Влияние свойств мелких заполнителей на качество бетона

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО

С. Ч. Монгуш

Тувинский государственный университет

ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ МЕЛКИХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ НА КАЧЕСТВО БЕТОНА

Проведённый аналитический обзор показывает, что основной объём природных (естественных) заполнителей бетона требует эффективного фракционирования и обогащения. Ключевые слова: бетон, песок, заполнители бетона.

S. Ch. Mongush

EFFECT OF THE PROPERTIES OF FINE AGGREGATES ON CONCRETE QUALITY

Conducted an analytical review shows that most of the natural aggregate concrete requires an effective fractionation and enrichment.

Key words: concrete, sand, concrete fillers

Каменные материалы, применяемые в строительстве, обычно загрязнены химическими и механическими примесями, от которых строительный материал очищают. К химическим примесям относят различные

растворимые вещества, вызывающие коррозию цементного камня и арматуры в бетонных строительных конструкциях. К вредным механическим примесям, вызывающим перерасход цемента, снижение качества бетона, относят грунты скрышных пород, глинистые и илистые включения, а также каменную пыль, образовавшуюся в процессе переработки горной каменной породы в щебень.

По трудности отделения сухими способами примеси подразделяют на трудноотделяемые, среднеотделяемые, легко- и очень легкоотделяемые [8,9].

Трудноотделяемые примеси содержат глинистые грунты, включая комовую глину более 5% по массе, пыль известняков, песчаников и других осадочных пород.

Среднеотделяемые - пылевато-гли-нистые грунты от 2% до 5% по массе, пыль известняков, песчаников и других осадочных пород.

Легкоотделяемые - небольшое количество песчаных и пылевато-глинистых грунтов, пыль гранитных и других

изверженных пород, комовой глины до 2%.

Очень легкоотделяемые - пыль от дробления без глинистых грунтов.

К основным свойствам загрязняющих примесей, влияющих на трудность отделения их от каменных материалов, следует отнести: липкость, влажность, прочность в агрегатном состоянии, размываемость, текучесть и пластичность. Для сухого способа отделения вредных примесей наиболее существенны первые три. Главной же из этих трёх свойств является липкость, которая тем выше, чем больше глинистых включений в каменных материалах. Липкость увеличивается также с увеличением влажности, но, достигнув предела, уменьшается при росте последней. Меньшей липкостью обладают супеси, пески, каменная пыль.

Наличие вредных примесей в нерудных материалах оказывает существенное влияние на снижение прочности и долговечности бетонов и растворов, а также приводит к перерасходу вяжущих. В связи с этим количественное содержание примесей и пылеватых частиц регламентируется ГОСТ 8269.0-97 и ГОСТ 8267-93 [5,6].

Различные физико-механические свойства мелких заполнителей в разной степени влияют на свойства бетонов.

Определяющими характеристиками бетона являются его прочность при сжатии и растяжении, деформационная способность, долговечность, водонепроницаемость, морозостойкость и истираемость. Немаловажное значение при этом имеет и экономический фактор -себестоимость изготовления бетонных смесей. Особенно большое значение свойства мелких заполнителей приобретают для жёстких мелкозернистых бетонов [2].

По данным многочисленных исследований, на прочность бетона решающее влияние оказывают следующие характеристики мелкого заполнителя [1,4]:

а) прочность зёрен заполнителя;

б) характер поверхности зёрен и их форма;

в) зерновой состав заполнителя;

г) наличие вредных примесей.

