Каталог статей
| Главная » Статьи » Калашников В.И. |
ПРОМЫШЛЕННОСТЬ НЕРУДНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И БУДУЩЕЕ БЕТОНОВ
В отсевах камнедробления сосредоточены самые высокопрочные фракции щебня (фракция 3-10 мм и 5-10 мм), т.к. при дроблении происходит обогащение материала по прочности – разрушение материала реализуется по наиболее слабым зонам. Зарубежная практика изготовления высокопрочных и особовысокопроч-ных бетонов М1400-1500 свидетельствует о том, что наиболее эффективно в таких бетонах использовать щебень с наибольшей крупностью зерен не более 12-16 мм. Для самоуплотняющихся и саморастекающихся бетонных смесей с суперпласти-фикаторами наиболее предпочтительнее фракции 3-10 мм [4, 5]. При использова-нии мелких щебеночных зерен с более низким гравитационным фактором, вызы-ваемым силой тяжести (F = mg), повышенная взвешивающая способность це-ментного теста при одинаковой прослойке реологической цементно-водно-песчаной матрицы, снижает силы трения (зацепления) между остроугольными контактами мелкого щебня в большей степени, чем крупного. Это значительно улучшает растекаемость смесей. В связи с этим, карьеры, производящие отсевы камнедробления фракции 0-10 мм должны извлекать из них щебень 2,5-3÷10 мм, отделяя его от тонкой фракции. Затраты на эту операцию будут минимальны, ибо грохочение является самой малоэнергоемкой операцией технологического про-цесса. Фракционированные отсевы камнедробления (фракция 3-10 мм) – наиболее экономичный щебень для вибропрессованных мелкоштучных изделий широкой номенклатуры, выпускаемыми зарубежными автоматизированными линиями с ус-тановками «Веssеr», «Hess» и т.п. и отечественными «Рифей». Таких линий (зару-бежных) функционирует в России более 40. Они способны освоить около 4,5 млн. тонн высококачественного щебня из отсевов камнедробления. В настоящее время большинство этих линий работает неэкономично, т.к. они используют, практиче-ски, повсеместно очень мелкие, мелкие, в лучшем случае, средние пески. Из-за ис-пользования таких песков с совершенно непригодной гранулометрией заполните-лей существенно увеличивается расход портландцемента. Фирма «Веssеr», осно-ванная в начале прошлого столетия, постоянно совершенствовала свою технологию и оптимальную гранулометрию смесей заполнителей и добилась высочайших эко-номических показателей. Вместе с поставкой оборудования в различные страны передается рецептурно-технологическая документация, в которой даны грануло-метрические составы заполнителей, обоснованные многолетней практикой. Только за счет оптимальной гранулометрии можно изготовлять изделия из тощих составов 1:6 – 1:11 (цемент:заполнитель) с высокими показателями для каждого вида изде-лий. В нашей стране установки «Веssеr», становятся малорентабельными или не-рентабельными в связи с повышением стоимости портландцемента. Ряд предприятий, оборудованных линиями «Веssеr», стали использовать гранитные отсевы камнедробления без анализа гранулометрического состава отсева камнедробления и смесей его с местным мелким кварцевым песком. В результате доля тонких частиц фракции 0-0,315 мм существенно возросла. И в мелком кварцевом песке, и в отсевах камнедробления фракции 0-5 мм количе-ство частиц размерами 0-0,14 мм составляет более 30-35%. Экономические по-казатели по снижению расхода цемента при использовании нефракционирован-ных отсевов возросли не столь существенно, если учесть транспортные тарифы и то, что карьеры для улучшения своей рентабельности стали отпускать неф-ракционированные отсевы камнедробления по более дорогой цене. В результа-те этого они лишь в 2,0-3,0 раза стали дешевле для потребителя, чем фракцио-нированный щебень. Таким образом, проблемы реализации карьерами отсевов камнедробления для заводов железобетонных изделий и бетоносмесительных узлов монолитно-го бетона связана, в первую очередь, с необходимой подготовкой их, т.