Заполнители для бетонов. 4

     ВВЕДЕНИЕ 

     Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема и  оказывают влияние на свойства бетона, его долговечность и стоимость. Введение в бетон заполнителей позволяет резко сократить расход цемента, являющегося наиболее дорогим и дефицитным компонентом. Кроме того, заполнители улучшают технические свойства бетона.

     Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя  несколько увеличивает прочность и модуль деформации бетона, уменьшает деформации конструкций под нагрузкой, а также ползучесть бетона — необратимые деформации, возникающие при длительном действии нагрузки. Заполнитель уменьшает усадку бетона, способствуя получению более долговечного материала. Усадка цементного камня при его твердении достигает 1 ... 2 мм/м. Из-за неравномерности усадочных деформаций возникают внутренние напряжения и даже микротрещины.

     Заполнитель воспринимает усадочные напряжения и в несколько раз уменьшает  усадку бетона по сравнению с усадкой  цементного камня.

     Пористые  естественные и искусственные заполнители, обладая малой плотностью, уменьшают  плотность легкого бетона, улучшают его теплотехнические свойства. В  специальных бетонах (жаростойких, для защиты от радиации и др.) роль заполнителя очень высока, так  как его свойства во многом определяют специальные свойства этих бетонов.

     В силикатных бетонах заполнитель  помимо своего обычного назначения играет особо важную роль, так как его  зерна с поверхности вступают во взаимодействие с вяжущим веществом  и от их минералогического состава  и удельной поверхности во многом зависят свойства получаемого бетона.

     Стоимость заполнителя составляет 30 ...50% (а  иногда и более) от стоимости бетонных и железобетонных конструкций, поэтому  применение более доступных и  дешевых местных заполнителей в  ряде случаев позволяет снизить  стоимость строительства, уменьшает  объем транспортных перевозок, обеспечивает сокращение сроков строительства.

     Правильный  выбор заполнителей для бетона, их разумное использование — одна из важных задач технологии бетона. 
 

     ИСТОРИЧЕСКАЯ  СПРАВКА 

     Начав работать с бетоном, римляне не могли  не обратить внимания на качество заполнителей. Так, для удобства их применения уже  с середины I в. до н. э. вводится классификация  заполнителей по виду породы, загрязненности, а также в зависимости от назначения будущего бетонного сооружения. Об этом свидетельствуют работы археологов и древних авторов, так, по виду и  условиям залегания пески подразделялись, как и теперь, на речные, морские и горные (овражные), или как их называли прежде — котлованные. При этом существовало дополнительное разделение каждого вида песка по окраске и загрязненности.

     Витрувий  в кн. II, гл. 4 писал о том, что  «...Есть следующие сорта горного  песка: черный, серый, красный и карбункул (песок вулканического происхождения). Из них наилучшим будет тот, который  скрипит при растирании в руке». В большинстве случаев он советовал  применять чистые «без примеси земли» пески. Так, для кладки стен и сводов Витрувий рекомендовал только мытый  песок, а для штукатурных работ  — очищенный речной. Морской песок, по его мнению, в большинстве случаев  нежелателен, так как содержит примеси  солей, которые ведут к выцветанию стен. При этом, как пишет Витрувий, наличие в песке соли, обладающей гигроскопическими свойствами, затрудняет высыхание раствора, задерживая тем  самым сроки строительства. Такое  утверждение не противоречит современным  техническим условиям на мелкий заполнитель. Есть сведения, что заполнители для  бетона (особенно пуццолановые) обязательно  промывались.

     Интересны указания римлян по заготовке бутовых  камней и щебня для бетона. «Надо  добывать камень не зимою, а летом,—  пишет Витрувий (кн. II. гл. 4),— и  оставлять его вылеживаться на открытом воздухе два года до начала стройки. Тот камень, который за это двухлетие  будет поврежден непогодой, пойдет на фундамент, остальной же, оказавшийся  испорченным, пойдет для надземной  части здания как испытанный природою и могущий сохранить свою прочность...»  Методы определения чистоты заполнителей были весьма простыми, а требования к ним более жесткими. «...Если насыпать песок на белое полотенце  и затем потрясти или подбросить его и он не оставит пятен и  землистого осадка, то будет годен...» (Витрувий, кн. II, гл. 4). Особое значение для бетона имеет зерновой (гранулометрический) состав его заполнителей. Песок и  щебень или гравий должны состоять из зерен различной величины, тогда  объем пустот в них будет минимальным, а чем меньше объем пустот в  заполнителе, тем меньше требуется  вяжущего вещества для получения  плотного бетона. О том, что римляне  придавали большое значение зерновому  составу заполнителей, говорят результаты испытания их сооружений, выполненных  в наше время.

