Мелкозернистые бетоны на композиционных вяжущих и техногенных песках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мелкозернистые бетоны на композиционных вяжущих и техногенных песках

05.23.05 Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Лесовик Руслан Валерьевич

Пенза 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова».

Защита состоится 18 декабря 2008 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.184.01 в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Г.Титова, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства».

Автореферат разослан “ ” г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.А.Худяков

песок мелкозернистый бетон

Актуальность. Для реализации национального приоритетного проекта по жилищному строительству необходимо в ближайшие годы удвоить производство цемента, щебня, песка и других строительных материалов. Это невозможно осуществить из-за отсутствия традиционной сырьевой базы промышленности строительных материалов.

В результате нерационального и некомплексного освоения недр в XX столетии образованы десятки тысяч техногенных месторождений рыхлого зернистого сырья, которые изменили геоморфологию земной поверхности, привели к нарушению гидрогеологического строения территорий, пылению и т.д. При добыче и переработке полезных ископаемых, дроблении пород на щебень образуются большие объемы техногенных песков, складирование которых требует отвода значительных площадей, приводит к изменению рельефа, нарушению инженерно-геологических, гидрогеологических и эколого-геологических условий района размещения хранилища отходов.

Решение проблем реализации приоритетного национального проекта по жилищному строительству возможно за счет широкомасштабного применения мелкозернистых бетонов на основе композиционных вяжущих и техногенных песков.

Работа выполнялась в рамках тематического плана госбюджетных НИР Федерального агентства по образованию РФ, проводимых по заданию Министерства образования и науки РФ и финансируемых из средств федерального бюджета на 2004-2008 гг.; НТП Минобрнауки РФ «Методологические основы рационального использования техногенного сырья в промышленности строительных материалов» (шифр 03.01.055) и НТП «Кристаллохимические основы оптимизации процессов структурообразования в строительном материаловедении при использовании техногенного сырья» (шифр 207.03.01.078), раздела 03 «Проблемы рационального использования минеральных ресурсов».

Цель работы. Повышение эффективности производства мелкозернистых бетонов за счет использования композиционных вяжущих и техногенных песков.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- построение классификации, исследование свойств и распространения техногенных песков;

- разработка принципов проектирования и технологий производства многокомпонентных вяжущих веществ и мелкозернистого бетона с учетом особенностей минералогического состава, строения и свойств техногенных песков;

- составление нормативных документов и внедрение результатов исследования.

Научная новизна. Разработаны принципы повышения эффективности мелкозернистых бетонов и композиционных вяжущих за счет рационального использования энергетики геологических и техногенных процессов, участвующих в формировании техногенных песков, заключающиеся в выборе кремнеземистых компонентов с повышенным содержанием газо-воздушных включений, компонентов минералообразующей среды, дефектов кристаллической структуры и др., которые в техногенных условиях в процессе добычи и дезинтеграции сырья, воздействия физических полей при обогащении формируют активную поверхность, определяющую рациональные условия гидратации и создающую оптимальную структуру высококачественного композита. Многообразие размеров и форм частиц дезинтегрированного сырья приводит к разнообразию физико-химических условий синтеза новообразований и повышению эффективности мелкозернистых бетонов.

Установлен характер влияния состава и структурно-текстурных характеристик скальных пород различного генезиса на гранулометрию отсева дробления, размолоспособность, физико-механические характеристики, водо- и цементопотребность техногенных песков в зависимости от положения в системе классификации. Высококачественный техногенный песок образуется при дроблении средне- и крупнозернистых магматических и метаморфических скальных пород равномернозернистой структуры и массивной текстуры. Существенно снижаются качественные показатели у техногенных песков, полученных из пород мелко- и тонкозернистой структуры особенно осадочного происхождения и у пород анизотропной текстуры.

Выявлена зависимость распределения частиц композиционных вяжущих, полученных при помоле цемента с различными типами песков. Вяжущие вещества с использованием природного песка имеют одномодальный почти Гауссовский характер распределения частиц. Композиционные вяжущие на техногенных кремнеземистых составляющих имеют прерывистый характер с использованием несколькими пиками. Это определяется различной размолоспособностью породообразующих минералов. При использовании мономинеральных техногенных песков такой характер распределения частиц обусловлен полигенетическим составом породообразующего минерала. Прерывистый характер гранулометрического состава оказывает положительное влияние на формирование микроструктуры цементного камня и бетона вследствие более плотной пространственной укладки частиц и, следовательно, получения более плотного цементного камня.

Установлены закономерности изменения коллоидно-химических свойств цементных систем на основе композиционных вяжущих с использованием техногенных кремнеземистых компонентов и суперпластификаторов, заключающиеся в снижении прочности контактов в коагуляционных структурах за счет образования мономолекулярного адсорбционного слоя суперпластификатора на поверхности дисперсной фазы и позволяющие получить предельно агрегативно устойчивые суспензии с жидкообразным характером течения. Установлена оптимальная концентрация добавок различных суперпластификаторов при получении композиционных вяжущих. При переходе от цемента к композиционному вяжущему величина максимальной адсорбции снижается. При увеличении содержания клинкерных минералов и при переходе от ТМЦ к ВНВ величина максимальной адсорбции увеличивается.

Установлен характер влияния вида и состава композиционных вяжущих на микроморфологические параметры цементного камня. Размер, форма, ориентация структурных элементов в пространстве, микропористость, удельная поверхность пор, коэффициент анизотропии, фактор формы и морфология новообразований матрицы обуславливают различие эксплуатационных показателей искусственного композита. Так, по сравнению с бетоном на крупном заполнителе при одинаковой прочности, модуль упругости мелкозернистых бетонов на 10-15 % ниже на всем интервале изменения водо-цементного отношения. И лишь начиная с В/Ц 0,4 величина отклонения начинает уменьшаться и при значении 0,3 не превышает 5 %. Усадочные деформации на заполнителе с высокоплотной упаковкой по своим значениям приближаются к аналогичным показателям бетона на крупном заполнителе. Призменная прочность и модуль упругости мелкозернистых бетонов на композиционных вяжущих и заполнителях с высокоплотной упаковкой аналогична этим показателям бетона на крупном заполнителе.

