Бетоны не являются после их разрушения и даже длительного хранения химически активными продуктами. Рассмотрим их с позиций использования материала:
первая характеризует процессы разрушения, хранения и использования;
вторая - применение высокоплотных и прочных бетонов как материала для сооружения стойких хранилищ.
Вопросами повторного использования бетона активно начали заниматься в 70-е и 80-е годы. Прежде всего, эта работа начата в европейских странах, где цена земли под отвалы наиболее высока.
На территории бывшего СССР работы начаты в Москве, в начале 80-х годов, где также существовал фактор высокой стоимости земли под отвалы. Первое применение дробленого бетона началось с использованием его в качестве подсыпки под временные дороги и для заполнения пустот и оврагов.
В НИИЖБе была сформулирована задача, каким образом более эффективно использовать дробленый бетон для его повторного использования в качестве крупного заполнителя. В связи с ограниченностью материала в статье приведены только отдельные результаты по методам активации щебня из дробленого бетона.
Активизация составляющих бетонной смеси позволил бы существенно улучшить основные технические свойства бетона. Эффект активизации заполнителей состоит в разрушении слабых зерен щебня или удалении остатков цементного камня, образовании свежих сколов, что приводит к повышению технических характеристик бетонов за счет улучшения качества контактной зоны.
В качестве методов активизации были применены механические, тепловые воздействия для активизации процесса дробления.
В таблице 1 представлены показатели качества щебня из дробленого бетона. Использовалось простое перемешивание без дополнительной обработки щебня в смесительных установках, самоизмельчение или обработка в шаровых мельницах с металлическими шарами. Качество активированного щебня оценивалось по показателю дробимости, водопоглощению, насыпной массе.
Таблица 1
Показатели качества щебня из дробленого бетона
| Щебень | Фракция, мм | Насыпная плотность, кг\м2 | Водопоглощение, % | Показатель дробимости | |
| в сухом состоянии | в насыщенном водой состоянии | ||||
| Без обработки | 5-10 10-20 5-20 | 22,5 20 | 29,2 23,9 | ||
| После само-измельчения | 5-10 10-20 5-20 | 4,3 | 13,3 20,1 17,7 | 16.8 20.9 19,3 | |
| После помола в шаровой мельнице | 5-10 10-20 5-20 | 3,8 | 11.2 12.7 12,1 | 13,4 11,8 12.2 |
Полученные результаты подтвердили высказанное предположение о возможности существенного улучшения качества щебня за счет избавления от растворной составляющей.
Наилучшие результаты достигнуты в случае помола дробленого бетона стальными шарами после предварительного низкотемпературного обжига. В данном случае был получен щебень, практически свободный от растворного компонента, а его свойства - дробимость, водопоглощение и насыпная плотность близки к аналогичным показателям исходного щебня.
Для создания рабочего оборудования по утилизации бетона и, прежде всего, его дроблению учитывался зарубежный опыт. При этом основным рассматривался ударный метод с использованием гидравлических молотов.
В таблице 2 представлены некоторые технические характеристики гидравлических молотов систем: "Кент Айе Еуропа", Нидерланды; "Крупп", ФРГ, и "Атлас Копко", Швеция.
