Главная / Про Бетон / Влияние пылевидных и глинистых частиц на бетон

Влияние пылевидных и глинистых частиц на бетон

Глинистые, илистые и пылевидные частицы в заполнителе

Глинистые примеси в заполнителе могут образовать поверхностные оболочки, которые препятствуют нормальному сцеплению между заполнителем и цементным камнем и, следовательно, снижают прочность и долговечность бетона. Кроме глины в заполнителе могут присутствовать и другие мелкодисперсные примеси: илистые и пылевидные частицы. Ил — это материал с размером частиц 0,002—0,06 мм. Илистые примеси встречаются в заполнителях из природных каменных материалов. Каменная пыль —это тонкомолотый материал, образующийся в результате дробления горной породы при получении щебня или в некоторых случаях дробленого песка и щебня из гравия. На современных камнедробильных заводах каменную пыль удаляют путем промывки заполнителя водой. Одновременно при изготовлении заполнителя могут удаляться и другие малопрочные загрязняющие примеси. Некоторые примеси образуют оболочки, характеризующиеся хорошим сцеплением с заполнителем, их нельзя удалить промывкой. Если такие оболочки химически устойчивы и не оказывают вредного воздействия на бетон, та применение заполнителя с ними допустимо, хотя в этом случае может оказаться повышенной усадка бетона. Однако заполнители с реакционно-способными оболочками, даже если они физически устойчивы, могут привести к серьезным повреждениям.

Илистые и пылевидные примеси могут образовывать оболочки, аналогичные глинистым оболочкам, или могут быть в виде малопрочных частиц, не связанных с крупным заполнителем. Во втором случае эти примеси не должны присутствовать в повышенном количестве, так как из-за высокой удельной поверхности илистых и пылевидных частиц увеличивается водопотребность бетонной смеси.

В связи с этим необходимо контролировать содержание в заполнителе глинистых, илистых и пылевидных частиц. В BS 882: 1954 предусматривается, что суммарное содержание этих частиц не должно превышать следующих величин (по весу): 10% для дробленого песка из горных пород, 3% Для природного или дробленого из гравия песка и 1% для крупного заполнителя. По стандарту ASTM С 33—57 устанавливаются аналогичные требования, хотя и проводятся различия между бетоном, подвергаемым в процессе эксплуатации истиранию, и другими бетонами. В песках, используемых для приготовления бетона, подвергаемого истиранию, суммарное количество по весу примесей, проходящих через сито-Яд 200, не должно превышать 3% и для прочих бетонов — 5%. Соответствующее допускаемое значение для крупного заполнителя установлена не более 1%.

Техническими условиями предусмотрено содержание глинистых частиц не выше 1% в мелком заполнителе и 0,25% в крупном заполнителе. Следует отметить, что в технических условиях разных стран приводятся различные методы испытаний, поэтому непосредственное сравнение результатов испытаний представляется практически невозможным. Содержание в заполнителе глинистых, илистых и пылевидных частиц определяют методом отмучивания, описанным в BS 812: I960.

источник

Качество бетонных конструкций, качественное устройство бетонных полов в первую очередь зависит от свойств применяемого бетона. Рассмотрим, как влияют характеристики песка на конечные свойства бетона.

Песок характеризуется следующими паспортными характеристиками:

Модуль крупности;
Насыпная плотность;
Содержание глинистых и пылевидных частиц.

Вспомогательным параметром, для дальнейшего изложения, является собственная плотность песка. Так как речной песок состоит на 95% из кварцевого песка, то можно считать, что собственная плотность равна плотности диоксида кремния Пс = 2,7 т/м 3 .

Суть изготовления любого бетона заключается в заполнении пустот между частицами наполнителя клеевой массой. Для портландцементбетонов клеевой массой является цементное тесто. В процессе заполнения пустотности консистенция бетона меняется от влажной до текучей. На конечную прочность бетона влияет как собственные прочности наполнителей, так и прочность «клея» — созревшего цементного камня. Прочность цементного камня имеет ярко выраженную зависимость от соотношения между массой цемента (Ц) и воды (В) в составе цементного теста. Оптимальное значение — Ц/В = 2,5-3,3 (В/Ц=0,4-0,3).

Приблизительная зависимость марочной прочности цемента М500 от отношения массы цемента и воды имеет следующий вид:

при Ц/В = 2,5: Rсж = 500х2,5/2 = 625,
при Ц/В = 3,0: Rсж = 500х3/2 = 750,
при Ц/В = 1,5: Rсж = 500х1,5/2 = 375.

Следовательно, прочность (качество) цементного клея находится в прямой зависимости от водоцементного отношения. Кроме того, от содержания воды в цементном тесте зависит и величина усадочных напряжений, так как избыточная вода, испаряясь, создает пустотность в цементном камне.

Величина объемной пустотности для наполнителей и цементного теста рассчитывается по формуле:

где Н – насыпная плотность дробленного минерала, С – собственная плотность минерала.

Для дальнейшего изложения будем придерживаться одного состава цементного теста:

Ц/В = 2,5, плотность теста 1,9кг/л.

Такой состав теста позволяет получать цементный клей достаточно высокого качества с одной стороны и, при введении пластификаторов, имеет высокую подвижность с другой стороны.

Как было отмечено ранее в первом приближении (без учета коэффициента раздвижки) составление рецептуры бетона сводится к заполнению пустотности наполнителя (песка) цементным тестом заданного качества. Далее – заполнение пустотности щебня цементно-песчанным тестом.

Пустотность песка в зависимости от насыпной плотности можно рассчитать по формуле 2 .

Объем и массу цементного теста рассчитаем по следующему алгоритму:
1. Объем теста равен пустотности песка.
2. Масса теста равна произведению его объема и плотности.
3. Масса цемента равна массе теста, деленного на 1,4.
4. Расход цемента на 1м 3 пескобетона равен произведению массы цемента и коэффициента раздвижки 1,05.

Таблица 1. Расход цемента в зависимости от насыпной плотности песка.

