Физико-механические показатели бетона на кубовидном щебне

УДК 614.841.33

Н.Л. ПОЛЕЙКО, канд. техн. наук, С.Н. ЛЕОНОВИЧ, д-р техн. наук, иностранный академик РААСН

Белорусский национальный технический университет

Физико-механические показатели бетона на кубовидном щебне

Требования к бетонам по их эксплуатационным качествам, области применения, физико-техническим свойствам, условиям долговечности расширяют область экономического использования различных видов заполнителей. Если учесть, что заполнители занимают в бетоне до 80% объема, а стоимость их достигает 50% стоимости бетонных и железобетонных конструкций, то становится понятным, что правильный выбор заполнителей, наиболее рациональное их применение имеют большое влияние на свойства бетонной смеси, бетонных и железобетонных конструкций, технико-экономическую эффективность производства строительных изделий из сборного, монолитного бетона и железобетона в целом. Приводятся сравнительные результаты испытаний обычного и кубовидного щебня, исследования основных физико-технических свойств бетона на кубовидном щебне из гранита (прочность при сжатии, растяжение при раскалывании, морозостойкость, водонепроницаемость, водопоглощение и коэффициент сопротивления воздухопроницаемости. В результате проведенных сравнительных исследований установлено, что применение кубовидного щебня в качестве крупного заполнителя целесообразно в бетонах конструкций, работающих в условиях центрального и внецентренного сжатия.

Ключевые слова: бетон, щебень кубовидный, бетонные конструкции, сборный железобетон.

N.L. POLEYKO, Candidate of Sciences

Physical-Mechanical Characteristics of Concrete with Cubiform Crushed Stone

Requirements for concretes regarding their operational qualities, areas of application, physical-technical properties, terms of durability expand the area of economic application of fillers of various types. Considering that fillers occupy up to 80% of the concrete volume and their cost reaches 50% of the cost of concrete and reinforced concrete products, it becomes clear that the correct selection of fillers and the most rational application of them have a great impact on properties of the concrete mix of concrete and reinforced concrete structures, technical-economic efficiency of producing building products made of precast, monolithic concrete and reinforced concrete in whole. The article presents comparative results of tests of ordinary and cubiform crushed stones, studies of basic physical-technical properties of concrete with cubiform granite crushed stone (compression strength, split-tensile strength, frostresistance, waterproofness, water adsorption, and coefficient of resistance to air permeability). As a result of comparative studies conducted, it is established that the use of cubiform crushed stone as a large-size filler is reasonable for concretes of structures operating under conditions of central and eccentric compression.

Keywords: concrete, cubiform crushed stone, concrete structures, precast reinforced concrete.

Основным материалом для возведения разнообразных строительных конструкций, в том числе и сборных, является бетон. Название бетона зачастую связывают с видом используемых заполнителей, которые занимают в бетоне до 80% объема, а их стоимость достигает 30—50% стоимости бетонных и железобетонных конструкций. Поэтому изучение и правильный выбор заполнителя имеет важное значение для получения бетона с требуемыми физико-механическими показателями.

Одна из характеристик заполнителей — форма их зерен. В нормативных документах ее принято характеризовать определенными терминами.

Щебень узких фракций — дробленый каменный материал с размером зерен, соответствующим стандартным ситам с круглыми отверстиями диаметром от 2,5 до 20 мм, разделенный на фракции диапазоном 2,5 или 5 мм.

Щебень кубовидный — щебень узких фракций с содержанием зерен пластинчатой и игловатой формы не более 15% по массе.

Щебень кубовидный мелкий — щебень кубовидный с размером зерен от 2,5 до 5 мм.

Зерна кубовидной формы — зерна щебня с околотой поверхностью в форме призмы или многогранника, толщина и ширина которых меньше длины не более чем в два раза.

Щебень из плотных горных пород — минеральный зернистый сыпучий материал, получаемый дроблением массивных изверженных (магматических) интрузивных горных пород (гранит, диорит, габбро и др.) со средней плотностью от 2,5 до 3 г/см3.

