аспирант
, Россия
, Белгородская область, Россия
, Россия
докторант
, Россия
аспирант
, Россия
, Россия
, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ОКСО 08.03.01 Строительство
ОКСО 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений
Теоретической основой проектирования строительных композитов из фрагментов разрушенных зданий и сооружений является новая трансдисциплинарная наука геоника (геомиметика). Техногенные и природные аномалии, военные конфликты на планете Земля приводят к многочисленным разрушениям городов. Актуальным является использование фрагментов разрушенных зданий и сооружений для производства строительных материалов. Предложена классификация и схема использования фрагментов разрушенных зданий и сооружений для получения щебня, песка, растворов и бетонов на их основе. Плотнейшая упаковка рассчитана по методике подбора высокоплотной упаковки заполнителя, разработанной в БГТУ им. В.Г. Шухова. Апробация результатов осуществлена на сырье разрушенных зданий и сооружений Ирака, которые состоят в основном из железобетона, керамического кирпича и блоков из известняка. Наличие в измельченном бетоном ломе активных не до конца прогидратированных частиц вяжущего, которые впоследствии гидратируются и участвуют в наборе прочности композитом с образованием дополнительного количества кристаллических новообразований, а также приводит к ускорению процесса твердения цементного камня и повышению конечной прочности материала. В дальнейшем, в ранее созданной структуре, в результате продолжающейся гидратации происходит формирование частей системы нового типа, определенным образом организованных, за счет кристаллизационного роста пико-, нано- и микро- размерных высокоосновных гидросиликатов кальция, зависящих степени гидратации бетонного лома. Последующая кристаллизация ранее сформированных фаз, приводит к самоуплотнению разных частей системы и их дальнейшей самоорганизации, что обеспечивает высокую конечную прочность и водостойкость материала. Данный механизм гидратации дает структуру бетона с минимальными внутренними напряжениями и объемными деформациями. В статье рассмотрена методика подбора высокоплотной упаковки заполнителя из бетонного лома разрушенных здании и сооружении Ирака. Показано, что прочность полученных образцов с уплотненным заполнителем на 31,3 %, выше, чем у образцов, приготовленных традиционным способом.
строительные отходы, высокоплотная упаковка, фрагменты разрушенных зданий и сооружений Ирака, бетонный лом
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. Лесовик В.С. Генетические основы энергосбережения в промышленности строительных материалов //Известия высших учебных заведений. Строительство. 1994. № 7–8. С. 96–100.
2. Толстой А.Д., Лесовик В.С., Милькина А.С. Особенности структуры бетонов нового поколения с применением техногенных материалов // Вестник СбАДИ. Строительство и архитектура. 2018. Том 15, № 4 (62). С. 588–595.
3. Чернышева Н.В., Лесовик В.С. Быстротвердеющие композиты на основе водостойких гипсовых вяжущих. Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. 123 с.
4. Gridchin A.M., Lesovik V.S., Zum Problem der Forchung des System «Mensch-Stoff-Umwelt». 12. Ibaus. Internationale Baustofftagung. Weimar, 1994.
5. Франтов Г.С. Геология и живая природа : (Уровни организации вещества, бионика и геоника, клетки и газово-жидкие включения). Ленинград: Недра, 1982. 145 с.
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. Хархардин А.Н. Способы получения высокоплотных составов зернистого сырья. Известия вузов. Строительство. Новосибирск. Изд.-во НГАСУ. 1996. №10. С. 46–60.
12. Сулейманова Л.А., Лесовик В.С., Сулейманов А.Г. Неавтоклавные газобетоны на композиционных вяжущих. Белгород: КОНСТАНТА, 2010.С. 152.
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. Лесовик В.С., Хархардин А.Н., Анохин С.А. К проблеме оптимизации гранулометрического состава песка при производстве песчаных бетонов // Сборник тезисов докладов. Тр. Междунар. Научно-технич. Конференции. Старый Оскол. Изд. Филиала МИСИ,1999. С. 29–31
16. Хархардин А.Н. Эффективные составы заполнителя бетоного. Известия вузов. Строительство. 1997. №5. С. 21–25.
