Бетон Кукмор. Замена гравийного щебня на гравийный при производстве товарного бетона.

Возможность замены щебня на гравийный заполнитель при производстве товарного бетона

Из-за ограниченных возможностей приобретения на рынке качественного щебня по доступным ценам производители товарного бетона вынуждены обращаться к иным источникам для закупки крупных заполнителей. Один из возможных вариантов — ​применение природного гравия для изготовления товарного бетона. При замене заполнителя необходимо адаптировать к нему рецептуры имеющихся бетонных смесей. Однако при переходе на гравийный заполнитель трудно достичь технико-экс­плуатационных характеристик, которые имеют изготовленные на щебеночном заполнителе традиционные бетоны средних и высоких марок. В настоящей статье описаны результаты экс­перимента, выполненного с целью выявить возможности подобной замены на примере крупных заполнителей из сырьевых материалов месторождений Ленинградской области, оценены свойства получаемых бетонных смесей и бетона, определены возможности замены щебеночного заполнителя на природный гравий. Установлено, что гравийный крупный заполнитель можно использовать в чистом виде при проектировании рецептур низкомарочных бетонов, а также в комбинации со щебнем при разработке бетонов с более высокими эксплуатационными характеристи­ками.

Вид заполнителя в рецептуре бетона

Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема, формируют до 50 % окончательной цены бетонной или железобетонной конструкции и непосредственно влияют на все основные свойства бетона и его долговечность [1]. Грамотный подбор заполнителей позволяет сократить расход наиболее дорогого и дефицитного минерального компонента бетона — ​цемента, помимо этого от заполнителя зависят технические свойства бетона. Образующийся жесткий каркас из высокопрочного заполнителя способствует росту прочности и модуля упругости бетона, уменьшает деформации конструкций под нагрузкой, а также снижает ползучесть бетона — ​необратимую потерю формы, возникающую при длительном дей­ствии на бетон достаточно высокой нагрузки [2]. Путем многочисленных экспериментов были полученные данные, показывающие, что наиболее плотную укладку в заполнителе обеспечивают зерна щебня в форме различных правильных многогранников [3].

Распределение разведанных запасов сырья для производства гранитного щебня по территории Российской Федерации очень неравномерно. Это связано с фрагментированным геологическим изучением территории страны, а также с расположением месторож­дений качественного сырья вблизи древних кристаллических фундаментов [4]. Доля логистических затрат в совокупной стоимости приобретения щебня в России высока — ​например, в 2007—2021 годах она была близкой к 60 %, при этом наблюдалась тенденция рос­та среднегодовых цен производителей щебня на российском рынке [5].

В условиях ограниченных возможностей приобретения качественного гранитного щебня по приемлемым ценам производители товарного бетона обращают все большее внимание на гравийные заполнители.

Химический состав гравия схож с составом щебня из сырья той же географической локации, но все же слагающие их горные породы могут различаться по минералого-петрографическому составу. Гравий может содержать зерна кварца, полевых шпатов, мрамора. Вредными примесями в гравии счи­таются глинистые включения, пирит, гипс, пылевидные частицы реакционноспособных горных пород [2].

Так как агрегаты гравия имеют окатанную форму, удельная поверхность заполнителя из него меньше, чем у щебня, куски которого характеризуются угловатой формой и имеют более благоприятную для сцепления геомет­рическую конфигурацию и более развитую шероховатость поверхности. Относительно надежное сцепление гравия и гравийного пес­ка с цементным тестом обусловлено преимущественно адгезией с цементным тестом, тогда как сцепление зерен щебня — ​еще и механическим зацеплением [6].

При одинаковой крупности зерен гравия и щебня первый будет отличаться от второго несколько меньшей пустотностью. Удобоукла­дываемость бетонной смеси с гравием при прочих равных условиях также оказывается лучше, чем при использовании щебня. Это, в свою очередь, позволяет несколько снизить водоцементное отношение с сохранением заданной подвижности и, следовательно, уменьшить расход цемента в рецептуре бетонной смеси [1], по крайней мере для чистых видов гравия без глинистых и тонкодисперс­ных примесей.

