INVESTIGATION OF THE PROPERTIES OF LIGHTWEIGHT CONCRETES BASED ON THE DEVELOPED EXPANDED CLAY AGGREGATE WITH THE ASSESSMENT OF STRUCTURAL CHANGES IN COMPONENTS VIA IR SPECTROSCOPY

УДК 691.32+691.328

Аннотация

В представленной статье исследованы физико-технические, прочностные и теплоизоляционные характеристики образцов конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов. Данные бетоны изготовлены на основе инновационного керамзитового заполнителя, разработанного из местного природного сырья Республики Каракалпакстан. Для выявления оптимального соотношения компонентов трехкомпонентной шихты «бентонит–базальт–нефтешлам» детально изучены термические свойства исходных материалов, где экспериментально доказана эффективная флюсующая роль Шехжелийского базальта, значительно снижающего общую температуру вспучивания. Глубокие физико-химические изменения в структуре материалов на молекулярном уровне охарактеризованы методом ИК-спектроскопии. Смещение главной полосы валентных колебаний кремнекислородного каркаса с 1004,19 до 1022,82 см⁻¹ убедительно подтверждает процесс аморфизации и формирование прочной стеклофазы при обжиге. Экспериментально обоснована высокая технологическая эффективность применения полученного керамзита: оптимальный состав разработанного бетона демонстрирует марку по средней плотности D1200, класс прочности на сжатие B10, низкую теплопроводность 0,42 Вт/(м·°C) и высокую морозостойкость F50. Предложенный комплексный подход успешно решает актуальную проблему экологически безопасной утилизации промышленных отходов в виде нефтешламов, способствует рациональному сохранению ценных природных ресурсов, снижению энергозатрат и существенному уменьшению углеродного следа в строительной отрасли.

Abstract

This article investigates the physical, technical, and thermal insulation characteristics of structural lightweight concrete based on an innovative expanded clay aggregate from local raw materials of the Republic of Karakalpakstan. To determine the optimal ratio of the "bentonite–basalt–petroleum sludge" batch, the thermal properties of initial materials were studied, experimentally proving the fluxing role of Shekhzheli basalt in significantly lowering the firing temperature. Physicochemical transformations at the molecular level were characterized using IR spectroscopy. The shift of the silicon-oxygen framework's main stretching vibration band from 1004.19 to 1022.82 cm⁻¹ convincingly confirms deep amorphization and the formation of a robust glassy phase during firing. The optimal concrete composition exhibits an average density grade of D1200, compressive strength class B10, thermal conductivity of 0.42 W/(m·°C), and frost resistance F50. This comprehensive approach successfully solves the problem of safely disposing of industrial petroleum sludge, conserves valuable natural resources, and significantly reduces the carbon footprint in the construction industry.

Ключевые слова: керамзит, легкий бетон, насыпная плотность, средняя плотность, прочность на сжатия, водопоглощение, марка по прочности, теплоизоляция.

Keywords: expanded clay, lightweight concrete, bulk density, average density, compressive strength, water absorption, strength grade, thermal insulation

Введение

Современное строительство остро нуждается в материалах, сочетающих конструкционную прочность с высокими теплоизоляционными свойствами, и керамзитобетон оптимально отвечает этим критериям [1]. Важнейшим вектором развития его производства становится использование местной сырьевой базы и промышленных отходов для получения вспученных заполнителей, соответствующих современным требованиям строительной индустрии. Введение углеводородсодержащих нефтешламов в качестве внутреннего энергоносителя и порообразователя не только снижает температурные параметры обжига, но и решает проблему экологически безопасной утилизации опасных отходов. Подобный комплексный подход позволяет минимизировать техногенное воздействие на биосферу и существенно сократить углеродный след отрасли. Исходя из вышеизложенного, целью настоящей работы является исследование физико-технических и прочностных свойств лёгких бетонов, изготовленных на основе разработанного энергоэффективного керамзитового заполнителя из местного сырья Республики Каракалпакстан, а также оценка физико-химических изменений в структуре компонентов на молекулярном уровне методом ИК-спектроскопии. Для достижения цели оптимизирован состав шихты «бентонит–базальт–нефтешлам» с обоснованием флюсующей роли базальта, методом ИК-спектроскопии изучены структурные изменения при обжиге керамзита, а также разработан и испытан конструкционно-теплоизоляционный легкий бетон на его основе.

