CC BY
13
Применение клетчатки в производстве строительных изделий
И.И. Романенко, И.Н. Петровнина, М.И. Романенко
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Аннотация: Целью работы является исследование возможности использования в качестве демпфирующей добавки минерализованной клетчатки в производстве тротуарной плитки и бордюров. Минерализация клетчатки осуществлялась раствором электролита и силикатом натрия. Производилась оценка физических свойств клетчатки и их влияния на физико-механические свойства мелкозернистых бетонов, твердеющих как в нормальных условиях, так и прошедших тепло-влажностную обработку. Выявлено, что прочность бетонов, модифицированных клетчаткой и твердеющих в нормальных условиях, выше бетонов, прошедших тепло-влажностную обработку, на 4,2 %.
Ключевые слова: клетчатка, органические соединения, сахара, цементный клинкер, блокировка, твердение, гидратация, прочность, тротуарная плитка.
Введение
Городская среда обитания неизбежно способствует образованию большого количества ила на площадках, который требует переработки с последующей утилизацией отходов. На данный момент указанная проблема окончательно не решена. При этом в активном иле содержится огромное количество органических и минеральных веществ, а также присутствует патогенная микрофлора. Следовательно, необходимо проведение исследований, результаты которых позволят полученные после переработки активного ила продукт утилизировать, а вредные токсичные вещества подвергнуть уничтожению [1, 2].
Клетчатка образуется в результате обработки активного ила с полей обезвоживания и извлечения аминокислот. После сушки и измельчения клетчатка находится в мелкодисперсном состоянии с удельной поверхностью
л
Sуд = 4000^5000 см /г и содержит значительную долю органических веществ.
Из-за высокой дисперсности клетчатка интенсивно поглощает влагу, загустевает, превращаясь в пасту, а наличие органических веществ и сахаров оказывает блокирующее действие на гидратацию цементного клинкера [3-5]. Проведенные ранее исследования установили, что предельная дозировка
активного ила и клетчатки в цементные композиции обычно не превышает 5 % от массы портландцемента [6-8].
Для того, чтобы обеспечить бетону высокие эксплуатационные свойства, необходимо сформировать оптимальную структуру цементного камня. Это обусловлено требованиями, предъявляемыми к бетонным конструкциям, условиями твердения и внешними факторами воздействия, включая природные условия [9, 10].
Реальное применение цементных композиций, модифицированных органической добавкой на основе клетчатки, возможно в мелкоразмерных вибропрессовых изделиях, таких, как бордюрные камни, тротуарная плитка различных форм, мелкоразмерные стеновые камни.
Известно [8, 11], что высокая прочность бетона обеспечивается при низких значениях водоцементного отношения (В/Ц < 0,3) и с использованием виброуплотнения с пригрузом.
Такие строительные изделия, как тротуарные плитки, работают в тяжелых природных условиях при воздействии агрессивных сред, а также испытывают действие изгиба и сжатия. Поэтому к бетону предъявляются высокие требования по прочности на сжатие, водопоглощению, морозо- и солестойкости. Марка бетона по морозостойкости ГОСТ 26633-2015 должна соответствовать не менее F 300 и марке по прочности на сжатие не менее В30.
Материалы и методы
Продукты, полученные после извлечения аминокислот из активного ила городских очистительных систем, например, такие, как клетчатка являются типичными поверхностно-активными веществами, которые существенным образом изменяют энергетические условия взаимодействия частиц минерального вяжущего в высокодисперсных системах в процессе их структурообразования. Органоминеральные вещества одновременно
М Инженерный вестник Дона, №4 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n4y2022/7573
выполняют роль регуляторов реологических характеристик композиций и модификаторов свойств готовой продукции.
Химический состав клетчатки весьма сложен и включает как минеральные, так и органические вещества (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав клетчатки
pH Содержание органической части, % от сухого в-ва Процент от органической части Процент от неорганической части
Липиды Угле воды Амино кислоты Белки Хло риды Фос фаты Суль фаты
6,6^7,0 75-80 12-16 24-29 3,0-5,0 12-18 50 10 40
Клетчатка образована переплетением относительно толстых гриф толщиной 3^6 МКм и длиной 10^60 МКм. После выделения аминокислот из ила и обезвоживания на вакуум-фильтрах, клетчатка представляет собой пасту влажностью 70^85 %. В таблице 2 представлены основные физические свойства клетчатки.
