Бетоны. Испытание заполнителей.

1.Теоретическое обоснование. Заполнители в бетоне могут быть только мелкие или мелкие и крупные. Мелким заполнителем служит песок, а крупным - гравий или щебень. Занимая до 90% объема бетона, заполнители выполняют техническую и экономическую роль. Техническая роль заполнителя заключается в том, что он образует жесткий каркас в бетоне, уменьшает его усадку и предупреждает этим появление трещин. Легкие заполнители позволяют получать "теплые" бетоны с низкой теплопроводностью, а на заполнителях особо тяжелых материалов, например, железный скраб и чугунная дробь, получают бетоны труднопроницаемые для радиоактивных лучей. Экономическая роль заполнителей в том, что они до минимума сводят потребность в цементе. Толщина водных пленок на зернах твердых компонентов при одном и том же кол-ве воды в смеси может быть различной и будет зависеть от суммарной поверхности зерен: чем она больше, тем более тонким слоем распределится вода на поверхности, тем меньше окажется подвижность бетонной смеси. Суммарная поверхность заполнителей обусловлена их зерновым составом и крупностью зерен. Мелкие зерна имеют поверхность больше, чем крупные. Поэтому всегда следует стремиться применять заполнители с возможно большей, но допустимой крупностью зерен. В этом отношении стандарт предъявляет определенные требования к зерновому составу заполнителя, а к песку дополнительные требования в отношении модуля крупности. Кроме того, в заполнителях могут содержаться мельчайшие частицы глины и пыли, сильно увеличивая удельную поверхность заполнителя. В связи с этим стандарт ограничивает их допустимое содержание. Кроме того, на прочность бетона большое влияние оказывает прочность заполнителя и плотность бетона. Бетон максимальной плотности получают в том случае, если пустоты между зернами гравия или щебня заполняются песком, а пустоты между песчинками - цементным тестом. Следовательно, чем меньше будет пустотность песка, тем меньше потребуется цемента на их заполнение, и чем меньше будет пустотность гравия или щебня, тем также меньше потребуется цемента, так как меньше нужно будет песка с цементом для их заполнения. Пустотность заполнителя зависит от соотношения его зерен различной крупности, т.е. зернового состава. Таким образом, зерновой состав заполнителя оказывает большое влияние на потребность в цементе и поэтому стандарт предъявляет определенные требования к зерновому составу песка и щебня (гравия).

На скорость твердения влияют органические примеси в виде гумусовых кислот. Согласно ГОСТ, щебень получают путем дробления горных пород, а также из искусственного камня (например кирпича). По крупности зерен его делят на несколько фракций: 5-10, 10-20, 20-40, 40-70. Для бетона массивных сооружений можно использовать фракцию щебня крупнее 70 мм. Зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы в щебне должно быть не более 15%. В зависимости от добротности при сжатии (раздавливании) в цилиндре, щебень подразделяют на 7 марок по прочности: 1200, 1000, 800, 600, 400, 300 и 200. По степени морозостойкости - Мрз 15, 25, 50, 100, 150, 200 и 300. К гравию предъявляют такие же требования, как и к щебню и так же

классифицируют по основным показателям. Все это строителям нужно знать для того, чтобы правильно и экономически оправдано подобрать состав бетона.

2. Приборы и материалы.

2.1 Весы технические с разновесами. 2.2 Пикнометр на 100 мл.

2.3 Эксикатор. 2.4.Сушильный шкаф.

2.5.Песок, высушенный и просеянный через сито с отверстием 5 мм.

2.6.Стандартный набор сит. 2.7.Весы шкальные РН-50Ш13П2-1.

2.8.Совки. 2.9.Чашки.

2.10.Противень лабораторный. 2.11.Сосуд для отмучивания.

2.12.Секундомер. 2.13.Трехпроцентный раствор едкого натра технического.

2.14.Щебень или гравий с наибольшей крупностью зерен 70 мм.

2.15.Сернокислый натрий. 2.16.Дистиллированная вода.

3.Программа работы.

