Книги по строительству

 Свойства бетона

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Требования к зерновому составу заполнителя

Мы уже выяснили, как определить зерновой состав заполнителя, но нам еще остается определить,  удовлетворяет  ли  полученный зерновой состав требованиям технических условий. Каковы же признаки кривой рационального зернового состава?

Так как прочность бетона в уплотненном состоянии с заданным водоцементным отношением не зависит от зернового состава заполнителя, то зерновой состав является важным лишь постольку, поскольку он влияет на удобоукладываемость бетонной смеси. Интенсивность нарастания прочности бетона, соответствующая данному водоцементному отношению, требует полного уплотнения бетонной смеси, которое в свою очередь может быть достигнуто только на достаточно удобоукладываемой смеси. Поэтому необходимо готовить такую бетонную смесь, которая может быть максимально уплотнена с умеренными затратами труда.

Следует отметить, что существует множество кривых рациональных зерновых составов заполнителя. Помимо физических требований не следует забывать и об экономических соображениях, а именно бетон должен быть приготовлен на дешевых материалах, поэтому нецелесообразно предъявлять жесткие требования к зерновому составу заполнителя.

Считают, что основными факторами, определяющими зерновой состав заполнителя, являются: удельная поверхность заполнителя, которая определяет количество воды, расходуемое на увлажнение поверхности зерен; относительный объем заполнителя, занимаемый его зернами; удобоукладываемость бетонной смеси и склонность к расслоению.

Следует отметить, что требования удобоукладываемости бетонной смеси и нерасслаиваемости в некоторой степени противоречивы. Чем легче происходит плотная укладка зерен различного размера, т.е. размещение мелких зерен в пустотах между более крупными зернами, тем легче такие мелкие зерна могут выделяться из этих пустот. В правильно составленной бетонной смеси не следует допускать, чтобы раствор отделялся от крупного заполнителя.

Для фракционированного заполнителя необходимо, чтобы промежутки в нем были достаточно малыми, чтобы цементное тесто не вытекало и не было расслоения смеси.

Имеется еще одно условие для получения бетонной смеси с удовлетворительной удобоукладываемостью: смесь должна содержать достаточное количество материала, проходящего через сито № 52. Так как в этот материал входят также зерна цемента, то для получения удобо-укладываемых жирных смесей требуется более низкое содержание мелкого песка, чем для тощих смесей. Если в зерновом составе песка недостаточно мелких зерен, то увеличение соотношения между мелким и крупным заполнителем не исправит положения, а вызовет избыток зерен среднего размера, что может привести к повышению жесткости бетонной смеси. Бетонная смесь будет иметь повышенную жесткость, если фракция какого-либо размера присутствует в избытке. Необходимое содержание достаточного количества мелких, но прочных зерен достигается в данном примере зернового состава минимальным количеством зерен, проходящих сквозь сито №52, а иногда и сито №100, как это показано в табл. 3.20 и 3.21.

Требование, чтобы заполнитель занимал максимально возможный относительный объем бетона, прежде всего объясняется экономическими соображениями, поскольку заполнитель дешевле цемента. Однако применение слишком жирных смесей является нежелательным и по ряду технических причин. Считают, что чем большее количество заполнителя уложено в заданный объем бетона, тем выше прочность бетона. Результаты   исследований   показывают,   что   максимальная  плотность обеспечивается кривыми зернового состава полностью параболической формы или в начальной части параболической, а затем прямой при построении в обычном масштабе, как показано на рис. 3.10. Однако замечено, что использование заполнителя, фракционированного в соответствии с условиями получения максимальной плотности, приводит часто к получению жесткой и даже неудо-боукладываемой бетонной смеси. Удобоукладываемость    повышается при некотором избытке теста сверх количества, требуемого для заполнения  пустот в песке,  а также при избытке цементно-песчаного раствора сверх количества, требуемого для заполнения пустот в крупном заполнителе.

Рассмотрим роль удельной поверхности заполнителя. Водоцементное отношение в бетонной смеси обычно устанавливают исходя из требуемой прочности. В то же время количества цементного теста должно быть достаточно для покрытия поверхности всех зерен. Поэтому с уменьшением удельной поверхности заполнителя снижается расход теста  и, следовательно, водопотребность бетонной смеси.

У фракционированного заполнителя зерновой состав и общая удельная поверхность связаны друг с другом, хотя имеется множество кривых зернового состава, соответствующих одной и той же удельной поверхности. При увеличении наибольшей крупности заполнителя общая удельная поверхность зерен и водопотребность смеси уменьшаются, однако эта зависимость не является линейной. Например, возрастание наибольшей крупности заполнителя с 9,52 до 63,5 мм может в определенных условиях снизить водопотребность бетонной смеси при сохранении той же удобоукладываемости на 50 л/м3 (рис. 3.12). При этом водоцементное отношение можно соответственно снизить на 0,15.

