В качестве заполнителей строительных растворных смесей (как готовых к употреблению, так и сухих) служат минеральные природные или искусственно полученные материалы определенного гранулометрического состава. В зависимости от крупности частиц заполнители подразделяют на крупные и мелкие…

В качестве заполнителей строительных растворных смесей (как готовых к употреблению, так и сухих) служат минеральные природные или искусственно полученные материалы определенного гранулометрического состава. В зависимости от крупности частиц заполнители подразделяют на крупные и мелкие.

К крупному относят грубозернистые материалы размером зерен более 5 мм - щебень (продукт, получаемый дроблением, частицы которого имеют угловатую форму) или гравий (материал с округлой формой частиц). Мелкий заполнитель - песок - имеет предельный размер зерен до 5 мм. По плотности заполнители относят к плотным с плотностью зерен более 2 г/см3 и к пористым, обладающим меньшей плотностью.

По происхождению заполнители подразделяют на 3 группы: природные; из отходов промышленности; искусственные. Применение заполнителей и наполнителей в составах бетонных и растворных смесей позволяет:
•  улучшить их удобообрабатываемость;
•  повысить водоудерживающую способность;
•  снизить расход вяжущих веществ и стоимость смесей.

В бетонах и растворах заполнители способствуют:

•  формированию жесткого каркаса искусственного камня (увеличению его прочности, уменьшению деформаций под нагрузкой (ползучести), повышению модуля упругости);

•  уменьшению деформаций усадки (компенсации внутренних деформаций, устранению трещинообразования, повышению долговечности);

•  в случае применения пористых заполнителей - снижению плотности, улучшению теплоизоляционных свойств, уменьшению массы сооружений и сокращению затрат на строительство.

Наиболее распространенными и наиболее часто используемыми в составах строительных растворных смесей, в том числе и сухих, являются кварцевые пески. Пригодны также полевошпатовые, известняковые, доломитовые, гранитные, диоритовые и др. пески, которые отвечают требованиям ГОСТ 8736 "Песок для строительных работ. Технические условия" и ГОСТ "Песок для строительных работ. Методы испытаний".

В качестве заполнителей могут применяться материалы, предназначенные для использования в иных (не строительных) отраслях промышленности - формовочные пески, кварцевые, полевошпатовые и кварцполевошпатовые пески для стекольной промышленности, для тонкой и строительной керамики и др. при условии, что свойства этих материалов отвечают требованиям, предъявляемым к песку для строительных работ - ГОСТ 8735 и ГОСТ 8736, а для пористых неорганических заполнителей - требованиям ГОСТ 9758 - "Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытаний".

Минералого-петрографический состав заполнителей может включать от одного до двадцати и более минералов и определяется происхождением и условиями формирования горных пород.

Горные породы для заполнителей по происхождению могут быть разделены на 3 основные группы: изверженные, осадочные и метаморфические (видоизмененные). Изверженные породы составляют около 95% земной коры и в основном состоят из кремнеземсодержащих минералов. Главными породообразующими минералами этих пород являются полевые шпаты, кварц, фельдшпатоиды, слюды, пироксены, амфиболы и оливин. Осадочные породы составляют только 5% земной коры. Тем не менее, они играют большую роль как источники материалов для заполнителей. Чаще всего из пород этой группы используются известняки и доломиты, основными породообразующими минералами которых являются карбонатные минералы кальция и магния - кальцит (CaCO₃), магнезит (MgCO₃) и доломит (CaCO₃ х MgCO₃). Осадочные породы могут быть твердыми и мягкими, плотными и пористыми, тяжелыми и легкими. При использовании этих пород в качестве заполнителей следует проявлять осторожность, т. к. известняки нередко загрязнены глинами, а также могут содержать кремнистые включения, которые являются реакционноактивными по отношению к щелочным примесям портландцемента, что может привести к неравномерности изменения объема при твердении. Глинистые примеси (в особенности бентонитового типа) в присутствии влаги набухают, вызывая появление трещин в растворах и бетонах. Из метаморфических пород в качестве заполнителей наиболее часто используют мраморы. Мрамор при дроблении образует зерна кубообразной формы с шероховатой поверхностью и является прекрасным материалом для заполнителей.