3.1.Определение объемной и удельной массы песка.

3.2.Определение зернового состава и модуля крупности.

3.3.Определение влажности песка.

3.4.Определение содержания пылеватых и глинистых частиц.

3.5.Определение количества органических примесей.

3.6.Определение объемной и удельной массы крупного заполнителя.

3.7.Определение зернового состава, наименьшей и наибольшей крупности зерен щебня.

 

3.8.Определение в крупном заполнителе пылеватых и глинистых примесей.

3.9.Определение содержания в крупном заполнителе органических примесей.

4.Методика проведения работы.

Определение объемной и удельной массы песка выполняется факультативно студентами и лаборантом, а преподаватель показывает приборы, рассказывает порядок определения и результаты замеров. Студенты по приводимым ниже формуле и данным, сообщенным преподавателем, самостоятельно производят вычисления. Результаты этого опыта будут необходимы в дальнейшем для расчета состава бетона. Из пробы песка берут навеску около 30 гр., просеивают сквозь сито с отверстиями диаметром 5 мм, высушивают до постоянной массы и охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе над крепкой серной кислотой, для того, чтобы песок не впитал влагу из воздуха. Затем песок перемешивают и делят на две равные части. Каждую часть навески высыпают в чистый, высушенный и предварительно взвешенный пикнометр. После чего взвешивают пикнометр вместе с испытываемым песком. Затем 2/3 объема пикнометра заливают дистиллированной водой, перемешивают содержимое и ставят пикнометр, в слегка наклоненном состоянии, в водяную баню и кипятят в течение 15-20 мин. Кипячение удаляет пузырьки воздуха. После этой операции пикнометр обтирают, охлаждают до комнатной температуры, доливают до метки дистиллированной водой и взвешивают. Затем пикнометр освобождают от содержимого, промывают, наполняют до отметки дистиллированной водой и снова взвешивают. Удельную массу песка, т.е. объемную массу его зерен вычисляют по формуле:

(G_{1 -} G₂) * ¡в

¡п = -----------------------; ( гр./см²)

G₁ - G + G₃ + G₄

где G₁ - массапикнометра с песком в гр.; G₂ -масса пустого пикнометра в гр.; G₃ -масса пикнометра с дистиллированной водой в гр.; G₄ -масса пикнометра с водой и песком после удаления воздуха в гр.; ¡в - удельная масса воды в гр.

Удельная масса песка вычисляется как среднее арифметическое результатов обеих частей навески. ГОСТ допускает измерение удельной массы песка другим, ускоренным методом. Из средней пробы песка берут 200 гр, просеивают сквозь сито с отверстиями диаметром 5 мм, высушивают до постоянной массы и охлаждают в эксикаторе. После этого отвешивают две навески по 75 каждая. Прибор Ле-Шателье наполняют водой до нижней нулевой риски, причем уровень определяют по нижнему мениску. Каждую навеску песка, через воронку, всыпают ложечками небольшими равномерными порциями до тех пор, пока уровень жидкости в приборе не поднимется до риски с делением 20мл. Для удаления пузырьков воздуха прибор поворачивают несколько раз вокруг его вертикальной оси. Остаток песка не вошедший в прибор взвешивают с точностью до 0,01 гр. Удельную массу в этом случае вычисляют по формуле:

¡п = (m - m₁) / V, (гр./см³)

где m - масса навески в гр.; m_{1 -} масса остатка песка в гр.; V -объем воды, вытесненной песком.

Расхождение между результатами двух определений должно быть не больше 0,02гр./см³.В случае больших расхождений производят третье определение и вычисляют среднее арифметическое двух ближайших значений. Объемная насыпная масса песка определяется по методике, приведенной в лабораторной работе 1 (пункт 5.5.). По известным величинам удельной и объемной массы песка можно рассчитать его пустотность;

П = (¡ - ¡об) / ¡ * 100,%

где ¡ - удельная масса песка в гр.; ¡об - объемная масса, в гр.

