Заполнители для бетонов

Глинистые и пылевидные частицы, органические примеси, сернистые и сернокислые  соединения являются вредными примесями  в песке. Глинистые примеси, обволакивая  тонким слоем зерна песка, ухудшают сцепление их с цементным камнем и снижают прочность бетона. Органические примеси (остатки растений, перегной и т. п.) снижают прочность цементного камня и могут явиться источником его разрушения. Сернистые и сернокислые  соединения (гипс, серный колчедан и  др.) способствуют коррозии бетона.

1.4 Крупный заполнитель

Крупный заполнитель: для  тяжелого бетона это гравий или щебень

Гравий - рыхлая смесь зерен  округлой формы размером 5-70 мм, образовавшихся в результате естественного разрушения (выветривания) твердых , горных пород. Гравий может быть горным (овражным), речным и морским. Горный гравий имеет шероховатую поверхность и содержит обычно примеси песка, глины, пыли и органических веществ. Речной и морской гравий чище горного, но зато с гладкой поверхностью, что ухудшает сцепление с цементно-песчаным раствором. Для улучшения сцепления его можно дробить на щебень.

Щебень - рыхлая смесь, получаемая дроблением больших кусков различных  твердых горных пород, а также  кирпичного боя, шлаков и др. Полученную смесь зерен различных размеров (5 - 70 мм) подвергают рассеву на отдельные фракции. В зависимости от размера зерен гравий и щебень подразделяют на фракции 5-10, 10 - 20, 20 - 40 и 40 –70мм. В каждой фракции гравия или щебня должны быть зерна всех размеров - от наибольшего до наименьшего для данной фракции.

Для приготовления бетона более экономичен предельно крупный  гравий или щебень, так как при  этом снижается расход цемента. Но наибольший размер зерен крупного заполнителя  должен быть не более 1/3 наименьшего  размера бетонируемой конструкции  или не более 3/4 наименьшего расстояния между стержнями арматуры. При  бетонировании плит допускается  применение до 50 % зерен крупного заполнителя  наибольшей крупности, равной половине толщины плиты. Содержание зерен  крупнее установленного наибольшего  размера допускается не более 5% по массе гравия или щебня.

Содержание в гравии или  щебне лещадных или игловидных зерен  не должно превышать 15 % по массе.

Для тяжелых бетонов следует  применять щебень, получаемый из горных пород, имеющих прочность в 1,5 - 2 раза выше заданной марки бетона. Содержание в щебне зерен слабых, выветрившихся  пород не должно превышать 10% по массе. Проверяется также морозостойкость гравия и щебня. Окончательно пригодность гравия или щебня для бетона требуемой марки устанавливают по результатам испытания бетона на данном заполнителе.

Прочность заполнителей влияет на прочность бетона. Требования по прочности устанавливают только для крупного заполнителя, поскольку  обычно применяемые в качестве мелкого  заполнителя кварцевые пески  заведомо прочнее бетона: предел прочности  при сжатии кварца свыше 1000 МПа, а  максимальная прочность бетона по ГОСТ 26633—85 составляет 80 МПа.

Прочность крупного заполнителя  нормируют с учетом прочности  бетона. Так, марка щебня из естественного  камня должна превышать прочность  бетона не менее чем в 1.5...2 раза. Во всех случаях щебень из изверженных  горных пород должен быть марки не ниже 80 МПа, из метаморфических пород  — не ниже 60, из осадочных пород  — не ниже 30 МПа. Содержание в щебне  и гравии зерен слабых и выветренных  пород — не более 10 % по массе.

Морозостойкость щебня и  гравия должна обеспечивать получение  проектной марки бетона по морозостойкости. Определяют ее путем циклического замораживания и оттаивания пробы заполнителя в водонасыщенном состоянии. Для предварительной оценки морозостойкости разрешается ускорять испытание путем насыщения пробы в растворе сернокислого натрия и последующего высушивания ее. По морозостойкости крупные заполнители подразделяют на семь марок: 15, 25, 50, 100, 150, 200 и 300. Марка заполнителя по морозостойкости характеризует число циклов замораживания — оттаивания, при котором потеря массы пробы не превышает 5% (исключение составляют марки F15 и F25, для которых установлен предел 10 %).

