ЩЕБЕНЬ И ГРАВИЙ

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине

«Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Действующий ГОСТ 8267–93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия» распространяется на щебень и гравий из горных пород со средней плотностью зерен от 2,0 до 3,0 г/см³, применяемые в качестве заполнителей для тяжелого бетона, а также для дорожных и других видов строительных работ. ГОСТом устанавливаются следующие определения.

Щебень из горных пород – неорганический зернистый сыпучий материал с зернами крупностью свыше 5 мм, получаемый дроблением горных пород, гравия и валунов, попутно добываемых вскрышных и вмещающих пород или некондиционных отходов горных предприятий по переработке руд (черных, цветных и редких металлов металлургической промышленности) и неметаллических ископаемых других отраслей промышленности и последующим рассевом продуктов дробления.

Гравий из горных пород – неорганический зернистый сыпучий материал с зернами крупностью свыше 5 мм, получаемый рассевом природных гравийно-песчаных смесей.

Щебень и гравий используют в качестве строительного материала при сооружении шоссейных дорог и автострад, в качестве балластного слоя на железнодорожных путях, при постройке бетонных сооружений различного назначения и в качестве крупного заполнителя при изготовлении бетонных и железобетонных конструкций. В связи с этим к щебню и гравию предъявляется ряд требований в отношении зернового состава, механической прочности, водопоглощения, морозостойкости, степени загрязненности вредными примесями и т.д.

Определение истинной плотности зерен щебня (гравия). Истинную плотность зерен щебня (гравия) определяют путем измерения массы единицы объема измельченного и высушенного материала.

При использовании кусков камня неправильной формы или зерен щебня (гравия) их очищают металлической щеткой от пыли, измельчают на лабораторной дробилке до крупности менее 5 мм, после чего перемешивают и сокращают пробу примерно до 150 г. Полученную пробу вновь измельчают до крупности менее 1,25 мм, после чего перемешивают и сокращают до 30 г. Подготовленную пробу измельчают до порошкообразного состояния (размер зерен менее 0,125 мм) в чугунной или фарфоровой ступке, насыпают в стаканчик для взвешивания или фарфоровую чашку, высушивают до постоянной массы и охлаждают до комнатной температуры, после чего отвешивают две навески массой по 10 г.

Каждую навеску всыпают в чистый сухой пикнометр и наливают дистиллированную воду комнатной температуры в таком количестве, чтобы пикнометр был заполнен не более чем на половину своего объема. Пикнометр в слегка наклонном положении ставят на песчаную или водяную баню и кипятят его содержимое в течение 15–20 мин для удаления пузырьков воздуха (пузырьки воздуха могут быть удалены путем выдерживания пикнометра под вакуумом в эксикаторе). После удаления воздуха пикнометр обтирают, охлаждают до комнатной температуры, доливают до метки дистиллированную воду и взвешивают. Затем пикнометр освобождают от содержимого, промывают, наполняют до метки дистиллированной водой комнатной температуры и взвешивают.

Истинную плотность r, г/см³, определяют по формуле

, (1)

где m – масса навески порошка, высушенного до постоянной массы, г;

r_в – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³;

m ₁ – масса пикнометра с дистиллированной водой, г;

m ₂ – масса пикнометра с навеской и дистиллированной водой после удаления пузырьков воздуха, г.

Расхождение между результатами двух определений не должно быть более 0,02 г/см³. В случае больших расхождений производят третье определение и принимают для расчета два ближайших значения. За результат принимают среднеарифметическое значение двух параллельных испытаний.

Определение средней плотности и пористости зерен щебня (гравия). Среднюю плотность зерен щебня (гравия) определяют путем измерения массы единицы объема зерен щебня (гравия) с использованием весов для гидростатического взвешивания (рис. 1).

