Бетон – это искусственный каменный материал, получаемый в результате затвердевания тщательно подобранной, перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего вещества, воды, мелких и крупных заполнителей. До затвердевания эта смесь называется «бетонной смесью». Здесь самое важное – бетонная смесь. По сути, подбор состава бетона — это подбор состава бетонной смеси.

Это и есть тот самый главный компонент, который впоследствии твердеет и дает нам бетон. Он не застывает, не замерзает, а именно твердеет.

Чаще всего для изготовления бетонов применяют цементы и неорганические заполнители.

Вяжущее вещество (цемент) и вода являются активными составляющими бетона. Благодаря реакции между ними образуется цементный камень и происходит сцепление его с заполнителем.

Заполнители в большинстве своем являются инертными, т.е. не вступают в химическое соединение с цементом и водой. Поэтому заполнители часто называют инертными материалами. Они образуют жесткий скелет бетона и уменьшают его усадку, возникающую вследствие усадки цементного камня при твердении. В легких бетонах пористые заполнители уменьшают объемный вес и теплопроводность.

В качестве заполнителей используют преимущественно местные дешевые материалы (песок, гравий, щебень). Это снижает стоимость бетона и делает его в основном местным материалом, так как привозной цемент составляет всего около 10-15% его веса, а заполнители и вода – до 80-95%.

Следует отметить, что бетонная смесь по своему агрегатному состоянию является жидкостью, обладающей специфическими свойствами. Например, тиксотропностью – способностью жидкости при механическом воздействии разжижаться, становиться более текучей. Это свойство используется для уплотнения бетонной смеси: при погружении вибратора в бетонную смесь, она растекается.

Через какой-то промежуток времени бетонная смесь становится бетоном, и это уже твердое тело.

Существует определенный промежуток времени, который называется схватыванием.  Схватывание имеет начало и конец. Начало и конец схватывания определяются ГОСТами в соответствии с вяжущими, в качестве которых могут быть: цемент, гипс, глиноземистый цемент, пуццолановый цемент т.д. В зоне схватывания бетон уже не жидкое тело, но и еще не твердое.

Схватывание бетона в промежуток времени

Начало и конец схватывания бетона в промежуток времени

 

Конкретно для цемента сроки его схватывания определяются на приборе Вика с иглой и кольцом.

Прибор Вика с иглой и кольцом

Прибор Вика с иглой и кольцом

Для этого кольцо ставят на пластину, наполняют цементным тестом и погружают в него иглу через каждые 10 минут, передвигая кольцо после каждого погружения для того, чтобы игла не попадала в одно и то же место.

Если игла не доходит до пластины, на который установлен образец на 2-4 мм, то это начало схватывания. Если наоборот, игла погружается в образец не более, чем на 1-2 мм, то это уже конец схватывания.

 

Принципы подбора состава бетона

 Принципы, на основе которых мы будем подбирать, проектировать состав нашего бетона, их всего два:

  • Принцип абсолютных объемов
  • Принцип фаз

Проще, это можно сформулировать следующим образом. Практически весь объем бетонной смеси занимает щебень, он выступает в роли каркаса. Пустоты между зернами щебня заполняет песок – это вторая структура внутри первой. И пустоты между песком и между щебнем, которые остались, заполняет цемент — это третья структура. Получается такая матрешка в матрешке.

Принцип фаз – это то, что щебень выступает в роли каркаса и занимает большую часть объема.

Принцип абсолютных объемов говорит, что все компоненты в составе тяжелого бетона, а именно вода, цемент, песок и щебень условно говоря, занимают 100% объема, не оставляя там пор.

Перейдем к исходным данным, к тому, на основании чего мы будем проектировать наш состав. Прежде всего нам нужно определиться с понятиями плотности истинной, плотности насыпной и плотности средней.

 

Плотность материала: средняя, истинная и насыпная

Средняя плотность материала ρ0(кг/м3) – это масса единицы объема материала в естественном состоянии (с порами и пустотами). Вычисляют путем деления массы образца m на его геометрический объем с порами и пустотами:

ρ0 = m / V;

Истинная плотность материала ρ (кг/м3) – это масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии, без учета пор и пустот. Вычисляют путем деления массы образца m на его абсолютный объем (без пор и пустот):

ρ = m / Va;

Насыпная плотность материала – это отношение массы материала в свободном рыхло насыпанном состоянии к его объему.  

Истинная плотность песка и щебня примерно 2,65-2,7 т/м3, цемента – 3,1 т/м3.

