Перечень условных обозначений и сокращений

В/Ц – водоцементное отношение;

МБ – мелкозернистый бетон;

М_к - модуль крупности песка;

П/Ц – соотношение песка и цемента;

ПЦ – портландцемент;

G – марка по истираемости г/см²;

С₃А – трехкальциевые алюминат;

C₃S – трехкальциевый силикат;

C₂S – двухкальциевый силикат;

К – корректирующий коэффициент;

Δm_прк – потери массы при прокаливании;

ρ_ср – средняя плотность, кг/м³.

 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время бетон является основным строительным материалом, применяется для получения различных конструкций и изделий. На сегодняшний день термин бетон имеет большой спектр значений и для каждого значения нужен определенный состав, применяемые сырьевые материалы, свойства, технологии приготовления, твердения и т. д.

В последние годы все шире применяется мелкозернистый бетон, отличие которого заключается в качестве и количестве вяжущего вещества, меньшей крупности зерен заполнителя, повышенной удельной поверхности заполнителя, отсюда большая зависимость прочности мелкозернистого бетона от свойств заполнителя (крупность зерен, гранулометрический состав, качество поверхности, пустотность, прочность) и изменения содержания воды.

Природные запасы мелкого заполнителя исчерпываются, поэтому возникает потребность использования альтернативных источников такого заполнителя для приготовления бетонов и строительных растворов, который позволяет снизить расход природных ресурсов при этом, не ухудшающая свойства бетона.

    Актуальность работы. Использование мелкозернистого бетона для стяжки – слоя пола, служащего для выравнивания поверхности, распространено в строительстве. Заполнителем для такого состава чаще всего является песок – природный иссекаемый материал.

Актуально заменить природный заполнитель на малоиспользуемые отходы техногенного характера – песок из отсевов дробления плотных горных пород.  Общий объем отсевов дробления гранитного щебня за 2017 год составил 31 млн м³, которые складируются в многотоннажные отвалы и занимают огромные территории.

Накопление отсевов дробления различных горных пород приходится серьезной проблемой, использование их в качестве компонента мелкозернистого бетона для стяжки пола – один из видов утилизации этих отходов, тем самым решается вопрос не только экономической, но и экологической ситуации в стране.

Цель работы – изучить влияние вида мелкого заполнителя
на прочность и истираемость мелкозернистого бетона.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие

задачи:

– выполнить аналитический обзор научно-технической литературы по теме влияния вида заполнителя на прочность и истираемость мелкозернистого бетона;

 – определить характеристики исходных материалов: кварцевый речной песок Лужского месторождения, отсев дробления кварцита месторождения Гора Хрустальная, отсев дробления гранита Курманского месторождения;

 – рассчитать и подобрать состав мелкозернистого бетона на разных видах заполнителя;

– изучить и освоить методы оценки истираемости бетона, провести экспериментальные исследования мелкозернистого бетона на разных видах заполнителя.

Научная новизна результатов исследований. Замена кварцевого песка на песок из отсева дробления кварцита при одинаковых гранулометрических характеристиках снижает прочность бетона на 14 %, при этом его стойкость к истиранию превышает аналогичные показатели на 23 %. Предложен механизм, объясняющий отсутствие пропорциональной зависимости между прочностью при сжатии и стойкости к истиранию. Основной фактор, влияющий на прочность, является форма зерен и характер их поверхности, стойкость к истиранию зависит от происхождения, состава, твердости заполнителя. Кварцевый песок – осадочная рыхлая порода, имеет окатанную форму и гладкую поверхность зерен, что способствует формированию плотной упаковки и высокой прочности при сжатии бетона.

 

 Кварцит – метаморфическая плотная порода, при ее дроблении формируются остроугольные частицы с неровной поверхностью. Отсутствие плотной упаковки снижает прочность при сжатии образцов бетона по сравнению с кварцевым песком, но при истирании в тонком слое увеличивается противодействие скольжению частиц одна относительно другой.

Практическая значимость работы. Показана возможность замены кварцевого песка отсевами кварцита и гранита, при подборе состава мелкозернистого бетона, без потери прочности при сжатии.

Для получения повышенной истираемости целесообразно использовать мелкие заполнители метаморфического происхождения с мономинеральной структурой и остроугольной формой частиц.

Структура и объем магистерской диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, основных выводов, библиографического списка из 28 наименований. Работа изложена на 54 страницах машинописного текста, включая 4 рисунка и 20 таблиц.

