Экспериментальная оценка свойств горных пород с целью возможности их использования для изготовления декоративных бетонных блоков

Экспериментальная оценка свойств горных пород с целью возможности их использования для изготовления декоративных бетонных блоков

К.А. Еличев, М. О. Сергеев

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Аннотация: В работе проводились экспериментальные исследования по выбору горных пород, свойства которых удовлетворяли бы требованиям, предъявляемым к декоративным бетонным блокам, изготовленным из них. Оценивались такие свойства как декоративность, прочность при сжатии, водопоглощение, истираемость, сопротивление удару, морозостойкость и др. Также проводилась оценка свойств мелкого заполнителя, из карбонатных горных пород - песка. На основании проведенной работы выработаны предложения по рациональному подбору состава декоративного бетона.

Ключевые слова: декоративные признаки, абразивность, мраморовидный известняк, морозостойкость, заполнители

В качестве исходных материалов для исследований были отобраны широко распространенные в стране малообразивные карбонатные породы: мраморы - коелгинский белый, бираканский - белый и розовый, газганский -серый; мраморовидные известняки: салиэтский буровато - красный, лондоковский - серый.

Декоративными признаками горных пород для заполнителей отделочных бетонов являются: цвет, блеск или матовость (диффузное рассеивание света на поверхности зерен), в некоторых породах полная или частичная прозрачность и форма зерен [1, 2].

Результаты исследований физико-механических свойств пород приведены в табл.1.

Таблица 1

Основные свойства исследованных горных пород

Материал и его месторождение Удельный вес, г/см3 Прочность при сжатии, кг/см2 Водопогло щение, % Истираемость, и/ем2" мк

Мрамор газганский (серый) 2,72 970 0,157 2,39/78,2

Мраморовидный известняк лондоковский 2,69 893 0,27 2,17/58,8

Мрамор коелгинский 2,72 860 0,87 2,85/104,3

Мраморовидный известняк саилетский 2,77 815 0,206 2,08/-

Туф артикский 2,41 158 24 -/187

Известняк бодракский 2,6 149 15 -/521

Мрамор бираканский 2,88 580 - 1040 0,34 2,77/-

Указанные породы при испытаниях показали абразивность от 0,05 до 3,1 мг. Основные свойства исследуемых пород (морозостойкость, прочность, декоративность и др.) отвечали всем требованиям, предъявляемым к ним, как к материалу заполнителя, применяемого в декоративных бетонах.

При резании таких бетонов важнейшей характеристикой является степень износа алмазного инструмента, которая зависит, наряду с другими факторами, от абразивности бетона, а абразивность последнего - от компонентов, входящих в него [3-5].

Для сопоставления параметров резания были испытаны также бетоны с заполнителями: ново - даниловского гранита (красного), бодракского

:

известняка, артикского туфа (розового), которые использовались в качестве заполнителей только в опытах по резанию бетонов.

Отобранные декоративные горные породы были измельчены на щековой дробилке. При дроблении мраморов и мраморовидных известняков наибольший размер зерен не превышал 20 мм, что соответствует требованиям ГОСТ.

Для различных изделий из декоративных бетонов применялись заполнители из дробленых горных пород в виде щебня и песка, реже гравия. Наибольшая крупность щебня при обычном методе формования плит для лучшей удобоукладываемости должна быть не более 1/2 толщины.

Производство плит методом формования крупных блоков и их распиловки позволяет увеличить крупность щебня до 40 - 60 мм, что создает предпосылки повышения декоративных качеств плит, а также улучшения некоторых физико - механических свойств. В исследованиях использовались преимущественно заполнители из карбонатных пород - мраморов, мраморовидных известняков, частично применен дробленый гранит, известняк и туф. Учитывая особенности технологии производства бетонных плит из блоков с помощью резки и очень жесткие условия эксплуатации плит в покрытиях полов и площадок с интенсивными физико-механическими воздействиями, был проведен ряд испытаний заполнителей [6-8].

Испытания щебня к удару. Сопротивление щебня удару очень важный показатель в бетонных покрытиях, где возможны случаи падения тяжелых предметов, грузов и т.д. Щебень фракции 20 - 40 мм. подвергался удару на копре с помощью свободно падающего груза весом 5 кг. с высоты 50 см. Показатель сопротивления щебня удару (У) вычисляется по формуле:

25

У:

4-А '

где А - показатель крупности пробы после испытания (40 - кратного удара груза), вычисляемого по формуле:

А=(т 1 +т2+т3+т4)/т, где: т1, т2, т3, т4 - полные остатки на ситах с отверстиями размерами 5 и 3 мм. с сетками №№1 и 0,5 в г.

