ZASADY PROJEKTOWANIA BETONU CEMENTOWEGO
Ustalenie recepty mieszanki betonowej:
–założenia projektowe
-dobór składników betonu
*dobór uziarnienia mieszanki mineralnej (na podstawie analizy sitowej i krzywej uziarnienia)
*dobór cementu w zależności od założonej klasy betonu
*dobór wody
*dobór dodatków
–wstępne ustalenie proporcji (kg/m3)
–sprawdzenie urabialności i objętości masy betonowej
*badanie konsystencji stożkiem opadowym
*sprawdzenie objętości masy
–wykonanie zarobu próbnego i uformowanie próbek
–wykonanie badań laboratoryjnych
*wytrzymałość na ściskanie
*nasiąkliwość
*mrozoodporność
–korekta składu i powtórzenie badań
–podanie recepty roboczej (kg/m3)
Podstawowe warunki jakie powinna spełniać mieszanka betonowa:
1.Warunek wytrzymałości
Rbv= A (c/w 0,5)
A–wsp. zależny od marki cementu i kształtu ziaren kruszywa
–zależne od c/w
Dla dróg wskaźnik cementowo-wodny powinien wahać się w przedziale od 2,2-2,8.
+ –gdy c/w
– — gdy c/w
2. Warunek konsystencji
W=wk*K+wc*C
wk—wodożądność kruszywa (na podstawie tabel)
wc—wodożądność cementu (ozn. doświadczalnie)
W,K,C—ilość wody, kruszywa, cementu (w kg/m3 mieszanki betonowej)
3.Warunek szczelności
–gęstość cementu, kruszywa
Jeżeli p=0 beton jest szczelny
Po 28 dniach od uformowania próbek (15*15*15cm) ,badamy wytrzymałość na ściskanie w prasie hydraulicznej. Wytrzymałość betonu na ściskanie oznacz jego klasę.
–najmniejsza wartość wytrzymałości ze wszystkich badanych próbek
— wsp. zależny od ilości próbek
–wytrzymałość gwarantowana betonu
Jeżeli warunek nie jest spełniony to sprawdzamy
i
Jeżeli natomiast ilość próbek n 15 to sprawdzamy
gdzie:
–wytrzymałość średnia
s-odchylenie standardowe
Badania mieszanek betonowych Badanie urabialności i konsystencji, Oznaczanie gęstości pozornej mieszanki betonowej, Oznaczanie porowatości zagęszczonej mieszanki betonowej, Oznaczanie powietrza w masie betonowej, Oznaczanie składu mieszanki betonowej, Kontrola prawidłowości produkcji mieszanki betonowej
Badanie urabialności i konsystencji
Urabialność i konsystencja jest to zespół cech określających właściwości mieszanki betonowej, od których zależy łatwość wypełniania formy i zdolność zachowania kształtu po rozformowaniu zaraz po zagęszczeniu.
Konsystencję mieszanki betonowej bada się metodą Ve-Be lub metodą stożka opadowego. Metodę pierwszą należy stosować do mieszanek betonowych o konsystencji plastycznej i mieszanek gęstszych, metodę stożka opadowego — do mieszanek ciekłych.
Metoda Ve-Be
Miarą konsystencji jest czas, liczony w sekundach, potrzebny do ułożenia w naczyniu za pomocą wibracji określonej ilości mieszanki.
Przyrządy. Stół wibracyjny o częstotliwości drgań 50 ± 5 her¬ców i amplitudzie 0,5 mm. Naczynie cylindryczne o średnicy wewnętrznej 230±10 mm i wysokości 200±5 mm z blachy stalowej o grubości 3 ± 0,5 mm. Forma w postaci ściętego stożka o średnicy dolnej 200 mm i Kornej 100 mm i wysokości 300 mm, z blachy grubości nie mniejszej niż 1,5 mm, z uchwytami. Ruchome urządzenie zaopatrzone z jednej strony we wsyp, z drugiej strony w przesuwny pręt z płytą z przezroczystego materiału o średnicy 225 ± 5 mm.
Przygotowanie próbki, Próbkę o objętości co najmniej 8 litrów pobiera się z mieszanki betonowej nie później niż po upływie 30 min od chwili zmieszania składników z wodą.
