graduate student
, Russian Federation
, Belgorod, Russian Federation
, Russian Federation
doctoral candidate
, Russian Federation
graduate student
, Russian Federation
, Russian Federation
, Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
OKSO 08.03.01 Строительство
OKSO 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений
Abstract. The new transdisciplinary science of geonics (geomimetics) is the theoretical basis for designing construction composites from fragments of destroyed buildings and structures. Technogenic and natural anomalies, military conflicts on planet Earth lead to destruction of cities. Utilization of fragments of destroyed buildings and structures for the production of building materials is relevant. The classification and scheme of using fragments of destroyed buildings and structures to obtain crushed stone, sand, solutions and concretes based on them is proposed. The densest packaging is calculated using the method of selecting high-density filler packaging developed at BSTU named after V.G. Shukhov. The results are tested on the raw materials of destroyed buildings and structures in Iraq, which consist mainly of reinforced concrete, ceramic bricks and limestone blocks. The presence of binder particles that are not fully hydrated in the concrete scrap, which are subsequently hydrated and participate in the curing of the composite with the formation of an additional number of crystalline neoplasms, and also accelerates the hardening of cement stone and increases the final strength of the material. Subsequently, in the previously created structure, as a result of continuing hydration, a new type of system parts is formed, organized in a certain way, due to the crystallization growth of pico -, nano - and micro-sized high-base calcium hydrosilicates, depending on the degree of hydration of concrete scrap. The following crystallization of previously formed phases leads to self-sealing of different parts of the system and their further self-organization, which ensures high final strength and water resistance of the material. This hydration mechanism gives a concrete structure with minimal internal stresses and volume deformations. The article discusses the methodology for the selection of high-density packing of aggregate from concrete scrap in the destroyed building and construction of Iraq. It is shown that the strength of the obtained samples with compacted aggregate is 31.3 % higher than that of samples prepared in the traditional way.
construction waste, high-density packaging, fine-grained concrete, concrete scrap, bulk density.
Введение. Строительные отходы в виде бетонного лома образовались в результате военных действий и сноса различных объектов. Эти отходы сбрасываются и накапливаются ежегодно в больших количествах. Они очень долговечны, не разлагаются и, следовательно, становятся все более серьезной проблемой загрязнения окружающей среды. Главной задачей ученых всего мира является создание комфортной среды обитания человека или оптимизация системы «человек–материал–среда обитания» [1–5].
Стройиндустрия представляет собой важную отрасль, которая обеспечивает строительство и ввод в действие современных объектов на основе новых конструктивных решений, формирующих искусственную среду обитания человека, способствующую повышению уровня его жизнедеятельности. Быстрое промышленное развитие вызывает серьезные проблемы во всем мире, такие как истощение природных ресурсов и нарастание огромного количества отходов [6]. Одним из способов решить эту проблему является использование техногенного сырья в стройиндустрии. Переработанные строительные отходы могут быть получены из разрушенных зданий, посадочных полос аэропорта, опор мостов и бетонных дорог [7]. Использование переработанных заполнителей для производства бетона включает в себя дробление бетонного лома для получения щебня необходимого размера и качества [8], которых обычно имеют более высокое водопоглощение, плотность ниже, чем плотность обычных агрегатов, а пористость – выше и более низкий удельный вес [4, 5].
Перерабатывания бетона является важным, поскольку он способствует защите природных ресурсов и утилизации строительных отходов из старого бетона. Мелкий заполнитель бетонной смеси необходим для создания жесткого структурного каркаса и вовлечения его в работу при приложении нагрузки на изделие или конструкцию. Можно использовать мелкий заполнитель естественного состава или дополнительно вводить недостающее количество в нем определенных фракции (обогащение). Поскольку пески многих месторождений содержат незначительное количество фракции (2,5–5 мм), то для создания жесткого структурного каркаса, бетонную смесь необходимо обогащать более крупной фракцией. Чтобы снизить расход вяжущего вещества в бетоне, рассчитывается высокоплотная упаковка заполнителя, поскольку при увеличении плотности заполнения частиц на 0,01 увеличение прочности здания наблюдается на 3–5 %. [9, 10].
