POLITECHNIKA OPOLSKA

WYDZIAŁ BUDOWNICTWA

KATEDRA INŻYNIERII MATERIAŁÓW

BUDOWLANYCH

PROJEKTOWANIE SKŁADU BETONU

METODĄ DOŚWIADCZALNĄ

(ZACZYNU CEMENTOWEGO)

Opracowały:

Opole, dn. 18.01.2010r.

1. Ustalenie danych i założeń do projektowania:

1. Przeznaczenie betonu - klasa ekspozycji (tabela 9)

Projektowany beton przeznaczony będzie do wykonania ławy fundamentowej.

Klasa ekspozycji XA1.

2. Klasa betonu: C30/37

Z uwagi na warunki w laboratorium przyjmujemy wytrzymałość charakterystyczną na kostkach sześciennych 20MPa, jednak według normy PN-EN 206-1:2003 wartość ta wynosi 37MPa.

3. Sposób zagęszczenia: mechaniczny

4. Kształt i wielkość elementów konstrukcji lub wyrobów

Najmniejszy element przekroju poprzecznego - 40 cm

Kształt: przekrój prostopadłościenny o podstawie kwadratu o boku 40 cm i wysokości 60 cm.

5. Gęstość zbrojenia

Odległość w świetle między prętami zbrojenia leżącymi w jednej płaszczyźnie prostopadłej do kierunku betonowania - 10 cm

6. Maksymalna wielkość ziarn kruszywa

7. Ziarna kruszywa nie powinny być większe niż:

⅓ najmniejszego wymiaru przekroju poprzecznego elementu

¾ odległości w świetle między prętami zbrojenia w jednej płaszczyźnie, prostopadłej do kierunku betonowania

Komentarz:

Wg normy PN-EN 12620/2004 najgrubsze kruszywo to kruszywo o uziarnieniu 0 - 63 mm, dlatego też takie przyjmujemy przy projektowaniu.

8. Konsystencja i urabialność mieszanki betonowej (wg ilości zaprawy i zawartości cząstek poniżej 0,125 mm)

Konsystencja: plastyczna V-2

9. Warunki wykonania, dojrzewania i eksploatacji

Warunki laboratoryjne - temperatura 18 ± 2°C i wilgotność względna powietrza powyżej 90%

2. Jakościowy wybór materiałów składowych

1. Cement: cement wieloskładnikowy (CEM V/B 32,5N)

Ze względu na dostępność materiałów w laboratorium oraz fakt, iż wykonujemy beton bez dodatków, będziemy wykorzystywać cement portlandzki (CEM I 32,5)

2. Kruszywo: naturalne mineralne otoczakowe o uziarnieniu 0 - 63,0 mm

3. Woda: wodociągowa (zgodnie z PN-EN 1008)

4. Dodatki: brak

5. Domieszki: brak

3. Kontrolne badania materiałów składowych

Załącznik nr 1

• kruszywa do betonu

• podział, właściwości i zastosowanie (wg PN-EN 12620/2004)

• metody doboru optymalnego uziarnienia

Załącznik nr 2

• spoiwa hydrauliczne stosowane w budownictwie (wg PN-EN 197-1/2002 i PN-B 19707/2003)

• podział, właściwości i zastosowanie

• badanie czasu wiązania i konsystencji spoiw

• badanie wytrzymałości na ściskanie

Załącznik nr 3

• woda do celów budowlanych

• właściwości (wg PN-EN 1008/2004)

• badanie twardości wody

Załącznik nr 4

• domieszki i dodatki do betonów

4. Ustalenie właściwego stosunku C/W z przekształcenia wzoru Bolomey'a:

A - współczynnik zależny od klasy cementu i rodzaju kruszywa

f_cm - 28 dniowa wytrzymałość średnia, przyjmowana przy projektowaniu jako 1,3 f_ck [MPa]

Tabela 1. Wartości współczynnika A i a.

