Заполнители для бетонов – особенности пористых, теплоизоляционных добавок

Основными видами бетона предназначенного для возведения жилых и коммерческих зданий, является легкие и тяжелые бетоны. В основе легкого и тяжелого бетона, лежат четыре компонента: цемент, крупные и мелкие заполнители для бетона и затворитель (вода).

Крупные заполнители определяют прочность бетона, а мелкие выполняют вспомогательную функцию – обеспечение надежного контакта частиц крупного заполнителя и связующего. Для изготовления легкого и тяжелого строительного материала используются разные типы крупного и разные виды мелкого наполнителя.

Влияние заполнителей на качество

Качество заполнителей сильно влияет на качество железобетона.

Оценивают качество заполнителей по следующим показателям:

физико-механическим свойствам:

• прочности,
• морозостойкости,
• сопротивляемости ударным воздействиям,
• истираемости,
• плотности,
• пустотности,
• водопоглощаемости,
• объемному весу в куске,
• насыпному;

геометрической характеристике:

• зерновому составу,
• крупности,
• форме,
• степени окатанности,
• шероховатости зерен;
• степени чистоты и необходимой доброкачественности; содержанию в заполнителях вредных и загрязненных примесей, слабых и нестойких включений, петрографической однородности.

Мелкий заполнитель

Им является песок — продукт естественного разрушения или дробления горных пород, удовлетворяющий требованиям ГОСТ.

Важнейшей качественной характеристикой песка является его зерновой (гранулометрический) состав, влияющий на все свойства бетона, особенно высокопрочного. Зерновой состав песка особенно сильно влияет на технологические свойства бетонной смеси — ее подвижность, жесткость, удобоукладываемость и формуемость, которые отражаются на расходе воды и цемента в бетоне, коэффициенте уплотнения смеси при располагаемом оборудовании. Необходимо оптимальное сочетание удельной поверхности и крупности песка.

Песок (с размером зерен от 0,14 до 5 мм) вводится в наименьшем количестве, при котором растворная часть бетонной смеси получает вязкость, необходимую для поддержания щебня или гравия во взвешенном состоянии при перевозке и укладке. В одно и то же количество данного цементного клея для получения одной и той же вязкости раствора можно ввести разное количество песка в зависимости от его свойств; размещение клея и избыточной в нем воды происходит по поверхности зерен. Поэтому величина последней в единице объема песка (удельная поверхность) и крупность его зерен имеют существенное значение — при мелком песке цементного клея требуется больше.

Для уменьшения количества клея в бетоне надо учитывать также пустотность песка, т. е. объем его межзернового пространства, выражаемый в процентах (от объема песка); чем он ниже, тем меньше в бетоне требуется цементного клея.

Характеристиками зернового состава песка служат его модуль крупности (табл. 1) и кривые просеивания (рис. 1).

* Частное от деления на 100 суммы полных остатков на всех ситах с отверстиями or 2,5 до 0,14 мм.

Обычно содержащиеся в песке пылевидные и глинистые примеси с сильно развитой удельной поверхностью, а иногда и значительным водопоглощением (набуханием) резко повышают вязкость, раствора и не позволяют вводить в него значительное количество песка. Поэтому содержание таких примесей в песке для бетона сборных конструкций марки 200 и выше допускается не более 3% по весу, в том числе глины не более 0,5%. Кроме того, в песке не должно быть органических кислот, на нейтрализацию (омыление) которых затрачивается свободная известь, выделяющаяся при гидролизе C3S цемента.

Мелкий песок, предварительно рассеянный на фракции, можно обогатить добавлением других песков, имеющих зерна большей крупности. К ним относятся пески естественные или получаемые при дроблении камня на щебень из невыветрившихся изверженных, метаморфических или осадочных пород (известняков) с прочностью на сжатие (в насыщенном водой состоянии) не ниже 400 кг/см2.

Типы добавок

Добавки подразделяются на несколько групп:

• добавки для изменения физических свойств, таких как пластичность, подвижность, эластичность, порообразование;
• добавки для ускорения или замедления схватываемости, повышения сохраняемости бетонной смеси;
• пигментные и красящие добавки для придания декоративных свойств;
• средства для расширения смеси, снижения усадки и образование трещин;
• гидрофобизаторы и гидроизоляционные составы.

Крупный заполнитель

Щебень получают дроблением горных пород, лучше всего изверженных.

Доля крупного заполнителя в средней стоимости 1 м3 сборных конструкций очень велика — она достигает 15%, что равно стоимости цемента в бетоне. Поэтому соблюдение необходимых требований к качеству и свойству щебня и гравия для указанных конструкций имеет большое значение и должно быть дифференцировано для различных бетонов. Кроме того, целесообразно оптимальное сочетание отдельных фракций крупного заполнителя.

