Study of enrichment of sand for construction works with screening of rocks crushing

Full Text

Бетон представляет собой конгломерат, свойства которого главным образом зависят от характеристик заполнителей. При этом оптимизация состава заполнителей обеспечивает получение прочного жесткого каркаса из плотно упакованных зерен заполнителей и, соответственно, сокращение расхода цемента при уменьшении усадки бетона и повышении долговечности бетона.

Существенный вклад в создание оптимальной структуры затвердевшего бетона вносят гранулометрические характеристики мелкого заполнителя. Эффективный зерновой состав мелкого заполнителя с оптимальной межзерновой пустотностью позволяет получать связные бетонные смеси с рациональным расходом цемента [1−5].

Однако применяемые в настоящее время кварцевые пески, например большинство речных песков, являются мелкими и очень мелкими и отличаются низким модулем крупности, а карьерные пески характеризуются высокой неоднородностью и содержат значительное количество пылевидных и глинистых частиц.

В этих условиях использование отсевов, получаемых при переработке нерудных горных пород на строительный щебень, при производстве мелких заполнителей для бетонов может существенно улучшить качественные показатели природных кварцевых песков, а соответственно, и физико-механические свойства бетонов на их основе [6−8].

В данной работе рассмотрена возможность применения отсевов дробления различных нерудных материалов, таких как гранит и карбонатный щебень. Для исследований были взяты отсевы дробления гранитного щебня Орского месторождения, карбонатного щебеня Сокского и Ивантеевского месторождений.

Речные волжские пески относятся к классу мелких с модулем крупности, равным 1,4−1,6. При таких значениях показателей модуля крупности песка расход цемента в бетоне возрастает на 10−20 % в связи с высокими показателями водопотребности и межзерновой пустотности мелких песков.

Для обеспечения проектных показателей прочности и долговечности бетонов мелкие одним из вариантов является обогащение мелких песков отсевами от дробления горных пород с модулем крупности 3,00−4,50, которые можно отнести к крупным пескам. Обогащение мелких речных песков отсевами дробления горных пород позволяет довести модуль крупности мелкого заполнителя до оптимальных значений 2,0−3,0 и обеспечить получение бетонов с заданными физико-механическими и строительно-технологическими свойствами.

Оптимизация зернового состава мелкого заполнителя на основе природных речных кварцевых песков отсевами камнедробления повышает прочность растворной составляющей бетонов за счет более равномерного распределения цементного камня в структуре композита.

В работе определялись основные показатели песков, такие как модуль крупности, насыпная и истинная плотность. Затем производились замесы растворов с использованием этих материалов. В качестве вяжущего был использован портландцемент Вольский М500 (В42,5).

Характеристики материалов, принятых для испытаний, приведены в табл. 1.

 

Таблица 1

Характеристики материалов

Вид мелкого заполнителя	Содержание частиц более 5мм, %	Насыпная плотность, кг/м3	Истинная плотность, кг/м3	Модуль крупности
Песок кварцевый волжский	0,5	1438	2675	1,42
Отсев дробления гранитного щебня Орского карьера	2,5	1354	2714	2,95
Отсев дробления карбонатного щебня Ивантеевского карьера	11,0	1393	2645	4,6
Отсев дробления карбонатного щебня Сокского карьера	24,0	1375	2550	3,79

 

Испытания проводились на стандартных балочках. Расход цемента во всех испытаниях был постоянным и составлял 1,3 кг на замес. Результаты определения водопотребности композиционных смесей их прочности приведены в табл. 2 и 3.

 

Таблица 2

Результаты определения водопотребности смесей

Масса отсева дробления на замес, кг	Масса волжского песка на замес, кг	Расход воды на замес, мл	Водоцементное отношение смеси (В/Ц)	Диаметр расплыва раствора на встяхивающем столике, мм
Растворная смесь на основе цемента и волжского песка
-	3,90	800	0,62	110
Растворная смесь на основе цемента и отсева дробления карбонатного щебня Ивантеевского карьера
3,90	-	725	0,56	110
Растворная смесь на основе цемента и отсева дробления карбонатного щебня Сокского карьера
3,90	-	875	0,67	110
Растворная смесь на основе цемента и отсева дробления гранитного щебня Орского карьера
3,90	-	550	0,42	105
Растворная смесь на основе цемента, волжского песка и отсева дробления карбонатного щебня Ивантеевского карьера
1,95	1,95	725	0,54	115
Растворная смесь на основе цемента, волжского песка и отсева дробления карбонатного щебня Сокского карьеа
1,95	1,95	740	0,57	110
Растворная смесь на основе цемента, волжского песка и отсева дробления гранитного щебня Орского карьера
1,95	1,95	700	0,54	107