Практическое значение. Разработана классификация техногенных песков в зависимости от состава, генезиса исходных пород и вида техногенных воздействий, а также принципы оценки их качества. Анализ строения и вещественного состава техногенных песков, а также закон соответствия генезиса техногенезу при производстве строительных материалов с минимальными энергозатратами позволили определить рациональные области их использования при производстве композиционных вяжущих и мелкозернистых бетонов. Специфика использования техногенных песков по сравнению с природными в качестве кремнеземистых добавок композиционных вяжущих и заполнителей мелкозернистых бетонов заключается в их полиминеральности, полигенетичности, специфике морфологии зерен и их поверхности. Положение в системе классификации позволяет прогнозировать запасы месторождений техногенных песков, объемы текущих отходов, технологию производства композиционных вяжущих и рациональные области применения мелкозернистого бетона и изделий на его основе.

На основании результатов теоретических исследований и промышленного внедрения разработаны методики определения:

- качества песков как мелкого заполнителя бетонов;

- качества песков как кремнеземсодержащих компонентов композиционных вяжущих;

предложены составы мелкозернистых бетонов с использованием техногенных песков и композиционных вяжущих для строительства автомобильных дорог:

- оснований - с применением укатываемых мелкозернистых бетон и высокопроникающих смесей для укрепления щебеночных оснований на основе отходов ММС железистых кварцитов, а также отходов алмазообогащения;

- нижнего и верхнего слоя покрытий с использованием в качестве кремнеземсодержащего компонента композиционных вяжущих отходов обогащения железистых кварцитов, в качестве заполнителей - отсевов дробления кварцитопесчаников.

Разработаны составы мелкозернистых бетонов для производства изделий для промышленного и гражданского строительства:

- малых архитектурных форм с использованием отсевов дробления кварцсодержащих пород зеленосланцевой фации метаморфизма;

- железобетонных изделий для энергетического строительства и мостовых конструкций на основе отходов ММС в качестве компонента вяжущего; отсевов дробления кварцитопесчаников - в качестве мелкого заполнителя;

- мелкоштучных стеновых изделий с использованием отсевов дробления на щебень валунно-песчано-гравийных смесей.

Предложены составы высокопроникающих смесей для закладки выработанного пространства подземных рудников на основе отходов алмазообогащения и отходов ММС железистых кварцитов.

Практические результаты и научная новизна работы защищены 12 патентами РФ.

Внедрение результатов исследований. Результаты проведенных исследований позволили апробировать и внедрить в производство технологии: композиционных вяжущих на основе техногенных песков различных генетических типов; стеновых камней цементных на основе отсева дробления валунно-песчано-гравийных смесей; железобетонных элементов ограждений и изделий для энергетического комплекса на основе отсева дробления кварцитопесчаника; пескоцементных смесей и укатываемых высокопрочных бетонов для дорожного строительства с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов; закладочных смесей на основе отходов алмазообогащения.

Для широкомасштабного внедрения результатов работы при строительстве автомобильных дорог и производстве строительных материалов разработаны нормативные документы:

- проект специального технического регламента РФ «О безопасности строительных материалов и изделий»;

- проекты национальных стандартов:

- «Кремнеземсодержащий компонент для производства композиционных вяжущих из техногенных песков»;

- «Мелкий заполнитель бетона из техногенных песков».

- технические условия на «Кремнеземсодержащий компонент из отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов Лебединского горнообогатительного комбината». ТУ 5743-008-02066339-2002;

- технические условия на «Отходы алмазообогащения месторождения им. М.В. Ломоносова Архангельской алмазоносной провинции как компонент вяжущего низкой водопотребности». ТУ 5743-017-02066339-2004;

- технические условия на «Кремнеземсодержащий компонент из отсева дробления кварцитопесчаника Лебединского горнообогатительного комбината». ТУ 5743-009-02066339-2005;

- технические условия на «Мелкий заполнитель бетона из отсева дробления кварцитопесчаника Лебединского горнообогатительного комбината». ТУ 5711-001-02066339-2006;

- технические условия на «Заполнитель мелкий для бетона из отсева дробления Солдато-Александровского карьера». ТУ 5711-005-10251714-2006;

- технические условия на «Стеновые камни цементные на основе мелкозернистого бетона с использованием отсева дробления Солдато-Александровского карьера». ТУ 5741-004-10251714-2006.

Апробация полученных результатов осуществлена на предприятии ООО «Стройкомплекс», ООО «Стройбетон» Белгородской области, ООО «Югорскремстройгаз» Тюменская область, ПСФ «Содружество-холдинг» Ставропольский край. Результаты работы использовались при реализации программы «Развитие дорожной сети в сельских населенных пунктах Белгородской области и их благоустройство». При этом получен значительный экологический, социальный и экономический эффект.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и практического внедрения в промышленных условиях, реализованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы», 270102 «Промышленное и гражданское строительство», 270105 «Городское строительство и хозяйство»; использованы в учебном пособии с грифом УМО: «Строительное материаловедение. Бетоноведение», 2002; отражены в 7 монографиях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на 18 Международных и Всероссийских конференциях и симпозиумах, академических чтениях РАН и РААСН, в том числе: IX Международной конференции работников нерудной промышленности (Москва, 2000); VI международном симпозиуме “Вопросы осушения и экология специальные горные работы и геомеханика” (Белгород, 2001); International congress «Challenges of concrete construction» (Scotland, 2002); Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии, конструкции и материалы в строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог» (Краснодар, 2002); I и II Международной научной конференции «Фундаментальные проблемы комплексного использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов» (Апатиты, 2003, Петрозаводск, 2005); Международной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура» (Омск, 2003); Восьмые академические чтения отделения строительных наук РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения» (Самара, 2004); Международной конференции «Стратегия развития минерально-сырьевого комплекса в XXI веке» (Москва, 2004); Академических чтений РААСН «Новые научные направления строительного материаловедения» (Белгород, 2005); II Международной конференции по бетону и железобетону (Москва, 2005); Международной научно-практической конференции «Наука и технология строительных материалов: состояние и перспективы развития» (Минск, 2005); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2006).

