Ячеистый бетон из мелких отсевов дробления бетонного лома – путь к малоотходным технологиям в строительстве

Проблема ликвидации бетонных и других строительных отходов, возникающих в результате сноса зданий, в настоящее время очень актуальна, особенно для крупных мегаполисов Российской Федерации, а также ближнего и дальнего зарубежья.

Прежде всего, это связано с отсутствием возможности размещать такое огромное количество отходов на городских и пригородных свалках, так как это может привести к катастрофическому загрязнению окружающей среды городов (рис. 1). Только в Москве к 2005 году было снесено около 500 старых и непригодных для жилья зданий, при этом интенсивность сноса возросла в два раза по сравнению с 2000 годом [см. Александров А.В. Снос зданий и переработка строительного мусора. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2003, №1; Чистов Ю.Д., Краснов М.В. Перспективы применения отходов дробления бетонного лома в пенобетоне. // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. Научно-теоретический журнал. Тематический выпуск “Пенобетон”. 2003, № 4].

Наибольшую долю отходов от сноса составляет железобетонный лом, который перерабатывается на мобильных дробильно-сортировочных комплексах (МДСК). Продукты данной переработки отсортированы и представляют собой щебень (70%) и мелкий песок (30%). Щебень применяется в основном для подсыпки дорог, а также в качестве крупного заполнителя в тяжелых бетонах (рис. 2) [см. Чистов Ю.Д., Краснов М.В. Перспективы применения отходов дробления бетонного лома в пенобетоне. // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. Научно-теоретический журнал. Тематический выпуск “Пенобетон”. 2003, № 4; Чистов Ю.Д., Краснов М.В. Теоретические основы создания ячеистого бетона из пылевидных отходов дробления бетонного лома. // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. Научно-теоретический журнал. Тематический выпуск “Поробетон-2005”. 2005, № 4].

Мелкий песок пока не находит применения, поэтому задерживается на территории МДСК, повышая при этом запыленность городского воздуха, так как штабеля данного отсева дробления содержат пылевидную фракцию (менее 0,16 мм) в количестве до 50 %.

Единственным правильным решением данной проблемы является утилизация пылевидного отсева дробления (ОД) путем его вторичного использования в строительстве. Исследования, проведенные в МГСУ на кафедре технологии вяжущих веществ и бетонов, показали, что данный отход можно использовать и в бетонах [см. Чистов Ю.Д., Краснов М.В. Перспективы применения отходов дробления бетонного лома в пенобетоне. // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. Научно-теоретический журнал. Тематический выпуск “Пенобетон”. 2003, № 4; Чистов Ю.Д., Краснов М.В. Теоретические основы создания ячеистого бетона из пылевидных отходов дробления бетонного лома. // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. Научно-теоретический журнал. Тематический выпуск “Поробетон-2005”. 2005, № 4].

Изучен зерновой, минеральный и химический составы этих продуктов (табл. 1).

Табл. 1

Рассев мелкого отхода дробления бетонного лома

Имея, на первый взгляд, непригодную для использования в бетонах гранулометрию, данный отход дробления обладает рядом достоинств, которым в настоящее время не придают значения.

Используя более глубокие теоретические и практические методы исследования, ученые МГСУ показали преимущества вторичного использования мелкой фракции ОД в качестве мелкого заполнителя и активной составляющей бетонов плотной и ячеистой структуры.

Соединения, входящие в состав ОД, свидетельствуют о химической однородности данного отхода с минералами портландцемента. Химический анализ показал наличие кварца в количестве 50–55%, оксида кальция – 35–40%, оксида алюминия – 5%, оксида железа – 4% и других.

С помощью рентгенографического анализа (рис. 3), зафиксированы следующие соединения: кварц – SiO₂ с d = [4,26; 3,34; ...; 1,82; ...; 1,375] * 10 ^–9 нм, кальцит – СaCO₃ с d = [3,86; 3,038; 2,49; 2,28; ...] * 10 ^–9 нм, доломит с d = [2,89; 2,20; 2,015;...] * 10 ^–9 нм, ватерит – m -СaCO₃ с d = [3,56; 3,29; 2,73; ...; 2,03] * 10 ^–9 нм, эттрингит с d = [9,9-9,7; 5,6; 3,89; 3,49; ... ] * 10 ^–9 нм, портландцемент негидратированный с d = [2,77-2,73; 2,65; 2,61; ...; 1,769; ... ] * 10 ^–9 нм, гидросиликаты кальция – СSН с d = [11,8-10,0; 3,07; 2,80; 1,83] * 10 ^–9 нм, гидроалюминаты кальция – С₂АН₈ с d = [10,8-10,0; 2,87; 2,54; ... ] * 10 ^–9 нм и С₃АН₆ с d = [5,16; 2,80; 2,30; 2,04; ... ] * 10 ^–9 нм, гидрослюда – глинистый минерал как примесь с d = [10; 5,02; 4,45; ... ] * 10 ^–9 нм, ангидрит – СаSО₄ с d = [3,49; 2,84; 2,33; ... ] * 10 ^–9 нм, бёмит – AlO(OH) с d = [6,22; 3,16; 1,84; ...] * 10 ^–9 нм, гётит – FeOOH с d = [6,2; 3,28; 2,47; ...] * 10 ^–9 нм.

