Влияние крупного и мелкого заполнителей на свойства бетона

Оценка качества исходных компонентов и их влияние на основные свойства бетона при выполнении работ в зимних условиях

Получение бетонов заданных свойств при выполнении работ в зимних условиях требует оценки качества крупного и мелкого заполнителей, как составляющего конгломерата.

Развитие общей теории бетона и методов технико-экономических расчетов связано с разработкой интегральных характеристик качества заполнителей, позволяющих установить влияние последних на структуру бетона. Так как заполнитель составляет до 80% объема бетона, то изучение влияния свойств заполнителя на свойства бетона является одним из вопросов совершенствования технологии получения бетона с заданными свойствами.

Влияние крупного и мелкого заполнителей на свойства бетона

Прочность бетона в большей степени зависит от прочности заполнителей, т.е. от прочности исходной горной породы, используемой для их изготовления.

Для крупного и мелкого заполнителей характерны: минералогический состав; структура, текстура; физико-механические, химические и технологические свойства. Эти качества заполнителей неоднородны из-за условий залегания породы, размеров и форм месторождений. Неоднородность крупного заполнителя в результате его сегрегации, смешивания с мелким заполнителем, загрязненности глинистыми и пылевидными частицами может значительно увеличиться. От партии к партии щебень может иметь различие в гранулометрическом составе.

Полученные из горных пород заполнители имеют разную форму, шероховатость, прочность при расколе, вязкость, хрупкость, водонасыщенность, морозостойкость, по-разному взаимодействуют с агрессивной средой и т.д.

Оценке влияния сил сцепления цементного камня с поверхностью зерен заполнителей на прочностные свойства бетона, а так же степени шероховатости заполнителей на величину сцепления с цементным камнем посвящено много работ [2, 5, 6, 7, 10, 30].

Одним из показателей, характеризующих качество крупного заполнителя для бетона, является содержание в нем зерен слабых и выветренных пород [13], определяемое по ГОСТ 8736-93 и ГОСТ 8269.0-97. Требования отечественных и зарубежных стандартов по этому критерию существенно различаются. В отечественных стандартах допускается для тяжелых бетонов содержание слабых зерен до 10%, а для гидротехнического бетона - до 5%; стандарты США и Австрии ограничивают верхний предел до 5%, Индии и Японии – до 3%, ФРГ – до 4% (для бетонов, к которым предъявляются повышенные требования по морозостойкости, эта величина не превышает 2%).

Идентификация слабых зерен по величине их механической прочности, твердости, сопротивления удару, объемной массы не учитывает факторы, имеющие значение для морозостойкого зерна: общую пористость и характеристики порового строения, определяющие водопоглощение и степень насыщения зерна, а также критический размер.

Влияние заполнителя на морозостойкость бетона зависит прежде всего от способности зерен, в частности неморозостойких, при замораживании и оттаивании насыщаться во время приготовления бетонной смеси и достигать высокой степени водонасыщения при твердении и эксплуатации бетона. Следовательно, морозостойкость бетона, изготовленного на неморозостойком заполнителе, зависит от того, может или не может растворная составляющая бетона защитить зерна такого заполнителя от критического водонасыщения и, следовательно, от разрушения.

По данным В.С. Гладкова [8], на заполнителе с содержанием до 20% от общей массы неморозостойких зерен крупностью 5-20 мм и с морозостойкостью по ГОСТ 8269.0-97 всего 4-6 циклов могут быть получены бетоны, выдерживающие до 230 циклов стандартных испытаний по ГОСТ 10060.1-95. Автор связывает влияние неморозостойких зерен заполнителя на морозостойкость бетона только с их крупностью.

Месторождения гравия характеризуются большой неоднородностью по содержанию слабых пород и загрязненности, а влияние гравия на морозостойкость бетона неоднозначно. В лаборатории Научного Исследовательского Сектора Гидропроекта было испытано на морозостойкость 66 проб гравия из 32 месторождений, находящихся в 15 географических пунктах СССР. Испытания проводились по стандартной методике (от 50 до 500 циклов замораживания и оттаивания) [14]. Данные показывают, что неоднородность гравия по величине водопоглощения может значительно сказаться на его однородности по морозостойкости.

Наибольшим разнообразием свойств и воздействием на однородность бетона характеризуются карбонатные осадочные породы, составляющие более 45% от общего числа разведанных месторождений камня в России.

В связи с тем, что влияние неоднородного заполнителя на свойства бетона неоднозначно, в работе [2] было предложено три класса: с прочностью 100, 80…100 и 60…80 МПа, с последующим подразделением на подклассы с интервалом прочности 10 МПа. Предлагается подразделять каждый класс и подкласс на три группы по содержанию зерен слабых и выветриваемых пород: до 10, 10…15 и более 15%.

