CC BY
37УДК 691.322.7
Г.И. ЯКОВЛЕВ, д-р техн. наук (gyakov@istu.ru), А.А. ВДОВИН, магистр,
А.Ф. ГОРДИНА, канд. техн. наук, А.Н. ЗОРИН, архитектор, С.А. ПОТОРОЧИНА, бакалавр
Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова (426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7)
Влияние комплексной добавки на основе отходов асбестоцементных изделий и автопокрышек на свойства мелкозернистых бетонов
Изучено влияние измельченных отходов асбестоцементных изделий и резиновых автопокрышек на свойства и структуру цементной композиции. Введение техногенных добавок позволяет улучшить физико-механические характеристики мелкозернистого бетона вследствие синергетического влияния от совместного воздействия добавок. Резиновая крошка была предварительно подвергнута механоактивации совместно с портландцементом. Отходы асбестоцементных изделий вводились в мелкозернистый бетон после измельчения на дисковом истирателе до фракции 100 мкм. Результаты физико-химических исследований структуры модифицированного мелкозернистого бетона, проведенные с помощью ИК-спектрального и дифференциально-термических анализа, показали изменение состава новообразований в цементной матрице вследствие формирования гидросиликатов кальция разной основности. Модифицированный мелкозернистый бетон может быть использован для производства мелкоштучных изделий повышенной износостойкости и морозостойкости, используемых при устройстве покрытий в спортивных сооружениях.
Ключевые слова: резиновая крошка, асбестоцементные отходы, мелкозернистый бетон, модифицирующие добавки.
Для цитирования: Яковлев Г.И., Вдовин А.А., Гордина А.Ф., Зорин А.Н., Поторочина С.А. Влияние комплексной добавки на основе отходов асбестоцементных изделий и автопокрышек на свойства мелкозернистых бетонов // Строительные материалы. 2017. № 9. С. 58-61.
G.I. YAKOVLEV, Doctor of Sciences (Engineering) (gyakov@istu.ru), A.A. VDOVIN, Master,
A.F. GORDINA, Candidate of Sciences (Engineering), A.N. ZORIN, Architect, S.A. POTOROCHINA, Bachelor
Kalashnikov Izhevsk State Technical University (7, Studencheskaya Street, Izhevsk, 426069, Russian Federation)
Influence of a Complex Additive on the Basis of Asbestos-Cement Waste and Automobile Tires on Properties of Fine Concretes
The influence of milled wastes of asbestos-cement products and rubber automobile tires on the properties and structure of a cement composition has been studied. The introduction of anthropogenic additives makes it possible to improve physical-mechanical characteristics of the fine concrete as a result of the synergetic impact of joint effect of additives. Rubber crumb was preliminary subjected to mechanical activation together with Portland cement. Waste of asbestos cement products were introduced in the fine concrete after grinding in the disk grinder up to the fraction of 100 ^m. Results of the physical-mechanical study of the structure of modified fine concrete conducted with the help of IR-spectral and differential-thermal analyses showed the change in the compositions of new formations in the cement matrix as a result of formation of calcium hydro-silicates of different basicity. Modified fine concrete can be used for production of small piece materials of improved wear resistance and frost resistance used when arranging coverings in sport facilities.
Keywords: rubber crumb, asbestos-cement waste, fine concrete, modifying additives.
For citation: Yakovlev G.I., Vdovin A.A., Gordina A.F., Zorin A.N., Potorochina S.A. Influence of a complex additive on the basis of asbestos-cement waste and automobile tires on properties of fine concretes. Stroite'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 9, pp. 58-61. (In Russian).
Одной из огромных экологических проблем современности является утилизация техногенных материалов. По данным Минприроды Российской Федерации, только за 2014 г. образовалось почти 71 млн т отходов, из которых только 7,5% было вовлечено в хозяйственный оборот, остальные объемы направлены на захоронение. Объем переработки отходов за последние время снизился с 13,6 до 7,5% начиная с 2010 г. В то же время в Советском Союзе в 80-е гг. ХХ в. уровень переработки достигал до 60% бумаги, до 50% текстиля, свыше 30% автомобильных шин. В наше время эти показатели опустились до критических отметок: для бумаги и резины они составляют соответственно 36 и 10%.
