ЗАПОЛНИТЕЛИ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ

Наибольший объем в ИСК занимает заполняющий компонент (заполнитель). В бетонах и растворах, например, его содержание может быть до 95% по объему. Поэтому выбору качества и разно­видности заполнителей всегда уделяется большое внимание. Приме­няют заполнители неорганические и органические; преимуществен­ное применение имеют неорганические, особенно при производстве бетона, железобетона и асфальтобетона.

Заполнители неорганические, или минеральные, получают путем разработки месторождений рыхлых горных пород в виде песка или гравия, природного щебня. Широко используют дробленые горные породы — щебень, высевки, песок. Кроме природных, в качестве за­полнителей применяют также искусственные, получаемые путем об­жига глинистого сырья, других видов минерального сырья, дробле­нием металлургических шлаков.

Заполнители разделяются на мелкие и крупные. Отнесение к этим разновидностям по крупности зависит от размера наиболее крупного зерна. У мелкого заполнителя зерна не больше 5 мм, причем при просеивании остаток на сите с отверстиями 5 мм должен быть не более 5% по массе. Типичным представителем мелкого за­полнителя является песок. У крупного заполнителя все зерна круп­нее 5 мм. Размер наиболее крупных зерен в заполнителе также огра­ничивается: в зависимости от разновидности ИСК в пределах 70-80 мм. Крупный заполнитель называют щебнем при угловатых зернах или гравием — при округлых зернах.

Заполнители характеризуют зерновым (гранулометрическим) со­ставом. С целью определения зернового состава производят рассев пробы заполнителя через стандартный набор сит. Наименьшее отверстие в сите 0,14 мм, наибольшее — 70 мм. При лабораторном рассеве пробы заполнителя на ситах между двумя соседними сита­ми, например 10 и 20 мм или 1,25 и 2,5 мм, задержатся зерна различ­ной крупности в указанных пределах, что составляет соответствен­но фракцию 10-20 мм или фракцию 1,25 мм. Нередко зерновой состав называют фракционным.

Фракционный состав заполнителя является непрерывным, если содержатся все фракции, на которые рассеивается заполнитель с по­мощью сит. Фракционный состав — прерывистый, если в заполни­теле отсутствует одна или две фракции.

Плотную смесь заполнителя получают путем смешивания раз­личных отдельно взятых фракций заполнителя, количество которых рассчитывают по соответствующим формулам или подбирают по графикам, иногда — опытным путем.

Зерновые составы плотных смесей приводятся в ГОСТе с указа­нием колебаний в содержании фракций, допустимых без снижения качества готовых материалов. При окончательном выборе зерново­го состава учитывают не только насыпную плотность смеси или ее пустотность, но и удельную поверхность. Желательно уменьшать удельную поверхность в плотной смеси, с тем чтобы сэкономить на расходе вяжущего вещества.

Кроме фракционного состава, насыпной плотности и пустотности заполнителей при оценке качества определяют показатели проч­ности, морозостойкости (в отношении щебня), степень загрязненно­сти посторонними примесями, форму частиц. Учитывают также состояние поверхности зерен заполнителя, так как чем более глад­кая поверхность у зерен заполнителя, тем ниже, как правило, сцеп­ление зерен с вяжущим веществом. При необходимости оценивают химическую стойкость, водостойкость и др.

Важной характеристикой заполнителя, особенно крупного, явля­ется величина насыпной плотности. Тяжелые заполнители показы­вают в россыпи насыпную плотность свыше 1000 кг/и³. Легкие за­полнители облегчают конструкции и поэтому широко применяются в жилищном строительстве; их насыпная плотность составляет око­ло 500 кг/м³.

Поскольку, как отмечалось выше, заполнители в ИСК занимают большую часть объема и поэтому их расход очень большой, то име­ет значение стоимость заполнителей. В этом смысле всегда остаются предпочтительными заполнители из местных сравнительно дешевых материалов, в том числе из побочных продуктов местной промыш­ленности. Однако требуется повышенное внимание к оценке их ка­чества.