Средняя плотность песка и щебня – 1,4-1,45 т/м3.

Щебень мы будем рассматривать фракции 5-20 мм – основная фракция для производства бетона и изделий из него.

В данном алгоритме будем считать, что все составляющие — среднего качества. Также будем считать, что вода качеством не хуже питьевой. 

Но самые главные исходные данные, которые необходимы нам для проектирования – это марка бетона по прочности на сжатие Мб. Мы будем исходить из того, какой прочности бетон нам необходим. Также нам необходимо знать марку цемента Мц. Это, пожалуй, основной компонент, свойства которого влияют на состав бетонной смеси.

Также нам необходимо знать об удобоукладываемости смеси, которая говорит о легкости ее укладки и отсутствии расслоения.

Удобоукладываемость бетонной смеси

Удобоукладываемость бетонной смеси зависит от способа ее уплотнения: трамбованием или вибрацией. В процессе уплотнения из бетона удаляется воздух, в результате чего достигается максимальная плотность бетонной смеси. Весь процесс уплотнения бетона направлен на преодоление двух видов сцепления:

  • сцепления между отдельными частицами в бетоне;
  • сцепления между бетоном и опалубкой и поверхностью арматуры.

Прочность готового бетона напрямую зависит от степени уплотнения бетонной смеси. При наличии пор в бетоне его прочность резко снижается. Так, 2% пор могут привести к снижению прочности на 10%, а 5% пор снижают прочность уже на 30%.

По своей природе поры в бетоне – это или пузырьки поглощенного воздуха, или пространство, оставшееся после удаления воды. Объем пор, оставшихся после удаления воды, зависит от водоцементного соотношения в бетонной смеси. Количество воздушных пор зависит от гранулометрического состава мелкого заполнителя, то есть, от крупности песка.    

По удобоукладываемости бетонные смеси делятся на три вида: подвижные (П), жесткие (Ж) и сверхжесткие (СЖ). Оценка удобоукладываемости бетонной смеси производится на основании показателей:

  • для подвижных смесей – показатель подвижности. Это оценка по осадке конуса ОК (в см) или расплыву конуса (РК), отформованного из бетона;
  • для жестких и сверхжестких бетонных смесей – показатель жесткости. Это оценка по времени вибрации в секундах, необходимого для уплотнения бетона.
Марка по удобоукладываемости Показатель подвижности, см Показатель жесткости, с
ОК РК
Подвижные бетонные смеси
П5 21 и более 31 и более
П4 16 — 20 26 — 30
П3 10 — 15
П2 5 — 9
П1 1 — 4 4 и менее
Жесткие бетонные смеси
Ж1 5 — 10
Ж2 11 — 20
Ж3 21 — 30
Ж4 31 — 60
Сверхжесткие бетонные смеси
СЖ1 50 и менее
СЖ2 51 — 100
СЖ3 более 100

Мы будем рассматривать исключительно подвижные смеси, так как это наиболее распространенный вариант.

Для примера зададимся следующими данными:

Мб = 300; 

Мц = 400;

Марка по удобоукладываемости: осадка конуса – 5-9 см или П2.

Мы можем приступать к подбору состава.

 

Определение водоцементного отношения В/Ц

Первое, с чего начинается подбор состава бетона – определение водоцементного отношения В/Ц. Это самый главный показатель, который характеризует прочность бетона. Физический смысл этой величины заключается в следующем: она показывает концентрацию цемента в водоцементной системе. Чем у нас больше цемента, тем больше концентрация, тем цементный камень при затвердевании будет прочнее.

Vodocstementnoe otnoshenie

Где А и А1 – коэффициенты, учитывающие качество заполнителей. Для заполнителей среднего качества принимается А = 0,6; А1 = 0,4.

Водоцементное отношение В/Ц<0,4 встречается относительно редко, так как смеси менее 40% довольно жесткие и редко встречаются.

Rб – марка бетона = 300;

Rц – марка цемента = 400.

В/Ц = 0,6 ∙ 400 / 300 + 0,5 ∙ 0,6 ∙ 400 = 0,57

Для полной гидратации всех цементных минералов необходимо примерно 18% воды от массы цемента. Для того, чтобы получить удобоукладываемую подвижную смесь мы добавляем воды намного больше, и значение водоцементного отношения в большинстве случаев варьируется от 0,4 до 1.

Возникает вопрос, что происходит с лишней водой, которая не пошла на гидратацию цемента? Она испаряется, и на месте испаренной воды образуются поры. А основной закон прочности каменных материалов: кривая зависимости прочности от пористости носит гиперболический характер – чем больше пористость, тем меньше прочность.  

