CC BY
41
УДК 666.972
В. Н. Тыртыгин, В. П. Скрипник, Н. А. Собгайда, И. Г. Шайхиев
ПОЛУЧЕНИЕ ВЯЖУЩИХ И СЫРЬЕВОЙ ШИХТЫ ИЗ БЕТОННОГО ЛОМА
Ключевые слова: бетонный лом, утилизация, гидравлическое вяжущее, сухие бетонные смеси.
На основе выполненных исследований термообработки бетонного лома разработаны технологические основы утилизации вторичного бетона и получены низко энергоемкие гидравлические вяжущие, сухие бетонные смеси. Показана возможность получения гидравлического вяжущего и сырьевых бетонных смесей из бетонного лома.
Keywords: concrete scrap, recycling, hydraulic binder, dry concrete mixtures.
On the basis of investigations carried out heat treatment concrete scrap developed technological bases of scraps recycled concrete-tion and received low energy hydraulic binders, dry concrete mixtures. The possibility of obtaining a hydraulic vyazhu—schego and commodity concrete mixes of concrete scrap.
Введение
Внимание к вопросу повторного использования бетонного лома (бетонолома) в строительном производстве усилилось ввиду повышения дефицитности природных заполнителей, и увеличения количества старых и физически изношенных зданий и сооружений из силикатного кирпича, бетона и железобетона, подвергаемых сносу, необходимости охраны окружающей среды. Это же вызвало постановку работ по переработке бетонного лома в ряде развитых стран. В настоящее время между потреблением и производством портландцементов наблюдается все более усугубляющееся несоответствие. Цементная промышленность быстрыми темпами наращивает производство высокомарочных цементов, удельный вес их в общем объеме возрастает. Однако цементная промышленность не выпускает низкомарочные вяжущие, так как их получение также, как и вяжущих высоких марок, сопряжено с большими энергозатратами на обжиг и помол клинкера, и экономически менее эффективно производства высо-
комарочных бетонов М 400, 500, 600. Это несоответствие удается ликвидировать, наладив производство гидравлического вяжущего, затраты энергетических и других ресурсов на производство которого будут резко снижены. Сырьем для такого вяжущего может служить бетонный лом, объемы которого со временем все более возрастают. Использование в качестве гипсового вяжущего шлама химводоподго-товки, в частности, обсуждалось ранее [1-4].
Цель работы заключалась в исследовании и формулировке физико-химических и технологических основ утилизации бетоноломов и получения из них низкоэнергоемких гидравлических вяжущих, а также сырьевых бетонных смесей, содержащих, помимо вторичных вяжущих, заполнитель из бето-нолома. Целесообразность её обосновывается актуальностью вопроса утилизации искусственных камней (бетонолома), а также отсутствием низкомарочных гидравлических вяжущих (М50...М250). Кроме того до 40 % бетонного лома фракции щебня 0 . 10 мм еще не находят эффективного применения.
Таблица 1 - Факторы варьирования, натуральные и кодированные значения
№№ пп Наименование фактора Натуральные значения уровней Уровни Кодирован ные значе ния Формулы перехода от натуральных значений переменной к кодированным
1. Температура обжига, 0С 8 7 6 ООО ООО 0 1 2 -1 0 1 1 -2 1 x = x1 - 700 ; z = 3x2 - 2 100
2. Время обжига, мин 20 40 50 0 1 2 1 1 1 x _ x2 - 40 ; z - 3x 2 2 2 20 2 2
3. Скорость подъема температуры, 0С/мин 2 10 18 0 1 2 1 1 1 x3 - x3-12; Z3 _ 3x2 - 2 3 8 3 3
4. Скорость охлаждения, 0С/мин 2 10 18 0 1 2 1 1 1 X4 - 10 ■ z _ 3x2 2 x4 - 4 ; Z4 _ 3x4 - 2 8
5. Тонина измельчения обожженного бетонолома, остаток на сите 008 19 10 1 0 1 2 1 1 1 x5 _ x5 910; Z5 - 3x2 - 2
6. Наличие предварительной сушки бетонолома Да нет 0 1 0 1 -2 x6 _ {2 1
Методы исследования
В матрицу планирования [5, 6] вводилось 6 факторов. Состав и выбор их уровней варьирования определен на основании предварительно проведенных экспериментов. Для решения задачи использовался ортогональный план главных эффектов типа 2п х 3т в 27 опытах. Этот план позволил найти ортогональные главные линейные эффекты всех факторов и квадратичные эффекты трехуровневых факторов. Так как план ортогонален, то упрощается его статистический анализ и появляется возможность физической интерпретации полученного уравнения регрессии. Построение матрицы рандомизировали во времени (табл.1). Уравнение регрессии имеет вид:
5
У = Ьо + Е ( ь1 х + ЬцРц) + Ьбс6,
1=1
где х! и - линейные и квадратичные функции переменных Х.