Материалы и методы исследований

Производство легкого конструкционно-теплоизоляционного бетона осуществлялось в соответствии с требованиями ГОСТ 25820-2021. В качестве крупного заполнителя применялся разработанный керамзит, полученный на основе композиции «бентонит-базальт-нефтешлам» и соответствующий требованиям ГОСТ 9758-2012. Использовались фракции заполнителя 5–10 мм и 5–20 мм. Вяжущим служил портландцемент марки М400. Бетонная смесь готовилась в лабораторном смесителе с последующим формованием контрольных образцов (серия по 3 куба 100×100×100 мм) на виброплощадке и их твердением в течение 28 суток в нормально-влажностных условиях [1-2].

Определение предела прочности при сжатии осуществлялось с применением универсальной гидравлической испытательной машины марки ALFA TEST H 1000. Оценка ключевых свойств керамзитобетона включала определение водопоглощения, средней плотности, механической прочности при сжатии, а также коэффициента теплопроводности стационарным методом с использованием прибора ИСА-1. Морозостойкость определялась по ГОСТ 10060-2012 [2].

Для исследования структуры и оценки физико-химических изменений компонентов применялся метод ИК-спектроскопии. Запись спектров пропускания выполнялась на фурье-спектрометре iS50 Thermo Fisher Scientific в частотном диапазоне 4000…400 см⁻¹ со спектральным разрешением до 0,1 см⁻¹. Исследуемые пробы (исходная композиция, синтезированный керамзит и фрагменты цементного камня) готовились методом прессования таблеток с бромидом калия.

Результаты и обсуждение

Для обоснования физико-химических процессов, протекающих при обжиге, были исследованы термические свойства чистого исходного сырья. Установлено, что тугоплавкий Ходжакульский бентонит переходит в пиропластическое состояние при высоких температурах: интервал его плавления составляет 1198–1250 °C [5-6]. В свою очередь, Шехжелийский базальт является значительно более легкоплавким компонентом, температуры начала и конца плавления которого лежат в пределах 1095–1186 °C данные приведены в табл. 1.

Таблица 1. Температура плавления исходных компонентов шихты, °C

Выявленная разница в термических характеристиках экспериментально подтверждает роль базальтовой породы в составе композиции как эффективного флюса. Присутствие более легкоплавкого базальта инициирует раннее появление жидкой фазы силикатного расплава и существенно снижает общую температуру вспучивания разрабатываемого керамзитового заполнителя. Шихтовый состав и температура плавления шихты показаны в табл.2

Таблица 2. Шихтовые составы и температуры плавления

Как следует из данных табл.2 температурный интервал плавления исследуемых шихтовых составов находится в диапазоне 1088–1180 °C. С увеличением содержания базальта от 5 до 50 мас. % температуры начала и конца плавления закономерно снижаются, что свидетельствует о флюсующем действии базальтового компонента и расширяет технологический интервал обжига керамзита [3-4]. При дальнейшем увеличении доли базальта свыше 35 мас. % наблюдается незначительное повышение температуры плавления, что может быть связано с изменением соотношения кислотно-основных оксидов в расплаве. Основные физико- механические характеристики разработанного керамзита на основе шихтовых составов, приведены в табл.3.

Таблица-3. Физико-механические свойства разработанного керамзитового заполнителя

Установлено, что с увеличением содержания базальта повышаются насыпная плотность и прочность керамзитового заполнителя, а водопоглощение постепенно снижается вследствие уплотнения структуры гранул. Наиболее высокие значения коэффициента вспучивания получены у составов ББШ-2 и ББШ-3 — 3,65 и 3,55 соответственно, что связано с оптимальным содержанием базальта 10–15 мас. %, обеспечивающим образование жидкой силикатной фазы при сохранении необходимой вязкости расплава. При дальнейшем увеличении доли базальта коэффициент вспучивания снижается до 2,10, так как избыток флюса чрезмерно разжижает расплав, способствует выходу газов и уменьшению закрытой пористости. Поэтому технологически оптимальными признаны составы ББШ-2 и ББШ-3. Для оценки физико-химических процессов, происходящих при обжиге шихты, были исследованы ИК-спектры исходной композиции и керамзитового материала, полученного после термической обработки (рис. 1 и 2).

Рисунок 1. ИК-спектр исходной шихты для получения керамзита

В спектре необожженной исходной шихты наиболее интенсивная характеристическая полоса поглощения зафиксирована при 1004,19 см⁻¹. Данная полоса обусловлена асимметричными валентными колебаниями мостиковых связей Si–O–Si и Si–O–Al, которые характерны для кристаллической решетки слоистых алюмосиликатов бентонита, а также минералов базальта. Полоса поглощения при 419,27 см⁻¹ относится к деформационным колебаниям кремнекислородных тетраэдров (O–Si–O и O–Al–O). Малоинтенсивный пик при 2103,98 см⁻¹, вероятно, обусловлен присутствием следовых углеводородных групп органических составляющих нефтешлама или адсорбированными компонентами [7].