Для бетонов рекомендуется применять заполнитель, состоящий из нескольких фракций. Смесь фракций крупного заполнителе элжна обеспечивать получение ее с меньшей пустотностью и, следовательно, с наибольшим объемным весом.

Из физико-механических свойств щебня или гравия размером частиц от 5 до 70 мм, помимо сочетания отдельных фракций, наиболее важными являются прочность и в ряде случаев морозостойкость; непосредственно определить прочность можно лишь для щебня путем испытания на сжатие кубиков или цилиндров (диаметром и высотой 50 мм), изготовленных из пород, дроблением в которых он получается.

Согласно ГОСТ «Заполнители для тяжелого бетона», марка заполнителя в насыщенном водой состоянии должна быть: выше марки бетона: в 1,5 раза при марке его ниже 300 кг/см2 и не менее чем в 2 раза, если марка бетона 300 кг/см2 и выше.

Если невозможно непосредственное испытание исходной породы, пригодность гравия или щебня для бетона устанавливают испытанием их пробы на дробимость статической нагрузкой в стальном цилиндре диаметром и высотой 150 мм.

Классификация по назначению

Существуют заполнители для целевого использования:

• получения тяжелых или облегченных стройматериалов;
• приготовления декоративных смесей;
• создания плотных бетонов с повышенной теплоизоляцией;
• образования кислотостойких, жаростойких, радиационноустойчивых или им подобных изделий особого назначения.

Вернуться к оглавлению

Специальные заполнители

Жаростойкостью, пожаростойкостью, радиационной стойкостью, повышенной пористостью, морозо- и теплостойкостью и подобными свойствами наделяются изделия с раствором на специфических заполняющих веществах.

Вернуться к оглавлению

Пористые

Вулканический шлак.
Существует три основных вида:

1. Натуральные — пемза, вулканических шлак или туф, карбонаты.
2. Искусственные — керамзит, аглопорит, гранулированный или отвальный шлак, вспученный перлит или вермикулит.
3. Полученные из производственных отходов — топливные, отвальные или металлургические шлаки, грубодисперсные золы уносы и золошлаковые смеси.

Их величина должна колебаться в средних пределах 5—40 мм.

Вернуться к оглавлению

Теплоизоляционные

Для теплых стяжек применяются теплоизоляционные сверхлегкие наполнители: искусственный полистирол или древесные опилки природного происхождения.

Вернуться к оглавлению

Испытания

Допустимость данного способа объясняется тем, что при сжатии Пуассоном куски заполнителя, опираясь друг на друга в отдельных, точках, работают на растяжение под воздействием раскалывающих усилий, т. е. на отрыв одной части куска от другой, и чем они менее пробны, тем величина их дробимости будет большей. Кроме того, определяя усредненный показатель прочности большого числа зерен пробы щебня или гравия вместо средней прочности отдельных образцов их исходной породы (от прочности которых, как известно, прочность зерен различных фракций щебня значительно отличается), мы получаем более правильную оценку прочности крупного заполнителя.

Если крупный заполнитель не удовлетворяет приведенным выше требованиям, вопрос о его пригодности для бетона заданной марки решается испытанием в бетоне, что можно выполнить следующим способом, разработанным И. М. Френкелем и А. С. Дмитриевым.Соответственно требуемой марке бетона и имеющемуся цементу рассчитывают количество клея, определяя В/Ц. Затем готовят две серии образцов бетона с клеем требуемого качества: одну с содержанием крупного заполнителя в бетоне около 750 л/м3 и другую не менее 850 л/м3. Расход цемента при этом обычен для той консистенции смеси, из которой готовят образцы.

После 28-дневного стандартного хранения те и другие образцы испытывают на сжатие. Если прочность их будет не ниже марочной, испытуемый заполнитель может применяться для бетона этой марки. Если же требуемая прочность получится только в образцах, где испытываемого заполнителя меньше, его можно использовать три расходе в бетоне не более 750 л/м3. В том же случае, когда прочность бетона обеих серий окажется ниже требуемой марки, заполнитель признается непригодным. При необходимости указанное испытание образцов с применением форсированного твердения бетона (пропариванием) может быть произведено раньше 28 дней.

Кроме того, для бетонов недопустимо применять выветривающиеся горные, изверженные и осадочные породы, а также те, кремнезем которых может вступать в реакцию со щелочами цемента при содержании в нем больше 0,6% Na20 + K20 (андезиты афинитовой и порфировой структуры, кремнистые и опалосодержа-щие сланцы, халцедоновые известняки и конгломераты, риолитовые туфы и т. п.).