Таблица 2
Основные физические свойства клетчатки
Наименование Внешний вид Общая влага, % Сухое вещество Запах Зольность, % pH
Клетчатка Паста зеленовато-коричн. цвета 75-80 20-25 Специфический 18-21 6,6
Клетчатка характеризуется большой влажностью и, вследствие значительного содержания остатков пищевой среды, подвергается анаэробному или аэробному брожению при температуре 20^25 °С. Величина рН при биологических процессах понижается вследствие накопления органических кислот. Клетчатка, как и большинство высокомолекулярных соединений, способна образовывать пространственные сетки, «загущающие
раствор», в петлях которых находится молекула растворителя, т.е. воды. В результате чего мицелий (клетчатка) способен отбирать воду из системы и создавать отрицательный баланс по содержанию воды [12].
Для длительного хранения клетчатки требуется обработка минерализатором в виде раствора силиката натрия или хлоридом кальция, сушка, измельчение и упаковка в 3 слойные крафт мешки.
С целью определения оптимальной дозировки органического вещества, в мелкозернистые бетоны на основе портландцемента апробировались составы бетонов с дозировкой клетчатки 5, 10, 30 % от массы цемента; изменялась величина В/Ц от 0,22 до 0,6; в качестве гиперпластификатора применяли Sika ViscoCrete-5-600 SP, изучалось влияние электролитов на прочностные свойства бетонов в индивидуальном виде и в комплексе. Для качественного уплотнения бетонная смесь подвергалась вибропрссованию с
л
пригрузом Р = 240 кг/см .
В качестве исходных материалов для приготовления бетонов использовали: портландцемент Вольский СЕМ I 42,5^ Старооскольский СЕМ I 42,5^ песок Сурский, рядовой с модулем крупности Мкр = 1,1-1,3 минерализатор - CaQ2 и раствор силиката натрия. Наполнение композиционного материала на основе портландцемента осуществлялось клетчаткой. Клетчатка - вторичный материал, получаемый в Санкт-Петербурге на предприятиях ВНИА.
Испытание мелкозернистого бетона на сжатие, водопоглощение, морозостойкость проводили на образцах размером 40x40x160 мм, 70x70x70 мм и 100x100x100 мм (ГОСТ 10180-2012 Методы определения прочности по контрольным образцам, ГОСТ 12730.3-2020. Бетоны. Метод определения водопоглощения, ГОСТ 10060-2012 Методы определения морозостойкости). Результаты испытаний образцов на мелкозернистом бетоне с наполнением клетчаткой в количестве 30 % от массы цементов представлены в таблице 3.
Таблица 3
Физико-механические свойства мелкозернистых бетонов на Вольском
портландцементе СЕМ I 42,5N
№ п.п Ингредиенты, свойства Расход на 1 м3, кг
№ состава
1 2 3 4
1 СЕМ I 42,5К 600 600 600 600
2 Песок Сурский, рядовой 1500 1300 1000 1040
3 Клетчатка - 180 180 180
4 Минерализатор, СаС12 - - 18 20,4
5 Вода 168 204 204 204
6 Водоцементное отношение (В/Ц) 0,28 0,34 0,34 0,34
7 Предел прочности на сжатие в возрасте: 3 суток 28 суток 18,6 48,1 0,25 2,0 3,05 3,5 3,42 5,0
8 Погружение в воду на сутки через 28 суток твердения в камере нормального твердения самор азруш ение
Данные по набору прочности образцов из мелкозернистого бетона в 28 суточном возрасте при хранении в камере нормального твердения (температура t = 20±5 оС, влажность W = 90±5 %, табл. 3) показали, что клетчатка оказывает блокирующее действие на кинетику набора прочности цементного камня при дозировке 30 % от массы цемента и вызывает саморазрушение после погружения в воду через 28 суток. Образцы набухают, увеличиваются в геометрических размерах, происходит миграция частиц клетчатки в воду, в результате чего происходит ее окрашивание в коричневый цвет.