Практические ограничения наибольшей крупности заполнителя, проводимые в тех или иных условиях, и влияние величины наибольшей крупности заполнителя на прочность бетона будут рассмотрены далее.

Выбрав наибольшую крупность заполнителя и его зерновой состав, мы можем выразить общую площадь поверхности зерен, используя удельную поверхность в качестве параметра. Именно общая поверхность заполнителя определяет водопотребность и удобоукладываемость бетонной смеси. Впервые подбор состава бетона на основе удельной поверхности заполнителя был предложен Л. Н. Эдвардсом в 1918 г. Интерес к этому методу недавно возобновился. Удельную поверхность можно определить с помощью метода водопроницаемости, однако простого способа испытаний в полевых условиях пока не предложено. Математический метод встречает определенные трудности из-за непостоянства формы различных зерен заполнителя.

Однако это не единственная причина того, почему проектирование состава бетона на основе удельной поверхности заполнителя не получило всеобщего признания. Было выявлено, что вычисление площади поверхности не представляется возможным для зерен заполнителя более мелких, чем размер отверстий британского сита № 100, и для цемента. По-видимому, эти частицы, а также некоторые более крупные зерна песка выполняют в бетонной смеси роль смазки и не требуют такого же увлажнения, как крупные зерна. Это подтверждается некоторыми результатами исследований, проведенных Глэнвиллем, Коллинзом и Мэттьюзом (см. табл. 3.11).

Так как удобоукладываемость зависит от удельной поверхности. Мэрдок предложил в расчетах пользоваться эмпирическим коэффициентом удельной поверхности. Значение этого коэффициента, а также относительные значения удельной поверхности приведены в табл. 3.12.

Для определения общего влияния площади поверхности заполнителя определенного зернового состава процентное содержание по весу каждой фракции заполнителя умножают на величину коэффициента удельной поверхности соответствующей фракции, после чего полученные для каждой фракции значения суммируют. С другой стороны, Дэви нашел, что при одной и той же удельной поверхности заполнителя водопотребность и прочность бетона при сжатии являются одинаковыми Для довольно широкого диапазона зерновых составов заполнителя. Это относится как к зерновому составу со всеми требуемыми фракциями, так и к зерновому составу с пропуском некоторых фракций. Три из четырех зерновых составов, приведенных в табл. 3.13, воспроизведенных из статьи Дэви, являются составами с пропуском ряда фракций.

Выявлено, что повышение удельной поверхности заполнителя при постоянном водоцементном отношении приводит к снижению прочности бетона, что очевидно из данных табл. 3.14, воспроизводящих результаты исследований Ньюмана и Тейшеннэ. Причины этого полностью не ясны, но возможно, что снижение плотности бетона вследствие уменьшения  крупности  заполнителя  приводит  к  снижению  прочности бетона. По-видимому, площадь поверхности заполнителя является важным

фактором, определяющим удобоукладываемость бетонной смеси, хотя до сих пор точно не установлена действительная роль мелких частиц заполнителя.

Типовые зерновые системы, приведенные в «Дорожных записках» № 4, характеризуются различными значениями общей удельной поверхности. Например, при использовании речного песка и гравия четыре кривых зернового состава № 1—4 (см. рис. 3.13) характеризуются соответственно удельной поверхностью 16, 20, 25 и 33 см2/г. Свойства бетонных смесей, приготовленных на заполнителях, зерновой состав которых незначительно отличается от типового состава, будут практически одинаковыми в тех случаях, когда небольшой недостаток мелких зерен компенсируется несколько большим избытком крупных зерен. Однако это отклонение не должно быть слишком большим.

Несомненно, зерновой состав заполнителя является важным фактором, влияющим на удобоукладываемость бетонной смеси. Удобоук-ладываемость в свою очередь определяет: водопотребность и расход цемента, расслоение смеси, возможность выделения цементного молока на поверхности бетона, качество укладки и отделки поверхности бетона. Перечисленные свойства оказывают существенное влияние на свойства затвердевшего бетона: прочность, усадку и долговечность.

Таким образом, состав бетона в большой мере определяется зерновым составом заполнителя, однако выразить математически эту зависимость пока не представляется возможным.

И, наконец, следует помнить, что значительно более важным, чем подбор идеального зернового состава, является обеспечение постоянства рационального зернового состава, в противном случае бетонная смесь будет характеризоваться переменной удобоукладываемостью. Поскольку удобоукладываемость обычно корректируется в бетономешалке посредством изменения содержания воды, то это приводит к получению бетона переменной прочности.