Минералогический и химический состав кварцевых заполнителей для тяжелого бетона

Минералогический состав

Кварцевые заполнители представляют собой природные или дробленые горные породы с преобладанием кварца (SiO₂). Основные минеральные фазы:

• Кварц (α-SiO₂) — 85–98% массы. Тригональная сингония, твёрдость 7 по шкале Мооса, плотность 2,65 г/см³
• Полевые шпаты (ортоклаз, плагиоклаз) — 2–10%. Снижают химическую стойкость
• Слюды (мусковит, биотит) — 0,5–3%. Усиливают расслаиваемость
• Акцессорные минералы — рудные включения, карбонаты, глинистые примеси (<1%)

Допустимое содержание дробленых зёрен — не более 10% по массе для щебня класса I (ГОСТ 8267-93).

Химический состав

Щелочная реакция между кремнезёмом заполнителя и щелочами цемента (Na₂O, K₂O) требует ограничения содержания SiO₂-реактивных форм (опал, халцедон) — не более 2%.

Требования нормативной документации

ГОСТ 8267-93 (щебень):

• Морозостойкость: потеря массы после 25 циклов ≤5% (марка F25) или ≤3% (F50)
• Прочность: сопротивление сжатию в цилиндре ≥80 МПа для B40
• Содержание глины и пылеватых частиц ≤1% по массе

ГОСТ 8736-2014 (песок):

• Модуль крупности 2,0–3,5
• Содержание глинистых частиц ≤3% (природный), ≤1% (дробленый)

Влияние на морозостойкость бетона B40

Минералогический состав определяет структуру порового пространства заполнителя:

• Кристалличность кварца — чем выше степень кристалличности, тем ниже водопоглощение (≤0,5% для высоких марок)
• Трещинообразование — микротрещины в зёрнах становятся очагами криогенного разрушения
• Петрографический тип — кварциты и кварцевые песчаники превосходят граниты по морозостойкости на 15–20%

Ключевое правило: для бетона класса B40 требуется заполнитель марки F100 и выше с содержанием открытой пористости <3%. При содержании пористых минералов (опал, агат) выше 1% морозостойкость бетона падает на 2–3 класса независимо от гранулометрии.

Физико-механические характеристики кварцевого песка и щебня различных месторождений

Физико-механические характеристики кварцевых заполнителей

Пески

Модуль крупности (Mk)

• Мелкий: 1,5–2,0 мм — повышает водопотребность, снижает удобоукладываемость
• Средний: 2,0–2,5 мм — оптимален для B40
• Крупный: 2,5–3,5 мм — улучшает морозостойкость при низком В/Ц

Морозостойкость песка Кварцевые пески с содержанием SiO₂ >90% выдерживают >100 циклов замораживания. Пески с примесью полевых шпатов (>15%) разрушаются при F25–F35.

Щебни

Прочность на сжатие

• Магматические (гранит, диабаз, базальт): 100–140 МПа — пригодны для B40
• Метаморфические (гнейс, кварцит): 80–120 МПа
• Осадочные (известняк, доломит): 40–80 МПа — не рекомендуются для B40 при F≥200

Истираемость (ГОСТ 8269.0-97)

• I группа (≤1,0 г/см²) — обязательно для B40 с F≥200
• II группа (1,1–2,0 г/см²) — допустимо при F100–F150

Фракционный состав

• 5–10 мм: обеспечивает мелкопористую структуру цементного камня
• 10–20 мм: оптимальное соотношение прочность/уплотняемость
• 20–40 мм: снижает морозостойкость на 8–12% при одинаковом В/Ц

Взаимосвязь параметров

Правило двух заполнителей Морозостойкость бетона B40 определяется совокупной пористостью системы. Оптимальная зерновая упаковка достигается при соотношении песок:щебень = 1:2,2–2,5 по объёму.

Критический размер пор Поры >300 мкм — центры кристаллизации льда. Щебень с пористостью >3% увеличивает вероятность образования крупных пор в цементном камне на 20–30%.

Химическая совместимость Кварцевые заполнители с активным SiO₂ (>2% аморфного кремнезёма) вызывают щелочную реакцию при содержании щелочей в цементе >0,6% Na₂Oэкв. Запрещено использование опалсодержащих песков (Казахстан, Исландия) для бетона B40.