В теории ИСК предусмотрен показатель качества заполнителя, определяемый непосредственно в конгломерате по интенсивности изменения его свойств, например, прочности, определяемой по фор­муле (3.3). В последней этот комплексный показатель выражен вели­чиной п. Его числовое значение зависит от плотности зерновой сме­си, формы и размера частиц, состояния поверхности зерен, их прочности, способности к адгезии с вяжущим веществом и других качественных характеристик заполнителя. Числовые значения ком­плексного структурного показателя п стремятся уменьшить путем промывки заполнителя, фракционирования, обогащения, обработ­кой ПАВ или другими технологическими приемами. Из формулы (3.3) очевидно, что чем меньше числовое значение п, тем выше поло­жительная роль заполнителя в ИСК как структурного элемента.

Мелкие заполнители.К мелким заполнителям относится природ­ный или искусственный песок. Как правило, наилучшими песками в ИСК являются кварцевые. Однако при производстве безобжиговых материалов (бетонов, асфальтобетонов и т. п.) их заменяют и други­ми природными песками. Во всех песках ограничивается содержа­ние вредных примесей, к которым относятся глинистые и пылеватые фракции, сернистые и сернокислые соединения (пирит, гипс и др.), а также слюды, органические примеси (остатки неразложившихся растений, гумус, ил и пр.). Для разных конгломератных материалов устанавливают конкретные пределы допустимого содержания вред­ных примесей, которые учитываются в качестве обязательных усло­вий при применении местных песков, и приводятся специальные ме­тодики определения различных вредных примесей.

Среди природных песков встречаются горные (овражные), реч­ные, морские, барханные, дюнные и другие разновидности. Каж­дая из них имеет положительные и отрицательные показатели, проявляющиеся при использовании их в качестве мелких заполни­телей: горные пески содержат повышенное количество глинистых и органических примесей; морские кроме кварцевых зерен могут иметь обломки раковин, снижающие прочность некоторых конгло­мератов (цементных бетонов и др.); речные и морские имеют из­лишне отполированную поверхность зерен, не обеспечивающую достаточного сцепления их с вяжущим веществом; дюнные и бар­ханные пески сложены весьма мелкими частицами, не отвечающи­ми требованиям стандарта. При тщательной проверке качества песков выбирают наилучшую разновидность и рекомендуют к при­менению в данном ИСК с учетом ее стоимости и требуемого рас­хода вяжущего вещества.

Особое внимание уделяется зерновому составу песка. Важно, чтобы содержание фракций в пределах 0,16—5,0 мм было таким, при котором обеспечиваются минимальные значения пустотности и удельной поверхности.

В зависимости от зернового состава песок разделяют на круп­ный, средний, мелкий и очень мелкий. Крупность оценивается по ве­личине модуля крупности:

(9.2)

Модуль выражает частное от деления на 100 суммы полных остатков (в %) песка на ситах, начиная с сита с размером отверстий 2,5 мм и кончая ситом с отверстиями 0,16 мм. Полным остатком пес­ка A_i на каждом сите называют сумму частных остатков a_i, на дан­ном сите (в %). Частный остаток a_i, песка на каждом сите — это от­ношение массы т₁ остатка на данном сите к массе m просеиваемой навески (в %): a_i = m₁/m.

После предварительного отсева от природного песка зерен круп­нее 5 мм модуль крупности песка М_к и полный остаток на сите с сет­кой 0,63 мм должны соответствовать величинам, указанным в табл. 9.4.

Таблица 9.4. Классификация песков по крупности

Для повышения однородности зернового состава песок иногда фракционируют, чаще всего на две фракции — крупную и мелкую: крупная — с размером зерен 1,25 — 5,0 мм, мелкая — от 0,63 до 0,16 мм. В необходимых случаях зерновой состав подбирают таким образом, чтобы он соответствовал кривым просеивания плотных песчаных смесей (рис. 9.5). В правильно назначенном зерновом со­ставе пустотность песка не превышает 38%. Всегда учитывают со­держание воды, так как фактическая масса фракции в сухом песке уменьшится, а при дозировании или приемке по объему учитывают, что самый большой объем песок занимает при 5 — 7% влажно­сти (по массе). Косвенной характеристикой пустотности служит его насыпная плотность, которая у сухого квар­цевого песка в рых­лом состоянии колеб­лется в пределах 1500— 1550 кг/м³, а в уплот­ненном встряхиванием состоянии — в преде­лах 1600—1700 кг/м³.

