Выбор песков для песчаных бетонов

В настоящee время использование песчаного бетона в строительстве достаточно ограничено. Его внедрению препятствует ряд обстоятельств, среди которых одним из важнейших является повышенный по сравнению с тяжелым бетоном расход цемента.
Эта особенность песчаного бетона из-за высокой стоимости цемента является основным препятствием на пути внедрения материала. Практически песчаные бетоны М300 и выше изготавливаются с расходом цемента свыше 400 кг/м3 вне зависимости от технологии, требуемой марки бетона и необходимых физико-механических характеристик. Одной из причин высокого расхода цемента является применение природных, в том числе и мелких песков с повышенной загрязненностью и случайной гранулометрией.
Создание оптимальных структур песчаных бетонов требует специальной работы с заполнителями, причем очевидным является тот факт, что роль песка в песчаном бетоне более значима, чем роль песка в тяжелом бетоне. Пустотность песка, удельная поверхность и качество поверхности песчинок, минералогический состав, загрязненность — все эти свойства песка определяют расход цемента.
В настоящее время нет единого мнения о том, какой песок является наилучшим для изготовления конструкций из песчаного бетона, и что должно являться критерием качества песка. Приемлемыми для любых видов песчаных бетонов считаются пески, соответствующие ГОСТ 10268, а предпочтительными из них — пески с Mк>2,1.
Целесообразно поэтому было проведение исследовательских работ в двух направлениях: изучение свойств реальных песков и поиск песков оптимальной гранулометрии.
В связи с ограниченным количеством публикаций по этим вопросам ниже подробно анализируется ряд наиболее значимых работ.
В работе Сорокера В.И. и др. исследовались песчаные бетоны, приготовленные на четырех различных песках — Тучковского Mk = 2,44, Икшинского — 2,23; Окского — 1,52; Рублевского — 1,45 карьеров. Варьировали водоцементное отношение от 0,3 до 0,6 при постоянном водосодержании 180 л/м3. Во всех случаях прочность кубов уменьшалась с уменьшением Мк песка, причем бетон на Тучковском песке имел прочность на 150-200% выше, чем бетоны на песках Окского и Рублевского карьеров. Разница увеличивалась с уменьшением расхода цемента.
Еще более значительная разница получена в опытах Баженова Ю.М., где при низких В/Ц бетоны на мелких песках с Mк = 1,0-1,2 показали прочность в 2-3 раза меньшую, чем на песке с Mк = 2,4, причем и здесь минимальная прочность была в тощих смесях, а песок для песчаного бетона содержал достаточное количество как крупных, так и мелких зерен. В жирных смесях мелкие пески также понижают прочность бетона, несмотря на достаточное количество цементного теста, т.к. увеличение поверхности песка ведет к увеличению зоны контакта цементный камень — заполнитель. Заметно также снижение прочности при загрязнении песков. В этой же работе даны рекомендации по оптимальной гранулометрии песка: минимальную пустотность имел песок, содержащий 60% фракции 2-5 мм, и 40% зерен размерами до 0,5 мм. При необходимости получить максимальные величины прочности на сжатие соотношение этих фракций рекомендуется изменить, соответственно, на 80:20.
В работе Вознесенского В.А. при расходах цемента 450-550 кг/м3 рекомендуется в качестве оптимального следующее соотношение фракций песка: 1,2-2,5 - 40%; 0,6-1,2 - 10%; 0,3-0,6 - 10%; 0,15-0,30 - 40%.
В ряде работ предлагается применять для жестких и малоподвижных цементно-песчаных смесей песок прерывистой гранулометрии с отсевом средней фракции.
В статье Сильченко П.Г. приведены расчетные формулы для проектирования состава песчаного бетона при заданном В/Ц с учетом характеристик песка — пустотности в уплотненном состоянии, удельной поверхности, водопотребности, а также нормальной густоты цементного теста. Толщина прослоек цементного теста между зернами заполнителя задается коэффициентом, зависящим от крупности песка.
В работе Ушаковой И.Н. и др. показано, что добавка мелкого песка (Люберецкого) в песок средней крупности (Тучковский) улучшает плотность упаковки зерен, оптимальное количество добавки мелкого песка — 10%.
Большой объем исследований по выявлению оптимальной гранулометрии песка для песчаного бетона выполнен в работе Шадрина А.А. Принято деление песка на 3 фракции по стандартным ситам: крупную — 1,25-5 мм, среднюю — 0,31-1,25 мм и мелкую — менее 0,31 мм. Измерена пустотность различных искусственных песков. Для всех исследуемых песков вычислена величина модуля эффективности M по методике Галактионова.

где V1 — объем цементного теста, потребный для заполнения пустот в 1 литре заполнителя, л,
V2 — объем цементного теста для обмазки зерен песка в 1 л заполнителя, равный, л:

где δ — условная толщина обмазки зерен песка цементным тестом, мм,
γn — объемный вес 1 л уплотненного песка, кг,
Sn — удельная поверхность песка, м2/кг,
Va6c — абсолютный объем единицы бетонной смеси.
Толщина обмазки δ в расчетах была принята равной 0,005 мм. При этой величине δ минимальное значение Мэфф было получено для песка с соотношением крупной, средней и мелкой фракции К:С:M = 70:0:30. Показано, что этот песок имел и минимальную пустотность. Там же приведены результаты испытаний образцов из песчаного бетона на различных песках, а также плит перекрытий, изготовленных на фракционированном песке. Основной вывод этой работы: для песчаного бетона наилучшими являются пески с прерывистой гранулометрией, полученной в результате отсева средней фракции.
Аналогичные данные были положены в основу ведомственных технических условий, рекомендующих применять классифицированные пески с соотношением К: С: M = 80:0:20 или 80:20:0. Рекомендованные там составы бетона рассчитаны на смеси умеренной жесткости (20-40 сек), а коэффициент избытка цементного теста равен 0,9-1,0. Авторы работы пошли по пути использования тощих смесей и, следовательно, уменьшения расхода цемента за счет неполного заполнения межзерновых пустот. Рекомендовано использование таких составов для песчаного бетона марок 200, 300 и 400.
Работа Осипова А.Д. посвящена подбору песков для песчаного бетона M100-200, приготавливаемого из малоподвижных смесей (жесткость 10/20 сек) при водоцементном отношении 0,83. Наилучшие результаты получены для песка с соотношением фракций К:С:M = 55:35:10.
Обобщая приведенные данные, можно отметить, что часть упомянутых выше работ посвящена поиску оптимальной гранулометрии песка, в основном, по признаку наилучшей упаковки заполнителя, в остальных работах получены сравнительные результаты, показывающие преимущество крупных песков над мелкими. Обзор опубликованных работ показал также, что применение фракционированных песков с хорошо подобранной гранулометрией — один из наиболее рациональных приемов экономии цемента.
Поэтому выявление возможностей улучшения показателей песчаного бетона за счет подбора гранулометрии песка, являлось основной целью приведенных ниже: исследований.
He менее важна и вторая из поставленных задач — разработка рекомендаций по оценке качества природных песков для изготовления изделий и конструкций из песчаного бетона.