Технический парадокс бетона состоит

в том, что из материалов высокой прочности (10000 Н/см - 24000 Н/см2) получается в конечном результате искусственный продукт (бетон) в несколько раз менее прочный (1000 Н/см2 - 5000 Н/см2). Как указывают исследователи, это объясняется слабым сцеплением зёрен заполнителей в монолитной структуре бетона [1,3,4,9]. По мнению ряда исследователей, в достаточной степени не условлена зависимость прочности бетона от прочности его заполнителей, даже крупных [9]. Из слабых пород можно получить бетон с высокой прочностью, и наоборот, из прочных пород иногда получаются бетоны с низкими показателями прочности. Многие учёные пришли к выводу, что решающим

: 205 у 185

фактором, влияющим на показатель прочности бетона, является его структурная характеристика [1,9]. Как указывает Ю. М. Баженов, структура бетона определяется «структурой и свойствами цементного камня, заполнителя и соотношения между ними» [1]. Роль мелкого заполнителя в формировании структуры бетона особенно проявляется в тощих составах (1:4, 1:5 и т.д.), когда на прочность бетона большое влияние оказывает зерновой состав заполнителя, определяющий плотность укладки зёрен и число контактов их друг с другом в монолите. Мелкие пески, например, имеют в единице объёма большее число контактов, чем более крупные пески, но «каждое зерно в них скрепляется с другими меньшим числом связей» [1]. В результате этого структура получается менее жёсткой и прочной.

Как указывает Ю. М. Баженов, по этой причине «тощие мелкозернистые бетоны на мелких песках показывают меньшую прочность, чем бетоны на более крупных заполнителях».

Отрицательное влияние намельченных мелких заполнителей уменьшается при изготовлении более жирных цементно-бетонных растворов (рис.1).

Большинство исследователей считают, что содержание в мелком заполнителе пылевидных фракций влечёт за собой увеличение водопотребности бетонной смеси и как, следствие этого, повышение расхода цемента [1,3,4]. По мнению Ю. М. Баженова, при уменьшении модуля крупности песка на 0,1 расход цемента увеличивается на 3% - 5%.[1].

0,15 0,3 0,6 1,2 2,5 5,0 Размеры зёрен песка в мм.

Рис. 1. Влияние крупности песка на свойства цементно-песчаной смеси: 1 - подвижность цементно-песчаной смеси; 2 - расход цемента в равноподвижных и равнопрочных цементных растворах по данным Ю.

М. Баженова; 3 - тоже, по данным С. С. Гордона.

225

05

0

По данным А. С. Губаря, использование в бетоне барханного песка (с содержанием пылевидных частиц 15.4% и удельной поверхностью зёрен более 180 см3/г) вызывает расход цемента на 40% больше, чем при использовании крупнозернистых строительных песков (с эквивалентным размером зерна 0.55 мм и удельной поверхностью 51 см2/г) [7]. В 1972 году в исследовании Г. И. Ступакова и Е. С. Тёмкина показано, что применение мелкозернистых песков в Узбекской ССР (при СССР) (с удельной поверхностью более 150 см2/г) влечёт за собой повышение расхода цемента до 40% [1.9]. Как указывают В. И. Сорокер и В. Г. Довжин, перерасход цемента (до 5%) в жёстких смесях при использовании мелких песков менее заметен, чем в малоподвижных смесях, в которых он доходит до 20 %. М. Г. Михальченко, В. Д. Беспалов, В. Г. Гуревич отмечают, что применение мелких песков в равнопроч-

ных бетонах приводит к увеличению расхода цемента от 3% до 25% [8].

Интересны экспериментальные данные В. И. Галактионова, касающиеся расхода цемента для бетона в зависимости от зернового состава песка (табл.1) [9].

В отношении оптимального вида гранулометрической кривой исследователи не имеют единой точки зрения. Одни учёные, такие как Б. Г. Скрамтаев, И. П. Александрин, Н. А. Попов, Фуллер, Абрамс и другие, считают оптимальными смеси с непрерывным гранулометрическим составом, так как они более экономичны и меньше склонны к расслоению [1]. Другие же исследователи Фэре, Дж. Эли и другие указывают, что наиболее плотными и прочными растворами являются те, которые получены из смеси заполнителей с прерывистым гранулометрическим составом [1].

