CC BY
0ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БЕТОННЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
СУХОЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ СМЕСИ
АБДРАХМАНОВА РИЗА ДАУЛЕТОВНА
Магистрант факультета строительных технолгий, инфраструктуры и менеджмента Международной образовательной корпорации
Аннотация. В статье приведены количественные и качественные характеристики возможности использования бетонных отходов для получения сухой строительной смеси. Рассмотрены перспективы их утилизации. Предложены технологические решения по получению сухих строительных смесей на основе отходов бетона. Использование сырья для получения сухих строительных смесей сократит расход цемента на 10 %, песка - более чем на 10 %, воды - до 10 %, модифицирующих добавок - на 20- 25 %.
Технико-экономический эффект от применения разработанных композиций в качестве кладочных, штукатурных, финишных и полимерных материалов стройиндустрии РК составит 329- 2700 тенге/м3 смеси.
Объемная масса полученных стройматериалов на 20-30% меньше по сравнению с аналогичными выпускаемыми промышленностью отходов бетона.
Ключевые слова: бетонные отходы, сухая строительная смесь, строительные материалы, технология получения, отходы, технологический эффект.
Строительный сектор оказывает значительное влияние на окружающую среду, внося значительный вклад в потребление энергии, истощение ресурсов и выбросы CO2. В настоящее время этот сектор отходит от натуральных материалов и цемента в пользу альтернативных материалов, тем самым снижая воздействие на окружающую среду и способствуя устойчивому развитию. Во всем мире образуется огромное количество отходов. Большинство этих отходов являются опасными, коррозионными, легковоспламеняющимися, химически активными, зажигательными и инфекционными и обычно выбрасываются на свалки, вызывая загрязнение окружающей среды и создавая угрозу для здоровья.
В результате включение отходов в бетон будет более разумным решением. В ходе этого исследования были собраны обширные библиометрические данные, включая журнальные статьи и обзорные статьи из базы данных Scopus за последние два десятилетия, а также проведен наукометрический обзор использования отходов в бетоне. Наукометрический анализ используется для определения текущего состояния исследований путем анализа имеющихся библиометрических данных и определения связанных областей публикаций, источников с наибольшим количеством публикаций, наиболее часто встречающихся ключевых слов, авторов и статей с наибольшим количеством цитирований, а также государств, которые сделали наибольший вклад в область использования отходов в бетоне. Кроме того, определяются и обсуждаются наиболее активные направления исследований.
Кроме того, обсуждаются аспекты устойчивости переработки отходов в бетон и, наконец, предлагаются будущие исследования. Этот обзор позволит исследователей обмениваться новыми идеями и знаниями, способствовать научному сотрудничеству и создавать совместные предприятия.
Во всем мире бетон является наиболее часто используемым строительным материалом. Его популярность обусловлена рядом факторов, в том числе простотой приобретения, устойчивостью к воде и теплу, а также способностью адаптироваться к различным размерам и формам. Бетон используется для строительства практически любого типа гражданских
ОРЫНБЕКОВ ЕЛЖАН СЕРИКОВИЧ
Научный руководитель
Введение
инженерных сооружений. Тремя основными компонентами бетона являются цемент, заполнители и вода. Считается, что после воды бетон является следующим, наиболее часто используемым материалом на Земле. Производство цемента растет быстрыми темпами. 2,5% годовых, увеличившись с 2300 млн. тонн в 2005 году до 3500 млн. тонн в 2020 году, и, по прогнозам, к 2050 году достигнет 3700-4400 миллионов тонн [1]. После стали и алюминия цемент является третьим по энергоемкости материалом на Земле.
К сожалению, производство цемента генерирует огромное количество парниковых газов, таких как CO2, которые вносят значительный вклад в изменение климата. По оценкам, только производство цемента приводит к выбросам 1350 миллионов тонн парниковых газов в год. При производстве цемента задействованы три значительных источника выбросов CO2: примерно 325 кг/тонну CO2 образуется при сжигании топлива, примерно 525 кг/тонна CO2 образуется при декарбонизации известняка и примерно 50 кг/тонна CO2 образуется при производстве цемента. На каждую тонну цемента расходуется примерно 80 единиц электроэнергии и примерно 1500 кг сырья [2].
