Оптимизация гранулометрического состава и свойств заполнителей и наполнителей для сухих строительных смесей

Зозуля П.В., доцент, к.т.н.,
СПбГТИ, Кафедра строительных и специальных вяжущих веществ

В качестве заполнителей и наполнителей в строительных растворных смесях используют минеральные природные или искусственно полученные зернистые материалы определенного гранулометрического состава. В зависимости от крупности частиц заполнители подразделяют на крупные и мелкие. К крупным заполнителям относят грубодисперсные материалы с размером зёрен более 5 мм - щебень, продукт дробления горных пород с частицами угловатой формы или гравий, окатанный материал природного происхождения. Мелкий заполнитель - песок, характеризуется предельной крупностью зёрен до 5 мм, он может иметь как природное происхождение, так и изготавливаться искусственно путём дробления горных пород или некоторых промышленных отходов, например, шлаков и т.п. Заполнители относят к плотным при плотности зерен более 2 г/см³ ("истинная плотность" по ГОСТ 8735) и к пористым при меньших значениях плотности.

Характеристикой пористых песков может служить такая величина их насыпной плотности, которая для пористых песков не должна превышать 1400 кг/м³.

В качестве пористых заполнителей используют зернистые материалы, получаемые из горных пород - ГОСТ 2263 "Щебень и песок из пористых горных пород. Технические условия", либо готовят искусственно - ГОСТ 9757 "Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия", ГОСТ 10832 "Щебень и песок перлитовые вспученные. Технические условия", ГОСТ 12865 "Вермикулит вспученный" и др.

С целью коррекции фракционного состава заполнителя, а также для придания растворным смесям удобоукладываемости, повышения водоудерживающей способности, снижения деформаций усадки, а также для снижения не во всех случаях требующейся высокой прочности растворов, часть вяжущего в смесях заменяют тонкодисперсным порошкообразным материалом - наполнителем, характеризующимся размером частиц 0,05 - 0,16 мм. К таким материалам относятся тонкомолотые кварцевые пески, пылевидный природный кварц (маршалит), микрокальций, известняковая и доломитовая мука и др.

В качестве наполнителя может использоваться также молотая слюда, молотые тальк и талькомагнезит др.

Некоторые виды особотонкозернистых наполнителей - золы-уноса ТЭС, микрокремнезем, белая сажа и др. являются реакционноспособными материалами, их применение дает эффект упрочнения твердеющей системы и при условии использования специальных технологических приемов позволяет получать особопрочные и высокоплотные бетоны и растворы.

Основными характеристиками заполнителей инаполнителей, определяющими их влияние на технологические и строительно-технические свойства растворных смесей и растворов являются зерновой состав, предельный размер частиц, форма и характер поверхности зёрен, межзерновая пустотность и водопотребность. Важное значение имеют также минералогический состав, наличие пылевидных и глинистых частиц, содержание глины в комках и присутствие различных примесей.

В составах сухих строительных смесей в основном используется кварцевые пески (ГОСТ 8736 "Песок для строительных работ. Технические условия"), хотя пригодны также и другие виды песков - полевошпатовые, известняковые, доломитовые, гранитные, диоритовые и др. при условии, что их свойства отвечают требованиям ГОСТ 8735 "Песок для строительных работ. Методы испытаний". В отношении допустимого содержания вредных примесей приложение А (обязательное) к ГОСТ 8736 даёт подробные указания. Что касается допустимого содержания глинистых примесей и присутствия глины в комках, то, например, по DIN 18550 считается допустимым содержание в заполнителе для штукатурных растворных смесей до 5 масс.% глинистых частиц.

Вопросы оценки качества крупного заполнителя (гранулометрии, формы зёрен и т.п.) для бетонов достаточно детально рассматриваются в соответствующей технической и нормативной литературе [1, 2], чего нельзя сказать о мелком заполнителе для растворных строительных смесей.

Так, например, в недавно введенных в действие "Своде правил по проектированию и строительству - СП 82-101-98. "Приготовление и применение растворов строительных" [3] вопрос о выборе гранулометрии мелкого заполнителя в зависимости от назначения строительного раствора даже не упоминается. Рекомендации "Свода правил" по использованию мелкого заполнителя в составе штукатурных растворов ограничиваются ссылкой на то, что заполнитель должен соответствовать ГОСТ 8736 "Песок для строительных работ", при этом отсутствуют какие-либо рекомендации по использованию песков различных классов и групп по модулю крупности в строительных растворных смесях различного назначения.

В то же время в цитируемом "Своде правил" в директивной форме содержатся требования по ограничению предельного размера зёрен песка для штукатурных слоёв обрызга и грунта, в составах которых размер частиц заполнителя не должен превышать 2,5 мм. Это ограничение лишено какого-либо технического смысла, более того оно противоречит основной цели, которая должна достигаться при нанесении на основание первого штукатурного слоя (обрызга) - созданию условий, обеспечивающих прочное сцепление штукатурных слоёв грунта с основанием и друг с другом. Мелкое зерно, утапливаясь в слое штукатурного покрытия, оказывается с вышеизложенной точки зрения практически бесполезным. Толщина слоя обрызга не должна превышать максимального размера зёрен заполнителя, что обеспечивает шероховатость поверхности и прочное сцепление последующих штукатурных слоёв грунта с основанием. На равновпитывающие поверхности обрызг наносится в виде отдельных островков ("бляшек"), покрывая около 50 % поверхности.

