CC BY
19УДК 691.32
Р.В. ЛЕСОВИК, д-р техн. наук, Д.М. СОПИН, канд. техн. наук, Г.Г. ИЛЬИНСКАЯ, канд. техн. наук, В.А. БОГУСЕВИЧ, инженер, Р.М. ГАЙНУТДИНОВ, инженер
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46)
Электропрогрев бетонных смесей на композиционных вяжущих
В настоящее время с проблемой замены дорогостоящих зарубежных компонентов на местные сырьевые материалы с целью снижения себестоимости бетона и улучшения технико-экономических показателей строительства в большей или меньшей степени сталкиваются специалисты практически во всех регионах Российской Федерации. Предложены составы композиционного вяжущего с использованием техногенных песков - отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов. Рассмотрена возможность повышения эффективности бетонирования при отрицательных температурах за счет использования композиционных вяжущих и мелкозернистых бетонов на основе техногенного сырья Курской магнитной аномалии.
Ключевые слова: композиционные вяжущие, мелкозернистый бетон, отсев дробления кварцитопесчаника, отходы мокрой магнитной сепарации, зимнее бетонирование.
R.V. LESOVIK, Doctor of Sciences (Engineering), D.M. SOPIN, Candidate of Sciences (Engineering),
G.G. IL'INSKAYA, Candidate of Sciences (Engineering), V.A. BOGUSEVICH, Engineer, R.M. GAYNUTDINOV, Engineer
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (46, Kostyukova Street, 308012, Belgorod, Russian Federation)
Electric Heating of Concrete Mixes on the Basis of Composite Binders
At present, practically in all regions of the Russian Federation, the specialists are faced, to a greater or lesser extent, with the problem of replacement of expensive foreign components by local raw materials with the purpose of reducing the self-cost of concrete and improving technical-and-economic indexes. The compositions of a composite binder with the use of anthropogenic sand, waste of wet magnetic separation of ferruginous quartzite, are offered. A possibility of increasing the efficiency of concreting at negative temperatures due to the use of composite binders and fine concretes on the basis of anthropogenic raw materials of the Kursk Magnetic Anomaly is considered.
Keywords: composite binders, fine concrete, siftings of quartzitic sandstone crushing, waste of wet magnetic separation, winter concreting.
В современных условиях строительства возросшие объемы зимних бетонных и железобетонных работ, дефицит электроэнергетических ресурсов и их высокая стоимость, а также повышение требований к качеству зимнего бетонирования монолитных строительных конструкций обусловили необходимость пересмотра традиционного подхода к выбору метода зимнего бетонирования. Это, в свою очередь, вызвало необходимость решения актуальных научно-технических задач, связанных с разработкой технических средств контроля выполнения нормативных температурных ограничений на стадиях проектирования и производства работ [1].
Жилищная политика, проводимая правительством Белгородской области, направлена на создание условий для обеспечения всех категорий населения доступным, качественным и благоустроенным жильем. Решение жилищной проблемы является одним из основных направлений реализации Программы улучшения качества жизни населения Белгородской области.
В Белгородской области за последние годы возросли масштабы строительства. Так, объем строительных работ за 2011 г. составил 60 млрд р. Это более чем в полтора раза выше в сопоставимых ценах, чем в предыдущем году. Сдано в эксплуатацию всего 1,685 млн м2 построенных площадей (здания жилого и нежилого назначения). Область занимает третье место по объему строительных работ в Центральном федеральном округе после Москвы и Московской области.
В жилищном строительстве неизменным приоритетом было и остается строительство индивидуального жилья. В 2013 г. построено 7356 индивидуальных домов общей площадью 962 тыс. м2. Доля ИЖС в общем объеме строительства жилья впервые в Белгородской области составила 84%.
Строительство ведется круглогодично. В зимних условиях при бетонировании общественных, гражданских, промышленных строений в основном применяют два способа электропрогрева — электродный и греющими проводами.
Выбор метода зимнего бетонирования зависит от размеров и назначения конструкции (с учетом возможности изготовления их на заводах и полигонах), от ожидаемых наружных температур, применяемых цементов, наличия на строительстве источников тепла, химических добавок, теплоодежд и др. [2]. При выборе того или иного метода производства работ авторы учитывали их сравнительную экономичность и простоту выполнения, а также возможность удовлетворения требований суточного графика работ.
Из всех видов зимнего бетонирования, широко применяющихся в строительстве при отрицательных температурах и обеспечивающих достижение бетоном до замерзания критической прочности (рис. 1), применительно к условиям Белгородской области наиболее перспективны электропрогрев и замена цемента на композиционное вяжущее.
