Оценка физико-механических свойств и долговечности бетона при частичном замещении мелкого заполнителя медным шлаком

Строительная отрасль в последние годы демонстрирует интенсивный рост, который напрямую связан с развитием инфраструктуры и активным потреблением природных ресурсов, запасы которых стремительно сокращаются. Одновременно с этим нарастает и проблема промышленных отходов, объемы которых увеличиваются параллельно масштабам строительства. Примерами являются металлургические предприятия, которые выплавляют доменный шлак, тепловые электростанции производят золу-унос, а чугунная и цементная промышленность генерируют микрокремнезем и цементную пыль. Кроме того, в цветной металлургии образуются такие отходы, как древесная зола, хвосты обогащения и красный шлам.

В поиске альтернатив природному сырью строительная отрасль все чаще обращается к инновационным, в том числе нетрадиционным, материалам, а также к вторичной переработке отходов промышленности. Такой подход не только помогает восполнять дефицит ресурсов, но и способствует снижению нагрузки на окружающую среду.

Одним из перспективных вторичных продуктов является медный шлак, образующийся при выплавке меди, при производстве 1 т которой образуется от 2 до 5 т этого материала [1]. В настоящее время медный шлак применяют для извлечения металлов, переработки, складирования на шлакоотвалах или производства продукции с высокой добавленной стоимостью. Простое складирование на контролируемых полигонах влечет за собой не только высокие затраты, но и серьезные экологические риски, особенно в условиях дефицита свободных земель вблизи металлургических и промышленных зон.

В 2018 г. мировое производство медного шлака составляло 20,6 млн т, а в 2021 г. достигло уже 57,2 млн т [2, 3]. Основная часть шлака по-прежнему складируется, что приводит к занятию земель и загрязнению окружающей среды тяжелыми металлами (As, Pb, Zn, Cu). В связи с этим вопросы обращения с твердыми отходами приобретают особую значимость.

Несмотря на наличие тяжелых металлов в составе медного шлака, при его введении в цементную матрицу происходит физико-химическая иммобилизация ионов металлов за счет формирования труднорастворимых гидроксидов и силикатов в щелочной среде бетона. По данным существующих исследований [4], выщелачивание тяжелых металлов из бетонов с замещением до 50 % песка медным шлаком не превышает нормативных пределов для строительных материалов.

Медный шлак нашел широкое применение при производстве цемента, бетона, стекла, плитки, абразивных материалов, железнодорожного балласта, режущего инструмента, кровельных покрытий, а также в дорожном строительстве в качестве материала основания. Использование медного шлака в качестве замены портландцемента или заполнителя часто дает более высокие результаты благодаря его химическим и физико-механическим свойствам, которые улучшают качество конечной продукции.

В последние годы исследователи активно изучают применение медного шлака как в качестве мелкого, так и крупного заполнителя для бетонов. В результате данных исследований было установлено, что он существенно влияет на механические и эксплуатационные характеристики бетонных и растворных смесей. В одном из исследований [2] отмечено, что при использовании медного шлака наблюдается максимальная интенсивность замещения природного песка. Ключевыми факторами, определяющими эффективность применения шлака в качестве мелкого заполнителя, являются его объемная доля, содержание воздуха и водоцементное отношение. Авторы рекомендуют ограничивать содержание медного шлака в интервале 30 - 50 % в зависимости от целевого показателя.

Целью данного исследования является оценка возможности использования медного шлака в составе бетона класса В22.5 в части замещения им природного песка, а также проанализировать влияние данного материала на механические свойства бетона. Применение медного шлака в качестве мелкого заполнителя открывает перспективы для получения экологических выгод и значительного экономического эффекта для смежных отраслей промышленности.

Материалы и методы исследования

Для улучшения физико-механических свойств бетона заданного класса использовали медный шлак Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗ, г. Ревда). Данный материал имеет крупность частиц от 0,05 до 1 мм и образован на стадии флотационного извлечения меди. Минералогический состав используемого медного шлака характеризуется поликомпо-нентностью и включает в себя силикаты железа (фаялит), оксиды железа (магнетит, гематит), 85

клинопироксены (диопсид), кристаллический кремнезем (кварц), сульфидные минералы, ферриты меди, цинка и свинца, виллемит (силикат цинка), аморфную стеклофазу, а также вторичные новообразования – гидроксиды, сульфаты, карбонаты и хлориды металлов, формирующиеся в процессе флотационной переработки шлака на этапе доизвлечения меди [1].