Таблица 1

Расход цемента для бетона в зависимости от зернового состава песка_

Частные остатки в % на ситах с размером отверстий в мм Модуль крупности Удельная поверхность в см2/г Расход цемента на 1 м3 бетона в кг

2.5 1.25 0.63 0.315 0.14

1 2 3 4 5 6 7 8

4 4 9 9 74 1.55 120 415

4 4 19 19 54 1.85 100 390

10 10 11 11 58 2.03 100 377

4 4 29 29 34 2.15 80 370

10 10 21 21 38 2.33 80 341

10 10 31 31 18 2.63 60 334

Оптимальный зерновой состав песка по данным ВНИИЖБ представлен на рис.2.

Технические условия США на мелкие заполнители, например, требуют, чтобы в составе песка было от 15% до 30% зёрен, прошедших через сито 0.25 мм (с

модулем крупности в среднем равном 2.42) [8].

Некоторые учёные считают оптимальной такую смесь заполнителей для бетона, которая состоит из 3 - 4 фракций, причём каждая последующая должна быть в 4 - 5 раз меньше предыдущей.

0 10

0,315 0,63 1,25 2,5

Размер отверстий сит в мм

Рис.2. График зернового состава песка по данным ВНИИЖБ График зернового состава песка по данным ВНИИЖБ: пески с модулем крупности и удельной поверхностью: 1 - 1.25 и 1.6 м2/кг; 2 - 1.75 и 12 м2/кг; 3 - 2 и 10.6 м2/кг; 4 - 2.35 и 9.5 м2/кг; 5 - 2.95 и 6.9 м2/кг; 6 - 3.5 и 4.8 м2/кг. (Кривая 5 соответствует оптимальному зерновому составу песка).

50

90

5

В США в целях обеспечения оптимальной удобоукладываемости и обрабатываемости бетонных смесей стремятся увеличить содержание пылевидных частиц в мелком заполнителе до 20% [1].

По мнению Ю. М. Баженова, иногда введение мельчайших частиц в состав песка может оказаться даже полезным [1]. В особенности это относится к пескам из известняковых и других карбонатных пород, в которых пылевидные частицы обладают вяжущими и пластифицирующими свойствами. Для определения оптимального зернового состава Ю. М. Баженов рекомендует применять

формулу: с = 100 ;

1 id

V max

где: Cx - количество материала, проходящего через сито с диаметром отверстия d x ; dmax - максимальная крупность

зёрен песка.

В общем случае оптимальный зерновой состав мелкого заполнителя должен определяться, прежде всего, экономической целесообразностью получения этого заполнителя в конкретных местных условиях, назначением бетонных конструкций, способом приготовления смесей, минералогическим составом и другими характеристиками, как заполнителя, так и приготовляемой бетонной смеси.

Некоторое влияние на прочность бетона и величину оптимального водоце-ментного отношения оказывает форма частиц заполнителя и характер их поверхности. По результатам многочисленных исследований, применение мелких заполнителей с окатанными зёрнами с гладкой поверхностью, понижает прочность бетона [1,4,5 и др.]. С. С. Гордон и Ю. М. Баженов считают, что применение чистых дроблёных песков с остроугольной формой зёрен и шероховатой поверхностью улучшает микроструктуру и повышает прочность бетона, за счёт увеличения сил сцепления зёрен заполнителей с цементным камнем [1,4].

Ю. М. Баженов считает, что при загрязнении мелкого заполнителя вредными примесями вследствие сегмента-ционных и усадочных явлений в месте контакта поверхности зёрен песка и цементного камня могут возникать микродефекты структуры бетона [1].

По данным П. Н. Григорьева и Н. П. Александрова, содержание слюды в мелком заполнителе около 16% снижает прочность бетонов до 60% и, так как при этом значительно увеличивается удельная поверхность, имеет место слабое сцепление поверхности частиц слюды с цементным камнем [4]. Кроме того, пластинчатая форма слюдяных частиц препятствует хорошему уплотнению бетонной смеси.

Существенное влияние на прочность бетона оказывает присутствие в мелких заполнителях органических примесей (гумусовые вещества и кислоты), являющихся продуктом разложения растительных и животных организмов. Как показали исследования В. Г. Волкова, И. М. Елшина, А. И. Харина и М. Н. Хру-сталёва содержание в песках значительного количества органических примесей понижает прочность раствора в месячном возрасте более чем в полтора раза, а возрасте одного года на 25% - 30% [3].

