Оптимизация фракционного состава техногенного заполнителя мелкозернистого бетона

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 693.552 Мирюк О.А.

ОПТИМИЗАЦИЯ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА ТЕХНОГЕННОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА

Аннотация. Статья посвящена актуальной проблеме расширения сырьевой базы строительной индустрии. Доказана возможность получения дробленого песка из зернистых техногенных материалов. Выявлено, что повышенная крупность частиц отходов обусловливает необходимость классификации материалов. Определены оптимальные составы фракций из частиц отсева дробления гранодиоритов. Предложены составы фракций из частиц измельченных отходов обогащения скар-ново-магнетитовых руд. Разработана технологическая схема безотходной переработки зернистых техногенных материалов. Ключевые слова: мелкозернистый бетон, техногенные материалы, заполнитель.

Мелкозернистый бетон на техногенном заполнителе - объект многочисленных современных исследований. Это обусловлено необходимостью и возможностью расширения сырьевой базы перспективного вида бетона при возрастающем дефиците природного заполнителя и накоплении многотоннажных зерни-

стых промышленных отходов [1-4].

Цель работы - оптимизация состава заполнителя из техногенных материалов для мелкозернистого бетона.

Объект исследования: отсев дробления гранодиоритов Надеждинского месторождения Костанайской области; отходы обогащения скарново-магнетитовых руд Соколовско-Сарбайско-го горно-производственного объединения (ССГПО).

Отсев дробления гранодиоритов выделяется при производстве щебня и представляет собой смесь частиц с размером не более 10 мм. Минеральный состав отсева дробления, мае. %: плагиоклазы 35-40; калиевые полевые шпаты 20-26; кварц 15-37; биотит - до 3.

Отходы обогащения скарново-магнетитовых руд образуются при сухой магнитной сепарации (хвосты СМС) полиминеральных пород. Хвосты СМС - дезинтегрированная масса, размер зерен которой не превышает 25 мм. Минеральную основу отходов слагают силикаты, отличающиеся генезисом, мае. %: пироксе-ны 20-25; эпидот 10-13; полевые шпаты 8-12; хлориты 7-10; скаполит 8-11; гранаты 7-12; амфиболы 7-14. В отходах присутствуют, мас.%: кальцит 4-7; пирит 4-8; кварц 2-4; магнетит 3-4.

Пестрота минерального состава и диапазон размеров зерен хвостов СМС, не корреспондирующиеся с характеристиками традиционных заполнителей, исключили отходы из перечня ресурсов для зернистых компонентов бетона. Однако указанные особенности

хвостов СМС обусловливают возможность их механической переработки для получения фракций частиц заданного состава.

Характеристика фракционного состава исходных техногенных материалов представлена в табл. 1.

Зерновой состав исследуемых отходов предопределяет возможность получения на их основе искусственного песка. Отходы обогащения руд, как крупнозернистый материал, измельчали в лабораторной щековой дробилке в несколько стадий. Кривые зернового состава хвостов СМС после трех стадий дробления и кривые исходного отсева дробления гранодиоритов расположены за пределами области, рекомендуемой для песка - заполнителя бетона (рис. 1), из-за наличия в массе частиц крупностью более 5 мм.

Отделение фракции частиц крупнее 5 мм позволяет получать из исследуемых техногенных материалов пески с модулем крупности 3,8-3,9. Крупность таких песков при использовании в бетоне обусловит увеличение расхода цемента за счет повышенной пустотности.

Результаты, полученные различными исследователями [3-5], показывают целесообразность фракционирования искусственных песков на основе техногенных отходов. Отмечена эффективность сочетания искусственного и природного заполнителей, обеспечи вающего плотную структуру мелкозернистому бетону.