Присутствие в песках равномерно распределенных глинистых частиц в количестве 2-5% допустимо и даже может оказывать дополнительное пластифицирующее и водоудерживающее действие, но если глина присутствует в виде комков, то такие включения могут стать причиной последующих дефектов строительных растворов - появления трещин, снижения морозостойкости. Максимальное содержание глины в комках по ГОСТ 8736 в песке природном - до 1% и в песке из отсевов дробления - до 2%. Частицы с размером менее 0.05 мм по ГОСТ 8735 относятся к пылевидным и глинистым. При значительном содержании в песке таких примесей возможно понижение прочности и долговечности строительных растворов и бетонов. Особенно нежелательными являются глинистые пленки на зернах песка, нарушающие сцепление с ними цементного камня.

Содержание тонко распределенных вредных примесей органического происхождения (гумусовых веществ) не представляет опасности, если окраска щелочного раствора пробы песка (по ГОСТ 8735 п. 6) не превышает интенсивности окраски эталонного раствора. В песках для строительных работ ограничивается также содержание серы, сульфидов (марказита - лучистого колчедана, ромбической модификации FeS2 и пирротина - магнитного колчедана FenSn+1, где n=9-11), сульфатов (гипса, ангидрита и др.) в пересчете на SO₃ не более 1%, пирита (серного колчедана, кубической модификации FeS₂) в пересчете на SO₃ - не более 4%; слюды не более 2%, галлоидных соединений (галита - NaCl, сильвина - KCl и др.) в пересчете на ион хлора - не более 0.15% и угля - не более 1%.

При наличии в песке примесей цеолитов (алюмосиликатов кальция, калия, натрия и др. металлов), графита и горючих сланцев требуется проверка долговечности раствора. Цеолиты (натриево-кальциевые алюмосиликаты) в результате катионного обмена могут повысить количество щелочных катионов в поровой жидкости и явиться причиной высолообразования.

При наличии в заполнителе аморфных разновидностей кремнезема возникает опасность разрушения растворов и бетонов вследствие щелочной коррозии заполнителя. Щелочные примеси цемента, преимущественно в виде щелочных сульфатов, вступают в растворе в обменную реакцию с продуктом гидролиза клинкерных фаз - минералом портландитом (Ca(OH)₂) с образованием CaSO₄ x 2H₂O, вследствие чего в растворе повышается концентрация гидроксид-ионов, а сульфат-ионы, связываясь с продуктами гидратации C3A и C4AF, выводятся из жидкой фазы в виде трудно растворимых эттрингитоподобных фаз (Aft-фаз).

В щелочной коррозии принимают участие такие минералы и породы, как опал, халцедон, кремень, вулканические стекла, кремнистые сланцы (роговики). Если петрографическое исследование указывает на наличие в заполнителе вышеуказанных и подобных им минералов или горных пород, необходимо проведение определения реакционной способности заполнителя. Испытание реакционной способности заполнителя проводят в соответствии с ГОСТ 8269. Заполнитель относится к потенциально реакционноспособному, если количество растворенного кремнезема в условиях опыта превышает 50 ммоль/л (ГОСТ 8736).

Заполнители занимают до 80%, а в некоторых случаях и более, объема строительных растворных смесей и позволяют сократить расход минерального вяжущего и уменьшить усадочные деформации цементного камня, которые могут достигать 6-10 мм/м. Заполнители и наполнители в растворе способствуют релаксации (ослаблению) механических напряжений, возникающих в цементном камне вследствие его усадки. Деформации твердеющих смесей цемента при этом снижаются примерно в 10 раз по сравнению с собственными деформациями цементного камня.

