Влияние гранулометрического состава песка на свойства растворов кратко

Обновлено: 02.07.2024

Гранулометрический состав определяет многие физические свойства и водно-воздушный режим почв, а также химические, физико-химические и биологические свойства.

Меньший диаметр частиц означает большую удельную поверхность, а это, в свою очередь — большие величиныёмкости катионного обмена, водоудерживающей способности, лучшую агрегированность, но меньшую прочность. Тяжёлые почвы могут иметь проблемы с воздухосодержанием, лёгкие — с водным режимом.

Разные фракции обычно представлены различными минералами. Так, в крупных преобладает кварц, в мелких —каолинит, монтмориллонит. По фракциям различается способность образовывать с гумусоморганоминеральные соединения.

Методы определения (гранулометрия)

Методы определения гранулометрического состава грунтов можно разделить на прямые и косвенные.

К прямым относятся методы, основанные на непосредственном (микрометрическом) измерении частиц в поле зрения оптических и электронных микроскопов или с помощью других электронных и электронно-механических устройств. В практике прямые (микрометрические) методы не получили широкого распространения.

К косвенным относятся методы, которые базируются на использовании различных зависимостей между размерами частиц, скоростью осаждения их в жидкой и воздушной средах и свойствами суспензии. Это группа методов, основанных на использовании физических свойств суспензии (ареометрический, оптический и др.) или моделирующих природную седиментацию (пипеточный, отмучивания и др.).

Ареометрический метод основан на последовательном определении плотности суспензии грунта через определенные промежутки времени с помощью ареометра. По результатам определений рассчитывают диаметр и количество определяемых частиц по формуле или с помощью номограммы. Этим методом определяют содержание в грунте частиц диаметром менее 0,1 мм. Содержание фракций крупнее 0,1 мм определяют ситовым методом.

Устройство ареометра основано на законе Архимеда: всякое погруженное в жидкость тело теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость. При постоянном объеме тела, погруженного в жидкость, более тяжелой жидкости будет вытеснено меньше, а более легкой – больше. Таким образом в легкую жидкость тело будет погружено на большую глубину, в тяжелую на меньшую. Следовательно, чем больше концентрация суспензии, тем больше её плотность и меньше глубина, на которую погружается в неё ареометр.

При отстаивании суспензии частицы грунта, подчиняясь закону силы тяжести, падают на дно сосуда, и плотность суспензии уменьшается. Соответственно ареометр по мере выпадения частиц постепенно погружается в суспензию глубже и глубже.

Пипеточный метод используется для определения гранулометрического состава глинистых грунтов в комбинации с ситовым. Этот метод основан на разделении частиц грунта по скорости их падения в спокойной воде.

Через определенные интервалы времени пипеткой из суспензии грунта с различных глубин отбирают пробы, которые затем высушивают и взвешивают.

К косвенным методам также относится и полевой метод Рутковского, который дает приближенное представление о гранулометрическом составе грунтов. В основу метода положены:

1) различная скорость падения частиц в воде в зависимости от их размера; 2) способность глинистых частиц набухать в воде.

С помощью метода Рутковского выделяют три основные фракции: глинистую, песчаную и пылеватую. В полевых условиях на практике этот метод целесообразно применять для определения песков пылеватых и супесей.

В особую группу выделяют методы определения размеров частиц с помощью ситовых наборов. Они занимают промежуточное положение между прямыми и косвенными методами и широко используются в практике самостоятельно или в комбинации с другими методами.

Ситовой метод – один из основных в практике исследований грунтов для строительства. Метод используется для определения гранулометрического состава крупнообломочных и песчаных грунтов, а также крупнозернистой части пылевато-глинистых грунтов.

Сущность метода заключается в рассеве пробы грунта с помощью набора сит. Для разделения грунта на фракции ситовым методом без промывки водой применяют сита с отверстиями диаметром 10; 5; 2; 1; 0,5 мм; с промывкой водой – сита с размером отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм. Ситовой метод с промывкой водой обычно применяют для определения гранулометрического состава мелких и пылеватых песков.

Способы выражения

При определении гранулометрического состава почв выявляется процентное содержание фракций механических элементов. Например, почва содержит 23,4% физической глины.

Методы определения (гранулометрия)

Методы определения гранулометрического состава грунтов можно разделить на прямые и косвенные.

