Влияние заполнителя на свойства бетона

Заполнитель, являющийся второй структурной составляющей бетона, по своему качеству должен соответствовать требуемым свойствам бетона (прочности, морозостойкости, объемному весу и т.д.). Использование заполнителя в бетоне позволяет значительно снизить расход цемента для получения необходимого количества бетона и получить соответствую­щий экономический эффект. Присутствие заполнителей в бетоне зна­чительно улучшает строительно-технические свойства материала, поскольку по сравнению с цементным камнем бетон характеризуется по­ниженной объемной устойчивостью и долговечностью.

В целом заполнитель в бетоне состоит из двух частей: мелкого за­полнителя (песка) и крупного заполнителя. Граница разделения между мелким и крупным заполнителем является чисто условной, и в ряде источников [4] этой границей является размер частиц. Принято считать, что заполнитель с размером частиц менее 0,5 см относится к мел-

 

25

 

Глава 2. Железобетонные опоры

кому заполнителю. При большем размере частиц заполнитель считает­ся крупным.

С точки зрения влияния на свойства бетона оба вида заполнителя играют существенную роль. Однако требования к качеству и характери­стикам этих материалов отличаются между собой. К мелкому заполни­телю предъявляются в основном два требования: по крупности и степе­ни загрязнения. В частности, для бетона опор контактной сети должен применяться средний и крупный песок с модулем крупности не менее 2, а содержание загрязнителей в нем не должно превышать 2% по весу. Более сложным оказывается влияние на свойства бетона крупного за­полнителя. И отсюда более важным является учет всех характеристик и свойств этого заполнителя.

Основным свойством крупного заполнителя является его прочность. При этом следует отметить, что прочность заполнителя должна быть значительно выше марки бетона, так как фактические напряжения, воз­никающие в местах контакта отдельных зерен заполнителя в массе бето­на, могут значительно превышать расчетные сминающие напряжения. В основном прочность и упругость заполнителя зависят от его состава, текстуры и структуры. В настоящее время известно и применяется мно­го видов заполнителя как естественного, так и искусственного проис­хождения. Из заполнителей искусственного происхождения наиболее часто используются заполнители группы гранитов, получаемых путем дробления горной породы в дробилках. Заполнители этой группы, а чаще всего гранитный щебень, используются и для изготовления опор контактной сети. Прочность исходной породы этой группы заполните­лей составляет в среднем 200 МПа, что позволяет выполнять отмечен­ное выше соотношение между маркой бетона и прочностью заполни­теля для всех марок бетона, используемых для изготовления опор кон­тактной сети.

Для прочности бетона важное значение имеют форма и характер по­верхности заполнителя. Эти две характеристики крупного заполнителя наиболее заметное влияние оказывают на прочность бетона при изгибе, что важно для изгибаемых опор контактной сети, и в меньшей степени — на прочность при сжатии. Для получения требуемой прочности бетона необходимо использовать заполнитель с угловатой формой и шерохова­той поверхностью. Более шероховатая поверхность зерен обеспечивает лучшее сцепление между заполнителями и цементным камнем, а зна­чительная площадь поверхности угловатого заполнителя способствует возникновению больших сил сцепления между цементным камнем и заполнителем.

Кроме формы и характера поверхности заполнителя, важное зна­чение имеет крупность его зерен. Чем они крупнее, тем меньше их по­верхность, требующая увлажнения при приготовлении бетонной смеси.

 

26

Глава 2. Железобетонные опоры

Это значит, что применение крупного заполнителя снижает водопотрсбность бетонной смеси и поэтому для установленной удобоукладываемости и жирности смеси водоцементное отношение может быть снижено и, соответственно, повышена прочность бетона. Однако, как показывают исследования [5], такое снижение водопотребности и повышение проч­ности бетона наблюдается только при крупности зерен заполнителя до 25мм. При большей крупности заполнителя хотя и наблюдается сни­жение водопотребности, но прочность бетона не увеличивается. Кроме того, имеются и конструктивные ограничения по размеру зерен запол­нителя. В армированных конструкциях наибольшая крупность запол­нителя не должна превышать 1/3 — 1/5 толщины изделия. Таким обра­зом, принятая для бетона железобетонных опор контактной сети круп­ность заполнителя в пределах до 20мм с отмеченных позиций является оптимальной.

Важной характеристикой заполнителя, влияющей на эксплуатацион­ные качества бетона, является также коэффициент его температурного расширения. Обычно, чем выше этот показатель у заполнителя, тем он выше у бетона, что влечет за собой несколько последствий. Во-первых, при этом необходимо учитывать содержание заполнителя в бетонной смеси и состав бетонной смеси в целом. При значительном коэффици­енте температурного расширения бетона могут появляться существенные температурные перемещения конструкций, а также из-за различий и коэффициентах температурного расширения арматуры и бетона могут формироваться дополнительные внутренние напряжения в конструк­циях. Второй аспект температурного расширения заполнителя состоит в том, что при значительном отличии коэффициентов температурно­го расширения заполнителя и цементного камня и при больших коле­баниях температуры среды могут появляться неодинаковые темпера­турные деформации составляющих бетона. Это приведет к нарушению сцепления между зернами заполнителя и окружающим его цементным камнем. Для исключения отрицательного влияния на состояние бето­на значительной разницы коэффициентов температурного расширения заполнителя и цементного камня, как показывают расчеты, эта разница не должна превышать величину                5,4-10 ^-6 *1/град [6]. При этом необходи­мо иметь в виду, что значительные различия в коэффициентах темпера­турного расширения между составляющими бетона встречаются только в случае использования заполнителей, характеризующихся очень низ­ким температурным расширением. К числу таких заполнителей отно­сятся некоторые разновидности гранитов, что необходимо учитывать при подборе состава бетона с такими гранитами для изготовления опор контактной сети.

При оценке свойств и качества заполнителей следует учитывать так­же возможные отрицательные последствия для свойств бетона, связан-

 

 

27

Глава 2. Железобетонные опоры

ные с вредными примесями, встречающимися в заполнителе. К этим примесям прежде всего следует отнести различные загрязнения, кото­рые препятствуют нормальному процессу гидратации цемента. К числу таких загрязнений относятся остатки распада растительности или орга­нического ила. К другой категории относятся примеси, образующие на поверхности зерен оболочки, препятствующие образованию хорошего сцепления между заполнителем и цементным камнем. К этой катего­рии примесей относятся глинистые, илистые и пылевидные частицы в заполнителе. Наконец, одной из нежелательных примесей в заполни­теле являются его активные кремнеземистые составляющие, вступаю­щие в реакцию со щелочами цемента. Реакция начинается с взаимодей­ствия щелочных гидроокисей, полученных из щелочей натрия и калия, и кремнеземистых минералов заполнителя. В результате образуется гелеобразное вещество, состоящее из силикатов щелочных металлов, ко­торые увеличивают объем заполнителя и разрушают контактную зону заполнителя и цементного камня. Для уменьшения влияния вредных органических и неорганических примесей их содержание в заполнителе следует ограничивать или промывать заполнитель. Для уменьшения воз­действия щелочей на заполнитель целесообразно ограничивать содержа­ние частиц активного кремнезема в заполнителе и уменьшать влияние щелочей путем введения в цемент тонкоизмельченного реакционно-способного кремнезема.