CC BY
44к 70-летию Леонида Абрамовича Вайсберга
20 июня 2014 г. исполнилось 70 лет доктору технических наук, профессору, члену-корреспонденту РАН Леониду Абрамовичу Вайсбергу - известному ученому, специалисту, организатору промышленности и науки.
В 1968 г., по окончании Днепропетровского горного института Л.А Вайсберг начал работать в институте «Механобр», где последовательно прошел путь от инженера до генерального директора. В настоящее время Леонид Абрамович является научным руководителем и председателем совета директоров НПК «Механобр-техника».
Результаты выполненных Л.А. Вайсбергом фундаментальных исследований и разработок в области теории вибрации являются общепризнанной научной базой для создания передовых отечественных технологий и машин, широко применяются при проектировании и производстве дробильно-сортировочного оборудования, а также непосредственно используются в научно-образовательном процессе. Широкомасштабное применение новых научных результатов на действующих и проектируемых предприятиях стало основным принципом научной работы Л.А. Вайсберга. Он считает, что если у работника отраслевой науки нет практических результатов, его не знают на предприятиях, в промышленности, он вообще вне науки.
Под руководством Леонида Абрамовича на предприятиях горно-металлургического комплекса и в нерудной промышленности строительных материалов внедрены новые технологии и новые конструкции высокопроизводительного оборудования: дробилки, грохоты, сепараторы и питатели. Благодаря высокому уровню технических решений и качеству они пользуются постоянным спросом не только в России, но и в десятках стран мира.
Л.А. Вайсберг является руководителем ведущей научной школы, ориентированной на создание принципиально новых высокоэффективных методов переработки минерального сырья. Особенностью разработок, выполненных под руководством и при непосредственном участии Л.А. Вайсберга, является их нацеленность на актуальнейшую проблему горной промышленности - энергосбережение. Эти достижения дважды были отмечены премией Правительства РФ в области науки и техники, премией им. А.П. Карпинского, присуждаемой Правительством Санкт-Петербурга.
Леонид Абрамович Вайсберг автор около 270 научных трудов и изобретений в области теории и практики рудоподготовки, современных методов дезинтеграции минерального и техногенного сырья, а также теории, расчета и проектирования вибрационных машин и технологий, применяемых в строительной промышленности и горном деле. Он профессор Национального минерально-сырьевого университета «Горный», почетный профессор Санкт-Петербургского политехнического университета, почетный профессор Национального горного университета Украины, член редколлегий нескольких научно-технических журналов, в том числе журнала «Строительные материалы».
Заслуги Л.А. Вайсберга отмечены многими государственными и ведомственными наградами, из которых больше всего он дорожит званием «Заслуженный строитель Российской Федерации» и орденом Монгольской Народной Республики «Полярная звезда», которые получены не по занимаемой должности, не к юбилейной дате, а за успешное решение важных для страны задач.
Редакция, редакционный совет, коллеги сердечно поздравляют Леонида Абрамовича Вайсберга с 70-летием, желают крепкого здоровья, дальнейших успехов в научной и производственной деятельности.
УДК 625.861:622.73
Л.А. ВАЙСБЕРГ1, д-р техн. наук, член-корр. РАН; Е.Е. КАМЕНЕВА2, канд. техн. наук
1 НПК «Механобр-техника» (199106, г. Санкт-Петербург, Васильевский остров, 22-я линия, 3)
2 Петрозаводский государственный университет (185910, г. Петрозаводск, ул. Ленина, 33)
Исследование состава и физико-механических свойств вторичного щебня из дробленого бетона
Приведены результаты исследования физико-механических свойств вторичного щебня, полученного при дроблении бетонного лома. Установлено, что во вторичном щебне присутствуют разнородные по составу и свойствам зерна минерального заполнителя, их сростки с цементно-песчаным камнем и агрегаты цементно-песчаного камня. Минеральный заполнитель представлен породами различных генетических типов и металлургическим шлаком. Показано, что присутствие различных по составу и свойствам минеральных зерен является причиной неоднородности прочностных характеристик вторичного продукта. Минеральный заполнитель в целом сохраняет свойства первичного щебня. Снижение прочностных характеристик и морозостойкости вторичного щебня связано с присутствием цементно-песчаного камня. Качество вторичного щебня повышается с увеличением крупности фракций. Различия в составе и свойствах вторичного щебня необходимо учитывать при выборе дробильно-сортировочного оборудования, компоновочного решения схемы дробления, а также при выборе направлений использования и определении цены на отдельные фракции крупности.
