Расчет состава бетона с заданными свойствами осуществляется исходя из структурных характеристик бетона, определяемых в «узловой» точке качественного перехода бетонной смеси в бетон, под которыми в структурной теории бетона понимаются:

С – объемная концентрация цементного теста, выраженная в долях от единицы объема, которая количественно определяет макроструктуру, сложение бетона как конгломерата;

W – В/Ц цементного теста (так называемое «истинное» В/Ц), оказывающее решающее влияние на макро- и микроструктуру бетона, в частности на объем и характер пор в цементном камне и качество контактной зоны между цементным камнем и заполнителем.

Значения структурных характеристик С и W должны удовлетворять одновременно требованиям по удобоукладываемости, прочности и морозостойкости.

Расход цемента определяется по формуле

(2.19)

а расход крупного заполнителя

(2.20)

где V _ц – удельный объем цемента, см³/г;

V _пуст – пустотность крупного заполнителя, доли единицы от объема;

– насыпная масса крупного заполнителя, т/м³;

γ_щ – плотность крупного заполнителя (для плотного заполнителя можно использовать среднюю плотность), т/м³;

К_разд – коэффициент раздвижки зерен, определяемый исходя из расхода цемента и заданной удобоукладываемости бетонной смеси.

Объемная концентрация песка определяется по формуле

(2.21)

где  – плотность цемента, т/м³;

В_щ – водопотребность крупного заполнителя в бетонной смеси, % по весу;

В_щ Щ – объем воды, отвлекаемой крупным заполнителем в бетонной смеси.

Следовательно, расход песка определим по формуле

(2.22)

где γ _n – средняя плотность песка, т/м³;

B_n – водопотребность песка в бетонной смеси, % по весу.

Количество воды затворения

(2.23)

Таким образом, структурные характеристики – объемная концентрация цементного теста в бетонной смеси и его истинное В/Ц отношение позволяют установить общую картину изменения физико-механических свойств бетонов и получить их с заданными свойствами. [9]

Примеры решения задач

Пример 2.1. Определить состав бетона класса В 22,5 с подвижностью бетонной смеси по осадке конуса 4–5см. Портландцемент активностью 37.5 МПа, песок средней крупности водопотребностью 7% и плотностью 2.63 кг/л, щебень гранитный с предельной крупностью 40 мм, плотностью 2.6 кг/л, объемной массой 1.48 кг/л.

Решение :

Водоцементное отношение:

Расход воды по графику (рисунок 2.2):

В=178 л.

Расход цемента:

Расход щебня:

Расход песка:

.

При производстве конструкции и сооружении из монолитного бетона и железобетона, а также при производстве сборных железобетонных элементов необходимо одновременно учитывать требования, предъявляемые к бетонным смесям и затвердевшим бетонам. Существует принцип оптимизации состава бетона, который заключается в совместном рассмотрении усредненных экспериментальных зависимостей , и «правила постоянства расхода воды» с учетом поправочных коэффициентов, определяемых свойствами исходных материалов и структурой бетонной смеси и бетона.

При определении расхода материалов используют уравнение абсолютных объемов:

где Ц, В, П, Щ – соответственно расход цемента, воды, песка и щебня на 1 м³ бетонной смеси;

р_ц, р_п, р_щ – соответственно плотности материалов .

Используют значения водопотребностей компонентов бетона и коэффициенты раздвижки зерен, обеспечивающие наиболее рациональное соотношение между крупным и мелким заполнителем, при котором расход цемента будет минимальным.

Порядок определения состава бетонной смеси следующий.

1. Устанавливаем  в зависимости от требуемой прочности, сроков схватывания и условий твердения бетона:

для обычного бетона ( > 0,4):

для высокопрочного бетона ( < 0,4):

где А и А₁ – коэффициенты качества заполнителя (см. табл. 2.1) .

2. Определяем расход воды в зависимости от требуемой подвижности бетонной смеси ориентировочно по графику (рис.2.3).

Наибольшая крупность гравия (мм): «1»-80; «2»-40. При применения щебня «3»–20, «4»–10 расход воды увеличивается на 10 л. При применении мелкого щебня с водопотребностью выше 7% расход воды увеличивают на 5 л на каждый процент увеличения водопотребности; при крупном песке с водопотребностью менее 7%, наоборот, уменьшают на 5 литров на каждый процент уменьшения водопотребности. При применении пуццолановых цементов расход воды увеличивают на 15–20 л. При расходе цемента свыше 400 кг/м³ расход воды увеличивается на 10 л на каждые 100 кг цемента.

Таблица 2.4  – Расход воды в бетонной смеси, кг/м³

3. Находим расход цемента:

4. Находим расход крупного заполнителя:

где V _п – объём пустот заполнителя;

 и – соответственно объёмная масса и плотность крупного заполнителя;

К_разд. – коэффициент раздвижки зерен заполнителя (см. табл.2.5).

Таблица 2.5 – Коэффициент раздвижки зерен заполнителя

5. Определяем расход песка:

где ,  – плотность цемента и песка соответственно, т/м³.

Изложенный принцип подбора состава бетона нашел широкое распространение, так как благодаря ему создана научная основа дальнейшего совершенствования методов технико-экономического обоснования выбора вида и состава бетона для конкретных условий; обеспечена возможность внедрения в практику строительства эффективных методов управления качеством бетона в процессе изготовления изделий с использованием систем автоматического регулирования, методов математической статистики и вычислительной техники.

Пример 2.2. Определить состав бетона класса В15 с подвижностью бетонной смеси по осадке конуса 4–5 см. Материалы: портландцемент активность 40 МПа, песок средней крупности с водопотребностью 7% и плотностью 2,6 кг/л, щебень гранитный с предельной крупностью 40 мм, средней плотностью 2,6 кг/л, объемной массой 1,5 кг/л.

Решение:

1. Водоцементное отношение

2. Расход воды (по графику рис. 2.2.):

3. Расход цемента:

кг/м3

4. Расход щебня:

кг/м3

(Объём пустого заполнителя 0,43. Значение коэффициента раздвижки определяется по таблице 2.5).

5. Расход песка:

кг/м3