Таблица 1

Фракционный состав техногенных зернистых материалов

Остатки на ситах, % Фракция, мм

40-20 20-10 10-5 5-2,5 2,5-1,25 1,25-0,63 0,63-0,315 0,315-0,14 0,14-0

Отсев дробления гранодиоритов

Частные - - 0,43 33,37 17,30 22,2 15,03 7,27 4,37

Полные - - 0,43 33,80 51,13 73,33 88,37 95,63 100

Отходы обогащения скарново-магнетитовых руд

Частные 55,69 39,80 3,34 0,41 0,05 0,03 0,07 0,33 0,28

Полные 55,69 95,49 98,83 99,24 99,29 99,32 99,39 99,72 100

I-

ГО

I—

о

0

.о

1 с; о а

о

20

40

60

80

100

Мелкие пески _____——

У

У

/

1 /

/

і Крупные пески

7

чип - £ <0 0*0 о

ІЛ

м

10

см'

Фракции техногенных материалов, мм

а

б

Рис.1. Зерновой состав отсева дробления гранодиоритов

Зерновой состав отсева дробления отличается от рекомендуемого для мелкого заполнителя бетона и требует корректировки путем фракционирования с последующим составлением зерновой массы заданного состава.

При формировании фракционированного заполнителя в качестве основы принята двухфракционная смесь из частиц непрерывного зернового состава «1,25-5,0 мм» : «0,63-1,25 мм» с соотношением 1:0,41 (мае. часть), определенным расчетным путем.

Методом пошагового дополнения состава двухфракционной смеси мелкой фракцией «0,14-0,63 мм» получены вариации фракционированного заполнителя. Отмечено, что по мере увеличения доли фракции «0,14-0,63 мм» возрастает значение насыпной плотности, уменьшается пустотность (табл. 2).

Для оптимизаци зернового состава фракционированного заполнителя из отсева дробления использован метод математического планирования эксперимента. Исследованы мелкозернистые бетонные смеси с соотношением «портландцемент М400 : заполнитель - 1 : 2». Прочностные показатели бетона определяли при испытании образцов размером 40x40x160 мм. Количество воды затворения подбирали для получения равноподвижных формовочных масс с расплывом конуса 120 - 130 мм. Твердение бетонных образцов происходило в воздушно-влажных условиях. При достижении образцами необходимого возраста производили испытания на прочность.

При помощи программы 81а^йса 6.0 разрешена матрица, получены допустимые области смесей фракций на треугольных диаграммах.

Таблица 2

Характеристика вариаций фракционированного заполнителя из отсева дробления гранодиоритов

Фракционный основной состав массы, мм Содержание мелкой фракции «0,14-0,63 мм», % Насыпная плотность, кг/м3, состояние Пустотность, %, состояние

рыхлое уплотненное рыхлое уплотненное

«0,63 - 1,25» + «1,25 - 5,0» нет 1268 1492 50,0 41,3

5 1306 1484 48,6 41,6

10 1308 1486 48,6 41,6

15 1313 1488 48,4 41,5

20 1317 1494 48,3 41,3

25 1326 1498 47,9 41,2

30 1332 1503 47,7 41,0

Исходная 1373 1554 38,2 30,0

Исследуемая смесь состоит из трех компонентов -фракций отсева дробления гранодиоритов, мм: «0,140,63»; «0,63-1,25»; «1,25-5». Любая смесь трех компонентов может быть представлена точкой в системе координат на треугольнике, определяемой тремя переменными. Сумма для каждой смеси равна 1.0, поэтому значения компонентов в каждой смеси могут интерпретироваться как пропорции (табл. 3).

Таблица 3

Условия эксперимента для отсева дробления гранодиоритов

Факторы Уровни варьирования

Натуральный вид Кодированный вид -1 0 +1

Доля фракции «1,25 - 5,0 мм» Х1 0,44 0,54 0,64

Доля фракции «0,63 - 1,25 мм» Х2 0,24 0,34 0,44

Доля фракции «0,14 - 0,63 мм» Х3 0,12 0,22 0,32

В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости прочности (Д) и средней плотности (р) от исследуемых факторов - содержания фракций заполнителя в виде уравнений регрессии полной квадратичной модели:

Д = 35,8 - 5,9х1 - 5,4х2 - 4,

+31,86 х1х2 +34,81 х?

-28,32 х1х3 + 25,92 х?х3 29,16 х? + 23,04 х?.

р = 2204 - 16,7х1 - 15,8х? - 14,3х3

+263,86х1х? +278,89х?

- 238,81х1х3

-225,94х2х3

249,64х? + 204,49х?.

Геометрическая интерпретация уравнений регрессий представлена на рис. 2.