Хороший песок имеет пустотность в пределах 38 ¸ 42%. Зерновой состав песка характеризуется крупностью отдельных фракций. Определяется просеиванием сухой пробы песка через стандартный набор сит с отверстиями 10, 5, 2,5, 1,25, 0,63, 0,14 мм. Берут пробу песка массой около 2 кг и высушивают до постоянной массы, а затем просеивают через сито с круглыми отверстиями 10 и 5 мм. Просеивание производят механическим или ручным способом. Продолжительность просеивания должна быть такой, чтобы при контрольном интенсивном встряхивании каждого сита в течение 1 минуты через него проходило не более 0,1 общей массы просеиваемой навески. При механическом просеивании его продолжительность для принятого прибора устанавливается опытным путем. При ручном просеивании разрешается определять окончание просеивания следующим упрощенным способом: каждое сито интенсивно трясут над листом бумаги. Просеивание считается законченным, если при этом практически не наблюдается падение зерен песка. Остатки на ситах (G₁₀ и G₅) взвешивают и высчитывают процентное содержание в песке фракций гравия с размером зерен 5 ¸ 10 мм (гр 5) и более 10 мм (гр.10) с точностью до 0,1% по формуле:

Гр₁₀ = G₁₀ / G * 100%; Гр₅ = G₅ / G * 100, %

где G₁₀ - остаток на сите с отверстиями 10мм в гр.; G₅ - то же с отверстиями 5мм.; G - масса пробы в гр.

Из пробы песка, прошедшего через эти сита, отбирают навеску равную 1000 гр, для определения зернового состава песка без фракций гравия, и просеивают через стандартный набор сит. Полученные на каждом сите остатки взвешивают с точностью до 0,1 гр. и вычисляют частные и полные остатки на каждом сите. Частный остаток на каждом сите, т.е. часть пробы, непосредственно оставшейся на данном сите вычисляют по формуле: а_{i =} Gi /G*100,% где _Gi - масса остатка в кг.; _G - масса взятой навески в кг.

Полный остаток на каждом сите вычисляют как сумму частных остатков на всех предыдущих верхних ситах, начиная с сита 2,5 мм, и частного остатка на данном сите: А_i = а_0.25 +.... + а_i (%)

Результаты определения зернового состава песка записывают в таблицу:

Таблица № 1

Остатки	Размер отверстий сит в мм	Проходит
на ситах	2.5	1.25	0.63	0.315	0.14	через 014
Частные (%) Полные (%)

Для оценки пригодности песка для бетонов пользуются графиком (находится в лаборатории), характеризующим области оптимальных (наиболее выгодных) зерновых составов песка. Эти области на графике заштрихованы. Результаты определения полных остатков исследуемого песка наносят на график и соединяют полученные точки на ординатах, соответствующих каждому ситу. Получается ломаная линия. Песок признается качественным в отношении зернового состава, если кривая рассева его находится в заштрихованной области графика. Модуль крупности песка, без фракций гравия равен частному от деления на 100 суммы полных остатков на всех ситах, начиная с верхнего сита с отверстием 2,5 мм. Модуль крупности вычисляют до 0,1 по формуле: Мк = (А2.5 + А1.25 + А0.63 + А0.315 + А0.14) / 100

По величине модуля крупности пески делят на три группы: крупный - модуль крупности 2,5; средний - модуль крупности 2 ¸ 2,5; мелкий - модуль крупности 2.

4.3.При расчете количества песка для бетонной смеси необходимо учитывать то количество воды, которое содержится в песке, т.е. его влажность. Для определения влажности песка берут 2 навески песка по 0,5кг. Каждую из отобранных проб насыпают в сосуд и сразу же взвешивают, а потом высушивают до постоянной массы. Влажность песка по массе вычисляют с точностью до 0,1 по формуле:

W = (G₁ - G₂) / G₂ *100,%

где G₁ -масса пробы в состоянии естественной влажности, г.; G₂ -масса пробы в сухом состоянии, г.

Влажность песка вычисляют как среднее арифметическое результатов определения влажности двух проб.