 

Таблица 3

Результаты определения прочности смесей

Срок испытаний на сутки	Средняя плотность, кг/м3	Прочность на изгиб, МПа	Прочность на сжатие, МПа
Растворная смесь на основе цемента и волжского песка
3-е	2005	3,96	12,01
7-е	2064	4,00	12,05
14-е	2046	4,05	18,44
28-е	2013	4,12	19,41
Растворная смесь на основе цемента и отсева дробления карбонатного щебня Ивантеевского карьера
3-е	2233	4,35	20,65
7-е	2198	4,51	21,30
14-е	2134	4,78	22,47
28-е	2209	5,8	28,61
Растворная смесь на основе цемента и отсева дробления карбонатного щебня Сокского карьера
3-е	2159	3,2	15,31
7-е	2098	3,45	15,85
14-е	2062	3,54	17,71
28-е	2101	3,73	24,40
Растворная смесь на основе цемента и отсева дробления гранитного щебня Орского карьера
3-е	2219	5,7	18,23
7-е	2214	6,0	23,43
14-е	2209	6,24	24,58
28-е	2226	6,39	29,60
Растворная смесь на основе цемента, волжского песка и отсева дробления карбонатного щебня Ивантеевского карьера
3-е	2235	3,78	22,33
7-е	2207	4,09	29,58
14-е	2182	5,07	35,69
28-е	2235	5,8	37,40
Растворная смесь на основе цемента, волжского песка и отсева дробления карбонатного щебня Сокского карьера
3-е	2142	3,06	16,98
7-е	2099	3,23	20,36
14-е	2070	3,45	22,10
28-е	2139	4,2	24,00
Растворная смесь на основе цемента, волжского песка и отсева дробления гранитного щебня Орского карьера
3-е	2115	4,13	19,89
7-е	2120	4,56	20,72
14-е	2117	4,59	23,54
28-е	2119	4,65	27,06

 

На рис. 1 и 2 приведены фотографии структуры на изломе и микроструктуры образцов, полученные для смесей, принятых для исследований. Фотографии структуры были получены с использованием микроскопа Levenhuk 3L NG, оборудованного цифровой камерой Levenhuk M35 BASE Series. Микроскоп был подключен к ноутбуку с установленным программным обеспечением LevenhukLite.

 

Рис. 1. Структура образцов на изломе из растворных смесей (увеличение 10-кратное)

 

Рис. 2. Микроструктура образцов на шлифе из растворных смесей (увеличение 150-кратное)

 

Исследования структуры растворной составляющей бетона, с применением отсевов дробления, на макроуровне (см. рис. 1 и 2) показали достаточно высокую степень адгезии заполнителей с цементным тестом, что обеспечило связность и нерасслаиваемость системы. На микрофотографиях структуры растворной составляющей бетона можно отметить интенсивное заполнение межзернового пространства мелкого заполнителя цементным клеем. Структура растворной составляющей бетона характеризуется в основном аморфной составляющей матрицы вяжущего вещества, заполнителем и мелкими порами. При этом трещин в зоне контактов цементной матрицы и заполнителей не наблюдается, что свидетельствует о плотном и хорошем сцеплении цементного камня с заполнителями. На рис. 3 приведены графики набора прочности образцов на изгиб и сжатие.

 

Рис. 3. Графики набора прочности образцов на изгиб (а) и сжатие (б)

 

Обозначения на графике: Ц/П – растворная смесь на основе цемента и волжского песка; Ц/И – растворная смесь на основе цемента и отсева дробления карбонатного щебня Ивантеевского карьера; Ц/С – растворная смесь на основе цемента и отсева дробления карбонатного щебня Сокского карьера; Ц/Г – растворная смесь на основе цемента и отсева дробления гранитного щебня Орского карьера; Ц/П/И – растворная смесь на основе волжского песка, цемента и отсева дробления карбонатного щебня Ивантеевского карьера; Ц/П/С – растворная смесь на основе волжского песка, цемента и отсева дробления карбонатного щебня Сокского карьера; Ц/П/Г – растворная смесь на основе, волжского песка, цемента и отсева дробления гранитного щебня Орского карьера

 Анализ выполненных экспериментальных исследований позволяет сделать некоторые выводы и обобщения. Во-первых, структура образцов на сколе, изготовленных на основе отсевов дробления и песка, в «чистом» виде позволяет сделать вывод, что у образца с применением в качестве мелкого заполнителя отсева гранита − упорядоченное, слоистое расположение зерен (см. рис. 1, б). Кроме того, следует отметить, что данные слои расположены перпендикулярно линии излома.

