Если текстура поверхностного слоя крупного заполнителя мало влияет на пластичность-жесткость и стабильность смеси на всех технологических переделах, то форма зерен и зерновой состав оказывают решающее влияние на этот показатель, в том числе на его стабильность. При прочих равных условиях насыпная объемная масса определяет пустотность крупного каменного заполнителя, т. е. отражает влияние зернового состава и формы зерен на более или менее плотное заполнение объема. Следовательно, этот показатель в конечном счете определяет количество раствора, которое требуется для приготовления плотного бетона.
Сказанное ранее о форме зерен позволяет сделать вывод о необходимости применять крупный заполнитель различных размеров, что, в частности, достигается при делении гравия (щебня) на фракции.
Многочисленные исследования о влиянии зернового состава на свойства бетона были проведены в Центральной лаборатории строительства Куйбышевского гидроузла еще в 1938—1940 гг. Учитывая различные точки зрения по данному вопросу, было решено провести опыты на семи зерновых составах гравия флювио гляциального генезиса и на двух зерновых составах щебня из афо-нитового известняка. Проверялись смеси на гравии по кривой Бо-ломея, по измененной кривой Фуллера, на грани прерывистого зернового состава и смеси, содержащие 25, 50 и 75% крупных фракций.
Кроме смеси, подобранной по кривой Боломея, проверялись остальные смеси на ряд характеристик при наибольших крупностях зерна в 40, 80 и 160 мм и шести значениях коэффициента r — 20, 25, 30, 35, 40 и 45% от суммы объемов песка и крупного заполнителя.
Качество смесей оценивалось такими же способами, как и при оценке влияния формы зерен. При работах объем мерных сосудов изменялся в соответствии с указаниями, существующими в методиках стандартов.
Указанное разнообразие зерновых составов смесей было связано с необходимостью практической проверки широко известных рекомендаций по Боломею, измененному составу Фуллера и прерывистому зерновому составу и т. д. При этом требовалось получить смесь с наименьшей и наибольшей пустотностыо. Выбор максимальных размеров зерен в смеси был связан с разработкой рекомендаций для бетонных работ в строительстве — гидротехническом, дорожном, аэродромном, промышленном, мостовом, жилищном.
Для опытов применяли среднеалюминатный портландцемент того же состава, что и при определении влияния щебня различной формы на свойства смеси и бетона и тот же цемент с добавкой к нему 20% трепела и тот же песок.
На 1 м3 бетона на портландцементе при сравнении двух вяжущих требовалось: цемента — 300 кг, воды — 165 л, песка — 564 кг, гравия—1318 кг, пластичность-жесткость смеси — 3,5 см. На 1 м3 бетона на пуццоланизированном цементе расходуется: цемента 240 + 60 (трепела) кг, воды 185 л, песка —551 кг, гравия—1262 кг при той же пластичности-жесткости. При изменении показателя г для опытов был выбран смешанный портландцемент того же минералогического состава, что и в указанных опытах, но с добавкой молотого песка.
Так, гравийная смесь, подобранная по Боломею, уплотняется слабо, а подобранная по измененной кривой Фуллера по плотности приближается к уплотненной смеси с прерывистым зерновым составом, что имеет большое значение для технологии бетонных работ.
Увеличение наибольшей крупности способствует лучшей раскладке меньших зерен, что повышает плотность, как и вибрирование; при этом различие в плотности зерновых составов остается, что связано с исходным фракционным составом. В этих опытах с сухими смесями (без цементного теста) увеличение до 40% содержания песка в крупном гравийном заполнителе независимо от его зернового состава приводит к повышению плотности (заполнению пустот в промежутках между зернами гравия или щебня).
Однако увеличение удельной поверхности заполнителей (что связано с повышением количества песка в песчано-гравийной смеси) для получения смесей с одной и той же пластичностью-жесткостью вызывает соответствующий рост расхода воды, а при сохранении одной и той же прочности и увеличение расхода цемента.
При испытании составов бетона, видно, что при одном и том же значении r изменяется пластичность-жесткость бетонных смесей на гравии различного зернового состава. Это связано с наибольшей крупностью зерен и количеством песка. Как следует из таблицы, с ростом содержания песка нивелируется различие в пластичности-жесткости смесей, оцениваемой по осадке конуса. Существует оптимальное количество песка, при котором смесь обладает лучшей связностью и наибольшей осадкой конуса; при определенных минимальных значениях коэффициента r бетонные смеси начинают расслаиваться. У смесей с наибольшей крупностью зерна в 40 мм отмечена наибольшая осадка конуса при 30% песка; с уменьшением количества песка выявляется роль зернового состава гравия.
Для гравия с любой (большей) крупностью зерен большая пластичность отмечается при меньшем чем 30% содержании песка; это -показывают и прямые определения плотности таких смесей, подтверждая положение о лучшей упаковке составляющих их зерен. Естественно, что с увеличением максимального размера зерен гравия происходит рост пластичности-жесткости (бетонной смеси по осадке конуса против аналогичных составов, но с меньшим максимальным размером зерен.