Сопротивление щебня удару определялось как среднее арифметическое результатов двух проб. Испытания на копре показали сравнительно низкие показатели коелгинского мрамора. Остальные породы показали высокую сопротивляемость (У=75), причем наибольший показатель (У=125) у салиэтского мраморовидного известняка. Поэтому указанные породы можно использовать как заполнитель бетона для покрытия полов, площадок и т.д.

Истираемость щебня. Поскольку в декоративных бетонных плитах содержится 73 - 76% щебня, то износостойкость материала покрытия, в основном, зависит от истираемости заполнителя. Износостойкость щебня в бетонных плитах, эксплуатирующихся в условиях интенсивного истирания, является важной характеристикой материала. Этот параметр характеризует долговечность материала покрытия. Определение истираемости щебня производилось в барабане на материале фракций 10 - 20мм по двум пробам массой 5 кг в каждой. Результаты опытов по истираемости щебня горных пород приведены в табл.2.

Таблица 2

Результаты испытаний щебня на истираемость

Наименование породы и ее Истираемость, %

месторождение

Лабрадорит головинский 7,9

Мрамор коелгинский 35,7

Мрамор бираканский 12,3

Мраморовидный известняк:

лондоковский 7,2

салиэтский 4,6

Значительная истираемость коелгинского мрамора объясняется низкими физико-механическими свойствами этой породы.

Морозостойкость щебня. Морозостойкость декоративных бетонных плит, применяемых в наружных покрытиях, в большой степени зависит от морозостойкости применяемого щебня. Испытанию подвергался мраморный щебень фракций 10 - 20 мм по 4 цикла в сутки. Морозостойкость щебня испытывалась до 50 циклов. Потеря массы после испытания коелгинского мраморного щебня составила 2,83%, а остальных - до 2%. Испытания показали хорошую морозостойкость отобранных горных пород, что гарантирует применение их как заполнителя в бетонах для плит наружных покрытий [9].

В качестве мелкого заполнителя в декоративных бетонах были использованы дробленые пески, полученные измельчением отобранных карбонатных горных пород на лабораторной дробилке. Были исследованы характеристики дробленых песков: гранулометрический состав, модуль крупности, пустотность отвибрированной смеси и др. Дробленый песок подвергался рассеву на стандартных ситах на фракции. Исследования показали, что в дробленом песке зерна менее 0,14 мм. составляют от 10,3 до 19,5%, пустотность смеси песка находится в пределах 33%.

Для удовлетворения всех требований, предъявляемых к дробленому песку, из отсеянных фракций путем смешивания был подобран оптимальный состав. Для бетонных плит покрытий полов и площадок плотность бетона имеет решающее значение. Подобранный песок имеет малую межзерновую пустотность и гарантирует получение плотного бетона. Зерновой состав фракций в пределах 0,14 - 5 мм. не влияет на прочность бетона. При использовании другого песка прочность бетона может измениться. Причина этого будет заключаться не в зерновом составе, а в других факторах: составе бетона и его удобоукладываемости, коэффициенте уплотнения смеси,

:

минералогическом составе каждой фракции песка, форме зерен, сцеплении цементного камня с песком и др. Наименьший расход цемента требуется для бетонов на средних песках. Именно на таких песках и готовились исследуемые составы бетонов.

Таким образом, исследования показали, что бетон должен выполняться из цветных заполнителей - щебня плотных горных пород и песка разнообразного цвета с применением преимущественно цветных цементов. Крупный заполнитель должен занимать в бетоне наибольший объем [6,10,11]. Цвет цементного камня, занимающего на поверхности плит наименьшую площадь, должен быть дополняющим к общему фону плит. Поверхность плит при распиле должна получаться достаточно гладкой. По физико - механическим свойствам они должны удовлетворять следующим требованиям:

Прочность бетона при сжатии: для внутренних покрытий не менее 200 кг/см ,

для наружных покрытий не менее 250 кг/см .

Предел прочности при изгибе не менее 25 кг/см2.

Истираемость не более 3,5 г/см .

Ударная вязкость не менее 6 кгсм/см .

Водопоглощение не более 6 %.

Морозостойкость не менее 50 циклов.

Для разработки новой технологии производства бетонных блоков и распиловки их на плиты подбор составов бетонов производился в соответствии с указанными выше требованиями.

