Опыт применения отходов аквакультуры в качестве компонентов в технологии вяжущих веществ и цементных композитов

РЕФЕРАТ. Рассмотрены существующие способы производства строительных материалов, изделий и конструкций с применением отходов аквакультуры в качестве компонентов бетона, позволяющих экономить материальные и сырьевые ресурсы. Сделан вывод о том, что помимо снижения затрат материального и трудового характера при производстве строительных материалов и элементов конструкций использование таких отходов при рациональном подборе рецептурно-технологических параметров позволяет получить бетоны с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Ключевые слова: отходы аквакультуры, утилизация, бетон, вяжущие, строительные растворы, строительные материалы.

Keywords: aquaculture waste, recycling, concrete, binders, mortars, building materials.

Введение

Современное строительное материаловедение выдвигает ряд новых требований к технологии бетонов. Эти требования обуслов­лены:

⋅    экологической повесткой, связанной с концепцией устойчивого развития;

⋅ необходимостью энергосбережения при производстве строительных материалов, изделий и конструкций, а также снижения затрат материального и трудового характера при производстве новых строи­тельных элементов.

Вместе с тем требуется обеспечивать качество производимой продукции. Таким образом, перед материаловедами стоит задача выбора и обоснования наиболее рациональных способов производства строительных материалов, изделий и конструкций.

Бетон, как один из наиболее популярных композитов, применяемых в строитель­стве, является достаточно хорошо изученным материалом, но при этом ввиду существенной неоднородности структуры и сложности управления его свойствами требует проведения масштабных теоретических и экспериментальных исследований с целью апробации новых идей и предложений.

С учетом того, что в мире существует проблема экологического характера, выражающаяся в скапливании большого количества отходов, активно развивается научное направление, посвященное технологии производства бетонов с применением отходов различного рода.

Один из интересных и перспективных видов отходов — ​так называемые отходы аквакультуры (ОАК). Аквакультура, как часть экосистемы и в то же время существенный участник взаимоотношений в формате повестки устойчивого развития, является достаточно проблемной зоной, но в то же время она предоставляет возможности для выдвижения новых идей и задач.

Анализируя опыт исследований в области строительных материалов как в России, так и за рубежом, отметим, что во всем мире сейчас активно изучается возможность и отрабатываются способы применения ОАК в технологии бетонов. Рассмотрим наиболее интерес­ные и перспективные, а также теоретически и экспериментально обоснованные способы управления свой­ствами бетонов, поз­воляющие параллельно решать экологическую задачу утилизации ОАК.

Один из актуальных способов применения ОАК — ​модификация бетонных композитов тонкомолотыми тонкодисперсными порошками, получаемыми путем измельчения скорлуп, панцирей и раковин различных водных организмов, в первую очередь мидий, устриц и речных улиток. Обратим внимание, что эти отходы скапливаются в реках и морях, и с учетом того, что многие крупные промышленные города расположены вблизи рек или морей, существует возможность логистически несложной транспортировки исходного сырья к бетонным производствам.

В то же время отметим и иные интересные подходы и разработки в части применения ОАК, например медузной массы и водорослей, в качестве компонентов бетонов и растворов.

Безусловно, ОАК можно классифицировать по целому ряду признаков, однако их разновидности, указанные выше, по нашему мнению, являются наиболее интересными и перспективными исходными компонентами для модификации бетонов.

Задачи настоящей работы — ​обзор со­временного состояния вопроса применения ОАК в качестве модификатора для бетона и сис­тематизация знаний о свойствах бетонов, содержащих ОАК.

На рисунке представлена блок-схема основных направлений исследований, проводящихся в этой сфере в России и за рубежом.

Обзор исследований

В этом разделе приведена информация об исследованиях, относящихся к видам ОАК, их возможным и эффективным дозировкам, назначению и областям применения в инженерной сфере, а также к влиянию ОАК на физико-механические характеристики бетонов и растворов.

В работе [4] описано использование ОАК для замены 40—50 % гипса при производстве огнезащитных материалов. По данным ее авторов, порошок морских ракушек, введенный в асфальт как модификатор в количестве 5, 10 и 15 %, улучшает консистенцию, твердость и высокотемпературные характеристики битумного вяжущего; повышает эластичность, восстановительные характеристики и сопротивление остаточной деформации таких вяжущих и улучшает реологические свойства при высоких температурах; вместе с тем он оказывает минимальное влияние на трещиностойкость битумных вяжущих при очень низких температурах.

Модификация поверхности частиц измельченных отходов устричной раковины путем помола в высокоэнергетической шаровой мельнице позволяет получать тонкие материалы, которые можно использовать как добавку при производстве строительных материалов и в качестве заполнителей для бетона [6].

По данным работы [7], замена в пенобетоне крупного заполнителя на ОАК в количестве 0, 20, 50, 80 и 100 % об. привела к уменьшению усадки, плотности свежего бетона, а также к увеличению текучести последнего.

Продукты пиролиза отходов раковин устриц при определенных условиях позволяют удалять фосфаты из сточных вод [8].

