Материалы и изделия из техногенного и вторичного сырья. Учебное пособие

Куркужинское месторождение вулканических туфов, пригодных для использования в качестве пильных стеновых блоков марки 35-100, с утвержденными запасами сырья по категории А+В+Ci в количестве 1886 тыс. м3, находится в государственном резерве. Месторождение имеет благоприятные горнотехнические условия разработки и возможности прироста запасов за счет разведки флангов (табл. 10), расположено в районе с.п. Заюково [3].

Таблица 10

Балансовые запасы пильного камня

Последние годы наблюдается тенденция по снижению объемов добычи пильного камня, в связи конкуренцией со стороны производителей пеплоблоков.

При разработке вулканических туфов на бутовый камень, а также распиловке на стеновые блоки, образуется значительное количество отходов, представляющие собой куски неправильной формы и тырса от распила, а также рыхлые породы, вскрышные и некондиция (не по стандарту). Эти отходы сбрасываются в отвал и на старых карьерах их накопились миллионы тонн.

Порядок выполнения работы

(осуществляется в соответствии с действующими государственными стандартами и методами)

1. Определение влажности отходов Влажность – содержание влаги в материале в естественно-влаж-

ностном состоянии, отнесенное к массе материала в сухом состоянии, выраженное в процентах.

21

Приборы и материалы:

1)весы лабораторные;

2)шкаф сушильный;

3)набор сит с круглыми отверстиями диаметром 5; 2,5 и сетками

№1; 25; 063; 0315 и 014;

4)противень;

5)песок туфовый.

Методика испытаний

Навеску массой 1000 г насыпают в противень и сразу же взвешивают, а затем высушивают в этом же противне до постоянной массы.

Влажностьтуфовыхотходов(W) впроцентах вычисляютпоформуле

где m – масса навески в состоянии естественной влажности, г; m1 – масса навески в сухом состоянии, г.

2. Определение насыпной плотности отходов Насыпной плотностью называют отношение массы сыпучего ма-

териала к его объему, включая пустоты между частицами. Объем в данном случае определяется вместимостью мерного сосуда.

Для определения насыпной плотности отходов используется мерный цилиндр объемом V= 1 л и прибор Воронка–Лов (рис. 2).

Рис. 2. Воронка-Лов 1 – корпус; 2 – трубка;

3 – задвижка; 4 – мерный сосуд

При определении насыпной плотности туфовых отходов (песка)

впартии для перевода количества поставляемого песка из единиц массы

вобъемные единицы песок насыпают совком в предварительно взвешенный мерный цилиндр с высоты 10 см от верхнего края цилиндра до образования над верхом цилиндра конуса. Конус без уплотнения песка снимают вровень с краями сосуда металлической линейкой, после чего сосуд с песком взвешивают.

22

Насыпную плотность песка ( н) в кг/м3 вычисляют по формуле

где m – масса мерного сосуда, кг; m1 – масса мерного сосуда с песком, кг; V – объем сосуда, м3.

Насыпную плотность туфовых отходов определяют дважды, при этом каждый раз берут новую порцию.

3.Определение содержание крупных и мелких фракций:

Прибор: сито № 5, m0 = ________ г. Фр ≥ 5 мм - _______ г- _____ % Фр ≤ 5 мм - _______ г- _____ % Фр ≥ 30 мм - _______ г- _____ %

4.Определение зернового состава туфового песка:

Зерновой (гранулометрический) состав туфового песка – важней-

ший показатель его качества, от которого зависит пустотность песка и расход цемента, а следовательно, и эффективность применения данного песка в туфобетоне. Этот показатель отражает содержание в песке зерен разной крупности, и для его определения пробу песка просеивают через набор стандартных сит. Влажный песок плохо просеивается через сито, поэтому определение зернового состава производят после высушивания пробы песка до постоянной массы.

Подготовленную навеску песка просеивают через набор сит с круглыми отверстиями диаметром 2,5 мм и с сетками № 1,25; 0,63; 0,315

и 0,14.