Таблица 2
Технические характеристики гидравлических молотов зарубежного производства
| Тип | Масса без рабочего наконечника | Общая длина, MM | Расход масла, л/мин | Число ударов в 1мин | Давление масла, МПа | Диаметр шлангов, мм | Рабочий наконечник | ||
| Диаметр, мм | Длина, мм | Масса, кг | |||||||
| Фирма "Кент Айе Еуропа" (Нидерланды) | |||||||||
| Н-08Х | 12-25 | 450-750 | 8-10 | 12,7 | 9,5 | ||||
| Н-1ХА | 25-35 | 590-820 | 9-11 | 12,7 | |||||
| Н-ЗХА | 45-65 | 500-730 | 9-11 | 12,7 | |||||
| Н-4Х | 50-80 | 400-550 | 9-11 | 12,7 | |||||
| Н-5Х | 30-50 | 300-500 | 19-21 | ||||||
| Н-7Х | 90-140 | 400-570 | 12-14 | ||||||
| Н-8Х | 90-140 | 400-570 | 14-16 | ||||||
| Н10ХВ | 160-200 | 400-500 | 12-14 | 25,4 | |||||
| Н-12Х | 170-210 | 400-500 | 12-14 | 25,4 | П98 | ||||
| Н-16Х | 175-225 | 350-450 | 13-15 | 25,4 | |||||
| Н-20Х | 205-260 | 350-450 | 15-17 | 25,4 | |||||
| Н-25Х | 200-250 | 300-380 | 18-20 | 31,7 | |||||
| Фирма "Крупп" (ФРГ) | |||||||||
| НМ-51 | - | - | - | - | |||||
| НМ-61 | - | 20-40 | 500-1000 | 10-13 | - | - | - | ||
| НМ-110 | - | 10-13 | - | - | - | ||||
| НМ-200 | - | - | - | - | |||||
| НМ-301 | - | 45-85 | 550-1000 | 12-15 | - | - | - | ||
| НМ-551 | - | 50-110 | 350-750 | 13-17 | - | - | - | ||
| НМ-600 | - | - | - | - | |||||
| НМ-701 | - | 550-1100 | - | - | - | ||||
| НМ-702 | - | 550-1100 | - | - | - | ||||
| НМ-800 | - | 450-900 | - | - | - | ||||
| Фирма "Атлас Копко" (Швеция) | |||||||||
| ТЕХ-1000Н | - | 15-35 | 480-1260 | 10-15 | - | 25-500 | 5-8 | ||
| ТЕХ-200Н | - | 25-70 | 300-900 | 10-15 | - | 300-1200 | 14-39 | ||
| ТЕХ-250Н | - | 25-70 | 300-900 | 10-15 | - | 300-1200 | 14-39 | ||
| ТЕХ-250 HS | - | - | 300-120 | 14-39 |
Рис.1. Гидравлический молот НМ 900
Рис.2. Гидравлический молот ТЕХ 200 Н
Стоит обратить внимание, что для разрезки бетонных полос в фирмах "Кристенсен", США, "Макс Рот", ФРГ, использовались машины для распиливания бетона. На рис. 3 показана одна из таких машин. Однако в целом они не нашли комплексного применения для полной утилизации бетона и железобетона.
Рис. 3 Машина СК ЗОЕ с электроприводом для резания бетона и железобетона фирмы "Кристенсен" (США)
Давление сжатого воздуха Мпа - 0,7
Частота вращения двигателя, о6\с - 27
Максимальный диаметр алмазного круга, мм - 900
Максимальная глубина резания, мм - 380
Диаметр рабочего вала, мм - 35
Габариты, мм:
Длина - 530
Ширина - 450
Высота - 700
Масса, кг - 42
Длина направляющих, мм - 1200 и 600
Расход охлаждающей жидкости, л - 1500
При разработке отечественного оборудования для дробления бетона был выбран способ давления с помощью рычажного пресса. Преимущества такой схемы по величине давления разрушения представлены на рис. 4. Величина давления по сравнению с ударной нагрузкой примерно в 2 раза меньше.
Рис. 4. Зависимость между напряжением s и деформацией е при различных скоростях нагружения: I, II, III, IV - возрастающие значения скоростей деформирования.
А как следует из схемы разрушения, показанной на рис. 5, происходит довольно равномерное отделение бетона от арматуры вследствие медленного (ползучего) разрушения контактной зоны между арматурой и бетоном [5].
Рис.5. Схема загружения бетонных и железобетонных изделий при разрушении: а, в - схемы положения нагрузок; б, г - схемы разрушения бетона и железобетона.
По такому принципу были запроектированы установки по первичному дроблению бетона, как для плоских изделий, так и для колонн и ригелей. В таблице 3 представлены основные технические характеристики установок для дробления некондиционных или отслуживших свой срок разрушенных железобетонных изделий.