Рис. 1. Весы для гидростатического взвешивания:

1 – сетчатый (перфорированный) стакан; 2 – сосуд со сливом для воды;

3 – стаканчик с дробью для уравновешивания массы сетчатого стакана в воде;

4 – разновесы

Пробу высушивают до постоянной массы, просеивают через сито с размером отверстий, соответствующим наименьшему номинальному размеру зерен данной фракции щебня (гравия), и из остатка на сите отвешивают две пробы по 1 000 г каждая. Навеску щебня (гравия) насыщают водой, погружая ее в воду комнатной температуры на 2 ч так, чтобы уровень воды в сосуде был выше поверхности образцов или щебня (гравия) не менее чем на 20 мм. Насыщенную водой пробу вынимают из воды, удаляют влагу с поверхности мягкой влажной тканью и сразу же взвешивают на настольных гирных или циферблатных, а затем на гидростатических весах, помещая в сетчатый (перфорированный) стакан, погруженный в воду.

Среднюю плотность зерен щебня (гравия) r_К, г/см³, определяют по формуле

, (2)

где m – масса пробы в сухом состоянии, г;

m ₁ – масса пробы в насыщенном водой состоянии на воздухе, г;

m ₂ – масса пробы в насыщенном водой состоянии в воде, г;

r_в – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

За результат принимают среднеарифметическое значение результатов двух параллельных испытаний проб щебня (гравия). При этом расхождение между результатами двух определений средней плотности не должно превышать 0,02 г/см³. При больших расхождениях проводят третье определение и вычисляют среднеарифметическое двух ближайших значений.

Пористость зерен щебня (гравия) V_пор,% по объему, определяют расчетным путем на основании предварительно установленных значений истинной и средней плотности по формуле

, (3)

где r_к – средняя плотность зерен щебня (гравия), г/см³;

r – истинная плотность зерен щебня (гравия), г/см³.

Определение насыпной плотности и пустотности. Насыпную плотность щебня (гравия) определяют взвешиванием определенного объема щебня (гравия) данной фракции (или смеси фракций), высушенного до постоянной массы. Щебень (гравий) в объеме, обеспечивающем проведение испытания, высушивают до постоянной массы. При определении насыпной плотности смеси фракций рассев смеси на соответствующие фракции не допускается. Щебень (гравий) насыпают в предварительно взвешенный цилиндр с высоты 10 см до образования конуса, который снимают стальной линейкой вровень с краями (без уплотнения) движением к себе, от себя или от середины влево и вправо, после чего цилиндр со щебнем (гравием) взвешивают.

В зависимости от наибольшего номинального размера щебня (гравия) применяют цилиндры в соответствии с табл. 1.

Таблица 1

Насыпную плотность щебня (гравия) r_н, кг/м³, определяют с точностью до 10 кг/м³ по формуле

, (4)

где m – масса мерного цилиндра, кг;

m ₁ – масса мерного цилиндра со щебнем (гравием), кг;

V – объем мерного цилиндра, м³.

Насыпную плотность определяют два раза, при этом каждый раз берут новую порцию щебня (гравия). За результат принимают среднеарифметическое значение двух параллельных испытаний.

Пустотность щебня (гравия) определяют расчетным путем на основании предварительно установленных значений средней плотности зерен и насыпной плотности щебня (гравия) по формуле

, (5)

где r_н – насыпная плотность щебня (гравия), г/см³;

r_к – средняя плотность зерен щебня (гравия), г/см³.

Определение водопоглощения щебня (гравия). Водопоглощение определяют путем сравнения массы образцов горной породы или проб щебня (гравия) в насыщенном водой состоянии и после высушивания. Для определения водопоглощения щебня (гравия) берут пробу, которую промывают и высушивают до постоянной массы, укладывают в сосуд с водой комнатной температуры так, чтобы уровень воды был выше верха образцов или пробы щебня (гравия) не менее чем на 20 мм. В таком положении их выдерживают в течение 48 ч, после чего вынимают из сосуда, удаляют влагу с поверхности отжатой влажной мягкой тканью и взвешивают, при этом масса вытекающей на чашку весов воды должна включаться в массу пробы.

Водопоглощение W_погл % по массе, определяют по формуле

, (6)

где т – масса образца или пробы в сухом состоянии, г;

m₁ – масса образца или пробы в насыщенном водой состоянии.

За результат принимают среднеарифметическое значение двух параллельных испытаний щебня (гравия).