Способы выражения

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Современное строительство, которое способно производить большое количество долговечных износоустойчивых сооружений, оперирует таким материалом как бетон. Одним из основных и незаменимых компонентом, которого является песок. По назначению составляющие вещества делятся на вяжущие (цемент, вода) и наполнители (песчаные, щебневые, гравийные, керамзитные).

Из чего состоит бетон?

Стандартное бетонное тесто выглядит, как:

100 % = 80 % наполнитель + 20% вяжущее вещество

Для вычисления песочно-щебневой пропорции, применяется следующая формула:

Песок/Щебень = 1,1×П×Yпес./Yщеб., где

П— относительная пустотность щебня

Yпес. — плотность песка

Yщеб. — плотность щебня.

Бетон по заданным характеристикам производится из определенных марок цемента и его расхода:

Если крупный наполнитель может быть выбран из ассортимента взаимозаменяемых или дополняемых элементов, то мелкому виду трудно найти замену.

Песок — одна из самых распространённых горных пород на планете, этим обеспечена доступность и дешевизна материала. Основные характеристики вещества: размер, насыпная плотность, количество и виды примесей. Для бетона в лучшем варианте применяются разные фракции. Мелкие и крупные песчинки обеспечивают тщательное заполнение пустот между крупным заполнителем.

Модуль крупности песка (Мкр)— средний размер зерна, присутствующего в партии. Другими словами, это количество зерен конкретной фракции. От модуля зависит потребляемый объём рыхлого материала, состав раствора, результат работы, впоследствии — качество и срок эксплуатации сооружением. Определенные цифры модуля влияют на требуемое количество воды в растворе. В случае увеличения в пропорции воды раствор быстро растрескивается.

Как определяется модуль крупности песка?

Сортировка сырья производится при помощи вибросит. В прочном вибрирующем корпусе располагается несколько сит, которые имеют определенные диаметры ячеек (от 0,15 до 50 мм). Величина модуля не связана с размером зерна в миллиметрах. Рассчитывается по следующей формуле:

(Х ×Vх+Y ×Vу+Z ×VZ):100%= Мкр, где

Х, Y, Z — процентное соотношение количества оставшегося (не просеявшегося) вещества с каждого сита

Песок характеризуется следующими паспортными характеристиками:

• содержание глинистых и пылевидных частиц [1 - 5].

Роль мелкого заполнителя в формировании структуры искусственного конгломерата особенно проявляется в тощих составах. Когда на прочность искусственного камня оказывает влияние зерновой состав заполнителя, определяющий плотность укладки зерен и число контактов их друг с другом в монолите. Мелкие пески имеют в единице объема большое количество контактов, чем более крупные пески, но «каждое зерно в них скрепляется с другими меньшим числом связей [1, 3]. В результате чего структура получается менее прочной и жесткой.

Рассмотрим, как влияют крупность песка на прочностные свойства раствора.

Для оценки влияния крупности песка на прочностные характеристики цементно-песчаного раствора формовались образцы размером 70,7 Х 70,7 Х 70,7 мм из растворной смеси, содержащей: портландцемент – 500 г, вода – 210 мл, песок – 1500 г. Образцы твердели 28 суток при температуре плюс 20 – 22 оС, первые сутки в ванне с гидрозатвором и оставшиеся (2, 6 и 27) сутки в воде.

Для контрольного состава использовался стандартный монофракционный песок, соответствующий требованиям ГОСТ 6139-2003 [6], который имел: полный остаток на сите № 09 – 0,5 %, полный остаток на сите № 0,5 – 98 %; влажность – 0,2 %, потери при прокаливании – 0,5 %; количество глинистых и илистых частиц – 0,8 %.

Для исследования влияния крупности песка на прочность раствора песок фракционировали путем отсеивания крупной или мелкой фракции. Для дальнейших исследований принимался песок с модулем крупности: 0,27; 0,80; 0,99; 1,33; 1,87; 2,40; 2,94. Результаты испытаний представлены в таблице и на рисунке.

В качестве заполнителей и наполнителей в строительных растворных смесях используют минеральные природные или искусственно полученные зернистые материалы определенного гранулометрического состава. В зависимости от крупности частиц заполнители подразделяют на крупные и мелкие. К крупным заполнителям относят грубодисперсные материалы с размером зёрен более 5 мм - щебень, продукт дробления горных пород с частицами угловатой формы или гравий, окатанный материал природного происхождения. Мелкий заполнитель - песок, характеризуется предельной крупностью зёрен до 5 мм, он может иметь как природное происхождение, так и изготавливаться искусственно путём дробления горных пород или некоторых промышленных отходов, например, шлаков и т.п. Заполнители относят к плотным при плотности зерен более 2 г/см 3 ("истинная плотность" по ГОСТ 8735) и к пористым при меньших значениях плотности.

