Заполнители для бетонов

     ВВЕДЕНИЕ 

     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, уменьшает деформации конструкций под нагрузкой, а 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.

     Заполнитель воспринимает усадочные напряжения и в несколько раз уменьшает  усадку бетона по сравнению с усадкой  цементного камня.

     Пористые  естественные и искусственные заполнители, обладая малой плотностью, уменьшают  плотность легкого бетона, улучшают его теплотехнические свойства. В  специальных бетонах (жаростойких, для защиты от радиации и др.) роль заполнителя очень высока, так  как его свойства во многом определяют специальные свойства этих бетонов.

     В силикатных бетонах заполнитель  помимо своего обычного назначения играет особо важную роль, так как его  зерна с поверхности вступают во взаимодействие с вяжущим веществом  и от их минералогического состава  и удельной поверхности во многом зависят свойства получаемого бетона.

     Стоимость заполнителя составляет 30 ...50% (а  иногда и более) от стоимости бетонных и железобетонных конструкций, поэтому  применение более доступных и  дешевых местных заполнителей в  ряде случаев позволяет снизить  стоимость строительства, уменьшает  объем транспортных перевозок, обеспечивает сокращение сроков строительства.

     Правильный  выбор заполнителей для бетона, их разумное использование — одна из важных задач технологии бетона. 
 

     ИСТОРИЧЕСКАЯ  СПРАВКА 

     Начав работать с бетоном, римляне не могли  не обратить внимания на качество заполнителей. Так, для удобства их применения уже  с середины I в. до н. э. вводится классификация  заполнителей по виду породы, загрязненности, а также в зависимости от назначения будущего бетонного сооружения. Об этом свидетельствуют работы археологов и древних авторов, так, по виду и  условиям залегания пески подразделялись, как и теперь, на речные, морские и горные (овражные), или как их называли прежде — котлованные. При этом существовало дополнительное разделение каждого вида песка по окраске и загрязненности.

     Витрувий  в кн. II, гл. 4 писал о том, что  «...Есть следующие сорта горного  песка: черный, серый, красный и карбункул (песок вулканического происхождения). Из них наилучшим будет тот, который  скрипит при растирании в руке». В большинстве случаев он советовал  применять чистые «без примеси земли» пески. Так, для кладки стен и сводов Витрувий рекомендовал только мытый  песок, а для штукатурных работ  — очищенный речной. Морской песок, по его мнению, в большинстве случаев  нежелателен, так как содержит примеси  солей, которые ведут к выцветанию стен. При этом, как пишет Витрувий, наличие в песке соли, обладающей гигроскопическими свойствами, затрудняет высыхание раствора, задерживая тем  самым сроки строительства. Такое  утверждение не противоречит современным  техническим условиям на мелкий заполнитель. Есть сведения, что заполнители для  бетона (особенно пуццолановые) обязательно  промывались.

     Интересны указания римлян по заготовке бутовых  камней и щебня для бетона. «Надо  добывать камень не зимою, а летом,—  пишет Витрувий (кн. II. гл. 4),— и  оставлять его вылеживаться на открытом воздухе два года до начала стройки. Тот камень, который за это двухлетие  будет поврежден непогодой, пойдет на фундамент, остальной же, оказавшийся  испорченным, пойдет для надземной  части здания как испытанный природою и могущий сохранить свою прочность...»  Методы определения чистоты заполнителей были весьма простыми, а требования к ним более жесткими. «...Если насыпать песок на белое полотенце  и затем потрясти или подбросить его и он не оставит пятен и  землистого осадка, то будет годен...» (Витрувий, кн. II, гл. 4). Особое значение для бетона имеет зерновой (гранулометрический) состав его заполнителей. Песок и  щебень или гравий должны состоять из зерен различной величины, тогда  объем пустот в них будет минимальным, а чем меньше объем пустот в  заполнителе, тем меньше требуется  вяжущего вещества для получения  плотного бетона. О том, что римляне  придавали большое значение зерновому  составу заполнителей, говорят результаты испытания их сооружений, выполненных  в наше время.

     Так при исследовании римских развалин в Англии было выявлено, что из 58 бетонных образцов стен 55 имели заполнитель  с одинаковой наибольшей крупностью, проходивший сквозь сито с отверстием 12 мм. Из 209 образцов бутовой кладки 200 имели заполнитель с наибольшей крупностью 19 мм и удовлетворительную по сегодняшним требованиям область зернового состава. Зерновой состав заполнителей из бетонов моста Траяна и водопровода близ Кельна также показал большую сходимость с современными требованиями. Есть и еще ряд подобных примеров.

     Следует также отметить частое использование  дробленого щебня, причем «...не тяжелее  фунта» (т. е. 327 г), как требует этого  Витрувий. Вероятно, к началу 1 в. н. э. римскими строителями было установлено, что заполнитель оказывает вполне определенное влияние на свойства бетона. Этот вывод подтверждается многочисленными  примерами.

     Так, при строительстве Колизея в  бетоне был применен заполнитель  трех видов: для фундаментов —  плотный и тяжелый щебень из высокопрочной  лавы, для стен — более легкий известняк, а в сводах и перекрытиях  — легкая пемза и туф. 

     КЛАССИФИКАЦИЯ

     Основными признаками стандартизованной классификации  разнообразных заполнителей для  бетона (ГОСТ 25137—82) являются: происхождение, крупность зерен, характер формы  зерен, плотность.

