Использование мелких строительных песков и техногенных отходов в цементных композициях

УДК 628.171:691.223:553.571

DOI: 10.24411/1728-323X-2019-12069

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕЛКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЕСКОВ И ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ В ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЯХ

О. А. Чумакова, ст. преподаватель кафедры «Инженерная экология», ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», ie@pguas.ru, Пенза, Россия

Основным достоинством и мотивацией появления порошковых бетонов нового поколения является возможность использования измельченной или отсеянной тонкой фракции кварцевого песка. Ограниченная область использования мелких природных песков, практически невостребованных в технологии традиционных бетонов, требует расширения рациональной области их применения. Присутствие в составе строительного песка преобладающего количества кварца, значительно активизирующего свои свойства при помоле, способствует увеличению реакционно-химической активности дисперсных частиц кварца. Формирование структуры цементных композиций, модифицированных измельченным строительным песком, обусловлено образованием гидросиликатов кальция. В статье представлены результаты использования мелких строительных песков и техногенных отходов в составе цементных композиций. Показано, что комплексное введение песков и техногенных отходов позволяет повысить прочность бетонов нового поколения и расширить область использования мелких строительных песков месторождений Пензенской области, что способствует значительному ресурсосбережению и развитию экоиндустрии в строительстве.

The main advantage and motivation of the new generation of powdered concrete is the possibility of using crushed or sifted fine fraction of quartz sand. The limited area of use of fine natural sands, almost unclaimed in the technology of traditional concrete, requires the expansion of their rational application. The presence of a predominant amount of quartz in the construction sand, which significantly activates its properties during grinding, increases the reactionary and chemical activity of the dispersed quartz particles. The formation of the structure of cement compositions modified by crushed construction sand is due to the formation of calcium hydrosilicates. The article presents the results of the use of fine construction sands and man-made waste in the structure of cement compositions. It is shown that the integrated introduction of sand and man-made waste can improve the strength of the new generation of concrete and expand the use of fine construction sand deposits of the Penza Region, which contributes to significant resource conservation and development of the eco-industry in construction.

Ключевые слова: состав, цементные композиции, техногенные отходы, строительные пески, бетоны, свойства, плотность, прочность.

Keywords: structure, cement compositions, industrial waste, construction sands, concretes, properties, density and strength.

Введение. Технология получения тяжелых бетонов, в том числе мелкозернистых, предусматривает использование кварцевых песков. В зарубежной промышленности в составах цементных бетонов 15—20 % цемента заменяется тонкодисперсным наполнителем на основе кварца, который заполняет все микропоры, за счет чего увеличивается прочность бетонов, уменьшается их водопоглощение, значительно увеличиваются эксплуатационные свойства бетонов [1, 2]. Основным достоинством и мотивацией появления порошковых бетонов нового поколения является возможность использования измельченной или отсеянной тонкой фракции кварцевого песка. Это отличает реакционно-порошковые бетоны от мелкозернистых (песчаных) и щебеночных бетонов [3, 4].

Цель данного исследования. В настоящей работе представлены результаты использования мелких строительных песков месторождений Пензенской области и техногенных отходов в составе цементных композиций.

Результаты и обсуждения. Строительные пески месторождений Пензенской области в основном относятся к мелкозернистым с низким модулем крупности 1,5...1,8. Ограниченная область использования таких мелких природных песков, практически невостребованных в технологии традиционных бетонов, требует расширения рациональной области их применения. Объемы добычи строительных песков составляют свыше 100 млн м3. Из них для строительной индустрии используется не более 50 % (сухие строительные смеси, бетоны, силикатные материалы и пр.) [5, 6].

Измельченный кварц (маршалит) используется в различных отраслях промышленности. Известно применение марша-лита в качестве тонкодисперсного наполнителя сухих строительных смесей, наливных полов, декоративных штукатурок, термореактивных пластмасс, строительного стекловолокна и медицинского стекла. Учитывая, что маршалит практически полностью состоит из высокопрочного кварца, он идеально подходит как наполнитель для всех видов цементных бетонов. Некоторые производители получают пылевидный кварц помолом кварцевого песка или каменных пород. Ниже приведены физико-технические показатели Ухтинского место -рождения кварцевого песка. Используемая фракция 0,05 мм (50 микрон), плотность — 2,55 г/см3, влажность не более 5 %. Химический состав месторождения представлен следующими оксидами (в %): 8Ю2 — 97,30...99,42; А1203 — 0,10...0,95 Ре203 — 0,46...0,80; СаО — 0,14...0,70; ме0 — до 0,40 №20 + К20 — 0,13...0,33; 803 — 0,019; Я203 — 0,9...1,45 п.п.п. — 0,34...0,54. Присутствие в составе строительного песка преобладающего количества кварца, значительно активизирующего свои свойства при помоле, способствует увеличению

-

------

.....3 36 70 1,8 (................. .. 188

4,2893 ' 89 I 2,4578 2,1304 , №1 'I803 , 1,6714 1,54 1,6714 тс 1,3816 16 Т А 1,2883 1

20°

15

65

75

Рис. 1. Рентгенограмма строительного песка

реакционно-химической активности дисперсных частиц кварца. Минералогический состав песка, исходя из результатов рентгенофазового анализа, представлен в основном кварцем (рефлексы 4,2893; 3,670; 2,4580 А и др.) с незначительным содержанием слюды и полевых шпатов (рис. 1) [5].