Насыпная плотность сухого песка, тн/м 3	Пустотность, м 3	Объем теста, л	Масса теста, кг	Масса цемента, кг	Расход цемента на 1м 3 пескобетона, кг
1,35	0,50	500	950	679	713
1,45	0,46	460	874	624	655
1,55	0,43	430	817	584	613
1,65	0,39	390	741	529	555

Следует подчеркнуть, что все составы пескобетона в табл.1 имеют одинаковую марочную прочность, но будут различаться по объемной усадке – она пропорциональна расходу цемента и по срокам начала схватывания – примерно обратно пропорциональны квадрату расхода цемента. Минимальную ожидаемую марочную прочность можно оценить как произведение результата формулы 1 и коэффициента 0,8. Для цемента М500 и Ц/В = 2,5 имеем: М = 625х0,8 = 500.

В предыдущих вычислениях из трех параметров песка учитывался только один – насыпная плотность. Было сделано два допущения: песок не содержит пыли и имеет «хороший» модуль крупности. Для приближения к реальной картине необходимо учесть и эти два параметра. О пагубном влиянии пылевидных и глинистых частиц на прочностные свойства бетона и увеличении трещинообразования (устройство бетонных полов) можно рассказывать очень долго. Попробуем учесть его в расчетах.

Процесс образования цементного теста из воды и сухого цемента можно разделить на две последовательные стадии:
Смачивание водой поверхности частиц цемента.
Заполнение водой пустот между частицами цемента.

Для смачивания поверхности частиц цемента (цементной пыли) необходимо около 15% воды от массы цемента. И эта величина тем больше, чем сильнее измельчен цемент. Вода как бы обволакивает пленкой каждую частицу, равномерно распределяясь на ее поверхности. Чем сильнее измельчен цемент, тем больше общая площадь поверхности каждого грамма цемента и тем больше требуется воды на ее смачивание. Площадь поверхности частицы цемента пропорциональна квадрату ее диаметра, а масса частицы пропорциональна кубу диаметра. Отсюда следует, что общая площадь поверхности частиц отнесенная к их массе обратно пропорциональна характерному диаметру частицы:

Этот закон распространяется и на любой другой измельченный материал. В том числе на песок и на пыль, которая в нем содержится.

Характерный диаметр частицы цемента Dц равен 40мкм. Характерный диаметр пыли, содержащейся в наполнителе Dп равен 5мкм. Отношение водопотребности на стадии смачивания равно отношению удельных площадей поверхности. По формуле 3, получаем:

То есть для смачивания поверхности пыли необходимо в восемь раз больше воды, чем для смачивания поверхности цемента. В абсолютном выражении: 15х8 = 120% воды от массы пыли.

Даже если считать, что на вторую стадию образования теста будет расходоваться равное удельное количество воды, то мы все равно получим весьма тревожную цифру:

при заданном Ц/В=2,5 (В/Ц=0,4= 40%), получаем:
8х15% + (40% — 15%) = 145% воды от массы пыли.

Дополнительно внесенная в бетон вода
будет снижать прочностные свойства цементного камня согласно формуле 1 !

Для наглядности возьмем третий состав из Табл.1 и пересчитаем его для песков одинаковой плотности, но с различным содержанием пылевидных частиц.

насыпная плотность песка – 1,55тн/м 3 ,
расход цемента – 613кг/м 3 , начальное Ц/В = 2,5,
активность цемента – М500, пескобетоны имеют равную подвижность.

Таблица 2. Снижение прочности цементного камня в зависимости от содержания пыли.

Содер-жание пыли, %	Масса пыли на 1м 3 бетона, кг.	Дополнительный расход воды на 1м 3 бетона, кг.	Общее кол-во воды на 1м 3 бетона, кг	Ц/В реальное	Марочная прочность цементного камня, кг/см 2	Ожидаемая марочная прочность бетона, кг/см 2
			245,2	2,50	625	500
1	15,5	22,5	267,7	2,29	573	458
2	31	45	290,2	2,11	528	422
3	46,5	67,5	312,7	1,96	490	392
4	62	90	335,2	1,83	458	366

Падение прочности на сжатие для пескобетонов одинакового состава, но с разным содержанием пыли, согласно Табл.2 может составлять до 27%. Причем эту разницу нельзя компенсировать простым увеличением расхода цемента! Компенсация возможна только за счет снижения количества воды затворения и, следовательно, уменьшения подвижности бетона.

Кроме падения прочности, увеличение количества воды из-за повышенного содержания пыли, значительно увеличивает вероятность образования трещин на ранних стадиях твердения бетона. Этот фактор чрезвычайно важен при устройстве бетонных полов – стяжек пола.

Модуль крупности – величина весьма туманная. Вдаваться в подробное рассмотрение не имеет большого смысла. Но о самом песке рассказать стоит отдельно. Точнее о размерах его частиц. Как видно из формулы 3 характерный диаметр частиц песка будет влиять на водопотребность бетона, и, следовательно формуле 1, на качество цементного клея (прочность цементного камня). Вот только в отличие от пыли, заполняться пустотность песка будет не водой, а цементным клеем. Следовательно, отрицательное влияние будет давать только одна стадия – смачивание водой поверхности частиц песка.

Оценим влияние характерного размера частиц песка на прочностные характеристики равноподвижных бетонов по формуле 3 и формуле 1 , аналогично задаче с пылью.

Условия расчетов такие же, как и в Табл.2 , содержание в песке пыли – 0%, характерный диаметр частиц цемента – 40мкм (0,04мм), насыпная плотность песков одинаковая — 1,55тн/м 3 .

Таблица 3. Влияние характерного размера частиц песка на прочность равноподвижных бетонов.