Определение влажности. Влажность щебня (гравия) определяют путем сравнения массы пробы во влажном состоянии и после высушивания. Пробу щебня (гравия) насыпают в сосуд и взвешивают, высушивают до постоянной массы и вновь взвешивают. Влажность щебня (гравия) W, % по массе, определяют по формуле

, (7)

где m_в – масса пробы во влажном состоянии, г;

m – масса пробы в сухом состоянии, г.

Определение наличия органических примесей в гравии (щебне из гравия). Наличие органических примесей (гумусовых веществ) в гравии (щебне из гравия) определяют сравнением окраски щелочного раствора над пробой с окраской эталона.

Порядок проведения испытания следующий. Отбирают пробу гравия (щебня из гравия) массой 1 кг, высушенную до постоянной массы и просеянную через сито с отверстиями диаметром 20 мм.

Готовят эталонный раствор, растворяя 2,5 мл 2 % раствора танина в 97,5 мл 3 % раствора гидроксида натрия. Приготовленный раствор перемешивают и оставляют на 24 ч. Оптическая плотность раствора танина, определяемая на фотоколориметре или спектрофотометре в области длин волн 450–500 нм, должна составлять 0,60–0,68.

Гравием (щебнем из гравия) заполняют мерный цилиндр до уровня 130 мм и заливают его 3 % раствором гидрооксида натрия до уровня 200 мл. Содержимое цилиндра перемешивают и оставляют на 24 ч, повторяя перемешивание через 4 ч после начала испытания. Затем сравнивают окраску жидкости, отстоявшейся над пробой, с цветом эталонного раствора. Гравий (щебень из гравия) пригоден для использования в бетонах или растворах, если жидкость над пробой бесцветна или окрашена значительно слабее эталонного раствора.

При окраске жидкости незначительно светлее эталонного раствора содержимое сосуда подогревают в течение 2–3 ч на водяной бане при температуре 60–70 °С и, сравнивая цвет жидкости над пробой с цветом эталонного раствора, решают вопрос о пригодности заполнителя для приготовления бетона или раствора.

При окраске жидкости, одинаковой или более темной, чем цвет эталонного раствора, проводят испытания заполнителя в бетонах или растворах в специализированных лабораториях по коррозии бетона.

Определение содержания пылевидных и глинистых частиц. Содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне (гравии) определяют по изменению массы пробы после отмучивания пылевидных и глинистых частиц (размер частиц менее 0,05 мм).

Пробу щебня (гравия) массой не менее 5 кг, высушенную до постоянной массы, помещают в сосуд для отмучивания (рис. 2) или ведро, заливают водой несколько выше уровня щебня и оставляют в таком состоянии до полного размокания глинистой пленки (определяется визуально) на зернах щебня (гравия) или комков глины, если они имеются в пробе. После этого в сосуд или ведро со щебнем (гравием) доливают воду в таком количестве, чтобы высота слоя воды над щебнем была 200 мм; содержимое сосуда перемешивают деревянной мешалкой и оставляют в покое на 2 мин. Через 2 мин сливают полученную суспензию. При сливе суспензии необходимо оставлять слой ее над щебнем (гравием) высотой не менее 30 мм. Затем щебень (гравий) вновь заливают водой до указанного выше уровня. Промывку щебня (гравия) в указанной последовательности повторяют до тех пор, пока вода после промывки не будет оставаться прозрачной.

Рис. 2. Сосуд для отмучивания

После окончания отмучивания промытую пробу высушивают до постоянной массы. Содержание в щебне (гравии) пылевидных и глинистых частиц П, % по массе, определяют с точностью до 0,1 % по формуле

, (8)

где m – первоначальная масса пробы, г;

m ₁ – масса пробы после отмучивания, г.

Определение зернового состава. Зерновой состав щебня (гравия) определяют путем рассева пробы на стандартном наборе сит. Стандартный набор сит для щебня (гравия) должен включать сито с квадратными отверстиями размером 1,25 мм и сита с круглыми отверстиями диаметрами 2,5; 5(3); 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 70(80) мм.

