сотрудник
Россия
студент
сотрудник
В работе проведены исследования, направленные на анализ возможности вторичного использования переработанных отходов производства особо тяжелого бетона. В статье предлагается извлечение материала с применением технологии сухого магнитного обогащения руды. В результате лабораторных опытов, путём механической обработки, было произведено улучшение характеристик некондиционного материала до приемлемых значений в сравнении с исходным материалом. Проводились экспериментальные исследования с целью изучения свойств исходного, некондиционного и получаемого в результате переработки материала на основе методов испытаний государственных стандартов. Выявлено сохранение сравнительно высоких прочностных и гарантийных характеристик полученного вторичного материала, что позволяет повторно использовать его в качестве добавки при производстве особо тяжелого бетона.
отходы, особо тяжелый бетон, технология, вторичное сырьё, ресурсосбережение
Введение. В настоящий момент времени имеются разработки по переработке бетона, обеспечивающие рециклинг бетонной смеси, образующейся в процессе производства [1–4]. Однако в существующих схемах не рассматривается извлечение металлосодержащей части бетонной смеси, которая в случае с особо тяжелыми бетонами, может достигать половины всего состава [5–8]. Они ориентированы скорее на пофракционное разделение на крупный и мелкий заполнитель. Предлагаемое решение состоит в разделении и предварительной очистке отходов производства особо тяжелого бетона (далее – ОПОТБ) для применения непосредственно в производстве. Спроектированная технологическая схема процесса переработки особо тяжелого бетона представлена на рис. 1 [8].
Основным оборудованием участка переработки ОПОТБ является магнитный сепаратор шкивного типа, объём выработки составляет 8,19 м3/ч. Скорость конвейерной ленты составляет – 1 м/с. Ширина ленты – 800 мм. Средняя высота слоя материала при скорости 1 м/ч равна 30 мм, что позволяет улавливать ферримагнитные частицы при извлекающей способности 0,012 см×кг.
В качестве вспомогательного оборудования используются: валковая дробилка рифлёная, шаровая мельница, виброгрохот двухдековый. Используется ряд ленточных конвейеров и бункеров для приёма и разгрузки. Технологическое оборудование располагается в цеху переработки ОПОТБ, в пределах досягаемости смесительной установки. Процесс поступления материала на переработку является периодическим и возобновляется по мере накопления некондиционного материала.
Линия переработки особо тяжелого бетона предполагает получение вторичных ресурсов из трех основных источников: из остатков просроченной или не использованной бетонной смеси; из скопления бетона на стенках смесителей и емкостей, загрязненной инородными компонентами бетонной смеси; из смеси изготовленной с нарушением рецептуры. Во всех случаях материал признаётся некондиционным, объем таких отходов может доходить до 100 кг на 1 м3. С технологией по комплексной переработке они могут быть вовлечены в производство вторично в качестве обновленного исходного сырья для бетона. Критериями для внесения выступают качественные характеристики материала, как заполнителя бетонной смеси, определяемые в лабораторных условиях.
Основное преимущество проектируемой технологической схемы состоит в применении магнитной сепарации в области переработки отходов бетона. Намагниченная часть классифицируется по крупности и отсеивается в отдельные бункеры. Для разрушения цементной оболочки вокруг гранул заполнителя предложено применение шаровой мельницы. При соударении металлических шаров ввиду разности прочностных характеристик, незакреплённый слой цемента на гранулах отслаивается, что в конечном итоге может повысить прочность готового изделия из переработанного бетона. Реализация подобного решения позволит повысить безотходность производства бетона.
Рис. 1. Технологическая схема процесса переработки бетона:
А – конвейер ленточный, Б – дробилка валковая рифлёная, В – мельница шаровая,
Г – виброгрохот двухдековый, Д – железоотделитель шкивной, Е – бункер загрузки/выгрузки.