 

МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН

Мелкозернистый бетон широко применяется в сфере строительства, является не только заполнителем для бетонов, но также используется в строительстве дорожных покрытий, производстве тротуарной плитки, дорожных бордюров и т. д.

Мелкозернистый бетон представляет собой смесь цемента, мелкого заполнителя, воды и химических, минеральных добавок. Этот бетон имеет некоторые особенности, обусловленные его структурой, для которой характерны большая однородность и мелкозернистость, высокое содержание цементного камня, отсутствие жесткого каменного скелета, удельная поверхность твердой фазы. Заполнители для мелкозернистого бетона бывают природного и техногенного происхождения. К природным заполнителям относятся кварцевые пески, к техногенным – бетонный, кирпичный бой, отсевы дробления плотных горных пород.

Мелкозернисты бетон обладает повышенной прочностью при изгибе, водонепроницаемостью и морозостойкостью. Его используют для производства труб и гидротехнических сооружений, тонкостенных железобетонных конструкции, стяжек, а также для производства напольных покрытий.

Мелкозернистый бетон используются при производстве армированных конструкций. Частота расположения арматуры не дает возможности проникновению классическому раствору, а мелкозернистые бетоны с легкостью проникнут в недоступное место [3].

Мелкофракционный бетон, благодаря своей главной характеристике – подвижности, с легкостью используется в ремонте трещин, заполнении соединительных швов. Перед гидроизоляционными работами стяжку подготавливают мелкозернистыми элементами [3].

    1.1 Портландцемент

Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Его получают тонким измельчением обожженной
до спекания сырьевой смеси известняка и глины, обеспечивающей преобладание в клинкере силикатов кальция. Спекшаяся сырьевая смесь
в виде зерен размером до 40 мм называется клинкером, от качества его зависят важнейшие свойства цемента: прочность и скорость ее нарастания, долговечность, стойкость в различных эксплуатационных условиях [9].

Портландцемент характеризуется довольно постоянным химическим составом. Содержание основных составляющих окислов в нем колеблется в сравнительно небольших пределах, представленных в таблице 1.1 [9].

 

Таблица 1.1 – Химический состав портландцементного клинкера

Содержание оксидов, %								Сумма, %
СаО	SiО2	Аl2О3	Fе2О3	Na2O	K2O	MgO	SО3
66	22	4	3	0,5	0,5	2	2	100

 

Главнейшие оксиды – SiO₂, Аl₂О₃, СаО и Fe₂O₃ при обжиге взаимодействуют между собой, образуя клинкерные минералы, соотношение которых определяет свойства портландцемента. Цементный клинкер состоит из кристаллов различной формы. Между ними размещено так называемое промежуточное вещество, представленное стекловидной фазой. Основные минералы клинкера: алит 3CaO·SiO₂, белит 2CaO·SiO₂, трехкальциевый алюминат 3СаО·Аl₂О₃ и алюмоферриты кальция переменного состава от 8CaO·3Al₂O₃·Fe₂O₃ до 2CaO·Fe₂O₃. В практических расчетах алюмоферриты кальция обозначают одной формулой 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃, соответствующей их среднему составу. Согласно ГОСТ 31108-2016 суммарное содержание трехкальциевого и двухкальциевого силикатов (3СаО·SiO+2СаО·SiO) в клинкере должно быть не менее 67 % массы клинкера, а массовое отношение оксида кальция к оксиду кремния (СаО/SiO) – не менее 2,0 % [9].

Алит (алитовая фаза) состоит из трехкальциевого силиката. Однако отождествлять их по составу нельзя. При кристаллизации C₃S из расплава он захватывает в свою структуру MgO, Al₂O₃, Fe₂O₃ с образованием твердых растворов. Этот твердый раствор и называют алитом. В алитах промышленных клинкеров может содержаться: Аl₂О₃ 0,9-1,7 %; Fe₂O₃ 0,4-1,6 %; Na₂O до 0,3 %; К₂О 0,1 %; ТiO₂ 0,6 %. На прочность и другие свойства портландцемента влияют форма кристаллов алита, их размеры, распределение по величине, степень закристаллизованности и т. д. [9].