Параметры гранулометрии: крупность, модуль крупности, полнота гранулометрического состава

Параметры гранулометрии кварцевого заполнителя

Крупность

Определяется номинальным размером зёрен и влияет на плотность упаковки и пористость бетона. Для тяжёлого бетона B40 применяют кварцевый песок с крупностью 0,14–5 мм и щебень 5–20 мм. Крупный заполнитель формирует скелет смеси; мелкий заплотняет межзёрновые пустоты. Отклонение от оптимального диапазона увеличивает водопотребность раствора и снижает морозостойкость.

Модуль крупности

Mk — средневзвешенный размер частиц песка, рассчитываемый по формуле:

Mk = (ΣAᵢ × Mᵢ) / 100

где Aᵢ — остаток на сите, %; Mᵢ — средний размер отверстий сита.

Для бетона B40 Mk = 2,0–2,5 обеспечивает минимальную пустотность при умеренной водопотребности. Мелкий песок (Mk < 1,5) требует дополнительного водозатратного вещества, что увеличивает капиллярную пористость и снижает F-морозостойкость.

Полнота гранулометрического состава

Характеризует степень заполнения диапазона размеров частиц и рассчитывается по формуле Полевого:

ПГС = (A₀,₁₆ + A₀,₃₁₅ + A₀,₆₃ + A₁,₂₅ + A₂,₅ + A₅,₀) / 100 × 100%

где A — полные остатки на ситах соответствующих размеров.

• ПГС = 1,0–1,2: неполнозернистый состав, высокая пустотность, требует избыточного цементного камня для заполнения пор — снижает морозостойкость
• ПГС = 1,2–1,6: полнозернистый, оптимальное уплотнение с минимальным расходом вяжущего — максимальная F для B40
• ПГС > 1,6: переполненный состав, риск внутреннего напряжения от избыточного мелкого заполнителя

Взаимосвязь параметров и морозостойкость бетона B40

Морозостойкость бетона определяется структурой цементного камня и пористостью. Оптимальная гранулометрия обеспечивает:

• Плотную упаковку зёрен заполнителя с минимальной межзерновой пористостью
• Снижение водоцементного отношения при сохранении работоспособности смеси
• Уменьшение капиллярной пористости цементного камня — ключевой фактор сопротивления циклическому замораживанию

Стандартное требование для B40: F150–F200 при средней влажности; F200–F300 для насыщенных водой конструкций. Достижение указанных марок морозостойкости обеспечивается при Mk 2,0–2,5 и ПГС 1,2–1,6 с применением мелкодисперсного кварцевого песка (доля фракции 0,16 мм — 5–10%).

Отклонение ПГС от оптимума на ±0,3 снижает морозостойкость на 25–40 циклов вследствие увеличения объёма водонасыщаемых пор.

Лабораторные методы гранулометрического анализа заполнителей по стандартам

Лабораторные методы гранулометрического анализа

Нормативная база

Гранулометрический анализ заполнителей регламентируется:

• ГОСТ 8269.0-97 — щебень и гравий
• ГОСТ 8736-2014 — песок
• EN 933-1, EN 933-10 — европейские стандарты
• ASTM C136/C117 — ситовой анализ и определение мутности

Ситовой анализ (основной метод)

Принцип. Механическое разделение навески по размеру частиц с помощью набора сит.

Навеска:

• Щебень/гравий крупностью до 40 мм — 2 кг
• Песок — 0,5 кг
• Мелкий щебень 5–20 мм — 1 кг

Набор сит. Стандартный ряд: 0,16; 0,315; 0,63; 1,25; 2,5; 5,0; 10; 20; 40; 70 мм. Обязательно дно (поддон).

Процедура:

1. Навеска высушивается до постоянной массы (105±5°C)
2. Просеивается через максимальное сито
3. Остатки взвешиваются последовательно с каждого сита
4. Расчёт частичных и полных остатков (%)

Результат. Определение модуля крупности (МК) по формуле:

$$МК = \frac{\sum О_i}{100}$$

где $О_i$ — остатки на каждом сите.

Гидрометрический метод

Применяется для частиц <0,14 мм (пылевидные и глинистые включения).

Принцип. Измерение скорости осаждения частиц в водной среде по закону Стокса.

Инструмент: ареометр ГОСТ 10017-81.

