Оптимальное содержание песка в бетоне

Одной из основных задач оптимизации составов бетона является определение соотношения заполнителей, обеспечивающего минимальный расход цемента. В бетоне с заданными показателями прочности и удобоукладываемости выбор соотношения мелкого и крупного заполнителей основан на правиле оптимального содержания песка, в соответствии с которым при заданном расходе цементного теста бетонная смесь имеет наилучшую удобоукладываемость или соответственно наименьшую водопотребность только при определенном расходе песка. В практике проектирования составов применяются обычно эмпирические рекомендации по установлению доли песка в смеси заполнителей r или однозначно связанного с ней коэффициента Кр раздвижки зерен крупного заполнителя цементно-песчаным раствором.
Одна из первых попыток получить расчетную зависимость для определения зернового состава заполнителей с учетом удобоукладываемости бетонных смесей сделана М.Боломеем. В отличие от других известных формул, предложенных для определения зернового состава сухих смесей наибольшей плотности, характеризующих т.н. "идеальные" кривые просеивания, формула М.Боломея с помощью специального коэффициента разделяет бетонные смеси на два вида – жесткие и пластичные. Позднее М.З.Симоновым предложены формулы для расчета зернового состава заполнителей бетонных смесей с более узкой градацией по удобоукладываемости. Однако эмпирические зависимости данного типа являются чрезмерно обобщенными, не учитывают расход цементного теста и особенности конкретных материалов.
Попытки аналитического расчета оптимального содержания песка в бетонных смесях сделаны в разное время и на основе различных теоретических предпосылок И.Н.Ахвердовым, Ю.М. Баженовым, В.Н.Шмигальским, Ю.Я.Штаерманом. В данной работе эта задача решается на основе предложенных теоретических обоснований правила постоянства водопотребности бетонной смеси. Правило оптимального содержания песка можно рассматривать как следствие правила постоянства водопотребности бетонных смесей. Как следует вязкость и, следовательно, удобоукладываемость бетонных смесей на неизменных исходных материалах определяется в общем случае цементно-водным отношением цементного теста и толщиной его слоя на зернах заполнителя.
На выбор оптимального содержания песка в бетонной смеси может существенно влиять также стремление обеспечить необходимый объем вовлеченного воздуха. Параметры воздушных пор, вовлекаемых при увеличении содержания песка в бетонной смеси, способствуют существенному увеличению морозостойкости также как и при введении воздухововлекающих добавок. Главным фактором состава, влияющим на воздухововлечение для бетонов без добавок по данным О.В. Кунцевича является отношение количества песка к количеству цемента. При этом существенное влияние оказывает В/Ц и зерновой состав песка. Установлено, что наиболее активной воздухововлекающей фракцией песка является фракция 0,15…0,6 мм. Частицы размером меньше 0,07 мм тормозят воздухововлечение примерно в такой же мере, по мнению Р. Блэнкса и Г. Кеннеди как и цемент. В то же время зерна 0,07…0,15 мм практически не оказывают влияния на воздухововлечение.
Сложность механизма воздухововлечения и многообразие влияющих факторов не позволяют предложить достаточно общие зависимости. В то же время для конкретных исходных условий при проектировании оптимальных составов бетона могут быть использованы соответствующие уравнения регрессии.
Для получения полиномиальной модели объема вовлеченного воздуха проводили опыты в соответствии с факторным планом Ha5. Исходными материалами для бетонной смеси служили портландцемент М500, не содержащий минеральных добавок, Здолбуновского ЦШК, гранитный щебень 5…20 мм, кварцевый песок с содержанием отмучиваемых примесей 0,8 %. Песок разделяли на две фракции: 0,63...2,5 мм и менее 0,63 мм, которые затем смешивали в требуемой пропорции. В качестве воздухововлекающей применяли добавку СНВ. Объем вовлеченного воздуха определяли компрессионным способом на бетонных смесях, уплотненных вибрированием.
Анализ полученной модели показывает, что в выбранной области факторного пространства объем вовлеченного воздуха колеблется от 0,5 до 5,5 %, т.е. в диапазоне характерном для бетонных смесей. В жестких смесях по сравнению с литыми при одинаковой доле песка в смеси заполнителей и равном содержании его наиболее активной фракции без воздухововлекающей добавки объем вовлеченного воздуха возрастает в 2…2,5 раза, а с добавкой на 40...60%. Без воздухововлекающей добавки при одинаковом водосодержании смеси изменение содержания песка и его фракционного состава позволяет изменять объем вовлеченного воздуха более чем в 2 раза и в жестких и в литых смесях, доводя его соответственно до 4,5 и 1,8 %.
Содержание воздухововлекающей добавки необходимое для достижения требуемого объема вовлеченного воздуха может существенно колебаться в зависимости от содержания песка в бетонной смеси и его зернового состава. Необходимые интерполяционные расчеты по модели можно выполнять с помощью номограммы.
Для задач многопараметрического проектирования составов бетона правило оптимального содержания песка, таким образом, заключается в том, что оптимальное содержание песка в бетонной смеси наилучшим образом обеспечивает комплекс заданных свойств, а не только подвижность смеси и прочность бетона.