е. отсе-вом тонких фракций 0-3 мм. В соответствии с опубликованной статьей [1], средняя цена реализации 1 м3 нефракционированных отсевов Питкарянским карьероуправлением составляет 20 руб. Чтобы работать более рентабельно карьеру необходимо отсеять тонкозернистую фракцию, назначить реальную отпускную цену мелкозернистого фракционированного щебня фракции 3-10 мм или 2-5 мм (учитывая, что затраты на грохочение в 2 раза ниже, чем на дробле-ние). Необходимо сделать соответствующую рекламу на мелкозернистый гра-нитный фракционированный щебень для высокопрочных самоуплотняющихся бетонных смесей или для вибропрессованных бетонов, выпускаемых автомати-зированными линиями «Веssеr» и «Рифей». При дополнительном отсеве тонких фракций 0-3 мм у карьероуправления возникает проблема: куда реализовать этот побочный продукт? А этот побоч-ный продукт в виде базальтовой, карбонатной муки за рубежом уже востребо-ван. Он станет наиболее востребованным сырьем для получения каменной муки для производства супербетонов, геошлаковых и геосинтетических вяжущих. Современные высокопрочные зарубежные бетоны марок 1000-2000 изготавли-ваются в последние годы с добавками микрокремнезема и каменной муки. Ка-менная известняковая, кварцевая, базальтовая, андезитовая каменная мука в со-временных бетонах становятся неотъемлемыми, почти равнообъемными ком-понентами в смешанном вяжущем для бетонов общего назначения, не заменяя часть цемента, как рекомендовалось ранее, а, дополняя его равнодисперсной компонентой. Она, увеличивая объем реологической матрицы, улучшает расте-каемость бетонных смесей, если используются суперпластификаторы. Это по-зволяет существенно снизить расход воды, повысить плотность, прочность бе-тона и другие физико-механические свойства его. Безусловно, переходу на новые виды бетонов способствовали, во-первых, не только революционные достижения в области пластифицирования бетонных и растворных смесей, но и появление наиболее активных пуццолановых добавок – микрокремнеземов (МК), дегидратированных каолинов и высокодисперсных ре-акционно-активных зол ТЭЦ, более плотных, чем природные высокопористые пуццоланы. Сочетание суперпластификаторов и, особенно, экологически чистых гиперпластификаторов на поликарбоксилатной, полиакрилатной и полигликолие-вой основе с каменной мукой позволяют получать сверхтекучие цементно-минеральные дисперсные системы и бетонные смеси. Благодаря этим достижени-ям, количество компонентов в бетоне с суперпластификаторами достигло 6-8, во-доцементное отношение снизилось до 0,24-0,28, при сохранении пластичности, характеризующейся осадкой конуса 4-10 см и более. В самоуплотняющихся бето-нах [4, 5] (Selbstverdichtender Beton-SVB) с добавкой каменной муки (КМ) или без неё, но с добавкой МК в высококачественных, в высокопрочных бетонах (Ultra-hochfester Beton, Ultra hochleistung Beton) [6, 7] на гиперпластификаторах, в отли-чие от литых на традиционных СП, совершенная текучесть бетонных смесей (осадка большого конуса 50-55 см) сочетается с низкой седиментацией и самоуп-лотнением при самопроизвольном удалении воздуха. «Высокая» реология при значительном водопонижении в суперпластифици-рованных бетонных смесях обеспечивается жидкотекучей реологической матри-цей, которую можно разделить в высокопрочных бетонах на несколько масштаб-ных уровней по размеру структурных элементов, составляющих ее. В обычных щебеночных бетонах низких марок для щебня реологической матрицей на слож-ном структурном уровне, а именно на мезо-микроуровне, служит цементно-песчаный раствор. В свою очередь для песка в обычных бетонных смесях реоло-гической матрицей на микроуровне является цементно-водная паста, увеличить долю которой для обеспечения текучести можно за счет увеличения количества цемента [8]. Но это, с одной стороны, неэкономично (особенно для бетонов клас-сов В10-В30), с другой – как это не парадоксально, все самые сильные суперпла-стификаторы являются «плохими» водоредуцирующими добавками для порт-ландцемента, хотя все они создавались и создаются для него [8, 9]. Практически, все суперпластификаторы, как было доказано нами, начиная с 1979 г. и системати-зировано в наших многочисленных работах, действуют значительно лучше на многих водных дисперсиях оксидов, минеральных порошков или смесей их с це-ментом, вследствие эффекта «соразжижения», чем на дисперсиях чистого цемен-та. В дальнейшем это подтверждено в щебеночных бетонных смесях с использо-ванием смешанных цементов, в реакционно-порошковых бесщебеночных бетонах нового поколения [10, 11]. Цемент – нестабильная в воде, гидратирующаяся сис-тема, образующая суперколлоидные частицы сразу же после контакта его с водой