CC BY
32Клюев С. В., канд. техн. наук, доц., докторант, Авилова Е. Н., соискатель
Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
БЕТОН ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ОСНОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА ОСНОВЕ СЛАНЦЕВОГО ЩЕБНЯ*
В статье рассмотрены вопросы применения сланцевого щебня для оснований автомобильных дорог. Разработаны бетоны на основе сланцевого щебня и композиционных вяжущих для дорожного строительства.
Ключевые слова: бетон, техногенный песок, сланцевый щебень, композиционное вяжущее.
Реализация приоритетных национальных проектов подразумевает новый этап в развитии и становлении дорожной сети России. Он характеризуется переходом на создание сложных композитных конструкций дорожных одежд полифункционального значения, которые обеспечивают повышенную комфортность, долговечность и высокие транспортно-эксплуатационные свойства автомобильных дорог. Такой качественный скачок возможен за счет реализации концепции перехода на строительство укрепленных конструкций дорожных одежд. Снижение материалоемкости и себестоимости строительства подобных, безусловно, дорогих инженерных сооружений, до уровня традиционных конструкций возможно за счет применения местных сырьевых ресурсов и, в первую очередь, техногенного сырья [1-7]. Об этом свидетельствует структура себестоимости строительства автомобильных дорог, где стоимость строительных материалов составляет около 20 %. В то же время на территории многих регионов Российской Федерации ощущается дефицит щебня
Это предопределяет необходимость широкого использования для строительства, как оснований, так и покрытий автомобильных дорог мелкозернистых бетонов (МЗБ) с использованием местного сырья и отходов промышленности. Недостатком применения тонкодисперсных песков является вынужденный перерасход вяжущего. Для снижения самого дорогостоящего компонента бетонной смеси - цемента - актуальной является разработка композиционных вяжущих веществ, обладающих повышенной активностью.
Применение мелкозернистого бетона на ос-
нове ВНВ, ТМЦ и техногенных песков для устройства укрепленных оснований позволит не только исключить дорогостоящий щебень, вследствие чего снизится материалоемкость дорожных одежд, но и в значительной степени улучшить экологическую обстановку, благодаря утилизации отходов, сотни миллионов тонн которых скопились в отвалах и хвостохранилищах горно-добывающих и горно-обогатительных комбинатов РФ [8-11].
В связи с этим целью данной работы явилась разработка эффективных бетонов на основе сланцевого щебня и композиционных вяжущих для дорожного строительства.
В данной работе исследовалась возможность получения бетона для строительства оснований автомобильных дорог на основе щебня из метаморфических сланцев Старооскольского железорудного бассейна КМА [12, 13].
Для изготовления бетонов применяются многие попутно добываемые породы Курской магнитной аномалии, такие как кварцитопесча-ники, малорудные кварциты, амфиболиты и сланцы. Ценным сырьем для получения заполнителя для дорожных бетонов являются метаморфические сланцы, представляющие собой микрозернистые породы от темно-серого до черного цвета, с шелковистым блеском плоскости раскола, сланцеватой, иногда микроплойчатой или линзовидно-полосчатой текстуры. Второстепенные минералы состоят из кварца, биотита и серицита. Рудные минералы - пирит и магнетит. В зоне выветривания по хлориту развивается биотит, сульфидам - гидроокислы железа. Основным породообразующим минералом является кварц (табл. 1).
Таблица 1
Минеральный состав, масс. %
Наименование породы Содержание минералов, масс. %
кварц слюда серпентин Полевой шпат кальцит Пироксенмагнетит, гематит доломит
Кристаллический сланец До 65 35-40 - - - - -
По данным химического и гранулометрического анализа содержание кварца составляет 73,495 %. Поскольку сланцы - это метаморфизиро-ванная твердая порода, при дроблении которой в мелкую фракцию переходят минералы, содер-
Химический
жащие кремнезем, а оксиды железа и другие компоненты остаются в более грубодисперсном отсеве, то при измельчении сланцев тонкодисперсная фракция отсева обогащается кремнеземом (табл. 2).
Таблица 2
:тав сланцев_
Содержание оксидов, масс. %
Наименование породы БЮ2 ЛЬ20з ТЮ2 Ре20з БеО СаО МяО №20 К2О ЯОэ п.п.п.
