Что на самом деле произойдёт, если я изменю пропорции цемента и песка в растворе?

В кодексах и других руководствах приводятся типовые комбинации смесей, которые хорошо работают в обычных условиях.

В целом смесь в пропорции 1:2 будет прочнее, чем смесь в пропорции 1:3. Но вполне возможно, что смесь в пропорции 1:0,5 будет менее прочной. Прочность зависит от силы взаимодействия между частицами песка, а также от сопротивления сдвигу, обеспечиваемого цементом, который действует как клей. Таким образом, в стандартах указаны сбалансированные комбинации, которые являются удовлетворительными.

Чтобы полностью контролировать свойства строительного раствора или бетонной смеси, необходимо учитывать следующие критерии:

1. Количество цемента: Как правило, чем больше цемента, тем выше прочность. Но в какой-то момент это начинает действовать негативно. Поскольку основная передача силы в бетонной/растворной матрице происходит за счёт взаимодействия песка с песком, избыток цемента сделает раствор очень хрупким, так как частицы цемента не могут передавать нормальную силу контакта — они хорошо справляются с обеспечением прочности на сдвиг. Поскольку цемент дорогой, в конструкциях с низкой прочностью, например в дорожном покрытии, количество цемента меньше, чтобы оптимизировать затраты.
2. Количество воды: Как правило, содержание воды в диапазоне от 20 % до 35 % (по массе цемента) считается безопасным. При меньшем содержании воды смесь получается менее прочной и подвижной, что подходит для ровных поверхностей, например для укладки дорожного покрытия. При большем содержании воды смесь обычно используется в особых условиях, например при установке свай с помощью вибропогружателя, когда необходима текучесть смеси. Хотя большое количество воды также приводит к снижению прочности, есть и другие способы решения проблемы (описанные выше).
3. Количество песка: Если добавить слишком много песка, смесь станет хрупкой и будет плохо сопротивляться любым воздействиям. Для марок M20, M25 и т. д. обычно используется соотношение 1:3. Однако для высокопрочных смесей (M35+) лучше использовать соотношение 1:2 или около того.
4. Количество заполнителя: Заполнители нужны по двум причинам: для экономии и для повышения прочности. Они дешёвые и хорошо заполняют пространство. Очень большое или очень малое количество заполнителя снижает прочность, но является экономичным решением. Умеренное количество заполнителя вполне достаточно.
5. Форма заполнителя: Как правило, чем сильнее искривлена частица заполнителя, тем выше прочность, так как увеличивается площадь контакта и улучшается сцепление.
6. Воздушные включения: Высокое содержание воздуха в смеси приводит к снижению прочности. Вот почему высокопрочный бетон перед укладкой подвергают вибрации, чтобы удалить небольшие воздушные образования. Низкое содержание воздуха снижает маневренность, поэтому иногда используются "воздухововлекатели" (химические добавки) для придания желаемой текучести без ущерба для изменения содержания воды и, следовательно, прочности.
7. Добавки: Физические добавки, такие как "мелкодисперсный порошок кремнезема", "зола-унос", позволяют уменьшить количество цемента и обеспечивают экономию. Тонкодисперсный кремнезём — это ... очень мелкий порошок, который проникает в мельчайшие пустоты и обеспечивает хорошую прочность сцепления за счёт уменьшения содержания воздуха. Зола-унос является универсальной заменой цемента. Это побочный продукт тепловых электростанций, и он очень дешёвый. До 15 % цемента можно заменить тонкодисперсным кремнезёмом, а до ~40 % — золой-уносом. Химические добавки, такие как суперпластификаторы, действительно обеспечивают эффективное повышение удобоукладываемости или даже снижение водопотребности при сохранении удобоукладываемости, что позволяет получить более прочную смесь.

Я работаю каменщиком уже 40 лет и видел, как смесь в пропорции 1:3 влияет на материал в долгосрочной перспективе по сравнению со смесью в пропорции 1:2.
При правильной подготовке основания под фундамент и на протяжении всего строительства я рекомендую использовать смесь в пропорции 1:2, особенно при работе с брусчаткой и поверхностями, которые будут подвергаться сильному воздействию погодных условий.
Однако мой опыт работы почти исключительно с камнем, и я понимаю, что использование более мягкой смеси при работе с кирпичом и блоками может быть более эффективным. (Чтобы избежать появления трещин в кирпиче или блоках.)
Я скажу, что более 30 лет назад я построил подпорные стены и каменные сооружения, используя соотношение 1:2, и до сих пор в них нет ни одной трещины. (26.01.16)
Соотношение 1:2, по-видимому, гораздо лучше защищает от воды, чем соотношение 1:3.
Ещё одно замечание. Циклы замерзания и оттаивания — главный враг любой каменной кладки, а проникновение воды может быть очень опасным.

