При строительстве этот материал незаменим. Как вы думаете, какой? Если вы подумали песок, то вы абсолютно правы. Песок бывает разный, и природный, и искусственный. Очень часто, в наше время, используют природный песок, т.к. он остается самым дешевым материалом, на сегодняшний день и его добыча не падает, а еще и растет. Россия самая богатая страна по источникам песка, а потому и стоимость его небольшая.
Разновидности песка
Песок не является рудным материалом и его добывают промышленно, поэтому, в нашей стране, это основной метод добычи песка и самый легкий.
- Песок, который добывают в карьерах, имеет название сеянный карьерный песок. Он проходит промышленную обработку и тем самым, из него удаляются камни и другие ненужные материалы. В центральном регионе, самым часто встречающимся карьерным песком, является песок, с фракцией от 1.5 до трех. Карьерный песок, является самым популярным материалом в центральном регионе.
- В реках, с течением, добывают речной песок (мытый).
- Песок, имеющий свое происхождение карьерах, еще моют, поэтому он называется мытый карьерный. После добычи, его тщательно моют (промывают) не маленьким количеством воды и тем самым, удаляют лишнее (глину) и остается только чистый песок.
- Если песок, после его добычи, приходится сушить, то это сухой песок.
- Для производства высококачественного бетона, используется мытый крупный песок. После его добычи, песок просеивают и тем самым, остается фракции размером от 2 до 3 миллиметров.
- Самый дорогой песок, это кварцевый. Он получается путем рассева и дробления кварцевой руды. Такой песок, чаще применяют, для декоративной облицовки, а также получения мягких цветов, путем смешивания песка с раствором. Кварцевый песок используют в фильтрах.
- Другой разновидностью кварцевого песка, является песок формовочный. В нем присутствует большое количество глиняных вкраплений и за счет этого, песок имеет белый цвет.
- Более 95% кремнезема, имеет стеклянный песок. Этот песок, это еще одна разновидность кварцевого песка. В каждом строительстве, необходим песок и без него не обойтись. Как уже говорилось, песок – это сыпучая порода и ее широко применяют при строительстве зданий и возведении сооружений. Песок не взаимодействует с водой, поэтому его применение уменьшит осадку раствора.
Характеристики и свойства строительного песка
Химический состав материала определяет технические характеристики сырья и его внешний вид. Компонент, преобладающий в составе по процентному присутствию, будет определять цвет основного материала. Чаще встречаются пески желтого, белого и серого цвета. Их оттенок определяется наличием кварца и глинистых примесей. Самый редкий вид песка — черный. Он состоит из минералов темных оттенков.
Метод добычи сырья влияет на его конечную форму. У искусственных она угловатая, зернышки неровные, а в состав естественных обычно входят частички гладкой и округлой формы. Величина песчинок может варьироваться от 0,05 до 5 миллиметров. Вес песка обычно выражают в кубах: 1 куб равняется 1550-1700 килограммам.
Разновидностям песка свойственна водопроницаемость, которая зависит от межзернового пространства: с увеличением этого показателя возрастает водопропускная способность. Это качество является определяющим для применения строительного песка как заполнителя для фильтров.
Одно из главных преимуществ песка — твердость его частичек. Это свойство делает строительные материалы более прочными, а также устойчивыми к большим нагрузкам. За это качество песок и ценится в строительстве.
На показатель плотности сырья влияет процентное присутствие пыли и глины: чем их больше, тем выше плотность. Что касается насыпной плотности, то на этот критерий влияет влажность. Если влажность повысить до 10% — сразу упадет показатель плотности: каждая частичка будет обволакиваться водяным слоем. Если же влажность превысит это значение, то плотность увеличится за счет вытеснения воздуха. Эти критерии учитываются для определения объема песка.
Структура песка
Песок имеет разнообразную структуру. Мелкий песок, служит для облицовочных работ, а вот крупный используется для производства бетона, который служит фундаментом здания. Если возводить здание или любое другое сооружение, за исключением быстросборного каркаса, то применение песка обязательно, без него никуда.
За счет уникальных характеристик, с помощью песка, можно сделать красивую облицовку здания. И даже качественно и быстро уложить тротуарную плитку на бетон, в состав бетона входит фракционный песок.
Как применять различные виды (категории) песка?