Ключевые слова: вторичный щебень, бетонный лом, физико-механические свойства.
L.A. VAYSBERG1, Doctor of Sciences (Engineering), Corresponding Member of RAS; E.E. KAMENEVA2, Candidate of Technical Sciences
1 «Mechanobr-Tekhnika» Research and Engineering Corporation (22, Line 3, Vasilevsky Island, 199106, St. Petersburg, Russian Federation)
2 Petrozavodsk State University (33, Lenin Street, Petrozavodsk, 185910, Russian Federation)
Study of Composition and Physical-Mechanical Properties of Secondary Crushed Stone from Crushed Concrete
Results of the study of physical-mechanical properties of secondary crushed stone obtained as a result of concrete fragments crushing are presented. It is established that the secondary crushed stone contains grains of the mineral filler different by their composition and properties as well as their aggregates with cement-sand stone, and aggregates of cement-sand stone. The mineral filler is presented by rocks of different genetic types and metallurgical slag. It is shown that the presence of grains different by their compositions and properties is a reason for the non-homogeneity of strength characteristics of the secondary product. As a whole, the mineral filler saves properties of the primary crushed stone. The reduction of strength characteristics and frost resistance of the secondary crushed stone is connected with the presence of cement-sand stone. The increase in the size of fractions improves the quality of the secondary crushed stone. Differences in compositions and properties of the secondary crushed stone should be taken into account when selecting screening-and-crushing equipment, layout solution of a crushing scheme, as well as when selecting directions of the use and determining the price for some fractions of fineness.
Keywords: secondary crushed stone, concrete fragments, physical-mechanical properties.
Cj научно-технический и производственный журнал
® июнь 2014 41
В России ежегодный объем строительных отходов, образующихся в результате ремонта, реконструкции и сноса зданий, составляет 12—14 млн т и в ближайшие годы увеличится до 35—45 млн т/год [1]. В этой связи большую актуальность приобретает проблема утилизации строительных отходов, в частности, бетонного лома.
Зарубежный и отечественный опыт показывает, что отходы бетона могут быть переработаны во вторичный щебень и использованы для устройства подстилающих слоев малонапряженных дорог, тротуаров, автостоянок, фундаментов малоэтажных зданий, укрепления откосов береговых сооружений, благоустройства территорий, ландшафтных работ, а также при производстве бетонов [1, 2]. Добавка в состав бетонных смесей вторичного щебня в количестве до 40% не снижает их качества [3]. Щебень, полученный при переработке бетонного лома, имеет более низкую стоимость, его использование позволяет сократить потребление минерального сырья, а также уменьшить нагрузку на окружающую среду.
Несмотря на то что в настоящее время в России функционируют десятки дробильно-сортировочных установок по переработке бетонного лома и в целом накоплен положительный опыт применения вторичного щебня, проблема прогнозной оценки его свойств и обоснования направлений использования в строительстве изучена недостаточно. Широкие расхождения результатов исследований вторичного щебня [3—6] связаны с непостоянством его состава. Практика оперативной оценки качества вторичного щебня на предприятиях-
Странтшн.ныс отколы
ДЦРНПЙ
Рис. 1. Схема цепи аппаратов установки для переработки строительных отходов, содержащих железобетон, с фракционированием дробленого продукта: 1 - питатель; 2 - железоотделитель; 3 - вибрационная щековая дробилка; 4 - грохот; 5 - емкости для металла; 6 - ленточные конвейеры
+0.1Г.1Г
производителях отсутствует, вследствие чего товарный продукт имеет весьма неопределенные свойства. Это предопределяет необходимость изучения его физико-механических характеристик в каждом конкретном случае.
