Нерудные зернистые материалы

Заполнители – природные или искусственные материалы определенного зернового состава, которые в рационально составленной смеси с раствором вяжущего образуют бетон.

Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема и, следовательно, позволяют резко сократить расход цемента или других вяжущих, являющихся наиболее дорогой и дефицитной составной частью бетона.

Цементный камень при твердении претерпевает усадочные деформации. Усадка его достигает 2 мм/м. Из-за неравномерности усадочных деформаций возникают внутренние напряжения и трещины, которые снижают прочность и долговечность цементного камня. Заполнитель создает в бетоне жесткий скелет, воспринимает усадочные напряжения и уменьшает усадку примерно в 10 раз по сравнению с усадкой цементного камня.

Жесткий каркас из высокопрочного заполнителя увеличивает прочность и модуль упругости бетона (т.е. уменьшает деформации конструкций под нагрузкой).

Легкие пористые заполнители уменьшают среднюю плотность бетона и его теплопроводность и, следовательно, делают возможным применение бетона для ограждающих конструкций.

Специальные особо тяжелые заполнители делают бетон надежной защитой от радиоактивного воздействия.

По величине зерен заполнители подразделяют на мелкие и крупные.

В качестве мелкого заполнителя для приготовления тяжелого бетона и раствора применяют песок, который представляет собой рыхлую смесь зерен крупностью 0,14…5,0 мм, образовавшуюся в результате естественного разрушения твердых горных пород. Природные пески в зависимости от условий залегания могут быть речные, морские и горные (овражные). Речные и морские пески имеют округлую форму зерен, горные пески содержат остроугольные зерна, что обеспечивает их лучшее сцепление с бетоном. Однако горные пески обычно больше загрязнены вредными примесями, чем речные и морские. Искусственные тяжелые пески получают дроблением твердых и плотных горных пород. Форма зерен дробленых песков остроугольная, а поверхность шероховатая. Дробленые пески имеют высокую стоимость и поэтому их применяют для обогащения мелкого природного песка, используемого в производстве высокопрочных бетонов.

Для приготовления тяжелого бетона в качестве крупного заполнителя применяют щебень и гравий.

Щебень – рыхлый материал, получаемый путем дробления крупных кусков различных твердых горных пород. Смеси зерен щебня различных размеров подвергают рассеву на отдельные фракции. Отсеянные частицы размером не менее 3 мм используют в качестве песка. Зерна щебня имеют остроугольную форму, поверхность их шероховатая, поэтому они хорошо сцепляются с цементно-песчаным раствором.

Гравий – рыхлый материал, образовавшийся в результате естественного разрушения (выветривания) твердых горных пород и состоящий из зерен округлой формы. Гравий может быть горным (овражным), речным и морским. Горный гравий имеет шероховатые поверхности и содержит обычно примеси песка, глины и органических веществ. Речной и морской гравий чище горного, но зерна его имеют гладкую поверхность, что ухудшает сцепление с цементно-песчаным раствором.

Для оценки качества крупного заполнителя, предназначенного для изготовления тяжелого бетона, в лаборатории его подвергают испытанию, определяя истинную, среднюю и насыпную плотность, пустотность, влажность, водопоглощение, содержание пылевидных, илистых и глинистых частиц и органических примесей, зерновой состав, содержание пластинчатых и игловатых зерен, дробимость при сжатии в цилиндре; кроме того, при технической необходимости и наличии в лаборатории соответствующего оборудования определяют прочность исходной горной породы, ее истираемость, сопротивление удару и морозостойкость.

Истинную плотность для песка определяютв пикнометре емкостью 100 мл с риской на шейке. От средней пробы песка берут навеску 30…40 г и просеивают через сито с круглыми отверстиями диаметром 5 мм. Прошедший через сито песок переносят в бюкс или фарфоровую чашку и высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы при температуре (110 ± 5) °С. Затем бюкс с песком охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе над концентрированной серной кислотой или над безводным хлористым кальцием. Из высушенного песка отвешивают две навески по 10 г каждая, всыпают их в два чистых высушенных и предварительно взвешенных пикнометра, после чего каждый пикнометр с песком взвешивают. Затем оба пикнометра с навесками заливают на 2/3 их объема дистиллированной водой, перемешивают содержимое и ставят каждый пикнометр в наклонном положении на песчаную водяную или вакуумную баню. Содержимое пикнометра кипятят в течение 15–20 мин для удаления пузырьков воздуха. После этого его обтирают, охлаждают до температуры помещения, доливают до метки дистиллированной водой и взвешивают. Затем пикнометр освобождают от содержимого, промывают, наполняют до метки дистиллированной водой и снова взвешивают.

