Granite Crushing Screenings as a Component Factor in the Concrete Structure Formation. Part II: Experimental Studies of Structure-forming Potential

Full Text

* Часть I была опубликована в журнале «Строительные материалы». 2018. № 4.

Представленная работа продолжает освещение результатов исследований «Отсевы дробления гранита как компонентный фактор формирования структуры бетона», касающихся вопросов эффективной строительно-технологической утилизации отсевов дробления гранитного щебня. В [1] дана постановка проблемы, обсуждены вопросы генезиса отсевов и идентификации их структурно значимых характеристик. Показано, что отсев дробления гранита представляет собой продукт сложных, глубоких процессов геометрических и субстанциональных превращений, претерпеваемых материалом при добыче породы, ее измельчении и классификации (в ходе взрывных, ударных, истирающих воздействий), которые приводят к изменению исходного состояния материала. В результате в полидисперсном составе отсева его макро-, мезо- и микронанофракции отличаются по химическому составу, минералогии, морфологии, степени активизированной дефектности и, естественно, будут играть разную роль в процессах структурообразования цементных композитов. В такой постановке отсев камнедробления следует рассматривать в качестве компонента, наделенного не только механической, но и механохимической и, возможно, физико-химической активностью, реализуемой на макро-, мезо- и микронаноуровне композита. Эта многоплановая роль может существенно отличаться от той роли инертного заполнителя, которую выполняют в процессах структурообразования бетонов частицы гранитного щебня и природного песка.

Проведенные исследования подтверждают обоснованность отношения к отсевам камнедробления гранита не как к отходам нерудной промышленности, а как к компонентному фактору, эффективность использования которого предопределяется степенью реализации его частицами своего структурообразующего потенциала. Изучение этого вопроса явилось целью исследований, результаты которых предлагаются к обсуждению в этой части публикации.

Анализ данных по утилизации отсевов камнедробления

Актуальной проблеме утилизации отсевов камнедробления предприятиями строительной индустрии, для которых они потенциально могут служить ценнейшим сырьем, посвящено значительное количество публикаций как отечественных [2–6 и др.], так и зарубежных [7–13] ученых. При этом спецификой иностранных исследований является то, что их объектом выступают, как правило, тонкодисперсные отходы резки и шлифования камня в виде шлама или порошка. Принятая за рубежом технология получения щебня обеспечивает безотходный выход продукции в качестве крупного и мелкого заполнителей для получения бетонов и растворов.

В России сложилась иная ситуация, связанная с принятой границей классификации продуктов камнедробления на щебень и песок. Формирующийся в результате отсев имеет сверхнормативное содержание одновременно и крупных и пылевидных частиц, что при его применении в качестве мелкого заполнителя в бетоне обусловливает увеличение пустотности системы сложения зерен крупного заполнителя, с одной стороны, и повышение водопотребности бетонной смеси – с другой. И то и другое приводит к завышенным расходам цемента и снижению конкурентоспособности продукции.

Самым очевидным и эффективным способом строительно-технологической утилизации отсева представляется вариант его применения в качестве самостоятельного заполнителя в мелкозернистых бетонах. Однако и здесь потребление отсева оказывается незначительным: переход предприятий по производству изделий из пескобетона на отсев, несмотря на заметное повышение качества, оказывается нерентабельным из-за более высокой стоимости заполнителя и дополнительных затрат на его транспортировку.

Решением проблемы, по мнению ведущих ученых и специалистов, является такое улучшение зернового состава отсевов камнедробления (обогащение), которое обеспечило бы его соответствие нормативным требованиям [14, 15]. Принцип предлагаемого обогащения заключается в отделении от отсева пылевидных частиц, а в ряде случаев и щебневидной фракции. При этом отсев воспринимают как некачественный песок, без учета его специфичности, поэтому эффективность такого обогащения неоднозначна, и это доказывается исследованиями авторов [16], в которых прочность мелкозернистого бетона на обогащенном отсеве оказалась ниже, чем на необогащенном, рядовом. Неудивительно, что обогащенный отсев на практике также не находит широкого применения. По нашему мнению, принципы улучшения зернового состава отсева должны основываться на закономерностях участия его полидисперсных частиц в процессах формирования мелкозернистой структуры бетонных смесей и бетона.