Ускорение темпов строительства привело к серьезному увеличению строительных отходов, между тем, природное сырье быстро истощается. Альтернативным способом решить эту проблему является использование бетонных отходов в качестве техногенного сырья [12–14].
Методика. Расчет зернового состава бетона с использованием бетонного лома проводят по методу, описанному в [11]. Путем повышения эффективности бетонов за счет повышения плотности упаковки заполнителя, полученного из бетона разрушенных зданий и сооружений. Разработана схема использования фрагментов разрушенных зданий и сооружений для получения щебня, песка, растворов и бетонов на их основе, путем дробления обломков бетонных отходов из снесенных зданиях в Ираке с использованием дробилка, затем измельченные фракции просеивали с использованием стандартных ситах и сортировали на крупных фракциях (10...20 и 5...10 мм) и на мелких фракциях (2,5...5, 1,25...2,5, 0,630...0,315 и 0,315...0,16 мм).
Результаты ситового анализа зернового состава бетонного лома из провинции Ирака приведены в таблице 1. Установлено, что бетонный лом из разрушенных зданий характеризуется большим содержанием мелких фракций, сумма частных остатков на ситах + 0,315 – 0,16 составляет 80 %, на ситах – 0,315–0,16 более 28 %. Зерновой состав бетонного лома содержит меньшее количество мелких фракций и не соответствует созданию высокой плотности, а также не вписывается в область идеальных зерновых композиций. Поэтому насыпная плотность смеси (ρнас.), средняя плотность зерен данной фракции (ρср.) и плотность упаковки в ней частиц (σ) в свободном и уплотненном состоянии соответственно равны:
– насыпная плотность ρнас. = 1600 кг/м3, а плотность упаковки зерен в смеси σ = , ρнас. 1600 кг/м3, σ = ρнас./ρср.= 0,631, где ρср. = 2520 кг/м3.
Большая часть заполнителя обычно принимают за 100 масс. частей (1; 10; 100; 1000 кг), тогда массовую часть каждой последующей реакции рассчитывают по формуле:
, (1)
где σn-1 – плотность упаковки зерен в смеси, состоящей из (n-1) фракций, так при n=2, σ1= η1; ηn – плотность упаковки частиц в каждой очередной фракции; βn=1 – для умеренно подвижных зернистых смесей; βn=( σn-1/ηn)1/n-1, где m=1,2,3 для умеренно жестких смесей; βn=σn-1/ηn – для подвижных полидисперсных смесей.
Для снижения расхода каждой фракции в жестких полидисперсных смесях (βn = 1) используют формулу (1) с пониженным до минимума расходом мелких фракций и степенью заполнения свободного объема в них виде:
(2)
(3)
где γn – насыпная плотность смеси в воздушной среде, либо в увлажнённом состоянии
, (4)
либо вычисляют по формуле:
(5)
где
(6)
– приращение плотности бимодальных упаковок частиц при введении в смесь очередной фракции.
Значение для бимодальных упаковок в зависимости от т или от относительного размера частиц dn/ d1 приведены в таблице 2.
Минимальное количество мелкого заполнителя при β2=(Ƞ1/σ2)1/(n-1)=( μ1 / μ2), тогда
(7)
Фракция (2,5–5 мм) и другие фракции крупного и мелкого заполнителя, получаемого дроблением бетонного лома и последующим рассевом имеет повышенное (30–40 %) содержание зерен лещадной формы [15].
Методика расчета и подбора фракций из отсева продукта дробления фрагментов разрушенных зданий и сооружений Ирака для получения высокоплотной смеси заключается в том, что теоретическое количество каждой фракции определяют расчетом по приведенным выше формулам и подбор их ведут из имеющегося дисперсного сырья, рассеянного на узкие фракции [16].