Щебень кубовидный выпускают следующих основных фракций, мм (по ситам с круглыми отверстиями): от 2,5 до 5; > 5 до 7,5; св. 5 до 10; св. 7,5 до 12,5; св. 10

до 15; св. 12,5 до 17,5; св. 15 до 20.

Соответствие размеров фракции щебня по ситам с круглыми отверстиями и зерен щебня по ситам с квадратными отверстиями приведено в табл. 1.

Щебень кубовидный в зависимости от содержания зерен кубовидной, пластинчатой и игловатой формы, а также от содержания пылевидных и глинистых частиц классифицируют по сортам в соответствии с табл. 2.

Зерна кубовидного щебня влияют на плотность упаковки заполнителя в объеме. Многочисленными экспериментальными данными доказано, что наиболее плотная укладка достигается в заполнителе, содержащем зерна в виде различных правильных многогранников [1—4].

Кубовидный щебень по форме зерен позволяет по-

Таблица 1

Диаметр отверстия контрольного сита с круглыми ячейками из стандартного набора сит для щебня, мм Соответствующий размер зерен щебня по ситам с квадратными ячейками, мм

2,5 2

5 4

7,5 6,3

10 8

12,5 10

15 12

17,5 14

20 16

Таблица 2

Сорт кубовидного щебня Содержание зерен кубовидной формы, мас. %, не менее Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы, мас. %, не более Содержание пылевидных и глинистых частиц, мас. %, не более

I Свыше 65 до 100 вкл. До 8 вкл. До 0,5 вкл.

II Свыше 50 до 100 вкл. До 15 вкл. До 10 вкл.

Таблица 3

Наименование щебня (НД) Частные остатки на ситах, % Полные остатки, % Требования НД

1,25-5,4 98,9 98-100

Кубовидный фр. 2-4 мм 2,5-86 93,5 95-100

5-7,5 7,5 до 10

7,5-0 0 Не допускается

5-8,5 99,2 95-100

7,5-24,6 90,7 90-100

Кубовидный фр. 6,3-10 10-64,3 66,1 30-80

12,5-1,8 1,8 до 10

15-0 0 Не допускается

лучать большую плотность упаковки по сравнению с обычным щебнем, так как, во-первых, содержит малое количество зерен пластинчатой и игловатой формы и, во-вторых, характеризуется содержанием зерен кубовидной формы (соотношение толщины (ширины) к длине 1:2 и менее). В зависимости от качества кубовидного щебня содержание таких зерен в нем колеблется от 50 до 65% по массе, согласно СТБ 1311—2002 «Щебень кубовидный из плотных горных пород. Технические условия».

Представляет интерес исследование основных физико-механических характеристик бетона на кубовидном щебне, поскольку в настоящее время данный вид заполнителя используется в основном в дорожном строительстве для устройства оснований под автомобильные дороги.

Предварительно в лабораторных условиях были

Таблица 5

проведены испытания по определению физико-механических свойств двух фракций кубовидного щебня. Результаты испытаний по определению зернового состава приведены в табл. 3.

Марку по дробимости крупного заполнителя определяли по степени разрушения пробы материала при сжатии в цилиндре при нормируемой нагрузке. Результаты испытаний приведены в табл. 4.

Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы определяли по ГОСТ 8269.0—97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний», а содержание зерен кубовидной формы определяли по СТБ 1311—2002 «Щебень кубовидный из плотных горных пород. Технические условия». Результаты испытаний представлены в табл. 5.

Насыпную плотность, среднюю плотность зерен крупного заполнителя и содержание зерен слабых пород определяли по ГОСТ 8269.0—97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний». Результаты испытаний представлены в табл. 6.