Под руководством автора защищено пять диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 124 работах, в том числе 22 статьях научных журналов по списку ВАК России; отражены в 7 монографиях, учебном пособии под грифом УМО, защищены 12 патентами РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из восьми глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 463 страницах машинописного текста, включающих 373 рисунков и фотографий, 149 таблиц, список литературы из 383 наименований, 17 приложений.

На защиту выносятся. Классификация техногенных песков в зависимости от состава, генезиса исходных пород и вида техногенных воздействий, а также принципы оценки их качества.

Характер закономерности изменений размолоспособности, гранулометрии, физико-механических характеристик, водо- и цементопотребности техногенных песков в зависимости от положения в системе классификации.

Характер зависимости распределения частиц композиционных вяжущих, полученных при помоле цемента с различными типами техногенных песков.

Закономерности изменения коллоидно-химических свойств цементных систем на основе композиционных вяжущих с использованием техногенных кремнеземистых компонентов и суперпластификаторов.

Принципы повышения эффективности мелкозернистых бетонов и композиционных вяжущих за счет рационального использования энергетики геологических и техногенных процессов, оптимизации состава композиционного вяжущего, гранулометрии заполнителя, минеральных и органических добавок.

Характер влияния вида и состава композиционных вяжущих на микроморфологические параметры цементного камня.

Методики определения качества песков как мелкого заполнителя бетонов и кремнеземсодержащего компонента композиционных вяжущих.

Технологии производства композиционных вяжущих, эффективных дорожно-строительных материалов и изделий из мелкозернистых бетонов для промышленного и гражданского строительства.

Результаты производственных испытаний и внедрения.

Содержание работы

Использование мелкозернистого бетона тормозится отсутствием сырьевой базы высококачественных природных песков. Кроме того, стоит задача увеличения объема выпуска вяжущих, щебня, песка и других строительных материалов в 2-3 раза.

В то же время во второй половине XX века в России, как и во многих странах мира, образовались техногенные месторождения рыхлого зернистого сырья. Техногенные пески, в силу специфики генезиса и техногенеза, обладают повышенным запасом свободной внутренней энергией за счет наличия дислокаций, искажения кристаллической решетки, повышения ее дефектности или полного разрушения с переходом из кристаллического в псевдоаморфное состояние; имеют некоторое количество наноразмерных частиц. Все это позволяет рассматривать некоторые их разновидности как энергосберегающее сырье промышленности строительных материалов, особенно при производстве композиционных вяжущих и мелкозернистых бетонов.

Отсутствие концепции использования техногенных песков, их классификации, принципов оценки качества и технологий рационального использования тормозит широкомасштабное использование этого сырья в промышленности строительных материалов в целом и при производстве бетонов в частности (рис. 1). Использование техногенных песков в качестве кремнеземистых добавок композиционных вяжущих веществ и заполнителей мелкозернистых бетонов имеет свою специфику, так как они отличаются от природных своей полиминеральностью, полигенетичностью и, как следствие, формой зерен и морфологией поверхности. Для производства высококачественных мелкозернистых бетонов на основе техногенных песков необходима разработка методологии их проектирования, новое поколение композиционных вяжущих и органоминеральных добавок, новое смесительное оборудование, специфические условия синтеза и т.д.

Рис. 1 Трансформация вещества при техногенезе и проблемы использования техногенных песков

Проблему рационального использования техногенного сырья необходимо рассматривать с точки зрения трех уровней: проектируемые к освоению месторождения; текущие отходы; техногенные месторождения. Каждый уровень имеет свой методологический подход и инструментарий как с теоретической, так и с прикладной стороны. На нынешнем этапе наиболее актуальны два последних уровня, проблема реализации которых остро стоит во всех промышленных регионах мира.

Объемы, как текущих отходов, так и техногенных месторождений несоизмеримо большие, чем потребности в сырье на предприятиях промышленности строительных материалов. Поэтому очень важно из всей массы выделить те, которые можно наиболее эффективно использовать для получения строительных материалов, как при проектировании новых производств, так и на имеющихся в конкретных регионах промышленных мощностях.

В основу разделения совокупности исходных зернистых материалов на классы положены условия их образования. По этому критерию все пески подразделяются на природные и техногенные (рис. 2). Среди последних выделяются 4 класса. Выделяются таксоны, которые образовались за счет механогенного воздействия на исходные горные породы. Представители этого класса меньше всего отличаются от состава исходных пород. Они образовались в основном при дроблении горных пород на щебень и обогащении полезных ископаемых. При этом разрушаются текстура исходных пород, частично структура.

Рис. 2 Классификация песков

Наиболее крупнотоннажными являются механогенные и пирогенные техногенные пески. В меньшей степени распространены хемогенные и сугубо теоретическое значение в настоящее время имеют и биогенные пески.

Источником формирования отсева дробления служат различные горные породы осадочного происхождения, чаще всего известняки, песчаники, гравийно-галечные смеси; магматического (граниты, базальты, порфиры и др.) и метаморфического (сланцы, гнейсы, кварциты, кварцитопесчанники, амфиболиты и др.) генезиса (рис. 3).



