Интегральные показатели качества отработанного бетона для вторичного использования

Вовлечение бетонного лома в производство, кроме решения задач, связанных с утилизацией многотоннажных строительных отходов, является также одним из перспективных направлений рационального природопользования, связанного с сокращением потребления природных минеральных ресурсов. Таким образом, использование в данном конкретном случае вторичных ресурсов имеет два важных аспекта: экономический и экологический. Однако широкое внедрение отработанного бетона сдерживается, с одной стороны, многообразием составов и структуры утилизируемого лома, с другой – отсутствием

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ количественных критериев, позволяющих выбрать наиболее рациональное направление его использования (компонента вяжущего, крупного и мелкого заполнителя, тонкодисперсного наполнителя и пр.). В настоящее время существуют различные подходы к рекомендациям по использованию вторичного бетона, которые связаны с подавляющим в большинстве случаев его использованием в качестве крупного заполнителя [1, 2]. Однако использование вторичного бетона только в качестве заполнителей нельзя считать оптимальным подходом в решении задачи рециклинга этих материалов. Известно, что в матрице бетона присутствуют негидратированные клинкерные частицы, которые при измельчении и последующей гидратации способны формировать новую структуру твердения [3–6]. Количество негидратированной клинкерной части может достигать 20% [7, 8]. Так, исследования показывают, что к 28 суткам твердения бетона в нормальных влажностно-температурных условиях полная гидратация наблюдается у трехкальциевого алюмината 3CaO•Al2O3 (С3А). Трехкальциевый силикат 3CaO•SiO2 (C3S) гидратируется на 70–75%, а двухкальциевый силикат 2CaO•SiO2 (C2S) на 50–75%. Таким образом, в бетонных изделиях в структуре цементного камня остаются не-прогидратированные частицы C3S и C2S. Поэтому бетонный лом из разрушенных зданий и сооружений, как правило, содержит клинкерные минералы, способные к дальнейшему твердению. Тонкодисперсный порошок вторичного бетона при значительном остаточном содержании непрогидратированных силикатов кальция может являться активным компонентом в вяжущих композициях. Исходя из вышеизложенного, используя методы оценки способности порошка при взаимодействии с водой образовывать гидросиликаты дополнительной генерации, можно прогнозировать рациональное использование бетонного лома в качестве крупного (или мелкого) заполнителя или компонента в вяжущих композициях. К таким методам, например, можно отнести уменьшение объема смеси (порошок-вода) вследствие гидратации (контракция) [9–14]. Данный факт связан с тем, что объем новообразований цементного камня меньше объема, занимаемого веществами, вступающими в реакцию гидратации (усадка интенсивно развивается при протекании химической реакции). Дополнительными параметрами, определяющими рациональное использование отработанного бетона, могут являться, например, размолоспособность образцов и их остаточная прочность на сжатие. Авторами работы [15] предложен количественный критерий размолоспособности – коэффициент (КР), который рассчитывается по выражению:

КР = ( S уд2 – S уд1 )/∆τ, (1)

где S _уд1 и S _уд2 – удельные поверхности порошков до и после механического измельчения за время Δτ . Кроме того, немаловажную роль при получении активного (способного к химической трансформации) порошка играет форма полученных при помоле частиц. Дисперсные системы, у которых частицы характеризуются сферической симметрией, образовывают менее активную поверхность, чем частицы краеугольной формы. При этом необходимо принимать во внимание факт взаимосвязи основных дисперсных характеристик порошков: размер частиц и удельную поверхность. Так, если частицы имеют форму, близкую к сферической, и проявляют свойства упругих тел, справедливо соотношение [16, 17]:

d = 6⁄( ρ ист • S уд ), (2)

где d – средний линейный размер частиц, м; ρ _ист – истинная плотность порошка, кг/м³. Таким образом, чем больше разница между расчетным значением d по выражению (2) и экспериментально определенной современными методами (например, фотонно-корреляционной спектроскопией) аналогичной размерной характеристикой, тем частица (или вся порошковая система) потенциально более реакционноспособна. Этот критерий можно использовать при выборе наиболее оптимального помольного аппарата.

