Плотность бетона

Бетонные конструкции и отдельные изделия из бетона активно используются в самых разных областях жизнедеятельности человека – от монолитного строительства до изготовления скульптур. Высокая востребованность привела к появлению большого количества марок материала, отличающихся своими химическими и физическими характеристиками, в том числе таким параметром как средняя плотность бетона. Нередко при выборе смеси данное физическое свойство полностью игнорируется, причем случается это даже у профессиональных строителей. Подобный подход ошибочен и способен привести к серьезным последствиям, вплоть до разрушения конструкций.

Что такое плотность бетона, и на что она влияет

Если вспомнить курс школьной физики, то станет ясно, что плотность являет собой соотношение массы к объему, соответственно, измеряется эта физическая величина в кг/м3. Данный показатель указывается в сопроводительной документации, выдаваемой на каждую поставляемую на строительный объект партию.

Понятно, что добиться абсолютной равномерности при перемешивании компонентов на стадии производства и при транспортировке сложно, поэтому имеет смысл говорить об усредненных показателях на конкретный поставляемый объем.

Учитывать плотность смеси бетона необходимо в обязательном порядке, поскольку она влияет на следующие моменты:

1. Простота укладки в формы. Плотные составы слабо двигаются под воздействием силы тяжести, они не «заплывают» в труднодоступные места. С ними намного сложнее работать на небольших строительных объектах.
2. Структура смеси напрямую зависит от плотностных показателей. В частности, определяется формирование и распределение цементных камней.
3. Прочностные показатели. На первый взгляд очевидно, что более плотная смесь обеспечит конструкцию с более высокой прочностью, в том числе устойчивостью к различного рода механическим нагрузкам, как статического, так и динамического характера, в том числе ударного типа. Однако в данном вопросе существует и обратная сторона медали. В плотный строительный бетон гораздо сложнее равномерно добавлять присадки, укладывать его в формы, максимально удаляя воздух, чтобы в последствии исключить пустоты. Отсюда напрашивается простой и незамысловатый вывод: если для производства необходима смесь с высокой плотностью, то внимательно отнеситесь к выбору поставщика.
4. Устойчивость к истиранию. В плотной бетонной смеси механические связи между частицами намного выше, нежели у легкого бетона. Как следствие, при трении отрыв частиц намного меньше.
5. Теплопроводность. Для обеспечения тепла внутри строения лучше выбирать состав с меньшей плотностью, которой характеризуется, к примеру, пористый бетон. Пузырьки воздуха обеспечивают сохранение тепла. Высокая плотность соответствует хорошей теплопроводности. Однако наличие воздуха, как уже отмечалось, существенно снижает прочностные характеристики. Важно, существует специальный теплоизоляционный бетон, где анализируемый показатель в соотношении с прочностью является оптимальным.
6. Водонепроницаемость. Важный параметр, непосредственно влияющий на долговечность всего строения. Чем она меньше, тем выше водостойкость и срок службы конструкции. Проникновение воды внутрь бетона приводит к разрушению при замерзании и расширении воды. Второе, влага способна, как по капиллярам, проникать к другим материалам: блокам, штукатурке, иной отделке. В результате они также подвержены физическому разрушению, да и эстетическая составляющая серьезно страдает.
7. Кстати, о морозостойкости. Ячеистый бетон, то есть, имеющий меньшую плотность, выдерживает меньшее количество циклов замораживания и размораживания. Плотные бетонные смеси в этом отношении служат намного дольше.

Отдельно можно сказать о теплоемкости, то есть количестве тепла, которое необходимо поглотить бетону, чтобы нагреться на 1 градус. Безусловно, плотность бетонной смеси непосредственно влияет на этот показатель. Но так ли он важен? Оказывается, да, действительно важен. Бетон медленно остывает ночью, и также не спеша нагревается жарким днем. В общем, внутри получается достаточно стабильная температура, что критически важно для жилых домов и складских помещений.

Классификация бетонов по плотности

В свете важности данного показателя имеет смысл рассмотреть виды материала.

Таблица 1. Классификация бетона по плотности

Если обратить внимание, то можно заметить, что марки бетонов по плотности могут на отдельных показателях пересекаться. Здесь уже точный тип состава определяется непосредственно производителем.

От чего зависит плотность бетона

Существует ряд факторов, непосредственно влияющих на показатели плотности.

