» » Свойства легких бетонов на различных пористых заполнителях

Свойства легких бетонов на различных пористых заполнителях

19.04.2016

Легкими бетонами принято называть бетоны объемной массой в сухом состоянии не более 1800 кг/м3. Граница между тяжелыми и легкими бетонами весьма условна, так как высокопрочные бетоны на тяжелых пористых заполнителях могут иметь и более высокие значения объемной массы. В связи с этим проф. М.З. Симонов предложил отличать легкие бетоны от тяжелых по пористости использованных в нем заполнителей. Бетоны на заполнителях пористостью более 10% он относит к категории «легких», а бетоны на плотных заполнителях (с меньшей пористостью) — к категории «тяжелых».
Пористость заполнителей существенно влияет на процессы структурообразования и формирования физических свойств бетона, в значительной степени определяет объемную массу бетона, его прочность, деформативность и теплопроводность. Таким образом, замена плотных заполнителей пористыми существенно расширяет пределы изменения указанных свойств бетона. Поэтому тяжелый бетон можно рассматривать как частный случай универсального бетона на заполнителях с различной пористостью.
Свойства легких бетонов на различных пористых заполнителях

Внутризерновая пористость различных видов заполнителей имеет широкий диапазон — от нескольких процентов (у плотных заполнителей) до 80% (табл. 1).
Свойства легких бетонов, как теплоизоляционных, так и конструктивных, в основном зависят от свойств пористых заполнителей. Различные виды легкого бетона получили наименование по заполнителю: керамзитобетон, шлакобетон, туфобетон, пемзобетон, аглопоритобетон и т. д. Однако пористые заполнители и одноименные легкие бетоны, полученные на их основе, могут существенно отличаться друг от друга по своим свойствам, и наоборот, иногда некоторые бетоны на различных видах заполнителей очень близки по своим свойствам.
Плотность заполнителей не всегда определяет их прочность. Большое влияние на прочность заполнителей и на их свойства, проявляющиеся в бетонной смеси, оказывают характер пористости и структура материала. Чем меньше открытых пор и чем мельче внутризерновые поры, тем выше качество заполнителя. Открытая поверхностная пористость заполнителей увеличивает межзерновое пространство и требует повышенного расхода вяжущего.
Важной особенностью большинства видов пористых заполнителей является увеличение их плотности и прочности при уменьшении размеров гранул. Это особенно четко проявляется у керамзита: во время обжига крупные гранулы вспучиваются значительно больше, чем мелкие; кроме того, в больших гранулах меньше сказывается влияние веса плотной оплавленной корки, чем в мелких.
Увеличение плотности с уменьшением размера гранул наблюдается также и у заполнителей, получаемых дроблением пористой глыбы. Зерна заполнителей при дроблении проходят «силовую калибровку». Разрушение происходит по наиболее крупным порам, в результате чего гранулы меньших размеров получаются более прочными и плотными.
Основным показателем, характеризующим пористые заполнители, является их насыпная масса (табл. 2).
Свойства легких бетонов на различных пористых заполнителях

