Глава 4. ВЛИЯНИЕ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ НА СВОЙСТВА БЕТОНА.

При определении назначения заполнителей (см. гл. 1) перечислены стимулы, побуждающие к их применению. Рассмотрим влияние заполнителей на основные свойства бетонов более подробно.

Все эмпирические формулы, по которым определяется прочность бетона, содержат коэффициенты, зависящие от качества заполнителей.

Что означает «качество заполнителей», какие конкретные свойства имеются в виду.

В первую очередь это свойства, определяющие сцепление цементного камня с поверхностью зерен заполнителей в бетоне, и собственная прочность заполнителей.

Сцепление цементного камня с поверхностью зерен заполнителей. В обычных тяжелых бетонах прочность крупного заполнителя—гравия или щебня —всегда выше прочности растворной части, а прочность мелкого заполнителя — песка (точнее, горной породы или минералов, составляющих зерна песка) — больше прочности цементного камня. И тем не менее, прочность раствора оказывается, как правило, меньше прочности цементного камня, а прочность бетона нередко ниже прочности растворной его части. Исследования показали, что прочность бетона зависит не столько от прочности заполнителей, сколько от прочности сцепления цементного камня с поверхностью зерен заполнителей.

В этом можно убедиться, проделав в лаборатории следующий опыт. Приготовим в качестве «заполнителей»» гладкие стальные шары и такие же по размеру шары из парафина. Затем сформуем из цементного раствора одинаковые образцы, в один дз которых введем стальные шары, в другой — парафиновые. После твердения в одинаковых условиях испытаем образцы на прочность. Окажется, что их прочность примерно одинакова, несмотря на то, что в одном «заполнитель» из высокопрочной и жесткой стали, в другом— из слабого пластичного парафина. В обоих случаях прочность образцов будет значительно ниже прочности исходного раствора.

Отсутствие сцепления цементного камня с заполнителями так резко проявляется в снижении прочности бетона потому, что даже при сжатии бетон разрушается от поперечного растяжения. При отсутствии сцепления цементного камня с заполнителями последние практически не участвуют в сопротивлении действию нагрузки и как бы уподобляются пустотам, ослабляющим сечение. На практике в качестве заполнителя иногда используют гладкоокатанную морскую гальку. Естественно, что прочность бетона при этом не может быть высокой.

Применяя вместо чистого цементного камня бетоны с мелким и крупным заполнителем, стремятся к тому, чтобы замена заполнителем цементного камня в бетоне была эффективной во всех отношениях. Как указано выше, заполнитель занимает в бетоне до 80% объема. Это экономит цемент. Но всегда ли введение в бетон заполнителей эффективно с точки зрения обеспечения высокой прочности конгломерата.

Что касается мелкого заполнителя — песка, то опыты показывают, что прочность цементно-песчаного раствора на кварцевом песке ниже прочности цементного камня. В частности, на обычных цементах получается цементный камень, превышающий в 2 раза марку (активность) цемента по прочности, определяемую в соответствии со стандартом путем испытания образцов из цементно-песчаного раствора 1 :3. Нормальный (Вольский) песок для испытания цементов по ГОСТ 6139—78 — узкофракционный, с окатанными зернами округлой формы — не обеспечивает прочного сцепления с цементным камнем.

Если провести с цементом опыт, аналогичный его стандартному испытанию, но вместо нормального (Вольского) песка использовать природный кварцевый с менее окатанными (более шероховатыми) зерами, то прочность образцов повысится (по данным Ю. М. Баженова на 15. 25%), но все равно будет ниже прочности цементного камня.

Если вместо природного песка использовать дробленый из скальных пород, то можно добиться некоторого повышения прочности бетона, хотя и в дробленом песке зерна часто имеют гладкие грани, представляя собой отдельные кристаллы минералов.

Некоторые кристаллические минералы при дроблении разрушаются с разрывом межатомных связей. Обнаружено, что свежедробленые кварцевые заполнители в силу' ионизации поверхности зерен приобретают на короткое время физико-химическую активность, что проявляется в повышении прочности бетона за счет лучшего сцепления.

Однако прочность сцепления цементного камня с поверхностью зерен песка меньше прочности цементного камня, поэтому последняя в цементно-песчаном растворе недоиспользуется.

Щебень в качестве крупного заполнителя лучше гравия, так как имеет более благоприятную для сцепления форму зерен и развитую шероховатую поверхность. Его используют для получения высокопрочных бетонов.

Гравий — самый дешевый крупный заполнитель, залежи его имеются во многих районах страны. Если при применении гравия, как и песка, обеспечивается более или менее надежное его сцепление с цементным камнем, обусловленное только физико-химическим взаимодействием, то при использовании щебня имеет место и механическое зацепление, преодоление которого при разрушении бетона связано с сопротивлением цементного камня срезу.

Помимо формы зерен заполнителей на прочность сцепления с ними цементного камня влияет чистота поверхности. Природные заполнители нередко бывают загрязнены. Например, глинистые примеси, обволакивающие зерна тонкой пленкой, мешают сцеплению. Поэтому их следует предварительно промывать. В случае применения непромытых заполнителей целесообразно при приготовлении бетонной смеси в бетоносмесителе сначала их перемешать с водой и лишь потом добавить цемент. В этом случае примеси, смытые с поверхности заполнителя, равномерно распределятся в цементном тесте и не окажут столь вредного воздействия.

Положительное влияние на сцепление оказывает пористость зерен заполнителя. Благодаря отсосу воды пористым заполнителем в бетонной смеси цементное тесто проникает в открытые поры, т. е. имеет место как бы срастание цементного камня с заполнителем. Кроме того, водопоглощение устраняет опасность образования у поверхности заполнителей водных пленок, мешающих сцеплению.

Наконец, на весьма сложные и не вполне изученные физико-химические процессы, определяющие прочность склеивания составляющих бетона, влияют химический и минералогический составы заполнителей.

Если сцепление цементного камня с заполнителями в бетоне невелико, то разрушение бетона под нагрузкой начинается с зоны контакта, трещины разрушения проходят по цементному камню и поверхности зерен заполнителя, огибая их ( 4.1, а). Если же сцепление надежно, то разрушение бетона происходит по сквозным трещинам, пронизывающим как цементный камень, так и заполнители ( 4.1, б). Именно такая картина разрушения наблюдается при испытании высокопрочного бетона.