Щебень в качестве крупного заполнителя для бетонов.

Под редакцией д.ф. – м.н., профессора, ген. директора
ООО “ТМО “Совтех” В.М.Абросимова

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЩЕБНЯ
ИЗ КВАРЦИТОПЕСЧАНИКА ОАО “Лебединский ГОК”
В КАЧЕСТВЕ КРУПНОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ ДЛЯ БЕТОНОВ

СОДЕРЖАНИЕ

От редактора

1. Геологическая и технологическая характеристика кварцитопесчаников Лебединского месторождения

2. Виды щебня, применяемого в производстве бетонов

3. Испытание бетонных смесей и бетонов на щебне ОАО “Лебединский ГОК” из кварцитoпесчаника

3.1. Стандартные характеристики щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа

3.2. Влияние щебня из кварцитопесчаника на технологические свойства бетонных смесей

3.3. Темпы естественного твердения и прочность бетонов на щебне из кварцитопесчаника

3.4. Влияние щебня из кварцитопесчаника на характеристики поровой структуры бетонов

3.5. Призменная прочность и начальный модуль упругости бетона на щебне из кварцитопесчаникa

3.6. Морозостойкость и водонепроницаемость бетона на щебне из кварцитопесчаника

3.7. Химический анализ щебня из кварцитопесчаника

4. Заключение

5. Приложения

6. Использованные источники

От редактора

Одним из приоритетных направлений развития хозяйства России являются возрастающие объемы строительства дорог, путепроводов, жилья, производственных зданий и объектов специального назначения. Реализация строительства неизбежно порождает опережающий рост спроса на строительный щебень. Достаточно сказать, что дефицит щебня для дорож-ного строительства только в Центральном Черноземье составляет порядка 7 млн. кубических метров в год.
Решение этой актуальной проблемы возможно на основе расширения сырьевой базы каменных материалов, пригодных для производства щебня. Значительные запасы попутно добываемых горных пород и отходов обогащения железных руд, которые могут служить исходным сырьем, сосредоточены в месторождениях Курской магнитной аномалии (КМА) и, в частности, на месторождениях Лебединского горнообогатительного комбината (ЛГОК).
Горные породы по степени их пригодности для производства щебня могут быть разделены на четыре группы: 1 – рудосодержащие кварциты; 2- кварцитопесчаники; 3 – кристаллические сланцы; 4 – дайковые породы. По объемам запасов и физико-механическим свойствам наибольший интерес представляют кварцитопесчаники, кристаллические сланцы, а также отходы сухой и мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов.
Опыт использования щебня из попутно добываемых пород Лебединского ГОКа в дорожностроительном комплексе Белгородской области хорошо известен и обстоятельно изложен в трудах ученых и специалистов Белгородской государственной технологической академии строительных материалов [1,2]. Однако, учитывая нарастающий интерес к этой продукции со стороны Центральных областей России и Московского региона, была поставлена задача:
- провести комплексные исследования по определению показателей качества щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа;
- выполнить сравнительные испытания бетонных смесей и бетонов с целью определения возможностей эффективного использования щебня Лебединского ГОКа в качестве заполнителей для бетонов при производстве бетонных и железобетонных изделий и конструкций.
Совокупность полученных результатов исследований и испытаний позволяет сделать заключение, что щебень Лебединского ГОКа из кварцитопесчаника обладает высоким качеством, не уступая по важнейшим показателям граниту, а по ряду свойств даже превосходит его, и может быть рекомендован как альтернатива гранитному щебню в качестве заполнителя в бетонных и железобетонных изделиях и конструкциях. Кроме того, огромные потребности в строительном щебне будут стимулировать долговременную и крупномасштабную организацию производства щебня на Лебединском ГОКе, ускоряя тем самым процесс утилизации попутно добываемых отходов и улучшая экологическую обстановку в бассейне.
Новые области применения щебня расширят номенклатуру бетонных и железобетонных изделий, способствуя становлению и развитию рынка строительных материалов, а его характеристики, изложенные в данной работе, помогут потребителю экономически обоснованно сделать выбор щебня для производства.
Задача исследований сформулирована первым заместителем ген. Директора ОАО “Лебединский ГОК” Губиевым М.Ю.
Организация научно-исследовательских работ и их сопровождение осуществлялись Онищенко С.А. и Долматовым Г.В.

В.М.Абросимов

1. Геологическая и технологическая характеристика кварцитопесчаников Лебединского месторождения.

