Russian Federation
graduate student
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
The object of research is composite binders obtained from concrete scrap of destroyed buildings and structures for the production of various construction products and structures. Fractions of concrete scrap of 0,0–0,16 mm and 0,16–0,315 mm are used, since x-rayphase analysis of various fractions of concrete scrap shows that these fractions have the highest content of non-hydrated particles of alite and belite. The influence of the specific surface area on the normal density of cement dough and the setting time of binders is established. Comparative physical and mechanical indicators of hardening of binders with different specific surfaces indicate that the most stable results with a uniform increase in strength is the composition of a binder with a specific surface of 964 m2 / kg, with an increase in strength from 2 to 7 days – 27 % and from 7 to 28 days – 21 %. This binder is characterized by optimal strength at the age of 28 days – 25,5 MPa. With a specific surface of 964 m2/kg, the best conditions are created for the formation of the primary frame and its further fouling with various calcium crystalline hydrates, which ensure optimal density and strength. This composite binder has a specific surface area of 964 m2/kg and is more energyefficient. Composite binders obtained in a vibration mill from concrete scrap fractions (0,0–0,16 and 0,16–0,315 mm) meet the requirements of normative documentation on setting time and physico-mechanical parameters, which allows to recommend them for use as binders in the production of construction products and structures for various purposes.
effective composites, fragments of destroyed buildings and structures, construction waste, green construction, environment, concrete scrap
Введение. Вследствие вооружённых конфликтов и природных катастроф на планете Земля появилось очень много разрушенных городов, населенных пунктов, отдельных домов и объектов. Вопрос стоит в том, как восстанавливать и отстраивать эти города и что делать с элементами разрушенных зданий и сооружений. Одним из подходов, к сожалению, широко практикуемых, является их складирование (захоронение) в отрицательных формах рельефа, засыпке грунтами и рекультивации полученных территорий (например, посадка леса). При таком подходе для производства новых строительных материалов необходимо вновь добывать и обрабатывать природное сырьё, чтобы строить эти города и населённые пункты. С учётом затрат на утилизацию, это очень дорогостоящее мероприятие, которое идёт вразрез с действующими и активно внедряемыми во многих странах нормами «зелёного строительства», к примеру, CLSM (низкомарочные материалы) [1–4].
В настоящей работе исследовали влияние размеров фракций на предел прочности при сжатии композиционных вяжущих из бетонного лома. При этом в эксперименте использовали фракции 0,00–0,16 мм и 0,16–0,315 мм, так как рентгено-фазовый анализ различных фракций бетонного лома показал, что именно эти фракции имеют наибольшее содержание негидратированных частиц алита и белита. Результаты исследования показали, что полученные композиционные вяжущие обладают прочностью при сжатии, удовлетворяющие требованиям для производства различных видов строительных материалов.
Многочисленные исследования, проведённые по использованию бетонного лома в качестве вторичного заполнителя для изготовления бетонных изделий и конструкций, подтвердили его высокую эффективность [5–9]. Теоретической основой развития материаловедения является новое трансдисциплинарное направление геоника (геомиметика) которая решает инженерные задачи с использованием знаний, полученных при изучении природных процессов. исследуют аналоги строительных композитов – горные породы и на основе полученной информации разрабатывают технологии производства материалов нового поколения [10–14]. Несмотря на то, что технологии по строительству постоянно совершенствуются, основной целью данной идеи является «зеленое строительство» и оптимизация системы «человек-материал-среда обитания». Таким образом, предложены теоретические подходы и начата их практическая реализация по эффективному использованию фрагментов зданий и сооружений. Одним из самых актуальных решений этой проблемы в республике Ирак является использование фрагментов разрушенных зданий и сооружений для получения строительных композитов. Однако вопрос о возможности получения бесцементных вяжущих на основе бетонного лома ещё не достаточно изучен, хотя имеющиеся данные позволяют предположить его высокую ценность, именно в этом качестве. Авторы [15–17] исследовали влияние замещения вторичных компонентов, таких как переработанный бетонный заполнитель, в качестве частичной замены крупнозернистого и мелкого заполнителей. Результаты показали, что оптимальное содержание наполнителя составляет 22 % при 150 минутной активации и одержания органической примеси в количестве – 0,5 %. Стандартная консистенция такого композиционного вяжущего снизилась с 26,5 % до 22,4 %. Математические модели, предложенные авторами, рекомендуются для использования при проектировании самоуплотняющихся бетонных смесей.