Такое же расположение зерен заполнителя видно и на рис. 1, в, который показывает макроструктуру, при 10-кратном увеличении, для образца на отсеве дробления щебня Ивантеевского карьера.

Противоположную картину можно увидеть на рис. 1, г, где наблюдается свободное (хаотичное) расположение зерен мелкого заполнителя.

Ориентация слоев заполнителя на рис. 1, б, в позволяет получить более высокое значение прочности на изгиб, что подтверждается полученными значениями (см. табл. 3 и рис. 3, б).

Во-вторых, при применении смеси отсевов дробления с песком сцепление более крупных зерен (см. модули крупности в табл. 1) отсева друг с другом, что наблюдалось при их применении без добавления песка, не наблюдается, так как песок заполняет промежутки между ними, тем самым раздвигая их. Данное изменение структуры отражается в результатах испытаний прочности при изгибе (см. рис. 3).

Самые низкие показания прочности на изгиб − у образцов, изготовленных на мелком заполнителе из песка и отсева дробления щебня Сокского карьера. Это обусловлено тем, что в первом случае, при использовании Волжского песка из-за низкого значения модуля крупности, его количества недостаточно для создания жесткого каркаса, во втором случае на прочность образцов влияет относительно низкая прочность исходной породы и разрушение происходит по зернам отсева, что видно на рис. 1, г.

Объединение этих компонентов приводит к увеличению прочностных показателей за счет того, что песок, выступая наиболее прочным компонентом, дополняется каркасообразующим отсевом и в результате совместно повышает прочность образцов.

Низкая прочность образцов, выполненных из цементно-песчаной смеси обусловлена увеличенным расходом воды (табл. 2), что делает структуру более пористой (см. рис. 1, а, 2, а), средний размер пор составляет 0,19 мм.

При применении отсева дробления сокского щебня водопотребность раствора больше, а пористость структуры меньше. Это происходит за счет того, что часть воды впитывается в саму породу и не защемляется в материале, образуя в дальнейшем поры. Кроме того, благодаря тому, что отсев постепенно отдает воду, рост прочности происходит плавно, что и подтверждается графиком набора прочности (см. рис. 3, б).

Небольшое различие значений прочности на сжатие между образцами, изготовленными на основе песка и смеси песка и отсева дробления сокского щебня, связано с тем, что разрушение происходит по зернам заполнителя и введение 50 % песка практически не влияет на прочностные характеристики, хотя и уменьшает пористость образцов, что подтверждается исследованиями их на изломе при 10-кратном, а также шлифов при 150-кратном увеличении.

Положительное влияние структуры образцов, изготовленных на отсеве дробления гранита при испытании на изгиб, одновременно снижает прочность на сжатие, увеличивая анизотропию свойств.

Применение отсева дробления ивантеевского щебня, более прочного по сравнению с сокским, позволяет повысить прочность на сжатие. А смесь отсева ивантеевского щебня и песка показывает наилучшие результаты по сравнению с остальными составами. Это произошло за счет более сбалансированного зернового состава смеси, а также благодаря близким прочностным характеристикам компонентов.

Применение отсевов дробления щебня является оправданным технологическим приемом и позволяет улучшить прочностные характеристики полученных на их основе материалов. В то же время данная работа требует дополнительных научных изысканий и разработок оптимальных соотношений заполнителей и выявления влияния различных добавок на их характеристики.

 

Вывод. Проведенные исследования показали эффективность применения отсевов камнедробления в качестве мелкого заполнителя при производстве железобетонных изделий.

На действующих предприятиях по производству сборного бетона и железобетона техническая и экономическая целесообразность применения отсевов дробления горных пород, получаемых при производстве щебня из горных плотных пород для строительных работ, должна определяться соответствующими расчетами технико-экономических показателей.

About the authors

Mikhail S. Balabanov

Samara State Technical University

Email: bms-796@rambler.ru

senior lecturer of the production of building materials, products and structures chair

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

Alexandr G. Chiknovoryan

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: umu-sgasu@mail.ru

phd in engineering science, associate professor, associate professor of the production of building materials, products and structures chair

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

References

Supplementary files