Характеристикой пористых песков может служить такая величина их насыпной плотности, которая для пористых песков не должна превышать 1400 кг/м 3 .

В качестве пористых заполнителей используют зернистые материалы, получаемые из горных пород - ГОСТ 2263 "Щебень и песок из пористых горных пород. Технические условия", либо готовят искусственно - ГОСТ 9757 "Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия", ГОСТ 10832 "Щебень и песок перлитовые вспученные. Технические условия", ГОСТ 12865 "Вермикулит вспученный" и др.

С целью коррекции фракционного состава заполнителя, а также для придания растворным смесям удобоукладываемости, повышения водоудерживающей способности, снижения деформаций усадки, а также для снижения не во всех случаях требующейся высокой прочности растворов, часть вяжущего в смесях заменяют тонкодисперсным порошкообразным материалом - наполнителем, характеризующимся размером частиц 0,05 - 0,16 мм. К таким материалам относятся тонкомолотые кварцевые пески, пылевидный природный кварц (маршалит), микрокальций, известняковая и доломитовая мука и др.

В качестве наполнителя может использоваться также молотая слюда, молотые тальк и талькомагнезит др.

Некоторые виды особотонкозернистых наполнителей - золы-уноса ТЭС, микрокремнезем, белая сажа и др. являются реакционноспособными материалами, их применение дает эффект упрочнения твердеющей системы и при условии использования специальных технологических приемов позволяет получать особопрочные и высокоплотные бетоны и растворы.

Основными характеристиками заполнителей инаполнителей, определяющими их влияние на технологические и строительно-технические свойства растворных смесей и растворов являются зерновой состав, предельный размер частиц, форма и характер поверхности зёрен, межзерновая пустотность и водопотребность. Важное значение имеют также минералогический состав, наличие пылевидных и глинистых частиц, содержание глины в комках и присутствие различных примесей.

В составах сухих строительных смесей в основном используется кварцевые пески (ГОСТ 8736 "Песок для строительных работ. Технические условия"), хотя пригодны также и другие виды песков - полевошпатовые, известняковые, доломитовые, гранитные, диоритовые и др. при условии, что их свойства отвечают требованиям ГОСТ 8735 "Песок для строительных работ. Методы испытаний". В отношении допустимого содержания вредных примесей приложение А (обязательное) к ГОСТ 8736 даёт подробные указания. Что касается допустимого содержания глинистых примесей и присутствия глины в комках, то, например, по DIN 18550 считается допустимым содержание в заполнителе для штукатурных растворных смесей до 5 масс.% глинистых частиц.

Вопросы оценки качества крупного заполнителя (гранулометрии, формы зёрен и т.п.) для бетонов достаточно детально рассматриваются в соответствующей технической и нормативной литературе [1, 2], чего нельзя сказать о мелком заполнителе для растворных строительных смесей.

Так, например, в недавно введенных в действие "Своде правил по проектированию и строительству - СП 82-101-98. "Приготовление и применение растворов строительных" [3] вопрос о выборе гранулометрии мелкого заполнителя в зависимости от назначения строительного раствора даже не упоминается. Рекомендации "Свода правил" по использованию мелкого заполнителя в составе штукатурных растворов ограничиваются ссылкой на то, что заполнитель должен соответствовать ГОСТ 8736 "Песок для строительных работ", при этом отсутствуют какие-либо рекомендации по использованию песков различных классов и групп по модулю крупности в строительных растворных смесях различного назначения.

В то же время в цитируемом "Своде правил" в директивной форме содержатся требования по ограничению предельного размера зёрен песка для штукатурных слоёв обрызга и грунта, в составах которых размер частиц заполнителя не должен превышать 2,5 мм. Это ограничение лишено какого-либо технического смысла, более того оно противоречит основной цели, которая должна достигаться при нанесении на основание первого штукатурного слоя (обрызга) - созданию условий, обеспечивающих прочное сцепление штукатурных слоёв грунта с основанием и друг с другом. Мелкое зерно, утапливаясь в слое штукатурного покрытия, оказывается с вышеизложенной точки зрения практически бесполезным. Толщина слоя обрызга не должна превышать максимального размера зёрен заполнителя, что обеспечивает шероховатость поверхности и прочное сцепление последующих штукатурных слоёв грунта с основанием. На равновпитывающие поверхности обрызг наносится в виде отдельных островков ("бляшек"), покрывая около 50 % поверхности.

