CC BY
18Научная статья УДК 691.534.2
ГРНТИ: 67.09 Строительные материалы и изделия ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия doi:10.51608/26867818_2023_2_17
КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ
© Авторы 2023
ORCID: 0000-0002-7391-1396
БАРУЗДИН Александр Андреевич
аспирант
Владимирский государственный университет
им. А.Г. и Н.Г. Столетовых
(Россия, Владимир, e-mail: Baruzdin98@bk.ru)
SPIN: 3981-3286
AuthorlD: 878855
ORCID: 0000-0002-7064-7235
ЗАКРЕВСКАЯ Любовь Владимировна
кандидат технических наук, доцент Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых (Россия, Владимир, e-mail: lvzak@mail.ru)
ORCID: 0000-0002-1171-4119 НИКОЛАЕВА Ксения Алексеевна
студент
Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых
(Россия, Владимир, e-mail: ksysha.nickolaeva@yandex.ru)
Аннот ация. Актуальность исследований обусловлена большими объёмами отходов строительной отрасли, возникающих при демонтаже, возведении, ремонте и реконструкции зданий. Проведены исследования по подбору состава композитного материала на основе гашеной извести, песка, обожжённой глины, гипса, диатомита и кирпичной крошки (це-мянки), пригодного для применения в качестве кладочного, отделочного или ремонтного состава. Целью работы является создание известковых строительных растворов с использованием кирпичной крошки (цемянки), тем самым увеличивая долю строительных отходов вовлекаемых в переработку. Задачами работы являются: анализ современного состояния проблемы утилизации строительных отходов в России, синтез строительных растворов и определение их основных физико-механических характеристик, исследование возможности применения данных составов в качестве кладочного, отделочного и ремонтного материала. В результате данного исследования разработаны составы композиционных материалов, содержащих известь до 35% масс. с прочностью на сжатие от 2,25 до 6,3 МПа, плотностью 1200-1300 кг/м3, морозостойкостью до 35 циклов, с коэффициентом размягчения до 0,74 пригодных для использования в качестве отделочных и кладочных материалов.
Ключевые слова: строительные материалы; кирпичная крошка; известь; гипс; прочность на сжатие; коэффициент размягчения; морозостойкость; рециклинг; строительные отходы
Благодарност и: работа выполнена в рамках государственного задания в сфере научной деятельности Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема FZUN-2020-0015, госзадание ВлГУ).
Для цитирования: Баруздин А.А., Закревская Л.В., Николаева К.А. Композиционный материал на основе техногенных отходов // Эксперт: теория и практика. 2023. № 2 (21). С. 17-23. Сок10.51608/26867818_2023_2_17.
Original article
COMPOSITE MATERIAL BASED ON INDUSTRIAL WASTES
© The Author(s) 2023 BARUZDIN Alexander Andreevich
PhD Candidate
Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletov (Russia, Vladimir, e-mail: Baruzdin98@bk.ru)
ZAKREVSKAYA Lyubov Vladimirovna
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletov (Russia, Vladimir, e-mail: lvzak@mail.ru)
NIKOLAEVA Ksenia Alekseevna
Student
Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletov (Russia, Vladimir, e-mail: ksysha.nickolaeva@yandex.ru)
Abstract The relevance of the research is justified by the large volumes of waste from the construction industry. Construction waste is arising from dismantling, constructing, repairing and reconstructing buildings. The research has been carried out on the selection of the mixture ratio of a composite material. The ratio is based on slaked lime, sand, baked clay, gypsum, diatomite and a broken brick (opus signinum) and intended for use as a masonry, finishing, or a repair composition. The aim of the work is to create the lime solutions with the broken brick in order to increase the share of construction waste that is involved in recycling. There are three objectives of the work. The first one is to analyze the current conditions of a problem of the utilization of the construction waste in Russia. The second is to find a synthesis of solutions and to determine their basic physical and mechanical characteristics. The third is to study the possibility of using these compositions as a masonry, finishing, and a repair material. As a result of this study, the mixture ratio of the composite material has been developed. The material contains lime up to 35% of the mass. Its compressive strength is from 2.25 to 6.3 MPa. The density is 1200-1300 kg / m3. The frost resistance is up to 35 cycles. The softening coefficient is up to 0.74. That makes this material suitable for being used as finishing and masonry.
