Ячеистый и плотный бетоны

Проблема ликвидации бетонных и других строительных отходов, возникающих в результате сноса зданий, в настоящее время 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, что может привести к катастрофическому загрязнению окружающей среды городов. Только в Москве в 2002 году было снесено около 220 старых и непригодных для жилья зданий, при этом интенсивность сноса возросла в два раза по сравнению с 1998 годом.
   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.
   Мелкий песок пока не находит применения, поэтому задерживается на территории МДСК, повышая, при этом, запыленность городского воздуха, так как штабеля этого отхода содержат пылевидную фракцию (менее 0,14 мм) – до 50%.
   Единственным и правильным решением данной проблемы является утилизация пылевидного отхода 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.
   Изучен зерновой, минеральный и химический составы этих продуктов (см. табл. 1).

   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 как 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 зафиксированы следующие соединения: кварц – SiO2 с d = [4,26; 3,34; ...; 1,82; ...; 1,375] Ч10–9 нм, кальцит – СaCO3 с d = [3,86; 3,038; 2,49; 2,28; ...]Ч10–9 нм, доломит с d = [2,89; 2,20; 2,015;...]Ч10–9 нм, ватерит-m-СaCO3 с d = [3,56; 3,29; 2,73; ...; 2,03]Ч10–9 нм, эттрингит с d = [9,9–9,7; 5,6; 3,89; 3,49; ... ]Ч10–9 нм, портландцемент негидратированный с d = [2,77–2,73; 2,65; 2,61; ...; 1,769; ... ]Ч10–9 нм, гидросиликаты кальция – СSН с d = [11,8–10,0; 3,07; 2,80; 1,83]Ч10–9 нм, гидроалюминаты кальция – С2АН8 с d = [10,8–10,0; 2,87; 2,54; ... ]Ч10–9 нм и С3АН6 с d = [5,16; 2,80; 2,30; 2,04; ... ]Ч10–9 нм, гидрослюда – глинистый минерал как примесь с d = [10; 5,02; 4,45; ... ]Ч10–9 нм, ангидрит – СаSО4 с d = [3,49; 2,84; 2,33; ... ]Ч10–9 нм, бёмит – AlO(OH) с d = [6,22; 3,16; 1,84; ...]Ч10–9 нм, гётит – FeOOH с d = [6,2; 3,28; 2,47; ...]Ч10–9 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 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.
   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 (см. график).

   Начало и конец схватывания теста наблюдается уже при помоле ОД до удельной поверхности 3000 см2/г (начало схватывания – 5 час и окончание схватывания – 14 час), 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 окончание – 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 (Ј0,1 мк), предположительно гидросиликатов, гидроалюмосиликатов, гидроалюмоферритов кальция, как результата твердения цемента, а также наблюдается образование соединений, содержащих в своей формуле ионы СО3 типа СаАl2(CO3)2(ОН)4 – 6Н2О – гидрокарбоалюминаты кальция с d = 8,0Ч10–9 нм, КNa4Ca4Si8O18(СО3)4ОН – Н2О – гидрокарбосиликаты кальция калия и натрия с d = [8,4х; 4,17; 2,90; 2,38; 4,05; ...]Ч10– 9 нм.
   Прочности 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. 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. 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.
   При смешивании цемента и немолотого ОД, затвердевшие образцы имели прочность ниже требуемой для получения ячеистых бетонов (по данным Г.П. Сахарова). 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 (табл. 2).

   При получении плотных бетонов к крупному кварцевому песку (МКР. = 3,5) добавляли немолотый ОД в качестве добавки, уменьшающей модуль крупности этой смеси. На основе этого заполнителя получен мелкозернистый бетон. Применяя молотый ОД в плотном бетоне в качестве заполнителя, прочность его затвердевших образцов на 20% выше прочности образцов бетона с немолотым отходом при равном содержании вяжущего (ПЦ500 Д0), табл. 3.

   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. 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.
   1. В настоящее время в МГСУ активно проводятся работы по увеличению прочностных и теплотехнических характеристик ячеистого бетона.
   2. 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.