Как рассчитать оптимальные составы для бетона

Несмотря на то, что бетон в его современном виде был открыт лишь 200 лет назад, существуют составы для бетона, которым около 6 000 лет. Сегодня вновь известен рецепт римского бетона, столетиями применявшегося строителями в Римской Империи — роль вяжущего вещества в нем выполнял известковый раствор. Кстати, силикатные бетоны, связующим в которых выступает известь, эффективны по сей день.

В современном строительстве применяется бетон различный по составу и от того, насколько верно произведен расчет состава бетона, зависит его прочность и долговечность.

Как определить нужный состав бетона

Основные правила подбора состава бетонов приведены в ГОСТ 27006-86 . Любой бетон состоит из трех основных компонентов: цемента, наполнителя определенных фракций и воды. Есть два обязательных условия — вода должна быть чистой и пресной, наполнитель (песок, гравий и др.) не должен содержать загрязнений (частицы грязи серьезно влияют на прочностные свойства бетона).

Бетон может иметь разную консистенцию (густоту): жесткий раствор бетона (напоминает влажную землю) потребует уплотнения с усилием; пластичный (достаточно густой и в то же время подвижный) требует меньшего уплотнения; литой — практически не требует уплотнения, подвижен и заполняет форму самотеком.

Прежде всего, нужно определиться с соотношением вода/цемент и главным приоритетом в этом вопросе будет требуемая прочность бетона. Воде в создании бетонной смеси предназначены две задачи: она вступает в химическую реакцию с цементом, приводящую к схватыванию и отвердению бетона; играет роль смазки для компонентов бетона (цемента, песка и гравия). Для выполнения первой задачи достаточно добавить на одну часть цемента от 25 до 30% воды, но уложить такую смесь бетона в форму было бы сложно — этот состав будет сухим и не поддающимся трамбовке. По этой причине воды в бетон добавляют больше, чем нужно для его отвердения — приходится понижать прочность будущего бетона для получения раствора большей пластичности. Однако это вызывает другую проблему — большее количество воды после ее испарения оставляет в бетоне воздушные поры, влияя тем самым на прочность бетонной конструкции. Поэтому нужно с наибольшей точностью рассчитывать содержание воды в бетонной смеси, добиваясь ее минимального содержания.

На очереди определение соотношения цемент/наполнитель (мелкий и крупный). Но прежде требуется рассчитать соотношение в самом наполнителе — количество его мелких и крупных компонентов — от этого будет зависеть плотность и экономичность бетонной смеси. Расчет производится по соотношению наполнителя к единице веса или объема цемента, к примеру: бетонная смесь, содержащая 20 кг цемента, 60 кг песка и 100 кг щебня, будет иметь такой состав по весу — 1:3:5. Вода, требуемая для составления бетонной смеси, указывается в долях от единицы веса цемента, т.е. если для приведенного примера бетонного состава понадобится 10 л воды, то ее соотношение к цементу будет равно 0,5.

Точное определение соотношения воды и цемента для бетона возможно только опытным путем (об этом немного позже). Если же объемы бетонных работ невелики, можно воспользоваться этой таблицей:

Получаемая марка бетона Марка цемента 200 250 300 400 500 600 100 0.68 0.75 0.80  —  —  — 150 0.50 0.57 0.66 0.7 0.72 0.75 200 0.35 0.43 0.53 0.58 0.64 0.66 250 0.25 0.36 0.42 0.49 0.56 0.60 300  — 0.28 0.35 0.42 0.49 0.54 400  —  —  — 0.33 0.38 0.46

Примечание: приведенное в таблице соотношение воды и цемента верно для гравийного наполнителя бетона. Если в роли наполнителя используется щебень, то к каждому из приведенных соотношений воды к цементу нужно добавить 0,03-0,04 единицы.

Расчет состава бетона опытным путем

Для испытания характеристик опытных замесов бетона понадобится особый конус из листового металла — его конструкция не должна иметь швов, т.к. особенно важно, чтобы изнутри его поверхность была идеально гладкой. Конус должен иметь следующие размеры: высоту 300 мм, диаметр нижнего основания 200 мм, верхнего основания — 100 мм. По бокам на таком конусе закрепляют две ручки, к нижнему основанию прикрепляют две скобы (лапки) для упора ногами.

