Заполнители для бетона и их виды

В бетонной смеси заполнители занимают до 80% объема. Они образуют жесткий, но упругий каркас материала, воспринимающий основную нагрузку. Характеристики заполнителей определяют свойства бетона, поэтому их выбор важен для обеспечения прочности и долговечности конструкции.

Виды заполнителей

Бетон – искусственный материал с прочностью камня. Его свойства обеспечивает вяжущее вещество (цемент) и заполнители. По происхождению они делятся на три группы:

1. Природные. Сырье получают измельчением и сортировкой из горных пород вулканического и осадочного происхождения (гранит, известняк, мрамор, диабаз).
2. Из отходов промышленности. Материал изготавливают дроблением доменных шлаков, бетона и железобетона, шлаков ТЭЦ.
3. Искусственные. Специально приготовленное сырье для придания бетону особых свойств. Например, обжиг со вспучиванием зерен различного происхождения для получения пористого заполнителя (перлит, керамзит).

Все отходы промышленности дробятся до состояния песка или гравия.

Назначение заполнителей

Использование качественных заполнителей позволяет уменьшить расход цемента, который среди компонентов бетонной смеси является основной статьей расхода. Введение сыпучих материалов имеет и другие важные функции:

1. Уменьшение усадки. При твердении цементный камень подвергается сильной усадочной деформации, изменяя свои размеры на 1-2 мм/м. Процесс вызывает напряжение конструкции, приводящее к появлению трещин. Зерна заполнителя образуют упругую пространственную структуру, в несколько раз снижающую действие усадки.
2. Усиление материала. Прочный заполнитель воспринимает нагрузку, оказываемую на конструкцию. Это особенно важно до полного созревания цемента, в этот период необходимо предотвратить ползучесть бетона.
3. Снижение плотности раствора. Использование крупных и мелких пористых заполнителей позволяет уменьшить вес бетона, повысить его теплоизоляционные характеристики.

В специальных бетонах заполнитель и вяжущее вещество подбираются для специфических условий эксплуатации. В архитектурных бетонах используют мрамор, кварцит, гранит определенных цветов и размеров зерна. Это необходимо для поддержания оттенка и фактуры материала. При изготовлении кислотоупорного бетона в смесь добавляют кварцевый песок, диабаз и базальт, устойчивые к агрессивным составам. Жаростойкий легкий бетон создается на керамзите, перлите и вермикулите, пористых материалах, выдерживающих высокую температуру.

По размеру заполнители делят на два вида: крупный и мелкий.

Крупный заполнитель

Щебень и гравий из горных пород (ГОСТ 8267-93) и отходов производства, размер зерна 5-70 мм. Материал применяется в виде раздельных фракций или смешиванием двух близких фракций. Например, раздельные фракции: 5-10 мм, 10-20 мм, смешанная – 5-20 мм. Наибольший размер зерна назначается в технических документах на бетонную конструкцию. По форме они бывают: пластинчатые, игловатые, округлые, кубовидные.

Отличие щебня и гравия

Гравий имеет гладкую и округлую форму, он обеспечивает хорошую удобоукладываемость раствора. Добывается открытым способом, имеет смешанный состав пород и размеров зерна. Рекомендуется для использования в малоэтажном строительстве.

Щебень – неправильной формы с шероховатой поверхностью, он лучше сцепляется с цементом. Материал дробится в карьерах, состоит из одной породы. При изготовлении бетона применяют сырье высокой прочности (базальт, гранит). Стоимость и надежность щебня выше, чем гравия.

Количество зерен пластинчатой и игловатой формы не должно превышать 50%, они делают бетонную смесь неоднородной.

Прочность щебня и гравия определяется маркой дробимости

Прочность материала зависит от его чистоты, количество мелких частиц и примесей составляет:

Морозостойкость заполнителя должна соответствовать марке бетона и условиям эксплуатации. После испытаний циклами замораживания и оттаивания щебню и гравию присваивают марку морозостойкости F15-F400, потеря массы при эксперименте не должна быть более 5%.

Крупный заполнитель для тяжелых бетонов

В зависимости от плотности крупного заполнителя его используют при производстве тяжелого или легкого бетона:

• до 2 г/см³ – пористый заполнитель для легкого бетона (туф, пемза, вулканический шлак, керамзит);
• более 2 г/см³ – заполнитель для тяжелого бетона (гранитный, известняковый, базальтовый, амфиболитовый).

Тяжелые и мелкозернистые бетоны имеют плотность – 2000-2500 кг/м³. Они используются в монолитном строительстве при заливке фундаментов, стен, изготовлении перекрытий, лестниц и других конструкций.