Изучением влияния заполнителей на технические свойства бетона занимался ряд исследователей. Так, М.Л. Нисневичем с сотрудниками [18] установили, что количество лещадных и игловатых зерен в щебне зависит от минерального состава и степени хрупкости породы. Последняя возрастает от темноцветных к светлоокрашенным минералам, а у изверженных пород - от основных к кислым. Мелкозернистая порода способствует более вероятному развитию тонкого скола, что благоприятствует возникновению лещадной формы щебня. Рост зерен породы от 0,1 до 1,1 мм уменьшает содержание лещадных зерен от 60 до 30%.

В работе [19] сказано, что увеличение содержания в щебне зерен пластинчатой и игловатой форм от 15 до 35 и 45% вызывает снижение подвижности бетонной смеси на 12…20% и 15…30%, а повышение жесткости, соответственно, 8…25% и 10…70%, в зависимости от водоцементного отношения (В/Ц) и водосодержания. Расход цемента в связи с этим повышается до 7,5%.

Причем увеличение цементноводного отношения (В/Ц) и водосодержания ослабляет влияние формы зерен щебня на удобоукладываемость бетонной смеси. Доказано, что содержание в щебне зерен лещадной и игловатой формы до 35% не оказывает существенного влияния на прочность, деформативные свойства, морозостойкость и водопроницаемость бетона. По мнению Г.В. Торлоповой [27], в щебне для обычного тяжелого бетона оптимальное содержание зерен лещадной и игловатой формы должно составлять 35%.

Авторами работ [11, 20] было изучено влияние формы зерен на состав бетонной смеси. В результате проведенной работы было установлено, что при расчете расхода крупного заполнителя на 1 м³ бетонной смеси, с использованием коэффициента его раздвижки, целесообразно учитывать объемную массу и пустотность щебня в виброуплотненном состоянии. Увеличение в щебне зерен лещадной и игловатой формы на 10% увеличивает межзерновую пустотность в среднем на 1,0% в насыпном и на 7% - в виброуплотненном состоянии.

Установлено, что использование заполнителя пластинчатой и игловатой формы в дорожном бетоне возможно, т.к. при интенсивном виброуплотнении бетона ясно обнаруживается селективная ориентация зерен заполнителя в горизонтальных плоскостях. Такой бетон оказывается анизотропным, с повышенной прочностью при сжатии в вертикальном направлении и при растяжении - в горизонтальном.

Структура заполнителя в значительной степени определяет реологические свойства бетонных смесей и механические свойства бетона [5].

За последние годы исследователями разработан ряд экспресс-методов испытаний заполнителя, и некоторые из них нашли широкое применение в практике оценки качества заполнителя для бетона. Внедрение экспресс-методов испытаний существенно сокращает сроки получения информации о качестве материала [15, 20] и его влияние на свойства бетона.

Оценка пригодности крупного заполнителя для морозостойких бетонов была сделана О.В. Кунцевич [12, 13]. Им предложен ускоренный метод, предусматривающий испытание на морозостойкость образцов бетона с обнаженными зернами заполнителя, в котором обеспечена морозостойкость растворной части. Метод позволяет выявить степень изменения прочности, как зерен заполнителя, так и растворной части бетонных образцов под воздействием попеременного замораживания и оттаивания. Сравнительная оценка качества различного рода заполнителей производилась путем испытания бетона с постоянным содержанием и качеством цементного камня. Для этого бетонную смесь приготавливали на предварительно насыщенном до постоянной массы и обтертом влажной тканью крупном заполнителе, который дозировали по объему. Следует отметить, что предварительное водонасыщение имитирует также наихудшие условия работы заполнителя в бетоне с точки зрения его влияния на морозостойкость последнего.

В работе [13] приведены результаты, которые показывают, что морозостойкость бетона определяется в первую очередь качеством растворной составляющей и во вторую - качеством крупного заполнителя. Установлено, что система условно замкнутых пор с определенными параметрами (размером пор L < 0,3 мм) является необходимым структурным элементом, позволяющим в десятки раз повысить морозостойкость раствора и бетона.

Несмотря на некоторое улучшение методов оценки качества заполнителей, достигнутое в последнее время, многочисленные исследования показали, что характеристики заполнителей, определяемые по существующим методикам, не позволяют оценить достаточно достоверно и однозначно влияние того или иного заполнителя на структуру и свойства бетона (в особенности на его морозостойкость).

Оценка качества заполнителей по отдельным показателям: механической прочности, формы и удельной поверхности зерен, зернового и минералогического состава, состояние поверхности зерен, пористости, прочности и т.д., - не может быть достоверной и полной. Поэтому ни одна из этих характеристик практически не учитывается ни при определении состава бетона, ни при прогнозировании его свойств.