Для приготовления экспериментальных образцов бетона применялся цемент на основе портландцементного клинкера по ГОСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные. Технические условия». В рамках экспериментального исследования в качестве крупного заполнителя использовался щебень из отсевов дробления плотных горных пород по ГОСТ 31424-2010 «Материалы строительные нерудные из отсевов дробления плотных горных пород при производстве щебня. Технические условия» с номинальной максимальной крупностью зерен 12,5 мм. В качестве мелкого заполнителя применялся природный песок по ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия». Состав контрольной смеси был подобран таким образом, чтобы обеспечить достижение прочности на сжатие 28,9 МПа в возрасте 28 сут. Физические характеристики примененных мелких заполнителей в виде природного песка и медного шлака, а также их гранулометрический состав приведены в таблицах 1 - 2.

Таблица 1

Физические характеристики мелких заполнителей

Характеристика	Природный песок	Медный шлак
Истинная плотность, г/см3	2,6	2,9
Насыпная плотность, кг/м3	1450	1680
Водопоглощение, %	1,4	0,2
Модуль крупности (М к )	2,1	2,4
Содержание пылевидных частиц, %	1,2	0,5
Пустотность, %	44	42
Форма частиц	окатанная	угловатая

Таблица 2

Гранулометрический состав мелких заполнителей

Размер сита, мм	Природный песок, %	Медный шлак, %
2,5	5	2
1,25	15	8
0,63	35	28
0,315	70	58
0,16	90	85
< 0,16	100	100

Для оценки влияния медного шлака в составе мелкого заполнителя были разработаны смеси с его частичной или полной заменой, соответствующей содержанию медного шлака в размере 20, 40, 60, 80 и 100 % от массы медного шлака, что является допущением, приближенным к реальной практике заводского изготовления бетонных смесей, где дозаторы работают по массе. При дальнейших исследованиях целесообразно выполнить замену по объему с коррекцией водоцементного отношения. Составы всех исследуемых смесей, а также их количественные характеристики приведены в таблице 3.

Таблица 3 Количественные характеристики бетонных смесей

Наименование смеси	Цемент, кг/м3	Щебень из отсевов, кг/м3	Природный песок, кг/м3	Медный шлак, кг/м3	Вода, л/м3	Медный шлак, %
С-0	291,0	1251,3	698,4	0	189,15	0
С-20	291,0	1251,3	558,72	139,68	189,15	20
С-40	291,0	1251,3	419,04	279,36	189,15	40
С-60	291,0	1251,3	279,36	419,04	189,15	60
С-80	291,0	1251,3	139,68	558,72	189,15	80
С-100	291,0	1251,3	0	698,4	189,15	100

Для проведения испытаний бетона были использованы кубические формы с ребром 100 мм, цилиндрические формы размерами 150 x 300 мм, призматические формы размером 100 x 100 x 400 мм с формованием в соответствии с ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».

Первые сутки образцы выдерживались в условиях лабораторной температуры. Затем извлеченные образцы были помещены в камеру с нормальными условиями твердения. Температурный режим твердения поддерживается на уровне 20±2 °C. Для повышения достоверности результатов каждое испытание было произведено трижды, после чего вычислялось среднее арифметическое значение.

По окончании процесса выдержки образцы подвергались сушке. Оценка предела прочности при сжатии для исследуемых бетонных смесей с добавлением медного шлака выполнялась при помощи гидравлического пресса МС-1000, рассчитанного на усилие до 1000 кН. Усредненные показатели прочности кубов при сжатии представлены в таблице 4.

Модуль упругости исследуемых образцов бетонных смесей определялся в соответствии с ГОСТ 24452-2023 «Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона». Для данного исследования были использованы цилиндрические образцы с размерами 150 x 300 мм, испытание которых проводилось на том же гидравлическом прессе с наращиванием усилия со скоростью 0,3 кН/с. Для определения прочности на растяжение при изгибе были испытаны призматические образцы размером 100 x 100 x 400 мм.

Результаты исследования и их обсуждение

В рамках настоящего исследования определялись показатели плотности, а также способность к впитыванию влаги у медного шлака, природного песка и характерный состав материалов. Согласно полученным данным, удельная масса медного шлака была зафиксирована на уровне 2,9 %, что превышало аналогичный показатель для природного песка, составляющий 2,6 %. Водопоглощение для медного шлака не превышало 0,2 %, тогда как у природного песка данный параметр составлял 1,4 %, как следствие, подвижность смеси закономерно возрастала. Однако при содержании медного шлака более 60 % появлялась склонность к расслаиванию, что можно было объяснить как разницей в плотности компонентов, так и недостатком связующих (табл. 4).