Для основных климатических широт России со значительными диапазонами знакопеременной температуры одной из основных задач, требующих решения при разработке составов бетонов, является повышение прочности и морозостойкости изделий из него. Одновременно в настоящее время основной проблемой является утилизация техногенных материалов. Использование отходов резинотехнических изделий и асбестоцементных строительных материалов в качестве модифицирующих добавок при производстве мелкозернистых бетонов значительно расширяет сырьевую базу,
позволяет улучшить физико-механические свойства бетонов и существенно снижает антропогенную нагрузку на экосистему.
Существует несколько методов утилизации шин. По механизму воздействия их можно разделить на физические (технология механической переработки, технология низкотемпературного разрушения, бародеструкци-онная технология и современная технология «озонового продувания») и химические (пиролиз, восстановление шин, крекинг) [1—4, http://www.utilrti.ru/ru/poleznaya-mformatsiya/4-utiHzatsiya-shm-i-ekologiya.html].
Распространенным продуктом утилизации автопокрышек является переработанная резина в виде резиновой крошки [5]. Резиновую крошку широко используют как покрытие спортивных и детских площадок, заполнитель в асфальтобетонах, при производстве различных рулонных материалов и битумных мастик. Менее известный, но набирающий развитие способ использования резиновой крошки — это применение в качестве наполнителя в цементных бетонах. В то же время введение резиновой крошки позволяет повысить морозостойкость, но при этом снижает механические показатели [6]. Эта задача может быть решена введением дисперсно-армирующих добавок, в качестве которых
58
научно-технический и производственный журнал
сентябрь 2017
возможно использование переработанных отходов асбестоцементных изделий.
Последнее время к асбоцементным изделиям привилось негативное отношение вследствие прежде всего конкурентной борьбы между производителями кровельных материалов [7]. Однако доказано, что изделия на основе хризотил-асбеста не несут нагрузку на окружающую среду [8]. В то же время при капитальном ремонте скатных кровель, выполненных с использованием волнистых асбестоцементных листов, скапливается значительное количество невостребованных отходов. Известно, что в состав асбестоцементных изделий наряду с хризотил-асбестом входят гидросиликаты кальция, являющиеся составной частью цементной матрицы и связывающие волокна асбеста в плотный и прочный композиционный материал. При измельчении отходов асбестоцементных изделий до фракции, близкой к размерам частиц цемента, возможно повторное использование отходов, которые одновременно могут служить как дисперсно-армирующий наполнитель и как активный компонент в составе твердеющего мелкозернистого бетона. При этом такая добавка позволит нивелировать недостатки мелкозернистого бетона, производимого с использованием резиновой крошки.
Анализ существующей литературы показал, что мелкозернистый бетон с использованием резиновой крошки хорошо воспринимает ударные нагрузки и способен выдерживать больше циклов замораживания-оттаивания по сравнению с обычным цементным бетоном, лучше воспринимает ударные нагрузки и способен к большей деформации без разрушения [9]. Также было установлено, что резиновая крошка, обладая шероховатой поверхностью, создает прочные связи с цементным камнем. Однако при этих достоинствах бетон существенно снижает механические характеристики, в частности прочность при сжатии и изгибе, так как в связи с неполярностью структуры и гидрофобностью резиновые частицы плохо смачиваются и захватывают на своей поверхности значительное количество воздуха при приготовлении бетонной смеси. Этот эффект приводит к уменьшению плотности бетона (включения воздуха на поверхности резины увеличивают пористость), а также уменьшает площадь сцепления резиновой крошки с цементной матрицей, что в конечном итоге отрицательно сказывается на прочностных характеристиках затвердевшего цементного бетона.
Для устранения негативного эффекта Мохаммади и др. [10] частично заменили природный песок в бетонах на измельченную резину, предварительно замоченную в воде. Модифицированный бетон с замоченной в воде крошкой показал более высокую прочность (до 7%), чем соответствующий ему образец с необработанным заполнителем. Существует другой способ улучшения связей между резиновой крошкой и цементной матрицей, связанный с обработкой частиц резины водным раствором NaOH [11]. Данный способ усложняет технологию, влияет на химию твердения вяжущего и не дает существенных результатов.
Исходя из приведенного анализа существующих методов введения резиновой крошки в состав цементных бетонов был предложен метод механической активации резины. Суть метода заключается в совместном истирании цемента с резиновой крошкой в дисковом истира-теле ИД-250 с зазором между дисками 0,1 мм. При этом частицы портландцемента внедряются в резиновую
Рис. 1. Макроструктура мелкозернистого бетона (увеличение Х200): а - контрольный образец; б - структура образца с механоактивированной резиновой крошкой
крошку, что сокращает вовлечение воздуха в структуру бетона и позволяет создать более плотную структуру и увеличить сцепление резиновых частиц с цементной матрицей (рис. 1, б).
