На крупный заполнитель из горных пород имеется ряд нормативных документов, в которых приведены технические требования на крупный заполнитель для различных конструкций. Кроме этого, имеются документы, нормирующие качество искусственных заполнителей: керамзитового гравия, щебня из пористого металлургического шлака — шлаковой пемзы и щебня из доменного шлака для бетона. Керамзитовый гравий (щебень) из шлаковой пемзы применяют для приготовления легких бетонов.
Рассмотрим главные положения, лежащие в основе нормативных документов на крупный заполнитель для тяжелого бетона.
В ГОСТах гравий (щебень) регламентируется по размеру зерен. Зерновой состав гравия (щебня) должен быть в пределах от 5 до 70 мм (для отдельных случаев выше). В последнее время в требованиях делается особый акцент на фракционирование гравия (щебня). Однако указание на обязательность раздельного дозирования четырех фракций крупного заполнителя (щебня, гравия, щебня из гравия)—5—10, 10—20, 20—40 и 40—70 мм дается только в ГОСТ 10268—62. В других ГОСТах говорится лишь о подразделении гравия (щебня) на четыре фракции, что в первую очередь связано с назначением максимальной крупности зерен при подборах состава бетона, и указывается на необходимость выбора отдельных или нескольких фракций с учетом требований таблицы стандарта.
Особое внимание уделяется генезису горных пород и получению гравия и щебня искусственным путем при обжиге глин, выплавке чугуна или при другой технологии. Как было показано при анализе петрографического состава гравия по генезису, его зерна исключительно разнообразны (значительно больше, чем щебня, при получении которого мы можем оценить исходную горную породу в монолите). Резкая неоднородность петрографического состава гравия учитывается в ГОСТе.
Для оценки прочности зерен гравия в бетоне в соответствии с его назначением в строительных работах, проводят лабораторные испытания на дробимость гравия в цилиндре или представительных образцов горных пород при сжатии, истираемости в полочном барабане. Для гравия, используемого в балластном слое на железных дорогах, важно определение прочности при многократных ударах, которая проверяется на копре ПМ.
При эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций в условиях многократного смачивания водой, замораживания и оттаивания особое значение приобретает морозостойкость крупного заполнителя. Многочисленные опыты показывают, что ускоренные испытания в растворе сернокислого натрия, а также в бетоне не позволяют с нужной достоверностью определить стойкость гравия при замораживании и оттаивании. Столь же важна и оценка качества гравия то его минерало-петрографическому составу в части определения в нем реакционно способного свободного кремнезема.
При определении качества гравия (природного щебня) необходимо убедиться в отсутствии в нем минеральных (глинистых, илистых и пылевидных) частиц и органических примесей. Если наличие первого вида примесей всегда связано с ухудшением таких технических свойств, как прочность, морозостойкость, то присутствие органических примесей влияет на процессы твердения цемента. В одном случае, когда органических примесей незначительно (что определяется по калориметрической стандартной методике), процесс гидролиза и гидратации цемента задержится, но постепенно приобретет нормальный характер. В другом случае — при содержании больших количеств органического вещества (гумуса) процесс твердения может затормозиться на длительный период, что недопустимо не только по условиям производства работ, но и по условиям формирования структуры цементного камня в конструкциях, когда бетон остается без надлежащего ухода.
В ГОСТах также отмечается значение формы зерен гравия (щебня), что связано с резким ухудшением свойств бетонной смеси, приготавливаемой на гравии (щебне), содержащем зерна пластинчатой— лещадной или игольчатой формы. К зернам указанных форм относят такие, толщина или ширина которых в 3 раза меньше их длины. Такие рыхлые смеси имеют значительно больший объем пустот, усложняют назначение максимального размера зерен, что» связано, в первую очередь, с расстоянием в свету между арматурными стержнями (пучками).
Особенности технических условий на легкие искусственные заполнители связаны с их природой, что отражено в ГОСТах.
