Оценка формы частиц мелкого заполнителя для строительных растворных смесей

Павел Васильевич Зозуля, к.т.н., доц. кафедры строительных и специальных вяжущих веществ
Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт

В связи с интенсивным развитием производства и расширением ассортимента сухих строительных растворных смесей возрос интерес к вопросам оптимизации свойств мелкого заполнителя (песка и тонкодисперсных минеральных наполнителей) как основной составляющей растворных композиций.

Отметим, что если ранее одной из основных задач оптимизации являлось снижение расхода цемента, определяющего стоимость 1 м³ бетонной или растворной смеси, то в настоящее время на первое место по значимости вышли критерии качества, такие как прочность сцепления с основанием, водонепроницаемость, устойчивость к солевой и газовой (атмосферной) коррозии, паропроницаемость и др., а расход цемента как ценообразующий фактор полностью утратил свое значение. Так, например, исходя из усредненного содержания в сухих смесях таких функциональных добавок, как эфиры целлюлозы и редиспергируемые полимерные порошки, составляющая цемента в стоимости продукции не превышает 5-7%.

Решение задачи оптимизации качества мелкого заполнителя и наполнителя для сухих строительных смесей на современном уровне материаловедения должно базироваться на определении роли, по крайней мере, трех основных факторов: гранулометрического состава, формы зерен и оценке шероховатости их поверхности, естественно, с учетом минералого-петрографического состава и содержания в материалах вредных примесей.

Такой подход позволяет избежать ошибок, обусловленных попытками оптимизации состава смесей на основе только одной из названных характеристик.

Необходимость в точном определении содержания в смесях функциональных добавок диктуется как стремлением обеспечения высокого уровня технологических и строительно-технических свойств растворных смесей и растворов, так и определяющим их влиянием на стоимость продукции.

В технической литературе в последнее время уже рассматривалась проблема выбора гранулометрического состава заполнителя для сухих строительных смесей [1 - 4], в то время как вопросам характеристики формы зерен и поверхностей легкого заполнителя для строительных растворов в отечественной литературе уделено крайне малое внимание.

Характер формы и шероховатость поверхности зерен имеют определяющее значение для реологии дисперсных систем, и в ряде не строительных технических областей имеется достаточно обширная информация по этому вопросу. В частности, в таких, как литейное дело [5], грунтоведение [6], технология керамобетонов и огнеупорных бетонов [7], и др.

Так, например, в литейном производстве действуют стандарты на методы определения среднего размера зерна и коэффициента однородности (ГОСТ 29234.3) и формы зерен песка (ГОСТ 29234.12)

Стандарт 29234.12 для оценки формы частиц песка предлагает пользоваться такой характеристикой, как коэффициент угловатости (Kyr).

Коэффициент угловатости рассчитывается по формуле:

где S факт - фактическая удельная поверхность, м²/кг;
St - теоретическая удельная поверхность, м²/кг.

Фактическая удельная поверхность песка определяется по методу газопроницаемости (ГОСТ 29234.11), а теоретическая удельная поверхность рассчитывается по формуле

где Þ - теоретическая плотность зерен кварцевого песка равна 2650 кг/м³
Xi - доля песка на (i) сите от общей массы песка, взятой для определения гранулометрического состава.

Di - средний диаметр зерен одной фракции, м, вычисленной по формуле:

где Dn - размер ячейки сита, через которое прошла фракция песка, м;
Dn+1 - размер ячейки сита, на котором фракция песка осталась, м.

В зарубежной технической литературе [8] в качестве характеристик формы зерен используются аналогичные подходы. Так, фактор Хейвуда (Heywoodfaktor) представляет собой параметр, определяемый как отношение измеренной удельной поверхности к удельной поверхности, рассчитанной, исходя из представлений об эквивалентном диаметре частиц в виде правильных сфер [9]. Такая оценка соответствует описанному выше коэффициенту угловатости, и значение фактора, как и Kyr для реальных песков, всегда >1.

Другой предлагаемый способ оценки формы зерен заключается в расчете параметра сферичности по Вейделлу (Wedell). Сферичность определяется как отношение суммарной поверхности частиц равновеликого реальным частицам объема к фактической поверхности частиц (сферичность ф 1). Стандарт DIN 66141 фактор формы определяет как величину, обратную сферичности по Вейделлу.

В таблице 1 приведены данные о факторе формы частиц, определенные по DIN 66141. Удельная поверхность при этом по методу Блейна.

Таблица 1. Характеристика формы частиц некоторых тонкодиспенсерных материалов.

Чем выше значение коэффициента формы, тем более развитую поверхность по сравнению с идеальной сферой имеют частицы.

Успехи, достигнутые в последние годы в области цифровой фотографии и обработки изображений, дают возможность быстрого получения обширной информации о форме частиц [8].

Применение специальных анализаторов в сочетании с компьютерной техникой позволяет анализировать проекции формы частиц на плоскость, при этом сами частицы рассматриваются как двумерные объекты. В случае анализа достаточно большого числа частиц можно получить статистически достоверную оценку формы частиц по различным классам крупности. В настоящее время возможно получение такой информации в диапазоне размеров частиц от 0,02 до 150 мм.

В качестве критерия оценки формы зерен предлагается использовать показатель сферичности (SPHT-Yandex), который представляет собой трансформированный фактор формы ф кг определяется из соотношения измеренного периметра частицы и расчетного периметра окружности, площадь которой равновелика площади рассматриваемой частицы [8].

Индекс сферичности рассчитывается по формуле:

где А - площадь проекции частицы,
u - периметр проекции частицы.

