Бетон на заполнителе из метаморфических сланцев

Для снижения стоимости строительства, сохранения окружающей среды и утилизации промышленных отходов целесообразно использовать в технологии бетона заполнители из нетрадиционного сырья.

К последним можно отнести дроблёные метаморфические сланцы, которые являются сопутствующей породой многих видов руд.

Десятки миллионов кубометров их ежегодно отправляют в отвалы, где они смешиваются с глинистыми, песчаными и другими породами и теряют значение как минеральные ресурсы,

Нами более десяти лет используются метаморфические сланцы как сырье для заполнителей бетона. Такие заполнители, в огромных объемах попутно извлекаемые при добыче руды Курской магнитной аномалии, в полной мере могут ликвидировать острый дефицит нерудных строительных материалов в областях Центрально-Черноземного экономического района, В настоящее время стоимость привозного щебня здесь велика.

Минеральный состав сланцев — мелкозернистый кварц (до 62%), биотит (до 35%), в меньшем количестве — мусковит, хлорит, серицит, в незначительном количестве – амфибол‚ графит и сульфиды. Содержание основных химических соединений в сланцах (% массы): SiO2 — 53,4-62,7; Al2O3 — 11,6-17,5; Fe2O3 — 2,25-6,35; FeО — 4,35-9,66; МgO — 1,97-6,35; R2O — 4,24-6,83; SO3 = 0,07-2,54; п. п. п. — 3,44-5,47.

Некоторые физико-механические свойства сланцев: объемная масса 2,57…2,83 г/см3; пористость 0,65–1,25%; водопоглощение 0,26–1,13%; морозостойкость более 100 циклов; коэффициент поперечной деформации μ = 0,18–0,25; модуль деформации 4,75*104 МПа. Сланцевый щебень крупностью 5–20 мм имеет дробность (для фракции 10–20 мм) 7,6–17,6, пустотность — 46–52% и содержание лещадных зерен — до 35%.

При дроблении породы разрушение происходит в первую очередь по наиболее слабым местам, которые обычно совпадают с плоскостями напластования пирита или скопления слюдистых минералов, поэтому содержание слюдистых минералов и пирита на поверхности щебня значительно больше, чем в породе. Мелкозернистые хрупкие зерна пирита осыпаются с поверхности щебня и в процессе дробления породы и грохочения попадают в мелкие фракции отсева. В результате в щебне минералов, содержащих серу, в 1,5–2 раза меньше, чем в породе.

В Белгородском технологическом институте строительных материалов (БТИСМ) с участием НИИЖБ исследованы содержащие серу минералы, находящиеся в метаморфических силикатных породах, и их влияние на долговечность бетона. Установлено, что наименее опасным из них является пирит. Содержание его в крупном заполнителе бетона может достигать 4%. При этом не следует ограничивать области применения бетона.

Особое внимание было уделено исследованию влияния формы зерен щебня на состав и свойства бетона. При содержании лещадных зерен 10, 35 и 60% пустотность щебня в насыпном (виброуплотненном) состоянии соответственно составляет 49(44), 52(46) и 54(47)%. Менее существенное влияние формы зерен на пустотность крупного заполнителя в виброуплотненном состоянии целесообразно учитывать при расчете состава бетона. Отрицательное влияние формы зерен на удобоукладываемость смеси усиливается с увеличением подвижности и уменьшением содержания растворной части.

Однако форма зерен крупного заполнителя менее существенно влияет на удобоукладываемость бетонной смеси, чем считалось ранее. Так, при постоянном составе смеси увеличение лещадных зерен от 10 до 60% в среднем изменяет осадку конуса от 50 до 39 мм и жесткость от 21 до 35 с. Это можно объяснить наличием более гладкой поверхности пластинчатых зерен, удельная поверхность которых мало отличается от аналогичных зерен кубовидной формы.

Влияние формы зерен сланцевото щебня на потребность бетона в цементе приведено в таблице. Щебень с содержанием 60% лещадных зерен выделяли с помощью щелевидных сит. В качестве эталона использовали гранитный крупностью 5–20 мм, имеющий 10% лещадных зерен, пустотность в насыпном состоянии – 49%, в виброуплотненном — 44% и марку по дробимости — 1200. Применяли портландцемент активностью 47 МПа Белгородского завода и мытый речной песок с модулем крупности 2,13. Удобоукладываемость определяли по ГОСТ 10181-76.

В производственных условиях получают сланцевый щебень с содержанием лещадных зерен 35%. Его выпуск с содержанием 10% лещадных зерен можно осуществлять с использованием межкамерной перегородки в щековой дробилке или вертикально действующей нагрузкой. Применение получаемого в промышленных условиях сланцевого щебня в качестве крупного заполнителя бетона марок М200–400 вызывает увеличение расхода цемента по сравнению с высококачественным гранитным на 2–7%. Если же получать сланцевый щебень с такой же формой зерен‚ как гранитный, то перерасход цемента составит до 5%. Чем выше марка бетона, тем больше перерасход цемента. Увеличение содержания в крупном заполнителе лещадных зерен от 10 до 60% повышает расход цемента для бетонов марок М200, М300 и М400 соответственно на 8, 9 и 10%.

Призменная прочность бетона на сланцевом щебне такая же, как у бетона на гранитном аналогичных марок, а прочность при изгибе выше. Последнее объясняется армирующим эффектом пластинчатых зерен. По деформативности при кратковременном и длительном действии нагрузок бетон на сланцевом щебне имеет следующие показатели: ЕНАЧ = (3,12–3,86)*104 МПа; μ 0,15–0,24; относительная деформация при (0,8–0,9) RПР составляет (128–165)*10-5. Бетон марок М320, М300 и М400 из подвижных смесей имеет морозостойкость, соответствующую маркам 150, 200 и 250 и водонепроницаемость W-4, W-6 и W-8 соответственно.

Для получения бетона более высоких марок по прочности, морозостойкости и водонепроницаемости необходимо улучшить адгезионные свойства поверхности сланцевого заполнителя, так как из-за наличия слюды он имеет плохое сцепление с раствором. Адгезионные свойства щебня можно улучшить при кратковременном нагреве до температуры 600°С и обработкой поверхности 3,1–4,2-процентным водным раствором добавки, содержащей 0,1–0,2% катапина и 3–4% нитрата кальция.

Выпуск и испытание опытной партии железобетонных изделий из бетона на сланцевом щебне подтвердили результаты исследований.

Выводы
Метаморфические сланцы могут быть использованы в качестве сырья для производства заполнителей бетона. Для увеличения эффективности их применения целесообразно использовать разработанные в БТИСМе методы обогащения формы зерен и адгезионных свойств. Область применения сланцевого щебня и бетона на его основе обуславливается экономическими расчетами.