Ограничение. Метод неприменим для щебня с содержанием зерен пластинчатой и игловатой формы >15%.

Современные методы

Лазерная дифракция. Анализаторы типа Mastersizer или Malvern. Диапазон 0,01–3500 мкм. Погрешность ±1%. Исключает субъективность оператора.

Цифровая обработка изображений. Системы типа CAMSIZER — одновременное определение размера и формы зерна.

Ключевые параметры и допуски

Дополнительные испытания

Определение мутности (ГОСТ 8735-88). Осадок суспензии песка после 1 ч оседания. Норма: ≤200 мг/л для бетона класса B40.

Удельная поверхность. Расчётная величина для зерен <5 мм: $S{уд} = \frac{6}{\rho \cdot d{ср}}$ м²/кг, где $\rho$ — плотность, $d_{ср}$ — средний диаметр.

Коэффициент разнообразия. $Kp = \frac{d{60}}{d_{10}}$. Для щебня B40: 2,5–4,5.

Критические требования к классу B40

• Получистое зерно на сите 5 мм: ≤5%
• Содержание зерен <0,63 мм: 10–20% (оптимально 15%)
• Коэффициент лещадности: ≤15%
• Модуль крупности песка: 2,0–2,5 (оптимально 2,2)

Закономерности упаковки полидисперсных частиц кварца в бетонной смеси

Закономерности упаковки полидисперсных частиц кварца

Фундамент принципа плотной упаковки

Плотность упаковки полидисперсной системы определяется соотношением фракций и их геометрической совместимостью. Для кварцевого заполнителя в бетоне B40 ключевой показатель — коэффициент упаковки (КУ), теоретический максимум которого для сферических частиц составляет 0,74 (гексагональная упаковка), а для полидисперсных систем с оптимальным подбором фракций — до 0,85–0,90.

Механизм заполнения пустот

При смешении фракций кварца происходит каскадное заполнение:

• Крупная фракция (5–20 мм) — образует скелет, межзёрновые пустоты 35–45%
• Средняя фракция (1,25–5 мм) — заполняет основные пустоты, остаточная пористость 20–25%
• Мелкая фракция (0,16–1,25 мм) — устраняет остаточные полости
• Каменная мука (<0,16 мм) — финишное заполнение, снижение пористости до 8–12%

Оптимальное соотношение фракций определяется по правилю Фуллера–Томпсона или модифицированному уравнению Андреасена:

$$P = 100 \cdot \left(\frac{d}{D}\right)^n$$

где $P$ — процент прохода через сито, $d$ — размер отверстия сита, $D$ — максимальный размер зерна, $n$ — экспонента (0,45–0,70 для бетона).

Влияние на морозостойкость

Ключевые закономерности

1. Эффект «ступенчатого» заполнения: каждая последующая фракция должна иметь модуль крупности в 2–3 раза меньше предыдущей (соотношение Диндингера)

2. Порог перерасхода мелких фракций: при содержании песка >40% от массы заполнителя начинает снижаться КУ из-за эффекта «разбавления» — мелкие частицы отталкивают крупные

3. Минимум пустотности достигается при соотношении крупный:средний:мелкий ≈ 45:25:30 (вариация ±5% в зависимости от формы зёрен)

4. Форма зерен: щебёнчатый кварц (крупность) + округлый песок (мелкость) даёт КУ на 3–5% выше, чем однородная форма

Практический вывод

Для бетона B40 с требованием F300 упаковка должна обеспечивать суммарную пористость заполнителя <10%. Это достигается при полном отсутствии «пропущенных» фракций в гранулометрическом составе (непрерывный гранулометрический ряд) и содержании частиц <0,16 мм на уровне 8–12% от массы заполнителя.

Водопотребность и реологические свойства бетонных смесей с различной гранулометрией заполнителя

Водопотребность и реология бетонных смесей: влияние гранулометрии заполнителя

Водопотребление смеси

Водопотребность определяется суммарной поверхностью частиц заполнителя. При увеличении содержания мелких фракций (0,16–2,5 мм) удельная поверхность растёт, требуется больше воды для смачивания.

Правило: чем уже гранулометрический состав (сдвиг к мелким фракциям), тем выше водопотребление при постоянной подвижности.

