Reuse of concrete and brick scrap as aggregates

Full Text

Введение Бетон - композитный материал, получаемый в результате твердения смеси из вяжущего и заполнителей. В теории в качестве заполнителей можно использовать всё что угодно в зависимости от требуемых показателей качества конечной продукции. Традиционно все заполнители подразделяются на природные и искусственные. Природные материалы - это инертные каменные материалы, которые участвуют в структурообразовании искусственного камня лишь как прочностной каркас, за редким исключением, когда в качестве заполнителей используется щебень и песок из горных пород, обладающих пуццолановой активностью. Искусственные заполнители могут обладать химической активностью, что позволяет получать более высокие значения эксплуатационных качеств цементобетона. Однако искусственные заполнители в среднем дороже природных каменных материалов, в связи с этим их чаще применяют для создания бетонов специального назначения (с пористой структурой, обладающих низкой проницаемостью для ионизирующих излучений и т.п.). Добыча природных каменных материалов сопряжена с вредом для окружающей среды. Добыча таких материалов ведется открытым способом, что подразумевает вывоз в отвал вскрышных пород. За 2021 г. отходы добывающей промышленности составили 7,7 млрд т, то есть более 90 % от общего количества отходов промышленности[42]. Указанный факт обусловливает актуальность применения в качестве заполнителя в бетон отходов промышленности. Наиболее актуальна проблема утилизации строительных отходов для районов недавних боевых действий [1; 2]. В таких районах имеется большое количество зданий и сооружений в аварийном состоянии, после сноса которых образуется большое количество бетонного и кирпичного лома. Одновременно с мероприятиями по сносу аварийных объектов необходимо вести строительные работы по восстановлению инфраструктуры, строительство жилья и т.п. Рациональное применение бетонного и кирпичного лома в качестве заполнителей в бетон поможет решить указанные задачи с уменьшением финансовых затрат на строительство. Методы и материалы Применение строительных отходов, таких как бетонный и кирпичный лом, в качестве заполнителя в бетон, исследовалось многими авторами. В ряде исследований авторами подразумевается, что применение отходов снижает качество бетона [3-5]. Другие авторы обосновывают эффективность применения подобных отходов для получения бетонов с повышенными показателями качества [6-8]. Существуют исследования, доказывающие положительный эффект при частичной замене заполнителей строительными отходами, и негативный при полной замене [9]. Авторами исследуется влияние применения заполнителей из бетонного и кирпичного лома на физико-химические процессы структурообразования искусственного камня. Исследовалась также возможность применения продуктов тонкого помола бетонного и кирпичного лома в качестве активной минеральной добавки к цементу, получения так называемого «наполненного вяжущего» [8; 10-12]. Были проведены исследования, в ходе которых подтверждено наличие пуццолановой активности у керамического боя [12]. Было доказано влияние применения заполнителя из бетонного и кирпичного лома на адгезию вяжущего к заполнителю, формирование микропористой структуры цементного камня, усадочные процессы, водопотребность бетонной смеси [4]. Ряд научных работ посвящен исследованию применения заполнителей из отходов строительства в самоуплотняющихся бетонах [13-16]. Анализируя работы других авторов, можно прийти к выводу, что результаты применения бетонного и кирпичного лома не всегда однозначны. Прежде всего это связано с применением местного сырья при производстве бетона и кирпича, различными сроками и условиями эксплуатации строительных конструкций до того момента, как они стали отходами. Указанный фактор не позволяет дословно экстраполировать опыт исследований других авторов в данном направлении, однако учет имеющихся результатов безусловно необходим. Для обоснования возможности применения строительных отходов, а в частности вторичных материальных ресурсов (лома из бетона, силикатного и керамического кирпича), образовавшихся в результате разборки и частичного обрушения объектов имущественного комплекса ВГ NX в 15 км к юго-востоку от с. Дружба, Хабаровского района авторами исследования был запланирован эксперимент. Из отобранных проб материалов был изготовлен щебень путем дробления на лабораторной щековой дробилке (рис. 1). Рис. 1. Оборудование и материалы для дробления / Figure 1. Equipment and materials for crushing Методика дробления, количество стадий дробления и зерновой состав получаемого из отходов щебня способны оказывать значительное влияние на качество бетона [3; 4; 17]. В данном исследовании дробление производилось в три стадии с просевом продуктов дробления через лабораторные сита (рис. 2). Анализ результатов и обсуждение Оценка пригодности использования щебня в качестве заполнителя в бетон проводилась в том числе по оценке плотности упаковки зерен, оцениваемой анализом гранулометрического состава. Результаты анализа приведены в табл. 1. Рис. 2. Третья стадия дробления / Figure 2. Third stage of crushing Таблица 1. Гранулометрический состав щебня из бетонного и кирпичного лома Гранулометрические характеристики Полные остатки, % Размер сит 25 20 12.5 10 5 2.5 <2.5 Силикатный кирпич 0 1,38 50,07 64,8 95,66 98,21 98,21 Керамический кирпич 0 0,97 53,05 66,15 96,61 98.89 100 Бетонный лом 0 1,31 48,66 63,93 95,59 99,04 99,99 Требования ГОСТ 8267-93 1,25 D D 0.5 (d+D) d