В настоящей работе изучена взаимосвязь состава и физико-механических свойств вторичного щебня, полученного при дроблении строительных отходов на дробильно-сортировочной установке, специально спроектированной и изготовленной научно-производственной корпорацией «Механобр-техника» для предприятия «Кириши-нефтеоргсинтез» в Ленинградской области в 2007 г.
Технологическая схема установки включает операцию дробления на виброщековой дробилке ВЩД 440—800, работающей в замкнутом цикле с грохотом ГИС-53 (рис. 1).
Общий вид этой установки показан на рис. 2. Преимуществом применения виброщековой дробилки при переработке железобетонного лома от сноса зданий является возможность эффективной дезинтеграции конструкций с большим соотношением длины к толщине, содержащих недробимые тела, а также высокая степень дробления, что позволяет существенно снизить энергозатраты на производство товарной продукции за счет дробления в одну стадию.
Характерные элементы исходного материала — отходы в виде элементов железобетонных строительных конструкций (рис. 3).
Основной товарной продукцией дробильно-сортировочной установки является щебень фракций 20—40 мм, 40—70 мм и щебеночно-песчаная смесь 0—20 мм. Побочная продукция — металлический лом.
Производительность установки 15—20 м3/час. За период эксплуатации 2008—2014 гг. переработано около 100 тыс. т строительных отходов. Для исследований были отобраны проба вторичного щебня фракции 20—40 мм и щебеночно-песчаная смесь 0—20 мм. Материал крупностью 0—20 мм был разделен на стандартные фракции щебня 5—10 и 10—20 мм и песок-отсев 0—5 мм.
В выделенных фракциях крупности присутствуют раскрытые зерна щебня, их сростки с цементно-песча-ным камнем и агрегаты цементно-песчаного камня (рис. 4).
-40 +ЗД 1Г.1Г
Фракции лрюблснмх етукиттслмшх о подо Р. НСЛ(1ЛЬ'*у4:МЫС к кичсствс ШОрИЧМНИЧ! идоня
Рис. 2. Общий вид установки для дробления строительных отходов
Рис. 3. Элементы железобетонных строительных отходов, поступающих на переработку
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
42 июнь 2014 Ы ®
Таблица 1
Содержание раскрытых зерен, сростков и агрегатов цементно-песчаного камня во фракциях крупности вторичного щебня
Рис. 4. Компонентный состав вторичного щебня (фракция 20-40 мм): а - раскрытые зерна щебня; б - сростки щебня с цементно-песчаным камнем; в - цементно-песчаный камень
Характеристика зерен Содержание во фракциях крупности,%
5-10 мм 10-20 мм 20-40 мм
Раскрытые зерна щебня, в том числе дробленые зерна со свежей поверхностью 23,3 12,3 26,6 9,7 42,1 21,1
Сростки зерен щебня с цементно-песчаным камнем 7 15 27,6
Агрегаты цементно-песчаного камня 69,7 58,4 30,3
Таблица 2
Размеры отверстий контрольных сит, мм Полные остатки на ситах, мас. %
Требования ГОСТ 8267-93 Фракция 5-10 мм Фракция 10-20 мм Фракция 20-40 мм
1,25D До 0,5 0,47 0 0
D До 10 3,74 3,24 0
0,5(d+D) 30-80 57,74 58,04 36,02
d 90-100 96,24 98,14 92,42
2,5 95-100 98,73 Не нормируется Не нормируется
Примечание. D и d - наибольший и наименьший номинальный размер зерен во фракции.
Разрушение происходит преимущественно по цементно-песчаному камню, а также по его границе с крупными зернами минерального заполнителя. По этой причине содержание раскрытых зерен щебня увеличивается в крупных фракциях (табл. 1). Содержание дробленых зерен щебня со свежей поверхностью не превышает 9,7—21,1% от общего количества зерен.
Сростки зерен щебня с цементно-песчаным камнем присутствуют в количестве от 7% во фракции 5—10 мм до 31,4% во фракции 20—40 мм.