Характерный диаметр частиц песка, мм.	Дополнительный расход воды, кг. (0,04/D)х1550х0,15	Общее кол-во воды на 1м 3 бетона, кг	Ц/В реальное	Марочная прочность цементного камня, кг/см 2	Ожидаемая марочная прочность бетона, кг/см 2
0,1	93	338,2	1,81	452,5	362
0,3	31	276,2	2,22	555	444
0,5	19	264,2	2,32	580	464
0,7	13	258,2	2,37	592,5	474
0,9	10	255,2	2,40	600	480
1,1	8,5	253,7	2,42	605	484
1,3	7,2	252,4	2,43	607,5	486

Особенно подчеркнем, что характерный диаметр частиц песка (зерна) значительно меньше среднего диаметра зерна. Так для песка с модулем крупности 2,45 и средним диаметром зерна 1,33мм, характерный диаметр (рассчитывается по средней площади частицы) составляет 0,7мм.

Для оценок можно использовать соотношение:

Характерный диаметр = 0,6…0,8 X средний диаметр зерна
активность цемента – М500, пескобетоны имеют равную подвижность.

В свою очередь, средний диаметр зерна достаточно тесно связан с модулем крупности песка. Для приемлемого 10%-го падения прочности бетона (прочность бетона на «хорошем» песке составляла М500), характерный диаметр зерна должен составлять более 0,4мм, следовательно: средний диаметр – более 0,6мм (по соотношению 4) .

Данная величина среднего диаметра характерна для песков с величиной модуля крупности 2,2. С возрастанием величины модуля крупности увеличивается средний диаметр зерна, что приводит к падению пластичности раствора (пескобетона), а, если раствор является составной частью крупнозернистого бетона, то понижается способность заполнять пустотность между зернами щебня (гравия), что приводит к увеличению коэффициента раздвижки при расчете состава крупнозернистого бетона (уменьшению расхода щебня). Поэтому величина модуля крупности песка ограничена сверху и должна составлять не более 2,8. Оптимальные значения модуля крупности лежат в пределах 2,4-2,7.

Пусть простят меня поклонники точных расчетов – я не стал пересчитывать поправки на изменение объема пескобетонов при увеличении воды и поправки на естественные влажности песков и бетонов и т.д. Я предпочел оставить картину более качественной и прозрачной.

С другой стороны, количественные расчеты остались достаточно точными и дают хорошее представление о влиянии характеристик песка на свойства бетона. Так же, я ограничился расчетами пескобетонов, хотя расчет крупнозернистых бетонов можно выполнить по точно такому же алгоритму, с учетом чуть большего коэффициента раздвижки зерен песка и лещадности щебня.

ООО «ТэоХим» выполняет устройство бетонных полов Эластобетон: упрочненных (объемный топпинг), полимерцементных, мозаичных.

источник

Статистический анализ качества минеральных заполнителей, выпускаемых карьерами Ставропольского края и Северного Кавказа, показывает, что объемы выпуска мытого щебня и песка составляют примерно 35–40 %, остальные 60–65 % – это заполнители, содержащие от 3 % до 15 % загрязняющих пылевидных, глинистых и илистых частиц. Стоимость мытых заполнителей на 20–30 % выше немытых.

Современные представления о влиянии качества заполнителей на структуру бетонов, его свойствах и возможностях их регулирования в требуемых направлениях развивались в исследованиях известных ученых И.Н. Ахвердова, В.В. Бабкова, В.И. Бабушкина, Ю.М. Баженова, Г.И. Горчакова, Е.А. Гузеева, В.С. Данюшевского и многих других. Свойства бетонов в достаточной мере зависят от свойств заполнителей, что объясняет повышенные требования к их качественным характеристикам.

Изменения в процессе образования структуры бетонов и их смесей в том числе происходят из-за наличия загрязняющих примесей (частичек пыли, глины, и ила) [1, 2]. В нормативной документации, регламентирующей качественные показатели применяемых заполнителей для бетонов различного назначения, установлены допустимые значения содержания загрязняющих примесей, так как их наличие в значительной степени ухудшает адгезию между цементным камнем и заполнителем [3]. Для бетонов всех классов допустимое количество примесных частиц в щебне не должно превышать 1 % по массе; в песке 2–5 % для бетонов различного назначения [4]. Требования ГОСТ 8736-93 допускают в песке II класса из отсевов дробления наличие пылевидных и глинистых частиц до 10 % по массе [5]. Вообще содержание примесей в виде пылевидных, илистых и глинистых частиц в бетонной смеси может варьироваться в весьма широком диапазоне в зависимости от количества в смеси песка и щебня, что, безусловно, отразится на свойствах бетонных смесей и бетонов. Однако еще в 1928 г. Р. Залигер отмечал, что трудно предъявить исчерпывающие требования к материалам, необходимым для производства бетона. Примесные частицы ила, глины и аналогичные им снижают прочность бетона в особенности, если они контактируют с поверхностью частиц мелкого и крупного заполнителя [6]. А в случае равномерного распределения этих примесей в массе песка и отсутствия сцепления с зернами их наличие не вредит качеству бетонов и даже при общеизвестных обстоятельствах повышает прочность. Ю.М. Баженов [7], В.Г. Батраков [8] и другие ученые – исследователи [9] полагают, что совокупность примесей, «грязнящих» песок, не может полностью охарактеризовать его качество. Вполне допустима вероятность того, что 3–5 % примесей одного состава могут быть многократно вреднее, чем 10–15 % примесей другого состава. Из практики известно, что добавление к цементу глины или глинистых горных пород практически не оказывает влияния на его качество. Общеизвестно, что ранее при изготовлении строительных материалов и изделий различного назначения использовались грунто-бетонные смеси или песчано-грунто-цементные смеси в которых содержание глинистых и илистых веществ доходило до 40–45 % [10]. Последние десятилетия ознаменованы новейшими разработками и приемами увеличения прочности и морозостойкости бетонов за счет внедрения разработанных воздухововлекающих, демпфирующих, пластифицирующих и другого вида добавок. Физико-механические свойства бетонов с указанными добавками в присутствии [7] загрязняющих примесей в заполнителе малоизучены. Без сомнения, нормируемые пределы по количественному содержанию загрязняющих примесей в заполнителях для бетонов могут быть более высокими при каждом конкретном изучении их влияния на [5] качественные показатели бетонов в присутствии добавок [7, 11]. Оказавшиеся в заполнителе глинистые, илистые и пылевидные примеси образуют на поверхности заполнителя монослой, который снижает адгезию цементного камня с заполнителем, а также прочность и морозостойкость бетонов. Обычные расчеты дают возможность утверждать, что при 10 % содержании примесей они могут образовывать поверхностный слой на частичках заполнителя около 8–10 мкм в тонкодисперсных бетонах и 12–14 мкм в обычных бетонах. Конечно, при перемешивании бетонных смесей слои этих частиц в водной среде сдвигаются с поверхности заполнителя, распределяясь в водоцементной части бетонной смеси. Именно это позволит несколько повысить контакт и сцепление цементного камня с поверхностью заполнителя [12]. Наличие загрязняющих частиц может способствовать сохранению достаточно высоких показателей прочности при испытании водонасыщенных бетонов, создавая преграду прониканию воды вверху трещины и ее рост [10]. Соответственно можно предположить, наличие загрязняющие частицы в порах бетонов в случае их взаимодействия с водой будут набухать и тем самым уменьшать водопоглощение бетона. При замораживании адсорбированная на поверхности тонкодисперсных примесей вода превращается в лед при температурах значительно ниже 0 °С, что может повлиять [2] на сохранение морозостойкости и трещиностойкости бетонов.

