Заполнители для бетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание:

1. Назначение заполнителей

2. Песок

3. Гравий

4. Щебень

5. Форма зёрен заполнителя и их взаимная усадка

6. Зерновой состав заполнителя

7. Структура заполнителя

8. Классификация заполнителей бетона

1. Назначение заполнителей

Основная активная часть бетона -- вяжущее, цемент. Именно вяжущее, реагируя с водой, способно схватываться и твердеть, переходя из пластичного тестообразного состояния в твердое и превращая бетонную смесь в бетон. Зачем же нужны заполнители? 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.

* Заполнитель создает в бетоне жесткий скелет, воспринимает усадочные напряжения и уменьшает усадку обычного бетона примерно в 10 раз по сравнению с усадкой цементного камня.

* Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя увеличивает прочность и модуль упругости бетона (т.е. уменьшает деформации конструкций под нагрузкой), уменьшает ползучесть (т.е. пластические необратимые деформации бетона при длительном действии нагрузки).

* Легкие пористые заполнители уменьшают плотность бетона и его теплопроводность, делают возможным применение такого бетона в ограждающих конструкциях, для теплоизоляции.

* Специальные особо тяжелые и гидратные заполнители делают бетон надежной защитой от проникающей радиации (на атомных электростанциях и т.п.).

2. Песок

Песок -- мелкий заполнитель, в бетонной смеси наиболее тесно связан с цементным тестом, составляя с последним растворную часть. Чем больше песка вводится в смесь, тем большей (при прочих равных условиях) оказывается вязкость растворной части (вязкость необходима для поддержания крупного заполнителя во взвешенном состоянии во избежание расслаивания бетонной смеси), тем меньшим будет расход цемента. Однако чрезмерное содержание песка приводит к снижению прочности бетона. Поэтому содержание песка должно быть оптимальным. Пески подразделяются на природные (которые могут быть также обогащенными и фракционированными) и дробленые (которые могут быть обогащенными, фракционированными, а также из отсевов, получаемых при дроблении каменных пород на щебень).

Зерновой состав. Зерновой, или гранулометрический, состав песка характеризуется содержанием в нем зерен различной крупности и определяется просеиванием средней пробы через сита. Набор стандартных сит для просеивания песка включает сита с отверстиями 10; 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16 мм.

Содержание примесей. В песке, как правило, имеются примеси, нежелательные в бетоне. Поэтому стандартами ограничивается их содержание. Наличие в песке пылевидных, глинистых и илистых примесей (частиц размером менее 0,05 мм) определяется обычно отмучиванием, состоящим в отмывке песка водой по определенной стандартной методике.

Содержание в песке аморфных разновидностей кремнезема, рудных минералов, слюды, а также сернокислых и сернистых соединений определяется петрографическим исследованием с разборкой зерен под микроскопом и использованием для распознавания минералов химических реактивов или иных методов.

3. Гравий

Гравием называют каменные обломки пород крупностью от 5 (иногда от 3) до 70 мм (иногда более). Преобладающими породами, из которых состоят зерна гравия, являются граниты, гнейсы, диабазы, известняки, песчаники. Наиболее окатанными обычно бывают зерна гравия в руслах рек и на побережьях морей (галька) -- до формы яйца или овального диска -- с гладкой поверхностью, с которой цементный камень в бетоне имеет плохое сцепление. Крупные фракции гравия используют для дробления на щебень. В ряде случаев гравий благодаря округлой форме зерен предпочтительнее щебня, например, если по условиям производства работ необходимо получить подвижную, наиболее удобоукладываемую бетонную смесь.

Гравий должен применяться в виде следующих фракций, раздельно дозируемых при приготовлении бетона: 5-10; 10-20; 20-40; 40-70 мм.

Допускается использование гравия фракций 3-10 мм, а для гидротехнического бетона также 40-80 и 80-120 мм. Кроме того, допускается поставка гравия в виде смеси двух фракций, например 5-20 мм.

Содержание в гравии отмучиваемых пылевидных, илистых и глинистых частиц не должно превышать 1%. Особенно опасна глина, обволакивающая зерна гравия, и в виде комков, которых не должно быть более 0,25%. Ограничения по содержанию органических примесей, определяемому колориметрической пробой, аналогичны установленным для песка.

Добыча и фракционирование. Гравий чаще всего добывают вместе с песком при разработке песчано-гравийных месторождений. Массовая доля гравия в песчано-гравийных смесях составляет в среднем 30-40%. При разработке месторождений добытая песчано-гравийная смесь подвергается сортировке с отделением песка и разделением гравия по крупности зерен на предусмотренные стандартом фракции. Для сортировки песчано-гравийной смеси используют грохоты, а процесс разделения сыпучей смеси по крупности зерен называют грохочением.

4. Щебень

Щебень получают дроблением каменных пород. Это наиболее качественный крупный заполнитель для высокоточных бетонов Он, как правило, дороже гравия, но, тем не менее, объем производства щебня в СССР превышает объем добычи гравия в несколько раз. Это объясняется отсутствием гравия во многих районах страны и использованием его для высокопрочных бетонов.

Технические требования. Технические требования к щебню, предъявляемые в стандартах в отношении его фракционирования и зернового состава поставляемых фракций или их смесей аналогичны требованиям к гравию. Щебень из изверженных горных пород, применяемый в качестве заполнителя для тяжелого бетона, должен иметь марку, соответствующую пределу прочности породы не ниже 80 МПа, из метаморфических пород -- не ниже 60 МПа, из осадочных -- не ниже 30 МПа. Содержание зерен слабых пород в щебне допускается не более 10% (по массе), а для бетона ряда ответственных конструкций -- не более 5%. Массовая доля отмучиваемых примесей в щебне из изверженных и метаморфических пород не должна превышать 1%, а в щебне из осадочных пород в ряде случаев (в зависимости от марки бетона и вида конструкций) -- 2(3)%.

