Проблема утилизации железобетона и поиск эффективных путей ее решения

_МГСУ

ПРОБЛЕМА УТИЛИЗАЦИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА И ПОИСК ЭФФЕКТИВНЫХ ПУТЕЙ ЕЕ РЕШЕНИЯ

REINFORCED CONCRETE RECYCLING: PROBLEM AND POTENTIAL SOLUTIONS

Н.Г.Головин, Л.А.Алимов, В.В.Воронин

N.G.Golovin, L.A.Alimov, V.V.Voronin

МГСУ

Представлены результаты экспериментальных исследований свойств заполнителей из дробленого бетона и бетонов на их основе. Показана возможность эффективного использования вторичного сырья для изготовления бетонных и железобетонных изделий.

This paper shows the material properties of the filling obtained from the crushed concrete and material properties of the concrete on this base derived from the experiments. The opportunities for the effective application of recycling products in manufacturing of conc-tere and reinforced concrete parts are demonstrated.

Уже на первом этапе реализации Программы сноса ветхого и 5-ти этажного панельного жилья, принятой Правительством Москвы в середине 90-х годов прошлого столетия, резко обозначились проблемы, связанные с утилизацией и переработкой строительных отходов, ежегодный объем которых превысил 1,5 млн.м3.

В странах Европы в ходе послевоенного обновления был накоплен значительный опыт по демонтажу старых зданий, переработке строительных отходов и использованию вторичного сырья. Поскольку уже в то время наиболее распространенным видом отходов являлся бетон, то в разных странах начали выпускать специальное оборудование для демонтажа зданий из него и переработки бетонного лома. Наибольший прогресс был достигнут к началу 90s годов, когда появились высокопроизводительные, компактные и маневренные перерабатывающие комплексы, строительные машины и навесное оборудование для демонтажа зданий. Увеличилось количество фирм, специализирующихся на переработке строительных отходов, в 1976г. они объединились в Европейскую ассоциацию по сносу зданий (EDA), в которую сегодня входят национальные ассоциации из 18 стран мира.

Стройкомплекс Москвы был недостаточно подготовлен для решения двуединой задачи быстрого, безопасного для окружающей застройки сноса панельных 5-ти этажных зданий и утилизации огромного количества строительных отходов, основную до-

лю которых составляли разрушенные железобетонные конструкции. Явно не хватало оборудования для демонтажа зданий, мобильных комплексов по переработке железобетонного лома насчитывалось около десяти и они могли переработать не более десятой части отходов. Практика разрушения зданий путем взрыва исключала возможность дальнейшей переработки строительных отходов и они вывозились на свалку. Ограниченные возможности приема строительных отходов полигонами захоронения ТБО, а, следовательно, и высокие цены (до 40 долл. за тонну) привели к появлению большого количества несанкционированных и стихийных свалок в лесах и оврагах Подмосковья, что способствовало ухудшению экологической ситуации в московском регионе.

В настоящее время значительные по объему программы реконструкции городской застройки уже реализуются или намечены к реализации в Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, Новосибирске, других крупных городах Российской Федерации и стран СНГ. Это связано с необходимостью вывода промышленных предприятий, многие из которых занимают значительные площади в центральной зоне городов и практически не функционируют, сносом ветхих и 5-ти этажных панельных жилых строений, модернизацией городских магистралей.

Актуальность проблемы переработки и повторного использования строительных отходов, и в первую очередь бетонного и железобетонного лома, становится совершенно очевидной не только для московского региона, но и других крупных мегаполисов на территории РФ и стран СНГ. Это, прежде всего, улучшение экологической обстановки, и, кроме того, получение дешевых материалов для нового строительства, сокращение транспортных потоков, связанных с поставками заполнителей для бетонов, сохранность природных ресурсов и др.

Специализированные фирмы, оснащенные современным оборудованием для демонтажа зданий и сооружений производят снос строений с тщательной разборкой и отделением железобетонных изделий от других строительных отходов. Железобетон подвергается глубокой переработке на дробильно-сортировочных комплексах, которые могут быть стационарными или мобильными. Оценивая зарубежный и отечественный опыт организации процесса переработки считаем наиболее рациональными следующие схемы:

1) железобетонный лом после демонтажа транспортируется на стационарные полигоны, оснащенные дробильно-сортировочным и другим технологическим оборудованием. Полученная в процессе переработки продукция отпускается потребителям. При наличии возможностей и относительно небольших капитальных вложениях параллельно с основным производством может быть освоено производство технологически несложной и материалоемкой продукции, такой, как фундаментные блоки, мелкоштучные стеновые блоки и др.