Способ проведения строительных работ методом электропрогрева бетона с помощью нагревательных проводов стальных виниловых (ПНСВ) в условиях строительной площадки является перспективным с точки зрения приближенности к строительству при сохранении всех проектных свойств бетонов и позволяет:
— сократить сроки строительства в 5—10 раз при отрицательных температурах;
— эффективно использовать трудовые ресурсы и оборудование;
— применять более дешевые бездобавочные бетонные смеси;
54
октябрь 2014
iA ®
Метод «термоса» Бетонирование в тепляках
Применение химических добавок Применение композиционных вяжущих
Электропрогрев Индукционный прогрев
Рис. 1. Способы бетонирования при отрицательной температуре [3]
— исключить вероятность замерзания бетона в раннем возрасте и гарантировать требуемое качество бетона и конструкций.
В настоящее время при зимнем бетонировании в Белгородской области в основном используются бетоны класса В20, в которых в качестве крупного заполнителя применяются материалы, поставляемые из других регионов. Между тем на территории Белгородской области имеется обширная сырьевая база местных материалов, в том числе и техногенных песков.
В настоящее время получают все более широкое распространение в строительстве мелкозернистые бетоны, которые нашли применение при изготовлении тонкостенных железобетонных конструкций, армоце-ментных изделий, кладочных и отделочных растворов, для строительства укрепленных оснований дорожных одежд автомобильных дорог и др.
Для обеспечения требуемых свойств бетонов в зимних условиях, снижения себестоимости и отказа от зарубежных компонентов необходим переход на мелкозернистые бетоны, композиционные вяжущие и местное, желательно техногенное сырье.
В результате проведенной авторами работы предложено несколько составов композиционного вяжущего
с использованием техногенных песков, а именно отходов мокрой магнитной сепарации (ММС) железистых кварцитов Лебединского месторождения. Это обусловлено тем, что запасы подобных отложений в России и в мире исчисляются десятками миллиардов тонн. При этом основной (по количеству) породообразующий минерал отходов ММС — кварц существенно отличается от кварца природных песков. Использующиеся в настоящее время при производстве строительных материалов пески имеют мономинеральный состав. Они состоят из наиболее устойчивого к выветриванию минерала — кварца. Большинство же техногенных песков полиминеральны. В их состав входят минералы из класса оксидов, силикатов, карбонатов, реже из других классов (табл. 1).
Еще значительнее техногенные пески отличаются от традиционно применяемых природных по морфологии зерен и шероховатости поверхности. В зависимости от генезиса структуры, текстуры, минерального состава исходных горных пород зерна техногенных песков могут быть угловатыми, ячеистыми, ребристыми, округлыми или многогранными. Они могут быть изометрич-ными или продолговатыми, длинными, пластинчатыми.
Наименование породы Содержание минералов, мас. %
Кварц Слюда Серпентин Полевой шпат Кальцит Пироксен Магнетит Доломит Амфибол
Граниты 30 до 10 - 60 - - - - до 10
Кварцитопесчаники до 95 5-6 - - - - - - -
Известняки 3,5 - - - до 95 - - - до 5
Базальты - - - до 60 - до 40 - - до 20
Кварцевые порфиры до 50 до 20 - ~ 20 - - - - -
Сланцы до 40 60 - - - - - - -
Песок Вольского месторождения 99 - - - - - - - -
Отходы ММС до 80 - - - до 10 - 1-3 - до 10
Отходы алмазо-обогащения - - 70 - 2 - - 28 -
Таблица 1
Минеральный состав пород и техногенных песков, используемых при производстве строительных материалов
Ы ®
октябрь 2014
55
Рис. 2. Микроструктура бетонов на различных вяжущих в возрасте 28 сут: а - ТМЦ-50; б - ВНВ-50
Таблица 2
Кинетика помола вяжущих в зависимости от состава
Наименование вяжущего Удельная поверхность, м2/кг, при времени помола, мин
30 60 90
ВНВ-50 (ММС) 485 588 780
ТМЦ-50 (ММС) 460 560 645
ТМЦ-50 (песок) 450 550 680
ВНВ-50 (песок) 470 570 727
Использование отходов ММС в качестве минеральной добавки при производстве композиционных вяжущих более эффективно по сравнению с кварцевым песком осадочных пород. Это обусловлено типоморфны-ми особенностями сырья, дефектностью его кристаллической решетки, наличием газовых включений, флюидов и минералообразующей средой, т. е. они являются генетически активированным сырьем [4, 5]. Лучшая размалываемость отходов ММС объясняется полими-неральностью его состава (табл. 2).
Помол вяжущих низкой водопотребности (ВНВ) осуществляли в тех же условиях, что и при получении тонкомолотых цементов (ТМЦ). Удельная поверхность увеличивается при замене в ВНВ-50 песка на ММС. Поэтому целесообразно использовать отходы ММС в качестве кремнеземсодержащего компонента вяжущего.
