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

Группа песка	Полный остаток на сите № 063 по массе, %	Модуль крупности Мк
Крупный Средний Мелкий Очень мелкий	Более 45 От 30 до 45 От 10 до 30 До 10	Более 2,5 2,0—2,5 1,5—2,0 1,0—1,5

 

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

Размер отверстий контрольных сит, мм	Dmin для фракций с наименьшим размером зерен, мм	0,5(Dmin + Dmax)	Dmax	1,25Dmax
5(3)	10 и более	одной фракции	смеси фракций
Полный остаток на ситах по массе, %	95—100	90—100	40—80	50—70	0—10

 

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.