Потоки: 1 – отходы бетона непереработанные, 2 – дроблёный бетон, 3 – измельчённый бетон,
4 – переработанный бетон фракции 0,16–8 мм, 5 – возвратный материал, 6 – щебеночно-песчанная смесь
фракция 0,16–8, 7 – железная руда фракция 0,16-8, 8 – отсев пыль фракция <0,16, 9 –отсев металлическая пыль
фракция <0,16
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- обеспечить получение раздельных компонентов вторсырья из ОПОТБ;
- изучить свойства исходного, некондиционного (ОПОТБ) и получаемого в результате переработки материала на основе методов испытаний государственных стандартов;
- провести испытания бетонной смеси и отвердевших образцов на основе методов государственных стандартов с использованием получаемого материала и сравнить с результатами испытаний контрольной смеси и образцов;
- оценить возможность дозированного введения и возврата переработанных материалов в технологическую схему производства особо тяжелого бетона.
Методология. Лабораторные испытания всех видов материалов проводились в соответствие с ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний», ГОСТ 25114-82 «Руды железные. Метод магнитного анализа», ГОСТ 10181-2014 «Смеси бетонные. Методы испытаний» и бетонных образцов-кубов на основе методов ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам», ГОСТ 12730.3-78 «Бетоны. Метод определения водопоглощения», ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости».
После загрузки некондиционного материала на линию переработки, получили видоизмененный материал с фракционным разделением и классификацией на виды материала по четырём отдельным бункерам: щебеночно-песчаная смесь фракцией 0,16–8 мм; железная руда фракцией 0,16–8 мм; отсев пыли фракцией <0,16 мм; отсев металлической пыли фракцией <0,16 мм.
В качестве испытуемого сухого материала выступают:
- исходная смесь, содержащая заполнители бетона (щебень, железная руда);
- ОПОТБ без обработки;
- смесь после обработки с разделёнными компонентами ОПОТБ.
С целью анализа возможности замены части природных ресурсов отходами (ОПОТБ) без потери свойств конечного продукта в работе в качестве опытного материала использовалась исходная смесь, в которую в определенных процентных соотношениях были сделаны добавки:
- материал ОПОТБ без обработки;
- обработанные разделённые компоненты ОПОТБ.
По результатам испытаний проведено сравнение полученных результатов и сделаны выводы относительно пользы предлагаемой технологии переработки.
Основная часть. Наличие цементной оболочки снижает качество получаемого вторичного материала, поэтому важным этапом обработки было придание чистоты заполнителям бетона [9, 10]. Усредненный состав бетонной смеси, используемой на предприятии: железная руда –
55 %; щебень – 23 %; цемент 17 %; вода 5 %. Мелкий заполнитель представлен железной рудой. На основе данных, можно сделать вывод о концентрации железа в руде и возможность проведения магнитной сепарации сухим методом, без применения дополнительных стадий.
Зерновой состав материала. По результатам испытания поучены три вида рассева: исходная смесь; материал ОПОТБ без обработки; обработанные компоненты ОПОТБ в пропорциях сходных с исходной смесью (смесь после обработки). Сравнительный анализ результатов просеивания испытуемых материалов представлен на рис. 2. Вес каждой пробы составлял 1000 грамм.
Определение насыпной плотности и пустотности. Испытания обработанного материала ОПОТБ, проводимые по параметрам насыпной и истинной плотности, пустотности, а также плотности и размеру зерен, показали результаты с наиболее близкими по отношению к исходной сухой смеси заполнителей бетона (табл. 1).
Магнитный анализ. Метод основан на разделении навески материала на магнитную и немагнитную фракции для определения процента извлечения железа и его потерь (уход в немагнитную фракцию). Навеску для анализа помещали в емкость вместимостью 250 г. Для оценки компонентного соотношения извлекаемых материалов, дробленый бетон был испытан на наличие магнитных свойств неодимовым магнитом размером 50×20 мм (извлекающая способность
0,012 см·кг), аналогом электромагнитного анализатора, применяемого в методике. Взвешивалась немагнитная фракция и, по разности её массы с исходной навеской анализируемого материала, определялся вес магнитной фракции. Для установления более точных значений в работе проведены пятикратные повторы с пробами, выборочно взятыми из общей массы дробленого бетона (табл. 2).