Rodzaj kruszywa grubego	C/W	Wytrzymałość		Klasa betonu
				A	A	32,5	42,5	52,5
	Naturalne	< 2,5	A1	0,5	18,0	21,0	23,0
		≥ 2,5	A2	- 0,5	12,0	14,5	15,0
	Łamane	< 2,5	A1	0,5	20,0	24,0	26,0
		≥ 2,5	A2	-0,5	13,5	16,0	17,5

5. Ustalenie właściwego uziarnienia kruszywa:

1. ustalenie punktu piaskowego kruszywa

• C/W = 1,8

• Ilość zaprawy = 450 dm³/m³

• Konsystencja plastyczna V-2

W tabeli 2 podano orientacyjne wartości punktów piaskowych kruszywa w zależności od konsystencji, ilości zaprawy na 1m³ betonu i stosunku C/W

Tabela 2. Punkty piaskowe mieszanki kruszywa.

C/W	Wartości punktów piaskowych przy ilości zaprawy w dm^3/1m^3 betonu
		400			450			500			550
		przy konsystencji mieszanki betonowej
		V - 3	V - 2	V - 1	V - 3	V - 2	V - 1	V - 3	V - 2	V - 1	V - 3	V - 2	V - 1
1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6	25 24 22 19 17 14 - -	26 25 23 21 19 16 14 -	29 28 26 24 22 20 17 15	30 29 27 24 22 19 - -	31 30 28 25 23 21 19 -	34 33 31 29 27 25 23 20	36 34 32 30 27 24 - -	37 36 34 32 30 26 25 -	39 38 36 35 33 31 29 26	40 39 37 35 33 30 - -	43 42 40 38 36 33 30 -	45 44 42 40 39 37 34 31

Tabela 3. Rodzaje konsystencji wg PN - EN 206-1

b). Ustalenie właściwego uziarnienia kruszywa na podstawie proporcji zmieszania kruszywa drobnego i grubego. Ustalenie stosunku wagowego, w jakim należy zmieszać składniki kruszywa K₁ i K₂ o punktach piaskowych P₁ i P₂, aby uzyskać kruszywo wynikowe o punkcie piaskowym P.

Należy pamiętać, że rozwiązanie w sensie technicznym jest możliwe wtedy, jeżeli P₁ > P > P₂.

K₁ = 2,5 kg kruszywo drobne (piasek) o punkcie piaskowym P₁ = 100%

K₂ = 7,5 kg kruszywo grube (żwir) o uziarnieniu 2 - 63 mm i P₂ = 0%

Stosunek zmieszania kruszyw:

Projektujemy kruszywo suche w ilości 10 kg, w tym:

K₂ = 3 · K₁

K₁ + K₂ = 10 kg

K₁ + 3 · K₁ = 10 kg

K₁ (1 + 3) = 10 kg

K₁ = 2,5 kg Sprawdzenie:

K₂ = 10 - 2,5 = 7,5 kg K = K₁ + K₂ = 2,5 + 7,5 = 10 kg

6. Przygotowanie mieszanki kruszywa K do próbnego zarobu w stanie suchym w ilości 10kg.

7. Przygotowanie zaczynu cementowego do próbnego zarobu (w ilości ok. 1/3 K) Z₀(kg).

C + W = 3,4

1,8 W + W = 3,4

2,8 W = 3,4 C = 1,8 W = 1,8 · 1,21

W = 1,21 C = 2,19

8. Doświadczalne ustalenie ilości zaczynu cementowego Z₀(kg), potrzebnej do otrzymania mieszanki o założonej konsystencji.

341,7 g = 0,3417 kg - waga pustej miski

2018,6 g = 2,0186 kg - waga miski z pozostałym zaczynem

Z₀ = 3,4 - 0,3417 - 2,0186 = 1,04 kg

C + W = 1,04

1,8 W + W = 1,04

2,8 W = 1,04 C = 1,8 W = 1,8 · 0,371

W = 0,371 kg C = 0,668 kg

Komentarz:

Doświadczalnie ustalono, że dla uzyskania plastycznej konsystencji mieszanki betonowej należało do 10 kg kruszywa dodać 1,04 kg zaczynu cementowego (Z₀^'), w tym 0,371 kg wody i 0,668 kg cementu.

