Щебень, получаемый из КП Лебединского месторождения,по данным лабораторий институтов НИИЖБ, БелГТАСМ, ВНИИстром, трестаКМАрудстрой и ПГО Центргеология имеет следующие основные характеристики:
Открытое акционерное общество "Лебединский ГОК" Общество с ограниченной ответственностью Техническое межведомственное объединение "Совтех"
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 характеристикакварцитопесчаников Лебединского месторождения
2. Виды щебня, применяемогов производстве бетонов
3. Испытание бетонных смесей и бетонов на щебнеОАО "Лебединский ГОК" из кварцитoпесчаника
3.1. Стандартные характеристики щебня из кварцитопесчаникаЛебединского ГОКа
3.2. Влияние щебня из кварцитопесчаника на технологическиесвойства бетонных смесей
3.3. Темпы естественного твердения и прочностьбетонов на щебне из кварцитопесчаника
3.4. Влияние щебня из кварцитопесчаника на характеристикипоровой структуры бетонов
3.5. Призменная прочность и начальный модуль упругости бетонана щебне из кварцитопесчаникa
3.6. Морозостойкость и водонепроницаемость бетонана щебне из кварцитопесчаника
3.7. Химический анализщебня из кварцитопесчаника
4. Заключение
5. Приложения
6. Использованныеисточники
Отредактора
Одним из приоритетных направленийразвития хозяйства России являются возрастающие объемы строительствадорог, путепроводов, жилья, производственных зданий и объектов специальногоназначения. Реализация строительства неизбежно порождает опережающийрост спроса на строительный щебень. Достаточно сказать, что дефицитщебня для дорож-ного строительства только в Центральном Черноземьесоставляет порядка 7 млн. кубических метров в год. Решение этой актуальной проблемы возможно на основерасширения сырьевой базы каменных материалов, пригодных для производстващебня. Значительные запасы попутно добываемых горных пород и отходовобогащения железных руд, которые могут служить исходным сырьем,сосредоточены в месторождениях Курской магнитной аномалии (КМА)и, в частности, на месторождениях Лебединского горнообогатительногокомбината (ЛГОК). Горные породы по степени их пригодности для производстващебня могут быть разделены на четыре группы: 1 - рудосодержащиекварциты; 2- кварцитопесчаники; 3 - кристаллические сланцы; 4 -дайковые породы. По объемам запасов и физико-механическим свойствамнаибольший интерес представляют кварцитопесчаники, кристаллическиесланцы, а также отходы сухой и мокрой магнитной сепарации железистыхкварцитов. Опыт использования щебня из попутно добываемыхпород Лебединского ГОКа в дорожностроительном комплексе Белгородскойобласти хорошо известен и обстоятельно изложен в трудах ученых испециалистов Белгородской государственной технологической академиистроительных материалов [1,2]. Однако, учитывая нарастающий интереск этой продукции со стороны Центральных областей России и Московскогорегиона, была поставлена задача: - провести комплексные исследования по определению показателей качестващебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа; - выполнить сравнительные испытания бетонных смесей и бетонов сцелью определения возможностей эффективного использования щебняЛебединского ГОКа в качестве заполнителей для бетонов при производствебетонных и железобетонных изделий и конструкций. Совокупность полученных результатов исследованийи испытаний позволяет сделать заключение, что щебень ЛебединскогоГОКа из кварцитопесчаника обладает высоким качеством, не уступаяпо важнейшим показателям граниту, а по ряду свойств даже превосходитего, и может быть рекомендован как альтернатива гранитному щебнюв качестве заполнителя в бетонных и железобетонных изделиях и конструкциях.Кроме того, огромные потребности в строительном щебне будут стимулироватьдолговременную и крупномасштабную организацию производства щебняна Лебединском ГОКе, ускоряя тем самым процесс утилизации попутнодобываемых отходов и улучшая экологическую обстановку в бассейне. Новые области применения щебня расширят номенклатурубетонных и железобетонных изделий, способствуя становлению и развитиюрынка строительных материалов, а его характеристики, изложенныев данной работе, помогут потребителю экономически обоснованно сделатьвыбор щебня для производства. Задача исследований сформулирована первым заместителемген. Директора ОАО "Лебединский ГОК" Губиевым М.Ю. Организация научно-исследовательских работ и ихсопровождение осуществлялись Онищенко С.А. и Долматовым Г.В.