Рисунок 2. ИК-спектр керамзитового заполнителя после термической обработки

После высокотемпературной обработки (вспучивания) в структуре материала происходят кардинальные изменения, что отчетливо фиксируется в ИК-спектре полученного керамзита. Главная полоса валентных колебаний кремнекислородного каркаса претерпевает значительное смещение в высокочастотную область — с 1004,19 см⁻¹ до 1022,82 см⁻¹. Такое смещение (на ~18 см⁻¹) является классическим индикатором глубокой деструкции кристаллической решетки исходных глинистых минералов процесса дегидроксилации, аморфизации структуры и активного образования стекловидного силикатного расплава стеклофазы. Именно эта стекловидная фаза, обильное формирование которой инициируется флюсующим действием базальта, обволакивает поры и обеспечивает монолитность и прочность стенок обожженного керамзита [7].

Кроме того, смещение полосы деформационных колебаний с 419,27 до 441,83 см⁻¹ подтверждает структурную перестройку и поликонденсацию алюмосиликатной матрицы в процессе силикатообразования. Таким образом, данные ИК-спектроскопии на молекулярном уровне доказывают успешность протекания процессов стеклообразования при выбранных температурных режимах.

На основании комплексной оценки физико-механических характеристик и результатов ИК-спектроскопического анализа установлена перспективность применения керамзитового заполнителя серий ББШ-2 и ББШ-3 в качестве крупного заполнителя для получения конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов. Разработанный состав конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона представлен в таблице 4.

Таблица 4. Расход компонентов на 1 м³ легкого бетона

В составах лёгких бетонов применялись гранулы керамзитового заполнителя фракций 5–10 и 5–20 мм. Использование фракции 5–20 мм соответствует требованиям ГОСТ 25820-2021 и было предусмотрено для оценки возможности получения более лёгкого теплоизоляционного состава. По результатам сравнительного анализа оптимальным признан состав ББШБ-1 на фракции 5–10 мм, обеспечивающий наиболее рациональное сочетание средней плотности D1200, класса прочности B10, коэффициента теплопроводности 0,42 Вт/(м·°C) и морозостойкости F50.

Такой баланс компонентов позволяет сформировать оптимальное водоцементное отношение, гарантируя требуемое сочетание конструкционной прочности и высоких теплоизоляционных свойств керамзитобетона при рациональном расходовании сырьевых ресурсов. Физико-технические характеристики бетонов приведены на табл.5.

Tаблица 5. Физико-технические характеристики разработанных легких бетонов (ГОСТ 25820-2021)

Результаты испытаний образцов ББШБ-1, ББШБ-2 и ББШБ-3 свидетельствуют о том, что средняя плотность разработанных составов варьируется в диапазоне D1100–D1300 кг/м³, что соответствует категории конструкционно-теплоизоляционных лёгких бетонов. На основании анализа состава и свойств установлено, что состав ББШБ-1 является оптимальным для получения конструкционно-теплоизоляционного легкого бетона [8-10].  Применение керамзитового заполнителя фракции 5–10 мм и керамзитового песка обеспечивает формирование однородной структуры при снижении расхода цемента. Бетон характеризуется показателями D1200, B10, теплопроводностью 0,42 Вт/(м·°C) и морозостойкостью F50, что соответствует требованиям ГОСТ 25820-2021 и подтверждает эффективность его применения. Полученные выше данные подтверждает целесообразность применения керамзита на основе трёхкомпонентной шихты «бентонит–базальт–нефтешлам» в качестве эффективного заполнителя для производства конструкционно-теплоизоляционных лёгких бетонов.