     Так при исследовании римских развалин в Англии было выявлено, что из 58 бетонных образцов стен 55 имели заполнитель  с одинаковой наибольшей крупностью, проходивший сквозь сито с отверстием 12 мм. Из 209 образцов бутовой кладки 200 имели заполнитель с наибольшей крупностью 19 мм и удовлетворительную по сегодняшним требованиям область зернового состава. Зерновой состав заполнителей из бетонов моста Траяна и водопровода близ Кельна также показал большую сходимость с современными требованиями. Есть и еще ряд подобных примеров.

     Следует также отметить частое использование  дробленого щебня, причем «...не тяжелее  фунта» (т. е. 327 г), как требует этого  Витрувий. Вероятно, к началу 1 в. н. э. римскими строителями было установлено, что заполнитель оказывает вполне определенное влияние на свойства бетона. Этот вывод подтверждается многочисленными  примерами.

     Так, при строительстве Колизея в  бетоне был применен заполнитель  трех видов: для фундаментов —  плотный и тяжелый щебень из высокопрочной  лавы, для стен — более легкий известняк, а в сводах и перекрытиях  — легкая пемза и туф. 

     КЛАССИФИКАЦИЯ

     Основными признаками стандартизованной классификации  разнообразных заполнителей для  бетона (ГОСТ 25137—82) являются: происхождение, крупность зерен, характер формы  зерен, плотность.

     По  размерам зерен заполнители подразделяют на:

     - мелкий (песок с размером зерен  до 5 мм);

     - крупный (с зернами свыше 5 мм). Крупный заполнитель в свою  очередь подразделяют по форме  зерен на гравий и щебень. Гравий  состоит из зерен окатанной  формы, щебень – угловатой.

     По  насыпной плотности крупные заполнители делятся на:

     - тяжелые (свыше 1000 кг/м³);

     - легкие (до 1000 кг/м³)

     Граница между тяжелым и легким песком – 1200 кг/м³.

     По  структуре заполнители могут быть:

     - плотными;

     - пористыми. К пористым относят  такие, пористость зерен которых  не менее 10%.

     В настоящее время для бетонов  используют несколько десятков разновидностей заполнителей.

     По  источникам получения  и методам производства их можно разделить на 2 основных класса (с последующей детализацией):

        1. Природные (естественные) заполнители:

     а) добываемые непосредственно в месторождениях и сразу пригодные к применению (например, песок вторичных отложений);

     б) сортированные (песок и гравий, получаемые сортировкой природных песчано-гравийных  смесей);

     в) дробленые (щебень и песок, получаемые дроблением горных пород).

        2. Искусственные заполнители:

     а) из отходов промышленности, пригодных  к применению непосредственно или  после несложной, только механической (дробление, рассев) обработки (например, золы, топливные шлаки, отвальные  металлургические шлаки, отходы от переработки  древесины);

     б) получаемые специальной переработкой промышленных отходов (например, шлаковая пемза, зольный гравий);

     в) получаемые из природного сырья путем  вспучивания или спекания при  обжиге (например, керамзит, аглопорит).

     Наконец, по назначению заполнители можно классифицировать, как это частично принято в действующих стандартах:

1. Для тяжелого бетона
2. Для легкого бетона
3. Для жаростойкого бетона
4. Для кислотостойкого бетона
5. Для щелочестойкого бетона
6. Для защиты от радиации
7. Для декоративного бетона и т.д.

СЫРЬЕВЫЕ  МАТЕРИАЛЫ 

     Плотные природные каменные горные породы –  основная сырьевая база для производства заполнителей.