Количество агрегатов цементно-песчаного камня наиболее велико в мелкой фракции — 69,7%. Содержание таких агрегатов во фракциях 20—40 и 10—20 мм может быть оценено только условно, так как в них могут присутствовать скрытые мелкие зерна щебня.
По зерновому составу все фракции вторичного щебня соответствуют требованиям ГОСТ 8267—93 (табл. 2).
Минеральные зерна, входящие в состав вторичного щебня, представлены породами различных генетических типов: разновидностями гранитов, габбро-диабазом, кварцитом и гравием. В пробе присутствует также металлургический шлак (рис. 5). В составе минеральной фракции преобладает гранит (табл. 3). Важно отметить, что такое распределение минеральных зерен является частным случаем. В общем случае генетический тип минерального заполнителя в бетонном ломе априорно определен быть не может.
Содержание слабых компонентов (гравия и металлургического шлака) снижается с уменьшением крупности. Во фракции 5—10 мм их зерна отсутствуют, что связано с переходом этих компонентов в песок-отсев при дроблении.
Исследование морфологии поверхности зерен методом сканирующей электронной микроскопии показывает, что практически вся поверхность нераздробленных минеральных зерен покрыта тонким слоем цементного раствора. Частицы цемента заполняют первичные трещины и поры (рис. 6).
Таблица 3
Состав минерального заполнителя во вторичном щебне
Фракции, мм Содержание, вес.%
Гранит Габбро-диабаз Кварцит Гравий Металлургический шлак
5-10 86,3 8,3 5,4 - -
10-20 70,8 14,1 5,5 5,4 4,2
20-40 57,8 22,1 2,6 10,1 7,4
Таблица 4
Сравнительная характеристика физико-механических свойств компонентов вторичного щебня фракции 10-20 мм
Показатели Минеральный заполнитель Цементно-песчаный камень
Средняя плотность, г/см3 2,67 2,1
Водопоглощение, % 0,26 8,3
Прочность (потеря массы при испытании), % 13,1 29,3
Морозостойкость (марка) F200 F15
Сопротивление удару (потеря массы при испытании), % 10,2 43,4
Цементный раствор, заполняющий поры, снижает водопоглощение минеральных зерен. Значение этого показателя составляет 0,13—0,34%, что на порядок ниже, чем для гранитного щебня, получаемого при дроблении скальных пород. Водопоглощение минеральных зерен
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
июнь 2014
43
Таблица 5
Физико-механические свойства вторичного щебня
Рис. 5. Зерна минерального заполнителя в составе вторичного щебня (материал одной пробы): а - гранит; б - габбро-диабаз; в - кварцит; г - гравий; д - металлургический шлак
Показатели Значения показателей для фракций
5-10 мм 10-20 мм 20-40 мм
Средняя плотность, г/см3 2,31 2,34 2,41
Водопоглощение, % 7,2 5,7 4,4
Содержание лещадных зерен, % 25,4 14,2 11,9
Прочность(потеря массы при испытании), % 21,9 17,2 14,9
Марка по истираемости (потеря массы при испытании), % И4 (45,9) И2 (33,1) И2 (28,3)
Морозостойкость (марка) F25 F50 F50
Сопротивление удару (потеря массы при испытании), % 32,1 18,3 10,6
в основном обусловлено свежими трещинами, образованными в результате дробления бетона (рис. 7), а также присутствием слоя цемента толщиной 1—2 мм на их отдельных участках (рис. 8).
Сканирование поверхности цементно-песчаного камня показывает, что для этих агрегатов характерна рыхлая пористая структура (рис. 9) и, как следствие, высокое водопоглощение.
Поскольку свойства вторичного щебня определяются свойствами содержащихся в нем компонентов, были сформированы искусственные фракции минерального заполнителя и цементно-песчаного камня и выполнена сравнительная оценка их основных физико-механических свойств (табл. 4).
Анализ данных табл. 4 показывает, что минеральный заполнитель в целом сохраняет свойства первичного щебня.