и быстро загустевающая. А коллоидные частицы и гели в воде трудно дисперги-ровать суперпластификаторами. Примером являются глинистые суспензии, слабо поддающиеся суперразжижению. Частицы целого ряда горных пород, даже самые тонкие, не видоизменяются в воде в течение сотен и тысяч лет. Итак, в сильно пластифицированных бетонных смесях для высокопрочных бетонов для щебня, как макроструктурного элемента, реологической матрицей является более сложная дисперсия, состоящая из песка, цемента, каменной му-ки, микрокремнезема и воды. Доля такой матрицы должна быть значительно выше, чем в обычных бетонах. Поэтому к цементу надо добавлять каменную муку, и она увеличит не только реологическое воздействие СП на смесь, но и, что не менее важно, объем самой реологической матрицы. В результате появля-ется возможность более значительно снизить количество воды, чем в цементно-водной матрице, повысить плотность и увеличить прочность бетона. И добавле-ние каменной муки и снижение доли щебня для достижения «высокой» реоло-гии, практически, будет равносильно увеличению цемента, если водоредуци-рующие эффекты будут значительно выше, чем при добавлении цемента. Важно здесь акцентировать внимание не на замене части цемента камен-ной мукой, как это рекомендовалось ранее, при использовании СП, а добавле-нии её в значительном объеме – до 40-100% к портландцементу. В первом слу-чае, при замене цемента объем реологической матрицы останется неизменным или несколько понизится за счет существенного снижения количества воды, а во втором, он значительно увеличивается. Исходя из полиструктурной теории в 1985-2000 г.г. все работы по изменению полиструктуры путем наполнения це-мента преследовали цель замены на 30-40% портландцемента минеральными наполнителями для экономии его и сохранения прочности бетонов марок М200-500. Наполненные цементы в бетонах с суперпластификаторами явились новым этапом на пути экономии цемента. Однако на современном этапе страте-гия экономии портландцементов в бетонах, с сохранением той же прочности, за счет замены цемента дисперсными наполнителями, должна уступить место стратегии значительного уменьшения объема высокопрочного бетона в железо-бетонных конструкциях. Добавление реологически-активной по отношению к СП, каменной муки и особой пуццолонической добавки без уменьшения доли цемента, а в некоторых случаях с повышением содержания его, для достижения высокой прочности не только при сжатии, но и при изгибном и осевом растя-жении, при наличии дисперсного армирования, позволит снизить расход бетона в 2-3 раза. Важно при этом из совокупности горных пород оценить реологиче-скую активность их и выбрать наиболее активную, которая в сочетании с тем или иным суперпластификатором в водно-минеральной суспензии обеспечива-ет наименьшее сопротивление при гравитационном растекании бетонных сме-сей с минимальным количеством воды. В современных высокопрочных бетонах для смеси цемента и каменной муки, как микроструктурных элементов, смесь микрокремнезема, воды и су-перпластификатора, должна быть еще одной реологической матрицей с нано-масштабным уровнем. Размеры частиц микрокремнезема обычно укладываются в диапазон 0,1-1,0 мкм, т.е. в верхний уровень наночастиц. Микрокремнезем кроме структурно-топологической функции в реологической матрице выполня-ет реакционно-химическую, связывая гидролизную известь – портландит – в высокопрочные гидросиликаты кальция [12]. Для щебеночных бетонов эти масштабы структурных элементов реологи-ческих матриц соответствуют масштабам оптимальной гранулометрии зерни-сто-дисперсных сухих компонентов бетона для получения высокой плотности его. Таким образом, каменная мука, улучшая реологическую функцию СП, должна быть матрично-наполняющим компонентом как в высокопрочных и особовысокопрочных бетонах, так и в бетонах общего назначения, увеличивая объем реологической матрицы второго масштабного уровня. Для бетонов не менее важна реакционно-химическая функция каменной муки. Именно сочета-ние «реологической активности» каменной муки с реакционно-химической ак-тивностью по отношению к продуктам гидратации портландцемента определя-ет её высокую ценность в бетонах. Оценка как первой функции муки в смеси с цементом и суперпластификатором, так и второй должна быть основными