеспечивает снижение трудозатрат и времени на проведение испытаний сырьевых материалов, точное определение компонентов для приготовления 1 м³ уплотненной бетонной смеси, получение состава с минимально возможным расходом цемента.

Использование: область производства строительных материалов, на заводах железобетонных изделий, в гидротехническом строительстве, в строительных и дорожных организациях. Сущность изобретения: определяют плотность и насыпную плотность компонентов. Проводят гранулометрический анализ сыпучих компонентов. Рассчитывают коэффициенты раздвижки зерен и расход щебня, песка, цемента и воды для приготовления 1 м³ уплотненной бетонной смеси. Используют фракции с размерами зерен d₁, d₂ ... d_n, удовлетворяющими условию d₁>d₂>...>d_n и 1>d₂/d₁>d₃/d₂>...>d_n/d_n-1>0. Рассчитывают составы смеси щебня по формулам. Из нескольких сочетаний бинарных, тернарных или кватернарных смесей щебня выбирают для расчета смеси бетона, смеси щебня с минимальной величиной пустотности. Расход щебня, песка, цемента и воды для приготовления состава тяжелого бетона рассчитывают по формулам. 3 табл.

Способ проектирования состава тяжелого бетона, включающий определение плотности и насыпной плотности щебня, песка, цемента, гранулометрический анализ исходных компонентов, расчет объемных коэффициентов раздвижки зерен по результатам гранулометрического анализа и расхода компонентов для приготовления 1 м³ уплотненной смеси тяжелого бетона, отличающийся тем, что используют фракции щебня с размерами зерен d₁, d₂, d₃.d_n, удовлетворяющими условию d₁ > d₂ > d₃ > > d_n и 1 > d₂/d₁, > d₃/d₂ > > d_n /d_n-1 > 0, рассчитывают насыпные объемы монофракций бинарной, тернарной и кватернарной смеси щебня по формулам
бинарной




тернарной







кватернарной











где Vd₁, Vd₂, Vd₃, Vd₄ насыпные объемы монофракций щебня, м³;
α, α_1-6- объемные коэффициенты раздвижки зерен щебня зернами щебня, безразмерные величины;
d₁, d₂, d₃ и d₄ размеры зерен монофракций щебня, м;
ρd, ρd₂, ρd₃ и ρd₄- плотность зерен фракций с размерами зерен d₁, d₂, d₃ и d₄, кг/м³;
γd, γd₂, γd₃ и γd₄- насыпная плотность фракций щебня с размерами зерен d₁, d₂, d₃ и d₄, кг/м³;
V_о п пустотность смеси щебня, безразмерная величина,
по результатам расчета выбирают смесь щебня с минимальной величиной пустотности, расход щебня, песка, цемента и воды для приготовления 1 м³ смеси тяжелого бетона рассчитывают по формулам

где 1 объем смеси щебня с минимальной величиной пустотности, м³;
α_щп; α_щц; α_щв- объемные коэффициенты раздвижки зерен смеси щебня песком, цементом, водой соответственно, безразмерные величины,

где V_п насыпной объем песка, м³;
V_с м щ насыпная плотность смеси щебня с минимальной величиной пустотности, кг/м³;
ρ_щ плотность зерен смеси щебня, кг/м³;
объемные коэффициенты раздвижки зерен песка цементом и водой соответственно, безразмерные величины,

где V_ц насыпной объем цемента, м³;
ρ_п и γ_п- плотность и насыпная плотность песка, кг/м³;
α_цв- объемный коэффициент раздвижки цемента водой, безразмерная величина;

V_в объем воды затворения цемента, м³;
ρ_ц и γ_ц- плотность и насыпная плотность цемента, кг/м³.