3. Основные свойства заполнителей.

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 ЗАПОЛНИТЕЛЯ

• 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.

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 использ'ивание 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.

4. Влияние заполнителя на свойства бетона

Состав бетонной смеси и ее технологические свойства, необходимые для обеспечения удовлетворительного перемешивания, транспортирования, укладки и уплотнения, в значительной мере определяются содержанием и качеством применяемых заполнителей.

 

СОСТАВ БЕТОННОЙ СМЕСИ

 

При проектировании состава бетонной смеси, как правило, исходят из необходимости получения бетона заданной прочности и консистенции при минимальном расходе цемента. Для бетонов плотной структуры требование минимального расхода цемента обеспечивается максимальным насыщением объема бетона заполнителями.

При этом условно допускаются, что все пустоты в крупном заполнителе могут быть заполнены мелким без раздвижки зерен. В действительности это невозможно, так как вблизи контактов зерен крупного заполнителя зазоры между ними столь узки, что вокруг каждой точки контакта образуется некоторая зона пустот, не-рстунных для заполнения песком.

Таким образом, если взять объем песка Ум=0,01 УПуст. к, то зерна крупного заполнителя в смеси неминуемо будут раздвинуты и пустотность смеси несколько увеличится. На практике, исходя из требуемой   подвижности   или   жесткости   бетонной   смеси,  объем песка в смеси заполнителей обычно берут с некоторым избытком к пустотности крупного заполнителя, определяя этим раздвижку зерен последнего.

Пустотность смеси заполнителей определяет расход цементного теста. Чем меньше крупного заполнителя в смеси, тем больше пустотность и расход цементного теста. Если вообще отказаться от применения крупного заполнителя, то получают мелкозернистый бетон, пустотность заполнителя для которого в вышеприведенном примере составит 27 %, почти в 2,5 раза больше, чем при расходе на 1 м3 смеси 0,9 м3 крупного заполнителя.

Соответственно возрастает и расход цемента. Поэтому, как правило, стремятся насытить бетонную смесь крупным заполнителем (не менее 0,7 м3 на 1 м3 смеси).

Н. Я. Спивак предложил оценивать зерновой состав заполнителей для легкого бетона «структурным фактором» — отношением объема мелкого заполнителя в насыпном виде к сумме пофракционных объемов мелкого (М) и крупного (К) заполнителей. Оптимальное значение этого показателя, обеспечивающее лучшие свойства легкого бетона при наименьшем расходе цемента, определяют максимумом суммы пофракционных объемов мелкого и крупного заполнителей в единичном объеме смеси, т. е. наименьшей пустот-иостью смеси заполнителей.

С целью снижения расхода цемента следует применять также крупный заполнитель с возможно меньшей пустотностью. Для этого составляют наиболее рациональные смеси различных по крупности фракций заполнителя.

Чем больше диапазон крупности зерен в смеси заполнителя, тем меньше может быть расход цемента, поскольку каждое более крупное зерно заполнителя замещает равновеликий объем бетонной смеси. Поэтому при бетонировании массивных сооружений помимо обычного заполнителя добавляют так называемый «изюм» — крупный булыжник, рваный камень и т. п.

Согласно СНиП, предельная крупность заполнителя должна быть не больше 3/4 расстояния между прутьями арматуры в железобетоне, или V4 наименьшего размера сечения балочных элементов, или '/г толщины плитных элементов. Следует иметь в виду, что уменьшение предельной крупности заполнителя ведет к относительному перерасходу цемента.

Цементное тесто расходуется не только на заполнение межзерновых пустот в заполнителе, но и на обволакивание всех его зерен. При этом в зависимости от вязкости цементного теста имеет место большая или меньшая раздвижка зерен заполнителя. Таким образом 1 м3 заполнителя за счет обмазки его зерен цементным тестом как бы разбухает.

Расход цементного теста на 1 м3 бетона тем больше, чем больше удельная поверхность заполнителя. При этом наибольшее значение имеет удельная поверхность песка: чем мельче зерна, тем больше удельная поверхность. Поэтому в скобках приведенных формул основной вес имеет первое слагаемое. Удельная поверхность гравия составляет 1 ... 5 см2/г, обычного песка средней крупности— 40... 70, а мелкого песка—до 200 см2/г, т. е. 20 м2/кг, или 2 га/т. Естественно, что применение слишком мелких песков ведет к перерасходу цемента.

Как указано выше, пустотность и удельная поверхность заполнителей зависят не только от крупности, но и от формы зерен. При одинаковой крупности гравий, состоящий из зерен округлой, окатанной формы, способных укладываться более компактно, отличается от щебня несколько меньшей пустотностью и меньшей удельной поверхностью зерен. Некоторые виды пористых заполнителей имеют сильно развитую поверхность, открытую пористость и повышенную пустотность (природная и шлаковая пемза, аглопоритовый щебень, топливные шлаки). Для таких заполнителей особенно важно иметь объективные оценки характеристик, получаемые при испытании в бетоне (цементном тесте).

Таким образом, от содержания и качества заполнителей зависит расход цементного теста, необходимого для получения бетона плотной структуры. Однако заполнители влияют не только на расход цементного теста, но и на его качество, поскольку связывают в бетонной смеси часть воды затворения и тем самым изменяют истинное водоцементное отношение. Это необходимо учитывать, определяя заранее водопотребность заполнителей

Расчет водопотребности обычных заполнителей для тяжелого бетона сравнительно прост, поскольку в основном учитывает воду, добавляемую на смачивание поверхности зерен заполнителей. Если же заполнители пористые, то они способны поглотить из бетонной смеси гораздо больше воды, причем этот процесс растянут во времени.

В оценке значимости этого явления пока нет единого мнения, что связано со сложностью как самого процесса, так и его последствий.

Во всех случаях водопоглощение заполнителей следует определять и учитывать при проектировании состава бетонной смеси. Водопоглощение зависит от пористости заполнителей, а также и от вида пор, которые могут быть открытыми или замкнутыми, крупными или мелкими, в форме ячеек или капилляров. Наиболее интенсивный отсос влаги, который может привести к значительному обезвоживанию цементного теста и потере удобоукладываемости бетонной смеси, наблюдается при применении заполнителей с открытой мелкой пористостью, особенно капиллярной.