Визначення витрати води

Вступ

Мета курсової роботи – допомогти студентам набути навичок проведення розрахунків складу асфальтобетонної та цементобетонної сумішей за допомогою програм Microsoft Exel та Mathcad на основі знань з дисциплін «Будівельне матеріалознавство» та «Обчислювальна техніка і програмування».

Задачі курсової роботи:

· закріпити і систематизувати теоретичні та практичні знання з дисциплін «Будівельне матеріалознавство» та «Обчислювальна техніка і програмування»;

· набути практичних навичок в розрахунку складу асфальтобетону та цементобетону.

1 Розрахунок складу асфальтобетонної суміші

Асфальтобетонні суміші готують змішуванням в установках обезводнених та нагрітих щебеню, природного і/або подрібненого піску, мінерального порошку, а також нафтового дорожнього бітуму, взятих у відповідних співвідношеннях.

Мета підбору складу – призначити вид та тип асфальтобетону у відповідності до умов роботи в покритті, правильно обрати мінеральні матеріали і бітум, встановити найбільш раціональне їх співвідношення.

Підбираючи склад асфальтобетону будь-якого виду слід керуватись такими положеннями:

1) Один з найважливіших факторів, що забезпечує необхідну якість асфальтобетону – зерновий склад його мінеральної частини. Зерновий склад мінеральної частини асфальтобетонної суміші повинен забезпечувати потрібну щільність асфальтобетону, необхідний опір впливу зовнішніх навантажень, шорсткість покриття.

В залежності від умов роботи асфальтобетону, місця розташування асфальтобетонного шару в дорожньому одязі слід обирати безперервний або перервний гранулометричний зерновий склад. Для щільних асфальтобетонів частіше обирають безперервний гранулометричний склад мінеральної суміші.

Суміш щебеню, піску й мінерального порошку добирають таким чином, щоб крива зернового складу знаходилась у зоні, яку обмежують граничні криві ДСТУ Б В.2.7-119-2003 «Суміші асфальтобетонні і асфальтобетон дорожній та аеродромний», і була по можливості плавною, без різких переломів.

Шорсткість поверхні асфальтобетонних покриттів забезпечується високим вмістом щебеню чи подрібненого піску. В суміші типу Б шорсткість досягається заміною природного піску дробленим, а в мало щебеневих і піщаних сумішах – утопленням чорного щебеню в поверхню покриття чи спеціальною поверхневою обробкою покриття.

2) На властивості асфальтобетону (особливо піщаного) суттєво впливає якість піску. Асфальтобетон з подрібненим піском (відсівом) більш стійкий до зсуву, ніж з природним, але вимагає більших затрат роботи на ущільнення.

3) Мінеральний порошок виконує роль заповнювача, який структурує бітум й створює з ним асфальтов’яжучу речовину, що склеює в моноліт зерна щебеню та піску. Мінеральний порошок надає асфальтобетону належну щільність, міцність і теплостійкість, але при надлишковому вмісті обумовлює зростання крихкості і зменшення деформативності при низьких температурах.

Вміст глини в мінеральному порошку суттєво підвищує здатність асфальтобетону до набухання й знижує його водо- та морозостійкість.

Для підвищення якості мінерального порошку його активізують сумішшю поверхнево-активної речовини (ПАР). Асфальтобетон з активованим мінеральним порошком має підвищену міцність, щільність, водо- і морозостійкість. Активований мінеральний порошок в холодному асфальтобетоні сприяє скороченню строків ущільнення й забезпечує формування структури покриття під рухом автомобілів.

4) Міцність, водо- і морозостійкість асфальтобетону залежить від властивостей бітуму. В’язкі бітуми повинні мати комплекс структурно-механічних властивостей: еластичність і пластичність при низьких температурах, достатню міцність та теплостійкість при високій температурі, стійкість при технологічній переробці й експлуатації, міцне зчеплення з поверхнею мінеральних матеріалів. Якість бітумів залежить від природи сировини та технології його переробки. Чим вища в’язкість бітуму, тим більша міцність асфальтобетону. Однак надмірна в’язкість бітуму в гарячому асфальтобетоні може привести до утворювання тріщин на покритті. Чим краще зчеплення бітуму з поверхнею мінеральних матеріалів, тим більша корозійна стійкість асфальтобетону.

5) Кількість бітуму у суміші повинна бути оптимальною, що забезпечує максимальну щільність асфальтобетону при заданому мінеральному матеріалі і зерновому складі мінеральної частини і оптимальну залишкову пористість.

Надлишок бітуму знижує міцність, стійкість до зсуву й підвищує пластичність асфальтобетону, що веде до утворювання зсувів й хвиль на покритті у жарку погоду. Недостатня кількість бітуму знижує міцність, водо- й морозостійкість, а також корозійну стійкість асфальтобетону. Про недостатню кількість бітуму свідчить великий показник водонасичення.

