К вопросу повышения качества мелкозернистых бетонов на мелких песках

Аннотация

Е.А. Шляхова, А.И. Холостова

Дата поступления статьи: 28.11.2013

Вследствие истощения природной базы нерудных полезных ископаемых, используемых для производства заполнителей высокого качества для бетонов, а также из-за существенного ущерба, наносимого окружающей среде при работе дробильно-сортировочных заводов, актуальным становится более активное применение мелкозернистых бетонов на местных, не всегда качественных материалах. Ростовская область располагает большими запасами речного мелкого и очень мелкого песка, не пригодного для приготовления бетонных смесей. В статье предложены способы повышения качества мелкозернистого бетона на местных мелких песках с помощью введения в их состав тонкомолотого минерального наполнителя (далее ТМН), роль которого выполняют отходы добычи и переработки опал-кристаболитовых карбонатно-кремниземистых опок Масловского месторождения Ростовской области.  Подобран способ введения микронапонителя и его оптимальная дозировка, про-анализировано влияние ТНМ на водоцементное, водотвердое отношение и прочность бетона.

Ключевые слова: мелкозернистые бетоны на мелких песках, тонкомолотые минеральные наполнители, микронаполняющий эффект, опока, прирост прочности

05.23.17 - Строительная механика

   Одной из наиболее остро стоящей перед строительной индустрией в настоящее время проблемой является исчерпаемость и невозобновляемость природной базы для производства заполнителей. Возрастающие с каждым годом объемы гражданского и промышленного строительства требуют разработки и добычи все большего объема  нерудных полезных ископаемых, которые служат сырьем для получения заполнителей. При производстве крупного заполнителя на дробильно-сортировочных заводах наносится существенный ущерб окружающей среде: в воздух и атмосферу попадают взвешенные вещества, такие как пыль, сажа и др. Эти выбросы в атмосферу или в воздух рабочей зоны производства приводят к загрязнению не только атмосферного воздуха, почвы, наземных и подземных вод, но и являются опасными для здоровья как рабочих, так и жителей близлежащих к производству населенных пунктов.
Одним из вариантов улучшения сложившейся ситуации является более масштабное применение в производстве сборного железобетона мелкозернистых песчаных бетонов, изготовление которых не требует использования крупного заполнителя. Мелкозернистые бетоны (далее МЗБ) отличаются от традиционного бетона более однородной плотной структурой, повышенной прочностью при изгибе, водонепроницаемостью и морозостойкостью, возможностью получения новых архитектурно-конструкционных решений и др.
Вместе с тем мелкозернистые бетоны имеют  ряд таких недостатков как повышенный расход вяжущего вещества, рост водопотребности бетонных смесей, которые могут быть устранены введением дисперсных минеральных наполнителей различной природы [1, 2]. Обычно в качестве наполнителей используют побочные продукты различных производств. Промышленность строительных материалов дает возможность применять широкую гамму промышленных отходов, решая при этом проблемы ресурсосбережения и охраны окружающей среды. К таким отходам относят золы тепловых электростанций от сжигания угля и рисовой шелухи, а также ферросилиций и ферросплавы.
Целью данного исследования является изучение возможности использования в качестве тонкомолотых минеральных наполнителей (далее ТМН) пылевидных отходов добычи и дробления опал-кристабаллитовых карбонатно-кремнеземистых опок месторождений Ростовской области [3].
Изучению влияния ТМН на структуру и свойства цементного камня и бетона посвящено большое число работ в нашей стране и за рубежом.
Согласно Высоцкому С.А. [4], к минеральным наполнителям для бетонов, а также для вяжущих материалов относятся природные и техногенные вещества в дисперсном состоянии, преимущественно неорганического состава, нерастворимые в воде (основное отличие от химических добавок) и характеризуемые крупностью зерен менее 0,16 мм (основное отличие от заполнителей) [2].
Однако среди ученых нет единого мнения по механизму влияния минеральных наполнителей высокой дисперсности на структуру и свойства цементного камня и цементных бетонов. В частности, в последнее время активно дискутируется вопрос о природе так называемого «эффекта микронаполнителя», который выражается в повышении прочности при введении в бетон инертных ТМН, а также может являться частью эффекта гидравлически активных наполнителей [5].
Учитывая различные взгляды исследователей в этой области, принято решение исследовать микронаполняющий эффект при увеличении объемной концентрации тонкодисперсного наполнителя с целью снижения пористости цементного камня в бетоне, повышения прочности и трещиностойкости.
В качестве тонкодисперсной добавки использовалась карбонатно-кремнеземистая опока Масловского месторождения [3, 6]. Выбор добавки обусловлен тем, что порода широко распространена в нашем регионе, активно разрабатывается для изготовления стеновых керамических материалов, месторождения разведаны и их разработка поставлена на промышленный поток.
Для выполнения эксперимента опока подвергалась дроблению в лабораторной щековой дробилке с последующим просевом  на стандартных лабораторных ситах до полного прохождения через сито № 016 [4]. Для выполнения исследований был использован портландцемент ЦЕМ I 42,5Н по ГОСТ 31108-2003, местный кварцевый песок с модулем крупности Мк = 1,32.
Существуют различные подходы к решению задач по использованию ТМН. В исследованной литературе предлагаются следующие способы введения мелких наполнителей в состав бетонной смеси: а) добавка заменяет часть цемента [7]; б) добавка заменяет часть мелкого заполнителя; в) добавка частично меняет цемент, частично – мелкий заполнитель [8].
При замене добавкой части цемента исследования проводились на цементном тесте нормальной густоты,  ТМН вводилась в количестве 5%, 10%, 15%, 20%, 25%. Водопотребность оценивалась по стандартной методике ГОСТ 310.3-76*, результаты исследований представлены в таблице №1. Из теста нормальной густоты формовались образцы кубы 40×40×40 мм, после чего подвергались тепловлажностной обработке по стандартному режиму. Результаты испытаний приведены в таблице №1.
Таблица №1
Зависимость водопотребности теста «цемент-опока» и прочности камня