В табл. 1 представлен анализ возможностей такого участия в рамках теории конструирования и синтеза оптимальных структур конгломератных строительных композитов [17]. Предметом обсуждения этой части публикации являются результаты экспериментальной проверки теоретических положений путем изучения закономерностей влияния макро-, мезо- и микронанозернистых фракций гранитного отсева на параметры структуры и прочностные характеристики цементных композитов. При этом макрочастицы крупностью свыше 5 мм отнесены к щебню; мезочастицы в диапазоне размеров от 0,16 до 5 мм рассматриваются как песок; пылевидная микросоставляющая отсева, проходящая через сито с размером ячейки 0,16 мм, принимается как каменная мука. Отметим, что такая классификация соотносится с определениями ГОСТ 31424–2010 «Материалы строительные нерудные из отсевов дробления плотных горных пород при производстве щебня».

Таблица 1

Table 1

Теоретическое участие частиц отсева в процессах формирования полиструктуры мелкозернистого бетона

Theoretical analysis of the screening particles participation in the formation of fine-grained concrete polystructure

Эксперименты выполнялись с использованием отсева дробления гранитов Шкурлатовского месторождения ОАО «Павловск Неруд» (г. Павловск), характеристики которого представлены в [1]. В качестве вяжущего применяли портландцемент ЦЕМ I 42,5Н ОАО «Евроцемент» (пгт Подгорное). В ряде опытов использовался также кварцевый песок Малышевского месторождения с М_к=1,9.

Экспериментальные исследования структурообразующего потенциала макроразмерных частиц гранитного отсева

Структурообразующую роль макрочастиц отсева (содержание которых в отсеве достигает 20 мас. %) можно проиллюстрировать сравнением прочностных показателей мелкозернистых бетонов на рядовом отсеве (МБО) и на щебне фракции 5–10 мм извлеченном из того же отсева с кварцевым песком в качестве мелкого заполнителя (МБЩ). Состав бетонной смеси (табл. 2) проектировался методом абсолютных объемов по заданной величине коэффициента избытка матрицы (коэффициента раздвижки) α=1,15:

$\alpha =\frac{\left(1-{П}_{мз}\right)\cdot {\rho }_{з}}{З}$, (1)

где П_мз – межзерновая пустотность заполнителя, отн. ед.; ρ_з – плотность заполнителя в зерне, кг/м³; З – расход заполнителя, кг/м³ бетонной смеси.

Таблица 2

Table 2

Состав бетонной смеси

Concrete mix composition

Значения В/Ц-отношения назначали из условия обеспечения одинаковой реологической характеристики смеси (105–110 мм расплыва на встряхивающем столике). Перемешивание вели вручную до достижения однородного состояния смеси. Уплотнение смеси осуществляли на лабораторной виброплощадке с амплитудой колебаний 0,5 мм и частотой 50 Гц до появления цементного молочка.

Из бетонной смеси формовали образцы-кубы с ребром 5 см, которые испытывали на сжатие через 28 сут естественного твердения. Графические модели полученных структур и результаты испытаний представлены на рис. 1.

Рис. 1. Модель макроструктуры и показатели свойств цементного бетона на основе рядового отсева (МБО) и щебня фракции 5–10 мм (МБЩ)

Fig. 1. Model of the macrostructure and indicators of the properties of cement concrete based on ordinary screenings and crushed stone of the 5–10 mm fraction

Моделирование проводили по результатам оценки структурных показателей, представленных в табл. 3.

Таблица 3

Table 3

Характеристика фракций отсева дробления гранитного щебня ОАО «Павловск Неруд»

Characteristics of screening fractions from the granite rubble of PJSC “Pavlovsk Nerud”

Удельное число частиц каждой i-й фракции в сечении бетона N_i, дм^-2, рассчитывали по формуле:

$N_i=\frac{100\cdot З\cdot {\mu }_i}{\pi {r_{iср}}^2{\rho }_{з}}$, (2)

где μ_i – относительное содержание частиц i-й фракции по массе (принимается по гранулометрическому составу заполнителя); ρ_з – плотность зерна заполнителя, кг/м³.

При практически одинаковой плотности прочность МБЩ оказалась в 1,65 раза выше, чем МБО. При этом удельный расход цемента на единицу прочности Ц_уд сократился в 2,3 раза. Это можно объяснить тем, что в структуре МБЩ макроразмерные частицы образуют силовой каркас, в котором работают совместно. В структуре МБО макрочастицы отсева оказываются далеко отодвинуты друг от друга мезочастицами и уже не образуют несущий каркас, а, напротив, представляют собой включения, служащие источником концентрации напряжений в растворной части бетона.