Введение в состав бетона СаС12 позволяет повысить прочность композита и обеспечить сохранность образцов после погружения в водопроводную воду на 24 часа (табл. 3). Составы 4 и 5 после погружения в воду не разрушились. Таким образом, дозировка клетчатки в качестве наполнителя минерального композита на основе портландцемента в количестве 30 % от массы вяжущего неприемлемо. Такое количество клетчатки для получения хорошо формующейся смеси требует большого
количества воды, что негативно сказывается на прочностных показателях бетона.
В дальнейшем рассмотрены составы с дозировкой клетчатки в количестве 5 и 10 % от массы вяжущего. Результаты испытаний мелкозернистых бетонов и их составы представлены в таблице 4.
Таблица 4
Физико-механические свойства мелкозернистых, мало наполненных
бетонов
№ п/п Расход на 1 м3, кг
Ингредиенты, свойства № состава
5 6 7 8
1 СЕМ I 42^ 600 600 600 600
2 Песок Сурский, рядовой 1500 1300 1000 1040
3 Клетчатка 30 60 30 60
4 Минерализатор: CaCl2 - - 18 20,4
Силикат натрия, водный раствор 0,15 0,30 - -
5 Sika ^ео^е-5-600 SP 3 3 3 3
6 Вода 156 156 156 156
6 Водоцементное отношение (В/Ц) 0,26 0,26 0,26 0,26
7 Предел прочности на сжатие в возрасте: 3 суток 24,4 20,0 18,8 14,7
28 суток 54,9 48,5 39,4 32,6
Погружение в воду на сутки через 28 суток Разруш Разруш Разруш Разру
8 твердения в камере нормального ения ения ения шения
твердения нет нет нет нет
9 Окрашивание воды при суточном нет светло коричн евый коричн темно корич невый
погружении евый
Обсуждение
Полученные результаты показали (табл. 4), что сокращение расхода клетчатки до 5^10 % от дозировки вяжущего и проведение минерализации самой клетчатки способствует получению качественных и прочных бетонов. Причем, дозировка клетчатки в количестве 5 % обеспечивает после вибропрессования выход более качественных образцов. Так, при их
визуальном осмотре отмечены ровные грани, плотная структура, однородный внешний вид, отсутствие непроформовок. Выявлено, что при погружении в воду не происходит фильтрация органических соединений, что подтверждается окрашиванием воды в коричневый цвет. Погружение на сутки образцов бетона в воду не приводит их саморазрушению.
За счет введения в бетонную смесь гиперпластификатора Sika ViscoCrete-5-600 БР в количестве 0,5% от массы вяжущего удалось снизить потребность воды (табл. 3, 4) и тем самым повысить прочностные показатели.
Таким образом, выявлена особенность формования мелкозернистых бетонов с модификаторами структуры на основе органических веществ -клетчатки, которая полностью исключает возможность использования традиционных технологий приготовления смесей для изготовления бетонных изделий.
Анализ литературы [13-15] и проведённых исследований с учетом закономерностей перераспределения межклеточной и внутриклеточной влаги клетчатки, находящейся в контакте с минеральными ингредиентами, указывает на необходимость полностью изменить технологию приготовления цементно-песчаных смесей. В связи с этим была предложена раздельная технология приготовления бетонных смесей из мелкозернистого бетона.
На первом этапе производится минерализация клетчатки водным раствором силиката натрия и сушка в распылительной сушилке.
Подготовленные ингредиенты для получения мелкозернистой бетонной смеси затворяются водным раствором гиперпластификатора и перемешиваются до однородного состав в бетоносмесителе принудительного действия в течении 4 мин. Затем вводится нужное количество минерализованной клетчатки и состав перемешивается еще 2 минуты, а в
л
дальнейшем производится вибропрессование с пригрузом 240 кг/см . Для
следующих исследований отобрали состав № 5 (табл. 4). Результаты испытаний представлены в таб. 5.
