Роль заполнителей в обеспечении свойств различных видов бетонов чрезвычайно велика. Она определяется как характеристиками исходной горной породы, так и качеством заполнителя как сырьевого продукта, поступающего к потребителям - предприятиям стройиндустрии, заводам товарного бетона, строительным площадкам, - в виде песка или щебня (гравия) различного зернового состава, формы зерен, степени загрязненности и др.

В общем виде характеристики исходной горной породы определяют такие наследственные признаки заполнителя, как плотность, прочность, стабильность структуры, стойкость к определенным химическим, температурным, влажностным и прочим воздействиям. Качество заполнителя зависит как от конкретных условий добычи и переработки исходной горной породы (наличие, вид и характер примесей, влияющих на свойства заполнителя и зависящих от характера залегания добываемой породы и от присутствия и вида попутно добываемых пород; характеристик и условий работы дробильного и фракционирующего оборудования, определяющих форму зерен, характер поверхности заполнителя, количество зерен лещадной формы и содержание пылеватых и глинистых частиц и др.), так и от условий транспортирования, перегрузки и хранения заполнителя (загрязнение посторонними примесями, неконтролируемое перемешивание материалов разного вида и качества и т.д.). При прочих равных условиях основное влияние на качество заполнителя, естественно, оказывают факторы первой группы, относящиеся к характеристикам конкретного месторождения и определенного предприятия горноперерабатывающей промышленности.

Традиционно используемыми для производства щебня являются такие изверженные, глубинные интрузивные и излившиеся горные породы, как гранит, диабаз, габбро, базальт и др., а также осадочные горные породы: известняки, доломиты, песчаники, кварциты, и некоторые виды метаморфических пород, такие как гнейсы, сланцы и мрамор. 

Вид применяемых в конкретных регионах заполнителей определяется, прежде всего, удаленностью от сырьевой базы и транспортными расходами на доставку заполнителя. Так, например, многими предприятиями строительного комплекса г. Москвы для изготовления бетонов низких и средних марок (до М 300, что соответствует классу В 22,5 по ГОСТ 26633) использовался известняковый щебень Полотнянозаводского карьера, добываемый сравнительно недалеко от Москвы (Калужская область). Для изготовления бетонов более высоких марок, несмотря на значительное удаление сырьевой базы, транспортные расходы и сравнительно высокую стоимость, используется гранитный щебень Питкярантского карьероуправления (Республика Карелия).

В последнее время перебои с поставкой гранитного щебня на московские предприятия стали привычным явлением, что поставило вопрос о расширении сырьевой базы производства и применения заполнителей, прежде всего, за счет ранее не используемых в Московском регионе вскрышных и попутно добываемых горных пород. К ним относятся, в том числе, кварцитопесчаники, положительный опыт применения которых в качестве заполнителей для бетонов имеется на территории бывшего СССР [5].

Значительные объемы кварцитопесчаника добываются в виде вскрышной породы на Лебединском ГОКе, основной сферой деятельности которого является добыча и обогащение железных руд, производство железорудных окатышей и железорудного концентрата. Вместе с тем, местоположение Лебединского ГОКа в центре европейской части РФ (Белгородская область, г. Губкин), при условии соответствия свойств щебня из кварцитопесчаника нормативным требованиям, может в значительной степени способствовать устранению дефицита в крупном заполнителе, как в Москве и Московской области, так и в прилегающих областях.

Влияние щебня из кварцитопесчаника на технологические свойства бетонных смесей.

Проведенные исследования предусматривали определение характера и степени влияния крупного заполнителя щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа в сопоставлении с опробованными на практике заполнителями - щебнем из габбро-диабаза и гранитным щебнем, - на технологические свойства бетонных смесей, в том числе водопотребность, подвижность, плотность и воздухововлечение бетонных смесей.

Как известно, водопотребность бетонных смесей характеризуется расходом воды затворения, л/м3, необходимым для обеспечения заданной удобоукладываемости бетонной смеси при прочих равных условиях (заданном расходе и виде цемента, виде и качестве заполнителей).

При одинаковом виде и расходе цемента водопотребность бетонных смесей определяется, главным образом, видом и качеством заполнителя - зерновым составом (крупностью), загрязненностью, плотностью (водопоглощением) зерен заполнителя. С уменьшением зерен заполнителя (модуля крупности песка, наибольшей крупности щебня), увеличением содержания в заполнителе загрязняющих примесей в виде пыли, глинистых и илистых включений, увеличением пористости и водопоглощения заполнителей (например, при использовании пористых заполнителей) водопотребность бетонных смесей возрастает. Следствием этого, в свою очередь, является снижение прочности бетона, для компенсации которой требуется увеличение расхода цемента пропорционально увеличению водопотребности, т.е. до достижения исходного значения водоцементного отношения (отношение массы воды затворения к массе цемента - В/Ц).