Исследованы свойства бесцементного вяжущего, активированного порошком силиката натрия. В качестве исходных материалов использовалась летучая зола и измельченный гранулированный доменный шлак. Результаты испытаний показали, что потеря текучести и предела прочности при сжатии щелочно-активированного раствора в значительной степени зависят от используемой щелочи. Авторы [15–17] исследовали новое вяжущее, включающее полностью побочные продукты для производства. Новое бесцементное вяжущее, предварительно названное Fa-RmLG, было изготовлено из летучей золы (Fa), извести (L), гипса (G) и красного шлама (Rm). Полученные результаты показали, что свойства (текучесть, сроки схватывания, предел прочности при сжатии и микроструктурный анализ) и воздействие на окружающую среду (коррозионная стойкость, наличие тяжелых металлов) CLSM, изготовленного с использованием предлагаемого бесцементного вяжущего, соответствуют требованиям ACI 229R.
Между тем, ни одно из этих исследований не отражает получение композиционного вяжущего на основе бетонного лома, а также не рассматривается влияние размеров фракций на его характеристики по прочности раствора, а также показатели сцепления в растворе. Эти вопросы очень важны и являются целями настоящего исследования. Представляется, что эти исследования дадут более глубокие знания для понимания процессов структурообразования при создании строительных композитов нового поколения и их рационального применения в зелёном строительстве.
Методы и материалы. Для применения бетонного лома в производстве строительных материалов необходимо производить тщательный отбор и контроль используемого сырья. В связи с этим было установлено его влияние на процессы структурообразования в бетоне и на эксплуатационные свойства композитов, такие, как пористость, трещиностойкость, морозостойкость. В работе использовали отсевы щебня фрагментов разрушенных зданий и сооружений в г.Эр-Рамаде (Ирак) (рис.1).
Рис. 1. Фрагменты из разрушенных зданий и сооружений
Бетонный лом подвергали дроблению на лабораторной щековой дробилке, рассеивали на фракции 0,00–0,16 мм; 0,16–0,315 мм; 0,315–0,63 мм; 0,63–1,25 мм; 1,25–2,5 мм; 2,5–5 мм. Результаты испытания приведены в таблице 1.
Таблица 1
Гранулометрический состав отсевов дробления бетонного лома
|
Показатель |
Размер отверстий сит, мм |
|||||
|
2,5 |
1,25 |
0,63 |
0,315 |
0,16 |
< 0,16 |
|
|
Масса остатков на сите, г |
350 |
83 |
113 |
133 |
155 |
166 |
|
Частные остатки, % |
35 |
8,3 |
11,3 |
13,3 |
15,5 |
16,6 |
|
Полные остатки, % |
35 |
43,3 |
54,6 |
67,9 |
83,4 |
100 |
Представлял интерес вопрос о возможности использования мелких фракций (0,00–0,16 мм; 0,16–0,315), составляющих цементный камень бетонного лома для получения бесцементного вяжущего, в связи с этим в работе использовали эти фракции для последующего дробления и измельчения. Идентификация различных фаз в их смеси на основе анализа дифракционной картины, даваемой исследуемым образцам, − основная задача рентгенофазового анализа (РФА) (рис. 2).
Рис. 2. Рентгенограмма фракций отсевов дробления бетонного лома
Было выявлено, что основными составляющими отсевов дробления бетонного лома являются: непрогидратированные клинкерные минералы С3S – (d = 2,77; 2,19… Å); С2S – (d = 2,75; 2,74; 2,19… Å ); кварц – (d = 4,24; 3,34 ; 2,45 ; 2,280…Å ), портландит Са(ОН)2 – (d = 4,93; 3,11; 2,63; 1,93; 1,79…А); кальцит СаСО3 – d = 3,85; 3,35; 3,04; 2,78; 2,49; 2,28…Å); частично закристаллизованный тоберморитоподобный гидросиликат кальция CSH(В) – d = 9,8; 4,9; 3,07; 2,85; 2,80… Å); гидроферриты кальция, твердые растворы комплексных соединений и др.