     По  размерам зерен заполнители подразделяют на:

     - мелкий (песок с размером зерен  до 5 мм);

     - крупный (с зернами свыше 5 мм). Крупный заполнитель в свою  очередь подразделяют по форме  зерен на гравий и щебень. Гравий  состоит из зерен окатанной  формы, щебень – угловатой.

     По  насыпной плотности крупные заполнители делятся на:

     - тяжелые (свыше 1000 кг/м³);

     - легкие (до 1000 кг/м³)

     Граница между тяжелым и легким песком – 1200 кг/м³.

     По  структуре заполнители могут быть:

     - плотными;

     - пористыми. К пористым относят  такие, пористость зерен которых  не менее 10%.

     В настоящее время для бетонов  используют несколько десятков разновидностей заполнителей.

     По  источникам получения  и методам производства их можно разделить на 2 основных класса (с последующей детализацией):

        1. Природные (естественные) заполнители:

     а) добываемые непосредственно в месторождениях и сразу пригодные к применению (например, песок вторичных отложений);

     б) сортированные (песок и гравий, получаемые сортировкой природных песчано-гравийных  смесей);

     в) дробленые (щебень и песок, получаемые дроблением горных пород).

        2. Искусственные заполнители:

     а) из отходов промышленности, пригодных  к применению непосредственно или  после несложной, только механической (дробление, рассев) обработки (например, золы, топливные шлаки, отвальные  металлургические шлаки, отходы от переработки  древесины);

     б) получаемые специальной переработкой промышленных отходов (например, шлаковая пемза, зольный гравий);

     в) получаемые из природного сырья путем  вспучивания или спекания при  обжиге (например, керамзит, аглопорит).

     Наконец, по назначению заполнители можно классифицировать, как это частично принято в действующих стандартах:

1. Для тяжелого бетона
2. Для легкого бетона
3. Для жаростойкого бетона
4. Для кислотостойкого бетона
5. Для щелочестойкого бетона
6. Для защиты от радиации
7. Для декоративного бетона и т.д.

 

СЫРЬЕВЫЕ  МАТЕРИАЛЫ 

     Плотные природные каменные горные породы –  основная сырьевая база для производства заполнителей.

     По  происхождению, определяющему важнейшие  отличительные свойства, горные породы подразделяются на 3 класса:

1. Изверженные
2. Осадочные
3. Метаморфические

     Изверженные горные породы образовались в результате застывания расплавленной магмы. Их структура и свойства зависят от условий, в которых остывала магма. Глубинные (интрузивные) изверженные породы, образовавшиеся при медленном остывании магмы, отличаются зернисто-кристаллической структурой, тогда как излившиеся (эффузивные) породы, образовавшиеся при сравнительно быстром остывании магмы на поверхности, застыли, не успев кристаллизоваться, и имеют стекловатую, скрытокристаллическую или порфировую (с кристаллическими вкраплениями) структуру.

     По  химическому составу изверженные  породы подразделяются на:

     - кислые (SiO₂ более 65%);

     - средние (55-65%);

     - основные (менее 55%).

     К кислым относятся граниты - глубинные  породы зернисто – кристаллической  структуры. Породообразующие минералы гранита: полевые шпаты – до 70%, кварц (кристаллический кремнезем  SiO₂) - более 20%, слюды и др. – около 5%. Из изверженных пород граниты наиболее широко используются для производства заполнителей.

     Граниты имеют плотность 2600-2700 кг/м³, близкую к плотности составляющего их вещества, поскольку пористость гранитов мала. Водопоглощение обычно не превышает 0,5%. Предел прочности при сжатии, как правило, более 100 МПа, часто достигает 200-250 МПа. Прочность при растяжении примерно в 50 раз меньше. Цвет обычно красноватый или серый.

     К средним изверженным породам  относятся глубинные породы (диорит, сиенит) и их излившиеся аналоги (андезит, трахит). Последние весьма активно  взаимодействуют с щелочами, поэтому  возможности их применения в цементных  бетонах ограничены. Они кислотостойки  и применяются в качестве заполнителей в кислотостойких бетонах на жидком стекле.

     Диорит  и сиенит отличаются от гранитов отсутствием  кварца. Встречаются они реже. Преобладает  зеленоватая окраска, темная у диорита, светлая у сиенита. Предел прочности  при сжатии диорита – до 250 МПа, сиенита – до 180 МПа. Для производства заполнителей могут применяться  наравне с гранитами.

     К изверженным горным породам с  малым содержанием кремнезема (основным) относятся глубинная порода габбро и излившиеся базальт и диабаз. Эти породы отличаются особо высокой  прочностью (предел прочности при  сжатии до 300-500 МПа) и большой плотностью (более 3000 кг/м³). Габбро – порода преимущественно крупнокристаллическая, базальт и диабаз – мелко- или скрытокристаллические. Цвет этих пород – от серого до черного, иногда с зеленым оттенком. В значительных объемах используются для производства заполнителей.

     Осадочные горные породы образовались в природе как результат разрушения первичных пород. Под действием воды, ветра, переменных температур, химической и биохимической коррозии горные породы постепенно разрушались, образуя материал для новых, вторичных отложений.

     Обломочные  осадочные породы образовали залежи песка и гравия – самых доступных, дешевых и широко применяемых  заполнителей для бетонов. Это рыхлые породы, представляющие собой скопление  обломков материнской горной породы, чаще всего зерен кварца как наиболее стойких (менее стойкие минералы горных пород, в частности гранитных, явились исходными реагентами для  образования глинистых минералов).