3Формирование структуры цементно-песчаных растворов с добавкой тонкомолотого кремнеземсодержащего бетонного лома
Павлов Александр Владимирович
аспирант, НИУ Московской государственные университет, saIIIka33ru@gmail.com Коровяков Василий Федорович
доктор технических наук, нИу Московский государственной университет, vasilykor@yandex.ru
В данной работе представлены результаты исследования по определению влияния добавки механоакти-вированных, молотых с помощью лабораторной шаровой мельницы, отсевов бетонного лома на основные процессы гидратации цементного камня, кинетику набора прочности цементно-песчаных - растворов и их прочностные характеристики.
В ходе ниже приведенных исследований применялись стандартные методики определения основных физико-механических свойств, а также методы термогравиметрического анализа для изучения влияния данной добавки на процесс гидратации портландцемента.
Установлено, что добавка механоактивированного тонкомолотого отсева дробления бетонного лома положительно влияет на процесс гидратации портландцемента в цементно-песчаном растворе. Показано, что при механической активации отсева бетонного лома высвобождаются зерна цементного клинкера в старом бетоне, благодаря снятия гидратированной оболочки с зерен клинкера и тем самым способствует его гидратации. В свою очередь кристаллы гидросиликатов, находящиеся в мелких частицах тонкомолотой добавки, выполняют роль центров кристаллизации в начальный период формирования структуры цементного камня, способствуя улучшению начального структурообразования цементно-песчаных растворов и из прочностные характеристик.
Ключевые слова: отходы, отсевы бетонного лома, переработка, процесс гидратации, кинетика набора прочности.
Введение
Одна из острых проблем современного мира = утилизация огромного количества отходов, в том числе отходов строительства и строительного производства, чему и посвящена данная работа. По данным некоторых источников прогнозируемый объем строительных отходов к 2025 году должен составить 2,2 млрд. т., и они требуют утилизации в той или иной форме. Уже в наше время в большинстве развитых стран около 50 - 70 % данных отходов подвергаются переработке и повторному использованию [1-4].
В данной работе строительные отходы рассматриваются в виде бетонного лома. Отходы бетонного лома — это отходы, образовавшиеся в результате сноса зданий и сооружений. Каждый год в европейских странах образуется 330-560 млн.т бетонного лома, в США - 220-330 млн.т и в Москве - 50-60 млн.т. [5-7].
Имеется многолетний опыт переработки бетонного лома в щебень различных фракций (5 - 20 мм., 20 - 40 мм и т.п.) для дальнейшего использования в строительстве. Получаемый щебень приведенных выше фракций активно используется как крупный заполнитель при производстве бетонных смесей, а также при отсыпке дорог временного пользования и подсыпки различных асфальтированных площадок [8,9].
В то время как щебень из отходов бетонного лома нашел довольно широкое применение в строительстве Однако при дроблении бетонного лома и его классификации, кроме щебня, образуются отсевы фракции 0 - 10 мм, которые практически не используются. Количество отсевов в зависимости от прочностных характеристик бетона и дробильно - сортировочного оборудования может достигать до 30 % от общего количества переработанного бетонного лома. Так как данные отсевы практически нигде не используются их вывозят на полигоны и свалки, где они хранятся и в большей степени оказывают негативное воздействие на окружающую среду [10,11].
Целью данной работы являлось исследование влияния добавки тонкомолотых ме-ханоактивированных отсевов бетонного лома на основные процессы гидратации цементного камня, физико - механические свойства и кинетику набора прочности це-ментно песчаных - растворов.
Материалы и методы исследования
В качестве вяжущего в данной работе использовался портландцемент ЦЕМ 1 42,5Н производства завода "ХайдельбергЦемент Рус" в поселке Новогуровском, Тульской области. Минералогический состав портландцемента, состоит из трехкаль-циевого силиката CзS - 63 %, двухкальциевого силиката C2S - 16 %, трехкальциевого алюмината - 7 %, четырехкальцевого алюмофирита C4AF - 11%.
С целью исключения влияния примесей, содержащихся в природном песке в исследованиях, использовался стандартный монофракционный песок, соответствующий ГОСТ 6139 - 2003 для испытаний цемента по ГОСТ 310.4 - 81 производства ООО «ЦЕМСЭНД» с содержанием оксида кремния SiO2 = 98 %, содержанием глинистых и илистых примесей 0,4%. Фракционный состав: 0,9 мм - 0,4 %; 0,5 мм - 97,7%
В состав вяжущего вводились тонкомолотые отсевы бетонного лома, отобранные со склада дробильно-сортировочного комплекса «САТОРИ» (г. Москва), химический состав которых приведен в таблице 1.
