Использование отходов стекла для частичного замещения цемента в цементно-песчаных растворах
РЕФЕРАТ. В данной работе изучались свойства цементно-песчаных растворов, содержащих отходы стекла для частичного замещения портландцемента. Материал был получен из боя зеленого стекла, измельченного до тонины помола цемента. Полученные результаты показывают, что при определенной степени замещения порошок стекла повышает прочность при сжатии и улучшает другие свойства цементно-песчаных растворов.
Ключевые слова: отходы стекла, измельченное стекло, портландцемент, цементно-песчаные растворы, водопоглощение.
Keywords: waste glass, powdered glass, Portland cement, cement-sand mortars, water absorption.
1. Введение
В последнее десятилетие растущая озабоченность об окружающей среде заставляет проектировщиков и строителей пересматривать традиционные методы производства цемента и бетона с целью заменить их экологически безопасными материалами. Экологически безопасное строительство в большей своей части основано на применении вторичных материалов и их адаптации к использованию в бетоне и в других видах материалов.
Согласно результатам, опубликованным Университетом Данди в 2005 году [1], в Великобритании ежегодно образуется 1,85 млн т отходов стекла (ОС) в виде стеклобоя. Основная часть его возвращается для производства нового стекла, но остальной бой нужно реализовывать на других рынках. Отходы стекла не являются биоразрушаемыми, и поэтому при рациональном подходе этот материал не должен захораниваться. В настоящий момент отходы стекла в строительной индустрии используются в производстве стеклоткани, абразивных материалов или дешевого наполнителя, однако не прекращаются поиски других видов его применения с целью найти наиболее привлекательное решение. В последнее время внимание к ОС привлечено не только как к заполнителю для бетона, но также и как к заменителю портландцемента в бетоне [2]. Крупные исследования по включению ОС в состав портландцементных бетонов, финансируемые Программой действий в области использования отходов и ресурсов (WRAP), опубликованы в работах [3, 4]. Полученные результаты показывают, что ОС могут быть использованы в качестве заполнителя или частичного заменителя портландцемента в бетоне. В работе [5] установлено, что стекло способствует развитию прочности бетона, когда оно используется в качестве заполнителя. Однако в работах [3,4] показано, что основным недостатком заполнителя из ОС в виде крупной или мелкой фракции является щелоче-кремнеземная реакция. Несмотря на то, что минеральные добавки в виде золы-уноса или измельченного гранулированного доменного шлака, также вводимые в бетонную смесь, подавляют эту реакцию, экономическая целесообразность использования стеклянных заполнителей в долгосрочном периоде вызывает сомнения. В то же время в работе [6] отмечается, что стекло слишком ценно, чтобы его «вышвыривать» в виде заполнителя: стекло следует возвращать в процесс в виде стекла. Тем не менее, в каждом конкретном случае пути использования ОС будут определяться сочетанием различных факторов.
Применение отходов стекла в виде тонко измельченной добавки в бетон также представляет собой потенциальный вариант утилизации этих отходов. Использование порошкообразного стекла в бетоне в качестве альтернативного связующего помогло бы снизить расход портландцемента. Согласно работе [6], выбросы СО2, возникающие при производстве портландцемента, составляют 7 % общемирового антропогенного загрязнения. На каждую тонну произведенного цементного клинкера выбрасывается 579 кг СO2 исключительно из-за химических реакций, независимо от используемого процесса или эффективности топлива [7, 8]. Замена портландцемента порошкообразным стеклом в бетоне значительно снизит выбросы диоксида углерода.
Основная цель исследования состоит в оценке пуццоланового и экологического потенциала ОС на основании результатов испытаний тонкоизмельченных отходов стекла в качестве частичной замены портландцемента в цементно-песчаных растворах.
Описание экспериментов
В экспериментах использованы следующие материалы:
• портландцемент CEM II/A-V 42.5N (BS EN 197-1:2000) с удельной поверхностью 350 м2/кг, который характеризуется нормальной скоростью набора прочности и использовался во всех испытанных смесях;
• порошкообразное стекло, которым замещали цемент — обычный непромытый бой зеленого стекла, измельченный в лабораторных условиях до размера частиц менее 300 мкм;
• природный песок с максимальным размером частиц 4,76 мм, их плотностью 2450 кг/м3 и модулем крупности 2,97 (что отвечает требованиям стандарта EN 196‑1), использовавшийся при приготовлении растворных смесей в качестве заполнителя.