Таблица 5
Физико-механические свойства мелкозернистых бетонов, прошедших тепловую обработку (ТВО) при t = 60 оС
№ п/п Расход на 1 м3, кг
Ингредиенты, свойства № состава 5*
1 СЕМ I 42^ 600
2 Песок Сурский, рядовой 1500
3 Клетчатка 30
4 Силикат натрия, водный раствор 0,15
5 Б1ка У1веоСге1е-5-600 БР 3
6 Вода*(корректировка расхода воды) 132
7 Водоцементное отношение (В/Ц) 0,22
8 Предел прочности на сжатие после ТВО в
возрасте 28 суток 52,6
9 Водонасыщение, % 3,86%
10 Морозостойкость, циклы (методика 3) 300
Применение раздельной технологии позволило получить смеси с содержанием клетчатки 5 % и с более низким водоцементным отношением (по сравнению с составом 5, табл. 4), что сказалось на водонасыщении и морозостойкости бетонов для производства тротуарной плитки и бордюров. Клетчатка в данном случае выступает как демпфер и снижает внутренние напряжения при замораживании и оттаивании образцов бетона в солевом растворе.
Выводы:
1. побочный продукт от производства аминокислот из активного ила -клетчатка может использоваться в производстве строительных материалов;
2. применение мелкозернистых бетонов, модифицированных клетчаткой, целесообразно для дорожного строительства, а именно - для производства тротуарной плитки и бордюрного камня;
3. минерализованная клетчатка в бетонной композиции выполняет роль демпфера, что позволяет повысить морозостойкость образцов бетона до F300;
4. использование клетчатки позволяет одновременно решать экологические вопросы по ее утилизации и сокращению полей захоронения промышленных отходов.
Литература
1. Martins A.M., Pagilla K., Heijnen J.J., Van Loosdrecht M.C. Filamentous bulking slug—a critical review // Water Research, 2004, vol. 38, № 4, pp. 793-817.
2. Abdul-Malik, Yemen's Q.Y. Water Resources and Treated Wastewater. Sana'a: Ministry of Agriculture and Irrigation of Yemen // Characteristics and costs of MF and UF plants, Journal AWWA, 1996, pp. 56-58.
3. Nachbaur L., Mutin J. C., Nonat A., Choplin L. Dynam mode rheology of cement and tricalcium silicate pastes from mixing to setting // Cem. Concrete Res, 2001, vol. 31, № 2, pp. 72-75.
4. Toutou Z., Roussel N., Lanos C., Mélinge Y., Monnet P., Pantet A., Le Roy R. Rhéologie des suspensions à matrice cimentaire // Approche expérimentalemulti-échelle, Rev. Eur. Genie Civ, 2005, vol. 9, № 3, pp. 142-146.
5. Ahn T-H, Kishi T. Crack self-healing behavior of cementitious composites incorporating various mineral admixtures // Journal of Advanced Concrete Technology, 2010; vol. 8, рр. 171-186.
6. Van Tittelboom K, Gruyaert E, Rahier H, de Belie N. Influence of mix composition on the extent of autogenous crack healing by continued hydration or calcium carbonate formation // Construction and Building Materials, 2012, vol. 37, рр. 349-359.
7. Garrett T.M. Jr. Instrumentation, Control and Automation Progress in the United States in the Last 24 Years // Water Science and Technology, 2015, vol. 37, pp. 21-25.
8. Balkema A. Sustainability criteria for the comparison of wastewater treatment technologies // Paper prepared for the Eleventh European Junior Scientist Meeting, The Myth of Cycles versus Sustainable 4. Water and Material Flux Management, Wildpark Eekholt, Germany, 12-15 February 1998, pp. 32-37.
9. Романенко И.И., Петровнина И.Н., Романенко М.И. Модифицирование вяжущего тонкомолотыми компонентами // Дневник науки, 2018, № 2 URL: dnevniknauki.ru/index.php/number2-2018/tekhnicheskie-nauki-2-2018.
