Определение пустотности щебня и песка: метод стандартного уплотнения

Значение пустотности заполнителей в технологии бетона

Пустотность заполнителей представляет собой объем межзерновых пустот, выраженный в процентах от общего объема, занимаемого материалом в неуплотненном состоянии. Данная характеристика имеет определяющее значение при проектировании составов бетонных смесей, поскольку напрямую влияет на расход вяжущего. Межзерновые пустоты заполнителей должны быть заполнены цементным тестом, объем которого рассчитывается на основе показателя пустотности.

Для однофракционного щебня из плотных горных пород пустотность варьируется в диапазоне от сорока трех до сорока восьми процентов согласно справочным данным и методике ГОСТ 8269.0-97. Это означает, что почти половина объема насыпанного щебня приходится на межзерновые пустоты. Крупные фракции демонстрируют более высокую пустотность вследствие увеличения размера межзерновых промежутков.

Пустотность песка в рыхлом состоянии составляет от тридцати восьми до сорока семи процентов и определяется модулем крупности. Очень мелкие пески с модулем крупности от одной до полутора единиц демонстрируют максимальную пустотность до сорока семи процентов. По мере увеличения крупности зерен пустотность снижается: для крупных песков с модулем крупности от двух с половиной до трех единиц она составляет тридцать восемь - сорок процентов.

Нормативная база: ГОСТ 8269.0 и ГОСТ 8735

Методы определения насыпной плотности и пустотности заполнителей регламентируются действующими межгосударственными стандартами. Для крупного заполнителя применяется ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний» (с изменениями). Данный стандарт разработан с учетом положений международных стандартов ИСО 6782-82 и ИСО 6783-82 в части методик определения насыпной плотности и плотности частиц.

Для мелкого заполнителя действует ГОСТ 8735-88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний» (с изменениями), который устанавливает процедуры определения насыпной плотности и пустотности песка в стандартном неуплотненном состоянии. Методика предусматривает предварительное определение истинной плотности пикнометрическим методом с последующим расчетом пустотности по соотношению истинной и насыпной плотности.

Дополнительные требования к определению насыпной плотности и пустотности для дорожного строительства установлены ГОСТ 33047-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Щебень и гравий из горных пород. Определение насыпной плотности и пустотности». Этот стандарт вводит уточненные требования к размерам мерных сосудов и процедуре испытания, обеспечивающие повышенную точность измерений.

Методика определения насыпной плотности щебня

Подготовка испытательного оборудования

Для проведения испытаний применяются цилиндрические мерные сосуды, изготовленные из листовой стали толщиной не менее двух миллиметров. Выбор объема сосуда осуществляется в зависимости от наибольшего номинального размера зерен испытываемого материала согласно требованиям ГОСТ 8269.0-97. Для фракции до десяти миллиметров используют сосуды объемом один или пять литров, для фракции десять - двадцать миллиметров применяют сосуды пять или десять литров, для фракции двадцать - сорок миллиметров необходимы сосуды десять или двадцать литров, для фракций свыше сорока миллиметров требуются сосуды двадцать или пятьдесят литров.

Мерные сосуды поверяются путем заполнения дистиллированной водой при температуре двадцать градусов Цельсия с последующим определением фактического объема. Допускается изготовление мерных сосудов силами лабораторий при условии обязательной поверки их объема. Взвешивание сосудов выполняется на весах с погрешностью не более десяти граммов.

Порядок проведения испытания

Отобранную пробу щебня или гравия высушивают в сушильном шкафу при температуре сто пять плюс минус пять градусов Цельсия до постоянной массы. Критерием достижения постоянной массы является разность результатов двух последовательных взвешиваний не более нуля целых одной десятой процента массы пробы. Из высушенной пробы отбирают мерную пробу массой в полтора раза большей, чем требуется для заполнения мерного сосуда.

Взвешенный пустой сосуд устанавливают на горизонтальную поверхность. Материал засыпают совком с высоты десяти сантиметров над верхним краем сосуда до образования конуса над краями. Избыток материала срезают стальной линейкой вровень с краями сосуда движением от центра к краям или от одного края к другому без уплотнения материала. Наполненный сосуд взвешивают и по разности масс определяют массу испытываемого материала. Насыпную плотность рассчитывают как частное от деления массы материала на объем сосуда.

Обработка результатов

Испытание проводят на двух параллельных пробах. За окончательный результат принимают среднее арифметическое значение двух определений, округленное до второго десятичного знака. Наибольшее расхождение между параллельными определениями не должно превышать ноль целых одну десятую грамма на кубический сантиметр. При превышении допустимого расхождения испытание повторяют на новых пробах материала.

Методика определения пустотности песка

Определение истинной плотности песка

Пустотность песка определяется расчетным методом на основании предварительно установленных значений истинной и насыпной плотности. Истинную плотность определяют пикнометрическим методом с использованием стеклянных пикнометров вместимостью сто или двести пятьдесят кубических сантиметров. Навеску высушенного песка массой тридцать граммов помещают в пикнометр и заливают дистиллированной водой до половины объема.

