Заполнители для бетонов

 

Рис. 3 Технологическая  схема производства заполнителей для  бетона 
 

ОСНОВНЫЕ  СВОЙСТВА ПРОДУКЦИИ 

     Разнообразные заполнители для бетона отличаются теми или иными специфическими свойствами и особенностями, обусловливающими область их применения и технико-экономическую  эффективность. В то же время все  они как сыпучие зернистые  материалы характеризуются едиными  основными показателями качества. 

     Насыпная  плотность.

     Насыпной   плотностью  заполнителя   называют  отношение  его массы   ко   всему   занимаемому   объему,   включая   пространство между зернами.

     Определяют  насыпную плотность следующим образом. Высушенный до постоянной массы заполнитель  насыпают с высоты 100 мм в предварительно взвешенный мерный сосуд до образования  над верхом сосуда конуса. Затем, не сдвигая сосуд (во избежание уплотнения заполнителя), линейкой срезают конус  и сосуд с заполнителем взвешивают.

     Насыпная  плотность заполнителя (кг/м³):

     ,

     где:

     m₂ - масса мерного сосуда с заполнителем, кг;

     m₁ – масса мерного сосуда, кг;

     V – вместимость мерного сосуда, м³.

     Следует иметь в виду, что результат  определения насыпной плотности  заполнителя зависит от вместимости  и формы мерного сосуда, от соотношения  размеров сосуда и зерен заполнителя. При данной крупности зерен чем  меньше размеры сосуда, тем относительно меньшей будет степень заполнителя  его объема зернистым материалом. Поэтому действующие нормы предусматривают использование стандартных мерных цилиндрических сосудов различной вместимости для заполнителей разной крупности.

     Для испытания щебня и гравия в  зависимости от их крупности стандарты  предусматривают использование  мерных сосудов вместимостью 5 ... 50 л, для песка — 1л. 

     Насыпная  плотность — важная характеристика заполнителей, особенно пористых, основная маркировка которых производится по этому показателю. Знание насыпной плотности необходимо для расчета массовой доли заполнителя, если известен его объем, или, наоборот, для определения вместимости складских помещений, бункеров, исходя из требуемой массы заполнителя, при расчете состава бетона, дозировании заполнителей и т. д.

     Иногда  насыпную плотность заполнителя  определяют в уплотненном состоянии. В этом случае мерный сосуд с заполнителем подвергают вибрации на лабораторной виброплощадке, заполнитель по мере уплотнения досыпают в сосуд доверху. Результаты превышают стандартную  насыпную плотность заполнителя  на 5... 25 % и отражают способность  данного заполнителя к уплотнению (например, при вибрировании бетона) за счет более компактной укладки  зерен.  

     Плотность зерен и вещества заполнителя.

     Плотность зерен заполнителя представляет собой отношение массы пробы сухого щебня или гравия к суммарному объему его зерен.

     Объем зерен заполнителя определяют по разнице в результатах взвешивания  пробы на воздухе и в воде. Поскольку  взвешивание в воде сопряжено  с возможностью ее проникания в поры зерен заполнителя, последний заранее  насыщают водой.

,

где:

m₁ – масса пробы заполнителя в сухом состоянии;

m₂ – масса пробы заполнителя после насыщения водой, установленная при взвешивании на воздухе, г;

m₃ – результат взвешивания пробы заполнителя в воде, г;

р_в – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

     Плотность вещества заполнителей, как и других строительных материалов, определяют путем измельчения пробы в  тонкий порошок (пористостью частиц которого можно пренебречь) с последующим  измерением абсолютного объема навески  порошка в пикнометре или в приборе Ле-Шателье по объему вытесненной порошком воды или другой жидкости (керосина). 

     Пустотность.

     Пустотностью, или межзерновой  пустотностью заполнителя называют выраженное в процентах отношение объема межзерновых пустот ко всему объему, занимаемому заполнителем в свободной засыпке (без уплотнения).   