Белит (белитовая фаза) клинкера является β–формой C₂S. Для двухкальциевого силиката характерен полиморфизм. Известно пять структурных форм C₂S. При медленном охлаждении и значительном содержании двухкальциевого силиката в клинкере происходит переход β–модификаций
в γ–модификацию, не обладающую гидравлическими свойствами. При этом наблюдается рассыпание клинкера в порошок вследствие увеличения объема, обусловленного различием примерно на 10 % плотностей β– и γ–модификаций. Однако в промышленных условиях присутствие в клинкере оксидов фосфора, хрома, алюминия стабилизирует и позволяет сохранить эту неустойчивую модификацию, обладающую гидравлическими свойствами [9].

В клинкерах, охлажденных сравнительно быстро, белит присутствует в виде округлых зерен со слабовыраженной штриховкой. При медленном охлаждении кристаллы белита имеют неправильную форму, зернистую структуру и зазубренные края, что связано с выделением из них при охлаждении веществ, ранее находившихся в твердом растворе. Стабильность β–формы зависит не только от вида и количества примесей, но и от размеров кристаллов. Чем мельче кристаллы, тем они устойчивее [9].

Трехкальциевый алюминат в виде кристаллов входит в состав промежуточной фазы. Точная его структура неизвестна. В промышленных клинкерах С₃А растворяет MgO, SiO₂, Na₂O [9].

Алюмоферриты кальция вместе с алюминатами и клинкерным стеклом образуют прослойки между зернами минералов. Они являются твердыми растворами. Конкретный состав алюмоферритной фазы определяется соотношением Al₂O₃/Fe₂O₃ в сырьевой смеси и режимом охлаждения клинкера. Наряду с главными клинкерными минералами в состав клинкера входит незакристаллизованное стекло, имеющее переменный состав со значительным количеством Аl₂О₃ и Fe₂O₃. Содержание стекла зависит от скорости охлаждения и состава клинкера. Кроме того, в клинкере могут присутствовать свободные, не вступившие в химическое взаимодействие СаО и MgO [9].

При высоком содержании в портландцементе свободного оксида кальция, называемого также свободной известью, а также MgO происходит растрескивание и разрушение затвердевшего камня [9].

К важнейшим техническим характеристикам портландцемента относятся: плотность, тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, прочность. Истинная плотность цемента колеблется в пределах
3,05-3,15 г/см³. В среднем принимают 3,1 г/см³. Насыпная плотность
зависит от степени уплотнения. Для рыхлонасыпанного цемента она составляет 1,1 г/см³, сильно уплотненного – 1,6 г/см³. В расчетах принимают значение 1,3 г/см³.

Тонкость помола цемента оказывает большое влияние на скорость его твердения, прочность. Тонкость помола портландцемента характеризуют его зерновым составом и удельной поверхностью. Зерновой состав определяют путем просеивания пробы цемента через сито с очень тонкими ячейками – 008 мм (80 мкм). Основная часть пробы (не менее 85 %) должна пройти сквозь такое сито. Это означает, что современный портландцемент отличается очень тонким помолом, т. е. размер его зерен в среднем составляет 20-40 мкм. Удельная поверхность такого цемента 2500-3000 см²/г [9].

Водопотребность цемента отражает способность его частиц адсорбировать, т. е. поглощать, на поверхности определенное количество воды. Водопотребность портландцемента 22-28 % [9].

Сроки схватывания цемента характеризуют промежуток времени, в течение которого интенсивно изменяются пластические свойства цементного теста. Различают начало и конец схватывания. В соответствии
с требованиями ГОСТ 31108-2016 начало схватывания портландцемента должно наступать не ранее чем через 60 мин после затворения, конец схватывания – не нормируется.

Прочность – основная характеристика цемента как материала для изготовления бетонных и железобетонных конструкций. Для ее оценки используют стандартную характеристику цемента – тип (ГОСТ 30515-2013 Цементы. Общие технические условия).

Песок

Заполнителями в бетоне называют рыхлую смесь минеральных зерен природного или искусственного происхождения, размеры которых находятся в установленном диапазоне. В бетоне эти зерна скрепляются вяжущим веществом, образуя прочное камневидное тело. Занимая до 80-85 % общего объема бетона, заполнители влияют на технологические свойства бетонной смеси и на качество затвердевшего бетона. Правильно подобранные заполнители позволяют получать экономичный бетон с минимальным расходом цемента [12].

