В качестве крупного заполнителя для бетона используют гравий и щебень. В зависимости от насыпной плотности и структуры зерен крупного заполнителя различают плотные (тяжелые) заполнители (насыпная плотность более 1200 кг/м3), используемые для тяжелого бетона, и пористые (насыпная плотность равна или менее 1200 кг/м3), используемые для легкого бетона.
Насыпная плотность крупного заполнителя - один из важных качественных показателей. Она зависит от плотности зерен заполнителя и от его межзерновой пустотности. Насыпная плотность Pнас определяется путем взвешивания пробы заполнителя в сосуде с известной вместимостью по формуле:
pнас = (m - mc) / Vc, (28)
где m - масса пробы заполнителя с сосудом, кг,
mc - масса сосуда, кг. Vс - вместимость сосуда, м3.
Межзерновая пустотность показывает, какую долю составляют пустоты между зернами крупного заполнителя от его объема в рыхло-насыпном состоянии Она может быть рассчитана по формуле для расчета пористости, если известны насыпная плотность pнас заполнителя и его плотность в куске pm
α = (pm - pнас) / pm (29)
Межзерновая пустотность обычно составляет 0,4 … 0,5. Это означает, что около половины объема крупного заполнителя занимает воздух. При использовании в бетоне в бетоне важно, чтобы межзерновая пустотность заполнителя была возможно меньше. В этом случае снижается расход цемента при сохранении требуемых свойств бетона. Уменьшить межзерновую пустотность заполнителя можно правильным подбором зернового состава так, чтобы мелкие зерна занимали пустоты между крупными.
Зерновой состав. По крупности зерен щебень и гравий разделяют на следующие фракции: 5…10, 10…20, 20…40, 40…70 мм. Для массивных конструкций допускается использовать фракции большего размера. В строительстве применяют крупный заполнитель в виде смеси фракций, обеспечивающей минимальную межзерновую пустотность, или в виде отдельных фракций при условии последующего их смешения в заданных соотношениях. Чем меньше межзерновая пустотность, тем меньше расход цементно-песчаного раствора (а в конечном счете цемента), заполняющего в бетоне пустоты между зернами заполнителя.
Содержание различных фракций в крупном заполнителе нормируется стандартами.
Прочность крупного заполнителя для тяжелых бетонов должна быть в 1,5… 2 раза выше прочности бетона. Оценка прочности заполнителя может производиться по прочности той породы, из которой получен заполнитель, путем испытания выпиленных из нее кернов (цилиндрических образцов) или путем оценки дробимости самого заполнителя. Дробимость заполнителя оценивается по количеству мелочи, образующейся при сдавливании пробы заполнителя (гравия или щебня) в стальной форме под определенным усилием. Показатель дробимости Др (%) вычисляют с погрешностью до 1 % по формуле:
Др = (m1 – m2 / m1) 100, (30)
где m1 – испытываемая проба щебня (гравия), кг,
M2 - остаток на контрольном сите после просеивания раздробленной в цилиндре пробы щебня (гравия), кг.
В зависимости от дробимости при сжатии в цилиндре щебень подразделяют на следующие марки по прочности: М1400, М1200, М1000, М800, М600, М400, М300 и М200.
В пределах этих марок по дробимости при сжатии в цилиндре установлены допустимые содержания зерен слабых пород, т. е. прочностью при сжатии в водонасыщенном состоянии образцов менее 20 МПа (табл. 13).
Таблица 13
| Вид породы и марка по дробимости щебня и гравия | Содержание зерен слабых пород, % по массе |
| Щебень из изверженных, метаморфических и осадочных горных пород марок: | |
| 1400; 1200; 1000 | |
| 800; 600; 400 | |
| Щебень из гравия и валунов и гравий марок: | |
| 1000; 800; 600 | |
Морозостойкость заполнителя должна быть выше проектной морозостойкости бетона.