После дробления бетона на зернах заполнителя остаются слои в виде растворной составляющей или тонких пленок гидратных фаз, а также присутствуют тонкодисперсные частицы цементного камня. Минералы цементного камня в основном представлены; клинкерными минералами: алитом С3S; белитом С2S и частично закристаллизованным гидросиликатом кальция CSH(В) и портландитом Са(ОН)2.
При этом большая часть цементной пленки, прочно закрепившейся на поверхности заполнителя из кварцевого песка и гравия в процессе предыдущей эксплуатации и повторного дробления, карбонизируется, о чем свидетельствует наличие на рентгенограммах СаСО3. На рентгенограммах бетонного лома присутствуют пики, характерные для крупного и мелкого заполнителя, в частности кварца.
Следует отметить, что количество белита снижается с переходом от фракции 0,00–0,16 мм. Одновременно увеличивается количество кварца и минералов, характерных для крупного заполнителя. В самых мелких фракциях бетонного лома (пылевидной и 0,16–0,316 мм) содержится максимальное количество алита С3S и белита С2S, способных твердеть при взаимодействии с водой, по сравнению с фракциями более крупных размеров.
Для измельчения использовали вибрационную мельницу МВ-20. Вибрационные мельницы работают по схожей схеме с шаровыми, но вал, вращаясь, сообщает вибрационное воздействие на рабочую камеру, а камера приводит в движение находящиеся в ней мелющие тела (рис. 3).
Рис. 3. Вибрационная мельница
При выполнении работы применяли стандартные методики для испытаний полученных вяжущих.
Основная часть. Гранулометрический состав полученных композиционных вяжущих из бетонного лома исследовали с помощью прибора Analysette NanoTecplus. Результаты гранулометрических анализов исследуемых вяжущих и портландцемента приведены в табл. 2 и на рис. 3.
Были приготовлены композиционные вяжущие из бетонного лома помолом до различных удельных поверхностей: 555 м2/кг, 964 м2/кг, 1255 м2/кг, 1431 м2/кг. В качестве сравнения применяли портландцемент ЦЕМ 1 42,5 Н (табл.2).
Таблица 2
Сравнивая кривые гранулометрических составов композиционных вяжущих, следует отметить, что все кривые имеют характерный профиль, представленный двумя характерными возвышенными участками «плато» в диапазоне размеров зерен 1…3мкм при меньшей удельной поверхности (при Sуд =555 м2/кг и Sуд =964 м2/кг) и «седловинами» в диапазоне 7,5…10 мкм при повышенной удельной поверхности (при
Sуд =1255 м2/кг, Sуд = 1431 м2/кг ).
Анализируя кривые гранулометрического состава по содержанию различных фракций и их соотношению, отмечается, что все кривые сдвигаются влево, к уменьшению величины фракций в соответствии с возрастанием удельной поверхности. При сравнении изменений содержания по фракциям в составах отмечается, что с увеличением удельной поверхности составов содержание фракций 10…32,5 мкм снижается с 37 до
20 % (табл. 2). «Плато» в диапазоне 7,5…10 мкм показывает незначительное снижение с 15 до
13 %. В диапазонах фракционных составов
5…7,5 мкм и 2,5…5 мкм отмечается незначительное увеличение количества этих фракций при повышенной удельной поверхности. А при фракционном составе 1…2,5 мкм, по содержанию фракций составы вяжущих опять выходит на «плато», что свидетельствует о том, что в составах устанавливается одинаковое количество этих фракций, независимо от измельчения.
Сравнение фракционных составов композиционных вяжущих с различной удельной поверхностью в диапазоне от 0,825 до 0,1 мкм показывает, что все вяжущие имеют незначительный прирост указанных фракций, соизмеримый с гранулометрическим составом портландцемента.
Проведенный расчетный анализ полученных кумулятивных кривых портландцемента и композиционных вяжущих наглядно показал, что полученные вяжущие, в зависимости от разной удельной поверхности, имеют различное содержание мелких фракций. Так, при удельной поверхности вяжущих: 555 м2/кг, 964 м2/кг,
1255 м2/кг, 1431 м2/кг, соответственно, содержание наименьшей фракции до 10 мкм, составляет 60…70 %; 60…70 %; 70…80 %; 80…90 %; и в сравнении с портландцементом, имеющим около 50 %.