Ещё несколько моментов, над которыми стоит задуматься:

• Если раствор слишком жёсткий, он не будет растягиваться и, следовательно, будет сильнее трескаться, отслаиваясь от кирпичей.
• Если раствор твёрже кирпича, то он будет разрушаться медленнее, чем кирпич, под воздействием дождя/ветра, а со временем начнёт выступать над поверхностью, собирая воду и ослабляя кирпичи.
• Более жёсткая штукатурка также пропускает меньше водяного пара, что может остановить/замедлить «дыхание» здания.

Поэтому иногда лучше использовать более слабый эластичный раствор на основе извести (без цемента).

Вкратце: придерживайтесь рекомендуемого состава.

Также прочтите и поставьте лайк этому другому замечательному ответу.

А теперь перейдём к науке:

Бетон, строительный раствор и затирка — это смеси портландцемента, воды и заполнителей (песка, а в случае с бетоном — гравия).

Бетон используется в конструкционных целях, и его основная задача — выдерживать нагрузку. Идеальный бетон — это цельный, монолитный каменный блок без какого-либо цемента. Очевидно, что работать с таким материалом не очень удобно. Следующий лучший вариант — смесь, состоящая в основном из заполнителя, тщательно подобранного по размеру, от пыли до валунов, чтобы свести к минимуму количество цемента, необходимого для скрепления. Чем меньше цемента, тем прочнее бетон, при условии, что его достаточно для скрепления.

Раствор является полуконструкционным. Он нужен для того, чтобы скреплять кирпичи, но при этом должен выдерживать нагрузку на тонких слоях. В основном это крупнозернистый песок, скреплённый портландцементом. Прочность раствору придают силы сцепления между песчинками, поэтому я бы не стал уменьшать количество песка в смеси.

Швы и тонкий слой раствора не являются несущими конструкциями, то есть они не должны выдерживать какой-либо реальный вес. Они используются при укладке плитки для предотвращения бокового смещения или для выравнивания конструктивного элемента (например, чернового пола). В основном они состоят из мелкого песка и портландцемента.

Теперь нам нужно рассмотреть сам цемент. Водоцементное соотношение (В/Ц) — самый важный фактор, влияющий на конечную прочность затвердевшего цемента. Чем меньше воды вы добавляете, тем прочнее будет конечный продукт (опять же, до определённого минимума). Таким образом, для получения хорошего цемента нам нужна относительно сухая смесь.? Неверно. Есть ещё два фактора. ещё один: удобоукладываемость и затвердевание.

Технологичность: это простота заливки, придания формы и выравнивания раствора. Очевидно, что раствор должен быть немного гуще бетона, так как бетон заливают, а раствор распределяют. Он должен быть достаточно плотным, чтобы стоять самостоятельно. Но если сделать его слишком густым, с ним будет невозможно работать. Решение — добавить больше воды. Для конструкционных элементов существуют добавки, называемые суперпластификаторами, которые улучшают удобоукладываемость без изменения водоцементного соотношения, но они бесполезны и нерентабельны при использовании в растворе. По этой же причине я бы не стал увеличивать количество песка — вы потеряете удобоукладываемость.

Отверждение: цемент никогда не перестаёт отверждаться. Однако мы считаем, что полное отверждение, при котором цемент достигает своей номинальной прочности, происходит в течение 28 дней. Отверждение — это процесс, в ходе которого частицы цемента связываются с доступными частицами воды и затвердевают. Это означает, что вода должна присутствовать в течение всех 28 дней! После того как первоначальная смесь затвердеет, необходимо поддерживать поверхность во влажном состоянии. Вы увидите, что структурные прокладки покрыты пластиком — это сделано для уменьшения испарения. Вы также увидите, как автоцистерны поливают свежеуложенные плиты, чтобы они оставались влажными. (Высококачественные сборные железобетонные изделия часто подвергаются пропариванию на заводе) Однако в случае с раствором наша открытая поверхность небольшая и вертикальная, поэтому добавить необходимое количество воды после укладки сложно, поэтому мы должны включить избыток воды в смесь. Конечно, это снижает прочность из-за соотношения воды и цемента, но повышает прочность за счёт затвердевания.