Таблица 1
Усредненный химический состав бетонного лома
Химический состав бетонного лома, % по массе
ЭЮ2 СаО АЮ3 Fe2Oз МдО К2О Э03 Na2O Р2О5 ТЮ2 С1 МпО СиО
53,29 31,17 6,0 3,0 2,22 1,42 1.12 0,91 0,29 0,26 0,15 0,08 0,014
Результаты химического анализа, приведенные в таблице 1 показывают, что эти отходы являются в основном кремнеземсодержащими.
Результаты исследования и их обсуждения
В начале работы для получение тонкомолотой добавки, производили рассев отсевов на 2 фракции - 5-10 мм и 0-5 мм. Фракцию 0-5 мм подвергали дополнительному помолу в лабораторной шаровой мельнице до удельной поверхности Sуд = 500 м2/кг.
Молотые отсевы бетонного лома, вводимые в бетонную смесь, содержащие кремнезем в кристаллической и аморфной форме, негидратированный клинкер, а также кристаллы гидросиликатов кальция и других гидратов, являясь активной минеральной добавкой, могут играть роль центров кристаллизации в начальный период гидратации, тем самым увеличивая кинетику набора прочности цементно - песчаных растворов и бетонов в начальный период времени. Мелкие частицы тонкомолотого
бетонного лома размещаются между зернами портландцемента и мелкого заполнителя, способствуя тем самым уплотнению структуры и, благодаря сближению частиц, их взаимодействию на основе близкой химической структуры.
После помола отсевов бетонного лома производилось определение гранулометрического состава тонкомолотой добавки. Интегральное и дифференциальное распределение частиц тонкомолотого бетонного лома и портландцемента по размерам, приведено на рисунке 1,2.
П ©
50 1 СЮ 500 1000
M
Рисунок 1 - Интегральное и дифференциальное распределение частиц ТМБЛ по размерам
10Q Q3fr)_<Щ*) JQ
50 IOC 500 1000
И!
Рисунок 2 - Интегральное и дифференциальное распределение частиц портландцемента по размерам
Их полученных результатов исследования видно, что в составе тонкомолотых отсевов бетонного лома содержится большее количество мелких частиц (менее 10 мкм), чем в портландцементе. Исходя их этого можно сделать предположительный вывод, что в виду своей активной составляющей, включающей различные гидросиликаты, которые могут играть роли центров кристаллизации при гидратации портландцементного клинкера в растворе, тем самым ускоряя скорость набора прочности цементной составляющей.
Были проведены исследования по изучению влияния добавления тонкомолотого бетонного лома (ТМБЛ) на основные свойства, кинетику твердения и количество гидратов, образованных при гидратации цемента в цементно-песчаных растворах, по методике, соответствующей требованиями ГОСТ 310.4 - 81. Дозировка тонкомолотого бетонного лома составляла 10 % от массы цемента.
Особенности фазовых превращений в цементной системе и изменение массы свободной и химически связанной воды в интервале температур от 20 до 1000°С определены с помощью термогравиметрическим анализом на приборе SETARAM Labsys DTA/TGA/DSC. Исследования проводились на образцах цементно - песчаных растворов в возрасте 7 и 28 суток. Кривые термогравиметрического анализа и результаты определения потерь массы компонентов приведены в таблице 2 и на рисунках 3-6.
Таблица 2
Результаты определения потери массы и расчётного содержания компонентов
№ Ц:П ТМБЛ,% Сутки Потеря массы при термическом эффекте, % 50-1000 °С, %
50-180 С° 470-530 С° 730-930 С°
1 1:3 0 7 2,80 0,58 5,51 1,05
2 10 2,93 0,79 5,86 12,05
3 0 28 3,97 0,85 6,27 14,30
4 10 3,98 0,98 8,13 16,19
На полученных термогравиметрических кривых регистрируются три основных эндоэффекта. Первый эндоэффект при интервале температур 50 - 180 °С относится к процессу удаления слабо связанной воды, дегидратации гидросульфоалюминатов кальция и гидросиликатов кальция (типа С2SH2 C2SзH2). Второй эндоэффект дегидратации в интервале 470-530 °С относится к разложению гидроксида кальция Са(ОН)2 и гидросиликатов кальция типа C2SH(В), C2SH2. Третий эндоэффект при температуре 730-930 °С свидетельствует о декарбонизации СаСОз и дегидратации высокоосновных гидросиликатов кальция.