4.4.Работа по определению содержания в песке пылевидных и глинистых частиц производится факультативно с последующим сообщением студентам о процентном содержании глины и пыли в исследуемом песке. Песок, предназначенный для обычного бетона, не должен содержать более 5% пылевидных и глинистых частиц. Если в песке содержится их больше, то перед использованием его необходимо промыть водой. Содержание в песке пылевидных примесей определяют методом отмучивания. Сущность этого метода заключается в выделении из пробы песка частиц менее 0,05 мм, которые условно относятся к пылевидным и глинистым. Метод основан на различной скорости осаждения крупных и мелких зерен в воде: чем мельче зерна, тем медленнее они осядут. Зная время, в течение которого зерна 0,05мм и крупнее осядут в сосуд с водой определенной высоты, и, удаляя не осевшие за это время зерна, песок разделяют, сливая воду, на песчаную фракцию и пылевидную или глинистую фракцию (мельче 0,05 мм).

Опыт проводят следующим образом: Берут 1000 гр. сухого песка, помещают в сосуд, заливают водой так, чтобы высота слоя воды над песком была около 200 мм, и выдерживают песок в воде в течение 2 часов периодически помешивая. Затем содержимое снова энергично перемешивают и оставляют в покое на две минуты. Через 2 минуты воду сливают, оставляя слой ее над песком не менее 30 мм. После этого песок снова заливают водой и повторяют сливание. Так делают до тех пор, пока вода не останется полностью осветленной. Закончив отмучивание, промытую пробу песка высушивают до постоянного веса и рассчитывают содержание в песке пылевидных и глинистых частиц с точностью до 0,1.

Отм = (G - G₁) / G *,100%

где G - масса навески песка до отмучивания, г; G₁ - масса высушенной навески после отмучивания, г _.

4.5.Определение содержания в песке органических примесей, так же как и предыдущий опыт проводится факультативно. Испытание проводится следующим образом. В мерный цилиндр емкостью 250 мл засыпают пробу песка до уровня 130мл и заливают 3%-ным раствором едкого натра (NаОН) до уровня 250 мл. Содержимое цилиндра энергично перемешивают и оставляют в покое на 24 часа, повторяя перемешивание.

Через 24 часа определяют цвет жидкости над песком, сравнивая его с эталоном. Отсутствие окраски жидкости над песком или окраски заметно светлее эталона служит признаком пригодности песка для бетонов и растворов. Когда цвет жидкости незначительно светлее цвета эталона, содержимое сосуда подогревают в течение 2 ¸ 3 часов при температуре 60-70°С и вновь сравнивают цвет жидкости с эталоном. При подогреве реакция щелочи с гумусовыми кислотами проходит быстрее и полнее. Цвет раствора должен быть не темнее эталона, в противном случае песок признается не пригодным для применения.

4.6 Знание удельной и объемной массы щебня (зерен), уже определялось при выполнении лабораторной работы 1. Определение объемной насыпной массы щебня для крупности зерен 20мм. и менее определяется в цилиндре емкостью 50 литров. Все остальные операции проделывают в соответствии с требованием пункта 5.5 лабораторной работы 1. Расчет пустотности щебня производить в соответствии с 5.6 той же работы.

Результаты записывают в следующей последовательности:

Удельная масса зерен щебня ________________

Объемная масса зерен щебня ________________

Объемная насыпная масса __________________

Пустотность щебня ________________________

4.7 Зерновой состав щебня и гравия определяется путем рассева сухой пробы на стандартном наборе сит с круглыми отверстиями размером сверху вниз 70, 40, 25, 20, 15, 10,5, 3 и 0,14 мм. В зависимости от наибольшей крупности зерен принимают различную величину пробы. При наибольшей крупности зерен:

до 10 мм. - проба - 5 кг; до 20 мм. - проба - 10 кг; до 40 мм. - проба - 20 кг; до 70 мм. - проба - 30 кг.

Пробу просеивают через стандартный набор сит и определяют суммарную массу просеянной пробы в граммах как сумму частных остатков на каждом сите.