Речной песок очень популярен в наше время, так как он обладает отличными характеристиками. Такой песок, способствует надежности здания, т.к. в состав бетона, входит речной песок, а он обладает повышенной прочностью и подходит для блочной и каменной кладки. Еще, речной песок, очень известен при декоративно-облицовочных работах.
Песок из карьеров, применяется при строительстве дорог и фундамента. Если карьерный песок подвергать обработке, то его можно разделить на два типа: сеяный и намывной. Промывают намывной песок для того, что бы вымыть из него глину, а так же все мелкие частицы. За счет этого, можно повысить качество песка. Такой песок, используют, прежде всего в штукатуривании. Такой песок, можно использовать и в производстве кирпича и бетона.
Добыча мытого песка
А вот песок, который сеют и тем самым вычищают крупные фракции и камни, используют в штукатурных работах. И самый дорогой песок, кварцевый, который используется при производстве стекла, поэтому его тщательно очищают, ведь даже маленькие примеси повлияют на качество стекла. При своей сыпучести, кварцевый песок используют, не только при строительстве зданий, а также, как отличный материал для травянистых поверхностей футбольного поля, для игр в гольф и даже детских площадок. Такой песок, используют при финишном штукатуривании.
Самым знаменитым песком, на данный момент, является искусственный песок. Такой песок можно получить путем дробления различных горных пород, известняка и шлаков. Такой песок используют в декоративных работах и при оформлении наружных панелей.
Влияние характеристик песка на свойства бетона
Песок характеризуется следующими паспортными характеристиками:
- Модуль крупности;
- Насыпная плотность;
- Содержание глинистых и пылевидных частиц.
Вспомогательным параметром, для дальнейшего изложения, является собственная плотность песка. Так как речной песок состоит на 95% из кварцевого песка, то можно считать, что собственная плотность равна плотности диоксида кремния Пс = 2,7 т/м³.
Суть изготовления любого бетона заключается в заполнении пустот между частицами наполнителя клеевой массой. Для портландцементбетонов клеевой массой является цементное тесто. В процессе заполнения пустотности консистенция бетона меняется от влажной до текучей. На конечную прочность бетона влияет как собственные прочности наполнителей, так и прочность «клея» — созревшего цементного камня. Прочность цементного камня имеет ярко выраженную зависимость от соотношения между массой цемента (Ц) и воды (В) в составе цементного теста. Оптимальное значение — Ц/В = 2,5-3,3 (В/Ц=0,4-0,3).
Приблизительная зависимость марочной прочности цемента М500 от отношения массы цемента и воды имеет следующий вид:
Rсж = 500 х (Ц/В) / 2 (Формула 1)
Отсюда можно увидеть, что:
при Ц/В = 2,5: Rсж = 500 х 2,5 / 2 = 625,
при Ц/В = 3,0: Rсж = 500 х 3 / 2 = 750,
при Ц/В = 1,5: Rсж = 500 х 1,5 / 2 = 375.
Следовательно, прочность (качество) цементного клея находится в прямой зависимости от водоцементного отношения. Кроме того, от содержания воды в цементном тесте зависит и величина усадочных напряжений, так как избыточная вода, испаряясь, создает пустотность в цементном камне.
Величина объемной пустотности для наполнителей и цементного теста рассчитывается по формуле:
W = 1 – (H/С) (Формула 2)
где Н – насыпная плотность дробленного минерала, С – собственная плотность минерала.
Для дальнейшего изложения будем придерживаться одного состава цементного теста:
Ц/В = 2,5; плотность теста 1,9 кг/л.
Такой состав теста позволяет получать цементный клей достаточно высокого качества с одной стороны и, при введении пластификаторов, имеет высокую подвижность с другой стороны.
Как было отмечено ранее в первом приближении (без учета коэффициента раздвижки) составление рецептуры бетона сводится к заполнению пустотности наполнителя (песка) цементным тестом заданного качества. Далее – заполнение пустотности щебня цементно-песчанным тестом.
Пустотность песка в зависимости от насыпной плотности можно рассчитать по формуле 2.
Объем и массу цементного теста рассчитаем по следующему алгоритму: 1. Объем теста равен пустотности песка. 2. Масса теста равна произведению его объема и плотности. 3. Масса цемента равна массе теста, деленного на 1,4. 4. Расход цемента на 1 м³ пескобетона равен произведению массы цемента и коэффициента раздвижки 1,05.
