СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ГРАНИТНОГО ЩЕБНЯ С РАЗЛИЧНОЙ МАРКОЙ ДРОБИМОСТИ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ВЫСОКОПРОЧНОМ БЕТОНЕ

АННОТАЦИЯ

Проведена сравнительная оценка гранитного щебня марок дробимости М1400 и М800 для применения в высокопрочном бетоне. Для качественной идентификации фаз использован рентгенофазовый анализ (XRD). Установлено доминирование кварца (Qz) и полевых шпатов (Fsp) в обоих образцах при наличии слоистого компонента (Mica), проявляющегося в низкоугловой области. Показано, что XRD не определяет марку дробимости напрямую, однако позволяет минералогически обосновать потенциальные причины различий механического поведения заполнителя и сформировать рекомендации по входному контролю заполнителя для высокопрочных бетонных смесей.

ABSTRACT

The M1400 and M800 granite grit compaction marks for use in high-strength concrete have been compared. X-ray phase analysis (XRD) is used for the qualitative identification of phases. The dominance of quartz (Qz) and field shears (Fsp) was found in both samples when there is a layered component (Mica), manifesting in the low-angle area. It is shown that XRD does not directly determine the pulverization mark, but allows to minerally substantiate potential causes of different mechanical behavior of filler and form recommendations for input control of filler for high-strength concrete mixtures.

Ключевые слова: гранитный щебень; марка дробимости; высокопрочный бетон; XRD; кварц; полевые шпаты; слюды; ITZ.

Keywords: granite rubble; crushing grade; high-strength concrete; XRD; quartz; field spuds; slurries; ITZ.

Введение

Высокопрочный бетон (HSC) характеризуется низким водоцементным отношением, высокой плотностью структуры и повышенной чувствительностью к качеству заполнителя. При росте прочности матрицы происходит смена механизма разрушения: трещины всё чаще развиваются через контактную зону «цементный камень–заполнитель» (ITZ) либо по зерну заполнителя [1], [2]. В таких условиях сопротивление заполнителя разрушению может ограничивать достижимую прочность и долговечность.

В отечественной практике сопротивление разрушению оценивается по марке дробимости и связанным физико-механическим показателям, регламентированным стандартами на щебень и методы испытаний [3], [4]. В международной практике применяются испытания сопротивления фрагментации (в частности, метод Los Angeles), позволяющие оценивать деградацию зерна при ударно-истирающих воздействиях [5]–[7]. Для высокопрочных бетонов деградация заполнителя критична также из-за роста доли мелочи, влияния на реологию смеси, водопотребность и воспроизводимость прочности [3], [4], [8].

Минералогический состав гранитных заполнителей обычно представлен кварцем и полевыми шпатами, формирующими жёсткий кристаллический «каркас».

Однако граниты могут содержать слюды и другие слоистые силикаты. Для высокопрочных составов они рассматриваются как потенциальный фактор риска из-за спайности и возможности формирования локальных плоскостей ослабления в зерне и/или в ITZ, особенно при наличии дефектов и микротрещиноватости [8]–[10].

Рентгенофазовый анализ (XRD) применяется для качественной идентификации кристаллических фаз и подтверждения гранитной природы заполнителя.

XRD не определяет марку дробимости напрямую, но позволяет выявить наличие слоистых и вторичных фаз и дать минералогическое обоснование различий механического поведения в дополнение к результатам механических испытаний [9], [10].

Цель работы — сопоставить гранитный щебень М1400 и М800 по данным XRD и оценить их применимость в высокопрочном бетоне.

Задачи: (1) идентифицировать основные фазы и диагностические пики; (2) сравнить выраженность фаз Qz/Fsp и наличие Mica; (3) обсудить технологические последствия для высокопрочных бетонных смесей и входного контроля заполнителя.

Таким образом, совокупность нормативных требований, результатов исследований по морфологии частиц, подходов к прогнозированию дробимости и данных о влиянии технологии производства щебня подтверждает: выбор марки дробимости и минералогического состава гранитного заполнителя является критически важным этапом при проектировании высокопрочного бетона. Более высокие показатели сопротивления разрушению, как правило, ассоциируются с ростом прочности и долговечности бетонных композитов, тогда как заполнители с более низкой устойчивостью требуют усиленного контроля по деградации, водопоглощению и содержанию мелочи [3], [4], [5]–[7].

С позиций прикладной инженерии интерес представляют результаты по использованию гнейсогранитного щебня для получения высокопроизводительных мелкозернистых (в том числе наноструктурированных) бетонов.