Не расслаивающимися на всех технологических переделах являются смеси с большим содержанием песка, и, следовательно, как бы нивелируется различие в зерновых составах. Однако из отмеченного факта нельзя делать вывод о том, что на качество бетона из смеси с высоким содержанием веска также не будет влиять зерновой состав крупного заполнителя. Действительно, наибольшая прочность бетона с содержанием 45% песка колеблется для различных составов в пределах от 220 до 275 кг/см2(10-1 МПа).
График показывает, что прочность бетона нельзя оценивать вне зернового состава крупного каменного заполнителя одной и той же характеристики, формы зерен и количества песка при прочих равных условиях опыта (при одном В/Ц, качестве и количестве цемента, условиях приготовления бетонной смеси, ее формования и твердения). Сказанное подтверждается опытами с разными зерновыми составами гравия и щебня (из афонитового известняка). Так же как и в опыте с гравием, для нерасслаиваемости смеси — лучшей ее связности — решающее значение имеет количество песка в сумме заполнителей, которое неодинаково для разных зерновых составов.
Для щебня, подобранного по типу измененной кривой Фуллера, оптимальное для бетонной смеси содержание песка равно 40—45%, для щебня с прерывистым зерновым составом (например, при 50%-ном содержании зерен наибольшей крупности) отмечается большая пластичность по сравнению с составами щебня непрерывного зернового состава. И в этом случае снижение содержания песка ниже определенной величины приводит к потере связности конуса бетонной смеси (он разваливается после снятия формы). При этом составы с большим содержанием песка имеют и несколько меньшую осадку конуса.
Несовершенство метода нахождения пластичности-жесткости бетонных смесей, в частности, заключается и в том, что при определении осадки конуса не фиксируется внимание на связности смеси (когда конус деформируется пластично, без потери связности частиц) или ее отсутствии (когда конус деформируется — разваливается).
Введение цементного теста в сухие каменные материалы в значительной степени изменяет показатели плотности, полученные при опытах на сухих материалах. Регулируя количество и качество цементного теста, удается регулировать и плотность бетона.
Анализ роли зернового состава крупного заполнителя, как и опыт бетонных работ, позволяет сделать следующие выводы:
1) зерновой состав имеет существенное значение для качества бетонной смеси на всех технологических переделах. Если при перемешивании и транспортировании можно получить нерасслаи-ваемые бетонные смеси только благодаря повышенному содержанию песка, то для их формования можно применить любое количество песка. Следовательно, рассмотрение зерновых составов крупного заполнителя нельзя ограничивать чисто лабораторными определениями пластичности-жесткости бетонной смеси;
2) содержание воды в бетонной смеси связано с зерновым составом крупного заполнителя, в том числе с максимальной крупностью зерен;
3) зерновой состав заполнителя отражается на коэффициенте однородности, механической прочности и на других его свойствах. Поэтому в тех сооружениях, масса которых учитывается в расчетах, следует добиваться высоких и стабильных значений также путем регулирования зернового состава;
4) от зернового состава заполнителя зависит степень упаковки смеси при вибрировании и, следовательно, расход цемента.
Следует всегда применять гравий (щебень) с максимально допустимым по крупности пределом зерен, с учетом сечений и армирования конструкций. Указанное условие определяет возможность получения бетонной смеси заданной пластичности-жесткости при минимальном содержании воды; увеличивая максимальный размер зерен гравия (щебня), можно сгладить различие в механической прочности зерновых составов, что имеет большое практическое значение для,технологии фракционирования крупного каменного заполнителя (тоже при дроблении технических пород на щебень).
Сказанное позволяет использовать каменные материалы с меньшим количеством песка без расслоения бетонных смесей при транспортировании и, следовательно, применять бетон с относительно меньшим содержанием воды; пластичность выше у бетонных смесей, содержащих более крупный гравий (щебень), в котором меньше последующих фракций, чем у смесей с меньшей максимальной крупностью зерна.
С изменением содержания песка в бетонах меняется «жирность» раствора, прочность бетонов на крупном заполнителе одного зернового состава, но разного вида (гравии, щебне различных петрографических характеристик и формы зерен).
По внешнему виду конусов сформованной бетонной смеси и по осадке конуса можно определять оптимальное содержание песка в бетоне. При низких значениях r теряется связность между растворной частью и зернами крупного заполнителя, а при высоких — резко уменьшается осадка конуса, хотя условная нерасслаиваемость компонентов в смеси визуально наиболее высока; величина r не должна назначаться без учета зернового состава крупного каменного материала; ее уточняют экспериментом, так как она связана с рядом условий, одним из которых является зерновой состав крупного заполнителя. Необходимо отметить, что при повышенном содержании песка нивелируется различие по пластичности-жирности смеси в зерновых составах крупного каменного заполнителя. Это указывает (так как изменяется «жирность» растворной части) на отрицательную роль повышенного количества песка в бетонах сравниваемых составов (при одном и том же содержании цемента и В/Ц).
По перечисленным причинам применяется фракционированный крупный заполнитель, а в ряде стран — фракционированный песок.