Просеивают механическим или ручным способом. Продолжительность просеивания должна быть такой, чтобы при контрольном интенсивном ручном встряхивании каждого сита в течение 1 мин через него проходило не более 0,1 % общей массы просеиваемой навески. При механическом просеивании его продолжительность для применяемого прибора устанавливают опытным путем.

При ручном просеивании допускается определять окончание просеивания, интенсивно встряхивая каждое сито над листом бумаги. Просеивание считают законченным, если при этом практически не наблюдается падения зерен песка.

По результатам просеивания вычисляют:

– частный остаток на каждом сите (аi) в процентах по формуле

23

гдевескит,i г–; масса остатка на данном сите, г; т – масса просеиваемой на-

– полный остаток на каждом сите (Аi) в процентах по формуле

где a2,5, a1,25, ai – частные остатки на соответствующих ситах;

– модуль крупности песка (Мк) без зерен размером крупнее 5 мм по формуле

где А2,5, А1,25, А063, А0315, А014 – полные остатки на сите с круглыми отверстиямидиаметром2,5 мминаситах ссетками№1,25;0,63;0,315,0,14.

Результаты определения зернового состава туфового песка записываются в табл. 11.

Таблица 11

Зерновой состав туфового песка

где А – полный остаток на ситах от 0,14 до 2,5.

По величинам Мк и А0,63 определяют вид песка по крупности.

По полным остаткам строят график зернового состава, сравнивают его с рекомендуемыми пределами согласно ГОСТ 12536-2014 и делают вывод о пригодности песка для туфобетонов (рис. 3).

24

Рис. 3. График зернового состава

При несоответствии зернового состава природных песков требованиям графика следует применять:

–к мелким и очень мелким пескам укрупняющие добавки – песок из отсевов дробления или крупный песок;

–к крупному песку – добавку, понижающую модуль крупности, мелкий или очень мелкий песок.

Контрольные вопросы

1.Месторождения вулканического туфа в КБР.

2.Характеристики отходов разработки вулканического туфа.

3.Какие остатки (частные или полные) нормируются стандартами?

4.Сколько допускается в песке частиц, проходящих сквозь сито

сразмером отверстий 0,14 мм?

5.Как рассчитывают модуль крупности?

6.Насыпная плотность какого песка больше: удовлетворяющего требованиям стандарта по зерновому составу или не удовлетворяющего? Почему?

25

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПЕРЕРАБОТКИ ТУФОВЫХ ОТХОДОВ В ПОРИСТЫЕ ЗАПОЛНИТЕЛИ БЕТОНОВ И РАСТВОРОВ

Цель: разработка технологических схем переработки туфовых отходов в пористые заполнители конструктивных и конструктивнотеплоизоляционных туфобетонов, в зависимости от предполагаемой области применения.

Общие сведения

Согласно действующим стандартам, пористыми заполнителями называют сыпучие зернистые материалы с насыпной плотностью не более 1200 кг/м3 при крупности зерен до 5 мм и не более 1000 кг/м3 при крупности зерен 5–40 мм. Основное назначение пористых заполнителей – быть компонентами легких бетонов, в которых они занимают до 80 % объема. По происхождению заполнители подразделяют на природные (вулканические и осадочные) и искусственные (специально изготовляемые и отходы промышленности). К природным пористым заполнителям вулканического происхождения относятся:

– пемза – пористая сыпучая порода губчатого или волокнистого строения от серовато-белого до коричневого цвета, представленная в основном кислым вулканическим стеклом;

–вулканический шлак – сыпучая порода ноздреватого или губчатого строения от красного до черного цвета, состоящая из вулканического стекла основного состава;

–вулканический туф – мелкопористая порода, состоящая из сце-

ментированного вулканического стекла и пепла.

Пористые щебень и песок из горных пород, отходов промышленности и специально изготовленных заполнителей получают рассевом после предварительного дробления. Пористые заполнители классифицируют по следующим физико-техническим свойствам.

По форме и характеру зерен различают гравиеподобные (гравий) и щебнеподобные (щебень) крупные заполнители. Гравиеподобные характеризуются округлой формой и не подвергаются дроблению после термической обработки. Щебнеподобные получают главным образом дроблением исходного природного сырья или термически обработанного материала; они имеют угловатую (неправильную) форму и шероховатую (ноздреватую) поверхность.