По крупности различают мелкий заполнитель (песок), состоящий из частиц размером 0,16-5 мм, и крупный заполнитель (гравий или щебень), размеры частиц в котором изменяются в пределах от 5 до 70 мм. В некоторых случаях, например при бетонировании массивных конструкций, применяют щебень или гравий с крупностью частиц до 150 мм. По происхождению заполнители подразделяют на природные и искусственные. Природные заполнители получают путем добычи и переработки изверженных, осадочных или метаморфических горных пород: гранита, диабаза, диорита, известняка, вулканического туфа, гравия, кварцевого песка, кварцита, мрамора. К искусственным заполнителям относят попутные продукты промышленности (доменные и топливные шлаки, золу ТЭС), а также специально изготовляемые – керамзитовый гравий, щебень из вспученного перлита и многие
другие [12].

К важнейшим показателям качества заполнителей относят зерновой состав, форму и характер поверхности зерен, содержание вредных примесей, плотность, прочность и морозостойкость [15].

Зерновой состав заполнителей решающим образом влияет на получение бетона заданной марки при минимальном расходе цемента. В бетонной смеси цементное тесто расходуется на обволакивание поверхности зерен и на заполнение промежутков (пустот) между ними [15].

Мелкий заполнитель, необходимый для производства данной марки бетона, может быть получен из отсевов в производстве щебня. Рассмотрим отходы как ресурс. По сути, это тот же щебень мелких фракций и песок, только загрязненный примесями в виде пылевидных и глинистых частиц. Отделив примеси, мы можем получить два продукта: мелкий щебень и песок. Необходимый в производстве бетона зерновой состав песка с количеством пылевидных частиц менее 3 % возможно получить с помощью промывки отсева на современном промывочном оборудовании [26].

Песок – мелкий заполнитель, в бетонной смеси наиболее тесно связан с цементным тестом, составляя с последним растворную часть. Чем больше песка вводится в смесь, тем большей (при прочих равных условиях) оказывается вязкость растворной части (вязкость необходима для поддержания крупного заполнителя во взвешенном состоянии во избежание расслаивания бетонной смеси), тем меньшим будет расход цемента. Однако чрезмерное содержание песка приводит к снижению прочности бетона. Поэтому содержание песка должно быть оптимальным [15].

Минералогический состав природных песков в большинстве случаев резко отличается от минералогического состава исходных материнских горных пород; следствием изменения минералогического состава песков является изменение и химического их состава. В песках преобладают кварц, полевые шпаты, слюды, роговые обманки, гипс, известковые минералы и некоторые другие. Основное место в большинстве случаев занимает кварц. Вторичных минералов в песках не много [15].

Химический состав песков тесно связан с их минералогическим составом и характеризуется большим содержание SiO₂ и незначительным – железа, алюминия, кальция, магния представлен в таблице 1.2 [12].

 

Таблица 1.2 – Химический состав песков

Содержание оксидов, %									Dmпрк, %	Сумма, %
SiO2	Al2O3	Fe2O3	TiO2	CaO	MgO	SO3	K2O	Na2O
78,26	6,48	1,45	0,12	5,89	0,70	0,12	0,96	0,64	5,35	100

 

Различают несколько видов песка. Он бывает речным, карьерным, кварцевым обогащенным, фракционированным, намывной, морским.      

Самый популярный среди всех – карьерный. Добывают открытым способом на карьерах, сразу погружая в машины. Поскольку данный природный материал является результатом естественного разрушения твердых горных пород, в его состав входит достаточно много камней и посторонних включений, которые в последствии устраняются в процессе очистки. Чаще всего используется такой песок для бетона, благодаря низкой цене и неровностям в строении [15].

Намывной песок очень дорог из-за специфики работы специальных машин и огромнейшего количества потребляемой воды. Фракции песка
в данном случае обычно средние или мелкие, что делает его оптимальным для внутренних и наружных отделочных работ. Из-за очень высокой цены не используется для крупномасштабных работ [15].

Речной песок дешевле, способ его добычи добывают из карьера вымыванием. Чистый, так как. в воде вымываются все мельчайшие частицы. Такой материал имеет свой особенный минус – это абсолютно гладкая поверхность, из-за чего качество сцепки в растворе понижается. Одна из его особенностей – речной песок состоит из различных по диаметру песчинок (0,3-5 мм). Добывается речной песок со дна рек, как «живых», так и пересохших. В последнем случае добывается песок с песчинками самой крупной фракции [15].