Подбор состава. Были приготовлены одна контрольная смесь (смесь 0) и три смеси, содержавшие стеклянный порошок. Массовое отношение связующего, заполнителя и воды составляло 1,0 : 3,0 : 0,5 для всех растворных смесей. В трех растворных смесях (5, 20 и 30) со стеклянным порошком он замещал соответственно 5, 20 и 30 % цемента. Составы смесей приведены в табл. 1. Растворные смеси готовили в стандартном бетоносмесителе и после затвердевания выдерживали в воде в течение 3, 7 и 28 сут при температуре 20 °C.
Методы испытаний. Гранулометрический состав портландцемента и измельченного стекла были определены с помощью прибора Malvern Mastersizer 2000. Каждый образец подвергался трем повторным измерениям, по результатам которых определялось среднее.
Растворные смеси были приготовлены в стандартном бетоносмесителе. Удобоукладываемость смесей оценивали по расплыву в соответствии с BS EN 12350-5:2000. После этого растворные смеси заложили в формы-кубы с длиной ребра 100 мм. Через 24 ч образцы извлекли из форм и хранили в воде до проведения испытаний.
Плотность растворных смесей измеряли после заливки в форму и штыкования согласно BS EN 12350-6:2000.
Перед определением прочности при сжатии растворных образцов измеряли плотность каждого образца согласно BS EN 12390-7:2000 и определяли ее среднее значение для каждого срока выдержки.
Для определения прочности при сжатии образцов согласно BS EN 12390-3:2000 использовался стандартный испытательный пресс. Определяли средние значения прочности при сжатии образцов-кубов для каждого срока выдержки.
После выдержки в течение 60 сут образцы были испытаны на водопоглощение. Чтобы обеспечить равномерный поток воды во время испытаний, четыре стороны каждого из образцов были покрыты силиконом; после этого их выдерживали в течение 48 ч при 110 °C. Затем сухие образцы были взвешены на воздухе и погружены незащищенной стороной в воду на 1 ч. После этого образцы извлекли из воды и вновь взвесили.
Результаты и обсуждение
Гранулометрический состав. Результаты определения гранулометрического состава (табл. 2) показывают, что частицы портландцемента по сравнению с порошком стекла содержат больше мелких частиц.
Испытание на расплыв и внешний осмотр. Результаты определения подвижности и визуальных наблюдений приведены в табл. 3. С ростом содержания порошка стекла подвижность растворных смесей снижается. Смесь 5 обладала хорошей консистенцией по визуальным данным и имела примерно такой же расплыв, как и контрольная. Смесь 20 на вид обладала хорошей консистенцией, но ее расплыв был меньше. На консистенцию смеси 30 явно отрицательно повлияло повышенное содержание стекла.
Плотность свежеприготовленных растворных смесей (табл. 4) с ростом содержания стекла вначале растет, а затем уменьшается, оставаясь в обычных пределах значений плотности растворных смесей (2000—2500 кг/м3).
Плотность затвердевших смесей (растворов) определялась по результатам измерений массы и объема образцов. Как указано в работах [9, 10], колебания плотности растворов возникают из-за того, что обычно не достигается 100 %-е уплотнение растворных смесей. Тем не менее плотность раствора из смеси 5 несколько выше, чем контрольной, что может быть обусловлено более высокой плотностью упаковки частиц. Плотность растворов, полученных из других смесей, имеет тенденцию снижения с ростом содержания стекла.
Прочность при сжатии. Результаты измерений прочности при сжатии растворов приведены на рис. 1. Видно, что при высоких дозировках порошка стекла прочность при сжатии снижается. Пуццолановая активность частиц стекла проявляется лишь к 28-суточному возрасту, в котором различия прочности добавочных и контрольного образцов несколько сокращаются. По всей видимости, низкая прочность при сжатии растворов с ОС обусловлена недостаточно высокой дисперсностью частиц стекла, что, безусловно, отразилось на их пуццолановой активности.
Рис. 1. Прочность при сжатии растворов
Чтобы оценить пуццолановую активность порошка стекла (в виде показателя активности), рассчитывают отношение значений прочности образцов, содержащих ОС, к прочности контрольной растворной смеси.
Согласно данным работы [2], показатель активности в возрасте 28 сут для пуццолановых добавок должен составлять не менее 75 %. Прочность раствора из смеси 5 в этом возрасте оказалась выше прочности раствора из контрольной смеси (индекс активности 114 %), в то время как в случае смеси 20 индекс активности составил лишь 72 %.