Предварительно устанавливают подбором подходящий класс т системы распределения частиц в высокоплотной полидисперсной смеси, определяющий прерывность в их средних размеров частиц наиболее крупной фракции (основы) с плотностью их упаковки по формуле:
. (8)
где d1, dn – диаметр наибольших частиц (шаров), образующих упаковку, и диаметр частиц (шаров) последовательно меньшего размера, заполняющих в ней образуемые при этом соответствующие пустоты; – плотность случайной упаковки монодисперсного слоя частиц наиболее крупной фракции;
– класс системы распределения по размеру частиц в смеси, определяющий прерывность в их размерах, т= 0...15...(n+1);
Расчет зависит от определения распределения зерна по сравнению средних расстояний между каждой составляющей смеси высокой плотности (2). В начале выбирают большую объемную плотность, а затем рассчитывают блоки заполнения объема зернами заполнителя, , где
,
– насыпная и средняя плотность зерен данной фракции.
Плотность заполнения гранул крупными фракциями агрегатов известна, в зависимости от формы их гранул, в пределах от μ 1=0, 6…..0,56.
Основная часть. Экспериментальная плотность упаковки зерен бетонного лома из фрагментов разрушенных зданий и сооружений Ирака μ1=0,5. Подставив в выражение (2) это значение μ1 и средний размер зерен d1= (10.5) ½ =7,07 мм для различного класса распределения т=1…12, получим систему распределений соответствующего класса прерывности в их гранулометрическом составе. Для широкого набора фракций принимаем т=3:
dn/ d1= (2,549/10 μ1)n-1 = (0.2549/0.5)n-1 = 1; 0,50; 0,25; 0,132; 0,068; 0,0344; 0,0176; 0,009;0,0046
Расчет завершается, когда средний размер частиц мелкой фракции dn = (dn/ d1) d1 мм = 0,0176×7,07 = 0,124 мм указан рекомендуемым размером бетонного заполнителя, например, dn= 0,14…0,1 мм. Согласно dn / d1 размеры зерна для каждой узкой части будут равны:
dn= 10…5 мм (1; 0,50; 0,25; 0,132; 0,068; 0,0344; 0,0176; 0,009; 0,0046) =10…5; 5…2,5; 2,5…1,25; 1,32…0,66; 0,68…0,34; 0,344…0,172; 0,176…0,088; 0,09…0,045; 0,046…0,023 мм.
Каждая гранулированная часть отбирается на стандартных ситах, а плотность заполнения их гранул определяется насыпной плотностью/
( где
– средняя плотность зерна):
μ1=0,51; μ2=0,476; μ3=0,511; μ4=0,468; μ5=0,476; μ6=0,51; μ7=0,544; –для каждой фракции определяют экспериментально.
При расчете количества каждой фракции для получения плотнейшей упаковки смеси используется любое произвольное значение G1 объемной части, например, 1 кг, 10 кг, 100 кг или 100 Вт. Части. Затем вычисляется вторая дробь и каждая последующая дробь с учетом коэффициента зернистости n по формуле (1).
Принимая 100 мас. ч. для первой крупной фракции, смеси класса т = 3, количество второй фракции заполнители, согласно выражению (1 и 2), потребуется:
При β2 = 1 , и
где , G1=100 мас. ч,
соответственно получим:
= (1-0,5) (0,476/0,5).1.100 = 48 мас.ч.
либо
= (1-0,5) (0,476/0,5)3/2.1.100 = 47 мас.ч.
Плотность упаковки зерен в смеси, состоящей из первых двух фракции, где , будет равна:
При β2 = 1 и =(1-
);
= 0,5 + 0,5. 0,5242. 0,476 =0,565
при β2 = =( 0,5/0,476 ) = 1,050;
σ2 = 0,5 + 0,5. 0,5242. 0,476 /1,050 = 0,562
Для класса т = 3 системы распределения частиц в смеси Х2= , табл.2. необходимое количество третьей фракции потребуется:
β3 = 1,
G3= (1-0,562) (0,51/0,562).1.(100+48) = 59 мас.ч.
либо
G3= (1-0,562) (0,51/0,562)4/2.1.(100+47) = 54 мас.ч.