В.М.Абросимов
1. Геологическая и технологическая характеристикакварцитопесчаников Лебединского месторождения.
Кварцитопесчаники (КП) представляютсобой серую с различными оттенками почти мономинеральную породумассивной текстуры. Структура в основном мелкозернистая, с размеромзерен 0,02-2,0 мм. В пределах разведанных участков кварцитопесчаникихарактеризуются постоянством минерального состава и высокой прочностью.
Породообразующим минераломявляется кварц. По данным химического и гранулометрическогоанализа, содержание кварца составляет 73.4...96 %., в среднем- 86.24%. Остальные минеральные материалы представлены мусковитом,биотитом, реже хлоритом, фукситом, альбитом, калиевым полевымшпатом. 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. Органическиевещества отсутствуют. Анализ результатов физико-механических испытаний кварцитопесчаников Лебединского месторождения свидетельствует обих высоком качестве. Средняя плотность - 2650 кг/м3, водопоглощение- 0.10 %, пористость - 0.91 %, временное сопротивление сжатию в водонасыщенномсостоянии - 141.2 МПа, содержание серы в целом по месторождению, впересчете на SO3 - 0.18 %. Щебень из кварцитопесчаников, не подвергшихсявыветриванию, отличается высоким качеством, не уступая по важнейшимпоказателям 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 строительныхработ", что подтверждено сертификатом соответствия ИЦ "Железобетон"г. Москва (см. приложение 1).
Гл. инженерОАО "Лебединский ГОК" В.Ф.Щупановский
2. Виды щебня,применяемого в производстве бетонов.
Роль заполнителей в обеспечении свойств различныхвидов бетонов чрезвычайно велика. Она определяется как характеристикамиисходной горной породы, так и качеством заполнителя как сырьевогопродукта, поступающего к потребителям - предприятиям стройиндустрии,заводам товарного бетона, строительным площадкам, - в виде пескаили щебня (гравия) различного зернового состава, формы зерен, степенизагрязненности и др. В общем виде характеристики исходной горной породыопределяют такие наследственные признаки заполнителя, как плотность,прочность, стабильность структуры, стойкость к определенным химическим,температурным, влажностным и прочим воздействиям. Качество заполнителязависит как от конкретных условий добычи и переработки исходнойгорной породы (наличие, вид и характер примесей, влияющих на свойствазаполнителя и зависящих от характера залегания добываемой породыи от присутствия и вида попутно добываемых пород; характеристики условий работы дробильного и фракционирующего оборудования, определяющихформу зерен, характер поверхности заполнителя, количество зеренлещадной формы и содержание пылеватых и глинистых частиц и др.),так и от условий транспортирования, перегрузки и хранения заполнителя(загрязнение посторонними примесями, неконтролируемое перемешиваниематериалов разного вида и качества и т.д.). При прочих равных условияхосновное влияние на качество заполнителя, естественно, оказываютфакторы первой группы, относящиеся к характеристикам конкретногоместорождения и определенного предприятия горноперерабатывающейпромышленности. Традиционно используемыми для производства щебня являются такиеизверженные, глубинные интрузивные и излившиеся горные породы, какгранит, диабаз, габбро, базальт и др., а также осадочные горныепороды: известняки, доломиты, песчаники, кварциты, и некоторые видыметаморфических пород, такие как гнейсы, сланцы и мрамор [3, 4]. Вид применяемых в конкретных регионах заполнителейопределяется, прежде всего, удаленностью от сырьевой базы и транспортнымирасходами на доставку заполнителя. Так, например, многими предприятиямистроительного комплекса г. Москвы для изготовления бетонов низкихи средних марок (до М 300, что соответствует классу В 22,5 по ГОСТ26633) использовался известняковый щебень Полотнянозаводского карьера,добываемый сравнительно недалеко от Москвы (Калужская область).Для изготовления бетонов более высоких марок, несмотря на значительноеудаление сырьевой базы, транспортные расходы и сравнительно высокуюстоимость, используется гранитный щебень Питкярантского карьероуправления(Республика Карелия). В последнее время перебои с поставкой гранитногощебня на московские предприятия стали привычным явлением, что поставиловопрос о расширении сырьевой базы производства и применения заполнителей,прежде всего, за счет ранее не используемых в Московском регионевскрышных и попутно добываемых горных пород. К ним относятся, втом числе, кварцитопесчаники, положительный опыт применения которыхв качестве заполнителей для бетонов имеется на территории бывшегоСССР [5]. Значительные объемы кварцитопесчаника добываютсяв виде вскрышной породы на Лебединском ГОКе, основной сферой деятельностикоторого является добыча и обогащение железных руд, производствожелезорудных окатышей и железорудного концентрата. Вместе с тем,местоположение Лебединского ГОКа в центре европейской части РФ (Белгородскаяобласть, г. Губкин), при условии соответствия свойств щебня из кварцитопесчаниканормативным требованиям, может в значительной степени способствоватьустранению дефицита в крупном заполнителе, как в Москве и Московскойобласти, так и в прилегающих областях.
