Россия
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
В последнее время в России образуется ежегодно около 6 млн. тонн отходов бетона и железобетона. В связи с программой реновации жилья специалисты прогнозируют прирост отходов из бетонного лома при разборке зданий и конструкций до 15–17 млн. т в год. Исследования по вторичному использованию бетона проводятся в нашей стране, Японии, США. Установлено влияние заполнителя из бетонного лома на эксплуатационные характеристики бетона. Особенности заполнителя из бетонного лома в основном обусловлены тем, что после дробления бетона на зернах заполнителя остаются слои растворной составляющей или тонких пленок гидратных фаз, что обусловливает повышенную адгезию формирующейся цементной матрицы к заполнителю. В процессе повторного дробления большая часть цементной пленки на поверхности кислого заполнителя карбонизируется, благодаря чему в контактной зоне осаждаются как положительно, так и отрицательно заряженные частицы гидратных фаз, что благоприятно сказывается на снижении проводимости контактной зоны для агрессивных ионов и повышении его стойкости. В работе показана возможность использования вторичного бетона для бетонных изделий, контактирующих с сульфатными средами.
бетон, заполнитель, бетонный лом, химическая коррозия, стойкость, цементная матрица.
Введение. После дробления бетона на зернах заполнителя остаются слои в виде растворной составляющей или тонких пленок гидратных фаз. Это обеспечивает повышенную адгезию цементной матрицы бетона к заполнителю, которая увеличивается в ряду: кварц < известняк < клинкер. Благодаря этому изделия на основе бетонного лома характеризуются повышенными деформативностью, трещиностойкостью, стойкостью к динамическим нагрузкам и т.д. [1]. К недостаткам следует отнести то, что бетоны на таком сырье отличаются повышенным расходом цемента и колебанием свойств, что обусловлено неоднородностью по составу и свойствам бетонного лома. Это требует проведения постоянного контроля зернового состава, средней плотности, пористости, пустотности, формы зерен, их прочности и др. Из-за наличия на поверхности дробленого бетона растворной части повышается водопотребность бетонной смеси, поэтому необходимо применять добавки-суперпластификаторы.
На производство щебня из бетона требуется в 8 раз меньше расхода топлива, чем при его добыче в природных условиях, при этом себестоимость бетона снижается на 25 %. Использование бетонного и железобетонного лома в производстве строительных материалов, изделий и конструкций требует тщательного отбора исходных бетонных и железобетонных конструкций [2–3]. Установлено влияние заполнителя из бетонного лома на процессы структурообразования в бетоне, на эксплуатационные свойства бетонов, такие как пористость, трещиностойкость, морозостойкость [4–10] и др.
Однако, влияние данного вида заполнителя на коррозионную стойкость бетонов мало изучено, особенно в условиях химической коррозии [11–13]. Ниже излагаются результаты исследований по данному вопросу.
Методика. Исследования по влиянию вторичного заполнителя на коррозионную стойкость бетона проводили на образцах размером 2,5×2,5×10 см состава Ц:П=1:3, которые после предварительного твердения помещали в 1 %-ный раствор сульфата магния, затем после 1, 3, 6 и 12 мес испытаний определяли прочность, параллельно определяли фазовый состав продуктов коррозии (РФА) и микроструктуру корродированной зоны (РЭМ). В качестве эталона использовали образцы состава 1:3 на природном кварцевом песке [14].
Для исследований использовали портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н (ЗАО «Белгородский цемент»), кварцевый песок (ГОСТ 8736–93) ЗАО «ПП «Гидромехстрой» карьер «Майская Заря» (Мкр = 1,65), мелкий заполнитель (Мкр=2,5), полученный измельчением на лабораторной щековой дробилке образцов бетона марок М 300 и М 400, изготовленных на заполнителе из гранита Павловского карьера Воронежской области и кварцевого песка Нижнеольшанского месторождения, твердевших в течение года. Химический состав бетонного лома, %: SiO2 – 55,91; CaO – 15,36; Аl2O3 – 8,65; K2O – 1,81; Fe2O3 – 1,55; Na2O – 1,54; MgO – 0,86; SO3 – 0,78. По данным рентгенофазового анализа установлено наличие минералов, характерных для крупного и мелкого заполнителя: кварца (4,26; 3,34; 2,46; 1,82; 1,54 Ǻ), полевых шпатов (микроклин, альбит) (3,24; 3,19 Ǻ), биотита (10,069 Ǻ); минералы цементного камня в основном представлены портландитом (4,92 Ǻ).