Отсюда следует, что в отсеве «природной» гранулометрии макроразмерные зерна не реализуют свой потенциал механической активности в процессе сопротивления разрушению. Такой вывод экспериментально подтверждается и другими учеными [18].

Экспериментальные исследования структурообразующего потенциала мезоразмерных частиц гранитного отсева

Функция песчаных мезочастиц, содержание которых в отсеве достигает 70% [1], в мелкозернистом бетоне предусматривает замещение межзернового пространства системы сложения макрочастиц, перераспределение, рассеивание энергии внешнего нагруже- ния в структуре матрицы, торможение микротрещин.

Для прогнозирования структурообразующей роли мезочастиц гранита был проведен эксперимент по оценке прочности цементного композита, изготовленного на основе стандартных песчаных фракций, выделенных из отсева. Массовый расход частиц в смеси назначался из условия их одинакового содержания V_з=50% от объема композита. Прочие условия опыта оставались прежними.

По результатам эксперимента (рис. 2) наблюдается снижение прочности более чем в три раза при изменении фракции от максимальной до минимальной, что связывается с увеличением удельной поверхности частиц F_уд в 18 раз (табл. 3) и закономерным ростом их водопотребности. Это сопровождается соответственным изменением величины В/Ц-отношения в 1,6 раза и плотности материала в 1,2 раза. Поскольку объемное содержание включений было неизменным, снижение плотности композита может быть обусловлено снижением плотности цементной матрицы, другими словами, падением ее качества. Для исключения этого фактора вычислялись значения относительной прочности композита R_m^отн, МПа, приведенной к средней его плотности 2 г/см³:

$R_m^{отн}=R_m^{}\frac{4}{{{\rho }_m}^2}$, (3)

где ρ_m – средняя плотность композита, г/см³.

Рис. 2. Зависимость В/Ц отношения (a); плотности (b) и прочности (c) цементно-гранитного композита от размера мезофракций отсева

Fig. 2. Dependence of the water/cement ratio (a), density (b) and strength (c) of a cement-granite composite on the size of screening mesofractions

Наблюдаемое снижение величины относительной прочности может указывать на то, что контактная зона и поверхность границы раздела «мезочастица гранита – цементный камень» могут являться слабым звеном в структуре композита. Не следует недооценивать и морфологический фактор (увеличение содержания частиц лещадной и игловидной формы при уменьшении размера фракций мезочастиц [1]).

Предполагаемое активное влияние поверхности мезочастиц и их взаимодействие с цементным тестом на структуру и свойства композиционного материала дают основания говорить о механофизической активности песчаной фракции отсева на мезомасштабном уровне структуры мелкозернистого бетона. Это означает, что при конструировании его оптимальной структуры необходимо обеспечивать рациональную величину площади поверхности границы раздела «мезочастицы гранита – цементный камень» и ее качество путем воздействия на баланс сил межчастичного взаимодействия мезоразмерных частиц гранита посредством соответствующих химических добавок.

Экспериментальные исследования структурообразующего потенциала микроразмерных частиц гранитного отсева

Тонкие фракции частиц гранита размером менее 0,16 мм составляют порядка 10–20% выхода отсева камнедробления на ОАО «Павловск Неруд» [1]. Практи- чески во всех известных исследованиях тонкодисперсных гранитных отходов отмечается положительное влияние замены ими до 30% цемента на свойства бетонов и растворов. При этом большинство специалистов рассматривают их как инертный наполнитель, выполняющий механические функции уплотнителя структуры за счет сокращения межзерновой пустотности цемента и капиллярной пористости цементного камня без изменения состава его гидратных фаз [19–22]. Но некоторые ученые обнаруживают слабую пуццолановую активность гранитного микронаполнителя и эффект его действия как центра кристаллизации, ускоряющего процессы твердения [23–25].

Эти утверждения корреспондируются с ранее проведенными исследованиями, в которых сравнение прочности мелкозернистого бетона на рядовом и обогащенном отсеве показало, что бетон на рядовом отсеве обладает повышенной по сравнению с бетоном на обогащенном отсеве прочностью и пониженным удельным расходом цемента [16]. Особенно отчетливо положительная роль пылевидных частиц проявляется в вариантах тощих бетонов (с пленочно-контактовым типом цементации), полученных с расходом цемента 210–230 кг/м³.

Обнаружен также факт существенного ускорения набора прочности бетонов с пылевидными частицами, который, по мнению автора, свидетельствует о том, что положительное влияние таких частиц обусловлено не только механической ролью как наполнителя цемента, но и его физико-химической активностью как носителя наномикроразмерных частиц SiO₂, влияющих на кинетику фазообразования гидратных соединений.

В развитие проведенных исследований был осуществлен модельный эксперимент с заполнителями специально подобранного полифракционного состава. При этом в одном случае применялся двухфракционный заполнитель с прерывистой гранулометрией из макро- и мезочастиц гранита, взятых в соотношении, обеспечивающем максимальную насыпную плотность заполнителя (табл. 4, тип I). В другом – трехфракционный (табл. 4, тип II), полученный введением в заполнитель I типа микрочастиц пылевидной фракции гранитного отсева. Контрольные образцы бетона изготавливались с использованием рядового отсева с исходной непрерывной гранулометрией (табл. 4, тип К).

Таблица 4

Table 4

Гранулометрический состав и насыпная плотность полифракционного заполнителя

Granulometric composition and bulk density of polyfractional filler

Соотношение цемент:отсев во всех составах принималось Ц:О=1:3; В/Ц назначалось из условия обес- печения стандартной консистенции мелкозернистой бетонной смеси, из которой изготавливали образцы-кубы с длиной ребра 5 см. Значения прочности при сжатии исследуемых образцов в возрасте 28 сут естественного твердения представлены на рис. 3.

Рис. 3. Характеристики мелкозернистого бетона и бетонной смеси на полифракционном заполнителе

Fig. 3. Characteristics of fine-grained concrete and concrete mixture with polyfractional filler

Установлено, что бетон на двухфракционном заполнителе (тип I) обладает повышенной на 25% прочностью по сравнению с контрольным составом (тип К). Это может быть обусловлено сокращением В/Ц на 17% благодаря пониженной водопотребности заполнителя I типа и более полному вовлечению в совместную работу сопротивления разрушению макро- и мезочастиц. Следует обратить внимание на изменение цементации макроструктуры бетона: благодаря пониженной на 13% пустотности двухфракционного заполнителя объемное содержание в смеси цементного теста (при неизменном массовом соотношении Ц:О=1:3) возрастает на эту же величину с соответствующим увеличением коэффициента раздвижки зерен мезо- и макрофракций.

Заполнитель II типа (трехфракционный) обладает повышенной по сравнению с типом I водопотребностью, на что указывает выросшее на 10% значение В/Ц (рис. 3). Однако, несмотря на это, прочность бетона с заполнителем II типа оказывается на те же 10% выше прочности бетона на двухфракционном заполнителе. Отмеченное противоречие можно связать с возможным увеличением количества цементирующей связки в композите при повышении ее качества благодаря механо-физико-химической активности микрочастиц отсева.

На основании этих данных можно предположить, что микронаноразмерные частицы отсевов дробления гранита оказываются не менее ценным компонентом для процессов структурообразования цементных композитов.

Обсуждение эффективного использования структурообразующего потенциала отсева дробления гранита как компонентного фактора

На основе полученных данных можно сделать вывод, что в отсеве исходной гранулометрии структуро- образующий потенциал этого компонентного фактора используется не полностью, главным образом из-за «переизбытка» песчаных мезофракций, которые: 1) раздвигают зерна макрофракций с увеличением пустотности заполнителя и появлением концентраторов напряжений в структуре бетона; 2) увеличивают водопотребность бетонной смеси. Результаты экспериментов ставят под сомнение эффективность применяемого в настоящее время способа обогащения отсева методом удаления из него пылевидных частиц.

В такой постановке максимально эффективная реализация структурообразующей роли зернистых частиц отсева возможна после контролируемого обогащения его макро- и микрофракциями с соответствующим сокращением удельного содержания песчаных мезофракций. По этому принципу нами разработана и предложена технология кондиционирования отсева (термин нерудной промышленности) с получением линейки продуктов для целевого использования в технологии строительных материалов и изделий (рис. 4).

Рис. 4. Принципиальная схема кондиционирования отсевов камне- дробления для их строительно-технологической утилизации

Fig. 4. Schematic diagram of screenings conditioning stone crushing for their construction and technological disposal

Предлагаемая технология кондиционирования отсева включает в себя предварительное выделение из исходного отсева частиц размером более 10 мм (их наличие в незначительных объемах может обнаруживаться в отсеве, особенно после его транспортировки ж/д транспортом). Определенная часть освобожденного от крупного щебня рядового отсева подвергается фракционированию на частицы размером свыше 5 мм (щебень); 0,16–5 мм (песок) и менее 0,16 мм (каменную муку), например с помощью каскадно-гравитационного классификатора [26]. При этом частицы 0,16–5 мм (которые, как уже упоминалось, составляют до 70% рядового отсева) ГОСТ 31424–2010 квалифицирует как песок обогащенный. Массовым его потребителем могут стать, например, заводы ЖБИ, дорожно-строительные организации, фирмы ланд- шафтного дизайна и т. д. Полученные после фракционирования щебень и каменная мука смешиваются с рядовым отсевом в заданных пропорциях, образуя кондиционированный отсев. Возможные излишки рядового отсева, щебня 5–10 мм и каменной муки могут быть реализованы как самостоятельные продукты на рынке строительных материалов, в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Наиболее рациональным представляется размещение линии кондиционирования отсева в составе предприятий по производству изделий из мелкозернистого бетона. Отметим, что при разработке такой технологии особое внимание уделялось использованию серийно выпускаемого отечественного горно-обогатительного оборудования. По предварительным оценкам, предлагаемая технология не потребует намного больших затрат, чем монтаж традиционной линии по обогащению отсевов, при значительном увеличении производительности (так как фракционированию подвергается не вся масса отсева, а только его часть) и расширении ассортимента товарной продукции, что обусловливает краткий срок окупаемости требуемых капиталовложений.

Заключение

Проблему строительно-технологической утилизации отсева камнедробления можно решить в том случае, если его применение в технологии бетонов будет обеспечивать существенное (1,5–2-кратное) сокращение расхода цемента без потери качества изделий. В этом отношении отсев дробления гранита является потенциально ценным компонентом для производства высококачественных мелкозернистых бетонов. В процессах формирования структуры этого материала и потенциала сопротивления его разрушению все фракции отсева камнедробления выполняют свои специфические функции компонентного фактора. Макроразмерные (щебневидные) зерна отсева образуют макромасштабный каркас системы сложения, воспринимающий силовую нагрузку с аккумуляцией энергии нагружения и торможением магистральных трещин. Песчаные мезочастицы отсева благодаря высокой удельной площади поверхности и морфологическому фактору проявляют уже физико-механическую активность, заполняя межзерновое пространство системы сложения с диссипацией энергии внешнего нагружения в матричном материале. Микрофракция отсева дробления гранита как носитель микронаноразмерных частиц диоксида кремния SiO₂ наряду с эффектом замещения объема цементного камня проявляет физико-химическую активность в фазообразовании гидратных соединений.

Однако в «исходном» фракционном составе отсева дробления гранита его структурообразующая роль проявляется недостаточно эффективно, главной причиной чего служит переизбыток песчаных фракций, раздвигающих зерна макрофракций и повышающих водопотребность бетонной смеси. Исходя из этого, принятый в настоящее время способ обогащения отсева путем его обеспыливания не может обеспечить поставленные задачи по сокращению расхода цемента.

В лаборатории строительно-технологической утилизации техногенных отходов Воронежского ГТУ разработана и предложена технология кондиционирования отсева путем его насыщения макро- и микроразмерными фракциями. Направлением дальнейших исследований является разработка оптимального компонентного состава кондиционированного отсева, обеспечивающего максимально эффективную реализацию потенциала его полидисперсных частиц в процессах изготовления бетонных смесей и бетонов, в том числе – в реологическом поведении смесей, в получении плотнейших упаковок заполнителя в структуре бетона, в формировании полей напряжений и деформаций в структуре и сопротивлении таких структур разрушению. Результаты этих исследований планируется осветить в третьей части публикации.

About the authors

A. I. Makeev

Author for correspondence.
Email: amakeev@cchgeu.ru

Candidate of Sciences

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Model of the macrostructure and indicators of the properties of cement concrete based on ordinary screenings and crushed stone of the 5–10 mm fraction

Download (347KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Dependence of the water/cement ratio (a), density (b) and strength (c) of a cement-granite composite on the size of screening mesofractions

Download (127KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Characteristics of fine-grained concrete and concrete mixture with polyfractional filler

Download (95KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Schematic diagram of screenings conditioning stone crushing for their construction and technological disposal

Download (108KB)

Indexing metadata