Как видите, на самом деле это очень сложная наука, в которой нужно учитывать множество факторов. В итоге мы с вами не должны экспериментировать с рекомендуемыми смесями без веской причины — у нас нет ни опыта, ни знаний, чтобы понять последствия. — Производители пришли к выводу, что стандартные смеси — это оптимальный компромисс между множеством противоречивых факторов.

Это повлияет на прочность и долговечность вашего раствора. Хотя я не эксперт в этой области, должно же быть оптимальное решение такой проблемы. Какая смесь прослужит как можно дольше, будет прочно держаться за окружающий её камень, будет устойчивой к сжатию и т. д.?

По сути, это задача многокритериальной оптимизации, которая уже давно решена на практике: нужно найти такое сочетание, которое наилучшим образом удовлетворяет всем целям в совокупности. Однако на самом деле, если вы немного отклонитесь в одну сторону, то обнаружите, что некоторые из этих целей будут достигнуты лучше, в то время как другие пострадают. Так ведёт себя подобная задача. Поэтому возникает вопрос: что будет, если я добавлю в смесь ещё немного песка (или другого заполнителя)? Что произойдёт? Скорее всего (и опять же, я могу только предполагать, какие именно эффекты проявятся, поскольку говорю экспромтом), смесь станет более прочной при сжатии, но в какой-то момент она будет легче разрушаться и станет менее липкой. Конечно, если добавить слишком много песка, получится просто куча песка, которая не будет обладать нужными свойствами строительного раствора.

Аналогично, предположим, что я увеличиваю долю цемента? Логично предположить, что теперь он лучше сцепляется с окружающим камнем, но его прочность на сжатие снижается.

Добавление большего количества воды в смесь приводит к другим последствиям, которые также оптимизированы на рекомендованном уровне. Таким образом, если вы добавите воды, смесь станет более влажной, с ней будет легче работать, она станет более липкой, но при этом менее плотной. Она не будет держаться на месте. Это также может повлиять на время отверждения.

Я хочу сказать, что все эти параметры были выбраны как оптимальные для группы характеристик, определяющих, что такое строительный раствор и для чего он нужен, — физических свойств строительного раствора. На самом деле каменщики годами оптимизировали эти параметры с помощью простых экспериментов, пока не создали смесь, которая в достаточной мере соответствует оптимальным значениям и устойчива к изменениям материала.

Сказав всё это, я проведу небольшое исследование на эту тему. Например, этот сайт сообщает, что соотношение песка и цемента может варьироваться от 1:2 до 1:3, что влияет на прочность смеси с точки зрения её способности выдерживать нагрузки на сжатие. Там также упоминается, что добавление гравия в смесь повысит её прочность.

Чем больше я читаю, тем больше понимаю, что качество цемента тоже имеет значение. Для дешёвого цемента нужно больше воды, так что, вероятно, это зависит от состава самого цемента. (Есть ли в смеси известь? Сколько её?)

На этом я остановлюсь, так как здесь задействовано МНОЖЕСТВО факторов. Какой песок вы используете? Песок, состоящий из идеально круглых сфер одинакового размера, будет легко поддаваться обработке. Но он не будет очень прочным. «Острый» песок с множеством острых граней и частицами разного размера будет хуже смешиваться и поддаваться обработке, но будет прочнее с точки зрения свойств затвердевшего материала.

Соотношение размеров заполнителя тоже влияет на результат. Для очень мелкого песка потребуется больше цемента, так как у крошечных частиц больше площадь поверхности на единицу объёма, поэтому для хорошего сцепления с цементом нужно больше песка. Но мелкий песок легче смешивать, с ним проще работать, его легче утрамбовывать. Если поверхность, к которой он должен прикрепиться, очень неровная, он может лучше сцепиться. Но добавление в смесь более крупного заполнителя повысит прочность на сжатие, так как крупный камень прочнее. (В какой-то момент это превращает раствор в бетон.) Вот цитата, которую я нашёл на одном сайте:

«Раствор — это смесь цемента, песка и воды (и, как правило, извести), предназначенная для укладки таких элементов кладки, как цементные блоки, камень или кирпич. Раствор «липкий», поэтому он хорошо сцепляется с блоками, камнем или кирпичом. Бетон предназначен для самостоятельной укладки».

Я уверен, что не учёл здесь все факторы, но это должно дать вам представление. Здесь задействовано очень много параметров. Важно не только количество цемента и песка, но и точный состав цемента, тип песка, количество воды.