Ключевые факторы:

• Форма частиц — щебень пористый/игольчатый vs округлый: разница до 15–20 л/м³ воды
• Модуль крупности песка (Мк): снижение Мк с 2,0 до 0,8 увеличивает водопотребление на 30–50 л/м³
• Щелочность песка — при содержании глинистых примесей >3 % водопотребление резко растёт

Реологические свойства

Подвижность и плотность смеси зависят от распределения частиц по фракциям:

Оптимизация состава

Уравнение Ферета модифицируется для разной гранулометрии:

• Крупный заполнитель: доминирует объёмная доля, водопотребление минимально
• Промежуточные фракции (5–20 мм): «скелет» смеси, определяет реологию
• Мелкие фракции (<0,63 мм): регулируют текучесть и когезию

Практическое правило: для Б40 применяют непрерывный ГС с модулем крупности 5–7 и песок Мк = 1,6–2,2. Это обеспечивает минимальное водопотребление при рабочей подвижности См = 2–4 см.

Влияние на морозостойкость

Избыточная вода (вызванная мелкими фракциями) повышает пористость затвердевшего бетона. Каждые +10 л/м³ воды сверх необходимого увеличивают водопотребление на ~1 % и снижают морозостойкость на 25–50 циклов.

Вывод: компактная гранулометрия с минимальным содержанием мелких фракций снижает водопотребление, улучшает структуру и повышает морозостойкость бетона класса B40.

Структура цементного камня и характер межфазных границ в системе цемент-кварцевый заполнитель

Структура цементного камня и межфазные границы в системе цемент-кварцевый заполнитель

Основная структура цементного камня

Цементный камень — коагуляционно-кристаллизационная система из следующих компонентов:

• C-S-H фаза — гидросиликаты кальция, основной связующий компонент
• Ca(OH)₂ (портландит) — кристаллические пластинчатые образования
• Эттрингит — игольчатые кристаллы гидросульфоалюминатов кальция
• Непрореагировавшие зёрна цемента — остатки клинкера
• Микропоры — 25–40% объёма, размеры 0,0015–0,0030 мкм

Переходная зона (ITZ)

ITZ — область на границе цементный камень/заполнитель, толщина 20–50 мкм. Является структурным дефектом бетона.

Особенности ITZ в системе цемент-кварц

Кварц химически инертен относительно продуктов гидратации цемента. Это определяет специфику ITZ:

• Высокая концентрация Ca(OH)₂ — отсутствие химического взаимодействия кварца с портландитом
• Ориентация кристаллов — эффект «стенки»: кристаллы Ca(OH)₂ растут перпендикулярно поверхности заполнителя
• Механическая адгезия — сцепление только за счёт шероховатости, без химической связи
• Повышенное В/Ц локально — вода концентрируется у гидрофобной поверхности кварца

Влияние гранулометрии на ITZ

• Увеличение удельной поверхности — мелкие фракции увеличивают суммарную длину границ ITZ
• Тонкая минеральная фракция — при учёте в зерновой кривой снижает толщину ITZ и микротрещинообразование
• Оптимальное заполнение — плотная упаковка зёрен уменьшает локальное В/Ц у межфазной границы

Связь с морозостойкостью

ITZ — концентратор напряжений и канал для воды. При замораживании:

• Льдообразование в порах ITZ инициирует микротрещины
• Слабая адгезия цемент-кварц облегчает расслоение
• Ориентированные кристаллы Ca(OH)₂ создают анизотропию прочности

Оптимизация гранулометрии кварцевого заполнителя снижает объём и толщину ITZ, что критично для повышения морозостойкости бетона B40.

Формирование поровой структуры тяжелого бетона и распределение пор по размерам

Формирование поровой структуры тяжелого бетона и распределение пор по размерам

Виды пор в структуре бетона

Пористость тяжелого бетона определяется совокупностью пор различного происхождения:

Механизм формирования поровой структуры

Капиллярные поры составляют 80–90% общей пористости. Их объём определяется водоцементным отношением (В/Ц) и степенью гидратации. При В/Ц > 0,4 образуется избыточная капиллярная пористость — основной канал проникновения воды и агрессивных сред.