2.1 Пористость и водопоглощение заполнителя 

Пористость зерен заполнителя  уже упоминалась в связи с  определением его насыпного объемного  веса. Эта характеристика является весьма важной для изучения свойств  заполнителя. Пористость заполнителя, его водопроницаемость и водопоглощение оказывают влияние на прочность  сцепления заполнителя с цементным  камнем, сопротивление бетона попеременному  замораживанию и оттаиванию, а  также на его химическую стойкость  и сопротивление истиранию. От пористости зависит также величина кажущегося удельного веса заполнителя, поэтому  выход бетона при одном и том  же содержании заполнителя является величиной непостоянной. Размер пор  в зернах заполнителя колеблется в довольно широких пределах. Макропоры  являются настолько крупными, что  они различимы с помощью микроскопа или даже невооруженным глазом. Однако даже самые мелкие поры заполнителя  обычно крупнее, чем re-левые поры в  цементном камне. Поры размером менее 4 мк представляют особый интерес, поскольку обычно считают, что они влияют на долговечность заполнителей, подвергаемых попеременному замораживанию и оттаиванию.

Некоторые поры заполнителя являются замкнутыми, другие выходят на поверхность  зерен. Цементное тесто из-за своей  высокой вязкости не может проникнуть на большую глубину даже самых  крупных пор заполнителя. При  расчете содержания заполнителя  в бетоне учитывают общий объем его зерен, которые упрощенно рассматриваются как целиком состоящие из плотного материала. Однако влага может проникать в глубь пор; количество поглощаемой влаги и скорость ее проникания зависят от их размера, протяженности и общего объема пор. Значения пористости некоторых распространенных горных пород приведены ниже.

Поскольку заполнитель занимает почти 3/4 объема бетона, то, очевидно,, что  общая пористость бетона зависит  в значительной степени от пористости заполнителя. 

Когда все поры в заполнителе  заполнены водой, говорят, что заполнитель  находится в насыщенном водой  и поверхностно-сухом состоянии. Если заполнитель в этом состоянии  поместить в воздушно-сухие условия,, т. е., например, в лабораторию, то некоторое  количество воды, содержащейся в порах, испарится и заполнитель перейдет в воздушно-сухое состояние.

Хотя не существует четкой зависимости  между прочностью бетона и водопоглощением  его заполнителя, однако поры, выходящие  на поверхности зерен, влияют на сцепление  заполнителя с цементным камнем и могут, таким образом, оказывать  некоторое влияние на прочность  бетона. Обычно полагают, что при твердении бетона заполнитель находится в насыщенном водой, но поверхностно-сухом состоянии. При использовании в бетоне заполнителя в сухом состоянии значительное количество воды затворения будет поглощено из бетонной смеси. Следует отметить, что поглощаемая таким образом вода не учитывается, как правило, при расчете водопотребности бетонной смеси. Однако возможно, что при использовании сухого заполнителя его зерна быстро покрываются оболочками из цементного теста, которые препятствуют дальнейшему прониканию воды в глубь зерен, т е. насыщению заполнителя   водой.   Это явление наблюдается главным образом в жирных смесях, в которых происходит быстрое обволакивание заполнителя цементным тестом. В тощих подвижных смесях насыщение заполнителя водой протекает беспрепятственно. На практике на водопоглощение заполнителя в бетонной смеси влияет также последовательность подачи компонентов бетонной смеси в бетоносмеситель. Поглощение воды заполнителем приводит со временем к некоторому снижению удобоукладываемости, однако примерно через 15 мин это снижение приостанавливается. Так как водопоглощение сухого заполнителя со временем снижается или совсем прекращается в результате образования на его зернах оболочек из цементного теста, то часто целесообразно определять величину не полного количества поглощаемой воды, а водопоглощения в течение 10—30 мин.

3. Зерновой состав мелкого и крупного заполнителей 

Поскольку дозировку мелкого и  крупного заполнителей проводят отдельно, то необходимо знать и тщательно  контролировать зерновой состав каждого  вида заполнителя в отдельности.

Раньше была признана классификация, по которой мелкий заполнитель разделили  на два класса, однако выявлено, что, подбирая рациональное соотношение  между мелким и крупным заполнителем, можно получить бетон удовлетворительного  качества на заполнителе как одного, так и другого класса. Требования к зерновым составам заполнителя, относящимся к этим областям. Любой мелкий заполнитель считают пригодным для бетонов, если его зерновой состав находится полностью в пределах одной из указанных четырех областей. Допускается отклонение в 5% общего количества заполнителя, проходящего через все британские контрольные сита, за исключением сита № 25. Однако заполнитель не должен выходить за пределы самого мелкого зернового состава (предельная кривая 4) или самого крупного зернового состава (предельная кривая 1). Единственное исключение может быть в случае использования дробленого песка, когда допускается проход 20% материала сквозь британское контрольное сито № 100 во всех четырех областях. Можно отметить, что для бетона с вовлеченным воздухом допускается пониженное количество самых мелких зерен, так как вовлеченный воздух оказывает влияние, аналогичное воздействию очень мелкого заполнителя.