3. Испытание бетонныхсмесей и бетонов на щебне ОАО "ЛГОК" из кварцитопесчаника
Для выявления практических возможностей, особенностейи условий применения щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКав качестве заполнителя для бетонов различных марок были проведенысоответствующие комплексные исследования и сравнительные испытанияс использованием пробы щебня, полученной от изготовителя - ОАО "ЛебединскийГОК". В качестве контрольных образцов использовались пробыгранитного щебня и щебня из габбродиабаза. Научно-исследовательские работы и испытания выполненыГосударственным 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 кварцитопесчаникаЛебединского ГОКа были проведены испытания по проверке его основныхстандартных характеристик в сопоставлении с образцами гранитногощебня и щебня из габбро-диабаза. Результаты испытаний тестируемогои контрольных образцов щебня, выполненных в соответствии с требованиямиГОСТ 26633 и ГОСТ 8269 приведены в табл.1.1. Полученные данные показывают, что по основнымпоказателям все пробы щебня удовлетворяют требованиям ГОСТ 26633.Однако следует отметить, что значение межзерновой пустотности щебняЛебединского ГОКа свидетельствует о потенциальной возможности улучшенияего гранулометрического состава. Низкие значения водопоглощениящебня из кварцитопесчаника позволяют рассчитывать на отсутствиеего 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, позволяюттакже утверждать, что щебень из кварцитопесчаника Лебединского ГОКав соответствии с требованиями ГОСТ 26633 может применяться для изготовлениябетонов класса В45 и выше (т.е. марка 600 и выше). Естественно,что этот допуск не препятствует применению щебня Лебединского ГОКав бетонах более низких классов (марок).
3.2. ВЛИЯНИЕ ЩЕБНЯ ИЗ КВАРЦИТОПЕСЧАНИКА НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ.
Проведенные исследования предусматривали определениехарактера и степени влияния крупного заполнителя щебня из кварцитопесчаникаЛебединского ГОКа в сопоставлении с опробованными на практике заполнителями- щебнем из габбро-диабаза и гранитным щебнем, - на технологическиесвойства бетонных смесей, в том числе водопотребность, подвижность,плотность и воздухововлечение бетонных смесей. Как известно, водопотребность бетонных смесей характеризуется расходомводы затворения, л/м3, необходимым для обеспечения заданной удобоукладываемостибетонной смеси при прочих равных условиях (заданном расходе и видецемента, виде и качестве заполнителей). При одинаковом виде и расходе цемента водопотребностьбетонных смесей определяется, главным образом, видом и качествомзаполнителя - зерновым составом (крупностью), загрязненностью, плотностью(водопоглощением) зерен заполнителя. С уменьшением зерен заполнителя(модуля крупности песка, наибольшей крупности щебня), увеличениемсодержания в заполнителе загрязняющих примесей в виде пыли, глинистыхи илистых включений, увеличением пористости и водопоглощения заполнителей(например, при использовании пористых заполнителей) водопотребностьбетонных смесей возрастает. Следствием этого, в свою очередь, являетсяснижение прочности бетона, для компенсации которой требуется увеличениерасхода цемента пропорционально увеличению водопотребности, т.е.до достижения исходного значения водоцементного отношения (отношениемассы воды затворения к массе цемента - В/Ц). Для изучения влияния щебня из кварцитопесчаникаЛебединского ГОКа на водопотребность бетонных смесей были проведеныиспытания по подбору состава бетонов на трех видах щебня, в томчисле щебня из габбро-диабаза с повышенной по сравнению с тестируемымобразцом плотностью и гранитного щебня, сопоставимого по показателямплотности с тестируемым образцом. С целью лучшего выявления воздействия видащебня на технологические свойства бетонных смесей, составы бетонаназначались из условия обеспечения равного (по объему) расхода щебнявсех видов. Для исключения возможных искажений результатов вследствиетехнологических факторов, не отражающих влияние вида щебня (недостаточноеили некачественное уплотнение бетонных смесей, расслоение бетонныхсмесей и т.