ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА ПРОЧНОСТЬ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА

А.Н. Хархардин, д-р техн. наук, профессор,
А.И.Топчиев, аспирант
Белгородскаягосударственная технологическая
академия строительныхматериалов

Тяжелый бетоностается одним из самых распространенных строительных материалов. Изделияи конструкции из него являются необходимыми элементами промышленного имногоэтажного гражданского строительства. Поэтому в настоящее время важнойявляется проблема повышения качества бетона путем совершенствованияметодов проектирования его состава.
При существующихметодах проектирования составов бетона нельзя признать удовлетворительнойоценку качества заполнителей (соответствием или несоответствием ГОСТу) -влияние свойств заполнителя на свойства бетона значительно, но показательпрочности при сжатии используется неэффективно: прочность бетона внесколько раз меньше прочности горной породы. Поэтому целью данной работыявляется установление влияния крупного заполнителя и мелкого заполнителяиз отходов горнорудных предприятий на прочность бетона, а также разработкаэффективных бетонов на основе высокоплотных составов заполнителя.
Мнения ученых о том, какие из зерновых составовзаполнителей эффективнее в бетоне - непрерывные или прерывистые -расходятся. Поэтому первоначально нами решался именно этот вопрос. Составвысокоплотной зернистой смеси определялся по известной методике [1].
Для исследований нами использовались следующиематериалы: ПЦ 400 Д20, ПЦ 500 Д0 Белгородского цемзавода; щебни гранитныес маркой по дробимости Д1400 Павловского и Кременчугского месторождений;мелкий заполнитель - отсев дробления кварцитопесчаника Лебединскогоместорождения; суперпластификаторы С-3 и СБ-5.
Былиотформованы образцы с различным классом гранулометрии m заполнителя вбетоне, которые после ТВО по режиму 3+8+3 ч. при температуре 80 Сподвергались испытанию на прочность при сжатии и плотность. Проведенныеисследования позволили решить некоторые вопросы структурной прочностибетона. Так, однозначно определено, что наибольшую прочность и плотностьимеют прерывистые составы заполнителей (m=6).

Нами было высказано предположение, что насвойства бетона значительное влияние оказывает коэффициент раздвижки привведении каждой последующей более мелкой фракции в зерновую смесь, а такжетолщина раздвижки зерен заполнителя цементным тестом до оптимальных. Бетонрассматривался как двухкомпонентная система запол-нитель - цементноетесто. Первый компонент варьировался коэффициентом (1;1,1;1,2), второй-толщиной раздвижки (15;30;45 мкм). Для реализации экспериментаиспользовался ортогональный план второго порядка. По данному плану былипроизведены экспериментальные исследования прочности бетона от факторовпланирования. В результате получено уравнение регрессии, которое описываетреальную прочность бетона в зависимости от значения и :
Yр=61,97-1,528 x1+2,843 x2-2,21 x1x2-14,412x12-5,007 x22.
Далее было проверено предположение отом, что объемная доля крупного заполнителя влияет на прочность бетона.Здесь бетон также рассматривается как двухкомпонентная система, но сдругими компонентами: растворная часть- крупный заполнитель. В качествебазового использовался состав с классом распределения зерен заполнителяm=6. В растворную часть данного состава вводился крупный заполнитель с егообъемной долей в интервале от 0 до 0,524. Изучали составы с плавающимзаполнителем в структуре бетона до высокоплотной упаковки зерен щебня.Результаты испытания прочности бетона полученных составов приведены нарисунке 1.
Как видно из рис. 1, при малых объемныхдолях крупного заполнителя (0-0,2) каркас из зерен крупного заполнителя несоздается, щебень играет роль пустотообразователя и снижает прочностьбетона. При дальнейшем повышении объемной доли создается контактнаяструктура зерен крупного заполнителя, что приводит к резкому увеличениюпрочности бетона. Экспериментальная кривая прочности бетона (рис. 1)хорошо описывается выражением, полученным нами при рассмотренииструктурной прочности бетона с учетом свойств крупного заполнителя ицементно- песчаной матрицы:

Рис. 1. Зависимость прочности бетона от объемной доли крупногозаполнителя.

Установлены оптимальные значения коэффициента раздвижки зерен заполнителя в зерновойсмеси с использованием в качестве мелкого заполнителя отходов дроблениявскрышных пород месторождений КМА и толщины раздвижки зерен заполнителяцементным тестом ( "бетта"=1,1 и "сигма"=30 мкм). Полученное уравнениерегрессии адекватно отражает зависимость прочности бетона при варьированииэтих двух факторов.
Установлено, что при увеличенииобъемной доли крупного заполнителя при условии создания каркаса из зеренкрупного заполнителя прочность бетона повышается до максимальногозначения, соответствующего оптимальной плотной структуре.

