Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Опыт утилизации бетонного лома в технологии бетона 9
1.1. Анализ опыта переработки конструкций сносимых зданий и сооружений 9
1.2. Роль заполнителя в формировании структуры и свойств бетонов 44
Глава 2. Материалы и методики исследований 50
2.1. Исходные материалы : 50
2.2. Аппаратура и методы исследований 52
Глава 3. Исследование свойств заполнителей из бетонного лома 68
3.1. Методика отбора проб щебня из бетона и железобетона разрушаемых зданий и сооружений 68
3.2. Комплексные исследования характеристик щебня из дробленого бетона 73
3.3. Анализ физико-механических характеристик щебня, получаемого при переработке железобетонного лома перерабатывающими комплексами г.Москвы 93
3.4. Методика оценки качества продуктов переработки 98
3.5. Технические условия на щебень, получаемый при дроблении бетонных и железобетонных изделий, сносимых зданий и сооружений 100
Выводы по третьей главе 106
Глава 4. Исследование свойств бетонных смесей и бетонов на заполнителях из бетонного лома 107
4.1. Обоснование возможности использования заполнителей из бетонного лома в цементных бетонах 107
4.2. Исследование влияния щебня из бетона на свойства бетонных смесей 109
4.2.1. Определение водопотребности щебня из бетона 109
4.2.2. Определение состава бетона на щебне из бетона с суперпластификатором С-3 110
4.2.3. Исследование процесса раннего структурообразования бетона на щебне из бетона 113
4.3. Исследование влияния тепловлажностной обработки на свойства бетона 120
Выводы по четвертой главе : 126
Глава 5. Железобетонные изделия из бетонов на щебне из бетонного лома различного назначения 128:
5.1. Разработка составов бетона на щебне из бетона для производства фундаментных блоков и стеновых камней 128
5.2. Разработка составов бетонов для элементов мощения на основе заполнителя , получаемого путем дробления бетонных и железобетонных изделий 142
5.3. Разработка составов бетонов для производства изделий, к которым предъявляются требования по морозостойкости 174
Выводы по пятой главе 180
Основные выводы 182
Список литературы 184
Приложения
- Анализ опыта переработки конструкций сносимых зданий и сооружений
- Методика отбора проб щебня из бетона и железобетона разрушаемых зданий и сооружений
- Обоснование возможности использования заполнителей из бетонного лома в цементных бетонах
- Разработка составов бетона на щебне из бетона для производства фундаментных блоков и стеновых камней
Введение к работе
Актуальность. Одним из важнейших резервов экономии материальных и энергетических ресурсов в области строительной индустрии является использование отходов предприятий сборного железобетона и строительных объектов в виде бетонного лома.
В настоящее время в связи с широким внедрением комплексов по разрушению некондиционных железобетонных изделий механическим способом и получению щебня из дробленого бетона встает вопрос его рационального применения в технологии железобетонных изделий и конструкций.
Однако, существующие сложности при утилизации щебня из дробленого бетона, вызванные, прежде всего особенностью свойств и неоднородностью исходного материала по прочности, зерновому составу, загрязненности, содержанию слабых составляющих и т.д., сдерживают широкое использование щебня из дробленого бетона в технологии железобетонных конструкций и в строительстве.
Решение задачи рационального использования щебня из бетона в технологии железобетонных изделий и конструкций возможно, прежде всего, при разработке технических условий и создании нормативной базы по получению кондиционного заполнителя, а также возможности его использования в бетонах различного назначения.
Работа выполнялась в соответствии с «Программой жилищного строительства по городскому заказу до 2005 г и задания по жилищному строительству на период до 2010 г, утвержденных Постановлением Правительства г. Москвы № 494-ПП от 2.8.2002 г».
Цель и задачи работы. Основной целью данной работы является разработка эффективных цементных бетонов на заполнителях из бетонного лома сносимых зданий и сооружений.