Keywords: building materials; broken brick; lime; gypsum; compressive strength; malaxation coefficient; frost resistance; recycling; construction waste
Acknowledgments: the research was carried out within the state assignment in the field of scientific activity of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (theme FZUN-2020-0015, state assignment of the VlSU).
For citation: Baruzdin A.A., Zakrevskaya L.V., Nikolaeva K.A. Composite material based on industrial wastes // Expert: theory and practice. 2023. № 2 (21). Pp. 17-23. (InRuss.). doi:10.51608/26867818_2023_2_17.
Введение
Одной из важнейших проблем современной строительной индустрии является производство строительных композиционных материалов с использованием доступного, дешевого, невостребованного сырья к которому относятся отходы горнодобывающей промышленности и отходы строительного производства, включающие в себя как отходы от демонтажа конструкций и реновации, так и отходы возникающие при возведении, ремонте и реконструкции зданий и сооружений.
Переработка в строительстве и ремонте предполагает повторное использование материалов, которые в противном случае были бы выброшены как отходы. Это может включать широкий спектр материалов, таких как: бетон, кирпич, дерево, сталь, гип-
сокартон, стекломагнезиальный лист, стекло, штукатурка, теплоизоляция, изоляция и многие другие. Целью вторичной переработки в строительстве и ремонте является сокращение количества образующихся отходов, минимализация использования нового сырья и сохранение природных ресурсов.
Существует несколько способов утилизация во время строительных и ремонтных работ. Например, один из них - использование переработанного бетона или кирпича в качестве заполнителя.
Переработка в строительстве и ремонте может иметь ряд преимуществ, включая снижение негативного воздействия на окружающую среду, снижение затрат и поддержку местной экономики за счет создания рабочих мест в перерабатывающей промышленности. Это важный аспект методов
устойчивого строительства, который может помочь уменьшить общий экологический след застроенной среды.
Исследования посвящены использованию отходов строительного производства совместно с отходами горнодобывающей промышленности для получения бесцементных композиционных материалов, пригодных для использования в качестве кладочных, отделочных и ремонтных составов, в том числе по программе «Применения вторичных ресурсов, вторичного сырья из отходов в сфере строительства и жилищно-коммунального хозяйства на 20222030 годы» Министерства строительства и коммунального хозяйства.
Изготовление известковых растворов с использованием кирпичного боя началось еще в древности. Известь - одно из первых, используемых в строительстве, вяжущих веществ наряду с необожжённой глиной и гипсом. Впервые известь стали широко применять в Греции. В Микенский период ^1-Х1 в. до н.э.) известь применяли для штукатурных и облицовочных работ, а также в качестве грунта для настенной росписи, затем её начали использовать и при строительстве гидротехнических сооружений [1].
Впервые вяжущие вещества из извести на Руси применялись при сооружении Десятинной церкви в Киеве в 990 г. Растворы состояли преимущественно из цемянки, песка, глины, толченого известняка. Цемянка представляла собой хорошо обожжённое, однородное тесто без песка и являлась, вероятнее всего специальной обожжённой глиной. В более поздних растворах происходит замена специально обожжённой глины на бой плинфы (кирпича), встречается использование толченого известняка. Автор работы [2] утверждает, что использование боя плинфы (кирпича) способствует уменьшению усадки раствора и снижению содержания извести, а использование толченого известняка улучшает каркасность раствора и создает дополнительные центры кристаллизации, увеличивающие прочность.
В современных реалиях строительство и демонтаж строительных конструкций сопровождается образованием значительного объёма строительных отходов, большая часть которых приходится на кирпичный бой и бетонный лом [3].
Помимо таких отходов как кирпичный и бетонный лом, древесина и металл отдельно стоит упомянуть стеклобой. Ежегодно количество образующихся на территории западноевропейских стран отходов стекла оценивается в миллионы тонн и ситуация в России не является исключением. Только из Московской области ежегодно вывозится около 3,25 млн. тонн стеклобоя, поэтому его утилизация и вторичное использование является актуальной задачей [4].