Наличие «плато» и «седловин» на кривых гранулометрических составов вяжущих вызвано, вероятно, особенностями протекания процессов помола в вибрационной мельнице, что, возможно, связано с загрузкой мелющими шарами, конструктивными особенностями мельницы, а также накоплением дисперсной фракции (рис. 4), что требует дальнейших исследований по совершенствованию помольного агрегата.
Композиционные вяжущие, полученные помолом из бетонного лома, с различными показателями гранулометрического состава, будут, безусловно, обладать отличительными физико-механическими и технологическими свойствами.
Рис. 4.Сравнительный ряд характерных кривых гранулометрического состава портландцемента и
композиционных вяжущих из бетонного лома
В соответствии с требованиями ГОСТ 310.3–76 и 310.4–81 определяли сроки схватывания и предел прочности при сжатии в возрастах: 2, 7 и 28 суток, а также при ускорении твердения образцов полученных композиционных вяжущих (рис. 5 и 6).
Анализ полученных результатов по определению нормальной густоты и сроков схватывания композиционных вяжущих свидетельствует о влиянии увеличения удельной поверхности на эти свойства. Так если у композиционного вяжущего (Sуд=555 м2/кг) начало сроков схватывания составляло 20 мин и конец 55 мин и продолжительность этого периода включала 35 мин, то в составе вяжущего (Sуд=964 м2/кг) эти показатели составляли соответственно 45 мин и 180 мин, а продолжительность этого периода составляла 135 мин, что свидетельствует о протекании сложных процессов структурообразования, связанных с увеличением удельной поверхности в системе на 409 м2/кг.
Рис. 5. Сроки схватывания композиционных вяжущих
Сравнение композиционного вяжущего (Sуд=1255 м2/кг) по срокам схватывания с исходным составом (Sуд=555 м2/кг) показывает, что начало срока схватывания составило 90 мин, а конец срока схватывания составил 255 мин, продолжительность этого периода составила 165 мин, что ещё раз свидетельствует о разнообразии гидратационных процессов в системе, что отражается на процессах структурообразования цементного камня.
Дальнейшее сравнение композиционного вяжущего состава (Sуд=1431 м2/кг) с составом (Sуд=555 м2/кг) показало, что начало срока схватывания этого состава имеет 100 мин и конец схватывания 270 мин, а продолжительность этого периода составляет 170 мин, что незначительно отличается от состава (Sуд=1255 м2/кг) и согласуется с нормативными требованиями к вяжущим.
Сравнивая соотношения величин начал и концов схватывания исследуемых композиционных вяжущих составов с удельными поверхностями 555, 964, 1255 и 1431 м2/кг следует отметить, что их соотношение составляет: для состава
(Sуд=555 м2/кг) величину – 2,75; для состава (Sуд=964 м2/кг) – 4,0; для состава
(Sуд=1255 м2/кг) – 2,8 и для состава
(Sуд=1431 м2/кг) – 2,7; эти соотношения свидетельствуют о том, что во всех полученных композиционных вяжущих в зависимости от изменяющейся дисперсности процессы структурообразования имеют свои особенности.
Следует выделить состав (Sуд=964 м2/кг), у которого соотношение между сроками схватывания несколько превышает показатели составов (Sуд= 555, 1255 и 1431 м2/кг), что вероятно, связано с соотношением между крупными и мелкими фракциями в системе, приводящим к созданию густой каогуляционной структуры, тормозящей сроки схватывания.
Следует отметить, что во всех составах с увеличением удельной поверхности наблюдается увеличение продолжительности между началом и концом схватывания, что можно объяснить высокой реакционной активностью процессов структурообразования вследствие повышенного содержания зерен высокой дисперсности.
Для определения физико-механических показателей из композиционных вяжущих отформованы образцы-кубики размерами 3×3×3 см (по 3 шт.), которые хранились в нормальных условиях. Испытания образцов вяжущих проводили в возрастах: 2, 7 и 28 суток (рис.6).