Кварцитопесчаники (КП) представляют собой серую с различными оттенками почти мономинеральную породу массивной текстуры. Структура в основном мелкозернистая, с размером зерен 0,02-2,0 мм. В пределах разведанных участков кварцитопесчаники характеризуются постоянством минерального состава и высокой прочностью.

Породообразующим минералом является кварц. По данным химического и гранулометрического анализа, содержание кварца составляет 73.4…96 %., в среднем – 86.24%. Остальные минеральные материалы представлены мусковитом, биотитом, реже хлоритом, фукситом, альбитом, калиевым полевым шпатом.
Их содержание иногда достигает 10…20 %.
Химический состав КП (средний) в % SiO2-90.0, TiO2-0.27, Al2O3- 2.39, Fe2O3-2.16, FeO-1.58, MgO-1.34, CaO-0.89, Na2O+K2O-0.69, P2O5-0.11, S-0.06. Органические вещества отсутствуют.
Анализ результатов физико-механических испытани й кварцитопесчаников Лебединского месторождения свидетельствует об их высоком качестве. Средняя плотность – 2650 кг/м3, водопоглощение – 0.10 %, пористость – 0.91 %, временное сопротивление сжатию в водонасыщенном состоянии – 141.2 МПа, содержание серы в целом по месторождению, в пересчете на SO3 – 0.18 %. Щебень из кварцитопесчаников, не подвергшихся выветриванию, отличается высоким качеством, не уступая по важнейшим показателям гранитному, а по ряду свойств даже превосходя его.

Объемная масса

Параметр2

Содержание сухого остатка, не более, мг/л

10002

Содержание сульфатов, не более, мг/л

500

Содержание хлоридов, не более, мг/л

350

Общая жесткость, не более, мг-экв/л

7

Эти показатели удовлетворяют требованиям ГОСТ 8267-93, “Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ”, что подтверждено сертификатом соответствия ИЦ “Железобетон” г. Москва (см. приложение 1).

Гл. инженер ОАО “Лебединский ГОК” В.Ф.Щупановский

2. Виды щебня, применяемого в производстве бетонов.

Роль заполнителей в обеспечении свойств различных видов бетонов чрезвычайно велика. Она определяется как характеристиками исходной горной породы, так и качеством заполнителя как сырьевого продукта, поступающего к потребителям – предприятиям стройиндустрии, заводам товарного бетона, строительным площадкам, – в виде песка или щебня (гравия) различного зернового состава, формы зерен, степени загрязненности и др.
В общем виде характеристики исходной горной породы определяют такие наследственные признаки заполнителя, как плотность, прочность, стабильность структуры, стойкость к определенным химическим, температурным, влажностным и прочим воздействиям. Качество заполнителя зависит как от конкретных условий добычи и переработки исходной горной породы (наличие, вид и характер примесей, влияющих на свойства заполнителя и зависящих от характера залегания добываемой породы и от присутствия и вида попутно добываемых пород; характеристик и условий работы дробильного и фракционирующего оборудования, определяющих форму зерен, характер поверхности заполнителя, количество зерен лещадной формы и содержание пылеватых и глинистых частиц и др.), так и от условий транспортирования, перегрузки и хранения заполнителя (загрязнение посторонними примесями, неконтролируемое перемешивание материалов разного вида и качества и т.д.). При прочих равных условиях основное влияние на качество заполнителя, естественно, оказывают факторы первой группы, относящиеся к характеристикам конкретного месторождения и определенного предприятия горноперерабатывающей промышленности.
Традиционно используемыми для производства щебня являются такие изверженные, глубинные интрузивные и излившиеся горные породы, как гранит, диабаз, габбро, базальт и др., а также осадочные горные породы: известняки, доломиты, песчаники, кварциты, и некоторые виды метаморфических пород, такие как гнейсы, сланцы и мрамор [3, 4].
Вид применяемых в конкретных регионах заполнителей определяется, прежде всего, удаленностью от сырьевой базы и транспортными расходами на доставку заполнителя. Так, например, многими предприятиями строительного комплекса г. Москвы для изготовления бетонов низких и средних марок (до М 300, что соответствует классу В 22,5 по ГОСТ 26633) использовался известняковый щебень Полотнянозаводского карьера, добываемый сравнительно недалеко от Москвы (Калужская область). Для изготовления бетонов более высоких марок, несмотря на значительное удаление сырьевой базы, транспортные расходы и сравнительно высокую стоимость, используется гранитный щебень Питкярантского карьероуправления (Республика Карелия).
В последнее время перебои с поставкой гранитного щебня на московские предприятия стали привычным явлением, что поставило вопрос о расширении сырьевой базы производства и применения заполнителей, прежде всего, за счет ранее не используемых в Московском регионе вскрышных и попутно добываемых горных пород. К ним относятся, в том числе, кварцитопесчаники, положительный опыт применения которых в качестве заполнителей для бетонов имеется на территории бывшего СССР [5].
Значительные объемы кварцитопесчаника добываются в виде вскрышной породы на Лебединском ГОКе, основной сферой деятельности которого является добыча и обогащение железных руд, производство железорудных окатышей и железорудного концентрата. Вместе с тем, местоположение Лебединского ГОКа в центре европейской части РФ (Белгородская область, г. Губкин), при условии соответствия свойств щебня из кварцитопесчаника нормативным требованиям, может в значительной степени способствовать устранению дефицита в крупном заполнителе, как в Москве и Московской области, так и в прилегающих областях.