Для решения поставленной цели необходимо решить сле-
дующие задачи:
оценить свойства заполнителей, получаемых в результате дробления бетонного лома;
разработать технические условия на щебень из бетонного лома;
разработать оптимальные составы цементных бетонов на основе заполнителя из бетонного лома;
установить зависимости свойств бетонных смесей и бетонов на заполнителях из бетонного лома от главных факторов и обосновать возможность использования этих бетонов в железобетонных конструкциях;
разработать рекомендации по производству сборных железобетонных конструкций на основе бетонов на заполнителях из бетонного лома;
провести производственное опробование результатов исследования.
Научная новизна работы.
Обоснована возможность повышения эффективности цементных бетонов путем использования заполнителей из бетонного лома, обладающих повышенной гидравлической активностью , способствующей получению контактной зоны с пониженной капиллярной пористостью , стабильными продуктами гидратации и повышенной прочностью сцепления цементного камня с заполнителем.
Получены основные зависимости свойств заполнителя из бетонного лома от их состава и строения, необходимые для обоснования возможности их использования в бетонах классов по прочности до ВЗО включительно.
Установлены зависимости технических свойств бетонных смесей от состава, структуры и гранулометрического состава заполнителя из бетонного лома и характеристик порового пространства.
Получены зависимости свойств бетонных смесей и бетонов на заполнителях из бетонного лома, необходимые для оптимизации состава бетона с требуемыми свойствами.
Показано влияние заполнителя из бетонного лома на кубико-вую и призменную прочность, статический модуль упругости, на параметры микротрещинообразования, коэффициент интенсивности напряжений, дилатометрические характеристики и морозостойкость.
Установлено влияние комплексной добавоки, состоящей из суперпластификатора и водорастворимого полимера, на прочностные и деформативные свойства дорожных бетонов.
Практическая значимость работы.
Разработаны технические условия на щебень из бетонного лома, необходимые для его сертификации.
Разработаны рекомендации для производства железобетонных конструкций из бетона на заполнителе из бетонного лома.
Разработана технология пластического формования в индивидуальных формах цветных элементов мощения, полностью изготовленных из продуктов дробления.
Разработаны оптимальные составы цементных бетонов с использованием щебня из бетонного лома классов по прочности ВЗО и морозостойкостью F150.
Внедрение результатов исследований.
- осуществлено опытно-промышленное внедрение бетонов на смешанных заполнителях для производства железобетонных плит балконов и лоджий в объеме 100м3 на Ростокинском заводе ЖБИ ОАО ДСК-1;
осуществлено опытно-промышленное внедрение бетонов на щебне из бетона для производства фундаментных блоков в объеме 35м3 на Краснопресненском заводе ЖБК ОАО ДСК-1;
осуществлено опытно-промышленное внедрение бетонов на смешанных заполнителях для производства железобетонных панелей внутренних стен в объеме 50м3 на ОАО БКСМ.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались:
4 февраля 2004 г на V Юбилейной специализированной выставке на семинаре «Новые строительные материалы. Разработки МГСУ и строительных организаций в области строительных материалов»:
25 февраля 2004 г на 12 Международной специализированной строительной выставке «Стройтех» на семинаре « Бетон. Сухие смеси. Керамические изделия. Средства контроля качества строительных материалов, зданий и сооружений». На защиту выносятся:
свойства заполнителей из бетонного лома и технические условия на него;
обоснование возможности использования щебня из бетонного лома в цементных бетонах;
оптимальные составы бетонов на заполнителе из бетонного лома и обобщенные зависимости свойств бетонных смесей и бетонов;
обоснование возможности изготовления железобетонных изделий и конструкций на заполнителе из бетонного лома;
результаты производственного опробования рекомендаций по производству железобетонных конструкций на заполнителе из бетонного лома.
Анализ опыта переработки конструкций сносимых зданий и сооружений
Внимание к вопросу повторного использования бетона в строительном производстве усилилось в 90-е годы вновь ввиду повышения дефицитности природных заполнителей, необходимости охраны окружающей среды и увеличения количества старых, морально и физически изношенных зданий и сооружений из железобетона, подвергаемых сносу.
В отдельных странах (Японии, Германии, Дании, Нидерландах, Люксембурге и др.) практически нет территорий для организации свалок или захоронения бетонного лома. В то же время ряд стран работает на привозном щебне.
С 1974 г. проводятся широкомасштабные эксперименты по изучению свойств вторичных заполнителей и бетонов на их основе в Японии [1].