На формирование свойств строительных растворных (бетонных) смесей и получаемых при их отвердевании искусственных камнеподобных материалов (растворов и бетонов) оказывают влияние гранулометрический состав, форма зерен, состояние поверхности и прочность заполнителя.

Зерновой (гранулометрический) состав песков определяется просеиванием пробы заполнителя через набор стандартных сит с размером отверстий от 0.16 до 5 мм. Стандартный набор сит для песка включает сита с круглыми отверстиями диаметром 10.5 и 2.5 мм и сита с квадратными ячейками 0.16; 0.315; 0.63 и 1.25 мм (по ГОСТ 6613). Наличие в песке частиц крупнее 10 мм не допускается, а содержание зерен 5-10 мм должно быть не более 5% (по массе).

Зерновой состав может быть непрерывным и прерывистым. Зерновой состав называется непрерывным, если при последовательном просеивании пробы заполнителя через стандартный набор сит получают остатки на всех ситах. Если же какие-либо промежуточные фракции отсутствуют, то такой зерновой состав является прерывистым.

Существуют различные мнения по поводу оптимального зернового состава заполнителя. Большинство исследователей считают более эффективным непрерывный зерновой состав заполнителей. Смеси с прерывистым зерновым составом склонны к расслоению.

Для выбора непрерывного зернового состава заполнителя предлагались различные "идеальные" гранулометрические кривые. Поскольку нельзя получить смесь одновременно с минимальным объемом межзерновых пустот и наименьшей удельной поверхностью зерен (минимизация может быть выполнена только по одному параметру), то идеальная кривая подбирается из условия, чтобы объем пустот в смеси и суммарная поверхность зерен обеспечивали требуемую подвижность растворной (бетонной) смеси при минимальном расходе вяжущего.

Пустотность заполнителя непосредственно связана с его зерновым составом. Теоретически объем пустот в заполнителе не зависит от крупности его зерен. В действительности, наиболее плотные, как и наименее плотные, упаковки мало вероятны, и на практике имеет место некоторое промежуточное состояние, определяемое степенью уплотнения. Теоретически наиболее плотная укладка шаров характеризуется пустотностью 26.2%, а наименее плотная - 47.6%.

Если частицы имеют угловатую поверхность, то вероятные значения пустотности возрастают. Особенно заметно (до 60%) увеличивается пустотность, если в заполнителе присутствуют зерна удлиненной формы (игольчатые, лещадные). Заполнители с окатанной формой зерен характеризуются более плотной упаковкой.

В смесях, содержащих зерна различной крупности, более мелкие зерна будут располагаться в пустотах между более крупными, и пустотность заполнителя будет уменьшаться. Если зерна смешиваемых фракций мало различаются по крупности, то размер более мелких зерен может оказаться больше, чем размер пустот между крупными зернами, и произойдет раздвижка более крупных зерен, что приведет к увеличению пустотности. Теоретически показано, что наиболее тесная упаковка зерен двух фракций заполнителя достигается в том случае, если размер частиц одной из них примерно в 6,5 раз меньше размера частиц другой.

Песок, просеянный на ситах двух близких номеров, т. е. состоящий из зерен почти одинаковой крупности, имеет пустотность 40-47%. При оптимальном содержании в песке крупных, средних и мелких зерен пустотность не должна превышать 38%. При заполнении пустот между зернами для обеспечения удобообрабатываемости (подвижности) необходим некоторый избыток цементного теста, т. к., если в растворах (бетонах) цементным тестом заполнить пустоты между зернами песка, то смеси получаются малопластичными, жесткими.

Цементное тесто должно не только заполнять межзерновые пустоты, но и создавать вокруг зерен цементные оболочки, которые раздвигают частички заполнителя и обеспечивают повышение подвижности растворной (бетонной) смеси, а при твердении скрепляют зерна между собой.