На рис. 1 представлена структура строительных отходов по видам материалов.
Рис. 1. Структура строительных отходов по видам материалов, %
В развитых странах доля переработки строительных отходов составляет около 50% их общего объема за счет совершенствования технологий ре-циклинга. А такие страны как Дания, Нидерланды, Швеция, Германия и ряд других смогли достигнуть очень высокого уровня переработки, - более 90% таких отходов. В России ежегодно образуется 15-17 млн. т строительного мусора, тогда как основным способом утилизации остается захоронение, поэтому вопрос рециклинга строительных отходов как никогда актуален в современных реалиях [5].
На рис. 2 представлена статистика доли переработки строительных отходов в некоторых странах.
Дания, Нидерланды, Швеция, Германия
Другие страны ЕС США Япония Китай Россия
■ Сжигание и захоронение ■ Переработка
Рис. 2. Доля переработки строительных отходов в странах, %
Использование кирпичной крошки при производстве бесцементных композиционных вяжущих позволит увеличить объем строительных отходов во-
Битый кирпич
w 6%
27%
60%
Железобетонный лом
Древесина Металл
Стекло, гипсокартон, керамическая плитка и др.
влекаемых в хозяйственный оборот в качестве вторичных ресурсов.
В данной работе были синтезированы строительные растворы на основе извести, песка, глины, диатомита, гипса и кирпичной крошки образующейся от дробления кирпичного боя.
Материалы и методы
Исследования проводились на базе кафедры СП ВлГУ имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых с помощью современного оборудования и приборов, таких как пресс ручной ПРГ-1-10, смеситель лабораторный, прибор для измерения удельной поверхности и среднего размера частиц ПСХ-10, стандартный конус ПГР для определения подвижности смеси, прибор Вика, камера тепла и холода испытательная СМ-60/150-80-ТХ, оптический микроскоп МБС-9, сканирующий электронный микроскоп SEM. Рентгенофазовый анализ проводился на порошковом дифрактометре Bruker AXS D8 ADVANCE (модель D8, фирма-производитель: «Bruker Optik GmdH», Германия).
Для синтеза строительных растворов использовались: гашеная известь, высокопрочный гипс, диатомит, кварцевый песок, обожжённая глина, кирпичная крошка(цемянка). В таблице 1 представлены свойства исходных материалов.
Таблица 1- Свойства исходных материалов
Ксж=19 Мпа;
Высокопрочный гипс Кизг=6,55Мпа
Г-19 WMасс=18%
^04 -21-120) > 5 мин 11 мин
Содержание БЮ2 - 70-
96%
р=350-1600 кг/м3
.Q H Диатомит рист=2000-2500 кг/м3
Ш X Ксж=2-15 Мпа
о с Твердость по шкале Мо-
о оса - 1-4
Буд=5500-12000 см2/см3
Гашеная известь Содержание Са(0Н)2 -
(Сэ(0И)2) 78,48%
Кварцевый песок (3102) Фракция 0,05-0,25 мм
Обожжёная глина р=1200 кг/м3
Кирпичная крошка Фракция 0,05-0,25 мм
(цемянка) Буд=3200 см2/г
Commander Sample ID (Coupled TwoTheta/Theta)
4.........1.........1.........^.........I,.........
Рис. 3. Рентгенофазовый анализ извести (РФА)
В таблице 2 представлен химический состав используемого кварцевого песка, полученный с помощью рентгенофазового анализа.
Таблица 2-Химический состав песка
SiO2 Fe2O3 AI2O3 TiO2 K2O CaO MgO P2O5 Na2O
Масс.% 97,952 0,961 0,537 0,132 0,142 0,081 0,004 0,022 0,052
Основным вяжущим веществом в составе выступает гашеная известь являющаяся отходом Ков-ровского завода извести. Рентгенофазовый анализ извести представлен на рис. 3 и говорит о том, что содержание Са(ОН)2 более 78% и данный материал пригоден для использования в качестве вяжущего.