• Используемый при производстве наполнитель. Обычно это щебень. При замешивании тяжелого бетона применяют очень плотные марки наполнителя, которые сами по себе весят немало- от тонны кубический метр. Соответственно, и весь бетон будет не только плотным, но и массивным. Для получения особо легких марок применяют искусственные наполнители наподобие полистирола, а также натуральные основы, как вариант, пемзы, ракушечника и других материалов.
• Пористость. Все зависит от технологии производства. Если нужна высокая пористость, то рассчитывать на большую плотность не приходится. Для получения особо тяжелых составов содержание в них воздуха сводят к минимуму. При этом необходимо обратить внимание, что испарение влаги в статичном положении смеси (без вибраций) приводит к образованию пустот – тех же пор и воздушных пузырей. Вывод: дополнительную, не предусмотренную ГОСТ, влагу добавлять в бетонную смесь крайне не рекомендуется.
• Зернистость наполнителя. Мелкозернистый бетон более плотен. Это обусловлено тем, что небольшие зерна наполнителя достаточно просто качественно утрамбовать при производстве основного материала. В результате между отдельно взятыми частицами не появляются пустоты, которые в последствии заполняются воздухом или водой. По этой причине щебневые или гравиевые основы для производства тяжелых марок не применяют. Их банально невозможно плотно утрамбовать. Для высокоплотных материалов применяют в качестве заполнителя песочные составы или отсев. Чем больше насыпать песка и отсева, тем выше получится общая масса смеси.
• Тип вяжущего элемента. В качестве такового выступает цемент. К примеру, глиноземный цементный состав позволяет существенно увеличивать плотность. При этом данный вариант цемента актуален при необходимости увеличения жаростойкости и устойчивости к прямому воздействию открытого огня.
• Зернистость вяжущего элемента. Сам цемент также имеет определенное зерно. Чем оно меньше, тем выше получается на выходе масса смеси. Дело в том, что зерна цемента взаимодействуют с жидкостью. В результате этого физического контакта происходит реакция гидратации. Мелкое зерно эффективнее поглощает воду, в результате пустоты, даже самые незначительные, не формируются в бетоне.
• Соблюдение технологии проведения трамбовочных и уплотнительных мероприятий. Качественный результат достигается за счет четкого выполнения всех норм и стандартов, а также применения профессионального оборудования.
• Условия, при которых проходит затвердевание. Бетонные конструкции могут затвердевать двумя способами: естественным путем без дополнительного вмешательства либо при искусственном подогреве (например, так происходит на ЖБИ-производствах). Во втором случае плотность при прочих равных условиях будет выше. С другой стороны, подогрев ускоряет процесс, но делает производство более дорогим. В некоторых случаях этот вариант увеличения показателя плотности не подходит с экономической точки зрения.
• Использование различных добавок и пластификаторов. Чаще всего эти компоненты смеси используют для других целей, например, вовлечения воздуха для повышения пористости. Другие добавки нужны для увеличения морозостойкости. Все они косвенно влияют на плотность за счет тех свойств, о которых было сказано выше.

В заключение стоит сказать о возрасте бетонной конструкции. Чем он выше, тем плотность выше за счет еще большего испарения влаги. Однако сухой бетон с большим возрастом необязательно будет прочнее. Сказывается разрушение морозом и воздействие внешних агрессивных сред.

Как определить плотность бетона

Самым простым способом расчета является использование стандартной формулы отношения массы к объему. Однако этот метод не всегда реалистичен, в частности, при наличии сложных геометрических объектов. Можно в таком случае вычислять объем вытесненной воды, но это долго и непрактично.

Второй способ, занимающий много времени и имеющий относительно высокую стоимость, – лабораторный. Здесь используют заранее подготовленные образцы (часто их бывает несколько для вычисления среднего значения). Но это также не самый быстрый способ.

Оптимальным решением при определении плотности бетона видится применение специализированного оборудования. Оно может работать по двум направлениям:

• с разрушением образца, тогда таковые изготавливаются по аналогии с лабораторными исследованиями;
• без разрушения прямо на изделии, речь идет о современных приборах.

Как повысить плотность

Во время производства бетона может возникнуть необходимость существенного или незначительного изменения плотности материала. Для этого используют следующие приемы:

1. Изменение процентного содержания мелкого (песок, отсев) наполнителя в общей массе. Чем его будет больше, тем плотнее получится результирующий состав. Это, пожалуй, наиболее простой и понятный вариант изменения массы и плотности. Однако здесь важно очень точно рассчитать количество мелкого наполнителя. В конечном счете велика вероятность потерять в твердости и устойчивости к механическим нагрузкам, то есть нивелировать суть использования бетонов в конструкциях.
2. Добавление специальных пластификаторов, которые связывают жидкость, исключают формирование воздушных полостей. Обычно такой прием применяют для повышения пористости. Однако при определенных условиях он подойдет и для наращивания веса.
3. Сокращение воды в смеси. Но здесь принципиально найти оптимальный баланс, поскольку уменьшение жидкости сокращает подвижность, что, в свою очередь, увеличивает вероятность формирования воздушных пазух.
4. Внедрение в производство высокотехнологичного современного оборудования для трамбовки и уплотнения. Ручные технологии наподобие штыкования даже на бытовом уровне в последнее время теряют свою актуальность. Им на смену приходят механизированные, автоматизированные и автоматические комплексы.
5. Применение профильных добавок. В частности, популярностью пользуются активные поверхностные добавки. Они призваны улучшать структуру поверхности бетонной конструкции. Отсутствие трещин, сколов, иных механических дефектов снижает возможность проникновения воды, соответственно, увеличивает срок службы, прочность и плотность.
6. В готовых конструкциях, например, в фундаменте зданий и сооружений, применяют метод инъекцирования. Цементное молочко вкачивается в поры, трещины и зазоры. Оно там затвердевает, исключая попадание воды, как следствие, дальнейшее разрушение.

В заключение стоит сказать, что плотность бетонных смесей – важнейший показатель, который необходимо учитывать перед заказом. Если возникают сложности с выбором конкретного варианта, то имеет смысл обратиться к опытным, квалифицированным профессионалам.