УДК 691
Бутакова М.Д., Зырянов Ф.А.
Южно-Уральский государственный университет
Бетонов стало много: тяжелый и легкий, конструкционный и теплоизоляционный, дорожный 
и гидротехнический, ячеистый и крупнопористый, жаростойкий и декоративный, защищающий от радиоактивных воздействий и от химической коррозии, керамзитобетон, шлакопемзобетон, аглопоритобетон, золобетон, термолитобетон и т.д. Причем название бетона часто зависит от названия используемого заполнителя, и свойства его в значительной мере определяются свойствами заполнителя.
Каждый вид бетона находит наиболее эффективное применение в соответствии с его специфическими свойствами. А эти свойства в значительной мере определяются особенностями используемых заполнителей. Заполнители, которые ранее назывались «инертными», теперь рассматриваются как активный компонент конгломерата – бетона, изучение роли которого стало предметом научно-теоретических и экспериментальных исследований.
В России широко развита добыча, производство и переработка природных заполнителей – песка, гравия, щебня. Но сырьевая база для производства традиционных заполнителей небезгранична. Поэтому, на сегодняшний день одно из основных направлений технологии заполнителей это расширение сырьевой базы за счет максимального использования разнообразных промышленных отходов, комплексный подход к использованию природных ресурсов в безотходных технологиях с решением экологических и экономических проблем в общегосударственном масштабе. Необходимо обратиться к использованию отходов различных отраслей промышленности и остатков от добычи и переработки природного сырья — шлаки, золы, попутно разрабатываемые породы, отходы обогащения углей, руд и т.д. Многие из этих отходов могут быть эффективно использованы в качестве заполнителей для бетона или же в качестве сырья для их производства.
Наиболее эффективным из промышленных отходов, на наш взгляд, в настоящее время является песок из отсевов дробления скальных пород.
Опыты показывают, что прочность цементно-песчаного раствора на кварцевом песке ниже прочности цементного камня. В частности, на обычных цементах получается цементный камень, превышающий в 2 раза марку (активность) цемента по прочности, определяемую в соответствии с требованиями ГОСТ, путем испытания образцов, полученных из цементно-песчаного раствора соотношения 1:3. Песок для испытания цементов по ГОСТ 6139-78 – узкофракционный, имеющий зерна округлой формы. Как известно, такая форма зерна не обеспечивает прочного сцепления заполнителя с цементным камнем. Если провести опыт, аналогичный стандартному испытанию, но вместо стандартного песка использовать природный кварцевый с менее окатанными (более шероховатыми) зернами, то прочность образцов повысится, по данным Ю.М. Баженова на 15…25%. Однако, эта прочность все равно будет ниже прочности цементного камня. Если вместо природного песка использовать отсев дробления скальных пород, то можно добиться некоторого повышения прочности бетона, хотя и в дробленом песке зерна часто имеют гладкие границы, представляя собой отдельные кристаллы минералов. Поэтому, весьма интересным с научной точки зрения является исследование влияние свойств отсева от дробления скальных горных пород на свойства бетонной смеси и бетона.
Основным недостатком данного заполнителя является нестабильность его гранулометрического состава, в частности содержание фракции менее 0,16 мм. Так, по партии, в отсеве дробления содержание фракции менее 0,16 мм может колебаться от 7 до 20 %. Для стабилизации гранулометрического состава, а, следовательно, и однородности свойств бетонной смеси и бетона необходимо фракционировать отсев дробления с последующим смешиванием различных фракций. Кроме того, гранулометрическим составом мелкого заполнителя можно регулировать расход цемента и свойства бетона. Следовательно, основной целью оптимизации гранулометрического состава является достижение минимального расхода цемента и получение бетона с максимально возможной прочностью.
