аспирант
Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.15 Технология производства строительных материалов и изделий
ОКСО 08.04.01 Строительство
ББК 303 Сырье. Материалы. Материаловедение
ТБК 9110 Журналы
BISAC SCI026000 Environmental Science (see also Chemistry / Environmental)
Развитие математических методов моделирования вызывает необходимость одновременного совершенствования критериев оценки материалов бетона как многокомпонентных, так и с отходами промышленности, которые позволили бы получить более точные количественные зависимости «состав – структура – технология – свойства». Это возможно только при формализации структуры бетона и установлении с помощью экспериментальных исследований количественных соотношений между характеристиками структуры бетонов и их свойствам. В статье приводиться методика подбора состава самоуплотняющегося бетона на основе продуктов дробления бетонного лома с использованием математических методов моделирования путем решения системы полученных уравнений соответствующих математических моделей. Аргументными характеристиками полученных математических моделей являются структурные характеристики бетона, определяемые к концу периода формирования структуры. Демонтаж ветхих зданий способствует образованию значительного количества бетонного и железобетонного лома. В исследовании проведен анализ продуктов дробления бетонного лома и установлена возможность его эффективного применения. В качестве исходных материалов для самоуплотняющегося бетона может служить щебень из дроблёного бетона и отсев его дробления. Определено оптимальное содержание микронаполнителя в составе самоуплотняющегося бетона. Установлен оптимальный режим помола отсева дробления, обусловленный условиями работы помольного оборудования для получения микронаполнителя заданной удельной поверхности. Запроектирован зерновой состав смеси кварцевого песка и щебня из дроблёного бетона фракции 5–10 мм исходя из условия максимального приближения к эталонной кривой Фуллера.
самоуплотняющийся бетон, бетонный лом, щебень из дроблёного бетона, отсев дробления, активация, гранулометрия, структурные характеристики
Введение. В настоящее время бетон является наиболее широко используемым строительным материалом в России. По данным [1] в 2018 году было произведено 33 955,5 тыс. м3 товарного бетона. Количество углекислого газа, выделяемого при производстве портландцемента, составляет около 10 % общего количества, выделяемого в окружающую среду CO2. За последние десять лет в России резко возросло количество отходов строительства и сноса зданий, что связано с принятой в 2017 году программой реновации. Так, по данным [2], после разбора пятиэтажек образуется порядка 5 млн. тонн различных материалов.
Проблема утилизации и повторного использования строительных отходов актуальна не только для России, но и для зарубежных стран. Это в первую очередь связано с улучшением экологической ситуации, получением дешевых материалов для нового строительства, сокращением транспортных потоков, связанных с поставками заполнителей для бетона, сохранением природных ресурсов. Переработка отходов строительной индустрии и использование в качестве заполнителей дробленого бетона позволит ограничить потребление невозобновляемых природных ресурсов и свести к минимуму отходы и связанные с ними выбросы, что будет способствовать как сохранению окружающей среды, так и сохранению природных ресурсов [3].
В течение последних лет широкое применение получили исследования свойств бетонов с применением вторичных заполнителей из бетонного лома не только в России, но и во всем мире [4, 5, 6]. Введение вторичных заполнителей оказывает влияние на прочностные свойства бетонов и технологические свойства бетонных смесей [7]. Свойства вторичных заполнителей значительно отличаются от свойств заполнителей, изготовленных из прочных горных пород. Вследствие этого их применение ограничено в бетонах несущих конструкций. Такие заполнители могут эффективно использоваться в качестве исходного материала для изготовления неконструкционных бетонов [8] или для других целей. Отмечается применение вторичных заполнителей в конструкционных бетонных элементах при содержании растворной составляющей в заполнителе до 44 % [9–13]. Имеется опыт применения крупного заполнителя на основе дробленого бетона не только в обычных вибрированных бетонах [14, 15], но и в самоуплотняющихся, получивших широкое распространение в последние десятилетия [16]. Данные смеси способны самостоятельно, без внешнего побуждения, уплотнятся и вытеснять из своего объёма вовлеченный воздух за счёт высокой подвижности. Применение самоуплотняющихся бетонов значительно сокращает трудоёмкость работ, повышается качество изделий и конструкций. Накопленный за последнее время опыт позволяет изготавливать самоуплотняющиеся бетонные смеси на различных материалах и с различными характеристиками. Однако для получения эффекта самоуплотнения необходимо соблюдать определенные условия:
- применение большого количества вяжущего теста, включающего цемент и микронаполнитель;
- применение мелких фракций заполнителя и ограниченное количество крупного заполнителя;
- повышенная доля песка
в смеси заполнителей; - необходим подбор оптимальной гранулометрии смеси заполнителей;
- применение высокоэффективных суперпластификаторов;
- рациональный подбор воды затворения.