В отечественной литературе рекомендации по обоснованию выбора песков применительно к составам строительных растворных смесей ограничиваются указаниями о предельно допустимой крупности зерен: так, в соответствии с требованиями ГОСТ 28013 "Растворы строительные.

Общие технические условия", наибольшая крупность зерен заполнителя должна быть, мм, не более:

•  в составах кладочных растворов (кроме бутовой кладки) - 2.50;

•  в составах для бутовой кладки - 5.00;

•  в штукатурных растворах (кроме накрывочного слоя) - 2.50;

•  в штукатурных растворах для накрывочного слоя - 1.25.

В составах клеев для облицовочной плитки и в клеях для монтажа блоков из ячеистых бетонов предельный размер зерен составляет 0.63 мм. В шпатлевках и затирках используют еще более тонкодисперсные заполнители и наполнители с предельным размером частиц 0,25-0,315 мм.

Содержание зерен песка крупностью более 2.50 мм для штукатурных растворов и более 1,25 мм для отделочных растворов не допускается. Аналогичные ограничения на крупность зерен заполнителя для штукатурных растворов содержит и "Свод правил" СП 82-101-98 Госстроя России "Приготовление и применение растворов строительных". Эти ограничения применительно к некоторым составам штукатурных растворов, в частности, к декоративным, требуют корректирования.

Нередко возникает необходимость в использовании строительных растворов (бетонов) с пониженной объемной массой (легкие и теплоизоляционные штукатурки, звукоизолирующие (акустические) штукатурки, санирующие штукатурные растворы, кладочные растворы с высокими теплоизолирующими свойствами и др.).

Понижение плотности таких строительных материалов, наряду с другими способами (воздухововлечение, газо- и пенообразование), может быть обеспечено применением в составе смесей пористых заполнителей. Основной квалификационной характеристикой пористых заполнителей является их насыпная плотность.

Пористые пески по насыпной плотности подразделяют на марки от 75 до 1400. Марка соответствует максимальному значению насыпной плотности заполнителя в сухом состоянии, в кг/м³. Пористые заполнители могут быть получены:

•  из природного сырья (пемза, вулканические шлаки, вулканические туфы, пористые известняки, известняки-ракушечники, кремнеземистые породы);

•  из отходов промышленности (доменные шлаки, топливные шлаки, золы и золошлаковые смеси, древесные и другое отходы промышленности);

•  искусственным путем из природного сырья и отходов промышленности (керамзит, аглопорит, шлаковая пемза, шунгизит, вспученные перлит, вермикулит и др.).

Искусственные пористые заполнители отличаются от заполнителей, полученных из промышленных отходов, стабильностью состава и свойств, и поэтому заполнители этой категории особенно рекомендуются для использования в составе сухих строительных смесей.

Наиболее низкую насыпную плотность среди минеральных искусственных заполнителей имеют вспученные заполнители - перлит и вермикулит. Перлит получают при термической обработке сырья, представляющего собой вулканические стекловидные водосодержащие породы кислого состава (с высоким содержанием SiO₂). Вспученный перлитовый песок (ГОСТ 10832) находит широкое применение при изготовлении легких бетонов, легких тепло- и звукоизоляционных материалов, огнезащитных штукатурных покрытий, санирующих штукатурных растворов и т. п. Важной особенностью перлитовых песков является то, что при измельчении насыпная плотность их не растет, а снижается.

К ультралегким высокоэффективным заполнителям относится пенополистирол. Его плотность в компактном виде (плита) составляет 40-55 кг/м³. Пенополистирол обладает очень низкой теплопроводностью ~0,04 вт/м х К. Полистирол в виде дробленой крошки с крупностью частиц до 1 мм вводится (в количестве 5-7% по массе) в составы смесей для теплоизоляционных штукатурок.

Павел Зозуля, к.т.н.,
СПбГТИ, кафедра строительных и специальных вяжущих веществ

Подробнее с анализом технологий и оборудования для производства сухих строительных смесей Вы можете отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Анализ оборудования для производства сухих строительных смесей».