| Класс бетона | Прочность, МПа | Марка бетона | В/Ц для цемента М400 | В/Ц для цемента М500 | В/Ц для цемента М600 |
|---|---|---|---|---|---|
| В7,5 | 7,5 | М100 | 0,75 | 0,85 | 0,92 |
| В10 | 10 | М150 | 0,68 | 0,78 | 0,85 |
| В12,5 | 12,5 | М150 | 0,63 | 0,72 | 0,79 |
| В15 | 15 | М200 | 0,58 | 0,66 | 0,73 |
| В20 | 20 | М250 | 0,52 | 0,60 | 0,66 |
| В22,5 | 22,5 | М300 | 0,49 | 0,56 | 0,62 |
| В25 | 25 | М350 | 0,46 | 0,53 | 0,58 |
| В30 | 30 | М400 | 0,41 | 0,48 | 0,53 |
| В35 | 35 | М450 | 0,38 | 0,44 | 0,49 |
| В40 | 40 | М500 | 0,35 | 0,41 | 0,45 |
| В45 | 45 | М550 | 0,33 | 0,38 | 0,42 |
| В50 | 50 | М600 | 0,31 | 0,36 | 0,40 |
| В55 | 55 | М700 | 0,29 | 0,34 | 0,37 |
| В60 | 60 | М800 | 0,28 | 0,32 | 0,35 |
| Температура твердения, °С | 3 суток | 7 суток | 14 суток | 28 суток | 90 суток |
|---|---|---|---|---|---|
| -5 | 0,03 | 0,08 | 0,15 | 0,28 | 0,65 |
| 0 | 0,05 | 0,12 | 0,22 | 0,40 | 0,80 |
| +5 | 0,10 | 0,20 | 0,35 | 0,55 | 0,90 |
| +10 | 0,15 | 0,30 | 0,50 | 0,75 | 1,00 |
| +20 | 0,35 | 0,65 | 0,85 | 1,00 | 1,20 |
| +30 | 0,45 | 0,75 | 0,90 | 1,00 | 1,15 |
| +40 | 0,55 | 0,80 | 0,92 | 1,00 | 1,10 |
| В/Ц | Класс бетона (при М400) | 1 сутки, % | 3 суток, % | 7 суток, % | 14 суток, % | 28 суток, % |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0,35 | В40 | 23 | 40 | 72 | 88 | 100 |
| 0,40 | В35 | 21 | 38 | 70 | 86 | 100 |
| 0,45 | В30 | 20 | 36 | 68 | 84 | 100 |
| 0,50 | В25 | 18 | 34 | 65 | 82 | 100 |
| 0,55 | В22,5 | 17 | 32 | 62 | 80 | 100 |
| 0,60 | В20 | 15 | 30 | 60 | 78 | 100 |
| 0,65 | В15 | 14 | 28 | 57 | 75 | 100 |
| 0,70 | В12,5 | 12 | 25 | 54 | 72 | 100 |
| 0,75 | В10 | 10 | 23 | 50 | 70 | 100 |
Физико-химические основы влияния В/Ц на прочность бетона
Водоцементное отношение представляет собой один из ключевых параметров, определяющих конечные прочностные характеристики бетона. Этот безразмерный показатель выражает массовое соотношение воды к цементу в бетонной смеси и непосредственно влияет на структуру цементного камня после завершения процессов гидратации.
С точки зрения химии твердения вяжущих, для полной гидратации портландцемента теоретически требуется количество воды, составляющее примерно 25% от массы цемента, что соответствует В/Ц равному 0,25. Однако такое минимальное количество воды не обеспечивает необходимой подвижности бетонной смеси для качественного заполнения опалубки и эффективного уплотнения. В практике бетонирования применяются значения В/Ц в диапазоне от 0,30 до 0,75 в зависимости от требуемых свойств конструкционного материала.
Согласно исследованиям российских ученых в области бетоноведения, зависимость прочности от В/Ц имеет нелинейный характер. При снижении водоцементного отношения с 0,60 до 0,40 прочность бетона увеличивается приблизительно на 40-50%. Это объясняется существенным уменьшением пористости цементного камня и повышением его плотности.
Структурообразование цементного камня
В процессе гидратации цемента формируются кристаллогидраты различного состава, преимущественно гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. Основные силикатные фазы портландцемента – трехкальциевый силикат и двухкальциевый силикат – обеспечивают набор прочности на протяжении всего периода твердения. Трехкальциевый силикат активно гидратируется в первые 28 суток, обеспечивая интенсивный набор ранней прочности. Двухкальциевый силикат характеризуется более медленной кинетикой гидратации и отвечает за долговременный набор прочности бетона.