До 0.5 Up to 0.5 До 10 Up to 10 От 30 до 60 From 30 to 60 От 90 до 100 From 90 to 100 Table 1. Particle size distribution of crushed stone from concrete and brick scrap Granulometric characteristics Total solid matter, % Sieve size 25 20 12.5 10 5 2.5 <2.5 Silicate brick 0 1.38 50.07 64.8 95.66 98.21 98.21 Ceramic brick 0 0.97 53.05 66.15 96.61 98.89 100 Concrete scrap 0 1.31 48.66 63.93 95.59 99.04 99.99 Russian National Standard (GOST) 8267-93 requiremnts 1.25 D D 0.5 (d+D) d Up to 0.5 Up to 10 From 30 to 60 From 90 to 100 Как видно из результатов анализа, гранулометрический состав щебня соответствует требованиям, предъявляемым к заполнителям в бетон. Для расчета состава бетона по методу наименьших объемов были определены насыпные плотности заполнителей, плотности зерен (табл. 2). В качестве мелкого заполнителя использовался песок природный. Водоцементное отношение и расход цемента были приняты одинаковые для всех серий образцов. Таблица 2. Характеристики заполнителей Наименование материала Насыпная плотность, кг/м3 Плотность зерен, кг/м3 Силикатный кирпич 973 2114 Бетонный лом 1142 2411 Керамический кирпич 867 1862 Table 2. Characteristics of aggregates Material Bulk density, kg/m3 Grain density, kg/m3 Silicate brick 973 2114 Concrete scrape 1142 2411 Ceramic brick 867 1862 Результаты проектирования составов бетонной смеси на всех видах заполнителей приведены в табл. 3. Из каждого состава была изготовлена серия из шести образцов. Образцы были подвергнуты испытанию на сжатие в возрасте 28 суток твердения в нормальных условиях. Результаты определения прочности на сжатие приведены в табл. 4. Таблица 3. Опытные составы бетонной смеси Наименование материала Расход компонента, кг/м3 Расчетная плотность бетона, кг/м3 Фактическая плотность бетона, кг/м3 цемент вода песок щебень Силикатный кирпич 391 200 795 781 2167 2232 Керамический кирпич 391 200 789 693 2073 2186 Бетонный лом 391 200 720 927 2238 2327 Table 3. Experimental compositions of concrete mixture Material Component discharge, kg/m3 Concrete estimated density, kg/m3 Concrete actual density, kg/ m3 cement water sand gravel Silicate brick 391 200 795 781 2167 2232 Ceramic brick 391 200 789 693 2073 2186 Concrete scrape 391 200 720 927 2238 2327 Таблица 4. Характеристики прочности и однородности цементобетона опытных образцов Наименование \материала заполнителя Наименование характеристики Предел прочности при сжатии, МПа СКО, МПа Внутрисерийный коэффициент вариации, % Класс бетона по прочности Силикатный кирпич 38,41 3,4 8,8 В 30 Керамический кирпич 29,86 1,4 4,6 В 25 Бетонный лом 33,81 4,3 12,8 В 25 Table 4. Strength and homogeneity characteristics of cement concrete test samples Material Characteristics Compression resistance, MPa Standard deviation (SD), MPa Within-run coefficient of variation Strength grade of concrete Silicate brick 38.41 3.4 8.8 В 30 Ceramic brick 29.86 1.4 4.6 В 25 Concrete scrape 33.81 4.3 12.8 В 25 Заключение 1. Расчетная плотность меньше фактической, полученной при изготовлении образцов (у бетона на основе щебня из силикатного кирпича на 2,91 %, керамического кирпича - на 5,17 %, бетонного боя - на 3,82 %). Снижение плотности объясняется поверхностной пористостью дробленого материала [5]. Поверхностные поры и трещины подсасывают влагу из цементного теста, что приводит к уменьшению объема смеси в процессе изготовления и уплотнения. Этот фактор необходимо учитывать при проектировании состава смеси. В свою очередь, этот эффект увеличивает сцепление между цементным камнем и заполнителем, разрушение образцов происходит не по контакту заполнитель - цемент (рис. 3). Наибольшая разница между расчетной и фактической плотностью у наиболее пористого материала - керамики. Рис. 3. Внешний вид разрушенных образцов / Figure 3. Appearance of destroyed samples 2. При проектировании состава бетона принимался класс бетона по прочности В 30. Данного значения достиг только бетон на основе щебня из силикатного кирпича. Можно выдвинуть гипотезу, что компоненты силикатного кирпича - гидросиликаты кальция - являются активаторами твердения цемента, однако для подтверждения этой гипотезы необходимо провести дополнительные исследования. При этом бетонные смеси на основе щебня из керамического кирпича и бетонного боя показали небольшое снижение прочности (всего на один класс ниже - В 25). Можно утверждать, что при использовании модифицирующих добавок можно добиваться прочности бетонов на заполнителе из бетонного и кирпичного лома, не уступающей прочности бетона на основе заполнителей из природного камня. 3. Бетон на основе заполнителя из керамического кирпича продемонстрировал наибольшую однородность прочности. В первую очередь это связано с высокой степенью адгезии керамики к цементно-песчаному раствору, что обеспечивает высокую прочность контакта вяжущее - заполнитель. В свою очередь, прочность керамики сопоставима с прочностью цементного камня. Однородность прочности бетона на основе щебня из бетонного лома наиболее низкая, поскольку щебень на основе бетонного лома сам по себе не однороден, он состоит частично из природного камня, частично из искусственного. На сегодняшний день находятся в разработке технологии разделения бетонного лома на исходный заполнитель и цементный камень, что позволит осуществлять переработку и повторное применение этого материала более эффективно [18]. Таким образом, можно сделать обобщенный вывод о возможности повторного применения исследуемых материалов в строительстве в качестве заполнителя в бетон.

