Отвальная порода угледобычи с высокой потенциальной реакционной способностью в легких растворах и бетонах

УДК 691.335

Г.А. КОРАБЛЁВА, канд. техн. наук, С.В. ВАВРЕНЮК, член-кор. РААСН, д-р техн. наук

Филиал ФГБУ «ЦНИИП Минстроя России» Дальневосточный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт по строительству

Отвальная порода угледобычи с высокой потенциальной реакционной способностью в легких растворах и бетонах

Приведены результаты определения пригодности отхода - отвальной термоизмененной породы угледобычи с высокой потенциальной реакционной способностью (ПРС) для получения заполнителя цементных легких бетонов и растворов - методами измерений относительных деформаций образцов по ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний». В качестве заполнителя в растворных образцах-балочках использовались в одном случае дробленая до песка порода одного цвета, в другом - рассеянная на фракции 0-5; 5-10; 10-20 мм рядовая смесь, отобранная из отвала (соотношение фракций по ГОСТ 8269.0-97). Для ускорения проявления возможной коррозии образцы растворов (бетонов) твердели в различных средах, а деформации замерялись в течение длительного времени (до 710 сут).

Ключевые слова: термоизмененная порода, отход угледобычи, щелочная коррозия, химический состав, минералогический состав, относительная деформация, среда, длительность твердения.

Для цитирования: Кораблёва Г.А., Вавренюк С.В. Отвальная порода угледобычи с высокой потенциальной реакционной способностью в легких растворах и бетонах // Строительные материалы. 2017. № 1-2. С. 78-81.

G.A. KORABLEVA, Candidate of Sciences

Rock Refuse of Coal Mining with a High Potential Reaction Capability in Light Mortars and Concretes

Results of the determination of suitability of waste, thermally changed rock refuse of coal mining with a high potential reaction capability (PRC) for producing a filler of cement light concretes and mortars, by methods of measuring relative deformation of samples according to GOST 8269.0-97 «Crushed Stone and Gravel from Dense Rocks and Waste of Industrial Production for Construction Works. Methods of Physical-Mechanical Tests» are presented. As a filler in mortar bar specimens, a rock of the same color crushed till sand was used in one case, an ordinary mixture selected from the rock refuse (the ratio of fractions according to GOST 8269.0-97) and dissipated at fractions of 0-5, 5-10, 10-20 mm - in another case. To accelerate the appearance of possible corrosion, the samples of mortars (concretes) were hardened in different media and deformations were measured during the long time (up to 710 days).

Keywords: thermal changed rock, rock refuse of coal mining, alkaline corrosion, chemical composition, mineralogical composition, relative deformation, duration of hardening.

For citation: Korableva G.A., Vavrenyuk S.V. Rock refuse of coal mining with a high potential reaction capability in light mortars and concretes. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2017. No. 1-2, pp. 78-81. (In Russian).

В работах многих ученых обращается пристальное внимание на связь долговечности бетона и используемого реакционноспособного заполнителя, в частности заполнителя, содержащего растворимый в щелочах диоксид кремния в повышенных количествах [1—4]. Доказано, что развивающаяся внутренняя щелочная коррозия в результате взаимодействия щелочей цемента с растворимым в щелочах диоксидом кремния может привести к необратимому снижению качества бетона в процессе эксплуатации [5—15].

Исследования с целью определить и предотвратить опасную ситуацию в будущем ведутся в основном для тяжелого бетона. В то же время из легкого бетона различной прочности построено много ответственных объектов в расчете на длительный срок службы. Появляющиеся разрушения легкобетонных конструкций объясняются только воздействием агрессивной внешней среды.

Исследованы отходы угледобычи — термоизмененная отвальная порода террикона (так называемая горелая) закрытых Артемовских шахт Приморского края, которая использовалась при получении заполнителя для легких бетонов В3,5—В20.

Термоизмененная порода в отвале имеет различный цвет, пестрый состав и представлена песчаной фракцией и кусками (щебнем) разного цвета, размера и массы. Цвет отвальной породы отражает изначальный мине-

ральный и химический состав вмещающих пород, зависит от температуры и продолжительности самообжига.

Характеристика отвальной породы по генетическому типу: осадочные — глинистые и кремнистые сланцы, аргиллиты, алевролиты, кремни, песчаник; метаморфические — кристаллические и хлоритовые сланцы, кварциты.

