Качество и свойства бетона в значительной мере определяются свойствами бетонной смеси, основными из которых является удобоукладываемость и связность. Удобоукладываемость оценивается по показателям подвижности смеси или ее жесткости (ГОСТ 10181.1—81). Подвижностью (консистенцией) называется способность бетонной смеси растекаться под действием собственной массы. Степень подвижности смеси оценивается величиной осадки конуса, отформованного , из нее. Чем больше осадка конуса, тем более подвижна бетонная смесь. По величине осадки конуса (в сантиметрах) бетонные смеси подразделяются на жесткие (не дающие осадки конуса), малоподвижные (осадка I—3 см), подвижные (осадка 4—15 см) и литые (осадка более 15 см).
Жесткость бетонной смеси – способность ее растекаться и заполнять форму под действием вибрации. Степень жесткости измеряется временем вибрации (в секундах), в течение которого свежеотформованный бетонный конус займет горизонтальное положение в форме. Жесткость бетонной смеси (с максимальной крупностью заполнителя 40 мм) определяют с помощью технического вискозиметра. По степени жесткости смеси делятся на особо жесткие (более 200 с), жесткие (30—200 с) и малоподвижные (15—25 с).
Под связностью (пластичностью) понимается свойство бетонной смеси не расслаиваться при транспортировке, выгрузке и укладке. При отсутствии связности подвижная бетонная смесь расслаивается, теряет однородность и становится непригодной к укладке в форму.
Основные свойства бетона – прочность, плотность, водонепроницаемость и морозостойкость. Главный показатель механических свойств – прочность при сжатии (марка). Она определяется пределом прочности при сжатии стандартных образцов- кубов размером 150×150×150 мм, изготовленных из данной бетонной смеси и выдержанных до испытания в течение 28 суток в нормальных условиях, т. е. при температуре 15—20 °C и относительной влажности воздуха не менее 90 %, которые создают в специальных камерах. Марку бетона можно определить также на кубах с размерами ребер 100, 200 и 300 мм с помощью переводных коэффициентов, соответственно 0,91; 1,05 и 1,1 (приведенные к пределу прочности кубов с размером ребра 150 мм).
Для тяжелых бетонов установлено восемь марок: 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500 и 600, что соответствует пределу прочности при сжатии 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50 и 60 МПа. Прочность бетона при сжатии в основном зависит от активности цемента, водоцементного отношения В/Ц, прочности и качества заполнителей, их зернового состава, а также от температуры и влажности окружающей среды.
Плотность тяжелого бетона находится в пределах 2650—2800 кг/м3. С увеличением ее повышаются прочность, водонепроницаемость, морозостойкость и другие свойства бетона.
Водонепроницаемость бетона характеризуется степенью водонепроницаемости, т. е. величиной наименьшего давления воды, при котором она еще просачивается через бетонный образец. По этому показателю бетоны делятся на четыре марки: В2, В4, В6 и В8. Цифры в марках обозначают, что данные бетоны выдерживают давление воды соответственно не менее 0,2; 0,4; 0,6 и 0,8 МПа. Для повышения водонепроницаемости в состав бетона вводят кремнийорганические добавки и добавки, способствующие уплотнению цементного камня, например алюминат натрия.
По степени морозостойкости тяжелые бетоны делятся на пять марок: от Мрз 50 до Мрз 300. Цифры в марках показывают, сколько циклов замораживания и оттаивания выдерживает бетон без разрушения.
Процесс приготовления бетонной смеси состоит из дозирования цемента, воды, песка, гравия или щебня и перемешивания их до получения однородной массы. Приготовление смеси осуществляется в основном на автоматизированных бетонных заводах и в бетоносмесительных узлах предприятий по производству сборного железобетона. При небольших объемах работ ее приготовляют на приобъектных бетоносмесительных установках.