6) Склад асфальтобетону підбирають в три етапи:

· визначають якість мінеральних матеріалів і бітуму, відповідність їх властивостей встановленим вимогам;

· встановлюють співвідношення мінеральних матеріалів, при якому мінеральна частина асфальтобетону має оптимальну щільність за кривими зернового складу;

· експериментально чи теоретично визначають оптимальний вміст бітуму, при якому асфальтобетон має найкращі фізико-механічні властивості.

Зерновий склад мінеральної частини гарячих асфальтобетонних сумішей повинен, як правило, відповідати вимогам таблиці Д.3.1 (додаток 3). Наведений в таблиці 4 (додаток) вміст бітуму у сумішах є орієнтовним і повинен уточнюватися розрахунком на основі вимог до залишкової пористості та експериментальною перевіркою фізико-механічних властивостей асфальтобетону.

Приклад розрахунку асфальтобетонної суміші

Завдання: необхідно розрахувати цементний бетон марки R_б =500 (або М_б 500) з рухомістю бетонної суміші за стандартним конусом ОК=5 см.

Вихідні дані: щебінь фракції 10-20 мм; щебінь фракції 5-10 мм; відсів; мінеральний порошок; бітум нафтовий дорожній БНД 90/130. Зерновий склад вихідних матеріалів у часткових залишках наведено в таблиці 2.1.

Таблиця 1.1.

2.1. Розрахунок мінеральної частини

Розрахунок заключається у визначенні оптимального співвідношення між мінеральними складовими, що забезпечує потрібну щільність мінерального складу.

Суміші потрібної щільності можуть бути розраховані по допустимим межам повних залишків на ситах або повних проходів через сито, причому вимоги до зернових складів мінеральної частини гарячих щільних асфальтобетонів, що застосовуються в верхніх шарах покриття, складені у вигляді повних проходів через сито (табл. Д.3.1, додаток 3). В зв’язку з цим переведемо зерновий склад мінеральних складових, який представлений у вигляді часткових залишків (табл. 2.1), в повні проходи через сито.

Наприклад:

для щебеню фракції 10-20 мм – часткові залишки на ситі 20 складають 1% (графа 2, табл. 2.1), значить через сито 20 пройшло (100-1) = 99 % щебеню; часткові залишки на ситі 15 складають 65 % (графа 3, табл. 2.1), значить через сито 15 пройшло (99-65) = 34 % щебеню і т.д.

Аналогічно проводяться розрахунки для щебеню фракції 5-10 мм, відсіву та мінерального порошку.

Отримані таким чином отримані результати розрахунку зводять в таблицю 2.2.

Таблиця 2.2.

Тепер приступимо до вирішення другої частини завдання - визначення відсоткового співвідношення між щебенем, відсівом та мінеральним порошком, при якому зерновий склад суміші цих матеріалів буде відповідати вимогам табл. Д.3.1 (додаток 3).

Розрахунок кількості щебеню. По табл. Д.3.1 (додаток 3) встановлюють, що щебеню крупніше 5 мм повинно бути в суміші 35-45 % (так як через сито з отвором 5 мм повинно проходити 55-65 % матеріалу). Приймають потрібну кількість щебеню крупніше 5 мм – Щ=(35+45)/2=40 % (приймемо кількість щебеню фракції 10-20 мм – 15%; щебеню фракції 5-10 мм – 25%).

Розрахунок кількості мінерального порошку. По табл. Д.3.1 (додаток 3) встановлюють, що кількість часток по всій мінеральній частині асфальтобетону повинна складати 8-14 %. Для розрахунку можна прийняти 8%. Якщо в мінеральному порошку міститься 84, 1 % часток дрібніше 0, 071 мм, то мінерального порошку в суміші повинно бути МП=(8/84, 1)*100≈ 10%. Однак, потрібно прийняти 9 % мінерального порошку, так як у відсіві є невелика кількість часток дрібніше 0, 071 мм.

Кількість відсіву складає В=(100-Щ-МП)=(100-40-9)=51 %.

Отримані значення заносять в табл. 2.3 і розраховують вміст в суміші кожної фракції матеріалів.

Таблиця 2.3.

Після цього сумують в кожній вертикальній графі кількість часток менше даного розміру і знаходять загальний зерновий склад суміші мінеральних матеріалів. Після цього порівнюється розрахований склад з вимогами табл. Д.3.1 (додаток 3) і будується графік (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Графічне зображення розрахунку зернового складу

асфальтобетону в порівнянні з граничними кривими

Порівнюючи результати розрахунку з вимогами ДСТУ Б В.2.7-119-2003 видно, що на ситі 10 кількість матеріалу дрібніше даного розміру складає 83, 1 %, що перевищує гранично допустиме значення (82 %) на 1, 1 % (на решті ситах крива розрахунку вписується між граничними кривими).