Поскольку выбранный план ортогонален, коэффициенты в уравнении находили по формулам:
Ро = Е
Уп
Е(хпУп) Ь = п=1--
ь„ =
1" Е
N
Е(**Уп)
и=1
п=1
Е
и =1
где уп - экспериментальное среднее значение параметра выхода в п-ом опыте; N - число опытов, равное 27.
Поиск оптимальных условий проводили путем исследования всех одномерных зависимостей параметра выхода от каждой из переменных. Характер этих зависимостей для ортогонального плана не меняется при изменении уровней остальных переменных.
Оптимизация вяжущих свойств бетонного лома. Метод оптимизации вяжущих свойств бетонного лома заключался в следующем. Бетонолом дробили, из него извлекали арматуру, затем обжигали в течение короткого промежутка времени при определенной температуре. Подъем температуры для обжига и охлаждение обожженного материала производили по заданному режиму. Сущность этого технологического процесса заключалась в том, что при обжиге бетонного лома, восстанавливается активность вяжущего из бетонолома, ослабляются связи между цементным камнем и заполнителем. Причем, процессы регенерации происходят с меньшими энергетическими затратами. Удельный расход условного топлива на получение вяжущего из бето-нолома в 3.. .5 раз меньше чем на портландцементе [7. 8]. Следует отметить, что процесс получения вяжущего предусматривал измельчение обожженного
бетонного лома, который состоял из инертных материалов (крупный и мелкий заполнитель) и вяжущего вещества. На рис. 1 показана микроструктура цементного камня марки М500, не обожженного (увеличение в 2500 раз) и обожженного при температуре 650 °С (увеличение в 2000).
Рис. 1 - Микроструктура цементного камня М-500, (увеличение 2500 крат) не обожженного (сверху) и обожженного при температуре 650 °С, увеличение 2000 крат (снизу)
Характер вяжущего зависит от качества заполнителей. Например, в бетоноломах на основе керамзитовых или золоаглопоритовых заполнителях (легкие бетоны), молотые заполнители играют роль активной минеральной добавки. Проведенные работы показывали возможность получения вяжущего из бетонного лома на основе керамзитовых или золоаг-лопоритовых заполнителях активностью до 350 кг/см2.
В случае бетонолома из бетонов на основе природных гранитных (тяжелые бетоны) или кварцевых (силикатные бетоны) заполнителях, возможно получение вяжущих марок 50. 150. Эти величины основаны на экспериментальных результатах [7-9].
Метод проведения экспериментов заключался в следующем. Из портландцемента марки М500 готовились образцы-призмы размером 4x4x16 см, которые твердели в нормальных услови-
2
п
X
2
ях 28, 56 и 90 суток. Затем образцы дробились и обжигались при оптимально выбранной температуре (750 °С) в течение 40 минут. Обожженный камень измельчался в шаровой мельнице до остатка на сите 0,08 не более 15 % (аналогично остатку портландцемента марки М500). Параллельно, из портландцемента М-500 и полученного вяжущего (вторичного) из бетонолома различного возраста готовились растворы составов 1:3 (нормального песка), для определения активности. Часть образцов подвергались тепловой и влажностной обработке (ТВО), а часть твердела в нормальных условиях. Результаты испытаний образцов приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, вторичное вяжущее имеет активную составляющую 75...80 % от исходной (48,7 МПа), причем, возрастание наблюдается с увеличением возраста исходного бетонного лома из цементного теста с 28 суток нормального твердения до 90.
Таблица 2 - Результаты испытаний образцов растворов составов 1:3 на портландцементном вяжущем М500 и вяжущим, полученным после обжига затвердевшего цементного теста различного возраста (вторичное вяжущее)
Характеристики образцов Прочность после ТВО, МПа Прочность после 28 суток нормального твердения, МПа
При изгибе На сжатие При изгибе На сжатие
Растворы на портландцементе М500 6,1 38,8 10,8 48,7
Растворы на вторичном вяжущем из бетонолома 28 суточного возраста 4,5 25,6 5,7 36,4
Растворы на вторичном вяжущем из бетонолома 56 суточного возраста 4,7 26,2 6,8 37,8
Растворы на вторичном вяжущем из бетонолома 90 суточного возраста 5,1 27,2 7,9 38,6
Полученное вторичное вяжущее соответствует марке М350 (как и вторичное вяжущее из ке-рамзито- и золоаглопоритобетонов). Следует отметить, что если вяжущее из портландцемента после ТВО показало 80 % активности нормального 28-суточного твердения, то вторичное вяжущее показало в среднем 70 % активности нормального твердения. На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что тепловлажностная обработка, принятая для портландцементных гидравлических вяжущих, не является оптимальной для вторичных
вяжущих. Кроме того, с возрастом исходного бетонного лома, возрастает активность вяжущего, полученного из него. По всей видимости, причина вышеназванного кроется в структурных преобразованиях минералов, определяющих вяжущие свойства.