Возьмем на примере самые распространенные каменные материалы и простроим кривую зависимости их прочности от пористости. 

Материал Плотность, кг/м3 Прочность, МПа Пористость, %
Пенобетон 300 0,5-1 85-90
Газобетон 700 3-4 70-80
Раствор 1800 10-15 30-35
Бетон 2300 25-35 15
ВКБ 2400 50-70 <10
График зависимости прочности различных строительных материалов от их пористости

График зависимости прочности различных строительных материалов от их пористости

Из графика видно, чем выше прочность, тем лавинообразней происходит ее спад при увеличении пористости. Лишняя вода, да и вообще вода, в принципе, вызывает пористость и снижает прочность. Когда заливают бетонную конструкцию бетоном с повышенным количеством воды, то идет водоотделение 5-10 см. Лишняя вода, испаряясь в большом количестве, оставляет такое же большое количество пор и пустот. Через месяц-два этот бетон, условно говоря, можно пальцем проткнуть. Через 2-3 года он начинает весь сыпаться и превращаться в труху. 

Получается, вода для бетона плохо, но в тоже время, без воды невозможно получить удобоукладываемую смесь, с которой можно работать и которую можно уплотнять.

 

 Определение количества воды

Количество воды определяется в зависимости от требуемой подвижности, в зависимости от того, гравий мы применяем или щебень, от их наибольшей крупности. Так как у щебня структура чуть рваная, то воды надо больше. Смачиваемая поверхность у гравия наоборот, меньше.

Водопотребность бетонной смеси:

ОК, см Ж, с Расход воды, л/м3, при крупности, мм
гравия щебня
10 20 40 80 10 20 40 80
40…50 150 135 125 120 160 150 135 130
25…35 160 145 130 125 170 160 145 140
15…20 165 150 135 130 175 165 150 145
10…15 175 160 145 140 185 175 160 155
2…4 190 175 160 155 200 190 175 170
5…7 200 185 170 165 210 200 185 180
8…10 205 190 175 170 215 205 190 185
10…12 215 205 190 180 225 215 200 190
12…16 220 210 197 185 230 220 207 195
16…20 227 218 208 192 237 228 213 202

Существуют специальные эмпирические таблицы, графики, на основе которых в зависимости от исходных данных можно определить необходимое количество воды.

График расхода воды

График расхода воды в зависимости от осадки конуса и подвижности смеси

ОК – осадка конуса в сантиметрах, см;

1 ÷ 4 – подвижность смеси П1 ÷ П4

Для подвижных смесей, для щебня фракции 5-20:

— для подвижности П1 нужно 180 литров воды;

— для П2 – 195 литров;

— для П3 – 210 литров;

— для П4 – 230 литров.

Понятно, что чем выше подвижность, тем больше воды нам надо.

Получается, для нашего примера берем расход воды 195 литров (для П2).

Никакая методика не гарантирует стопроцентного попадания в те свойства, которые нам были прописаны в задании. Поэтому обязательно нужно делать замесы, подтверждать подвижность смеси, прочность бетона. Если они не соответствуют заявленным, то производить корректировку.

Следует заметить, что современный бетон без пластификаторов – это не бетон. Строительная химия сейчас используется абсолютно везде, неважно, на заводе или при самостоятельном замешивании бетона.

Один из важных параметров пластификатора – это водоредуцирующий эффект, который измеряется в процентах. Водоредуцирующий эффект – это то значение, на которое пластификатор способен уменьшить количество затворяемой воды при сохранении той же самой удобоукладываемости смеси. Может быть 10%, 20%, 30%. Существует огромное количество пластификаторов, под различными брендами, торговыми марками, но активные компоненты у них одни и те же. В инструкции на пластификатор указаны как водоредуцирующий эффект, так и дозировка, которая зависит от массы цемента, и составляет от 0,1 до 1,5%.

Для примера возьмем пластификатор с водоредуцирующим эффектом 10%. И нам для подвижности П2 нужно брать уже не 195 литров, а:

В = 195 л – 20 л (10% от 195 л) = 175 литров

 

 Определение количества цемента

Так как В/Ц = 0,57, и В = 175 литров, то

Ц = В / 0,57 = 175 / 0,57 = 310 кг

 

Определение количества пластификатора

Допустим, нам необходимо для получения водоредуцирующего эффекта 10% взять пластификатора 1% от массы цемента.