Ограничение предельного размера зерна в штукатурках 2,5 мм в соответствии с правилами действовавшими в России отмечается как некий парадокс в работе опубликованное ещё в 30-х годах прошлого века. В качестве примеров в этой работе приводятся данные по ограничению предельного размера зерна в штукатурных составах ряда стран: в США - 4,76 мм, в Дании - 5 мм, в Великобритании - 4,76 мм, в Германии - 7 мм [4]. В стандарте DIN 18550, часть 2 максимальный состав зерна в штукатурном слое обрызга для наружных покрытий должен составлять 0/4 - 0/8 мм, для внутренних покрытий - 0/2 - 0/4 мм, а для слоёв грунта в обоих случаях - 0/2 - 0/4 мм, при этом дополнительно подчеркивается, что доля крупных зёрен должна быть по возможности большой. Снижение величины зерна в слоях обрызга и грунта ведёт к уменьшению прочности сцепления штукатурных слоёв и, несомненно, сказывается на долговечности штукатурных покрытий. В настоящее время с учётом развития машинной техники выполнения штукатурных работ предельный размер зерна в составах для обрызга может быть принят 4 мм, что соответствует рабочим параметрам машинных установок.

Рассмотрим теперь каким должен быть оптимальный гранулометрический состав мелкого заполнителя.

В самом общем приближении песок для строительных растворных смесей должен обладать наименьшим объемом пустот (наименьшей межзерновой пустотностью по ГОСТ 8735). В связи с этим предпочтение следует отдавать пескам смешанного (непрерывного) зернового состава.

Оптимальный, с точки зрения формирования свойств растворных смесей и растворов, гранулометрический состав достигается, если его характеристика соответствует так называемой "идеальной" кривой просеивания [1]. Именно в этом случае обеспечивается наиболее плотная упаковка зёрен.

При построении "идеальных" кривых гранулометрического состава предполагается, что частицы материала имеют сферическую форму, а так как на практике это условие не соблюдается, то на плотность упаковки частиц оказывает влияние форма зёрен и шероховатость их поверхности.

ГОСТ 8735 "Песок для строительных работ. Методы испытаний" позволяет дать лишь самое общее описание формы зёрен песка и характера их поверхности. Для корректирования состава растворных смесей с учетом этого показателя полученной информации недостаточно, поэтому для более точной оценки формы частиц можно воспользоваться методом определения формы зёрен песка по ГОСТ 29234.12 "Пески формовочные. Метод определения формы зёрен песка". Метод основан на определении коэффициента угловатости зёрен песка по соотношению истинной и теоретической удельных поверхностей. Коэффициент угловатости песков изменяется в пределах 1.2 - 1.6.

Форма зёрен заполнителя влияет на подвижность (удобоукладываемость) растворных смесей и на прочность растворов. Предпочтительными являются зёрна округлой или кубовидной формы. Поверхность зёрен должна быть шероховатой, что обеспечивает более высокую прочность сцепления частиц заполнителя с цементным камнем и тем самым повышает прочность раствора. Прямые определения прочности сцепления полированных пластинок кварца и других химически инертных минералов с цементным камнем дают значения в пределах от 0.6 до 1.0 МПа, когезия же цементного камня составляет 3.0 - 4.5 МПа. Таким образом, при максимально развитом рельефе поверхности зёрен заполнителя прочность сцепления его с цементным камнем за счет сцепления цементного камня с неровностями поверхности может возрасти примерно в 4 раза [5].

Для выбора оптимального гранулометрического состава заполнителя предлагаются различные "идеальные" кривые просеивания.

При подборе соотношения зёрен различных размеров в соответствии с идеальной кривой смеси имеют максимальную подвижность при минимальном расходе цемента и менее склоны к расслаиванию. Примером подобных идеальных кривых могут служить кривые просеивания, предложенные Фуллером [6].

"Идеальная" гранулометрическая кривая по Фуллеру описывается уравнением:
, %
Где А - проход через сито с размером ячейки d, мм, выраженный в масс. %;
di - размер ячейки сита, мм;
D - наибольший размер зерна в смеси, мм.