     По  происхождению, определяющему важнейшие  отличительные свойства, горные породы подразделяются на 3 класса:

1. Изверженные
2. Осадочные
3. Метаморфические

     Изверженные горные породы образовались в результате застывания расплавленной магмы. Их структура и свойства зависят от условий, в которых остывала магма. Глубинные (интрузивные) изверженные породы, образовавшиеся при медленном остывании магмы, отличаются зернисто-кристаллической структурой, тогда как излившиеся (эффузивные) породы, образовавшиеся при сравнительно быстром остывании магмы на поверхности, застыли, не успев кристаллизоваться, и имеют стекловатую, скрытокристаллическую или порфировую (с кристаллическими вкраплениями) структуру.

     По  химическому составу изверженные  породы подразделяются на:

     - кислые (SiO₂ более 65%);

     - средние (55-65%);

     - основные (менее 55%).

     К кислым относятся граниты - глубинные  породы зернисто – кристаллической  структуры. Породообразующие минералы гранита: полевые шпаты – до 70%, кварц (кристаллический кремнезем  SiO₂) - более 20%, слюды и др. – около 5%. Из изверженных пород граниты наиболее широко используются для производства заполнителей.

     Граниты имеют плотность 2600-2700 кг/м³, близкую к плотности составляющего их вещества, поскольку пористость гранитов мала. Водопоглощение обычно не превышает 0,5%. Предел прочности при сжатии, как правило, более 100 МПа, часто достигает 200-250 МПа. Прочность при растяжении примерно в 50 раз меньше. Цвет обычно красноватый или серый.

     К средним изверженным породам  относятся глубинные породы (диорит, сиенит) и их излившиеся аналоги (андезит, трахит). Последние весьма активно  взаимодействуют с щелочами, поэтому  возможности их применения в цементных  бетонах ограничены. Они кислотостойки  и применяются в качестве заполнителей в кислотостойких бетонах на жидком стекле.

     Диорит  и сиенит отличаются от гранитов отсутствием  кварца. Встречаются они реже. Преобладает  зеленоватая окраска, темная у диорита, светлая у сиенита. Предел прочности  при сжатии диорита – до 250 МПа, сиенита – до 180 МПа. Для производства заполнителей могут применяться  наравне с гранитами.

     К изверженным горным породам с  малым содержанием кремнезема (основным) относятся глубинная порода габбро и излившиеся базальт и диабаз. Эти породы отличаются особо высокой  прочностью (предел прочности при  сжатии до 300-500 МПа) и большой плотностью (более 3000 кг/м³). Габбро – порода преимущественно крупнокристаллическая, базальт и диабаз – мелко- или скрытокристаллические. Цвет этих пород – от серого до черного, иногда с зеленым оттенком. В значительных объемах используются для производства заполнителей.

     Осадочные горные породы образовались в природе как результат разрушения первичных пород. Под действием воды, ветра, переменных температур, химической и биохимической коррозии горные породы постепенно разрушались, образуя материал для новых, вторичных отложений.

     Обломочные  осадочные породы образовали залежи песка и гравия – самых доступных, дешевых и широко применяемых  заполнителей для бетонов. Это рыхлые породы, представляющие собой скопление  обломков материнской горной породы, чаще всего зерен кварца как наиболее стойких (менее стойкие минералы горных пород, в частности гранитных, явились исходными реагентами для  образования глинистых минералов).

     Кварцевыми  называют пески с содержанием  кварца более 60% (нередко до 95%). Пески  с содержанием зерен полевого шпата до 50% называют кварцево-полевошпатовыми, а при большем содержании таких  зерен – полевошпатовыми.

     Большинство эксплуатируемых месторождений  песка и гравия аллювиального  происхождения. Они образованы речными  отложениями. Как известно, вода в  зависимости о скорости течения  может переносить более или менее  крупные зерна горных пород. Вода не только переносит и переотлагает залежи песка и гравия, но одновременно промывает и сортирует их. Зерна  песка и гравия в речных ( а  также морских, озерных) отложениях имеют более или менее окатанную  форму.

     Песок и гравий горные (овражные) ледникового  происхождения не отсортированы, залегают в виде песчано-гравийных смесей и часто загрязнены глинистыми примесями. Более окатанными являются обычно крупные  зерна гравия, мелкие же зерна могут  иметь шероховатую поверхность. Среди окатанных зерен много  менее прочных карбонатных (из обломков известняков).