Поэтому исследователи сосредоточили свое внимание на сокращении спроса на цемент путем частичной или полной замены его отходами. Кроме того, в целях сохранения природных ресурсов природные заполнители в бетоне были заменены отходами для производства экологически чистого строительного материала.
Огромное количество твердых отходов образуется в результате различных операций, включая добычу полезных ископаемых, обрабатывающую промышленность, сельскохозяйственное производство, производство электроэнергии, металлургию железа и стали, а также производство электронных товаров. Многочисленные опасные твердые отходы являются легковоспламеняющимися, химически активными, зажигательными, коррозионными и заразными, а их сброс и утилизация привели к значительным экономическим потерям. Из-за загрязнения воды и воздуха захоронение этих отходов представляет собой значительную угрозу для окружающей среды [3]. Таким образом, переработка или повторное использование твердых отходов в строительной сфере предпочтительнее. Отходы можно использовать в бетоне в качестве заменителя заполнителя или заменитель цемента.
В настоящем исследовании был проведен обзор данных за последние два десятилетия по использованию отходов в бетоне.
В этом исследовании используется анализ для устранения фундаментальных недостатков традиционных ручных проверок. Точнее, идентификация источников с наибольшим количеством статей, совпадение ключевых слов, сотрудничество авторов, наиболее цитируемые авторы и статьи, а также регионы, активно участвующие в использовании отходов в бетоне для получения сухих строительных смесей [4].
2. Методология исследования
В настоящем исследовании проведен анализ данных по использованию отходов в бетонном устойчивом строительстве. Основная причина разработки метода обзора заключается в том, что субъективный анализ исследований гражданского строительства, для получения сухих строительных смесей.
Данное исследование дает более рациональный результат, если используется отдельно, поскольку на нее не влияет точка зрения какого-либо человека. Данное исследование обобщает и синтезирует исследования, проведенные за последние два десятилетия. Это исследование дает количественную оценку прогресса исследований посредством использования карт и связей между данными, что приводит к количественной оценке.
По актуальной теме опубликовано множество документов, и крайне важно выбрать наиболее точную базу данных.
3. Обзор литературы
Бетон - это композитный материал, состоящий из заполнителей, связанных между собой жидким цементом, который со временем затвердевает. Это наиболее широко используемый в мире строительный материал, обладающий такими свойствами, как огнестойкость, долговечность, прочность, не обслуживаемость, простота установки, низкая стоимость установки, высокая прочность на сжатие, гибкость индивидуального проектирования и т. д. Мировое производство бетона составляет около 12 миллиардов тонн в год. что соответствует почти 1 м3 на человека в год. Основным компонентом бетона является цемент, который оказывает свое воздействие на окружающую среду и общество. Цементная промышленность является одним из основных источников выбросов углекислого газа -основного парникового газа. Эти газы выбрасываются в окружающую среду непосредственно в результате производства углекислого газа при термическом разложении СаСОЗ с образованием извести и углекислого газа, а также в результате использования энергии, особенно при сжигании ископаемого топлива. Выбросы СО2 составляют 0,8-1,3 тонны/тонну цемента [5]. Производство сухим способом. Выбросы БО2 также очень высоки.
Рост масштабов строительства в Казахстане требует значительного количества минерального сырья для индустрии строительных материалов. Интенсификация в данном направлении сопряжена с использованием промышленных отходов взамен первичных природных ресурсов с целью удешевления стройматериалов. Использование в индустрии строительных материалов твердых отходов горнорудного производства является более экономичным по сравнению с производством стройматериалов на базе специальной добычи минерального сырья.
Обзор существующих научных работ в данной области показывает, что имеется значительная мировая практика проведения исследований по использованию техногенного минерального сырья. Так, в дальнем зарубежье горнопромышленные отходы находят применение для получения кирпича, бетона, стеклокерамики.