Для оптимизации гранулометрического состава отсева дробления гранодиоритового щебня Новосмолинского карьера г. Челябинска проводился трехфакторный эксперимент. В данной модели в качестве варьируемых факторов выступали предельные значения полных остатков на ситах 0,16, 0,315 и 1,25 мм в соответствии с ГОСТ 8735-85. При этом межфракционные соотношения между фракциями 0,315 и 0,63 мм, 1,25 и 2,5 мм были постоянными. Такое деление фракций по трем факторам связано со следующим. Фракция 0,16 мм должна заполнять межзерновое пространство крупных фракций, а фракции 1,25 и 2,5 мм, создавая каркас, в основном, влияют на прочностные характеристики бетона. Фракции 0,315 и 0,63 мм являются средними и способствуют уменьшению насыпной плотности заполнителя.
Обработка матрицы планирования позволила получить регрессионные зависимости, по которым были построены изолинии влияния гранулометрического отсева дробления на его насыпную плотность (рис. 1, 2, 3).
Получена следующая аппроксимирующая зависимость влияния гранулометрического состава отсева дробления на его насыпную плотность:
Y= 1371,15+0,55х1– 4,95х2 + 70,35х3 + 8,69х12 + 25,63х1х2 – 4,88х1х3 – 54,30х22 – 0,5х2х3+ 7,19х32,(МПа) (1)
где х1 – полный остаток фр. 0,14…0,315 мм в количестве 70…90%; х2 – полный остаток фр. 0,315…1,25 мм в количестве 30…70%; х3 – полный остаток фр. 1,25…5,0 мм в количестве 0…30%; Критерий Фишера составил F = 0,13
С увеличением содержания фр.0,14…0,315 мм и фр.0,315…1,25 мм возрастает насыпная плотность песчаных смесей за счет получения в них более плотной упаковки зерен.
Увеличение содержания в грансоставе фр. 1,25…5,0 мм, наоборот приводит к снижению плотности упаковки зерен при максимальном содержании фр. 0,14…0,315 мм и фр. 0,315…1,25 мм. В этом случае для получения более плотной упаковки необходимо чтобы песчаная смесь содержала максимальное (90%) или минимальное (70%) количество фр. 0,14…0,315 мм и 25…50% фр. 0,315…1,25 мм. Максимальная насыпная плотность песчаных смесей в пределах 1450…1460 кг/м3 обеспечивается при следующем соотношении полных остатков фр. 0,14…0,315 мм – 70%, 0,315…1,25 мм – 50%, фр. 1,25…5,0 мм – 30%.
В ходе исследований влияния гранулометрического состава отсева дробления на прочность бетона в возрасте 28 суток нормального твердения, были получены следующие изолинии (рис. 4, 5, 6).
Полученная аппроксимирующая зависимость влияние гранулометрического состава отсева дробления на прочность бетона можно описать следующим уравнением:
Y= 30,36 + 0,82х1– 0,26х2 + 0,62х3 + 0,99х12 + 0,099х1х2 – 0,1х1х3 + 1,54х22 + 0,56х2х3+ 0,63х32, (МПа) (2)
где х1 – фр. 0,14…0,315 мм в количестве 70…90%; х2 – фр. 0,315…1,25 мм в количестве 30…70%; х3 – фр. 1,25…5,0 мм в количестве 0…30%; Критерий Фишера составил F = 0,32
Выводы
1. Увеличение содержание фр.0,14…0,315 мм приводит к росту прочности бетона при сжатии за счет увеличения средней плотности бетона, на которую влияют плотность бетонной смеси и насыпная плотность песчаных смесей.
2. Максимальная прочность бетона при сжатии в возрасте 28 суток нормального твердения в пределах 34…36,5 МПа обеспечивается следующим соотношением полных остатков фр. 0,14…0,315 мм – 90%, 0,315…1,25 мм – 30%, фр. 1,25…5,0 мм – 15…30%.
3. Рекомендуемый гранулометрический состав отсева дробления, обеспечивающий максимальную прочность бетона при сжатии в возрасте 28 суток нормального твердения, можно использовать для изготовления бетонов М200…М350 всех видов конструкций, кроме труб.
