2.Требования к материалам для бетона

Функции составных частей бетонной смеси заключаются в следующем: заполнители заполняют основную часть бетона, а цементный камень скрепляет зерна заполнителей в монолит. Отсюда вытекают основные требования к материалам, из которых изготовляется бетон.

2.1. КРУПНЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ

В качестве крупного заполнителя в тяжелых бетонах используют щебень, получаемый дроблением плотных горных пород и искусственных камерных материалов, и гравий – продукт естественного разрушения магматических пород с последующим переносом обломков водными потоками.

Щебень представляет собой острогранные зерна кубообразной или тетраэдрической формы с размером от 5 и до 150 мм. При дроблении слоистых и сланцеватых пород получаются зерна пластинчатые и игловатые, присутствие которых вызывает перерасход цемента и поэтому ГОСТом ограничивается в пределах до 15%. В качестве вредных примесей щебень может содержать различные сернистые соединения, которые с С₃А цемента образуют цементную бациллу. Кроме того, в щебне из мягких пород (известняки и доломиты) может присутствовать много пыли, образующейся при перевалках в процессе транспортировки. Примесь пыли также вызывает перерасход вяжущего.

Зерна гравия обычно имеют в различной степени окатанную яйцевидную форму. Поверхность его может быть шероховатой (гравий овражный, отложенный в непосредственной близости от места образования) и гладкой (гравий речной и особенно морской). Минералы, из которых состоит гравий, в реакцию с продуктами гидролиза цемента практически не вступают, вследствие чего прочность сцепления между цементным камнем и гравием определяется степенью шероховатости поверхности последнего. Например, морской гравий с отшлифованной поверхностью часто приходится дробить, для того чтобы обеспечить возможность получения нужной прочности бетона. Гравий, особенно овражный, может содержать примеси глины и ила, которые препятствуют сцеплению его с цементным камнем. Особую опасность представляют гравиеподобные глиняные окатыши с «загаром пустыни», которые не размокают в воде, но при тепловлажностной обработке они разбухают и разрушают бетон. Кроме того, в гравии может присутствовать примесь органических, так называемых, гуминовых веществ, которые, взаимодействуя с Са(ОН)₂, выделяющимся при гидролизе 3CаОSiO₂, образуют гуматы кальция, снижающие прочность бетона.

Общими требованиями к крупному заполнителю в тяжелых бетонах, независимо от его происхождения, являются:

а) прочность, которая должна быть выше прочности проектируемого бетона не менее чем на 25% (в гидротехнических бетонах – вдвое);

б) максимальная крупность зерен, не превышающая 1/4 минимального размера конструкции и просвета между стрежнями арматуры;

в) гранулометрический (зерновой) состав, обеспечивающий наибольшую плотность упаковки зерен и, следовательно, минимальный расход цемента. Ориентировочно можно считать хорошим по гранулометрии заполнитель, в котором содержится 50% по весу зерен максимально допустимого размера (d_max), 25% – зерен с диаметром d_max/2, 12,5% – с d_max/4 и т. д. Пределы допустимых колебаний зернового состава устанавливаются с помощью соответствующего графика, с которыми слушатели будут ознакомлены в процессе лабораторных работ. Для получения заполнителя с хорошим гранулометрическим составом поступающий на бетонные заводы щебень или гравий рассевают на фракции по крупности и затем смешивают их в нужном соотношении. Но чаще всего используют так называемый рядовой, естественно сформировавшийся щебень или гравий, более или менее значительно отличающийся по зерновому составу от идеального. Рядовой щебень может иметь крупность 5-40, 5-70 и 5-150 мм.

2.2. МЕЛКИЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ

В качестве мелкого заполнителя в тяжелых бетонах используются минеральные зерна размером от 0,14 до 5 мм. К ним относятся природные пески, специально дробленые горные породы, высевки после дробления горных пород, щебень и гранулированные шлаки. Общими для всех являются требования к прочности, гранулометрическому составу, а также к наличию вредных примесей, тех же самых, что и в крупном заполнителе.

Прочность мелкого заполнителя непосредственными испытаниями не определяется: о ней судят, сравнивая прочности бетонов, изготовленных в одинаковых условиях с применением хорошего заполнителя и заполнителя, свойства которого изучены.