Показано, что при грамотном сочетании современной строительной химии и тонкодисперсных добавок возможно получение высоких значений прочности даже при использовании заполнителей ограниченной прочности, однако при этом возрастает требовательность к стабильности качества заполнителя и контролю деградации [15].

Технология производства щебня и режимы дробления также вносят вклад в формирование дробимости и устойчивости к деградации.

Практические руководства по дроблению и грохочению подчёркивают влияние выбора схемы дробления, классов прочности материала, а также ударной стойкости оборудования на гранулометрический состав продукта и вероятность образования дополнительной мелочи [13].

Отдельное направление связано с прогнозированием дробимости по косвенным индикаторам. O. Y. Toraman и соавт. предложили использовать индекс ударной прочности (impact strength index) в качестве предиктора дробимости горных пород, что позволяет оперативно оценивать пригодность заполнителей для высоконагруженных применений на стадии входного контроля [12].

Экспериментальные исследования последних лет показывают, что не только «средняя прочность» камня важна, но и его морфология.

Так, в работе C. Liu и соавт. показано, что характеристики формы частиц и параметры деформации гранитного щебня при сжатии существенно влияют на характер дробления и кривые «напряжение–деформация», что следует учитывать при подборе заполнителя для смесей с высокими уровнями напряжений [11].

Нормативная база связывает марку дробимости с прочностными характеристиками щебня и, следовательно, с потенциальной несущей способностью бетона. В частности, методики оценки прочности и разрушения щебня и его классификация регламентируются отечественными стандартами, включая ГОСТ 8269.0–97 [4]. В зарубежной практике требования к крупному заполнителю также задаются спецификациями, где фиксируются критерии качества и допуска по фракциям и показателям пригодности для конструкционных бетонов [14].

Сравнительная оценка гранитного щебня с различной маркой дробимости для применения в высокопрочном бетоне активно развивается в современной литературе. Авторы подчёркивают, что дробимость заполнителя выступает одним из ключевых параметров, влияющих на прочность, деформативность и эксплуатационную надёжность бетона, особенно при переходе к высокопрочным составам, где возрастает доля разрушений по заполнителю и/или по ITZ [1], [2].

Материалы и методы

Объектами исследования являлись два образца гранитного щебня с марками дробимости М1400 и М800. Для каждого образца использованы рентгенограммы и числовые данные зависимости интенсивности от угла 2θ.

XRD-интерпретация выполнена качественно по положениям пиков 2θ с использованием диагностических отражений кварца (Qz), полевых шпатов (Fsp) и слюдистых фаз (Mica). Учитывалось влияние подготовки порошковой пробы (предпочтительная ориентировка, крупность, микропоглощение), поэтому сравнение выполнено по признакам «наличие/выраженность» без количественного фазового анализа (например, по Ритвельду) [9], [10].

Для разметки использованы ключевые области: ~8.8–9.0° (Mica), ~26.6–26.8° (главный пик Qz), группы Fsp в областях ~27.3–28.2° и ~30–32°, а также подтверждающие отражения Qz в областях ~36.5°, ~50°, ~60° и ~68°.

Результаты

Оба образца демонстрируют типичный гранитный фазовый состав: доминируют кварц (Qz) и полевые шпаты (Fsp), присутствует слоистый компонент (Mica) в низкоугловой области. Разметка пиков представлена на рисунках 1–3.

Рисунок 1. XRD щебня М800 с проставленными пиками и метками фаз (Qz, Fsp, Mica)

Рисунок 2. XRD щебня М1400 с проставленными пиками и метками фаз (Qz, Fsp, Mica)

Рисунок 3. Наложение XRD-графиков щебня М1400 и М800 (нормированная интенсивность; метки фаз: Qz, Fsp, Mica)

Диагностические пики, использованные для интерпретации, приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Диагностические пики, использованные для интерпретации

Обсуждение

Марка дробимости является механическим показателем, поэтому XRD не может служить её прямым измерителем. Тем не менее XRD описывает фазовый состав и позволяет интерпретировать возможные причины различий по разрушению заполнителя [9], [10]. Для высокопрочных бетонов это важно, поскольку по мере упрочнения матрицы возрастает вероятность разрушения по заполнителю и/или по ITZ [1], [2].

Наличие слоистого компонента (Mica) в обоих образцах следует учитывать как потенциальный фактор, влияющий на устойчивость заполнителя и контактной зоны. Слюды обладают спайностью и при неблагоприятной ориентировке могут способствовать развитию микротрещин, особенно при изгибе и циклических воздействиях [8]–[10]. Интенсивность низкоугловых отражений чувствительна к предпочтительной ориентировке частиц при подготовке порошковой пробы, что требует аккуратной трактовки высоты пиков [9], [10].