Истинную плотность вычисляют с точностью до 0,01 г/см³:

,

где m – масса пикнометра с песком, г; m₁ то же пустого, г; m₂ – то же с дистиллированной водой, г; m₃ – то же с песком и дистиллированной водой после удаления пузырьков воздуха, г; r_в – плотность воды, равная 1 г/см³.

Опыт считают законченным, если расхождение между двумя результатами не превысит 0,02 г/см³. При больших расхождениях истинную плотность песка определяют вторично. За окончательный результат принимают среднее арифметическое значение плотности обеих навесок.

Для определения истинной плотности щебня (гравия)отбирают среднюю пробу, масса которой должна составлять при наибольшей крупности зерен 10 мм – 0,5 кг; 20 мм – 1 кг; 40 мм – 2,5 кг и 70 мм – 5 кг. Зерна отобранной пробы очищают щеткой от грязи и пыли, затем дробят до зерен размером 5 мм и сокращают квартованием до 150 г, подвергая повторному измельчению до зерен размером 1,25 мм. Эту пробу сокращают до массы 30 г, растирают в чугунной или фарфоровой ступке, насыпают в бюкс и высушивают в сушильном шкафу при температуре (110 ± 5) ^оС до постоянной массы, после чего охлаждают в эксикаторе над концентрированной серной кислотой или безводным хлористым кальцием. В эксикаторе пробу хранят до момента испытания.

Испытанию подвергают две навески по 10 г каждая, отвешенные на аналитических весах. Каждую навеску высыпают в чистый высушенный пикнометр и наливают в него дистиллированную воду. Испытание ведут согласно методике, изложенной выше. Истинную плотность зерен щебня (гравия) вычисляют как среднее арифметическое из двух определений.

Насыпная плотность

Насыпную плотность песка необходимо знать для расчета состава бетона, определения пустотности заполнителя, а также для расчетов, связанных с перевозкой, проектированием складов заполнителей и т.д.

Для определения насыпной плотности песка в сухом состоянии среднюю пробу песка массой около 5 кг высушивают в сушильном шкафу при температуре (110 ± 5) °С до постоянной массы и просеивают через сито с круглыми отверстиями диаметром 5 мм. Затем охлажденный песок всыпают металлическим совком с высоты 10 см в предварительно взвешенный мерный цилиндр вместимостью 1 л. Когда цилиндр заполнится песком, с некоторым избытком в виде конуса, избыток осторожно без толчков и встряхиваний удаляют деревянной или металлической линейкой. После этого цилиндр с песком взвешивают и вычисляют насыпную плотность:

,

где m₁ – масса мерного цилиндра с песком, кг; m₂ – то же без песка, кг; V – объем цилиндра, м³.

Опыт повторяют два раза, при этом каждый раз берут новую порцию песка. За окончательный результат принимают их среднее арифметическое.

Насыпную плотность крупного заполнителя определяют с помощью мерного цилиндра, объем которого зависит от крупности щебня (гравия). Например, при наибольшей крупности щебня (гравия) 10 мм объем мерного цилиндра должен быть 5 л, при крупности 20 мм – 10 л, 40 мм – 20 л и свыше 40 мм – 50 л. Предназначенный для испытания щебень (гравий) в необходимом количестве высушивают до постоянной массы и охлаждают.

Насыпную плотность щебня (гравия) определяют два раза (при этом каждый раз берут новую порцию) и вычисляют их среднее арифметическое.

Насыпную плотность заполнителя в состоянии естественной влажности определяют так же, как и сухого песка, только среднюю пробу предварительно не высушивают.