9. Pomiar konsystencji mieszanki betonowej metodą Ve-Be.

Konsystencję mieszanki betonowej badaliśmy korzystając z metody Ve-Be (PN-EN 12350 - 3:2001). Sprzęt pomiarowy składał się z:

• formy w postaci ściętego stożka bez den, wykonanej z blachy stalowej z dwoma uchwytami umieszczonymi na wysokości nie mniejszej niż 2/3 od podstawy i wysokości 300 mm,

• pręta stalowego do zagęszczania mieszanki,

• naczynia cylindrycznego o średnicy d = 230 mm i wysokości h = 200 mm, wykonanego z blachy stalowej o grubości 3 mm,

• stołu wibracyjnego o częstotliwości 300 drgań na minutę i amplitudzie 0,5 mm,

• ruchomego urządzenia zaopatrzonego z jednej strony we wsyp z blachy stalowej, z drugiej w pręt zakończony płytą o średnicy 225 mm.

Badanie konsystencji zostało wykonane w następujący sposób: do naczynia cylindrycznego przymocowanego do płyty wibratora wstawiono formę stożkową, opierając na niej wsyp. Formę wypełniono mieszanką betonową w trzech warstwach, zagęszczając każdą 25 krotnym zagłębieniem pręta, następnie powierzchnia betonu została wygładzona a forma zdjęta. Na betonowym stożku został swobodnie oparty pręt zakończony okrągłą płytką, następnie został uruchomiony wibrator. Po 13,3 sekundach wibrowania cała powierzchnia płytki zetknęła się z mieszanką, w tym momencie aparat został wyłączony. Mieszanka o konsystencji plastycznej V-2 powinna w aparacie Ve-Be uzyskać czas wibrowania 11 - 20 sekund. Czas uzyskany podczas badania mieści się w granicach przedziału.

Czas Ve-Be = 13,3 [s]

10. Pomiar objętości V_b próbnego zarobu po zagęszczeniu w cylindrze pomiarowym.

V_b = π r² h

gdzie:

V_b - objętość rzeczywista próbnego zarobu po zagęszczeniu

r - promień cylindra (r = 1,15 dm)

h - wysokość mieszanki w cylindrze po zagęszczeniu (h = 2 - 0,8 = 1,2 dm)

11. Wyliczenie ilości cementu i wody w zaczynie Z₀ ze wzorów:

Sprawdzenie poprawności obliczeń:

12. Ocena porowatości mieszanki betonowej metodą wolumetryczną

ρ_w - porowatość [%]

V_r - objętość próbnego zarobu po wlaniu wody i dokładnym wymieszaniu [dm³]

V - objętość wody dodanej do mieszanki [V=1dm³]

Porowatość mieszanki betonowej po zagęszczeniu określaliśmy metodą wolumetryczną. Polega ona na bezpośrednim pomiarze objętości powietrza w zagęszczonej mieszance betonowej. W tym celu po zagęszczeniu próbki w sposób opisany przy pomiarze konsystencji metodą Ve-Be, należy wykonać pomiar objętości - V_b, następnie do cylindra należy wlać wodę w ilości V=1 dm³ i dokładnie wszystko wymieszać za pomocą pręta w celu usunięcia z mieszanki betonowej pęcherzyków powietrza, po czym ponownie zmierzyć objętość V_r.

V_r = π r² h

gdzie:

V_r - objętość próbnego zarobu po wlaniu wody i dokładnym wymieszaniu [dm³]

r - promień cylindra (r = 1,15 dm)

h - wysokość mieszanki w cylindrze po zagęszczeniu (h = 2 - 0,56 = 1,44 dm)

• sprawdzić uzyskane wartości z normowymi wg tabeli 3.

Tabela 3.

Grupy frakcji uziarnienia kruszywa [mm]		0 - 8	0 - 16	0 - 31,5	0 - 63
Zawartość powietrza [%]	Beton narażony bezpośrednio na czynniki atmosferyczne	4,5 - 6,5	3,5 - 5,5	3 - 5	2 - 4
		Beton narażony na stały dostęp wody przed zamarznięciem	5,5 - 7,5	4,5 - 6,5	4 - 6	3 - 5

• Jeżeli porowatość (zawartość powietrza) jest większa od normowej, należy skorygować skład mieszanki.

Komentarz:

Korekta składu betonu wobec dopuszczalnej zawartości porów powietrznych w mieszance betonowej jest niepotrzebna.