В работе [9] порошок прокаленной раковины устрицы использован в качестве расширяющей добавки в цемент­ный раствор. Объем­ное расширение этого порошка во время гидратации позволило компенсировать аутогенную усадку строительного раствора в раннем возрасте.

По данным работы [10], раковины устриц и морских гребешков подходят для замены известняка в качестве сырья для производства цемента. В работе [11] изучено влияние размера частиц устричной раковины, введенных взамен 20 % речного песка, на показатели прочности на сжатие и изгиб, а также на модуль упругости строительного раствора и его удобоукладываемость. Замена час­ти заполнителя (5, 10 и 20 %) порошком устричных раковин приводила к снижению удобо­укладываемости бетона при неизменности или повышении прочности на сжатие в сравнении с обычным бетоном, а также к повышению модуля упругости на 10 % [12, 13]. При замене обычного песка раковинами мидий в растворах для цементного покрытия их наи­более эффективная дозировка составляла 25 % [14]. Использование крупнозернистого заполнителя из ракушек улучшает удобоукладываемость бетона, их оптимальная дозировка в этом случае — ​5 % [1].

Замена 10—20 % крупного заполнителя в бетоне на дробленые ракушки позволила получить требуемые проектные значения показателей прочности на сжатие и удобоукладываемости [15—17].

Использование измельченных морских ракушек и золы-уноса совместно с шламом, образующимся при промывке гравия, с целью получить необожженный материал для укреп­ления грунтов способствует повышению проч­ности на сжатие последнего [18].

Замена части вяжущего в составе бетона измельченными устричными раковинами (10 %), известняком (5 %) и молотым гранулированным доменным шлаком (5 %) поз­волила достичь прочности, эквивалентной прочности контрольных образцов, при одновременном снижении проницаемости бетона, а при замене части цемента на 30 % доменного шлака или на 10 % измельченных раковин устриц и 20 % шлака прочность на сжатие была примерно равна или чуть выше прочности кон­трольных образцов [19, 20].

Применение измельченных морских раковин (4—30 % массы цемента) и природной пуццоланы (до 30 % массы цемента) в составе растворов значительно снижает воздействие на окружающую среду при сохранении прочности на сжатие, близкой к прочности образцов с обычным портландцементом [20, 21]. Морские раковины могут применяться в качестве замены цемента в кладочных и штукатурных растворных смесях, улучшая их удобоукладываемость [22].

Замена 5—15 % цемента на измельченные раковины снижает прочность бетона в раннем возрасте, но повышает механические характеристики в длительные сроки твердения, а также снижает его удобоукладываемость [23]. Наи­более эффективной с точки зрения проч­ности на сжатие оказалась дозировка измельченных раковин в бетоне, равная 4 %. Прочность на растяжение при изгибе и осевое растяжение такого бетона была выше соответствующих показателей для контрольного образца [24]. Прочность на сжатие пос­ле 28 суток твердения бетона была больше проч­ности контрольного образца на 7,5 %, а проч­ность на осевое растяжение — ​на 3,5 %. По данным работ [25, 26], оптимальный коэффициент замещения цемента измельченными раковинами в составе бетона равен 5 %.

Работы в области применения отходов аквакультуры проведены также российскими исследователями [27, 28].

В работе [27] исследован бетон, полученный с использованием отходов аквакультуры в виде модифицирующего порошка панцирей речных улиток, свойства которого оказались лучше в сравнении с обычным бетоном. Оптимальной стала замена час­ти цемента порошком панцирей речных улиток в количестве 6 %. Исследование микроструктуры образцов бетона, модифицированного таким порошком, подтвердило полученные зависимости свойств от дозировки модификатора и наиболее эффективную его дозировку.

В работе [28] выявлено положительное влия­ние порошка панцирей мидий, введенного в бетон взамен части цемента, обеспечивающее улучшенные значения механических характеристик бетона. SEM-анализ показал, что бетон с добавкой имеет мик­роструктуру без пустот и трещин, более целостную в сравнении с микроструктурой образца контрольного состава. Ввод добавки также способствует дополнительному образованию зон, заполненных гелем, что и обеспечивает рост прочностных характеристик композита.

Заключение

Применение ряда отходов аквакультуры в качестве компонентов вяжущих материалов и бетона при рациональных рецептурно-технологических параметрах позволяет сохранить показатели качества стандартного модифицируемого бетона, а в некоторых случаях повысить их. За счет этого можно достичь экономии материальных и сырьевых ресурсов, способствовать достижению целей устойчивого развития и сокращению выбросов CO₂.

ЛИТЕРАТУРА

1. Eziefula U.G., Ezeh J.C., Eziefula B.I. Properties of seashell aggregate concrete: A review // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 192. P. 287—300. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.10.096 (дата обращения 15.09.2023).

2. Tayeh B.A., Hasaniyah M.W., Zeyad A.M., Yusuf M.O. Properties of concrete containing recycled seashells as cement partial replacement: A review // J. of Cleaner Production. 2019. Vol. 237. P. 117723. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.117723 (дата обращения 15.09.2023).