3. Испытание бетонных смесей и бетонов на щебне ОАО “ЛГОК” из кварцитопесчаника

Для выявления практических возможностей, особенностей и условий применения щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа в качестве заполнителя для бетонов различных марок были проведены соответствующие комплексные исследования и сравнительные испытания с использованием пробы щебня, полученной от изготовителя – ОАО “Лебединский ГОК”. В качестве контрольных образцов использовались пробы гранитного щебня и щебня из габбродиабаза.
Научно-исследовательские работы и испытания выполнены Государственным унитарным предприятием научно-исследовательским, проектно-конструкторским и технологическим институтом бетона и железобетона (ГУП НИИЖБ, г. Москва).

3.1. СТАНДАРТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЩЕБНЯ ИЗ КВАРЦИТОПЕСЧАНИКА ЛЕБЕДИНСКОГО ГОКа.

Для предварительной оценки качества щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа были проведены испытания по проверке его основных стандартных характеристик в сопоставлении с образцами гранитного щебня и щебня из габбро-диабаза. Результаты испытаний тестируемого и контрольных образцов щебня, выполненных в соответствии с требованиями ГОСТ 26633 и ГОСТ 8269 приведены в табл.1.1.
Полученные данные показывают, что по основным показателям все пробы щебня удовлетворяют требованиям ГОСТ 26633. Однако следует отметить, что значение межзерновой пустотности щебня Лебединского ГОКа свидетельствует о потенциальной возможности улучшения его гранулометрического состава. Низкие значения водопоглощения щебня из кварцитопесчаника позволяют рассчитывать на отсутствие его значительного влияния на водопотребность бетонных смесей.

Таблица 1.1. Характеристики щебня Лебединского ГОКа и контрольных образцов.

Приведенные в табл.1.1 данные, в частности, показатель прочности щебня, т.е. марка образцов по дробимости, позволяют также утверждать, что щебень из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа в соответствии с требованиями ГОСТ 26633 может применяться для изготовления бетонов класса В45 и выше (т.е. марка 600 и выше). Естественно, что этот допуск не препятствует применению щебня Лебединского ГОКа в бетонах более низких классов (марок).

3.2. ВЛИЯНИЕ ЩЕБНЯ ИЗ КВАРЦИТОПЕСЧАНИКА НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.

