Наиболее неправильно понимаемые пункты в отчёте об испытании заполнителя — это пункты, касающиеся мелких частиц. Один инженер видит содержание мелких частиц, считает его высоким и отклоняет материал; другой смотрит на тот же показатель и не видит проблемы. Оба видят лишь половину картины, потому что количество мелких частиц само по себе ни о чём не говорит; главный вопрос — что представляют собой эти мелкие частицы. Каменная пыль и глина проходят через одно и то же сито, но ведут себя диаметрально противоположно в бетоне и на дороге. В этом руководстве по порядку рассматриваются испытания, измеряющие содержание мелких частиц, значения водопоглощения и влажности, а также то, во что всё это превращается на объекте.
Граница 0,063 мм: что такое мелкие частицы и откуда они берутся
В технологии заполнителей мелкими частицами называют материал, проходящий через сито 0,063 мм. Этот предел не произволен: ниже этого размера общая площадь поверхности частиц быстро растёт, и материал начинает вести себя уже не как зерно, а как порошок. С ростом площади поверхности увеличивается количество воды, необходимой для смачивания, химические добавки закрепляются на этой поверхности, и меняется реологическое поведение смеси. Иными словами, 0,063 мм — это граница, отделяющая частицы, образующие скелет, от пыли, заполняющей пустоты этого скелета.
Мелкие частицы образуются из двух разных источников. Первый — каменная мука: пыль, возникающая при дроблении породы в дробилке, по минералогическому составу совпадающая с исходной породой. На известняковом карьере это карбонатно-кальциевая пыль. Второй источник — глина: красная земля, накопившаяся в карстовых трещинах, глинистые прослойки между пластами или вскрышной материал, снятый не полностью. Глина не является тем же минералом, что и исходная порода; она имеет слоистую кристаллическую структуру, очень высокую удельную поверхность и зарядовый баланс, взаимодействующий с водой.
Поведение этих двух материалов совершенно разное. Каменная мука не впитывает воду, не набухает, химически инертна и в смеси выступает просто как наполнитель. Глина же поглощает воду, увеличивается в объёме, при высыхании даёт усадку и, покрывая поверхность зёрен, препятствует сцеплению вяжущего. Поскольку оба материала проходят через одно и то же сито, ситовой анализ не способен их различить. Чтобы правильно оценить содержание мелких частиц, нужно рассматривать вместе испытания, измеряющие количество, и испытания, измеряющие природу материала. О том, как проводится ситовой анализ, мы рассказали в статье «Ситовой анализ и кривая гранулометрического состава».
Потери при промывке: точное измерение количества мелкой фракции
Содержание мелких частиц определяется методом мокрого просеивания. Пробу высушивают до постоянной массы и взвешивают. Затем её промывают водой на сите с размером ячейки 0,063 мм, установив сверху защитное сито. Промывку продолжают до тех пор, пока стекающая вода не станет прозрачной, — так весь материал мельче 0,063 мм уходит из системы вместе с водой. Материал, оставшийся на сите, повторно высушивают и взвешивают. Разница между начальной и конечной массой представляет собой потерю при промывке, которая выражается в процентах от общей массы и указывается в отчёте как содержание мелких частиц.
Важность этого испытания заключается в понимании того, почему сухого просеивания недостаточно. В заполнителе, выходящем с дробильно-сортировочной линии, мелкая пыль прилипает к влажной поверхности зёрен. При сухом просеивании эта пыль перемещается вместе с зерном и вообще не проходит через сито 0,063 мм. В результате содержание мелких частиц, которое на самом деле высокое, кажется низким. Именно поэтому материал, который на объекте кажется пыльным при растирании между пальцами, в отчёте выглядит чистым — отчёт составлен по данным сухого просеивания.
Допустимый предел содержания мелких частиц зависит от области применения и вида продукции. Для бетонных заполнителей его категории определяет TS EN 12620, для битумных смесей — TS EN 13043; требуемую категорию устанавливает проектная спецификация. Общая тенденция такова: в крупном заполнителе мелкие частицы нежелательны, поскольку там они означают не заполнение пустот, а загрязнение, и нарушают контакт зерна с вяжущим. В мелком заполнителе определённое количество мелких частиц полезно и в некоторых смесях даже желательно; предел зависит от того, содержат ли эти мелкие частицы глину. Поэтому потерю при промывке оценивают не отдельно, а вместе с показателем метиленового синего.
