CC BY
22Соловьева Л. Н., канд. техн. наук, доц., Огурцова Ю. Н., аспирант, Бондаренко А. И, аспирант, Боцман А. Н., студент
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕСКОВ С УЧЕТОМ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ И МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНАХ*
Изучены минеральный состав и физико-механические характеристики песков Эсского и Мах-невского месторождений Ханты-Мансийского автономного округа, что позволило определить рациональные области их использования при производстве композиционных вяжущих и мелкозернистых бетонов.
Ключевые слова: минеральный состав, модуль крупности, коэффициент качества, композиционное вяжущее, мелкозернистый бетон, микроструктурные характеристики.
Свойства сырьевых материалов оказывают влияние на свойства бетонов в такой же значительной степени, как и рационально подобранный состав, технология изготовления, условия твердения и эксплуатации. При проектировании новых материалов или модификации существующих, важно подробно изучить характеристики сырьевых компонентов с целью подбора рациональной области их применения, учета всех особенностей сырьевых компонентов при проектировании составов.
Производство композиционных вяжущих и бетонов в Ханты-Мансийском автономном округе (ХМАО) базируется на запасах сырья месторождений песчано-гравийных смесей [1], о которых и пойдет речь в данной статье.
На данный момент на территории ХМАО и в соседних областях используются два основных месторождения строительного песка - Эсское и Махневское. Эсское месторождение находится в районе города Югорска ХМАО (бывший поселок Комсомольский). Оно было выявлено в период с 1986 по 1989 годы, детально разведано в 2000
году и в первую очередь использовалось для добычи глины. Махневский песчано-гравийный карьер, расположенный в поселке Махнево Ала-паевского района, производит строительные пески более 60 лет и является крупнейшим производителем в Уральском регионе.
По качеству пески данных месторождений отвечают требованиям ГОСТ 8736-93 [2]. Значения модуля крупности позволяют отнести песок Махневского месторождения к крупным (Мкр=2,75), а Эсского - к очень мелким (Мкр=1,045).
Минеральный состав кварцсодержащих пород определялся с помощью количественного полнопрофильного рентгенофазового анализа. Песок Эсского месторождения (рис.1, а) преимущественно на 95,7 % состоит из кварца, 4,3 % полевых шпатов, а именно анортита и санидина в количестве 2,2 и 2,1 % соответственно, а также характеризуется меньшим количеством примесей. Песок Махневского месторождения (рис. 1, б) содержит: 76 % кварца, 2,4 % альбита, 21,6 % санидина.
Рис. 1. Минеральный состав песков: а - Эсского Присутствие в составе полиминеральных песков полевых шпатов, которые обладают спайностью и более низкой твердостью, по сравнению с кварцем, может способствовать улучшению его размолоспособности, в случае использования как компонента композиционного вяжущего, а, следовательно, снижению энер-
б
месторождения; б - Махневского месторождения
гозатрат на помол; полимодальному распределению частиц по размерам и созданию более плотной упаковки частиц; снижению микропористости цементного камня мелкозернистого бетона.
Это подтверждается результатами исследования кривых распределения частиц песков по
а
размерам при одинаковой удельной поверхности, равной 450 м2/кг с использованием анализатора частиц «MicroSizer 201». Анализ полученных результатов показывает, что кривая распределения частиц Эсского песка смещается в сторону меньших размеров частиц, а для песка Махневского месторождения характерна большая полимодальность (рис. 2).
10
0,22 0,6 1,64 4,48 12,2 33,1 90,05 245
Диаметр частиц, мкм
Рис. 2. Распределение частиц песков по размерам: 1 - песок Эсского месторождения, 2 - песок Махневского месторождения, 3 - песок Вольского месторождения
Для определения рациональных областей применения песков данных месторождений с учетом их свойств проводились исследования определения коэффициента качества песков Ханты-Мансийского АО в качестве компонентов композиционного вяжущего и заполнителя для
Для более полного отражения свойств сырьевых материалов проведено изучение микроструктуры в ЦКП МГУ им. М.В. Ломоносова на сканирующем электронном микроскопе высокого разрешения Supra 50 VP (LEO, Германия, 2003). Анализ микрофотоснимков показывает, что поверхность кварцевых индивидов покрыта обломками полевых шпатов различного размера и формы. Однако стоит отметить, что на мах-невском песке (рис. 3, б) таких образований несколько больше, что подтверждает данные рент-генофазового анализа (см. рис 1, а, б). Эти данные свидетельствуют о том, что эсский песок является более «чистым». Можно предположить, что мелкодисперсный материал на песках может выступать как активный компонент как
мелкозернистого бетона по методикам, разработанным в БГТУ им. В.Г. Шухова [3, 4].