Для проведения испытаний на качество бетонной смеси также понадобится ровная площадка, для ее создания подойдет лист фанеры, пластмассы или стали. Само испытание проводится так: площадка смачивается водой, на нее устанавливается конус, его основание прижимается к площадке ногами, затем его наполняют бетонной смесью в три приема (тремя слоями). Каждый слой бетона (около 100 мм) нужно уплотнить путем штыкования, воспользовавшись для этого 500 мм стальным стержнем диаметром 150 мм — выложив очередной слой, его нужно проткнуть не менее 25 раз.

Заполнив конус, нужно срезать штыковой лопатой выступающую массу бетона на уровне краев, затем взяться за боковые ручки и медленно поднять корпус конуса строго вертикально. Не сдерживаемая больше стенками конуса бетонная масса будет понемногу оседать, принимая расплывчатую форму — нужно дождаться, пока осадка полностью не прекратится. После этого поставить металлическую форму конуса рядом с бетонной массой, извлеченной из него, установить на верхнее основание конуса плоскую рейку в строго горизонтальном положении и измерить дистанцию от нее до верхней точки осевшего бетона, используя сантиметровую линейку.

Осадок жесткого бетона составит от 0 до 20 мм, пластичного — от 60 до 140 мм, литого — от 170 до 220 мм. Важный момент — не должно быть выделения воды и раствор бетона не должен расслаиваться.

Наполнитель для бетонной смеси

Важно, чтобы наполнитель (гравий, песок и щебень) был различных фракций — такие составы для бетона образуют наиболее крепкий бетонный камень, т.к. в нем практически не будет воздушных полостей, кроме того, создание такого бетона потребует наименьшее количество цемента и песка. По строительным нормам общий объем воздушных пустот при песчаном наполнителе не должен быть более 37% от общего объема бетона, при гравийном наполнителе — не более 45%, а при щебневом — не более 50%.

Провести испытание наполнителя на количество пустот можно непосредственно на строительной площадке — понадобится десятилитровое ведро и вода. Можно испытать как уже составленную смесь наполнителя, так и каждый из его составляющих в отдельности: нужно наполнить ими чистое ведро до краев, затем выровнять смесь по краям ведра (не уплотняя!) и влить в нее тонкой струей отмеренные порции воды так, чтобы она заполнила ведро до краев. Количество влитой в ведро с наполнителем воды и покажет объем пустот — к примеру, если вошло 5 л, то объем пустот составляет 50%.

Подобрать фракционный состав наполнителя для бетонной смеси можно двумя способами.

При первом способе максимальная фракция наполнителя составит 40 мм, т.е. для просева гравия (щебня) используется сито с ячеей диаметром 40 мм. По мере просеивания удаляем в сторону остаток (он называется верхним остатком), не прошедший через ячейки.

Просеянный наполнитель нужно пропустить через сито с ячеей меньшего диаметра (20 мм) — получаем первую фракцию наполнителя (не прошедшую через ячейки сита, диаметром 21-40 мм). Затем последовательно просеиваем наполнитель через сита с ячейкой 10 и 5 мм, получаем вторую (зерно 11-20 мм) и третью фракции (зерно 6-10 мм). После финального просева остается нижний остаток (зерно от 5 мм и меньше) — собираем его отдельно.

Составляем общий объем наполнителя с крупным зерном — берем 5% от остатков (верхнего и нижнего) и по 30% от каждой из трех фракций. Если объем верхнего остатка недостаточен, вместо него берем 5% первой фракции. Возможно составление наполнителя двумя фракциями (первая — 50-65% и третья — 35-50%) или тремя (первая фракция — 40-45%, вторая — 20-30% и третья — 25-30%).

Составы для бетона с наполнителем 20-ти мм фракции формируются следующим образом: для просеивания берется сито с 20-ти мм ячейкой, далее — просев через 10-ти мм сито, получаем первую фракцию (зерно 11-20 мм). Следующий этап — просев через 5-ти мм сито с получением второй фракции (зерно 6-10 мм). В завершении просеиваем через 3-х мм сито — третья фракция имеет зерно 4-5 мм. Если требуется более мелкий песчаный наполнитель, требуется последовательно просеять песок через сито с ячейкой 2,5 мм, затем — через 1,2 мм ячейку (первая фракция), далее — через 0,3 мм ячейку (вторая фракция).

Общий объем наполнителя составляется из первой фракции (20-50%) и второй (50-80%).

Отмерив нужное количество наполнителя каждой фракции, требуется соединить их и тщательно перемешать этот состав для равномерного распределения зерен разного размера по всему объему наполнителя.