Список литературы:

  1. Хархардин А.Н. Расчет гранулометрического состава наполнителя высокоплотнойупаковки.//Пласт. массы, - 1979, N10. - с. 22-23.
  2.Бондарь А. Г., Статюха Г. А.Планирование эксперимента в химической технологии.- Киев: "Вища школа" -1976.

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ КМА ВДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

А.М. Гридчин, канд. техн. наук, проф.,
А.В. Высоцкий,аспирант
Белгородская государственная технологическая
академиястроительных материалов

Развитие хозяйства Российской Федерациисопровождается увеличением транспортных перевозок и требует качественногоулучшения работы транспортного комплекса, важной частью которого являютсяавтомобильные дороги.
Крупнейшим потребителемавтомобильного транспорта является агропромышленный комплекс, на долюперевозок которого приходится свыше 82.4 % грузов. Ежегодно транспортныеиздержки на автотранспорте составляют свыше 40 млн. рублей (в ценах 1990г.), поэтому органической частью программы развития хозяйства страныявляются меры по значительному увеличению объёмов дорожного строительства.
Решение данной задачи зависит от внедрениянаучно-технического прогресса, научной организации труда, новыхвысокопроизводительных машин и механизмов, широкого применения местныхстроительных материалов и отходов промышленности. Дляцентрально-черноземных областей Российской Федерации повышениеэффективности дорожного строительства может быть достигнуто за счёткомплексного использования техногенных отходов Курской магнитной аномалии(КМА). Это актуально в связи с тем, что дефицит щебня для дорожногостроительства в Центральном Черноземье составляет около 7 млн. м3 в год.Покрытие этой потребности осуществляется на 14 % за счёт известняковогощебня из липецких карьеров, остальной щебень доставляется из карьеровВоронежской, Ростовской областей, Украины с дальностью перевозки до 1200км. Месторождения КМА имеют значительные запасы нерудных и слаборудныхпород, которые могут служить исходным сырьём для производствадорожно-строительных материалов. Комплексно используя богатства КМА, вБелгородской области можно получать 3-4 млн. м3 щебня ежегодно.Себестоимость 1 м3 щебня при этом на 20-30 % ниже привозного.
Качество природных каменных материалов зависит отминералогического состава, строения, сложения, степени выветрелости ихарактера их поверхности. Поэтому в попутнодобываемых породах КМА выделенычетыре группы горных пород по степени их пригодности для производстващебня: I - рудосодержащие кварциты (неокисленные, полуокисленные иокисленные); II - кварцитопесчаники, малорудные и безрудные кварциты; III- кристаллические сланцы; IV - дайковые породы (гранит, диорит-порфирит,габбро и др.) [1, 2]. Все породы по физико-механическим свойствам в тойили иной степени удовлетворяют техническим требованиям, предъявляемым кгорным породам для производства из них щебня для дорожного строительства.
Для дорожного строительства наибольший интереспредставляют попутнодобываемые горные породы II и III групп -кварцитопесчаники, сланцы, а также отходы сухой и мокрой магнитнойсепарации железистых кварцитов.
Кварцитопесчаникипредставляют собой почти мономинеральную породу тонкозернистой структуры,массивной, реже грубополосчатой текстуры. Породообразующим минераломявляется кварц. По данным химического и гранулометрического анализасодержание кварца составляет 73.4...95 %. Остальные минеральные материалыпредставлены мусковитом, биотитом, реже хлоритом, фукситом, альбитом,калиевым полевым шпатом. Их количество иногда достигает 10...20 %. Анализрезультатов физико-механических испытаний кварцитопесчаников Лебединскогоместорождения свидетельствуют об их высоком качестве. Средняя плотность -2650 кг/м3, водопоглощение - 0.10 %, пористость - 0.91 %, временноесопротивление сжатию в водонасыщенном состоянии - 141.2 МПа,морозостойкость более 150 циклов, марка щебня по дробимости - 1200,содержание серы в целом по месторождению, в пересчете на SO3 - 0.18 %.Щебень из кварцитопесчаников, не подвергшихся выветриванию, отличаетсявысоким качеством, не уступая по важнейшим показателям гранитному, а поряду свойств даже превосходя его.
Сланцыпредставляют собой микрозернистые породы с шелковистым блеском плоскостираскола, сланцеватой, иногда микроплойчатой или линзовидно-полосчатойтекстуры. Породообразующий минерал - кварц, мусковит, биотит;второстепенные - силлиманит, гранат, хлорит. Содержание кварца колеблетсяв широких пределах - от 20 до 70 %. Породообразующие минералы распределеныравномерно, реже они концентрируются, образуя полосчатую структуру.Средняя плотность - 2785 кг/м3, водопоглощение - 0.54 %, пористость - 0.87%, временное сопротивление сжатию в водонасыщенном состоянии - 113 МПа,морозостойкость - 50-100 циклов, марка щебня по дробимости - 1000-1200.
