ТЕМА 3. Дослідження властивостей крупних і дрібних заповнювачів для бетонів польовими і неруйнівними методами

Актуальність теми.

На сьогодні важкі і спеціальні бетони розглядаються як композиційні матеріали стохастичного характеру, що виготовляються із місцевих компонентів. При цьому в 1 м³ бетону розміщується біля 80-85% крупних і дрібних заповнювачів.

Для досягнення проектної марки бетону до його складу вводять щебінь з міцністю при стиску в стальному циліндрі, що перевищує марку в 2-3 рази. Крупні і дрібні заповнювачі бетонів формують разом із цементом структуру бетону, яка попереджає їх усадку в процесі твердіння. При цьому головним показником структури бетону та його якості є загальна пористість бетону після затвердіння, що суттєво залежить від водоцементного відношення. Раціональний підбір зернового складу дрібних заповнювачів дозволяє не тільки зменшити пористість бетону, але й зменшити 10-15 % витрат цементу на 1 м³ бетонної суміші.

Оптимальне проектування зернового складу щебеню чи гравію для бетонів дозволяє додатково економити ще 15-20% портландцементу.

Таким чином, вивчення властивостей природних і штучних заповнювачів для бетонів є актуальною науковою і виробничою проблемою.

Дослід 1.

Визначення модуля крупності піску в польових умовах.

Методика: при оцінці якості піску в польових умовах можна використати метод визначення зерен піску, що припадають на 1 см³. Для цього використовують фотографічний чорний папір, на який розсипають пісок і лупу 2.5 кратного збільшення. Якщо 1 см² розміщується 10…15 зерен, то модуль крупності піску 3…3,5. Якщо на 1 см² припадає 20…40 зерен то модуль крупності 2,8…2,3. Якщо кількість зерен перевищує 50…60 на 1 см², модуль крупності ще менший. Розміщення зерен на папері повинно бути щільним. Підрахунок ведуть із декількох місць, розсипаного на папері піску.

Рис. 2.1. Визначення модуля крупності піску

Результат: = 110 шт. М_кр <2.3

Висновок: згідно польової методики в 1 см² чорної площини виявлено біля 110 штук зерен кварцового піску. Отже, орієнтовний модуль крупності даного природного піску становить М_кр < 2.3, тобто він є дрібним чи дуже дрібним і придатний для виготовлення штукатурних сумішей.

Дослід 2.

Контроль модуля крупності піску ситовим аналізом.

Методика: відбираємо наважку сухого піску масою не менше 2000 г і просіваємо її крізь колонку стандартних піщаних сит із наступними діаметрами отворів зверху-донизу: 5, 2.5, 1.25, 0.65, 0.315, 0.16 і менше 0.16 – піддон. Рис 3.2

Рис. 3.2. Схема ситового аналізу кварцового піску

Шляхом зважування визначаємо часткові залишки на конкретному ситі у грамах, а потім у % за формулою 3.1.

(3.1)

Повні залишки на кожному ситі А_і і у % розраховуємо за залежностями 3.2.

(3.2)

Результати ситового аналізу природного кварцвого піску заносимо в таблицю 3.1.

Таблиця 3.1

Зерновий склад піску

Фракції	, г	, г	, г
>5			1,5
5-2.5W		9,9	11,4
2.5-1.25		9,1	20,5
1.25-0.63		10,6	31,1
0.63-0.315		53,1	84,2
0.315-0.16W		12,6	96,8
<0.16		3,0
Сума			–

На підставі таблиці 3.1 розраховуємо модуль крупності просіяного природного кварцового піску:

М_кр=А_2.5+А_1.25+А_0.63+А_0.16/100 (3.3)

Тоді:

М_кр= А_2.5+А_1.25+А_0.63+А_0.16/100=11.4+20.5+31.1+84.1+97.0/100=2.44

За модулем крупності природні і техногенні піски поділяються на 5 груп:

1. М_кр=1.0-1.5 – дуже дрібні піски;

2. М_кр=1.5-2.0 – дрібні піски;

3. М_кр=2.0-2.5 – середні піски;

4. М_кр=2.5-3.0 – крупні піски;

5. М_кр=3.0-3.25 – дуже крупні піски.