Ц ∙ 0,01 = 310 ∙ 0,01 = 3,1 кг;

Так как пластификатор тяжелее воды, с плотностью 1,1 т/м3, а дозировать его мы будем в литрах, то количество пластификатора в литрах:

Пл = 3,1 / 1,1 = 2,8 литров

Можно посчитать, сколько бы нам пришлось взять цемента без пластификатора.

Ц = В / 0,57 = 195 / 0,57 = 342 кг

Получается, при применении пластификатора мы экономим более 30 кг цемента. С учетом того, что 10% пластификатор стоит недорого, то это существенная экономия бюджета. А если взять пластификаторы последнего поколения, которые дают 30% водоредуцирующий эффект, то можно получить еще большую экономию цемента.

 

Определение количества щебня

Щебня должно быть 1000-1300 кг/м3.

При средней плотности щебня 1,4-1,45 т/м3, мы получаем, что по объему щебень будет занимать 70-95%.

Почему не 100%? Если мы возьмем 100%, то у нас зерна щебня будут соприкасаться между собой, будут иметь точки контакта, и цемент с песком не смогут полностью окружить эти зерна и обеспечить сцепление этих элементов каркаса между собой. Поэтому принимается определенная раздвижка зерен. В учебной литературе определяется коэффициент раздвижки зерен, который зерна щебня раздвигает, между ними образуются определенные промежутки и в них без проблем может расположиться песок и цемент и обеспечить надежное сцепление зерен между собой.

В какую сторону смещаться, ближе к 1000 или к 1300? Если берем щебня больше, то становится меньше водопотребность смеси, но она получается более жесткой, так как большое количество щебня в бетоне приводит к комкованию бетона. Такой бетон очень тяжело брать лопатами, тяжело заглаживать и уплотнять.

Если брать щебня меньше, то смесь становится более податливой, но больше воды уходит на затворение данной бетонной смеси.

Есть определенные канонические особенности: все зависит от региона. Где-то щебень стоит дороже песка, где-то наоборот, песок стоит дороже щебня.

Мы можем уменьшить до минимума количество щебня, если он слишком дорогой, а разницу снивелировать количеством песка.

Для нашего примера возьмем по максимуму, 1300 кг щебня.

Щ = 1300 кг

 

Определение количества песка

В классической методике определения состава бетона песок определяется с тем расчетом, что он займет оставшуюся часть объема, которую уже заняли щебень, вода и цемент.

То есть, от единицы объема отнимается объем щебня, воды и цемента и умножается на истинную плотность песка:

П = (1 – Щ – В – Ц) ∙ ρист

Одна интересная, адаптированная к действительности деталь для упрощенной методики, если некогда считать по последней формуле:

Средняя плотность практически любой бетонной смеси составляет 2400 кг/м3. И для того, чтобы нам найти количество песка, нам нужно от 2400 отнять все то, что мы уже насчитали:

П = 2400 – 175 (воды) – 310 (цемент) — 1300 (щебня) = 615 кг.

Песок и щебень как два брата, нивелируют друг друга. Мы можем взять щебня не 1300 кг, а по-минимуму, 1000 кг. Тогда, чтобы выйти на среднюю плотность бетонной смеси, песка нужно взять 615 + 300 = 915 кг.

Но все-таки не очень хорошая пропорция, когда песка и щебня примерно поровну. Лучше придерживаться классических принципов, когда щебень занимает по максимуму объема, формирует основной силовой каркас, а уже все остальное – песок и цемент.

Если мы посмотрим на подобранный состав:

В / Ц = 0,57

Вода = 175 л

Пластификатор = 2,8 л

Цемент = 310 кг

Песок = 615 кг

Щебень = 1300 кг

Цемент : песок : щебень: пропорции этих компонентов между собой соотносятся как 1 : 2 : 4.

Когда-то на старых мешках с цементом, для Мц 400, и Мб 300 как раз и давались такие пропорции 1 : 2 : 4.

 

Рабочий состав бетона

То, что мы сейчас подобрали, это прежде всего лабораторный состав, либо номинальный. Что это значит? Здесь песок и щебень в абсолютно сухом состоянии. То есть, у них влажность нулевая W = 0%. Но на самом деле они хранятся под открытым небом, и они имеют какую-то влажность, и ее надо учитывать.

Щебень имеет влажность 3 – 5%. У песка, как дисперсного компонента влажность немного больше и составляет 5 – 7%.

Для того, чтобы перейти на рабочий состав, нам нужно эти значения умножить на (1 + W). То есть, количество песка нам нужно умножить на 1,05, а количество щебня на 1,03.