В бетонную смесь декоративного бетона также входят портландцемент, вода, мелкий и крупный заполнители. Портландцемент может быть обычным серым, белым или цветным. Цветной цемент разрешается получать введением в серый или белый цветостойких щелочеустойчивых по отношению к цементу пигментов, не снижающих физико-механические показатели декоративного бетона. ОСТ 20-40—84 «Блоки искусственные для распиливания на облицовочные плиты» (которые изготовляют из декоративного бетона) допускает использовать для окраски цемента следующие пигменты: сурик железный (ГОСТ 8135—74), двуоксид марганца (ГОСТ 4470—79*), оксид хрома (ГОСТ 2912—79). Содержание пигментов не должно превышать 5 % общей массы окрашиваемого цемента. Лучшей водой для затворения является питьевая вода. Можно применять и любую другую воду, не содержащую вредных примесей, которые препятствуют нормальному твердению бетона.
Заполнитель может быть получен дроблением горных пород любого происхождения при условии его соответствия ГОСТ 22856— .77 «Щебень и песок декоративные из природного камня». После дробления заполнитель необходимо разделить на фракции 6-2,5; 2,5—5; 5—10; 10—20; 20—40 мм. По согласованию с заказчиком можно использовать также фракции 40—70 и более 70 мм.
Для улучшения свойств бетонной смеси и бетона могут использоваться следующие поверхностно-активные добавки: сульфатно-дрожжевая бражка СДБ (ГОСТ8179—69), мылонафт (ГОСТ 13302—77) и нитрит- нитрат-хлорид кальция HHXK (ТУ-6 – 18 – 157—73).
Подбор оптимального состава декоративного бетона рекомендуется производить в следующем порядке: определение водоцементного отношения; расхода цемента и воды; расхода мелкого и крупного заполнителей; уточнение подобранного состава.
Расход цемента рекомендуется устанавливать эмпирическим путем (табл. 22).
Расход воды определяется опытным путем из условия заданной удобоукладываемости бетонной смеси при выбранной максимальной крупности щебня. Для бетонов с наибольшей степенью уплотнения подвижность должна составлять 1—2 см. Ориентировочный расход воды на 1 м3 бетона должен быть 170—180 л (при цементе марки 300) и 150—160 л (при цементе марки 400) с учетом применения материалов, высушенных до постоянной массы. Для заполнителей с естественной влажностью необходима корректировка, учитывающая содержание в них воды.
Таблица 22. Расход цемента, кг/м3, на приготовление бетонной смеси
| Марка цемента | Марка бетона | |
| 200 | 300 | |
| 300 | 380/350 | |
| 400 | 330/300 | 410/420 |
Примечание. В числителе приведен расход для карбонатного песка, в знаменателе – для кварцевого.
Расход песка на 1 м3 бетона определяется как разность между абсолютным объемом бетона и суммой абсолютных объемов составляющих:
П = [1000 – (Ц / γц + В + Щ / γщ)] γп,
где Ц, В, Щ, П – расход соответственно цемента, воды, щебня и песка, кг; γц, γщ, γп, — истинная плотность соответственно цемента, щебня и песка, кг/ дм3.
Расход щебня на 1 м3 бетона определяется исходя из условия максимального насыщения образца уплотненной бетонной смеси крупным заполнителем с минимальной раздвижкой зерен цементно-песчаным раствором:
Щ = 1000 / (Vщ — α/ γ’щ + 1 / γщ)
где Vщ – Пустотность щебня в стандартном рыхлом состоянии, определяемая по ГОСТ 8269—76;
α – коэффициент раздвижки зерен (принимается равным 1,35 при расходе цемента до 350 кг/м3 и 1,43 при расходе цемента более 350 кг/м3;
γ’щ – насыпная средняя плотность щебня, кг/ дм3;
γщ – истинная плотность щебня, кг/ дм3.
После корректировки состава бетона (бетонной смеси) для определения фактического расхода материала пробными замесами вычисляется средняя плотность бетона γб (отклонение фактической величины расхода от расчетной допускается в пределах ±2 %):
где G1 – масса формы, кг;
G2 – масса формы с бетоном, кг;
V – объем формы, дм3.