При обработке результатов исследования, а именно кривых термогравиметрического анализа образцов в возрасте 7 и 28 суток с добавлением тонкомолотого бетонного лома и без него, можно сделать следующие выводы:
- в результате протекания процессов гидратации портландцемента с тонкомолотым бетонным ломом сопровождается заметным увеличением потери массы в любых интервалах по сравнению с составами без добавки (возраст 7 и 28 суток), что свидетельствует о большем количестве соединений гидросиликатов кальция, гидроалюминатов и других продуктов гидратации, указанных выше;
- в модифицированном образце цементно-песчаного раствора (с тонкомолотым бетонным ломом) на кривых наблюдаются смещение всех эндоэффектов в сторону более высоких температур, это может объясняться переходом слабосвязной воды в химически связанную, за счет присутствия активной минеральной добавки.
Рисунок 3 - Кривая термогравиметрического анализа в возрасте 7 суток без добавки тонкомолотого бетонного лома
Рисунок 6 - Кривая термогравиметрического анализа в возрасте 7 суток с добавкой тонкомолотого бетонного лома
Рисунок 5 - Кривая термогравиметрического анализа в возрасте 28 суток без ТМБ/1
Рисунок 6 - Кривая термогравиметрического анализа в возрасте 28 суток с ТМБЛ
Произведен сравнительный анализ эффективности добавки тонкомолотого бетонного лома с другими, часто используемыми в производстве бетонных и растворных смесей тонкомолотых добавок (известняковая мука, кварцевая мука). Исследовано влияние данной добавки на кинетику набора прочности в цементно - песчаных растворах, состава 1:3. Контрольный состав произведен без использования минеральных добавок. Результаты испытаний приведены на рисунке 4.
ш
о. 1 сутки 3 сутки 7 сутки 28 сутки
■ Контрольный состав ■ Тонкомолтый бетонный лом
■ Кварцевая мука ■ Известняковая мука
Рисунок 4 - Влияние тонкомолотого бетонного лома (с замещением 10 % цемента) и других тонкомолотых минеральных добавок на кинетику набора прочности цементно-песчаных растворов
Полученные результаты показывают, что рост прочности на сжатие цементно-пес-чаных образцов с использованием добавки тонкомолотого бетонного лома выше, чем с добавлением известняковой муки или кварцевой муки. Разница в показателях прочности в разные сроки твердения между контрольным составом (Ц:П = 1:3) и составом с использованием тонкомолотого бетонного лома незначительна (не более 5 %), что можно считать ошибкой эксперимента. В то время как потери прочности в разном возрасте в других составах с использованием других наполнителей значительно выше ( 14 % в 1 - е сутки, 14 - 15 % в 3 - и сутки, 8-10 % в 7 - е сутки, 7 - 10 % в 28 -е сутки).
Заключение
Проведенные исследования показали перспективу и возможность применения отсевов дробления бетонного лома при производстве бетонных и растворных смесей. Исходя из полученных результатов исследований можно сделать вывод, что добавка тонкомолотого бетонного лома оказывает положительной влияние на начальные этапы гидратации цементного камня, за счет более мелких размеров частиц по сравнению с частицами портландцемента, тем самым открывает возможность «старым» гидросиликатам играть роли центров кристаллизации. Также с помощью термогравиметрического анализа доказано, что использование тонкомолотого бетонного лома в качестве добавки стимулирует увеличение количества продуктов гидратации (гидратов), тем самым способствуя переходу слабосвязной воды в химически связанную.
Доказана эффективность использования тонкомолотых отсевов бетонного лома по сравнению с другими часто используемыми минеральными добавками при производстве бетонных и растворных смесей.
Литература
1. Недавний О.И., Петров Г.Г., Герасимов А.В. Использование молотого некондиционного и демонтируемого керамзитобетона в качестве вяжущего// Известия вузов. Строительство. 1999. № 12. С. 43-44.
2. Чернышева Н.В., Дребезгова М.Ю. Композиционное гипсовое вяжущее с минеральной добавкой бетонного лома // Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий. - Материалы VII Международной научно-практической конференции по гипсу. - М.: Изд-во «Де Нова», 2014. - С. 239-243.
3. Павлов А.В., Коровяков В.Ф. Возможности применения отходов бетонного лома в производстве литого дорожного бетона // Alitinform : Цемент. Бетон. Сухие смеси. 2018. №4. С. 28 - 33.
4. Маслов М.В. Перспективные направления утилизации строительных отход.ов в московском регионе // Горный информационноаналитический бюллетень. 2008. № 1. С. 272 - 277.
5. Олейник С.П., Соломин И.А., Харитонов С.Е. Анализ состава и объемов строительных отходов, образованных при сносе ветхого жилищного фонда в Москве // Промышленное и гражданское строительство. 2007. №12. С. 55 - 56.
6. Коровкин М.О., Шестерин А.И., Ерошкина Н.А. Использование дробленного бетонного лома в качестве заполнителя для самоуплотняющегося бетона // Инженерный вестник Дона, 2015, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3090/.