Из данных рентгенофазового анализа видно, что доля чистого кремнезема в песке составляет 97,95%, что свидетельствует об отсутствии значительных примесей.
На рисунке 4 изображено использовавшееся оборудование.
Методика эксперимента заключалась в следующем: в необходимом количестве взвешивались материалы и помещались в смеситель (Рис. 4а), затем смесь компонентов перемешивалась в сухом виде, после чего добавлялась в необходимом количестве вода и включался смеситель. Готовая смесь укладывалась в формы 2х2х2 см (Рис. 4б), полученные методом послойного наплавления пластика (FMD печать), после этого образцы помещались в камеру твердения. По истечению 28 суток определялась прочность образцов на сжатие, морозостойкость и коэффициент размягчения.
Рис. 5. Изготовленные образцы композиционного материала
Таблица 3 - Составы синтезированных композитов
Рис. 4. Использовавшееся оборудование:
а — лабораторный смеситель; б -формы 2х2х2 см, полученные методом послойного наплавления пластика (FMD печать); в -пресс ручной ПРГ-1-10; г -камера тепла и холода СМ-60/150-80-ТХ
Физико-механические свойства исходных материалов и полученных композитных составов оценивались по стандартным методикам. Прочность на сжатие образцов была измерена методом разрушения с помощью пресса ПРГ-1-10 (Рис.4в) в соответствии с ГОСТ 5802-86.
Морозостойкость определялась с помощью камеры тепла и холода СМ-60/150-80-ТХ (Рис.4г) методом попеременного замораживания и образцов в состоянии насыщения водой при температуре 15 °С и оттаивания их в воде при температуре 15-20 °С согласно ГОСТ 5802-86.
Для определения водостойкости образцы насыщались водой после чего подвергались испытанию на сжатие. С помощью коэффициента размягчения была найдена водостойкость полученного материала.
Результаты
Изготовленные образцы представлены на
рис. 5.
В таблице 3 представлена сетка синтезированных составов композиционных материалов.
Для анализа полученных характеристик были проанализированы существующие известковые растворы [7-8].
В таблице 4 представлены результаты исследования физико-механических свойств синтезированных материалов и характеристики существующих растворов.
Марка состава Компоненты, масс %
Диатомит Высокопрочный гипс Гашеная известь Кварцевый песок Обожжённая глина Кирпичная крошка Вода
1 5 8 35 14 5 5 28
2 5 8 35 10 5 9 28
3 5 8 35 6 5 13 28
4 5 8 30 19 5 5 28
5 5 8 30 17 5 7 28
6 5 8 30 12 5 12 28
7 5 8 30 8,6 5 15,4 28
8 5 8 30 5 5 19 28
9 5 8 25 20 5 9 28
10 5 8 25 14,7 5 14,3 28
11 5 8 25 10 5 19 28
Таблица 4 - Результаты исследования основных свойств составов
Марка состава Наименование показателей
Плотность р, кг/м3 Прочность на сжатие Re«, МПа Коэффициент размягчения, Кр Морозостойкость Р, циклов
Синтезированные образцы Аналоги Исследуемые образцы Аналоги Синтезированные образцы Аналоги
1 1230 2,25 2,4-5,4 0,61 0,550,78 30 35
2 1200 3,25 0,60 30
3 1280 3,75 0,64 30
4 1240 3,25 0,61 25
5 1260 3,5 0,60 25
6 1250 4,0 0,69 25
7 1260 5,0 0,72 35
8 1250 6,3 0,70 35
9 1300 3,0 0,65 35
10 1300 4,0 0,71 35
11 1280 4,75 0,74 30
Обсуждение
Из таблицы 3 и графиков изображенных на рис. 6, 7 видно, что по мере увеличения в заполнителе доли содержания кирпичной крошки и уменьшения доли кварцевого песка прочность на сжатие постоянно возрастает.
-35% -30° о
ю
Ii
20 масс.
Рис. 6. Зависимость прочности на сжатие от содержания кирпичной крошки в % масс. при 25,30, 35% содержания извести
сти и способствует более раннему и более интенсивному процессу кристаллизации.