Многолетний опыт переработки бетона имеется в США. Более десяти лет ежегодно перерабатывается свыше 20 млн т бетонных отходов. По данным ряда американских фирм, при получении щебня из бетона расход топлива в 8 раз меньше, чем при его добыче в природных условиях, а себестоимость бетона на вторичном щебне снижена до 25% [2].
Первые исследования по применению в строительстве отходов из бетонного лома в странах-членах ЕЭС были проведены в 1977 г. голландскими учеными. В дальнейшем эксперименты проводились совместно учеными Нидерландов, Бельгии и Германии, образовав ших Научно-исследовательский комитет «Повторное использование бетонного и каменного лома» [3].
Увеличение объемов реконструкции зданий и сооружений, инженерных коммуникаций и дорог сопровождается существенным прогрессом в области технологии разрушения строительных конструкций. Наметилась тенденция сокращения использования ручных механизмов для разрушения строительных конструкций.
Наибольшие результаты достигнуты в совершенствовании технологии разрушения строительных конструкций ударными методами, раскалыванием, резкой, дроблением и расширением..
В настоящее время из средств разрушения ударными методами широкое распространение получили гидравлические и пневматические молоты.
Этому благоприятствовало развитие самоходных установок, обеспечивающих подвеску молотов и их дистанционное управление. Основные преимущества таких машин, оснащенных гидравлически ми и пневматическими молотами, заключается в их высокой произ водительности, мобильности, возможности точной концентрации энергии удара и расширения зоны разрушения [3]. ф Технология ведения работ по разрушению бетонных и железо бетонных конструкций гидроклиньями допускает их применение при реконструкции действующих предприятий и не противоречит требованиям взрывоопасности, пожароопасности и санитарии. Эта технология не связана с вредными воздействиями вибраций, шума на оператора и работающих в зоне производства работ по реконструкции. При разрушении конструкций гидроклиньями отсутствует разбрасывание отдельных кусков бетона и образование пыли [3].
В строительной практике, наряду с рассмотренными средствами 1 разрушения, находят применение способы резки, позволяющие рас членить сооружение или конструкцию на отдельные элементы (блоки, плиты, колонны и др.), пригодные для повторного использования. К этим способам относятся пиление с использованием алмазных отрезных кругов и термическая резка с применением кислородного копья, порошково-кислородного резака, оборудования плазменной резки и установок электродугового плавления [3].
Дробление осуществляется с помощью прямых или изогнутых зубьев, которые могут перемещаться по прямой линии или дуге, увеличивая тем самым изгибающее усилие до разрушения материала. При этом зубья разрушающего механизма могут быть расположены таким образом, чтобы подвижными были оба зуба или двигался один зуб, а другой оставался неподвижным. Зубья устанавливаются на бетоноломе или отдельно крепятся на экскаваторе.
Бетонолом может быть подвешен на экскаваторе вместо ковша, однако, чтобы получить максимальное разрушающее усилие, желательно использовать параллелограмную подвеску, в которой цилиндр ковша крепится параллельно стреле, но внутри нее. Большинство бетоноломов способны легко разрушать железобетон. Арматурные стержни могут разрезаться ножами, находящимися внутри зубьев [3].
Технология разрушения с использованием энергии взрыва и расширения. Технология направленного взрыва широко используется для сноса крупногабаритных конструкций, снятия секций с существующих конструкций, разрезки конструкционных элементов с помощью зарядов специальной формы. Взрывчатые вещества эффективно применяются для разрушения железобетона.
Методика отбора проб щебня из бетона и железобетона разрушаемых зданий и сооружений
Методика отбора проб щебня, полученного при переработке бетонных и железобетонных элементов конструкций зданий и сооружений дробильно-сортировочными комплексами г. Москвы разработана с целью оценки его качества. Физико-механические свойства исходного материала определяют и качество щебня. Однако, в связи с тем, что на переработку поступают различные конструкции (несущие, ограждающие, элементы фундаментов) разнородные по свойствам, получаемый щебень может также отличаться значительной неоднородностью. Поэтому необходим постоянный контроль качества продуктов дробления с целью определения области их применения. Оценка качества щебня включает порядок отбора проб, перечень исследуемых показателей свойств щебня и расчет массы проб, поступающих на испытания.