Рис. 3 Классификация техногенных механогенных песков

Практически на порядок больше чем отсевов дробления образуется ежегодно отходов обогащения. Техногенные пески данного класса являются продуктом мокрой магнитной сепарации магнетитовых пород, а так же образуются при флотации, гравитации и грохочения целого ряда различных полезных ископаемых.

На долю высокожелезистых техногенных песков, которые образуются при обогащении пород метаморфического и магматического происхождения приходится до 60-70 % объема данного класса отходов. В зависимости от генезиса исходных железистых пород отходы мокрой магнитной сепарации отличаются по гранулометричексому и минералогическому составу, цементо- и водопотребности и другим свойствам.

По направлению от зеленосланцевой к гранулитовой фации метаморфизма модуль крупности отходов ММС растет от 0,6 до 1,5. Значительно уменьшается, дефектность минералов и количество включений газовоздушной и минералообразующей фазы, серицит замещается мусковитом, появляется биотит, полевые шпаты, гиперстен и актинолит. В целом уменьшается адгезия породообразующих минералов к цементному камню.

Породообразующими минералами техногенных песков, образующихся при обогащении магматогенных железистых пород, являются пироксены, оливин, амфиболы, кальцит и основные полевые шпаты, модуль крупности их 1,4-2.

Менее качественными с точки зрения сырья промышленности строительных материалов, являются отходы гравитации и флотации, которые образуются при обогащении цветных и драгоценных металлов, производстве удобрений и др.

Но непрерывное снижение содержания цветных металлов в добываемых рудах, постоянный рост их потребления и увеличение объема примерно в 2 раза через каждые 10 лет требуют разработки технологий комплексного обогащения и использования этих отходов в промышленности строительных материалов.

Установлено, что состав и свойства отходов образующихся при обогащении цветных металлов определяется их генезисом и технологическими схемами, которые включают измельчение, классификацию и флотацию. Техногенные пески и шламы, образующиеся на различных стадиях обогащения, могут использоваться для производства мелкозернистых бетонов, в дорожном строительстве, для получения клинкера, в качестве кремнеземистой добавки в композиционных вяжущих, керамике и т.д.

Существенное отличие техногенных песков от природных, обусловленное технологическими операциями, генезисом и составом исходных пород, влечет за собой ряд коренных изменений в параметрах (рис. 4), обуславливающих формирование техногенных песков как высокоактивных и энергонасыщенных компонентов твердеющих систем. Использование такого сырья в строительном материаловедении имеет свою специфику, как в процессе приготовления сырьевой смеси, так и при синтезе композитов.

На примере исследования некоторых наиболее крупномасштабных и имеющих существенное значение в плане расширения сырьевой базы промышленности строительных материалов промышленных отходов приводится доказательство изложенной гипотезы.

Рис. 4 Факторы, обусловливающие специфику техногенных песков

Наряду с крупностью и минералогическим составом песков на технологические свойства бетона влияет морфология зерен песка, определяемая их формой и состоянием поверхности. Эти показатели в настоящее время не регламентируются нормативными документами; стандартные методы морфометрии и морфоскопии песка также пока не разработаны.

Форма, морфология поверхности, адгезия заполнителя из техногенных песков определяются генезисом и, как следствие, структурно-текстурными характеристиками, а также минералогическим составом и типоморфными особенностями материнских пород, подвергнутых дезинтеграции в процессе технологических переделов. При механогенном воздействии на породу разрушение происходит в первую очередь по наиболее ослабленным зонам. В общем случае последовательность зон разрушения выглядит следующим образом: генетические дефекты текстуры генетические дефекты структуры зоны минералов с весьма совершенной и совершенной спайностью контакты между минеральными агрегатами контактные зоны между отдельными зернами зоны остаточных напряжений дефекты кристаллической структуры.

Установлен характер влияния структурно-текстурных характеристик скальных пород различного генезиса на гранулометрию отсева дробления. Высококачественный техногенный песок образуется при дроблении средне- и крупнозернистых магматических и метаморфических скальных пород равномернозернистой структуры и массивной текстуры. Существенно снижаются качественные показатели у пород мелко- и тонкозернистой структуры особенно осадочного генезиса и у пород анизотропной текстуры.

Апробация результатов теоретических исследований осуществлена на примере наиболее крупнотоннажных представителей различных классов техногенных песков: механогенные представлены отсевами дробления метаморфогенных, осадочных и магматогенных пород, отходами обогащения магнетитовых руд и кимберлитов; пирогенные - шлаками.

Хвосты мокрой магнитной сепарации представляют собой полиминеральный техногенный песок, состоящий как из агрегатов, так и отдельных минералов кварца различного генезиса, полевых шпатов, амфиболов карбонатов, магнетита и гематита. Отдельные зерна кварца имеют остроугольные сколы с несовершенной спайностью, раковистым изломом.

На некоторых гранях видны следы механического воздействия, но чаще встречаются моно- и полиминеральные агрегаты хвостов ММС. Детальные исследования кварца отходов ММС позволили установить наличие нескольких генераций, беспорядочно распределенных по всей массе отходов (рис. 5).

Мономинеральные зерна агрегатов состоят преимущественно из кварца остроугольной, несколько вытянутой формы с ярко выраженным раковистым изломом и шероховатой поверхностью.



Отсев дробления кварцитопесчаников - песчаный техногенный мономинеральный материал со сложной морфологией зерен и шероховатой поверхностью. Значительная часть крупных частиц является микроагрегатами кластогенных фаз.

Среди отсевов дробления осадочных горных пород можно выделить преимущественно моно- и полиминеральные техногенные пески. К первым относятся отсевы, формирующиеся при дроблении на щебень таких пород, как известняки, песчаники. Ко второй группе принадлежат отходы, образованные либо при искусственном смешении пород различного состава на территории дробильно-сортировочных фабрик (отсутствие селективного складирования отсевов), либо при дроблении природной смеси пород различного состава и генезиса (конгломераты, граувакки, валунно-песчано-гравийные смеси и их разновидности).