Активность вторичного вяжущего зависит от количества вяжущего в исходном бетонном ломе, а также от его качества. В качестве исходного бето-нолома использовался керамзитобетонолом марки М75 на портландцементе М500 - 230 кг, кварцевом песке с д = 2,1 - 476 кг, керамзитовом гравии с насыпной плотностью 450 кг/м3 - 450 кг и воде - 150 л. Также использовался керамзитобетонолом марки М100 из тех же материалов, однако со следующим их расходом: цемент - 270 кг, песок - 242 кг, керамзитовый гравий - 450 кг, вода - 154 л.
Для выяснения вопроса о роли термических регенераций вяжущих свойств, проводились эксперименты с образцами растворов из портландцемента марки М500 и Вольского песка в соотношении 1:3, которые использовались в качестве исходного бетонного лома 28-суточного возраста нормального твердения. Часть из них обжигались при температуре 750 0С в течение 40 минут. Затем те и другие образцы (обожженные и необожженные) измельчались до остатка на сите 0,08 - 4 %.
Из полученных вяжущих формовались образцы, часть которых подвергали ТВО, другая часть твердела в нормальных условиях. Данные испытаний приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Результаты испытаний образцов растворов 1:3 на вторичных вяжущих
Характеристик и образцов Прочность после ТВО, МПа Прочность после 28 суток нормального твердения, МПа
При изгибе На сжатие При изгибе На сжати е
Растворы на вторичном вяжущем из обожженного бетонолома. 3,1 12,8 4,2 18,6
Растворы на вторичном вяжущем из необожженного бетонолома. - 2,9 1,0 3,8
Из данных таблицы 3. видно, что самовозбуждение (помол цементного камня до удельной поверхности вяжущего) вяжущих свойств дает активность вяжущего в 5 и более раз, ниже, чем терморегенерация. Необходимо отметить, что растворы на вторичных вяжущих из различных видов бетонного лома, обладают повышенной водопотребно-стью, что частично можно объяснить наличием в составе вторичных вяжущих минеральных добавок.
Данный факт объясняет и повышенный показатель нормальной густоты вторичных вяжущих -
33.35 %. У вторичных вяжущих существенно снижаются сроки схватывания (по сравнению с исходным вяжущим бетонолома они уменьшаются в 3 и более раза), что также отрицательно сказывается на их технологических характеристиках. Так, например, сроки схватывания вторичного вяжущего в первом случае (вышеприведенные вторичные вяжущие из керамзитобетонолома марки М100) составили: начало схватывания (НС) 50 мин конец схватывания (КС) - 1 час 35 мин; а в старом: КС- 45 мин, КС-1 час 20 мин. Для регулирования сроков схватывания и снижения нормальной густоты вторичного вяжущего в него добавлялось 5 % (от веса вторичного вяжущего) гипса. Это позволило на 1.2 % снизить нормальную густоту и увеличить в 2. 3 раза сроки начала и конца схватывания.
Получения сырьевых смесей из бетоннго лома. Получение сырьевых смесей для бетонов, включающих помимо регенерированного вяжущего, заполнители из бетонного лома. Сущность получения сырьевых смесей заключалась в том, что при обжиге последнего восстанавливается активность вяжущего из бетонолома, ослабляются связи между цементным камнем и заполнителем при сохранении механической прочности последнего. В результате, термообработанный бетонный лом при последующем механическом воздействии, распадается на вяжущее и заполнитель. При затворении водой такой смеси и её затвердевании получается бетон с механической прочностью, соответствующей прочности исходного бетонного лома.
Для получения сырьевых бетонных смесей использовали бетонолом из керамзитобетона М75, золоаглопоритобетона М200, тяжелого бетона М200. Бетонный лом дробился до размеров отдельных кусков на более 70 мм. Обжиг производился при температуре 750 °С. После остывания обожженный бетонолом загружали в шаровую мельницу, где происходило измельчение сырьевой смеси и отделение заполнителей от вяжущего. Измельчение проводили до остатка на сите 0,08 мелкодисперсной фракции не более 15 %. Исходную смесь затворяли водой и из неё формовали образцы. Данные испытаний приведены в таблице 4.
