Исследование свойств бетонных смесей и бетонов на основе мелкозернистых минеральных отходов горного производства

Аннотация

М.Д. Бутакова, Ф.А. Зырянов

  Приведены результаты модифицирования отсевов дробления, путем фракционирования и улучшения формы зерна. Дано сравнение основных свойств природного песка, рядового, фракционированного и модифицированного фракционированного отсевов дробления. Определено влияние различных видов мелкого заполнителя на подвижность и сохраняемость бетонных смесей, прочность бетона в раннем и марочном возрасте. 

Ключевые слова: отсев, модифицирование, фракционированный, пустотность, водопотребность, бетонные смеси, подвижность, сохраняемость, бетоны, предел прочности, плотность

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Технология бетона постоянно развивается в различных направлениях, приводящих к снижению материальной себестоимости продукции или к улучшению строительно-технических свойств готового продукта. Решение вопросов по улучшению строительно-технических свойств бетонов путем модифицирования структуры цементного камня будет во все времена являться приоритетным направлением развития материаловедения. Немаловажным фактором является и решение вопросов по снижению материальной себестоимости готового продукта, так как рынок потребления данного продукта является очень обширным и требует значительных материальных затрат, в частности затраты на инертные материалы – заполнители. С учетом постоянно растущего объема производства бетона, особенно в период сезонного спроса, нередко возникает дефицит пользующихся спросом наполнителей - природного щебня и песка. При детальном рассмотрении рынка инертных материалов в городе Челябинске выявляется дефицит высококачественного природного песка. Данный дефицит обусловлен высокой выработкой существующих месторождений и малым количеством вновь вводимых месторождений песка.
Все вышеизложенные аспекты определили направление предлагаемой научно-исследовательской работы по разработке составов бетонных смесей с использованием отходов производства горнодобывающих компаний. В частности в работе рассмотрены возможности и перспективны развития использования отсевов дробления щебня в технологии бетонов.
Исследования выполнены в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы». Было проведено исследование свойств бетонов на основе мелкозернистых минеральных отходов горного производства, предназначенных для производства цементно-бетонных дорожных покрытий.
В качестве перспективы развития широкого внедрения отсевов дробления щебня в технологию бетонов является его модифицирование: как по гранулометрии, так и по форме зерна. Под модифицированием гранулометрии понимается  изменение фракционного состава с целью снижения пустотности и содержания пылевидной фракции (менее 0,16 мм). Модифицирование формы подразумевает преимущественно перевод зерен лещадной формы в кубовидную, которая также позволит снизить пустотность отсева и тем самым снизить расход портландцемента.
Почему же выбраны данные направления модифицирования отсевов дробления – ответы достаточно просты:
1. Большинство отсевов дробления по гранулометрическому составу и содержанию пылевидной фракции не стабильны во времени и это отрицательно сказывается на конкурентоспособности отсева;
2. Значительное количество отсевов дробления образуется при дроблении горной породы на щековых дробилках, работа которых характеризуется высоким количеством выхода лещадных зерен в готовом продукте. Как известно, лещадные частицы снижает прочностные характеристики бетона и требует большего количества портландцемента для обеспечения необходимых показателей по удобоукладываемости бетонных смесей.
Для оценки возможных перспектив комплексного модифицирования отсева, авторами были разработаны и оценены составы и свойства бетонных смесей и бетонов с использованием следующих материалов:
- природный кварцевый песок;
- рядовой отсев дробления;
- фракционированный отсев дробления;
- модифицированный по форме зерна фракционированный отсев дробления (далее: модифицированный фракционированный песок).
Основные характеристики анализируемых материалов приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Строительно-технические свойства мелкого заполнителя

Необходимо отметить следующее: предложенные гранулометрические составы фракционированного и модифицированного фракционированного отсева дробления были разработаны на ранних стадиях исследования, результаты которых представлены в работах [1, 2]. Данные гранулометрические составы позволяют использовать все фракции, то есть получаемый мелкий заполнитель является полифракционным. Это обеспечивает наиболее полную утилизацию отходов производства горных предприятий.
Проанализировав свойства всех заполнителей представленных в таблице 1 можно сделать следующие выводы:
1. Фракционированный отсев дробления обладает меньшей насыпной плотностью по сравнению с рядовым отсевом. Хотя, ранее полученные результаты [1, 2] показали, что фракционированный отсев позволяет получить максимально возможную упаковку зерен и максимально возможную насыпную плотность.
Снижение насыпной плотности фракционированного отсева связанно с высоким содержанием фракции 0,16…0,315 мм и отсутствием фракции менее 0,16 мм, в то время как в рядовом отсеве дробления фракция менее 0,16 мм заполняет пространство между крупными и мелкими фракциями. За счет этого увеличивается насыпная плотность и снижается пустотность материала.
2 Модифицирование формы зерна позволяет повысить насыпную плотность и снизить пустотность материала. Данный эффект достигается за счет снижения содержания лещадных зерен, которые не дают, в отличие от зерен кубической формы, максимально плотной упаковки.
3 Водопотребность анализируемых заполнителей изменяется достаточно в широких пределах. Причем, обеспыливание отсева дробления с одновременным его модифицированием по форме зерна приводит к снижению водопотребности.
При разработке составов бетонов на анализируемых заполнителях использовалась стандартная методика подбора составов бетонных смесей. Используемые материалы: портландцемент ПЦ 400 Д20 ОАО «Лафарж цемент» г. Коркино, щебень гранодиоритовый кубовидный фракции 5…20 мм, мелкий заполнитель (природный песок, рядовой отсев, фракционированный отсев, модифицированный фракционированный отсев) и вода.
Разработанные составы бетонных смесей, их свойства, а также свойства бетонов приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 – Свойства бетонных смесей и бетонов с В/Ц 0,6

По результатам исследований, приведенных в таблицах 2 и 3 можно сделать следующие выводы:
1. Предел прочности бетона на отсеве дробления в возрасте 3 суток выше, чем предел прочности бетона на природном песке. Данный результат связан в первую очередь с тем, что поверхность зерна природного песка преимущественно окатанная, в то время как поверхность зерна отсева дробления неровная и шероховатая, что позволяет обеспечить более высокую адгезию цементного камня к зерну отсева, и повышает прочность контактной зоны.
2. Чем чище отсев дробления от пылеватой фракции, тем выше прочность на ранних и поздних стадиях твердения бетона. Это объясняется наличием слабой контактной зоны в бетоне из-за плохого сцепления заполнителя с цементным камнем.
3. Набольшей прочностью в марочном возрасте обладают бетоны, изготовленные на модифицированном фракционированном отсеве. Относительное снижение прочности бетонов, изготовленных с использованием рядового и фракционированного отсевов связанно с наличием лещадных малопрочных зерен в их составе, с высоким содержанием пылеватой фракции, а так же с повышенным расходом портландцемента. Повышенный расход портландцемента приводит к появлению усадочных деформаций, а в цементном камне таких бетонов будет проходить диструкция.
4. Плотность бетонов с уменьшением пустотности заполнителя будет увеличиваться, особенно в бетонах, где в заполнителях отсутствуют пылевидная фракция и лещадные зерна. Это объясняется плотной упаковкой зерен заполнителя.

Таблица 3 – Свойства бетонных смесей и бетонов с В/Ц 0,4

5. Расход портландцемента в бетонных смесях при использовании рядового отсева дробления выше на 17,6% и 22,6% по отношению к расходу цемента для состава, разработанного на природном песке, и на 13,7% и 20,9% выше по отношению к расходу цемента для состава, разработанного на модифицированном фракционированном отсеве дробления. Это объясняется наличием пылевидной фракции в рядовом отсеве дробления, которая при обволакивании зерен «оттягивает» на себя часть вяжущего в равноподвижных бетонных смесях.
6. Сохраняемость бетонных смесей тем выше, чем меньше в мелком заполнителе содержание пыли и зерен пластинчатой формы. Высокое содержание пыли в рядовом отсеве и мелких отмучиваемых частиц в природном песке приводит к раннему структурированию бетонной смеси, а, следовательно, и к уменьшению ее сохраняемости.

Заключение.
Результаты проведенных исследований показали возможность и перспективы использования отходов производства горнодобывающих компаний с целью их модифицирования для получения бетонов с заданными строительно-техническими показателями при их минимальной себестоимости.

Литература:
1.Зырянов Ф.А., Бутакова М.Д., Трофимов Б.Я. Влияние гранулометрического состава отсева дробления щебня на свойства бетонной смеси и бетона // Сборник статей международной конференции. Ростов-на-Дону – 2006. - с. 68-75.
2.Бутакова М.Д., Зырянов Ф.А. Исследование влияние зернового состава отсевов дробления скальных пород на прочность бетонов // Межвузовский сборник научных трудов «Строительные материалы и изделия». Магнитогорск: МГТУ, 2007. – с. 146 - 152