Спецификой техногенных механогенных песков, получаемых в процессе дробления на щебень рыхлых обломочных осадочных пород типа валунно-песчано-гравийных смесей (ВПГС) является то, что они состоят из различных горных пород.

Установлен характер распределения петрографического и минералогического состава по фракциям отсева дробления ВПГС, заключающийся в концентрации минеральных агрегатов: интрузивных (граниты) и метаморфогенных мономинеральных (кварциты) образований в крупных фракциях; эффузивных, осадочных (песчаники и алевролиты) и затронутых процессами выветривания пород - в более мелких фракциях (рис. 6). В мелких фракциях преобладают зерна отдельных минералов, а с увеличением крупности - обломки пород (агрегаты).

Рис. 6 Форма и морфология поверхности частиц отсева дробления ВПГС

Рис. 7 Форма и поверхность зерен отсева дробления кимберлитов

Специфика формы и морфологии поверхности отсевов дробления кимберлитов, связаны с ультраосновным составом исходных пород и структуро-текстурными особенностями (рис. 7).

Таким образом, установлено, что техногенное сырье в зависимости от генезиса горных пород и воздействия комплекса факторов (взрыв при добыче, дробление, помол, физические, химические и термические воздействия при обогащении) отличается от природного рядом существенных свойств. Форма, морфология поверхности, адгезия заполнителя из техногенных песков определяются генезисом и, как следствие, структурно-текстурными характеристиками, а также минералогическим составом и типоморфными особенностями материнских пород, подвергнутых дезинтеграции в процессе технологических переделов. Так, например, в процессе измельчения полиминеральных горных пород (гранит, гнейс, диорит и т.д.) при разрушении по контактам минералов зерна первичных минералов сохраняют форму близкую к габитусу их кристаллов (призматическую, столбчатую, игловидную, чешуйчатую, изометричную и т.д.). При разрушении мономинеральной породы (кварцит, известняк) форма зерен обусловлена структурно-текстурными особенностями (наличием либо отсутствием ориентации зерен в пространстве), минеральным составом (габитусом кристаллов, видом спайности), типоморфными особенностями (степенью дефектности минеральных агрегатов и др.). Это предопределяет особенности синтеза новообразований при получении композиционных вяжущих веществ и мелкозернистых бетонов.

Изучение распределения центров адсорбции на поверхности песков различных генетических типов, показало существенное отличие поверхности техногенных песков из кварцсодержащих пород зеленосланцевой фации метаморфизма от другого сырья: около 50 % составляют кислоты по Бренстеду, которые оказывают решающее влияние на гидратационную активность цементных материалов, 34-38 % составляют основания Бренстеда, улучшающие взаимодействие с цементом и повышающие прочность сцепления цементного камня с минеральными материалами. Наибольшее количество бренстедовских активных кислотных центров имеют отходы ММС, обожженные при 600 °С. Что и предопределяет более высокую реакционную способность композиционных вяжущих. Количество активных центров повышается у отходов ММС, обожженных при 600 °С, на 40 % и у отходов ММС, обожженных при 900 °С, на 19 %.



Рис. 8 Зависимость концентрации обменных центров от величины удельной поверхности минеральных материалов

Установлена зависимость активности поверхности кремнеземсодержащей добавки от времени экспозиции материала после помола. Показано, что с течением времени количество обменных центров на поверхности частиц снижается в течение 0,5-3 часов (после чего стабилизируется), за счёт активного взаимодействия поверхности с влагой воздуха с образованием водородных связей протонодонорных центров поверхности с молекулами воды, а также рекомбинации гидроксильных групп (рис. 8). В дальнейшем состояние поверхности изменяется незначительно.

Получено экспериментальное подтверждение теоретических предпосылок относительно влияния природы поверхности заполнителей на взаимодействие с цементным камнем и прочность контактной зоны. Выявлено активное структурирующее действие заполнителей из техногенного сырья, которое заключается в сокращении периода формирования структуры, увеличении пластической прочности и скорости структурообразования. Высокая активность кремнезёмсодержащих фаз техногенных механогенных песков, полученных при дроблении или обогащении метаморфогенных горных пород зеленосланцевой фации метаморфизма, обусловлена наличием дефектов кристаллической структуры, минералообразующей среды, газо-воздушных включений. Это позволяет использовать данное сырье в качестве эффективных кремнеземсодержащих компонентов композиционных вяжущих и заполнителей мелкозернистых бетонов.

Выявлен характер закономерности изменений размолоспособности, гранулометрии, физико-механических характеристик, водо- и цементопотребности (рис. 9) исходных пород и технологий производства композиционных вяжущих и мелкозернистых бетонов от положения техногенных песков в системе классификации.

Рис. 9 Зависимость цементопотребности от размера фракций заполнителя

Предлагается методика определения качества песков для производства бетонов, заключающаяся в определении прочности образцов состава цемент-песок (1:4) с определенной подвижностью (осадка конуса 2-4 см).

Коэффициент качества песка (ККП) рассчитывается по формуле:

ККП =, (1)

где Rп - предел прочности при сжатии мелкозернистого бетона на изучаемом песке; Rв.п. - предел прочности при сжатии мелкозернистого бетона на песке Вольского месторождения.

Коэффициент качества песка (табл. 1) зависит от его положения в системе классификации. Он повышается по направлению от техногенных песков, полученных при дроблении осадочных горных пород к метаморфогенным, достигая максимальных значений, в целом, у магматических. Среди отсевов дробления магматических пород ККП понижается по направлению от интрузивных к эффузивным.

Выше изложенные результаты теоретических и экспериментальных исследований были апробированы при разработке технологий производства изделий на основе мелких заполнителей бетонов и композиционных вяжущих.

