ЩЕБЕНЬ, УКРПЛЕННЫЙ СЕРОЙ ДЛЯ БЕТОНОВ НА МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ

Важной стратегической задачей Российской Федерации является обеспечение развития сети автомобильных дорог для стимулирования экономики и сохранения территориальной целостности страны.

Современное дорожное строительство нуждается в качественных и доступных материалах. Дефицит высокопрочного щебня на территории Европейской части РФ, в том числе и в Республике Татарстан, влечет за собой поиск альтернативных материалов. В последнее время приоритетным направлением является применение укрепленных каменных материалов, предназначенных для применения в составе цементных бетонов.

Практическое решение проблемы дефицита высокопрочного щебня для строительства автомобильных дорог Татарстана может быть достигнуто применением местного карбонатного  щебня, укрепленного пропиткой серой, тем более уплотнение поровой структуры строительных материалов пропиткой является эффективным методом повышения их долговечности и стойкости к агрессивным средам [2].

Кроме того, использование серы в такой емкой сфере, как строительство позволит решить «давнюю» проблему утилизации крупнотоннажных отходов серы, образующихся при нефтепереработке и газоочистке в нефтяной отрасли Республики Татарстан.

Сера, как материал для пропитки, обладает рядом положительных свойств: относительно низкой температурой плавления 112,8-119,3°C, низкой вязкостью расплава (6,5×10^-3 Па×с), после его кристаллизации достаточной механической прочностью, гидрофобностью, высокой водо- и химической стойкостью [1]. Расплав серы способен глубоко проникать в поры различного диаметра, в том числе капилляры, и в процессе кристаллизации, при последующем охлаждении,  прочно соединяться с матрицей. При этом образуется конструкционный материал с взаимопроникающей структурой.

Так известны примеры эффективной пропитки расплавом серы цементных бетонов, керамики, асбоцементных плит, древесины и других пористых материалов [3], что подтверждает гипотезу о возможности получения таким образом прочного строительного щебня.

Для получения "серощебня" в работе использовались сера и малопрочный щебень Альдермышского месторождения Республики Татарстан из осадочных пород. Характеристики щебня представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Технические характеристики щебня Альдермышского месторождения согласно ГОСТ 8267-93

Серощебень был получен путем пропитки карбонатного щебня Альдермышского месторождения в расплаве серы Дополнительно, для придания щебню развитой поверхности, производилась его обработка тонкодисперсными минеральными материалами: карбонатной, кварцевой мукой и портландцементом.

Установлено, что в результате пропитки карбонатного щебня расплавом серы на поверхности зерен образуется градиентный приповерхностный слой с более плотной структурой, препятствующий проникновению воды в поровое пространство срединного «ядра» и его надежное капсулирование.

В соответствии с ГОСТ 8269.0-97 были определены основные физико-механические свойства исходного  и пропитанного серой карбонатного щебня, такие как плотность, водопоглощение, морозостойкость, марка по дробимости и истираемости (таблица 2).

Таблица 2.

Сравнительные показатели физико-механических свойств щебня

Для разработки составов обработанного щебня, с целью его дальнейшего применения в бетонах на портландцементе в последующих экспериментах применялся щебень фракции 5-10 мм, прошедший обработку серой в течение 15 минут, имеющий марку по дробимости -1200.

На начальном этапе производился визуальный анализ зерен щебня, обработанных минеральными материалами различной природы. Поскольку целью поставленного эксперимента является получение бетонов с относительно высокими прочностью и низким водопоглощением, важным аспектом являлось получение на поверхности зерен прочного и целостного слоя, образованного развитой поверхностью минеральных частиц, с целью обеспечения формирования прочных адгезионных связей на границе раздела фаз - заполнитель -цементная матрица.

Визуальный анализ частиц обработанного щебня показал, что наименьшее сцепление с поверхностью щебня, обработанного серой имеет кварцевый наполнитель. Объясняется это слабой адгезией серы к поверхности кварцевых окатанных частиц. Частицы щебня, обработанные карбонатным наполнителем, а также наполнителем, полученным из отсевов дробления горных изверженных пород и портландцементом, имели поверхность с плотным слоем минеральных частиц.

Далее был произведен подбор состава бетонной смеси  с применением полученных материалов. Всего было изготовлено пять составов различных смесей, содержащих той или иной вид щебня, обработанного серой и минеральными материалами.

Критериями оценки эффективности экспериментальных составов бетонов являлись показатели прочности при сжатии контрольных образцов бетона в возрасте 28 суток, а также показатели водопоглощения. Из каждой партии было изготовлено 9 образцов бетона. В качестве контрольного состава рассматривался бетон на основе исходного карбонатного щебня Альдермышского месторождения, не подвергнутого обработке.

Измерения прочности при сжатии образцов бетона классифицировались в соответствии с требованиями ГОСТ 26633-2015. Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Как показатели результаты измерений, наибольшие показатели пределов прочности при сжатии имеют бетоны, приготовленные на щебне, обработанном портландцементом, карбонатным и гранитным песками. Значения их пределов прочности при сжатии в возрасте 28-ми суток равны соответственно 43,0; 37,7 и 40,5 МПа. Наименьший показатель прочности имеет бетон на щебне, обработанном кварцевым песком.

Таблица 3.

Сравнительные показатели свойств бетонов в возрасте 28-ми суток

Список литературы:

1. Бусев А.И, Симонова Л.Н. Аналитическая химия серы. М.: Наука. 1975. 271 с.
2. Волгушев А.Н., Патуроев В.В. Применение серы для пропитки поровой структуры строительных материалов // Бетон и железобетон. 1976. №11.  С.38–39.
3. Mehta H.C., Chen W.F. Structural use of Sulfur for Impregnation of Building Materials. Fritz Engineering Laboratory, Length University. 1974.