Проведены исследования по использованию техногенных отходов в качестве сырья для производства строительных материалов, учитывающие экологические факторы их воздействия на окружающую среду [6]. Аналогичные исследования по использованию горнопромышленных отходов для получения строительных материалов и изделий проводятся в странах ближнего зарубежья [7]. По современным оценкам, на предприятиях горнопромышленного комплекса Казахстана накоплено свыше 40 млрд. т промышленных отходов. Ежегодно количество промышленных отходов возрастает приблизительно на 1,5 млрд. т [8].
Причем наибольшие запасы ТМО сосредоточены в хвостохранилищах. Бетоны, содержащие пылевидную топливную золу (PFA), твердые отходы, извлекаемые электрическими или механическими средствами из дымовых газов электростанций, работающих на пылевидном угле, уже давно используются в массовом бетонном строительстве. Шахин (1991) исследовал эффективность использования PFA в качестве частичной замены обычного портландцемента с уровнем замены до 50%. PFA показал благотворное влияние на прирост прочности в более позднем возрасте, чем портландцемент, в результате замедляющего пуццоланового действия PFA, что обеспечивало долгосрочное развитие прочности.
Фахми и др. ал. (2000) представили комплексное исследование, проведенное с целью выяснить возможность использования местных промышленных отходов в Египте для производства высокоэффективного раствора, необходимого для многих применений, таких как дешевое жилье, ремонтные работы и конструкции из ферроцемента. Исследование включало три основных вида отходов, а именно; доменный шлак (ДШ), пылевидная топливная зола (ПФА) и микрокремнезем (СФ). Они использовали отходы как частичную замену обычного портландцемента.
Обсуждение и результаты
Способы получение сухих строительных смесей
Производство сухих строительных смесей сегодня становится отдельным направлением индустрии строительных материалов и стремительно завоевывает строительный рынок республики. Продукция на основе сухих смесей отличается низкой материалоемкостью, высокими эксплуатационными характеристиками, а также долговечностью.
При возведении зданий и сооружений с высоким уровнем надежности необходимо обеспечить высокое качество монтажных, штукатурных, теплоизоляционных и отделочных работ.
Мировая практика показывает, что решить выше указанную задачу можно путем применения модифицированных сухих смесей. В связи с этим производство сухих смесей в Казахстане становится отдельным направлением индустрии строительных материалов. Ежегодно объем производства увеличивается в 2-2,5 раза, при этом растет номенклатура смесей, совершенствуется производственная база, проводится множество научно-исследовательские работ в этом направлении. Таким образом, можно с уверенностью сказать, что создана новая отрасль строительной индустрии.
Почти полное отсутствие производства сухих строительных смесей в 1990-е годы компенсируется в настоящее время широким предложением со стороны отечественных производителей и нарастающим спросом среди строителей и торгующих организаций.
Для того чтобы оценить экономическую эффективность использования сухих смесей, необходимо рассматривать не только единовременные, но и эксплуатационные затраты, правильно определять срок эксплуатации. Долговечность является одним из основных факторов при оценке экономической эффективности применения того или иного материала. Следует отметить, что чем короче межремонтный период, тем больше эксплуатационные расходы.
Нередко случается, что применение дешевых растворных смесей приводит к высоким эксплуатационным расходам. При этом оказывается, что применение модифицированных сухих смесей экономически более целесообразно.
Например, даже если показатели производительности труда в ходе выполнения штукатурных работ одинаковы, применение модифицированных сухих смесей имеет преимущество перед другими способами выполнения штукатурного слоя, так как позволяет получить готовую к последующей отделке поверхность, не требующую дальнейших подготовительных операций (шпатлевание и шлифование). Это позволяет сократить затраты уже непосредственно на строительном объекте.
В настоящее время в республике постоянно совершенствуется производственная и нормативная база. Следует отметить, что номенклатура сухих смесей, представленных на строительном рынке, достаточно широка: от «гарцовки» до специальных модифицированных смесей.