         Исследования показали, что заменяя добавкой равновеликую массовую долю цемента (способ а) наблюдается рост водопотребности теста «цемент-опока», что в свою очередь приводит к снижению прочности образцов [9, 10].
Для оценки влияния замены части песка наполнителем, опока вводилась в состав мелкозернистой бетонной смеси в количестве от 0,2 до 0,7 весовых частей (далее в.ч.) от общего количества заполнителя. Подвижность смеси оценивалась на встряхивающем столике, диаметр расплыва стандартного конуса выдерживался постоянным и составлял 113 – 115 мм. Из полученных равноподвижных смесей формовались образцы балочки40×40×160 мм, после чего подвергались тепловлажностной обработке по стандартному режиму. Результаты испытаний приведены в таблице №2.

Таблица №2
Зависимость прочности мелкозернистого бетона от количества опоки

При замене части песка опокой, возрастает водоцементное отношение смеси из-за высокой дисперсности добавки и микропористости ее зерен, однако, если считать добавку частью цементного теста и рассматривать не водоцементное, а водотвердое отношение, то оно снижается, при этом наблюдается прирост прочности относительно контрольного состава. На рисунке 1 приведена зависимость прочности образцов при сжатии от части тонкомолотого минерального наполнителя. Из рисунка видно, что в области 0,3 – 0,5 в.ч. находится оптимум замены части песка опокой, так состав 3 имеет значительный прирост прочности и составляет почти 50% по сравнению с контрольным составом.
Выполненная работа доказывает эффективность замены части песка путем введения в состав мелкозернистых бетонов на мелких некондиционных песках тонкомолотого минерального наполнителя – карбонатно-кремнеземистой опоки Масловского месторождения.

Рис. 1. – Зависимость прочности образцов от замены части песка опокой

Литература:

1. Власов В.К. Механизм повышения прочности бетона при введении микронаполнителя //Бетон и железобетон. –1988.–№10.–C.9-11.
2. Каримов И. Влияние тонкодисперстных минеральных наполнителей на прочность бетона (Литературный обзор) [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.masterbetonov.ru/content/view/525/239 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. Рус
3. Котляр, В.Д., Братский Д.И., Устинов А.В. Вещественный состав и дообжиговые керамические свойства глинистых опок [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2010, №4. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/249 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. Рус
4. Высоцкий С.А. Минеральные добавки для бетонов //Бетон и железобетон. –1994.–№2.–С.7-10.
5. Несветаев Г.В., Та Ван Фан. Влияние белой сажи и метакаолина на прочность и деформационные свойства цементного камня [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №4 (часть 1). – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1110 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. Рус
6. Шляхова Е.А., Мартемьянова Ю.Н. Искусственные минеральные добавки для производства цементов камня [Электронный ресурс] // «Науковедение», 2012, №4. – Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/95trgsu412.pdf (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. Рус
7. Tavasci B. Cemento. – 1946–pp.36.
8. Зоткин А.Г. Микронаполняющий эффект минеральных добавок в бетоне//Бетон и железобетон.–1994.–№3.–С.7-9.
9. Каприелов С.С. Общие закономерности формирования структуры цементного камня и бетона с добавкой ультрадисперсных материалов //Бетон и железобетон,–1995.–№6.–С.16-20.
10. Ronov A.B., Yaroshevsky A.A. Chemical composition of the Earth's crust. In: The Earth's Crust and Upper Mantle. Amer.Geophys.Union Geophysical Mono-graph 13. - Wash., D.C., 1969 –pp.97.