Рис. 9.5. График зернового состава песка для бетона

Дробленый, или ис­кусственный, песок по­лучают путем дробле­ния свежих невыветре-лых магматических, ме­таморфических или плотных карбонатных осадочных пород, пре­дел прочности которых свыше 50 МПа. При дроблении стремятся получить угловатую и кубовидную форму зерен, что в большой сте­пени зависит от выбранного механического оборудования Кроме горных пород для получения дробленых песков могут оказаться пригодными некоторые разновидности шлаков, кирпичного боя шамотного легковеса (боя) и других побочных продуктов производ­ства. Однако при использовании последних важно предотвратить попадание в получаемые пески всех тех вредных примесей, которые указаны выше в отношении природных песков. Весьма ценятся об­легченные искусственные пески, получаемые измельчением природ­ных и особенно искусственных легких заполнителей. Стоимость дробленого песка выше природного, поэтому его обычно применя­ют для улучшения природных мелкозернистых песков при ответственных работах. Облегченные пески предназначены для керамзитобетона, вакулитобетона и других легких и особо лёгких конгломератов.

Крупные заполнители.В искусственных строительных конгломератах различного назначения в качестве крупного неорганического заполнителя применяют гравий и щебень. Тот и другой могут быть природными, добываемыми в соответствующих месторождениях, однако обычно под щебнем понимают не природный, а получаемый специальным дроблением материал.

Природный гравий представляет собой рыхлую смесь скатанных обломков размером от 5 до 70 мм. Горный гравий по сравнению с речным, морским и ледниковым обладает более угловатыми с шероховатой поверхностью обломками и большим количеством пылевато-глинистых примесей. Обломки гравия, обработанные водой, имеют гладкую поверхность, что ухудшает её сцепление с вяжущим веществом. Лучшей разновидностью гравия считается ледниковый, который менее окатан и имеет более равномерный зерновой состав. Все разновидности гравия (а также природного щебня и дресвы) ха­рактеризуются неоднородным петрографическим и минеральным составом, так как в их образовании участвуют разнообразные гор­ные породы и минералы. Поэтому оценка их прочности произво­дится на образцах средних проб с отбором из них зерен слабых и не­морозостойких пород и определением их содержания в процентах по массе.

Прочность щебня характеризуется маркой и определяется по его дробимости при сжатии (раздавливании) в металлическом цилинд­ре. Значительное содержание в гравии выветрелых обломков оса­дочных и других пород (иногда до 40—60%) ухудшает их механиче­ские свойства; присутствие же обломков магматических пород (гранитных валунов) и песчаников повышает его качество. При раз­работке гравийных отложений производится разделение их по зер­новому составу, поскольку другие виды обогащения затруднитель­ны. Встречающиеся в них отдельные крупные глыбы и гальку подвергают дроблению, что хотя и увеличивает стоимость, но при этом повышает качество гравийного материала. Аналогичным пу­тем поступают и при разработке отложений природного щебня, сло­женного преимущественно остроугольными обломками размером до 100—150 мм. При содержании в гравии природного песка от 25 до 40% материал называют песчано-гравийной смесью. Применение гравия и песчано-гравийной смеси в производстве строительных ма­териалов производится после предварительных лабораторных про­верок прочности, морозостойкости и других показателей качества в зависимости от конструктивных особенностей сооружения.

Щебень — материал, получаемый дроблением горных пород, ва­лунов, гальки или искусственных камней. Для этого применяют раз­личные по конструкции и мощности камнедробильные машины (рис. 9.6), от которых зависит качество получаемой продукции. Луч­шей формой щебенок считается кубовидная или тетраэдрическая, размером 5—70 мм. Содержание щебенок лещадной и игловатой форм не должно превышать 10—15% по массе. Одновременно со щебнем в камнедробильных машинах получают более мелкие песча­ные (высевки) и пылеватые фракции, которые отделяются от него в процессе грохочения.

На качество щебня установлены требования в соответствующих ГОСТах в зависимости от его назначения (для бетона, асфальтобе­тона, легкого бетона и др.). Эти требования в основном сходны: по дробимости щебня в металлических цилиндрах при сжатии, морозо­стойкости, истираемости и сопротивлению удару, зерновому соста­ву, прочности исходной породы,(обычно в водонасыщенном состоя­нии).