Цель исследования

Выявление особенностей влияния на свойства бетонной смеси заполнителей, содержащих мелкодисперсные загрязняющие примеси. Исследование воздействия загрязняющих примесей разного гранулометрического состава в заполнителях исследуемых карьеров Ставропольского края на технологические свойства бетонных смесей. Предложение оптимизированного метода подбора состава бетонных смесей на засоренных примесями заполнителях. Обоснование рационального применения суперпластификатора С-3 МУ в бетонах с заполнителями, содержащих илистые и глинистые примеси.

Материалы и методы исследования

Были проведены экспериментальные исследования влияния пылевидных, илистых и глинистых загрязняющих примесей, извлеченных из заполнителей всевозможных карьеров, на технологические свойства бетонных смесей и физико-механические свойства бетонов. В бетонные смеси, состоящие из чистого заполнителя, добавляли в качестве загрязняющих примесей тонкодисперсные (пылевидные, глинистые и илистые) частицы, извлеченные из заполнителей трех карьеров (табл. 1).

Виды загрязняющих примесей заполнителей и их фракционный состав, определенный по ГОСТ Р 50298.2-92, ГОСТ 8735-88, приведены в табл. 1.

Фракционный состав загрязняющих примесей заполнителей

Примечание. *в числителе – частные остатки, в знаменателе – полные остатки на ситах.

Результаты исследования и их обсуждение

Итоги определения жесткости мелкозернистых пластифицированных и непластифицированных бетонных смесей показаны на рис. 1. В бесщебеночных бетонных смесях максимальный разжижающий эффект дает наличие в составе смеси тонкодисперсных загрязняющих примесей Надзорненского карьера. Загрязняющие примеси Старомарьевского и Невинномысского карьеров в количестве от 0 до приблизительно 4 % оказывают пластифицирующее действие, но при дальнейшем увеличении до 10 % их содержание в смеси вызывает повышение жесткости бетонной смеси. Проводя анализ фракционного состава тонкодисперсных фракций загрязняющих примесей заполнителей, можно сделать вывод: пластифицирующее действие оказывают примеси, содержащие большее количество фракций размером более 0,01 мм, а понижают удобоукладываемость смесей примеси, содержащие большее количество фракций размером менее 0,01 мм, что подтверждает предположение, сделанное еще в 1979 г. А.Е. Шейкиным с соавторами [9].

Рис. 1. Зависимость жесткости t мелкозернистого бетона без добавки – а) и с добавкой суперпластификатора С-3 МУ – б) от содержания в смеси загрязняющих примесей Сп Надзорненского карьера – 1; Невинномысского карьера – 2; Старомарьевского карьера – 3

Изучение влияния суперпластификатора С-3МУ [13] на бетонную смесь свидетельствует об улучшении удобоукладываемости смесей даже при наличии в них загрязняющих примесей Невинномысского карьера до 8 % (13,6 % по отношению к заполнителю) по сравнению с контрольным составом без добавки на чистом заполнителе.

При введении тонкодисперсных загрязняющих примесей в тяжелую бетонную смесь их удобоукладываемость, оцениваемая по осадке конуса (ОК), ухудшается, однако примеси различного зернового состава поразному влияют на изменение осадки конуса. Содержание примесей Старомарьевского карьера в количестве 1 % в бетонной смеси приводит к снижению ОК до 0, тогда как на чистом заполнителе ОК была равной 4 см. В то же время снижение ОК до 0 в бетонной смеси с примесями Надзорненского карьера наблюдается при их содержании в смеси в количестве 2,1 % (рис. 1 и 2).

Изменение жесткости бетонных смесей в зависимости от содержания загрязняющих примесей различного зернового состава показывает интересные закономерности, которые не фиксируются ОК (рис. 3) [3]. По мере повышения в бетонных смесях содержания загрязняющих примесей Надзорненского карьера (до 8 %) жесткость понижается. В то же время жесткость бетонных смесей с примесями Невинномысского и Старомарьевского карьеров сначала понижается, а затем при достижении содержания этих примесей в количестве 3–4 % начинает возрастать, и при содержании примесей 6–8 % жесткость достигает значений жесткости бетонной смеси на чистом заполнителе (рис. 2, а). В бетонных смесях с суперпластификатором С-3 МУ при общем повышении подвижности бетонных смесей соблюдаются аналогичные закономерности (рис. 2, б).

