В отчёте об испытании заполнителя есть одна страница, которая определяет поведение материала на объекте больше, чем любой другой показатель: гранулометрический состав. Потребность бетона в воде, пористость асфальта, уплотнится ли стабилизированный слой, забьётся ли насос — всё это в значительной степени записано в этой кривой. Тем не менее на большинстве строительных площадок кривую гранулометрии лишь бегло проверяют на предмет попадания в диапазон. Однако кривая описывает как сам продукт, так и настройку линии дробления-грохочения, произведшей его в этот день. Это руководство прослеживает ситовой анализ от лабораторного стола до чтения кривой и принятия решения на площадке.
Почему гранулометрический состав — это идентичность заполнителя
И бетон, и асфальт, и стабилизированный грунт по своей сути работают по одной и той же логике: частицы образуют скелет, а пустоты между ними заполняет вяжущее вещество или мелкий материал. Объём этих пустот напрямую вытекает из гранулометрического состава. Если пустот много, требуется больше цементного теста, больше битума или больше мелкого материала — а это отражается и на стоимости, и на долговечности. Если пустот мало, та же эксплуатационная характеристика достигается меньшим количеством вяжущего. Таким образом, гранулометрия — это единственная характеристика, которая одновременно определяет и цену, и поведение материала.
Второй момент заключается в следующем: два груза, поступившие из одного карьера, из одной породы и с одной и той же дробилки, могут оказаться совершенно разными материалами из-за изменения настройки грохота. Название породы в верхней части протокола испытаний в обоих случаях — известняк; однако один без проблем работает в бетоне, а другой расслаивается, даёт водоотделение и создаёт нагрузку на насос. Поэтому при закупке заполнителя первым вопросом должен быть не то, что это за порода, а каков гранулометрический состав и насколько стабильно он сохраняется.
Поэтому ситовой анализ — это первое и наиболее часто повторяемое испытание в лаборатории контроля качества. Он не только проверяет продукт, но и отражает состояние производственной линии — от ширины раскрытия щёковой дробилки до забивания ячеек сита, от скорости подачи до расхода воды при промывке. Общее представление о том, какая фракция используется в каких работах, вы можете найти в статье руководство по выбору фракции; здесь же мы рассматриваем, как эти фракции измеряются и интерпретируются.
Как проводится ситовой анализ: от отбора пробы до взвешивания
Самый критичный этап испытания выполняется не в лаборатории, а на складской площадке: отбор проб. Куча заполнителя по своей природе неоднородна; крупные частицы скатываются к основанию конуса, а мелкий материал остаётся наверху и в центре. Одна лопата материала, взятая из одной точки, не представляет эту кучу. Правильный метод — взять большое количество частичных проб из разных участков и разных уровней кучи и объединить их, или, по возможности, отобрать пробу полного сечения с движущейся конвейерной ленты. Объединённая проба сокращается до объёма испытания методом конического квартования или с помощью пробоотборного делителя. Представительной является проба, уменьшенная через каналы делителя, а не зачерпнутая лопатой из середины.
Образец высушивается в печи до постоянной массы и взвешивается; этот первый вес является знаменателем всех процентных расчётов. Затем для материалов, содержащих мелкую фракцию, проводится мокрый рассев: образец промывается водой на сите 0,063 мм, мелкая пыль удаляется вместе с водой, а оставшийся материал повторно высушивается и взвешивается. Если этот шаг пропустить, результат систематически оказывается неверным, поскольку при сухом рассеве мелкая пыль прилипает к влажной поверхности крупных частиц и вообще не проходит через сито 0,063 мм. Одно из самых частых заблуждений на объекте — то, что образец, просеянный всухую, показывает содержание мелкой фракции ниже реального.
Просеивание выполняется с помощью набора сит с квадратными ячейками. Сита располагаются так, чтобы сито с самыми крупными ячейками находилось сверху, а с самыми мелкими — снизу; под низ устанавливается поддон. В распространённой серии используются отверстия 63, 31,5, 16, 8, 4, 2, 1, 0,5, 0,25, 0,125 и 0,063 мм; в зависимости от размера продукта промежуточные сита добавляются или убираются. Набор устанавливается на встряхивающее устройство или встряхивается вручную. Продолжительность должна быть достаточной, чтобы весь материал, способный пройти через каждое сито, прошёл через него; слишком короткое просеивание завышает долю крупной фракции. Материал, оставшийся на каждом сите, взвешивается отдельно, и эти массы соотносятся с общей массой пробы.