Рис. 2. Сравнительный анализ результатов просеивания испытуемых материалов
Таблица 1
Показатели плотности исследуемых смесей
|
Виды испытаний |
Вид материала |
||
|
Исходная смесь |
ОПОТБ без обработки |
Смесь после обработки |
|
|
Средняя плотность материала, кг/м3 |
3500 |
3000 |
3400 |
|
Насыпная плотность материала, кг/м3 |
3100 |
2700 |
2900 |
|
Истинная плотность материала, кг/м3 |
4150 |
4470 |
4210 |
|
Пустотность материала, % |
15,66 |
32,89 |
19,24 |
|
Диаметр наибольшего куска материала, мм |
8,50 |
25,00 |
8,10 |
Таблица 2
Магнитное разделение дроби бетона
|
№ повтора |
Опытный материал, г |
Процентное содержание, % |
||
|
Железо |
Остаток |
Железо |
Остаток |
|
|
Повтор № 1 |
72,81 |
77,19 |
48,54 |
51,46 |
|
Повтор № 2 |
85,11 |
64,89 |
56,74 |
43,26 |
|
Повтор № 3 |
91,845 |
58,155 |
61,23 |
38,77 |
|
Повтор № 4 |
78,3 |
71,7 |
52,20 |
47,8 |
|
Повтор № 5 |
70,32 |
79,68 |
46,88 |
53,12 |
|
Среднее значение |
79,68 |
70,32 |
53,12 |
46,88 |
Определение подвижности бетонной смеси. Основным показателем удобоукладываемости бетонной смеси является подвижность бетонной смеси. Подвижность бетонной смеси оценивают по осадке конуса, отформованного из бетонной смеси. Для особо тяжелого бетона в исходной смеси характерна малая подвижность (табл. 3).
Определение прочности бетона по образцам-кубам. Определение прочности бетона состоит в измерении минимальных усилий, разрушающих специально изготовленные контрольные образцы бетона при их статическом нагружении с постоянной скоростью нарастания нагрузки, и последующем вычислении напряжений при этих усилиях.
Таблица 3
Сводная таблица испытаний бетона
|
Содержание заменённого заполнителя, % |
Исходная смесь |
Смесь с добавлением ОПОТБ без обработки |
Смесь с добавлением ОПОТБ после обработки |
|
Подвижность бетонной смеси, см |
|||
|
0 |
2,5 |
- |
- |
|
25 |
- |
5 |
2,5 |
|
50 |
- |
8 |
3 |
|
75 |
- |
10 |
4 |
|
100 |
- |
12,5 |
5,5 |
|
Фактическая прочность на сжатие, МПа |
|||
|
0 |
63,5 |
- |
- |
|
25 |
- |
46,2 |
61,4 |
|
50 |
- |
35,6 |
58,6 |
|
75 |
- |
30,4 |
56,5 |
|
100 |
- |
25,8 |
55,0 |
|
Водопоглощение по массе, % |
|||
|
0 |
2,1 |
- |
- |
|
25 |
- |
3,5 |
2,2 |
|
50 |
- |
4,4 |
2,7 |
|
75 |
- |
5,2 |
3,0 |
|
100 |
- |
6,0 |
3,3 |
|
Фактическая прочность на сжатие, МПа / Марка бетона по морозостойкости |
|||
|
0 |
59,7 / F300 |
- |
- |
|
25 |
- |
43,8 / F300 |
58,9 / F300 |
|
50 |
- |
24,4 / не соответствует |
55,8 / F300 |
|
75 |
- |
не допущен |
53,7 / F300 |
|
100 |
- |
не допущен |
52,4 / F300 |
Для определения прочности бетонной смеси, показателей водопоглощения и морозостойкости, в лабораторных условиях изготовили образцы-кубы со следующими типами бетона:
- с содержанием ОПОТБ после обработки
25 %, 50 %, 75 %, 100 %;
- с примесью ОПОТБ без обработки 25 %,
50 %, 75 %, 100 %;
- серия образцов-кубов с исходной смесью.
В работе представлено несколько серий кубов на каждый тип замеса по 3 шт. Размер ребра образцов равен 10 см. Все образцы одной серий изготавливали из одной пробы бетонной смеси и уплотняли их в одинаковых условиях. Разница средних значений плотности бетона образцов одной серий не превышала 50 г/дм3. Уплотнение бетонной смеси проводили с использованием виброплощадки. После окончания укладки и уплотнения бетонной смеси в форме верхнюю поверхность образца заглаживали мастерком. Через сутки, после схватывания и набора первоначальной прочности, образцы-кубы распалубили из металлических форм, подписали и уложили в камеру для твердения в нормальных условиях с температурой воздуха 20±2 °С и относительной влажностью воздуха 95±5 %.