Хотя добыча и транспортировка гравия дешевле производства и доставки щебня, существуют определенные виды обработки гравия, которые могут значительно повлиять на его стоимость, такие как классифицирование (грохочение) и промывка.

Для типовых бетонов зависимость требуе­мой прочности используемого гранитного заполнителя от проектной прочности бетона считается линейной. Это значит, что чем выше прочность заполнителя, тем выше проч­ность бетона, изготовленного на его основе. Однако при более детальном рассмот­рении вопроса можно сделать следующие уточнения. В момент разрушения бетона участие заполнителя в восприятии нагрузки относительно мало. В связи с этим, если допустить, что относительно «слабым местом» в общей прочности бетона оказывается не только проч­ность его компонентов, но и прочность их сцепления между собой, то в случае применения природного гравия, прочность агрегатов которого может быть достаточна высока, из-за гладкой поверх­ности и округлой формы агрегатов такого заполнителя отмечается сравнительно ненадежное сцепление с ним цементного камня. Это накладывает ограничение на область возможного применения гравия в бетонах, оставляя для него преимущественно роль заполнителя в бетонах достаточно низкого класса. В пределах данной области гравий может применяться наравне со щебнем, а в более высокомарочных бетонах его применение становится уже нецелесообразным. Таким образом, эффективность использования того или иного заполнителя в бетоне зависит не только от качества самого заполнителя, но и от заявленной прочности бетона, для которого этот материал плани­руется использовать [6].

Входной контроль и методы испытаний

Чтобы определить возможность час­тичного или полного замещения щебня гра­вием в бетоне без потери физико-механических характеристик последнего, было выполнено экспериментальное исследование, включавшее:

• входной контроль инертных материалов — ​гравия, щебня и песка, определение зернового состава, лещадности, модуля крупности (для песка), морозостойкости и дробимости (для щебня и гравия);

• сравнительные испытания составов бетона на щебеночном заполнителе, на смеси щебня и гравия и на гравийном заполнителе;

• испытания бетонной смеси с гравийным заполнителем;

• подбор составов низкомарочных бетонов на гравийном заполнителе;

• испытания свойств бетонных смесей для таких бетонов.

В работе были использованы следующие материалы (в том числе заполнители с карьеров Ленинградской области):

• песок карьера «Манушкино» по ГОСТ 8736—2014;

• гравий карьера «Урочище» по ГОСТ 8267—93;

• щебень карьера «Кузнечное» по ГОСТ 8267—93;

• цемент ОАО «Цесла» ЦЕМ II/В-Ш 42,5Н по ГОСТ 31108—2020;

• мука доломитовая ОАО «Цесла» по ГОСТ 14050—93;

• добавка-суперпластификатор ST 3.0 (БСР).

Входной контроль качества песка выполнен по ГОСТ 8736—2014. Испытания крупных заполнителей (щебня и гравия) выполнялись согласно требованиям и методикам ГОСТ 8269.0—97.

Определенный путем рассева модуль крупности песка равен 2,1, содержание органических примесей в нем было в пределах нормы.

Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм в гравийном заполнителе составило 0 % для фракции 5—10 мм и 3 % для фракции 10—20 мм, общее содержание зерен лещадной формы составило 2,35 %.

Общая дробимость гравия равна 10,66 %, что соответствует марке 800.

Испытания на определение марки по морозостойкости гравия (для монофракций 5—10 и 10—20 мм) проводились по ускоренному методу. После 10 циклов потери массы навески превысили 10 %, т. е. марка по морозостойкости для данной пробы гравия — ​F25.

Физико-технические показатели щебня определялись аналогичным образом. Общий показатель зерен лещадной формы для исследованной пробы щебня составил 18,72 %, марка по морозостойкости для фракции 10—20 мм — ​F150.

Минералогический состав щебня и гравия определен методом порошковой рентгеновской дифракции на образцах, отобранных из общей массы фракции 10—20 мм путем многократного квартования с последующим измельчением навески в чаше виброистирателя. Рентгенограммы образцов щебня и гравия в значительной степени совпадают, что свидетельствует о схожем качественном минералогическом составе заполнителей. Среди основных фаз были идентифицированы кварц, полевые шпаты, слюды (рис. 1).