Зная объем полученной бетонной смеси, и расход материалов на пробные замесы, можно определить фактический расход материалов на 1 м3 бетона:
M = ∑ G/γф,
где ∑ G – суммарная масса материалов на пробный замес, кг; γф – фактическая средняя плотность уплотненной бетонной смеси, кг/ дм3.
Расход материалов на один замес бетономешалки определяется с учетом коэффициента выхода бетона
rб = 1000/ (Ц / γ’ц
+ П / γ’п
+ Щ / γ’щ) Kв,
где Ц. П, Щ – количество соответственно цемента, песка и щебня, требуемое на замес, кг; γ’ц γ’п γ’щ – насыпная средняя плотность соответственно цемента, песка и щебня, кг/дм3; Kв – коэффициент выхода бетона: Kв
= 0,67 – 0,68.
Таблица 23. Составы декоративного бетона и расход материалов в зависимости от вида мраморного щебня
| Месторождение мрамора | Расход на 1 м3 бетона, кг | ||||||||
| Цемент : песок:щебень (Ц:П:Щ) | Водоцементное отношение В/Ц | цемента | песка карбонатного фракции 0—5 мм | 5—10 | щебня фракций, мм 10—20 20—40 40—70 | Всего | |||
| Коелгинское | 1:1,3:6,0 | 0,45—0,46 | 280 | 375 | 420 | 650 | 630 | 1700 | |
| Кибик-Кордонское: розовый мрамор | 1:1,2:4,0 | 0,46—0,49 | 380 | 450 | 200 | 300 | 450 | 570 | 1520 |
| серый мрамор | 1:1,14:4,55 | 0,46—0,49 | 350 | 400 | 200 | 300 | 450 | 640 | 1590 |
| Иджеванское, Маймехское, Хорвирапское | 1:1,5:6,0 | 0,55—0,6 | 270 | 405 | 400 | 620 | 600 | 1620 | |
Для иллюстрации определения состава бетона (бетонной смеси) по приведенным формулам рассмотрим следующий пример.
Пример. Требуется определить расход щебня и песка при заданном расходе цемента и соотношение этих материалов по массе, приняв расход цемента за единицу.
Задаемся подвижностью бетонной смеси 2—3 см, что соответствует расходу воды 170—180 л на 1 м3 смеси. Расход воды принимаем равным 175 л/м3, а водоцементное отношение (В / Ц) – 0,5. Тогда расход цемента составит 350 кг/м3.
Определяем расход щебня, приняв Vщ
= 0,46 :
Щ = 1000 / (0,46 · 1,35 / 2,66 + 1 / 2,68) = 1650 кг.
Определяем расход песка при известных расходах цемента, щебня и воды:
П = [ 1000 – (350 / 3,1 + 175 + 1650 / 2,68] × 2,68 = 258 кг.
Зная расходы песка и щебня и отнеся их к расходу цемента (равен 1), получаем следующее их соотношение:
Ц:П: Щ = 1 : 0,74:4,71.
Рассчитанный состав имеет чисто конструктивное значение и не может считаться оптимальным для декоративных бетонов.
Критериями оптимальности при выборе состава декоративного бетона следует считать внешний вид, удобоукладываемость (необходимое количество цементного теста для обволакивания камня и заполнения межзернового пространства), максимальное заполнение поверхности изделия камнем и отсутствие крупных пор. В соответствии с ГОСТ 24099—80 коэффициент камненасыщения, характеризуемый отношением площади, занимаемой природным камнем размером свыше 5 мм, к общей лицевой поверхности декоративных плит, должен составлять 0,75 или 0,80 в зависимости от категории качества плит.
Исследованиями и практикой установлено, что оптимальный состав декоративного бетона (бетонной смеси) и связанный с ним расход материалов зависят от физико-механических свойств и химического состава заполнителя – щебня, т. е. по физико-механическим и химическим показателям при разных заполнителях составы бетонов будут различными.
В качестве примера в табл. 23 приведены оптимальные составы и расход компонентов декоративного бетона с заполнителем из мраморов наиболее известных месторождений: Коелгинского, Кибик-Кордонского, Иджеванского, Маймехского и Хорвирапского.