В гравии и щебне должно ограничиваться содержание песка щ исключаться наличие глины, так как их большая удельная поверхность вызывает недопустимое увеличение содержания цементного клея в бетонной смеси.

Крупный заполнитель должен быть разнофракционным, так как в однофракционном большая межзерновая пустот-ность приводит к увеличению содержания клея в бетонной смеси.

Для жестких бетонных смесей можно применять и однофракционный заполнитель с использованием мелкой фракции для тонкостенных изделий. Для оценки зернового состава заполнителя кривую его просеивания сопоставляют с кри-шыми материала с предельными кривыми качественного заполнителя. При выходе кривой просеивания за эти пределы применяют скорректированный по фракциям состав заполнителя.

Кроме указанного, заполнитель должен удовлетворять требованиям морозостойкости, которая определяется количеством (15 и более) циклов попеременного замораживания и оттаивания заполнителя или ускоренным испытанием в растворе сернокислого натрия.

Особенно строгие требования должны предъявляться при изготовлении тонкостенных и высокопрочных преднапряженных конструкций.

Общие сведения

Что же такое заполнитель? Как правило, это мелкий раздробленный камень, выбор которого, чаще всего, зависит от ближайших месторождений.

Традиционными наполнителями для бетона являются следующие компоненты:

• Щебень;
• Песок;
• Гравий;
• Пемза, а также многое другое.

Нередко в качестве наполнителей используют всевозможные отходы вроде шлаков. Их применение обусловлено экономией, так как цена бетона в этом случае существенно снижается.

Как правило, в бетонном растворена заполнители приходится 80-85% от общей массы. Отсюда следует, что важность выбора этого компонента сложно переоценить, так как он составляет основную часть материала.

Процентное соотношение компонентов в бетоне

Заполнители для обычного бетона

Заполнители для обычного бетона подразделяются:

• по крупности зерен: на крупные (гравий и щебень с зернами размером 5—150 мм) и мелкие (песок с зернами размерам 0,15—5 мм);
• по сортности крупного заполнителя: на рядовой (крупностью 5—150 мм) и сортовой (крупностью 5—20, 20—40, 40—80, 80—150 мм).

Максимальная крупность гравия или щебня для балок и колонн должна быть не более 1/з— 1/4 наименьшего размера сечения и не больше расстояния в свету между стержнями арматуры.

Крупность заполнителя и его зерновой состав определяются в лаборатории просеиванием через стандартный набор сит.

Для этого применяется набор сит, размеры отверстий которых в мм: квадратные отверстия — 0,14; 0,3; 0,6; 1,25; круглые отверстия — 2,5; 5; 10; 40; 80.

Взвесив остатки на каждом сите, определяют в процентах частные и полные остатки. Под полным остатком для данного сита понимается сумма частных остатков на всех более крупных ситах плюс частный остаток на данном сите.

Модулем крупности песка называется частное отделения на 100 суммы полных остатков на всех ситах, начиная от сита с размером отверстий 8,5 мм и кончая ситом с размером отверстий 0,14 мм. Необходимо иметь в виду, что просеивание (определение частных и полных остатков), а затем определение по результатам просеивания модуля крупности песка производятся над пробой песка после того, как из него удалены фракции крупностью более 5 мм.

По крупности пески делятся на группы. Использование тонких песков для строительных работ допускается только при наличии в каждом необходимом случае технико-экономических оснований, подтверждающих целесообразность их применения. Количество пылевидных и глинистых (илистых) частиц в песке, определяемое отмучиванием, не должно превышать (в % по весу)

• для бетонов — 5;
• кладочных растворов — 10;
• штукатурных растворов—15.

Содержание в песке зерен, проходящих через сито № 014, не должно превышать (в %) в песке, применяемом

1. для бетона —10;
2. в песке для кладочных и штукатурных растворов — 20.

Наибольший размер зерен (в мм) в песке для кладочных и штукатурных растворов не должен превышать в растворах для кладки:

• из кирпича и камней правильной формы —2,5;
• из бутовых камней —5;
• в штукатурных растворах, применяемых для слоя штукатурки: подготовительного — 45;
• отделочного—1,2.

Приведенная выше классификация песков и требования к содержанию в них тонких фракций

Применение для бетонов мелких песков ведет при существующей технологии производства бетонных работ, как правило, к повышенному расходу цемента.

При прочих равных условиях подвижность бетонных смесей тем больше, чем меньше удельная поверхность зерен песка (измеряемая суммарной поверхностью зерен на единицу веса в см2/г). Стало быть, замена чистого крупного песка чистым мелким ухудшает удобоукладываемость бетонной смеси и требует большего расхода цемента. При бетонах равной прочности, приготовленных из бетонных смесей одинаковой подвижности, применение мелкого песка приводит к повышению расхода цемента от 8 до 25%.