Ограничение предельного размера зерна в штукатурках 2,5 мм в соответствии с правилами действовавшими в России отмечается как некий парадокс в работе опубликованное ещё в 30-х годах прошлого века. В качестве примеров в этой работе приводятся данные по ограничению предельного размера зерна в штукатурных составах ряда стран: в США - 4,76 мм, в Дании - 5 мм, в Великобритании - 4,76 мм, в Германии - 7 мм [4]. В стандарте DIN 18550, часть 2 максимальный состав зерна в штукатурном слое обрызга для наружных покрытий должен составлять 0/4 - 0/8 мм, для внутренних покрытий - 0/2 - 0/4 мм, а для слоёв грунта в обоих случаях - 0/2 - 0/4 мм, при этом дополнительно подчеркивается, что доля крупных зёрен должна быть по возможности большой. Снижение величины зерна в слоях обрызга и грунта ведёт к уменьшению прочности сцепления штукатурных слоёв и, несомненно, сказывается на долговечности штукатурных покрытий. В настоящее время с учётом развития машинной техники выполнения штукатурных работ предельный размер зерна в составах для обрызга может быть принят 4 мм, что соответствует рабочим параметрам машинных установок.

Рассмотрим теперь каким должен быть оптимальный гранулометрический состав мелкого заполнителя.

В самом общем приближении песок для строительных растворных смесей должен обладать наименьшим объемом пустот (наименьшей межзерновой пустотностью по ГОСТ 8735). В связи с этим предпочтение следует отдавать пескам смешанного (непрерывного) зернового состава.

Оптимальный, с точки зрения формирования свойств растворных смесей и растворов, гранулометрический состав достигается, если его характеристика соответствует так называемой "идеальной" кривой просеивания [1]. Именно в этом случае обеспечивается наиболее плотная упаковка зёрен.

При построении "идеальных" кривых гранулометрического состава предполагается, что частицы материала имеют сферическую форму, а так как на практике это условие не соблюдается, то на плотность упаковки частиц оказывает влияние форма зёрен и шероховатость их поверхности.

ГОСТ 8735 "Песок для строительных работ. Методы испытаний" позволяет дать лишь самое общее описание формы зёрен песка и характера их поверхности. Для корректирования состава растворных смесей с учетом этого показателя полученной информации недостаточно, поэтому для более точной оценки формы частиц можно воспользоваться методом определения формы зёрен песка по ГОСТ 29234.12 "Пески формовочные. Метод определения формы зёрен песка". Метод основан на определении коэффициента угловатости зёрен песка по соотношению истинной и теоретической удельных поверхностей. Коэффициент угловатости песков изменяется в пределах 1.2 - 1.6.

Форма зёрен заполнителя влияет на подвижность (удобоукладываемость) растворных смесей и на прочность растворов. Предпочтительными являются зёрна округлой или кубовидной формы. Поверхность зёрен должна быть шероховатой, что обеспечивает более высокую прочность сцепления частиц заполнителя с цементным камнем и тем самым повышает прочность раствора. Прямые определения прочности сцепления полированных пластинок кварца и других химически инертных минералов с цементным камнем дают значения в пределах от 0.6 до 1.0 МПа, когезия же цементного камня составляет 3.0 - 4.5 МПа. Таким образом, при максимально развитом рельефе поверхности зёрен заполнителя прочность сцепления его с цементным камнем за счет сцепления цементного камня с неровностями поверхности может возрасти примерно в 4 раза [5].

Для выбора оптимального гранулометрического состава заполнителя предлагаются различные "идеальные" кривые просеивания.

При подборе соотношения зёрен различных размеров в соответствии с идеальной кривой смеси имеют максимальную подвижность при минимальном расходе цемента и менее склоны к расслаиванию. Примером подобных идеальных кривых могут служить кривые просеивания, предложенные Фуллером [6].

"Идеальная" гранулометрическая кривая по Фуллеру описывается уравнением:
, %
Где А - проход через сито с размером ячейки d, мм, выраженный в масс. %;
di - размер ячейки сита, мм;
D - наибольший размер зерна в смеси, мм.

В линейных координатах "идеальная" гранулометрическая кривая по Фуллеру имеет вид параболы (рис. 1).

Рис. 1: "Идеальная" кривая гранулометрического состава заполнителя с предельным размером зерна 2,5 мм (по Фуллеру)	Рис. 2: "Идеальная" кривая гранулометрического состава заполнителя с предельным размером зерна 2,5 мм (по Ротфуксу). Штрих-пунктирная кривая соответствует смеси с минимальным размером частиц 0,1 мм.