Из таблицы 4, видно, что сырьевые смеси, из которых готовились керамзито- и золоаглопори-тобетоны, показали прочность при сжатии уже после ТВО больше прочного исходного бетонолома, а после нормального твердения в течение 28 суток прочность возросла почти в 1,5 раза. При этом следует отметить, что бетоны из сырьевых смесей из керамзито- и золоаглопоритобетонов оказались плотней исходных бетонных ломов. Так, плотность керамзитобетонолома составляла в среднем 1210 кг/м3, а бетона из сырьевой смеси на его основе - 1380 кг/м3. Эти же данные для золоаглопоритобе-тона составили соответственно - 1820 кг/м3 и 2090 кг/м3.
Результаты опытно-промышленных испытаний на Белгород-Днестровском заводе ячеистых бетонов [5] показали возможность замены цемента и части молотого песка на вяжущее из бетонного лома без снижения физико-механических характери-
стик ячеистых бетонов.
Результаты опытно-промышленных испытаний на опытном заводе ВНИИСтром бетонного лома (керамзитобетон фракции 0.25 марки М75, семилетнего возраста) [9] показали возможность получения вяжущего из бетонного лома с прочностными характеристиками, равными контрольным образцам на цементе марки М400 140.160 кг/см2, что подтвердило ранее полученные результаты в лабораторных условиях.
Таблица 4 - Результаты испытаний бетонов из сырьевых смесей полученных регенераций бето-ноломов
Характеристики образцов Прочность после ТВО, МПа Прочность при сжатии после 28 суток нормального твердения, МПа
Бетон из сырьевой смеси из регенерированного керамзитобетонолома М75 9,2 12,0
Бетон из сырьевой смеси из регенерированного золоаглопоритобетоноло ма М200 20,4 27,8
Бетон из сырьевой смеси из регенерированного бетонолома М300 15,0 20,0
Бетон из сырьевой смеси из регенерированного бетонолома М200 обозженного без предварительного дробления. 9,3 13,1
Выводы
Внедрение новой безотходной технологии переработки бетонного лома представляет собой сумму экономий всех производственных затрат, которую получит народное хозяйство за счет замены в производстве продукции и строительстве первичного сырья отходами, а также за счет предотвращения отрицательного воздействия отходов на окружающую среду.
На основании вышесказанного очевидно, что необходимо максимально расширить номенклатуру стройматериалов на основе вяжущих из бетонного лома.
Литература
1. Р.Ш. Валеев, И.Г. Шайхиев, к Казанского технологического университета, 13, 41-45 (2011).
2. Р.Ш. Валеев, И.Г. Шайхиев, Экология и промышленность России, 2, 28-29 (2010).
3. Р.Ш. Валеев, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 6, 35-37 (2012).
4. Р.Ш. Валеев, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 10, 111-113 (2012).
5. С.Н. Саутин, Планирование эксперимента в химии и
химической технологии. Химия, Ленинград, 1975. 48 с. 6. А.Х. Назарова, С.Л. Кафаров, Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии, Высшая школа, Москва, 1978. 319 с.
7. Авт. свид-во 1406994 СССР (1998).
8. Авт. свид-во 1692099 СССР (1991)
9. В.П. Скрипник, Весник ГрГУ имени Я. Купалы, 2, 2(68), 89-94 (2008).
© В. Н. Тыртыгин - к.т.н., доцент кафедры технической механики и материаловедения Гродненского государственного аграрного университета, Республика Беларусь, tyrtygin@mail.ru; В. П. Скрипник - к.т.н., главный технолог комбината строительных материалов г. Гродно, Республика Беларусь, Н. А. Собгайда - д.т.н., доцент кафедры «Экология и Дизайн» Технологического факультета Энгельсского государственного технологического института (филиала) Саратовского Государственного технического университета, conata07@list.ru; И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. кафедрой Инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета, ildars@inbox.ru.
© V. N. Tyrtygin - Ph.D., Associate Professor, Department of Technical Mechanics and Materials Grodno State Agrarian University-tion, Belarus, tyrtygin@mail.ru; V. P. Skripnik - Ph.D., chief technologist of the plant building materials of Grodno, Belarus, N. A. Sobgayda - Ph.D., assistant professor of "Ecology and Design" Faculty of Technology Engels State Technological Institute (branch) of Saratov sovereigns-governmental Technical University, conata07@list.ru; 1 G. Shaikhiev - PhD, Head. the Department of Environmental Engineering Kazan State Technological University, ildars@inbox.ru.