Рис. 1. Рентгеновская дифрактограмма щебня с карьера «Кузнечное» и гравия с карьера «Урочище» (фракция 10—20 мм)

Свойства бетонных смесей и бетонов

Для проверки возможности использовать гравий в составе бетонов были проведены предварительные сравнительные испытания свойств бетона и бетонной смеси на рабочем составе бетона В22,5 П4 с требуемой прочностью в проектном возрасте 24,5 МПа, а также на аналогичных составах, но с час­тичным или полным замещением щебня на гравий с учетом зернового состава последнего.

Во всех составах расход вяжущего (смеси цемента и доломитовой муки в соотношении 90 : 10) составлял 300 кг на 1 м3 бетонной смеси. Все составы были изготовлены при одинаковом водовяжущем соотношении В/В = 0,68 (204 л/м3). Рецептуры бетонов приведены в табл. 1.

Бетонная смесь с крупным заполнителем на основе 100 % гравия имела наименьшую плотность — ​2266 кг/м3, а также наилучшие показатели подвижности бетонной смеси: осадку 19 см через 15 мин и 17 см через 120 мин. Смесь со 100 % щебня имела наи­большую плотность — ​2326 кг/м3 и незначительно более низкую подвижность: 18 см через 15 мин и 16 см через 120 мин. Смесь с равными количествами щебня и гравия имела плотность 2284 кг/м3 и хуже всех испытывавшихся смесей сохраняла подвижность: 18 см через 15 мин и 15 см через 120 мин.

Результаты испытаний образцов-кубов бетонов представлены в табл. 2. Средняя прочность образцов бетона в возрасте 7 сут, в составах составила 18,9 МПа для бетона со щебнем, 18 МПа для смешанного заполнителя (щебень + гравий) и 13,3 МПа для бетона на гравийном заполнителе. Для средней проч­ности образцов на 28-е сутки сохранилась та же тенденция: 25,4, 25,2 и 22,1 МПа соответственно.

Таким образом, бетон, в котором щебень был полностью заменен гравием, не соответствует заявленному классу В22,5.

Из полученных данных можно сделать вывод, что использование гравия в качестве крупного заполнителя допустимо только для низкомарочных бетонов. Для проверки их свойств были изготовлены бетоны классов В7,5; В15; В22,5 по ГОСТ 27006—2019 (табл. 3). Для каждого из составов были подобраны значения В/В и определено количество суперпластификатора.

Для всех составов показатели сохранения подвижности через 15 и 120 мин имеют допустимые для марки П4 значения — ​подвижность всех смесей практически не изменялась в течение 2 ч.

Результаты определения прочности образцов бетона приведены в табл. 4. По результатам испытаний подобранные составы соответствуют заявленной марочной прочности бетонов в проектном возрасте.

Заключение

Допустимо применять гравийный заполнитель, использовавшийся в настоящей работе, в составе бетонов с низким заявленным классом прочности (низкомарочных).

ЛИТЕРАТУРА

1. Леонович С.Н., Полейко Н.Л., Кураш Л.С. Применение крупного заполнителя производства ОАО «Нерудпром» для приготовления бетона // Строительные материалы. 2014. № 6. С. 63—65.

2. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Изд-во АСВ, 2003. 500 с.

3. Полейко Н.Л., Леонович С.Н. Физико-механические показатели бетона на кубовидном щебне // Строительные материалы. 2015. № 7. С. 13—16.

4. Туюкина Е.Б. Российский рынок нерудных материалов и железобетонных конструкций в 2010—2012 гг. и 1 квартале 2013 г. // Строительные материалы. 2013. № 8. С. 89—92.

5. Соколова О.М. Рынок щебня в России в строительном сезоне 2022 года // Цемент и его применение. 2022. № 5. С. 16—19.

6. Ицкович С.М. Заполнители для бетона. Минск: Вышэйшая школа, 1983. 271 с.

кукморбетон.рф

Кукморский бетонный завод - www.k.flagman-beton.ru