По крупности зерен заполнители делят на фракции: Песок:

– мелкий – до 1,2 мм;

26

– крупный от 1,2 до 5 мм;

– нефракционированный до 5 мм;

– щебень или гравий ......… от 5 до 10 мм; 10÷ 20 мм; 20 ÷ 40 мм. По насыпной плотности (кг/м3) щебень, гравий и песок, высушенные до постоянной массы, делят на марки – D50, 100, 150, 200, 250,

300, 400, 500, 600, 700, 800, 1000, 1200, 1400.

По прочности крупные пористые заполнители делят на марки – П15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400. Под маркой по прочности понимается прочность при сжатии кубика, выпиленного из гранулы заполнителя (если это возможно). На практике прочность при сжатии пористого заполнителя определяют испытанием его в бетонах, сущность которого состоит в сравнении прочности бетонов на испытуемом заполнителе с прочностью растворной составляющей бетонов.

Пористые заполнители должны выдерживать испытание на морозостойкость, кипячение и силикатный распад согласно ГОСТ 9758-2012.

Испытание отходов

В республике в настоящее время работает 3 карьера по добыче местных вулканических туфов: Каменский, Заюковский, Лечинкайский. При разработке туфов в этих карьерах около 50 % разработанной породы в виде отходов сбрасывается в отвал, и в настоящее время имеются большие накопления этих отходов в Заюково и Лечинкае.

Как показал опыт эксплуатации этих и других карьеров эти отходы могут быть использованы для производства пористых заполнителей легких бетонов и растворов.

Возможны следующие схемы их переработки: технологическая схема дробления туфов на мелкозернистые пористые заполнители для стеновых блоков из туфобетона и технологическая схема многоступенчатого дробления и рассева на пористый щебень и песок для получения легкого бетона конструктивногоиконструктивно-теплоизоляционногоназначения.

Задание

1.Выбрать технологическую схему переработки туфовых отходов

суказанием необходимого оборудования.

2.Определить физико-механические свойства туфового песка (щебня): влажность, зерновой состав, пористость (согласно приведен-

ной методике в лабораторной работе № 2).

Контрольные вопросы

1.Классификация пористых заполнителей из природного камня.

2.Требования к пористым природным заполнителям.

3.Испытание пористых заполнителей.

4.Технологические схемы переработки туфовых отходов.

27

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. Проектирование состава мелкозернистого легкого бетона для стеновых камней из отходов туфовых разработок

Цель: получение мелкозернистого легкого бетона из отходов местных туфовых разработок для изготовления легких бетонных стеновых камней с минимальными технологическими переделами и затратами.

Общие сведения

Мелкозернистый, или песчаный бетон – строительный материал, состоящий из смеси воды, песка и цемента с фракцией не более 10 мм в диаметре. Согласно межгосударственному стандарту ГОСТ 26633-2015, мелкозернистый бетон относится кматериалам, средняя плотность которых 2–2,5 тыс. кг/м3 на мелком плотном заполнителе, до 2,0 тыс. кг/м3 на пористых заполнителях, и вяжущем цементном заполнителе. Песчаные фракции в нем не превышают 2,5 мм; щебенка используется также мелкая – до 1,0 см в диаметре. При застывании смесь становится искусственным камнем. Такой материал не боится воды, мороза, температурных качелей; отличается высокой плотностью и прочностью. За счет дополнительных включений в состав смеси, песчаный бетон подразделяется на собственно мелкозернистый бетон и мелкозернистый армоцемент (его используют в конструкциях с армированием).

Основные отличительные свойства материала:

–нет крупногабаритных включений;

–цемент используется в удвоенном количестве, его марка – М400 или М500;

–фракции представляют собой мелкое зерно.

Отрицательными качествами данного тяжелого бетона являются:

–высокая степень твердости, из-за чего готовое изделие тяжело обрабатывать;

–значительная усадка;

–подвижен при нанесении;

–расходуется много цемента.