Получение высокоэффективных вяжущих веществ сопровождается использованием сложных составов компонентов с целью получения высококачественных бетонов разного функционального назначения с улучшенными, а иногда и с принципиально новыми свойствами и определенной заранее заданной структурой. В основу создания таких вяжущих положен принцип целенаправленного управления технологией на всех ее этапах: использование активных компонентов, разработка оптимальных составов, применение химических модификаторов, использование механохимической активации компонентов и некоторых других приемов.

Таблица 1 Свойства техногенных и природных песков и мелкозернистого бетона в зависимости от вида песка

Наименование заполнителя	Мкр	Цементопотребность, %	Водопотребность, %	Rсж МПа	Коэффициент качества песка (ККП)
Отсев дробления КВП фракции 0,315-5 мм	4,7	0,5	6,5	32,5	1,75
Отсев дробления гранита	3,3	0,71	7,8	30,6	1,6
Отсев дробления ВПГС Северного Кавказа	3,8	0,57	8,5	25,9	1,4
Отсев дробления кварцитопесчаника (КВП)	3,7	0,95	8,5	23,6	1,27
Песок Вольского месторождения	2,5	0,49	4	18,6	1
Песок Нижне-Ольшанского месторождения	1,3	0,64	7,5	9,8	0,53
Отходы ММС	0,8	1,96	21	6,1	0,33
Отходы алмазообогащения (ОАО)	2,93	0,96	10,85	4,83	0,26

Идея получения композиционных вяжущих не нова. Ранее были получены тонкомолотые цементы (ТМЦ) и вяжущие низкой водопотребности (ВНВ). Однако следует отметить, что зачастую в качестве кремнеземистого компонента ТМЦ и ВНВ использовались природные пески, содержание кварца в которых составляет порядка 95 %. В сложившейся ситуации острого дефицита не только вяжущих, но и качественных заполнителей, использование техногенных песков для получения композиционных вяжущих веществ приобретает существенную актуальность.

Для создания композитов нового поколения и внедрения наносистем при производстве строительных материалов необходим синтез такой матрицы, в которой количество контактов увеличивалось на несколько порядков при существенно возросшей адгезии гидратных новообразований и минеральных частиц. С учетом вышеизложенного можно записать (при определенном В/Ц и марке цемента):

Rk = f [( Ki · A) · n], (2)

где Rk - прочность композита; Ki - контакт новообразований и минеральной составляющей; А - адгезия (прочность сцепления между минеральной составляющей и цементом); n - количество контактов на единицу объема композита.

Следовательно, для повышения качества матрицы необходим домол цемента и кремнеземистых компонентов с учетом определенных ранее факторов и органических добавок для регулирования реологических и некоторых других характеристик. Помимо этого существует ряд объективных предпосылок перехода на композиционные вяжущие вещества.

Исходя из наших данных, можно существенно расширить сырьевую базу кремнеземистого компонента для производства композиционных вяжущих веществ, особенно за счет использования механогенных и пирогенных техногенных песков. Из механогенных песков для этих целей рекомендуется, в первую очередь, применять отходы обогащения железистых кварцитов зеленосланцевой фации метаморфизма, а также отсевы дробления на щебень некоторых эффузивных, метаморфогенных и осадочных пород (см. рис. 3).

Основные принципы повышения эффективности композиционных вяжущих (КВ) за счет рационального использования техногенных песков, заключаются в выборе кремнеземистых компонентов с повышенным содержанием минералообразующей среды, газо-воздушных включений, дефектов кристаллической решетки и др., которые в техногенных условиях в процессе добычи и дезинтеграции сырья, воздействия физических полей при обогащении и при помоле совместно с клинкером и пластификаторами трансформируются в активные минеральные добавки. Последние интенсифицируют процессы гидратации клинкерных минералов и создают оптимальную структуру композита, связывая Ca(OН)2 в мелкокристаллические нерастворимые гидросиликаты кальция различной основности (рис. 10).

Установлен характер зависимости распределения частиц композиционных вяжущих, полученных при помоле цемента с различными типами техногенных песков. Вяжущие вещества с использованием природного песка имеют одномодальный почти Гауссовский характер распределения частиц в отличие от техногенных песков, являющихся полиминеральным сырьем (рис. 11). Композиционные вяжущие на техногенных кремнеземистых составляющих имеют прерывистый характер с несколькими пиками. Это определяется различной размалываемостью породообразующих минералов. При использовании мономинеральных техногенных песков такой характер распределения частиц обусловлен полигенетическим составом породообразующего минерала, например, кварца в отходах ММС. Прерывистый характер гранулометрического состава оказывает положительное влияние на формирование микроструктуры цементного камня вследствие более плотной пространственной укладки частиц и, следовательно, получения более плотного цементного камня.

Рис. 10 Рентгенограммы цементного камня на основе: ЦЕМ I 42,5 Н, ВНВ-50 (в качестве кремнеземсодержащего компонента - отсев дробления кварцитопесчаника) и теоретические рентгенограммы портландита и низкотемпературного кварца

Шкала углов отражений - для излучения Cu_анода. ¦ - обозначены основные отражения портландита.

Полиминеральный состав техногенных песков приводит к снижению энергоемкости помола при производстве композиционных вяжущих (рис. 12). Это объясняется тем, что предел прочности контактной зоны между породообразующими минералами значительно меньше прочности самих минералов, а при помоле техногенных песков до удельной поверхности 500-600 м2/кг разрушение идет по контактам минералов. Следовательно, при производстве композиционных вяжущих наиболее эффективным является применение наполнителей из техногенных песков по сравнению с традиционно используемыми природными. При фиксированном времени помола ВНВ на основе техногенных песков имеют более высокую удельную поверхность по сравнению с ТМЦ, что объясняется проявлением расклинивающего эффекта Ребиндера. Помол компонентов сопровождается образованием микротрещин, а молекулы суперпластификатора адсорбируются на вновь образованных поверхностях, препятствуют самозалечиванию микротрещин, интенсифицируя тем самым скорость дезинтеграции.