Испытание на водопоглощение. Водопоглощение бетона является одним из важных факторов при определении его долговечности. Как правило, бетон с низким водопоглощением обеспечивает более высокую степень защиты находящейся в нем арматуры. В работе [8] отмечается, что стекло по своей природе является непроницаемым для воды материалом, это позволяет полагать, что присутствие частиц стекла в бетоне будет способствовать снижению водопроницаемости бетона. Однако полученные в данной работе результаты (рис. 2) свидетельствуют об одинаковом поглощении воды раствором на 100 %-м портландцементе и раствором, содержащим 5 % стекла; в то же время смеси с более высоким содержанием стекла имели более высокое водопоглощение. Такой результат может быть обусловлен дисперсностью частиц ОС, недостаточной для проявления ими высокой пуццолановой активности.
Рис. 2. Водопоглощение растворов
Выводы
Вводимое в растворную смесь измельченное стекло при определенной степени замещения им цемента может положительно влиять на свойства раствора.
Дисперсность стекла должна быть по крайней мере не меньшей, чем дисперсность цемента, чтобы пуццолановая активность проявилась в краткосрочном периоде.
Увеличением дозировки стекла в растворной смеси вызывается снижение начальной прочности, однако с возрастом это снижение становится менее выраженным.
Испытания подвижности растворных смесей по расплыву показали, что при увеличении дозировки порошка удобоукладываемость смесей снижается. Только смесь 5 имела консистенцию, сопоставимую с контрольным показателем.
Водопоглощение цементно-песчаных растворов с увеличением содержания стеклянного порошка возрастает. При умеренной степени замещения (5 и 20 %) водопоглощение образцов близко к контрольным показателям.
ЛИТЕРАТУРА
1. University of Dundee. Recycled Glass. Use of Recycled Materials and Industrial by-Products in Concrete (2005) [Электронный ресурс] http: //www.greenconcrete.dundee.ac.uk/RecycledGlass-t.htm [Accessed 5 October 2008].
2. Bignozzi M.C., Saccani A., Sandrolini F. Matt waste glass from glass separated collection: An eco-sustainable addition to new building materials // Waste Management. 2009. Vol. 29. P. 329—334.
3. Byars E.A., Morale, B., Zhu,H.Y. ConGlassCrete I. Centre of Cement and Concrete. University of Sheffield // The Waste and Resources Action Programme (2004a) [Электронный ресурс] http: //www.wrap.org.uk/downloads/ConGlassCrete1FinalBodyi.c242a657.445.pdf (дата обращения 05.10.08).
4. Byars E.A., Morales B., Zhu H.Y. ConGlassCrete II. Centre of Cement and Concrete. University of Sheffield // The Waste and Resources Action Programme (2004b) [Электронный ресурс] http: //www.wrap.org.uk/downloads/ConGlassCrete2FinalBodyi.09da0598.504.pdf (дата обращения 05.10.08).
5. Poutos K.H., Alani A.M., Walden P.J., Sangha C.M. Relative temperature changes within concrete made with recycled glass aggregate // Construction and Building Materials. 2007. Vol. 22, N 4. P. 557—565.
6. Neville A.M. Concrete: Neville’s insights and issues. L.: Tomas Telford, 2006.
7. Anderson J.E. Green Cement: Finding a solution for a sustainable cement industry // Department of Civil and Environmental Engineering, University of California at Berkeley. WBCSD, op. cit. note 625, April 22th, 2007.
8. Perkins G.D. Development of Concrete Containing Waste Glass // Proc. of the 3rd Res. Student Workshop. University of Glamorgan. 2008. [Электронный ресурс] dspace1.isd.glam.ac.uk/dspace/handle/10265/165 (дата обращения 06.10.08).
9. Shayan A., Xu A. Value-added utilization of waste glass in concrete // Cement and Concrete Research. 2004. Vol. 34, N 1. P. 81—89.
10. Shayan A., Xu A. Performance of glass powder as pozzolanic material in concrete: a field trial on concrete slabs // Cement and Concrete Research. Vol. 36, N 3. P. 457—468.
11. Pereira de Oliveira L.A., Castro Gomes G.J.P., Santos P. Optimization of Pozzolanic Reaction of Ground Waste Glass Incorporated in Cement Mortars. University of Beira Interior, Covilha, Portugal, 2008 [Электронный ресурс] http://thesis.ubi.pt/modules.php? name = Coleccoes&op = consultar_documento&id_documento = 710&id_coleccao = (дата обращения 08.10.08).
Автор: С.О. Нваубани |
Рубрика: Использование отходов |
Ключевые слова: отходы стекла, измельченное стекло, портландцемент, цементно-песчаные растворы, водопоглощение |