Введение. В настоящее время вследствие интенсивного развития строительства [1–5] на фоне развивающихся технологий решается вопрос о разработке и использовании новых эффективных материалов, адаптированных к самым различным условиям эксплуатации [6–10], а также к различным природно-климатическим условиям нашей страны [11–13]. Накоплен значительный опыт по рациональному использованию природного сырья [14–16] и техногенных продуктов [17–21] при создании композиционных вяжущих для использования при приготовлении бетонов самого различного назначения. Получение высокоэффективных вяжущих веществ с требуемыми свойствами сопровождается применением сложных составов компонентов с целью получения высококачественных бетонов с требуемыми технологическими, физико-механическими и функциональными свойствами, а также созданием целевой структуры, определяющей прочностные свойства. Для разработки таких вяжущих необходимы целенаправленные технологии получения на всех этапах: выбор и применение минеральных наполнителей, разработка рациональных составов, использование функциональных химических добавок, а также применение эффективных технологических решений [22–26]. Лесовик Р.В. установил, что отходы мокрой магнитной сепарации и кварцитопесчаник целесообразно использовать в составах композиционных вяжущих, получая при этом вяжущее с высокими физико-механическими свойствами [27]. Автором было установлено, что для повышения качества матрицы необходим домол цемента с учетом технологических факторов, а также используемых кремнеземистых компонентов и органических добавок. Все исследования проводились в лабораторной двухкамерной мельнице, при этом были получены результаты, обусловленные применяемым помольным агрегатом. В связи с появлением современных мельниц: вибрационной и роторно-шаровой представляло интерес получить вяжущую композицию на основе портландцемента и минеральных наполнителей в виде отходов мокрой магнитной сепарации и кварцитопесчаников в этих мельницах.В современном строительстве широкое применение получили свайные фундаменты вследствие целого ряда достоинств: высокой несущей способности и надежности, эффективности работы на сложных и слабых грунтах, отсутствия осадки и равномерном распределении нагрузки, а также высокой экономической эффективности [28–32]. Эти фундаменты обладают высокой универсальностью и вариативностью, обеспечивают хорошее сопротивление сейсмическим и динамическим нагрузкам, надежно работают во влажных условиях, а также позволяют вести строительство в любое время года при обеспечении высоких темпов строительства [33–37]. Для создания высокопрочных свайных фундаментов требуются мелкозернистые бетоны с использованием качественных вяжущих материалов. Разработка и использование современных композиционных вяжущих позволяет решать ряд проблем, касающихся строительства в целом и фундаментных конструкций, в частности. Замена традиционного цемента на композиционные вяжущие с использованием техногенных отходов, эффективность которых доказана многочисленными исследованиями [7, 17, 21, 26, 27], позволяет повышать физико-механические и эксплуатационные характеристики бетонов на их основе, а также значительно экономить на сырьевых компонентах. Учитывая, что композиционное вяжущее включает портландцемент, минеральный компонент и органическую добавку, представляло интерес установить рациональные составы с использованием отходов мокрой магнитной сепарации и кварцитопесчаника, приготовленных в вибрационной и роторно-шаровой мельницах, обеспечивающих экономию дорогостоящего энергоемкого клинкера, названный в данной работе вяжущей композицией. На последующем этапе работы предусматривается модификация вяжущей композиции наилучшего состава для получения мелкозернистого бетона для свайных фундаментов.Материалы и методы. При приготовлении вяжущих композиций применяли следующие сырьевые материалы: портландцемент ЦЕМ 0 42,5Н (ПЦ), отходы мокрой магнитной сепарации (ММС) и кварцитопесчаник (КВП) Лебединского ГОКа (Белгородской области). Основные физико-механические характеристики и химический состав портландцемента приведены в таблицах 1, 2. Качество портландцемента определяли по ГОСТ 30744-2001* «Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка».  Таблица 1 Химический состав ЦЕМ 0 42,5Н ЗАО «Белгородский цемент»Марка цемента Химический состав, масс. %   SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2OПрочееЦЕМ 0 42,5Н19,024,903,4265,981,453,440,571,22 Таблица 2 Строительно-технические характеристики портландцемента Наименование показателяЦЕМ 0 42,5Н«Белгородский цемент»Минеральный состав клинкера, масс. %C3SC2S C3AC4AF 59,018,87,013,1Удельная поверхность, м2/ кг330Нормальная густота цементного теста, %25,6Сроки схватывания, мин, начало/конец95/308Предел прочности в возрасте 2 сут, МПа: изгиб/сжатие5,8/19,2Предел прочности в возрасте 28 сут, МПа: изгиб/сжатие8,1/50,1Предел прочности при сжатии после тепловлажностной обработки, МПа39,5Тонкость помола, остаток на сите № 008, %7,0Удельная эффективная активность естественных радионуклидов Аэфф, Бк/кг2,42  В качестве минеральных наполнителей использовали отходы мокрой магнитной сепарации и кварцитопесчаник. Химический и минеральный составы отходов ММС и кварцитопесчаника приведены в таблицах 3–5. Кварцитопесчаник характеризуется высоким содержанием кремнезема, оксидов алюминия и железа. Таблица 3 Химический состав отходов ММС, %FeобщSiO2Al2O3Fe2O3FeOCaOMgOSPCO210,277,720,576,587,121,482,260,1280,0233,63 Таблица 4 Минеральный состав отходов ММС, %КварцГематитМагнетитСиликатыКарбонаты65–706–112–69–126–13 Таблица 5 Химический состав кварцитопесчаника, %FeобщFe2O3SiO2Al2O3TiO2CaOMgOP2O5MnONa2OK2OSп.