Индекс сферичности зернистых материалов, как и фактор формы, представляет собой величину >/= 1. Индекс сферичности может быть легко рассчитан для проекции частиц с правильной геометрической формой. Так, например, для многогранника с ZO сторонами его значение составляет 1,004, для правильного квадрата - 1.128, для прямоугольника с соотношением сторон 4:1 - 1.410 [8].

В Европе имеется ряд фирм, поставляющих на рынок анализаторы формы частиц (Haver & Boecker, Retsch GmbH & Co.KG, Micrometrics GmbH, Beckman Coulter GmbH и др.). Оценка размеров ведется одновременно по 250 классам крупности. В секунду проводится до 10 тысяч измерений. Количество дозируемого в единицу времени материала, в зависимости от диапазона измерений, составляет от 20 до 10000 г/мин.

Форма зерен заполнителя особенно заметно влияет на такие свойства растворных смесей и растворов, как подвижность, реологические свойства (тиксотронные и дилатантные), расслаиваемость, воздухововлечение, когезионная прочность растворов, усадочные деформации, прочность сцепления с основаниями, водонепроницаемость, устойчивость к агрессивным воздействиям и др.

Хорошо известно, например, о положительном влиянии микронаполнителей с пластинчатой формой частиц на повышение водонепроницаемости гидроизоляционных растворов.

Форма частиц песка влияет на степень воздухововлечения. Округлые зерна создают более благоприятные условия для воздухововлечения, чем остроуглые, при этом главным фактором, влияющим на воздухововлечение, являются частицы заполнителя размером от 0,15 до 0,6 мм.

Шероховатость и пористость поверхности заполнителя в значительной мере определяет сцепление материала с цементным камнем. При максимальном развитии рельефа поверхности частиц заполнителя и шероховатой его поверхности прочность сцепления цементного камня с заполнителем может возрасти до четырех крат [10].

Форма зерен влияет также и на усадку растворов. Остроугольные зерна вызывают большую усадку, чем округлые [11].

Природный мелкий заполнитель - песок - чаще всего состоит преимущественно из зерен кварца - минерала, не обладающего слойностью и при раскалывании образующего раковистые неровные поверхности. В зависимости от условий формирования месторождений, поверхность зерен кварца может быть гладкой (окатанной), матовой (полуокатанной, с большим количеством мелких углублений на поверхности), ямчатой (полуокатанной, с относительно крупными глубокими, неправильными углублениями - кавернами), раковистой (поверхности свежего скола) и граненой (поверхности естественных граней монокристаллов). Характер поверхности имеет определяющие значение для смачивания частиц заполнителя цементно-полимерной дисперсией. При низких значениях краевого угла смачивания жидкость более эффективно заполняет дефекты поверхности и более энергично вытесняет воздух из контактных зон. В ранее выполненных исследованиях было показано, что введение в состав растворных смесей 1% полимера повышает величину когезии цементного камня на 25-30%, а величину адгезии цементно-полимерного раствора к полированной поверхности кварца увеличивает в 1,5-2 раза.

Методы оценки шероховатости поверхности зерен заполнителя достаточно подробно описаны в монографии Д. Орчарда [12].

В заключение отметим, что в тех случаях, когда к растворам предъявляются повышенные требования в отношении таких свойств, как максимальная прочность при изгибе (ремонтные составы, стяжки для полов и др.), высокая водонепроницаемость (гидроизоляционные растворы), повышенная долговечность в условиях газовой и солевой агрессии и т.п. при выборе заполнителя необходимо оптимизировать его качество не только с позиций гранулометрии, но и с учетом формы частиц и характеристики их поверхности.

Список литературы

1. Зозуля П.В. "Оптимизация гранулометрического состава и свойств заполнителей и наполнителей для сухих строительных смесей", Сборник тезисов докладов З Международной конференции BaltiMix, Санкт-Петербург, 2003 г., с 12-13.

2. Дьяченко Е.И., Сушенков А.Н. "Роль зернового состава заполнителя в сухих строительных смесях", Сборник тезисов докладов 1 Международной конференции BaltiMix, Санкт-Петербург, 2001 г., с 83-87.

3. Рубцова В.Н., Дергунов С.А. "Оптимизация минеральной части сухих строительных смесей", Сборник тезисов докладов З Международной конференции BaltiMix, Санкт-Петербург, 2003 г., с 41-46.

4. Кудряков А.И., Аниканова Л.А., Копаница Н.О., Герасимов А.В. "Влияние зернового состава и вида наполнителей на свойства строительных растворов", Журнал "Строительные материалы", № 11, 2001 г., с. 28-29.

5. Специальные способы литья, под редакцией Гуляева Б.Б. и др. - М, Машиностроение, 1971 г., 264 с.

6. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов, М, Стройиздат, 1978, 448 с.

7. Пивинский Ю.Е. Теоретические аспекты технологии керамики и огнеупоров, Санкт-Петербург, том 1, 2003 г., с. 541.

8. Stark U., Reinold M., Muller A. Neue Methoden zur Messung der Korngrobe und Kornform von Mikro bis Marko. 15 Internationale Baustofftagung IBAUSIL, Weimar, 24-27 sept, 2003 j, s. 1-1369-1-1380.

9. Reschke Th, Thielen G. Einfiub der Granulometrie der Feinstoffe auf die Festigkeits - und Gefugeentwicklung Von Mortel und Beton. 14 Internationale Baustofftagung IBAUSIL, Weimar, 20-23 sept, 2000 j, s. 1-0289-1-0299.

10. Виноградов Б.Н. Заполнители для бетона, М. Стойиздат, 1981, с. 220.

11. Невилль А.М. Свойства бетона, М., Стройиздат, 1972 г., с. 353.

12. Orchard D. Concrete Technology, Properties and testing of aggregates, London, V3, 1976, p. 281