Расчет величины Хi производится согласно схеме распределения зерен в пустотах зернистого слоя.
Х3 = ( +
+
) /3(3-1)/2 = ( 0,5242.0,476 +0,492.0,51 +0,49.0.51)/3=0.168.
|
Рис.1. Распределение зерен в смеси, состоящей из 3-х фракций |
Плотность упаковке зерен в смеси, состоящей из первых трех фракций, будет равна:
, β3 =
= 0,562/0,51= 1,102
σ3 = 0,562+(1-0,562) 0,168/1,102=0,6290
при β3 = = (0.562/0.51) =1.1019 и при β3 = (
)1/2=(0.562/0.51)0,5=1.05
σ3 = 0,562+(1-0,562) 0,168/1,1019=0,6288
σ3 = 0,562+(1-0,562) 0,168/1,105=0,6286
Принимают меньшее значение ,
.
Для расчета требуемого количества четвертой и последующих фракций зерен смеси из четырех и более фракций рассматривается распределение с т = 3. Число двусторонних связей (двустороннее распределение) молекул в пространствах разделенных слой т=n(n-1)/2=4.3/2=6, где n – число всех фракций в смеси, принимая во внимание каждую следующую фракцию смеси.
Рис.2. Распределение зерен в смеси, состоящей
из 4-х фракций
Распределение частиц в 4-х фракционной смеси вычисляют, используя Х4, согласно схемы, а затем β4:
Х4 = ( +
+
+
+
+
) /[4(4-1)/2] = ( 0,5242.0,476 0.492.0.51+0,5322.0,468+0.49.0.51+0,532.0,468+0,4682)/6=0.184
при β4 = = (0,6286/0,468)1/3 =1,103 , β4 =
= (0,6286/0,468) =1,343.
В расчетах принимают при β4 =1
G4= (1-0,6286) (0,468/0,6286).1.(100+48+59) = 58 мас.ч.
либо, G4= (1-0,6286) (0,468/0,6286)5/2.1.(100+47+54) = 36 мас.ч.
при β4 = = (0.6286/0.468) =1.343,и при β4 = (
)1/3= (0.6286/0.468)0,5 =1.103
σ4 = 0,6286+(1-0,6286) 0,184/1,343=0,679
σ4 = 0,6288+(1-0,6286) 0,184/1,103=0,691
Представим схему распределения зерен в 5-ти фракционной смеси:
Рис. 3. Распределение зерен в смеси, состоящей из 5-х фракций
Х5 = ( +
+
+
+
+
+
+
+
+
)/[5(5-1)/2] =
= (0,5242.0,476+0.492.0.51+0.5322.0.468+0,5242.0,476+0.49.0.51+0.532.0.468+0,524.0,476+0.4682+0,4762 +0.476)/10=0,219.
при β5 = 1, G5= (1-0,679) (0,476/0,679).1.(100+48+59+58) = 60 мас.ч.
G5= (1-0,679) (0,476/0,679)6/2.1.(100+47+54+36) = 27 мас.ч.
при β5 = , β5 =
= (0.679/0.476) =1.43, β5 =
= (0.691/0.476)1/4 =1.1 ,
σ5 = 0,679+(1-0,679) 0,219/1,43=0,728
σ5 = 0,691+(1-0,691) 0,219/1,1=0,752.
В связи с громоздкостью схемы распределения зерен в смеси, состоящей из шести и семи фракций, мы их опускаем. Число бимодальных связей в смеси, состоящей из шести фракций, будет равно n ( n-1 )/2 = 6(6-1)/2 = 15.
Х6=( +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
) /[5(5-1)/2],
Х6=(0,5242.0,476+0.492.0.51+0.5322.0.468+0.5242.0.476+0,492.0,51+0.49.0.51+0.532.0.468+0.524.0.476+0,49.0,51+0,4682+0.4762+0.512+0,468+0.476+0,51)/15=0.253.
при β6 = 1, G6= (1-0,728) (0,51/0,728).1.(100+48+59+58+60) = 62 мас.ч.