Метиленовый синий: измеряет не количество, а вред
Испытание с метиленовым синим измеряет не количество мелкой фракции, а её активность. Принцип, на котором основан этот метод, прост: глинистые минералы благодаря своей слоистой структуре и поверхностному заряду удерживают на своей поверхности краситель метиленовый синий, тогда как каменная мука практически его не удерживает. Поэтому количество красителя, поглощённого образцом, служит мерой наличия и типа содержащейся в нём глины.
На практике образец переводят в суспензию с водой, и во время перемешивания раствор красителя добавляют пошагово. После каждого добавления каплю суспензии наносят на фильтровальную бумагу. Пока весь краситель удерживается глиной, на бумаге образуется только тёмное пятно. В момент насыщения глины высвобождающийся краситель образует вокруг пятна светло-голубой ореол. Момент, когда ореол сохраняется в течение определённого времени, является конечной точкой испытания, и количество красителя, израсходованное до этого момента, указывается в пересчёте на массу образца.
Интерпретация результата зависит от типа глины. Набухающие группы глин из-за очень высокой удельной поверхности удерживают много красителя даже в небольшом количестве и быстро повышают значение показателя; именно они наиболее вредны в бетоне и в дорожных слоях. Ненабухающие глины удерживают меньше красителя, и их вред более ограничен. Таким образом, высокое значение метиленовой сини говорит не только о наличии глины, но и о высокой вероятности того, что эта глина относится к активному и опасному типу.
Самое ценное качество испытания на практике — его различительная способность. Дроблёный песок с высоким содержанием мелких частиц, при низком значении метиленового синего, скорее всего, содержит чистую каменную муку и не создаст проблем в смеси. Природный песок с тем же содержанием мелких частиц, но при высоком значении метиленового синего, содержит активную глину и нарушит поведение цемента и добавки в смеси. Измеренная доля одинакова, результат — совершенно разный.
Совместное чтение с эквивалентом песка: количество, характер, стабильность
Испытание на эквивалент песка — самое быстрое и наиболее удобное для проведения на объекте из этой тройки методов. Образец помещают в прозрачный цилиндр вместе с флокулирующим раствором, удерживающим глину и пыль во взвешенном состоянии, встряхивают по заданной схеме и оставляют отстаиваться. Тяжёлые песчаные частицы быстро оседают на дно, а глина и пыль остаются во взвешенном состоянии, образуя мутный слой сверху. По истечении определённого времени измеряют высоту песчаного столба и высоту всего столба, а соотношение выражают в процентах. Высокое значение означает чистый песок, низкое — песок с высоким содержанием мелких частиц.
Ограничение метода эквивалента песка состоит в том, что он не позволяет отличить глину от каменной пыли — обе они попадают в мутный слой. Поэтому качественный дроблёный песок с чистой каменной пылью может показать низкий эквивалент песка и быть необоснованно забракован. С другой стороны, испытание быстро выполняется на объекте, требует простого оборудования и служит ежедневным сигналом тревоги для контроля производства: резкое падение значения сообщает, что где-то на линии что-то изменилось.
Правильное прочтение использует три показателя вместе. Потеря при промывке показывает количество мелких частиц. Значение метиленового синего показывает, насколько вредны эти мелкие частицы. Эквивалент песка отслеживает повседневную стабильность. Увидев все три показателя вместе, вы поймёте материал: если содержание мелких частиц высокое, но значение метиленового синего низкое, количество можно скорректировать просеиванием или промывкой — материал надёжен. Если содержание мелких частиц низкое, но значение метиленового синего высокое, присутствует небольшое количество активной глины; это более опасный случай, поскольку показатель в отчёте внушает доверие, а материал создаёт проблемы. Роль этих двух испытаний в сравнении дроблёного и природного песка мы рассматривали также в статье о выборе мелкого заполнителя.
Водопоглощение и поверхностная влажность: что портит воду затворения
Водопоглощение — это отношение количества воды, которое может впитаться в поры зерна заполнителя, к его сухой массе. Измерение выполняется путём выдерживания образца в воде в течение определённого времени до полного насыщения, последующего удаления свободной воды с поверхности и взвешивания, а затем повторного взвешивания после высушивания. Разница между двумя взвешиваниями — это вода, попавшая внутрь зерна. На этом этапе заполнитель находится в насыщенном поверхностно-сухом состоянии: поры заполнены, поверхность сухая. Именно это состояние служит эталоном для расчётов состава смеси.