2) при значительных объемах демонтируемых конструкций на одной площадке мобильные комплексы могут устанавливаться непосредственно на месте демонтажа зданий и сооружений. После переработки продукция может использоваться на данной строительной площадке, что обеспечивает значительное сокращение транспортных расходов.

Технология глубокой переработки железобетонного лома в достаточной степени обработана и при соблюдении установленных требований, в первую очередь связанных с тщательной сортировкой поступающего сырья, позволяет получать качественную продукцию в виде щебня требуемых фракций. Однако отсутствие нормативной базы сдерживает его повторное использование в производстве бетонов. В МГСУ про-

ведены исследования свойств щебня из дробленого бетона, производимого корпорацией «Сатори». Исследование щебня из бетона проводились с целью разработки технических условий и сертификации продукции.

Исследования показали, что зерновой состав щебня из бетона фракций 5-10 мм, 10-20 мм, 20-40 мм, 40-80 мм и смеси 5-20 мм близок к заполнителям с оптимальной непрерывной гранулометрией и соответствует требованиям ГОСТ 8267-93. Для различных фракций были определены основные показатели свойств, которые представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства заполнителей

Фракции Средняя плотность, г/см3 Насыпная плотность, г/см3 Пористость, % Пустотность, %

0 - 10 1,90 1,26 15 33

0 - 20 2,10 1,31 15 38

5 - 20 2,19 1,30 12 41

10 - 40 2,23 1,30 10 42

Установлено, что в щебне из бетона наличие слабых и лещадных зерен составляет менее 15%, по дробимости он соответствует марке 400. Морозостойкость щебня из бетона соответствует 100 циклам. Оценка однородности щебня показала, что коэффициент вариации составляет 8-9%. Принципиальным отличием щебня из бетона от щебня из естественного каменного материала является цементный раствор, налипший на зерна первоначального щебня. Вопрос количественного содержания этого компонента в различных фракциях щебня из бетонного лома имеет существенное значение для прогнозирования поведения этого заполнителя в бетонных смесях и в затвердевшем бетоне. Решение задачи рационального использования щебня из бетона в технологии железобетонных изделий и конструкции возможно по мере создания нормативной базы, регламентирующей получение кондиционного заполнителя. В результате проведенных исследований в МГСУ разработаны технические условия ТУ 5711-001-40296246-99 «Щебень из бетона», которые являются первым шагом в этом направлении.

В качестве возможных схем использования продуктов бетонного лома в технологии бетонов для монолитного домостроения, производства бетонных и железобетонных изделий массового применения, других строительных материалов рассмотрим следующие:

а) бетоны на вторичных заполнителях - щебне из бетона стандартных фракций и отсеве (0 - 5 мм);

б) бетоны на щебне из бетона и природном мелком заполнителе;

в) бетоны с замещением части природного крупного заполнителя щебнем из бетона;

г) малощебеночные бетоны на щебне из бетона

д) активная органоминеральная добавка

Бетоны на вторичных заполнителях щебне из бетона и отсеве (0 - 5 мм). Результаты проведенных рекогносцировочных испытаний позволяют отметить, что прочность бетонов, изготовленных на крупном и мелком заполнителях из дробленого бетона на гранитном щебне до 30%, а на известняковом щебне до 35% ниже прочности

бетонов на тех же крупных заполнителях в сочетании с кварцевым песком. Эти результаты получены для составов с В/Ц= 0,4, при уменьшении В/Ц за счет введения пластифицирующих добавок и других технологических приемов возможно снижение негативного влияния мелкого заполнителя из дробленого бетона на прочность исследуемых бетонов. Однако, учитывая повышение расхода цемента и увеличение усадочных деформаций считаем нецелесообразным использовать в бетонах в качестве мелкого заполнителя отсевы с крупностью зерна 0 - 5 мм.

Применение при изготовлении бетонов мелких и крупных заполнителей из дробленого бетона увеличивает усадочные деформации бетонов на вторичных заполнителях в 1,6 - 1,8 раза по сравнению с бетонами на природных заполнителях.