В деление зерновых составов на области  основано главным образом на различном  процентном содержании зерен, проходящих сквозь британское контрольное сито № 25. Основная причина этого заключается в том, что большое количество песков разделено природным способом как раз по этому размеру. Количество зерен более крупных и более мелких, чем этот размер, является примерно постоянным в всех четырех областях. Кроме того, содержание зерен более мелких, чем размер отверстий сита № 25, оказывает значительное влияние на удобоукладываемость бетонной смеси и на величину общей удельной поверхности песка.

Песок, зерновой состав которого находится  в любой из четырех областей, обычно может быть использован в бетоне, хотя в определенных условиях пригодность  данного песка может зависеть от зернового состава и формы  зерен крупного заполнителя.

Пригодность мелкого заполнителя, относящегося к области 4, для использования  в железобетоне должна быть дополнительно  проверена экспериментальным путем. Так как большая часть этого  песка мельче, чем размер отверстий  британского контрольного сита № 25, то зерновой состав этого песка характеризуется  пропуском некоторых фракций. Поэтому  подбору состава бетона на таком  песке следует уделить особое внимание. Содержание песка в бетонной смеси должно быть низким. Рекомендуемые  значения отношения крупный заполнитель: мелкий заполнитель. Тем не менее  бетон достаточно хорошего качества может быть получен и на песке, относящемся к области 4, особенно при использовании виброуплотнения. Применение крупного песка, относящегося к области, способствует образованию жесткой бетонной смеси. Следовательно, высокое содержание песка может явиться необходимым условием для повышения удобоукладываемости бетонной смеси. Крупный песок более пригоден для использования в жирных смесях или в бетоне низкой удобоукладываемости. Область 2 представляет песок средней крупности, обычно пригодный для «стандартной» смеси мелкого и крупного заполнителя состава 1 : 2 (при наибольшей крупности заполнителя 19,05 мм). В целом отношение количества крупного заполнителя к мелкому должно быть тем больше, чем мельче зерновой состав мелкого заполнителя. При использовании в качестве крупного заполнителя дробленого щебня требуется несколько большее количество песка, чем при использовании гравия,   что   позволит  компенсировать снижение удобоукладываемости из-за остроугольности дробленых зерен.

Выбор правильного соотношения  между крупным и мелким заполнителем особенно важен в тех случаях, когда зерновой состав песка приближается к внешней предельной кривой области 4 (мелкий песок) или к внешней  предельной кривой области 1 (крупный  песок). Однако следует отметить, что мелкий песок с правильно подобранным зерновым составом может с успехом использоваться в бетонах. В прошлом было много   сомнений   относительно   пригодности   этого   типа заполнителя.

Пример использования песка  из любой из четырех областей с  целью получения бетона одинакового  качества приведен в табл. 3.18, в которой  даны результаты исследований, проведенных  в Строительном исследовательском  центре. Кривые фактических зерновых составов песка. При этом были использованы отношение заполнитель: цемент равное 6,04, и В/Ц—0,6 (оба по весу). Для поддержания примерно одинаковой удобоукладываемости отношение крупный заполнитель: мелкий заполнитель варьировали таким образом, чтобы общая удельная поверхность заполнителя оставалась постоянной, равной 25,5 см²/г. Фактический зерновой состав до некоторой степени определяется также формой и текстурой поверхности зерен заполнителя. Например, заполнитель, состоящий из остроугольных зерен с шероховатой поверхностью, должен иметь зерновой состав пониженной крупности, чтобы уменьшить возможность сцепления зерен и компенсировать высокое трение между ними. Фактический зерновой состав дробленого заполнителя зависит главным образом от типа используемого дробильного оборудования. Валковая дробилка обычно производит меньше мелких зерен, чем другие типы дробильного оборудования. Фактический зерновой состав зависит также от количества материала, одновременно вводимого в камнедробилку. Предельные кривые зернового состава неразделенного (крупного и мелкого). Следует помнить, что в настоящее время этот тип заполнителя используется только для бетонов, применяемых для небольших и неответственных бетонных сооружений, поскольку при хранении в штабелях трудно избежать расслоения этого заполнителя.

Заключение

Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема и оказывают влияние  на свойства бетона, его долговечность  и стоимость. Введение в бетон  заполнителей позволяет резко сократить  расход цемента, являющегося наиболее дорогим и дефицитным компонентом. Кроме того, заполнители улучшают технические свойства бетона.

Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя несколько увеличивает  прочность и модуль деформации бетона, уменьши т деформации конструкций  под нагрузкой, о также ползучесть бетона — необратимые деформации, возникающие при длительном действии нагрузки Заполнитель уменьшает  усадку бетона, способствуя получению  более долговечного материала. Усадка цементного камня при его твердении  достигает 1 ... 2 мм/м. Из-за неравномерности  усадочных деформаций возникают  внутренние напряжения и даже микротрещины.