Рис. 11 Распределение частиц по размерам в зависимости от вида вяжущего: 0, 600, 900 С - температура обработки кремнеземистого компонента композиционного вяжущего

Рис. 12 Зависимость величины удельной поверхности наполнителей в зависимости от времени помола

Установлены закономерности изменения коллоидно-химических свойств цементных систем на основе ТМЦ с использованием техногенных песков и суперпластификаторов, заключающиеся в снижении прочности контактов в коагуляционных структурах за счет образования мономолекулярного адсорбционного слоя суперпластификатора на поверхности дисперсной фазы и позволяющие получить предельно агрегативно устойчивые суспензии с жидкообразным характером течения. Установлена оптимальная концентрация добавок суперпластификаторов, в зависимости от состава вяжущего (рис. 13). Адсорбция их на цементах носит мономолекулярный характер. При переходе от клинкера к композиционному вяжущему величина максимальной адсорбции несколько снижается. При увеличении содержания клинкерных минералов и при переходе от ТМЦ к ВНВ величина максимальной адсорбции увеличивается. Это связано с более низкой адсорбцией пластификатора на техногенных песках по сравнению клинкерными минералами.

Рис. 13 Дифференциальные кривые распределения частиц вяжущих на основе ЦЕМ I 42,5 Н без добавок и с добавками СБ-3 по диаметрам

С учетом результатов теоретических исследований разработаны композиционные вяжущие различного состава и свойств с использованием техногенных песков различных генетических видов (табл. 2).

В связи с необходимостью оценки пригодности того или иного песка и их ранжирования по эффективности была предложена методика определения качества техногенных песков как кремнеземистого компонента КВВ. Методика заключается в определении активности ТМЦ, приготовленных на различных песках, и сопоставлении ее с активностью контрольного ТМЦ на основе песка Вольского месторождения (табл. 3). Для испытаний готовились ТМЦ-50 с удельной поверхностью ?500 м2/кг. В ТМЦ использовался цемент ЦЕМ I 42,5Н.

Коэффициент качества кремнеземистого компонента (Кк) рассчитывается по следующей формуле:

, (3)

где - активность на изучаемом песке, МПа; - активность ТМЦ на песке Вольского месторождения, МПа.

Таблица 2 Свойства вяжущих на основе техногенных песков

№ п/п	Вид вяжущего*	Вид техногенного песка	Количество кремнеземсодержащего компонента в %	Предел прочности, МПа
				при сжатии	при изгибе
	ЦЕМ I 42,5 Н			49,0	4,8
	ТМЦ	песок Н.-О	50	37,7	3,8
	ВНВ	песок Н.-О	50	54,2	5,9
	ТМЦ	ММС	70	20,9	2,5
	ТМЦ	ММС	50	40,6	3,4
	ТМЦ	ММС	30	63,8	7,6
	ВНВ	ММС	70	38,1	4,1
	ВНВ	ММС	50	58,3	5,6
	ВНВ	ММС	30	71,9	7,7
	ВНВ	ВПГС	70	15,3	2,6
	ВНВ	ВПГС	50	34,7	3,7
	ВНВ	ВПГС	30	51,3	5,9
	ВНВ	песок С	50	46,5	5,2
	ВНВ	песок С	30	62,3	6,1
	ВНВ	КВП	50	61,5	6
	ВНВ	ОАО	50	22,4	2,7

* Компоненты КВВ: песок Н.-О. - Нижне-Ольшанское месторождение Белгородской области; ММС - отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов КМА; ВПГС - отсев валунно-песчано-гравийных смесей Солдато-Александровского карьера С. Кавказа; песок С. - песок Стодеревского карьера Ставропольского края; ОАО - отходы алмазообогащения Архангельской алмазоносной провинции

Таблица 3 Активность ТМЦ на основе песков различного происхождения

Наименование кремнеземистого компонента ТМЦ	НГ, %	, МПа	Коэффициент качества, Кк
Отсев дробления КВП, фракции 0,315-5 мм	22,5	51,3	1,29
Отходы ММС	29,8	40,6	1,02
Песок Стодеревского карьера	23,8	40,5	1,02
Песок Вольского месторождения	23,0	39,8	1
Отсев дробления кварцитопесчаника (КВП)	25,0	38,4	0,96
Песок Нижне-Ольшанского месторождения	24	37,7	0,95
Отсев Солдато-Александровского карьера	24,0	30,7	0,77
Отходы алмазообогащения (ОАО) ЮАР	46	16,0	0,40
ОАО Архангельской алмазоносной провинции	31,5	12,5	0,31

По результатам испытаний можно сделать вывод, что техногенные пески значительно отличаются по качеству, как сырье для производства КВВ, что определяется, прежде всего, положением в системе классификации. Качество техногенных песков как кремнеземистого компонента КВВ возрастает по направлению от интрузивных пород к эффузивным, а у метаморфических кварцевых пород от гранулитовой к зеленосланцевой фации.

Предложена технология повышения эффективности композиционных вяжущих путем термообработки при t=600 °С в течении 30 минут отходов ММС, полученных при обогащении железистых кварцитов. Рост активности у ВНВ на термообработанных техногенных песках происходит за счет полимодальности и смещения распределения частиц в сторону меньших значений, а также образования поверхности с нескомпенсированными зарядами при самопроизвольном разрушении в процессе термообработки и помола. При этом повышаются размолоспособность и активность вяжущего на 33 %, а при использовании лежалых цементнов на 68 %.

Композиционные вяжущие - это шаг вперед по-сравнению с традиционным портландцементом. Их применение позволит не только в несколько раз расширить производство гидравлических вяжущих, но и снизить на 2,5-3 млрд. тонн выброс в атмосферу CO2 и пыли.

