Форма зерен заполнителя и их взаимная укладка
Насыпная плотность, пустотность и другие характеристики заполнителя в значительной степени определяются формой его зерен. Впервые это показал наш соотечественник Б. Николаев в работе «Состав растворов и бетонов в зависимости от размеров и формы зерен материалов», вышедшей в 1914 г. Работа эта своим содержанием предвосхитила идеи многих отечественных и зарубежных исследований, в том числе опубликованных в последние годы.
Б. Николаев теоретически проанализировал геометрическую структуру пространства, заполненного зернами сыпучего материала. В частности, если условно принять, что все зерна одинаковы по форме и размерам, то в принципе возможна различная плотность упаковки зерен в заданном объеме в зависимости от порядка их укладки. Например, шары можно уложить рядами так, чтобы линии, соединяющие их центры, образовали кубы . Это будет наименее плотная укладка. Наиболее же плотная соответствует такому взаимному расположению шаров, когда линии, соединяющие их центры, образуют тетраэдры . Аналогичным образом можно представить наиболее и наименее плотную укладку зерен другой формы.
При наименее плотной укладке шары дают меньшую пуетотнорть, чем другие зерна, а при наиболее плотной — большую. Однако как наиболее, так и наименее плотные схемы укладки могут рассматриваться лишь теоретически, и пустотность будет иметь те или иные промежуточные значения, определяемые степенью уплотнения. Это еще в большей степени проявляется, если кроме систем укладки правильных многогранников рассмотреть варианты укладки, например, удлиненных параллелепипедов: при наиболее плотной укладке они, как и кубы, полностью заполняют объем, а при наименее плотной, когда будут взаимно касаться только вершинами, дадут максимальную пустотность и тем большую, чем больше соотношение длины зерен и их толщины. В действующих стандартах принято оценивать форму зерен заполнителей соотношением их размеров. Так, по ГОСТ 8269—76 определяют содержание в щебне и гравии пластинчатых (лещадных) и игловатых зерен, толщина или ширина которых меньше длины в 3 раза и более.
Для измерения зерен стандарты рекомендуют специальный передвижной шаблон или формомер.
Поскольку зерна заполнителей имеют неправильную форму и поверхность их может быть сильно развитой, стандартный коэффициент формы не вполне ее характеризует. Поэтому иногда пользуются другими коэффициентами. Для характеристики формы зерен заполнителей предложено также понятие «минимального шарового слоя», т. е. слоя, ограниченного вписанной и описанной сферами. Такая характеристика может быть увязана с дополнительным расходом цементирующего вещества в бетоне на «исправление» неправильности формы зерен заполнителя.
Имеются и другие предложения по оценке формы зерен условными показателями. Кроме того, в последние годы развивается теория стохастических упаковок зерен заполнителя, основанная на статистических решениях формулируемых задач с помощью ЭВМ.