Несомненно, что правильнее всего характеризовать качество заполнителя путем испытания его непосредственно в бетоне.

Понятие объемной концентрации цементного теста в бетонной смеси и его истинного В/Ц дают новые возможности для разработки универсального метода оценки качества любого заполнителя непосредственно в бетоне. Чтобы выявить влияние заполнителя в бетоне и исключить побочное влияние, оказываемое различием в количестве и качестве цементного камня, необходимо проводить испытания в бетонах с определенными значениями C (объемная концентрация цементного камня) и W (истинное водоцементное отношение), т.е. проводить испытания в бетонах сопоставимых структур.

Определение качества заполнителей в бетонах сопоставимых структур дает, несомненно, положительные результаты [3, 12, 23, 27]. Однако роль заполнителя в бетоне более многообразна. Свойства бетонов определяются не только свойствами компонентов и соотношениями между ними, но и структурой бетона. В различных структурах заполнитель может проявлять себя по-разному [2, 12, 15]. Расположение заполнителя определяется, прежде всего, объемной концентрацией цементного теста в бетонной смеси.

В качестве характеристики влияния заполнителя на прочность бетона была предложена относительная марка заполнителя R_отн [4, 19, 23], на морозостойкость – коэффициент влияния заполнителя (К_зм,) определяемые как отношение прочности или морозостойкости бетона на исследуемом заполнителе к свойству бетона на базисном заполнителе. Коэффициенты влияния заполнителя на изучаемое свойство определялись по результатам испытаний заполнителя в бетоне с фиксированным значением C и W с учетом водопотребности заполнителя.

Эти коэффициенты являются интегральными критериями качества заполнителей, т.к. учитывают комплексное воздействие, связанное с их прочностью, морозостойкостью, водопотребностью, состоянием поверхности, химической активностью и т.д.

Нахождение коэффициента влияния заполнителя на морозостойкость бетона – длительный процесс, связанный с испытаниями бетона по ГОСТ 10060.1-95. Поэтому требуется разработка ускоренного метода определения влияния заполнителя на морозостойкость бетона.

Изменчивость свойств заполнителей является одной из основных причин, снижающих однородность бетона. Несмотря на это неоднородность заполнителей изучена недостаточно, отсутствуют действенные критерии оценки, позволяющие оперативно учитывать свойства заполнителей при подборе состава бетона и корректировать его в процессе производства.

Неоднородность заполнителей влияет на изменчивость свойств бетона. В связи с этим авторами пособия был проведен эксперимент по определению колебания прочности бетона на крупном заполнителе. В течение анализируемого периода ежедневно отбирали пробу щебня. В заводской лаборатории на составе бетона В20 изготавливали образцы на исследуемом щебне. Причем мелкий заполнитель и портландцемент, применяемый для изготовления образцов, имели постоянные характеристики: портландцемент белгородского завода М500, с нормальной густотой цементного теста 26%, и мелкий речной песок, с модулем крупности 1,7 и содержанием глинистых частиц 2,7%.

Смесь готовили в бетоносмесителе гравитационного действия при продолжительности перемешивания 1,5 минуты (оптимальное время для перемешивания смеси заводского состава на щебне из гранита). Уплотнение производилось на виброплощадке. Пропаривали образцы по существующему на заводе режиму для данной марки: предварительная выдержка – 4 ч, подъем температуры – 3 ч, изотерма – 5 ч при температуре 70˚С, снижение температуры – 3 ч.

Результаты испытаний образцов на прочность при сжатии и открытой пористости за анализируемый период приведены на графиках (рис. 1.1, 1.2).

Рис. 1.1. Изменение пористости бетона на гранитном щебне

Рис. 1.2. Изменение прочности бетона на гранитном щебне

Данные на графике представляют собой средние по шести измерениям, обработанные статистическим методом. Результаты статистической обработки данных за анализируемый период представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Статистические характеристики свойств бетона

за анализируемый период

Показатель, размерность	Среднеквадратичное отклонение	Коэффициент вариаций ν, %
Отпускная прочность при сжатии, МПа	32,5	11,0
Открытая пористость, %	12,2	4,8

Анализ полученных данных показал, что на неоднородность бетона влияет качество исходных материалов и технология приготовления.

Несмотря на определенные позитивные результаты лабораторных исследований и ограниченные объемы опытно-производственного опробования до настоящего времени, нет ответа на вопрос о совокупном влиянии качества заполнителя на технические свойства бетонной смеси, а также на структуру и свойства бетона в связи с влиянием особенностей заполнителей и технологией изготовления конструкций.