Целями данных исследований являются оценка величины контракции порошков бетонного лома различной исходной прочности (легкий и тяжелый бетоны), полученных из фрагментов разрушенных зданий, эксплуатируемых более 50 лет; опытная проверка возможности использования высокодисперсных порошков в качестве компонента в композиционных вяжущих (КВ); повторное использование образцов отработанного бетона в качестве заполнителя.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Опытные образцы порошков были изготовлены из бетонного лома внутренних стеновых панелей и плит перекрытия (тяжелый бетон, сырьевой образец Б1) и наружных стеновых панелей (легкий бетон, сырьевой образец Б2) пятиэтажного жилого панельного дома 1979 года постройки в поселке Обозерский Архангельской области (рис. 1). Остаточная прочность образцов определялась методом ударного импульса по ГОСТ 22690-2015 на приборе ИПС-МГ4.

Опытные образцы бетона раскалывались на куски размером не более 120х120х60 мм, из которых извлекалась арматура. Далее фрагменты бетона дробились на щековой дробилке ДЩ 1-2 («Проммаш», Россия). Отсевы были разделены на фракции на стандартном наборе сит (ГОСТ 3584-73) сухим способом. Для дальнейших исследований была выбрана фракция,

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Рис. 1. Фотография панельного дома 1979 года постройки

которая проходила через ячейки сита № 015. Таким образом, можно считать, что размерные характеристики частиц сырьевых образцов Б1 и Б2 не превышали 0,14 мм. Перед финишным измельчением все исследуемое сырье доводилось до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 60±5оС и подвергалось процедуре измерения истинной плотности по методике ГОСТ 32763-2014 «Порошок минеральный. Метод определения истинной плотности». Химический состав опытных образцов определялся с помощью рентгенофлуоресцентного анализатора «МетЭксперт» («Южполиметалл-Хол-динг», Москва, Россия). Окончательный механический помол сырьевых материалов проводился до получения величины площади удельной поверхности, сравнимой с данным показателем для портландцемента (300÷500 м2/кг), путем сухого измельчения в планетарно-шаровой мельнице Retsch PM100 при скорости вращения ротора 420 об/мин. Удельную поверхность дисперсных материалов и размерные характеристики частиц измеряли методами газопроницаемости Козени-Кармана на установке ПСХ-10а («Приборы Ходакова», Россия). Активность полученных порошков отработанного бетона определялась ускоренным методом за 3 часа по величине контракции цементного теста с помощью установки Цемент-Прогноз в соответствии с методиками измерения МИ 2486-98, МИ 2487-98. Для сравнительной оценки активности минеральных порошковых систем использовался портландцемент М500. Физико-механические показатели (прочность на изгиб и прочность на сжатие) строительных изделий (цементно-песчаных и минеральных балочек размером 40х40х160 мм и бетонных кубов 100х100х100 мм) определялись в соответствии со стандартными методиками.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Определение остаточной прочности опытных образцов бетона показало, что легкий бетон (об- разец Б2) можно отнести к классу В22,5, тяжелый (образец Б1) – к В40. Усредненные значения истинной плотности (ρ) исследуемых образцов составили: для образца Б2 – 2253 кг/м3, а для образцов Б1 – 2350 кг/м3. Элементный состав образцов Б1 и Б2 (в пересчете на оксиды) значительно отличается по содержанию основных компонентов: так, для легкого (Б2) и тяжелого (Б1) бетонов SiO2 – 36,68% и 16,73%, СаО – 51,39% и 76,63% и Fe2O3 – 11,18% и 5,89%, соответственно. Содержание остальных элементов можно считать примесным, так как суммарное их количество не превышает 1%. Таким образом, проведенный анализ элементного состава показал отсутствие канцерогенов (потенциально опасных для организма человека агентов), которые могли образоваться в бетоне в процессе его длительной эксплуатации в результате метасоматических процессов. В продолжение экспериментов установлено, что 30-минутный финишный механический размол образцов бетонного лома, полученных после щековой дробилки, позволил получить тонкодисперсные порошки с удельной поверхностью и размерными характеристиками (среднемассовым диаметром) частиц, сравнимыми с используемым в дальнейших опытах портландцемента М500 (образец ПЦ500) (табл. 1), истинная плотность которого составляет 2550 кг/м3.