Места отбора проб готовой щебеночно-песчаной массы или щебня выбирают на действующих линиях переработки бетонных и железобетонных элементов в зависимости от условий технологического процесса при соблюдении требований техники безопасности. При этом вначале производится отбор точечных проб, которые путем смешивания образуют одну объединенную пробу.
Отбор точечных проб с транспортера, подающего продукцию на склад или непосредственно в транспортные средства, осуществляют путем пересечения потока материала на ленточ ном конвейере или в местах перепада потока материала. Отбор материала с ленты конвейера производят при его остановке совком или совковой лопатой. При этом отбирают не менее 5 проб через равные интервалы по времени (через каждые 30 или 60 минут).
В случае остановки перерабатывающего комплекса точечные пробы могут отбираться из конусов на промежуточном складе высотой не более 2 м.
Отбор точечных проб производится через равные интервалы по всей высоте конуса совком или совковой лопатой с учетом необходимой для испытаний массы щебня. При этом должны быть строго соблюдены требования техники безопасности.
Масса точечной пробы должна быть не менее 30 кг. После отбора точечные пробы объединяют и тщательно перемешивают для получения объединенной пробы.
Для отправки на испытания каждую объединенную пробу сокращают методом квартования. Для квартования пробы после ее перемешивания конус материала разравнивают и делят взаимно перпендикулярными линиями, проходящими через центр, на четыре части. Последовательным квартованием сокращают пробу в два раза до получения лабораторной пробы массой не менее 100 кг. Из лабораторной пробы квартованием готовят аналитические пробы для нескольких видов испытаний.
При выпуске перерабатывающим комплексом щебеночно-песчаной смеси необходимо произвести ее рассев на ситах стандартного набора по ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний» с целью определения процентного содержания в смеси щебня различных фракций: 5-Ю мм, 10-20 мм, 20-40 мм и 40-80 мм, а также песчаной фракции и содержания зерен с размером более 80 мм (45).
Объединенную пробу щебня из продуктов дробления бетонных и железобетонных элементов зданий испытывают для определения следующих показателей качества по ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний» (45): - зернового состава; - содержания пылевидных и глинистых частиц; - содержания зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы; - содержания зерен слабых пород; - дробимости; - истираемости в полочном барабане; - морозостойкости; - водопоглощения; - средней плотности; - насыпной плотности; - реакционной способности; - удельной эффективной активности естественных радионуклидов (Аэфф); - числа пластичности; - водостойкости.
Массы проб для определения перечисленных показателей качества: - для определения зернового состава щебня из продуктов дробления бетонных и железобетонных элементов зданий массу лабораторной пробы отбирают в зависимости от наибольшего размера зерен согласно указанному ГОСТу, а именно:
Обоснование возможности использования заполнителей из бетонного лома в цементных бетонах
В связи с широким внедрением комплексов по разрушению некондиционных железобетонных изделий и строительных объектов с целью получения щебня из бетонного лома несомненную актуальность приобретают вопросы его рационального использования в технологии железобетонных изделий и конструкций как сборных, так и монолитных (59, 65).
Щебень из бетона состоит из фрагментов крупного и мелкого заполнителя, скрепленных цементным камнем и контактной зоны между ними, состоящей преимущественно из кристаллов портландита, эттрин-гита и карбонатов кальция.
Особенностью щебня из бетонного лома является то, что гранулы щебня имеют частичную или сплошную оболочку из цементного раствора. Эта оболочка обладает пористостью, что приводит к повышенному водопоглощению заполнителя.
При получении щебня из бетона путем дробления происходит разрушение кусков бетона с образованием новых физико-химически активных поверхностей цементного камня, негидратированная часть которого может подвергаться дальнейшей гидратации.