Подбор марки и требуемого количества цемента

Для получения заданной марки бетона необходимо использовать такую марку цемента, которая будет выше требуемой марки бетона в 2-3 раза (для портландцемента — в 2 раза, для других видов цемента — в 3 раза). К примеру, чтобы получить марку бетона 160 кгс/см2 потребуется цемент, марка которого не ниже 400 кгс/см2. Необходимо учитывать, что объем готовой массы бетона меньше, чем объем его сухих составляющих — из одного м3 выйдет 0,59-0,71 м3 готового бетона. Расчет состава бетона смотрите в таблице:

Тип наполнителя Водоцементное соотношение Состав бетона по объему (цемент:песок: гравий(щебень)) Объем готового бетона Расход материалов для 1м3 цемент, м3 песок, м3 крупный наполнитель, м3 вода, м3 Осадка при испытании конусом 30-70 мм гравий 0.50 1:1,4:3,1 0,68 320 0,37 0,88 160 щебень 1:1,6:3,1 0,59 360 0,46 0,89 180 гравий 0.55 1:1,7:3,4 0,68 290 0,42 0,83 160 щебень 1:1,8:3,3 0,60 328 0,49 0,90 180 гравий 0.60 1:1,9:3,6 0,69 266 0,42 0,80 160 щебень 1:2,1:3,5 0,61 300 0,52 0,87 180 Осадка при испытании конусом 100-120 мм гравий 0.50 1:1,3:2,7 0,68 352 0,38 0,80 176 щебень 1:1,4:2,7 0,59 396 0,46 0,90 198 гравий 0.55 1:1,4:3,1 0,68 320 0,37 0,83 176 щебень 1:1,7:2,9 0,60 360 0,51 0,87 198 гравий 0.60 1:1,6:3,3 0,69 294 0,39 0,81 176 щебень 1:1,9:3,1 0,61 330 0,52 0,85 198 Осадка при испытании конусом 150-180 мм гравий 0.50 1:1,2:2,6 0,67 370 0,37 0,81 185 щебень 1:1,4:2,5 0,59 414 0,48 0,86 207 гравий 0.55 1:1,4:2,1 0,67 338 0,39 0,82 185 щебень 1:1,5:2,8 0,60 376 0,47 0,88 207 гравий 0.60 1:1,6:3,2 0,67 310 0,44 0,82 185 щебень 1:1,8:2,9 0,61 345 0,52 0,84 207

Последовательность составления бетонной смеси следующая: отмеренные порции крупных фракций наполнителя перемешивают между собой; отдельно отмеряют порцию песчаных фракций, высыпают на чистый деревянный щит (лист металла), формируя грядку; в песочную грядку засыпают мерное количество цемента и тщательно промешивают его с песком; в готовую цементно-песчаную смесь вводят подготовленную массу гравия (щебня) и тщательно промешивают до однородного состава (в сухом виде).

Затем вводят мерное количество воды через лейку, многократно промешивают смесь до образования однородной массы бетона. Готовая бетонная смесь должна быть использована в течение часа с момента ввода в нее воды.

Внимательность при подборе наполнителя позволит получить не только крепкий бетон, но одну и ту же марку бетона при использовании разных марок цемента (см. таблицу).

Марка бетона на 28 день, кгс/см2 Получаемые бетоны жесткие, требующие сильного уплотнения пластичные, требующие вибрирования литые, не требующие укладки Осадка при испытании конусом около 10 мм около 50 мм около 100 мм применяемая марка цемента 200 300 400 200 300 400 200 300 400 50 1:3,4:5 1:3,8:6,5  — 1:3:5 1:3,7:5,8  — 1:2,8:4,4 1:3,5:4,9  — 75 1:2,3:5 1:2,8:5,5 1:3,5:6 1:2,3:4 1:2,7:4,8 1:2,7:5,2 1:2:3,5 1:2,5:4 1:3:4,4 100 1:2,1:4,3 1:2,5:5 1:3:5,5 1:1,9:3,6 1:2,5:4,3 1:2,8:4,9 1:1,8:3,1 1:2,1:3,6 1:2,6:4,2 150  — 1:1,9:4 1:2,3:4,5  — 1:1,7:3,3 1:2,2:4,2  — 1:1,6:3 1:2:3,5

Примечание: состав бетона показан следующей пропорцией — цемент:песок:гравий (щебень).

Далее поговорим о составах некоторых современных бетонов.

Крупнопористые бетоны

Этот тип бетонов состоит исключительно из крупного наполнителя — песок в их составе полностью отсутствует. Структура крупнопористого бетона содержит большое число пустот между зернами наполнителя, вяжущее содержится в нем в очень малом количестве — все это приводит к сокращению объемного веса таких бетонов, если сравнивать с обычными. Кроме того, крупнопористый бетон имеет низкую теплопроводность.

