Эксплуатационные характеристики бетона на заполнителе из осадочных горных пород

УДК 666.972.1

С.Н. ЛЕОНОВИЧ, д-р техн. наук, иностранный академик РААСН, Н.Л. ПОЛЕЙКО, канд. техн. наук

Белорусский национальный технический университет

Эксплуатационные характеристики бетона на заполнителе из осадочных горных пород

Область экономического использования различных видов заполнителей все время расширяется из-за постоянно меняющихся требований к бетонам по их эксплуатационным качествам, области применения, физико-техническим свойствам, условиям долговечности и т. д. Многочисленными исследованиями установлено, что наиболее рациональное применение различных видов заполнителей в бетоне оказывает большое влияние на технические характеристики бетона строительных конструкций. Приведены результаты исследований бетона на щебне из флюсового известняка, который является вторичным продуктом металлургической промышленности. На основании проведенных исследований показано, что флюсовый известняк может применяться для изделий и конструкций из тяжелого бетона наряду с такими заполнителями, как гранитный щебень и природный гравий.

Ключевые слова: щебень гранитный, флюсовый известняк, щебень из гравия, бетон.

S.N. LEONOVICH, Doctor of Sciences (Engineering), Foreign Academician of RAACS,

N.L. POLEYKO, Candidate of Sciences

Belarusian National Technical University

Operating Characteristics of Concrete with a Filler from Secondary Rocks

The field of economic application of various types of fillers is expanding all the time due to permanently changing requirements for concretes concerning their operating qualities, application fields, physical-technical properties, durability conditions etc. Numerous studies have established that the most rational use of various types of fillers in the concrete greatly influences on the technical characteristics of the concrete of building structures. Results of the studies of the concrete prepared with crushed fluxing limestone, which is a secondary product of metallurgical industry, are presented. On the basis of the study conducted, it is shown that the fluxing limestone can be used for products and structures of heavy-weight concrete along with such fillers as granite macadam and natural gravel. Keywords: granite macadam, fluxing limestone, crushed gravel, concrete.

Разносторонние требования к эксплуатационным качествам, области применения и физико-техническим свойствам бетонов, требования долговечности, а также к работе предприятий строительной индустрии в рыночных условиях расширяют область экономического использования различных видов заполнителей [1-8].

Если учесть, что заполнители занимают в бетоне до 80% объема и их стоимость достигает 50% стоимости бетонных и железобетонных конструкций, становится понятным, почему изучение, правильный выбор заполнителей и их рациональное применение влияют на свойства бетонной смеси, бетонных и железобетонных конструкций, а также на технико-экономическую эффективность производства строительных изделий из сборного и монолитного бетона и железобетона в целом [9-14].

В настоящее время в Беларуси в качестве крупного заполнителя для приготовления тяжелого бетона используют гранитный щебень, щебень из гравия и гравий. Гранитный щебень относится к глубинным изверженным горным породам, гравий и щебень из гравия — к осадочным.

В данной статье рассматриваются результаты испытаний тяжелых бетонов на крупном заполнителе из осадочной горной породы — известняке. Флюсовый известняковый щебень — вторичный продукт в металлургической промышленности, в частности на РУП «Белорусский металлургический завод». В технологии металлургического производства для выплавки стали применяют флюсовый известняк (известняковый щебень) фракции 5 мм и ниже. Вторичный продукт — щебень, который характеризуется содержанием зерен от 5 до 40 мм, причем количество крупных фракций существенно превосходит количество мелких. Флюсовый известняк выпускают в соответствии с

требованиями ТУУ 14-16-53—2000 «Щебень из флюсового известняка». Химический состав и процентное содержание основных соединений представлены в табл. 1.