Такой заполнитель в бетонной смеси должен обладать повышен ной водопотребностью. Водопотребность является интегральной харак теристикой, так как она определяется непосредственно в бетонной смеси .щ) и учитывает одновременно многообразие факторов: крупность, пустот 107 ность, состояние поверхности, химическую активность, пористость и т.д. Заполнитель, обладающий повышенной водопотребностью и во-допоглощением, способствует образованию определенной структуры бетонной смеси. Заполнитель в бетонной смеси, имея значительную пористость, сначала поглощает воду из бетонной смеси. При этом изменяются реологические свойства смеси вследствие перераспределения воды между между твердой, жидкой и газообразной фазами (56). При образовании капиллярно- пористой структуры цементного камня происходит отсасывания воды из пор заполнителя в твердеющий цементный камень.
Таким образом, щебень из бетона активно влияет на формирование как структуры цементного камня, так и плотной контактной зоны между цементным камнем и заполнителем. Формирование цементного камня в этом случае происходит при пониженном водосодержании (56).
В связи с тем, что щебень из бетона обладает повышенной водопотребностью его применение в бетоне целесообразно совместно с су-перпластифицирующими добавками.
Особенности строения и свойств щебня из бетона свидетельствуют о том, что получаемая продукция имеет серьезные отличия от традиционно используемых заполнителей, что должно учитываться при ее применении в железобетонных конструкциях различного назначения.
В исследованиях бетонных смесей и бетонов необходимо установить обобщенные зависимости формирования структуры бетонных смесей и бетонов от главных факторов для организации производства изделий и прогнозирования их эксплуатационной надежности.
Определение водопотребности щебня из бетона. Для определения водопотребности щебня из бетона был применен следующий метод, который заключается в сравнительных испытаниях равноподвижных смесей, имеющих различное ( в пределах 10-15%) содержание песка и щебня (51). Вода затворения в бетонной смеси распределяется между цементом, песком и крупным заполнителем в соответствии с их водопотреб-н остью: Взатв = Ц Вц + П Вп + Щ Вщ Где: Вц, Вп, Вщ - соответственно водопотребности цемента, песка и щебня, Ц, П. Щ - соответственно расход цемента, песка и щебня в кг на 1 м3. Например, исследуют водопотребности компонентов в следующей бетонной смеси: 214 = 395 Вц + 726 Вп + 986 Вщ
Для этого приготавливают 6 л бетонной смеси и устанавливают ее подвижность. Подвижность составляет 5 см ОК. Затем увеличивают расход песка на 10% и снова добиваются такой же подвижности за счет увеличения расхода воды: 219 = 395Вц +798Вп + 986 Вщ Водопотребность песка составит: Вп = ДВ/ АП = (219-214)/(798-726) = 0.07.
Далее добавляем в данную бетонную смесь 10% щебня из бетона и снова добиваемся такой подвижности за счет увеличения расхода воды: 226 = 395 Вц + 0.07 798 + 1085 Вщ 109 Водопотребность щебня из бетона составит : Вщ = АВ/ АЩ = ( 226 - 219 ) / ( 1085 - 986) = 0.07 Теперь можно рассчитать водопотребность цемента в бетонной смеси: Вц = (226 - 0.07 798 - 0.07 1085) / 395 = 0.24 при В/Ц затв = 226/395 = 0.57.
Таким образом, водопотребности компонентов в данной бетонной смеси составили: - цемента Вц = 0.244 или 24% - песка Вп = 0.07 или 7% - щебня из бетона Вщ = 0.07 или 7%.
Была определена водопотребность щебня из бетона по той же методике в бетонной смеси с осадкой конуса 5 см с добавкой суперпластификатора С-3 в количестве 0.6% от массы цемента. Исследования показали, что водопотребность щебня из бетона составила 5.5%.В связи с тем, что щебень из бетона обладает повышенной водопотребностью по сравнению со щебнем из изверженных плотных пород, например, водопотребность щебня из гранита фракции 5-10 мм составляет 3.43% (31) его применение в бетоне целесообразно совместно с суперпластифици-рующими добавками.
Разработка составов бетона на щебне из бетона для производства фундаментных блоков и стеновых камней
Разработка составов бетона на щебне из бетона для производства фундаментных блоков и стеновых камней.. Ниже приводятся изделия и требования к ним соответствующих стандартов.