сланец 63,13 14,9 0,67 1,59 5,23 0,68 3,24 0,32 4,45 1,07 4,47
Анализ сырьевых ресурсов КМА показал, что возможно использование в качестве заполнителя для дорожного бетона кристаллических
сланцев Старооскольского железорудного бассейна КМА (табл. 3).
Сравнительная характеристика сырьевых ресурсов КМА
Таблица 3
Характеристики щебня Образец щебня
Кварцито-песчанник Сланцевый щебень Гранит
Зерновой состав по фракциям 200 мм 15,6 9,8 3,2
135 мм 62,5 58,2 49,8
70 мм 21,3 92,4 46,7
Содержание пылевидных и глинистых частиц, % 0,6 0,85 0,3
Содержание глины в комках,% - - -
Содержание зерен слабых пород, % 5 3
Зерна лещадной формы, % 35 44,1 11
Марка по механической прочности 1200 800 1200
Морозостойкость 200 200 200
Насыпная плотность, кг/м3 1390 1350 1380
Марка по истираемости И1 И1 И1
Основной задачей при получении бетонов является снижение расхода клинкерной составляющей, т.к. идет перерасход цемента. Наиболее существенными факторами снижения содержания цемента в бетонах является уменьшение во-допотребности бетонной смеси и повышение активности вяжущего. И поэтому с этой точки зрения перспективным направлением повышения эффективности бетона является применение композиционных вяжущих.
Вяжущее низкой водопотребности - ВНВ-50 на основе отходов мокрой магнитной сепарации получали путем совместного помола до удельной поверхности 500 м2/кг портландцемента и пластифицирующей добавки СП-1 в опти-
Физико-механическ
мальной дозировке + отходы мокрой магнитной сепарации (отходы ММС).
Вяжущее низкой водопотребности - ВНВ-50 на основе отсева дробления кварцитопесча-ника получали путем совместного помола до удельной поверхности 500 м2/кг портландцемента и пластифицирующей добавки СП-1 в оптимальной дозировке + отсев дробления кварцито-песчаника (отсев КВП).
Были определены основные характеристики разработанных вяжущих (табл. 4). Как видно из результатов исследований, вяжущее ВНВ-50 на основе КВП характеризуется более высокой активностью по сравнению с цементом ЦЕМ I 42,5 Н и ВНВ-50 на отходах ММС.
Таблица 4
характеристики вяжущих
№ п/п Вид вяжущего Кол-во добавки Полипласт СП-1, % Нормальная густота теста, % Сроки схватывания час - мин Активность вяжущего МПа
начало конец на изгиб на сжатие
1 ЦЕМ 11/А-Ш 32,5 - 27,0 2-40 4-20 5,8 39,8
2 ВНВ-50 (КВП) 0,6 25,3 2-10 4-10 9,4 56,3
3 ЦЕМ I 42,5 Н - 26,5 3-00 4-50 8,4 48,6
4 ВНВ - 50 (ММС) 0,6 25,4 2-40 4-00 6,2 46,3
Для оценки возможности применения сланцевого щебня как сырья для производства бетона были разработаны составы бетона с использованием в качестве заполнителя сланцевого
Физико-механи
щебня. В качестве вяжущего применялось ВНВ-50 (ММС), ВНВ-50 (КВП) и портландцемент Цем I 42,5Н (табл. 5).
Таблица 5
шесвойства бетона
№ п/п Состав бетона Вид вяжущего В/Ц Прочность при сжатии, МПа Ü —изг, МПа Мрз, циклов Подвижность бетона, см
Вяжущее щебень кг/м3 песок кг/м3 вода л/м3
1 225 1320 620 161 ЦЕМ I 42,5 Н 0,7 10,2 2,3 100 12,4
2 225 1320 620 161 ВНВ - 50 (ММС) 0,7 11,4 2,1 100 13,2
3 225 1320 620 161 ВНВ-50 (КВП) 0,7 12,5 2,7 100 13,5
Исследования физико-механических характеристик показало, что свойства бетонов изготовленных на ВНВ-50 (КВП) во всех случаях превышают характеристики образцов аналогичного состава, изготовленных на других вяжущих и так позволяет существенно снизить расход клинкерной составляющей.
В связи с высокой интенсивностью движения на дорожном полотне, большое значение имеет изучение деформативных характеристик. Одной из основных характеристик деформирования бетона является модуль упругости, для определения которого испытывались призмы в 28-суточном возрасте в точном соответствии с требованиями ГОСТ 24452. Продольные деформации призм замерялись с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм (табл. 6).