Как свидетельствуют данные, приведенные в табл. 1, флюсовый известняк представляет собой материал осадочного происхождения, состоящий преимущественно из оксидов кальция и магния. Согласно требованиям СТБ 1544—2005 «Бетоны конструкционные тяжелые. Технические условия», в качестве заполнителей для приготовления тяжелых бетонов могут применяться материалы из осадочных горных пород. Предварительно проведенные испытания по определению физико-механических характеристик осадочной горной породы показали, что щебень из флюсового известняка состоит преимущественно из фракции 20—40 мм. По содержанию лещадных зерен, пылевидных частиц и марке по дробимости щебень из флюсового известняка удовлетворяет требованиям согласно ГОСТ 8267—93 «Щебень и гравий из плотных горных пород. Технические условия». Физико-механические характеристики представлены в табл. 2.

Таблица 1

Показатель Содержание, мас. %

Массовая доля СаО + МдО 52,5-54

Массовая доля МдО 5

Массовая доля SЮ2 1,5-2

Массовая доля S 0,06-0,09

Массовая доля Р 0,06-0,09

Массовая доля нерастворимого остатка в соляной кислоте 2-4

научно-технический и производственный журнал f ptyj f ^дjjijJJljlrf

август 2016 L'j!

Таблица 2

Физико-механические характеристики щебня из флюсового известняка

Содержание зерен, %, крупностью, мм Насыпная плотность, кг/м3 Плотность в уплотненном состоянии, кг/м3 Плотность зерен, кг/м3

Свыше 40 40-20 20-10 10-5 Менее 5

8,79 82,47 8,06 0,36 0,31 1278 1430 2610

Содержание зерен лещадной и игловатой форм - 16,3 мас. %. Содержание пылевидных частиц - 1,9 мас. %. Марка щебня по дробимости - 1000.

Таблица 3

Наименование заполнителя Содержание фракций (известняка, гранита и гравия) в крупном заполнителе, %

Щебень из флюсового известняка Гранитный щебень Гравий

5-10 10-20 20-40 5-10 10-20 20-40 5-10 10-20 20-40

Смешанный - - 50 20 30 - - - -

Гранитный - - - 20 30 50 - - -

Гравий - - - - - - 20 30 50

Таблица 4

№ состава Расход составляющих, кг на 1 м3 бетонной смеси В/Ц

Цемент Песок Смешанный заполнитель Гранитный щебень Гравий

1 250 785 1200 - - 0,6

2 350 745 1150 - - 0,5

3 450 745 1100 - - 0,4

4 250 780 - 1200 - 0,6

5 350 745 - 1150 - 0,5

6 450 740 - 1100 - 0,4

7 350 750 - - 1150 0,5

Для применения данного щебня в качестве крупного заполнителя требуется его обогащение мелкими фракциями, так как при данном зерновом составе он не соответствует требованиям СТБ 1544—2005 «Бетоны конструкционные тяжелые. Технические условия» и обладает повышенной пустотностью, что приводит к перерасходу цемента в бетонной смеси. Для обогащения известнякового щебня и получения смешанного заполнителя использовали обычный гранитный щебень и природный гравий.

С целью определения рациональной области применения известнякового щебня проводились исследования по изучению влияния данного заполнителя на прочностные и эксплуатационные свойства тяжелых бетонов. Были подобраны составы бетонов различных классов по прочности при сжатии. Результаты, полученные при испытании бетона на известняковом щебне, сравнивались с аналогичным бетоном, изготовленным на гранитном щебне. Для получения сопоставимых данных искусственно подбирали фракционный состав гранитного щебня до появления кривой просеивания, аналогичной смешанному заполнителю.

Содержание отдельных фракций в смешанном крупном заполнителе, гранитном щебне и гравии представлено в табл. 3.

Расход цемента в бетонной смеси варьировался от 250 до 450 кг на 1 м3, ВЦ — от 0,4 до 0,6. Составы бетона приведены в табл. 4.

При подборе состава бетона использовали песок с Мк=2,51 и портландцемент ПЦ 500 Д20 ОАО «Красно-сельскстройматериалы».