Факторы, контролирующие пористость:

• В/Ц: каждое уменьшение на 0,1 снижает пористость на 15–20%
• Гранулометрия заполнителя: оптимальный состав щебня/песка обеспечивает плотную упаковку, снижая объём цементного камня
• Степень уплотнения: повышение плотности смеси на 5% уменьшает пористость на 8–12%
• Уход за бетоном: недостаточное увлажнение увеличивает долю негидратированного цемента и пористость

Критические размеры пор для морозостойкости

Для бетона класса B40 (М550) и выше определяющее значение имеет структура капиллярных пор:

• Поры < 0,1 мкм: не заполняются водой при отрицательных температурах — безопасны
• Поры 0,1–4 мкм: критический диапазон. При замерзании создают кристаллизационное давление > 15 МПа, вызывая микротрещины
• Поры > 4 мкм: заполняются льдом без разрушающего давления — безопасны при достаточном расстоянии между ними

Роль гранулометрии кварцевого заполнителя

Гранулометрический состав заполнителя непосредственно влияет на структуру цементного камня:

• Увеличение доли мелких фракций (0,16–2,5 мм): снижает объём цементной пасты на 8–15%, уменьшая капиллярную пористость
• Оптимальное соотношение песок:щебень ≈ 0,42–0,45: минимизирует пустотность заполнителя, сокращая долю пасты в структуре
• Модуль крупности песка Мк = 1,8–2,5: обеспечивает минимальную пустотность смеси при заданной удобоукладываемости

Практическое следствие: снижение доли капиллярных пор в критическом диапазоне 0,1–4 мкм на 20–30% увеличивает морозостойкость бетона B40 с F200 до F300–F400 без введения противоморозных добавок.

Физико-химические процессы в водонасыщенных порах бетона при отрицательных температурах

Физико-химические процессы в водонасыщенных порах бетона при отрицательных температурах

Фазовые переходы воды

Вода в порах бетона существует в нескольких состояниях: капиллярная, гель-вода и адсорбционно-связанная. При охлаждении каждая фракция замерзает при различных температурах:

Капиллярная вода замерзает с объёмным расширением на 9 %. При недостаточном запасе порового пространства для кристаллизации развивается кристаллизационное давление до 200–250 МПа.

Механизмы разрушения

Гидравлическое давление При замерзании в закрытых порах образующийся лёд вытесняет незамёрзшую воду. Гидродинамическое сопротивление вытеснению создаёт избыточное давление:

$$P = \frac{2\sigma \cos\theta}{r}$$

где σ — поверхностное натяжение, θ — угол смачивания, r — радиус поры.

Осмотическое давление Концентрация растворённых солей в незамёрзшей воде повышается при кристаллизации, создая осмотический градиент до 15–20 МПа между зонами с различным содержанием льда.

Кристаллизационное давление При переохлаждении и росте кристаллов льда в ограниченном объёме давление достигает значений, превышающих прочность цементного камня (20–40 МПа).

Влияние поровой структуры

Гранулометрия заполнителя определяет характеристики порового пространства:

• Макропоры (> 50 мкм) — опасны при быстром замерзании; требуют воздухововлечения для создания компенсирующих пор
• Капилляры (0,1–50 мкм) — основной источник разрушения; критичная зона для бетона B40
• Мезопоры (< 0,1 мкм) — безопасны при температуре выше −25 °C

Мелкозернистый кварцевый заполнитель уменьшает общую пористость на 12–18 % и сдвигает распределение пор в область мезопор, повышая критическую температуру начала разрушения.

Химические трансформации

При циклическом замерзании-оттаивании в цементном камне протекают реакции:

• Рекристаллизация гидросиликатов кальция — увеличение размера кристаллов С-Н-фазы сопровождается локальным напряжением
• Дегидратация гидратов — при температурах ниже −30 °C возможно частичное разложение эттрингита и гипса с последующим восстановлением структуры
• Щелочно-кремниевые реакции — активный кремнезём заполнителя потребляет щёлочи, снижая риск кристаллизации щелочных солей в порах

Количество циклов морозостойкости бетона B40 прямо пропорционально доле мелкой фракции (0,16–0,63 мм) в кварцевом заполнителе при оптимальном водоцементном отношении 0,35–0,40.

Механизмы разрушения бетонного камня в условиях циклического замораживания-оттаивания

Механизмы разрушения бетона при циклическом замораживании-оттаивании

Основной физический механизм

Главная причина деградации — вольюметрическое расширение воды на 9% при замерзании, создающее внутреннее давление до 200 МПа в капиллярных порах. При превышении предела прочности цементного камня образуются микротрещины, накапливающиеся с каждым циклом.