Рис. 9.6, Щековая дробилка для изготовления щебня: P — маховик; H — подвижная щека; G — неподвижная щека; A — станина

При производстве щебня из горных пород отдают предпочтение магматическим, особенно гранитам, габбро, диабазам, базальтам, а из осадочных — известнякам, доломитам, из побочных продуктов производства — шлакам доменного процесса, отходам керамиче­ского производства.

.Широкое использование имеют легкие крупные заполнители. Природные заполнители получают дроблением пористых известня­ков, известняков-ракушечников, вулканических и известковых ту­фов и некоторых других пористых пород; искусственные — путем термической обработки в основном алюмосшшкатного сырья с по­лучением керамзитового, аглопоритового гравия или щебня а так­же шунгизита, вакулита, вспученного перлита, термозита (шлаковой пемзы) и других пористых материалов с насыпной плотностью от 250 до 1100 кг/м³. Керамзитовый гравий и песок получают путем вспучивания в процессе ускоренного обжига (до 1200°С) гранул из легкоплавкой глины. Вспучивание происходит вследствие выделе­ния газообразных соединений (СО₂ и др.) внутри каждой гранулы. Аглопоритовый щебень и песок — путём спекания глинистой породы и отходов от добычи, переработки и сжигания каменных углей на специальных агломерационных металлических решетках с последующим дроблением продуктов обжига. Вакулитовый полый гравий получают путём накатывания слоя малопластичных высокодисперсных пород типа суглинков, супесей, зол ГЭС сланцевых, и других на «ядро» из легкосгораемого органического материала (опилок, торфа, лигнина и др.) и последующего обжига получаемых при этом сырцевых гранул. Сильно поризованные особо легкие ще­бень и песок получают при нагревании (обжиге) вермикулита, вул­канического стекла обсидиана, кремнеземистой горной породы перлита и др. Так, например, при температурах 950—1200°С вода выделяется из перлита и вспученный перлит увеличивается в объе­ме в 15—20 раз. Получил расширенное применение шунгизит, сырьем для производства которого являются вспучивающиеся шун-гитовые сланцы, содержащие до 3% шунгита — углерода особой формы.

Если требуется повышенная прочность, то искусственный запол­нитель получают утяжеленный. Для этого из маловспучивающегося глинистого сырья изготовляют керамдор, из регенерированной стекломассы — дорсил и др., качество которых обусловливается специальными требованиями заказчиков-строителей.

Заполнители сильно различаются между собой по прочности. Предел прочности при сжатии образцов, изготовленных из разных заполнителей, изменяется у тяжелых горных пород от 10 до 500 МПа, у легких — от 0,4 до 25 МПа. Принято, чтобы прочность заполнителя превосходила прочность конгломерата на 20—50%, но целесообразнее каждый раз обосновывать минимально допустимую прочность заполнителя по характеристике вяжущего вещества опти­мальной структуры.

Для тяжелого бетона марки 300 и выше прочность исходной гор­ной породы в насыщенном водой состоянии должна быть в 2 раза больше этой марки.

В настоящее время прочность крупного заполнителя определяют методом раздавливания его пробы в металлическом цилиндре с вы­числением показателя дробимости по формуле где m₁ — проба щебня (гравия), кг; m₂ — масса остатка на контрольном сите после просеивания раздробленной в цилиндре пробы щебня (гравия), кг. По дробимости различают щебень (гравий) следующих марок: 1400, 1200, 1000, 800, 600, 400, 300 и 200. В пределах этих ма­рок по дробимости при сжатии в цилиндре установлены допусти­мые содержания зерен слабых пород, т. е. с прочностью при сжатии в водонасыщенном состоянии образцов менее 20 МПа.

По морозостойкости щебень делится на шесть марок: Мрз 15, 25, 100, 150, 200 и 300. Числа марок соответствуют количеству циклов попеременного замораживания и оттаивания образцов, при котором потеря массы крупного заполнителя не превышает 5% (для Мрз 15 и 25 допускается потеря массы до 10%). Следует отметить, что эти требования к качеству щебня относятся в основном при его применении в бетонах. Для других видов ИСК технические требования несколько отличаются. Особое значение придается обоснованию наибольшей крупности зерен и зерновому составу: первое — исходя из размера конструктивного элемента, второе по предельным значениям, которые даны в табл. 9.5.