     Эоловые залежи песков, образованные ветрами, в бетонах применяются ограниченно. Эти пески слишком мелки, а  их зерна имеют очень гладкую, полированную поверхность, что ухудшает их сцепление с цементным камнем. 

     Значительное  место в производстве заполнителей для бетона отводится карбонатным  осадочным породам – известнякам  и доломитам.

     В природе встречаются известняки главным образом органогенного  происхождения. Они представляют собой  продукты жизнедеятельности и отмирания  различных организмов в водных бассейнах, скопившиеся, уплотнившиеся и частично кристаллизовавшиеся в течение  длительных геологических процессов. Плотные кристаллические известняки имеют плотность до 2700 кг/м³ и предел прочности при сжатии до 200 МПа. Другие разновидности известняков могут быть неоднородны по плотности и прочности.

     Основной  породообразующий минерал известняков  – кальцит CaCO₃. Известняки стойки при воздействии щелочей в среде портландцементного камня, отличаются хорошим сцеплением с ним в бетоне. Имеют преимущественно светло-серый или желтоватый цвет.

     Доломит составлен одноименным минералом  CaCO₃×MgCO₃. Эта горная порода также может быть весьма плотной и прочной. Распространены доломитизированные известняки с различной степенью замещения карбоната кальция карбонатом магния.

     Метаморфические горные породы образовались в результате изменения изверженных или осадочных пород в толще земной коры под действием высоких давлений и температур, а также сдвигов.

     Из  метаморфических пород для производства заполнителей используются гнейсы –  метаморфизированные граниты. От гранитов гнейсы отличаются слоистым строением. Если слоистость (сланцеватость) сильно выражена, то при дроблении такой  породы образуются пластинчатые зерна, что нежелательно.

     Метаморфизированные кремнистые песчаники – кварциты, представляют высокопрочную горную породу из сросшихся между собой  кристаллов кварца. Кварциты стойки к  воздействию щелочей и кислот. Однако сцепление их с цементным  камнем недостаточное.

     Мраморы образовались в результате перекристаллизации известняков, составлены кристаллами  кальцита, часто с примесью доломита. Имеют высокий предел прочности (до 300МПа), разнообразную окраску, при  дроблении образуют зерна с шероховатой  поверхностью, обеспечивающей хорошее  сцепление с цементным камнем в бетоне.

     При разработке месторождений природного сырья необходимо предварительно оценить  возможные экологические последствия. Сырье необходимо добывать бережно, стремиться к его полному и  экономному использованию, а после  выработки месторождения производить  работы по максимально возможному восстановлению ландшафта и рекультивации земель. 

     ОСНОВНЫЕ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ 

     Бетон состоит из смеси цемента, заполнителя  и воды.

     Цемент - гидравлическое вяжущее вещество при перемешивании с водой  и твердении в течение определенного  срока на воздухе или под водой  превращается в нерастворимый в  воде материал. Заполнитель - песок и щебень (природный или искусственный) различных фракций. Укладывая бетон в форму, ему после твердения придают определенную форму. Для строительства индивидуальных домов бетон готовят различными способами: начиная от замеса вручную или в небольших бетономешалках и кончая изготовлением его в заводских условиях. Вследствие его широкого применения о нем сложились самые различные понятия, в связи с чем в процессе строительства допускают характерные ошибки.

     На  площадке, где ведется строительство  хозяйственным способом, нельзя осуществлять надлежащий контроль качества бетона. В большинстве случаев приготовлением, транспортировкой, укладкой и уходом за бетоном занимаются неспециалисты, вследствие чего редко соблюдаются  относящиеся к этому виду работ  технические требования. Бытует мнение, что рабочие строительной промышленности, выполняя для индивидуального строительства  значительный объем работ, обеспечивают такое же их качество, как и у  себя на предприятии. Это верно лишь отчасти, поскольку налицо существенная разница между этими работами с точки зрения условий строительства. Государственные предприятия обеспечены машинами, материалами хорошего качества и, что особенно важно, осуществляется постоянный контроль за качеством. На каждой строительной площадке есть мастер, прораб, каждый вид работ проверяется  техническим контролером. Тем не менее качество выполнения работ  на государственных или кооперативных  стройках различное. При строительстве  индивидуального дома в большинстве  случаев контроль за качеством отсутствует, лишь строительство коллективных кооперативных  домов обеспечивается должным контролем. Однако и здесь его задачи чаще всего упрощены. Таким образом, возможность  улучшения качества бетона, используемого  в индивидуальном строительстве, практически  отсутствует. Единственный выход - обучение индивидуальных застройщиков (которым  никогда не следует пренебрегать) основам технологии бетонных работ, а также обеспечения индивидуального  застройщика товарным бетоном, изготовленным  на заводах.