Расчёт состоит из двух этапов. Сначала для каждого сита определяется процент массы остатка от общей массы. Затем эти проценты суммируются сверху вниз, давая кумулятивные значения остатка на сите; при вычитании из ста для каждого размера ячейки получается кумулятивный процент прохождения через это сито. Именно по этим процентам прохождения строится гранулометрическая кривая. По окончании испытания сумма масс, собранных с сит, сравнивается с исходной массой; если разница превышает допустимый предел, значит материал застрял в ситах или был просыпан, и испытание повторяют.
Гранулометрическая кривая: как читать полулогарифмический график
Гранулометрическая кривая — это график, на горизонтальной оси которого отложен размер ячейки сита, а на вертикальной — кумулятивный процент прохождения через это сито. Горизонтальная ось логарифмическая, и причина этого — практическая необходимость. В смеси заполнителя диапазон размеров между 0,063 мм и 63 мм охватывает тысячекратный разброс. На линейной оси мелкая часть прижимается к левому краю графика и становится нечитаемой; на логарифмической оси каждый порядок занимает одинаковую ширину, и мелкая, и крупная часть видны с одинаковой детализацией.
Чтение формы кривой даёт информацию быстрее, чем чтение цифр. Круто поднимающаяся кривая показывает, что материал сосредоточен в узком диапазоне размеров, то есть близок к одноразмерному; это типичная картина промытого дренажного материала или щебня одной фракции. Пологая и равномерно растянутая кривая говорит о наличии частиц всех размеров, то есть о непрерывном, хорошо гранулированном распределении. Участок, выполаживающийся в средней части кривой, указывает на нехватку частиц в этом диапазоне размеров, то есть на прерывистый гранулометрический состав.
На кривой несколько характерных точек облегчают работу. Размер, ниже которого остаётся десять процентов материала, читается как D10, размер, ниже которого остаётся половина — как D50, а размер, ниже которого остаётся шестьдесят процентов — как D60. Отношение D60 к D10 представляет собой коэффициент неоднородности: чем больше значение, тем шире распределение и тем лучше уплотняемость; чем ближе значение к единице, тем однороднее по размеру материал. Эти показатели, пришедшие из механики грунтов, напрямую используются при подборе дренажного и фильтрующего материала; подробнее см. статью о подборе дренажного и фильтрующего заполнителя.
Непрерывный, прерывистый и одноразмерный состав; пустотность
При непрерывном гранулометрическом составе частицы присутствуют во всех размерных фракциях. Мелкие частицы располагаются в пустотах между крупными, ещё более мелкие попадают между ними, и эта цепочка доходит до 0,063 мм. Результат — минимально возможная пустотность и максимальная плотность укладки. Конструкционный бетон, основание плент-микс и плотные асфальтовые смеси проектируются по этой логике, поскольку цель — получить более плотный и стабильный массив при том же количестве вяжущего.
При прерывистом гранулометрическом составе один из промежуточных размеров намеренно уменьшается или полностью исключается. Цель — создать каркас, в котором крупные зёрна соприкасаются напрямую, образуя контакт «камень-камень»; при отсутствии промежуточного размера крупные зёрна ложатся друг на друга, и нагрузка передаётся непосредственно через зёрна. Пустоты этого каркаса заполняются раствором, богатым мелким материалом и вяжущим. Щебёночно-мастичный асфальтобетон — самый известный пример применения этого принципа. Цена прерывистого состава — повышенная склонность смеси к расслоению; укладка и транспортировка требуют осторожности.
Однослойный (одноразмерный) гранулометрический состав, как следует из названия, сосредоточен в одном узком диапазоне. Пустотность высокая, водопроницаемость очень хорошая, но стабильность, достигаемая уплотнением, низкая, и под нагрузкой частицы могут смещаться друг относительно друга. Поэтому материал с однородным зерновым составом используется не как конструктивный слой, а как дренажное тело, фильтрующий слой или обсыпка вокруг трубы.