SG = G ₀₁₄ + G₃ + G₅ + G₁₀ + G₁₅ + G₂₀ +G₂₅ +G₄₀ + G_70,

где G₀₁₄ и т.д. частные остатки на ситах с отверстиями обозначенными индексами, в гр.

На основании полученных данных рассчитывают в % частные остатки на ситах: аi = Gi / SGi * 100%, где Gi - масса остатка на данном сите. По известным величинам частных остатков рассчитывают полные остатки в % на каждом сите, которые равны сумме частных остатков на данном сите и всех вышележащих ситах с большим размером отверстий. Данные заносятся в таблицу аналогичную таблице 1. Наибольшую и наименьшую крупность зерен в щебне определяют следующим способом. По результатам полных остатков на ситах строят кривую просеивания откладывая на оси абсцисс размеры отверстий сит в масштабе, а на оси ординат - полные остатки на ситах в %. При этом 0% на графике соответствует размеру отверстий сита, полный остаток на котором равен 0,а 100% соответствует ситу с размером отверстий 0,14мм. Точки пересечения перпендикуляров соединяют плавной кривой.

Наименьшая крупность зерен щебня (Dmin) характеризуется размером отверстий сита полный остаток на которой, определенный на кривой просеивания, составляет 5%, а наибольшая крупность (Dmax) - размерами отверстия сита, полный остаток на которых равен 95%. Для определения Dmin и Dmax по кривой просеивания из точек 95% и 5% устанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой просеивания, а затем из полученной точки пересечения проводят вертикальную линию на ось абсцисс. Размер отверстия сита в точках пересечения будет соответствовать наименьшему и наибольшему размеру зерен щебня. Оптимальный состав щебня оценивают по графику, находящемуся в лаборатории. Если кривая просеивания вписывается в заштрихованную область, то состав крупного заполнителя будет наиболее выгоден и оптимален.

4.8 Содержание в щебне пылевидных и глинистых частиц допускается не более 3%. Методика проведения аналогична определению примесей в песке, с той лишь разницей, что для щебня крупность зерен до 40 мм. Навеска равна 5 кг, а для более крупных - 10 кг. Уровень воды при проведении опыта такой же, как для песка.

4.9 Определение содержания в щебне органических примесей производиться аналогично п.4.5 теми же приборами, только испытанию подвергают щебень с наибольшей фракцией 20 мм.

4.10 По результатам испытания щебня студенты составляют таблицу следующей формы:

Показатель	Результат испытаний	Требования ГОСТов
Удельная масса г/см^3 Объемная масса г/см^3 Объемная насыпная масса г/см^3 Пустотность % Зерновой состав Содержание пылеватых и глинистых Содержание органических примесей		не более 45% соответствие графику не более 3% не темнее эталона

Вывод: (пригоден, не пригоден)

5.Содержание отчета.

5.1 Наименование работы.

5.2 Приборы и материалы.

5.3 Ход работы (описание)

5.4 Таблицы и графики.

5.5 Вывод о пригодности песка и щебня.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15.

Подбор состава бетона.

1 Цель работы: Приобретение навыков в подборе состава тяжелого бетона.

2 Теоретическое обоснование. Задача проектирования состава тяжелого бетона - получить бетон заданной прочности и долговечности к определенному сроку твердения, и бетонную смесь заданной степени удобоукладываемости при наименьшем расходе вяжущего. Чтобы рассчитать состав бетона необходимо иметь следующие данные:

- требуемую марку бетона R_б;

- требуемую удобоукладываемость бетонной смеси;

- активность цемента R_ц;

- объемную массу и плотность цемента песка, крупного заполнителя;

- род крупного заполнителя (щебень или гравий).

3.Программа работы.

3.1 Определение водоцементного отношения

3.2 Предварительное определение расхода воды на 1м. бетонной смеси.

3.3 Предварительное определение расхода цемента на 1 м бетонной смеси.