Составы для бетона такого типа содержат различный наполнитель, как естественный (щебень или гравий тяжелых пород, щебень пемзы или туфа), так и искусственный (керамзит и бой кирпича, шлаковую пемзу, крупный топливный шлак и т.д.). Минимальная фракция наполнителей для крупнопористого бетона — 5 мм, максимальная — 40 мм, его объемный вес может быть от 700 до 2000 кг/м3 (зависит от типа наполнителя и расхода цемента).

Основное назначение крупнопористого бетона — создание стен и перегородок зданий различного назначения.

При формировании бетонной смеси важно строго отслеживать дозировку воды — любые отклонения соотношения вода/цемент в крупнопористом бетоне серьезно нарушают его прочность (в большей степени, чем в бетонах других типов). Происходит следующее: большее количество воды вызывает обтекание цементного теста с поверхности наполнителя, нарушая однородность внутренней структуры бетона; недостаток воды приводит к неравномерному обволакиванию наполнителя, резко осложняя укладку смеси бетона.

Замес крупнопористого бетона производится в бетономешалках свободного падения или с принудительным перешиванием: при использовании тяжелого наполнителя — 2-3 мин., с легким наполнителем — 4-5 мин. О готовности смеси бетона к применению сообщает характерный отблеск на зернах наполнителя, покрытых равномерным слоем цементного теста.

Одной из характерных особенностей крупнопористого бетона является большее количество выхода по сравнению с обычными бетонами. Заменяя плотный бетон на крупнопористый, удается достичь значительной экономии вяжущего (цемента): с введением тяжелых наполнителей — на 25-30%, при использовании легких наполнителей — до 50%. При этом прочностные свойства крупнопористого бетона полностью соответствуют плотному бетону.

По своим качествам — низкой теплопроводности, малому объемному весу и экономному расходу цемента — крупнопористый бетон отлично подходит в создании стеновых конструкций.

Легкие бетоны

Преимущество бетонов такого типа заключается в их малом весе и замечательных теплоизолирующих свойствах, недоступных обычным бетонам. В то же время, легкие бетоны имеют низкую прочность, однако это не оказывает особого влияния для тех строительных конструкций, где они применяются. Технология производства легких бетон не отличается от схемы создания обычных бетонных растворов. К легким бетонам относятся пемзобетон, керамзитобетон, шлакобетон и др.

Пемза — единственный природный материал, применяемый в легких бетонах в качестве наполнителя. Пемзобетон имеет малый объемный вес (от 700 до 1100 кг/м3) и его теплоизоляционные свойства выше, чем у других типов легких бетонов.

Наполнителем в керамзитобетоне выступает керамзит, этот тип легких бетонов используется при создании панелей крупного размера. Его прочностные качества, подвижность и поведение при укладке полностью аналогичны зависимостям, относящимся к бетонам других типов.

Вяжущим к шлакобетоне выступает клинкерный цемент, в качестве наполнителя применяются шлаки металлургической промышленности (доменные — гранулированные, отвальные и вспученные) и топливные, образующиеся после сжигания антрацитов и углей. Шлак, применяемый в шлакобетоне в качестве наполнителя, должен быть без примесей мусора и включений земли, содержать в своей структуре несгоревшие угольные частицы (для антрацитов — свыше 8-10%, для бурых углей — свыше 20%).

Понизить расход цемента в составе шлакобетона возможно путем введения особых добавок, уплотняющих и разбавляющих цемент. К примеру, такой добавкой может быть известь, позволяющая не только уменьшить расход цемента, но и повысить его качество. В качество особых добавок применяется зола, глина, каменная мука и пр. Благодаря введению добавок улучшается формовка смеси шлакобетона, в противном случае для этого потребовался бы ввод большего количества цемента.

Составы для особо легких бетонов

Особо легкие бетоны имеют другое название — ячеистые бетоны, к ним относятся газобетон, крупнопористый бетон с высокопористым наполнителем, пеносиликат, пенобетон и др. Ячеистые бетоны создаются путем введения в их состав пенообразующих добавок, создающих воздушные поры. Таким образом, в роли основного наполнителя в особо легких бетонах становиться воздух, наполняющий ячейки бетона. Благодаря высоким термоизолирующим свойствам воздуха, ячеистые бетоны имеют малую теплопроводность и объемный вес, низкое водопоглощение и высокую морозостойкость.