д.), подвижность бетонных смесей во всех случаях составляла1-4 см (марка П 1 по ГОСТ 7473) при соотношении массы песка к общеймассе заполнителей, равном 0,4 (согласно литературным источникам,в этом случае обеспечиваются наибольшие показатели плотности и прочностибетона). Для получения бетонов с широким диапазоном прочностныхсвойств (от 30 до 50 МПа), а также для лучшего выявления потенциальныхвозможностей щебня из кварцитопесчаника, расход цемента при подборесостава бетонов варьировался в пределах от 250 до 400 кг/м3. Длявыявления возможного влияния на результаты экспериментов вида иактивности цемента, при подборе состава бетонов использовались цементыдвух марок. Исходя из целесообразности внедрения щебня из кварцитопесчаникаЛебединского ГОКа, прежде всего в качестве заполнителя для бетоновсредних и высоких марок (класс В 30, т.е. марка М 400, и более),а также с учетом ситуации на московском рынке, характеризующейсядоступностью качественных цементов, эксперименты проводились с применениемСтарооскольского портландцемента марки ПЦ М500 Д-0 и Белгородскогопортландцемента марки ПЦ М600 Д-0, удовлетворяющих требованиям ГОСТ10178 "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 строительныхработ. Технические условия". Вода для затворения бетонных смесейво всех случаях соответствовала ГОСТ 23732 "Вода для бетонови растворов. Технические условия" Изготовление бетонных смесей осуществлялосьв лабораторном бетоносмесителе принудительного действия. Готовыебетонные смеси испытывались по ГОСТ 10181 с определением подвижности,плотности, воздухововлечения с изготовлением образцов для определенияпрочности и других свойств (по ГОСТ 10180). В табл.2.1 приведены фактические составыбетонных смесей, определенные исходя из показателей их плотности,а также расчетные значения объема растворной части, объема (абсолютногои насыпного) и межзерновой пустотности щебня (с учетом данных табл.1.1по плотности и пустотности заполнителей). В той же таблице представленырезультаты испытаний бетонных смесей по ГОСТ 10181, которые показывают,что при постоянной подвижности бетонных смесей расход воды затворенияв смесях на щебне Лебединского ГОКа практически не отличается отрасхода воды затворения в смесях на контрольных образцах щебня.Аналогичный вывод можно сделать относительно показателя воздухововлечения.Плотность бетонных смесей соответствует плотности крупного заполнителяи в зависимости от его вида возрастает в следующей последовательности:щебень гранитный - щебень из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа- щебень из габбро-диабаза. Таким образом, при постоянном расходематериалов замена гранитного щебня щебнем из кварцитопесчаника ЛебединскогоГОКа не приводит к изменению технологических свойств бетонных смесей.При этом важно отметить, что не наблюдается негативных последствийподобной замены, т.е. не происходит увеличения водопотребности и,как следствие, заметного увеличения водоцементного отношения - В/Ц,- показателя, определяющего прочность и другие эксплуатационныехарактеристики бетонов.
Таблица 2.1. Технологическиесвойства бетонных смесей в зависимости от вида и расхода цементаи вида крупного заполнителя.
3.3. ТЕМПЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ТВЕРДЕНИЯ ИПРОЧНОСТЬ БЕТОНОВ НА ЩЕБНЕ ИЗ КВАРЦИТОПЕСЧАНИКА.