При оптимальном водоцементном отношении новообразования гидратации формируют плотную структуру с минимальными пустотами. Избыточная вода приводит к увеличению расстояний между частицами цемента и образованию рыхлой структуры с низкой прочностью. Недостаток воды препятствует полной гидратации цемента и также негативно сказывается на конечной прочности вследствие неполного связывания цементных зерен.
↑ К началу страницыРасчет водоцементного отношения по формуле Боломея-Скрамтаева
Для проектирования составов бетона с заданными прочностными характеристиками в отечественной практике широко применяется формула Боломея-Скрамтаева, установившая количественную связь между прочностью бетона, активностью цемента и цементно-водным отношением. Данная зависимость была разработана на основе обширных экспериментальных исследований и учитывает влияние качества применяемых материалов.
Для диапазона водоцементных отношений от 0,40 до 0,75 (что соответствует Ц/В от 1,33 до 2,50) формула имеет вид:
где Rб – прочность бетона в возрасте 28 суток, МПа; Rц – активность цемента, МПа; Ц/В – цементно-водное отношение; A – коэффициент качества заполнителей.
Для высокопрочных бетонов с В/Ц менее 0,40 применяется модифицированная формула с измененным свободным членом. Коэффициент А зависит от качества применяемых заполнителей и принимает значения от 0,43 до 0,65. Для высококачественных материалов (гранитный щебень, обогащенный песок, высокоактивный портландцемент) применяют А = 0,65. Для заполнителей среднего качества, включая гравий и рядовой песок, принимают А = 0,60. При использовании материалов пониженного качества коэффициент снижается до 0,43-0,50.
Практический пример расчета
Рассмотрим определение водоцементного отношения для получения бетона класса В25 при использовании портландцемента марки М400. Прочность класса В25 соответствует 25 МПа, активность цемента М400 составляет 40 МПа. Для заполнителей среднего качества принимаем коэффициент А = 0,60.
Подставляя значения в формулу: 25 = 0,60 × 40 × (Ц/В - 0,5). Решая уравнение, получаем: Ц/В = 1,54, что соответствует В/Ц = 0,65. Однако для обеспечения требуемой морозостойкости и водонепроницаемости рекомендуется снижать расчетное водоцементное отношение на 0,05-0,10, что дает итоговое значение В/Ц около 0,55-0,60.
Зависимость прочностных характеристик от активности цемента
Активность цемента, определяемая его минералогическим составом и тонкостью помола, является вторым по значимости фактором, влияющим на прочность бетона после водоцементного отношения. Современные портландцементы, производство которых регламентируется ГОСТ 31108-2020 (с Изменением № 1 от 01.02.2024), выпускаются с активностью от 32,5 до 62,5 МПа, что соответствует маркам от М400 до М700 по прежней классификации.
Минералогический состав портландцемента определяется содержанием основных клинкерных фаз. Трехкальциевый силикат обеспечивает интенсивный набор ранней прочности в первые 7-14 суток. Его содержание в быстротвердеющих цементах достигает 50-60%. Двухкальциевый силикат характеризуется медленной гидратацией и обеспечивает долговременный набор прочности, продолжающийся в течение нескольких лет.
Влияние тонкости помола цемента
Тонкость помола цемента существенно влияет на скорость его гидратации и, следовательно, на кинетику набора прочности бетона. Удельная поверхность современных портландцементов составляет от 300 до 450 м²/кг. Увеличение тонкости помола ускоряет процессы гидратации на начальных стадиях твердения, что особенно важно при производстве сборных железобетонных изделий с термообработкой.
Однако чрезмерное повышение тонкости помола нецелесообразно, поскольку это приводит к увеличению водопотребности цемента и повышению усадочных деформаций бетона. Оптимальная удельная поверхность портландцемента для производства монолитных конструкций составляет 320-380 м²/кг.
Особенности быстротвердеющих цементов
Быстротвердеющие портландцементы характеризуются повышенным содержанием трехкальциевого силиката и увеличенной тонкостью помола. Такие цементы обеспечивают набор до 80-90% марочной прочности в возрасте 7 суток при нормальных условиях твердения. Применение быстротвердеющих цементов позволяет сократить сроки производства железобетонных изделий и интенсифицировать строительные процессы.