На прочностные свойства ячеистых бетонов большое влияние оказывает их объемный вес, к примеру, имея объемный вес в 800-1000 кг/м3, прочность особо легкого бетона будет 50-75 кгс/см2, при меньшем объемном весе в 600 кг/м3 прочность составит 25-30 кгс/см2.

В отличие от бетонов других типов, ячеистый бетон легко поддается обработке обычными инструментами — рубанком, топором и пилой, позволяя изготавливать из него различные плиты, панели, скорлупы для теплоизоляции и защиты тепловых сетей и т.д.

Среди ячеистых бетонов последним новшеством является газобетон. Составы для газобетона содержат шлам (помол песочно-известковой смеси, известь в ней — 1,5-2% от массы песка), цемент и газообразующую добавку — алюминиевую пудру.

Бетонная смесь газобетона замешивается в бетономешалке, в которую вводится поочередно шлам и цемент, далее, через 3 мин., порция алюминиевой пудры. Смесь промешивается в течение 8-ми мин., затем разливается по формам и выдерживается в них от 8-ми до 10-ти часов. В течение срока выдержки масса газобетона вспучивается и образует горбушку. По истечении срока горбушку обрезают, формы с отливкой газобетона помещают в автоклавы для парообработки при температуре около 100оС и давлении в 10 атмосфер.

Газобетон имеет объемный вес в пределах 400-1000 кг/м3, можно получить газобетон меньшего объемного веса (менее 400 кг/м3), если использовать в качестве связующего нефелиновые (безобжиговые) цементы.

Из газобетона создают блоки и панели для объектов строительства жилого и промышленного назначения.

Пенобетон, один из наиболее популярных типов ячеистых бетонов, создается из смеси цемента, песка, воды и воздухововлекающей добавки, к примеру, канифольного мыла. Смесь подвергается взбиванию в бетономешалке, вращающейся с большой скоростью — в результате образуется пенистая масса, которую для схватывания и отвердения разливают по формам. Есть другой способ получения пенобетона — пена производиться отдельно, в особом аппарате для пенообразования, затем ее добавляют к бетонному раствору в обычной бетономешалке. Получаемый таким способом пенобетон более однороден по плотности, чем полученный в скоростной мешалке.

Пенобетон имеет объемный вес в 400-800 кг/м3. Как и все типы ячеистых бетонов, пенобетон значительно усаживается при отвердении, поэтому нуждается либо в автоклавном пропаривании, либо в выдержке на протяжении нескольких часов. В пенобетон, не подвергаемый пропариванию в автоклаве, необходимо вводить большее количество цемента (350-450 кг/м3), его усадка вызывает многочисленные трещины вплоть до полного разрушения в некоторых случаях. Автоклавный пенобетон содержит большее количество песка, а пропаривание в автоклаве в условиях высокой температуры и давлении в 8-12 атмосфер позволяет полностью избежать его усадки и трещинообразования. Наполнителем для пенобетона служит дробленый песок, вместо него можно использовать трепел (опаловая осадочная порода), маршалит (молотый пылевидный кварц) или уносную золу с электростанций.

Пеносиликат имеет ту же технологию производства, что и пенобетон. Их отличие в том, что в производстве пеносиликата в роли вяжущего выступает молотая известь (кипелка).

Для получения одного м3 пропаренного пенобетона требуется до 280 кг цемента, а для одного м3 пеносиликата требуется 150 кг извести. Ячеистую структуру пеносиликата получают в ходе последовательных операций: растворение пенообразователя в воде; взбалтывание раствора до образования пены; перемешивание вяжущего и наполнителя с водой; соединение раствора бетона с раствором пены и смешивание в пенобетономешалке. Бетономешалка для смешивания пеносиликата состоит из трех барабанных секций: в первом барабане смешивается раствор бетона; во втором — водный раствор пенообразователя; по готовности содержимое первых двух секций поступает в третий барабан, где и образуется ячеистый пеносиликат. Далее — разлив готовой массы бетона по формам и пропаривание в автоклавах под определенным давлением и температурой.

Основные ошибки при составлении бетона:

введение избыточного количества воды. Жесткий бетон гораздо сложнее уложить, чем пластичный или литой, поэтому некоторые горе-строители предпочитают добавить воды и тем самым облегчить свою задачу. В результате «лишняя» вода, не вступая в реакцию с вяжущим, сохраняет свое свободное состояние в массе бетона. Она с течением времени испаряется и оставляет после себя поры, снижающие прочностные качества бетона; недостаточное уплотнение уложенной массы бетона (укладка проводится без вибрирования). В этом случае бетон содержит в себе большое количество пустот, заполненных воздухом — они понижают прочность и марку бетона.