Основываясь на данных условиях, а также используя структурные характеристики бетона, авторами статьи была разработана методика определения состава самоуплотняющегося бетона на основе бетонного лома. Развитие математических методов моделирования вызывает необходимость одновременного совершенствования критериев оценки материалов бетона как многокомпонентных, так и с отходами промышленности, которые позволили бы получить более точные количественные зависимости «состав – структура – технология – свойства». Это возможно только при формализации структуры бетона и установлении с помощью экспериментальных исследований количественных соотношений между характеристиками структуры бетонов и их свойствам.
Методология. В работе применялись следующие виды материалов:
- портландцемент ЦЕМ I 42,5Б,
ПАО «Мордовцемент»; - кварцевый карьерный песок с модулем крупности Мк=1,8 ЗАО «Мансуровское карьероуправление» с гранулометрическим составом, представленным в табл. 1.
- суперплатификатор: Sika ViscoCrete E55, ООО «Зика»;
- сухой суперпластификатор: Melflux 5581F, BASF (Германия);
- вода водопроводная;
- бетонный лом, полученный из внутренней стеновой панели 9ВС1 жилого дома 1605/АМ-5, демонтированного в микрорайоне Кунцево по программе реновации г. Москвы.
Бетонный лом подвергался лабораторной переработке путем дробления крупных кусков стеновой панели 9ВС1 на лабораторном прессе в цилиндре ø 150 мм для испытания щебня на дробимость по ГОСТ 8269.0-97 и рассеивания полученного материала на наборе сит: 12,5; 10; 7,5; 5;
2,5 мм. Путем компоновки частных остатков на ситах дробленого щебня была получена фр.5-10 мм, отвечающая по зерновому составу
ГОСТ 32495-2013. В табл. 2 представлены результаты гранулометрического состава полученного щебня из бетонного лома фр. 5–10 мм.
Физико-механические характеристики полученного щебня из дробленого бетона фр. 5–10 мм представлены в табл. 3.
Основная часть. В результате лабораторной переработки крупных кусков, помимо полученного щебня, образуется отсев дробления с фракцией 0–2,5 мм. Полученный отсев подвергался механохимической активации в вибромельнице совместно с сухим суперпластификатором поликарбоксилатного типа Melflux 5581F. Активация отсева дробления щебня из дроблёного бетона фр. 5–10 мм осуществлялся в лабораторной вибромельнице. Варьировалось величина времени активации и дозировка Melflux 5581F; количество и масса шаров, степень заполнения рабочей зоны камеры мельницы, скорость поступления и удаления материала оставались постоянными. Диапазон бесперебойного времени измельчения выбран исходя из оптимальной производительности помольного оборудования без его перегрева и экстремальных условий работы.
Использование методов математического планирования эксперимента позволило установить оптимальную продолжительность активации в вибромельнице отсева дробления и оптимальную дозировку суперпластификатором Melflux 5581F. Установлено, что при продолжительности активации, равной 150 мин совместно с суперпластификатором в количестве 0,5 % от массы микронаполнителя величина удельной поверхности полученного микронаполнителя составляет 4575 см2/г, при таком воздействии и введении в цементное тесто обеспечивается максимальный эффект водоредуцирования и увеличения прочности. При этом оптимальное содержание микронаполнителя в составе композиционного вяжущего соответствует 22 % [17].
Проектирование оптимального гранулометрического состава смеси заполнителей, включающего кварцевый песок и щебень из дробленого бетона фр. 5–10 мм, осуществлялось из условий максимального приближения кривых просеивания заполнителей к эталонной кривой распределения частиц Фуллера в интервале соотношений 
= 0,45–0,55. При этом обеспечивается минимальная пустотность смеси и наиболее благоприятные условия для создания текучести самоуплотняющейся бетонной смеси. В результате математической обработки полученных данных установлено наименьшее расхождение с эталонной кривой Фуллера, что составляет 14,12 % и достигается при = 0,458 (рис. 1).
Рис. 1. Проектирование зернового состава заполнителей СУБ: D – диаметр отверстия сита (мм); Аn – полный проход через сито (%); 1 – эталонная кривая по Фуллеру; 2 – оптимальный состав c долей песка в смеси заполнителей (
)
Состав самоуплотняющегося бетона определялся с использованием математико-статистического метода. Зависимость «состав − структура – свойства» представлена в виде многофакторных математических моделей. В качестве характеристик согласования между математическими моделями применялись единые структурные характеристики бетона, сформулированные Горчаковым Г.И. и развитые в работах Баженова Ю.М., Алимова Л.А., Воронина В.В.
