3.3. Легкий бетон

К легким бетонам относят бетоны с объемной массой в стандартном состоянии от 500 до 1800 кг/м³.

Подбор состава легкого бетона заключается в том, чтобы найти такие соотношения выбранных материалов, которые обеспечат получение в заданные сроки требуемых характеристик бетона при наименьшем расходе вяжущих. Подбор состава должен обеспечить после тепловой обработки по заданным режимам прочность легкого бетона, соответствующую отпускной - 80% проектной - для бетона марок 25-100 и 70% проектной - для бетона марок 150 и выше (при отсутствии специальных требований). При дальнейшем хранении в нормальных условиях такой бетон должен достичь прочности 100% (к проектной марке) в течение 28 суток.

Наряду с пределом прочности при сжатии основной характеристикой легкого бетона является также средняя масса, которая зависит от объемной массы заполнителя, соотношения между крупным и мелким заполнителями, от объема межзерновых пустот, расхода цемента, степени уплотнения и других факторов. Количество цемента существенно влияет на такие важнейшие характеристики, как степень коррозионной стойкости арматуры, морозостойкость и водонепроницаемость легкого бетона, поэтому в ряде случаев устанавливают предельные нормативы, регламентирующие минимальный расход цемента.

Подбирают состав легких бетонов по следующей схеме; выбирают заполнитель, вяжущее и добавки; назначают предварительный расход вяжущего; определяют расход заполнителей и их оптимальный зерновой состав, оптимальный расход воды для выбранного расхода вяжущего, оптимальный расход добавок; корректируют состав на основе установленной зависимости между расходом вяжущего и прочностью бетона в заданных условиях его уплотнения и твердения.

Предельная крупность заполнителя для легкого конструкционного бетона должна быть не более 20 мм, а для теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного - не более 40 мм. Кроме того, она должна составлять не более 1/₃ наименьшего размера конструкции и не более ³/₄ наименьшего расстояния между стержнями арматуры. В качестве мелкого заполнителя для легких бетонов применяют пористый песок, полученный дроблением и фракционированием простых материалов или по специальной технологии (в «кипящем слое»).

4. Подбор состава легкого бетона

Существует несколько способов подбора составов легких бетонов. Назначение составов расчетным способом с помощью номограмм или по табличным данным допускается лишь для определения ориентировочного расхода материалов на 1м³ бетона (например, в проектных работах). При массовом производстве изделий и конструкций состав легкого бетона определяют только расчетно-экспериментальным методом, который приводится ниже.

При выборе легких пористых заполнителей для легких конструкционно-теплоизоляционных и конструкционных плотных бетонов следует руководствоваться данными табл. 25

Таблица 25

Рекомендуемые соотношения между марками пористого гравия и минимальной плотностью легких бетонов

Марка пористого гравия по ρнас	Класс бетона	Минимальная средняя масса сухого бетона, кр/м% в зависимости от вида мелкого заполнителя
пористого гравия	легкого бетона	вспученный перлит, до 450 кг/м3	керамзитовый, до 700 кг/м3	шлаковый, до 850 кг/м3	из плотных пород, 1500 кг/м3
200	В1,5 В2,5	650 700	700 750	850 900	- -
300	В1,5 В2,5 В3,5 В5	750 800 800 850	800 800 850 900	950 1000 1000 1050	- - - -
400	В2,5 В3,5 В5 В7,5 В10	850 900 950 1000 -	900 900 950 1000 -	1100 1100 1150 1150 -	- - - 1400 -
500	В3,5 В5 В7,5 В10 В15	1000 1000 1050 - -	1000 1050 1100 - -	1200 1200 1200 - -	- - - 1400 1400
600	В3,5 В5 В7,5 В10 В15 В17,5 В22,5	1050 1050 1100 - - - -	1100 1150 1200 - - - -	1250 1300 1300 - - - -	- - - 1400 1400 1500 1700
700	В5,0 В7,5 В10 В15 В17,5 В22,5	1100 1150 - - - -	1200 1250 - - - -	1350 1400 - - - -	- - 1400 1400 1500 1500
800	В10 В15 В17,5 В22,5	- - - -	- - - -	- - - -	1400 1400 1500 1600

Примечание. В качестве пористого заполнителя применяют керамзитовый или зольный гравий а также вспученный перлитовый песок. Дробленный мелкий заполнитель может быть частично или полностью заменен пылевидной золой ТЭС, если она не содержит примесей, отрицательно влияющих на физико-механические свойства легких бетонов.