Вторичные механизмы разрушения

Гидравлическое давление Вода в капиллярах при замерзании вытесняется к воздушным порам. Скорость снижения температуры определяет интенсивность потока и величину давления.

Осмотическое давление Разница концентрации растворённых солей в замёрзшей и незамёрзшей воде создаёт градиент давления, дополнительно разрушающий структуру.

Миграция влаги Вода перемещается из мелких пор в крупные, где образуется лёд. Это приводит к локальному обезвоживанию цементного камня.

Термические напряжения Расхождение коэффициентов температурного расширения компонентов (цементный камень — заполнитель — арматура) порождает внутренние напряжения и микротрещинообразование.

Критические параметры

Структурные зоны повреждения

Контактная зона «цементный камень — заполнитель» Наиболее уязвимое место структуры. Адгезионная связь нарушается первой из-за концентрации напряжений на границе фаз с разными термическими свойствами.

Микроструктура цементного камня Разрушение идёт по наиболее пористым участкам. Повышенная пористость при высоком В/Ц ускоряет деградацию.

Динамика деградации

Первичный этап — возможен эффект самозалечивания: продукты гидратации заполняют свежие микротрещины, прочность временно стабилизируется.

Ускоренный этап — накопление необратимых повреждений, коалесценция микротрещин, развитие макротрещин.

Катастрофический этап — разрушение контактной зоны, отслоение заполнителя, потерь несущей способности.

Факторы, модифицирующие процесс

Воздухововлечение Равномерно распределённые воздушные поры компенсируют расширение льда. Ключевой параметр — расстояние между порами.

Связующее Низкое В/Ц снижает пористость. Гранулированный шлак повышает морозостойкость за счёт пуццоланических реакций и уменьшения количества Ca(OH)₂.

Агрессивная среда Соли в воде снижают температуру замерзания (увеличение числа циклов) и вызывают криогенное выветривание — совместное действие физических и химических факторов разрушения.

Влияние размера зерен кварцевого заполнителя на криогенное расширение цементного камня

Влияние размера зерен кварцевого заполнителя на криогенное расширение цементного камня

Механизм криогенного расширения

Криогенное расширение цементного камня возникает при фазовом переходе воды в лёд в порах материала. Образование льда в микрокапиллярах при температуре от −50°С до −30°С вызывает интенсивные деформации расширения. При циклическом замораживании перекристаллизация гидратных фаз нарушает структурную целостность бетона.

Влияние гранулометрии кварца

Дисперсность заполнителя определяет:

• Плотность микроструктуры цементного камня
• Распределение пор по размерам



• Толщину водного слоя вокруг частиц
• Интенсивность гидратации в ранние сроки

Физико-механические эффекты

Оптимальный размер заполнителя (около 40 мкм) обеспечивает:

1. Минимальное криогенное расширение — мелкие зёрна заполняют поры, снижая свободный объём для кристаллизации льда
2. Улучшенную упаковку частиц — эффект микронаполнения уменьшает капиллярную пористость
3. Снижение теплового рассогласования — коэффициенты теплового расширения цементного камня и кварца сближаются

Мелкодисперсный кварц (M6000 и аналоги):

• Увеличивает кумулятивное тепло гидратации на 26% в ранние сроки
• Ускоряет схватывание на 8–26%
• Формирует более однородную структуру без крупных пор-концентраторов напряжений

Критические факторы морозостойкости B40

Пороговые значения для бетона класса B40:

• Максимальный размер пор, критичных для льдогенерации: ~50 нм
• Оптимальное содержание кварцевого наполнителя: ~5 мас.%
• Предельное расширение при −40°С…+40°С: 0,8 мм/м

Рекомендации по подбору заполнителя:

• Применять мелкие фракции (< 212 мкм) для снижения капиллярной пористости
• Избегать резких переходов в гранулометрическом составе
• Обеспечивать равномерное распределение зёрен для исключения локальных зон с повышенной влагой

Оптимальные гранулометрические кривые Fuller и Bolomey для бетона класса прочности B40

Оптимальные гранулометрические кривые Fuller и Bolomey для бетона B40

Кривая Fuller

Фуллер описывает идеальное распределение зерен для максимальной плотности упаковки:

$$P = 100\sqrt{\frac{d}{D}}$$

где $P$ — процент прохождения по ситу, $d$ — размер отверстия сита, $D$ — максимальный размер зерна щебня.