При использовании быстротвердеющих цементов необходимо учитывать, что интенсивная гидратация сопровождается повышенным тепловыделением. В массивных конструкциях это может привести к возникновению температурных напряжений и образованию трещин. Поэтому для бетонирования массивов рекомендуется применять цементы с умеренной экзотермией гидратации.
↑ К началу страницыВлияние температурных режимов на кинетику твердения
Температура окружающей среды является одним из определяющих факторов, влияющих на скорость набора прочности бетона. Процессы гидратации цемента представляют собой химические реакции, скорость которых существенно зависит от температурных условий. Согласно принципу Вант-Гоффа, повышение температуры на каждые 10 градусов приводит к ускорению химических реакций в 2-4 раза.
Оптимальной температурой для твердения бетона считается диапазон от 18 до 25 градусов Цельсия при относительной влажности воздуха не менее 90%. При таких условиях обеспечивается баланс между скоростью гидратации и испарением воды из бетона, что позволяет достичь максимальной плотности цементного камня.
Твердение при пониженных температурах
Снижение температуры окружающей среды приводит к замедлению процессов гидратации. При температуре плюс 5 градусов скорость набора прочности уменьшается в 3-4 раза по сравнению с нормальными условиями. Для достижения распалубочной прочности при температуре плюс 5 градусов может потребоваться 3-4 недели вместо стандартных 7-14 суток.
Критической для бетонирования считается температура плюс 5 градусов. При более низких температурах необходимо применение специальных противоморозных добавок, снижающих температуру замерзания поровой жидкости бетона. Современные противоморозные добавки на основе нитрита натрия, поташа или формиата кальция позволяют обеспечить твердение бетона при температурах до минус 15-25 градусов.
Твердение при повышенных температурах
Повышение температуры твердения ускоряет процессы гидратации и набор прочности. При температуре плюс 40 градусов скорость набора прочности в первые 3-7 суток увеличивается в 1,5-2,0 раза. Однако длительное твердение при повышенных температурах может привести к формированию менее плотной структуры цементного камня вследствие неравномерной гидратации.
При температуре окружающего воздуха выше 30 градусов происходит интенсивное испарение воды с поверхности бетона. Это приводит к нарушению условий нормальной гидратации, возникновению усадочных деформаций и образованию поверхностных трещин. Для предотвращения преждевременного высыхания необходим интенсивный влажностный уход, включающий периодическое увлажнение поверхности бетона или укрытие влагоудерживающими материалами.
Тепловая обработка бетона
В заводском производстве сборных железобетонных изделий широко применяется тепловая обработка бетона для ускорения набора прочности. Основными методами являются пропаривание при атмосферном давлении и автоклавная обработка. Пропаривание осуществляется при температуре 80-95 градусов и позволяет достичь распалубочной прочности за 8-16 часов.
Автоклавная обработка проводится при давлении 0,8-1,2 МПа и температуре 175-190 градусов. При таких условиях за 10-16 часов достигается практически полная гидратация цемента, и бетон набирает прочность, превышающую марочную на 20-40%. Автоклавная обработка особенно эффективна для бетонов на основе смешанных вяжущих с минеральными добавками.
↑ К началу страницыНабор прочности бетона в различные сроки твердения
Процесс набора прочности бетона протекает неравномерно во времени и характеризуется интенсивным нарастанием прочностных показателей в первые 7-28 суток с последующим замедлением. Согласно требованиям ГОСТ 25192-2012 и ГОСТ 10180-2012, стандартным сроком определения марочной прочности является возраст 28 суток при твердении в нормальных условиях (температура 20±2°С, относительная влажность 95±5%).
В первые сутки после укладки происходит схватывание бетонной смеси – переход из пластичного в твердое состояние. При нормальной температуре схватывание начинается через 2-3 часа после затворения и завершается через 6-10 часов. В этот период бетон набирает 10-20% марочной прочности, что соответствует минимальной несущей способности.
Ранняя прочность бетона
На третьи сутки твердения бетон на обычном портландцементе набирает 30-40% марочной прочности. Этого обычно недостаточно для распалубки вертикальных конструкций, но позволяет начать производство технологических операций на горизонтальных поверхностях при условии ограничения нагрузок.