Изучение влияния вида щебня на темпы тверденияи прочность бетонов осуществлялось по ГОСТ "Бетоны. Методыопределения прочности по контрольным образцам". Исследованияпроводились в возрасте 1,2,3,7 и 28 суток естественного тверденияна бетонах с тремя видами заполнителя (габбро-диабаз, гранит, кварцитопесчаник)и портландцементе марки 500 (табл.3.1.,составы 1-9), а также набетонах с двумя видами щебня и портландцементе марки 600 (табл.3.1.,составы10-15). Полученные в ходе экспериментов и приведенныев табл.3.1 данные показывают, что для бетонов на портландцементемарки 500 прочность бетонов на щебне Лебединского ГОКа при всехрасходах цемента и во все сроки твердения практически не отличаетсяот прочности бетонов на гранитном щебне (составы 2-3, 5-6, 8-9). Прочность бетонов на щебне из габбро-диабазанесколько превышает прочность бетонов на гранитном щебне и щебнеиз кварцитопесчаника, особенно при пониженном расходе цемента (250кг/м3, состав 1), что соответствует повышенной прочности щебня изгаббро-диабаза по показателю дробимости. По мере увеличения расходацемента до 320 и 390 кг/м3 (составы 4, 7) разница в прочностныхпоказателях нивелируется. С заменой портландцемента марки М500 напортландцемент марки М600 и, соответственно, с некоторым относительнымуменьшением вклада прочности щебня в формирование прочности бетона,разница в показателях прочности бетонов на щебне из габбро-диабазаи кварцитопесчаника Лебединского ГОКа практически отсутствует (составы10-11, 12-13, 14-15). Анализ данных табл.3.1 позволяет утверждать,что на основе щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа, в зависимостиот вида и расхода цемента, может быть получен бетон с прочностью,соответствующей маркам от 300 до 700 (классы бетона от В 25 до В50 по ГОСТ 26633). В этом смысле возможности его применения не уступаютвозможностям применения гранитного щебня и даже щебня из габбро-диабаза.
Таблица 3.1. Составыи прочность бетонов в зависимости от вида и расхода цемента и видакрупного заполнителя.
3.4. ВЛИЯНИЕ ЩЕБНЯ ИЗ КВАРЦИТОПЕСЧАНИКА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОВОЙ СТРУКТУРЫ БЕТОНОВ.
Характеристики поровой структуры бетонов определялисьпо кинетике водопо-глощения по методике ГОСТ 12730.4 "Бетоны. Методопределения показателей пористости" в зависимости от вида, расходацемента и вида крупного заполнителя. Результаты определения характеристик поровой структурыбетонов по кинетике водопоглощения приведены в табл.4.1, классификацияструктуры по показателям пористости [6] - в табл.4.2. Анализ полученных данных показывает, что применениещебня из кварцитопесча-ника Лебединского ГОКа, как и щебня из габбро-диабаза,обеспечивает получение бетонов с плотной структурой. Несколько болеевысокая плотность бетона на щебне из габбро-диабаза связана с повышеннойплотностью заполнителя, а незначительное увеличение показателейобъемного водопоглощения Wo и средней крупности пор 2 при использованиищебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа может быть связанос его неоптимальным зерновым составом, на что обращалось вниманиевыше (см.раздел 1). Характерно, что в бетонах с повышенным расходомцемента и, соответственно, в условиях увеличения абсолютного объемацементного теста и растворной составляющей, в значительной степенинивелирующих недостатки гранулометрического состава крупного заполнителя,значения параметров поровой структуры независимо от вида щебня свидетельствуюто получении структуры с близкими характеристиками. Обобщая полученные данные, можно сделать вывод,что применение щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа не оказываетнегативного влияния на характеристики поровой структуры бетона.Незначительное увеличение показателей объемного водопоглощения исредней крупности пор может быть связано с неоптимальным зерновымсоставом крупного заполнителя, для устранения которого следует увеличитьотносительное содержание мелкой (5-10 мм) фракции в смеси заполнителейи, возможно, сократить относительное содержание зерен лещадной формы.
Таблица 4.1. Влияниевида щебня на характеристики поровой структуры бетонов по кинетикеводопоглощения (ГОСТ 12730.4).
Автомобили
Строительство и ремонт