Таблица 5

№ состава Предел прочности*, МПа, в возрасте 28 сут

при сжатии растяжение при раскалывании

1 23,7/26,2 1,5/1,9

2 33,0/36,4 2,4/2,8

3 44,3/51,1 2,7/3,1

4 22,7/25,8 1,4/2,

5 33,4/37,1 2,5/2,7

6 46,7/49,5 2,8/3,

7 28,2/31,5 1,7/2,2

Примечание. *Значения минимального и максимального пределов прочности, полученных при испытаниях.

Для исследований в лабораторных условиях изготавливались опытные образцы, которые твердели в нор-мально-влажностных условиях и подвергались испытанию в возрасте 28 сут.

Прочность бетонов при сжатии и растяжение при раскалывании определяли на образцах-кубах с ребром 15 см. Результаты испытаний по определению прочности при сжатии и растяжении при раскалывании представлены в табл. 5.

[  - >1'.: > ^ : г;-' научно-технический и производственный журнал август 2016

Таблица 6

Морозостойкость и водонепроницаемость образцов, изготовленных на смешанном заполнителе и гранитном щебне

Вид заполнителя Расход цемента В/Ц Водопоглощение, мас. % W, МПа F, циклы

Смешанный 250 0,6 7,2 0,2 75

Гранитный 250 0,6 7,7 0,2 75

Смешанный 350 0,5 5,8 0,4 100

Гранитный 350 0,5 6,3 0,4 100

Смешанный 450 0,4 4,2 0,6 150

Гранитный 450 0,4 4,6 0,6 150

Таблица 7

Результаты потенциостатических исследований

Показатель Требования нормативного документа Фактическое значение

Установившийся потенциал, мВ - -310/-324*

Плотность тока при потенциале +300 мВ, мкА/см2 До 10 1,21/1,56*

Потенциал разрушения пассивной пленки, мВ - +550/+630*

Примечание. * Значение показателей для образцов на смешанном заполнителе.

Экспериментальные данные (табл. 5) показывают, что бетон на смешанном заполнителе по прочностным показателям не отличается от обычного бетона, изготовленного на гранитном щебне. Смешанный заполнитель, состоящий из зерен, имеющих более развитую поверхность, превосходит по прочностным показателям бетон, изготовленный с использованием гравия, зерна которого имеют окатанную поверхность.

Немаловажное значение имеет исследование заполнителя на соответствие эксплуатационным характеристикам бетонов, к которым относятся показатели, косвенно характеризующие долговечность материала, а именно: способность бетона противостоять воздействию знакопеременной температуры (морозостойкость), способность бетона противостоять проникновению различных агрессивных веществ (водонепроницаемость), а также защищать стальную арматуру в течение длительного срока эксплуатации (защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре) [15].

Для оценки морозостойкости и водонепроницаемости бетона, изготовленного с использованием заполнителя из флюсового известняка, готовились основные образцы на смешанном заполнителе и контрольные — на гранитном щебне. Образцы формовали из составов бетона с расходом цемента 250, 350 и 450 кг на 1 м3 при В/Ц=0,6; 0,5 и 0,4. Морозостойкость и водонепроницаемость определяли по методике согласно ГОСТ 10060.1—95 «Бетоны. Базовый метод определения морозостойкости» и ГОСТ 12730.5—84 «Бетоны. Методы определения водонепроницаемости». Результаты испытаний представлены в табл. 6.

Данные табл. 6 свидетельствуют о том, что известняковый щебень не влияет на такие свойства бетона, как морозостойкость и водонепроницаемость. Незначительное различие в показателе водопоглощения образцов на смешанном и гранитном щебне может быть вызвано снижением капиллярной пористости цементного камня при использовании смешанного заполнителя. Капиллярная пористость цементного камня в бетоне определяется истинным водоцементным отношением, которое зависит от способности заполнителя поглощать

часть воды при затворении бетонной смеси. По опытным данным, количество воды, поглощаемое зернами известнякового щебня при прочих равных условиях, на 40% выше, чем количество воды, поглощаемое зернами гранитного щебня.

Таким образом, при использовании в качестве крупного заполнителя щебня из флюсового известняка при прочих равных условиях создается возможность для снижения капиллярной пористости цементного камня. Однако, как свидетельствуют результаты испытаний, это не оказывает ощутимого влияния на повышение морозостойкости и водонепроницаемости бетона.

