Виды заполнителей и их назначение в бетонах и растворах

Общие сведения. Свойства.

Заполнителями называют рыхлую смесь минеральных или органических зерен природного или искусственного происхождения. В бетоне эти зерна скрепляются вяжущим веществом, образуя прочное камневидное тело.

1.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.

2.Цементный камень при твердении претерпевает объемные деформации. Усадка его достигает 2 мм/м. Из-за неравномерности усадочных деформаций возникают внутренние напряжения и трещины. Мелкие трещины могут быть невидимы невооруженным глазом, но они резко снижают прочность и долговечность цементного камня.

Заполнитель создает в бетоне жесткий скелет, воспринимает на себя усадочные напряжения и уменьшает усадку обычного бетона примерно в 10 раз по сравнению с цементным камнем.

3.Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя увеличивает прочность бетона, повышает его модуль упругости (т. е. уменьшает деформации конструкций при приложении нагрузки), снижает ползучесть.

4.Легкие пористые заполнители уменьшают среднюю плотность бетона и его теплопроводность.

5.Специальные особо тяжелые заполнители (чугунная дробь, железная руда) делают бетон надежной защитой от радиоактивного излучения.

По крупности зерен различают мелкий заполнитель (песок), состоящий из частиц размерами 0,16…5 мм, и крупный заполнитель (гравий или щебень) с размерами частиц 5…70 мм.

Крупный заполнитель в зависимости от формы частиц называют щебнем (шероховатые частицы неправильной формы) или гравием (гладкие округлые частицы).

По происхождению заполнители бывают природными и искусственными. Природные заполнители получают путем добычи и переработки горных пород. К искусственным заполнителям относят попутные продукты промышленности (доменные и топливные шлаки, золу ТЭС), а также специально изготовляемые — керамзитовый гравий, щебень из вспученного перлита и др. Используют «вторичные» заполнители, выделяемые из отслуживших свой срок бетонных и железобетонных конструкций дроблением и рассевом.

Зерновой состав заполнителей решающим образом влияет на получение бетона заданной прочности при минимальном расходе цемента. В бетонной смеси цементное тесто расходуется на обволакивание поверхности зерен и заполнение промежутков (пустот) между ними. В идеальном случае наименьший расход цемента достигается в том случае, когда и удельная поверхность, и пустотность зерен заполнителя стремятся к минимуму. Удельная поверхность тем меньше, чем больше крупность заполнителя.

В отличие от удельной поверхности объем пустот в заполнителе теоретически не зависит от крупности зерен. Для уменьшения пустотности заполнителя в его состав вводят зерна меньшего размера, которые заполняют промежутки между более крупными частицами. Однако это увеличивает удельную поверхность заполнителя и, следовательно, может привести к перерасходу вяжущего для обволакивания зерен. Поэтому соотношение между зернами разных размеров в заполнителе должно быть оптимальным, при котором объем пустот и суммарная поверхность зерен требуют минимального расхода цемента для получения нерасслаиваемой бетонной смеси определенной удобоукладываемости, а бетон — заданной плотности и прочности.

Зерновой состав заполнителей определяют по результатам просеивания пробы через стандартный набор, включающий в себя 10 сит с отверстиями, мм: 70; 40; 20; 10; 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16. Граница между мелким и крупным заполнителями проходит по зерну 5 мм.

Совокупность зерен, размер которых находится в пределах размеров отверстий двух соседних сит, называют фракцией заполнителя. Заполнители поставляют полифракционными, т. е. состоящими из зерен разных фракций, и монофракционными. Например, щебень с размерами зерен 5…40 мм является полифракционным: он состоит из зерен фракций 5 (3)…10; 10…20 и 20…40 мм.

Форма зерен заполнителя влияет на удобоукладываемость бетонных и растворных смесей. Предпочтительны в этом отношении зерна округлой или кубовидной формы.

Пластинчатые, удлиненные, так называемые лещадные, зерна заполнителя укладываются в бетоне в строго ориентированном положении, как правило, горизонтальном. Это делает структуру бетона неоднородной, а его свойства — неодинаковыми в разных направлениях. Поэтому содержание зерен лещадной формы ограничивается стандартами.

Шероховатость поверхности зерен заполнителей влияет на свойства бетонной смеси и прочность бетона. Бетонная смесь, изготовленная на заполнителях с гладкой поверхностью, например на гравии, обладает хорошей удобоукладываемостью. Смеси на заполнителях с шероховатой поверхностью, в частности на щебне, укладываются хуже, но бетон приобретает большую прочность, чем бетон на гравии. Это объясняется лучшим сцеплением шероховатого заполнителя с цементным камнем.

От плотности заполнителей зависит плотность бетона. Для производства тяжелого бетона используют заполнители, изготовляемые из горных пород со средней плотностью 1,8…2,8 г/см³. Заполнители, у которых, отличаются заметной пористостью, тем большей, чем меньше их средняя плотность. Такие пористые заполнители используют для приготовления легких бетонов.

Прочность — важнейшая характеристика заполнителя. Ее оценивают по пределу прочности исходной горной породы в насыщенном водой состоянии. Марки породы по прочности — М20…М140. Марка означает минимальный предел прочности породы при сжатии, выраженный в МПа. Породы, у которых предел прочности меньше 20 МПа, относят к слабым разностям. Содержание слабых разностей в щебне ограничивается стандартами.

Прочность щебня и гравия характеризуют маркой, определяемой по дробимости щебня (гравия) при сжатии (раздавливании) пробы зерен в стальном цилиндре.