Основная часть. После дробления бетона на зернах заполнителя остаются слои в виде растворной составляющей или тонких пленок гидратных фаз, что обеспечивает повышенную адгезию цементной матрицы бетона к заполнителю. При этом большая часть цементной пленки, прочно закрепившейся на поверхности кислого заполнителя из кварцевого песка, гранита и других кислых силикатов в процессе предыдущей эксплуатации и повторного дробления карбонизируется. Часть активных центров, имеющих отрицательный заряд, нейтрализуется, блокируется ионами Са2+, в результате электроповерхностный заряд зерен заполнителя бетонного лома оказывается смещенным в положительную область, поэтому в контактной зоне осаждаются как положительно, так и отрицательно заряженные частицы гидратных фаз. В результате этого контактная зона бетонного лома обладает меньшей проводимостью для агрессивных ионов, что положительно сказывается на стойкости бетона [15].
Результаты испытаний приведены на рисунках 1–3. Установлено, что коррозионная стойкость образцов бетона с заполнителем из бетонного лома в 1 %-ном растворе сульфата магния больше в 1,2 раза, чем на кварцевом песке (рис. 2). Прочность при сжатии образцов на бетонном ломе перед испытаниями была выше прочности образцов-эталонов на кварцевом песке на 32,4 %. После набора прочности при сжатии в течение первых 3-х месяцев, она снижается и к 6 мес превышала всего на 11 % прочность образцов-эталонов. После 3-х мес испытаний образцы на бетонном ломе продолжают набирать прочность при изгибе от 9,29 до 12,17 МПа, в то время как у образцов на кварцевом песке наблюдается снижение прочности с 10,24 до 9,24 МПа. Коэффициент стойкости образцов бетона на заполнителе из бетонного лома через 180 сут испытаний составил КС180=1,42 по сравнению с бетоном на кварцевом песке КС180= 0,95.
Рис. 1. Кинетика твердения образцов мелкозернистого бетона с различным заполнителем
в 1 %-ном растворе сульфата магния
Через 12 мес. испытаний прочность при изгибе и сжатии образцов бетона на заполнителе из бетонного лома продолжала оставаться выше, чем у образцов на кварцевом песке. Разница по прочности при изгибе, как наиболее чувствительного показателя при коррозионных испытаниях увеличилась до 38 %, что говорит о преимуществе заполнителя из бетонного лома при воздействии сульфатно-мегнезиальных сред. При этом коэффициент стойкости составил КС360=0,86 по сравнению с бетоном на кварцевом песке КС360=0,78.
На микрофотографиях контактной зоны бетонного лома с корродированным цементным камнем (рисунок 2) видны беспорядочно расположенные глобулы гидроксида магния и удлиненные кристаллы гипса. Снимок показывает, что контакт поверхности заполнителя из бетонного лома с цементной матрицей бетона не нарушен процессами коррозии, его поверхность имеет форму четкой прямой линии и зазор между заполнителем и цементным камнем находится в наноразмерной области.
На рисунке 3 изображена поверхность контакта частицы кварцевого песка с новообразованиями цементного камня. На контакте с частицей песка находится слой продуктов коррозии толщиной более 5 мкм, который явно состоит из 2-х компонентов: первый представлен слоем одинаковой толщины, второй – мелкозернистым тонким слоем, который находится на поверхности первого.
Рис. 2. Контактная зона между заполнителем
из бетонного лома и цементной матрицей в образцах, корродированных в растворе сульфата магния
Рис. 3. Кристаллизация продуктов коррозии в зоне контакта кварцевого песка
Это может быть обусловлено последовательностью кристаллизации продуктов коррозии: гидроксида магния, гипса и эттрингита.