7. Павлов А.В., Коровяков В.Ф. Влияние добавки молотого бетонного лома на кинетику изменения прочности цементно - песчаного раствора// // Инженерный вестник Дона, 2021, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2021/6879.
8. Коровкин М.О., Шестерин А.И., Ерошкина Н.А. Проблемы и перспективы применения бетонного лома в качестве сырья в технологии бетона// Молодежный научный вестник. 2017. № 10(23). С. 65 - 69.
9. Головин Н.Г., Алимов Л.А., Воронин В.В. Проблема утилизации желеобетона и поиск эффективных путей ее решения // Вестник МГСУ. 2011. № 1 - 2. С. 65 - 71.
10. Воронин В.В., Алимов Л.Н., Балакшин А.С. Малощебеночные бетоны на щебне из бетонного лома // Технология бетонов. 2010. № 3 - 4. С. 28-30.
11. Чурсин С.И., Поздняков А.В. Повышение качества мелкого заполнителя, получаемого из отсева дробленного бетона // Вестник донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2016. № 3 - 4. С. 93-98.
Formation of the structure of cement - sand solutions with the addition of finely ground silica-containing concrete scrap Pavlov A.V., Korovyakov V.F.
Moscow state university of civil engineering
This paper presents the results of a study to determine the effect of the addition of mechanically activated, ground with the help of a laboratory ball mill, concrete scrap screenings on the main processes of hydration of cement stone, the kinetics of strength gain of cement-sand solutions and their strength characteristics. In the course of the following studies, standard methods were used to determine the basic physical and mechanical properties, as
well as methods of thermogravimetric analysis to study the effect of this additive on the hydration process of cement. It was found that the addition of mechanically activated fine-ground screening of concrete scrap crushing has a positive effect on the hydration process of cement in cement-sand mortar. It is shown that during mechanical activation of concrete scrap screening, cement clinker grains are released in old concrete, due to the removal of the hydrated shell from the clinker grains and thereby contributes to its hydration. In turn, crystals of hydrosilicates contained in fine particles of a finely ground additive act as crystallization centers in the initial period of the formation of the cement stone structure, contributing to the improvement of the initial structure formation of cement-sand solutions and their strength characteristics.
References
1. Recent O.I., Petrov G.G., Gerasimov A.V. The use of ground substandard and dismantled expanded clay concrete as a binder// Izvestiya vuzov. Construction. 1999. № 12. pp. 43-44.
2. Chernysheva N.V., Drebezgova M.Y. Composite gypsum binder with a mineral additive of concrete scrap // Improving the efficiency of production and application of gypsum materials and products. - Materials of the VII International Scientific and Practical Conference on Gypsum. - Moscow: Publishing House "De Nova". 2014. pp. 239-243.
3. Pavlov A.V., Korovyakov V.F. The possibilities of using concrete scrap in the production of cast road concrete // Alitinform : Cement. Concrete. Dry mixes. 2018. No. 4. pp. 28 - 33.
4. Maslov M.V. Perspective directions of utilization of construction waste in the Moscow region // Mining information and analytical bulletin. 2008. № 1. pp. 272 - 277.
5. Oleinik S. P., Solomin I. A., Kharitonov S. E. The analysis of the composition and the amount of building wastes formed during demolition of decrepit dwellings in Moscow // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2007. № 12. pp. 55 - 56.
6. Korovkin M. O., Shestin A. I., Eroshkina N. A. The use of crushed concrete scrap as filler for self-compacting concrete.
Inzhenernyj vestnik Dona. 2015. № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3090/.
7. Pavlov A.V., Korovyakov V.F. Effect of the addition of crushed concrete scrap on the kinetics of strength changes of cement-
sand mortar // Inzhenernyj vestnik Dona, 2021, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2021/6879
8. Korovkin M. O., Shestin A. I., Eroshkina N. A. Problems and prospects of using concrete scrap as a raw material in concrete
technology// Molodezhnyj nauchnyy vestnik. 2017. № 10(23). pp. 65 - 69.
9. Golovin N.G., Alimov L.A., Voronin V.V. Reinforced concrete recycling:
Problem and potential solutions // Bulletin of Moscow State University. 2011. №. 1 - 2. pp. 65 - 71.
10. Voronin V.V., Alimov L.N., Balakshin A.S. Little stone concrete on crushed stone from concrete scrap // Technology of concrete.
2010. №. 3 - 4. pp. 28-30.
11. Chursin S.I., Pozdnyakov A.V. Improving the quality of fine aggregate obtained fromcrushed concrete screening // Bulletin of the Donbass National Academy of Construction and Architecture. 2016. № 3 - 4. pp. 93-98.