13. Sprawdzenie ilości cementu oraz wskaźnika W/C wg tabeli 4.

Tabela 4. Minimalna zawartość cementu oraz pyłów w mieszance betonowej.

Beton zwykły	Najmniejsza dopuszczalna ilość cementu w kg/m^3 mieszanki betonowej		Największa dopuszczalna wartość W/C
		zbrojonego		niezbrojonego
Osłonięty przed bezpośrednim działaniem czynników atmosferycznych	220	190	0,75
Narażony bezpośrednio na działanie czynników atmosferycznych	270	250	0,60
Narażony na stały dostęp wody przed zamarznięciem	270	270	0,55

14. Obliczenie ilości zaprawy w 1m³ mieszanki betonowej

1. obliczenie ilości zaprawy w 1m³ mieszanki betonowej

m = K · p.ż.

z = C + p.p. K + W

gdzie:

z - ilość zaprawy [kg]

ρ_k = 2,65 kg/m³

m - masa ziaren powyżej 2mm w ogólnej ilości kruszywa K w 1m³ betonu

p.ż. - procentowa zawartość ziaren powyżej 2mm w kruszywie K

m = 10 · 75% = 7,5 kg

z = 0,668 + 25% ·10 + 0,371 = 3,54 [kg]

15. Ewentualna korekta składu betonu ze względu na szczelność i urabialność.

Korekta składu betonu ze względu na szczelność i urabialność jest niepotrzebna.

16. Ustalenie ilości składników na 1m³ mieszanki betonowej ze wzorów:

• cementu

• wody

• kruszyw

Po zbadaniu porowatości mieszanki betonowej metodą wolumetryczną materiał ulega zniszczeniu. W celu zbadania właściwości stwardniałego betonu z zaprojektowanej mieszanki betonowej należy ponownie:

• sporządzić mieszankę kruszywa w ilości 10 kg (punkt 5b)

• sporządzić zaczyn cementowy w ilości wyznaczonej doświadczalnie (punkt 7)

• sporządzić mieszankę betonową

• zaformować elementy (kostki) do badań.

17. Wykonanie próbek wg ustalonej recepty w celu sprawdzenia:

• wytrzymałości na ściskanie

• mrozoodporności

• przepuszczalności wody przez beton

• zmian objętości (aparat Amslera)

• inne wg specyfikacji

18. Ewentualna korekta receptury ze względu na właściwości stwardniałego betonu (ostateczne ustalenie składu betonu).

C = 2,19 kg

W = 1,21 kg

K₁ = 2,5 kg

K₂ = 7,5 kg

19. Podanie receptury roboczej:

• na 1 m³ betonu

C = 439,477 kg

W = 242,816 kg

K₁ = 501,686 kg

K₂ = 1505,057 kg

• na betoniarkę (V = 300 dm³)

Gdzie współczynnik α powinien zawierać się w granicach od 0,65 do 0,9.

20. Ewentualna korekta składu betonu z uwagi na wilgotność kruszywa.

Zakładamy, że kruszywo użyte do projektowania betonu jest suche.

Przy założeniu, że wilgotność kruszywa wynosi 1,5 % skład na 1 m³ betonu wynosi:

C = 439,477 kg

W = 242,816 - 7,525 - 22,576 = 212,715 kg

K₁ = 501,686 kg

K₂ = 1505,057 kg

Klasy konsystencji wg metody Vebe

Klasa	Czas Vebe w sek.
V0 V1 V2 V3 V4	powyżej 31 od 30 do 21 od 20 do 11 od 10 do 5 od 5 do 3

Klasy konsystencji wg metody opadu stożka

Klasa	Opad stożka w mm
S1 S2 S3 S4 S5	od 10 do 40 od 50 do 90 od 100 do 150 od 160 do 210 powyżej 220

Klasy konsystencji wg metody stopnia zagęszczalności

Klasa	Stopień zagęszczalności
C0 C1 C2 C3	powyżej 1,46 od 1,45 do 1,26 od 1,25 do 1,11 od 1,10 do 1,04

Klasy konsystencji wg metody rozpływu

Klasa	Opad stożka w mm
F1 F2 F3 F4 F5 F6	poniżej 340 od 350 do 410 od 420 do 480 od 490 do 550 od 560 do 620 powyżej 630

---