Выводы. Резюмируя изложенное, необходимо отметить, что экспериментальные исследования подтверждают предварительные заключения авторов, сделанные из общетеоретических соображений, что бетонный лом обладает признаками активного заполнителя, что обусловлено химическим сродством гидратных образований на поверхности заполнителей, поэтому на микрофотографиях видна поверхность раздела наноразмерного характера между зерном заполнителя и цементной матрицей. Заполнитель из бетонного лома повышает коррозионную стойкость бетона в высокоагрессивных магнезиально-сульфатных средах по сравнению с традиционным заполнителем из кварцевого песка. Это позволяет рекомендовать заполнитель из бетонного лома для изделий и конструкций подземных сооружений, контактирующих с агрессивными грунтовыми водами.
1. Баженов Ю.М., Батаев Д.К-С. Энерго- и ресурсосберегающие материалы и техноло-гии для ремонта и восстановления зданий и сооружений. М: Издательство «Комтех-Принт», 2006. 235 с.
2. Баженов Ю.М., Муртазаев С-А.Ю. Эф-фективные бетоны и растворы для строитель-ных и восстановительных работ с использо-ванием бетонного лома и отвальных зол ТЭС // Вестник МГСУ. 2008. №3. С. 124-128.
3. Батаев Д.К-С., Муртазаев С-А.Ю., Ис-маилова З.Х. Составы и свойства бетонов на основе отходов промышленности // Труды ГГНИ им. акад. М.Д. Миллионщикова: ГГНИ, Грозный. 2007. Вып.7. С. 108-115.
4. Курочка П.Н., Мирзалиев Р.Р. Бетоны с заполнителем из продуктов дробления вто-ричного бетона // Вестник РГУПС. 2012. №3. С.140-147.
5. Калыгин А.А., Фахратов М.А., Сохря-ков В.И. Опыт использования отходов дроб-леного бетона в производстве бетонных и же-лезобетонных изделий // Строительные мате-риалы. 2010. №6. С.32-33.
6. Кикава О.Ш., Соломин И.А. Перера-ботка строительных отходов. М.: Сигналь, 2000. 84 с.
7. Yoshio K. Studies into the reuse of de-molished concrete in Japan // EDA/RILEM Con-ference «Reuse of concrete and brick materials», 1985. P. 342-348.
8. Boesmans B. Crushing and separating techniques for demolition material // EDA/RILEM Conference «Reuse of concrete and brick materials», 1985. P. 218-222.
9. Kenai S., Debieb F. Caracterisation de la durability des betons recycles a base de gros et fins granulates de briques et de beton cjncasses // Mater. And Struct. 2011. 44. № 4. P.815-824.
10. Lovato P.S., Possan E., Denise C., Masuero A. Modelling of mechanical properties and durability of recycled aggregate concretes // Concr. And Build. Mater. 2012. 26. №1. P.437-447.
11. Карпачева Е.Н., Рахимбаев Ш.М., Толыпина Н.М. Коррозия мелкозернистых бетонов в агрессивных средах сложного состава. Germany: Saarbrucken: LAB LAMBERT, 2012. 90 с.
12. Рахимбаев Ш.М., Толыпина Н.М. По-вышение коррозионной стойкости бетонов путем рационального выбора вяжущего и за-полнителей. Белгород: Изд-во БГТУ, 2015. 250 с.
13. Хахалева ЕН., Рахимбаев Ш.М., То-лыпина Н.М. Повышение коррозионной стой-кости бетонных конструкций промышленных предприятий: монография. Белгород: Изд-во БГТУ, 2016. 84 с.
14. Рахимбаев Ш.М., Толыпина Н.М. Ме-тоды оценки коррозионной стойкости це-ментных композитов // Вестник Белгородско-го государственного технологического уни-верситета им. В.Г. Шухова. 2012. № 3. С. 23-24.
15. Толыпина Н.М. К вопросу о взаимо-действии цементной матрицы с заполнителя-ми // Современные наукоемкие технологии. 2016. № 6-1. С. 81-85.