Коэффициент пустотности можно измерить и напрямую. Сравнивая насыпную плотность материала в рыхлом и уплотнённом состоянии с плотностью зёрен, можно определить, какой процент объёма приходится на воздух. Разница в коэффициенте пустотности между двумя материалами, изготовленными из одной и той же горной породы, полностью обусловлена гранулометрическим составом. Это измерение — практический инструмент для оценки потребности в вяжущем при проектировании смеси; оно переводит непрерывность, считываемую с кривой, в число. О том, сколько тонн составляет тот же объём и что это значит для перевозки, можно узнать в статье о пересчёте м3 в тонны.
Модуль крупности и показатели размера зерна
Модуль крупности — это практический показатель, сводящий крупность мелкого заполнителя к единственному числу. Для заданного набора сит, в распространённой практике это сита 0,125, 0,25, 0,5, 1, 2 и 4 мм, суммируются кумулятивные проценты остатка на сите и делятся на сто. Результат приблизительно показывает, в какой диапазон сит попадает средний размер зерна песка. Малое значение указывает на мелкий песок, большое — на крупный. Для бетонных песков это значение обычно находится в диапазоне от двух до трёх; в спецификациях чаще всего задаётся допустимое отклонение от целевого значения.
Настоящую пользу модуль крупности приносит именно при контроле производства. Даже если кривую песка не строят ежедневно, модуль крупности можно быстро рассчитать и сравнивать день за днём. Если значение снижается, песок становится мельче: потребность в воде возрастёт, смесь станет вязкой, для той же осадки конуса потребуется больше добавки. Если значение растёт, песок становится крупнее: смесь начинает расслаиваться и давать водоотделение, отделка поверхности усложняется, повышается риск закупорки насоса. Отслеживая это единственное число, оператор завода может скорректировать смесь заблаговременно.
Однако у модуля крупности есть важное ограничение: одно и то же значение может получаться из двух совершенно разных кривых. Хорошо сбалансированный песок, богатый частицами среднего размера, и песок с большим количеством как очень мелких, так и очень крупных частиц при пустой середине могут дать одинаковый модуль. Поэтому модуль крупности не заменяет кривую гранулометрического состава, а читается вместе с ней. Модуль полезен и при смешивании двух разных песков: модуль смеси оказывается близким к средневзвешенному значению модулей исходных песков, что позволяет быстро оценить пропорцию, необходимую для достижения целевого значения. О том, в каких случаях смешивание имеет смысл, мы говорили в статье дробленый песок или природный песок.
Что значит оставаться между предельными кривыми спецификации?
Нормативы на бетон, асфальт и дорожное строительство определяют гранулометрический состав не единой целевой кривой, а кривой нижней и верхней границы. Полоса между этими двумя кривыми — это диапазон приемлемого поведения материала для данного применения. Материал, близкий к нижней границе полосы, крупнее, а близкий к верхней границе — мельче; оба соответствуют нормативу, но ведут себя в смеси по-разному. Поэтому оставаться в пределах полосы — это лишь половина дела.
Другая половина дела — это стабильность. Если кривая продукта одну неделю прижимается к верхнему пределу, а на следующей смещается к нижнему, оба отчёта выглядят соответствующими норме; однако завод по одному и тому же рецепту производит два разных бетона. Осадка конуса не держится, прочность колеблется, дозировку добавки приходится постоянно менять. При хорошем производстве кривая останавливается в определённой точке внутри полосы допуска и остаётся там; истинный критерий контроля качества — не нахождение внутри полосы, а способность удерживаться в одной и той же точке.
Когда гранулометрическая кривая выходит за пределы допустимой полосы, именно то, на каком сите это происходит, служит прямым диагнозом. Превышение верхнего предела на сите 0,063 мм означает избыток мелкой фракции: промывка могла быть недостаточной либо в материал попала глина. Отклонение в районе 4 мм показывает, что нарушен баланс между песком и щебнем, и обычно связано с настройкой грохочения. Превышение верхнего предела на крупном конце означает разрыв сита или его негерметичность; это сигнализирует о попадании в продукт более крупной фракции.
Как правило, отдельная фракция сама по себе не обязана укладываться в полосу гранулометрического состава. В бетонных и асфальтовых смесях несколько фракций смешиваются в заданных пропорциях, и именно смесь должна попадать в эту полосу. Расчёт смеси выполняется путём умножения процента прохождения каждой фракции через каждое сито на её долю и суммирования результатов. Этот расчёт также показывает, какая часть кривой и как сместится при увеличении доли той или иной фракции — это самый практичный инструмент проектирования состава смеси.