Целью экспериментальных исследований являлось получение сравнительных показателей основных физико-механических характеристик бетона, изготовленного с использованием обычного и кубовидного

Наименование щебня (НД) Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы, % Содержание зерен кубовидной формы, %

Кубовидный фр. 2-4 2,1 86,2

Кубовидный фр. 6,3-10 5 80,7

Таблица 7

Наименование щебня (НД) Насыпная плотность, кг/м3 Средняя плотность зерен, кг/м3 Содержание зерен слабых пород, %

Кубовидный фр. 2-4 1320 2580 2,2

Кубовидный фр. 6,3-10 1390 2580 1,6

№ состава Наименование и фракционный состав заполнителя Средняя плотность бетонной смеси, кг/м3

1 Обычный фр. 5-10 мм 2410

2 Кубовидный фр. 5-10 мм 2430

3 Обычныйфр. 10-15 мм 2380

4 Кубовидный фр. 10-15 мм 2390

5 Обычный фр. 15-20 мм 2405

6 Кубовидный фр. 15-20 мм 2420

7 Обычный фр. 5-20 мм 2400

8 Кубовидный фр. 5-20 мм 2430

Таблица 4

Наименование щебня Потеря массы при испытаниях на дробимость, % Марка щебня по дробимости

Кубовидный фр. 2-4 9,2 1400

Кубовидный фр. 6,3-10 11,5 1400

Таблица 6

14

июль 2015

1 2 3 4 5 6

№ состава

Прочность при сжатии и на растяжение при раскалывании образцов на обычном и кубовидном щебне:

- при сжатии; ||| - при растяжении

Таблица 8

№ состава Водопоглощение, мас. % Коэффициент сопротивления воздухопроницаемости, с/см3 Морозостойкость, цикл Водонепроницаемость, МПа

1 5,3 7,3 150 0,6

2 4,7 8,8 150 0,6

3 4,4 10,2 200 0,8

4 4,4 10,5 200 0,8

5 4,8 9,8 200 0,8

6 4,1 12,6 200 0,8

7 6,2 6,2 100 0,4

8 4,9 9,3 150 0,6

щебня. Исследования проводились на восьми составах бетонной смеси. Использовались следующие фракции заполнителей: 5—10; 10—15; 15—20 мм и смеси фракций в соотношении 40% фракции 5—10 мм и 60% фракции 15—20 мм. Образцы для проведения испытаний готовились в лабораторных условиях; перед испытанием хранились в нормально-влажностной среде; подвергались испытаниям в возрасте 28 сут. Определяли следующие показатели: прочность при сжатии, прочность при растяжении при раскалывании, водопоглощение, водонепроницаемость и морозостойкость (по коэффициенту воздухопроницаемости). Перед формованием образцов для проверки правильности подобранных составов бетонных смесей определяли среднюю плотность бетонной смеси. Результаты испытаний представлены в табл. 7.

Данные табл. 7 показывают, что кубовидный щебень в бетонной смеси укладывается более плотно, чем обычный щебень, что отражается на изменении средней плотности бетонной смеси и, как следствие, на уменьшении выхода бетона в плотном теле. Различие в изменении средней плотности бетонной смеси зависит, во-первых, от фракционного состава заполнителя, а также от характеристик состава (соотношение растворной составляющей и крупного заполнителя, водоцементное отношение, удобоуклады-ваемость и т. д.).

Наряду с такими характеристиками крупного заполнителя, как прочность, величина сцепления цементного камня с поверхностью зерен и т. д., на изменение прочностных показателей бетона оказывает влияние пустотность заполнителя в уплотненном состоянии. С одной стороны, чем она меньше, тем меньше требуется цементного теста для заполнения пустот

и тем выше при равных расходах цемента должна быть прочность. С другой стороны, чем меньше пустот-ность заполнителя, тем выше средняя плотность затвердевшего бетона, а поскольку существует связь между плотностью и прочностью материала, следовательно, выше будет и прочность самого бетона. Результаты испытаний по определению прочности на сжатие и растяжение при раскалывании приведены на рисунке.

Данные, приведенные на рисунке, свидетельствуют о том, что кубовидный щебень наряду с повышением прочности при сжатии уменьшает сопротивление бетона разрушению при раскалывании. Исследования по определению влияния зерен пластинчатой (лещад-ной) и игловатой формы на прочность бетона при растяжении показали, что при увеличении содержания данных зерен сопротивление бетона растяжению возрастает. Можно предположить, что снижение прочности на растяжение при раскалывании вызвано формой зерен кубовидного щебня (низкое содержание зерен пластинчатой и игловатой формы). Прочность при сжатии бетонных образцов на кубовидном щебне возрастает в среднем примерно на 25—30%, а прочность при растяжении при раскалывании уменьшается на 5-12%.