На снимках макроструктуры отмечено, что резиновая крошка без механической активации (рис. 1, а) вовлекает включения воздуха, вследствие чего увеличивается пористость мелкозернистого бетона.
Из рис. 1, б видно, что механоактивированная резиновая крошка имеет лучшее сцепление с цементной и,_
Икон.об
140% -
120% -
100%
80% -
60% -
40%
20%
■ контрольный образец
■ 15% резиновой крошки
■ 15% механоактивированной
резиновой крошки
0%
а о
Рис. 2. Прочность образцов при изгибе (а) и сжатии (б) в возрасте 28 сут
И_
Икон.об
140% -
120% -
100%
80% -
60% -
40%
20%
0%
7-е сут
14-е сут
28-е сут
Р (0%)
5%
15%
10%
Содержание добавки
Рис. 3. Прочности образцов при сжатии (---) и изгибе (
зависимости от времени твердения
20%
) в
научно-технический и производственный журнал
Ü^.^.-^r^VlVI® сентябрь 2017 59
К? >1
rSbâЯ
Рис. 4. Макроструктура образца мелкозернистого цементного бетона с добавлением 10% асбе-стоцементного заполнителя (а); резиновой крошки и асбестоцементного заполнителя (б). Увеличение Х200
матрицей и позволяет увеличить плотность структуры мелкозернистого бетона. При этом оптимальное содержание резиновой крошки в мелкозернистом бетоне составило 15% относительно мелкого заполнителя, что хорошо коррелирует с результатами работ [12, 13].
На графиках рис. 2, а видно, что при добавлении модифицированной резиновой крошки значительно возрастает механическая прочность при изгибе по сравнению с использованием обыкновенной резины, в то же время прочность при сжатии (рис. 2, б) значительно снижается по отношению к контрольному образцу.
Для улучшения прочностных показателей с механо-активированной резиновой крошкой в состав мелкозер-
4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 10 1/cm
Рис. 5. ИК-спектры: 1 - контрольного образца, 2 - с добавлением 10% асбестоцементного порошка
mg TGA 85 84 83 82 81 80 79 78 77
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 оС
Рис. 6. Результаты ДСК: (1, 3) контрольного образца; (2, 4) модифицированного 10% молотого асбестоцементного порошка
нистого бетона вводился асбестоце-ментный порошок фракцией до 100 мкм в количестве 5, 10, 15, 20% от объема мелкого заполнителя. Для определения физико-механических свойств изготавливались образцы-балочки с размерами 40x40x160 мм. Механоактивированная резиновая крошка вводилась в количестве 15%. Водоцементное отношение соответствовало значению 0,6.
На основании проведенных испытаний были получены следующие показатели прочности на 7, 14 и 28 сут (рис. 3). На графиках за 100% принята граница, соответствующая показателям прочности контрольного образца. Показатели с маркировкой Р (0%) соответствуют смеси с замещением 15% резиновой крошкой, а показатели с маркировкой 5; 10; 15; 20% — смеси с резиновой крошкой в сочетании с добавкой асбестоцементного порошка. Анализ приведенных показателей позволил заключить, что у смеси с механоактиви-рованой резиновой крошкой при введении 10—15% тонкомолотого асбестоцементного порошка повышается прочность при сжатии на 5,2% и снижается на 19,1% соответственно, одновременно прочность на изгиб увеличивается на 35,8 и 12,6% (на 28-е сут). Исходя из полученных показателей прочности при изгибе при добавлении резиновой крошки в количестве 15% по объему и 10% асбесто-цементного порошка достигаются оптимальные механические показатели модифицированного мелкозернистого бетона. Увеличение прочности образцов связано с тем, что асбестовое волокно имеет хорошее сцепление с цементной матрицей (рис. 4, а).
Кроме того, цементная матрица, присутствующая в составе асбестоцементного порошка, служит центрами кристаллизации, способствующими упрочнению структуры композиционного материала.
На рис. 4, б представлены опытные образцы с введением дисперсного заполнителя в виде тонкомолотого асбестоцемента и резиновой крошки, поверхность которых покрыта продуктами гидратации цемента с формированием плотной контактной зоны на границе раздела фаз между цементной матрицей и модифицирующими добавками.