По прошествии 28 суток (срок набора марочной прочности бетона) перед испытанием образцы визуально осматривались, устанавливались на нижнюю опорную плиту испытательной машины (пресса). Верхнюю и нижнюю стальные плиты пресса совмещали с верхней опорной гранью образца так, чтобы их плоскости полностью прилегали одна к другой. Образец нагружали до разрушения при постоянной скорости нарастания нагрузки (0,6±0,2 МПа/с) до разрушения образца по одной из удовлетворительных или неудовлетворительных схем в соответствии с ГОСТ 10180-2012.
Определение водопоглощения бетона по образцам-кубам. По прошествии 28 суток, образцы-кубы помещали в емкость, наполненную водой с таким расчетом, чтобы уровень воды в емкости был выше верхнего уровня уложенных образцов примерно на 50 мм. Образцы укладывали на прокладки так, чтобы высота образца была минимальной. Температура воды в емкости была 20±2 °С. Образцы взвешивали через каждые 24 часа водопоглощения на электронных весах с погрешностью не более 0,1 %. При взвешивании образцы, вынутые из воды, предварительно вытирали отжатой влажной тканью. Массу воды, вытекшую из пор образца на чашку весов, также включали в массу насыщенного образца. Испытание проводили до тех пор, пока результаты двух последовательных взвешиваний не отличались более чем на 0,1 % (табл. 3).
Таблица 4
Сравнение способов обращения с отходами производства особо тяжелого бетона
|
Тип использования, |
ОПОТБ без переработки |
Механическая переработка ОПОТБ |
Переработка ОПОТБ с использованием магнитной сепарации |
|
Использование в качестве материала для заполнения карт полигона, для подсыпки дорог. Не предусматривается переработка |
Использование в качестве вторичного сырья для бетонных смесей. Предусматривается механическая переработка, включающая стадии дробления, возможно промывки и классификации |
Использование в качестве вторичного сырья для бетонных смесей особо тяжелого бетона. Возможно использование железной руды как сырья для металлургии. Предусматривается механическая переработка, включающая стадии дробления, измельчения, классификации и магнитной сепарации |
|
|
Экономическая |
Стоимость равная доставке материала до места использования. Стоимость материала оценивается по среднерыночной стоимости вторничного щебня (30% от стоимости первичного сырья) |
Зависит от ряда применяемых аппаратов. Как правило равна стоимости получаемого вторичного щебня. Стоимость материала оценивается по среднерыночной стоимости вторничного щебня (от 30% до 80% от стоимости первичного сырья). Технология окупается за несколько лет |
Оборудование имеет приемлемую стоимость. Технология окупается за сравнительно небольшое время, ввиду высокой стоимости первичного сырья (железной руды). Переработка осуществляется на территории предприятия-производителя особо тяжелого бетона |
|
Достоинства |
Дешевый материал для подсыпки дорожного покрытия |
Возможно использование как заполнителя бетона для декоративного строительства (заборы, памятники, бордюры, тротуарная плитка) |
Возможна замена части первичного сырья, сравнительно более высокие прочностные характеристики бетона, водопоглощение и морозостойкость ниже, ввиду удаления части цементного налёта на гранулах заполнителя (щебень, железная руда) |
|
Недостатки |
В качестве подсыпки недостатки не имеет |
Низкие прочностные характеристики бетона, повышенный параметр водопоглощения, низкая морозостойкость. Исходя из этого – низкий срок службы |
Необходимо получение большей практической базы |
Определение морозостойкости бетона по образцам-кубам. Метод определения морозостойкости оценивает максимальное число циклов замораживания и оттаивания бетона, при котором характеристики бетона остаются в нормированных пределах, а также отсутствуют трещины, сколы, шелушение ребер образцов. Лабораторные испытания проводились в соответствии с ГОСТ 10060-2012, по первому базовому методу. За марку бетона по морозостойкости принимали наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое при испытании выдерживали образцы, без снижения прочности на сжатие более 5 % по сравнению с прочностью контрольных образцов (табл. 3).