сыпучий каменный заполнитель бетон

5. Форма зёрен заполнителя и их взаимная усадка

Насыпная плотность, пустотность и другие характеристики заполнителя в значительной степени определяются формой его зерен. Впервые это показал наш соотечественник Б. Николаев в работе «Состав растворов и бетонов в зависимости от размеров и формы зерен материалов», вышедшей в 1914 г. Работа эта своим содержанием предвосхитила идеи многих отечественных и зарубежных исследований, в том числе опубликованных в последние годы. Б. Николаев теоретически проанализировал геометрическую структуру пространства, заполненного зернами сыпучего материала. В частности, если условно принять, что все зерна одинаковы по форме и размерам, то в принципе возможна различная плотность упаковки зерен в заданном объеме в зависимости от порядка их укладки. Например, шары можно уложить рядами так, чтобы линии, соединяющие их центры, образовали кубы. Это будет наименее плотная укладка. Наиболее же плотная соответствует такому взаимному расположению шаров, когда линии, соединяющие их центры, образуют тетраэдры. Аналогичным образом можно представить наиболее и наименее плотную укладку зерен другой формы. При наименее плотной укладке шары дают меньшую пуcтотноcть, чем другие зерна, а при наиболее плотной -- большую. Однако как наиболее, так и наименее плотные схемы укладки могут рассматриваться лишь теоретически, и пустотность будет иметь те или иные промежуточные значения, определяемые степенью уплотнения.

Это еще в большей степени проявляется, если кроме систем укладки правильных многогранников рассмотреть варианты укладки, например, удлиненных параллелепипедов: при наиболее плотной укладке они, как и кубы, полностью заполняют объем, а при наименее плотной, когда будут взаимно касаться только вершинами, дадут максимальную пустотность и тем большую, чем больше соотношение длины зерен и их толщины.

1 - наименее плотная укладка (меньшая пуcтотноcть); 2 - наиболее плотная укладка (большая пуcтотноcть)

В действующих стандартах принято оценивать форму зерен заполнителей соотношением их размеров. Так, по СТБ ЕН 12620-2007 определяют содержание в щебне и гравии пластинчатых (лещадных) и игловатых зерен, толщина или ширина которых меньше длины в 3 раза и более. Для измерения зерен стандарты рекомендуют специальный передвижной шаблон или формомер.

Имеются и другие предложения по оценке формы зерен условными показателями. Кроме того, в последние годы развивается теория стохастических упаковок зерен заполнителя, основанная на статистических решениях формулируемых задач с помощью ЭВМ.

6. Зерновой состав заполнителя

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 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.

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.

Наиболее плотная смесь двух фракций заполнителя достигается в том случае, если размер зерен одной из них примерно в 6,5 раза меньше размера зерен другой. Наличие зерен промежуточных размеров нежелательно. Заполнители с прерывистым зерновым составом находят ограниченное применение, однако область их использования в технологии бетона расширяется.

7. 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 (природная пемза или искусственные пористые заполнители) и зернистую (щебень из пористого известняка, ракушечника, туфов, кирпичный щебень). 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.

8. Классификация заполнителей бетона

Основными признаками стандартизованной классификации разнообразных заполнителей для бетона (СТБ ЕН 12620-2007) являются: происхождение, крупность зерен, характер формы зерен, плотность. По происхождению заполнители подразделяют на три группы:

1) природные, в том числе из попутно добываемых пород и отходов обогащения;

2) из отходов промышленности;

3) искусственные (специально приготовленные).

Природные материалы и материалы из отходов промышленности, получаемые без изменения их химического состава и фазового состояния, характеризуются соответственно происхождением и петрографическим наименованием горных пород или видом отходов. Например, изверженные глубинные (интрузивные) породы -- гранит, сиенит, диорит; доменные отвальные шлаки. Искусственные заполнители характеризуются видом сырья (природное, из отходов или их смесь) и технологией производства (способ обработки). Например, получаемые из природного сырья обжигом со вспучиванием -- керамзит; получаемые поризацией расплава доменных шлаков -- шлаковая пемза.

По крупности зерен заполнители подразделяют на:

1) крупные -- с зернами (кусками) свыше 5 мм (щебень, гравий);

2) мелкие -- с размером зерен до 5 мм (песок).

По характеру формы зерен различают:

1) заполнители, имеющие угловатую (неправильную) форму, получаемые дроблением (щебень, песок из отсевов дробления и др.);

2) заполнители, имеющие округлую форму зерен (гравий, природный песок и др.)

Заполнители относят к плотным или пористым в зависимости от плотности их зерен, которая составляет соответственно свыше и до 2,0 г/см3.

Классификационной характеристикой заполнителя также может быть его насыпная плотность, которая для крупных пористых заполнителей не должна превышать 1200 кг/м3, а для пористых песков -- 1400 кг/м3. Вид заполнителей является одним из признаков классификации бетонов, в соответствии с которым различают бетоны на плотных, пористых и специальных заполнителях. Сами же заполнители подразделяют в соответствии с основным назначением: для тяжелых, легких, мелкозернистых бетонов, для специальных бетонов (жаростойких, химически стойких, декоративных, радиационно-защитных, теплоизоляционных и др.).

Размещено на Allbest.ru