Таким образом, введение комплексной добавки из тонкомолотого асбестоцемента и механоактивирован-ной резиновой крошки способствует уплотнению структуры матрицы, уменьшению количества и размера пор и, как следствие, способствует улучшению прочностных показателей как при изгибе, так и при сжатии.
Физико-химические исследования контрольного состава и состава с модифицирующим тонкомолотым асбестоцементным порошком с использованием ИК-спектрального анализа и дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК) подтвердили изменения структуры цементной матрицы.
ИК-спектры контрольного образца и образца с 10% тонкомолотого асбестоцементного порошка, полученные на ИК-Фурье-спектрометре IRAffmity-1, показали, что при введении тонкомолотых асбестоцементных отходов состав исследуемых образцов отличается наличием «плеча» в области линий поглощения 1016,5 см-1, которое связано с наличием в составе модифицированного образца высокоосновных гидросиликатов кальция, входящих в состав асбоцементного камня. Дополнительно частицы асбестоцемента являются армирующим компонентом, способствующим уплотнению структуры цементной матрицы мелкозернистого бетона.
Дифференциально-термический анализ был проведен на дериватографе TGA/DSC-1 в диапазоне темпера-
научно-технический и производственный журнал Г1- fjirfrj [ ïj Li| i. ~60 сентябрь 2017 ÙJ- fEW.; J L *
туры 60—1100оС со скоростью нагрева 30оС/мин в атмосфере воздуха.
Результаты дифференциально-термического анализа показали изменения температуры эндотермического эффекта с 784,5оС у контрольного образца до 810,5оС у опытного образца с введением 10% асбестоцементного порошка. Отмеченный сдвиг температуры диссоциаций гидросиликатов кальция обусловлен их разной основностью, связанной с наличием в составе модифицированного образца гидросиликатов кальция, входящих в состав асбестоцементного порошка. Тонкомолотая добавка на основе отходов асбестоцемента улучшает условия гидратации и твердение цементного камня, являясь дополнительными центрами кристаллизации, и способствует образованию большего количества гидросиликатов в структуре модифицированного мелкозернистого бетона.
Выводы. Использование механоактивированой резиновой крошки в количестве 15% совместно с тонкомолотыми добавками из асбестоцементных отходов в количе-
Список литературы
1. Алимкулов С.О., Алматова У.И., Эгамбердиев И.Б. Отходы — глобальная экологическая проблема. Современные методы утилизации отходов // Молодой ученый. 2014. № 21. С. 66-70.
2. Нуждина Д.Ю. Особенности утилизации изношенных шин автомобилей в России и за рубежом. Архитектурно-строительный и дорожно-транспортный комплексы: проблемы, перспективы, новации: Материалы Международной научно-практической конференции. Омск, 2016. С. 574-578.
3. Покровский А.К., Эннан Н. Экология и утилизация шин // Вестник транспорта. 2004. № 11. С. 37-38.
4. Павловская Е.Д., Татаринова Е.С., Михайличен-ко Т.А. Утилизация шин и резинотехнических изделий. Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Новокузнецк. 2016. С. 236-238.
5. Дериглазов А.А. Утилизация и переработка шин в крошку // Молодой ученый. 2014. № 17. С. 310-313.
6. Giedrius Girskas, Diigita Nagrockiene. Crushed rubber waste impact of concrete basic properties // Construction and Building Materials. 2017. No. 140, pp. 36-42.
7. Репина Ж.В., Чемякина Н.А, Тарская-Лаптева Е.Г. Хризотил-цементные строительные материалы. Области применения. Екатеринбург: АМБ, 2009. 152 с.
8. Нейман С.М., Везенцев А.И., Кашанский С.В. О безопасности асбестоцементных материалов и изделий М.: РИФ «Стройматериалы», 2006. 64 с.
9. Rashad A.M. A comprehensive overview about recycling rubber as fine aggregate replacement in traditional cementitious materials // International Journal of Sustainable Built Environment. 2016. No. 5, pp. 46-82.
10. Mohammadi I., Khabbaz H., Vessalas K. In-depth assessment of crumb rubber concrete (CRC) prepared by water-soaking treatment method for rigid pavements // Construction and Building Materials. 2014. No. 71, pp. 456-471.