Однако плотность гранул различна в зависимости от их размера. Поэтому сопоставление объемной массы различных видов пористых заполнителей в насыпном состоянии возможно лишь при определенном гранулометрическом составе. В качестве стандартной смеси, удобной для такого сопоставления, Н.Я. Спивак предлагает гранулометрический состав с содержанием (по объему) 40% фракции 5—10 мм и 60% фракции 10—20 мм.
Важным показателем качества пористых заполнителей является межзерновая пустотность как отдельных фракций, так и их смесей.
Межзерновая пустотность отдельных фракций крупного заполнителя и их смесей зависит от формы и характера поверхности гранул. Чем больше форма гранул приближается к шару, тем меньше объем межзерновой пористости и, следовательно, меньше требуется мелких фракций заполнителя и цемента для получения заданных удобоукладываемости смеси и прочности бетона. Наличие крупных открытых пор и каверн на поверхности гранул требует дополнительного расхода цемента, мало влияющего на прочность бетона, но повышающего его объемную массу. Поэтому следует предпочитать заполнители с гладкой или мелкопористой поверхностью зерен.
Данные табл. 2 показывают, что наибольшее увеличение насыпной массы заполнителей наблюдается при переходе от фракции пористого щебня или гравия (с крупностью зерен 5—10 мм) к фракции пористого песка (0—5 мм). Относительно высокая объемная масса пористого песка объясняется тем, что он представляет собой смесь зерен, сильно отличающихся по своим размерам. Поэтому пористый песок, хотя и состоит, как правило, из частиц неправильной формы, может иметь меньшую межзерновую пустотность, чем отдельные фракции крупного заполнителя.
Для контроля качества пористого песка с точки зрения гранулометрического состава его рассеивают на шесть фракций: 5—2,5 мм; 2,5—1,2 мм; 1,2—0,6 мм; 0,6—0,3 мм; 0,3—0,15 мм; менее 0,15 мм. Таким образом, пористый песок представляет собой смесь фракций, из которых каждая последующая имеет более высокую насыпную массу, чем предыдущая.
Смеси, составленные из двух или трех фракций крупного заполнителя, имеют меньшую межзерновую пустотность, чем каждая фракция в отдельности.
По данным НИИЖБ, межзерновая пустотность отдельных видов керамзита по фракциям колеблется от 42 до 60%. Межзерновая пустотность однофракционного щебня, как правило, превышает 50%.
При смешивании двух-трех фракций крупного заполнителя коэффициент выхода смеси обычно составляет 0,95—0,85. При смешивании мелких и крупных фракций заполнителей коэффициент выхода смеси может доходить до 0,7.
Гранулометрический состав смеси заполнителя для легких бетонов должен, как и в тяжелом бетоне, обеспечивать минимальный объем межзерновых пустот. Однако для достижения наибольшей прочности легких бетонов при наименьшей объемной массе приходится учитывать изменения плотности и прочности гранул в зависимости от размера частиц.
Щебень и крупные частицы пористого песка легких заполнителей обычно имеют ноздреватую поверхность. Для заполнения открытых пустот на поверхности этих гранул требуется мелкозернистая растворная часть с пылевидными зернами заполнителя.
Увеличение содержания в смеси заполнителя пылевидных частиц размерами менее 0,15 мм до оптимального предела приводит к соответствующему уменьшению расхода цемента. При этом важную роль играет гидравлическая активность большинства пористых заполнителей. На поверхности зерен заполнителя происходят процессы химического и механического взаимного проникновения и связывания составных веществ цемента и заполнителя. Основное влияние на развитие этих процессов оказывают пылевидные частицы, имеющие наибольшее отношение поверхности к объему, а следовательно, и наибольшую долю в суммарной поверхности всех зерен смеси. Поэтому содержание в пористом песке фракции 0—0,15 мм имеет важное практическое значение. Многие исследователи легких бетонов подчеркивают эту характерную особенность пористых заполнителей.
Большое влияние на свойства легкого бетона оказывает прочность пористых заполнителей при сжатии и растяжении. Поиском методики для изучения этого вопроса занимались многие исследователи легких бетонов: Н.А. Попов, М.З. Симонов, Н.Я. Спивак, А. А. Евдокимов, А.В. Талисман и др.
Прочность пористых заполнителей определяют следующими способами:
- испытанием на сжатие выпиленных или отшлифованных кубов и призм различного размера;
- испытанием на сжатие кубов и цилиндров из гипсового или цементного раствора с щелью шириной до 2 мм посредине образца в месте заделки испытуемой гранулы заполнителя;