Пустотность

Пустотностьопределяют по предварительно найденным значениям плотности и вычисляют % по объему, с точностью до 0,1 %:

, (3.1)

где r_н – насыпная плотность песка в сухом состоянии, кг/м³;
r_m – средняя плотность, кг/м³.

Для кварцевого песка в формуле 3.1 взамен средней плотности используется истинная плотность.

Влажность

Для определения влажности песка от его средней пробы берут две навески массой по 500 г, взвешивают с точностью до 1 г и помещают каждую в отдельный плоский сосуд (противень), затем высушивают в сушильном шкафу при температуре (110 ± 5) °С до постоянной массы. В процессе высушивания песок рекомендуется через каждые 30 минут перемешивать металлическим совком. После достижения постоянной массы песок охлаждают и взвешивают. Влажность (% по массе)

где m₁ – масса пробы влажного заполнителя, кг; m₂ – то же сухого песка, кг.

Влажность вычисляют как среднее арифметическое двух проб.

Для определения влажности щебня (гравия) берут пробу испытуемого заполнителя в определенном количестве в зависимости от его наибольшей крупности. Например, при наибольшей крупности заполнителя до 10, 20, 40 и 70 мм навеска должна составлять соответственно 0,5; 1; 2,5 и 5 кг.

Содержание пылевидных примесей

Пылевидные, илистые и глинистые частицы – вредные примеси; они обволакивают зерна заполнителя и препятствуют сцеплению их с цементным камнем. Кроме того, эти примеси повышают водопотребность бетонной смеси и приводят к снижению прочности и морозостойкости бетона.

Суммарное содержание пылевидных, глинистых и илистых частиц (примесей) определяют методом отмучивания, сущность которого состоит в том, что указанные частицы (размером менее 0,05 мм), будучи взмучены вместе с песком в воде, осаждаются значительно медленнее зерен песка и благодаря этому легко отделяются от него.

Данное испытание выполняют следующим образом. Из пробы песка, высушенного до постоянной массы и просеянного сквозь сито с отверстиями диаметром 5 мм, отвешивают 1000 г, высыпают в сосуд для отмучивания и заливают водой с таким расчетом, чтобы высота слоя над песком была около 200 мм. Песок выдерживают в воде около 2 ч, периодически помешивая его стеклянной палочкой. По истечении 2 ч содержимое энергично перемешивают и оставляют на 2 мин в покое, затем сливают мутную воду через два нижних сливных отверстия, оставляя над песком слой воды 30 мм. После этого доливают чистую воду до первоначального уровня, содержимое сосуда энергично перемешивают, оставляя в покое на 2 мин, и вновь сливают воду, как описывалось ранее. Песок промывают до тех пор, пока сливаемая вода не станет прозрачной.

Промытую пробу песка высушивают до постоянной массы и вычисляют суммарное содержание в нем пылевидных, глинистых и илистых частиц с точностью до 0,1 %:

(3.2)

где m₁ – масса навески песка до отмучивания, кг; m₂ – то же после отмучивания, кг.

Испытания проводят дважды и за окончательный результат принимают их среднее арифметическое.

Для определения пылевидных примесей в щебне (гравии) пробу заполнителя высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы. От сухой пробы берут навеску 5 кг при наибольшей крупности зерен щебня (гравия) 40 мм и 10 кг при наибольшей крупности 70 мм. Отобранную пробу щебня (гравия) помещают в сосуд для отмучивания, который имеет несколько большие размеры, чем сосуд для отмучивания песка. Высота сосуда 350 мм, внутренний диаметр 230 мм. Пробу заливают водой до верхнего сливного отверстия несколько выше уровня пробы и оставляют в таком состоянии до полного размокания глинистой пленки на зернах щебня (гравия) или комков глины, если они имеются в пробе. Затем в сосуд с щебнем (гравием) доливают воду в таком количестве, чтобы высота слоя над пробой была не менее 200 мм, энергично перемешивают содержимое сосуда деревянной мешалкой и оставляют в покое на 2 мин. После этого через два нижних отверстия сосуда сливают полученную при промывании щебня (гравия) суспензию с таким расчетом, чтобы над пробой оставался слой суспензии не менее 30 мм. Затем щебень (гравий) вновь заливают водой и испытание повторяют до тех пор, пока после промывки вода не будет прозрачной. Закончив промывку, пробу высушивают до постоянной массы.