Установлено, что все композиционные вяжущие характеризуются стабильным набором прочности (рисунок 5). Сравнивая полученные результаты по нарастанию прочности вяжущего (Sуд= 555 м2/кг) от 2 до 28 суток отмечается, что прирост прочности от 2 до 7 суток составляет
57 %, а с 7 до 28 суток 22 %. Нарастание прочности у вяжущего (Sуд= 964 м2/кг) свидетельствует о приросте прочности с 2 до 7 суток – 27 % и приросте прочности в возрасте с 7 до 28 суток –
21 %.
Рассматривая прирост прочности вяжущего (Sуд= 1255 м2/кг) в возрасте от 2 до 7 суток, видно, что прирост прочности составил 35 %, а в возрасте с 7 до 28 суток – 15 %.
Прирост прочности вяжущих с удельной поверхностью 1431 м2/кг в возрасте от 2 до 7 суток имеет 5 %, а в возрасте от 7 до 28 суток прирост прочности составил 31 %.
Рис. 6. Динамика нарастания прочности композиционных вяжущих при нормальном твердении
Рассматривая в целом сравнительные физико-механические показатели твердения вяжущих с различными удельными поверхностями следует отметить, что наиболее стабильными результатами с равномерным нарастанием прочности является состав вяжущего с удельной поверхностью 964 м2/кг, с приростом прочности от 2 до 7 суток – 27 % и от 7 до 28 суток – 21 %. Кроме того, следует отметить что этот состав вяжущего характеризуется оптимальными показателями прочности в возрасте 28 суток – 25,5 МПа. По нашему мнению, при такой удельной поверхности создаются наилучшие условия для формирования первичного каркаса и дальнейшего обрастания его различными кристаллогидратами кальция, обеспечивающими оптимальную плотность и прочность.
Достоинством этого состава является и то, что этот состав имеет удельную поверхность
964 м2/кг, не требующего значительного перерасхода электроэнергии при его получении, т е. состав обеспечивает оптимальные технико-экономические показатели: при незначительном расходе электроэнергии – получение максимальных прочностных показателей.
Во всех композиционных вяжущих с различными удельными поверхностями количество воды, добавляемое при их затворении, значительно превышает величину, которая расходуется на собственно химическую реакцию гидратации и образование гидросиликатов и гидроалюминатов. Избыточная вода не препятствует схватыванию и входит в структуру гелей, которые возникают вблизи цементных частиц (рис. 7). Так формируется коллоидная система
из мельчайших частиц гидратов.
Рис. 7. Условная схема соотношения содержания твердой, жидкой и гелевой фаз в вяжущих
с различными удельными поверхностями
Установлено, что содержание воды в каждом композиционном вяжущем с увеличением удельной поверхности будет создавать определённые условия для процессов формирования сроков схватывания (начало – конец), структурообразования и нарастания прочности. Изменение В/Вяж отношения в зависимости от различной удельной поверхности отсевов дробления бетонного лома представлено на рисунке 8, где отчётливо видно, что с увеличением удельной поверхности возрастает В/Вяж отношение.
Рис. 8. Изменение В/Вяж отношения в зависимости от различной удельной поверхности
отсевов дробления бетонного лома
По мере уменьшения размера зерен вяжущих с Sуд = 964; 1255 и 1431 м2/кг (рис.7) количество свободной воды снижается, а содержание гелей в системе становится больше, так как каждая мельчайшая частица впитывает воду и процессы гидратации идут активнее вследствие значительной большой поверхности контактов вяжущего с водой.
Выводы. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что композиционные вяжущие полученные в вибрационной мельнице из бетонного лома фракции (0,00–0,16 и 0,16–0,315 мм) удовлетворяют требованиям нормативной документации по срокам схватывания и физико-механическим показателям, что позволяет рекомендовать их для использования в качестве вяжущих при получении строительных изделий и конструкций различного назначения. Использование фрагментов разрушенных зданий и сооружений ускорит строительство зданий и сооружений новых городов. Следует отметить, что применение строительных отходов, полученных в результате военных действий или сноса зданий создает более комфортные условия для пребывания человека в помещении в различных климатических зонах при большом диапазоне изменения температурно-влажностных параметров и др.