либо, G6= (1-0,728) (0,51/0,728)7/2.1.(100+47+54+36+27) = 21 мас.ч.
при β6 = , β5 =
= (0.728/0.51) =1.4, при β6 =
= (0.752/0.51)1/5 =1.08 ,
σ6 = 0,728+(1-0,728) 0,253/1,43=0,776
σ6 = 0,752+(1-0,752) 0,253/1,08=0,810.
При ведении седьмой фракции в смесь, состоящей из шести фракций, число бимодальных связей в ней будет: n (n-1) / 2 = 7(7-1)/2=21;
Х7 = (15 Х6 + +
+
+
+
+
) /21 = (15.0,253+0,4562.0,544+0,49.0,51+0,456.0,544+0,5442+0,544+0,544)/21=0,276
при β7 = 1, G7 = (1-0,776) (0,544/0,776).1.(100+48+59+58+60+62) = 61 мас.ч.
либо, G7= (1-0,776) (0,544/0,776)8/2.1.(100+47+54+36+27+21) = 16 мас.ч.
при β7 = , β7 =
= (0,776/0,544) =1,43, β7 =
= (0,810/0,544)1/6 =1.07,
σ7 = 0,776+(1-0,776) 0,276/1,43=0,819
σ7 = 0,810+(1-0,810) 0,276/1,07=0,859.
Исходные данные для расчета и его результаты приведены в табл.3
Таблица 3
Гранулометрический состава высокоплотной смеси из отсева дробления бетонного лома
Расход вяжущего по размеру из цементного вяжущего в зависимости от движения 1 м3 бетонной смеси при В/Ц =0,449 будет равна:
α3 = 1,0579 ... 1,330, исходя из смешиваемости 1 м3 бетонной смеси при В/Т=0,449, будет равен:
м3
м3
2150кг=486…826 кг
где ρт – плотность цементного вяжущего теста при В/Т=0,451
Увеличение прочности бетона моет составить более, чем
.
Исходные данные для расчета и его результаты приведены в таблице 4.
Таблица 4
Состав бетона с высокой плотностью упаковки
Примечание: 1 – Gn-из формулы (1); 2 – Gn-из формулы (2)
.
В таблице 5 приведены значения прочности при сжатии образцов бетона в возрасте 3,7 и 28 суток после отверждения для двух разных смесей: обычного бетона и с высокоплотной упаковкой заполнителя.
Таблица 5
Свойства бетона с высокоплотной упаковкой заполнителя
Выводы. Установлено, что прочность опытных образцов при сжатии в 28-ми суточном возрасте с плотнейшей упаковкой частиц заполнителя из фрагментов, разрушенных зданий и сооружений выше прочности образцов с обычным заполнителем. Увеличение плотности упаковки зерен заполнителя с 0,631 до 0,8191 приводит к увеличению прочности при сжатии на 31,3 %. Повышение плотности упаковки частиц заполнителя на 0,01 способствует увеличению прочности образцов бетона на 2,65 %.
Простейший способ повышения плотности упаковки частиц в смеси мелкого заполнителя из бетонного лома разрушенных здании и сооружении, и получения оптимального ее состава заключается во ведении в эту смесь частиц разных размеров (до 7 фракций), включая фракцию 20…5 мм в количестве 100 мас. частей на 101 мас. частей мелкой фракции 0,04…5 мм, либо 100 масс. частей фракции 20…5 мм на 248 масс. частей мелкого заполнители фракции 0,04…5 мм.
Расчет и подбор компонентов заполнителя высокой плотности из смеси песка и бетонных отходов позволил увеличить плотность упаковки зерен с 0,631 до 0,8191, что снизило пустотность смеси и, как следствие – расход цемента до 5,2 %.
1. Lesovik V.S. Genetic principles of energy conservation in the building materials industry [Geneticheskie osnovy energosberezheniya v promyshlennosti stroitel'nyh materialov]. Proceedings of the higher educational institutions. Building. 1994. No. 7–8. Pp. 96–100.