Рис. 2. Зависимость жесткости t (—) и осадки конуса ОК (- — -) тяжелых бетонных смесей без пластификатора – а) и с суперпластификатором – б) от содержания в смеси загрязняющих примесей Сп Надзорненского карьера – 1; Невинномысского карьера – 2; Старомарьевского карьера – 3

В итоге проведенные исследования позволяют утверждать, что, подбирая состав бетонных смесей с использованием заполнителей, содержащих загрязняющие примеси, удобоукладываемость необходимо характеризовать не только по осадке конуса, но и по ее жесткости. Наличие тонкодисперсных загрязняющих примесей повышает водопотребность бетонной смеси при ее оценке по осадке конуса, а при оценке удобоукладываемости бетонной смеси по ее жесткости водопотребность может быть снижена (графики рис. 2). Как видно, в бесщебеночных бетонных смесях, так же как и в обычных тяжелых, тонкодисперсные частицы оказывают незначительное пластифицирующее действие на бетонную смесь [14] при оценке удобоукладываемости по жесткости бетонной смеси, как с введением пластификатора, так и без него (рис. 1 и 2). Наличие в заполнителях и в целом в мелкозернистой бетонной смеси загрязняющих частиц Надзорненского карьера до 8 % приводит к увеличению прочности на растяжение при изгибе бетона и прочности при сжатии, как для бетонов с добавками, так и с суперпластификатором С-3 МУ (табл. 1). Это можно объяснить тем, что бетонная смесь с пылевидными глинистыми и илистыми включениями этого карьера обладает меньшей водопотребностью и лучшей уплотняемостью. Присутствие в мелкозернистой бетонной смеси тонкодисперсных (пылевидных, глинистых и илистых) частиц Невинномысского карьера до 6 % приводит к повышению прочности на растяжение при изгибе и прочности при сжатии бетона, как образцов без добавки, так и с суперпластификатором С-3 МУ. Это можно объяснить пластифицирующим действием загрязняющих частиц в заполнителе этого карьера при их содержании в бетонной смеси до 6 %. Присутствие в мелкозернистой бетонной смеси тонкодисперсных загрязняющих частиц Старомарьевского карьера в количестве приблизительно 3 % приводит к повышению предела прочности на растяжение при изгибе и предела прочности при сжатии бетона, как образцов без добавки, так и с суперпластификатором С-3 МУ [5]. Объясняется это пластифицирующим действием загрязняющих частиц в заполнителе этого карьера при их введении в бетонную смесь в количестве до 3 % (табл. 1).

Согласно физико-химической теории бетонных смесей в цементном тесте, представляющем собой структурированную систему, в которой дисперсионной средой является коллоидный цементный клей, образованный водой и частичками коллоидных размеров – осколками цементного клинкера и частиц кристаллизующихся новообразований, а дисперсной фазой – крупные зерна цемента и заполнителя, при наличии загрязняющих тонкодисперсных примесей может меняться соотношение дисперсная фаза – дисперсионная среда. Следствием этого является изменение степени структурированности системы. Структурированные системы характеризуются переменной вязкостью, резко падающей при возрастании градиента скорости (скорости сдвига). При малых градиентах скорости, при которых структура цементного теста почти не разрушается, вязкость такой системы предельно высока [5]. Это характерно при определении осадки конуса бетонных смесей, когда сдвиг происходит под действием собственного веса смеси при чрезвычайно малой скорости сдвига [4]. Определение жесткости бетонной смеси производится при вибрационном воздействии, то есть при гораздо большей скорости сдвига, чем при определении осадки конуса. Соответственно, жесткость бетонных смесей, содержащих тонкодисперсные загрязняющие примеси, и является более чувствительным и теоретически обоснованным критерием удобоукладываемости таких смесей.

Таким образом, при наличии в заполнителях бетонных смесей загрязняющих примесей (пылевидных, глинистых и илистых), подбор составов бетонных смесей следует производить не только по осадке конуса, но и по их жесткости, так как загрязняющие мелкодисперсные примеси изменяют реологическое состояние и технологические свойства смесей [15]. Находящиеся в порах и микрокапиллярах бетона пылевидные и глинистые частицы при их увлажнении и набухании снижают водопоглощение бетона [16]. При замораживании вода, адсорбированная на поверхности частиц мелкодисперсных примесей, превращается в лед при температуре значительно ниже 0 °С, что может способствовать повышению морозостойкости и трещиностойкости бетонов. Это хорошо подтверждается графиками рис. 3, откуда следует, что морозостойкость мелкозернистых бетонов возрастает по мере повышения до 6 % в бетонной смеси содержания загрязняющих примесей Надзорненского и Невинномысского карьеров и практически остается неизменной при этом количестве примесей Старомарьевского карьера. Присутствие в заполнителях загрязняющих примесей Старомарьевского карьера приводит к естественному понижению прочности при сжатии тяжелого бетона, так как эта бетонная смесь обладает наибольшей водопотребностью, что проявляется в повышенной пористости бетонных образцов. Причем обращает на себя внимание тот факт, что морозостойкость бетонов возрастает по мере увеличения в них содержания пылевидных и глинистых частиц [4] Надзорненского и Невинномысского карьеров до 7,5 %, в то же время введение суперпластификатора С-3 МУ значительно повышает морозостойкость бетонов с примесями глинистых и пылевидных частиц в целом и имеет максимальное значение при содержании пылевидных и глинистых частиц Надзорненского и Невинномысского карьеров в смеси 4,5–6,0 %. При этом же содержании примесей наблюдается и максимум прочности при сжатии и растяжении при изгибе непластифицированных и пластифицированных образцов бетонов (табл. 2).

Рис. 3. Зависимость морозостойкости F мелкозернистого бетона от содержания загрязняющих примесей в смеси Сп Надзорненского карьера – 1; Невинномысского карьера – 2; Старомарьевского карьера – 3: а) без пластификатора; б) с суперпластификатором С-3МУ

Влияние загрязняющих примесей на свойства мелкозернистых бетонных смесей и бетонов

источник

Содержание пылевидных и глинистых частин в щебне (гравии) определяют по изменению массы пробы после отмучивания пылевидных и глинистых частиц (размер частиц менее 0,05 мм).

4.5.1.1 Средства контроля и вспомогательное оборудование

Весы настольные циферблатные по ГОСТ 29329 или лабораторные по ГОСТ 24104.

Сосуд для отмучивания (рисунок 1) или цилиндрическое ведро высотой не менее 300 мм с сифоном.