Вредными примесями в крупном заполнителе, как и в песке, являются органические, пылеватые и глинистые. Методы их определения такие же, как и для песка. Особенно вредна глина на поверхности заполнителя, так как препятствует его сцеплению с цементным камнем. Количество пылеватых, глинистых и илистых примесей, определяемых отмучиванием, не должно быть более 1…3 % в зависимости от вида заполнителя и класса бетона. Глина в виде комков снижает морозостойкость бетона, поэтому ее присутствие недопустимо.
В крупном заполнителе не должно быть зерен, содержащих активный кремнезем, так как это может со временем вызвать разрушение бетона.
Радиационно-гигиеническая оценка содержания естественных радионуклеидов обязательна для всех заполнителей, и в особенности для получемых из промышленных отходов (металлургических шлаков и т.п.).
Щебень в зависимости от содержания зерен пластинчатой и игловатой формы подразделяют на пять групп, которые должны соответствовать указанным в таблице 14.
Таблица 14
| Группа щебня | Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы, % по массе | |
| До 10 включ. | ||
| Св. 10 до 15 включ. | ||
| " 15 " 25 " | ||
| Св. 25 до 35 включ. | ||
| " 35 " 50 " | ||
| Примечание - По согласованию изготовителя с потребителем допускается выпуск щебня из изверженных горных пород, содержащего св. 50%, но не более 65% зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы. |
К пластинчатым и игловатым зернам относят такие, в которых толщина или ширина меньше длины в 3 и более раза.
Ход работы.
I. Определение насыпной плотности
Для определения насыпной плотности щебня используют стандартные цилиндры объёмом 5 л – для фракции 5-10 мм и 20 л – для фракции 10-20 мм.
Определяют массу цилиндров, затем высушенный до постоянной массы щебень насыпают в цилиндр с высоты 10 см. до образования конуса. Излишек материала снимают вровень с краями цилиндра без уплотнителя, затем взвешивают цилиндр со щебнем и подсчитывают насыпную плотность рн в кг/м 
по формуле:
р 
= m 
- m 
/ V, (31)
где m2 – масса мерного цилиндра, кг;
m - масса мерного цилиндра с песком, кг;
V – объём цилиндра, м .
Результат подсчитывают как среднее арифметическое из двух определений.
II. Определение зернового состава щебня одной фракции
Крупный заполнитель подразделяют по крупности на 4 фракции: 5-10мм, 10-20мм, 20-40мм и 40-80мм. Щебень, гравий и щебень из гравия могут поступать в виде смеси двух или большего числа фракций. Зерновой состав каждой фракции или смеси фракций должен находиться в требуемых ГОСТ пределах (табл. 15).
Таблица 15 - Пределы зернового состава крупного заполнителя
| Размер отверстий контрольных сит | Д 
| 0,5 (Д  +Д )
| Д
| 1,25Д
|
| Полные остатки на ситах по массе, % | От 90 до 100 | От 30 до 60 | До 10 | До 0,5 |
Из щебня одной фракции, высушенного до постоянной массы, отбирают пробу: для фракции 5-10мм – в количестве 5кг; для фракции 10-20 мм – 10кг.
Пробу просеивают через контрольные сита с диаметрами отверстий:
наименьший - Днаим, средний - 0,5 (Д +Д ), наибольший - Днаиб размеров зёрен щебня данной фракции, а также через сито отверстиями размером 1,25 Днаиб. Затем определяют частные и полные остатки на каждом сите в процентах от массы всей пробы.
Частный остаток (a 
) – это отношение массы остатка на данном сите m к массе всей навески:
a =m / m · 100 %, (32)
Полный остаток на любом сите А равен сумме частных остатков на этом сите и всех ситах большего размера.
Полученные результаты сопоставляют с величинами, указанными в табл. 5 и дают заключение о соответствии крупного заполнителя требованиям стандарта по зерновому составу.
III. Определение формы зёрен щебня
Свойства крупного заполнителя зависят от формы зёрен. Форму зерен щебня и гравия характеризуют содержанием зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы.