2. Tolstoy A.D., Lesovik V.S., Milkina A.S. Structural features of new generation concrete using technogenic material [Osobennosti struktury betonov novogo pokoleniya s primeneniem tekhnogennyh materialov]. Bulletin Sibadi. Construction and architecture. 2018. Vol.15, No. 4 (62). Pp. 588–595. (rus)
3. Chernysheva N.V., Lesovik V.S. Quick-hardening composites based on waterproof gypsum binders [Bystrotverdeyushchie kompozity na osnove vodostojkih gipsovyh vyazhushchih]. Belgorod: Pub. BSTU, 2011. 123 p. (rus)
4. Gridchin A.M., Lesovik V.S. On the problem of studying the system "man-environment-matter" [K probleme issledovaniya sistemy «chelovek-sreda-materiya]. 12. Ibaus. International Building Materials Conference. Weimar, 1994.
5. Frantov G.S. Geology and a live nature. (Organization levels of matter, bionics and geonics, cells and gas-liquid inclusions) [Geologiya i zhivaya priroda : (Urovni organizacii veshchestva, bionika i geonika, kletki i gazovo-zhidkie vklyucheniya]. Leningrad: Nedra, 1982. 145 p. (rus)
6. Shahidan S., Bunnori N.M., Md Nor N., Basri S.R. Damage severity evaluation on reinforced concrete beam by means of acoustic emission signal and intensity analysis. 2011 IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications. 2011. Pp. 337–341.
7. Ortiz O., Pasqualino J.C., Castells F. Environmental performance of construction waste: comparing three scenarios from a case study in Catalonia, Spain. J. WasteManag. 2010. 30 (4). Pp. 7–12.
8. Shahidan S., Isham I., Jamaluddin N. A Review on Waste Minimization by Adopting in Self Compacting Concrete. MATEC Web Conf. 2016. Vol. 47.
9. Tumadhir M.B. Effect of Using Recycled Lightweight Aggregate on the Properties of Concrete. Journal of Babylon University. Engineering Sciences. 2015. No. 2. Vol. 23.
10. Medina C., Zhu W., Howind T., Rojas M., FríasM. Influence of mixed recycled aggregate on the physical and mechanical properties of recycled concrete. J. Clean. 2014. Prod. 68, 216e225.
11. Kharkhardin A.N. Methods for producing high-density compositions of granular raw materials [Sposoby polucheniya vysokoplotnyh sostavov zernistogo syr'ya]. Proceeding from universities. Construction. Novosibirsk. Pub. in Ngasu. 1996. No.10. Pp. 46–60. (rus)
12. Suleymanova L.A., Lesovik V.S., Suleymanov A.G. Non-autoclaved aerated concrete on composite binders [Neavtoklavnye gazobetony na kompozicionnyh vyazhushchih]. Belgorod: CONSTANT, 2010. 152 p. (rus)
13. Abdul Rahim M., Ibrahim N.M., Idris Z., Ghazaly Z.M., Shahidan S., Rahim N.L, Sofri L.A, Isa N.F. Properties of Concrete with Different Percentange of the Rice Husk Ash (RHA) as Partial Cement Replacement. Mater. Sci. Forum. 2014. Vol. 803. Pp. 288–293.
14. Andreu G.C., Miren E. Effects of using recycled concrete aggregates on the shrinkage of high performance concrete. Construction and Building Materials, 2016. Vol. 115.
15. Lesovik V.S., Kharkhardin A.N., Anokhin S.A. On the problem of optimizing the particle size distribution of sand in the production of sandy concrete [K probleme optimizacii granulometricheskogo sostava peska pri proizvodstve peschanyh betonov. Sbornik tezisov dokladov]. Collection of Abstracts. Tr. Int. Scientific and technical. Conferences. Stary Oskol. pub. MISISI branch, 1999. Pp. 29–31. (rus)
16. Kharkhardin A.N. Effective compositions of aggregate concrete [Effektivnye sostavy zapolnitelya betonog]. Proceeding from universities. Construction. Novosibirsk. Pub. NGASU. 1997. No. 5. Pp. 21–25. (rus)