п.п1,240,9793,901,420,10,861,330,080,030,310,160,060,74  Определен минеральный состав и установлено, что кварцитопесчаник представлен кварцем до 95 %, кроме того, в нем содержится до 5 % слюды. Отходы ММС по минеральному составу характеризуются содержанием кварца до 70 %, кальцита до 10 % и магнетита до 10%. Использование таких сырьевых материалов при приготовлении композиционных вяжущих обеспечит определенные специфические особенности при приготовлении и синтезе создаваемых композитов.Микроструктуры проб отходов ММС и кварцитопесчаника приведены на рисунке 1.  Рис. 1. Микроструктуры проб отходов ММС (1) и кварцитопесчаника (2)Анализ микроструктур минеральных наполнителей при одинаковом увеличении свидетельствует, что отходы ММС характеризуются мелкозернистой структурой и достаточно равномерным распределением частиц по всему объему материала.В работе использована водопроводная вода в соответствии с ГОСТ 23732-2011 «Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия» с pH 7.1. В качестве помольных агрегатов приняты лабораторные мельницы: вибрационная (ВМ) и роторно-шаровая (РШМ).Основная часть. Вяжущие композиции готовили в различных помольных агрегатах, при различном соотношении портландцемента и минеральных наполнителей, и при различных продолжительностях помола, составы которых приведены в таблице 6. При выполнении работы производили помол в различных агрегатах в диапазоне от 10 до 50 минут, с целью получения рациональной удельной поверхности при минимальном времени помола. Гранулометрический состав исходного цемента приведен на рисунке 2. Гранулометрические составы полученных вяжущих композиций приведены на рисунке 3. Таблица 6Удельные поверхности вяжущих композиций разных составов, полученных в различныхмельницах№ составаСоставСоотношение ЦЕМ и ММС/КВПМельницаУдельная поверхность, м2/кг1ЦЕМ+ММС50/50роторно-шаровая911,42ЦЕМ+ММС70/30роторно-шаровая630,53ЦЕМ+ММС50/50вибрационная848,84ЦЕМ+ММС70/30вибрационная588,05ЦЕМ+КВП50/50роторно-шаровая740,46ЦЕМ+КВП70/30роторно-шаровая759,07ЦЕМ+КВП50/50вибрационная489,08ЦЕМ+КВП70/30вибрационная507,0    Рис. 2. Распределение частиц цемента по размерам  Рис. 3. Распределение частиц вяжущих композиций по размерам Исследования гранулометрических составов вяжущих композиций показали, что наиболее эффективной мельницей является роторно-шаровая при соотношении портландцемента и отходов ММС 1:1, обеспечивающим получение состава с удельной поверхностью 911,4 м2/кг. При использовании роторно-шаровой мельницы при приготовлении вяжущих композиций из цемента и кварцитопесчаника обеспечиваются достаточно высокие показатели удельной поверхности до 740,4–759,0 м2/кг.График изменения удельной поверхности при помоле различных составов вяжущих композиций в вибрационной мельнице приведен на рисунке 4.   Рис. 4. График изменения удельной поверхности при помоле составов в вибрационной мельнице  Анализ изменений удельных поверхностей различных составов показывает, что наиболее эффективным является состав при соотношении портландцемента и отходов ММС 50/50, обеспечивающий удельную поверхность 848,8 м2/кг. Отмечается, что состав, приготовленный при соотношении цемента 70 % и отходов мокрой магнитной сепарации 30 %, дает меньший показатель удельной поверхности, что, вероятно, связано с перераспределением зернистой и дисперсной фаз, влияющих на измельчение. Использование в качестве минерального наполнителя вяжущих композиций кварцитопесчаника при помоле в вибрационной мельнице показывает незначительный прирост удельной поверхности, что и определяет нецелесообразность их использования при приготовлении вяжущих композиций.Анализ изменений удельной поверхности вяжущих композиций, приготовленных на различных минеральных наполнителях в роторно-шаровой мельнице показывает, что повышенный интерес вызывает состав с отходами ММС при продолжительности измельчения 10 минут, обеспечивающий удельную поверхность 911,4 м2/кг. Дальнейший помол этого состава нецелесообразен (рис. 5).С целью исследования физико-механических свойств полученных вяжущих композиций были заформованы образцы из исходного цементного теста и вяжущих композиций, полученных в различных помольных агрегатах. При формовании образцов использовали нормальную густоту 28 %.Результаты физико-механических испытаний образцов представлены на рисунках 6,7.