Пластинчатые (лещадные) и игольчатые зёрна увеличивают пустотность щебня, вызывают перерасход цемента в бетоне, ухудшают его удобоукладываемость.
Для определения содержания в щебне пластинчатых (лещадных) и игольчатых зёрен берут навеску щебня, равную 0,25 кг для фракции 5-10мм и 1,0 кг для фракции 10-20мм. Визуально отбирают зёрна, толщина или ширина которых меньше длины в три и более раза.
В сомнительных случаях отношения размеров зёрен определяют с помощью передвижного шаблона или штангенциркуля. Взвешивают количество пластинчатых (лещадных) и игольчатых зёрен и вычисляют их содержание в % по массе.
Исходя из результатов, определяют группу щебня по содержанию зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы.
IV. Определение прочности щебня
Прочность крупного заполнителя определяют методом раздавливания его пробы в сухом или насыщенном водой состоянии в металлическом цилиндре с вычислением показателя дробимости Др (%) по формуле 30, указанной выше.
Др = (m1 – m2 / m1) х 100 %,
где m1 - испытываемая проба заполнителя, кг;
м2 - остаток на контрольном сите после просеивания раздроб- ленной в цилиндре пробы заполнителя, кг.
Марку щебня определяют по показателю дробимости (табл. 16. и 17.) в зависимости от вида горной породы и способа испытания.
Таблица 16.
| Марка щебня по прочности | Потери, % по массе, при испытании щебня из осадочных или метаморфических пород | |
| в сухом состоянии | в насыщенном водой состоянии | |
| До 11 | До 11 | |
| Св. 11 до 13 | Св. 13 до 15 | |
| Св. 13 до 15 | Св. 13 до 15 | |
| Св. 15 до 19 | Св. 15 до 20 | |
| Св. 19 до 24 | Св. 20 до 28 | |
| Св. 24 до 28 | Св. 28 до 38 | |
| Св. 28 до 35 | Св. 38 до 54 |
Таблица 17.
| Марка щебня по прочности | Потери, % по массе, при испытании щебня | |
| из интрузивных пород | из эффузивных пород | |
| До 12 | До 9 | |
| Св. 12 до 16 | Св. 9 до 11 | |
| Св. 16 до 20 | Св. 11 до 13 | |
| Св. 20 до 25 | Св. 13 до 15 | |
| Св. 25 до 34 | Св. 15 до 20 |
Для определения показателя дробимости из щебня фракции 5-10 мм или 10-20 мм отбирают пробу массой 0,5кг для испытания в цилиндре диаметром 75мм.
Пробы щебня при испытании в сухом состоянии высушивают до постоянной массы, а при испытании в насыщенном водой состоянии отпускают в воду на 2 часа.
После насыщения водой с поверхности зёрен щебня удаляют влагу мягкой влажной тканью.
Стальной цилиндр заполняют щебнем, свободно засыпая его с высоты 50мм так, чтобы после разравнивания верхний уровень материала примерно на 15мм не доходил до верхнего края цилиндра. В разровненный щебень ставят пуасон и на прессе разрушают щебень, доводя максимальное давление до 5тн.
Щебень взвешивают до испытания или сразу после испытания, затем просеивают через сито, диаметр которого в четыре раза меньше минимальной фракции щебня.
При испытании щебня в насыщенном водой состоянии пробу после просеивания промывают водой на сите и удаляют поверхностную влагу зёрен щебня мягкой влажной тканью. Остаток щебня на сите взвешивают и определяют показатель дробности с точностью до 1%.
Результат испытаний определяют как среднее значение из двух определений.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Для каких целей применим крупный заполнитель в бетоне?
2. Какие материалы применяют в качестве крупного заполнителя?
3. Какие фракции крупного заполнителя выпускаются?
4. Какая форма зерен крупного заполнителя предпочтительна для бетонных работ? Почему?
5. Какая прочность крупного заполнителя должна быть при его применении в бетоне?
6. Какими показателями оцениваются прочность крупного заполнения? Как она определяется?
Лабораторная работа № 8