Интерпретация кривой на объекте: на что указывает отклонение
Кривая гранулометрического состава — это не только сертификат продукции, но и производственный отчёт. Провал в средней части кривой, то есть нехватка частиц определённого размерного диапазона, чаще всего показывает, что между отверстиями грохочения остался зазор или что данная фракция непрерывно возвращается в замкнутом цикле. Горб в той же области, напротив, указывает на то, что одна из ступеней дробления производит эту фракцию в избытке; в этом случае следует проверить настройку разгрузочной щели конусной дробилки или степень заполнения питания.
У увеличения мелкой фракции сверх ожидаемого есть несколько типичных причин: перегрузка дробилки, при которой частицы перемалывают друг друга, забивание отверстий сита влажным мелким материалом, а также выход из строя узла промывки или падение его расхода. Увеличение крупной фракции обычно связано с механической неисправностью: разрыв в сетке грохота, ослабленное уплотнение или неправильно установленная дека сита приводят к попаданию в продукт фракции более крупного размера. В обоих случаях кривая подсказывает, куда смотреть, ещё до обхода линии.
Симптомы, проявляющиеся на объекте, также согласуются с этой кривой. Расслоение и водоотделение при укладке бетона указывают на укрупнение песка и нехватку средних фракций. Рост давления в насосе и засоры сигнализируют о смеси, в которой либо слишком много крупных частиц, либо избыток мелких. Если стабилизированный слой не уплотняется под катком, а на поверхности «играют» крупные зёрна, это говорит о недостатке мелкой фракции. Если же слой становится грязеобразным и вспучивается, это указывает на избыток мелкого материала. Связь между этими симптомами и измеряемыми характеристиками материала подробно рассмотрена в статье как качество заполнителя влияет на бетон.
Увидев отклонение, первое, что нужно сделать, — не менять настройку производства, а отобрать второй образец правильным методом и повторить испытание. Ошибка отбора образца и производственная ошибка выглядят на одном и том же графике совершенно одинаково; единственный способ отличить их друг от друга — повторение. При подтверждённом отклонении порядок вмешательства обычно таков: сначала грохочение, то есть отверстия сит, сетка, угол наклона и вибрация; затем настройка дробилки; и только в последнюю очередь — питание и забой карьера.
Распространённые ошибки, портящие испытание, и правильные привычки
Большинство ошибок при ситовом анализе возникает не в лаборатории, а в месте отбора пробы. Материал, взятый у основания конуса штабеля, смещён в сторону крупных частиц, а взятый с вершины — в сторону мелких. Проба, отобранная с поверхности кузова грузовика, представляет лишь крупные частицы, поднявшиеся наверх во время перевозки. Правильный подход — объединить частичные пробы, взятые в нескольких точках, и уменьшить их с помощью делителя проб. Если пропустить этот шаг, вся последующая тщательность теряет смысл.
Вторая распространённая ошибка — недостаточная просушка пробы. Влажный мелкий материал слипается в комки, прилипает к поверхности крупных зёрен и не проходит через сито; в результате доля мелкой фракции оказывается заниженной. Третья ошибка — перегрузка сита. Когда слой материала, скопившегося на сите, становится слишком толстым, нижележащие зёрна вообще не достигают сетки; в итоге испытание засчитывает как остаток на сите материал, который должен был через него пройти. В этом случае пробу следует разделить и просеивать в два приёма.
Четвёртая причина — время просеивания; слишком короткое встряхивание завершает испытание до того, как мелкие частицы полностью пройдут через сито. Пятая — обслуживание сит: со временем проволока сита растягивается, отверстия расширяются, по краям возникает деформация. Изношенное сито систематически пропускает более крупный материал, и поскольку разница невелика, это долго остаётся незамеченным. Сита следует периодически проверять и заменять при наличии видимой деформации. Наконец, в каждом испытании необходимо проверять баланс масс: если разница между суммой собранных масс и начальной массой превышает допустимый предел, результат не используется.
Все эти правила служат одной цели: чтобы кривая отражала истинное состояние материала. İTS Maden рассматривает гранулометрический состав фракций, производимых на известняковом карьере в Milas, не как случайный результат производственной линии, а как контролируемый параметр. Чтобы подобрать фракцию и смесь, соответствующие предельным кривым в спецификации вашего проекта, вы можете ознакомиться с нашей продукцией, изучить наш подход к контролю качества и связаться с нами.