Щебень и гравий выпускают в виде следующих основных фракций: от 5 (3) до 10 мм; св. 10 до 20 мм; св. 20 до 40 мм; св. 40 до 80 (70) мм и смеси фракций от 5 (3) до 20 мм. По согласованию изготовителя с потребителем выпускают щебень и гравий в виде фракций от 10 до 15 мм; св. 15 до 20 мм; св. 80 (70) до 120 мм и св. 120 до 150 мм, а также смеси фракций от 5 (3) до 15 мм; св. 5 (3) до 40 мм; св. 20 до 80 (70) мм.

Для испытания используют лабораторную пробу, высушенную до постоянной массы. Пробу просеивают ручным или механическим способом через сита с отверстиями указанных выше размеров, собранные последовательно в колонку, начиная снизу с сита с отверстиями наименьшего размера, при этом толщина слоя щебня (гравия) на каждом из сит не должна превышать наибольшего размера зерен щебня (гравия). Продолжительность просеивания должна быть такой, чтобы при контрольном интенсивном ручном встряхивании каждого сита в течение 1 мин через него проходило не более 0,1 % общей массы просеиваемой пробы. При механическом просеивании его продолжительность для применяемого прибора устанавливают в соответствии с указанным выше условием. При ручном просеивании допускается определять окончание просеивания следующим способом: каждое сито интенсивно трясут над листом бумаги. Просеивание считают законченным, если при этом не наблюдается падение зерен щебня (гравия).

По результатам просеивания определяют частный остаток на каждом сите а_i, %, по формуле

, (9)

где m_i – масса остатка на данном сите, г;

m – масса пробы, г.

Затем определяют полные остатки на каждом сите в процентах массы пробы, равные сумме частных остатков на данном сите и всех ситах с большими размерами отверстий.

Полные остатки на контрольных ситах при рассеве щебня и гравия фракций от 5 (3) до 10 мм, св. 10 до 20 мм, св. 20 до 40 мм, св. 40 до 80 (70) мм и смеси фракций от 5 (3) до 20 мм и от 5 до 15 мм должны соответствовать указанным в табл. 2, где d и D – наименьшие и наибольшие номинальные размеры зерен фракции.

Таблица 2

Определение содержания зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм. Содержание в щебне (гравии) зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм оценивают количеством зерен, толщина которых менее длины в три раза и более.

Рис. 3. Передвижной шаблон

Содержание зерен пластинчатой (лещадной) или игловатой формы определяют отдельно для каждой фракции щебня (гравия). Пробу взвешивают и из нее при помощи передвижного шаблона (рис. 3) или штангенциркуля выбирают зерна, толщина которых меньше длины в три раза и более. При использовании шаблона измеряемое зерно вкладывают наибольшим размером между губками, положение шаблона фиксируют стопорным винтом и измеряют размер зерна, затем зерно пропускают наименьшим размером между губками шаблона, установленными на расстоянии в три раза меньшем. Если зерно пройдет между губками, то его относят к зернам пластинчатой или игловатой формы. Зерна пластинчатой и игловатой форм взвешивают. Содержание в каждой фракции щебня (гравия) зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм П _пл, %, определяют по формуле

, (10)

где т – масса пробы, г;

m ₁ – масса зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм, г.

Определение дробимости. Дробимость щебня (гравия) определяют по степени разрушения зерен при сжатии (раздавливании) в цилиндре.

Цилиндр Съемное дно Плунжер

Рис. 4. Цилиндры стальные

При испытании щебня (гравия), состоящего из смеси двух или более смежных фракций, исходный материал рассеивают на стандартные фракции и каждую фракцию испытывают отдельно. Щебень (гравий) фракции от 5 до 10, св. 10 до 20 или св. 20 до 40 мм просеивают через два сита с отверстиями, соответствующими наибольшей (D) и наименьшей (d) крупности испытываемой фракции. От остатков на сите с отверстиями размером, равным d, отбирают две пробы массой не менее 0,5 кг каждая при испытании в цилиндре диаметром 75 мм и не менее 4 кг – при испытании в цилиндре диаметром 150 мм. Щебень (гравий) крупнее 40 мм предварительно дробят и испытывают фракции св. 10 до 20 мм или св. 20 до 40 мм.