За счет мелкофракционного состава смесь заполняет любые труднодоступные места при строительных работах. Повышенная плотность способствует созданию высокопрочных конструкций. Смесь можно готовить как в условиях промышленного производства, так и самостоятельно в домашних условиях. Таким образом, главные достоинства мелкозернистого бетона следующие: превышает прочность обычного бетона при сжатии и растяжении; не разрушается при вибрационном

28

воздействии; устойчивость к морозам и ультрафиолетовым лучам; пористая структура; водонепроницаемость.

При добавлении в смесь вспомогательных веществ бетон получает улучшенные характеристики. Например, армирование прутами из металла делает конструкцию усиленной, прочной. Добавление силикатов в количестве до 3 % делает материал устойчивым к высоким температурам (до 1300 °С).

Пористые заполнители обладают значительным водопоглащением и при введении их в бетонную смесь забирают из цементного раствора часть воды. Наиболее интенсивно этот процесс происходит в первые 10–15 мин после приготовления бетонной смеси. Тем самым существенно изменяются реологические свойства бетонной смеси, т. е. уменьшается ее подвижность. Количество воды, поглощаемой заполнителем, зависит от состава бетонной смеси: оно увеличивается в литых и подвижных смесях при высоких значениях водоцементного отношения и уменьшается в жестких бетонных смесях при низких значениях В/Ц. Чтобы компенсировать влияние водопоглащение пористого заполнителя и сохранить подвижность бетонной смеси, необходимо увеличивать расход воды[3].

Пористый щебень и песок состоят из зерен неправильной формы с сильно развитой поверхностью и обладают вследствие этого увеличенным объемом межзерновых пустот. Для заполнения этих пустот и создания достаточной связки между зернами заполнителя с целью получения нерасслаиваемых и удобно обрабатываемых бетонных смесей, требуется в 1,5–2 раза больше цементного теста, чем при применении плотных, тяжелых заполнителей.

Порядок выполнения работы

Исходные данные

Компоненты:

1) туфовый отход дробленый (Каменский) фракции 0–10 мм;

; марка плотности 1000 (1100); содержание зерен фракций d ≤5 мм 90 %;

3)вяжущие: цемент М500 (R = 42,5 МПа);

4)вода затворения – обычная водопроводная.

Способы приготовления туфобетонной смеси

а) приготовление смеси осуществляется вручную, сухие компоненты смешивают 2–3 мин, добавляют часть воды (50 %) и перемешивают еще 2–3 мин, затем добавляют пластификатор и снова перемешивают, после этого добавляют остаток воды и перемешивают до получения однородной смеси.

29

б) изготовление изделий методом заливки в формы и кратковременным вибрированием в течение 3–5 с.

Условия твердения:

1 – пропаривание при t = 95 °C в течение 5–6 ч;

2 – естественное твердение при t = 20 ±5 °С и W= 90–95 %.

Экспериментальный метод подбора состава

Расход компонентов на 1 м3 туфобетонной смеси определяется экспериментальным путем. Расход цемента определяется из расчета 150– 200 кг/м3 бетонной смеси, количество воды затворения – из расчета получения жесткой удобно формуемой смеси с ОК 1–2 см (ОК – осадка конуса). Образцы-кубы размером 100х100х100 мм из мелкозернистой туфобетонной смеси трех составов с разным расходом вяжущего хранились и испытывались в возрасте 7, 21 и 28 суток нормального твердения и после 6 ч пропарки в камере [3].

Задания

1.Подобрать состав мелкозернистого туфобетона класса В7,5 В10,0

иВ12,5 с подвижностью по ОК = 3–5 см;

2.Определить плотность туфобетонной смеси.

3.Изготовить образцы кубы и определить прочность на сжатие в возрасте 7, 21 и 28 суток.

4.Сравнить прочность образцов в зависимости от условий твердения (пропаривание в течение 6 ч и твердение при комнатной темпера-

туре и W= 90–95 %).

5.Результаты испытаний привести в виде табл. 12.

6.Построить график зависимости прочности туфобетона от расхода цемента (см. рис. 4). Сделать выводы.

Таблица 12

Расход компонентов на 1 м3 туфобетонной смеси и результаты испытаний

30