В качестве крупного заполнителя применяют щебни:

• природный – сфера использования зависит от породы;
• гравийный – производят дроблением прочного гравия, подходит для высокопрочных смесей;
• вторичный – материал из дробленого бетона, допускается в смеси классом ниже В35;
• шлаковый – порода после выплавки руды, отличается колебаниями прочности, но доступна по цене.

Максимальный размер зерна заполнителя должен составлять не более половины толщины бетонный плиты, в тонкостенных конструкциях – не больше 1/3 толщины. Его прочность должна превышать класс бетона в 1,5-2 раза.

Крупный заполнитель для легких бетонов

Легкие бетоны (ГОСТ 25820-2021) изготавливаются на пористых природных и искусственных заполнителях. Материалы отличаются низкой теплопроводностью, небольшим весом, средней прочностью. Их плотность составляет 200-2000 кг/м³.

В качестве заполнителей берется:

1. Керамзит – округлые гранулы с пористой серединой и твердой оболочкой, их размер 5-40 мм. Изготавливаются обжигом вспучивающейся глины.
2. Аглопорит – сырье получают из шихты (смеси) глинистых пород и отходов добычи угля. Продукт обжигают, а затем дробят и делят на фракции. Аглопорит имеет более пористую структуру, чем керамзит. Применяется в жаростойком бетоне.
3. Шунгизитовый гравий – получают после обжига горного камня шунгита. Материал отличается низкой теплопроводностью и водопоглощением.
4. Шлаковая пемза – дешевый высокопористый продукт из доменных шлаков. Объемная масса шлакопемзового щебня – 640-1000 кг/м³.
5. Вулканический туф – пористая, но прочная горная порода позволяет использовать туфобетон для строительства несущих конструкций. По характеристикам теплоизоляции превосходит тяжелый бетон, но уступает другим видам легкого бетона.
6. Гранулированные золошлаковые смеси – спекшиеся и вспученные неорганические смеси, оставшиеся после сжигания угля.

К легким бетонам относятся материалы на органических и полимерных наполнителях:

1. Арболит – бетон на основе вяжущего, древесной щепы и химических добавок. Материал используется для теплоизоляции зданий, возведения ненесущих конструкций. Изготавливается по ГОСТ 19222-19.
2. Полистиролбетон – материал из цементного вяжущего, вспененных гранул полистирола, модифицирующих и воздухововлекающих добавок. Это легкий поризованный бетон для утепления ограждающих конструкций. Основное сырье – вспененный гранулированный полистирол фракцией 2,5-5 мм. Производится по ГОСТ 33929-2016.

Кроме распространенных видов заполнителей существуют специфические:

Мелкий заполнитель

К мелким заполнителям относятся: природный песок (ГОСТ 8736-2014), доменная и золошлаковая смесь размером от 0,16 до 5 мм, отсев щебня. Сыпучий материал заполняет пустоты между крупными зернами щебня и гравия, помогает равномерно распределить напряжение, возникающее при твердении цемента. Насыпная плотность мелкого наполнителя должна быть 1300-1500 кг/м³.

Природный песок – это рыхлый материал с зерном 0, 14-5 мм. Он получается при выветривании горных пород. В составе песка частицы кварца, полевого шпата, слюды, известняка. По происхождению он бывает:

1. Речной и морской – имеют гладкие округлые зерна, отполированные водой. Чистый материал с минимальным количеством примесей.
2. Горный (карьерный, овражный) – состоит из остатков горных пород, поэтому зерна угловатые и шероховатые. Песок обеспечивает хорошую адгезию с цементом. Минус карьерного материала – примеси глины.

Искусственный песок бывает двух видов:

• тяжелый – из дробленых горных пород, применяется для отделочных растворов;
• легкий – из пористых пород (перлитовый), используется для создания легких бетонов.

Песок характеризуется по модулю крупности

Мелкое зерно песка улучшает удобоукладываемость раствора, делает смесь однородной и гладкой. Но при этом возрастает удельная поверхность заполнителя, для ее связывания требуется больше цемента.

На прочность бетона влияет чистота песка, строго ограничивается количество примесей

Песок делится на фракции, мм:

• 0,16-0,31;
• 0,31-0,63;
• 0,63-1,25;
• 1,25-2,5;
• 5-5.

Содержание зерен больше или меньше указанных параметров должно быть не более 5%.

Заключение

Прочность природного песка и крупных заполнителей из горных пород (гранит, базальт) превосходит прочность цементного раствора. Их применение увеличивает возможности бетона переносить повышенную нагрузку, обеспечивает долговечность службы бетонной конструкции.