10. Романенко И.И., Пинт Э.М., Романенко М.И. Деформации цементного камня приводящие к образованию поверхностных трещин // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, 2012, № 4, С. 32-36.
11. Qureshi T, Kanellopoulos A, Al-Tabbaa A. Autogenous self-healing of cement with expansive minerals-I: Impact in early age crack healing // Construction and Building Materials, 2018, vol. 192, рр.768-784.
12. Kanellopoulos A, Qureshi TS, Al-Tabbaa A. Glass encapsulated minerals for self-healing in cement based composites // Construction and Building Materials, 2015, vol. 98, рр.780-791.
13. Романенко И.И. Модифицированные шлакощелочные бетоны с добавками побочных продуктов биосинтеза. Автореферат дис. ... кандидата технических наук / Саратовский гос. техн. ун-т. Саратов, 1993, 15 c.
14. Курочка П.Н., Гаврилов А.В. Бетоны на комплексном вяжущем и мелком песке // Инженерный вестник Дона, 2013, № 1 . URL: ivdon. ru/magazine/archive/nly2013/1562.
15. Романенко И.И., Фадин А.И., Петровнина И.Н., Романенко М.И. Влияние модификаторов структуры шлакощелочного вяжущего на трещинообразование // Инженерный вестник Дона, 2021, № 7. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n7y2021/7076.
References
1. Martins A.M., Pagilla K., Heijnen J.J., Van Loosdrecht M.C. Water Research, 2004, vol. 38, № 4, pp. 793-817.
2. Abdul-Malik, Yemen's Q.Y. Characteristics and costs of MF and UF plants, Journal AWWA, 1996, pp. 56-58.
3. Nachbaur L., Mutin J. C., Nonat A., Choplin L. Cem. Concrete Res, 2001, vol. 31, № 2, pp. 72-75.
4. Toutou Z., Roussel N., Lanos C., Mélinge Y., Monnet P., Pantet A., Le Roy R. Approche expérimentalemulti-échelle, Rev. Eur. Genie Civ, 2005, vol. 9, № 3, pp. 142-146.
5. Ahn T-H, Kishi T. Journal of Advanced Concrete Technology, 2010; vol. 8, рр. 171-186.
6. Van Tittelboom K, Gruyaert E, Rahier H, de Belie N. Construction and Building Materials, 2012, vol. 37, рр. 349-359.
7. Garrett T.M. Water Science and Technology, 2015, vol. 37, pp. 21-25.
8. Balkema A. Paper prepared for the Eleventh European Junior Scientist Meeting, The Myth of Cycles versus Sustainable 4. Water and Material Flux Management, Wildpark Eekholt, Germany, 12-15 February 1998, pp. 32-37.
9. Romanenko I.I., Petrovnina I.N., Romanenko M.I. Dnevnik nauki, 2018, № 2 URL: dnevniknauki.ru/index.php/number2-2018/tekhnicheskie-nauki-2-2018.
10. Romanenko I.I., Pint E.M., Romanenko M.I. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. SHuhova, 2012, № 4, рр. 32-36.
11. Qureshi T, Kanellopoulos A, Al-Tabbaa A. Construction and Building Materials, 2018, vol. 192, pp.768-784.
12. Kanellopoulos A, Qureshi TS, Al-Tabbaa A. Construction and Building Materials, 2015, vol. 98, pp. 780-791.
13. Romanenko I.I. Modificirovannye shlakoshchelochnye betony s dobavkami pobochnyh produktov biosinteza. Avtoreferat dis. ... kandidata tekhnicheskih nauk [Modified slag-alkaline concretes with the possibility of delivering biosynthesis products. Abstract dis. ... candidate of technical sciences]. Saratovskij gos. tekhn. un-t. Saratov, 1993, 15 p.
14. Kurochka P.N., Gavrilov A.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, № 1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/nly2013/1562.
15. Romanenko I.I., Fadin A.I., Petrovnina I.N., Romanenko M.I. Inzhenernyj vestnik Dona, 2021, № 7 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n7y2021/7076.