Для бетона B40 применяется с показателем степени $n = 0.45…0.50$. При $n < 0.5$ смесь становится пластичнее, но теряет плотность; при $n > 0.5$ возрастает водопотребность.

Кривая Bolomey

Боломей модифицирует формулу с учётом цементного раствора, заполняющего поры:

$$P = A + (100 - A)\sqrt{\frac{d}{D}}$$

где $A$ — параметр, зависящий от водоцементного отношения (В/Ц) и пластификации.

Адаптация для морозостойкости

Для обеспечения морозостойкости F150–F200 в бетоне B40 кривая Bolomey корректируется:

• Уменьшается доля мелких фракций 0–5 мм до 12–15% — снижает капиллярную пористость
• Оптимизируется содержание зерен 5–10 мм (25–30%) — создаёт упругий каркас
• Щебень фракции 10–20 мм должен составлять 55–60% массы — основной несущий скелет

Расчётный контроль

Отклонение реальной гранулометрии от расчётной кривой не должно превышать ±5% на ключевых ситах: 2.5; 5; 10; 20 мм. Резкие изломы кривой недопустимы — приводят к сегрегации смеси и снижению морозостойкости на 15–20%.

Для подтверждения морозостойкости бетона B40 по ГОСТ 10060 требуется не менее 75% межзёренного пространства, заполненного цементным камнем — это обеспечивается при соблюдении кривой Bolomey с $A = 10$ при В/Ц = 0.42.

Методы ускоренного и естественного испытания морозостойкости бетона по ГОСТ

Методы испытания морозостойкости бетона по ГОСТ 10060-2012

Классификация методов

ГОСТ 10060-2012 устанавливает пять методов определения морозостойкости. Приоритет имеют базовые методы — результаты ускоренных методов признаются окончательными только при совпадении с базовыми.

Температурный режим

Базовые методы:

• Замораживание: −18 ± 2°C (возможно −50°C для специальных бетонов)
• Оттаивание: вода +18 ± 2°C
• Продолжительность цикла: 4–8 часов

Ускоренные методы:

• Температурный градиент повышен
• Количество циклов сокращено при сохранении критериев оценки

Критерии оценки

Морозостойкость определяется максимальным количеством циклов F, при котором:

• Потери массы не превышают 5%
• Снижение прочности при растяжении не более 20% (базовые методы) или установленного нормативного предела
• Отсутствуют видимые признаки разрушения (трещины, отслоения, расслоения)

Испытания проводят в проектном возрасте бетона при достижении им классовой прочности. Для бетона B40 — не ранее 28 суток при нормальных условиях твердения.

Особенности применения

Для тяжелого бетона класса B40 с кварцевым заполнителем используют Базовый метод 1. Ускоренные методы (3–5) допустимы при разработке состава и корректировке гранулометрии заполнителя, но результаты требуют валидации базовым методом.

Ультразвуковой метод по ГОСТ 26134 применяется как неразрушающий контроль при эксплуатации, но не заменяет нормативные испытания при сертификации состава.

Корреляционные зависимости между параметрами гранулометрии и показателями морозостойкости

Корреляционные зависимости между параметрами гранулометрии и показателями морозостойкости

Модулирование поровой структуры

Снижение содержания мелких фракций песка (0,16–0,63 мм) на 5–8 % существенно уменьшает общее поровое пространство в структуре цементного камня. Мелкие зёрна заполнителя (< 0,16 мм) увеличивают удельную поверхность соприкосновения «заполнитель—цементный камень», что усиливает адгезионные напряжения и снижает количество капиллярных пор диаметром 0,01–0,1 мкм — основных каналов переноса влаги при морозовых циклах.

Оптимальный модуль крупности песка (Мк) для бетона B40 с требуемой морозостойкостью F200–F300 составляет 2,2–2,5. При Мк < 1,8 наблюдается увеличение водопотребности смеси на 12–18 % и снижение морозостойкости на 1–2 класса.