3.4 Установление расхода крупного и мелкого заполнения

4. Методика проведения работы.

4.1 Водоцементное отношение вычисляют по формуле: В/Ц = (А*Rц) / (Rб + 0.5 * А * Rц), [1]

где R_б - требуемая марка бетона; R_ц - активность цемента; А - коэф. учитывающие качество материалов (см. табл. № 1).

Таблица № 1 Значения коэффициента А

Материалы для бетона	А
Высококачественные Рядовые Пониженного качества	0.65 0.60 0.55

Примечания:

1 К высококачественным материалам относятся: щебень плотных горных пород высокой прочности, песок оптимальной крупности, портландцемент высокой активности без добавок, заполнители чистые и фракционированные.

2 К рядовым материалам относятся: заполнители среднего качества, в т.ч. гравий, портландцемент средней активности или высокомарочный шлакопортландцемент.

3 К материалам пониженного качества относятся: щебень и гравий низкой прочности, мелкие пески, цементы низкой активности, а также заполнители, отвечающие пониженным требованиям стандартов.

4.2 Расход воды ориентировочно определяют исходя из требуемой удобоукладываемости бетонной смеси (см. табл. 2)

Таблица № 2

Удобоукладыва емость	Расход воды в л/м^3 при наибольшей крупности заполнителя в мм.
Жесткость	Осадка	Щебень	Гравий
в сек	конуса в см
150 - 200 90 -120 60 - 80 30 -50 20 -30 15 - 20	2-2,5 3-4 10-12

Примечание: Данные таблицы справедливы для бетонных смесей на портландцементе и песке средней крупности. При применении пуццоланового портландцемента расход воды на 1 м бетонной смеси увеличивают на 20 литров; при мелком песке расход воды увеличивают на 10литров;при крупном песке - уменьшают на 10 литров.

4.3 По вычисленному водоцементному отношению и определенному расходу воды находят расход цемента, в кг. на 1м³ бетона:

В

Ц = ----- [2]

В/Ц

Расход цемента не должен быть ниже минимально допустимого нормами (так для конструкций, эксплуатирующихся внутри здания - 220 кг./м³ и т.д.).

4.4 Расход крупного и мелкого заполнителей вычисляют исходя из условий:

а) сумма абсолютных объемов всех компонентов бетона должна быть равна 1м³ (1000 л) уплотненной бетонной массы, т.е.:

Ц В П К

--- + --- + --- + --- = 1000, [3]

Rц rв rп rк

где Ц, В, П, К, - расход цемента, воды, песка, крупного заполнителя в кг./м³;

rц, rв, rп, rк - плотности этих материалов в г/см³ (кг/м³).

б) цементно - песчаный раствор заполнит пустоты между зернами крупного заполнителя с некоторой раздвижкой зерен, т.е.:

Ц В П К

--- + --- + --- + = Vк * --- * a, [4]

Rц rв rп rок

где Vк -пустотность крупного заполнителя в рыхлом состоянии;

rок -объемная масса крупного заполнителя в кг/м³ (г/см³);

a -коэф. раздвижки зерен (для жестких смесей - 1,05; 1,1 - для подвижных смесей).

Решая совместно два уравнения (3 и 4), получают формулу для определения расхода крупного заполнителя в кг/м³:

К = ------------------------- [5]

Vк * a 1

---------- + --------

Rок rк

Затем определяют расход песка в кг на 1м³

Ц В К

П = [ 1000 - (---- + ---- + ----)] * rп [6]

Rц rв rк

В результате расчетов получают ориентировочный (лабораторный) состав бетона (в кг/м³);

цемент _______________________

вода _______________________

песок _______________________

крупный заполнитель __________

Определив расход компонентов бетонной смеси, вычисляют ее объемную массу.

5. Содержание отчета:

5.1 Наименование работы.

5.2 Цель работы.

5.3 Расчет состава бетона в соответствии с вышеизложенной методикой и исходными данными.

 

ЛАБОРАТОРНО - ПРАКТИЧЕСКАЯ

РАБОТА № 16.