Таблица 4

Технологические свойства бетонных смесей

Наименование смеси	Осадка конуса, см	Расплыв, см	Расслаиваемость
С-0	3,5	38	отсутствует
С-20	4,0	42	отсутствует
С-40	5,0	48	отсутствует
С-60	6,0	53	слабая
С-80	7,0	58	заметная
С-100	8,0	62	выраженная

Анализ результатов, представленных в таблице 4, позволил сделать вывод, что введение медного шлака в качестве замены части песка явно способствовало повышению плотности бетонной смеси по сравнению с составом, содержащим исключительно природный песок. Кроме того, низкая гигроскопичность медного шлака обусловила увеличение объема свободной воды в бетонной смеси при повышении доли этого компонента, как следствие, при высоком содержании медного шлака наблюдалось улучшение подвижности и удобоукладываемо-сти бетонной смеси.

В таблице 5 отражено, как замена природного песка мелкодисперсным медным шлаком сказалась на показателях прочности исследуемых бетонных образцов. В данной таблице приведены усредненные значения кубиковой прочности на сжатие, зафиксированные на сроках твердения 7, 14 и 28 сут соответственно. Для всех исследованных составов прослеживалась закономерность, заключающаяся в том, что с увеличением возраста бетона происходил рост его прочности (рис. 1), включая ее значения на ранних этапах набора.

Таблица 5 Прочность на сжатие бетонных смесей

Наименование смеси	Прочность на сжатие, МПа
	через 7 сут	через 14 сут	через 28 сут
С-0	17,9	24,1	30,3
С-20	26,3	31,4	38,9
С-40	29,1	35,1	41,8
С-60	24,4	32,5	35,8
С-80	21,8	28,4	30,2
С-100	17,7	21,8	24,6

^^^С-0 ^^мС-20 ■■■■С-40 ^^^С-60 ^^^С-80 ^^^С-100

Рисунок 1 – Прочность на сжатие бетонной смеси при различном сроке твердения

Согласно данным таблицы 5, для любого из рассматриваемых сроков твердения полученные результаты прочности сопоставимы с показателями эталонной смеси, содержащей 100 % песка без включения медного шлака, либо превышали их. По мере повышения доли медного шлака в составе фиксировалось увеличение прочности цементного камня на сжатие вплоть до порога замещения в 40 %. При дальнейшем росте содержания шлака прочность начинала снижаться. Наибольшее падение наблюдалось у составов с 80- и 100%-ным замещением, где прочностные характеристики оказались ниже контрольных.

Таким образом, результаты экспериментов показали, что максимальная прочность на сжатие через 28 сут была достигнута у только у смеси с содержанием медного шлака 40 % и составляла 41,8 МПа, тогда как для контрольного состава этот показатель был равен 30,3 МПа.

При этом абсолютный объем мелкого заполнителя изменялся из-за разницы в плотности материалов, ввиду чего при высоких долях замещения (60 % и более) наблюдалось относительное увеличение пустотности смеси, что частично объяснило снижение прочности.

Различия в зерновом составе и форме частиц также напрямую повлияли на плотность укладки смеси. Так, при замене до 40 % улучшилась плотность укладки, а при больших долях была нарушена гранулометрическая непрерывность, что также способствовало снижению прочности.

Самый низкий результат (24,6 МПа) был зафиксирован для смеси, где песок полностью был заменен медным шлаком. Падение прочности при высоком уровне замещения объяснялось избыточным количеством свободной воды в бетонной смеси. В то же время низкая гигроскопичность медного шлака по сравнению с природным песком способствовала повыше- нию прочностных характеристик, что в совокупности определило эффективность работы бетона, несмотря на частичное снижение прочности при высоких дозировках, что наглядно продемонстрировано в таблице 5.

В исследованиях, проведенных М. Алипур и Г. Э. Окольниковой [2], данный вывод получил подтверждение благодаря анализу микроструктурных особенностей бетонных образцов, содержащих медный шлак в различных долях. Увеличение прочности в их работе было связано с замещением 30 % природного песка медным шлаком, что обусловлено его физическими характеристиками. В отличие от песка медный шлак демонстрирует более высокую способность к уплотнению, что способствует снижению локальных концентраций напряжений.

Угловатая форма частиц медного шлака усиливает их взаимодействие с окружающей цементной матрицей. Природный песок благодаря своей шероховатой поверхности изначально обладает хорошими адгезионными свойствами, что обеспечивает надежное сцепление между цементным тестом и крупным заполнителем, но под влиянием природных факторов абразивные характеристики песка ухудшаются, так как частицы приобретают округлую форму, что негативно сказывается на силе сцепления в композиционном материале. Угловатые грани медного шлака напротив позволяют нивелировать данный недостаток природного песка и дополнительно улучшать адгезию в структуре бетонной смеси (рис. 2).