При выборе вида и марки цемента следует руководствоваться нормативными и инструктивными документами и данными табл. 26, в которой учтены требования СН 386.

Таблица 26

Данные для выбора цементов при проектировании составов легких бетонов плотной структуры

Проектируемая марка бетона	Марка цемента		Проектируемая марка	Марка цемента
	рекомендуемая	допускаемая		рекомендуемая	допускаемая
35 50-100 150 200	300 400 400 400	200, 400-300 300-500 300-500	250 300 350 400	400 500 500 600	500 400-600 400-600 500

Расход цемента марки 400 для умеренно подвижных смесей с показателем жесткости 20—40 с для бетонов, подвергающихся тепловлажностной обработке (пропариванию, прогреву инфракрасными лучами, контактному прогреву, электропрогреву), а также твердеющих в нормальных температурно-влажностных условиях, ориентировочно назначают в соответствии с данными табл. 27 - 28 и уточняют путем испытания образцов, изготовленных из бетонов опытных замесов.

Таблица 27

Ориентировочный расход цемента марки 400 для конструкционно-теплоизоляционных бетонов плотной структуры (на пористом гравии)

Марка бетона	Расход цемента, кг/м3, при марке пористого гравия
	220	300	350—400	450—500	550—600	700
25 35 50 75 100	210-240 210-230	180—210 190—210 200—220 220—240	170—200 180—200 190—210 200-230 240-270	170—190 180-210 190—220 220—240	170—200 180-210 200—230	170-200 190-220

Примечания: 1. Расход цемента указан для легких бетонов на пористом гравии крупностью до 400 мм; при использовании гравия крупностью до 20 мм расход цемента уменьшают на 20-30 кг. 2. В качестве мелкого заполнителя предусмотрено использование керамзитового, аглопоритового, шлакового песка, золошлаковой смеси или грубодисперсной золы ТЭС; при использовании вспученного перлита расход цемента увеличивают на 30-50 кг.

Таблица 28

Ориентировочный расход цемента марки 400 в конструкционно-теплоизоляционных бетонах плотной структуры (на пористом щебне)

Марка бетона	Расход цемента, кг/м3, при марке пористого щебня
	400	600	600	700	800
25 35 50 75 100	230—260 250—280 270—300 300—330	210—230 220—240 240—260 260—300 320—360	200—230 220—240 230—250 250-300 270-320	190—220 210—240 220—240 240-260 250—290	180—210 200—230 210—220 230—240 240—260

Примечания: 1. Расход цемента указан для пористого щебня крупностью до 40 мм. 2. В качестве мелкого заполнителя предусмотрено использование песка, полученного дроблением пористого щебня. При подборе состава бетона на конкретных заполнителях следует найти наименьший расход цемента, сопоставляя его с минимальным, принятым из условий коррозионной стойкости, морозостойкости, водонепроницаемости. При применении вяжущих другой активности расход их принимают с поправочным коэффициентом (табл. 29). Можно заменять часть портландцемента тонкомолотыми активными кремнеземистыми добавками : при пропаривании изделий -до 30%, при автоклавной обработке - до 50%. 3. Расход цемента, указанный в знаменателе, приведен для легких бетонов напористом щебне. Остальные значения приведены для легких бетонов на керамзитовом гравии класса А. 4. Расход цемента указан для бетонов на пористых заполнителях крупностью до 20 мм. 5. В качестве мелкого заполнителя из плотных пород предусмотрено использование песка средней крупности (Мк = 2}.

Общий расход крупного и мелкого заполнителя бетона может определяться из выражения:

3 = ρ₀ - 1,15*Ц, 14

где ρ₀ — требуемая средняя масса сухого бетона, кг/м³; Ц - расход цемента, кг/м³.

Таблица 29

Коэффициент изменения расхода цемента в зависимости от его марки

Марка цемента	Расход цемента, кг/м3, при марке легкого бетона
	25-50	75-100	150-200	250-300	350-400
200	1,10	1,20	1,20	-	-
300	1,05	1,10	1,20	1,25	-
400	1,00	1,00	1,00	1,17	1,20
500	0,96	0,94	0,90	1	1,17
600	-	-	0,86	0,90	1

Ориентировочный расход крупного и мелкого заполнителей рассчитывают по данным табл. 30. Расход воды для получения легкого бетона заданной удобоукладываемости определяют подбором водосодержания на опытных замесах.