Пикнометр с песком и водой кипятят в течение пятнадцати - двадцати минут для удаления воздуха из пор зерен песка. После охлаждения до температуры двадцать плюс минус один градус Цельсия пикнометр дополняют дистиллированной водой до метки и взвешивают. Истинную плотность вычисляют по формуле, учитывающей массу навески песка, массу пикнометра с песком и водой, массу пикнометра с водой и плотность воды при температуре испытания.

Определение насыпной плотности песка

Насыпную плотность песка определяют путем взвешивания в мерном цилиндре объемом один литр. Предварительно взвешенный цилиндр заполняют песком с помощью совка с высоты десяти сантиметров. Образовавшуюся над краями цилиндра горку срезают стальной линейкой вровень с верхним краем цилиндра. Наполненный цилиндр взвешивают и вычисляют насыпную плотность как отношение массы песка к объему цилиндра.

Определение проводят дважды на разных порциях песка. За результат принимают среднее арифметическое двух определений. При переводе количества песка из единиц массы в объемные единицы насыпную плотность определяют в воздушно-сухом состоянии при естественной влажности материала.

Расчет пустотности песка

Пустотность песка в стандартном неуплотненном состоянии вычисляют по формуле, представляющей собой отношение разности истинной и насыпной плотности к истинной плотности, выраженное в процентах. Для кварцевого песка с истинной плотностью две тысячи шестьсот сорок килограммов на кубический метр и насыпной плотностью одна тысяча пятьсот килограммов на кубический метр пустотность составляет сорок три целых две десятых процента.

Расчет пустотности: алгоритм и формулы

Теоретические основы расчета

Пустотность заполнителя определяется как отношение объема межзерновых пустот к общему объему, занимаемому материалом. Математически это выражается формулой, в которой пустотность равна единице минус отношение насыпной плотности к средней плотности зерен, умноженное на сто процентов. Данная формула установлена ГОСТ 8269.0-97 раздел 4.17.3 и основана на представлении об общем объеме материала как сумме объема твердой фазы и объема пустот между зернами.

Средняя плотность зерен представляет собой плотность вещества частиц заполнителя, определенную методом гидростатического взвешивания, включая закрытые поры внутри зерен, но исключая межзерновые пустоты. Насыпная плотность учитывает как объем самих зерен с их внутренними порами, так и объем пустот между зернами. Отношение насыпной плотности к средней показывает долю объема, занятую твердой фазой материала.

Пример расчета для щебня фракции 20-40 мм

Рассмотрим расчет пустотности для гранитного щебня фракции двадцать - сорок миллиметров. Средняя плотность зерен гранитного щебня, определенная методом гидростатического взвешивания, составляет две тысячи шестьсот килограммов на кубический метр. Насыпная плотность этой фракции в неуплотненном состоянии равна одной тысяче триста восемьдесят килограммов на кубический метр.

Подставляя значения в формулу, получаем: пустотность равна единице минус одна тысяча триста восемьдесят разделить на две тысячи шестьсот, умножить на сто процентов. Выполняя вычисления: единица минус ноль целых пятьдесят три сотых равно ноль целых сорок семь сотых. Умножая на сто процентов, получаем пустотность сорок семь процентов.

Особенности расчета для смеси фракций

При использовании полифракционной смеси заполнителей пустотность определяется экспериментально для всей смеси без предварительного разделения на отдельные фракции. Мелкие зерна заполняют пустоты между крупными частицами, что приводит к снижению общей пустотности смеси по сравнению с пустотностью отдельных фракций. Оптимальное соотношение фракций обеспечивает минимальную пустотность и, следовательно, минимальный расход цементного теста.

Влияние формы зерен на пустотность заполнителей

Лещадность щебня и ее влияние

Форма зерен щебня характеризуется содержанием пластинчатых и игловатых зерен, называемых лещадными. К лещадным согласно ГОСТ 8267-93 относят зерна, у которых толщина менее длины в три раза и более. По содержанию зерен лещадной формы щебень подразделяется на пять групп: первая группа содержит до десяти процентов, вторая группа от десяти до пятнадцати процентов, третья группа от пятнадцати до двадцати пяти процентов, четвертая группа от двадцати пяти до тридцати пяти процентов, пятая группа от тридцати пяти до пятидесяти процентов лещадных зерен.

Повышенное содержание лещадных зерен увеличивает пустотность заполнителя вследствие невозможности плотной упаковки частиц неправильной формы. Щебень первой группы лещадности имеет пустотность на пять - семь процентов ниже по сравнению со щебнем пятой группы при одинаковом фракционном составе. Это приводит к соответствующему увеличению расхода цемента при использовании щебня высокой лещадности.

Окатанность зерен гравия

Гравий природного происхождения характеризуется окатанной формой зерен вследствие длительного воздействия воды и механического истирания. Окатанные зерна обеспечивают более плотную упаковку по сравнению с дробленым щебнем угловатой формы. Пустотность гравийного заполнителя на три - пять процентов ниже пустотности гранитного щебня аналогичной фракции при прочих равных условиях.