По крупности различают мелкий заполнитель (песок), состоящий из частиц размером 0.16–5 мм, и крупный заполнитель (гравий или щебень), размеры частиц в котором изменяются в пределах от 5 до 70 мм. В некоторых случаях, например при бетонировании массивных конструкций, применяют щебень или гравий с крупностью частиц до 150 мм. По происхождению заполнители подразделяются на природные и искусственные. Природные заполнители получают путем добычи и переработки изверженных, осадочных или метаморфических горных пород: гранита, диабаза, диорита, известняка, вулканического туфа, гравия, кварцевого песка, кварцита, мрамора. К искусственным заполнителям относят попутные продукты промышленности: доменные и топливные шлаки, золу ТЭС, – а также специально изготавливаемые: керамзитовый гравий, щебень из вспученного перлита и многие другие.

К важнейшим показателям качества современных заполнителей относят зерновой состав, форму и характер поверхности зерен, содержание вредных примесей, плотность, прочность и морозостойкость.

Зерновой состав заполнителей оказывает решающее влияние на получение бетона заданной марки при минимальном расходе цемента. В бетонной смеси цементное тесто расходуется на обволакивание поверхности зерен и на заполнение промежутков (пустот) между ними. В идеальном случае наименьший расход цемента достигается тогда, когда и удельная поверхность, и пустотность зерен заполнителя стремятся к минимуму. Чем больше крупность заполнителя, тем меньше удельная поверхность. Так, удельная поверхность смеси, взятая из расчета на 1 м3 абсолютного объема заполнителя, имеет следующие величины:
для пылевидных частиц размером 0,05–0,16 мм – 160 000 м2;
зерен крупностью 2,5–5 мм – 1 600 м2;
зерен крупностью 10–20 мм – 400 м2.

В отличие от удельной поверхности объем пустот в заполнителе, представленном зернами (шарами) одного размера, теоретически не зависит от крупности частиц и определяется типом их упаковки – кубической или гексагональной. Для сокращения пустотности заполнителя в его состав обычно вводят зерна меньшего размера, которые заполняют промежутки между более крупными элементами. Однако такие добавки увеличивают удельную поверхность и, следовательно, могут привести к перерасходу вяжущего для обволакивания зерен. Поэтому соотношение между зернами разного размера в заполнителе должно быть оптимальным – таким, при котором объем пустот и суммарная поверхность зерен требуют минимального расхода цемента для получения нерасслаиваемой бетонной смеси определенной удобоукладываемости, а бетона – заданной плотности и прочности.

Зерновой состав заполнителей сегодня определяют по результатам просеивания пробы через стандартный набор, включающий 10 сит с отверстиями (в мм): 70, 40, 20, 10, 5, 2,5, 1,25, 0,63, 0,315, 0,16.

Граница между мелким и крупным заполнителями проходит по зерну 5 мм. Если требуется определить зерновой состав песка, необходимо использовать сита с размерами отверстий 5–0,16 мм, для крупного заполнителя – 5–70 мм. После просеивания пробы необходимо взвесить частные остатки на каждом сите и вычислить их относительное содержание в процентах. Зная эти данные, определяют полные остатки на ситах как сумму частных остатков на конкретном сите и на ситах с большим размером отверстий. Результаты просеивания (полные остатки) сравнивают со стандартными требованиями, представленными в графической или табличной форме. Кроме того, те же данные используют для оценки крупности песка по модулю крупности – Мк. Чем больше Мк, тем крупнее песок.

Заполнители сегодня поставляются полифракционными, то есть состоящими из зерен разных фракций, и монофракционными. К примеру, щебень с размерами зерен 5–40 мм является полифракционным и состоит из зерен фракций 5–10, 10–20 и 20–40 мм.

Форма зерен заполнителя влияет на удобоукладываемость бетонных смесей и раствора. Предпочтительны в этом отношении зерна округлой или кубовидной формы. Пластинчатые, удлиненные, так называемые лещадные, зерна укладываются в бетоне в строго определенном положении, как правило, горизонтальном. Такое расположение частиц делает структуру бетона неоднородной, а его свойства оказываются неодинаковыми на различных участках. Поэтому содержание зерен лещадной формы ограничивается стандартами.

Характер поверхности заполнителей также оказывает влияние на свойства бетонной смеси и прочность бетона. Бетонная смесь, изготовленная на заполнителях с гладкой поверхностью, например на гравии, обладает хорошей удобоукладываемостью. Смеси на заполнителях с шероховатой поверхностью, например на щебне, укладываются хуже, но бетон становится более прочным, чем в случае применения гравия. Это объясняется большей площадью поверхности сцепления шероховатого заполнителя с цементным камнем. Некоторые заполнители, в особенности из легких пористых материалов, обладают настолько большой шероховатостью, что затрудняют получение удобоукладываемых и удобоперекачиваемых смесей.

Важнейшая характеристика заполнителя для бетона – прочность. Ее оценивают по пределу прочности исходной горной породы, насыщенной водой. Марки породы по этому показателю находятся в пределах М2‑М140. Понятие «марка» означает минимальный предел прочности породы при сжатии, выраженный в МПа. Породы, у которых предел прочности меньше 20 МПа, относятся к слабым разностям. Содержание слабых разностей в щебне ограничивается стандартами.

Прочность гравия характеризуют его маркой, определяемой по дробимости путем испытания пробы зерен на сжатие в стальном цилиндре. Чем слабее гравий, тем больше оказывается после такого испытания раздробленных зерен. Их отсеивают сквозь сито с размером отверстий 5 мм и определяют показатель дробимости, который равен относительному содержанию этих зерен в общей массе пробы. Марки гравия по дробимости могут быть от Др8 до Др24. Марка Др8 означает, что после испытания раздробилось не более 8% всей массы гравия. Чем больше число в обозначении марки, тем слабее гравий.

Читать по теме:

К разделу

Строительные материалы

Posted in Бетоны и растворы,Строительные материалы

ТехЛиб СПБ УВТ