Полученные результаты (табл.1) показывают, что бетонный лом с более высокой остаточной прочностью характеризуется повышенной размолоспособ-ностью по сравнению с частью испытуемых образцов, имеющих пониженную остаточную прочность на сжатие, соответствующую классу В22,5.

Для определения цифрового значения коэффициента КР по уравнению (1) нами в качестве S _уд1 для образцов Б1 и Б2 использованы значения соответствующих порошков, полученных после отсева на сите №015 и определенные нами в работе [6]. Так, для порошка Б1 S _уд1 = 240 м²/кг и для Б2 S _уд1 = 260 м²/кг. Тогда для легкого бетона (Б2) КР₂ =

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Таблица 1

Удельная поверхность и размерная характеристика частиц используемых порошков

Опытный образец	Удельная поверхность ( S уд), м2/кг	Среднемассовый диаметр частиц ( d ), мкм
ПЦ500	430	4,5
Б1	440	5,9
Б2	350	7,5

3,0 м2•кг–1•мин–1 и для тяжелого бетона (Б1) КР1 = 6,7 м2•кг–1•мин–1. Полученные данные показывают, что испытуемый бетон Б1 характеризуется размоло-способностью, более чем в два раза превышающей бетон Б2. Отмеченный, казалось бы, противоречивый факт, на наш взгляд, можно объяснить, используя следующую гипотетическую модель: разрушение представляет собой необратимое нарушение сплошности среды под действием нагрузок (разрушение частиц до крупности 0,1 мкм принято называть измельчением) и при одинаковом механизме нагружения будет определяться только прочностными свойствами материала. В свою очередь, прочность твердых тел складывается из двух факторов – это сопротивление разрушению (прочность при сжатии) и необратимому изменению формы (пластической деформации) под воздействием внешних нагрузок. Последний фактор является доминирующим при механическом диспергировании твердых тел. Таким образом, образец бетона Б1 обладает меньшей способностью проявлять пластическую деформацию.

Другим важным параметром порошковых систем, влияющим на их реакционную способность, является форма раздробленных частиц, характеристика которой следует из расчета среднего диаметра по выражению (2). Для испытуемых образцов бетона реализация данного подхода дала следующие результаты. Для образца Б1 и Б2 dрасч составила 5,8 мкм и 7,6 мкм (соответственно); при этом ∆d = |dрасч–dэкс| для испытуемых образцов бетона имеет одинаковое значение, равное 0,1 мкм. Хорошее совпадение расчетных и экспериментальных размерных характеристик частиц может свидетельствовать о примерно одинаковой их сферической форме, а следовательно, близкой реак-ционоспособности, определяющейся геометрическим строением. В противоположность этому проведенный расчет величины dрасч для используемого ПЦ500 показал, что данный параметр равен 5,5 мкм и ∆d = 1,0 мкм. Известно, что в зависимости от типа помольного агрегата при технологическом получении вяжущего можно существенно изменить форму цементного зерна [18, 19]. Разница в расчетном значении линейного размера частиц цемента и экспериментально определенного может свидетельствовать, что в нашем случае частицы имеют осколочную «щебеночную» форму с острыми углами и сильно развитой конфигурацией. Важным выводом данных экспериментов может являться следующее заключение. Используемый принцип размола, который реализуется на применяемом размольном аппарате (планетарная шаровая мельница), малоэффективен для проведения процесса механического помола бетонного лома с целью получения дисперсного порошка с высокоразвитой активной поверхностью.