Таблица 9.5. Пределы зернового состава крупного заполнителя

Из таблицы следует, что зерновой состав крупного заполните­ля зависит от D_max — наибольшей крупности зерен щебня или гра­вия и от D_min — наименьшего размера зерен щебня или гравия. При назначении D_max исходят не только из фактического состава материала (размера отверстия сита, на котором полный остаток не превышает 10% навески), но и из характера конструкции или изде­лия, для которого изготовляют конгломерат с применением круп­ного заполнителя. Так, например, в случае железобетона наиболь­шая крупность зерен не должна превышать ³/₄ наименьшего расстояния между стержнями арматуры и не более ½ толщины плиты. Аналогичными соображениями руководствуются и в дру­гих конструкциях. В общем случае размер заполнителей не должен превышать 0,25—0,35 минимального размера конструкции и не бо­льше 0,65—0,75 минимального расстояния между стержнями арма­туры.

По крупности плотный гравий и щебень разделяют на фракции 5—10, 10—20, 20—40 и 40—70 мм просеиванием сухой пробы в ко­личестве 10 кг через стандартный набор сит с размерами отверстий 70, 40, 20, 10 и 5 мм. По крупности пористый гравий и щебень при­меняют трех фракций: от 5 до 10 мм, от 10 до 20 мм и от 20 до 40 мм Вместо фракций 5—10 мм в легких бетонах допускается применять фракции 3—10 мм, а вместо фракций 10—20 мм использовать фрак­ции 10—15 мм. ^

Для всех разновидностей заполнителей имеет важное значение коэффициент размягчения — отношение предела прочности породы в водо-насышенном состоянии к прочности при сжатии в сухом со­стоянии, поскольку он косвенно характеризует морозостойкость ма­териала. Его величина для плотных заполнителей должна быть не менее 0,85, а при заполнителях пористых — не менее 0,8 и только в конгломератах теплотехнического назначения этот показатель дол­жен быть не менее 0,7. Во всех случаях требуется учитывать требо­вания последних стандартов на соответствующие разновидности тя­желых и легких заполнителей по показателям их качества.

Кроме зернистых используют заполнители иной формы. Большое распространение в технологии различных ИСК получают волокни­стые заполнители, выполняющие в структуре функции армирующего компонента. Волокнистые заполнители направленного (ориентиро­ванного) или хаотического расположения увеличивают способность конгломератов к сопротивлению изгибающим и растягивающим на­грузкам . С этой целью используют короткие стальные волокна длиной до 25 мм и диаметром 0,005—0,015 мм, называемые фиброй, стеклово­локно, волокна из расплава шлака, керамики, горных пород (напри­мер, асбеста, базальтов), которые имеют гораздо большие значения упругости по сравнению с ИСК, например бетоном. Внесение в состав волокнистого заполнителя несколько усложняет технологию ИСК, но приносит эффект в упрочнении конструкций, если только была обо­снованно выбрана разновидность волокна. Так, например, обычное стекловолокно сравнительно быстро разрушается в щелочной среде цементного камня, поэтому у нас и за рубежом предложены составы щелочестойких стекловолокон.

В составе некоторых конгломератов, особенно на основе поли­мерных вяжущих веществ, нередко используют заполнители с частицами пластинчатой формы с образованием своеобразных ком­позиционных материалов. Своеобразным видом «активного запол­нителя» может быть и металлическая арматура, например стальная в железобетоне, часто выполняющая функции каркаса в ИСК, если ей придана форма сетки. Направленное расположение арматуры по­вышает анизотропность получаемого материала (подобно анизо-тр'опии кристаллов), что может благоприятствовать механическому упрочнению конструкции. Однако наблюдаются случаи, когда в эк­сплуатационный период нарушается сцепление вяжущего с армату­рой. Тогда такой «заполнитель» становится мало активным, что от­рицательно отразится на надежности конструкции в здании или сооружении. Определение разновидности и количества арматуры в теории железобетона производится специальным расчетом.

Во всех случаях необходима периодическая оценка заполнителей на содержание естественных радионуклидов.