Анализ полученных рентгенограмм свидетельствует о том, что в данном материале присутствуют следующие соединения: кварц – SiO₂ в количестве 50–55% и кальцит – СaCO₃ в количестве 25–30%. Особенно следует отметить наличие негидратированного портландцемента (рис. 3) в количестве 5% по массе, что составляет около 50% по массе от исходного портландцемента, который применялся при производстве железобетонных конструкций. На полученных при помощи электронного микроскопа микрофотографиях также зафиксировано наличие цементного камня. Исследования проводились на отходах дробления бетонных конструкций, в которых в качестве заполнителей применялись известковый щебень и кварцевый песок, что объясняет сравнительно большое содержание кальцита и кварца [см. Чистов Ю.Д., Краснов М.В. Теоретические основы создания ячеистого бетона из пылевидных отходов дробления бетонного лома. // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. Научно-теоретический журнал. Тематический выпуск “Поробетон-2005”. 2005, № 4; Волженский А.В., Попов Л.Н. Смешанные портландцементы повторного помола и бетоны на их основе. М., 1961].

Для выявления гидравлической активности ОД производили его помол до разных значений удельной поверхности, а затем готовили тесто нормальной густоты отдельно с каждым порошком разного помола. Полученные данные показали, что при увеличении тонкости помола продукта дробления происходит увеличение прочности затвердевшей композиции (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость предела прочности на сжатие образцов в возрасте 28 суток от удельной поверхности молотого отхода дробления бетонного лома

Начало и конец схватывания теста наблюдается уже при помоле ОД до удельной поверхности 3000 см²/г (начало схватывания – 5 часов и конец схватывания – 14 часов), далее с увеличением тонкости помола эти сроки уменьшаются и при удельной поверхности равной 8000 см²/г начало схватывания происходит через 1 час 10 мин., а конец через 3 часа 30 мин.

О степени взаимодействия исходного и молотого ОД с цементом судили по результатам исследования затвердевших растворных образцов. Последние готовили путем смешивания немолотого и молотого отхода дробления, в отдельности, с цементом М500 в соотношении 1:3 при В/Т = 0,4. Тонкость помола отхода дробления составляла 3000 см²/г.

Рентгенографический анализ этих двух образцов показал уменьшение содержания CaCO₃ у образцов с молотым ОД на 15–20%, а SiO₂ на 10% по сравнению с немолотым, что говорит о возможном участии отхода в процессе гидратации. При этом наблюдается возникновение новообразований с мелкокристаллической структурой (≤0,1 мк), предположительно гидросиликаты, гидроалюмосиликаты, гидроаллюмоферриты кальция как результат твердения цемента, а также наблюдается образование соединений содержащих в своей формуле ионы СО₃ типа СаАl₂(CO₃)₂(ОН)₄ * 6Н₂О – гидрокарбоалюминаты кальция с d = 8,0 * 10 ^{– 9} нм, КNa₄Ca₄Si₈O₁₈(СО₃)₄ОН * Н₂О – гидрокарбосиликаты кальция, калия и натрия с d = [8,4´ ; 4,17; 2,90; 2,38; 4,05; …] * 10 ^{– 9} нм.