Особенно важно в течение всего периода изготовления того или иного вида смеси обеспечить стабильность заданного уровня качества.
Залогом стабильности свойств являются следующие факторы производства:
- контроль свойств исходных материалов и своевременная корректировка составов при изменении этих свойств в нормируемом диапазоне;
- точное воспроизведение рецептур лабораторных составов во многотоннажном производстве.
Качество выполнения выше-указанных операций полностью зависит от используемого оборудования, технологической схемы производства и уровня автоматизации производственного процесса.
Совершенствование технологий в строительстве, обеспечение долговечности и надежности строительных конструкций зданий и сооружений предъявляют все более высокие требования к качеству материалов, применяемых при их изготовлении. В этой связи в современной строительной практике все большее внимание уделяется внедрению новых
эффективных материалов для строительства и ремонта зданий и сооружений, которые позволяют существенно снизить затраты труда на строительной площадке и уменьшить расход материалов при одновременном повышении качества выполняемых работ. К таким материалам относятся сухие строительные смеси (ССС), которые на сегодняшний день являются продуктом наукоемких технологий. В зависимости от их назначения и требований по свойствам при их изготовлении на заводах легко меняется состав и характеристики строительных смесей с помощью введения комплекса различных добавок. В качестве вяжущих в строительных смесях используют цементные, гипсовые и другие минеральные вяжущие вещества. При этом более интенсивно используются в качестве вяжущих в сухих строительных смесях различные виды цементов. Сухие строительные смеси считаются более эффективными материалами по сравнению с традиционными цементно- песчаными растворами централизованного приготовления.
Для строительной отрасли в отечественной и зарубежной практике используют смеси различного назначения. В связи с тем, что на строительные материалы и изделия в зданиях и сооружениях воздействует все большее количество различных агрессивных сред, повышению долговечности строительных материалов, изделий и конструкций, в том числе изготовленных из ССС, уделяется все большее внимание.
Приведены прочностные характеристики растворных смесей с разным уровнем замены, включая прочность на сжатие, модуль разрыва и модуль упругости. Фахми и др. (2010) использовали РБЛ и ББ в качестве минеральных добавок при производстве постоянных ферроцементных форм для строительства бетонных балок. Также был представлен ингредиент бетона для производства экологически чистого бетона, а также устойчивого развития. В этом документе также перечислены преимущества дополнительного использования отходов в цементе и бетоне. На основании информации, содержащейся в опубликованной литературе, был сделан вывод, что правильное использование отходов в качестве заменителя цемента и компонентов бетона будет ценным и эффективным способом производства экологически чистого бетона, а также устойчивого развития для комфортного и длительного существования.
Заключение
Известны многочисленные сухие строительные смеси, включающие минеральное вяжущее, обычно портландцемент или строительный гипс, мелкий заполнитель и добавки, придающие составу специальные свойства, например, повышенную пластичность, повышенную адгезию к покрываемой поверхности и т.п. Главными достоинствами этих смесей являются гарантированный вещественный состав, обеспечивающий стабильность технических характеристик, удобство и удешевление транспортировки (поскольку в таких смесях отсутствует вода и они расфасованы в мешки). Важным свойством таких смесей является возможность длительного, до 3 месяцев хранения. При использовании сухих смесей исключается необходимость применения в месте их использования дозаторов и рядя других вспомогательных механизмов, обеспечивающих точность дозировок при раздельном использовании компонентов. Это, в свою очередь, позволяет снизить энергоемкость строительного процесса.
При этом все достоинства сухих строительных смесей, перечисленные выше, полностью сохраняются.
Необходимо отметить, что при получении пенобетонных смесей при помощи раздельного смешивания компонентов используются один дополнительный механизм: смеситель мелкого заполнителя и микрокремнезема с КРОП. Дозирование КРОП можно при этом производить с помощью одного поворотного дозатора в два смесителя. Из этого смесителя смесь необходимо перегрузить в смеситель цемента с КРОП и дополнительно перемешать обе смеси вместе.