     где:

     р_н – насыпная плотность, кг/м³;

     р_з – плотность зерен, г/см³.

     Пустотность может быть определена и экспериментально. Для этого заполнитель, как при  определении насыпной плотности, засыпают в мерный сосуд и заливают водой. После выдержки, необходимой для  насыщения зерен заполнителя  водой, сосуд накрывают мелким ситом  и опрокидывают для стека-ния  непоглощенной воды. Затем сосуд  с водонасыщенным заполнителем взвешивают, доливают доверху водой и снова  взвешивают. 

     где:

     m_в – масса долитой воды, кг;

     V – вместимость сосуда, л.

Пустотность — очень важная характеристика заполнителя. В плотном конструкционном бетоне все пустоты должны быть заполнены цементным тестом. Поэтому чем меньше пустотность заполнителя, тем меньше расход цемента при получении бетона. В крупнопористом бетоне, наоборот, желательна повышенная пустотность заполнителя.

Как будет показано ниже, пустотность зависит от формы  зерен заполнителя и зернового  (гранулометрического)  состава.

     Пористость  зерен.

     Пористость представляет собой отношение суммарного объема всех пор в зерне заполнителя к объему зерна. Обычно определяют не пористость каждого зерна отдельно, а среднюю пористость зерен в данной пробе заполнителя. 

     где:

     р – плотность вещества заполнителя, г/см³. 

     Влажность и водопоглощение.

     Пористость  зерен является одним из главных  факторов, определяющих возможную влажность  и водопоглощение заполнителей.  

       Для определения влажности W (в % по массе) пробу заполнителя взвешивают, затем высушивают до постоянной массы:

     100, 

     Чтобы найти водопоглощение W_погл.м. ( в % по массе), пробу сухого крупного заполнителя погружают в воду на 48 ч, на 1 ч или на другое время в соответствии с техническими условиями или технологическими требованиями, после чего извлекают, удаляют воду с поверхности зерен и взвешивают: 
 

     Зерновой  состав.

     Зерновой, или гранулометрический, состав заполнителя отражает содержание в нем зерен разной крупности и определяется просеиванием средней пробы заполнителя через стандартные сита. Набор стандартных сит включает сита с размерами отверстий 0,16; 0,315; 0,63; 1,25; 2,5; 5; 10; 20; 40; 70 мм и др.

     Заполнитель в первую очередь характеризуют  наименьшей и наибольшей крупностью. Наименьшей крупностью принято считать  размер отверстий того из стандартных  сит, на котором при просеивании  остается не менее 95 % пробы заполнителя (по массе), т. е. сквозь которое пройдет  не более 5 %. Наибольшей крупностью /)„аиб считают размер отверстий того сита, сквозь которое проходит не менее 95 % пробы заполнителя, а остается менее 5 %.

     Заполнитель называют однофракционным, если наименьшая и наибольшая  крупность  его  зерен  близки  и  представляют собой размеры отверстий смежных сит стандартного набора: 5... 10, 10... 20, 20... 40 мм и т. д. Заполнитель крупностью, например, 5 ... 20 мм представляет собой смесь двух фракций.

     Стандартами допускаются и в некоторых  случаях эффективно применяются  более узкие фракции заполнителей, например 10 ... 15 или 15 ... 20 мм.

     Пустотность заполнителя при смешении различных  его фракций, как правило, уменьшается, так как относительно мелкие зерна  могут разместиться в промежутках  между более крупными и, таким  образом, более компактно заполнить  объем. Поэтому очень большое  значение для смесей заполнителей имеет  их зерновой состав.

     Зерновой  состав называется непрерывным, если при  последовательном просеивании пробы  заполнителя через стандартный  набор сит (от сита с отверстиями  D_наиб до сита с отверстиями D_наим) получают остатки на всех ситах, т. е. если в смеси заполнителя имеются зерна всех фракций от D_наим до D_наиб.  