Также данными авторами подтверждено, что добавление измельченного глиняного кирпичного порошка уменьшает объем и количество пор. Дополнительные гидраты, образующиеся в результате пуц-цолановой реакционной способности кирпичного порошка, глины и диатомита увеличивают плотность матрицы и улучшают структуру материала, повышая, таким образом, его водостойкость.
Эту гипотезу также подтверждают снимки синтезированных растворов выполненные с помощью оптического микроскопа (Рис. 8). На снимках видно, что образец с содержанием кирпичной крошки 15,4% обладает более плотной структурой по сравнению с образцом, содержащим 5% кирпичной крошки.
Рис. 7. Зависимость прочности на сжатие от содержания кварцевого песка в % масс. при 25,30, 35% содержания извести
Этот вывод отчасти коррелируется с работами ряда исследователей [9-10] которые утверждают, что тонкомолотый глиняный кирпич обладает пуццо-лановой активностью. Смесь гидроксида кальция (извести) с молотым боем кирпича и затворенная водой способна образовывать гидроксиды кальция и гидроалюминаты кальция. Условием протекания реакции является рН раствора равного 12,5 и температура воздуха 25 ° С.
Высокие концентрации ионов ОН- способны разрушать связи в кремнеземе, силикатах и алюмосиликатах с образованием простых ионов, в соответствии со следующей химической реакцией [11-12]: = Б1-0 -5Ё = л*ОН - 2 рЮ{ОН\] + = 5; - О - А1 = +7ОН- - [ЯЮ{ОН\] + [Д!(ОН\]
Помимо кирпичной крошки пуццолановой реакционной способностью обладают диатомит, который является отходом горнодобывающей промышленности, и обожжённая глина. Добавка гипса в свою очередь увеличивает скорость набора прочно-
Рис. 8. Снимки образцов выполненные с помощью оптического микроскопа при 7-кратном увеличении:
а - образец с 5% содержанием кирпичной крошки, б - образец с 15,4% содержанием кирпичной крошки
В работе [13] были исследованы прочностные свойства цементно-песчаных растворов с добавление тонкомолотого кирпича. Установлено, что добавление тонкомолотого кирпича до 20% от массы цемента увеличивает прочность раствора, что соответствует результатам данного исследования, что при добавлении молотого кирпича в состав известково-песчаного раствора до 20% от массы прочность композита возрастает.
■v ' • v/> ft. ¡Я!
[a! ШВЗ
Рис. 9. Растровая электронная микроскопия образцов с содержанием извести по массе:
а - 25%; б - 30%; в - 35%
На рис. 9 представлены результаты исследования образцов с разным содержанием извести по массе с помощью растровой электронной.
Структура образцов с содержанием извести 30% по массе отличается равномерным расположением кристаллов без пор и пустот. В образцах с содержанием 25% извести структура более рыхлая, а в случае с 35% встречаются крупные игольчатые кристаллы.
Выводы
В результате исследований были синтезированы составы известковых растворов, содержащих известь до 35% масс. с прочностью на сжатие от 2,25 до 6,3 МПа, плотностью 1200-1300 кг/м3, морозостойкостью до 35 циклов, с коэффициентом размягчения до 0,74 пригодных для использования в качестве отделочных и кладочных материалов.
Установлено, что при добавлении в состав известкового раствора кирпичной крошки до 20% от массы прочность композита возрастает. Это обусловлено тем, что тонкомолотая кирпичная крошка обладает пуццолановой активностью и в смеси с гашеной известью и водой способна образовывать гидроксиды кальция и гидроалюминаты кальция. Помимо кирпичной крошки пуццолановой реакционной способностью обладают диатомит и обожжённая глина.
Дополнительные гидраты, образующиеся в результате пуццолановой реакционной способности кирпичного порошка, глины и диатомита увеличивают плотность матрицы и улучшают структуру материала, повышая, таким образом, его водостойкость.
Добавка гипса увеличивает скорость набора прочности и способствует более раннему и более интенсивному процессу кристаллизации.
