Д-р техн. наук, проф. Лесовик В.С., к.т.н. Голиков В.Г., аспирант Дегтев Ю.В.

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Россия

МАЛЫЕ АРХИТЕКТУРНЫЕ ФОРМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

В настоящее время, одним из приоритетных направлений развития России, а также одним из способов выхода страны из экономического кризиса являются возрастающие объемы промышленного и гражданского строительства. Строительство дает толчек развитию смежных отраслей: производство строительной техники, стройматериалов, металлоконструкций, химии и т.д. Рост жилищного строительства говорит об увеличении доходов населения, платежеспособном спросе на жилье. В таблице 1 показано объем построенного жилья из расчета количество м² на одного проживающего в стране человека.

Таблица 1

Количество м² жилой площади на одного человека

Страна на 1 чел. м^2	Норвегия	США	Германия	Франция	Китай	Россия
	74	70	50	43	27	20

В России на протяжении последних лет продолжается увеличение темпов строительства. Расширяются города. Поблизости с городами растут коттеджные поселки, малоэтажное строительство развивается достаточно высокими темпами. Наряду с традиционным для России возведением кирпичных и деревянных коттеджей востребованы новые технологии коттеджного строительства малоэтажных зданий с применением современных строительных материалов.

Малые архитектурные формы (МАФ) - это отдельная часть архитектурного проектирования, небольшие сооружения, функциональные и эстетичные, гармонично вписывающиеся в интерьер. Каждый элемент здесь играет свою роль и имеет свое место. [3]

Разработан широкий спектр МАФ различного архитектурного дизайна и назначения, которые подразделяются на категории показанные на рисунке 1.

Рисунок 1 – Категории МАФ

Основные требования к малым архитектурным формам - эксплуатационная долговечность, удобство и соответствие дизайну благоустраиваемой территории в целом или отдельными элементами, при желании использовать эффект контрастного акцентирования.

Для повышения эффективности взаимодействия системы человека и среды его обитания, необходимо расширять номенклатуру и колоритность архитектурных форм. С целью недопущения повышения цен на МАФ, при его создании актуально будет использовать местное сырье и промышленные отходы. Для получения малых форм, а также снижения себестоимости строительных материалов, необходимых для создания МАФ, необходимо использовать последние достижения в области строительного материаловедения; техногенное сырье; композиционные вяжущие, получаемые совместным помолом цемента марки ЦЕМ I 42,5Н; отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов или шлаков; в качестве заполнителя - попутно добываемые вскрышные породы, попадающиеся при разработке карьера железных руд; отходы дробления горных пород на щебень и т.д.. [6,7] Чтобы снизить себестоимости строительных материалов используется техногенное сырье.

Решение этой актуальной проблемы возможно на основе расширения сырьевой базы каменных материалов, пригодных для производства заполнителя. Значительные запасы попутно добываемых горных пород, которые наиболее актуальны и могут служить исходным сырьем для создания МАФ, сосредоточены в месторождениях Курской магнитной аномалии (КМА).

Опыт использования щебня из попутно добываемых пород Белгородской области хорошо известен и обстоятельно изложен в трудах ученых и специалистов БГТУ им В.Г. Шухова. [8]

Щебень КМА из кварцитопесчаника обладает высоким качеством, не уступая по важнейшим показателям граниту, а по ряду свойств даже превосходит его, и может быть рекомендован как альтернатива гранитному щебню в качестве заполнителя в бетонных и железобетонных изделиях и конструкциях. Кроме того, огромные потребности в строительном щебне будут стимулировать долговременную и крупномасштабную организацию производства щебня КМА, ускоряя тем самым процесс утилизации попутно добываемых отходов и улучшая экологическую обстановку в бассейне.

Курская магнитная аномалия (КМА) - крупнейший в РФ железорудный бассейн. КМА прослеживается по территории 9 областей РФ, имея длину 850 км при ширине до 200 км. Здесь разведано 18 месторождений железа с запасами железистых кварцитов и богатых железных руд. КМА в своих недрах помимо железных руд содержит высококачественные бокситы, флюсовое и формовочное сырье, огнеупоры, стекольное сырье, строительные материалы, цементное, агрохимическое, химическое сырье и т.д. В зонах локализации железных руд присутствуют промышленные содержания золота, платины и платиноидов, меди, никеля, кобальта, хрома, редких и радиоактивных элементов. Таким образом, зону КМА можно рассматривать как фундамент минерально-сырьевой безопасности нашей страны.

Из скальных горных пород принимающих участие в геологическом строении КМА, наиболее ценным сырьем для получения заполнителя бетонов являются кварцитопесчаники, далее идут кварцевые порфиры, диоритовые парфериты, амфиболиты и сланцы.

Кварцитопесчаники (КП) представляют собой серую с различными оттенками почти мономинеральную породу массивной текстуры. Структура в основном мелкозернистая, с размером зерен 0,02-2,0 мм. В пределах разведанных участков кварцитопесчаники характеризуются постоянством минерального состава и высокой прочностью.