При применении мелких песков относительный перерасход цемента на 1 м3 бетона зависит от многих факторов и, в частности, от загрязненности песков глинистыми и илистыми частицами. Замена в бетонах крупных песков мелкими вызывает увеличение расхода цемента тем больше, чем больше в песке зерен крупностью ниже 0,14 мм.

Если же мелкий песок чист, то сравнение его с песком крупным, но содержащим большее количество илистых и глинистых частиц, может дать обратный результат. Расход цемента на 1 м3 бетона может оказаться меньшим при применении мелкого чистого песка по сравнению с употреблением крупного загрязненного песка. Таким образом, чистота песка является важнейшим фактором при определении целесообразности применения того или иного песка для бетона.

Выше было отмечено, что положение об увеличенном расходе цемента при применении мелких песков имеет место, как правило, при существующей технологии производства бетонных работ. По мере совершенствования технологии бетона, появления новых эффективных машин для приготовления бетонных смесей и для интенсивного их уплотнения, при укладке или формовке изделий, появятся возможности применения мелких песков в бетонах без перерасхода цемента.

Кроме крупности зерен, другой важной характеристикой заполнителей является объем пустот. В песке объем пустот должен быть не более 40%, в гравии 45% и в щебне 50%. Объем пустот в песке или гравии легко определить, наполняя мерную кружку с заполнителем водой: объем пустот равен объему влитой воды.

Содержание глинистых и пылевидных примесей в песке определяется отмучиванием в стеклянном цилиндрическом сосуде с водой. В результате отмучивания песок осаждается внизу, а пыль и глина — хорошо заметным слоем сверху. Измерив толщину слоя примесей и осевшего песка, подсчитывают процентное содержание глинистых частиц.

Для улучшения свойств заполнителей их обрабатывают (обогащают). Зерновой состав песка может быть улучшен за счет смешивания мелкого песка с высевками от дробления щебня. Для улучшения зернового состава щебня к нему можно добавлять зерна разных фракций, например мелкого гравия.

Растворы, применяемые для штукатурных работ, а также для каменной кладки, должны содержать песок, состоящий из зерен, соответствующих по размеру толщине шва. Если в песке содержатся более крупные зерна, чем это допускается по техническим условиям, удовлетворительные результаты дает просеивание песка через сетку с отверстиями размером 1—5 мм, в зависимости от назначения раствора. Для этого применяется пескосеялка.

Для ответственных конструкций рекомендуется рассеивание щебня по крупности на два сорта: 5-20 мм и 20—40 мм. Пропорция смешивания этих сортов определяется при подборе состава бетона из условия получения смеси с наибольшим объемным весом. Хорошая смесь получается, при смешении крупных и мелких зерен.

При применении в качестве крупного заполнителя известняковой щебенки следует учитывать, что прочность известняков колеблется очень сильно. Необходимо также предварительно испытывать известняковый камень на прочность и водопоглощение.

Кирпичный щебень, применяемый для изготовления бетона невысоких марок, должен быть равномерного красного цвета с плотной структурой. В качестве крупного заполнителя могут применяться металлургические шлаки, предварительно подвергнутые лабораторному испытанию, без чего их применение недопустимо.

Заполнители принимают по объему с обмером в штабелях или в транспортных средствах.

При приемке песка, а затем при дальнейших операциях с ним (объемных дозировках и пр.) необходимо учитывать, что объемный вес песка колеблется в существенных пределах в зависимости от влажности.

Песок занимает наибольший объем и имеет наименьший объемный вес при 5—7% влажности. Если принять величину объема определенного количества сухого песка за 100, то объем его при различной влажности будет соответствовать данным табл.

Некоторые особенности применения раствора разных марок

Общедоступными и востребованными марками данного строительного материала считаются М100-250. Такие составы применяются в роли универсального материала, используемого как вспомогательный раствор в процессе подготовки к заливным работам для создания монолитных конструкций, а также для укладки арматурных прутьев и т. д. Такие общедоступные марки обладают низкими прочностными показателями и полным отсутствием специализированных добавок.

Для производства строительных работ при возведении жилых объектов наиболее грамотно будет использовать смеси марок М 300-400.

Они демонстрируют великолепные практические характеристики и свойства, и цена их достаточно доступна для современного потребителя.

Марку бетона, именуемого тяжелым, М500 встретить в продаже довольно сложно. Такой материал достаточно капризен, но при этом максимально прочен. Работать с ним могут только профессионалы с богатым опытом в строительстве. Использование данной марки необходимо только при возведении объектов специального назначения или общественного значения.