Песчаная составляющая породы террикона представлена: 63—68% осадочные, 25—30% шлаки, до 3% уголь, остальное — кремни, кварц и метаморфические (последних — ед.). Щебеночная составляющая: 90—96% осадочные, 2—9% метаморфические, 1—2% шлаки; уголь, как правило, отсутствует. Таким образом, исследуемая порода состоит из потенциально опасных составляющих (кремни, сланцы, аргиллиты, алевролиты и др.) с точки зрения развития коррозионных процессов в цементном бетоне.

Отвальная порода была условно разделена по цвету на пять основных представительных разновидностей по номерам (1 — светло-бежевый, 2 — темно-бежевый, 3 — кирпичный, 4 — сиреневый, 5 — почти черный); исследовали каждую в отдельности, а также заполнитель из рядовой, отобранной на отвале и раздробленной пробы породы.

В табл. 1 приводятся результаты определения основных оксидов, реакционноспособного кремнезема и минералогический состав каждой разновидности породы по цвету по данным химического, рентгенофазового анализа и ДТГА.

научно-технический и производственный журнал

Таблица 1

Показатель Номер породы по цвету

1 2 3 4 5

SiO2 65,66 69,52 69,33 - 27,03

AI2O3 24,36 21,24 16,75 - 10,82

Fe2Os 2,09 2,38 7,16 - 56,18

MgO 0,83 0,95 1,11 - 1,28

CaO 0,3 0,29 0,39 - 1,1

Na2O 0,41 0,95 1,1 - 0,68

K2O 2,78 2,69 2,65 - 1,05

ППП 2,18 0,64 0,29 - 0,14

SiO2 реакц., ммоль/л 314,2 429 345,8 305,8 275,3

Минералогический состав а-кварц альбит глауконит галлуазит бентонит флогопит парагонит аморфизованная фаза а-кварц анортит парагонит опал следы гематита аморфизованная фаза а-кварц альбит флогопит анортоклаз опал парагонит следы гематита

Насколько эта порода опасна для цементных бетонов, определялось замером относительных деформаций образцов раствора и бетона в ускоренных и длительных испытаниях, по методике ГОСТ 8269.0—97. При этом для ускорения проявления коррозии образцы растворов и бетона твердели в различных условиях, а деформации замерялись в течение длительного периода — до 710 сут.

В качестве заполнителя в растворных образцах-балочках использовались в одном случае дробленая до песка порода одного цвета, в другом — рассеянная на фракции 0—5; 5—10; 10—20 мм рядовая смесь, отобранная из отвала (соотношение фракций по ГОСТ 8269.0-7).

Результаты определения активного диоксида кремния заполнителей из термоизмененной породы приведены в табл. 2.

В качестве вяжущего использовался портландцемент южнокорейского производства марки ПЦ 500 Д0 с содержанием щелочей 0,9%. Рас-

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1

0

20 40 60 80

200

100 120 140 160 Сут

Рис. 1. Кинетика относительных деформаций растворных образцов с заполнителем из отдельных разностей термоизмененной породы при твердении в 1М растворе NaOH: 80 сут - температура раствора 80оС; далее до 180 сут - температура раствора 23-25оС. Обозначения в соответствии с табл.1

ÜS 0,15 -

0,05 -

-0,05

10

20

30 Сут

40

50

60

Рис. 2. Кинетика относительных деформаций растворных образцов с заполнителем из термоизмененной породы отдельных разностей при твердении в 1М растворе NaOH при 80оС в течение 60 сут. Обозначения в соответствии с табл. 1

Сут

Рис. 3. Кинетика относительных деформаций растворных образцов, содержащих термоизмененную породу разной активности, в зависимости от условий твердения: 20 сут в помещении (20-27оС, относительная влажность воздуха 60-80%), далее 110 сут твердение в воде. Обозначения в соответствии с табл. 1

-е-

ш

ч

0,05 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0

10

12

14

Сут

Рис. 4. Кинетика относительных деформаций растворных образцов с заполнителем из термоизмененной породы при твердении в 1М растворе NaOH при 80оС: 1 - щебень 5-10 мм; 2 - щебень 10-20 мм; 3 - песок 0-5 мм