Проведенные исследования предусматривали определение характера и степени влияния крупного заполнителя щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа в сопоставлении с опробованными на практике заполнителями – щебнем из габбро-диабаза и гранитным щебнем, – на технологические свойства бетонных смесей, в том числе водопотребность, подвижность, плотность и воздухововлечение бетонных смесей.
Как известно, водопотребность бетонных смесей характеризуется расходом воды затворения, л/м3, необходимым для обеспечения заданной удобоукладываемости бетонной смеси при прочих равных условиях (заданном расходе и виде цемента, виде и качестве заполнителей).
При одинаковом виде и расходе цемента водопотребность бетонных смесей определяется, главным образом, видом и качеством заполнителя – зерновым составом (крупностью), загрязненностью, плотностью (водопоглощением) зерен заполнителя. С уменьшением зерен заполнителя (модуля крупности песка, наибольшей крупности щебня), увеличением содержания в заполнителе загрязняющих примесей в виде пыли, глинистых и илистых включений, увеличением пористости и водопоглощения заполнителей (например, при использовании пористых заполнителей) водопотребность бетонных смесей возрастает. Следствием этого, в свою очередь, является снижение прочности бетона, для компенсации которой требуется увеличение расхода цемента пропорционально увеличению водопотребности, т.е. до достижения исходного значения водоцементного отношения (отношение массы воды затворения к массе цемента – В/Ц).
Для изучения влияния щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа на водопотребность бетонных смесей были проведены испытания по подбору состава бетонов на трех видах щебня, в том числе щебня из габбро-диабаза с повышенной по сравнению с тестируемым образцом плотностью и гранитного щебня, сопоставимого по показателям плотности с тестируемым образцом.
С целью лучшего выявления воздействия вида щебня на технологические свойства бетонных смесей, составы бетона назначались из условия обеспечения равного (по объему) расхода щебня всех видов. Для исключения возможных искажений результатов вследствие технологических факторов, не отражающих влияние вида щебня (недостаточное или некачественное уплотнение бетонных смесей, расслоение бетонных смесей и т.д.), подвижность бетонных смесей во всех случаях составляла 1-4 см (марка П 1 по ГОСТ 7473) при соотношении массы песка к общей массе заполнителей, равном 0,4 (согласно литературным источникам, в этом случае обеспечиваются наибольшие показатели плотности и прочности бетона). Для получения бетонов с широким диапазоном прочностных свойств (от 30 до 50 МПа), а также для лучшего выявления потенциальных возможностей щебня из кварцитопесчаника, расход цемента при подборе состава бетонов варьировался в пределах от 250 до 400 кг/м3. Для выявления возможного влияния на результаты экспериментов вида и активности цемента, при подборе состава бетонов использовались цементы двух марок. Исходя из целесообразности внедрения щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа, прежде всего в качестве заполнителя для бетонов средних и высоких марок (класс В 30, т.е. марка М 400, и более), а также с учетом ситуации на московском рынке, характеризующейся доступностью качественных цементов, эксперименты проводились с применением Старооскольского портландцемента марки ПЦ М500 Д-0 и Белгородского портландцемента марки ПЦ М600 Д-0, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 10178 “Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия”. В качестве мелкого заполнителя использовался кварцевый песок с Мк=2,3, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 26633 “Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия” и ГОСТ 8736 “Песок для строительных работ. Технические условия”. Вода для затворения бетонных смесей во всех случаях соответствовала ГОСТ 23732 “Вода для бетонов и растворов. Технические условия”
Изготовление бетонных смесей осуществлялось в лабораторном бетоносмесителе принудительного действия. Готовые бетонные смеси испытывались по ГОСТ 10181 с определением подвижности, плотности, воздухововлечения с изготовлением образцов для определения прочности и других свойств (по ГОСТ 10180).
В табл.2.1 приведены фактические составы бетонных смесей, определенные исходя из показателей их плотности, а также расчетные значения объема растворной части, объема (абсолютного и насыпного) и межзерновой пустотности щебня (с учетом данных табл.1.1 по плотности и пустотности заполнителей). В той же таблице представлены результаты испытаний бетонных смесей по ГОСТ 10181, которые показывают, что при постоянной подвижности бетонных смесей расход воды затворения в смесях на щебне Лебединского ГОКа практически не отличается от расхода воды затворения в смесях на контрольных образцах щебня. Аналогичный вывод можно сделать относительно показателя воздухововлечения. Плотность бетонных смесей соответствует плотности крупного заполнителя и в зависимости от его вида возрастает в следующей последовательности: щебень гранитный – щебень из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа – щебень из габбро-диабаза. Таким образом, при постоянном расходе материалов замена гранитного щебня щебнем из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа не приводит к изменению технологических свойств бетонных смесей. При этом важно отметить, что не наблюдается негативных последствий подобной замены, т.е. не происходит увеличения водопотребности и, как следствие, заметного увеличения водоцементного отношения – В/Ц, – показателя, определяющего прочность и другие эксплуатационные характеристики бетонов.

Таблица 2.1. Технологические свойства бетонных смесей в зависимости от вида и расхода цемента и вида крупного заполнителя.

3.3. ТЕМПЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ТВЕРДЕНИЯ И ПРОЧНОСТЬ БЕТОНОВ НА ЩЕБНЕ ИЗ КВАРЦИТОПЕСЧАНИКА.

