Применение отходов дробления гранита в вибропрессованных бетонах

Рассматривается проблема заполнителей для вибропрессованных бетонов.

При изготовлении изделий из мелкозернистых бетонов задача обеспечения предприятий необходимыми заполнителями может решаться путем использования отходов нерудной промышленности, таких, как отсевы дробления горных пород на щебень.

В обычных цементных бетонах использование отсевов ограниченно из-за неудовлетворительного зернового состава и высокого содержания в непромытом продукте пылеватых примесей, вызывающих перерасход цемента. Лишь небольшая часть отсевов камнедробления используется в строительстве для изготовления, главным образом, асфальтовых бетонов [1].

В последнее время всё большее распространение находит формование мелкоштучных бетонных изделий вибропрессованием сверхжестких смесей [3]. Влияние пылеватых примесей на свойства бетона из пластичных и литых смесей изучено достаточно: см. [1]. В смесях повышенной жесткости при уплотнении вибропрессованием следует ожидать не столь резкого отрицательного влияния пылеватых частиц на водопотребность. В таких условиях пылеватые частицы могут проявить себя в качестве эффективного наполнителя, способствующего повышению плотности и прочности бетона.

Были проведены исследования гранитного отсева как основного заполнителя мелкозернистого бетона, уплотняемого способом объемного вибропрессования сверхжестких смесей. В исследованиях использовался отсев Выровского и Клёсовского щебеночных заводов Ровенской области (Украина).

Как показали проведенные исследования, отсевы дробления представляют собой смесь песчаной фракции гранита размером от 0,16 до 5 мм и пылеватой составляющей. Содержание пылеватой фракции для разных проб колеблется от 14 до 17 %.

Частицы размером больше 0,16 мм представляют собой дробленый песок, повышенной крупности (Мкр=2,9–3,4). Он представлен, главным образом, фракцией от 5–1,25 мм, содержание которой составляет 52–65 %. Преобладание крупной фракции песка (46–48 %) свидетельствует о прерывистом зерновом составе гранитного отсева и является причиной его повышенной пустотности.

Пылеватые частицы отсева представляют собой дисперсный порошок с удельной поверхностью 2175–2230 см2/г (измерено прибором ПСХ-2). Анализ интегральной и дифференциальной кривых распределения частиц, полученных путем седиментационного анализа, дает возможность считать, что гранулометрический состав является неравномерным и прерывистым: около 50–55 % гранитной пыли представлено частицами размером 0,13–0,16 мм, 12–15 % — 0,11–0,13 мм, более 30 % — >0,11 мм. Содержание зерен размером меньше 5 мкм — 7–9 %. Общее содержание глинистых частиц в отсеве — 1,5–2 %, что удовлетворяет требованиям нормативных документов.

Испытания отсевов в качестве основного заполнителя вибропрессованных бетонов выполнялись путем изготовления в лабораторных условиях образцов-цилиндров d=h=100 мм. Образцы формовались на лабораторной виброплощадке с рабочей частотой колебаний 50 Гц и амплитудой 0,5 мм. Динамическая нагрузка осуществлялась с помощью специально изготовленных пригрузов. Параметры вибропрессования: частота 50 Гц, амплитуда 0,5 мм, продолжительность уплотнения 6–12 сек, величина динамической нагрузки (давление) 0,06 МПа. Изготовлялись бетоны в диапазоне В/Ц от 0,28 до 0,72.

Образцы твердели в нормальных условиях (j=90–100 %, t=18–20 °C). Определялись следующие параметры: водопотребность бетонной смеси (В; л), средняя плотность отформованных образцов (r0; кг/м3), формовочная прочность (Rф; МПа), прочность при сжатии в возрасте 7 и 28 сут. (R7, R28; МПа), водопоглощение по массе (Wm; %), морозостойкость (F; циклов; определялась ускоренным способом путем замораживания — оттаивания в 5%-ном растворе хлористого натрия).

Водосодержание бетонной смеси подбиралось с учетом необходимой формуемости при влажности W=6–8 %. Марка бетонной смеси по удобоукладываемости СЖ3 (ГОСТ 7473-94).