Большинство исследователей отмечают присутствие вредных загрязняющих примесей как раз в пылевидной фракции заполнителей [2,3,5 и др]. Так М. Г. Боровик и Л. С. Соломон считают, что ввиду химической устойчивости кварцевых зёрен они в процессе выветривания разрушаются медленнее других минералов, в результате чего мельчайшие фракции песка содержат обычно большую часть вредных примесей (органические и сернистые соединения, слюда и полевой шпат). Другие авторы указывают, что пылевидная фракция, как правило, состоит из ила, глинистых и минеральных частиц, присутствие которых отрицательно сказывается на свойствах бетона [3,4,9].

Как уже указывалось выше, чрезмерное содержание пылевидных частиц в

заполнителе ведёт к значительному перерасходу цемента и повышению себестоимости бетона и железобетона. Но требование минерального расхода цемента обуславливается в значительной мере техническими соображениями, поскольку от этого зависит морозостойкость и водонепроницаемость бетона, степень усадки, ползучести и деформа-тивные свойства.

Литература:

1. Волков В. Г., Елшин И. М., Харин А. И., Хрусталёв М. Н. Обогащение и фракционирование природных песков для бетона гидравлическим способом.- М.: Стройиздат, 1964.

2. Баженов Ю. М. Высокопрочный мелкозернистый бетон для армоцементных конструкций. Госстройиздат,- М., 1963.

3. Бегларян В. С. Производство заполнителей бетона из песчано-гравийных смесей.- М.: Стройиздат, 1973.

4. Гордон С. С. Пески для бетонов.- М.: Госстройиздат, 1957.

5. ГОСТ 8267-93. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. -М.: Изд. стандартов, 1993.

6. ГОСТ 8269-0-97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний.- М.: Изд. стандартов, 1997.

7. Губаревич О. В. Исследование процесса вибропневматического разделения и разработка конструкции сепаратора для сухого обогащения мелких классов углей и антрацитов. Автореферат. дисс. канд. техн. наук.- г. Люберцы. 1991.

8. Матросов А. А., Сементовский Ю. М., Зимин М. А. Совершенствование организации производства каменных материалов на предприятиях дорожного строительства. (Тр. союздорНИИ, вып. 101, 1978).

9. Сизиков С. А. Динамика перемещения сыпучих сред вибротранспортирующими органами строительных машин. Автореферат дисс. канд. техн. наук. ЛИСИ.- Л.,1985

А.С. Сандан

Тувинский государственный университет

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СТРУКТУРУ КЕРАМЗИТОПЕНОБЕТОНА

Рассмотрены изменения прочности, отпускная влажность бетона после тепловой обработки, исследуемого керамзитобетона и керамзитопенобетона.

Ключевые слова: Керамзитопенобетон, тепловая обработка, температура, прочность.

A.S. Sandan

RESEARCH OF PROPERTIES CЕRАMZITFOAMCONCRETE AT THERMAL

PROCESSING

Durability changes, holiday humidity of concrete after the thermal processing, investigated and ТП are considered.

Keywords: cеrаmzitfoamconcrete, thermal processing, temperature, durability.

Как отмечает ряд ученых, любое тепловое воздействие на свежеуло-женный бетон негативно влияет на основные структурные и физико-механические показатели бетона. Это следствие того, что бетонная смесь является многокомпонентной системой и каждый компонент этой системы по-разному реагирует на температурное воздействие. В связи с этим необходимо провести анализ влияния способов

ускоренного твердения на основные структурные показатели бетонов [1,2,3,4, 5,6,7,8].

Наиболее распространенным способом интенсификации твердения бетона является паропрогрев бетона. Однако анализ литературных источников показывает, что паропрогретые бетоны обладают более низкими показателями морозостойкости, водонепроницаемости и прочности по сравнению с бетонами