Рисунок 1 — Сосуд для отмучивания

4.5.1.2 Порядок подготовки и проведения испытания

Берут аналитическую пробу щебня (гравия) массой не менее 5 кг, высушенную до постоянной массы. При этом для испытания щебня (гравия) фракции от 5(3) до 10 мм используют целиком пробу, применяемую при определении зернового состава.

Пробу щебня (гравия) помещают в сосуд для отмучивания пли ведро, заливают водой несколько выше уровня щебня и оставляют в таком состоянии до полного размокания глинистой пленки (определяется визуально) на зернах щебня (гравия) или комков глины, если они имеются в пробе.

После того в сосуд или ведро со щебнем (гравием) доливают воду в таком количестве, чтобы высота слоя воды над щебнем была 200 мм: содержимое сосуда перемешивают деревянной мешалкой и оставляют в покое на 2 мин. Через 2 мин сливают полученную суспензию. При сливе суспензии необходимо ос-тавлять слой ее над щебнем (гравием) высотой не менее 30 мм.

Затем щебень (гравий) вновь заливают водой до указанного выше уровня. Промывку щебня (гравия) в указанной последовательности повторяют до тех пор, пока вода после промывки не будет прозрачной.

Воду в сосуд для отмучивания щебня (гравия) наливают до верхнего сливною отверстия и сливают суспензию через два нижних отверстия.

Из ведра суспензию сливают с помощью сифона, конец которого должен быть на расстоянии не менее 30 мм от поверхности щебня (гравия).

После окончания отмучивания промытую пробу высушивают до постоянной массы.

4 5.1.3 Обработка результатов испытания

Содержание в щебне (гравии) пылевидных и глинистых частиц П_отм , % по массе определяют по формуле

, (10)

где m — первоначальная масса пробы, г;

m₁ — масса пробы после отмучивания, г.

Содержание пылевидных и глинистых частиц определяют путем выпаривания отобранной пипеткой пробы суспензии, полученной при промывке щебня (гравия), и взвешивания остатка.

4.5.2.1 Средства контроля и вспомогательное оборудование

Весы настольные циферблатные по ГОСТ 29329 или лабораторные по ГОСТ 24104.

Сосуд цилиндрический с двумя метками (поясами) на внутренней стенке, соответствующими объему 5 и 10 л.

Сосуд цилиндрический без меток.

Сита с отверстиями размером 3 или 5 и 0,315 мм.

Цилиндры металлические вместимостью до 1000 мл со смотровым окном (рисунок 2) -2 шт.

Пипетка мерная металлическая вместимостью 50 мл (рисунок 2).

Чашка или стакан для выпаривания по ГОСТ 9147.

1 — цилиндр; 2 — метка на цилиндре 1000 см 3 ; 3 — пипетка; 4 — уровень суспензии в цилиндре;

5 — опорная крышка пипетки

Рисунок 2 — Металлический цилиндр и мерная пипетка

4.5.2.2 Порядок подготовки и проведения испытания

Аналитическую пробу щебня (гравия) массой не менее 5 кг, высушенную до постоянной массы, взвешивают, помещают в сосуд без меток и заливают 4,5 л воды, оставляя около 500 мл воды для последующего ополаскивания ведра.

Залитый водой щебень (гравий) выдерживают в воде 10-15 мин, перемешивая несколько раз деревянной мешалкой, после чего тщательно отмывают его в той же воде от приставших к зернам глинистых частиц. Затем содержимое сосуда осторожно выливают на два сита: верхнее с отверстиями диаметром 3 или 5 мм, нижнее с сеткой № 0315, поставленные на второе ведро с метками. Суспензии в сосуде с метками дают oтстояться и осторожно сливают осветленную воду в первый сосуд. Слитой водой вторично промывают щебень (гравий) на ситах над сосудом с метками. После этого первое ведро ополаскивают оставленной водой и эту воду сливают также во второй сосуд. При этом используют такое количество оставленной воды, чтобы уровень суспензии во втором сосуде не превышал метi -ки 5 л.

Если объем суспензии меньше 5 л, то в нее добавляют воду, доводя объем точно, то 5 л (до отметки).

После этого суспензию тщательно перемешивают в сосуде и сразу наполняют ею два металлических цилиндра вместимостью до 1000 мл. Уровень суспензии в каждом цилиндре должен соответствовать метке на смотровом окне.

Суспензию в каждом цилиндре перемешивают стеклянной или металлической палочкой и несколько раз опрокидывают их, закрывая крышкой, для лучшего перемешивания.

После перемешивания оставляют цилиндр в покое на 1,5 мин. За 5-10 с до окончания этого срока в цилиндр опускают мерную пипетку так, чтобы опорная крышка пипетки опиралась на верхний обод цилиндра, при этом низ воронки пипетки будет находиться на уровне отбора суспензии -190 мм от поверхности. По истечении 5-10 с. открывают трубку пипетки и после ее заполнения закрывают трубку пальцем, извлекают пипетку из цилиндра и, открыв трубку, выливают содержимое пипетки в предварительно взвешенную чашку или стакан. Наполнение пипетки контролируют по изменению уровня суспензии в смотровом окне.

Суспензию в чашке (стакане) выпаривают в сушильном шкафу при температуре (105±5)°С. Чашку (стакан) с остатком порошка взвешивают с погрешностью до 0,1 г. Аналогично отбирают и обрабатывают пробу из второго цилиндра.

4.5.2.3 Обработка результатов испытания Содержание пылевидных и глинистых частиц П_отм, % по массе, вычисляют с точностью до 0,1 % по формуле

, (11)

где m — масса аналитической пробы щебня (гравия), г;

m₁ — масса чашки или стакана для выпаривания суспензии, г;

m ₂ — масса чашки или стакана с остатком порошка после выпаривания суспензии, г.