К седьмым суткам прочность достигает 60-70% от марочной при нормальных условиях твердения. Это распалубочная прочность, при достижении которой допускается снятие опалубки с вертикальных конструкций и проведение дальнейших строительных работ. Для горизонтальных несущих конструкций (перекрытий, балок) требуется набор не менее 70-80% проектной прочности перед загружением расчетными нагрузками.
Марочная и длительная прочность
К возрасту 28 суток бетон достигает проектной марочной прочности, принимаемой за 100%. При благоприятных условиях твердения прочность может превышать расчетную на 10-20%, что учитывается при статистической обработке результатов испытаний и назначении класса бетона по прочности на сжатие.
Процессы гидратации цемента продолжаются и после достижения 28-суточного возраста. В течение следующих 3-6 месяцев происходит дополнительный набор прочности, который может составлять 15-30% относительно марочной. Через год твердения в благоприятных условиях прочность бетона может превышать марочную на 20-40%. Этот эффект более выражен для бетонов с низким водоцементным отношением и при использовании цементов с повышенным содержанием двухкальциевого силиката.
Влияние В/Ц на кинетику набора прочности
Водоцементное отношение оказывает существенное влияние на динамику набора прочности. Бетоны с низким В/Ц характеризуются более интенсивным набором ранней прочности в первые 3-7 суток, но затем скорость нарастания прочности замедляется. Бетоны с высоким В/Ц набирают раннюю прочность медленнее, однако процессы долговременного набора прочности протекают более активно.
Для бетонов с В/Ц = 0,35-0,45 к 7 суткам достигается 70-75% марочной прочности, к 14 суткам – 85-90%. Для бетонов с В/Ц = 0,60-0,70 соответствующие значения составляют 55-65% и 75-80%. Это необходимо учитывать при планировании производственных циклов и определении сроков распалубки конструкций.
↑ К началу страницыКритические параметры для обеспечения проектной прочности
Достижение бетоном проектной прочности требует соблюдения комплекса технологических параметров на всех стадиях производства и твердения. Критическими являются не только водоцементное отношение, но и качество применяемых материалов, точность дозирования компонентов, эффективность уплотнения бетонной смеси и условия ухода за свежеуложенным бетоном.
Качество воды затворения
Качество воды, используемой для приготовления бетонной смеси, регламентируется ГОСТ 23732-2011. Вода должна быть чистой, не содержать примесей, способных замедлить или нарушить процессы гидратации цемента. Содержание хлоридов не должно превышать 350 мг/л, сульфатов – 2700 мг/л. Наличие органических примесей, масел, щелочей недопустимо, поскольку даже малые концентрации таких веществ могут снизить прочность бетона на 20-50%.
Особое внимание следует уделять температуре воды затворения. При производстве бетонных работ в холодное время года рекомендуется подогрев воды до 40-60 градусов для обеспечения положительной температуры бетонной смеси при укладке. В жаркое время года, напротив, целесообразно охлаждение воды до 5-10 градусов для снижения температуры свежеуложенного бетона.
Требования к заполнителям
Качество мелкого и крупного заполнителей существенно влияет на прочность бетона. Песок должен иметь модуль крупности 2,0-3,0 для обычных бетонов и 2,5-3,5 для высокопрочных согласно требованиям СП 63.13330.2018. Содержание глинистых частиц в песке не должно превышать 3% по массе, поскольку глина обволакивает зерна заполнителя и ухудшает сцепление с цементным камнем.
Крупный заполнитель должен обладать маркой по прочности, превышающей проектную марку бетона минимум в 1,5-2,0 раза. Для бетонов классов В30-В60 рекомендуется применение гранитного щебня с маркой по дробимости не ниже 1200. Наличие зерен лещадной формы в щебне не должно превышать 15-25%, так как такие зерна снижают удобоукладываемость смеси и увеличивают расход цемента.
Эффективность уплотнения бетонной смеси
Даже при оптимальном водоцементном отношении недостаточное уплотнение бетонной смеси приводит к образованию воздушных пор и снижению прочности. Для тяжелых бетонов применяют глубинные вибраторы с частотой колебаний 150-200 Гц и амплитудой 0,5-1,0 мм согласно требованиям СП 70.13330.2012. Продолжительность вибрирования составляет 20-60 секунд на одну позицию в зависимости от подвижности смеси, определяемой по ГОСТ 10181-2014, и армирования конструкции.