Однако окатанная форма зерен гравия снижает сцепление с цементным камнем, что негативно влияет на прочность бетона при растяжении и изгибе. По этой причине для высокопрочных бетонов предпочтительно использование дробленого щебня, несмотря на его повышенную пустотность. Щебень из гравия согласно ГОСТ 8267-93 должен содержать не менее восьмидесяти процентов дробленых зерен для обеспечения требуемого качества бетона.

Зерновой состав песка

Пустотность песка существенно зависит от зернового состава, характеризуемого модулем крупности. Однофракционный песок, состоящий из зерен близкого размера, имеет максимальную пустотность до сорока семи процентов. Разнозернистый песок с широким диапазоном размеров частиц характеризуется пониженной пустотностью вследствие заполнения пустот между крупными зернами мелкими частицами.

Оптимальная кривая зернового состава песка, обеспечивающая минимальную пустотность, должна иметь непрерывный характер с определенным соотношением частиц различных размеров. Резкие перепады на кривой просеивания указывают на отсутствие промежуточных фракций и повышенную пустотность такого песка.

Практическое применение при подборе составов бетона

Расчет объема цементного теста

Объем цементного теста, необходимого для заполнения пустот между зернами заполнителей, определяется непосредственно по значению пустотности. Для щебня с пустотностью сорок пять процентов на один кубический метр бетона требуется ноль целых сорок пять сотых кубического метра цементного теста. При водоцементном отношении ноль целых пять десятых это соответствует расходу цемента примерно триста килограммов на кубический метр для заполнения пустот.

Дополнительно к объему, необходимому для заполнения пустот, предусматривается избыток цементного теста для обеспечения удобоукладываемости бетонной смеси и создания защитного слоя вокруг зерен крупного заполнителя. Коэффициент раздвижки зерен, характеризующий этот избыток, обычно составляет одна целая две - три десятых. Таким образом, общий расход цемента превышает расчетный минимум на двадцать - тридцать процентов.

Подбор оптимального зернового состава

Снижение пустотности заполнителей достигается подбором оптимального соотношения различных фракций. Для крупного заполнителя рекомендуется использование смеси двух или трех смежных фракций в определенной пропорции. Типичное соотношение для смеси фракций пять - двадцать миллиметров и двадцать - сорок миллиметров составляет сорок процентов к шестидесяти процентам по массе.

Для мелкого заполнителя оптимальный зерновой состав обеспечивается обогащением природного песка или смешиванием песков различной крупности. Рекомендуемая кривая зернового состава должна проходить между верхней и нижней границами, установленными нормативными документами для соответствующей группы крупности песка. Отклонение от оптимальной кривой приводит к увеличению пустотности на три - пять процентов.

Контроль качества на БСУ: порядок испытаний

Периодичность контроля пустотности

В лабораториях бетоносмесительных узлов определение насыпной плотности и пустотности заполнителей проводится при каждой смене поставщика материалов или изменении карьера добычи. Для стабильных поставок частота контроля составляет один раз в десять дней для щебня и один раз в пять дней для песка. При обнаружении отклонений показателей от паспортных значений более чем на пять процентов проводится внеплановая проверка с отбором дополнительных проб.

Результаты испытаний вносятся в журнал входного контроля качества материалов с указанием даты испытания, номера партии, поставщика, фактических значений насыпной плотности и пустотности. На основании полученных данных технолог принимает решение о корректировке рабочих составов бетонных смесей или предъявлении претензий поставщику некондиционных материалов.

Типичные ошибки при определении пустотности

Наиболее распространенной ошибкой является использование мерных сосудов неподходящего объема для испытываемой фракции. Применение сосуда слишком малого объема приводит к завышению насыпной плотности вследствие пристеночного эффекта - уплотнения материала у стенок сосуда. Использование сосуда слишком большого объема затрудняет равномерное заполнение и срезание избытка материала.

Другой типичной ошибкой является недостаточное высушивание материала перед испытанием. Присутствие влаги в порах зерен увеличивает их массу при неизменном объеме, что приводит к завышению насыпной плотности и занижению расчетной пустотности. Высушивание должно проводиться до постоянной массы с контролем разности последовательных взвешиваний.

Автоматизация контроля на современных БСУ

На современных автоматизированных бетонных заводах применяются системы непрерывного мониторинга насыпной плотности заполнителей. Датчики массы на дозаторах в сочетании с измерением объема материала позволяют определять текущее значение насыпной плотности для каждой загрузки смесителя. Отклонение от заданного диапазона вызывает сигнал оператору и автоматическую корректировку дозировок компонентов.

Данные о насыпной плотности сохраняются в базе данных системы управления производством и используются для статистического анализа стабильности качества поступающих материалов. Тренды изменения насыпной плотности позволяют прогнозировать необходимость корректировки составов и планировать испытания в лаборатории.