Авторами исследовалась возможность получения мелкозернистого бетона для работ при отрицательных температурах на основе композиционных вяжущих с использованием в качестве заполнителя отсева дробления кварцитопесчаника (КВП) Лебединского месторождения Курской магнитной аномалии.
Отсев дробления КВП характеризуется высоким содержанием кремнезема (94,56%) и его можно применять в качестве заполнителя для мелкозернистого бетона (Лесовик В.С., Беляев А.М., Кондратьева Н.Д., Мелик-Багдасаров М.С. Техногенное сырье КМА в дорожном строительстве // Технология, оборудование и сырьевая база горных предприятий промышленности строительных материалов.: Сб. докл. IX Межд. конф. работников нерудной промышленности. М., 2000.
С. 72—76; Лесовик В.С., Елистрат-кин М.Ю., Бурякова Ю.А. К проблеме снижения энергоемкости ВНВ // Наука и образование как фактор оптимизации среды жизнедеятельности: Материалы Междунар. научн.-практ. конф.-семинара. Волгоград: ВГАСУ, 2004. С. 65-68), особенно с учетом фракционирования и создания высокоплотной упаковки.
Для изучения влияния композиционных вяжущих на свойства мелкозернистого бетона при прогреве изготовлялись образцы размером 40x40x40 см, класса В20 с осадкой конуса в пределах 10-15 см на различных вяжущих, которые в дальнейшем подвергались электропрогреву нагревательными проводами в условиях отрицательных температур в течение 24 ч. Сущность метода заключалась в том, что в бетон укладывались провода со стальной жилой диаметром 1,5 мм в полиэтиленовой изоляции, которые при прохождении по ним сильного тока за счет сопротивления выделяли тепло.
Усредненное значение расхода нагревательного провода на 1 м3 бетона составляло 60 м при расходе электроэнергии 4,8 кВт/ч [6, 7]. После осуществления прогрева образцы набирали проектную прочность (28 сут при температуре в пределах от -10 до -20оС). Впоследствии производился отбор проб с помощью алмазной пилы и оборудования для отбора кернов. Определение физико-механических характеристик проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ 28570-90 «Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций»; ГОСТ 10180-90 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» и ГОСТ 24452-80 «Бетоны. Методы испытаний» на образцах-цилиндрах диаметром «60 мм и образцах-призмах (размером 100x100x400 мм), полученных из проб.
Исследования физико-механических характеристик показало (табл. 3), что свойства бетонов, изготовленных на композиционных вяжущих, превышают по своим характеристикам образцы аналогичного состава, изготовленного на портландцементе. Отсюда можно сделать вывод, что применение композиционных вяжущих с добавкой суперпластификатора позволяет существенно уменьшить расход цементной составляющей без снижения прочностных характеристик бетона.
В связи с тем, что предложенные бетоны планируется использовать в монолитном строительстве, важным является изучение их деформативных характеристик. Одной из основных характеристик деформирования бетона является модуль упругости Eb, для определения которого испытывались призмы в 28-суточном возрасте в точном соответствии с требованиями ГОСТ 24452-80. Продольные деформации призм замерялись с помощью
Таблица 3
Прочностные характеристики мелкозернистого бетона
Вяжущее, кг/м3 Вода, л/м3 Заполнитель, кг/м3 Средняя плотность бетона, кг/м3 Прочность при сжатии Ясж, МПа Прочность при изгибе Яизг, МПа Морозостойкость, F
Цемент Отходы ММС СП
483 - - 268 1714 2300 24 3,4 200
260 260 - 296 1714 2330 24,5 4,6 250
214 214 1,7 228 1714 2260 25,6 5,2 300
научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 56 октябрь 2014 ~ Ы ®
Таблица 4
Деформативные свойства мелкозернистого бетона
Вид вяжущего Призменная прочность, МПа Модуль упругости Еь-10-3, МПа
ЦЕМ I 42,5 Н 17,8 15,4
ТМЦ-50 18 15,9
ВНВ-50 18,9 16,5
индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм (табл. 4).
Таким образом, на основе композиционных вяжущих и отсева дробления кварцитопесчаников возможно получение мелкозернистых бетонов для бетонирования при отрицательных температурах при производстве ответственных изделий и конструкций, соответствующих нормативной документации для данного вида строительства.
Высокие качественные характеристики объясняются микроструктурой мелкозернистых бетонов (рис. 2).
Цементный камень синтезированных мелкозернистых бетонов — это микроскопически неоднородная дисперсная система, состоящая из матрицы, представленной гелеобразными и кристаллическими новообразованиями, цементных зерен, еще не вступивших в реакцию, а также частиц кремнеземсодержащего наполнителя у бетонов на основе ВНВ и ТМЦ.
Синтез новообразований происходит на поверхности цементного зерна, постепенно заполняя межпоро-вое пространство, формируя таким образом структуру камня; эттрингит представлен призматическими вытянутыми кристаллами (рис. 2).