Бетоны на щебне из бетона и природном мелком заполнителе. С целью изучения возможности применения крупного заполнителя из бетонного лома в технологии железобетонных изделий и конструкций различного назначения были проведены исследования [ 1 ] свойств бетонных смесей и бетонов, в которых в качестве заполнителей использовался щебень из бетона и природный мелкий заполнитель. Для сравнения исследовали контрольные составы, приготовленные на известняковом щебне. Составы бетонов приведены в табл. 2.

Таблица 2

№№ п/п Расход материалов в кг/м3

Цемент Вода Песок Добавка С-3 Щебень известняковый Щебень из бетона

1 410 203 728 - 980 -

2 395 214 726 - - 986

3 340 182 865 1,70 - 987

4 479 221 485 - 1120 -

5 482 232 485 - - 1123

6 410 196 640 2,05 - 1125

Исследовались две серии бетонов с подвижностью 5 и 10 см осадки конуса. Средняя плотность бетонов на щебне из бетона на 125 -180 кг/м3 ниже, чем на известняковом щебне. Однако значения прочности на сжатие для бетонов на щебне из бетона и известняковом щебне были близки. Так, при расходе цемента около 400 кг/м3 их прочность составила 32,1 - 33,3 МПа, а при расходе цемента около 480 кг/м3 - 36,4 - 39,6 МПа.

Практически одинаковая прочность бетонов на щебне из бетона и известняковом при пониженной средней плотности возможна только при высокой прочности цементного камня и хорошем сцеплении с заполнителем. Высокая прочность цементного камня в бетонах на щебне из бетона связана с повышенной степенью гидратации цемента за счет более благоприятного влажностного режима твердения. Содержание в щебне из бетонного лома цементного раствора приводит к повышенному водопогло-щению. Следовательно, при затворении вода из бетонной смеси активно поглощается крупным заполнителем, а затем, при твердении и образовании капиллярно-пористой структуры происходит отсасывание воды из пор заполнителя в твердеющий цементный камень. Таким образом, щебень из бетона влияет на формирование структуры цементного камня и контактной зоны между цементным камнем и заполнителем.

Бетоны с замещением части природного крупного заполнителя щебнем из бетона.

С целью установления возможности частичного замещения в бетонных смесях природного щебня на щебень из бетона проведено исследование свойств бетонов, в которых щебень из бетона фракции 5 -20 вводился в бетонную смесь на природном известняковом щебне в количестве 15%, 20%, 30% и 40% от содержания крупного заполнителя. Составы бетонов представлены в табл.3.

Таблица 3

Составы бетонов на известняковом щебне и смеси известнякового щебня и

щебня из бетона

№№ п/п Расход материалов, кг/м3

Цемент Песок Щебень известняковый Щебень из бетона кг/м3/% Вода

1. 412 740 993 - 205

2. 410 735 996 - 200

3. 391 746 844 149 / 15 212

4. 394 750 744 199 / 20 206

5. 396 742 794 200 / 20 211

6. 391 730 695 298 / 30 212

7. 393 740 596 397 / 40 217

Прочность бетонов по результатам испытаний контрольных кубов с ребром 10 см через 28 суток нормального твердения представлена на рис.1.

Содержание щебня из бетона, % Рис.1. Зависимость прочности бетона от содержания щебня из бетона в смеси крупного заполнителя

Анализ прочностных показателей свидетельствует о том, что замена части крупного природного заполнителя на щебень из бетона в количестве до 30% от массы крупного заполнителя приводит к незначительному снижению прочности практически при одинаковом расходе цемента на 1 м3 бетона. Анализ данных, представленных на рис.2 показывает, что общая пористость этих бетонов отличается незначительно и находится в пределах (15,0 ... 16,6)%.

При этом отмечается четкая зависимость прочности бетонов на смешанных заполнителях от общей пористости (рис.3).

Се дери л и не ш'ппп щ Г г шик, %

Рис.2. Зависимость пористости бетона от содержания щебня из бетона в смеси крупного заполнителя

Рис.3. Зависимость прочности бетона от пористости

Малощебеночные бетоны на щебне из бетона. Малощебеночные бетоны характеризуются содержанием крупного заполнителя менее 1200 кг/м3 при повышенном расходе мелкого заполнителя. Для выявления оптимальных составов малощебеночных бетонов на заполнителе из бетонного лома были проведены исследования [2] , которые позволили установить величину доли песка в смеси заполнителей равной 0,55 ... 0,65, что обеспечивает наилучшую формуемость малощебеночных бетонных смесей при одинаковой подвижности. Снижение содержания песка приводит к увеличению структурной вязкости вследствие уменьшения величины раздвижки зерен крупного заполнителя. Увеличенное содержание песка в смеси заполнителей приводит к увеличению структурной вязкости, поскольку возрастает суммарная удельная поверхность смеси заполнителей. Проведенные исследования показали, что щебень из бетона можно рационально использовать в малощебеночных бетонах классов по прочности до В30 и марок по морозостойкости до F 150.