В таблице 4 приведены сравнительные характеристики предлагаемого способа и существующих способов переработки особо тяжелого бетона. Способ использования без переработки (в качества насыпей для дорог, применение в низкосортных бетонах) принимаем за исходный способ, с которым сравниваем способ переработки без магнитной сепарации и способ с применением магнитной сепарации.
Из приведенных в таблице данных видно, что наиболее обоснованным с экономической и ресурсосберегающей точки зрения является применение способа переработки особо тяжелого бетона с применением ряда рекомендованных аппаратов и стадий.
Выводы. Реализация предлагаемого решения по применению технологии по переработке особо тяжелого бетона позволит организовать энерго- и ресурсоэффективное производство в соответствии с современными требованиями экологической безопасности на предприятии. С экономической точки зрения отходы особо тяжелого бетона нецелесообразно захоронять, так как основной компонент (железная руда) имеет значительную стоимость. В рамках предлагаемой технологии, основным направлением деятельности является извлечение и дальнейшее использование металлосодержащих компонентов.
В результате лабораторных испытаний был определен зерновой состав исходного материала, а также до и после переработки, выявлено соотношение железной руды и щебня, определено содержание пылевидных и глинистых частиц, определена плотность и пустотность. Проведено сравнение результатов испытания исходного, некондиционного и получаемого в результате переработки материала, испытания бетонной смеси и бетонных образцов-кубов на подвижность, прочность бетона по контрольным образцам, водопоглощение и морозостойкость.
Бетон с использованием переработанного материала показал сравнительно более высокие прочностные характеристики, свойства водопоглощения и морозостойкости, чем с использование некондиционного материал за счёт удаления части цементного налёта на гранулах заполнителя. Испытания показали возможность замены до 75 % исходного сырья на производстве, без потери качественных характеристик бетона.
1. Иванова А.П., Труфанова О.И. Анализ и перспективы применения эффективных ресурсосберегающих технологий в производстве бетона // Наука та прогрес транспорту. 2014. № 5 (53). С. 150-156. DOIhttps://doi.org/10.15802/stp2014/30453
2. Перцев В.Т., Леденев А.А., Рудаков О.Б., Загоруйко Т.В. Состав и технология получения бетона повышенной термостойкости для огнестойких железобетонных изделий // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2015. № 2 (11). С. 39-45.
3. Смолий В.А., Косарев А.С., Яценко Е.А. Разработка технологии легких бетонов с пористым золошлаковым заполнителем // Научный альманах. 2016. № 11-2 (25). С. 233-236. DOI:https://doi.org/10.17117/na.2016.11.02.233
4. Сулейманова Л.А., Погорелова И.А., Марушко М.В. Применение композиционных вяжущих в технологии ячеистого бетона //Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. №2. С. 10-16. DOI:https://doi.org/10.12737/article_5a816bda646a22.41029804
5. Батаршин В.О., Федюк Р.С., Струк К.В., Бутенко Ю.В. Особо тяжелые бетоны специального назначения // В сборнике: Фундаментальные основы строительного материаловедения Международного онлайн-конгресса. 2017. С. 258-267.
6. Демьянова В.С., Гусев А.Д. Получение дисперсно-армированных бетонов различного функционального назначения с использованием вторичных материальных ресурсов // Региональная архитектура и строительство. 2012. № 1. С. 56-60.
7. Жаров М.А. Перспективы применения техногенных отходов в составах бетонных смесей // В сборнике «Актуальные проблемы современной науки» Всероссийская научно-практическая конференция. Ставрополь. 2012. С. 57-60.
8. Паринов С.В., Картушина Ю.Н. Технологическая схема полной переработки отходов производства особо тяжёлого бетона // Вестник технологического университета. 2018. Т. 21. № 2. С. 63.
9. Фархатов М.А. Организация переработки отходов бетона и вторичное использование бетонов в строительстве //Системные технологии. 2018. № 26. С. 100-103.
10. Леденев А.А., Перцев В.Т., Калач А.В., Загоруйко Т.В., Донец С.А., Калач Е.В. Управление огнестойкостью железобетонных конструкций вариатропной структуры // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 4. С. 16-22.