Цементно-песчаный камень характеризуется высоким значением водопоглощения (8,3%) и низкой прочностью: потеря массы при испытании 29,3%; марка по морозостойкости F15. Следует отметить низкое сопротивление цементно-песчаного камня ударным нагрузкам: потеря массы при испытании на копре составляет 43,4%, что почти в четыре раза выше значения этого показателя для фракции минерального заполнителя во вторичном щебне.
Цемент на поверхности
б ,
Г 1
Рис. 6. Поверхность зерен вторичного щебня: б - выделенный участок (увеличение Х3000)
Исследование структуры горных пород методом рентгеновской компьютерной микротомографии показало, что в результате действия сжимающих напряжений при дроблении происходит деструктуризация наиболее слабых составляющих и их вынос из зоны разрушения [7—8]. Различное соотношение содержаний раз-нопрочных составляющих во фракциях крупности вторичного щебня приводит к разнице в их свойствах. При всех видах нагрузок (истирании, сжатии и ударе) преимущественно разрушается цементный камень. Аналогичный вывод сделан при исследовании морозостойкости: уже после трех циклов попеременного замораживания и оттаивания происходит практически полное разрушение цементного камня и высвобождение зерен щебня.
Мелкая фракция 5—10 мм состоит преимущественно из цементно-песчаного камня, что увеличивает водопоглощение, снижает прочностные свойства и морозостойкость. Свойства этой фракции в значительной степени определяются свойствами цемента.
В крупной фракции 20—40 мм увеличивается содержание зерен минерального заполнителя и снижается доля цементного камня, в результате чего прочностные характеристики и морозостойкость выше (табл. 5).
Песок-отсев крупностью 0—5 мм, образующийся при дроблении бетона, имеет модуль крупности 3,16
(повышенная крупность); в то же время он характеризуется высоким содержанием лимитируемой фракции — 0,16 мм (11,5%) и пылевидных частиц (6,9%). Минералогический анализ показал, что высокое содержание в песке крупных фракций связано с минеральной составляющей, а фракция -0,16 мм на 80% представлена цементом. Коэффициент фильтрации песка-отсева дробления бетона составляет 1,85 м/сут, что позволяет использовать его для устройства дренажных слоев оснований дорог.
Первичная трещина, заполненная цементом
. Лг* ■
$1)1510 Ю.ОКУ 14 Отт хЗ 00* 12/2/2013 15 40
а - поверхность зерна гранита (увеличение Х250);
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
44 июнь 2014 Ы ®
Рис. 7. Новообразованные трещины (указаны Рис. 8. Цементный раствор (указан стрел- Рис. 9. Зерно цементно-песчаного камня (увеличе-стрелками) на поверхности зерна гранита из ками) на поверхности зерна щебня ние х16); темные участки - поры и трещины
вторичного щебня (увеличение х500)
Нефракционированный материал крупностью 0—20 мм по зерновому составу соответствует щебеноч-но-песчаной смеси по ГОСТ 25607—2009. По основным физико-механическим характеристикам (устойчивость структуры против распадов 0,18%; потеря массы при испытании прочности 17,4%; марка по истираемости И2; марка по морозостойкости F50; коэффициент фильтрации 14,26 м/сут) щебеночно-песчаная смесь соответствует установленным требованиям и может использоваться для дорожных работ.
Таким образом, установлено, что во вторичном щебне, полученном в результате дробления, присутствуют разнородные по составу и свойствам зерна минерального заполнителя, их сростки с цементно-песчаным камнем и агрегаты цементно-песчаного камня. Минеральный заполнитель представлен породами различных генетических типов и металлургическим шлаком. Присутствие различных по составу
Список литературы
1. Олейник П.П., Олейник С.П. Организация системы переработки строительных отходов. М.: МГСУ, 2009. 251 с.
2. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. Ростов-на Дону: Феникс, 2007. 368 с.
3. Бибик М.С., Семенюк С.Д. Влияние физико-механических характеристик рециклированного щебня из дробленого бетона различных классов по прочности на сжатие на свойства бетонной смеси и бетона // Вестник Белорусско-Российского университета. 2010. № 3(28). С. 128-134.