Органоминералъная добавки на основе отсевов (0 - 5 мм). Исследование отсевов дробления (фракция 0 - 5 мм) методами РФА и ДТА показало, что они состоят из аморфной и кристаллической фаз примерно в равном соотношении. Кристаллическая фаза включает в себя следующие минералы: кварц, полевые шпаты, кальцит, доломит, портландит, эттрингит, известняк, гидросиликаты кальция и минералы негидратиро-ванного цемента. Специальная механохимическая обработка отсева показала, что он может стать основой для получения эффективной органоминеральной добавки. [3].

Комплексные исследования свойств смешанного вяжущего (портландцемент и ОМД) показали, что структура цементного камня на смешанном вяжущем более плотная по сравнению с обычным цементом, она представляет собой очень плотную упаковку клинкерных зерен в цементном камне. При равном соотношении цемента и ОМД в смешанном вяжущем пористость цементного камня снижается практически в 2 раза по сравнению с пористостью цементного камня на портландцементе, в 6-7 раз снижается количество крупных (капиллярных) пор радиусом более 1 мкм, на порядок уменьшается содержание капиллярных пор радиусом 1 - 0,1 мкм, эффективный радиус пор смещается в сторону более мелких. Опытами также подтверждена эффективность использования смешанного вяжущего в малощебеночных бетонах, приготовленных на щебне из бетона. Были исследованы три состава бетонов с расходом смешанного вяжущего 220 кг/м3 ; 270 кг/м3 и 300 кг/м3 при содержании ОМД в них в количестве 35%. По результатам проведенных испытаний прочность бетона соответственно составила 15,3 МПа; 21,3 МПа и 25,5 МПа. Морозостойкость бетонов исследуемых составов соответствовала F 120.

Выводы: Исследованиями подтверждена возможность использования щебня из бетона в технологии бетонов для сборных бетонных и железобетонных изделий массового применения и монолитного домостроения. Наиболее целесообразным является использование щебня из бетона в смеси с природным крупным заполнителем и в малощебеночных бетонах.

Использование органоминеральной добавки, получаемой в процессе механохими-ческой обработки отсева с крупностью 0 - 5 мм обеспечит существенную экономию цемента в бетонах, растворах, сухих смесях, других строительных материалах на основе цементного вяжущего.

Литература

1. Головин Н. Г., Алимов Л. Н., Воронин В. В., Пуляев С. М. Повторное использование -одно из направлений решения экологической проблемы при производстве изделий и конструкций из бетона. Бетон и железобетон - пути развития. Том 5, стр. М., 2005

2. Воронин В. В., Алимов Л. Н., Балакшин А. С. Малощебеночные бетоны на щебне из бетонного лома. Технология бетонов. Москва, 2010г. № 3-4 стр. 28

3. Патент № 2156226. Вяжущее для приготовления строительной смеси, способ приготовления строительной смеси.

References

1. Golovin, N. G., Alimov L. N., Voronin V. V., Puljaev S. M. Repeated usage - one of the potential solutions of the ecologic problems at the manufacturing of the concrete and reinforced concrete structures. Conctere and reinforced concrete - future development. Volume 5, M., 2005

2. Voronin V. V, Alimov L. N., Balakshin A. S. Small-size ballast concrete on the base of concrete scrap. Concrete technology. Moscow, 2010, Nr. 3-4, p. 28.

3. Patent Nr. 2156226. Binding for the mortar preparation, preparation method for mortar

Ключевые слова: переработка железобетона, щебень из бетона, бетоны на вторичных заполнителях, технические условия, утилизация, экология.

Key words: Reinforced concrete recycling, ballast from concrete, concrete based on recycled filling, technical requirements, recycling, ecology .

Почтовый адрес авторов: 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, МГСУ

e-mail: gbk@mgsu.ru

Рецензент: Коровяков В. Ф. д-р техн. наук, проф., зам. директора ГУП «НИИМосстрой»