Содержание в щебне (гравии) отмучиваемых пылевидных, илистых и глинистых частиц вычисляют с точностью до 0,1 % по формуле (3.2) как среднее арифметическое двух определений.

В щебне из изверженных и метаморфических горных пород, предназначаемом для бетонов, содержание пылевидных, илистых и глинистых частиц, определяемых отмучиванием, не должно превышать 1 %, а в щебне из осадочных горных пород марок до 400 и от 400 до 1200 содержание этих частиц не должно превышать соответственно 3 и 2 %.

Содержание органических примесей

Органические примеси (гумусовые и др.), содержащиеся в песке, оказывают отрицательное воздействие на качество бетона, т.к. выделяют органические кислоты, которые разрушают цементный камень и тем самым снижают прочность бетона.

Степень загрязнения песка органическими примесями определяют методом окрашивания (колориметрическая проба). Для испытания берут навеску песка в состоянии естественной влажности массой 250 г. Песок насыпают при легком постукивании в стеклянный мерный цилиндр вместимостью 250 мл до отметки 130 мл и заливают 3 %-ным раствором едкого натра (NaOH) до отметки 200 мл. После энергичного взбалтывания содержимое цилиндра оставляют в покое на 24 ч и по истечении этого срока сравнивают цвет раствора над песком с цветом эталона. Эталон приготовляют следующим образом: составляют 2 %-ный раствор танина в 1%- ом растворе этилового спирта, полученный раствор берут в количестве 5 мл на 195 мл 3 %-ного раствора едкого натра. Полученную смесь наливают в мерный цилиндр вместимостью 250 мл, взбалтывают и оставляют в покое на 24 ч. Эталон в свежеприготовленном виде имеет цвет крепкого чая.

Жидкость над песком может быть не окрашена или цвет ее не темнее эталона. Такой песок будет пригоден для приготовления бетона. В том случае, когда окраска жидкости оказалась незначительно темнее эталона, содержимое мерного цилиндра подогревают в течение 2…3 ч на водяной бане при температуре 60…70 °С и вновь сравнивают цвет жидкости с эталоном. Если же цвет жидкости останется светлее эталона, значит, количество органических веществ не превышает допустимого значения. При цвете жидкости над песком темнее цвета эталона необходимо выполнить специальное исследование с целью установления пригодности песка для приготовления бетона.

При испытании крупного заполнителя используют фракции гравия с наибольшей крупностью зерен 20 мм. Для испытания берут среднюю пробу этой фракции в воздушно-сухом состоянии массой 1 кг и просеивают сквозь сито с диаметром отверстий 20 мм. Прошедшим сквозь сито гравием наполняют мерный цилиндр вместимостью 500 мл до уровня 130 мл, после чего заливают в цилиндр 3 %-ный раствор едкого натра до деления 200 мл. В остальном методика определения та же, что и при испытании песка. Цвет раствора едкого натра при обработке гравия не должен быть темнее эталона.

Зерновой состав

Зерновой (гранулометрический) состав заполнителя имеет большое значение для получения тяжелого бетона заданной марки при минимальном расходе цемента. В бетоне песок служит для заполнения пустот между зернами крупного заполнителя. В то же время все пустоты между зернами песка должны быть заполнены цементным тестом. Кроме того, этим же тестом должны быть покрыты и поверхности всех частиц. С целью уменьшения расхода цементного теста следует применять пески с малой пустотностью и наименьшей суммарной поверхностью частиц. Крупный песок имеет небольшую поверхность зерен, но значительную пустотность. Мелкий же, наоборот, обладает меньшей пустотностью, но очень большой суммарной поверхностью зерен. Поэтому лучшими являются крупные пески, содержащие оптимальное количество средних и мелких частиц. Применение таких песков обеспечивает получение бетона плотной структуры при наименьшем расходе цемента.

