Влияние характеристик песка на 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/м³.

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:

Rсж = 500 х (Ц/В) / 2 (Формула 1)

Отсюда можно увидеть, что:

при Ц/В = 2,5: Rсж = 500 х 2,5 / 2 = 625,

при Ц/В = 3,0: Rсж = 500 х 3 / 2 = 750,

при Ц/В = 1,5: Rсж = 500 х 1,5 / 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:

W = 1 – (H/С) (Формула 2)

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 1,9 кг/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 1 м³ пескобетона равен произведению массы цемента и коэффициента раздвижки 1,05.

Таблица 1. Расход цемента в зависимости от насыпной плотности песка

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:

Sуд ~ 1/D (Формула 3)

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

Вп/Вц = Dц/Dп = 40 / 5 = 8

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.

Условия расчетов:

Насыпная плотность песка – 1,55 тн/м³,

Расход цемента – 613 кг/м³, начальное Ц/В = 2,5,

Активность цемента – М500, пескобетоны имеют равную подвижность.

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

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 – 40 мкм (0,04 мм), насыпная плотность песков одинаковая - 1,55 тн/м³.

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

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 1,33 мм, характерный диаметр (рассчитывается по средней площади частицы) составляет 0,7 мм.

Для оценок можно использовать соотношение:

Характерный диаметр = 0,6–0,8 X средний диаметр зерна (соотношение 4)

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 0,4 мм, следовательно: средний диаметр – более 0,6 мм (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.