Критерием достаточности уплотнения является прекращение оседания смеси, появление цементного молока на поверхности и исчезновение крупных воздушных пузырей. Перевибрирование недопустимо, так как приводит к расслоению бетонной смеси с осаждением крупного заполнителя и накоплением избыточной воды в верхних слоях.
Уход за твердеющим бетоном
Правильный уход за бетоном в первые 7-14 суток твердения имеет решающее значение для достижения проектной прочности. Основная задача ухода – поддержание влажности поверхности бетона на уровне не ниже 90% и защита от резких температурных перепадов. Преждевременное высыхание поверхностных слоев бетона приводит к образованию усадочных трещин и снижению прочности поверхностной зоны на 20-40%.
При нормальных температурных условиях уход заключается в периодическом увлажнении поверхности бетона водой или укрытии влагоудерживающими материалами. Частота увлажнения зависит от температуры и влажности воздуха: при температуре 15-20 градусов достаточно 3-4 раза в сутки, при температуре выше 25 градусов требуется увлажнение каждые 2-3 часа в дневное время.
↑ К началу страницыПрактические рекомендации для технологов бетонных заводов
Обеспечение стабильного качества бетона и соблюдение проектных прочностных характеристик требует от технологической службы бетонных заводов систематического контроля всех параметров производства. Ключевым является внедрение системы производственного контроля, соответствующей требованиям ГОСТ 27006-2019 и ГОСТ 18105-2018.
Входной контроль материалов
Каждая партия цемента должна сопровождаться паспортом качества с указанием активности, начала и конца схватывания, тонкости помола в соответствии с ГОСТ 31108-2020. Рекомендуется проведение входного контроля активности цемента по методикам ГОСТ 310.1-310.6 для проверки соответствия фактических показателей паспортным данным. Отклонение активности от заявленной более чем на 10% требует корректировки расхода цемента в рабочих составах бетона согласно ГОСТ 27006-2019.
Для заполнителей необходим систематический контроль влажности, гранулометрического состава и содержания примесей. Частота контроля влажности песка должна составлять не реже одного раза в смену, для щебня – не реже двух раз в смену. Гранулометрический состав заполнителей контролируется еженедельно или при смене поставщика материалов.
Корректировка составов по результатам контроля
Технолог бетонного завода должен вести постоянный мониторинг прочностных показателей выпускаемого бетона и при необходимости корректировать рабочие составы. Если средняя прочность контрольных образцов отличается от требуемой более чем на 15%, необходима корректировка водоцементного отношения. Снижение В/Ц на 0,05 приводит к повышению прочности приблизительно на 10-15% для бетонов обычной прочности.
При изменении качества заполнителей требуется пересчет коэффициента А в формуле прочности. Переход с гранитного щебня на гравийный обычно требует снижения В/Ц на 0,03-0,05 для сохранения прочности бетона на прежнем уровне. Использование песка с повышенным содержанием пылевидных частиц может потребовать увеличения расхода цемента на 5-10%.
Применение химических добавок
Современные пластифицирующие добавки, соответствующие требованиям ГОСТ 24211-2008, позволяют снизить водоцементное отношение на 10-25% при сохранении требуемой подвижности бетонной смеси. Наиболее эффективными являются суперпластификаторы на основе поликарбоксилатных эфиров, обеспечивающие водоредуцирующий эффект до 25-30%. Применение суперпластификаторов позволяет получать высокопрочные бетоны классов В40-В60 с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Дозировка химических добавок должна определяться экспериментально для конкретных материалов с учетом их совместимости. Типичная дозировка суперпластификаторов составляет 0,5-1,2% от массы цемента. Превышение оптимальной дозировки может привести к замедлению схватывания и расслоению бетонной смеси, поэтому требуется тщательный подбор состава с добавками.
Особенности производства в различные сезоны
В летний период при температуре воздуха выше 25 градусов необходимы меры по предотвращению преждевременного схватывания бетонной смеси и потери подвижности. Рекомендуется применение замедлителей схватывания, снижение температуры компонентов бетонной смеси, сокращение времени транспортирования и укладки. Температура бетонной смеси при укладке не должна превышать 30 градусов.
В зимний период требуется применение противоморозных добавок при температуре воздуха ниже плюс 5 градусов. Расчет дозировки противоморозных добавок проводится с учетом температуры наружного воздуха, массивности конструкции и требуемой прочности к моменту замерзания. Для обеспечения твердения бетона при отрицательных температурах применяются комплексные добавки, включающие противоморозный компонент и ускоритель твердения.
↑ К началу страницы