В продолжение исследований для образцов ПЦ500, Б1 и Б2 на установке Цемент-Прогноз были определены величина контракции (объемной деформации порошковых систем при гидратации) и прогноза их возможной активности при использовании в качестве вяжущих веществ (табл. 2). Кроме того, для оценки вяжущей способности были изготовлены и испытаны на физико-механические характеристики (прочность на изгиб, прочность на сжатие) балочки из цементнопесчаного раствора и растворов, в которых цемент был замещен исследуемым порошком из образцов Б1 и Б2. Дополнительно были изготовлены образ-

Таблица 2

Характеристика вяжущих свойств испытуемых образцов

Образец	Контракция, мл/г	Активность вяжущего, МПа	Прочность на изгиб, МПа	Прочность на сжатие, МПа
ПЦ500	3,05	41,9	4,68	73,58
Б1	0,28	4,0	0,17	0,72
Б2	0,35	5,1	0,15	1,04
ПЦ-10Б1	–	–	5,12	49,31
ПЦ-10Б2	–	–	4,44	57,92

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ цы для испытаний на прочностные характеристики, в которых 10% цемента замещены высокодисперсными порошками бетонного лома Б1 и Б2 (ПЦ-10Б1 и ПЦ-10Б2, соответственно). Значения полученных характеристик представлены в табл. 2.

Полученные данные показали, что для цемента М500, как и ожидалось, контракция и активность имеют достаточные значения, характерные для вяжущих гидратационного типа твердения. Для порошков, приготовленных из бетонного лома, отмечается также эффект гидратации, однако в количественном выражении величина его на порядок ниже, что и объясняет практическое отсутствие прочностных свойств балочек, изготовленных на основе минеральных порошков отработанного бетона. Вместе с тем, введение добавки из высокодисперсных систем Б1 и Б2 в портландцемент может позволить управлять процессом усадки в технологический период изготовления или эксплуатации бетона, что позволит избежать возникновения самопроизвольных напряжений в материале и, как следствие, микротрещи-нообразования с возможным ухудшением физикомеханических свойств строительных изделий. Таким образом, установлено, что порошки отработанного бетона данной степени дисперсности (удельной поверхности) могут использоваться в качестве высокодисперсных наполнителей.

Композиционное вяжущее (КВ) на основе портландцемента (90%) и высокодисперсного порошка отработанного бетона (10%) характеризуется 21% снижением прочности на сжатие по сравнению с портландцементом для композита с добавкой порошка легкого бетона и 33% снижением прочности для КВ с добавкой порошка тяжелого бетона. Однако деформационные характеристики КВ практически не претерпевают изменения (в случае добавки порошка бетона Б2 уменьшение величины прочности на изгиб составило 5% по отношению к ПЦ500. При добавке порошка бетона Б1 прочность на изгиб увеличилась на 9%). Таким образом, можно заключить, что в качестве компонента КВ добавка высокодисперсного порошка легкого бетона позволяет получить при сокращении расхода цемента бетонный композит более высокого класса прочности по сравнению с КВ с высокодисперсной добавкой тяжелого бетона.

Нами были изготовлены бетонные образцы в виде кубов, где в качестве заполнителя использовался щебень (5 мм) из легкого и тяжелого бетонов с одинаковым содержанием цемента, равными водоцементным и водотвердым отношением. После 28 суточной выдержки в нормальных условиях твердения образцы были испытаны на прочность при сжатии. Результаты испытаний показали, что прочность на сжатие бетона с щебнем из отработанного легкого и тяжелого бетона составила 15,45 и 43,48 МПа. Таким образом, можно заключить, что чем выше остаточный класс прочности бетонного лома, используемого в качестве крупного заполнителя в технологическом процессе получения бетона, тем более высокими значениями прочности на сжатие будет обладать конечный продукт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В качестве основных результатов проведенных исследований можно отметить следующие положения:

• 1.    В качестве основных интегральных критериев при выборе рационального использования отработанного бетона, выработанного при демонтаже зданий и сооружений, после их длительной эксплуатации целесообразно использовать величину остаточной прочности на сжатие, размолоспособность исходного сырья и контракцию порошков, полученных из бетонного лома.

• 2.    Порошки из фракции отработанного бетона с низкими остаточными прочностными характеристиками и размолоспособностью, полученные методом механического помола до значения удельной поверхности, сравнимой с данным показателем применяемого портландцемента, и имеющие более высокое значение контракции, рационально использовать в качестве компонента композиционного вяжущего.

• 3.    Фракции бетонного лома, характеризующиеся повышенными размолоспособностью и остаточными прочностными характеристиками, оптимально использовать для приготовления щебеночного заполнителя в технологическом процессе получения бетонного композита.