Зерновой состав песка характеризуется процентным содержанием в нем зерен различного размера. Для определения зернового состава песка применяют ситовый анализ. Среднюю пробу песка массой 2 кг высушивают, просеивают сквозь сита с округлыми отверстиями диаметром 10 и 5 мм. Полученные на ситах остатки взвешивают и определяют с точностью до 0,1 % содержание в песке зерен крупностью 5…10 мм (Гр₅) и выше 10 мм (Гр₁₀):

; ,

где m – масса пробы г; m₅ и m₁₀ – остатки на ситах с круглыми отверстиями, равными соответственно 5 и 10 мм, г.

Из пробы песка, прошедшего через сито с отверстиями диаметром 5 мм, отбирают навеску 1000 г и просеивают ее ручным или механическим способом через комплект сит, последовательно расположенных по мере уменьшения размеров отверстий в них (сначала идут сита с круглыми отверстиями диаметром 2,5 мм, ниже – сита с сетками, имеющими квадратные отверстия размером 1,25; 0,63; 0,315 и 0,14 мм). Просеивание считается законченным, если через сита на чистый лист бумаги за 1 мин проходит не более 0,1 % зерен песка от общей массы просеиваемой навески.

Остатки песка на каждом сите взвешивают и вычисляют частные остатки на каждом сите с точностью до 0,1 %:

,

где a_i – частный остаток на сите, %; m_i – масса остатка на данном сите, г; m – масса просеиваемой навески, равная 1000 г.

Затем с точностью до 0,1 % определяют полный остаток как сумму частных остатков на всех ситах с большим размером отверстий плюс остаток на данном сите:

A_i = a_2,5 +…+ a_i,

где a_2,5, …., a_i – частные остатки на ситах с большим размером отверстий, начиная с сита, имеющего размер отверстий 2,5 мм, %;
a_i – частный остаток на данном сите, %.

Для оценки зернового состава песка и его пригодности для приготовления бетона результаты просеивания (по полным остаткам) наносят на график (рис. 3.1). По оси абсцисс в определенном масштабе откладывают размеры отверстий на ситах: 0,14; 0,315; 0,63; 1,25; 2,5 и 5, мм, а по оси ординат – значения полных остатков на соответствующих ситах, %. Полученные точки соединяют ломаной линией. Если кривая, характеризующая зерновой состав испытуемого песка, располагается в заштрихованной части графика, то такой песок признают годным для приготовления бетона. Если кривая располагается выше заштрихованной части, то песок считается мелким, а если ниже – крупным. Кроме того, в песке для бетонов и растворов не допускается наличие зерен размером более 10 мм; зерен размером от 5 до 10 мм не должно быть более 5 % по массе; количество мелких частиц, прошедших через сито № 0,14, не должно превышать 10 %.

Размеры отверстий сит, мм

Рис. 3.1. График зернового состава песка

Зерновой состав песка характеризуется также модулем крупности, который вычисляют с точностью до 0,1 %:

М_к = (А_2,5 + А_1,25 + А_0,63 + А_0,315 + А_0,14) / 100,

где А_2,5, А_1,25, А_0,63, А_0,315, А_0,14 – полные остатки на ситах, %.

Пески для строительных работ (ГОСТ 8735–88) в зависимости от зернового состава подразделяют на следующие группы: крупные, средние, мелкие и очень мелкие. Для каждой группы песков значения М_к и полный остаток на сите с сеткой № 0,63 должны соответствовать значениям, приведенным в табл. 3.1.

Таблица. 3.1

Классификация песков по зерновому составу

Группа песка	Мк	Полный остаток на сите № 0,63, % по массе
Крупный Средний Мелкий Очень мелкий	Свыше 2,5 2,0…2,5 1,5…2,0 1,0…1,5	Свыше 45 30…45 10…30 До 10

При определении зернового состава фракционированных песков результаты испытания записывают только в табличной форме. Модуль крупности в этом случае не вычисляют.

После рассева пробы на наборе стандартных сит рассчитывают частные и полные остатки на них в процентах, а также вычисляют модуль крупности песка. Результаты заносят в таблицу (форма табл. 3,2) и строят график зернового состава песка.