Согласно структурной теории процесс формирования структуры цементных систем связан с распределением воды на ранней стадии твердения. Заполнитель, введенный в цементное (вяжущее) тесто, существенно влияет на свойства бетонной смеси, причём тем в большей степени, чем выше его содержание. Заполнитель иммобилизирует воду затворения, при этом структура формируется при пониженном В/Ц (В/В), получившем название истинного (
или W). Вода, как бы отвлекаемая заполнителем, участвует как в перераспределении пор в сложившемся при W каркасе цементного камня, так и в создании пор контактной зоны между цементным камнем и заполнителем [18].
Количественным показателем содержания вяжущего является объёмная концентрация вяжущего в бетонной смеси (
), определяемая по формуле: где 
– расход цемента или вяжущего, кг;
– плотность вяжущего, т/м3; 
– истинное водоцементное (или водовяжущее) отношение.
В работе определялись единые структурные характеристики бетона, определяемые к концу периода формирования структуры:
- объёмная концентрация вяжущего
, представляющая собой сумму цемента и микронаполнителя, которая определяет макроструктуру, т.е. формирование бетона как конгломерата, выражается в долях от объёма бетона; - истинное водовяжущее отношение
, которое оказывает решающее влияние на макро- и микроструктуру, в частности, на объём и характер пор в цементном камне, а так же качество контактной зоны между цементным камнем и заполнителем; - степень гидратации вяжущего
, показывает изменение прочности цементного камня в процессе твердения. Количество новообразований в цементном камне прямо пропорционально , численно равной отношению прореагировавшей с водой части вяжущего к общей массе вяжущего.
Согласно структурной теории, все основные свойства бетонов являются функцией , и . Величина выражает соотношение между вяжущим и заполнителем, данная характеристика может быть принята в качестве показателя макроструктуры. Величины и совместно определяют объём пор в бетоне данного возраста, т.е. характеризуют микроструктуру бетона [19].
В исследовании предполагалось, что степень гидратации вяжущего у всех составов проектируемого самоуплотняющегося бетона одинакова, поэтому третьим фактором варьирования принимался фактор количества суперплатификатора Sika ViscoCrete E55. Для получения статистико-математических зависимостей свойств самоуплотняющегося бетона от его состава и структуры были проведены эксперименты с применением трёхфакторного плана на кубе типа В‒D13. Факторы и уровни их варьирования представлены в табл. 4.
Составы и технологические свойства самоуплотняющихся бетонных смесей представлены в табл. 5 согласно расчёту и плану эксперимента.
В результате обработки данных с использованием специализированного программного обеспечения получены адекватные полиномиальные математические модели, описывающие свойства самоуплотняющегося бетона. Данные модели, после исключения незначимых коэффициентов, представлены в табл. 7.
Использование моделей, представленных в табл. 7, позволяет проектировать составы самоуплотняющегося бетона на основе бетонного лома прочностью на сжатие 35–45 МПа,
F1150–F1200, водонепроницаемостью W4–W8.
Выводы. Принцип подбора состава основан на совместном рассмотрении (решении) полученных математических моделей. При этом выбираются соответствующие модели необходимых свойств самоуплотняющейся бетонной смеси и/или бетона. Структурные характеристики, а также количество суперпластификатора Sika ViscoCrete E55, находятся путём совместного решения соответствующих уравнений. Полученные значения должны одновременно удовлетворять предъявляемым требованиям. Перевод полученных значений уравнений в натуральный вид осуществляется по формулам:
На основании проведённых исследований можно сделать следующие выводы:
- При демонтаже ветхих жилых зданий образуется большое количество бетонного и железобетонного лома. Данный лом целесообразно подвергать переработки для последующего использования в технологии бетона, в том числе для получения высокоэффективных самоуплотняющихся бетонов;
- При лабораторном дроблении из внутренней однослойной стеновой панели 9ВС1 получен щебень фр. 5–10 мм;
- Побочным продуктом дробления является отсев 0–2,5мм. Данный отсев подвергался механохимической активации в вибромельнице совместно с сухим суперпластификатором Melflux 5581F. Оптимальное время активации – 150 мин., дозировка Melflux 5581F вводимая при активации – 0,5 % от массы отсева. Итогом активации является получение микронаполнителя (активной минеральной добавки). При содержании микронаполнителя в цементной системе в количестве 22 % наблюдается эффект водоредуцирования и увеличения прочности композита;
- Проектирование зернового состава смеси заполнителей (песок, щебень из дробленого бетона фр. 5–10 мм) для самоуплотняющегося бетона осуществлялось из условия наибольшего приближения к эталонной кривой распределения частиц Фуллера в интервале соотношений r (доли песка в смеси заполнителей) = 0,45–0,55, что достигается при r= 0,458;
- Проектирование состава самоуплотняющегося бетона целесообразно осуществлять математико-статистическим методом с применением структурных характеристик С, W и α;
- Методом математического планирования эксперимента получены математические модели (уравнения) свойств самоуплотняющегося бетона, зависящие от структурных характеристик;
- При решении соответствующих уравнений определяются структурные характеристики самоуплотняющегося бетона, зная которые можно получить бетон заданных свойств.