Породообразующим минералом является кварц. По данным химического и гранулометрического анализа, содержание кварца составляет 73.4...96 %., в среднем - 86.24%. Остальные минеральные материалы представлены мусковитом, биотитом, реже хлоритом, фукситом, альбитом, калиевым полевым шпатом. Их содержание иногда достигает 10...20 %.Химический состав КП (средний) в % SiO2-90.0, TiO2-0.27, Al2O3- 2.39, Fe2O3-2.16, FeO-1.58, MgO-1.34, CaO-0.89, Na2O+K2O-0.69, P2O5-0.11, S-0.06. Органические вещества отсутствуют.

Анализ результатов физико-механических испытаний кварцитопесчаников месторождения КМА свидетельствует об их высоком качестве. Средняя плотность - 2650 кг/м3, водопоглощение - 0.10 %, пористость - 0.91 %, временное сопротивление сжатию в водонасыщенном состоянии - 141.2 МПа, содержание серы в целом по месторождению, в пересчете на SO3 - 0.18 %. Щебень из кварцитопесчаников, не подвергшихся выветриванию, отличается высоким качеством, не уступая по важнейшим показателям гранитному, а по ряду свойств даже превосходя его.

Основное количество отсева дробления составляет фракция 2,5...5 мм, причем максимальный ее выход наблюдается у кварцевых порфиров (45%), минимальный – у амфиболитов (34%). Содержание фракции менее 0,14мм изменяется в пределах 11...18%, . Наиболее целесообразным представляется разделение отсева на три фракции: 2...5, 0,63...2 и менее 0,63 мм

Фракция 0,63...2 мм может служить укрупняющей добавкой к местным пескам, применяемым в качестве мелких заполнителей бетона, что будет способствовать экономии цемента. Отметим также, что отсев с размером зерен менее 0,63 мм наиболее пригоден для производства автоклавных силикатных изделий.

Важной характеристикой отсева дробления является пустотность. С увеличением размера зерен заполнителя пустотность уменьшается с 60% (54% в виброуплотненном состоянии) у фракции менее 0,14 мм до 49% (42%) у фракции 1,25...2,5 мм. Увеличение пустотности фракции 2,5...5 мм до 51% в водонасыщенном и до 44% в виброуплотненном состоянии обусловлено повышенным содержанием в крупных фракциях отсева зерен удлиненной и игловидной формы.

Наиболее ценными для применения в производстве мелкозернистого бетона является отсев из кварцитопесчаников; пески; отходы ММС и сланцы.

Коэфициент качества песка (таблица 2), попадающий в зону горных пород, зависит от его положения в системе классификации.

Таблица 2

Свойства техногенных и природных песков и мелкозернистого бетона в зависимости от вида песка

Наименование заполнителя	Мкр	Цементопотребность, %	Водопотребность, %	Rсж, МПА	Коэфициент качества песка (КПП)
Отсев дробления кварцитопесцанника (КВП) фракции 0,315-5 мм	4,7	0,5	6,5	32,5	1,75
Отсев дробления гранита	3,3	0,71	7,8	30,6	1,6
Отсев дробления КВП	3,7	0,95	8,5	23,6	1,27
Отходы ММС	0,8	1,96	21	6,1	0,33
Отходы ОАО	2,93	0,96	10,85	4,83	0,26

Был установлен характер зависимости структурно-текстурных характеристик скальных пород различного генезиса на гранулометрии отсева дробления фракции 0-5 мм. Высококачественный техногенный песок образуется при дроблении средне- и крупнозернистых магматических и метаморфических скальных пород равномернозернистой структуры и массивной текстуры. Существенно снижаются качественные показатели у пород мелко- и тонкозернистой структуры особенно осадочного генезиса и у пород анизотропной текстуры.

Отходы мокрой магнитной сепарации (ММС) железистых кварцитов по химико-минералогическому составу близки к слаборудным кварцитам. Породообразующий минерал – кварц (более 60%), далее магнетит и гематит (до 8 %), роговая обманка, оксиды железа, пирит. [7,8] Химический состав отходов ММС также отличается повышенным содержанием оксидов железа. Отходы ММС. Их нельзя рассматривать как щебень, а лишь как техногенный песок, до 25 млн. тонн которого ежегодно складируется в хвостохранилища.

Отходы ММС представляют собой ценное сырье для получения строительных материалов широкой номенклатуры. При их повторном обогащении может быть получен железорудный концентрат, а из вторичных «хвостов» обогащения стеновые, теплоизоляционные и акустические материалы автоклавного твердения.

Таким образом отсевы дробления кварцитопесчаников КМА и «хвосты» ММС имеют разнообразный минералогический состав (кроме кварца, наблюдается большое содержание шпатов, слюд, рудных минералов). Форма зерен (кварца, так и других минералов) достаточно развита: имеются многочисленные сколы поверхностей, заостренные и выщербленные места. Эта особенность способствует слипанию частиц при прессовании или виброуплотнении в прочный монолит (по принципу зацепления). И, наконец, присутствующие, помимо кварца, минералы способны самостоятельно участвовать в гидротермальных реакциях с вяжущим, образуя соединения и внося тем самым свой вклад в формирование структуры новообразований.