кри-териями при выборе горной породы. Естественно, что наиболее реакционно-активными добавками являются микрокремнезем, микродегидратированный каолин и отдельные золы ТЭЦ. Однако это не значит, что при отсутствии ука-занных добавок специально выделенная тончайшая фракция реакционно-активной каменной муки с удельной поверхностью 2000-3000 м2/кг не может быть использована в бетонах. Можно с уверенностью утверждать, что в буду-щем, в связи с недостатком «отходного» микрокремнезема, начнется промыш-ленный выпуск реакционно-активных нанодобавок на карьерах рудной и не-рудной промышленности, в частности, сепарационной пыли. Таким образом, скоро каменная мука будет очень востребована, и в пер-вую очередь на тех предприятиях бетона и железобетона, на которых образова-тельный уровень технических работников достигнет понимания приоритетного значения реологии в повышении прочности (при прочих равных условиях) бе-тона, а, исходя из этого, реализации гиперэкономики строительства из высоко-прочного бетона. К сожалению, на тех заводах железобетона России, где до сих пор бетоны изготавливаются четырехкомпонентными, этот уровень очень ни-зок. Более масштабное потребление каменной муки ожидается в высокопрочных реакционно-порошковых бесщебеночных тонкозернистых бетонах нового поко-ления [10, 13] и в щебеночных бетонах общего назначения марок 200-500 МПа. Порошковые бетоны не содержат естественного природного песка, в обычном его понимании, и состоят из цемента, каменной муки, тонких фракций песка (возможно горного из отсевов) от 0,1 до 0,5 (0,7 мм), микрокремнезема, суперпластификатора и тонких волокон стальной фибры или объемных тканых каркасов из стальных нитей диаметром 10-40 мкм. В щебеночные бетоны обще-го назначения можно вводить муку в соотношении к цементу 1:0,5–1:1. Исходя из этого, каменные карьеры в перспективе будут иметь мощности по выпуску каменной муки, не уступающие мощностям по производству портландцемента. Естественно, на карьерах должна быть создана соответствующая инфра-структура с технологическими операциями грохочения отсевов на мелкозерни-стый щебень, выделения из отсева тонких фракций песка с размерами 0,1-0,5 (0,7 мм), помола с одновременной сушкой каменной муки до удельной поверх-ности Sуд = 300-350 м2/кг (остаток на сите 0,08 не более 10%), хранения и от-грузки ее потребителю в цементовозах. Горы отсевов камнедробления с одной стороны – дешевая сырьевая база, с другой – это качественный продукт для бетонов общего назначения настоящего и высокопрочных бетонов будущего. И чем быстрее бетонные заводы и карье-ры перестроят свою техническую политику в отношении отходов камнедробле-ния, тем более рентабельнее они будут работать. Производство мелкозернистого щебня фракции 3-5 мм и каменной муки может быть организовано в любом регионе, не имеющем месторождений проч-ных каменных пород, используя привозные отсевы камнедробления. Например, при разработке стратегии развития строительного комплекса в Пензенской об-ласти в программе развития включено строительство цеха по производству мелкозернистого щебня и каменной муки. У каменной муки не менее перспективное будущее, чем только быть ком-понентом цементных бетонов. Созданные на кафедре технологии бетонов, ке-рамики и вяжущих Пензенского государственного университета архитектуры и строительства минеральношлаковые, геошлаковые и геосинтетические безоб-жиговые вяжущие из молотых горных пород отверждаются за счет реакции их с химическими добавками [14]. За геосинтетическими бетонами из дисперсных горных пород, получаемых синтезом без использования обжиговых процессов спекания при высоких температурах, большое будущее. Пока что нами получе-ны прессованные и вибропрессованные бетоны прочностью 60-200МПа. Появ-ление щелочных суперпластификаторов будет знаменовать революционный этап в производстве геосинтетических бетонов на каменной муке. К сожале-нию, химическая промышленность России не разрабатывает пластификаторы, которые бы хорошо «работали» в минерально-водных системах при наличии щелочей NaOH, KOH или щелочных солей Na2CO3, К2CO3, Na3PO4 и д.р., выде-ляющих щелочи при реакции каустификации с добавкой Ca(OH)2. Литература | |
| Просмотров: 3833 | Комментарии: 1 | Теги: | Рейтинг: 0.0/0 |
| Всего комментариев: 0 | |