Гранулометрический состав определяется просевом навески мелкого заполнителя через сита с отверстиями 5,0; 2,5; 1,2; 0,6; 0,3 и 0,14 мм.

Для оценки качества заполнителя подсчитываются так называемые полные остатки, каждый из которых представляет собою сумму остатков на данном сите и на всех остальных ситах с более крупными отверстиями.

Результаты рассева наносятся на график в координатах «полные остатки» – «размер отверстия сита». По полученным точкам строится кривая гранулометрического состава, которая у хороших песков должна укладываться в заштрихованной области графика.

Очень часто о качестве мелкого заполнителя судят по величине модуля крупности (М_кр), представляющего собою частное от деления суммы полных остатков на 100:

.

Очевидно, чем больше остатки на крупных ситах, т. е. чем крупнее заполнитель, тем больше модуль крупности, и наоборот. У хорошего заполнителя модуль крупности должен быть равен 2,5-3,5.

С

Рис. 2.2. Изменение объема песка в зависимости от влажности

одержание загрязняющих примесей определяется в лаборатории специальными методами химического и механического анализов: сульфаты – растворением в НСl и последующем осаждением иона SO₄^2- хлористым барием; органические примеси – действием раствора NaOH, который приобретает коричневатый оттенок, по интенсивности которого судят о содержании вредных органических веществ; глину отделяют отмучиванием.

Природные пески образовались в результате разрушения магматических горных пород с последующим переносом обломков водными потоками. При этом зерна наименее химически стойких минералов: силикатов и алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных металлов (слюды, полевые шпаты, пироксены, амфиболы и т. п.) подвергались гидролизу и превращались в глинистые минералы. Поэтому природные пески состоят преимущественно из кварцевых зерен и прочность их не вызывает сомнений. Все остальные минералы могут присутствовать в виде примесей. В зависимости от дальности переноса форма зерен песка меняется от острогранной (горные и овражные пески, залегающие вблизи места образования) до шарообразной окатанной (речные и морские пески). По мере удаления отложений песков от места образования они становятся все мельче и мельче. Особенно мелки дюнные и бархатные пески, в образовании которых принимали участие морской прибой и ветер.

Оптимальным модулем крупности (М_кр.), равным 2,5–3,5, обладают обычно горные и овражные пески; речные пески имеют M_кр. ~ 1,0–2,0; модуль крупности дюнных и барханных песков колеблется в пределах от 0,1 до 1,0. Применение мелких песков в бетонах вызывает перерасход цемента. На рис. 2.1 изображена кривая зависимости расхода цемента для получения кубометра растворной составляющей в бетоне одинаковой прочности и пластичности от величины модуля крупности песка. Как видно, с уменьшением крупности песка расход цемента возрастает весьма значительно. Поэтому мелкие пески можно использовать в бетоне только при условии экономической целесообразности, т. е. когда стоимость завоза хорошего песка будет превышать сумму потерь, связанных с перерасходом цемента. Вредные примеси в песке, если их содержание превышает допустимое ГОСТом, удаляются промывкой в специальных механизмах, называемых пескомойками.

Необходимо отметить еще одну важную особенность песков, связанную с их адсорбционной способностью (рис. 2.2). С увеличением влажности объем песка увеличивается. При 6% влажности это увеличение достигает 32%, затем оно уменьшается, и при 10% влажности объем мокрого песка выравнивается с объемом сухого. Эту особенность песка нужно учитывать при приемосдаточных операциях.

Искусственные пески получают дроблением горных пород с помощью молотковых дробилок. Дробят, главным образом, магматические горные породы. Поэтому их прочность и чистота не вызывают сомнений. Что касается гранулометрического состава, то его регулируют изменением режима дробления. По качеству искусственные пески могут быть идеальными, но стоимость их велика.

Высевки при дроблении горных пород на щебень по своему качеству могут быть равноценны искусственному песку. Но поскольку при дроблении первыми разрушаются наименее прочные участки породы, высевки перед применением следует проверить, изготовив пробные образцы бетона. Как высевки, так и искусственные пески целесообразно использовать в качестве добавки к мелким природным пескам для улучшения их гранулометрического состава.

Гранулированные (а также дробленые) шлаки обладают достаточно высокой прочностью. Кроме того, они химически активны и особенно при пропарке взаимодействуют с Са(ОН)₂ цементного камня, что способствует дополнительному упрочнению бетонного камня.