Рисунок 2 – Частицы медного шлака (увеличение ×24)

К числу минусов медного шлака можно отнести стекловидный характер его поверхности, который оказывает влияние на сцепление, так как низкая способность к влагопоглощению приводит к тому, что при повышенном содержании данного материала в бетонной смеси избыток воды не связывается, провоцируя ее излишнюю миграцию. Данное свойство медного шлака способствует образованию внутренних пустот и капиллярных ходов, что отрицательно сказывается на качестве бетонной смеси.

Таким образом, при умеренных дозировках медного шлака положительный эффект от его присутствия способствует росту прочностных показателей бетона, но при превышении порога в 40 % начинается процесс снижения прочности, обусловленный ослаблением адгезионных связей, формируемых данным компонентом.

Значение модуля упругости бетона характеризует угол наклона прямой, проведенной от начала координат до точки, соответствующей напряжению сжатия. Данный показатель отражает способность материала к непрерывному деформированию при каждом цикле нагружения. Прочностные характеристики бетона находятся в прямой зависимости от упругих свойств используемого заполнителя и их объемного соотношения в смеси.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что величина модуля упругости изменяется в зависимости от степени замещения природного песка медным шлаком. При замещении природного песка данным компонентом наблюдается четко выраженная 89

закономерность, что по мере увеличения доли медного шлака до определенного предела происходит рост значений модуля упругости, после чего начинается их снижение.

Для контрольного образца модуль упругости зафиксирован на уровне 29,2 МПа, что соответствует таблице 6.11 СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения». При частичной замене природного песка медным шлаком в объеме 20 и 40 % данный показатель увеличился по сравнению с контрольным образцом на 13,6 и 30 % соответственно. Дальнейшее повышение содержания медного шлака на 60, 80 и 100 % привело к снижению значений модуля упругости относительно эталонного состава на 3, 8 и 15,1 % соответственно (табл. 6).

Таблица 6

Значения модуля упругости бетонных смесей на 28-е сут

Наименование смеси	Модуль упругости, МПа
С-0	29,2
С-20	33,17
С-40	37,96
С-60	28,32
С-80	26,86
С-100	24,79

Определение прочности бетона при изгибе осуществлялось в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Испытания производились на образцах призматической формы (балки) путем нагружения в трех точках по схеме сосредоточенными силами, расположенными симметрично относительно опор.

Анализ результатов испытаний для различных сроков твердения подтверждает, что введение медного шлака в состав бетонной смеси способствует повышению прочностных характеристик при изгибе. Если сравнивать показатели модифицированных составов с эталонным образцом, то фиксируется прирост прочности при 20%-ной добавке на 4,2 %, при 60%-ной на 2,2 %, при 80%-ной на 3 %, при 100%-ной на 4,5 %. Наибольшее увеличение данного показателя отмечено у состава С-40, где прочность при изгибе превысила контрольное значение на 6,2 % (табл. 7).

Значения прочности на изгиб бетонных смесей

Таблица 7

Наименование смеси	Прочность на изгиб, МПа
С-0	3,30
С-20	3,43
С-40	3,50
С-60	3,37
С-80	3,39
С-100	3,44

Заключение

Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что частичное замещение природного песка, используемого в качестве мелкого заполнителя бетонной смеси, медным шлаком является эффективным. Бетон с добавлением медного шлака демонстрирует более высокие прочностные показатели по сравнению с контрольным составом. Использование медного шлака в качестве замены природного песка на 40 % позволяет увеличить прочность на сжатие на 34 % относительно обычного бетона. Значение модуля упругости для бетона с медным шлаком превышает аналогичный показатель для традиционного бетона на 32 %. Применение медного шлака в составе бетонной смеси способствует значительному повышению прочности материала на изгиб. Предварительно можно считать, что экологические риски при содержании шлака до 40 % являются контролируемыми, однако требуется проведение дополнительных исследований в части выщелачивания.

В строительной отрасли бетон занимает ключевое положение, и его механические свойства могут быть улучшены за счет использования медного шлака в качестве частичной замены мелкого заполнителя, что открывает новые перспективы в области производства строительных материалов, позволяя максимально расширить применение композитных составов и создавать более прочные и долговечные конструкции. Целесообразность применения медного шлака в качестве заполнителя во многом определяется местными экономическими условиями. Безусловно, в условиях истощения запасов природных заполнителей внедрение подходящих альтернативных материалов, получаемых из отходов промышленности, следует рассматривать как потенциальное и экономически обоснованное решение.