Микроструктура бетона на основе ТМЦ менее однородная, в ней также наблюдается прорастание игольчатых спицеобразных кристаллов, пронизывающих объем структуры материала, но в меньшем количестве. В большом количестве присутствуют плотные новообразования вблизи зерен наполнителя. Можно отметить большое количество кристаллов кубической формы. Предположительно это стабильная форма гидроалюмината 3Са0Л1203-6Н20 (С3АЩ), поскольку кубические гидрогранаты редко образуются при гидратации портландцемента при нормальной температуре. Они являются равновесными продуктами только в условиях высокой температуры или при большой продолжительности гидратации, что характерно для условий электропрогрева (Брыков А.С. Гидратация портландцемента. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2008. 30 с.; Красов-ский П.С. Физико-химические основы формирования структуры строительных материалов. Хабаровск: ДВГУПС, 2003. 95 с.).
В целом можно отметить, что у полученных бетонов формируется плотная структура композита с ярко выраженным зарастанием пор, с образованием гидросиликатов, гидрогранатов и гидроферритов кальция, которые плотно формируются на зернах минерального наполнителя как на подложке.
Композиционные вяжущие являются эффективным материалом с технологической и экономической стороны для зимнего бетонирования, их использование будет способствовать как снижению себестоимости строительства, так и улучшению экологической обстановки региона.
Таким образом, впервые в мировой практике предложена технология зимнего бетонирования с использованием композиционных вяжущих на основе нетрадиционного кремнеземсодержащего техногенного сырья из отходов горнорудного производства КМА. Установлены параметры электропрогрева, применимые к составам мелкозернистого бетона и температурных режимов средней полосы РФ.
Список литературы
1. Сердюкова А.А., Рахимбаев Ш.М. Влияние пониженных температур на кинетику твердения цементных систем // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 3. С. 49-52.
2. Башлыков В.Н., Сиротин П.Н. Специальные цементы для производства бетонных работ в зимнее время // Строительные материалы. 2010. № 2. С. 49-52.
3. Садович М.А. Методы зимнего бетонирования. Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2009. 104 с.
4. Лесовик В.С., Алфимова Н.И., Яковлев Е.А., Шейченко М.С. К проблеме повышения эффективности композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. № 1. С. 30-33.
5. Лесовик В.С., Вишневская Я.Ю., Алфимова Н.И. Энергоемкость процессов синтеза композиционных вяжущих в зависимости от генезиса кремнеземсо-держащего компонента // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 3. С. 53-56.
6. Федосов С.В., Бобылев В.И., Митькин Ю.А., Закинчак Г.Н., Соколов А.М. Электротепловая обработка бетона токами различной частоты // Строительные материалы. 2010. № 6. С. 2-7.
7. Федосов С.В., Крылов Б.А., Бобылев В.И., Пыжиков А.Г., Красносельских Н.В., Соколов А.М. Применение электротепловой обработки железобетонных изделий на полигонных установках // Строительные материалы. 2013. № 11. С. 35-38.
References
1. Serdyukova A.A. Rakhimbayev Sh. M. Influence of lowered temperatures on kinetics of curing of cement systems. rhe Messenger of the Belgorod state technological university of V.G. Shukhov. 2012. No. 3, pp. 49—52. (In Russian).
2. Bashlykov V.N., Sirotin P.N. Special cements for production of concrete works in winter time. Stroitel'-nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 2, pp. 49—52. (In Russian).
3. Sadovich M. A. Metody zimnego betonirovaniya [Methods of winter concreting]. Bratsk: Public Educational Institution of Higher Professional Training BRGU, 2009. 104 p. (In Russian).
4. Lesovik V.S., Alfimova N.I., Yakovlev E.A. Sheychenko M.S. To a problem of increase of efficiency composite knitting. rhe Messenger of the Belgorod state technological university of V.G. Shukhov. 2009. No. 1, pp. 30-33. (In Russian).
5. Lesovik V.S., Vishnevskaya YA.YU., Alfimova N.I. Energoyemkost of processes of synthesis composite knitting depending on genesis of a kremnezemsoderzhashchy componen. rhe Messenger of the Belgorod state technological university of V.G. Shukhov. 2011. No. 3, pp. 53-56. (In Russian).
6. Fedosov S.V., Bobylyov V.I. Mitkin Yu.A. Zakinchak G.N., Sokolov A.M. electrothermal treatment of concrete by currents of various frequency. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 6, pp. 2-7. (In Russian).
7. Fedosov S.V., Krylov B.A. Bobylyov V.I. Pyzhikov A.G. Krasnoselskikh N. V., Sokolov A.M. application of electrothermal treatment of ferroconcrete products on polygon installations. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 11, pp. 35-38. (In Russian)
октябрь 2014
57