Результаты влияния состава на свойства вибропрессованного бетона на гранитном отсеве приведены в табл. 1.

 

Состав бетона			Формовочная прочность, Rф, МПа	Средняя плотность бетона, r0, кг/м3	Прочность в возрасте 7 сут., R7,МПа	Прочность в возрасте 28 сут., R28,МПа	Водопоглощение по массе, Wm, %	Морозостойкость: потеря прочности после n циклов замораживания —оттаивания, DR, %
Расход цемента, кг/м3	Расход отсева, кг/м3	В/Ц
								n=50	n=100	n=200
600	1450	0,28	1,45	2280	28,9	48,1	3,9	0	0,9	6,1
400	1650	0,4	1,32	2230	19,8	33,5	4,7	1,0	2,3	10,2
280	1780	0,5	0,75	2202	14,5	26,4	6,5	1,9	5,0	14,0
230	1820	0,59	0,46	2128	11,4	22,0	8,7	2,8	6,6	18,6
170	1890	0,72	0,34	2020	9,7	20,3	11,1	5,1	9,2	21,4

Таблица 1. Свойства вибропрессованного бетона на гранитном отсеве

Результаты проведенных испытаний показывают, что на необогащенных гранитных отсевах способом объемного вибропрессования бетонных смесей сверхжесткой консистенции (влажность 6–8 %) можно получать бетоны классов В15–35.

Формовочные свойства смесей, определяются средней плотностью образцов и их прочностью после формования (Rф). Целесообразность обеспечения некоторой формовочной прочности в вибропрессованных бетонах связана с необходимостью немедленного освобождения изделий из пресс-формы и осуществления их технологических перемещений. Достаточная формовочная прочность в таких условиях составляет 0,4–1,1 МПа. Достижение нужной формовочной прочности определяется, в основном, количеством вяжущего в бетоне и подбором оптимального расхода воды.

По сравнению с кондиционными материалами (песком и щебнем), применение гранитного отсева позволяет получить плотный и крепкий сырец при значительно меньшем количестве цемента. Причиной этого является присутствие в отсеве пылеватой фракции: благодаря значительной дисперсности данная фракция увеличивает количество вяжущего, повышая структурную прочность отформованных образцов [2].

Прочность вибропрессованных бетонов на гранитном отсеве, в основном, определяется водоцементным отношением (В/Ц), или же расходом цемента. При Ц=600 кг/м3 (В/Ц=0,28) R28=48,1 МПа, при Ц=400 кг/м3 (В/Ц=0,4) R28=33,5 МПа, при Ц=230 кг/м3 (В/Ц=0,59) R28=22,0 МПа. За 7 сут. твердения бетон набирает 60–70 % 28-суточной прочности.

Открытая пористость бетона, определенная по водопоглощению образцов, повышается с ростом В/Ц. Водопоглощение, обеспечение которого необходимо для дорожно-строительных изделий, достигается при В/Ц=0,3–0,4. Значение этого параметра в бетонах других исследованных составов находится в пределах допустимых значений для стеновых материалов (от 6 до 15 %).

Морозостойкость исследованных бетонов значительно зависит от их состава. При Ц=280–400 кг/м3 этот показатель составляет 100 циклов, при Ц=230 кг/м3 — 50 циклов, при Ц=170 кг/м3 — 25 циклов. Судя по полученным данным, морозостойкость всех испытанных составов достаточна для стеновых изделий (кирпича, блоков), но ниже требуемой для дорожных. Обеспечение морозостойкости вибропрессованных дорожно-строительных изделий на гранитном отсеве возможна при применении дополнительных методов: использование пластифицирующе-воздухововлекающих поверхностно-активных веществ, а также частичное обогащение отсева.

Изменение зернового состава отсева в значительной мере влияет как на водопотребность и уплотняемость бетонной смеси, так и на качество бетона (прочность, водопоглощение). Наибольшее влияние на водопотребность оказывает увеличение количества пылеватой фракции — каждый процент дисперсного гранита (<0,16 мм) увеличивает необходимый расход воды на 1–1,5 л/м3. При этом увеличение количества пылеватых частиц в отсеве нивелирует влияние других фракций на необходимый расход воды и, соответственно, на В/Ц бетона.