Прочность образцов с молотым отходом дробления выше прочности образцов с немолотым примерно на 20%. Полученные данные можно объяснить наличием негидратированного цемента, который удалось “пробудить” в процессе помола, а также реакционной способностью карбонатов, имеющихся в отходе [см. Чистов Ю.Д., Краснов М.В. Теоретические основы создания ячеистого бетона из пылевидных отходов дробления бетонного лома. // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. Научно-теоретический журнал. Тематический выпуск “Поробетон-2005”. 2005, № 4; Волженский А.В., Попов Л.Н. Смешанные портландцементы повторного помола и бетоны на их основе. М., 1961]. Входящие в состав молотого ОД тонкодисперсные карбонаты кальция (25–30 % СаСО₃ по массе) играют роль микровключений в матричном материале, образуют каркас и помогают создавать прочную микробетонную структуру [см. Бернштейн Ю.И. Исследование взаимодействия гидратных новообразований цементного камня с заполнителем. Дисс. к. т. н. М., 1971. 145 с.; Тимашев В.В., Кожемякин П.Г. Влияние добавок карбонатов кальция на процессы гидратации портландцемента. // Тр. / Ин-та МХТИ. 1978, Вып. № 118. С. 70–78]. Выступая в качестве зародышей, центров кристаллизации в процессе структурообразования, карбонаты имеют существенное положительное влияние на физико-химические процессы твердения бетона.

Таким образом, дополнительный помол позволяет вовлечь данный отход в процесс твердения. Это открывает возможность повышения прочностных характеристик бетонных изделий, экономии дорогостоящего и энергоемкого портландцемента при их производстве. Данные результаты были взяты за основу для получения плотных и ячеистых бетонов.

Известно, что физико-механические свойства ячеистого бетона (в частности прочность) во многом определяются прочностью раствора межпорового пространства. С этой целью были проведены исследования плотного песчаного бетона на основе ОД с равным соотношением между вяжущим и заполнителем.

По данным Г.П. Сахарова, при смешивании цемента и немолотого ОД затвердевшие образцы имели прочность ниже требуемой для получения ячеистых бетонов. Это связано с тем, что пылевидные фракции имеют склонность к агрегированию (комкованию), что приводит к снижению её фактической удельной поверхности и понижению реакционной способности её активных составляющих (см. табл. 2) [см. Сахаров Г.П. Физико-химические и технологические основы повышения надежности изделий из ячеистого бетона. Дисс. д. т. н. М., 1988].

При получении плотных бетонов к крупному кварцевому песку (М_КР. = 3,5) добавляли немолотый ОД в качестве добавки, уменьшающей модуль крупности этой смеси [см. ГОСТ 26633-91. Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия. п. 1.6.12]. На основе этого заполнителя получен мелкозернистый бетон. С применением молотого ОД в плотном бетоне в качестве заполнителя повысилась прочность его затвердевших образцов на 20% по сравнению с прочностью образцов бетона с немолотым отходом при равном содержании вяжущего (ПЦ500 Д0) (см. табл. 2).

Табл. 2

Влияние состава рабочей композиции на прочность

плотного песчаного бетона

* прочность в возрасте 28 суток естественного твердения

При приготовлении пенобетона не рекомендуется применять кварцевые пески с модулем крупности >2, так как крупные частицы кварца превышают толщину межпоровых перегородок, что приводит к понижению прочностных и теплотехнических свойств материала. В связи с этим в ячеистом бетоне целесообразно применение молотого (активного) ОД как материала способствующего уплотнению структуры и повышению прочности матрицы бетона, а также положительно влияющего на процессы твердения вяжущей композиции [см. Чистов Ю.Д., Краснов М.В. Теоретические основы создания ячеистого бетона из пылевидных отходов дробления бетонного лома. // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. Научно-теоретический журнал. Тематический выпуск “Поробетон-2005”. 2005, № 4; Трескина Г.Е. Неавтокланый газобетон с использованием пылевидных отходов сушки песка. Дисс. к. т. н. М., 2001]. На практике получен неавтоклавный пенобетон Д600–Д800 (табл. 3) из ОД с равным содержанием вяжущего (ПЦ500 Д0) и заполнителя (ОД) с прочностными характеристиками, не уступающими автоклавным ячеистым бетонам на основе кварцевого песка и золы-уноса ТЭЦ [см. ГОСТ 25485-89. Бетоны ячеистые. Технические условия].

Табл. 3

Физико-механические свойства пенобетона

 В настоящее время в МГСУ активно проводятся работы по увеличению прочностных и теплотехнических характеристик ячеистого бетона. В мае 2004 и октябре 2005 года проведено производственное опробование данной разработки на одном из заводов по производству стеновых блоков из пенобетона неавтоклавного твердения. Получен патент на полезную модель.

Эффективность строительных материалов, содержащих продукты вторичного использования, в настоящее время приобретает особую значимость, поскольку их производство способно оказать значительную помощь в утилизации отходов, загрязняющих города.

Михаил Валерьевич Краснов, инженер-технолог, магистр техники и технологии, аспирант МГСУ, ведущий технолог ООО “СтромОборудование”;
Чистов Юрий Дмитриевич, доктор техн. наук, профессор МГСУ