Результаты физико-механических испытаний образцов вяжущих композиций на основе портландцемента и отходов ММС, полученных в вибрационной мельнице, показали, что при содержании до 30 % отходов ММС возможно заменять до 30 % портландцемента в составах, обеспечивая при этом требуемую прочность композита. Однако, введение отходов ММС в вяжущие композиции при помоле в роторно-шаровой мельнице не обеспечивает высокой прочности, что, по-видимому, связано с недостатком вяжущего для покрытия образовавшихся высокодисперсных фаз.Анализируя показатели прочности вяжущих композиций, полученных в вибрационной мельнице с кварцитопесчаником, следует отметить, что с увеличением количества минерального наполнителя прочность снижается. В свою очередь, при помоле в роторно-шаровой мельнице целесообразно вводить в состав композиционных вяжущих до 50% кварцитопесчаника: прочность вяжущих композиций в этом случае приближается к прочности цемента. Повышение прочности этого состава, вероятно, связано с тем, что часть кварцитопесчаника выступает в качестве каркаса создаваемого композита, а другая, дисперсная часть, находясь в составе вяжущей композиции, вследствие закона сродства структур, обеспечивает дополнительную прочную структурную связь всего вяжущего.  Рис. 5. График изменения удельной поверхности при помоле в роторно-шаровой мельницеОтходы мокрой магнитной сепарацииКварцитопесчаник   Рис. 6. Показатели прочности составов с ММС и КВП в различных соотношениях,полученных в вибрационной мельнице (при различных удельных поверхностях)Отходы мокрой магнитной сепарацииКварцитопесчаник   Рис. 7. Показатели прочности составов с ММС и КВП в различных соотношениях,полученных в роторно-шаровой мельнице (при различных удельных поверхностях)  Рис. 6. Микроструктура вяжущей композициисостава: цемент – 70 % + отходы мокрой магнитной сепарации – 30 %, приготовленного в вибрационной мельницеПринимая во внимание научные результаты, полученные Лесовиком Р.В. в работах [16, 27] наиболее рекомендуемыми составами для получения композиционных вяжущих, были рекомендованы рецептуры с заменой клинкерной составляющей 30 % и 50 % при приготовлении композиционных вяжущих для мелкозернистых бетонов. При выполнении настоящей работы ставилась задача получения вяжущей композиции с использованием вибрационной и роторно-шаровой мельниц. На основании полученных результатов и установления рациональных составов с использованием отходов ММС и кварцитопесчаника целесообразно провести серию экспериментов по сокращению расхода минеральной составляющей, а также модификации смеси суперпластификаторами.Изучены микроструктуры проб вяжущих композиций наилучших составов: 1) цемент –70 % + отходы ММС – 30 %, приготовленного в вибрационной мельнице (рис. 6) и 2) цемент – 50 % + кварцитопесчаник – 50 %, полученного в роторно-шаровой мельнице (рис. 7). Основным структурным элементом композита является скелетная часть. Основной каркас представлен отдельными зернами минерального наполнителя, плотно обросшими новообразованиями, которые представляют собой продукты гидратации вяжущей композиции различной дисперсности и морфологии. Имеющиеся пустоты достаточно плотно заполнены удлиненными кристаллами столбчатой и нитевидной форм. Размеры кристаллов составляют 3-4 мкм в длину и 0,1 мкм в ширину. Отмечается высокая насыщенность раствора, заполняющего поры композита.  Рис. 7. Микроструктура вяжущей композициисостава: цемент – 50% + кварцитопесчаник – 50%, приготовленного в роторно-шаровой мельницеМикроструктура матрицы вяжущей композиции – плотная, землистая. Уменьшенное содержание клинкерной составляющей приводит к тому, что основная масса образца формируется из отдельных агрегатов в виде образований – хлопьев. Контактные зоны между зернами минерального наполнителя достаточно плотно срослись и окружены незначительном поровым пространством. Отмечается высокая степень кристаллизации на поверхности минерального наполнителя, матрица достаточно плотная, мелкозернистая, глобулярная, на которой активно прорастают кристаллические новообразования, свидетельствующие об активном протекании процессов гидратации.Выводы. На основании полученных результатов, можно сделать вывод, что вяжущая композиция состава: цемент – 70 % и отходы ММС –30 %, приготовленная в вибрационной мельнице, характеризуется прочностью, соизмеримой с показателями бездобавочного цемента, что позволяет экономить до 30 % клинкерной составляющей цемента. Полученная вяжущая композиция состава: цемент – 50 % и кварцитопесчаник – 50 %, приготовленная в роторно-шаровой мельнице, обеспечивает экономию до 50 % портландцементного клинкера и имеет прочность, приближающуюся к прочности бездобавочного цемента. Полученные результаты свидетельствуют об особенностях помола минеральных наполнителей: отходов ММС и кварцитопесчаника в роторно-шаровой и вибрационной мельницах. Для дальнейшей модификации полученных вяжущих композиций целесообразно использовать пластифицирующие добавки.