Увеличение прочности при сжатии также определяется гранулометрическим составом крупного заполнителя и характеристиками состава бетонной смеси. Не вполне ясной является зависимость сопротивления бетона растяжению при раскалывании от гранулометрического состава крупного заполнителя.

К весьма важным характеристикам качества бетонов относятся эксплуатационные показатели, такие как водонепроницаемость и морозостойкость, которые

определяли согласно ГОСТ 12730.5—84 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости» и ГОСТ 10060.2—95 «Бетоны. Ускоренные методы определения морозостойкости при многократном замораживании и оттаивании». Для первоначальной оценки эксплуатационных показателей определяли водопо-глощение образцов, поскольку оно является косвенной характеристикой водонепроницаемости и морозостойкости бетона. Показатели оценивали по ГОСТ 12730.3—78 «Метод определения водопоглощения» на приборе типа «АГАМА-2р». Результаты по определению водопоглощения, коэффициента сопротивления воздухопроницаемости и ожидаемая морозостойкость и водонепроницаемость образцов восьми составов

Список литературы

1. Старчуков Д.С. Бетоны ускоренного твердения с добавками твердых веществ неорганической природы // Бетон и железобетон. 2011. № 14. С. 22—24.

2. Загер И.Ю., Яшинькина А.А., Андропова Л.Н. Сравнительная оценка продуктов дробления горных пород месторождений нерудных строительных материалов Ямало-Ненецкого автономного округа // Строительные материалы. 2011. № 5. С. 84-86.

3. Добшиц Л.М., Магомедэминов И.И. Определение морозостойкости крупного заполнителя для тяжелых бетонов // Бетон и железобетон. 2012. № 4. С. 16-19.

4. Петров В.П., Токарева С.А. Пористые заполнители из отходов промышленности // Строительные материалы. 2011. № 12. С. 46-50.

приведены в табл. 8.

Данные табл. 8 позволяют сделать вывод, что использование кубовидного щебня не влияет на морозостойкость и водонепроницаемость бетона. Незначительное различие в показателях водопоглощения и коэффициента сопротивления воздухопроницаемости вызвано нормальной погрешностью при определении контролируемых показателей.

Выводы. На основании результатов экспериментальных исследований рациональной областью применения кубовидного щебня можно считать его использование для изделий и конструкций, работающих в условиях центрального и внецентренного сжатия.

References

1. Starchukov D.S. Concrete of the accelerated curing with additives of strong substances of the inorganic nature. Beton i zhelezobeton. 2011. No. 14, pp. 22—24. (In Russian).

2. Zager I. Yu., Yashinkina A.A., Andropova L.N. Comparative assessment of products of crushing of rocks of fields of nonmetallic construction materials of the Yamalo-Nenets Autonomous Area. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 5, pp. 84-86. (In Russian).

3. Dobshits L.M., Magomedeminov I.I. Determination of frost resistance of large filler for heavy concrete. Beton i zhelezobeton. 2012. No. 4, pp. 6—19. (In Russian).

4. Petrov V.P., Tokareva S.A. Porous fillers from industry waste. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 12, pp. 46-50. (In Russian).

2*

V/

ЭКСПЕРТН0-ИНФ0РМАЦИ0ННЫИ ЦЕНТР КРЫМА И Г. СЕВАСТОПОЛЯ

ФОРУМ

«ЖКХ КРЫМСКОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО ОКРУГА: «РЕФОРМИРОВАНИЕ И МОДЕРНИЗАЦИЯ»

08-09 СЕНТЯБРЯ 2015 ГОДА РЕСПУБЛИКА КРЫМ, Г. АЛУШТА, ОТЕЛЬ «RIVIERA SUNRISE RESORT & SPA» САЙТ: WWW.IKF0.RU, E-MAIL: INF0@IKF0.RU, ТЕЛ.: +7 (495) 268-05-90

iA

научно-технический и производственный журнал 16 июль 2015