Формирование структуры цементных композиций, модифицированных измельченным строительным песком, обусловлено образованием гидросиликатов кальция вида Сз8бИз — 3,0377; 2,7883; 1,9265 А; С^2И3 — 2,7556; 2,4543; 2,1918 А. Для цементного камня без добавок характерно присутствие портландита Са(ОН)2 — 4,9433; 2,6383 А. Формируются торбирморитоподобные фазы хСа0ySi02zH20: характерные рефлексы С^6И3 — 3,0469; 2,7913; 1,9312 А; С^2И3 — 2,7565; 2,6558; 2,1979 А (рис. 2).

Активная форма измельченного аморфизиро-ванного кварца взаимодействует с гидролизной известью, выделяемой в процессе гидратации минералов цементного клинкера, с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция.

Благодаря высокой водоредуцирующей эффективности суперпластификатора в тонких прослойках воды интенсивно протекают реакции гидратации, гидролиз минералов цементного клинкера, взаимодействие гидролизной извести (портландита) с тончайшими частицами кварцевого песка с образованием тоберморитоподобной фазы и ксонотлита. Таким образом, исходя из состава и свойств песка, возможно его использование в измельченном виде в качестве модифицирующей добавки цементных композиций.

При разработке составов порошковых бетонов нового поколения использована структурообразующая функция комплексного введения органо-минеральных модификаторов (КОМД) из природных и техногенных отходов в сочетании с армирующими элементами из металлокорда. В качестве дисперсных наполнителей таких добавок использовались каменные реакционно-активные порошки на основе строительного песка месторождения с. Ухтинка Пензенской области, измельченного до удельной поверхности Sуд = 410 м2/кг. Органическим компонентом являлся отечественный суперпластификатор С-3, вводимый в количестве 0,9 % от массы цемента. Комплексные ор-ганоминеральные добавки (КОМД) обеспечивают повышение физико-механических и эксплуатационных характеристик фибробетона за счет упрочнения цементирующей матрицы. Обеспечение качественных показателей бетонов нового поколения достигается сочетанием высокой прочности стальной проволоки из металлокорда и высокопрочной цементной матрицы [6]. Характеристика составов и оценка физико-механических показателей мелкозернистого порошкового бетона (состав 1), порошкового фибробетона с использованием промышленной фибры (состав 2) и металлокорда (состав 3) представлены в таблицах 1, 2. Для изготовления опытных образцов использовались следующие исходные материалы: портландцемент ПЦ 500 Д0 с удельной поверхностью Sуд = 360 м2/кг; кварцевый песок карьера Песчанка Ртищевского р-на Саратовской области, просеянный через сито 1,25 мм. Модифици-

0

I, имп/с

120 100 80 60 40 20 0

500 400 300 200 100 0

I, имп/с

4,9433

2,7913

-г-

15

—i—

25

3,3504

35

а)

-г-

45

55

—i—

65

—i 75

4,9275 4,2690 2 ,7883 2,6336 7 2,7556 ¡-24543 1,9265 1,8197 1,5420 | . : 2,4543 2,1918 .. 1,7967 1,4912 ,^ ,4 ., ]». .......

3,037 t

15

25

35

б)

45

55

65

75

Рис. 2. Рентгенограммы гидратированного цемента: а) цементный камень без добавок; б) — то же, с добавкой, измельченного строительного песка в количестве 20 % от расхода цемента

рование цементной матрицы осуществлялось комплексными органоминеральными добавками. В качестве армирующих элементов принята промышленная стальная фибра производства Белорусского металлургического комбината и метал-

Составы порошковых {

локорд. Расход фибры не превышал 1,5 % от массы сухой смеси. Соотношение 1/ё составляло 60 единиц. Водотвердое отношение без учета массы фибры В/Т = 0,1, водоцементное отношение достигало 0,307. Перемешивание бетонной

Таблица 1

онов нового поколения

№ состава Расход материала на 1 м3, кг Фибра, кг

Цемент Мелкий заполнитель Наполнитель С-3 Вода Промышленная Металлокорд

1 715,0 1473 214,5 7,2 231 _ _

2 709,0 1247 212,7 7,1 207 234 _

3 712,0 1241 213,6 7,1 218 _ 234

Таблица 2

Физико-механические и реологические показатели порошковых бетонов

№ состава В/Ц Плотность, кг/м3 Прочность на растяжение при изгибе и сжатии Лаз1/Лсж в возрасте, МПа

1 сут 7 сут 28 сут

1 0,320 2376 8,1/52, 10,6/123,6 15,9/125,2

2 0,292 2481 15,0/72,4 19,6/148,8 22,1/180,2

3 0,306 2465 14,4/71,9 20,1/133,1 21,8/178,8

Примечание. Расплыв конуса Хагерманна составляет 295x300 мм.

