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.