На підставі таблиці 3.1 будуємо графік зернового складу природного кварцового піску – рис.3.3

Рис. 3.3. Графік зернового складу кварцового піску

1- Експериментальний зерновий склад просіяного кварцового піску

2- Нижня границя придатності пісків для важкого бетону

3- Верхня межа придатності пісків для важкого бетону

4- Некондиційний природний дуже дрібний кварцовий пісок

5- Оптимізований зерновий склад некондиційного піску 4 крупним піском 3.

Висновок:

1. Згідно рис.3.3 досліджений пісок в область придатності пісків для важкого бетону, тому цей природний пісок придатний для бетонів без покращення його властивостей інженерними способами.

2. Просіяний кварцовий пісок має модуль крупності М_кр = 2.44, отже він є середнім за крупністю і придатний для виробництва бетонів марки М500 і вище.

3. Згідно таблиці 3.1 досліджений пісок містить в собі більше 3% за масою пилуватих і глинистих частинок. Більше 3% при нормі для бетонів загального будівельного призначення £ 3% . Отже, даний пісок необхідно промити від глини в гідравлічних апаратах для бетонів високо відповідальних конструкцій.

Дослід 3.

Дослідження придатності природних пісків в польових умовах.

Методика: пористість піску має досить важливе значення при визначенні складу бетону і розчинів. Із збільшенням порожнистості, збільшується витрата в’яжучих. Об’єм порожнин піску із зерен майже однакової крупності становить 40…42%. При оптимальному сполученні крупних, середніх і дрібних зерен піску об’єм його порожнин зменшується до 30…35%. У піску задовільної якості об’єм порожнин не повинен перевищувати 40%, а доброго 37…38%. Приблизну порожність піску можна визначити за допомогою однакових циліндричних стаканів. В перший засипають сухий пісок, ущільнюють його легкими постукуваннями стакана об стіл і згладжують ножем або лінійкою врівень з кромками склянки. З другої склянки, до країв наповненої водою, обережно переливають воду в першу до тих пір, поки вона повністю заповнить порожнини в піску. Після цього заміряють висоту стовпа води, яка залишилася в другій склянці. Різниця води склянки взята відносно повної висоти склянки становитиме приблизну порожність в %:

(3.4)

Рис. 3.4. Визначення порожнистості піску за допомогою двох склянок:

а) склянка з піском; б) склянка з водою.

Результат:

Висновок: пустотність досліджуваного природного кварцового піску, що визначена за польовою методикою виявилася біля 21% при оптимальній нормі 30-35%. Отже, зерновий склад даного піску не входить в область придатності піску для важкого бетону і потребує збагачення крупним піском.

Дослід 4.

Дослідження природних пісків в польових умовах на наявність в них зерен діаметром менше 0.16 мм

Методика: при відсутності обладнання для зважування, забрудненість піску глинистими, мулистими і пилуватими частинками, можна підрахувати таким методом: беруть мірний циліндр з наклеєною на ній смужкою міліметрового паперу, заповнюють до половини його висоти піском і заливають водою на три четвертих висоти посудини. Після цього циліндр на протязі 5…6 с замічають по мірних рисках або по міліметровому папері рівень піску, який осів на дно (рис.3.5). Через 1,5…2 год знову замічають рівень піску, що осів, але разом з домішками. Різниця висот заміряних рівнів, відносно до загальної висоти, виражена у % становитиме процент забрудненості піску:

(3.5)

де З_п – забрудненість піску, %; h₁ – висота рівня піску, мм; h₂ – висота рівня піску і домішок, мм.

Рис 3.5. Схема визначення забрудненості піску пиловидними:

1-шар мулу; 2 – шар піску.

Результат:

Висновок: у дослідженому природному кварцовому піску виявилось біля 7.7 % частинок діаметром менше 0.16 мм. Отже далі дрібний пісок раціонально використати у природному стані для штукатурних розчинів без промивання чистою водою.

Дослід 5.

Оптимізація (покращення) технічних параметрів природних і техногенних пісків для бетонів інженерними способами.

Методика: для різних видів будівельних робіт використовують в основному наступні види природних і техногенних пісків:

1) Пісок кварцовий природний із вмістом SiO₂ > 90% та міцністю при стиску в стальному циліндрі 100 МПа і більше.