При определении марки щебня (гравия) применяют цилиндр диаметром 150 мм. Для приемочного контроля качества щебня (гравия) фракции от 5 до 10 мм и св. 10 до 20 мм допускается применять цилиндр диаметром 75 мм.

Пробу щебня (гравия) насыпают в цилиндр с высоты 50 мм так, чтобы после разравнивания верхний уровень материала примерно на 15 мм не доходил до верхнего края цилиндра. Затем в цилиндр вставляют плунжер так, чтобы плита плунжера была на уровне верхнего края цилиндра. Если верх плиты на плунжере не совпадает с краем цилиндра, то удаляют или добавляют несколько зерен щебня (гравия). После этого цилиндр помещают на нижнюю плиту пресса. Увеличивая силу нажатия пресса на 1–2 кН (100–200 кгс) в секунду, доводят ее при испытании щебня (гравия) в цилиндре диаметром 75 мм до 50 кН, при испытании в цилиндре диаметром 150 мм – до 200 кН.

После сжатия испытываемую пробу высыпают из цилиндра и взвешивают. Затем ее просеивают в зависимости от размера испытываемой фракции через сито с отверстиями размером:

1,25 мм – для щебня (гравия) размером фракции от 5 до 10 мм;

2,5 мм – то же св. 10 до 20 мм;

5,0 мм –» св. 20 до 40 мм.

Остаток щебня (гравия) на сите после просеивания взвешивают.

Дробимость Д_р, %, определяют с точностью до 1 % по формуле

, (11)

где т – масса аналитической пробы щебня (гравия), г;

m ₁ – масса остатка на контрольном сите после просеивания раздробленной в цилиндре пробы щебня (гравия), г.

За результат принимают среднеарифметическое значение двух параллельных испытаний.

Щебень (гравий) допускается испытывать как в сухом, так и в насыщенном водой состоянии. Для испытания в насыщенном водой состоянии пробу предварительно погружают в воду на 2 ч. После насыщения водой с поверхности зерен щебня (гравия) удаляют влагу мягкой влажной тканью. В этом случае раздробленную пробу на сите тщательно промывают водой и удаляют поверхностную влагу с зерен щебня (гравия) мягкой влажной тканью.

По результатам испытаний щебню присваивается марка по дробимости. Марки по дробимости щебня из осадочных и метаморфических пород должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 3, а марки по дробимости щебня из изверженных пород – в табл. 4.

Таблица 3

Окончание табл. 3

Таблица 4

Определение истираемости в полочном барабане. Истираемость (износ) щебня (гравия) определяют по потере массы зерен при испытании пробы в полочном барабане с шарами.

Щебень (гравий) фракций от 5 до 10, св. 10 до 20 и св. 20 до 40 мм в состоянии естественной влажности просеивают через два сита с отверстиями размерами, соответствующими наибольшему D и наименьшему d номинальным размерам зерен данной фракции. Из остатка на сите с отверстиями размером d отбирают две пробы по 5 кг с предельной крупностью зерен до 20 мм и две пробы по 10 кг фракции св. 20 до 40 мм.

Рис. 6. Полочный барабан:

1 – станина; 2 – двигатель; 3 – барабан; 4 – полка барабана

Подготовленную пробу загружают в полочный барабан вместе с чугунными или стальными шарами (диаметром 48 мм, массой 405±10 г каждый), закрепляют крышку барабана с приводят его во вращение со скоростью 30–33 об/мин. Число чугунных или стальных шаров и общее число оборотов барабана в процессе одного испытания щебня (гравия) принимают по табл. 5.

По окончании испытания содержимое барабана просеивают через сито с отверстиями диаметром 5 мм и контрольное сито с сеткой № 1,25. Остатки на ситах соединяют и взвешивают.

Таблица 5

Истираемость щебня И, %, определяют по формуле

, (12)

где т – масса пробы щебня (гравия), г;

m ₁ – суммарная масса остатков на сите с отверстиями диаметром 5 мм и контрольном сите с сеткой № 1,25, г.

За результат испытания принимают среднеарифметическое значение двух параллельных испытаний. Марки по истираемости щебня и гравия должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 6.

Таблица 6

Поиск по сайту: