The use of small granite slabs as a substitute for fine aggregate in heavy concrete

Full Text

Введение

Использование отходов строительной индустрии для применения в качестве добавок или компонентов бетонной смеси является актуальной задачей по нескольким причинам: сохранение экологии, использование уже затраченной энергии (энергоэффективность), замена природных компонентов, улучшение физико-механических характеристик изделий.

В последние годы в Российской Федерации на промышленных предприятиях образовалось до 10 млрд. тонн твердых отходов, десятки миллионов тонн относятся к отходам строительной индустрии. Переработка техногенных отходов может стать источником большого количества сырья для разных отраслей промышленности [1, 2]. Таким образом, утилизация техногенных отходов путем вторичного использования их в производстве строительных материалов является наиболее перспективным и быстроразвивающимся направлением [2, 3]. Вторичная переработка экономит ресурсы человека, не нанося вреда окружающей среде, но надо понимать, что на начальных этапах формирования любой рецикл является достаточно затратным, а инвестиции имеют среднесрочную окупаемость [4, 5]. Использование переработанных материалов уменьшает количество отходов, отправляемых на свалки, и сокращает добычу полезных ископаемых, необходимых для производства строительных материалов.

Обоснованность дальнейшего развития вторичной переработки отходов состоит в том, что в целом по стране на этот тип утилизации отходов приходится менее 10 % от общего количества. К сожалению, основным способом утилизации остается захоронение на полигонах ‒ до 90 % [5‒7].

В настоящее время применение техногенных отходов в строительной индустрии является главным направлением переработки различных видов отходов в большом количестве с получением изделий достаточно высокого качества [8]. Примеров конкретного использования разнообразных отходов, в том числе техногенного характера в производстве строительных материалов, немало [9‒11]. Есть информация по использованию отходов металлургической, энергетической, химической промышленности, а также побочных продуктов (отходов) добычи и переработки полезных ископаемых и природных ресурсов в качестве составных компонентов при получении бетонных смесей различного вида [12‒14]. Но необходимо подчеркнуть, что этого явно недостаточно, судя по тенденции увеличения площадей свалок (полигонов для захоронения) [5] и постоянно возрастающего объема строительных работ [15].

Передовые предприятия должны быть обеспокоены разработкой мероприятий по переработке собственных отходов в полезные материалы, что позволит [16]:

• снизить себестоимость;
• повысить экономическую эффективность;
• уменьшить платежи по статьям экологии;
• получить из отходов новые эффективные материалы;
• повысить квалификацию инженерных работников и рабочих по рациональному использованию материальных ресурсов предприятий.

В нашем случае, в рамках сотрудничества с ООО «Самарский Стройфарфор» [17], в качестве частичной и полной замены мелкого заполнителя в составе конструкционного бетона использовали отход цеха производства керамогранитной плиты. А именно брак (бой) керамогранитной плиты (КГП) в виде измельченной фракции с размером зерен менее 2,5 мм, предварительно получаемой для использования в производстве как добавка к основной керамической массе на стадии формирования шликера. Но весь получаемый исходный бой КГП в цехе использовать вторично не представляется возможным, это связано с необходимостью проведения текущего ремонта дробильного оборудования, что приводит к накоплению избыточного объема отходов в среднем около 1200 тонн в год.

Материалы и методы

Свойства как самой бетонной смеси, так и затвердевшего материала – бетона во многом зависят от качества основных компонентов, использованных для его производства. Важно соблюдать требования стандартов при проектировании состава бетона. Для получения высокопрочных бетонов учитывают ряд факторов, позволяющих оптимизировать гранулометрический состав путем использования качественных заполнителей, а также высокомарочных цементов и ряда минеральных и химических добавок. Прочность конечного продукта будет зависеть от качества цементного камня, образующегося в процессе твердения, адгезии между вяжущим веществом и зернами заполнителя, прочности и степени чистоты самого заполнителя и, как следствие, пористости контактной зоны между вяжущим и инертным материалом.

В качестве вяжущих веществ, которые и создают цементный камень в бетонах, чаще всего используют неорганические вещества, а именно портландцемент, шлакопортландцемент, гидрофобный, пластифицированный и другие виды цемента. Основное требование для производства высокопрочных бетонов к цементам – это как можно более высокая активность, желательно не меньше 50 МПа, и, по возможности, низкие значения водопотребности. Для проведения контрольных испытаний по данной тематике использовался цемент ЦЕМ II/В-Ш 42,5Н (М500). Данный вид цемента обусловлен наличием в своем составе доменного гранулированного шлака в количестве не более 35 % (ГОСТ 31108-2003. Цементы общестроительные. Технические условия). Характеризуется более равномерным набором прочности во времени, низкой степенью тепловыделения в первоначальный период набора прочности, а также низкой трещиностойкостью, что обеспечивается наличием шлака в составе. Прочностные характеристики ‒ 15 МПа на вторые сутки твердения. К недостаткам данного цемента можно отнести более высокую нормальную густоту (более 30 %), что также связано с наличием шлака в основном составе.

Нельзя недооценивать и роль заполнителей в бетонах, так как они занимают наибольший объем в материале и выполняют ряд очень важных и нужных функций. Это и формирование жесткой структуры, и создание благоприятных условий для уменьшения усадки затвердевшего бетона, и влияние на конечную прочность, а также улучшение деформативных свойств, уменьшение ползучести, ярко выраженное влияние на плотность при использовании легких или тяжелых заполнителей. Правильный выбор заполнителей для бетона позволяет добиться требуемых свойств как бетонной смеси, так и затвердевшего бетона [18].

В качестве мелкого заполнителя в данной работе предполагается использовать песок речной волжский и бой керамогранитной плиты (КГП) фракции 0,16 – 2,5 мм.

Добыча речного волжского песка осуществляется гидромеханическим способом, что обеспечивает меньшее количество примесей в его составе. Поверхность зерен является округлой и гладкой, это обусловлено процессами его образования в водной среде. Наличие гладкой поверхности зерен мелкого заполнителя речного происхождения несколько ухудшает адгезию с цементным камнем, но так как данный песок является местным сырьевым материалом, то его использование снижает транспортные расходы и строительная индустрия Самарской области широко его использует. Данный вид мелкого заполнителя, кроме своей чистоты, имеет и другие преимущества: устойчивость к агрессивным воздействиям, не подвержен гниению, не выделяет вредных веществ в атмосферу, что обусловлено химическим составом самого песка, состоящим в основном из диоксида кремния [18]. По своему размеру зерна песка речного волжского не отличаются особой крупностью и по основной классификации (модуль крупности) относятся к группе очень мелких с модулем менее 1,5.

Бой КГП, прошедший термическую обработку с последующим помолом, подвергается рассеву таким образом, чтобы отобрать фракцию от 0,16 до 2,5 мм с целью избежать попадания пылевидных частиц, которые присутствуют в исходно предоставленном предприятием материале. В работе бой КГП планируется использовать в качестве мелкого заполнителя как полную замену речного песка на 100 %, так и в смеси с ним в разных пропорциях. Это необходимо для проверки возможности обогащения мелкого заполнителя путем улучшения его зернового состава и, как следствие, прочностных характеристик бетона.

В качестве крупного заполнителя в работе использовались плотные неорганические заполнители в виде щебня осадочного происхождения [18]. Производитель и поставщик крупного заполнителя ‒ ОАО «Ивантеевский каменный карьер». Марка щебня по прочности (дробимости) М800, морозостойкость не менее F100, содержание пылевидных частиц не более 2 %, фракционный состав 5‒20 мм.

Результаты

Для объективной оценки возможности использования боя КГП в качестве заполнителя для бетонов в рамках работы, проводимой на кафедре «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» был осуществлен ряд экспериментальных исследований. Основной целью работы было изучение основных физико-механических характеристик бетонов, полученных на основе заполнителей из боя КГП.

Для этого было изготовлено 5 серий образцов в виде кубов с размером ребра 10×10×10 см. Серии готовились для испытаний на 7-е и 28-е сутки твердения, проходящих в нормальных условиях.

Опишем каждую подготовленную серию отдельно.

Серия 1. Использование боя КГП не предусматривалось. В качестве мелкого заполнителя использовался на 100 % речной волжский песок (далее будем применять условное обозначение «П») ‒ контрольный состав для сравнения.

Серия 2. Часть «П», а именно 25 % от общей массы мелкого заполнителя заменили на бой КГП (далее условное обозначение «Б»).

Серия 3. 50 % «П» от общей массы мелкого заполнителя заменили на «Б».

Серия 4. 75 % «П» от общей массы мелкого заполнителя заменили на «Б».

Серия 5. Использование «П» не предусматривалось. В качестве мелкого заполнителя использовался на 100 % «Б».

Подбор состава для тяжелых бетонов проводился по методу абсолютных объемов. Основные требования, заложенные при подборе, ‒ это получение прочности бетона на 28-е сутки класса не менее В25 и подвижности смеси, равной классу П2.

Испытания по определению прочности при сжатии выполнялись на гидравлическом прессе МС-500 (ГОСТ 28840-90 «Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб»), определение класса подвижности осуществлялось с использованием конуса Абрамса (ГОСТ 10181-2014 «Смеси бетонные. Методы испытаний»).

Расход сырьевых материалов для изготовления образцов представлен в табл. 1.

 

Таблица 1. Расход сырьевых материалов на 1 м³ для бетона класса В25
Table 1. Consumption of raw materials per 1 m³ for concrete of class B25

Расход материалов, кг/м3	Серия 1	Серия 2	Серия 3	Серия 4	Серия 5
Цемент	366,60	375,00	383,30	391,67	433,33
Вода	220,00	225,00	230,00	235,00	260,00
Щебень	1088,00	1088,00	1088,00	1088,00	1088,00
«П»	658,35	478,46	308,80	149,32	-
«Б»	-	148,65	287,84	417,54	461,83

 

Полученные значения плотностей и прочности на сжатие для изготовленных образцов в возрасте 7 и 28 суток по сериям представлены в табл. 2, 3. Для наглядности результаты эксперимента проиллюстрированы на рис. 1, 2.

 

Таблица 2. Значения плотностей и прочности на сжатие для изготовленных образцов в возрасте 7 суток, представленных по сериям
Table 2. Values of densities and compressive strength for manufactured samples at the age of 7 days, presented by series

Серия	Плотность ρ, г/см3				Прочность на сжатие Rсж., МПа
	1	2	3	среднее	1	2	3	среднее
1	2,32	2,37	2,32	2,34	21,0	21,5	21,8	21,4
2	2,26	2,24	2,30	2,27	21,2	21,6	21,8	21,5
3	2,30	2,22	2,24	2,25	21,9	21,4	21,7	21,7
4	2,19	2,23	2,23	2,22	22,5	22,1	21,6	22,1
5	2,24	2,20	2,17	2,20	26,4	24,3	23,1	24,6

 

Таблица 3. Значения плотностей и прочности на сжатие для изготовленных образцов в возрасте 28 суток, представленных по сериям
Table 3. Values of densities and compressive strength for manufactured samples at the age of 28 days, presented by series

Серия	Плотность ρ, г/см3				Прочность на сжатие Rсж., МПа
	1	2	3	среднее	1	2	3	среднее
1	2,30	2,34	2,31	2,32	33,6	33,5	34,2	33,8
2	2,26	2,23	2,28	2,26	31,6	32,1	32,0	31,9
3	2,22	2,19	2,23	2,22	33,3	33,6	33,9	33,6
4	2,19	2,20	2,21	2,20	36,9	38,8	37,4	37,7
5	2,23	2,19	2,15	2,19	37,3	38,2	36,4	37,3

 

Рис. 1. Зависимость средней плотности образцов от серии на 7-е и 28-е сутки твердения
Fig. 1. Dependence of the average sample density on the batch on the 7th and 28th days of hardening

 

Рис. 2. Зависимость среднего значения прочности на сжатие от времени твердения (для всех серий отдельно)
Fig. 2. Dependence of the average compressive strength on the curing time (for all series separately)

 

Заключение

Расчетное количество вяжущего вещества, полученное в результате подбора состава бетона по методике абсолютных объемов при использовании речного волжского песка в качестве мелкого заполнителя, составляет 366,6 кг на 1 м³ (серия 1).

Осадка конуса, полученная в процессе замеса, составляет 5 см, что соответствует удобоукладываемости П2 при В/Ц=0,6. Однако следует учесть, что водопоглощение кварцевого песка значительно отличается для аналогичного параметра боя КГП.

Водопоглощение кварцевого песка находится в пределах околонулевого значения, при работе с кварцевым песком в большей степени надо учитывать воду, необходимую на смачивание поверхности зерен песка [18]. Если же мы говорим о бое КГП, то, согласно ГОСТ 13996-2019 «Плитки керамические. Общие технические условия», а именно пункту 4 (Классификация), даже для плитки с низким значением водопоглощения этот показатель может достигать 3 %.

При экспериментальном подборе составов в сериях отталкивались от сохранения подвижности смеси в пределах марки П2, поэтому при использовании боя КГП количество воды необходимо было увеличивать, что согласно расчетным данным приводит и к увеличению расхода цемента (так как значения В/Ц=0,6 мы также заложили как постоянную величину). Рассмотрев имеющиеся значения расхода цемента (см. табл. 1) по всем сериям, были получены следующие значения относительного контрольного состава (серия 1):

1) увеличение на 2,3 % для серии 2;

2) увеличение на 4,5 % для серии 3;

3) увеличение на 6,8 % для серии 4;

4) увеличение на 18,2 % для серии 5.

Заметно явное увеличение расхода вяжущего с увеличением расхода боя КГП, особенно в составе, в котором в качестве мелкого заполнителя использовалось 100 % боя КГП. Следовательно, использование такого варианта нецелесообразно, так как приводит к значительному перерасходу вяжущего.

Плотность образцов кубов, изготовленных с использованием боя КГП, меняется в меньшую сторону в зависимости от увеличения расхода материала. Это обусловлено тем, что истинная плотность речного песка составляет в среднем 2,5 г/см³, а плотность же боя КГП не превышает значения 2,45 г/см³. Истинные плотности материалов определялись по стандартной методике с помощью прибора Ле-Шателье.

Прочность на 7-е сутки, по данным табл. 2, характеризуется равномерным приростом без значительных скачков и изменений относительно контрольного состава. Следует отметить, что прочность на 7-е сутки состава с использованием 100 % боя КГП получилась несколько выше, что предположительно обусловлено более высоким расходом цемента согласно расчету на 1 м³ бетонной смеси. Если говорить о приросте прочности по сравнению с контрольным составом, то он находится в пределах 14,9 %. Однако значения прочности каждого конкретного образца в серии № 5 имеют довольно заметный разброс (26,4; 24,3; 23,1 – данные из табл. 2); предполагаем, что это вызвано неравномерным распределением материала в теле бетона, т. е. бетонная смесь с использованием боя КГП требует более тщательного и длительного перемешивания для более равномерного распределения боя в самой структуре бетона.

Прочность на 28-е сутки естественного твердения, при использовании боя КГП в количестве 25 % (серия 2) от общей массы мелкого заполнителя, становится даже меньше на 5,6 % по сравнению с контрольным составом. При использовании 50 % боя КГП (серия 3) от общей массы мелкого заполнителя, введенного в материал по сравнению с контрольным составом, ‒ меняется незначительно. Однако результаты серии 4 с использованием 75 % боя КГП показывают положительные изменения прочности с приростом в 11,5 % по сравнению с контрольным образцом (серия 1). Прирост прочности с использованием 100 % боя КГП (серия 5) тоже показывает прирост прочности. Но при этом имеет самый большой расход вяжущего вещества и его использование экономически не оправданно ‒ так, при увеличении расхода цемента на 18,2 % конечная прочность образца увеличивается на 10,3 %. Для наглядности приведем сравнение для состава серии 4 в следующем виде: при увеличении расхода цемента на 6,8 % (см. табл. 1) относительно контрольного состава (серия 1) прочность на сжатие при испытаниях на 28-е сутки для среднего значения составов серии 4 (см. табл. 3) больше на 11,5 % по сравнению со средним значением контрольного состава (серия 1). Поэтому образцы серии 4 можно считать наиболее удачным результатом в проведенном эксперименте для использования боя КГП в производстве бетонов общестроительного назначения.

Вывод. Использование отхода от производства КГП в чистом виде в качестве мелкого заполнителя неоправданно, однако в смеси с обычным мелкомодульным кварцевым песком (в пропорции Б:П = 3:1) может использоваться в производстве тяжелых бетонов.

About the authors

Evgeniy Igorevich Frolov

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: frolov.ei@samgtu.ru

PhD of Chemical Sciences, Associate Professor, Head of the Production of Building Materials, Products and Structures Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Roman Vladimirovich Demidov

Samara State Technical University

Email: drv782010@mail.ru

Senior Lecturer, Head of Laboratories of the Production of Building Materials, Products and Structures Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Maxim Alexandrovich Antsev

Samara State Technical University

Email: max2203200@mail.ru

Engineer of the Production of Building Materials, Products and Structures Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

References

Supplementary files