Таблица 1. Расход цемента в зависимости от насыпной плотности песка
| Насыпная плотность сухого песка, тн/м³ | Пустотность, м³ | Объем теста, л | Масса теста, кг | Масса цемента, кг | Расход цемента на 1м³ пескобетона, кг |
| 1,35 | 0,50 | 500 | 950 | 679 | 713 |
| 1,45 | 0,46 | 460 | 874 | 624 | 655 |
| 1,55 | 0,43 | 430 | 817 | 584 | 613 |
| 1,65 | 0,39 | 390 | 741 | 529 | 555 |
Следует подчеркнуть, что все составы пескобетона в табл. 1 имеют одинаковую марочную прочность, но будут различаться по объемной усадке – она пропорциональна расходу цемента и по срокам начала схватывания – примерно обратно пропорциональны квадрату расхода цемента. Минимальную ожидаемую марочную прочность можно оценить как произведение результата формулы 1 и коэффициента 0,8. Для цемента М500 и Ц/В = 2,5 имеем: М = 625х0,8 = 500.
В предыдущих вычислениях из трех параметров песка учитывался только один – насыпная плотность. Было сделано два допущения: песок не содержит пыли и имеет «хороший» модуль крупности. Для приближения к реальной картине необходимо учесть и эти два параметра. О пагубном влиянии пылевидных и глинистых частиц на прочностные свойства бетона и увеличении трещинообразования (устройство бетонных полов) можно рассказывать очень долго. Попробуем учесть его в расчетах.
Процесс образования цементного теста из воды и сухого цемента можно разделить на две последовательные стадии: Смачивание водой поверхности частиц цемента. Заполнение водой пустот между частицами цемента.
Для смачивания поверхности частиц цемента (цементной пыли) необходимо около 15% воды от массы цемента. И эта величина тем больше, чем сильнее измельчен цемент. Вода как бы обволакивает пленкой каждую частицу, равномерно распределяясь на ее поверхности. Чем сильнее измельчен цемент, тем больше общая площадь поверхности каждого грамма цемента и тем больше требуется воды на ее смачивание. Площадь поверхности частицы цемента пропорциональна квадрату ее диаметра, а масса частицы пропорциональна кубу диаметра. Отсюда следует, что общая площадь поверхности частиц отнесенная к их массе обратно пропорциональна характерному диаметру частицы:
Sуд ~ 1/D (Формула 3)
Этот закон распространяется и на любой другой измельченный материал. В том числе на песок и на пыль, которая в нем содержится.
Характерный диаметр частицы цемента Dц равен 40 мкм. Характерный диаметр пыли, содержащейся в наполнителе Dп равен 5 мкм. Отношение водопотребности на стадии смачивания равно отношению удельных площадей поверхности. По формуле 3, получаем:
Вп/Вц = Dц/Dп = 40 / 5 = 8
То есть для смачивания поверхности пыли необходимо в восемь раз больше воды, чем для смачивания поверхности цемента. В абсолютном выражении: 15х8 = 120% воды от массы пыли.
Даже если считать, что на вторую стадию образования теста будет расходоваться равное удельное количество воды, то мы все равно получим весьма тревожную цифру:
при заданном Ц/В = 2,5 (В/Ц = 0,4 = 40%), получаем: 8х15% + (40% – 15%) = 145% воды от массы пыли.
Дополнительно внесенная в бетон вода будет снижать прочностные свойства цементного камня согласно формуле 1!
Для наглядности возьмем третий состав из табл. 1 и пересчитаем его для песков одинаковой плотности, но с различным содержанием пылевидных частиц.
Условия расчетов:
Насыпная плотность песка – 1,55 тн/м³,
Расход цемента – 613 кг/м³, начальное Ц/В = 2,5,
Активность цемента – М500, пескобетоны имеют равную подвижность.