Представляется, что следующим шагом в строительном материаловедении является повышение эффективности гидравлических вяжущих за счет использования нанотехнологических подходов. Одними из основных направлений в нанотехнологиях являются два метода сборки наноразмерных частиц. Их принято называть технологиями «сверху-вниз» и «снизу-вверх».

На данном этапе развития строительного материаловедения более перспективным, как нам кажется, является дезинтеграция «специально подготовленных» геологическими процессами определенных пород или минералов до наноразмерного уровня и оптимизация процессов структурообразования матрицы путем смешивания ПЦ и нанодисперсных материалов, то есть раздельная технология производства композиционных вяжущих.

Получили нанодисперсный модификатор (НДМ) путем дезинтеграции техногенного песка из кварцитопесчаника и природного кварцевого песка в водной среде с различными добавками. Установлено, что введение нанодисперсного модификатора позволяет на 35-45% повысить активность вяжущего, при экономии до 45% клинкерной составляющей. Это объясняется тем, что нанодисперсные составляющие, способствующие более раннему связыванию Са(ОН)2, интенсифицируют процесс гидратации клинкерных минералов. Более крупные частицы нанодисперсного модификатора выступают в качестве центров кристаллизации, а также выполняют роль микронаполнителя, снижая усадочные деформации, при этом улучшаются эксплутационные характеристики композита. Характерной чертой структуры цементного камня с оптимальным содержанием нанодисперсного модификатора является существенно меньшее количество портландита, алита, капиллярных пор и микротрещин.

Показано, что введение НДМ существенно повышает пожаростойкость композита. Предел прочности при сжатии образцов с нанодисперсным модификатором после термообработке при температуре 9000 С в течение 30 минут в 3-4 раза выше, чем у композитов без НДМ подвергшихся термообработке при таких же параметрах.

Рис. 14 Элементы микроструктуры и морфологические характеристики которые они определяют

Применение композиционных вяжущих и НДМ приводит к изменению микроструктуры искусственного композита. В связи с переходом от макро- на микроуровень при синтезе строительных материалов нового поколения необходима общая концепция целенаправленного синтеза новообразований и создания микроструктур, что невозможно без разработки методологии их изучения, описания и статистической обработки. (рис.14).

С помощью планиметрического метода микроструктурных исследований дана количественная оценка основных морфометрических показателей, которые в основном и определяют свойства композита. В ходе анализа были получены сведения о размере и форме структурных элементов, оценена ориентация структурных элементов в пространстве, определена пористость, удельная поверхность пор, а также были рассчитаны интегральные параметры микроструктуры. Статистическая обработка результатов распределения структурных элементов по различным параметрам (эквивалентным диаметрам, площадям, суммарным площадям, периметрам, гидравлическим радиусам, коэффициенту формы) позволила получить зависимости коэффициента формы пор и частиц от их площади, выделить отдельные категории пор и определить их вклад в общую пористость изученного образца. В ряду портландцемент > ТМЦ > ТМЦ + пластификатор > ВНВ при уменьшении общей пористости наблюдается рост количества пор цементного камня.

Выполненный комплекс исследований состава и свойств композиционных вяжущих на основе техногенных песков позволил сделать вывод о возможности и целесообразности получения на их основе мелкозернистых бетонов для производства широкого спектра строительных материалов.

Предложенная структурная схема процесса оптимизации проектирования бетонной смеси, с использованием поискового метода идентификации с адаптивной моделью, и алгоритм оптимизации процесса проектирования позволили разработать составы композитов, удовлетворяющих требованиям для производства ряда видов изделий из мелкозернистого бетона. (рис.15).



Рис. 15 Модель функциональной зависимости прочности бетона от свойств сырья и технологии: R - оптимальные свойства бетона; В/Ц - водоцементное отношение; А - совокупность свойств вяжущего; МУ - метод уплотнения; З - свойства заполнителя; М - минералогический состав, С - структура, Т - текстура, Ш - шероховатость, ТП - типоморфные особенности заполнителя; МД - методы дезинтеграции заполнителя; Г - специфика генезиса природного заполнителя; У - ударное воздействие, Р - раздавливание, И - истирание в процессе техногенеза

Предложен способ повышения эффективности мелкозернистого бетона с использованием отходов ММС путем магнитной обработки бетонной смеси. При этом гидратация алита у бетона на отходах ММС после магнитной обработки проходит более интенсивно.

Проведенные поляризационные измерения образцов с целью определения степени анизотропии показали, что у образцов прошедших магнитную обработку снижается анизотропия по сравнению с контрольными образцами (рис. 16). Здесь важна роль железа, присутствующего в смеси на основе отходов ММС как возбудителя кристаллизации. Ферромагнитные оксиды железа, входящие в состав кристаллических частиц, могут проявлять стрикционный эффект, приводящий к дроблению зародыша, в результате которого увеличивается количество центров кристаллизации. При этом магнитное поле вызывает асимметрию гидратных оболочек ионов воды в смеси, приводящую к образованию ионных ассоциаций, которые и являются центрами кристаллизации. Поэтому, магнитное поле, не влияя на скорость гидратации, увеличивает количество центров кристаллизации, особенно при наличии отходов ММС, в состав которых входят железосодержащие соединения. В результате этого образуется более мелкокристаллическая, малопористая структура, способствующая повышению эксплуатационных характеристик композита.

подвергшихся магнитной обработке

без магнитной обработки

Рис. 16 Акустополяриграммы бетонных образцов

Установлен характер зависимости в системе «наполнитель - цемента - мелкий заполнитель», заключающаяся в подборе плотнейшей упаковки минеральных составляющих для высокопрочного бетона, реализация которой позволяет повысить прочность бетона на композиционных вяжущих на 40-50 %. Разработаны составы мелкозернистых бетонов с использование в качестве укрупняющей добавки отсевов дробления пород зеленосланцевой фации метаморфизма.

...