Строительство и архитектура /4. Современные строительные материалы

Мирюк О.А., д.т.н.

Рудненский индустриальный институт, Казахстан

Влияние фракционного состава техногенного заполнителя на свойства магнезиальных мелкозернистых композиций

Заполнитель доминирует в составе бетона и определяет ряд важных свойств этого композиционного материала. При сокращении запасов кондиционных пород, используемых для получения заполнителя, замена природных источников доступными материалами становится актуальной.

Мелкозернистый бетон на техногенном заполнителе – объект многочисленных современных исследований. Это обусловлено необходимостью расширения сырьевой базы перспективного вида бетона при возрастающем дефиците природного заполнителя и накоплении многотоннажных зернистых промышленных отходов [1 – 4].

Цель работы – оптимизация состава мелкозернистого заполнителя на основе дробленых отходов обогащения скарново-магнетитовых руд.

Отходы обогащения скарново-магнетитовых руд образуются при сухой магнитной сепарации (хвосты СМС) полиминеральных пород и представляют собой дезинтегрированную массу с размером зерен не более 25 мм и влажностью 1 – 2 %. Минеральную основу отходов слагают силикаты, отличающиеся генезисом, составом, структурой, физическими свойствами и химической активностью [5].

Объектом исследования послужили магнезиальные композиции мелкозернистой структуры на основе комплексного использования хвостов сухой магнитной сепарации (СМС) – отходов первичной стадии обогащения скарново-магнетитовых руд. смешанного магнезиального вяжущего, содержащего в качестве наполнителя тонкодисперсные отходы обогащения скарново-магнетитовых руд, и фракционированного заполнителя, составленного из дробленых отходов указанного происхождения.

Формовочные массы готовили с использованием каустического магнезита, отходов обогащения скарново-магнетитовых руд различной дисперсности, затворителя – раствора хлорида магния плотностью 1250 кг/м³.

Испытания композиций с соотношением «вяжущее : заполнитель – 1 :2» выявили рост плотности и прочности материалов по мере увеличения крупности фракции заполнителя (рисунок 1).

Рисунок 1 – Влияние размера фракций хвостов СМС на прочность композиции

Установлена возможность уплотнения и упрочнения мелкозернистых композиций с повышенным содержанием техногенного компонента посредством прессования формовочных масс. При этом важен размер частиц заполнителя, определяющий характер расположения зерен и обеспечивающий уплотнение формовочных масс (таблица 1, рисунок 2). При прессовании уменьшается пористость на величину остаточных деформаций. Сближение частиц хвостов СМС и отжатие избытка жидкости увеличивают прочность камня.

Микроструктура затвердевшего композита проявляет зависимость от размера частиц техногенного заполнителя (рисунок 3). Прессованные композиции с крупными фракциями хвостов СМС отличаются уменьшением межзерновых пустот, повышенной плотностью, компактным расположением зерен. Результаты физико-механических испытаний композиций (таблица 1) корреспондируются с данными электронной микроскопии (рисунок 3).

Таблица 1 – Влияние фракции хвостов СМС на структурные свойства

прессованных композиций

Фракция заполнителя, мм	Жидкое: твердое	Плотность, кг/м^3	Коэффициент размягчения	Водопоглощение, %
–	0,40	2050	0,27	9,7
0 – 0,08	0,30	2240	0,46	5,5
0 – 0,14	0,30	2300	0,47	5,2
0,14 – 0,315	0,30	2180	0,55	4,3
0,315 – 0,63	0,28	2400	0,63	3,8
0,63 – 1,25	0,27	2430	0,58	3,2
1,25 – 2,5	0,28	2570	0,61	2,5

Рисунок 2 – Влияние размера частиц на прочность прессованных композиций

Для оптимизации фракционного состава заполнителя мелкозернистых магнезиальных композиций использован метод математического планирования эксперимента (таблица 2).

Таблица 2 – Условия эксперимента

Факторы		Уровни варьирования					Интервал варьирования
Натуральный вид	Кодированный вид	– 1,41	– 1	0	+ 1	+ 1,41
Доля каустического магнезита в вяжущем	Х1	0,30	0,40	0,65	0,90	1,00	0,25
«0,14 – 0,315» мм : «0,63 – 1,25» мм	Х2	0,00	0,15	0,50	0,85	1,00	0,35

Рисунок 3 – Микроструктура прессованных композиций

на различных фракциях заполнителя

После математической обработки экспериментальных данных получена зависимость водопоглощения, В_m, от исследуемых факторов в виде уравнения регрессии полной квадратичной модели:

В_m = 1,16 + 0,56 x₁ + 0,47 x₁² – 0,12 х₂ + 0,048 х₂² – 0,02 x₁х₂, (1)

Геометрический образ, соответствующий функции на рисунке 4.

Уравнение регрессии для зависимости прочности на сжатие в возрасте 28 сут от исследуемых факторов:

R₂₈ = 50,12 + 12,92 x₁ – 0,61 x₁² – 4,49 х₂ + 0,88 х₂² – 0,35 x₁х₂, (2)

Геометрический образ, соответствующий функции на рисунке 5.

Х₁

Х₂

Рисунок 4 – Поверхность отклика зависимости водопоглощения

от вещественного состава формовочной массы

Х₁

Х₂

Рисунок 5 – Поверхность отклика зависимости прочности на сжатие

в возрасте 28 сут от вещественного состава формовочной массы

Выводы. Установлен характер влияния фракционного состава техногенного заполнителя на свойства мелкозернистых магнезиальных композиций.

Для формирования структуры уплотненного строения целесообразны формовочные массы с содержанием техногенного наполнителя 30 – 50 % и соотношением фракций дробленых отходов обогащения скарново-магнетитовых руд «0,14 – 0,315» мм : «0,63 – 1,25» мм равным 0,15 – 0,55. Оптимальные составы композиций характеризуются прочностью 50 – 60 МПа при средней плотности 2100 – 2400 кг/м³.

Магнезиальные композиции мелкозернистой структуры рекомендованы для изготовления элементов благоустройства.

Литература:

1. Лесовик Р.В., Агеева М.С., Голиков В.Г., Фоменко Ю.В. Мелкозернистые бетоны для малых архитектурных форм // Строительные материалы. –2005. – № 11. – С. 66 – 67.

2. Баженов Ю.М. Многокомпонентные мелкозернистые бетоны // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века. – 2001. – № 10. – С. 15.

3. Муртазаев С-А. Ю., Исмаилова З. Х. Использование местных техногенных отходов в мелкозернистых бетонах // Строительные материалы. –2008. –№ 3. – С. 57 – 58.

4. Дороганов Е.А. Мелкозернистый бетон на основе модифицированной ВКВС кварцевого песка // Промышленное и гражданское строительство. – 2007. – № 7. – С. 55 – 57.

5. Мирюк О.А. Магнезиальные композиции с использованием техногенных материалов // Технологии бетонов. – 2015. – № 5/6. – С. 9 – 13.