Проведен обзор существующей научной литературы о характеристиках крупного и мелкого заполнителей для бетона, их пустотности и удельной поверхности, а также их влияниях на свойства бетонной смеси и бетона. Намечены существующие проблемы и векторы их решений.

Ключевые слова: бетонная смесь, бетон, крупный заполнитель, мелкий заполнитель, пустотность, удельная поверхность, удобоукладываемость, прочность.

The article presents review of the existing scientific literature on the characteristics of coarse and fine aggregates for concrete, their voidness and specific surface area, as well as their effects on the properties of the concrete mixture and concrete. The existing problems and the vectors of their solutions are outlined.

Keywords: concrete mix, concrete, coarse aggregate, fine aggregate, voidness, specific surface area, workability, strength.

Характеристики заполнителей бетона

Заполнители составляют до 80 % объема бетона, формируя его жесткий скелет и определяя ключевые эксплуатационные свойства: прочность, долговечность и технологичность смеси. Правильный подбор и их разумное применение являются одной из важных задач технологии бетонов [1]. Нормативные документы регламентируют требования к их качеству, фракционному составу и физико-механическим характеристикам.

ГОСТ 8267 регламентирует ключевые параметры щебня, обеспечивающие его пригодность для строительных работ. К ним относятся: фракционный состав, форма зерен (лещадность), марка по дробимости (и истираемости), содержание слабых зерен, морозостойкость, содержание пылевидных и глинистых частиц.

При использовании смеси фракций крупного заполнителя, большое значение имеет соотношение различных фракций, от которого напрямую зависит пустотность. При предельной крупности зерен заполнителя 20 мм рекомендуется соотношение: 30–35 % фракции 5–10 мм и 65–70 % фракции 10–20 мм. При предельной крупности зерен заполнителя 40 мм рекомендуется соотношение: фракции 5–10 мм — 20 %, фракции 10–20 мм — 30 % и фракции 20–40 мм — 50 % [2].

Прочность крупного заполнителя является важной характеристикой для обеспечения требуемой прочности бетона. Обычно, для тяжелого бетона применяется гранитный щебень, чья прочность больше прочности цементного камня, поэтому разрушение происходит именно по раствору. Если же применять менее прочный крупный заполнитель, то, при увеличении прочности раствора, прочность бетона возрастает лишь до определенных значений. Предельно достижимая прочность бетона тем ниже, чем меньше прочность крупного заполнителя, и тем выше, чем меньше содержание слабого заполнителя.

Прочность заполнителя определяется не только горной породой, из которой он получен, но и размером зерен. Поскольку, при дроблении породы, размельчение происходит по более слабым местам породы, то с уменьшением размера зерен их прочность повышается [1].

Чистота заполнителя оказывает значительное влияние на прочность бетона. Глинистые и пылевидные частицы нарушают сцепление заполнителей с цементным камнем, образуя на их поверхности пленку, из-за чего прочность может снижаться на 30 %.

Весьма важна способность бетона противостоять многократному изменению температуры. Если разница между коэффициентами температурного расширения заполнителей и цементного камня велика, то при изменении температуры в бетоне могут развиваться значительные внутренние напряжения. Многократные колебания температуры в процессе эксплуатации могут привести к «расшатыванию» структуры и появлению в бетоне трещин [3].

Влияние пустотности крупного и мелкого заполнителя на качество бетонной смеси и бетона

Пустотность заполнителей — ключевой параметр, определяющий плотность, прочность и долговечность бетона. Она влияет на расход цемента, удобоукладываемость смеси и эксплуатационные характеристики готового материала. Рассмотрим детали этого воздействия.

Крупный заполнитель (щебень, гравий) формирует жесткий каркас бетона, снижая усадку и предотвращая трещинообразование. Однако его пустотность напрямую определяет расход цементного теста. Чем выше пустотность, тем больше требуется цемента для заполнения межзерновых промежутков.

Форма зерен также влияет на пустотность крупного заполнителя. Кубовидные или округлые частицы снижают пустотность, тогда как игольчатые или лещадные (уплощенные) увеличивают её, ухудшая прочность.

Мелкий заполнитель (песок) заполняет пустоты между крупными частицами, оптимизируя структуру смеси, уменьшает общую пустотность системы, сокращая расход цемента. Но в то же время избыток мелкого заполнителя, особенно пылевидных фракций, повышает водопотребность смеси и снижает прочность бетона.

Оптимальное соотношение крупного и мелкого заполнителей критически важно. В книге Баженова Ю. М. «Технология бетона» приводится кривая зависимости объема пустот смеси от содержания крупного и мелкого заполнителя (рис. 1). Из этого можно сделать вывод, что преобладание одного или другого вида заполнителя влечет увеличение пустотности смеси, по сравнению с минимальной пустотностью при их идеальном соотношении.

Рис. 1. Кривая зависимости объема пустот смеси от содержания крупного и мелкого заполнителя

Если размер зерен крупного и мелкого заполнителя будет отличаться не сильно, то размер мелкого заполнителя может оказаться больше размера пустот в крупном заполнителе, что приведет не к снижению, а увеличению пустотности системы. Как показывает практика, для получения наиболее плотной смеси необходимо, чтобы размер зерен крупного и мелкого заполнителей отличался в 6,5 раз. Однако большее распространение получили заполнители с непрерывным зерновым составом, хот и имеющие несколько повышенную пустотность, но менее склонные к расслоению и чаще встречающиеся на практике.