11. Segre N., Joekes I. Use of tire rubber particles as addition to cement paste // Cement and Concrete Research. 2000. No. 30, pp. 1421-1425.
12. Reda Taha M.M., Asce M., El-Dieb A.S., Abd El-Wahab M.A., Abdel-Hameed M.E. Mechanical, fracture, and microstructural investigations of rubber concrete // Journal of Materials in Civil Engineering. 2008. No. 20, pp. 640-649.
13. Pedro D., De Brito J., Veiga R. Mortars made with fine granulate from shredded tires // Journal of Materials in Civil Engineering,. 2013. No. 25, pp. 519-529.
стве 10% приводит к повышению прочностных характеристик мелкозернистого бетона: прочность при изгибе на 35,8% и прочность при сжатии на 5,2%. В разработанной композиции измельченный асбестоцемент уплотняет структуру цементной матрицы за счет увеличения содержания гидросиликатов кальция и изменения их основности. Использование резиновой крошки и тонкомолотых асбестоцементных отходов приводит к комплексному эффекту, выражающемуся в проявлении синергетического эффекта от совместного воздействия добавок на структуру и свойства модифицированного мелкозернистого бетона.
Исследованный состав модифицированного мелкозернистого бетона может быть использован при производстве мелкоштучных изделий, используемых в создании архитектурных обликов спортивных, детских и дворовых площадок. Использование бетона с улучшенными физико-механическими показателями может положительно сказаться на качестве средовых объектов и малых архитектурных форм.
References
1. Alimkulov S.O., Almatova U.I., Egamberdiev I.B. Waste is a global environmental problem. Modern methods of waste management. Molodoy ucheniy. 2014. No. 21, pp. 66-70. (In Russian).
2. Nuzhdina D.Yu. Features of recycling of worn out tires of cars in Russia and abroad. Architectural-building and road-transport complexes: problems, perspectives, innovations: Materials of the International Scientific and Practical Conference. Omsk. 2016, pp. 574-578. (In Russian).
3. Pokrovskrn A.K., Ennan N. Ecology and recycling of tires. Vestnik transporta. 2004. No. 11, pp. 37-38. (In Russian).
4. Pavlovskaya E.D., Tatarinova E.S., Mikhailichenko T.A. Utilization of tires and rubber products. Science and youth: problems, searches, solutions of the All-Russian scientific conference of students, graduate students and young scientists. Novokuznetsk. 2016, pp. 236-238. (In Russian).
5. Deriglazov A.A. Recycling and processing of tires in crumbs. Molodoy ucheniy. 2014. No. 17, pp. 310-313. (In Russian).
6. Giedrius Girskas, Dzigita Nagrockiene. Crushed rubber waste impact of concrete basic properties. Construction and Building Materials. 2017. No. 140, pp. 36-42.
7. Repina Zh.V., Chemyakina N.A, Tarskaya-Lapteva E.G. Khrizotil-tsementnye stroitel'nye materialy. Oblasti primeneniya [Chrysotile cement building materials. Areas of use]. Ekaterinburg: AMB. 2009. 152 p.
8. Neiman S.M., Vezentsev A.I., Kashanskiy S.V. O bezo-pasnosti asbestotsementnykh materialov i izdeliy [On the safety of asbestos-cement materials and products] Moscow: Stroimaterialy. 2006. 64 p.
9. Rashad A.M. A comprehensive overview about recycling rubber as fine aggregate replacement in traditional ce-mentitious materials. International Journal of Sustainable BuiltEnvironment. 2016. No. 5, pp. 46-82.
10. Mohammadi I., Khabbaz H., Vessalas K. In-depth assessment of crumb rubber concrete (CRC) prepared by water-soaking treatment method for rigid pavements. Construction and Building Materials. 2014. No. 71, pp. 456-471.
11. Segre N., Joekes I. Use of tire rubber particles as addition to cement paste. Cement and Concrete Research. 2000. No. 30, pp. 1421-1425.
12. Reda Taha M.M., Asce M., El-Dieb A.S., Abd El-Wahab M.A., Abdel-Hameed M.E. Mechanical, fracture, and microstructural investigations of rubber concrete. Journal of Materials in Civil Engineering. 2008. No. 20, pp. 640-649.
13. Pedro D., De Brito J., Veiga R. Mortars made with fine granulate from shredded tires. Journal of Materials in Civil Engineering. 2013. No. 25, pp. 519-529.
научно-технический и производственный журнал
сентябрь 2017
61