ФЗ

Рис. 2. Поверхности отклика зависимости свойств мелкозернистого бетона от фракционного состава заполнителя

Наибольшие показатели прочности и плотности мелкозернистого бетона достигаются при преобладании в смеси крупной фракции «1,25-5,0 мм» - не менее 50%; при соотношении фракций «0,63-1,25 мм» : «0,14-0,63 мм», равном 1,1-2,0 : 1,0.

Предварительные исследования подтвердили принципиальную возможность использования хвостов СМС в составе мелкозернистого бетона. При многостадийном дроблении отходов обогащения руд образуется крупный песок (модуль крупности 3,8-3,9).

Для оптимизации зернового состава техногенного заполнителя - искусственного песка на основе хвостов СМС использовали метод математического планирования эксперимента (табл. 4). В соответствии с полной матрицей ротатабельного двухфакторного эксперимента исследовали 9 составов бетонов, приготовленных по методике, аналогичной описанной выше.

Таблица 4

Условия эксперимента для отходов обогащения руд

Факторы Уровни варьирования

Натуральный вид Кодированный вид -1,414 -1 0 +1 +1,414

Доля фракции «2,5-5,0 мм», % Х1 50,00 53,66 62,50 71,34 75,00

Соотношение фракций, мм: «0,63-2,5» : «0,14-0,63» Х2 1,50 1,94 3,00 4,06 4,50

При обработке экспериментальных данных с помощью методов математической статистики получена зависимость прочности мелкозернистого бетона от содержания отдельных фракций в виде уравнения регрессии:

Д = 16,389-0,283х1 - 0,638х2 -

-0,505х1 х? + 1,536х1

-1,882х2?.

Уравнение регрессии для зависимости модуля крупности от фракционного состава заполнителя:

Мк = 2,541 + 0, 002х1 + 0,003х? --0,008х1 х2 + 0,002х12 - 0,001x2:.

Уравнение регрессии для зависимости насыпной плотности от фракционного состава заполнителя:

рн = 1420,61 + 2,9Ц + 20,24х? --23,97x1 х2 + 52,45x1? + 14,66х?.

Анализ уравнений регрессии позволил определить оптимальную область фракционного состава заполнителя, %: «2,5-5,0 мм» - 62,5...75,0; «0,63-2,5 мм» -16,7...22,5; «0,14-0,63 мм» - 8,3.15,0.

Сравнительные испытания мелкозернистых бетонов на заполнителях природного и техногенного происхождения показали сопоставимые результаты и подтвердили принципиальную возможность получения мелкого заполнителя с использованием отходов обогащения руд. Высокие прочностные показатели бетона из отходов обусловлены формированием связей на контакте между цементным камнем и заполнителем.

Разработана технологическая схема получения фракционированного материала путем дополнительного измельчения и классификации дробленых отхо-дов обогащения руд (рис. 3). Классификация дробленой массы предложена по сухому способу на вибра-ционных грохотах.

Рис. 3. Схема получения фракционированного техногенного материала

Выделяемые из общей массы частицы с повышенной прочностью и твердостью целесообразны в качестве заполнителя бетона. Крупные частицы представлены силикатами, сформированными в ранние геологические периоды. Тонкие фракции отходов -составляющая цементных сырьевых смесей и вяжущих композиций, образованных смешением молотых компонентов [6].

Выводы

Зерновой состав большинства техногенных материалов отличается от рекомендуемого для мелкого заполнителя бетона и требует корректировки путем

дополнительного измельчения и классификации дробленого материала.

Разделение зернистой массы по размеру частиц позволит получать фракционированный песок заданного состава, исключит пылеватые и другие нежела-тельные составляющие, обеспечит безотходность технологии переработки техногенно-го материала.

Оптимизирован зерновой состав фракционного заполнителя из техногенных материалов различного происхождения: отсева дробления гранодиоритов и отходов обогащения скарново-

магнетитовых руд. Оптимизация фракционного состава техногенных заполнителей мелкозернистого бетона, выполненная с использованием различных методов, выявила совпадающие области составов зернистых материалов.

Для достижения наибольших значений прочности и плотности мелкозернистого бетона целесообразно обеспечить преобладание крупной фракции «2,5-5,0 мм». При этом необходимо рациональное сочетание указанной фракции с частицами меньшего размера: средняя фракция «0,632,5 мм» не должна превышать по содержанию мелкую фракцию «0,14-0,63 мм» более чем в 2 раза.