Зробимо перерозподіл кількості щебеню. Приймемо: щебеню фракції 10-20 мм – 20%; щебеню фракції 5-10 мм – 20 %. Решта кількість матеріалу залишається без змін. Після перерахунку отримаємо нові значення, які заносимо в табл. 2.4, та будуємо новий графік (рис. 2.2).

Таблиця 2.4.

Рис. 2.2. Графічне зображення скоригованого розрахунку зернового

складу асфальтобетону в порівнянні з граничними кривими

Порівнюючи результати скоригованого розрахунку з вимогами табл. Д.3.1 (додаток 3) видно, що крива розрахунку вписується між граничними кривими.

2.2. Розрахунок кількості бітуму

Кількість бітуму в асфальтобетоні визначається за формулою

, (2.1)

де - пористість мінеральної частини щільних асфальтобетонів, визначена експериментально-аналітичним шляхом; - залишкова пористість асфальтобетону при температурі 20 ^оС (згідно ДСТУ Б В.2.7-119-2003 для умов Київської області залишкова пористість складає 2-4 % за об’ємом); - середня щільність асфальтобетонного зразка при температурі 20 ^оС, визначається експериментально; - щільність бітуму при температурі 20 ^оС.

, (2.2)

де - щільність мінеральної суміші, яка дорівнює

, (2.3)

де Щ, П, МП - процентний вміст в суміші відповідно щебеню, відсіву та мінерального порошку (з табл. 2.3); - середня щільність матеріалів, що складають мінеральну суміш (щебеню, піску, мінерального порошку), визначається експериментально.

На основі лабораторних випробувань складових асфальтобетону встановлено: =2, 72 г/см³; =2, 72 г/см³; =2, 62 г/см³; =2, 25 г/см³; = 0, 98 г/см³.

Середня щільність розрахованої мінеральної суміші

г/см³.

Пористість асфальтобетону

%

Кількість бітуму в асфальтобетоні

%.

2.3. Загальні висновки

Таким чином, для застосування може бути рекомендована асфальтобетонна суміш, яка складається з:

· щебінь фракції 10-20 мм – 20 %;

· щебінь фракції 5-10 мм – 20 %;

· відсів – 51 %;

· мінеральний порошок – 9 %;

· бітум БНД 90/130 – 6, 08 %.

3. Розрахунок складу цементобетонної суміші

Розрахунок складу звичайного (важкого) цементобетону бетону це - вибір матеріалів і встановлення таких їх витрат на 1 м³ бетону, при якому надійно і найбільш економічно забезпечується отримання заданої міцності бетону і рухливості (легкоукладальності) бетонної суміші та інших властивостей бетону.

Склад бетонної суміші виражають у вигляді (масового або об’ємного, менш точного) відношення між кількістю цементу, піску і щебеню (або гравію) з вказаним водоцементним відношенням. Кількість цементу приймають за одиницю. Тому в загальному вигляді склад бетонної суміші записують у вигляді відношення: цемент: пісок: щебінь

Ц: П: Щ = 1: x: y при =z

де х=П/Ц; у=Щ/Ц; (наприклад, 1: 2, 4: 4, 5 при В/Ц = 0, 65).

На бетонних заводах, масштабних будівництвах всі матеріали дозують за масою і склад бетону виражають у вигляді витрат матеріалів на 1 м³ укладеної і ущільненої бетонної суміші.

Наприклад,

Матеріали Маса, кг

Цемент 270

Пісок 700

Щебінь 1260

Вода 170

Всього 2400 кг на 1 м³

бетонної суміші

Розрахунок складу бетону є однією з найбільш важливих операцій в технології отримання бетону.

Розрізняють два склади бетону: номінальний (лабораторний), визначається для матеріалів в сухому стані, і виробничий (польовий) – номінальний склад відкоригований для матеріалів з природною вологістю.

До моменту розрахунку складу бетонної суміші потрібно випробувати всі складові матеріали: цемент, вода, пісок і щебінь (гравій), згідно вимогам ГОСТ і встановленій методиці.

За показником міцності щебінь повинен бути приблизно в 1, 5-2 рази більше міцності бетону марки 300 та вищих марок.

В залежності від заданої міцності бетону (його марки) встановлюють активність (марку цементу):

Для отримання бетонів, які задовольняють вимогам будівельних норм і правил (СНиП) по міцності, щільності і щепленню з арматурою, встановлені найменші допустимі витрати цементу: для залізобетонних конструкцій, які знаходяться на відкритому повітрі або у воді – 300 кг/м³, для конструкцій, які знаходяться в середині споруд – 220 кг/м³.