Примечание 1. В случае испытания сильно загрязненного пылевидными и глинистыми частицами щебня (гравия) объем воды для промывки берут равным 10 л. Соответственно увеличивают до 10 л объем суспензии в ведре с метками. При этом П_отм определяют по формуле

, (12)

Примечание 2. Вместо металлических цилиндров со смотровым окном и специальной пипеткой допускается применять стеклянные мерные цилиндры вместимостью 1 л по ГОСТ 1770 и стеклянную пипетку вместимостью 50 мл по ГОСТ 29227 или ГОСТ 29228, опуская ее в цилиндр на глубину 190 мм.

Примечание 3. Допускается массу остатка порошка после выпаривания суспензии m₂-m₁ определять по плотности суспензии по формуле

, (13)

где m₃ — масса пикнометра с суспензией, г;

m₄ — масса пикнометра с водой, г;

ρ — плотность суспензии, г/см 3 (принимается равной 2,65 г/см 3 ).

Результаты определения массы остатка порошка после выпаривания суспензии вносят в формулу (11) или (12).

4.5.3 Метод мокрого просеивания Содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне (гравии) определяют путем процеживания через сито суспензии, полученной при промывке щебня (гравия), и определения разности в массе пробы до и после испытания.

4.5.3.1 Средства контроля и вспомогательное оборудование

Весы настольные циферблатные по ГОСТ 29329 или лабораторные по ГОСТ 24104.

Сосуд дня получения суспензии или цилиндрическое ведро высотой не менее 300 мм с сифоном.

Сита с сетками № 1,25 и 0,05 по ГОСТ 6613.

4.5.3.2 Порядок подготовки и проведения испытания

Подготовку к испытанию проводят по 4.5.1.2.

Высушенную до постоянной массы пробу щебня (гравия) помещают в сосуд и заливают водой так, чтобы она покрывала пробу. Содержимое сосуда интенсивно перемешивают для того, чтобы пылевидные и глинистые частицы образовали суспензию.

Полученную суспензию осторожно сливают с помощью сифона на набор сит. Щебень (гравий), оставшийся в сосуде, промывают водой и образовавшуюся суспензию также сливают на набор сит. Процесс повторяют до тех пор, пока вода не станет прозрачной. После этого щебень (гравий), находящийся в сосуде для промывки, соединяют с частицами, оставшимися на обоих ситах, и высушивают на противне в сушильном шкафу до постоянной массы.

4.5.3.3 Обработка результатов испытания

Содержание в щебне (гравии) пылевидных и глинистых частиц П_отм, % по массе, определяют с точностью до 0,1 % по формуле

, (14)

где m — масса пробы до промывки, г;

m₁ — масса пробы после промывки, г

4.5.4 Ускоренный фотоэлектрический метод

Метод основан на сравнении степени прозрачности чистой воды и суспензии, полученной при промывке щебня (гравия).

4.5.4.1 Средства контроля и вспомогательное оборудование

Прибор фотоэлектрический типа КЗМ (КЗМ-4нм, КЗМ-7) с относительной погрешностью измерения не более 10 % (изготавливается опытным заводом института «Гипрожелдорстрой»).

Весы настольные циферблатные по ГОСТ 29329 и лабораторные по ГОСТ 24104.

Чашка или стакан по ГОСТ 9147. Секундомер.

4.5.4.2 Порядок подготовки и проведения испытания

До проведения измерений прибор типа КЗМ должен быть откалиброван по воде, используемой для испытания, в соответствии с инструкцией по его эксплуатации.

Суспензию приготавливают по 4.5.2.2 или по следующей ускоренной методике. От аналитической пробы щебня (гравия) массой не менее 5 кг, высушенной до постоянной массы, после ее усреднения отбирают 2 навески массой по 1 кг каждая. Навеску помещают в сосуд и заливают 5 л воды температурой (20±5)°С. Залитый водой щебень (гравий) непрерывно перемешивают деревянной мешалкой в течение 2 мин или оставляют для размокания пылевидных и глинистых частиц на 40 мин.

По истечении 40 мин крупные фракции щебня (гравия) извлекают с помощью совка с отверстиями, входящего в комплект КЗМ. дополнительно промывая материал в верхних слоях суспензии.

Полученную суспензию перемешивают в течение 1 мин и через 30 с после окончания перемешивания отбирают пробу суспензии пипеткой, входящей в комплект КЗМ. Для того трубку пипетки закрывают пальцем, погружают пипетку до верхней поверхности ее крышки (глубина погружения 60 мм) в суспензию и открывают трубку пипетки. Через 5-6 с снова закрывают пальцем трубку пипетки и выливают содержимое пипетки в измерительную кювету прибора. Фотоэлектрическое измерение проводят согласно инструкции по эксплуатации прибора КЗМ.

Отбор пробы суспензии и фотоэлектрическое измерение повторяют еще раз, перемешивая суспензию в течение 10 с перед отбором пробы.

4.5.4.3 Обработка результатов испытания Содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне (гравии) П_отм , % по массе, определяют по формуле

где К — переводной коэффициент, определяемый по 4.5.4.4;

П — среднеарифметическое значение фотоэлектрических измерений для двух проб.

4.5.4.4 Определение переводного коэффициента К.

Значение переводного коэффициента устанавливают экспериментально для щебня (гравия) каждого предприятия (карьера)-изготовителя и проверяют при изменении свойств горной породы, но не реже одного раза в год.

Для установления значения переводного коэффициента К испытывают две пробы щебня (гравия). Суспензию, полученную промывкой каждой пробы щебня (гравия), испытывают на приборе КЗМ, проведя 10 измерений по 4.5.4.2. После каждого измерения суспензию из кюветы прибора КЗМ сливают в лоток, входящий в комплект прибора КЗМ. Содержание пылевидных и глинистых частиц определяют выпариванием в лотке суспензии, полученной после десяти фотоэлектрических измерений.

Значение переводного коэффициента К, для каждой испытываемой пробы щебня (гравия) определяют по формуле

, (16)

где m₁ — масса лотка для выпаривания суспензии, г;

m₂ — масса лотка с осадком после выпаривания суспензии, г;

V — вместимость пипетки, указанная в паспорте прибора КЗМ, мл;

П_cp — среднеарифметическое значение десяти фотоэлектрических измерений содержания пылевидных и глинистых частиц.