4. Муртазаев С.А.Ю., Саламанова М.Ш., Гишкалае-ва М.И. Формирование структуры и свойств бетонов на заполнителе из бетонного лома // Бетон и железобетон. 2008. № 5. С. 25-28.
5. Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р., Фатыхов Г.А. К комплексному использованию шлаков из бетонного лома в производстве шлакощелочных вяжущих // Известия КазГАСУ. 2011. № 2. С. 218-223.
6. Ye Zhengmao, Chang Jun, Lu Lingchao, Huang Shifeng, Chen Xin. Modification of the intermediate transition zone sulfoalyuminatnom solution on cement // Guisuanyuan xuebao. J. Chin. Ceram. Soc. 2006. No. 4, pp. 511-515.
7. Вайсберг Л.А., Каменева Е.Е. Исследование структуры порового пространства гнейсогранита методом рентгеновской компьютерной микротомографии // Обогащение руд. 2013. № 3. С. 37-41.
8. Вайсберг Л.А., Каменева Е.Е., Аминов В.Н. Оценка технологических возможностей управления качеством щебня при дезинтеграции строительных горных пород // Строительные материалы. 2013. № 11. С. 30-34.
и свойствам минеральных зерен является причиной неоднородности прочностных характеристик вторичного продукта.
Минеральный заполнитель в целом сохраняет свойства первичного щебня. Снижение прочностных характеристик и морозостойкости вторичного щебня связано с присутствием цементно-песчаного камня. Качество вторичного щебня повышается с увеличением крупности фракций. С учетом селективности дробления технологическая схема может быть ориентирована на получение фракций крупности, обладающих наиболее высокой прочностью.
Различия в составе и свойствах вторичного щебня необходимо учитывать при выборе дробильно-сортировочного оборудования, компоновочного решения схемы дробления, а также при выборе направлений использования и определении цены на отдельные фракции крупности.
References
1. Oleinik P.P., Oleinik S.P. Organizatsiya sistemy perera-botki stroitel'nykh otkhodov [Organization of recycling construction waste]. Moscow: MGSU, 2009. 251 p.
2. Dvorkin L.I., Dvorkin O.L. Stroitel'nye materialy iz otkhodov promyshlennosti [Construction materials from the waste industry]. Rostov-on Don: Feniks, 2007. 368 p.
3. Bibik M.S., Semenyuk S.D. Influence of physical and mechanical characteristics of recycled crushed concrete rubble from different classes by compressive strength properties of the concrete mix and concrete. Vestnik Belorussko-Rossiiskogo universiteta. 2010. No. 3(28), pp. 128-134. (In Russian).
4. Murtazaev S.A.Yu., Salamanova M.Sh., Formation of the structure and properties of concrete on aggregate concrete breakage. Beton i zhelezobeton. 2008. No. 5, pp. 25-28. (In Russian).
5. Rakhimov R.Z., Rakhimova N.R., Fatykhov G.A. By slag comprehensive utilization of scrap in the production of concrete slag-alkaline binders. Izvestiya KazGASU. 2011.No. 2, pp. 218-223. (In Russian).
6. Ye Zhengmao, Chang Jun, Lu Lingchao, Huang Shifeng, Chen Xin. Modification of the intermediate transition zone sulfoalyuminatnom solution on cement. Guisuanyuan xuebao. J. Chin. Ceram. Soc. 2006. No. 4, pp. 511-515.
7. Vaisberg L.A., Kameneva E.E. Investigation of the structure of the pore space gneiss-granite by X-ray microtomography computer. Obogashchenie rud. 2013. No. 3, pp. 37-41. (In Russian).
8. Vaysberg L.A., Kameneva E.E., Aminov V.N. Assessment of technological capabilities of control over crushed stone quality in the course of disintegration of building rocks. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 11, pp. 30-34. (In Russian).
©teD'AÍZJlhrMS.
научно-технический и производственный журнал
июнь 2014
45