0

2

4

6

8

rJ научно-технический и производственный журнал

М  январь/февраль 2017 79

-0,1

-0,2

-0,3

-0,4

-0,5

630 Сут

710

0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0

-0,005 -0,01

0

10

12

14

Мес

Рис. 5. Кинетика относительных деформаций растворных образцов с заполнителем из термоизмененной породы при твердении с 550 до 595 сут в нормальных условиях; с 595 до 710 сут — в термошкафу ^=38,1°С, над водой): 1 - щебень 5-10 мм; 2 - щебень 10-20 мм; 3 - песок 0-5 мм

Рис. 6. Кинетика относительных деформаций бетонных призм, изготовленных на заполнителе из термоизмененной породы, при твердении 12 мес в термошкафу ^=38,1°С, над водой): 1 - фр. 10-20 мм; 2 - фр. 20-40 мм

2

4

6

8

ход цемента во всех случаях принимался по ГОСТ 8269.0-97.

Результаты определения относительных деформаций образцов во времени и в разных средах твердения представлены на рис. 1-7.

Судя по одиннадцатому и последующим в течение месяца результатам измерения относительных деформаций образцов (рис. 1-2), твердеющих в 1М растворе NaOH при температуре среды 80оС и далее при комнатной температуре, исследованные разности породы с высоким содержанием реакционного SiO2 можно считать безопасными (по ГОСТ 8269.0-97) для бетонов, так как деформации не превышают допускаемой 0,1%. Однако при дальнейшем твердении в этих же условиях в период 40-100 сут величины деформаций начинают изменяться. У некоторых образцов они достигают (или превышают) критическое значение, у других нет (№ 1, 5). Следовательно, повышенные относительные деформации начались в уже затвердевшем растворе, что могло привести к разрушению. Однако это не привело к появлению каких-либо внешних дефектов или к разрушению образцов.

Подобные образцы при твердении в помещении в течение 20 сут, а затем до 130 сут в воде комнатной температуры показали отрицательные значения относительной деформации за весь период твердения (рис. 3).

Определялись относительные деформации растворных образцов с заполнителем из термоизмененной породы фракций 0-5; 5-10; 10-20 мм, отсеянных из пробы, отобранной на отвале. При этом порода фракций 5-10 и 10-20 мм предварительно дробилась. Соотношение фракций для экспериментов принималось по ГОСТ 8269.0-97 (рис. 4-5).

За период 15 сут относительные деформации расширения образцов не достигли критического значения 0,1%. Однако в ГОСТ 8269.0-97 есть условие: одиннадцатый результат испытания не должен отличаться от трех предыдущих более чем на 15%. И с учетом этого условия заполнитель попадает в группу потенциально реакционноспособных. Далее эти образцы до возраста 550 сут твердели в нормальных условиях. В возрасте 50 сут относительные деформации образцов уже фиксировались в пределах 0,001-0,007%. Относительные деформации до 550 сут твердения не замерялись. От 550 до 710 сут твердения (и при смене условий твердения) фиксировались только отрицательные относительные деформации (усадка).

Наиболее объективной считается оценка породы заполнителя замером относительных деформаций бетонных образцов-призм в течение года [8, 10].

0,03

-0,06-1-1-1-1-1-1-1-

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Сутки

Рис. 7. Кинетика относительных деформаций бетонных призм, изготовленных на заполнителе из термоизмененной породы, при твердении 60 сут в помещении при 20-27оС (90 сут — в воде): 1 - фр. 10-20 мм; 2 - фр. 20-40 мм

Таблица 2

Фракция заполнителя, мм SiO2 аморфн., % SiO2 реакц., ммоль/л

0-5 0,84 88,2

5-0 1,56 102,5

10-20 1,63 307,5

20-40 2,2 117

В качестве крупного заполнителя бетона использовался щебень, отсеянный из отобранной из отвала породы на фракции 10—20 мм (кривая 1) и 20—40 мм (кривая 2) на рис. 6 и 7. Каждая фракция дополнительно дробилась с целью получения необходимых фракций по ГОСТ 8269.0—97. Соотношение фракций щебня принималось по указанному стандарту. Результаты определения SiO2 реакц. заполнителя каждой фракции приведены в табл. 2.