Wykonanie badania. Do naczynia cylindrycznego przymocowanego do płyty wibracyjnej wstawia się formę stożkową, opierając na niej wsyp. Formę wypełnia się mieszanką betonową w trzech warst¬wach, zagęszczając każdą warstwę 25-krotnym zagłębieniem pręta. Następnie odsuwa się wsyp, wygładza powierzchnię mieszanki, zdejmuje formę stożkową i na stożku mieszanki opiera się płytę z prętem. Potem uruchamia się wibrator, notując czas z dokładnością 1 s. Wibrowanie trwa do chwili notowanej w sekundach aż cała spodnia powierzchnia płytki zetknie się z mieszanką betonową. Czas w sekundach jest miarą konsystencji.
Metoda stożka opadowego
Miarą konsystencji jest opad stożka uformowanego z mieszanki betonowej. Opad jest mierzony w centymetrach.
Przyrząd: forma w kształcie stożka ściętego jak w metodzie Ve-Be.
Oznaczanie: formę stożkową ustawioną na posadzce wypełnia się mieszanką betonową, którą zagęszcza się jak w metodzie Ve-Be. Formę ostrożnie ściąga się pionowo w górę. Stożek z mieszanki ulega deformacji, zmniejszając swą wysokość. Gdy opadanie stożka zatrzyma się zupełnie, mierzy się w centymetrach wysokość opadu w największym miejscu stożka.
Oznaczanie gęstości pozornej mieszanki betonowe
Przyrząd: Cylinder metalowy.
Oznaczanie: Do cylindra wkłada się taką ilość mieszanki, żeby po zagęszczeniu wykazała objętość nie mniej niż 8 dm3. Zagęszczanie wykonuje się na stoliku wibracyjnym tak długo, aż na powierzchni mie¬szanki wystąpi zaczyn cementowy, jednak nie dłużej niż 1,5 min. Następnie wykonuje się pomiar objętości (V) w dm3 z dokładnością nie mniejszą niż 0,3% oraz pomiar masy w kilogramach z dokładnością nie mniejszą niż 0,2%. Masę próbki G określa się z różnicy masy próbki wraz z cylindrem i masy samego cylindra. Wynik oznaczania jest średnią arytmetyczną wyników co najmniej dwóch kolejnych próbek. Gęstość pozorną liczy się ze wzoru: ρp=G/V.
Oznaczanie porowatości zagęszczonej mieszanki betonowej
Porowatość mieszanki betonowej po zagęszczeniu oznacza się metodą, do¬świadczalną, jeżeli skład mieszanki i gęstości pozorne składników nie są dokładnie znane. Gdy wielkości te są znane stosuje się metodę doświadczalno-obliczeniową.
Metoda doświadczalna. Po zagęszczeniu mieszanki o obję¬tości nie mniejszej niż 8 dm3 w cylindrze wykonuje się pomiar objętości V. Następnie do cylindra wlewa się od¬mierzoną ilość wody (Δw) o objętości l dm3. Mieszankę betonową miesza się z dolaną ilością wody za pomocą pręta i wibruje do chwili, gdy prze¬staną się z tej mieszaniny wydobywać pęcherzyki powietrza. Po czym ponownie mierzy się objętość Vk. Porowatość liczy się:
Jb=(V+Δw-Vk)/V*100
Metoda doświadczalno-obliczeniowa polega na obliczeniu porowatości wg wzoru:
C,K,W – masa cementu, kruszywa, wody,
ρ-gęstości pozorne betonu, cementu, kruszywa.
Ocena wyników: porowatość zagęszczonej mieszanki betonowej nie powinna przekraczać:
0,006z-w przypadku nie stosowania dodatków napowietrzających,0,010z-w przypadku stosowania dodatków napowietrzających.
Jako wartość z przyjmuje się wartość liczbową odpowiadającą ilości zaprawy przyjętej przy projektowaniu składu betonu. Wymagania te dotyczą betonów zbrojonych i niezbrojnych, narażonych na działanie czynników atmosferycznych.
Oznaczanie powietrza w masie betonowej
Badanie to służy do oznaczania zawartości powietrza, w mikroporach specjalnie wytworzonych dla zwiększenia odporności betonu na działanie mrozu, soli. Chodzi więc o badanie betonów napowietrzonych. Badanie wykorzystuje prawo Boyle-Mariott’a, że iloczyn objętości powietrza i ciśnienia w danej temp. jest stałą.
Przyrząd: aparat, który pozwala od razu odczytywać zawartość powietrza w masie betonowej.
Ocena wyników: betony napowietrzone zawierają normalnie ok. 55 powietrza.