Заключение

По результатам исследование доказана высокая эффективность использования местного сырья Республики Каракалпакстан бентонита и базальта совместно с нефтешламами для производства пористого заполнителя. Установлено, что базальтовый компонент действует как флюс, инициируя раннее образование жидкой фазы и снижая температуру вспучивания. Оптимальные составы керамзита ББШ-2 и ББШ-3 обеспечивают высокую долю закрытой пористости, марку по плотности М700 и прочность П150 при водопоглощении не более 16,5 %, вспучиваемость оптимальных составов керамзита составил 3,65 и 3,55 раз, что полностью отвечает требованиям ГОСТ 32496-2013. Разработанный на базе данного заполнителя конструкционно-теплоизоляционный легкий бетон ББШБ-1 при экономичном расходе цемента обладает плотностью D1200, классом прочности B10, теплопроводностью 0,42 Вт/(м·°C) и морозостойкостью F50, полностью отвечая требованиям ГОСТ 25820-2021. Методом ИК-спектроскопии доказано, что в процессе термообработки происходит направленная структурная перестройка минеральных компонентов: смещение полосы валентных колебаний кремнекислородного каркаса с 1004,19 см⁻¹ до 1022,82 см⁻¹ подтверждает полную аморфизацию структуры с образованием прочной стекловидной фазы, обеспечивающей высокие эксплуатационные характеристики заполнителя.

Предложенная технология утилизации нефтешламов позволяет получить качественный энергоэффективный материал для ограждающих конструкций, одновременно снижая энергозатраты на обжиг и углеродный след строительной отрасли. Полученные характеристики соответствуют категории теплоизоляционно-конструкционных лёгких бетонов и свидетельствуют о перспективности применения керамзита на основе местного сырья Республики Каракалпакстан в качестве заполнителя для лёгких бетонов конструкционного назначения.

Список литературы:

1. ГОСТ 25820-2021 Бетоны легкие. Технические условия
2. ГОСТ 10060-2012 Бетоны. Методы определения морозостойкости
3. ГОСТ 32496-2013 Заполнители пористые для лёгких бетонов. Технические условия.
4. ГОСТ 9758-2012. Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия.
5. Турганбаев Б.Б., Кадырова З.Р., Пурханатдинов А.П., Калбаев Б.А. Перспективы использования бентонита в производстве легких керамических заполнителей // UNIVERSUM Технические науки. 2025. № 7 (136). С. 39–41.
6. Турганбаев Б.Б., Кадырова З.Р., Эминов А.А. Использование нефтешлама в бентонитовой массе для получения пористых керамических материалов // Научно-практический журнал архитектуры, строительства и дизайна. 2026. № 1. С. 330–333.
7. Плюснина И. И. Инфракрасные спектры силикатов. М.: МГУ, 1967. 192 с.
8. Аристов Е. А. Высокофункциональный пористый заполнитель на основе средневспучиваемых глин // Строительные материалы. – 2020. – № 1-2. – С. 58–63.
9. Стороженко Г. И. Физико-химические процессы формирования пористой структуры керамзита при использовании корректирующих добавок // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2019. – № 4 (724). – С. 34–42.
10. Горин В. М. Применение керамзитобетона в строительстве – путь к энерго- и ресурсоэффективности, безопасности зданий и сооружений // Строительные материалы. – 2010. – № 8. – С. 8–10.

References:

1. GOST 25820-2021. [Lightweight concretes. Specifications]. (In Russ.)
2. GOST 10060-2012. [Concretes. Methods for determining frost resistance]. (In Russ.)
3. GOST 32496-2013. [Porous aggregates for lightweight concretes. Specifications]. (In Russ.)
4. GOST 9758-2012. [Artificial porous gravel, crushed stone and sand. Specifications]. (In Russ.)
5. Turganbaev B.B., Kadyrova Z.R., Purkhanatdinov A.P., Kalbaev B.A. [Prospects for the use of bentonite in the production of lightweight ceramic aggregates]. UNIVERSUM Tekhnicheskie nauki, 2025, no. 7 (136), pp. 39–41. (In Russ.)
6. Turganbaev B.B., Kadyrova Z.R., Eminov A.A. [Use of petroleum sludge in bentonite mass for obtaining porous ceramic materials]. Nauchno-prakticheskiy zhurnal arkhitektury, stroitel'stva i dizayna, 2026, no. 1, pp. 330–333. (In Russ.)
7. Plyusnina I.I. [Infrared spectra of silicates]. Moscow, MGU Publ., 1967. 192 p. (In Russ.)
8. Aristov E.A. [Highly functional porous aggregate based on medium-expanding clays]. Stroitel'nye materialy, 2020, no. 1-2, pp. 58–63. (In Russ.)
9. Storozhenko G.I. [Physicochemical processes of expanded clay porous structure formation when using corrective additives]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Stroitel'stvo, 2019, no. 4 (724), pp. 34–42. (In Russ.)
10. Gorin V.M. [Application of expanded clay concrete in construction as a path to energy and resource efficiency, safety of buildings and structures]. Stroitel'nye materialy, 2010, no. 8, pp. 8–10. (In Russ.)