С практической точки зрения для высокопрочных составов рекомендуется сочетать минералогический контроль (XRD) с механическими испытаниями сопротивления деградации (дробимость/LA), а также контролем водопоглощения, содержания мелочи и формы зерна [3]–[7]. При деградации заполнителя возможно увеличение доли мелких частиц, изменение реологии смеси и повышение вариативности прочности [3], [4], [8].

Заключение

Выполненная сравнительная оценка гранитного щебня марок дробимости М1400 и М800 на основе рентгенофазового анализа показала, что оба заполнителя обладают типичным для гранитных пород минералогическим “каркасом”, сформированным преимущественно кварцем (Qz) и полевыми шпатами (Fsp). Одновременно в низкоугловой области для обоих образцов фиксируется слоистый компонент (Mica), который следует рассматривать как потенциально значимый фактор при проектировании высокопрочных бетонов, поскольку наличие минералов со спайностью и возможной ориентировкой пластин может повышать риск локального ослабления контактной зоны ITZ и инициирования микротрещин при высоких уровнях напряжений. Полученные XRD-данные не предназначены для прямого определения марки дробимости, однако они дают минералогическое обоснование возможных различий в механическом поведении заполнителя и дополняют результаты регламентированных испытаний. С практической точки зрения выбор заполнителя для высокопрочного бетона должен базироваться на сочетании минералогического контроля (подтверждение гранитной природы и выявление слоистых фаз) и механической оценки устойчивости к деградации (дробимость/LA, истираемость), а также на обязательном контроле водопоглощения, содержания мелочи и формы зерна. Такой комплексный подход позволяет повысить воспроизводимость прочности и долговечности высокопрочных бетонных композитов и снизить риск ограничения прочности из-за разрушения по заполнителю или по контактной зоне.

Список литературы:

1. ACI Committee 363, ACI 363R: Report on High-Strength Concrete. American Concrete Institute, 2010.
2. ACI Committee 211, ACI 211.4R: Guide for Selecting Proportions for High-Strength Concrete Using Portland Cement and Other Cementitious Materials. American Concrete Institute, 2008.
3. ГОСТ 8267–93, «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия», 1995.
4. ГОСТ 8269.0–97, «Щебень и гравий из плотных горных пород… Методы физико-механических испытаний», 1999.
5. EN 1097-2, Tests for mechanical and physical properties of aggregates—Part 2: Methods for the determination of resistance to fragmentation. CEN, 2020.
6. ASTM C131/C131M, Standard Test Method for Resistance to Degradation of Small-Size Coarse Aggregate by Abrasion and Impact in the Los Angeles Machine. ASTM International, 2020.
7. ASTM C535, Standard Test Method for Resistance to Degradation of Large-Size Coarse Aggregate by Abrasion and Impact in the Los Angeles Machine. ASTM International, 2016.
8. EN 206, Concrete—Specification, performance, production and conformity. CEN, 2013.
9. В. В. Горшков, В. В. Тимашев, В. Г. Савельев, Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. М.: Высшая школа, 1981.
10. B. D. Cullity and S. R. Stock, Elements of X-Ray Diffraction, 3rd ed. Upper Saddle River, NJ, USA: Prentice Hall, 2001.
11. C. Liu, D. Quan, Q. Wang, and X. Su, “Shape characteristics and deformation properties of granite crushed stone during compression,” Scientific Reports, vol. 15, Art. no. 38792, 2025, doi: 10.1038/s41598-025-22775-9.
12. O. Y. Toraman, S. Kahraman, and S. Cayirli, “Predicting the crushability of rocks from the impact strength index,” Minerals Engineering, vol. 23, no. 9, pp. 752–754, 2010, doi: 10.1016/j.mineng.2010.04.004.
13. I. Nieminen, Crushing and Screening Handbook, 7th ed. Metso, 2023. [Online]. Available: https://www.metso.com/globalassets/insights/ebooks/metso-crushing-and-screening-handbook-edition7-en-web.pdf
14. A. M. Cuomo and P. A. Karas, Standard Specifications (USC), Volume 4, Section 700, “703-02 Coarse Aggregate.” New York State Department of Transportation, May 1, 2019. [Online]. Available: https://www.dot.ny.gov/main/business-center/engineering/specifications/busi-e-standards-usc/usc-repository/2019_5_specs_usc_vol4.pdf
15. A. Rassokhin, A. Ponomarev, and A. Karlina, “High-performance fine-grained nanostructured concrete based on low strength aggregates,” Magazine of Civil Engineering, vol. 114, no. 6, 2022, Art. no. 11413, doi: 10.34910/MCE.114.13.