Oznaczanie składu mieszanki betonowej (badanie nienormowane)
Kontrola prawidłowości produkcji mieszanki betonowej:
-uziarnienie kruszywa powyżej 2 mm,
-konsystencja mieszanki,
-wytrzymałość mieszanki.
DOBÓR UZIARNIENIA
Dobór uziarnienia kruszywa do betonu przeprowadza się w dwóch etapach:
1.Projektujemy kruszywo drobne (do 8 mm)
–musi być w polu dobrego uziarnienia
–należy unikać garbu frakcji piaskowej
–krzywa uziarnienia musi być w miarę ciągła
2.Projektujemy kruszywo grube 16mm
–każda frakcja powinna być płukana wodą w celu usunięcia pyłów
–robimy z frakcji zbliżonych do siebie
Zalecenia:
–w celu uniknięcia rozdziału w czasie transportu oraz zminimalizowania wpływu odchyleń w uziarnieniu kruszywa, kruszywa >8mm składać z co najmniej 2 wąskich frakcji
–w celu zwiększenia odporności betonu na ścieranie oraz wodożądności kruszywa drobnego, zawartość frakcji <4mm powinna być w granicach 40% ( )
–w celu zachowania ciągłości uziarnienia zawartość kruszywa powyżej 11,24% powinna się zawierać powyżej 30-35%
–zawartość frakcji > 2mm nie powinna przekraczać 62%
Przy doborze kruszyw do betonów celowe jest stosowanie mieszanek żwirowo-piaskowych do betonów klas B20. Do produkcji betonu klas wyższych zalecane jest stosowanie kruszyw łamanych ze skał magmowych i z twardych skał węglanowych. Pole między krzywymi granicznymi wskazuje na obszar dobrego uziarnienia. Podczas ustalania procentowego udziału poszczególnych frakcji w mieszance kruszywa należy mieć na uwadze ilość wolnych przestrzeni między ziarnami oraz wodożądność kruszywa. Ustala się taki skład kruszywa, aby ilość wolnych przestrzeni była minimalna, tj. aby gęstość pozorna mieszanki była możliwie duża.
Dla każdego składu mieszanki kruszywa określa się jego wodożądność (tj. ilość wody, jaka jest niezbędna do zwilżenia kruszywa w celu uzyskania mieszanki betonowej o założonej konsystencji ). Do określenia wodożądności są pomocne tzw. wskaźniki wodożądności, które są zależne od wielkości ziarn kruszywa, gęstości i rodzaju kruszywa oraz od konsystencji mieszanki betonowej. Wskaźniki wodożądności ustala się na podstawie licznych badań. Dla każdej mieszanki kruszywa sumuje się wartości wodożądności i ilości wolnych przestrzeni między ziarnami. Za optymalną mieszankę kruszywa uważa się taką, dla której ta suma jest minimalna.
METODY OBLICZANIA NAWIERZCHNI
Wyróżniamy następujące metody obliczania nawierzchni sztywnych:
–metoda Westergarda
–metoda OSŻD
–metoda graficzna Picketa i Ray`a
–metody Purla, Iwanowa, Miednikowa
1.Metoda Westergarda—założenia
— płyta betonowa pracuje jako twarde, izotropowe, jednorodne ciało,
— reakcje podłoża mają tylko kierunek pionowy i są proporcjonalne do ugięć płyty,
—reakcja podłoża, odniesiona do jednostki powierzchni płyty równa się ugięciu płyty „u\” pomnożonemu przez współczynnik podatności podłoża
— grubość płyty jest wszędzie jednakowa,
—-płyta jest obciążona w trzech miejscach w środku płyty na krawędzi i w narożu.
Względną sztywność płyty i podłoża oznaczamy wzorem:
l -— promień względnej sztywności [cm], E — moduł sprężystości betonu płyty [Pa],
–dopuszczalna wytrzymałość na
rozciąganie przy zginaniu płyty z betonu
cementowego
2.Metoda OSŻD
Oprócz płyty z betonu cementowego przewiduje się górną warstwę podbudowy z gruntu stabilizowanego cementem, ze żwiru, pospółki, oraz dolną warstwą podbudowy z piasku, pospółki, grunty ulepszonego
wapnem itp.
Przyjmujemy obciążenia podobnie jak w metodzie Westergaarda w trzech położeniach, tzn. na narożniku, krawędzi i środku płyty i poza tym na szczelinie rozszerzania.