Влияние состава бетона, вида и качества заполнителя на водопотребность сверхжесткой бетонной смеси, проанализированное на основе полученных полиномиальных уравнений регрессии, иллюстрирует номограмма: рис. 1.

Рис. 1. Номограмма для определения водосодержания (В, л/м3) сверхжестких бетонных смесей на гранитном отсеве (Мкр). mп — массовое содержание пылеватых частиц в отсеве; mо — массовое содержание отсева в смеси с кварцевым песком (Мкр=2,3).

Присутствие в гранитном отсеве до 15–18 % пылеватой фракции повышает прочность при сжатии в среднем на 37–48 %, прочность на растяжение при изгибе — на 52–60 %. Наибольший прирост прочности наблюдается в бетонах с высоким значением В/Ц, когда цементного теста недостаточно для заполнения пустот заполнителя (бетоны классов В10–20) (рис. 2). В данном случае гранитная пыль проявляет себя в качестве дисперсного микронаполнителя, интенсифицирующего процессы гидратации вибропрессованного цементного камня, вместе с тем увеличивая общее количество вяжущего, что снижает пористость бетона. Введение гранитной пыли свыше предельного значения, определяемого В/Ц и зерновым составом заполнителя, приводит к снижению средней плотности бетона и прочности.

 

 

Рис. 2. Влияние пылеватых частиц гранитного отсева (mп, %) на прочность вибропрессованного бетона. 1) В/Ц=0,33; 2) В/Ц=0,46; 3) В/Ц=0,69.

Для получения бетона с минимальным водопоглощением на гранитном отсеве, отмытом от пылеватой фракции, при постоянной расходе цемента необходимо увеличивать содержание фракции 0,16–0,63 мм. При использовании отсева с содержанием пылеватых до 17 % такая необходимость полностью отпадает.

Введение в сверхжесткую бетонную смесь добавки С-3 в количестве 0,9–1 % от массы цемента позволяет улучшить уплотняемость смеси и снизить количество воздуха в бетоне до 30–40 л/м3. При этом наблюдается повышение прочности на 20–34 %. Введение воздухововлекающей добавки (СДО) в количестве 0,06–0,07 % от массы цемента снижает количество воздуха. на 20–30 % и повышает прочность на 17–20 %. Использование данных добавок значительно снижает водопоглощение образцов и повышает морозостойкость до 200–250 циклов.

Вибропрессованные стеновые блоки на гранитных отсевах, полученные в производственных условиях на оборудовании фирмы “Columbia”, отвечают требованиям нормативных документов: марка по прочности М75–250, водопоглощение 6–11 %, морозостойкость F25–50,средняя плотность пустотелых блоков 1140–1350 кг/м3, полнотелых — 2000–2200 кг/м3.

Качественные показатели тротуарных плит из вибропрессованного бетона на отсеве с откорректированным с помощью песка зерновым составом при использовании добавок ПАВ удовлетворяют требованиям ГОСТ 17608-94: класс бетона по прочности на сжатие В22,5–25, класс по прочности на растяжение при изгибе Вtb3,6–4,0, водопоглощение 4–5 %, морозостойкость F200, истираемость 0,5–0,7 г/см2.

Результаты проведенных исследований позволяют считать возможным применение отсева дробления гранита на щебень в качестве основного заполнителя вибропрессованных пустотелых и полнотелых бетонных блоков, а в случае корректирования зернового состава кондиционным песком и использования пластифицирующе-воздухововлекающих добавок — тротуарных плит и других дорожно-строительных изделий.

Литература:

1. Дворкин Л. И., Дворкин О. Л. Основы бетоноведения. — СПб.: Строй-Бетон, 2006.

2. Дворкин Л. И., Житковский В. В., Каганов В. О. Бетоны на основе сверхжестких смесей. — Ровно: РДЦНТЭИ, 2006.

3. Львович К. И. Песчаный бетон и его применение в строительстве. — СПб.: Строй-Бетон, 2007.