Если для двух параллельных проб щебня (гравия) отношение значения большего пeреводного коэффициента к меньшему , то значение переводного коэффициента определяют по формуле

, (17)

где ΣП₁₀ — сумма последних (десятых) показаний прибора КЗМ по каждой из двух испытываемых проб щебня (гравия), Σ(П+ П);

ΣП₁ — сумма первых показаний прибора КЗМ по каждой из двух испытываемых проб щебня (гравия), Σ(П+ П);

К₁, К₂ — переводные коэффициенты для первой и второй проб, определенные по формуле (16).

Если отношение более 1,2 для двух проб щебня (гравия), определение содержания в материале пылевидных и глинистых частиц фотоэлектрическим методом не допускается.

Если отношение находится в пределах от 1,10 до 1,15, то проводят испытание третьей пробы.

Если отношение находится в пределах свыше 1,15 до 1,20, то проводят испытание четвертой пробы. Значение переводного коэффициента К для каждой испытываемой пробы определяют по формуле

. (18)

4.5.5 Определение содержания глинистых частиц в щебне (гравии) по расходу красителя (факультативный метод)

Метод основан на определении расхода красителя, адсорбирующегося на поверхности глинистых частиц в суспензии, полученной от промывки щебня (гравия). Расход красителя является косвенным показателем содержания глинистых частиц.

4.5.5.1 Средства контроля и вспомогательное оборудование

Весы настольные циферблатные по ГОСТ 29329 или лабораторные по ГОСТ 24104.

Сосуд для отмучивания по 4.5.1.1 (рисунок 1 ).

Цилиндры стеклянные вместимостью 100 мл по ГОСТ 23932.

Мешалка для перемешивания растворов марки 022 СЗ (изготовитель Усманский завод).

Стеклянные палочки диаметром 8 мм, длиной 250-300 мм.

Фильтры бумажные средней зернистости но ГОСТ 12026.

Вода дистиллированная по ГОСТ 6709.

Краситель фиолетовый (основной) по ГОСТ 22698.

4.5.5.2.Порядок подготовки к испытанию

До проведения испытания приготавливают 1 %-й раствор фиолетового красителя. Для этого порошок красителя массой 5 г вводят в 0,5 л дистиллированной воды в одну из стеклянных емкостей механической мешалки. Емкость закрывается резиновой пробкой и вставляется в зажимное устройство. Зажимные винты закручивают до упора, чтобы при вращении мешалки емкость не выпала и не было утечки жидкости. Раствор перемешивают 1 5 мин, что обеспечивает полное растворение порошка красителя в воде. Полученный раствор переливают в емкость из темного стекла с плотно притертой пробкой. Хранят раствор в темном месте, срок хранения не более 1 месяца.

Суспензию от промывки щебня (гравия), приготовленную по 4.5.2.2 и 4.5.2.3,тщательно перемешивают в ведре и немедленно наполняют ею две мерные колбы вместимостью 0,5 л каждая. Суспензию, не допуская потерь, переливают в стеклянную емкость механической мешалки.

4.5.5.3 Порядок проведения испытания

Мерной пипеткой отбирают 1, 2 и 3 мл раствора фиолетового красителя в зависимости от загрязненности щебня (гравия): при содержании пылевидных и глинистых частиц до 1 % — пипеткой вместимостью 1 мл, свыше 1 до 3 % — 2 мл. свыше 3 % — 3 мл. Раствор вводят в одну емкость с суспензией, а затем содержимое емкости перемешивают с помощью мешалки. Время перемешивания суспензии с раствором красителя в мешалке: при содержании пылевидных и глинистых частиц до 1 % — 5 мин, свыше 1 до 3 % 10 мин, свыше 3%- 15 мин.

По истечении указанного срока перемешивания емкости вынимают из мешалки, снимают пробку и устанавливают на столе. С помощью стеклянной палочки отбирают 5 контрольных капель-проб суспензии и наносят на фильтровальную бумагу. От каждой капли на фильтровальной бумаге образуется пятно, вид которого зависит от того, поглощается ли вводимый в суспензию краситель полностью глинистыми частицами или при их насыщении остается в свободном состоянии.

До наступления полного насыщения глинистые частицы, окрашиваясь в фиолетовый цвет, образуют темное пятно с четким контуром: при насыщении глинистых частиц красителем вокруг пятна образуется фиолетовый ореол из свободного красителя. Если пятно имеет четкий контур, в емкость с опробованной суспензией вводят следующую дозу раствора красителя, соответствующую по объему первой, и перемешивают. Введение доз раствора красителя в суспензию, перемешивание в мешалке и отбор проб-капель производят до того момента, когда вокруг контрольных пятен на фильтровальной бумаге проявится контур — ореол фиолетового оттенка.

При опробовании суспензии из второй емкости первоначальный расход красителя рекомендуется назначать в пределах 0,5 от полученного общего расхода красителя по первой пробе, но не более 10 мл, а далее вводить минимальные дозы, зависящие от загрязненности щебня (гравия), до появления контура фиолетового цвета вокруг контрольного пятна.

4.5.5.4 Обработка результатов испытания Количество 1 %-го раствора красителя К_р, необходимое для полного покрытия молекулами красителя глинистых частиц (предельной адсорбции), в пересчете на 1000 г щебня (гравия) определяют по формуле

, (19)

где К_р — предельный расход красителя, мл/кг;

Vк₁ , Vк₂ — расход раствора красителя соответственно для первой и второй стеклянных емкостей мешалки, мл;

m -масса навески щебня (гравия), m = 5 кг;

а — соотношение между полным объемом суспензии (10 л) и объемом, необходимым для испытания (0,5 л), а = 20.

Щебень (гравий) по содержанию глинистых частиц считается пригодным для строительных работ без проведения дополнительных исследований, если расход растворов красителей не превышает значений, приведенных в таблице 2.

Из изверженных и метаморфических горных пород

источник

14 Июл 2019 admin 24