С помощью растровой электронной микроскопии было установлено, что образцы с 30% содержанием извести обладают более плотной структурой по сравнению с образцами с 25% и 35% содержанием извести по массе.
Результаты работы могут послужить основанием для синтеза новых композиционных материалов с помощью рециклинга отходов гипсокартона, известковой штукатурки и кирпичного боя. Решение использовать при производстве новых растворов данные отходы может позволить синтезировать высококачественные материалы из дешевого сырья, что будет иметь большой экологический и экономический эффект.
Библиографический список
1. Пащенко, А.А. Вяжущие материалы / А.А. Пащенко, В.П. Сербин, Е.А. Старчевская, 2-е изд. // К.: Вища шк., Головное изд-во, 1985. - 440 с.
2. Медникова, Е.Ю. Строительные растворы из архитектурных памятников южной Руси / Е.Ю. Медникова, А.А. Пескова // Библиотека «РусАрх» - 2008.
3. Слободянюк, Т. Р. Вторичное использование строительных отходов / Т. Р. Слободянюк, О. С. Гамаюнова // Высокие технологии в строительном комплексе. - 2022.
- № 1. - С. 18-26. - EDN MZLOPC.
4. Перспективы утилизации и вторичного использования не утилизированных отходов стекла (стеклобоя) в дорожном строительстве / А. В. Барт, А. В. Оришев, С. В. Рудак, Ю. Г. Борисенко // Инновационная наука. - 2020. -№ 12. - С. 19-21. - EDN BOGNZK.
5. Жуков, С. Ю. Строительные отходы при реконструкции зданий и сооружений / С. Ю. Жуков // Проектирование и строительство : Сборник научных трудов 2-й Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов, магистров и бакалавров, Курск, 04-05 июня 2018 года / Ответственный редактор Н.В. Бакаева. - Курск: Юго-Западный государственный университет, 2018. - С. 61-63. - EDN XWRVGP.
7. Логанина В.И. Известковые сухие строительные смеси для реставрации и отделки зданий и сооружений: моногр. / В.И. Логанина. // Пенза: ПГУАС, 2015. - 320 с.
8. Пат. 249772 Российская Федерация, МПК С04В28/22, С04В41/65, С04В 111/27. Состав для отделки. / Королев Е.В. (RU), Логанина В.И. (RU), Макарова Л.В. (RU), Сергеева К.А. ^и);заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ») (RU). - №2012154816/03; за-явл. 18.12.12; опубл.10.11.13, Бюл. №31 - 4с.
9. Aliabdo A.A. The use of crushed clay bricks in the concrete industry/ A.A. Aliabdo, M. Abd-Elmoati, H.H. Hassan // Alexandria Engineering Journal. -2014. - Vol. 53. - № 1. -рр. 151-168.
10. Goncalves J.P. Evaluation of the effectiveness of cement slurries modified with metakaolin or ground bricks / J.P. Concalves, L.M. Tovareles, R.D. Toredo Folho, E.M.R. Fair-burn // Building and Building Materials. - 2009. - Vol. 23. -№ 5. - рр. 1971- 1979.
11. Liu S. The role of sintered clay brick powder in the hydration process of cement pastes / S. Liu, R. Dai, Q. Cao, Z. Gao // Iranian Science and Technology Journal. Proceedings of Civil Engineering. -2017.- Vol. 41. - № 2. - рр. 159 -165.
12. Романенко И.И. Материал на основе металлургических шлаков для укрепления дорожных оснований / И.И. Романенко, Б.В. Пилясов // Строительные материалы.- 2008. -№ 12. - С. 28-29.
13. Пробуждение гидравлической активности наполнителей и заполнителей из лома глиняного кирпича / И. И. Романенко, И. Н. Петровнина, К. А. Еличев, М. И. Романенко // Инженерный вестник Дона. - 2022. - № 11(95).
- С. 563-572. - EDN NDFRPP.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 03.02.2023; одобрена после рецензирования 30.03.2023; принята к публикации 15.05.2023.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 03.02.2023; approved after reviewing 30.03.2023; accepted for publication 15.05.2023.