Водопоглощение и поверхностную влажность часто путают, но это разные вещи. Водопоглощение — это вода, которая проникает внутрь зерна и не участвует в смеси; она расходуется на насыщение зерна. Поверхностная влажность — это свободная вода, находящаяся снаружи зёрен, и она напрямую добавляется к воде затворения. Заполнитель на складе обычно влажнее состояния насыщения; после дождя и в штабелях промытого песка эта влажность высока. Если завод не учитывает эту свободную воду, в смесь попадает больше воды, чем запланировано, водоцементное отношение повышается, а прочность снижается. И наоборот, сухой и впитывающий заполнитель забирает воду затворения внутрь себя; бетон быстро густеет, как будто преждевременно схватывается, и удобоукладываемость теряется.
Поэтому измерение влажности мелкого заполнителя необходимо проводить несколько раз в день. Поверхность штабеля высыхает на солнце, а нижние слои остаются влажными; влажность утром и влажность после полудня — это разные значения. Если на заводе используется датчик влажности, его показания необходимо периодически проверять методом высушивания. При работе с заполнителями с высоким водопоглощением предварительное увлажнение заполнителя перед его подачей в смесь заметно снижает как потерю удобоукладываемости, так и потерю подвижности (осадки конуса).
Водопоглощение также является показателем долговечности. Высокое водопоглощение говорит о пористости зерна, а значит, о том, что оно будет испытывать нагрузку изнутри в цикле замораживания-оттаивания, а в асфальте будет впитывать битум, утончая эффективную толщину плёнки. У известняка этот показатель — одно из свойств, которое сильнее всего меняется в зависимости от уровня карьера; плотные по текстуре уровни дают низкое водопоглощение, а ракушечные и с растворными пустотами уровни — высокое. Подробнее об этом можно узнать в статье свойства известняка как заполнителя.
Последствия для бетона: потребность в воде, добавки, усадка и долговечность
Первое влияние мелких частиц в бетоне проявляется в потребности в воде. С увеличением площади поверхности возрастает и площадь, которую нужно смочить; для достижения той же осадки конуса требуется либо больше воды, либо больше пластификатора. Если компенсировать это водой, водоцементное отношение возрастает, а прочность и водонепроницаемость одновременно снижаются. Правильный путь — контролировать количество мелких частиц на этапе производства и компенсировать оставшуюся разницу добавкой.
Картина становится ещё хуже, когда в дело вступает глина. Глинистые минералы притягивают не только воду, но и молекулы суперпластификатора. Часть добавки удерживается на поверхности глины вместо того, чтобы диспергировать частицы цемента; это объясняет, почему увеличение дозировки не даёт ожидаемого эффекта. На объекте часто наблюдается такая картина: дозировка добавки повышается, подвижность смеси некоторое время сохраняется, а затем быстро теряется. Такое поведение чаще всего является результатом не добавки, а глины в составе заполнителя.
В затвердевшем бетоне проявляются два эффекта глины. Первый — усадка: при высыхании глина теряет объём и создаёт растягивающие напряжения в окружающем цементном тесте, в результате чего усиливаются пластические и усадочные трещины. Второй — сцепление: плёнка глины, покрывающая поверхность зерна, препятствует сцеплению цементного теста с камнем и ослабляет контактную зону между заполнителем и тестом. Эта зона и без того является самым слабым звеном бетона; глина ослабляет её ещё больше. Помимо потери прочности, рост проницаемости в долгосрочной перспективе открывает путь к коррозии арматуры и проблемам с долговечностью.
Чистая же каменная мука, напротив, обычно благоприятна для бетона. Она заполняет пустоты, повышает связность смеси, снижает расслоение и водоотделение, улучшает перекачиваемость насосом. В самоуплотняющихся и перекачиваемых бетонах наполнитель — не недостаток, а часть рецептуры. Главное — контролировать его долю и подтвердить испытанием, что в составе нет глины.
Последствия для дороги и асфальта: пластичность, морозное пучение, отслаивание
Роль мелкой фракции в дорожных слоях отличается от её роли в бетоне, и эта роль не однонаправленная. В зернистых слоях, таких как стабилизированное щебёночно-песчаное основание и основание из плент-микс смеси, определённое количество мелкой фракции необходимо: она заполняет пустоты между крупными зёрнами, обеспечивает смыкание слоя при уплотнении, связывает поверхность и придаёт слою несущую способность. Если мелкой фракции недостаточно, слой не смыкается под катком, зёрна на поверхности сдвигаются, и достичь целевой плотности уплотнения не удаётся. О функции и проектировании этого слоя можно прочитать в статье что такое стабилизированное основание.