Форма таблицы 3.2

Гранулометрический состав песка

Остатки	Размер отверстий сит, мм
	2,5	1,25	0,63	0,315	0,14	поддон
Частные остатки, г
Частные остатки, %
Полные остатки, %

Зерновой состав щебня или гравия в значительной мере влияет на качество приготовленного на нем бетона. При выборе зернового состава крупного заполнителя для бетона необходимо исходить из основного требования: получить наименьший объем пустот в крупном заполнителе, а следовательно, наименьший расход цемента в бетоне заданной марки.

В зависимости от размера зерен щебень (гравий) подразделяют на следующие фракции: 5…10; 10…20; 20…40 и 40…70 мм. В каждой фракции гравия или щебня должны быть зерна всех размеров от наибольшего до наименьшего для данной фракции. Зерновой состав загрязненного фракционированного щебня (гравия) определяют просеиванием с одновременной промывкой водой пробы заполнителя по методике ГОСТ 8267–82. В условиях учебной лаборатории при испытании щебня (гравия), зерна которого не имеют примесей глины и их поверхности не загрязнены ею, зерновой состав рекомендуется определять без одновременного промывания водой по приведенной ниже методике. В данном случае крупный заполнитель высушивают до постоянной массы и берут для испытания пробу в количестве 5, 10, 20, 30 и 50 кг при наибольшей крупности его соответственно 10, 20, 40, 70 и свыше 70 мм. Щебень (гравий) просеивают через набор сит, собранных в колонку, и определяют частные и полные остатки на каждом сите в процентах от массы рассеиваемой пробы.

Далее вычисляют остатки на каждом сите, % к суммарной массе просеянной пробы:

,

где m_i – масса остатка на данном сите, кг; Sm – сумма частных остатков на всех ситах, кг.

По известным значениям частных остатков рассчитывают полные остатки, %, на каждом сите:

А_i = a₇₀ +…+ a_i,

где а₇₀+…+a_i – частные остатки на всех ситах с большими размерами отверстий плюс остаток на данном сите, %.

Затем устанавливают наибольшую D_наиб и наименьшую D_наим крупность зерен щебня (гравия). За наибольшую крупность зерен принимают размер отверстия того верхнего сита, на котором полный остаток не превышает 5 %, а за наименьшую крупность – размер отверстия нижнего сита, полный остаток на котором составляет не менее 95 %. Кроме того, вычисляют значения 0,5(D_наим+D_наиб) и 1,25D_наиб. Зерновой состав каждой фракции или смеси фракции должен находиться в пределах, указанных в табл. 3.3.

Таблица 3.3

Зерновой состав щебня (гравия)

Размер контрольных сит	Dнаим для фракций с наименьшим размером зерен, мм	0,5(Dнаим+Dнаиб)	Dнаиб	1,25Dнаиб
5(3)	10 и более	Одной фракции	Смеси фракции
Полный остаток на ситах	95…100	90…100	40…80	50…70	0…10

Качество зернового состава щебня (гравия) оценивают значением полных остатков в процентах на ситах с контрольными отверстиями D_наим, 0,5(D_наиб + D_наим), D_наиб и 1,25D_наиб. Откладывая на графике (рис. 3.2) по оси ординат эти значения, получают четыре точки, которые соединяют ломаной линией. Щебень (гравий ) признают пригодным по зерновому составу для приготовления бетона, если кривая его зернового состава располагается в заштрихованной части графика.

Размеры отверстий сит

Dнаим 0,5(Dнаим+Dнаим) Dнаиб 1,25 Dнаиб

Область крупного щебня (гравия)

Область мелкого щебня (гравия)

Рис. 3.2. График зернового состава щебня (гравия)

Щебень и гравий не должны иметь на зернах примесей глины и пыли. При этом условии можно отказаться от промывания заполнителя водой. Пробу щебня (гравия) с наибольшей крупностью зерен 40 и 70 мм, высушенную до постоянной массы, просеивают на наборе стандартных сит, после чего рассчитывают частные и полные остатки на ситах в процентах. Затем наносят на график полные остатки на ситах с размерами отверстий D_наим0,5(D_наим + D_наиб), D_наиб и 1,25D_наиб, соединяют полученные точки и оценивают пригодность щебня (гравия) для приготовления бетона.