Значительное увеличение времени жизни смеси может быть объяснено следующим образом. При смешивании всех компонентов одновременно небольшое количество
пенообразователя необходимо распределить в смеси таким образом, чтобы он контактировал с поверхностью каждой твердой частицы, независимо то ее состава и назначения. Этим обеспечивается не только сохранение высокой пенообразующей способности смеси при введении в нее воды. Одновременно происходит образование мицелл с участием зерен минералов цемента и окружающих из спиралевидных молекул олигопептидов, обладающих способностью капсулировать содержащуюся в сухой смеси воду. Этот эффект предотвращает взаимодействие воды КРОП с цементом, поэтому цемент длительное время не взаимодействует с водой и сохраняет способность к твердению до тех пор пока смесь не будет смешана с дополнительным количеством воды. При одновременном смешивании компонентов КОРП неравномерно распределяется по поверхности зерен цемента. Часть зерен оказывается не защищенной от контакта с водой КРОП и поэтому постепенно теряет гидравлическую активность. При этом комкование цемента становится хотя и существенно меньше, чем у обычного сухого цемента, но все же наступает в срок до одного года. При смешивании же отдельно цемента с КРОП достигается более полная гомогенизация смеси, а зерна цемента оказываются в большей степени защищены от гидратации. Поэтому комкование цемента наступает еще позднее, не ранее 3 лет, и в отсутствии процесса гидратации активность цемента также сохраняется до трех лет.
1. Сартбаев М.К., Жалгасулы Н. Физико-химические способы переработки хвостов обогащения руд Казахстана в производстве ячеистого бетона и вяжущего: XIV Междунар. конф. // Ресурсо-воспроизводящие, малоотходные и природоохранное технологии освоения недр. 14-20 сент. 2015 г. - Т. 87 - М., РФ - Бишкек, КР. - С. 205-206.
2. Сартбаев М.К., Жалгасулы Н. Извлечение металлов, производства ячеистого бетона и вяжущего из хвостов обогащения руд: сб.тр. ИГД. // Научно-техническое обеспечение горного производства. - Алматы, 2015. - Т. 87. - С. 414-422.
3. Казбекова Г.К., Сартбаев М.К., Жалгасулы Н. Разработка технологии получения строительных материалов из хвостов обогащения. - г. Актобе, 2015. - С. 23-27.
4. Джихан А. М. Хасан, (2009 г.), «Поведение бетонных балок, включающих различные типы постоянных ферроцементных форм», диссертация, представленная для частичного выполнения степени магистра, Американский университет в Каире, .
5. Фахми, Эззат Х., Шахин, Юсри Б.И. и Корани, Яссер С. (2000), Механические свойства высокопрочного бетона, Материалы Международного симпозиума по высокопрочному бетону, Гонконг.
6. Фахми, Эззат Х., Шахин, Юсри Б., Абу Зейд, Мохамед Н. и Хасан, Джихан Абдель Мегид (2010 г.), Поведение бетонных балок, содержащих различные типы постоянных железобетонных форм, Материалы 2-й специализированной конференции по конструкциям, Канадское общество инженеров-строителей, Виннипег, Манитоба, Канада.
7. Карим. М. Р., Зейн, М. Ф., Джамиль, М. и Лай, Ф. К. (2011), Значение отходов в устойчивом бетоне и устойчивом развитии, Международная конференция по биотехнологии и управлению окружающей средой IPCBEE, том 18 (2011) IACSIT Press, Сингапур, 43-47.
8. Zhalgassuly N.,Toktamysov М.Т., Galits V.I. and oth.: База данных Thomson Reuters. Complex coal processing of Kazakstan deposits //17th International Mining Congress and Exhibition of Turkey (IMCET 2001),Ankara, Turkey. - P. 735-736.
9. Sensogut C., Ozdeniz A.H. Bricks manufactured from colliery wastes: a case study // International Journal of Mining, Reclamation and Environment. - 2006. - Vol. 20, Iss. 4. - P. 267-271
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
