Глава 2. Краткий экскурс в теорию бетона

Перед тем, как подходить к бетономешалке, давайте разберёмся в том, что мы хотим в ней получить, и как этого добиться. Бетон — это искусственный камень, в котором разного рода наполнители связаны цементным вяжущим. Но почему бетон имеет именно такую структуру? Давайте воспользуемся простой логикой, чтобы понять, как сделать хороший бетон своими руками.

Наполнители бетонной смеси: песок и щебень

Для начала давайте обратим своё внимание на такую простую вещь. Бетон применяется там, где нужно получить нечто твёрдое и прочное, при этом это нечто должно заполнять собой произвольную форму. Можно ли этого достичь, используя лишь цемент и воду? Да, можно. Всем с детства известно, что смешав цемент с водой, мы получим жидкое тесто, которое со временем превратится в камень. Если тесто до застывания уложить в форму, то впоследствии цементный камень примет эту форму. Получится простейший бетон.

Но почему никто не делает такой простой вещи? Основная причина в том, что цемент — слишком дорогой материал, чтобы заполнять требуемую форму только им одним. В разных регионах России разные цены на цемент, щебень и песок. Но, как правило, один и тот же объём цемента в несколько раз дороже щебня и более, чем в десять раз дороже песка. Например, в Санкт-Петербурге 1 литр цемента в 3 раза дороже 1 литра щебня и в 15 раз дороже 1 литра песка (без учёта стоимости доставки)!

Стоит также отметить, что прочность песка и щебня выше, чем прочность получаемого цементного камня. Поэтому добавление в бетон наполнителей не только удешевляет бетон, но и незначительно повышает его прочность.

Отсюда следует очевидный вывод — для снижения стоимости бетона и повышения его прочности в цементное тесто нужно добавить самый дешёвый из возможных наполнителей , то есть песок. Но сколько его нужно добавить? Какова пропорция цемента и песка?

Для ответа на эти вопросы давайте присмотримся к песку. Песок — это мелкие камешки размером до 5 мм. Камешки, естественно, имеют не кубическую форму, а произвольную. Поэтому при укладке между ними остаётся свободное пространство — поры. Чтобы получить прочный бетон, необходимо, чтобы:

1. Все песчинки были обмазаны цементным тестом и склеились между собой

2. Поры между песчинками были полностью заполнены цементным тестом

Значит, определив пористость песка, т. е. отношение объёма его пор к объёму песчинок, мы определим, сколько нужно взять цемента — ту самую искомую пропорцию.

Но почему в бетон в дополнение к песку кладут более дорогой щебень? Ответ на этот вопрос также кроется в пористости. Всё дело в том, что пористость щебня меньше пористости песка. Поэтому сначала требуемый объём заполняют щебнем. Поры, оставшиеся между камнями, заполняются песком, а уже потом поры между песчинками заполняются цементным тестом. Даже учитывая высокую стоимость щебня, его использование оказывается выгоднее повышенного расхода цемента в случае заполнения большего объёма пор в песке.

В некоторых регионах соотношение цен цемент/песок/щебень может быть другим. В регионе может отсутствовать гранитный или гравийный щебень. В таких случаях бетон делают только из цемента и песка. При этом в прочности такой пескобетон теряет незначительно.

Давайте теперь подробнее остановимся на характеристиках песка и щебня, а также выясним, почему в качестве наполнителей не используются другие материалы.

Песок бывает нескольких видов: речной, карьерный, мытый, сеянный, морской. Речной песок добывают из русла рек. Такой песок, как правило, очень мелкий и не подходит для бетонных работ. К тому же у него самый высокий показатель пористости, что требует повышенного расхода цемента. Речной песок можно использовать при приготовлении кладочных и штукатурных растворов. Карьерный песок добывается, как видно из названия, в карьерах. Однако в первоначальном виде он для бетонирования тоже не годится. Дело в том, что в естественных условиях в песке довольно много глинистых частиц. А глина значительно снижает прочность бетонных конструкций. Поэтому добытый песок проходит дальнейшую обработку. Его промывают большим количеством воды, и глинистые частицы из песка вымываются. Такой песок, он называется карьерный мытый (иногда ещё его называют намывным) лучше всего подходит для приготовления бетона.