- раздавливанием отдельных гранул в специальных клещах;
- испытанием на растяжение стандартных «восьмерок» с заделанными в шейку призмами сечением 2х2 см из испытуемого пористого материала.
Исследования показали, что для искусственных пористых заполнителей характерна большая изменчивость показателей прочности, чем объемной массы. Прочность отдельных зерен в одной партии заполнителей оказалась мало связанной с их плотностью. Большую изменчивость показателей прочности отдельных зерен можно объяснить неоднородностью материала.
Полученные результаты во многом зависели и от методики испытания. Так, прочность при сжатии (в кгс/см2) кубов, выпиленных из керамзита, с размером ребра 50 мм вдвое превосходила прочность, полученную при испытании кубов с размерами 20—30 мм.
В опытах проф. Н.А. Попова прочность керамзита плотностью 0,72—1,02 г/см3 на сжатие составляла от 40 до 200 кгс/см2 (кубы 5х5х5 см).
При средней прочности керамзита на сжатие 70—75 кгс/см2 прочность при осевом растяжении оказалась равной 7—10 кгс/см2.
Проф. М.З. Симонов получил в опытах более близкие значения прочности при сжатии и растяжении:
- для керамзита (γкус=0,52—0,59 г/см3) Rcж=25—35 кгс/см2, Rp=6—9,5 кгс/см2;
- для анийской пемзы (γкус=0,56—0,59 г/см3) Rcm=9—18,4 кгс/см2, Rp=4,75—9,05 кгс/см2;
- для артикской туфовой лавы (γкyc=1,28 г/см3) Rсж=64 кгс/см2, Rp—9,3 кгс/см2.
По данным Ю.Е. Корниловнча и М.Г. Вержбицкой, прочность керамзита из киевских глин на растяжение (при испытании в «восьмерках» из цементного теста) не превышает 45 кгс/см2 и в среднем составляет 20 кгс/см2.
Предел прочности при сжатии отдельных зерен керамзита (плотность 0,9—1,2 г/см3, насыпная масса — 600—700 кг/м3) при их подливке цементным тестом колебался от 100 до 250 кгс/см2.
По данным проф. Н.А. Попова, в результате изменения плотности вулканической пемзы от 0,5 до 0,7 г/см3 прочность ее на растяжение при изгибе возрастает от 10 до 19 кгс/см2; в результате изменения плотности керамзита от 0,5 до 1,2 г/см3 прочность при изгибе возрастает от 7 до 35 кгс/см2; в результате изменения плотности туфа от 1 до 1,3 г/см3 прочность его при изгибе возрастает от 10 до 28 кгс/см2.
Большой интерес представляют опыты проф. Н.А. Попова по определению модуля упругости керамзита. По данным этих опытов, величина начального модуля упругости керамзита E0 в известной степени может быть связана с его призменной прочностью при сжатии Rпр линейной зависимостью: E0 = 1000 Rпр.
Приведенные результаты исследований пористых заполнителей дают весьма относительное представление о свойствах этих материалов. В опытах, проведенных на больших образцах из пористой массы и крупных гранулах, не учитывалась зависимость свойств пористых заполнителей от размеров зерен и не моделировались условия работы этих зерен в бетоне. Между тем средние размеры гранул крупного пористого заполнителя в бетоне обычно не превышают 10 мм, поэтому влияние условий на их поверхности очень значительно. Кубы и призмы из керамзита лишены плотной и прочной корки, масса которой составляет около 50% массы средней гранулы (10 мм), что является существенной особенностью этого вида заполнителя.
Исследования показали зависимость прочности заполнителей от их плотности, хотя для разных видов пористых заполнителей с равной плотностью прочность различна.
Наиболее полное представление о механических свойствах заполнителя могут дать испытания его в различных модификациях легкого бетона.
Для относительной и весьма условной оценки прочности пористых заполнителей ГОСТ 9758—69 предусматривает испытание их сжатием в стальном цилиндре диаметром 120 мм на глубину 20 мм (при высоте слоя зерен 100 мм).
Усилие, при котором смесь керамзитовых зерен сжимается на 20 мм, относят к площади цилиндра (113 см2) и таким образом получают нормируемую прочность.
Проведенные В. Г. Довжиком опыты показали, что в ряде случаев прочность керамзитового гравия Rц, определенная сжатием в цилиндре, характеризует предельную прочность керамзитобетона: R=8Rц.
При испытании керамзитового щебня такой закономерности не обнаружено. Следовательно, относительная прочность, определенная сжатием в цилиндре, по-разному характеризует пористый гравий и пористый щебень. Это объясняется различными межзерновой пустотностью щебня и гравия и характером контактов между зернами. Пористый щебень хуже сопротивляется сжатию в цилиндре, чем гравий, хотя прочности их в бетоне могут быть и равны. Размеры гранул также оказывают большое влияние на показатели прочности, определяемой в цилиндре.