Таблица 3
Техническая характеристика установок первичного дробления некондиционного бетона
| Показатель | С передвижным гидравлическим составом | Со стационарным гидравлическим прессом | |||
| УПН 24-3,5-0,6 | УПН 12-3,5-0,6 | УПН 10-2-0,6 | УПН 7(12)-3-0,6 | ||
| Производительность, м3/ч, при переработке: | |||||
| Бетонных отходов | |||||
| Фракция дробленого материала, мм | 0-250 | 0-250 | 0-250 | 0-250 | |
| Установленная мощность, кВт, при разрушающем усилии пресса 2000 кН | 87,5 | 79,5 | 79,5 | ||
| Габариты установки, м | |||||
| Длина | 32,4 | 24,5 | 25.3 | 20,7 | |
| Высота | 6,2 | 6,2 | 4,1 | 4,1 | |
| Масса установки, т | 141,5 | 71,5 | |||
| В т.ч. масса обслуживающих площадок и металлоконструкций |
На рис. 6 представлена одна из отечественных установок на комбинате КЖБК-2 (бывшего московского главка "Главмоспромстройматериалов").
Рис. 6. Установка первичного дробления УПН 12-3,5-1,5 на заводе ЖБИ-7 Главмоспромстройматериалов.
Технологическая линия по производству фракционированного вторичного заполнителя может быть мобильной и быть гибко вписана в любом межцелевом промежутке завода железобетонных изделий (рис.7).
Исследования последних лет, выполненные в НИИЖБе, МХТИ им. Д. И. Менделеева и МолдНИИстройпроекте, показали, что производство щебня из бетонолома - не самый эффективный способ использования вторичного бетона. Возможна плановая регенерация растворной части или в целом керамзитобетонов, суть которой - в тепловом ограниченном воздействии и создании CAO SiO2 на основе раздробленных фракций бетонолома диаметром 50-70 мм.
В качестве объектов исследования были выбраны следующие материалы:
бетонолом из керамзитобетона классов В5; В10; В30;
бетонолом из карамзитобетона класса В22,5.
Оптимизация режимов обжига бетонолома класса В5 и удельной поверхности вяжущего на его основе осуществлялась при температурах 500, 650, 800°С с интервалами по времени от 30 до 90 минут. Результаты оптимизации температуры обжига бетонолома и удельной поверхности вяжущего на его основе приведены в табл.4. В таблице 4 представлены основные результаты для температур обжига 500, 650 и 800°С.
Таблица 4
Пределы прочности растворов при сжатии и изгибе на вяжущих, полученных из бетонолома класса В5 при различных режимах обжига и удельной поверхности вяжущего
| Температура обжига в градусах Цельсия | Время обжига, мин. | Удельная поверхность, S, см2/г | Кол-во Воды мл | Расплыв конуса, мм | Прочность растворa R, МПа | |
| изгибе | сжатии | |||||
| 1,34 | 3,79 | |||||
| 2,04 | 5,94 | |||||
| 2,39 | 7,42 | |||||
| 1,84 | 6,4 | |||||
| 2,09 | 8,34 | |||||
| 2,41 | 10,03 | |||||
| 2,09 | 5,72 | |||||
| 2,32 | 8,2 | |||||
| 2,46 | 11,3 | |||||
| 1,96 | 7.31 | |||||
| 2,05 | 7,43 | |||||
| 2,3 | 9,22 | |||||
| 2,25 | 6,54 | |||||
| 3,73 | 9,4 | |||||
| 2,65 | 8,28 |
Анализ результатов эксперимента показывает, что при постоянных параметрах температуры и продолжительности обжига на рост активности регенерированного вяжущего существенное влияние оказывает увеличение удельной поверхности. Так, с изменением удельной поверхности в пределах 4000-8000 см2/г активность регенерированного вяжущего возросла в пределах 1,5-1,8 раза.
Вторым важным фактором, оказывающим воздействие на повышение активности вяжущего, является температура обжига, способствующая более полному измельчению непрогидратированных зерен цемента. Так изменение температуры обжига бетонолома в пределах 500-650°С при постоянных параметрах времени обжига и удельной поверхности дает рост активности регенерированного вяжущего в 1,4 раза. Изменение прочности цементного камня при воздействии температуры обжига в интервале 500-650°С, связанное с процессом дегидратации и последующим охлаждением, заложено в основу технологического процесса отделения заполнителя от растворной части путем самоизмельчения.