Керамзитовый гравий по объемной массе делят на 12 марок (от наиболее легкого с М150 до наиболее тяжелого с М800). При выборе шлакового щебня важна стабильность — устойчивость структуры шлаковых фаз, гарантирующая шлаки от распада (силикатного и железистого, который проверяется по специальной методике). Легкий бетон используют не только для производства конструкций, но и как конструктивно-теплоизоляционный, а также теплоизоляционный материал, поэтому в СНиПе его подразделяют не только по прочности, но и по объемной массе на 10 марок (от 800 до 1800 кг/м3) в строгом соответствии с делением легких крупных заполнителей. Ранее сказанное о требованиях ГОСТов на тяжелые крупные заполнители в части оценки их зернового состава,, прочности, морозостойкости, чистоты имеется и в ГОСТах на легкие заполнители.
В СНиП 1-Д.2—62 «Автомобильные дороги. Материалы и изделия» качество крупного каменного заполнителя рассматривается применительно к специфике проектирования и строительства автомобильных дорог и, в частности, тяжелого бетона для покрытий. Естественно, что вопросы качества гравия (щебня), например для; бетона, изложены в иной редакции, так как они должны быть увязаны с конкретными местами и. условиями использования заполнителя.
Отличительной чертой указанного СНиПа, например для щебня цементнобетонных покрытий, является дифференциация требований по петрографическим особенностям исходной горной породы,, категориям дорог и климатическим условиям. Для этой цели составлены таблицы, в которых все применяемые горные породы для приготовления щебня, а также гравий разбиты (условно) на классы и таблицы, в которых указаны технические нормы на гравий (щебень).
Деление горных пород на изверженные, метаморфические и осадочные может быть расширено на базе более детальных представлений об их генезисе. То же следует сказать и о наименованиях горных пород, так как перечень названий недостаточен для ориентировки в качестве породы. Наиболее интересен показатель механической прочности, который определяют не только непосредственными испытаниями образцов, но и косвенно — испытаниями на истирание в полочном барабане.
Определение прочности путем раздавливания образцов на прессе практически не реализуется в силу сложности массового изготовления образцов из кусков камня. Поэтому замена таких испытаний истиранием в полочном барабане гравия (щебня) позволяет проводить широкие исследования прочности материала и контрольные испытания. Сопоставление обоих видов испытаний — предела прочности и потерь при истирании — дает информацию об условной прочности горных пород.
По происхождению и потерям при истирании горные породы делят на классы. Изверженные породы имеют три класса, метаморфические и осадочные — четыре. Необходимо отметить, что класс без названия горной породы не дает необходимой информации о качестве гравия (щебня). В отличие от щебня деление гравия связано с наличием в нем различных горных пород и с формой зерен. По этой причине для I класса гравия дана меньшая цифра потерь при истирании в полочном барабане (20% против 25% для щебня из прочных горных пород).
В таблицах СНиПа в соответствии с категорией дороги и климатическими условиями эксплуатации указаны только два показателя качества гравия (щебня): класс (т. е. его прочность) и морозостойкость. При этом морозостойкость нормируется в пределах 25—150 циклов испытания, хотя в ГОСТ 8268—62 за максимальный показатель морозостойкости принято 300 циклов. ГОСТ 4797—64 предлагает иной метод назначения морозостойкости гравия (щебня), по которому испытывают крупный заполнитель непосредственно в бетоне и нормируют его морозостойкость по морозостойкости бетона.
Однако остается неясным, как назначать морозостойкость бетона. Известно, что разрушение бетона может иметь различные причины, и при наличии морозостойкой структуры цементного камня неморозостойкий крупный заполнитель окажется причиной разрушения бетона. Указанные вопросы являются результатом отсутствия обоснованных методов моделирования испытаний материалов на различные воздействия внешней среды.
Изучение качества бетонных покрытий, бордюрных камней и других дорожных сооружений, эксплуатируемых в различных климатических условиях, показывает, что в ряде случаев дефекты связаны и с неучетом отдельных технических свойств, которые не могут быть определены требованиями СНиПа. Действительно, между прочностью материала (например, горной породы) и его морозостойкостью нет однозначной зависимости.
Прочность горной породы, ее условный класс не отвечают и на такой важный вопрос, есть или нет в нем реакционно способный кремнезем. Целенаправленное изучение всей совокупности качественных характеристик позволяет не только определить пригодность материала для использования в строительном производстве, но и направить усилия исследователей на разработку на базе естественных наук таких технических мероприятий, которые позволили бы скорректировать недостатки тех материалов, браковавшихся без такой корректировки качества.