2) Піски природні польово-шпатні із міцністю при стиску 60 МПа і більше.

3) Піски вапнякові природні з міцністю при стиску 40 МПа і більше.

4) Піски техногенні із відходів подрібнення гірських порід на щебінь (гранітні, базальтові, діоритові, сієнітові, кварцитові та ін.).

Для оптимізації пісків для бетонів і розчинів застосовують в основному

наступні інженерні способи:

1. Промивання природних пісків чистою водою від глини в гідравлічних апаратах із одночасним підвищенням модуля крупності піску.

2. Змішування дрібних пісків із крупними пісками способом “пирога” в межах кар'єру – рис.2.3.

3. Змішування дрібних природніх пісків із крупними техногенними пісками в різних пропорціях за масою.

4. Розділення некондиційних природних пісків по граничним зернам на необхідні зернові склади для різних видів будівельних робіт на фабриках піску.

Дослід 6.

Дослідження крупних заповнювачів бетону – щебеню чи гравію на наявність у них лещатних зерен (голок і пластинок)

Методика: відбираємо наважку сухого щебеню масою 1-2 кг і розстеляємо її на площині. Візуально відбираємо з наважки зерна пластинки, а зерна голки при допомозі лінійки, довжина яких в 3 рази більша за товщину і зважуємо їх разом. Забрудненість щебеню чи гравію слабкими зернами розраховуємо за формулою (3.6):

(3.6)

За вмістом лещатних зерен крупні заповнювачі бетонів поділяють на 3 сорти:

1. до 15% за масою – для високовідповідальних споруд;

2. 15-25% за масою – для бетонів загально будівельного призначення;

3. 25-35% за масою – для менш відповідальних будівель.

Якість крупних заповнювачів бетонів суттєво залежить від форми зерен, за якою їх поділяють на 5 видів:

1. округла форма зерна – найкраща, бо такі зерна рівномірно розподіляють стискаючі навантаження по площі бетону (гравій, галечник, литий шлаковий гравій);

2. кубовидна форма зерна – дозволяє знизити пустотність трьох фракцій щебеню до 26-30 % при нормі 40%;

3. призмовидна форма зерна;

4. пірамідальна форма зерна;

5. лещатна форма зерна – слабкі зерна.

Результат:

Висновок: в досліджуваному базальтовому щебені виявлено біля 50% за масою голок і пластинок, тому він за якістю нижчий IІІ-го сорту. Отже, для покращення якості даного гравію і доведення його до першого сорту, необхідно додати до нього 35% кубовитих гранітних зерен.

Дослід 7.

Оптимізація (покращення) зернових складів природних і штучний крупних заповнювачів для бетонів.

Методика: відбираємо масу сухого щебеню не менше 5 кг і просіваємо його крізь колонку стандартних щебеневих сит із наступними діаметрами отворів: 80, 40, 20, 10, 5 і менше 5 (мм) – піддон.

Шляхом зважування визначаємо часткові залишки на ситах у грамах, а потім у % за залежністю 3.1. Повні залишки розраховуємо за формулами 2.2, а результати аналізу заносимо в таблицю 3.2. , а результати ситового аналізу заносимо в таблицю 3.2.

Таблиця 3.2

Зерновий склад щебеню

Фракції	, г	, г	, г
>80	–	–	–
80-40	–	–	–
40-20		19,9	19,9
20-15		43,0	62,9
15-10		9,8	72,7
10-5		26,7	99,4
<5		0,6
Сума			–

На підставі 3.2 будуємо графік зернового складу просіяного гравію рис 3.6.:

Рис.3.6. Графік зернового складу гранітного щебеню

1. Експериментальний зерновий склад природного гравію;

2. Нижня границя придатності крупних заповнювачів для важкого бетону;

3. Верхня границя придатності крупних заповнювачів для важкого бетону.

Висновок: згідно рис.3.7. просіяний гравій 1, не повністю вписується в область придатності крупних заповнювачів для важкого бетону. Отже, для покращення зернового складу даного гравію до нього потрібно додати біля 17% за масою фракцію 20-15 мм кубовидного гранітного щебеню.