В процессе исследований установлены следующие рациональные параметры обжига и характеристики материалов:
- размер фракции щебня из бетонолома до - 70 мм;
- температура обжига - 650°С;
- продолжительность обжига - 60 минут;
- удельная поверхность вяжущего - 6000 см2/г.
Получение комплексного вяжущего и вяжущего из растворной части осуществлялось путем помола предварительно обожженного бетонолома при температуре 650°С и доведением удельной поверхности до 6000 см2/г. Комплексное вяжущее получается при помоле всей массы бетона, а вяжущее из растворной части - после отделения крупного заполнителя и помола растворной части. Закономерность рациональных параметров получения регенерированных вяжущих наблюдается при использовании и других классов бетонолома. Результаты испытаний по определению предела прочности при сжатии и изгибе растворов на регенерированных вяжущих, полученных из различных классов бетонолома, приведены в табл. 5.
Таблица 5
Пределы прочности растворов при сжатии и изгибе на регенерированных вяжущих, полученных из различных классов бетонолома с удельной поверхностью S = 7000 см2/г
| Вид и класс исходного бетонолома | Вид вяжущего | Водо-вяжущее отношение | Расплыв конуса, мм | Прочность раствора, R, МПа | ||||
| Изгиб | Сжатие | |||||||
| После ТВО | 28 суток нормального твердения | После ТВО | 28 суток нормально-го твердения | |||||
| Керамзито-бетон В5 | Комплексное | 0,41 | 1,3 | 2.8 | 4,7 | 5,2 | ||
| Из растворной части | 0,42 | 1,8 | 3,4 | 6,2 | 8,7 | |||
| Керамзито-бетон В 10 | Комплексное | 0,41 | 2,6 | 3,6 | 11,4 | 12,6 | ||
| Из растворной части | 0,41 | 3,1 | 3,8 | 16,2 | 18,7 | |||
| Керамзито-бетон В30 | Комплексное | 0,42 | 3,6 | 4,1 | 19,6 | 24,2 | ||
| Аглопори-тобетон В12,5 | Комплексное | 0,43 | 1,4 | 2,3 | 4,8 | 5,7 | ||
| Аглопори-тобетон В25 | Комплексное | 0,41 | 2,7 | 3,3 | 8,1 | 9,8 | ||
| Из растворной части | 0,42 | 9,6 | 15,36 | 26,9 | 32,2 | |||
Из результатов, приведенных в таблице 5, видно, что активность регенерированного вяжущего увеличивается с повышением класса исходного бетонолома. Увеличение активности регенерированного вяжущего вызвано изменением концентрации цемента в плотном теле, которая находится в пределах от 15 до 30% для исследуемых классов бетона. Активность регенерированного вяжущего из растворной части в 1,5-1,7 раза выше активности комплексного вяжущего, полученного из одного и того же класса обожженного бетонолома. В отличие от вяжущего из растворной части, комплексное вяжущее характеризуется значительным содержанием активных минеральной и инертной добавок, которые образуются в процессе помола пористого заполнителя.
Несомненно, что полученное регенерированное вяжущее, набирая предел прочности выше 30 МПа, будет эффективным особенно для растворов и поробетонов.
ВЫВОД
Повсеместно доступный, технологичный и недорогой материал – бетон – составляет в наши дни большую часть городской застройки. И в наступившем столетии, по всей видимости, бетону уготована та же роль в окружающих нас зданиях и сооружениях, причем не только на Земле, но и в космическом пространстве. По данным ученых, на Луне имеются все основные компоненты бетонной смеси — песок и вода. Те же компоненты являются целью поиска новых европейских и американских экспедиций на Марс. Комитет по лунному бетону уже давно создан в рамках Американского института бетона.
Удовлетворяет ли бетон сегодняшним требованиям? С технической стороны – да. Его прочность и долговечность подтверждены постройками древнего Рима и нынешними башнями и мостами рекордных показателей. А с точки зрения эстетики? Уже прочно закрепился в мировой практике термин “архитектурный бетон”. Выразительные формы, высочайшее качество поверхностей, гармоничное сочетание палитры красок — вот формула его успеха.
Бетон – материал, подсказанный человеку природой и служащий ее защите в течение веков. Его разумное применение прокладывает путь к экологически безопасному будущему последующих поколений на Земле.