Пустотность заполнителей — ключевой фактор, определяющий экономичность и технические характеристики бетона. Оптимизация зернового состава, формы частиц и их взаимного распределения позволяет снизить расход цемента, повысить плотность и долговечность конструкций.

Удельная поверхность заполнителей

Одной из важных характеристик заполнителя, которая также связана с его зерновым составом и определяет его влияние на свойства бетонной смеси и бетона, является удельная поверхность зерен заполнителя. Удельная поверхность заполнителей — это суммарная площадь их зерен, отнесенная к массе или объему.

Удельная поверхность заполнителей зависит от нескольких факторов, таких как: размер зерен, форма зерен и шероховатость.

Поверхность зерен обратно пропорциональна диаметру зерен. Поверхность возрастает с уменьшением размера зерен. При диаметре зерен менее 1 мм, удельная поверхность возрастает очень значительно.

Форма зерен также влияет и на удельную поверхность. Кубовидные зерна могут иметь большую поверхность, чем шарообразные, вплоть до 24 % [3].

Важна и микроструктура поверхности зерен заполнителя. Шероховатая поверхность зерен щебня имеет большую удельную поверхность по сравнению с гладкой поверхностью зерен гравия.

Удельная поверхность зерен заполнителя имеет большое влияние на свойства бетонной смеси. Высокая удельная поверхность требует больше цементного теста для обволакивания зерен. Мелкий песок увеличивает водопотребность смеси.

Также, при использовании мелких фракций песка, может ухудшаться удобоукладываемость, вследствие увеличения удельной поверхности, что влечет за собой уменьшение толщины слоя цементного теста. Использование более крупных фракций песка может повысить подвижность бетонной смеси без увеличения расхода цемента. Однако при использовании песков с модулем крупности более 2,5 может наблюдаться расслоение бетонной смеси.

Удобоукладываемость бетонной смеси, при прочих равных условиях, лучше на гравии, чем на щебне. Это позволяет несколько снизить водоцементное отношение при сохранении заданной подвижности. Благодаря этому в бетонах на гравии (с прочностью на сжатие не выше класса В 25) наблюдается даже экономия цемента (до 10–15 %) или увеличение прочности бетона (на 15–20 %) по сравнению с бетоном на щебеночном заполнителе, в том числе и гранитном щебне [4].

Однако, недостаток мелкого заполнителя приводит к сегрегации компонентов, особенно при транспортировке. Поэтому использование заполнителей с непрерывным зерновым составом уменьшает риск расслоения бетонной смеси.

Существующие проблемы

Существующая научная практика показывает, что действующие нормы контроля качества заполнителей допускает варьирование характеристик заполнителей в существенном диапазоне. В статье «Влияние качества крупного заполнителя на однородность свойств бетонной смеси и бетона» А. Ю. Ковалевой и И. У. Аубакировой приводятся промышленные исследования показателей качества бетонных смесей и бетонов в зависимости от характеристик применяемого заполнителя. Они показывают, что применение нефракционированного крупного заполнителя с переменчивыми характеристиками прямо отражаются на изменении свойств бетонных смесей и бетона. Коэффициент вариации прочности бетона на таком заполнителе значительно увеличивается. В связи с этим возрастают издержки на производство бетонной смеси для обеспечения требуемой прочности и удобоукладываемости, что в свою очередь ведет к снижению конкурентоспособности предприятия.

Выводы

Характеристики заполнителей являются основой свойств и характеристик будущей бетонной смеси и бетона, поэтому к их определению и контролю за ними следует относиться очень внимательно и методично. Чем постояннее свойства заполнителей, тем точнее возможен подбор состава бетонной смеси и, следовательно, тем лучше свойства получаемого бетона. В настоящее время недостаточное внимание к поддержанию постоянства характеристик заполнителей компенсируется коэффициентом запаса при проектировании составов, что приводит к перерасходу цемента и добавок, что в свою очередь ведет к удорожанию продукции. В связи с этим, для дальнейшего развития бетонной промышленности, требуется углубленное изучение влияния качеств заполнителей на свойства бетонной смеси и бетона, а также разработка способов оперативной корректировки составов в условиях постоянно изменяющихся характеристик заполнителей.

Литература:

1. Баженов Ю. М. Технология бетона. –М.: Изд-во АСВ, 2002. -500с.
2. Бабкин Л. И. Влияние однородности зернового состава крупных заполнителей на прочность бетона // Бетон и железобетон. 1987. № 1.
3. Баженов Ю. М., Ицкович С. М., Чумаков Л. Д. Технология заполнителей бетона. Москва. Высшая школа. 1991 г. — 272с.
4. Ицкович С. М. Заполнители для бетона. Мн.: Высш. школа, 1983. 214 с.
5. Ковалева А. Ю., Аубакирова И. У. Влияние качества крупного заполнителя на однородность свойств бетонной смеси и бетона.
6. ГОСТ 8267–93. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия. — Введ. 1996–01–01. — М.: Стандартинформ, 1995. — 24 с.
7. ГОСТ 8269–97. Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний. — Введ. 1998–07–01. — М.: Изд-во стандартов, 1997. — 83 с.