Результаты исследований свидетельствуют о целесообразности расширения сырьевой базы стройиндустрии за счет отсева дробления гранодиоритов и возможности организации малоотходной технологии производства щебня.

Пестрый состав и многообразие типов минералов позволяют рассматривать отходы обогащения скарново-магнетитовых руд как сырье полифункционального назначения. Многоэтапное измельчение отходов с отделением заданных фракций зерен обеспечит получение целого ряда полезных продуктов: мелкозернистого заполнителя; сырьевых компонентов для синтеза клинкерных и смешанных вяжущих.

Технико-экономическая целесообразность комплексного использования техногенных материалов для производства компонентов бетона подтверждается данными о максимальной реализации преимуществ исходного состояния отхода и минимальной технологической переработке сырья, высокими характеристиками продукции.

Список литературы

1. Баженов Ю.М. Многокомпонентные мелкозернистые бетоны // Строи- 4.

тельные материалы, оборудование и технологии XXI века. 2001.

№10. С. 15.

2. Мелкозернистые бетоны для малых архитектурных форм / Р.В. Лесо- 5.

вик и др. // Строительные материалы. 2005. №11. С. 66-67.

3. Влияние фракционирования и механоактивации заполнителя на 6.

свойства мелкозернистых бетонов / М.С. Гаркави и др. // Строитель-

ные материалы и изделия: межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2007. С. 111-115.

Муртазаев С-А.Ю., Исмаилова З.Х. Использование местных техногенных отходов в мелкозернистых бетонах // Строительные материалы. 2008. №3. С. 57-58.

Мирюк О.А. Мелкозернистые бетоны на основе техногенного заполнителя // Бетон и железобетон в Украине. 2010. №2. С. 5-8.

Мирюк О.А., Ахметов И С. Вяжущие вещества из техногенного сырья. Рудный: РИИ, 2002. 250 с.

Сведения об авторе

Мирюк Ольга Александровна - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой строительства и строительного материаловедения Рудненского индустриального института, Казахстан. Тел.: 8(71431) 5-07-03. E-mail: psm58@mail.ru.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

OPTIMIZATION OF TECHNOGENIC FILLER FRACTIONAL PROPORTION OF FINE GRAINED CONCRETE

Miryuk Olga Aleksandrovna - D.Sc. (Eng.), Professor, Roudny Industrial Institute, Kazakhstan. Phone: 8(71431) 5-07-03. E-mail: psm58@mail.ru.

Abstract. The article is devoted to the problem of expansion the raw-material base of the building industry. The possibility for crushing sand obtaining from technogenic materials is proved. It was educed that increased size of waste particles results in the necessity for materials classification. The optimum fractions proportions of particles from granodiorite crushing dropping have been defined. The particle fraction proportions from crushed skarn-magnetite ore tailings are presented. The process flowsheet of waste-free processing of granular technogenic materials has been developed.

Keywords: fine grain concrete, technogenic materials, filler.

References

1. Bajenov U.M. Compounding fine grain concrete. Stroitelnyie materialy, oborudovanie i tehnologii XXI veka [Building Materials, equipment and technologies of XXI century]. 2001, no. 10, p. 15.

2. Lesovik R.V. and other. Fine grain concrete for small architectural forms. Stroitelnyie materialy [Building Materials]. 2005, no. 11, pp. 66-67.

3. Garkavi M.S. and other. Influence of fractionation and mechano-activated aggregate on the properties of fine-grained concrete. Stroitelnyie materialy i izdeliya: mezhvuz. sb. nauch. tr. [Building Materials and manufactures: Interuniversity collection of scientific papers]. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2007, pp. 111-115.

4. Murtazaev S-A.U., Ismailova Z. Kh. The use of local industrial waste in fine concrete. Stroitelnyie materialy [Building Materials]. 2008, no. 3, pp. 57-58.

5. Miryuk O.A. Fine grain concrete on the base of by-product aggregate. Beton i zhelezobeton v Ukraine [Concrete and reinforced concrete in Ukraine]. 2010, no. 2, pp. 5-8.

6. Miryuk O.A., Akhmetov I.S. Vyazhuschie veschestva iz tehnogennogo syirya [Cementitious agents from by-products]. Roudny: RII, 2002, 250 p.