Морской песок его основная особенность – это обработка не только в том месте, где он добывался, но и непосредственно в месте реализации, благодаря чему получается добиться полной очистки. Его строение изобилует всевозможными неровностями, благодаря чему при производстве бетона не нужно повышать объемы [15].

Дробленый песок неорганический зернистый сыпучий строительный материал, получаемый измельчением скальных горных пород и гравия с использованием специального дробильно-размольного оборудования [15].

Кварцевый песок в строительстве практически не используется, что объясняется его искусственным происхождением. Производится кварцевый песок способом измельчения и рассеивания минерала белого кварца до однородной фракции. Преимущество этого вида песка, перед его «природными» собратьями – однородный мономинеральный состав и полное отсутствие примесей. Благодаря этим качествам есть возможность точного расчета конструкций, изготовленных на его основе [15].

Минералого-петрографический состав песков (таблица 1.3).

К техническим характеристикам песка относятся:

– зерновой состав – это процент содержания в песке зерен по различным размерам, и определяется он просеиванием через сита. Стандартный набор сит для просеивания песка: 10 мм; 5 мм; 2,5 мм; 1,25 мм; 0,63 мм; 0,315 мм;
0,16 мм.

– модуль крупности песка – показатель, равный сумме полных остатков зерен различных размеров на стандартных ситах, деленной на 100.

 

 

Таблица 1.3 – Минералого-петрографический состав песков

Минералы	Содержание оксидов, %
Кварц	54,09-68,54
Гранит	10,31-13,83
Полевой шпат	7,07-7,97
Известняк	6,13-7,96
Доломит	0-2,91
Кремнистые породы	1,24-1,98
Кварцит	0,21-0,39
Слюда	0-0,63
Песчаник	0,05-0,92
Сланец, гнейс	0-0,38
Глауконит	0-0,18
Гидроокислы железа	0,04-0,25
Гидроокислы рудные	0,07-0,27
Акцессорные минералы	0,26-0,56

Песок из отсевов дробления

Отсев дробления – это строительный материал, получаемый в результате переработки основного массива горной породы. Еще недавно его предпочитали закапывать в землю, так как он считался бесполезным отходом. Но благодаря удовлетворительному качеству, отсев дробления стал весьма популярным на территории не только Российской Федерации, но и в странах СНГ, где проводится разработка новых залежей горных пород [26].

Песок из отсевов дробления гранита получается в результате просеивания породы или же ее дробления. Он составляет самую мелкую фракцию и применим как один из основных материалов, предназначающихся для строительных работ. Крупному щебню отсев не уступает в характеристиках и применяется не только для производства бетонных изделий и строительства в целом. Гранит состоит главным образом из кварца (30-40 %) и полевого шпата (60-70 %). Содержание темноцветных минералов в граните не превышает
5-10 % по объёму. Второстепенные минералы: биотит, мусковит, литиевые слюды, роговая обманка, щелочные амфиболы, эгирин, турмалин, топаз, гранат; акцессорные – апатит, циркон, сфен, ильменит, ортит и др. Структура гранитная (гипидио-морфнозернистая), текстура массивная [25].

Разделение гранитного щебня по маркам можно провести на основе его прочности:

– высокопрочный (до М1600);

– прочный (до М1200);

– средний (до М600);

– морозоустойчивый (до М400);

– слабый (М200).

Химический состав гранитного отсева представлен в таблице 1.4.

Плотность гранита 2530-2720 кг/м³; пористость 0,2-4 %; водопоглощение 0,15-1,30 %. По радиоактивности гранитный щебень может быть I–го или II–го класса.

Выводы

Выполнен аналитический обзор научно-технической литературы по теме диссертационной работы, выявлено, что мелкозернистый бетон широко применяется в сфере строительства, является не только заполнителем для бетонов, но также используется в строительстве дорожных покрытий, производстве тротуарной плитки, дорожных бордюров и т. д.

 

Таблица 1.4 – Химический состав гранитного отсева

Химический состав	Содержание оксидов, %
SiО2	70,00
Al2O3	14,47
Fe2О3	1,57
ТiО2	0,39
FeO	1,78
MgO	0,88
MnO	0,12
CaO	1,99
К2O	4,11
Na2O	3,48
H2O	0,84
P2O5	0,19
Сумма	100,00

 

 

2 ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В данном разделе представлены характеристики исходных материалов и методы их исследования.