Анализ результатов (табл. 1) показал, что, несмотря на одинаковые значения коэффициента качества (Кк), в качестве компонента композиционного вяжущего (КВ) наиболее предпочтительно применять песок Эсского месторождения, что обусловлено его меньшим модулем крупности, который оказывает существенное влияние на время помола и как следствие, энергоемкость получения КВ.
Таблща 1
Сравнительная характеристика песков
как компонентов КВ
Наименование кремнеземного компонента ТМЦ-50 НГ, % МПа Коэффициент качества, Кк
Песок Вольского месторождения 23,0 39,8 1
Песок Махневского месторождения 28 24,6 0,62
Песок Эсского месторождения 27 24,8 0,62
В тоже время махневский песок рационально использовать как мелкий заполнитель бетона (табл. 2), что обусловлено его высоким показателем коэффициента качества как заполнителя мелкозернистого бетона, а также низкими це-менто- и водопотребностью, в сравнении с песком Эсского месторождения. Стоит так же отметить, что модуль крупности (2,75) махневского песка позволит избежать повышенного расхода вяжущего.
Таблица 2
получаемого КВ, в случае эсского песка, так и при смешении связующего с минеральными компонентами в случае махневского песка, а также играть роль микронаполнителей. Отмеченный момент будет способствовать увеличению прочности самого вяжущего и материалов на его основе.
Эффективности использования махневско-го песка в качестве заполнителя мелкозернистого бетона способствует также микрошероховатая поверхность зерен (рис. 4, б), которая обеспечит прочное сцепление в контактной зоне с затвердевшим вяжущим, что положительно отразится на физико-механических характеристиках мелкозернистого бетона.
Сравнительная характеристика песков как заполнителя мелкозернистого бетона
Наименование заполнителя Мкр Цементо-потребность, Цпотр Водопо- требность, % —сж, МПа Коэффициент качества, Кк
Песок Махневского месторождения 2,75 0,61 7,2 28,3 1,52
Песок Вольского месторождения 2,5 0,49 4 18,6 1
Песок Эсского месторождения 1,045 0,77 7,9 14,5 0,78
а б
Рис. 3. Морфология поверхности зерен песка: а - Эсского месторождения; б - Махневского месторождения
Рис. 4. Шероховатость а - Эсского месторождения; б -Таким образом, по результатам проведенных исследований физико-механических свойств, минерального состава, микроструктурных характеристик песков можно определить рациональные области их использования. В частности, эсский песок, обладающий низким коэффициентом качества как заполнителя мелкозернистого бетона и повышенными цементо- и водопотребностью, более рационально применять в качестве активного компонента композиционного вяжущего. Использованию махневского песка в качестве заполнителя мелкозернистого бетона способствуют такие факторы, как полидисперсное распределение частиц, что приведет к формированию более плотной структуры композита, а микрошероховатая поверхность зерен обеспечит прочное сцепление в контактной зоне с затвердевшим вяжущим, что положительно отразится на физико-механических характеристиках конечного продукта.
*Данная работа выполнена при финансовой поддержке в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013 годы):
Мероприятие 1.1 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров»: № 2010-1.207-075 «Создание нового класса минеральных нано-
б
поверхности песка: Махневского месторождения
структурированных вяжущих негидрационного типа твердения для производства высококачественных строительных материалов различного назначения»;
Мероприятие 1.3.1 «Проведение научных исследований молодыми учеными - кандидатами наук»: № 16.740.11.0770 «Создание высокоэффективных силикатных материалов автоклавного твердения с использованием наноструктури-рованных модификаторов».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Хакназаров, С.Х. Полезные ископаемые Ханты-Мансийского автономного округа и охрана окружающей среды. - Томск: Изд-во Том. унта. 2001. - 92 с.
2. ГОСТ 8736-93 Песок для строительных работ. Технические условия. - вед. 1995-07-01. -М.: Изд-во стандартов, 1995. - 7 с.
3. Лесовик, Р.В. Мелкозернистые бетоны на композиционных вяжущих и техногенных песках: Дисс. ... доктора техн. наук. Спец. 05.23.05 / Р.В. Лесовик. Науч. конс. А.М. Гридчин. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. - 496 с.
4. Алфимова, Н.И. Повышение эффективности стеновых камней за счет использования техногенного сырья /Н.И. Алфимова// Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2011. - №2. - С. 56-59
а