     Если  же какие-либо промежуточные фракции  отсутствуют, то зерновой состав называют прерывистым. Пример прерывистого зернового  состава — смесь фракций щебня  или гравия крупностью 5 ... 10 и 20 ... 40 мм (отсутствует промежуточная фракция 10 ...20 мм). 

     Структура заполнителя.

     Вещество, из которого состоят зерна заполнителя, может иметь структуру аморфную или кристаллическую и, кроме  того, плотную или пористую. Рассмотрим эти два типа структурных различий в общем виде.

     Аморфная  структура материала определяет его изотропность, т. е. свойства такого материала во всех направлениях одинаковы. Это положительный фактор, поскольку в технологии бетона обычно нельзя управлять пространственной ориентацией зерен заполнителя и они располагаются случайно.

     Кристаллы в принципе анизотропны, что проявляется  в неравномерности температурных  деформаций и в других нежелательных  эффектах. Однако если кристаллы мелки  по сравнению с размерами зерен  заполнителя и располагаются  в материале беспорядочно, как  чаще всего и бывает, то зерна  заполнителя практически можно  считать изотропными. Поэтому из кристаллических каменных пород  для заполнителей предпочтительны  мелкозернистые.

     Пористые  материалы также могут быть изотропными и анизотропными. В данном случае анизотропность может быть связана с направленностью пор. Примером явно анизотропного пористого материала может служить древесина. Структура ее волокнистая; свойства материала вдоль волокон и поперек отличаются.

     Рассмотрим  две принципиально различающиеся  структуры изотропных материалов: ячеистую и зернистую.

     Ячеистая  структура характеризуется тем, что в сплошной среде твердого материала поры распределены по всему объему в виде отдельных замкнутых (или условно-замкнутых) ячеек, зернистая структура — совокупность склеенных между собой зерен твердого материала 

     Пористость  в данном случае непрерывна и аналогична пустотности сыпучего материала. Крупность  зерен такого материала, так же как  и размеры пор в ячеистом материале, может быть различной, но при этом всегда проявляются характерные  для той или иной структуры  особенности. Например, водопоглощение материалов зернистой структуры, как  правило, больше. Ячеистые материалы  менее проницаемы и более прочны.

     Примерами заполнителей с ячеистой структурой могут  служить природная  пемза или искусственные  пористые заполнители, получаемые вспучиванием исходного сырья. К заполнителям с  зернистой структурой можно отнести  щебень из пористого  известняка, ракушечника, туфов, кирпичный  щебень и т. д.

     На  практике материалы с той или  иной структурой в чистом виде встречаются  редко: межпоровый материал при ячеистой макроструктуре может быть пронизан капиллярами или быть зернистым  в микроструктуре; в зернистом  материале могут быть элементы ячеистой структуры, если, например, в период формования материала отдельные  зерна сблизились и поры между  ними замкнулись. 

     Прочность заполнителя.

     Прочность исходной породы определяют в том случае, когда заполнитель получают дроблением горных пород. Для этого с помощью бурильного или камнерезного станка изготовляют образцы в виде цилиндра диаметром и высотой 40 ... 50 мм или куба с таким же размером ребра, испытывают их на сжатие на гидравлическом прессе в насыщенном водой состоянии и определяют предел прочности (МПа)

     Однако  далеко не всегда такое испытание  возможно. В ряде случаев исходная горная порода (или полуфабрикат в  производстве искусственных заполнителей) бывает ослаблена крупными порами или  трещинами. Щебень, полученный дроблением такой породы, может быть достаточно прочным, особенно мелкие его фракции, зерна которых в процессе дробления  избавляются от ослабляющих дефектов, свойственных породе в макрообъеме. При испытании же сравнительно крупных  стандартных образцов могут быть получены заниженные прочностные показатели, не отражающие действительного качества щебня. По данным Р. Л. Маиляна, прочность  щебня из карбонатных горных пород  может превышать прочность стандартных  образцов из этих пород в несколько  раз.