Общей текстурной особенностью попутнодобываемыхгорных пород КМА является их сланцеватость, что при дроблении на щебеньприводит к получению повышенного количества зерен лещадной формы, поэтомуособое внимание следует обратить на разработку рациональных способов ихпереработки [3].
Отходы сухой магнитной сепарации(СМС) представляют собой щебень серого цвета, запыленный тонкимипылеватыми частицами. В отличие от традиционных заполнителей, состоящих изодной породы и небольшого количества минералов, они включают кварциты,диоритовые порфириты и микрозернистые сланцы в различных количественныхсоотношениях. По химическому составу отходы СМС отличаются от традиционноприменяемых гранитов пониженным содержанием глинозема (5-7 %), повышеннымколичеством оксидов железа и щелочноземельных металлов. Отходы СМСхарактеризуются высокими физико-механическими свойствами: марка попрочности - 120 МПа, по морозостойкости - 150-200 циклов, средняяплотность - 2800-3000 кг/м3. Специфика зернового состава отличаетсяповышенным содержанием лещадных и игольчатых зерен. Отмечается такженаличие в составе минералов вредных примесей, что накладывает определенныеограничения на использование отходов СМС в качестве заполнителя длябетонов.
Отходы мокрой магнитной сепарации (ММС)железистых кварцитов по химико-минералогическому составу близки кслаборудным кварцитам. Породообразующий минерал - кварц (более 60 %),далее магнетит (до 8 %), роговая обманка, оксиды железа, пирит. Химическийсостав отходов ММС также отличается повышенным содержанием оксидов железа.Отходы ММС в отличие от отходов СМС мелкодисперсные. Их нельзярассматривать как щебень, а лишь как сильножелезненные искусственные пески(модуль крупности значительно меньше 1), до 25 млн.т которых ежегодноскладируются в хвостохранилищах.
Одним изнаправлений использования техногенных отходов КМА в дорожном строительствеявляется их применение при производстве асфальтобетонных смесей. Внастоящее время ведутся работы по обоснованию возможности применения этихотходов в качестве щебня и песка для асфальтобетонных смесей. Установлено,что показатели физико-механических свойств асфальтобетонных смесейприготовленных на этих материалах значительно превосходят требования ГОСТ9128-97 и составляют: водонасыщение - 0.46-1.46 %, набухание - 0.08-0.2 %,предел прочности при сжатии при 20 С - 5.1-7.2 МПа, при 50 С - 1.93-2.96МПа, коэффициент водостойкости - 0.88-0.96. Изучается влияние минеральныхпорошков из этих материалов на свойства асфальтобетонных смесей. Прииспытании свойств асфальтобетона типа Г на гранитном отсеве, подобранногооптимального состава, с использованием минерального порошка из изучаемыхматериалов выявлено улучшение его свойств по сравнению с асфальтобетономна стандартном известняковом минеральном порошке
Новым импульсом в использовании техногенных отходовКМА является предлагаемая концепция строительства дорог с использованиемцементобетона, что для Белгородской области, имеющей два крупных цементныхзавода, является перспективным направлением.
Применение техногенных отходов КМА при строительствеавтомобильных дорог, позволит не только понизить стоимость конструктивныхслоев дорожной одежды за счет замены дорогостоящих привозных каменныхматериалов дешевыми местными, повысить качество и долговечность дорожныхпокрытий, а также утилизировать техногенные отходы горнорудногопроизводства. Следует отметить, что использование данных техногенныхотходов в дорожной отрасли будет способствовать расширению сырьевой базыкаменных материалов и улучшит экологическую обстановку в области[3].

Список литературы:

1. Лесовик В.С.Строительные материалы из отходов горнорудного производства Курскоймагнитной аномалии: Учебное пособие. - М. - Белгород: Изд-во АСВ, 1996. -155 с.
2. Гридчин А.М., КоролевИ.В., Шухов В.И. Вскрышные горные породы КМА в дорожномстроительстве. - Воронеж: Центрально-Черноземное кн. изд., 1983. - 95 с.
3. Морозов А.И. Повышениекачества щебня из попутнодобываемых пород КМА и органо-минеральныхматериалов на его основе.// Автореф. дис-канд. техн. наук. - Харьков,1987. -24 с.
4. Гридчин А.М.,Лесовик В.С., Беляев А.М., Духовный Г.С., Шухов В.И. Перспективыширокомасштабного использования отходов КМА в дорожном строительстве //Вопросы осушения и экологии. Специальные горные работы и геомеханика:Материалы IV Международного симпозиума. - Белгород. - 1997. с. 372 - 379.

АСФАЛЬТОБЕТОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АНИЗОТРОПНОГОСЫРЬЯ

A.M. ГРИДЧИН, проф., академик МАМР
Белгородская государственная технологическая
академия строительных материалов

Основой сырья для производства цементно - иасфальтобетонов, строительства оснований автомобильных дорог являютсятрадиционные изотропные горные породы - граниты, базальты, песчаники,известняки и т.д., месторождения которых имеют ограниченноераспространение.
В то же время, в связи с внедрениеммощных горнодобывающих комплексов в ведущих государствах мира в зонугорных работ при разработке месторождений полезных ископаемых попалимиллиарды тонн нетрадиционных для стройиндустрии анизотропных породсланцеватой, полосчатой, слоистой и др. текстур, широкомасштабноеиспользование которых тормозится отсутствием методологических основпроектирования и производства строительных материалов на этом сырье.
К анизотропным мы относим горные породы, один изпоказателей которых (предел прочности при сжатии, изгибе, растяжении,коэффициент линейного расширения, электропроводность и т.д.)перпендикулярно сланцеватости (полосатости, слоистости) больше этогопараметра параллельно указанного направления в 1,2 и более раз. Подобныеприродные образования встречаются среди всех основных типов сырья, нонаибольший практический интерес для дорожного строительства представляютрегионы распространения метаморфических пород (рис.1)

Образование этих пород связано с различнымипроцессами:
- осадконакопления с ритмичнымчередованием изотропных кварца, кальцита, полевых шпатов, с минераламипластинчатой, чешуйчатой или игольчатой формы;
-метаморфизма - за счет формирования пород под действием высоких температур(400 - 1100°С), флюидов и одностороннего давления, при которых минералы восновном пластинчатой и чешуйчатой формы располагаются взаимопараллельнопредопределяя анизотропию свойств;
-реже встречаютсяанизотропные породы магматического происхождения. Зависимость свойств отнаправления у которых связано с ритмичным изменением состава и свойствмагмы и лавы и образованием горных пород с полосчатой текстурой.
Предел прочности при сжатии перпендикулярносланцеватости (полосатости, слоистости) пород анизотропного строения вышепрочности параллельно сланцеватости в 1,2 -3 раза (табл.1).

Таблица 1.Свойстваанизотропных горных пород и щебня на их основе

Существенно отличается в зависимости от направления исследования коэффициент линейногорасширения, электропроводность, теплопроводность и т.д.
Отсутствие прямой зависимости между коэффициентоманизотропии и количеством зерен лещадной формы объясняется особенностямитекстуры изучаемых горных пород.
На основеотождествления свойств анизотропных пород со случайным вектором Vi=(xj;y), где хj; у - замеры показателей в направлениях соответственнопараллельном и перпендикулярном сланцеватости (полосатости, слоистости),разработана математическая модель, представляющая собой математическиеожидания значений исследуемых свойств в направлениях замеров,

где n=(cos, sin ) - единичный вектор направляющих косинусов, определяющий направление замеров ;

-вектор направляющих косинусов, полученных путем транспортирования вектора n ;

- тензор второгоранга, который при выбранных направлениях представляется неособеннойдиагональной матрицей М;
[Vx]2,[Vy]2 - квадратысредних значений исследуемых показателей соответственно в направленияхпараллельно и перпендикулярно сланцеватости (полосатости, слоистости).
Тензор М является полной и исчерпывающейхарактеристикой анизотропии исследуемого физико- механического илитехнологического свойства .
На основе математическоймодели и механофизики разрушения разработаны принципы технологии дробленияанизотропных горных пород, реализация которых позволила снизить количествов щебне зерен лещадной формы в 1,8 - 2 раза.
Получение высококачественных асфальтобетонныхкомпозитов с использованием анизотропного гырья возможно лишь при созданииоптимальной структуры и обеспечении прочного сцепления между органическимвяжущим и минеральными составляющими, которое определяется физическими,физико-химическими и механическими взаимодействиями на границе разделенияфаз. Увеличить адгезионную способность системы минеральный материал-битумвозможно либо повышением качества битума, либо активизацией заполнителя инаполнителя.