1. Россия в цифрах. 2019: Краткий статистический сборник. Росстат. М., 2019. 549 с. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.gks.ru/storage/mediabank/rus19.pdf
2. Комплекс градостроительной политики и строительства города Москвы. Программа реновации в цифрах и фактах [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://stroi.mos.ru/mobile/infographics?tag=реновация+жилых+кварталов&slug=proghramma-rienovatsii-v-tsifrakh-i-faktakh
3. Larsen O.A., Samchenko S.V., Naruts V.V., Aleksandrova O.V., Bulgakov B.I. Environmental aspects of dismantling of old buildings during the reconstruction in Moscow // Proceedings of the XIX International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. 2019. № 19. Issue 6.2. Pp. 115-122.
4. Ларсен О.А., Дмитриев Н.С., Наруть В.В., Швецова В.А. Повышение эффективности бетонов с использованием рециклингового заполнителя // Техника и технология силикатов. 2019. Том 26. №2. С. 46-52.
5. Гусев Б.В., Загурский В.А. Вторичное использование бетонов. М.: Стройиздат, 1988. 97 с.
6. Гусев Б.В., Кудрявцева В.Д. Дробление железобетонных изделий и вторичное использование бетона // Техника и технология силикатов. 2013. Т. 20. № 2. С. 25-28.
7. Абдуллаев М.А.В., Абдуллаев А.М. Разработка нового вяжущего на основе отходов дробления бетонного лома и исследование его основных свойств // Актуальные проблемы современного материаловедения Сборник докладов. Грозный. 2015. С. 33-39.
8. Головин Н.Г., Алимов Л.А., Воронин В.В. Использование отсевов дробления бетонного лома // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2005. № 9 (80). С. 26-27.
9. Flora F., Mariano A.Z., Katya B., Carlo P. Valorization of co-combustion fly ash in concrete production // Materials Design. 2015. № 85. Pp. 687-694.
10. Majhi R.K., Nayak A.N., Mukharjee B.B. Development of sustainable concrete using recycled coarse aggregate and ground granulated blast furnace slag // Construction and Building Materials. 2018. № 159. Pp. 417-430.
11. Jin R., Q Chen., Soboyejo A. Survey of the current status of sustainable concrete production in the U.S // Resources, Conservation and Recycling. 2015. № 105. Part A. Pp. 148-159.
12. Pereira-de-Oliveira L.A., Nepomuceno M.C.S., Castro-Gomes J.P., Vila M.F.C. Permeability properties of self-compacting concrete with coarse recycled aggregate // Construction and Building Materials. 2014. № 51. Pp. 113-120.
13. Grdic Z.J., Toplicic-Curcic G.A., Despotovic I. Ristic M., N.S. Properties of self- compacting concrete prepared with coarse recycled concrete aggregate // Construction and Building Materials. 2010. № 24. Pp. 1129-1133.
14. Воронин В.В., Алимов Л.А., Балакшин А.С. Малощебеночные бетоны на щебне из бетонного лома // Технология бетонов. 2010. № 3. С. 28.
15. Балакшин А. С. Свойства малощебеночного бетона с органоминеральной добавкой на основе отсевов дробления бетонного лома // Вестник МГСУ. 2011. № 1. С. 253-258.
16. Modani P.O., Mohitkar V. Self-compacting concrete with recycled aggregate: a solution for sustainable development // International Journal of Civil Structural Engineering. 2014. № 4. Pp. 430-440.
17. Наруть В. В., Ларсен О. А. Оценка качества продуктов дробления бетонного лома для его применения в технологии бетона // Бюллетень строительной техники. 2018. № 10. С. 47-49.
18. Баженов Ю.М., Горчаков Г.И., Алимов Л.А., Воронин В.В. Получение бетонов заданных свойств. М.: Стройиздат, 1978. 53 c.
19. Alimov L., Voronin V., Larsen O., Korovyakov V. Effect of the structural characteristics on frost resistance of concrete // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2018. № 692. Pp. 601-607.