Максимальные величины относительных деформаций бетонных образцов зафиксированы через 3 мес: 0,024 и 0,032 % (заполнитель из фракций 10—20 и 20—40 мм соответственно). До конца года деформации снижались и переходили в отрицательные. При погружении образцов в воду относительные деформации продолжали снижаться до 30 сут, затем увеличивались, однако критического значения (0,04%) не достигли и через 60 сут твердения стали снижаться.

Фазовый состав бетона в возрасте 30, 90, 360 и 610 сут твердения во влажной среде (определен канд. техн. наук

научно-технический и производственный журнал

Ю.В. Ефименко), в воде, по данным ДТГА, характерен для зрелых цементных материалов и представлен обычными новообразованиями в форме гидросиликатов, эт-трингита, моносульфата, гидроалюмината, портландита и его устойчивой формы кальцита. В горячем растворе 1М NaOH к 70-суточному возрасту происходит изменение фазового состава цементной матрицы — он уже представлен в основном гидросиликатом кальция.

Результаты исследования структуры цементных композитов с заполнителем высокой ПРС до возраста

Список литературы

1. Брайтенбюхер Р., Пшондзионо Р. Взаимодействие щелочей с кремнеземом в бетонных дорожных покрытиях // Цемент и его применение. 2015. № 4. С. 95-101.

2. Степанова В., Розенталь Н., Чехний Г., Любарская Г. Заполнители из горных пород для бетона // Строительство. 2008. № 7-8. С. 172-177.

3. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О., Тымчук Е.И. Оценка риска щелочной коррозии геополимерного бетона // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3. URL: http://web.snauka.ru/ issues/2015/03/50853 (дата обращения 15.06.2015).

4. Рояк Г.С., Грановская И.В., Стржалковская Н.В., Миленин Д.А. Зола-унос в бетоне для уменьшения последствий реакции щелочи цемента с кремнеземом заполнителей // Цемент. Бетон. Сухие смеси.

2014. № 4-5 (36). С. 80-90.

5. Виноградов Б.Н. Влияние заполнителей на свойства бетона. М.: Стройиздат, 1979. 224 с.

6. Рояк Г.С. Внутренняя коррозия бетона. М.: ЦНИИС. 2002. 156 с.

7. Штарк И., Вихт Б. Долговечность бетона. Пер. с нем. / Под ред. П. Кривенко. Киев: Оранта, 2004. 301 с.

8. Розенталь Н.К., Степанова В.Ф., Любарская Г.В. Требования к заполнителям будущего // Строительные материалы. 2006. № 8. С. 14-15.

9. Розенталь Н.К., Розенталь А.Н., Любарская Г.В. Коррозия бетона при взаимодействии щелочей с диоксидом кремния заполнителя // Бетон и железобетон. 2012. № 1. С. 50-60.

10. Сафаров К.Б. Применение реакционноспособных заполнителей для получения бетонов, стойких в агрессивных средах // Строительные материалы.

2015. № 7. С. 17-20.

11. Lindgard Jan, Thomas Michael D. A., Sellevold Erik J. Pedersen Bard, Andic-Cakir Ozge, Justnes Harald,Ronning Terhe F. Alkali-silica reaction (ASR) - performance testing: Influence of specimen pretreatment, exposure conditions and prism size on alkali leaching and prism expansion // Cement and Concrete Research. 2013. No. 53, pp. 68-90.

12. Rossella Pignatelli, Claudia Comi, Paulo J.M. Monteiro. A coupled mechanical and chemical damage model for concrete affected by alkali-silica reaction // Cement and Concrete Research. 2013. No. 53, pp. 196-210.

13. Thomas M.D.A. The effect of supplementary cementing materials on alkali-silica reaction // Cement and Concrete Research. 2011. No. 41, pp. 1224-1231.

14. Pan J.W., Feng Y.T., Wang J.T., Sun Q.C., Zhang C.H., Owen D.R.J. Modeling of alkali-silica reaction in concrete // Frontier of Structural Civil Engineering. 2012. No. 6, pp. 1-18.

15. Lindgard Jan, Thomas Michael D.A., Sellevold Erik J. Pedersen Bard, Andic-Cakir Ozge, Justnes Harald, Ronning Terhe F. Alkali-silica reaction (ASR) -performance testing: Influence of specimen pretreatment, exposure conditions and prism size on concrete porosity, moisture state and transport properties // Cement and Concrete Research. 2013. No. 53, pp. 145-167.