Склад важкого бетону зручно розраховувати за методом “абсолютних об’ємів”, розробленого на основі досліджень Б.Г. Скрамтаєва і ін. В основу цього методу покладена умова, що важкий бетон, ущільнений в свіжому стані, наближається до абсолютної щільності (невеликим об’ємом повітряних пор нехтують). Отже, сума абсолютних об’ємів вихідних матеріалів в 1 м³ бетону становить близько одиниці,

, (3.1)

де ц, в, п, щ – вміст цементу, води, піску і щебеню (гравію), кг в 1 м³ бетонної суміші; ρ _ц, ρ _в, ρ _п, ρ _щ – дійсна щільність цих матеріалів, кг/м³.

Неточність, допущену в розрахунку, виправляють на основі уточнення випробувальним шляхом складу бетону по фактичній середній щільності пробного замісу, тому метод називається розрахунково-експериментальним.

Вихідними даними для розрахунку складу бетону є:

· задана марка бетону;

· необхідна рухомість чи легкоукладальність бетонної суміші (ОК);

· дійсна щільність вихідних матеріалів - цементу, піску, щебеню, чи гравію (ρ)

· насипна щільність матеріалів - цементу, піску, щебеню, чи гравію (ρ _н)

· активність цементу (R_ц)

· модуль крупності піску (М_к)

· пустотність і найбільша крупність щебеню чи гравію (П_пуст.).

Склад бетону, тобто кількості цементу, води, піску, і щебеню спочатку розраховується, а потім отримані данні уточнюють на пробних замісах і остаточно визначається склад бетону.

Приклад розрахунку складу цементобетонної суміші

Завдання: необхідно розрахувати цементний бетон марки R_б =300 (або М_б 300) з рухомістю бетонної суміші за стандартним конусом ОК=3 см.

Характеристика вихідних матеріалів

1). Цемент – марка М_ц 500, активність R_ц – 520 кгс/см²; насипна щільність ρ _{н, ц} =1, 42 г/см³ (кг/л); дійсна щільність ρ _ц =3, 21 г/см³.

Щебінь – гранітний, максимальна крупність до 70 мм; насипна щільність ρ _{н, щ} =1, 51 г/см³ (кг/л); дійсна щільність ρ _щ =2, 69 г/см³; вологість W_щ – 1, 3%.

Пісок – звичайний середньої крупності; насипна щільність ρ _{н, п} =1, 51 г/см³(кг/л); дійсна щільність ρ _п =2, 60 г/см³; вологість W_п – 2, 1%.

Заповнювачі для бетонної суміші використовуються низької якості.

Склад бетонної суміші встановлюється в такому порядку:

1. Визначається водоцементне співвідношення.

2. Визначається витрата води.

3. Визначається витрата цементу.

4. Визначається витрата щебеню чи гравію і піску.

5. Ведеться перевірка рухомості легкоукладальності бетонної суміші і внесення поправок в склад.

6. Уточняється розрахунковий склад бетону на пробних замісах,

7. Розраховують номінальний склад бетонної суміші.

8. перерахунок номінального складу бетонної суміші на виробничий.

9. Перевірка міцності бетону.

3.1. Визначення водоцементного співвідношення

Як було вказано вище, міцність бетону знаходиться в визначеній залежності від активності цементу і від водоцементного співвідношення. Водоцементне співвідношення визначається в залежності від потрібної міцності бетону, строку і умов його твердіння, відомих заздалегідь активності цементу і роду заповнювачів. Розрахунок виконується за спрощеною формулою:

(3.2)

де R_ц – активність портландцементу; R_б – проектна марка бетону; А – коефіцієнт, що залежить від якості вихідних матеріалів (табл. 3.1);

звідки

. (3.3)

Таблиця 3.1

№ п/п	Матеріали (пісок, щебінь)	Значення коефіцієнту А	Примітки
	Високої якості	0, 65	0, 43	Щойно подрібнений щебінь, модуль крупності піску Мк> 2, 5
	Середньої якості	0, 60	0, 40	Подрібнений щебінь, модуль крупності піску 2, 0< Мк< 2, 5
	Низької якості	0, 55	0, 37	Подрібнений гравій, модуль крупності піску 1, 5< Мк< 2, 0

Значення В/Ц повинно бути в межах 0, 4 < В/Ц < 0, 5 для дорожнього і аеродромного бетону

Визначимо водоцементне співвідношення для нашого прикладу

А= 0, 6 із табл. 3.1.

Визначення витрати води

Витрати води в залежності від потрібної рухомості і легкоукладальності бетонної суміші визначаються по табл. 2, яка складена на основі залежності водопотреби бетонної суміші від її жорсткості і властивостей вихідних матеріалів.

Таблиця 3.2.

Визначимо водопотребу бетонної суміші для нашого прикладу по табл. 2.

При ОК = 3 см і крупності щебеню 40 мм водопотреба складає 180 л на 1 м³ бетону.