Использование щебня при производстве бетона

Щебень, являющийся крупным заполнителем бетоном, образует достаточно жесткий скелет. Благодаря этому увеличивается модуль деформации бетона и его прочность, уменьшаются усадка и ползучесть, срок службы повышается, а расход цемента сокращается.
Песок, используемый в качестве мелкого заполнителя, влияет на реологические свойства бетона, в том числе предельное напряжение сдвига бетона, его вязкость и плотность. От того, какую форму имеют зерна крупного заполнителя, непосредственно зависит уровень удобоукладываемости бетона. К тому же, щебень, имеющий зерна лещадной, игловатой формы обладает намного большей пустотностью, нежели щебень кубовидной формы. По информации, полученной из ВНИИЖелезобетона вес по объему щебня, включающего в себя зерна лещадной, игловатой форм ниже на 15 процентов, нежели щебня, имеющего кубовидную форму.
Объемный вес щебня, который полностью состоит из зерен лещадной, либо игловатой формы, бывает на 9-10 процентов меньше, нежели щебня кубовидной формы. Именно из-за влияния этих факторов и увеличивается расход цемента. Так что, хоть форма зерен щебня, по некоторым исследованиям, не слишком влияет на прочность бетонной смеси, ей должно уделяться много внимания.
Щебень, предназначенный для дорожного бетона, должен иметь в своем составе не больше 25 процентов зерен лещадной и игловатой форм, до 25 процентов – для асфальтобетонных смесей и до 25 процентов – для основания дороги.
Нужно отметить, что такое ограничение содержания в составе щебня зерен лещадной, а также игловатой форм с отношением большого размера к меньшему больше 3 не в полной мере характеризует форму зерен. В связи с этим широкий интерес представляет оценка формы зерен по «индексу формы», которую уже приняли в ряде зарубежных стандартов. «Индекс формы» представляет собой среднее отношение наибольшего размера зерен пробы к наименьшему. По этой оценке можно рассуждать о форме общего количестве зерен щебня.
По бельгийским стандартам щебень классифицируют на 3 категории: недодробленный, передробленный (имеющий кубическую форму) и обычный.
К обычному щебню почти не предъявляют требования по форме зерен. Зерна могут быть даже лещадной и игловатой форм (это по нашим меркам). Ну а к щебню, принадлежащему к более высоким категориям, существуют достаточно высокие требования к форме зерен щебня.
При проведении ряда работ отмечают негативную роль удлиненных и плоских заполнителей. Их использование уменьшает прочность и увеличивает расход цемента, в то же время ухудшает уровень морозостойкости бетона. С учетом данных факторов во время строительства бетонного полотна автодорог нужно обеспечить, чтобы в щебне не было кусков, имеющих плоскую или игловатую форму. Ведь бетон с таким заполнителем будет неудобоукладываемым, плохо уплотняемым. Кроме того, в бетоне останутся раковины, для борьбы с которыми нужно повышение расхода цемента.
Институт ВНИИЖелезобетон провел исследования для того, чтобы проверить, как влияет присутствие в щебне зерен плоской формы на параметры бетона. По итогам исследования был сделан вывод, что прочность бетона падает по мере повышения в составе щебня кусков, имеющих плоскую форму. Если щебень лещадной формы присутствует в большом количестве (то есть больше пятидесяти процентов), уплотнение бетона затрудняется, что приводит к уменьшению прочности.
При наличии в щебне больше половины кусков плоской формы негативное воздействие этого фактора объясняют обычно тем, что укладка щебня происходит в основном черепицеобразно (то есть плашмя). А это усложняет скольжение относительно друг друга смежных кусков. Как следствие этого, требуется повышать мощность вибрационного оборудования.
Приведем некоторые физические и механические свойства щебня, имеющего разную лещадность.
Содержание зерен игловидной и лещадной форм в лещадном щебне допускается 89 процентов, в кубовидном – 0. Пределы прочности во время сжатия в цилиндре в водонасыщенном состоянии должны быть в пределах 40-60 и 120 МПА, дробимость во время сжатия в цилиндре – порядка 15-22 и 2-5 процентов в лещадном и кубовидном щебне соответственно. Марка морозостойкости для лещадного щебня составляет 25, а для кубовидного – 300.
Теперь рассмотрим применение щебня для слоя балласта на железнодорожных путях. Главное назначение балластного слоя – это обеспечение горизонтальной и вертикальной устойчивостей рельсошпальной решетки во время воздействия динамических нагрузок.
Степень упрочнения балластного слоя во время укладки и функционирования по назначению железнодорожных путей непосредственно зависит от уровня начальной пустотности каркаса, выполненного из щебня, то бишьь от формы зерен и состава щебня. Предельная пустотность балласта из щебня допускается около 0,33-0,34, в то время как начальная – порядка 0,45-0,5. Это вызвано в основном как раз наличием плоских зерен. Лещадные, а также игловатые зерна под нагрузкой ломаются, повышая тем самым неравномерность осадки балластного слоя во время эксплуатации.
По стандартам нашей страны на щебень для балластного слоя требуются две фракции – 25–60 и 5-25 миллиметров. При этом в составе зерен не должно быть больше 5 процентов кусков меньше нижнего и крупнее верхнего пределов.
Вследствие увеличения скорости движения железнодорожных составов изменились и требования к балластному слою, в частности по горизонтальной его устойчивости. В итоге в стандарты РФ внесли требование, направленное на обеспечение кубовидности щебня. Это требование ограничивает содержание плоских зерен до восемнадцати процентов. По европейским стандартам тоже требуются ограничения по лещадности зерен щебня, применяемого на железных дорогах, на уровне порядка 15-20 процентов.