Таблица 30

Ориентировочный расход заполнителей и содержание песка в смеси в зависимости от назначения легкого бетона

Бетон	Расход цемента, кг/м3	Суммарный расход крупного и мелкого заполнителей, м3/м3 бетона	Предельная крупность заполнителя, мм	Содержание песка в смеси заполнителей, % от объема, при использовании
				пористого гравия	пористого щебня
Теплоизоляционный	До 175	1,45	40	20—25	25—35
			20	25—30	30—40
Конструкционно-теплоизоляционный	175—250	1,55	40	35—45	40—50
			20	40—50	45—55
			10	45—55	50—60
Конструкционный	250—400	1,6	20	40—50	45—55
			10	50—60	55—65

Примечание. Рекомендуется применять мелкий пористый заполнитель крупностью зерен до 1,2 мм.

Расход воды для первого замеса можно принимать по табл. 31 и 32. Определив ориентировочный состав легкого бетона плотной структуры, рассчитывают расход материалов на пробный лабораторный замес (10—15 л).

Таблица 31

Ориентировочный расход воды для легкобетонной смеси на сухом керамзитовом гравии (предельной крупностью зерен 20 мм) и песке средней крупности

Показатель удобоукладываемости керамзитобетонной смеси (осадка конуса. см, пли жесткость, с)	Расход воды, л/м3, для керамзитобетона различных марок на песке
	кварцевом			керамзитовом
	300	500	700	300	500	700
90—100 с	176—190	165—180	155—170	210—225	200—215	180—190
60—80 с	185—200	175—190	165—180	225—240	215—235	190—205
30—50 с	195—210	185—200	175—190	250—270	240—260	205—225
15—25 с	205—220	195—210	185—200	275—300	265—290	230—250
3—5 см	215—230	205—220	195—210	300—325	290—315	255—280
6—8 см	225—240	215—230	205—220	325—350	315—340	270—305
9—12 см	235—250	225—240	215—230	350—375	340—365	295—330

Примечания: 1. Для керамзита с предельной крупностью зерен 10 мм расход воды, указанный в таблице, увеличивают на 20 л, а при предельной крупности 40 мм - уменьшают на 15 л. 2. При использовании мелкого песка или золы-уноса расход воды увеличивают на 20 л, а крупного песка - уменьшают на 10 л. 3. Приведенные данные относятся к керамзитобетону, содержащему 35-45 % песка от общего объема смеси заполнителей. При меньшем или большем содержании песка расход воды соответственно уменьшают или увеличивают на 1—1,5 л на каждый процент изменения содержания песка. 4. При использовании пуццолановых цементов или шлакопортландцементов, а также тонкомолотых добавок к портландцементу расход воды, указанный в таблице, увеличивают на 15-20 л. 5. При введении в бетонную смесь поверхностно-активных веществ расход воды для получения смеси заданной удобоукладываемости устанавливают опытным путем.

При изготовлении пробных замесов в сухую смесь материалов сначала подают воду в количестве, на 15% меньшем указанного в табл. 31 и 32. Тщательно перемешав смесь, определяют ее удобоукладываемость и при необходимости постепенно добавляют воду до получения бетонной смеси заданной подвижности, из которой изготовляют контрольные образцы, уплотняя их по заданному режиму. Одновременно определяют фактическую объемную массу свежее уплотненного бетона.

Таблица 32

Ориентировочный расход воды для легкобетонной смеси на пористом щебне крупностью до 20 мм

Показатель удобоукладываемости легкобетонной смеси		Расход воды, л/м3, для бетона
		на искусственном щебне (термозите) и пористом песке	на естественном щебне крупностью, мм
Осадка конуса, см	Жесткость, с
			более 10	менее 10
5—10 1—3 - - - -	- 10—20 20—30 30-60 60—100	280—320 260—290 230—260 210—240 190—220	290—330 270—300 250—280 230—260 210—240	330—390 320—370-310—350 300-330 290—310

Примечания: 1. Расход воды указан для бетона на мелкопористых искусственных заполнителях. При использовании крупнопористых материалов его увеличивают на 30—60 л. 2. При уменьшении крупности зерен пористого щебня до 40мм расход воды увеличивают на 10—20 л, а при увеличении крупности зерен — уменьшают на 10—20л. 3. При замене пористого песка плотным расход воды уменьшают на 30—50 л. 4. Расход воды приведен для легкобетонных смесей на портландцементе. При использовании шлакопортландцемента или пуццоланового портландцемента его увеличивают на 15—20 л. 5. При введении в бетон поверхностно-активных добавок расход воды уменьшают на 10—15%.

