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