Оптимизация гранулометрии заполнителей для экономии цемента

Введение: значение гранулометрии в бетонном производстве

Оптимизация гранулометрического состава заполнителей представляет собой ключевой инструмент повышения эффективности бетонного производства. Заполнители составляют от 70 до 85 процентов объёма бетона, формируя его структурный каркас. Рациональный подбор зернового состава позволяет достичь снижения расхода цемента на 10-15 процентов при сохранении или даже улучшении характеристик готового материала.

Цементное тесто в бетонной смеси выполняет две основные функции: обволакивание поверхности зёрен заполнителя и заполнение межзерновых пустот. Минимальный расход цемента достигается при одновременном снижении как удельной поверхности, так и пустотности заполнителей. Эти параметры находятся в обратной зависимости, что требует нахождения оптимального баланса при проектировании состава бетона.

Основы гранулометрического анализа заполнителей

Классификация заполнителей по крупности

Согласно действующим нормативным документам, заполнители для тяжёлого бетона классифицируются на две основные группы:

Мелкий заполнитель (песок) – материал с размером зёрен до 5 мм. В соответствии с ГОСТ 8736-2014 пески подразделяются на группы по модулю крупности: очень крупные (модуль крупности свыше 3,5), крупные (3,0-3,5), средние (2,5-3,0), мелкие (2,0-2,5), очень мелкие (1,5-2,0), тонкие (1,0-1,5) и очень тонкие (менее 1,0).

Крупный заполнитель (щебень, гравий) – материал с размером зёрен свыше 5 мм. Согласно ГОСТ 8267-93 крупные заполнители разделяются на фракции: 5-10 мм, 10-20 мм, 20-40 мм, 40-70 мм. Предельная крупность зёрен определяется размерами и характером армирования конструкций.

Модуль крупности песка

Модуль крупности является важнейшей характеристикой мелкого заполнителя, определяющей его средний размер. Величина рассчитывается как частное от деления на 100 суммы полных остатков на ситах стандартного набора (2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16 мм):

Для строительных растворов рекомендуется применять пески с модулем крупности более 1,2. Для бетонов класса В15 и выше оптимальным является M_к равный 2,0 и более, для бетонов класса В25 и выше – M_к не менее 2,5.

Ситовой анализ: методика и оборудование

Сущность метода

Ситовой анализ представляет собой метод определения гранулометрического состава материала путём просеивания пробы через набор стандартных сит с последовательно уменьшающимися размерами отверстий. Метод регламентируется ГОСТ 8735-88 для песка и ГОСТ 8269.0-97 для щебня и гравия.

Оборудование для ситового анализа

Стандартный набор контрольных сит включает следующие размеры отверстий (в мм): 70, 40, 20, 10, 5, 2,5, 1,25, 0,63, 0,315 и 0,16. Для определения зернового состава крупного заполнителя применяются сита с отверстиями от 5 до 70 мм, для мелкого – от 0,16 до 5 мм.

Последовательность выполнения анализа

Ситовой анализ выполняется в следующей последовательности. Отобранную пробу заполнителя высушивают до постоянной массы при температуре 105-110 градусов Цельсия, охлаждают и взвешивают. Затем пробу помещают на верхнее сито набора и проводят просеивание до выполнения критерия окончания. После завершения просеивания взвешивают частные остатки на каждом сите.

Полные остатки вычисляются как сумма частных остатков на данном сите и всех вышележащих ситах. Результаты выражаются в процентах от массы исходной пробы. На основании полученных данных строится кривая просеивания – графическое представление гранулометрического состава.

Кривые просеивания и идеальные составы

Графическое представление гранулометрии

Кривая просеивания представляет собой графическое изображение зависимости полных остатков (или проходов) заполнителя от размера отверстий сит. По оси абсцисс откладываются размеры отверстий сит, по оси ординат – полные остатки или проходы в процентах. Кривая позволяет визуально оценить соответствие зернового состава нормативным требованиям и выявить недостаток или избыток отдельных фракций.

Идеальные кривые просеивания

Концепция идеальных кривых просеивания основывается на достижении максимальной плотности упаковки зёрен заполнителя при минимальной удельной поверхности. Наиболее распространёнными являются следующие теоретические модели:

Кривая Фуллера

Уравнение кривой Фуллера, предложенное в 1907 году, описывает оптимальное распределение частиц для достижения максимальной плотности:

Кривая Фуллера в линейных координатах имеет параболический вид. Для удобства практического применения используется графический метод построения, при котором по оси абсцисс откладывается корень квадратный из размера отверстий сита, что приводит к линейному виду идеальной кривой.

Кривая Андреасена

Развитием теории Фуллера стало уравнение Андреасена (1930), учитывающее пространственное распределение частиц:

Кривая Функа-Дингера

Более современное уравнение Функа и Дингера (1994) учитывает минимальный размер частиц:

В реальной практике идеальные кривые служат ориентиром при подборе состава заполнителей. Допускаются отклонения от теоретических кривых в определённых пределах, что обусловлено особенностями формы зёрен реальных материалов и требованиями к свойствам бетонной смеси.