Таблица 6
№ п/п Вид вяжущего Модуль упругости, МПа Призменная прочность, МПа
1 ВНВ - 50 (ММС) 6,1 7,6
2 ЦЕМ II/А-42,5Н 5,5 6,9
3 ВНВ-50 (КВП) 5,8 7,3
Исследовав деформативные показатели, были получены следующие результаты, дающие основание сделать вывод о том, что на основе щебня из метаморфических сланцев Старо-оскольского железорудного бассейна КМА возможно получение бетонов для дорожных оснований, соответствующих нормативной документации для данного вида строительства.
Установлено увеличение деформативных характеристик бетона на ВНВ-50 (ММС) по
сравнению с бетоном на цементе Цем I 42,5Н на 11 % .
Применение же композиционных вяжущих, таких, как ТМЦ-70 и ВНВ-70, позволяет, в свою очередь, повысить характеристики бетона по сравнению с аналогичными составами на основе цемента, что объясняется более плотной структурой цементного камня самих композиционных вяжущих и, следовательно, бетонов на их основе, а также меньшей пористостью.
Таким образом, доказана возможность получения дорожных бетонов за счет использования композиционных вяжущих, заполнителя из кристаллических сланцев и суперпластификаторов.
*Работа выполнена в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы, грант № 14.B37.21.1487, тема: «Разработка научных и практических основ создания композиционных вяжущих на основе техногенного сырья с целью производства фибробетона для ремонтных работ», при финансовой поддержке в виде гранта президента Российской Федерации МК-2715.2012.8 по теме: «Разработка научных и практических основ повышения эффективности мелкозернистого фибробетона на основе техногенного песка и композиционного вяжущего для промышленного и гражданского строительства».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Отходы горнодобывающих предприятий как сырье для производства мелкозернистого бетона армированного фибрами / А.В. Клюев, С.В. Клюев, Р.В. Лесовик, Михайлова О.Н. // Вестник Белгородского государственного тех-
нологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. № 4. С. 81-84.
2. Клюев С.В., Авилова Е.Н. Мелкозернистый фибробетон с использованием полипропиленового волокна для покрытия автомобильных дорог // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 1. С. 37-40.
3. Лесовик Р.В. К проблеме использования техногенных песков для производства мелкозернистых бетонов и изделий на их основе // Строительные материалы. 2007. № 9. Прил. «Наука». № 10. С. 13-15.
4. Лесовик Р.В. Техногенный песок в дорожном строительстве // Строительные материалы. 2009. № 12. С. 48 - 50
5. Лесовик Р.В., Ковтун М.Н., Алфимова Н.И. Комплексное использование отходов алма-зообогащения // Промышленное и гражданское строительство. 2007. № 8. С. 30-31.
6. Перспективы использования вулканического песка Эквадора для производства мелкозернистых бетонов / В.В. Строкова, Н.И. Алфимова, Ф.А. Наваретте велос, М.С. Шейченко // Строительные материалы. 2009. № 2. С. 32-33.
7. Пути повышения эффективности мелкозернистого бетона / Р.В. Лесовик, А.И. Топчиев, М.С. Агеева, М.Н. Ковтун, Н.И. Алфимова, А.П.
Гринев // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2007. № 7. С. 16-17.
8. Лесовик Р.В., Агеева М.С. Высокопрочный бетон для покрытий автомобильных дорог на основе техногенного сырья // Строительные материалы. 2005. № 5. С. 46-47.
9. Лесовик Р.В. Комплексное использование хвостов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов // Горный журнал. 2004. № 1. С. 76-77.
10. Лесовик Р.В. Мелкозернистый бетон для дорожного строительства // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2003. № 11.С. 92-95.
11. Лесовик Р.В., Клюев С.В. Техногенные пески для производства высококачественного фибробетона // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2012. №8. С. 31-33.
12. Ворсина М.С. Укатываемые бетоны для дорожного строительства на основе отходов КМА: дис. ... к.т.н. Белгород 2005. 183 с.
13. Сырьевые материалы для строительства жестких дорожных одежд / А.М. Гридчин, В.С. Лесовик, В.В. Строкова // Сооружения, констр., технологии и строительные материалы XXI века: Сб. докл. II Междунар. конф. - шк. - сем. молод. учен., асп. и доктор.: Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1999. Ч.2. С. 208-210.
