Каменный скелет

В цементном бетоне большая часть объема, обычно свыше 70%, заполнена естественными каменными материалами: песком, щебнем или гравием. Эти материалы называют заполнителями для бетона.

Естественные каменные материалы гораздо дешевле искусственного цементного камня, поэтому понятно стремление строителей ввести в состав бетона как можно больше заполнителей и использовать цементный камень только для склеивания естественных материалов и для придания бетонной смеси подвижности - удобоукладываемости.

Какие размеры зерен каменных материалов будут наилучшими для приготовления экономичной бетонной смеси?

Когда испытываются естественные каменные материалы для их последующего использования в бетоне, основное внимание уделяется возможности составления из них смеси с наименьшим объемом пустот.

На первый взгляд кажется, что объем пустот в смеси из зерен различных размеров определяется размером зерен: чем крупнее зерна, тем меньше промежутков между ними. Но это далеко не так. Представим себе, что мы хотим заполнить кубический ящик со стороной в 1 метр шарами одинакового размера: в одном случае поместим в ящик один шар диаметром в 1 метр, в другом восемь шаров диаметром в 0,5 метра. Простой подсчет показывает, что в обоих случаях объем, заполненный материалом, и объем пустот будут одинаковыми. Он равен разнице в объемах куба и вписанного в него шара . Эта разница составляет примерно 47,6% при расположении шарообразных частиц ряд над рядом и 26% при расположении их в шахматном порядке.

Подобрать такое соотношение между зернами разного размера, при котором процент пустот в смеси был бы наименьшим, - не такая простая задача, как кажется вначале. Инженеры пользуются несколькими практическими и теоретическими способами для этой цели. С ними читатель может познакомиться в специальной литературе по технологии бетона.

Существуют два основных направления в подборе зернового состава смеси. В одном случае смесь подбирается из частиц, имеющих различные размеры, - от наименьшего до наибольшего; это так называемые смеси с непрерывной гранулометрией; в другом случае смесь составляется из набора частиц, в котором отсутствуют частицы в пределах определенных размеров; это так называемые смеси с прерывистой гранулометрией.

В смесях песка и гравия или щебня, пригодных для приготовления бетона, объем пустот составляет 25-35%. У плотного бетона этот объем должен быть заполнен цементным камнем. Если к бетону не предъявляется требование высокой плотности (например, для стен зданий применяется в настоящее время крупнопористый бетон), необходимое количество цементного камня определяется требованиями, предъявляемыми к прочности бетона. В случае армирования бетон должен иметь определенную плотность для предохранения стали от действия воздуха, с тем чтобы она не ржавела внутри железобетонной конструкции.

В качестве заполнителя для бетона могут применяться различные каменные материалы из горных пород. Для этих целей пригодны и используются только прочные и устойчивые породы3.

В естественных каменных материалах содержатся примеси, ненужные и вредные для бетона. Это глина, пыль, органические вещестиа. Если содержание примесей выше пределов, допускаемых стандартами, то песок, гравий или щебень должны быть просеяны и промыты перед употреблением в дело.

Для бетона дорожных покрытий допускается применение щебня, полученного только из прочных пород. Изверженные породы должны иметь прочность не ниже 1000 кг/см2, а известняки не ниже 800 кг/см2.

Применение в бетоне естественных каменных материалов, кроме чисто экономических преимуществ, имеет еще и технические.

Дело в том, что при твердении цемента происходит выделение значительного количества тепла, так же, например, как при гашении извести. Выделяющееся тепло очень медленно отдается в окружающую атмосферу вследствие малой теплопроводности бетона. Если приготовить из цементного теста сплошной куб на хорошем активном цементе, то при стороне куба в 2 метра через двое суток температура внутри куба поднимется до 100°. Поскольку горячие участки куба расширяются, между внутренними нагретыми и наружными остывающими частями куба возникнут большие температурные напряжения, и он в конце концов будет разрушен образовавшимися трещинами.

Кроме этого, цементный камень на обычных цементах дает усадку, т. е. уменьшается в объеме при затвердевании, что также служит причиной появления трещин. Поэтому количество цементного камня в бетоне должно быть по возможности наименьшим, и создание жесткого каркаса - «каменного скелета» - из стойких, не изменяющих свой объем материалов - заполнителей бетона имеет целью уменьшить влияние этих вредных явлений.

Чем ближе свойства каменного материала к свойствам цементного камня, тем лучше их взаимное сцепление, тем выше качество бетона.

Каменные материалы неправильно называют «заполнителями». Они не просто заполняют объем конструкции, но и испытывают напряжения и принимают на себя значительную долю нагрузки, которой подвергается бетон. По существу, именно цементный камень заполняет пустоты «каменного скелета», а не наоборот. Поэтому на вопрос, что же является заполнителем в бетоне, трудно ответить, и название «заполнитель», хотя оно и применяется в настоящее время во многих официальных технических документах, по меньшей мере неточно по отношению к каменным материалам, а еще более старое название «инертные материалы» вовсе ошибочно.

В природе есть и совсем не «инертные» заполнители для бетона. Установлено, что на поверхности контакта цементного камня с каменными материалами могут образоваться соединения, создающие прочное сцепление между ними.

Некоторые горные породы, вступая в химические реакции с составными частями цементного камня, могут образовать соединения, способствующие разрушению бетона; так, например, происходит, когда в породе содержится опаловидный кремнезем.

От вида заполнителей зависит важная характеристика бетона - его объемный вес. Задача уменьшения веса бетона имеет большое значение в жилищном и промышленном строительстве, a в гидротехническом строительстве и в устройствах для защиты от радиоактивных излучений, наоборот, требуется возможно более тяжелый бетон. Изменить объемный вес бетона можно, применяя заполнители с различным объемным весом: для легкого бетона - пемзу, туф, керамзит, пористые шлаки; для тяжелого - магнетит, тяжелый шпат и др.