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

мелкозернистых минеральных отходов горного производства

М.Д. Бутакова, Ф.А. Зырянов (ФГБОУ ВПО«ЮУрГУ» (НИУ)), г. Челябинск

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 научноисследовательской 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 лещад-ных 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.

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.

Показатель Наименование мелкого заполнителя

Песок природный Рядовой отсев Фракционированный 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

Е одвижность 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 ди-струкция.

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.

Показатель Наименование мелкого заполнителя

Песок природный Рядовой отсев Фракционированный 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

одвижность 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