Изучение влияния вида щебня на темпы твердения и прочность бетонов осуществлялось по ГОСТ “Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам”. Исследования проводились в возрасте 1,2,3,7 и 28 суток естественного твердения на бетонах с тремя видами заполнителя (габбро-диабаз, гранит, кварцитопесчаник) и портландцементе марки 500 (табл.3.1.,составы 1-9), а также на бетонах с двумя видами щебня и портландцементе марки 600 (табл.3.1.,составы 10-15).
Полученные в ходе экспериментов и приведенные в табл.3.1 данные показывают, что для бетонов на портландцементе марки 500 прочность бетонов на щебне Лебединского ГОКа при всех расходах цемента и во все сроки твердения практически не отличается от прочности бетонов на гранитном щебне (составы 2-3, 5-6, 8-9).
Прочность бетонов на щебне из габбро-диабаза несколько превышает прочность бетонов на гранитном щебне и щебне из кварцитопесчаника, особенно при пониженном расходе цемента (250 кг/м3, состав 1), что соответствует повышенной прочности щебня из габбро-диабаза по показателю дробимости. По мере увеличения расхода цемента до 320 и 390 кг/м3 (составы 4, 7) разница в прочностных показателях нивелируется.
С заменой портландцемента марки М500 на портландцемент марки М600 и, соответственно, с некоторым относительным уменьшением вклада прочности щебня в формирование прочности бетона, разница в показателях прочности бетонов на щебне из габбро-диабаза и кварцитопесчаника Лебединского ГОКа практически отсутствует (составы 10-11, 12-13, 14-15).
Анализ данных табл.3.1 позволяет утверждать, что на основе щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа, в зависимости от вида и расхода цемента, может быть получен бетон с прочностью, соответствующей маркам от 300 до 700 (классы бетона от В 25 до В 50 по ГОСТ 26633). В этом смысле возможности его применения не уступают возможностям применения гранитного щебня и даже щебня из габбро-диабаза.

Таблица 3.1. Составы и прочность бетонов в зависимости от вида и расхода цемента и вида крупного заполнителя.

3.4. ВЛИЯНИЕ ЩЕБНЯ ИЗ КВАРЦИТОПЕСЧАНИКА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОВОЙ СТРУКТУРЫ БЕТОНОВ.

Характеристики поровой структуры бетонов определялись по кинетике водопо-глощения по методике ГОСТ 12730.4 “Бетоны. Метод определения показателей пористости” в зависимости от вида, расхода цемента и вида крупного заполнителя.
Результаты определения характеристик поровой структуры бетонов по кинетике водопоглощения приведены в табл.4.1, классификация структуры по показателям пористости [6] – в табл.4.2.
Анализ полученных данных показывает, что применение щебня из кварцитопесча-ника Лебединского ГОКа, как и щебня из габбро-диабаза, обеспечивает получение бетонов с плотной структурой. Несколько более высокая плотность бетона на щебне из габбро-диабаза связана с повышенной плотностью заполнителя, а незначительное увеличение показателей объемного водопоглощения Wo и средней крупности пор 2 при использовании щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа может быть связано с его неоптимальным зерновым составом, на что обращалось внимание выше (см.раздел 1). Характерно, что в бетонах с повышенным расходом цемента и, соответственно, в условиях увеличения

Похожие материалы:

Пигментные добавки в бетонном производстве. Особенности производства цветных бетонов в условиях современных бетонных заводов.

Для изготовления качественного цветного бетона на современных бетоносмесительных установках (бсу) необходимо грамотно подобрать составляющие компоненты и, главное, пигментную...

Виды щебня для дорожного строительства

Из всех природных материалов, используемых в дорожном строительстве щебень, пожалуй, можно считать основным. Объемы производства щебня превышают 3 млрд. кубометров в год. Доля...

Поризованные бетоны

Применение: применяются редко в связи со сложностью изготовления даже на самых современных бетонных заводах. Изготовление: главной особенностью изготовления пористых бетонов...

Легкие бетоны: виды, свойства, применение

Согласно существующей у специалистов бетонных заводов классификации к легким бетонам относят бетоны, чья плотность составляет менее 1800 кгкуб.м. Такое значение плотности обычно...

О свойствах и классах бетона

По плотности бетоны подразделяют на особо тяжёлые, тяжёлые (плотность D = 1800-2500 кгм³ ), легкие и особо легкие. По размерам заполнителя тяжелые бетоны подразделяют на...