Распределение по фракциям

Содержание крупных фракций (2,5–5,0 мм) выше 15 % от массы песка создаёт уплотнённый каркас, сокращающий межзёрный пространство, заполняемый цементным тестом. При отсутствии мелких зёрен (0,16–0,315 мм) в количестве 8–12 % пустотность заполнителя возрастает на 4–6 %, что формирует избыточное количество пор, заполненных водой.

Механизм морозного разрушения

Водопроницаемость бетона с песком оптимальной гранулометрии при давлении 0,3 МПа снижается до 0,8–1,2 мм/час против 2,5–3,0 мм/час для смесей с дефицитом мелких фракций. Это ограничивает насыщение материала влагой до 60–65 % порогового значения, при котором объёмное расширение льда при замерзании превышает предел прочности цементного камня на растяжение.

Снижение количества пор критического радиуса (r > 50 мкм) на 35–45 % при оптимизации гранулометрии обеспечивает сдвиг кривой разрушения в область большего числа циклов «замораживание—оттаивание».

Гранулометрия щебня

Для крупного заполнителя критичен показатель зернового состава: содержание зёрен пластинчатой и игловатой формы должно быть < 10 % (по массе). Увеличение данного показателя до 15–20 % снижает морозостойкость бетона на 20–30 % из-за формирования концентраторов напряжений на границе «щебень—цементный камень». Максимальный размер зёрен щебня для бетона класса B40 с F200+ ограничен 20 мм.

Практические соотношения

Линейная корреляция между полнотой заполнения (КП) и маркой по морозостойкости: увеличение КП на 0,1 обеспечивает прирост F на 15–25 циклов при постоянном водоцементном отношении (В/Ц = 0,32–0,38). При В/Ц > 0,40 влияние гранулометрии сглаживается из-за преобладания пор, образованных избыточной водой тестирования.

Критерии и алгоритмы подбора кварцевого заполнителя при проектировании морозостойкого бетона B40

Критерии и алгоритмы подбора кварцевого заполнителя при проектировании морозостойкого бетона B40

Основные критерии подбора

Гранулометрический состав

Модуль крупности песка (МК) — 2,0–2,5. Щебень: содержание зерен 5–20 мм должно составлять 40–45%, 20–40 мм — 55–60%. Коэффициент полноты зернового состава (КПЗС) — 1,1–1,3. Дисперсность кварцевого песка: содержание зерен <0,14 мм не более 3%, <0,315 мм — 10–15%.

Физико-механические свойства

Прочность щебня на сжатие в цилиндре — не менее 100 МПа (для бетона B40 — коэффициент прочности заполнителя ≥1,5). Истираемость — не более 0,5 г/см² (по методу Лос-Анджелеса ≤20%). Пористость кварца — критична: водопоглощение ≤1%, открытая пористость ≤2,5%.

Морозостойкость заполнителя

Морозостойкость щебня — не ниже F300 (прямой метод), песка — F200. Критерий: потеря массы после 50 циклов замораживания-оттаивания ≤5%.

Форма и поверхность

Лещадность щебня — не более 10% по массе. Содержание игловатых и пластинчатых зерен — ≤8%. Шероховатость поверхности (индекс шероховатости) — 1,2–1,6.

Алгоритм подбора

1. Определение требований: цикл морозостойкости (F200–F400), класс бетона (B40), эксплуатационная среда (морозоопасность — степень IV–V).
2. Предварительный отбор: кварцевые породы с кристалличностью >85%, минералогический состав (кварц ≥90%, полевые шпаты ≤5%).
3. Гранулометрический анализ: рассев + расчёт КПЗС. Корректировка: при недостатке мелких фракций — введение кварцевого микрофиллера (d≤0,16 мм).
4. Проверка прочности: испытание заполнителя в насыщенном состоянии (критично для морозостойкости).
5. Оценка адгезии: цементно-песчаное сопряжение — прочность сцепления ≥0,6 МПа.
6. Оптимизация состава: соотношение песок/щебень — 0,35–0,42 по объёму. Введение воздухововлекающих добавок (пористость системы 4–6%).
7. Контрольное испытание: замер морозостойкости бетонных образцов по ГОСТ 10060.

Требования к кварцевому заполнителю для бетона B40 F300

Ключевое ограничение: кварцевый заполнитель должен обладать минимальной внутренней пористостью для предотвращения криогенного разрушения при циклическом замораживании.