     Из-за недосмотра или неправильного складирования  допускают загрязнение заполнителей, что отражается на качестве готового бетона. Прочность его зависит  от многих факторов, особенно от прочности  заполнителя. Если он не имеет, по крайней  мере, двойной прочности бетона, то с ним невозможно получить бетон  заданной прочности. Легко понять, почему снижается прочность бетона при  засорении его глинистым грунтом. Качество материала снижают также  попавшие в гравий отходы древесины, стружка, битый кирпич, куски шлака, снега и льда. Присутствующие сначала  в гравии, а затем в бетоне органические вещества могут снизить прочность  вследствие образования коррозии в  арматуре.

      Технические требования ограничивают содержание глинистых примесей до 3% по объему; содержание глинистых частиц в количестве 6 и 16% по объему снижает  прочность бетона соответственно на 10 и 50%. Наличие глины может быть определено простым анализом, который  может выполнить каждый. Литровую стеклянную банку наполняют песчанистым  гравием, а затем до 3/4 объема водой. Через 1 ч после интенсивного взбалтывания поверх гравия виден слой илистых  и глинистых частиц, толщину которого можно измерить и соотнести со всем объемом гравия. Излишнее содержание глины может быть снижено многими  способами. Одним из них - промывка, другой состоит в том, что заранее очищенный от глинистых частиц и пропущенный через грохот заполнитель добавляют в песчанистый гравий. В бетоне с загрязненным илистыми или глинистыми частицами заполнителем чаще образуются усадочные трещины. 
 
 

     рис. 1 'Промывка песчанистого гравия от глины'

      1 - песчанистый гравий;

      2 - направление потока воды;

     3 - сток воды 

     Важнейшим составляющим бетона является вяжущее  вещество - цемент. Рецептуру, определяющую содержание различных компонентов, и рекомендации по приготовлению бетонной смеси можно найти в любой справочной литературе о бетоне. Без учета этих рекомендаций невозможно приготовить доброкачественный бетон. Допускают ошибку, когда в бетон замешивают больше цемента, чем необходимо. Это не дает значительного прироста прочности, более того, наблюдается определенное снижение прочности. Следовательно, бетон обладает наибольшей прочностью, когда в нем имеется такое количество цементного теста, какое необходимо для заполнения пространства между заполнителем. Если заполнитель как бы "плавает" в цементном тесте, нарушается структура каркаса, который обеспечивает бетону несущую способность. В результате в бетоне происходит чрезмерная усадка, появляется обилие трещин.

     Также вредно при приготовлении бетонной смеси уменьшение по сравнению с  требуемым количества цемента. Это  может произойти из-за желания  сэкономить вяжущее, а также вследствие использования песчанистого гравия неоптимального гранулометрического  состава. В бетоне, приготовленном с  малым количеством цемента, частицы  заполнителя не обволакиваются вяжущим  и "склеиваются" друг с другом только отдельными точками. Бетон не только обладает в этом случае пониженной прочностью, но из-за незаполненности  пространства между заполнителем становится водопроницаемым, не защищает арматуру от коррозии, что может привести к разрушению железобетонной конструкции.

     Большая оплошность - использование "мертвого", "залежалого" цемента. Применение такого комковатого вяжущего обернется  источником многих неприятностей. Оставшийся от других строек цемент, покупаемый по сниженным ценам, может стать  причиной таких дефектов в конструкциях, устранение которых потребует таких  расходов, которые многократно  превзойдут сэкономленные средства. 
 