Пустотность заполнителей и её влияние на расход цемента

Понятие пустотности

Пустотность заполнителя характеризуется отношением объёма межзерновых пустот к общему объёму материала в рыхлонасыпном состоянии. Величина выражается в процентах или долях единицы и определяется по формуле:

Пустотность однофракционных заполнителей составляет 40-45 процентов для округлых зёрен (гравия) и 45-50 процентов для угловатых зёрен (щебня). При оптимальном подборе разнозернистого состава пустотность может быть снижена до 28-32 процентов.

Влияние пустотности на расход цемента

Расход цементного теста в бетонной смеси определяется двумя основными факторами: необходимостью обволакивания поверхности зёрен заполнителя и заполнения межзерновых пустот. Снижение пустотности на 1 процент приводит к уменьшению расхода цемента примерно на 7-10 кг/м³ при постоянном водоцементном отношении.

Зависимость пустотности от формы зёрен

Форма зёрен заполнителя существенно влияет на пустотность. Зёрна кубовидной и округлой формы обеспечивают более плотную упаковку по сравнению с пластинчатыми (лещадными) и игольчатыми зёрнами. Содержание зёрен неблагоприятной формы (лещадность) в щебне не должно превышать 25 процентов для бетонов марки М200 и выше, и 35 процентов для бетонов более низких марок согласно ГОСТ 8267-93.

Методы оптимизации гранулометрического состава

Общие принципы оптимизации

Оптимизация гранулометрического состава заполнителей направлена на достижение следующих целей: снижение расхода цемента при обеспечении требуемой прочности бетона, повышение удобоукладываемости бетонной смеси, улучшение плотности и долговечности бетона, минимизация усадочных деформаций и трещинообразования.

Метод подбора оптимальной кривой

Метод заключается в сопоставлении кривой просеивания реальных заполнителей с идеальными (эталонными) кривыми. Выявляются фракции, содержание которых избыточно или недостаточно. Производится корректировка состава путём добавления недостающих фракций или удаления избыточных (фракционирование).

Этапы подбора:

Первый этап – проведение ситового анализа имеющихся заполнителей и построение кривых просеивания. Второй этап – выбор целевой идеальной кривой в зависимости от требований к бетону. Третий этап – определение отклонений реальных кривых от идеальной. Четвёртый этап – расчёт необходимых соотношений различных фракций для приближения к идеальной кривой. Пятый этап – лабораторная проверка подобранного состава на образцах.

Метод наименьшей пустотности

Метод основан на экспериментальном определении соотношения фракций, обеспечивающего минимальную пустотность заполнителя. Проводится серия замесов с различным содержанием мелкого заполнителя (обычно от 30 до 50 процентов от общей массы заполнителей). Для каждого состава определяется насыпная плотность уплотнённой смеси заполнителей. Оптимальным считается состав с максимальной насыпной плотностью (минимальной пустотностью).

Расчётный метод оптимизации

Расчётный метод позволяет определить соотношение фракций без обширных экспериментальных работ. Используются математические модели, описывающие упаковку частиц различных размеров. Наиболее распространён метод, основанный на последовательном заполнении пустот крупных фракций более мелкими.

Применение математических моделей

Современные подходы к оптимизации используют компьютерное моделирование процессов упаковки частиц. Модели учитывают форму зёрен, их шероховатость, полидисперсность состава. Программное обеспечение позволяет рассчитать оптимальные соотношения фракций для различных условий применения бетона с минимальными затратами на лабораторные испытания.

Комбинирование заполнителей разных фракций и карьеров

Фракционирование заполнителей

Фракционирование представляет собой разделение заполнителя на отдельные фракции по крупности с последующим дозированным смешиванием для получения оптимального зернового состава. Метод обеспечивает высокую стабильность качества бетона и позволяет гибко управлять его свойствами.

Согласно ГОСТ 8267-93 щебень поставляется в виде отдельных фракций 5-10, 10-20, 20-40, 40-70 мм или их смесей. Для песка ГОСТ 8736-2014 предусматривает возможность выпуска фракционированного материала с разделением на фракции: до 0,16 мм, 0,16-0,315 мм, 0,315-0,63 мм, 0,63-1,25 мм, 1,25-2,5 мм, 2,5-5 мм.

Комбинирование материалов различных карьеров

При отсутствии на одном карьере заполнителей требуемого зернового состава эффективным решением является комбинирование материалов из различных источников. Метод позволяет компенсировать недостатки заполнителей каждого из карьеров и получить оптимальный суммарный состав.

Практические рекомендации по комбинированию:

Первое – проведение ситового анализа заполнителей от каждого поставщика. Второе – построение кривых просеивания для оценки соответствия нормативным требованиям. Третье – расчёт необходимых пропорций смешивания для достижения целевой кривой. Четвёртое – проверка петрографического состава на совместимость пород. Пятое – контроль стабильности качества при изменении поставок.

Расчёт соотношений при смешивании фракций

Для расчёта пропорций смешивания используется система линейных уравнений, основанная на балансе массовых долей отдельных фракций. При смешивании двух материалов А и Б с известными зерновыми составами для получения целевого состава С необходимо решить систему уравнений по содержанию каждой фракции.