Установлено, что повышение шероховатости поверхности и особенно лещадная форма зерен повышает пустотность песчаных фракций. Степень уплотнения зерен при вибрации не зависит от формы зерен, но зависит от шероховатости. Более уплотняются при вибрации зерна с остроугольной формой.

Вид мелкого заполнителя, его зерновой состав, чистота, крупность и величина сцепления с цементным камнем оказывают влияние на прочность раствора. Например, применение дробленых, крупных, прочных, полифракционных карбонатных песков с минимальной пустотностью обеспечивает более высокую прочность раствора.

Для оценки качества заполнителя мелкозернистого бетона были разработаны составы бетонных смесей, при этом подвижность и соотношение заполнителя и вяжущего было постоянным. В качестве вяжущего применяется портландцемент и ВНВ, а заполнителем являются фракционированный отсев дробления КВП.

Проведенные испытания бетонных смесей и бетонов на отходах дробления из кварцитопесчаника КМА, с целью определения возможностей и эффективного применения отходов дробления КМА в качестве заполнителя для бетонов при производстве МАФ показали, что щебень из кварцитопесчаника КМА не приводит к изменению или ухудшению технологических свойств бетонных смесей.

Применение щебня из кварцитопесчаника КМА не оказывает негативного влияния на характеристики поровой структуры бетона. Незначительное увеличение показателей объемного водопоглощения и средней крупности пор может быть связано с неоптимальным зерновым составом крупного заполнителя, для устранения которого следует увеличить относительное содержание мелкой фракции в смеси заполнителей и, возможно, сократить относительное содержание зерен лещадной формы.

Использование щебня из кварцитопесчаника КМА в качестве заполнителя бетонов классов не ухудшает их физико-механические свойства, как призменная прочность, прочность на растяжение при изгибе и начальный модуль упругости, по сравнению с другими отходами дробления.

Применение щебня из кварцитопесчаника КМА обеспечивает тот же уровень долговечности бетона - морозостойкости и водонепроницаемости, что и гранитный щебень. Результаты химического анализа щебня из кварцитопесчаника КМА свидетельствуют об отсутствии в нем вредных примесей, вид или количество которых способны вызвать снижение прочности и долговечности, а также внутреннюю коррозию бетона. Совокупность полученных экспериментальных данных позволяет рекомендовать отходы дробления из кварцитопесчаника КМА в качестве заполнителя для мелкозернистых бетонов для производства МАФ.

Для снижения себестоимости строительных материалов используется техногенное сырье [1,2,3].

Для достижения стилевого единства между архитектурой и дизайном, а также стремление отойти от эстетического однообразия крупнопанельных зданий и типовых макрорайонов, районов коттеджного строительства потребуется большое количество малых архитектурных форм на основе современных строительных материалов, которые приводят окружающее пространство к нужной стилистике и настроению. [3] Декоративные элементы, органично вписанные в ландшафт сада, не только украшают его, но и несут глубокий смысл, способствуя оптимизации системы «Человек-материал-среда обитания». [1,4,5]

Литература:

1. Лесовик В.С. Геоника. Предмет и задачи / В.С. Лесовик – Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. – 214 с.

2. Боженов П.И. Использование попутных продуктов обогащения железных руд в строительстве на Севере / П. И. Боженов. - Л.: Стройиздат, 1986. - 176 с.

3. Николаевская И.А. Благоустройство территорий / И.А. Николаевская. – М.: Академия Мастерство, 2002. – 268 с.

4. Лесовик В.С. Генетические основы энергосбережения в промышленности строительных материалов // Изв. вузов. Строительство, № 7, 8. – Новосибирск, 1994. – С. 96–100.

5 Лесовик В.С. Снижение энергоемкости производства строительных материалов за счет использования энергетики геологических и техногенных процессов 18. Ibaus. Internationale Baustofftagung. - Weimar, 2012

6. Высокопрочный мелкозернистый фибробетон с нанодисперсным модификатором / В.С. Лесовик, К.С. Ракитченко, Д.М. Сопин // НТЖ «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова». № 2. – Белгород: из-во БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2010. - с. 59-61.;

7. Гранулированные шлаки в производстве композиционных вяжущих / В.С. Лесовик, М.С. Агеева, А.В. Иванов // НТЖ «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова». № 3. – Белгород: из-во БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2011. - с. 29-32.

8. Гридчин А.М., Королев Н.В., Шухов В.Н. Вскрышные породы КМА в дорожном строительстве.- Воронеж: Центрально-Ченоземное кн. издательство, 1983 - 95 с.; Лесовик В.С. Строительные материалы из отходов горнорудного производства Курской магнитной аномалии: Учебное пособие. - М. - Белгород: Изд-во АСВ, 1986 - 155 с

9. Лесовик Р.В. Мелкозернистые бетоны для дорожного строительства с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов. Дисс.... к.т.н., – Белгород, 2002.- 207 с.