710 сут, твердевших в различных средах, не выявили никаких коррозионных процессов.

Таким образом, легкий заполнитель из термоизме-ненной (горелой) породы с высокой ПРС (активностью по реакционному кремнезему в шесть раз выше допускаемого отечественными стандартами) может считаться безопасным для цементных бетонов и растворов, твердеющих при положительной температуре в относительно сухих, влажных условиях и в пресной воде.

References

1. Braytenbyukher R., Pshondziono R. Interaction of alkalis with silicon dioxide in concrete road carpets. Tsement i egoprimenenie. 2015. No. 4, pp. 95-101. (In Russian).

2. Stepanova V., Rozenthal N., Chekhny G., Lyubarskaya G. Fillers from rocks for concrete. Stroitel'stvo. 2008. No. 7-8, pp. 172-177. (In Russian).

3. Eroshkina N.A., Korovkin M.O., Timchuk E.I. Risk assessment of alkaline corrosion of geopolymer concrete. Sovromenniye nauchniye issledovaniya i innovacii. 2015. No. 3. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/50853 (date of access 15.06.15). (In Russian).

4. Royak G.S., Granovskaya I.V., Strzhalkovskaya N.V., Milenin D.A. Fly ash in concrete for mitigating the consequences of the reaction of cement alkalis with silica in aggregates. Cement. Beton. Suhiesmesi. 2014. No. 4-5 (36), pp. 80-90. (In Russian).

5. Vinogradov B.N. Vliyanie zapolnitelei na svoistva betona [Influence of fillers on properties of concrete]. Moscow: Stroyizdat, 1979. 224 р.

6. Royak G.S. Vnutrennyaya korroziya betona [Internal corrosion of concrete]. Moscow: TsNIIS. 2002. 156 р.

7. Shtark I., Vikht B. Dolgovechnost' betona. Pod red. P. Krivenko [The durability of concrete (trans. From German.). Ed. A.P. Krivenko]. Kiev: Oranta. 2004.301 p.

8. Rozenthal N.K., Stepanova V.F., Lyubarskaya G.V. Requirements to future fillers. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2006. No. 8, pр. 14-15. (In Russian).

9. Rozental N.K., Rozental А.Н., Lyubarskaya G.V. Corrosion of concrete by reacting alkalis with silica aggregates. Beton i zhelezobeton. 2012. No. 1, pp. 50-60. (In Russian).

10. Safarov K.B. Use of reactive fillers for receiving the concrete permanent in hostile environment. Stroitel'nye materialy [Construction materials]. 2015. No. 7, pp. 17-20. (In Russian).

11. Lindgard Jan, Thomas Michael D. A., Sellevold Erik J. Pedersen Bard, Andic-Cakir Ozge, Justnes Harald, Ronning Terhe F. Alkali-silica reaction (ASR) - performance testing: Influence of specimen pretreatment, exposure conditions and prism size on alkali leaching and prism expansion. Cement and Concrete Research. 2013. No. 53, pp. 68-90.

12. Rossella Pignatelli, Claudia Comi, Paulo J.M. Monteiro. A coupled mechanical and chemical damage model for concrete affected by alkali-silica reaction. Cement and Concrete Research. 2013. No. 53, pp. 196-210.

13. Thomas M.D.A. The effect of supplementary cementing materials on alkali-silica reaction. Cement and Concrete Research. 2011. No. 41, pp. 1224-1231.

14. Pan J.W., Feng Y.T., Wang J.T., Sun Q.C., Zhang C.H., Owen D.R.J. Modeling of alkali-silica reaction in concrete. Frontier of Structural Civil Engineering. 2012. No. 6, pp. 1-18.

15. Lindgard Jan, Thomas Michael D.A., Sellevold Erik J. Pedersen Bard, Andic-Cakir Ozge, Justnes Harald, Ronning Terhe F. Alkali-silica reaction (ASR) - performance testing: Influence of specimen pretreatment, exposure conditions and prism size on concrete porosity, moisture state and transport properties. Cement and Concrete Research. 2013. No. 53, pp. 145-167.

научно-технический и производственный журнал