About the authors

Ilya S. Ukrainskiy

Pacific National University

Email: 006012@pnu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0003-1958-9540
SPIN-code: 7380-4175

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Highways Chair

136, Tikhookeanskaya St., Khabarovsk, 680035, Russian Federation

Lyudmila P. Mayorova

Pacific National University

Author for correspondence.
Email: 000318@pnu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0002-6326-982X
SPIN-code: 5904-3031

Doctor of Chemical Sciences, Associate Professor, Acting Head of Ecology, Land Management and Life Safety Chair

136, Tikhookeanskaya St., Khabarovsk, 680035, Russian Federation

Denis A. Salikov

Pacific National University

Email: 2019105234@pnu.edu.ru
SPIN-code: 1375-5159
postgraduate 136, Tikhookeanskaya St., Khabarovsk, 680035, Russian Federation

Alexandr S. Shevchuk

Pacific National University

Email: 2017103250@pnu.edu.ru
SPIN-code: 2303-5147
student 136, Tikhookeanskaya St., Khabarovsk, 680035, Russian Federation

Gleb A. Chainikov

Pacific National University

Email: 2017102322@pnu.edu.ru
SPIN-code: 6325-0800
postgraduate 136, Tikhookeanskaya St., Khabarovsk, 680035, Russian Federation

References

Supplementary files