Поскольку, как было показано выше, в материале щебня из флюсового известняка в незначительном количестве присутствуют соединения серы и фосфора, вполне естественным является изучение влияния данного заполнителя на защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре. Оценку защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре проводили по методике согласно СТБ 1168—99 «Бетоны. Метод контроля коррозионного состояния стали в бетоне и защитных свойств». Состав бетона на смешанном заполнителе для проведения исследований принимался согласно СТБ 1168—99. Для сравнения были выбраны образцы бетона, изготовленного с использованием гранитного щебня. В качестве рабочего электрода использовали арматуру класса S240. Результаты испытаний представлены в табл. 7.

Согласно данным табл. 7 и требованиям, приведенным в СТБ 1168—99, сталь в образцах на смешанном заполнителе (щебень из флюсового известняка + гранитный щебень) находится в пассивном состоянии. Следовательно, на начальном этапе (до воздействия эксплуатационной среды) бетон на щебне из флюсового известняка обладает достаточными защитными свойствами по отношению к стальной арматуре.

В рамках выполненных исследований были разработаны и прошли апробацию составы бетонных смесей с использованием щебня из флюсового известняка, подобраны бетонные смеси и разработаны рекомендации по применению флюсового известняка при производстве железобетонных изделий.

научно-технический и производственный журнал ^^(д

август 2016

Выводы.

1. Применение известнякового щебня в качестве крупного заполнителя возможно путем его обогащения, т. е. приведения его зернового состава в соответствие с требованиями нормативной документации.

2. Щебень из флюсового известняка не влияет на прочностные показатели бетонов, а также не оказывает отрицательного влияния на морозостойкость и водонепроницаемость бетона.

3. Бетон на заполнителе из флюсового известняка обладает достаточными защитными свойствами по отношению к стальной арматуре (сталь находится в пассивном состоянии).

Список литературы

1. Вайсберг Л.А., Каменева Е.Е., Аминов В.Н. Оценка технологических возможностей управления качеством щебня при дезинтеграции строительных горных пород // Строительные материалы. 2013. № 11. С. 30-34.

2. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. Ростов н/Д: Феникс, 2007. 368 с.

3. Вайсберг Л.А., Каменева Е.Е. Исследование структуры порового пространства гнейсогранита методом рентгеновской компьютерной микротомографии // Обогащение руд. 2013. № 3. С. 37-41.

4. Олейник П.П., Олейник С.П. Организация системы переработки строительных отходов. М.: МГСУ, 2009. 251 с.

5. Ильичев В.А., Карпенко Н.И., Ярмаковский В.Н. О развитии производства строительных материалов на основе вторичных продуктов промышленности // Строительные материалы. 2011. № 4. С. 36-42.

6. Горшков В.С., Александров С.Е., Иващенко С.И., Горшкова И.В. Комплексная переработка и использование металлургических шлаков в строительстве / Под ред. В.С. Горшкова. М.: Стройиздат, 1985. 272 с.

7. Вешнякова Л.А., Фролова М.А., Айзенштадт А.М., Лесовик В.С., Михайлова О.Н., Махова Т.А. Оценка энергетического состояния сырья для получения строительных материалов // Строительные материалы. 2012. № 10. С. 55-56.

8. Полейко Н.Л., Леонович С.Н. Физико-механические показатели бетона на кубовидном щебне // Строительные материалы. 2015. № 7. С. 13-16.

9. Пучин К.Г. Вопросы экологии использования твердых отходов черной металлургии в строительных материалах // Строительные материалы. 2012. № 8. С. 54-56.

10. Юшков Б.С., Семенов С.С. Металлургические шлаки в производстве железобетонных свай, эксплуатирующихся в неагрессивной среде // Строительные материалы. 2012. № 12. С. 14-15.

11. Петров В.П., Токарева С.А. Пористые заполнители из отходов промышленности // Строительные материалы. 2011. № 11. С. 46-50.