Блоки бетонные для стен подвалов должны отвечать требованиям ГОСТ 13579. Блоки предназначены для стен подвалов и технических подпольев зданий. Они подразделяются на три типа: ФБС — сплошные; ФБВ — сплошные с вырезом для укладки перемычек и пропуска коммуникации под потолками подвалов и технических подпольев: ФБП — пустотные (с открытыми вниз пустотами).
Форма и размеры блоков должны соответствовать указанным на рис. 5.0 и в табл. 5.1. Значение нормируемой отпускной прочности бетона блоков (в % от класса по прочности на сжатие) согласно ГОСТ принимают равной: 50 - для тяжелого бетона класса В 12.5 и выше; 70 - для класса В10 и ниже. При поставке блоков в холодный период года допускается повышать нормируемую отпускную прочность бетона до 70% для класса В 12.5 и выше; до 90% - для класса В10 и ниже. Отклонения проектных размеров блоков не должны превышать по длине 13 мм, по ширине и высоте — 8 мм, по размерам вырезов-5 мм.
В бетоне блоков не допускаются трещины, за исключением местных поверхностных усадочных, шириной не более 0.1 мм.
Камни бетонные стеновые по ГОСТ 6133 в зависимости от назначения подразделяются на: - лицевые и рядовые; - для кладки наружных и внутренних стен (порядовочные, угловые, перевязочные) , перегородок (перегородочные). іф Лицевые камни изготовляют в зависимости от применения с двумя лицевыми поверхностями: боковой и торцевой или с одной — боковой. Их изготовляют с гладкой, рифленой или колотой фактурой лицевой поверхности; по цвету - неокрашенными или цветными из бетонной смеси с пигментами или применением цветных цементов.
Камни изготовляют в форме прямоугольного параллелепипеда полнотелыми или пустотелыми. Соответствующие определения приведены ниже.
Камень пустотелый - камень стеновой со сквозными или несквозными вертикальными пустотами, получаемыми в процессе формования для придания изделию необходимы эксплуатационных свойств.
Камень полнотелый - камень стеновой без пустот или с технологическими пустотами для захвата изделия.
Камень рядовой - камень стеновой, предназначенный для кладки стен зданий и сооружений, как правило, с последующей отделкой.
Камень лицевой - камень стеновой, предназначенный для кладки и одновременно облицовки стен зданий и сооружений и имеющий одну или две лицевые грани.
Толщина наружных стенок пустотелых камней должна быть не менее 20 мм, а толщина вертикальной диафрагмы (минимальная толщина перегородок) должна быть не менее 20 мм, горизонтальной диафрагмы для камней с несквозными пустотами - не менее 10 мм.
По прочности при сжатии камни из тяжелых и мелкозернистых бетонов подразделяют (в МПа) : 2.5 - 30.
По морозостойкости камни подразделяют на марки: F200, F150, F100, F50, F35, F25, F15
Морозостойкость камней для перегородок не нормируется. Нормируемая прочность установленная в проектном возрасте должна соответствовать значениям приведенным в таблице 5.4, для конкретной прочности камня.
Нормируемая отпускная прочность камня в процентах от проектной марки по прочности должна быть не ниже: в теплый период года: 70 - для тяжелого бетона с прочностью 12.5 МПа и ниже; - для бетона с прочностью 15Мпа и выше в холодный период года: 85 - для тяжелого бетона 70 - для бетона с прочностью 15Мпа и выше.
В материалах, используемых для производства бетонных камней и блоков, удельная эффективная активность естественных радионуклидов Аэфф должна быть не более 370 Бк/кг.
Были проведены исследования свойств бетонных смесей и бетонов, приготовленных только на щебне из бетона, составы которых представлены в табл. 5.5. Для сравнения исследовали контрольные составы, приготовленные на известняковом щебне (состав 1 и 4).
По вышеописанным методикам были определены общая пористость, характер пор, параметры микротрещинообразования, трещиностойкость и величина дилатометрического эффекта, характеризующая морозостойкость бетона. Данные исследования представлены в табл. 5.5.1.
Исследовали две серии бетонов с подвижностью 5 и 10 см осадки конуса. Средняя плотность бетонов на известняковом щебне на 125-180 кг /м3 выше, чем у бетонов на щебне из бетона.