Для изучения влияния щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа на водопотребность бетонных смесей были проведены испытания по подбору состава бетонов на трех видах щебня, в том числе щебня из габбро-диабаза с повышенной по сравнению с тестируемым образцом плотностью и гранитного щебня, сопоставимого по показателям плотности с тестируемым образцом.

С целью лучшего выявления воздействия вида щебня на технологические свойства бетонных смесей, составы бетона назначались из условия обеспечения равного (по объему) расхода щебня всех видов. Для исключения возможных искажений результатов вследствие технологических факторов, не отражающих влияние вида щебня (недостаточное или некачественное уплотнение бетонных смесей, расслоение бетонных смесей и т.д.), подвижность бетонных смесей во всех случаях составляла 1-4 см (марка П 1 по ГОСТ 7473) при соотношении массы песка к общей массе заполнителей, равном 0,4 (согласно литературным источникам, в этом случае обеспечиваются наибольшие показатели плотности и прочности бетона). Для получения бетонов с широким диапазоном прочностных свойств (от 30 до 50 МПа), а также для лучшего выявления потенциальных возможностей щебня из кварцитопесчаника, расход цемента при подборе состава бетонов варьировался в пределах от 250 до 400 кг/м3. Для выявления возможного влияния на результаты экспериментов вида и активности цемента, при подборе состава бетонов использовались цементы двух марок. Исходя из целесообразности внедрения щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа, прежде всего в качестве заполнителя для бетонов средних и высоких марок (класс В 30, т.е. марка М 400, и более), а также с учетом ситуации на московском рынке, характеризующейся доступностью качественных цементов, эксперименты проводились с применением Старооскольского портландцемента марки ПЦ М500 Д-0 и Белгородского портландцемента марки ПЦ М600 Д-0, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 10178 "Портландцемент и шлакопортланд цемент. Технические условия". В качестве мелкого заполнителя использовался кварцевый песок с Мк=2,3, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 26633 "Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия" и ГОСТ 8736 "Песок для строительных работ. Технические условия". Вода для затворения бетонных смесей во всех случаях соответствовала ГОСТ 23732 "Вода для бетонов и растворов. Технические условия"

Изготовление бетонных смесей осуществлялось в лабораторном бетоносмесителе принудительного действия. Готовые бетонные смеси испытывались по ГОСТ 10181 с определением подвижности, плотности, воздухововлечения с изготовлением образцов для определения прочности и других свойств (по ГОСТ 10180).

Темпы естественного твердения и прочность бетонов на щебне из кварцитопесчаника.

Изучение влияния вида щебня на темпы твердения и прочность бетонов осуществлялось по ГОСТ "Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам". Исследования проводились в возрасте 1,2,3,7 и 28 суток естественного твердения на бетонах с тремя видами заполнителя (габбро-диабаз, гранит, кварцитопесчаник) и портландцементе марки 500 (табл.3.1.,составы 1-9), а также на бетонах с двумя видами щебня и портландцементе марки 600 (табл.3.1.,составы 10-15).

Полученные в ходе экспериментов и приведенные в табл.3.1 данные показывают, что для бетонов на портландцементе марки 500 прочность бетонов на щебне Лебединского ГОКа при всех расходах цемента и во все сроки твердения практически не отличается от прочности бетонов на гранитном щебне (составы 2-3, 5-6, 8-9).

Прочность бетонов на щебне из габбро-диабаза несколько превышает прочность бетонов на гранитном щебне и щебне из кварцитопесчаника, особенно при пониженном расходе цемента (250 кг/м3, состав 1), что соответствует повышенной прочности щебня из габбро-диабаза по показателю дробимости. По мере увеличения расхода цемента до 320 и 390 кг/м3 (составы 4, 7) разница в прочностных показателях нивелируется.

С заменой портландцемента марки М500 на портландцемент марки М600 и, соответственно, с некоторым относительным уменьшением вклада прочности щебня в формирование прочности бетона, разница в показателях прочности бетонов на щебне из габбро-диабаза и кварцитопесчаника Лебединского ГОКа практически отсутствует (составы 10-11, 12-13, 14-15).

Анализ данных табл.3.1 позволяет утверждать, что на основе щебня из кварцитопесчаника Лебединского ГОКа, в зависимости от вида и расхода цемента, может быть получен бетон с прочностью, соответствующей маркам от 300 до 700 (классы бетона от В 25 до В 50 по ГОСТ 26633). В этом смысле возможности его применения не уступают возможностям применения гранитного щебня и даже щебня из габбро-диабаза.