Oprócz naprężeń wywołanych obciążeniami kół samochodowych uwzględnia się naprężenia termiczne, wywołane różnicą temperatur na wierzchu i dole płyty. Naprężenia termiczne określa się uwzględniając rozstaw szczelin i ich konstrukcję. Zakłada się pewną grubość płyt betonowych, odstęp szczelin rozszerzania, rodzaj podłoża ( współczynnik „k\”) i oblicza się maksymalne naprężenia całkowite (od ruchu i temperatury). Te obliczone maksymalne naprężenia porównuje się z dopuszczalnymi (wytrzymałość betonu podzielona przez współczynnik bezpieczeństwa). Jeśli maksymalne obliczone naprężenia są bliskie, ale niższe od dopuszczalnych, to wszystko jest w porządku. Jeśli są znacznie niższe od dopuszczalnych, należy zmniejszyć grubość nawierzchni lub zmniejszyć nośność podbudowy. Jeśli są większe od dopuszczalnych—odwrotnie, trzeba pogrubić nawierzchnię lub zwiększyć nośność podbudowy. Można oczywiście stosować równolegle obydwa zabiegi. Maksymalne całkowite naprężenia oblicza się wg wzorów:
–dla obciążeń pojedynczymi siłami
skupionymi
–
– dla obciążeń powtarzających się
— maksymalne naprężenia
całkowite
–naprężenia wywołane
samochodami
— współczynnik przenoszenia sił
z jednej płyty na drugą
— współczynnik uwzględniający
zmniejszenie się naprężeń dzięki
zmniejszeniu paczenia się płyt
— współczynnik jak ,
ale przy obciążeniach
powtarzających się,
SZCZELINY DYLATACYJNE
Wartość naprężeń w nawierzchni, wywołane zmianami temperatury lub wpływami ruchu pojazdów, należy utrzymać w takich granicach, aby uniknąć niekontrolowanych („dzikich\”) pęknięć w warstwie jezdnej nawierzchni. Konieczne jest więc, przez wykonanie szczelin, podzielenie nawierzchni na płyty o odpowiednich wymiarach. Koncepcja układu szczelin w nawierzchni z betonu cementowego decyduje o całej jej konstrukcji, począwszy od sposobu wykonania pod¬budowy, a skończywszy na doborze właściwego typu szczeliny, metodzie jej wykonania i wypełnienia. Ze względu na usytuowanie szczeliny w nawierzchni wyróżnia się szczeliny podłużne i poprzeczne. Szczeliny poprzeczne dzieli się na: -szczeliny rozszerzania (dylatacyjne),-szczeliny skurczowe, -szczeliny przeciwpaczeniowe, -szczeliny konstrukcyjne. Szczeliny rozszerzania służą do umożliwienia płytom nawierzchni swobodnego przesuwu, wywołanego zmianami temperatury. Polskie przepisy nakazują stosować szczeliny dylatacyjne w następujących odstępach maksymalnych: -50 m w przypadku betonowania nawierzchni przy temperaturze powyżej 20°C, -25 m w przypadku betonowania nawierzchni przy temperaturze poniżej 20°C. Szczeliny przeciwpaczeniowe są stosowane w Wielkiej Brytanii (rzadko w innych krajach). Zapobiegają one powstawaniu dużych naprężeń wskutek paczenia się płyt, ale nie pozwalają na skurcze, ani rozszerzanie się płyt. Szczeliny konstrukcyjne stosuje się w razie przerw (dłuższych) w betono¬waniu nawierzchni i na zakończenie dziennej działki roboczej. Szczeliny te swą konstrukcją spełniają rolę szczelin skurczowych, czasami rozszerzania. Szczeliny skurczowe służą do umożliwienia płytom skurczów od zjawisk chemicznych i fizycznych w czasie wiązania cementu i pod wpływem obniżenia się temperatury. Umożliwiają one również rozszerzanie się płyt w takim zakresie na jaki pozwala luz w szczelinach. Rozstaw szczelin skurczowych zależy od wielu czynników: -grubości płyt, -współczynnika rozszerzalności termicznej betonu, -temperatury w czasie twardnienia betonu, -tarcia betonu po podbudowie. Przy płytach niedyblowanych dąży się do tak wąskich szczelin skurczowych, aby sąsiednie płyty dobrze współpracowały ze sobą (dobrze się zazębiały). Współpracę tę można zwiększyć przez: -zmniejszenie długości płyty, -unikanie betonowania w wysokich temperaturach, -obniżenie temperatury mieszanki betonowej, -stosowanie do betonu grubego kruszywa, tworzącego zazębienia w pęk¬nięciach płyt i przez zwiększenie grubości płyt.