смеси осуществлялось миксером при скорости вращения 300—600 об/мин.

Заключение. Расширить области использования мелких природных песков, невостребованных в технологии традиционных бетонов, позволяет сочетание реологической активности дисперсных наполнителей из измельченного кварцевого пес-

ка с реакционно-химической активностью их по отношению к продуктам гидратации цемента. В связи с широкой распространенностью мелких песков в различных регионах РФ замена промышленного микрокварца способствует значительному ресурсосбережению и развитию экоин-дустрии в строительстве.

Библиографический список

1. Баженов Ю. М., Демьянова В. С., Калашников В. И. Модифицированные высокопрочные бетоны: моногр. М.: АСВ, 2007. - 368 с.

2. Демьянова В. С., Макаров М. М., Дярькин Р. А., Кураков П. А. Снижение техногенной нагрузки на окружающую среду путем использования отходов автопромышленного комплекса // Экология урбанизированных территорий. — 2008. — № 4. С. 86—90.

3. Калашников В. И., Ананьев С. В., Хвастунов В. Л., Мороз М. Н. Бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности // Вестник отделения строительных наук. Москва—Иваново. — 2010. — Вып. 14. Т. 2. С. 27—32.

4. Калашников В. И. Промышленность нерудных строительных материалов и будущее бетонов // Строительные материалы. — 2008. — № 3. С. 20—22.

5. Чумакова О. А., Артемьева Ю. С., Устинова А. А. Рациональные области использования мелких строительных песков месторождений Пензенской области // Сборник трудов Международной научной конференции «Экология, безопасность в техносфере, охрана труда». Пенза: ПГУАС, 2012. — С. 32—36.

6. Гусев А. Д. Эффективные строительные материалы с использованием техногенных отходов: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность 05.23.05. — Строительные материалы и изделия. — Пенза. — 2012. — 20 с.

THE USE OF FINE CONSTRUCTION SAND AND TECHNOGENIC WASTE IN CEMENT COMPOSITIONS

O. A. Chumakova, Senior Teacher of the Department of Engineering Ecology,

FGBOU VO "Penza State University of Architecture and Construction", ie@pguas.ru, Penza, Russia

References

1. Bazhenov Yu. M., Dem'yanova V. S., Kalashnikov V. I. Modificirovannye vysokoprochnye betony [Modified high strength concrete]: monogr. Moscow, ASV, 2007. 368 p. [in Russian]

2. Dem'yanova V. S., Makarov M. M., Dyar'kin R. A., Kurakov P. A. Snizhenie tekhnogennoj nagruzki na okruzhayushchuyu sredu putyom ispol'zovaniya othodov avtopromyshlennogo kompleksa [Reducing the anthropogenic impact on the environment through the use of waste from the automotive industry]. Ehkologiya urbanizirovannyh territorij. 2008. No. 4. P. 86—90. [in Russian]

3. Kalashnikov V. I., Anan'ev S. V., Khvastunov V. L., Moroz M. N. Betony novogo pokoleniya s nizkim udel'nym raskhodom cementa na edinicu prochnosti [The concrete of the new generation with low specific consumption of cement per unit of strength]. Vestnik otdeleniya stroitel'nyh nauk. Moscow-Ivanovo. 2010. No. 14. Vol. 2. P. 27—32. [in Russian]

4. Kalashnikov V. I. Promyshlennost' nerudnyh stroitel'nyh materialov I budushchee betonov [Nonmetallic building materials industry and the future of concrete] Stroitel'nye materialy. 2008. No. 3. P. 20—22. [in Russian]

5. Chumakova O. A., Artem'eva Yu. S., Ustinova A. A. Racional'nye oblasti ispol'zovaniya melkih stroitel'nyh peskov mestoro-zhdenij Penzenskoj oblasti [Rational areas of the use of small building sands from the deposits of the Penza Region] Sbornik trudov Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii "Ehkologiya, bezopasnost' v tekhnosfere, ohrana truda". Penza: PGUAS, 2012. P. 32—36. [in Russian]

6. Gusev A. D. Ehffektivnye stroitel'nye materialy s ispol'zovaniem tekhnogennyh othodov [Efficient building materials using man-made waste]: Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenojstepeni kandidata tekhnicheskih nauk. Special'nost' 05.23.05. Stroitel'nye materialy i izdeliya. Penza. 2012. 20 p.