На основании проведенных исследований разработана методика подбора состава декоративного тяжелого бетона, сформулированы основные требования и сделаны следующие выводы:

1. повышенная плотность обеспечивается за счет компактной упаковке зерен заполнителя в бетоне;

2. декоративность обеспечивается применением цветных цементов и заполнителей различной гаммы цветов;

3. монолитность структуры бетона до и после распиловки (т.е. способность затвердевшего бетона не крошиться);

4. способность поддаваться шлифованию и полировке после распиловки;

5. устойчивость цветового фона после обработки;

6. морозостойкость и долговечность декоративных бетонных изделий.

Литература

1. Першин Г.Д., Уляков М.С. Обоснование способов подготовки к выемке блочного природного камня высокой прочности // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2010. №4 (32). С. 14-19.

2. Першин Г.Д., Караулов Н.Г., Уляков М.С. The research of high-strength dimension stone mining technological schemes in Russia and abroad // Сборник научных трудов SWorld. Вып. 2. Т. 11. Одесса: КУПРИЕНКО, 2013. С. 64-73.

3. Сопилкин Г.В., Серик А.Е., Исаенко В.И., Сидоров В.А. Использование полиномиальных моделей при обработке больших массивов информации // Экономика и математические методы. Т. XXV. 1989. С. 11291132.

4. Чирков С.Е., Присташ В.В. Энергетические показатели разрушения горных пород различными способами // Горные машины и автоматика. 2002. №10. С. 29-33.

5. Бычков Г.В., Кокунин Р.В. Оптимальные способы вскрытия рабочих горизонтов на перспективных и эксплуатирующихся месторождениях природного камня // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2007. С. 83-92.

6. Курочка П.Н., Мирзалиев Р.Р. Свойства щебня из продуктов дробления вторичного бетона как инертного заполнителя бетонных смесей // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4 (часть 2). URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1441.

7. Кушка В.Н., Гаркави М.С., Подиоронов С.В., Спиридонов В.С. Оценка истинной формы зерна высококачественного щебня //Строительные материалы, 2002, №4. 35 с.

8. Бабков В.В., Мохов В.Н., Капитонов С.М., Комохов П.Г. Структурообразование и разрушение цементных бетонов // Уфа, 2002. 376 с.

9. Бутакова М.Д., Зырянов Ф.А. Исследование свойств бетонных смесей и бетонов на основе мелкозернистых минеральных отходов горного производства // Инженерный вестник Дона, 2012, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/983.

10. Nisnevich M., Sirotin G, Eshel Y. Light weight concrete containing thermal power station and stone quarry waste. Magazine of concrete research, 2003. pp. 313-320.

11. Ilangovan R, Mahendran N., Nagamani K. Strength and durabilityproperties of concrete containing quarry rock dust as fine aggregates // ARPN Journal of engineering and applied science, 2008, Vol. 3(5), pp.20-26.

References

1. Pershin G.D., Ulyakov M.S. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova. 2010. №4 (32). pp. 14-19.

2. Pershin G.D., Karaulov N.G., Ulyakov M.S. Sbornik nauchnyh trudov SWorld. Vyp. 2. T. 11. Odessa: KUPRIENKO, 2013. pp. 64-73.

3. Sopilkin G.V. Ehkonomika i matematicheskie metody. T. XXV. 1989. pp. 1129-1132.

4. Chirkov S.E., Pristash V.V. Gornye mashiny i avtomatika. 2002. №10. pp.

29-33.

5. Bychkov G.V., Kokunin R.V. Dobycha, obrabotka i primenenie prirodnogo kamnya: sb. nauch. tr. Magnitogorsk: MGTU, 2007. pp. 83-92.

6. Kurochka P.N., Mirzaliev R.R. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1441.

7. Kushka V.N., Garkavi M.S., Podioronov S.V., Spiridonov V.S. Stroitel'nye materialy, 2002, №4. 35 p.

8. Babkov V.V., Mohov V.N., Kapitonov S.M., Komohov P.G. Strukturoobrazovaniye i razrusheniye tsementnykh betonov [Structure formation and destruction of cement concretes]. Ufa, 2002. 376 p.

9. Butakova M.D., Zyryanov F.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/983.

10. Nisnevich M. Sirotin G., Eshel Y. Magazine of concrete research, 2003. pp. 313-320.

11. Ilangovan R, Mahendran N., Nagamani K. ARPN Journal of engineering and applied science, 2008, Vol. 3(5), pp.20-26.