      рис.2

      'Правильное складирование мешков с цементом'

     1 - брезент; 

     2 - направление проветривания; 

     3 - мешки с цементом;

     4 - сосновый брус;

     5 - дощатый настил М_max = 1,8м 

     Цемент  может потерять свои свойства не только вследствие "старения", но и в  результате неправильного хранения. Его следует хранить только в  сухом, защищенном от ветра и хорошо изолированном от влажного воздуха  помещении. В складском помещении  мешки с цементом укладывают на деревянный настил, который отстоит от пола не менее чем на 30 см. Даже в сухую  погоду цемент не рекомендуется хранить  более трех месяцев, но если этого  избежать нельзя, то мешки плотно накрывают  брезентом, исключая тем самым доступ влажного воздуха. Впитывая влагу из воздуха, цемент слеживается, начинаются процессы гидратации (схватывания), образуются комки.

     С течением времени цемент в определенной степени теряет первоначальную прочность. Так, портландцемент марки 350 при хранении в кирпичном складе при температуре 20^oC за месяц теряет до 25% своей прочности, на открытой со всех сторон площадке под навесом - до 50%. Дата изготовления цемента проставляется заводом на внешней стороне мешка. Перед началом замешивания всегда следует убедиться в том, что цемент не залежалый. Если с момента выпуска его прошло более 90 суток, то использовать цемент следует только после заключения специалиста. Цемент в открытом мешке можно хранить в сухую погоду не более недели, в сырую - не более суток. К бетономешалке следует подавать столько вяжущего, сколько можно истратить за рабочий день.

     При реконструкции старых домов можно  обнаружить, что ранее использовали глиноземистые цементы. В обычных  цементах оксида алюминия содержится 5-9%, в глиноземистых - 40-50%. Было установлено, что через двое суток бетон  набирал такую прочность на излом, какую бетон на обычном цементе  приобретал лишь через 28 суток. Однако с течением времени материал быстро терял свою прочность, что явилось  в свое время причиной целого ряда разрушений. Снижение прочности происходит из-за процесса кристаллизации, который  ускоряется с повышением температуры  и влажности. Опыт показывает, что  уже при 20^oC начинается процесс кристаллизации. Во всяком случае, следует отметить, что прочность конструкций из глиноземистого цемента постепенно снижается, и при реконструкции нагрузку на них следует рассчитывать с учетом уменьшающейся несущей способности.

     Третьей составляющей бетона является вода. Химические процессы схватывания и твердения требуют присутствия воды. Поверхность бетона во время схватывания и твердения необходимо постоянно держать во влажном состоянии. Если этого не делать, бетон "перегорает" и достигает только части расчетной прочности. Для затворения бетона нужна чистая вода. Питьевая водопроводная вода пригодна без дополнительного исследования. Там, где нет водопровода, воду необходимо исследовать в лаборатории, чтобы определить, не содержит ли она вредных для бетона веществ. Иногда вода, пригодная для питья, может оказаться непригодной для затворения (например, термальная, лечебная, питьевая минеральная) из-за содержания в ней различных примесей солей. 

     ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ

     Для приема исходного материала и  его последующей подачи на щековую  дробилку (3), через грохот грубого  помола (2), предназначен бункер - питатель пластинчатый (1). После первой стадии дробления на щековой дробилке материал подается на вторую стадию дробления  в конусной гидравлической дробилке среднего типа (4).

     Дробленый продукт с конусных дробилок поступает  на ленточный конвейер, подающий материал на классификацию, которая производится на грохоте (5) инерционного типа с 4 ярусами  сит (40, 20, 13.4 и 5 мм).

     Полученные  готовые фракции щебня 20-40 мм; и  песок размером не более 5 мм собираются с грохотов на конвейеры и складируются в конусы.

     Продукт фракции более 40 мм (выход не более 5-10 %) возвращается с помощью конвейера на додрабливание в конусную дробилку. Из нее фракции щебня попадают на конусную гидравлическую дробилку (7) мелкого дробления через уравнительный бункер с вибропитателем (6). После чего продукт снова попадает на грохот (5), от куда фракции не более 20 мм поступают на уравнительный бункер с вибропитателе (8). Пройдя через бункер фракции щебня попадают на центробежную ударную дробилку (9), затем фракции не более 20 мм проходят классификацию на грохоте (10), где делятся в соответствии и размерами 5-20мм и 0-5мм и складируются в конусах.