Есть ещё сеяный песок — в нём размер песчинок и камушков ограничен заданными параметрами. Мытый сеяный песок стоит дороже остальных и поэтому использовать его для приготовления бетона нерационально. Морской песок добывают со дна морей. Он не содержит глины и может быть достаточно крупным для использования в бетонировании (в отличии от речного песка). Но цена его в большинстве регионов слишком высока.

Размер зёрен песка описывается модулем крупности. Для бетонирования лучше всего подходит песок с модулем крупности больше 2,0 мм. Однако часто бывает, что в расположенном рядом карьере такого песка не добывают. В таком случае можно взять более мелкий песок и сэкономить на доставке.

Щебень бывает трёх видов: гранитный, гравийный и известняковый. Самый лучший и самый дорогой щебень — гранитный. Он получается путём дробления гранита и обладает самой высокой прочностью и показателем морозостойкости. Кроме того, в процессе дробления образуются камни с острыми гранями неправильной формы. Это улучшает сцепление щебня с цементным раствором (смеси цемента и воды) при производстве бетона. И уменьшает показатель лещадности — камни плотнее прилегают друг к другу, а, значит, образуется меньше пор, которые нужно будет заполнить песком и цементом. Одним из недостатков гранитного щебня является его возможный повышенный радиоактивный фон.

Гравийный щебень получают путём просеивания карьерной породы и, иногда, дроблением открыто залегающих крупных камней. Но чаще всего это именно камни округлой формы, отсеянные от песка. Гравийный щебень уступает по прочности гранитному. Кроме того у него хуже сцепление с бетоном и выше пористость. Однако у гравийного щебня отсутствует радиоактивный фон. Этот вид щебня также можно применять для приготовления бетона в малоэтажном жилищном строительстве, особенно если поблизости не добывается гранитный щебень.

Известняковый щебень использовать для приготовления бетона нежелательно. Он получается дроблением известняка, а в известняк входит карбонат кальция. Карбонат кальция способен растворяться в воде. Поэтому бетон из известнякового щебня во влажных условиях может со временем терять прочность из-за появления дополнительных полостей. А также из-за облегчения доступа воды к арматуре и её ускоренной коррозии.

Важное значение имеет фракция щебня, которая описывает размеры камней. Наиболее распространёнными являются фракции 5-20 (в составе щебня будут камни от 5 до 20 мм в диаметре) и 20-40. Щебень фракции 20-40 используется, как правило, для бетонирования крупных конструкций. Может использоваться для бетонирования фундаментов. Но в основном используется щебень фракции 5-20. Дело в том, что использование щебня той или иной фракции ограничивается тем, каким образом уложена в будущую бетонную конструкцию арматура. Камни щебня должны сводобно проникать между прутками арматуры. 20-миллиметровый щебень, как правило, этому условию удовлетворяет всегда. А вот 40-миллиметровые камни могут и застрять, из-за чего образуются пустоты, а арматура не склеивается с бетоном.

Итак, можно сделать следующий вывод. Идеальным для приготовления бетона будет карьерный мытый песок с модулем крупности больше 2,0 и гранитный щебень фракции 5-20.

Иногда частные застройщики пытаются сэкономить и добавить в бетон другие наполнители. Битый бетон и кирпич, крупные камни (бут). Особенно часто такие материалы используются при заливке фундаментов. Но делать этого нельзя. Кирпич обладает слишком малым показателем морозостойкости. Он будет впитывать влагу в фундаменте летом, а зимой из-за расширения накопленной воды, будет разрывать бетон на части. Как и кирпич, битый бетон (так называемый вторичный щебень) — слишком крупный для тщательного перемешивания в бытовой бетономешалке. А если эти материалы засыпать в опалубку при послойной заливке, невозможно добиться полного смачивания поверхности, что снижает прочность готового бетона. Крупный гравий (бут) плохо сочетается с частым армированием.