Таблица 2. Снижение прочности цементного камня в зависимости от содержания пыли
| Содержание пыли, % | Масса пыли на 1м³ бетона, кг. | Дополнительный расход водына 1м³ бетона, кг. | Общее <>количество воды на 1м³ бетона, кг | Ц/В реальное | Марочная прочность цементного камня, кг/см2 | Ожидаемая марочная прочность бетона, кг/см2 |
| 0 | 0 | 0 | 245,2 | 2,50 | 625 | 500 |
| 1 | 15,5 | 22,5 | 267,7 | 2,29 | 573 | 458 |
| 2 | 31 | 45 | 290,2 | 2,11 | 528 | 422 |
| 3 | 46,5 | 67,5 | 312,7 | 1,96 | 490 | 392 |
| 4 | 62 | 90 | 335,2 | 1,83 | 458 | 366 |
Падение прочности на сжатие для пескобетонов одинакового состава, но с разным содержанием пыли, согласно табл.2 может составлять до 27%. Причем эту разницу нельзя компенсировать простым увеличением расхода цемента! Компенсация возможна только за счет снижения количества воды затворения и, следовательно, уменьшения подвижности бетона.
Кроме падения прочности, увеличение количества воды из-за повышенного содержания пыли, значительно увеличивает вероятность образования трещин на ранних стадиях твердения бетона. Этот фактор чрезвычайно важен при устройстве бетонных полов – стяжек пола.
Модуль крупности – величина весьма туманная. Вдаваться в подробное рассмотрение не имеет большого смысла. Но о самом песке рассказать стоит отдельно. Точнее о размерах его частиц. Как видно из формулы 3 характерный диаметр частиц песка будет влиять на водопотребность бетона, и, следовательно формуле 1, на качество цементного клея (прочность цементного камня). Вот только в отличие от пыли, заполняться пустотность песка будет не водой, а цементным клеем. Следовательно, отрицательное влияние будет давать только одна стадия – смачивание водой поверхности частиц песка.
Оценим влияние характерного размера частиц песка на прочностные характеристики равноподвижных бетонов по формуле 3 и формуле 1, аналогично задаче с пылью.
Условия расчетов такие же, как и в табл. 2, содержание в песке пыли – 0%, характерный диаметр частиц цемента – 40 мкм (0,04 мм), насыпная плотность песков одинаковая — 1,55 тн/м³.
Таблица 3. Влияние характерного размера частиц песка на прочность равноподвижных бетонов
| Характерный диаметр частиц песка, мм. | Дополнительный расход воды, кг. (0,04/D)х1550х0,15 | Общее кол-во воды на 1м³ бетона, кг | Ц/В реальное | Марочная прочность цементного камня, кг/см2 | Ожидаемая марочная прочность бетона, кг/см2 |
| 0,1 | 93 | 338,2 | 1,81 | 452,5 | 362 |
| 0,3 | 31 | 276,2 | 2,22 | 555 | 444 |
| 0,5 | 19 | 264,2 | 2,32 | 580 | 464 |
| 0,7 | 13 | 258,2 | 2,37 | 592,5 | 474 |
| 0,9 | 10 | 255,2 | 2,40 | 600 | 480 |
| 1,1 | 8,5 | 253,7 | 2,42 | 605 | 484 |
| 1,3 | 7,2 | 252,4 | 2,43 | 607,5 | 486 |
Особенно подчеркнем, что характерный диаметр частиц песка (зерна) значительно меньше среднего диаметра зерна. Так для песка с модулем крупности 2,45 и средним диаметром зерна 1,33 мм, характерный диаметр (рассчитывается по средней площади частицы) составляет 0,7 мм.
Для оценок можно использовать соотношение:
Характерный диаметр = 0,6–0,8 X средний диаметр зерна (соотношение 4)
Активность цемента – М500, пескобетоны имеют равную подвижность.
В свою очередь, средний диаметр зерна достаточно тесно связан с модулем крупности песка. Для приемлемого 10%-го падения прочности бетона (прочность бетона на «хорошем» песке составляла М500), характерный диаметр зерна должен составлять более 0,4 мм, следовательно: средний диаметр – более 0,6 мм (по соотношению 4).
Данная величина среднего диаметра характерна для песков с величиной модуля крупности 2,2. С возрастанием величины модуля крупности увеличивается средний диаметр зерна, что приводит к падению пластичности раствора (пескобетона), а, если раствор является составной частью крупнозернистого бетона, то понижается способность заполнять пустотность между зернами щебня (гравия), что приводит к увеличению коэффициента раздвижки при расчете состава крупнозернистого бетона (уменьшению расхода щебня). Поэтому величина модуля крупности песка ограничена сверху и должна составлять не более 2,8. Оптимальные значения модуля крупности лежат в пределах 2,4-2,7.