1. Lesovik V.S., Tolstoy A.D., Alani A.A. Realization of the similarity law in the building material science. Oriental journal of chemistry. 2019.Vol. 35.No.Pp.1067-1072
2. Tan M.D., Gyeongo K., Young-sang K. Development of a new cementless binder for controlled low strength material (CLSM) using entirely by-products. Construction and Building Materials. 2019. Vol. 206. Pp. 576-589
3. Tan M. D., Gyeongo K., Ngan V., Young-sang K. Development of a new cementless binder for marine dredged soil stabilization: Strength behavior, hydraulic resistance capacity, microstructural analysis, and environmental impact. Construction and Building Materials. 2018. Vol. 186. Pp.263-275
4. Murtazaev, St. A.Yu., Ismailova Z.Kh. The use of local industrial waste in fine-grained [Ispol'zovanie mestnyh tekhnogennyh othodov v melko-zernistyh]. Stroitel'nye materialy. 2008. No.3. Pp. 57-58
5. Carlo P., Flora F., Christian M. Recycled materials in concrete. Developments in the Formulation and Reinforcement of Concrete (Second Edition). 2019. Vol.31. No.8. Pp. 19-54
6. Xie J., Fang C., Lu Z., Li Z., Li L. Effects of the addition of silica fume and rubber particles on the compressive behavior of recycled aggregate concrete with steel fibers. Journal of cleaner production. 2018. Vol.197. Pp. 656-667
7. Keun-Hyeok Y., Jin-Kyu S., Ashraf F., Eun-Taik L. Properties of cementless mortars activated by sodium silicate. Construction and building materials. 2008. Vol.22. Pp.1981-1989
8. Younis A., Ebead U., Judd S. Life cycle cost analysis of structural concrete using seawater, recycled concrete aggregate, and GFRP reinforcemen. Construction and Building Materials. 2018. Vol.175. Pp. 152-160
9. Lesovik V.S., Zagorodniuk L.Kh., Chernysheva N.V., Glagolev E.S., Kucherova A.S., Drebezgova M.Y., Kaneva E.V. Modern three-dimensional technologies and factors holding them back [Sovremennye trekhmernye tekhnologii i faktory sderzhivayushchie ih]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2016. No. 12. Pp 22-30. (rus)
10. Zagorodnjuk L.H., Lesovik V.S., Volodchenko A.A., Yerofeyev V.T. Optimization of mixing process for heat-insulating mixtures in a spiral blade mixer. International Journal of Pharmacy and Technology. 2016. Pp. 15146-15155/
11. Lesovik V.S., Chulkova I.L., Zagordnyuk L.K., Volodchenko A.A., Yurievich P. D. The role of the law of affinity structures in the construction material science by performance of the restoration works. Research Journal of Applied Sciences. 2014. Vol.9. No.12. Pp.1100-1105.
12. Lesovik V.S., Zagorodniuk L.Kh., Shamshurov A.V., Belikov D.A. Composite binder based on a complex organic-mineral modifier for dry repair mixtures [Kompozicionnoe vyazhushchee na osnove kompleksnogo organomineral'nogo modifikatora dlya suhih remontnyh smesej]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2014. No. 4. Pp. 25-31. (rus)
13. Zagorodnjuk L.H., Lesovik V.S., Volodchenko A.A. To the question of dry mortars components mixed in various mixing units. International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Pp. 44844-44847
14. Larsen O., Naruts V., Aleksandrova O. Self-compacting concrete with recycled aggregates. Materials Today: Proceedings. 2019. Vol. 19. Pp. 2023-2026
15. Karpikov E.G., Lukuttsova N.P., Soboleva G.N., Golovin S.N., Cherenkova Yu.S. The effect of microfillings from natural wollastonite on the properties of fine-grained concrete [Vliyanie mikronapolnitelej iz prirodnogo vollastonita na svojstva melkozernistogo betona]. Building materials and products. 2019. Vol. 2. No. 6. Pp. 20-28. (rus)
16. Jeong-Il C., Keum-Il S., Jin-Kyu S., Bang Y. L. Composite properties of high-strength polyethylene fiber-reinforced cement and cementless composites. Composite Structures. 2016. Vol.138. Pp. 116-121
17. Bel J., Park S., Park J. Mechanical properties of polymer concrete made with recycled PET and recycled concrete aggregates. Construction and Building Materials. 2008.Vol. 9. Pp. 2281-2291.