Среднюю плотность бетонной смеси и сравнивают ее с теоретической, рассчитываемой по формуле

ρ_о.б. = ρ_о.c + (В – 0,15Ц) 15

где ρ_о.c. - заданная средняя плотность сухого бетона, кг/м³; В и Ц - расходы воды и цемента, кг/м³ бетона:

16

17

где - ц, в — расход цемента и воды на данный лабораторный замес, кг; ∑m — суммарный расход материалов (включая воду) на данный замес, кг; ρ_о.c — фактическая средняя масса уплотненной бетонной смеси, кг/м3.

Расход заполнителей определяют по формулам:

18

19

где щ₁, п₁ — расход крупного и мелкого заполнителей на один замес, кг. Состав легкого бетона при наименьшем расходе цемента окончательно уточняют, изготовляя и испытывая контрольные образцы из замесов нескольких серий, отличающихся от основного расходом цемента (на ±10%) и мелкого заполнителя (на ±15%). Для каждого из этих составов определяют оптимальное водосодержание (как указано выше) для получения бетонной смеси заданной подвижности, изготовляют контрольные образцы, которые должны твердеть по заданным режимам.

Правильность подбора состава и корректировочных расчетов проверяют, решая уравнения:

20

ρ_о.б.=П+Щ+1,5Ц 21

где ρ_ц — плотность цемента, кг/м³; р₀._п, ρ₀._щ — плотность соответственно песка и щебня (гравия).

Составы легких бетонов неплотной структуры (с межзерновой пористостью) подбирают по такой же схеме, но с соответствующим уменьшением расхода мелкого заполнителя и воды, а иногда и цемента.

Удобоукладываемость смеси неплотных бетонов учитывают лишь для r=0,5V_пуст; при изготовлении бетонов с r<0,5V_пуст определяют только расслаиваемость смеси.

Плотность легкобетонной смеси жесткостью менее 60 с вычисляют после ее уплотнения в цилиндрическом металлическом сосуде вместимостью 5 л. Смеси жесткостью более 60 с или с неплотной структурой перед определением объемной массы следует уплотнять только в металлических формах (150 х 150 х 150, мм), предназначенных для изготовления образцов-кубиков.

Среднюю плотность бетонной смеси вычисляют по формуле как среднее арифметическое двух определений.

Расслаиваемость легкобетонной смеси определяют с помощью специального цилиндрического прибора. Закрепив прибор на виброплощадке, его заполняют на всю высоту (до верха насадки) бетонной смесью. Длительность вибрирования подвижных смесей (осадка конуса более 10 мм) должна быть равна 30 с, жестких - удвоенному показателю жесткости, но не более 2 мин. При удобоукладываемости смесей более 60 с виброуплотнение производят с пригрузом 4,5 кПа (45 кг/см²). Сняв насадку, срезают излишек бетонной смеси и определяют массу бетона отдельно в нижнем стакане и в верхнем цилиндре. Показатель расслаиваемости бетонной смеси в процентах

22

где т_г - масса смеси в нижнем стакане, в г; цилиндра, г.

Бетонную смесь признают удовлетворительной, если расслаиваемость не превышает 10%.

Предел прочности при сжатии легкого бетона на пористых заполнителях определяют на образцах размером 150 х 150 х 150 мм. Продолжительность уплотнения легкобетонной смеси жесткостью менее 60 с должна быть равна показателю жесткости смеси, увеличенному на 30 с. Смесь жесткостью более 60 с уплотняют с пригрузом 4,5 кПа (45 гс/см³) до прекращения оседания пуансона (пригруза) и появления цементного молока между насадкой и формой (но не более 2 мин).

В остальном методика испытания при определении предела прочности не отличается от методики, изложенной для тяжелого бетона.