Когда же той же мелкой фракции становится слишком много, слой, напротив, оказывается беззащитным перед водой. Мелкая фракция, содержащая глину, при контакте с осадками и грунтовыми водами становится пластичной; слой превращается в грязь, теряет несущую способность и проседает под нагрузкой от транспорта. Именно поэтому дорожные технические условия ограничивают верхним пределом содержание мелкой фракции в зернистых слоях и отдельным критерием — пластичность мелкой фракции. Пластичность показывает, меняет ли мелкий материал форму в зависимости от содержания воды; это самый практичный критерий для различения на площадке непластичной каменной муки и пластичной глины.
В холодных регионах у мелких частиц есть и третий эффект: морозное пучение. Очень мелкозернистый материал за счёт капиллярного эффекта поднимает воду вверх от уровня грунтовых вод. Когда температура опускается ниже нуля, эта вода образует внутри слоя ледяные линзы, слой вспучивается, и на поверхности возникает деформация. При оттаивании накопленная вода высвобождается, слой становится насыщенным, и несущая способность резко падает. Вдоль Эгейского побережья этот риск выражен не так сильно, как во внутренних районах, однако его необходимо учитывать на высоких отметках и на маршрутах, уходящих вглубь материка.
В асфальте же мелкая фракция играет двойную роль. Филлер, образуя вместе с битумом мастику, повышает жёсткость смеси и сопротивление колееобразованию; каменная мука незаменима в качественной асфальтовой смеси. Однако глина, прилипшая к поверхности заполнителя, проникает между битумной плёнкой и камнем, ослабляя связь и провоцируя отслаивание. Поэтому для асфальтового заполнителя промытый и очищенный от глины продукт важнее, чем содержание филлера. Подробнее о взаимосвязи между битумом и заполнителем можно узнать в статье заполнитель для асфальта.
Роль промывки: когда она нужна, а когда нет
Промывка — это механический процесс, удаляющий мелкую фракцию, и в особенности глину, из заполнителя. Крупный заполнитель обычно промывается на грохоте с разбрызгивающими рампами; зёрна промываются в процессе просеивания, а пыль, прилипшая к поверхности, смывается водой. Для мелкого заполнителя используются лопастные или спиральные промывочные машины вместе с обезвоживающими грохотами. Промывочная вода направляется в отстойники, где мелкий материал оседает, а вода по возможности возвращается в оборот. О том, как управляется этот цикл, мы рассказывали в статье экологический менеджмент на карьере.
Случаи, когда промывка действительно необходима, хорошо определены. Промывка обязательна, если в забое карьера присутствуют глинистые прослои или карстовое заполнение трещин, если растёт значение метиленового синего, если на поверхности крупного заполнителя образуется плёнка пыли, препятствующая сцеплению вяжущего, а также при производстве дренажного и фильтрующего материала. В фильтрующем материале мелкая фракция сводит на нет саму причину существования этого материала; подробно мы разобрали эту тему в статье выбор дренажного и фильтрующего заполнителя.
Бывают случаи, когда промывка не нужна и может быть даже вредна. В дроблёном песке, произведённом из чистой породы, мелкая фракция которого целиком состоит из каменной муки, чрезмерная промывка уносит вместе с ней и полезную тонкую фракцию размером от 0,063 до 0,25 мм. В результате получается песок с обеднённым тонким концом гранулометрической кривой, склонный к расслоению и водоотделению. Бетон, изготовленный с таким песком, отдаёт воду, пылит на поверхности и расслаивается в бетононасосе. Таким образом, промывка — это не результат, а процесс, который нужно настраивать.
Правильный подход заключается в следующем: не устранять мелкую фракцию, а контролировать её количество и характер. Если присутствует глина — промывка, если избыток каменной пыли — регулировка сухим просеиванием, а если оба показателя сбалансированы — не вмешиваться. Основанием для решения служат результаты регулярно отбираемых проб: потери при промывке, метиленовый синий и гранулометрический состав. İTS Maden на известняковом карьере в Milas эксплуатирует дробильно-сортировочные и промывочные установки по системе, в которой эти три показателя контролируются совместно. Чтобы выбрать продукцию, отвечающую требованиям вашего проекта по содержанию мелкой фракции и чистоте, вы можете ознакомиться с нашей продукцией, узнать о нашем подходе к контролю качества и связаться с нами.