В линейных координатах "идеальная" гранулометрическая кривая по Фуллеру имеет вид параболы (рис. 1).

Рис. 1: "Идеальная" кривая гранулометрического состава заполнителя с предельным размером зерна 2,5 мм (по Фуллеру)

Рис. 2: "Идеальная" кривая гранулометрического состава заполнителя с предельным размером зерна 2,5 мм (по Ротфуксу). Штрих-пунктирная кривая соответствует смеси с минимальным размером частиц 0,1 мм.

Г. Ротфуксом [6] был предложен графический способ построения "идеальных" кривых гранулометрического состава, при котором эти кривые приобретают вид прямых линий (рис. 2). График на рис.2 по оси ординат показывает выраженные в массовых процентах значения проходов материала через сита с ячейкой di, мм (рассчитанные по уравнению Фуллера), а по оси абсцисс откладываются в линейном масштабе значения Vdi, мм.

"Идеальная" кривая может быть построена с учетом содержания в смеси зёрен минимального размера. Так, если, например, минимальный размер зерна в смеси составляет 0,1 мм, то уравнение, описывающее "идеальную" кривую имеет вид:

Анализ рекомендаций различных фирм-производителей сухих строительных смесей в отношении выбора оптимальной гранулометрии показывает хорошее соответствие этих рекомендаций с вышеизложенным подходом к "идеальной" гранулометрии заполнителя.

В качестве примера такого соответствия приведен рис.3, на котором представлены рекомендации фирмы "Henkel",
Bautechnik Ceresit по кривым рассева песков для строительных растворов при предельной крупности зерна 2 мм [7]. Сплошная линия на графике соответствует откорректированной на минимальный размер частиц 0,05 мм "идеальной" гранулометрической кривой. Как видно из рисунка, эта линия проходит посередине области, ограниченной рекомендуемыми кривыми оптимального гранулометрического состава, что свидетельствует о хорошем соответствии рекомендуемых и "идеальной" кривой по Фуллеру.
Технологические усилия на получение заполнителя "идеального" гранулометрического состава в ряде случаев могут оказываться слишком затратными, поэтому на практике пользуются графиками, на которых с помощью граничных кривых гранулометрического состава выделяются определённые области доброкачественных смесей и смесей допускаемых к применению аналогично тому, как это показано на рис. 3.

Идеология изложенного выбора "идеальных" гранулометрических кривых сохраняется и при оптимизации гранулометрического состава наполнителей.

Следует отметить, что подвижность строительных растворных смесей связана не только с особенностями гранулометрического состава заполнителя, формой частиц и шероховатостью их поверхности, но и с природой частиц. Кварцевые пески образуют растворные смеси, которые ведут себя совершенно отлично от растворных смесей на известняковых песках. Это обусловлено различием зарядов поверхности частиц. Кварц является веществом, имеющим сильноотрицательый поверхностный заряд, поверхность силикатных материалов заряжена слабоотрицательно, карбонат кальция имеет слабый положительный поверхностный заряд, а гидроксид кальция - высокий положительный. Частички с разными зарядами поверхности в растворных смесях притягиваются друг к другу, что улучшает внутреннюю связность системы и в то же время обеспечивает определенную пластификацию растворных смесей [8]. Особенности пластического поведения растворных смесей могут быть выявлены с помощью пластометрии, что даёт дополнительные сведения, позволяющие оптимизировать компонентный состав строительных растворных смесей.

Перечень использованных источников:

1. Баженов Ю.М. Технология бетона. - М.: "Высшая школа", 1986. - 456с.

2. ГОСТ 26633 - 91. "Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия". - М.: Госстандарт

3. Свод правил по проектированию и строительству. "Приготовление и применение растворов строительных". СП 82 - 101 - 98. - М.: Госстрой России, 1999. - 32с.

4. Handlingar №28 Transactions Sweden, 1957 V. Saretok "Puts och putsning".

5. Виноградов Б.Н. Заполнители для бетона. - М.: Стройиздат, 1982. - 252с.

6. Rothfuchs Geory "Betonfibel. VEB Verlag Technik Berlin, 1956. - 136с.

7. "Henkel", Bautechnik Ceresit, Сборник технических описаний, 2002. - 148с.

8. Backman A. Uber das plastischeVerhalten des Kalkmortel. Zement-Kalk-Gips, 1959, №10, p. 449 - 456.

Читайте также: