×

Вы используете устаревший браузер Internet Explorer. Некоторые функции сайта им не поддерживаются.

Рекомендуем установить один из следующих браузеров: Firefox, Opera или Chrome.

Контактная информация

+7-863-218-40-00 доб.200-80
ivdon3@bk.ru

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


Показатель

Наименование мелкого заполнителя

Песок природный

Рядовой отсев

Фракционированный отсев

Модифицированный фракционированный отсев

Частные остатки на ситах, мм

2,5

8,5

28,5

22,2

22,2

1,25

16,0

24,5

19,1

19,1

0,63

10,5

9,0

25,3

25,3

0,315

25,0

12,0

12,0

12,0

0,16

34,0

11,5

21,4

21,4

>0,16

6,0

14,0

0

0

Модуль крупности

2,2

3,0

3,1

3,1

Насыпная плотность, кг/м3

1430

1480

1430

1480

Пустотность, %

46,1

46,2

48,0

46,2

Водопотребность, %

6,4

11,1

9,2

7,3

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


Показатель

Наименование мелкого заполнителя

Песок природный

Рядовой отсев

Фракциони-рованный отсев

Модифицированный фракционированный отсев

Состав

ПЦ 400 Д20

310

363

331

319

Мелкий заполнитель

708

714

711

703

Крупный заполнитель

1136

1066

1109

1147

Вода

186

217

199

191

Подвижность бетонной смеси, см

13

11

10

12

Плотность бетонной смеси

2340

 2360

 2350

2360

Сохраняемость бетонной смеси в пределах марки, мин

30

20

30

40

Предел прочности при сжатии в возрасте 3 сут, МПа

7,6

10,0

11,5

13,7

Плотность бетона в 3 сут, кг/м3

2330

2335

2340

2345

Предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут, МПа

30,8

25,9

28,3

31,7

Плотность бетона в 28 сут, кг/м3

2290

2330

2330

2335

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


Показатель

Наименование мелкого заполнителя

Песок природный

Рядовой отсев

Фракциони-рованный отсев

Модифицированный фракционированный отсев

Расход

ПЦ 400 Д20

495

607

560

502

Мелкий заполнитель

641

602

626

654

Крупный заполнитель

1136

1049

1075

1133

Вода

198

242

224

201

Подвижность бетонной смеси, см

12

10

12

13

Плотность бетонной смеси

2475

 2500

2485

2490

Сохраняемость бетонной смеси в пределах марки, мин

20

15

30

30

Предел прочности при сжатии в возрасте 3 суток, МПа

17,2

17,5

18,9

20,6

Плотность бетона в 3 суток, кг/м3

2440

2450

2445

2465

Предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток, МПа

50,4

44,4

51,3

54,8

Плотность бетона в 28 суток, кг/м3

2420

2445

2440

2455

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