12. Старчуков Д.С. Бетоны ускоренного твердения с добавками твердых веществ неорганической природы // Бетон и железобетон. 2011. № 4. С. 22-24.

13. Загер И.Ю., Яшинькина А.А., Андропова Л.Н. Сравнительная оценка продуктов дробления горных пород месторождений нерудных строительных материалов Ямало-Ненецкого автономного округа // Строительные материалы. 2011. № 5. С. 84-86.

14. Добшиц Л.М., Магомедэминов И.И. Определение морозостойкости крупного заполнителя для тяже-

лых бетонов // Бетон и железобетон. 2012. № 4. С. 16-19.

15. Корнеева Е.В. Исследования шлаков сталеплавильного производства с целью вторичного использования // Строительные материалы. 2012. № 8. С. 62-63.

References

1. Vaysberg L.A., Kameneva E.E., Aminov V.N. Assessment of technological capabilities of control over crushed stone quality in the course of disintegration of building rocks. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 11, pp. 30-34. (In Russian).

2. Dvorkin L.I., Dvorkin O.L. Stroitel'nye materialy iz otk-hodov promyshlennosti [Construction materials from the waste industry]. Rostov-on-Don: Feniks. 2007. 368 p.

3. Vaysberg L.A., Kameneva E.E. Investigation of the structure of the pore space gneiss-granite by X-ray microto-mography computer. Obogashchenie rud. 2013. No. 3, pp. 37-41. (In Russian).

4. Oleinik P.P., Oleinik S.P. Organizatsiya sistemy pere-rabotki stroitel'nykh otkhodov. [Organization of recycling construction waste]. Moscow: MGSU. 2009. 251 p.

5. Il'ichev V.A., Karpenko N.I., Yarmakovsky V.N. About development of building materials production on the basis of secondary industrial products (SIPs). Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 4, pp. 36-42. (In Russian).

6. Gorshkov V.S., Alexandrov S.E., Ivashchenko S.I., Gorshkov I.V. Kompleksnaya pererabotka i ispol'zovanie metallurgicheskikh shlakov v stroitel'stve / Pod red. V.S. Gorshkova [Complex processing and use of metallurgical slag in construction. Ed. by V.S. Gorshkov]. Moscow: Stroyizdat. 1985. 272 p.

7. Veshnjakova L.A., Frolova M.A., Eisenstadt A.M., Lesovik V.S., Mikhailov O.N., Machova T.A. Evaluation of energetic state of raw material for production of building materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 10, pp. 55-56. (In Russian).

8. Poleyko N.L., Leonovich S.N. Physical-mechanical characteristics of concrete with cubiform crushed stone. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 7, pp. 13-16. (In Russian).

9. Puchin K.G. Environmental matters of use of ferrous metallurgy solid waste in construction materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 8, pp. 54-56. (In Russian).

10. Yushkov B.S., Semenov S.S. Metallurgical slag in production of reinforced concrete piles used in non-aggressive environment. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 12, pp. 14-15. (In Russian).

11. Petrov V.P., Tokareva S.A. Porous aggregates based on industrial wastes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 11, pp. 46-50. (In Russian).

12. Starchukov D.S. Concrete of the accelerated curing with additives of strong substances of the inorganic nature. Beton i zhelezobeton. 2011. No. 4, pp. 22-24. (In Russian).

13. Zager I.Y., Yashinkina A.A., Andropova L.N. Comparative assessment of products of crushing of rocks of fields of nonmetallic construction materials of the Yamalo-Nenets Autonomous Area. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2011. No. 5, pp. 84-86. (In Russian).

14. Dobshits L.M., Magomedeminov I.I. Determination of frost resistance of large filler for heavy concrete. Beton i zhelezobeton. 2012. No. 4, pp. 6-19. (In Russian).

15. Korneeva E.V. Studies of stell industry slag for secondary use. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 8, pp. 62-63. (In Russian).

. : , ^ : ; Г,-' научно-технический и производственный журнал август 2016