Получается новый состав, с учетом влажности песка и щебня:

Цемент = 310 кг

Песок = 615 ∙ 1,05 = 645 кг

Щебень = 1300 ∙ 1,03 = 1340 кг

Пластификатор = 2,8 л 

Как посчитать количество воды: разница между влажным и лабораторным песком – 30 кг или 30 литров. Разница между влажным и лабораторным щебнем 40 кг или 40 литров. Эта разница и есть вода в этих составляющих бетонной смеси. Значит, чтобы найти необходимое количество воды для стройплощадки, нужно из лабораторного количества вычесть воду в щебне и в песке:

В = 175 литров – 30 литров – 40 литров = 105 литров

Марка цемента

При подборе компонентов бетонной смеси желательно, чтобы марка цемента была на 100 — 200 единиц выше, чем марка бетона. Если нам нужен бетон Мб = 200, то мы берем Мц = 300; если нужен Мб = 300, то Мц = 400 или 500.

Не очень хорошо, если у нас большой разрыв между маркой бетона и маркой цемента. Это значит, что цемент намного больше по своей активности, чем бетон.

Это можно увидеть из следующей таблицы:

Мб = 200

Мц = 300

П2

Мб = 200

Мц = 500

П2

В / Ц 0,62 0,86
Вода 155 155
Цемент 250 180
Щебень 1200 1200
Песок 795 865

В данном примере вода дана с учетом 20% водоредуцирующего эффекта.

В этой таблице стоит обратить внимание на цемент. В учебных пособиях регламентируется в том числе и минимальное значение расхода цемента на куб бетона. Оно примерно составляет 200 кг, где-то может и чуть больше. Исходя из каких условий вводится такое ограничение на минимум цемента?

Цемент не только выступает в роли вяжущего, которое обеспечивает сцепление компонентов между собой. Он также выступает в качестве мелкодисперсного заполнителя. И если заполнителя будет слишком мало, например, 180 кг, то мы не сможем получить абсолютно плотную структуру. Утрированно это можно проиллюстрировать так: возьмите ведро щебня и замешайте бетон без добавления песка – лопату цемента на ведро щебня. И вы получите такой пористый «козинак», который потом легко крошится.

То же самое происходит, только на уровне цемент – песок. Поэтому крайне нежелательно, чтобы количество цемента было меньше 200 кг/м3. А это как раз происходит, когда мы берем сильно прочный, активный цемент (марки 500) и низкой марки бетон (марки 200). Все-таки предпочтительней выбрать первый вариант, когда цемент и бетон по своей марке находятся близко друг к другу.

Если все-таки в наличии есть бетон и цемент с большим расхождением марки, то выходом из данной ситуации будет добавление в состав бетонной смеси какой-нибудь мелкодисперсный компонент, который по своей удельной поверхности соответствовал цементу. Это может быть и молотый кварцевый песок, и известняковая мука, и тонкомолотая активная минеральная добавка, например, зола уноса.

Добавим в наш состав 50 кг золы уноса. Но из того расчета, что средняя плотность бетонной смеси составляет фиксированные 2400 кг/м3, то нам нужно эти 50 кг отнять из количества песка:

Песок = 865 – 50 = 815 кг

Мы получили сбалансированный состав, где мелкодисперсного компонента у нас не 180 кг, а 230 кг.

Но если мы посмотрим внимательно, то 230 кг во второй колонке это не что иное, как 250 в первой, ведь цемент М 500 в большинстве своем — это чистый молотый клинкер 95% с 5% гипса. Если мы к цементу М500 добавляем только молотую минеральную добавку, то получаем тот же самый портландцемент М300. Поэтому, по сути, второй вариант превратился в первый. Если нет разницы, то зачем вводить лишний компонент, когда можно просто взять цемент М300 и на нем получать низкомарочный М200 бетон.

Но любой состав в конце всегда нужно проверять. Потому что ни одна методика не гарантирует 100% попадания в начальные свойства.

Если, например, подвижность у нас изначально была П2, а лабораторные испытания показали, что подвижность по факту П1, то надо увеличивать количество воды. Увеличиваем воду, значит увеличиваем цемент. Не меняя значения В / Ц, пересчитываем щебень и песок.

Если у нас прочность бетона получилась ниже, то нужно уменьшать В / Ц. Следовательно, нужно или уменьшать воду, или увеличивать цемент.

То есть, нужно обязательно проверять состав и потом делать корректировку.