Смешивание крупного и мелкого заполнителей

Оптимальное соотношение между крупным и мелким заполнителями зависит от крупности щебня, формы его зёрен, модуля крупности песка и требуемых свойств бетонной смеси. Для подвижных смесей на щебне фракции 5-20 мм оптимальное соотношение песок/щебень составляет 0,45-0,50 по объёму (около 0,40-0,45 по массе).

Для жёстких смесей содержание песка может быть снижено до 0,35-0,40 по объёму. При использовании крупного щебня (40-70 мм) оптимальное содержание песка уменьшается до 0,30-0,35 по объёму. В высокопрочных бетонах с повышенным расходом цемента долю песка снижают до 0,32-0,36 для предотвращения расслоения.

Практические рекомендации и расчёты

Алгоритм проектирования оптимального состава

Проектирование оптимального гранулометрического состава заполнителей выполняется в следующей последовательности:

Этап 1: Анализ имеющихся материалов. Проводится ситовой анализ всех доступных заполнителей, определяются их основные характеристики (насыпная и истинная плотность, пустотность, форма зёрен, содержание вредных примесей). Строятся кривые просеивания для каждого материала.

Этап 2: Выбор целевых параметров. На основании требований к бетону (класс прочности, морозостойкость, водонепроницаемость, условия эксплуатации) определяется целевая область зернового состава. Выбирается эталонная кривая просеивания в качестве ориентира.

Этап 3: Расчёт соотношений. Рассчитываются пропорции смешивания имеющихся материалов для получения состава, максимально приближенного к эталонной кривой. Используются методы линейного программирования или графоаналитические методы.

Этап 4: Лабораторные испытания. Готовятся пробные составы бетона с рассчитанным соотношением заполнителей. Определяются удобоукладываемость смеси, плотность, прочность образцов. При необходимости производится корректировка расхода цемента и воды.

Этап 5: Оптимизация и утверждение. На основании результатов испытаний уточняется состав заполнителей. Оформляется рабочий состав бетона с указанием допустимых отклонений компонентов.

Расчёт экономической эффективности

Экономический эффект от оптимизации гранулометрии складывается из прямой экономии цемента и косвенных выгод от улучшения качества бетона. Прямая экономия цемента при снижении расхода на 30-50 кг/м³ составляет существенную величину при больших объёмах производства.

Технологические аспекты внедрения

Внедрение оптимизированных составов заполнителей требует соблюдения определённых технологических условий. Необходима установка дозировочного оборудования с точностью не менее ±2 процента для заполнителей. Организуются раздельные бункеры для хранения различных фракций. Обеспечивается постоянный контроль влажности заполнителей с корректировкой рабочего состава.

Важнейшим условием является стабильность качества поступающих заполнителей. Рекомендуется проведение входного контроля каждой партии с определением модуля крупности песка и контрольным просеиванием щебня. При значительных отклонениях производится оперативная корректировка соотношений компонентов.

Контроль качества и корректировка составов

Система производственного контроля

Эффективная система контроля гранулометрического состава заполнителей включает несколько уровней. Входной контроль при приёмке материалов предусматривает определение зернового состава представительной пробы от каждой партии. Для песка контролируется модуль крупности и содержание пылевидных частиц, для щебня – соответствие кривой просеивания нормативной области.

Операционный контроль осуществляется при приготовлении бетонной смеси. Контролируется влажность заполнителей, точность дозирования компонентов, удобоукладываемость готовой смеси. Периодически (не реже одного раза в смену) проводится контрольный ситовой анализ смеси заполнителей.

Приёмочный контроль включает испытания образцов бетона на прочность, плотность и другие нормируемые показатели. Результаты используются для статистической оценки качества продукции и корректировки составов при необходимости.

Критерии оценки соответствия

Зерновой состав заполнителей считается соответствующим требованиям, если кривая просеивания находится в области, ограниченной нормативными кривыми по ГОСТ 8736-2014 для песка и ГОСТ 8267-93 для щебня и гравия. Для песка дополнительно контролируется модуль крупности, который должен находиться в установленных пределах для данной группы по крупности.

Корректировка составов

При выявлении отклонений зернового состава от оптимального производится корректировка состава бетона. Если модуль крупности песка снизился, увеличивается его содержание в смеси заполнителей на 2-3 процента для компенсации избытка мелких фракций. При повышении модуля крупности, наоборот, долю песка уменьшают.

Изменение зернового состава крупного заполнителя требует пересмотра соотношения фракций. При избытке мелких фракций увеличивают долю крупных, и наоборот. Одновременно корректируется расход цемента для сохранения требуемой подвижности смеси и прочности бетона.

Автоматизация контроля

Современные бетонные заводы оснащаются системами автоматического контроля качества заполнителей. Используются методы лазерного гранулометрического анализа, позволяющие в режиме реального времени определять зерновой состав материалов на транспортёре. Данные передаются в систему управления дозированием, которая автоматически корректирует соотношение компонентов для поддержания стабильного качества бетонной смеси.

Часто задаваемые вопросы