3. Wang W., Wei W., Gao S., Chen G., et al. Agricultural and aquaculture wastes as concrete components: A review // Front. Mater. 2021. Vol. 8. P. 762568. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3389/fmats.2021.762568 (дата обращения 15.09.2023).

4. Peceño B., Bakit J., Cortes N., Alonso-Fariñas B., et al. Assessing durability properties and economic potential of shellfish aquaculture waste in the construction industry: A circular economy perspective // Sustainability. 2022. Vol. 14. P. 8383 [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3390/su14148383 (дата обращения 15.09.2023).

5. Guo Y., Wang X., Ji G., Zhang Y., et al. Effect of recycled shell waste as a modifier on the high- and low-temperature rheological properties of asphalt // Sustainability. 2021. Vol. 13. P. 10271. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3390/su131810271 (дата обращения 15.09.2023).

6. Tsai W.-T. Microstructural characterization of calcite-based powder materials prepared by planetary ball milling // Materials. 2013. N 6. P. 3361—3372. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3390/ma6083361 (дата обращения 15.09.2023).

7. Kwon H.-B., Lee C.-W., Jun B.-S., Yun J.-D., et al. Recycling waste oyster shells for eutrophication control // Resources, Conservation and Recycling. 2004. Vol. 41, N 1. P. 75—82. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2003.08.005 (дата обращения 15.09.2023).

8. Seo J.H., Park S.M., Yang B.J., Jang J.G. Calcined oyster shell powder as an expansive additive in cement mortar // Materials. 2019. Vol. 12. P. 1322. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3390/ma12081322 (дата обращения 15.09.2023).

9. Her S., Park T., Zalnezhad E., Bae S. Synthesis and characterization of cement clinker using recycled pulverized oyster and scallop shell as limestone substitutes // J. of Cleaner Production. 2021. Vol. 278. P. 123987. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123987 (дата обращения 15.09.2023).

10. Liao Y., Shi H., Zhang S., Da B., et al. Particle size effect of oyster shell on mortar: experimental investigation and modeling // Materials. 2021. Vol. 14. P. 6813. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3390/ma14226813 (дата обращения 15.09.2023).

11. Yang E.-I., Yi S.-T., Leem Y.-M. Effect of oyster shell substituted for fine aggregate on concrete characteristics: Part I. Fundamental properties // Cem. Concr. Res. 2005. Vol. 35, N 11. P. 2175—2182. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2005.03.016 (дата обращения 15.09.2023).

12. Kuo W.-T., Wang H.-Y., Shu C.-Y., Su D.-S. Engineering properties of controlled low-strength materials containing waste oyster shells // Construction and Building Materials. 2013. Vol. 46. P. 128—133. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.04.020 (дата обращения 15.09.2023).

13. Martínez-García C., González-Fonteboa B., Carro-López D., Martínez-Abella F. Design and properties of cement coating with mussel shell fine aggregate // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 215. P. 494—507. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.04.211 (дата обращения 08.09.2023).

14. Ngii E., Mustika W., Sukri A.S., Balaka R., et al. The effect of clamshells partial substitution of coarse aggregates on the mechanical properties of shellfish concrete (Berang) // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2020. Vol. 419. P. 012064. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1088/1755—1315/419/1/012064 (дата обращения 08.09.2023).

15. Richardson A.E., Fuller T. Sea shells used as partial aggregate replacement in concrete // Structural Survey. 2013. Vol. 31, N 5. P. 347—354. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1108/SS‑12—2012—0041 (дата обращения 15.09.2023).

16. Bamigboye G.O., Okara O., Bassey D.E., Jolayemi K.J., et al. The use of Senilia senilis seashells as a substitute for coarse aggregate in eco-friendly concrete // J. of Building Engineering. 2020. Vol. 32. P. 101811. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101811 (дата обращения 15.09.2023).

17. El Mendili Y., Bouasria M., Benzaama M.-H., Khadraoui F., et al. Mud-based construction material: promising properties of french gravel wash mud mixed with byproducts, seashells and fly ash as a binder // Materials. 2021. Vol. 14. P. 6216. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3390/ma14206216 (дата обращения 15.09.2023).

18. Liu S., Wang Y., Liu B., Zou Z., et al. Sustainable utilization of waste oyster shell powders with different fineness levels in a ternary supplementary cementitious material system // Sustainability. 2022. Vol. 14. P. 5981. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3390/su14105981 (дата обращения 15.09.2023).

19. Han Y., Lin R., Wang X.-Y. Performance of sustainable concrete made from waste oyster shell powder and blast furnace slag // J. of Building Engineering. 2022. Vol. 47. P. 103918. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.103918 (дата обращения 15.09.2023).

20. Soltanzadeh F., Behbahani A.E., Pereira E.N.B., Teixeira C.A. A life-cycle approach to integrate environmental and mechanical properties of blended cements containing seashell powder // Sustainability. 2021. Vol. 13. P. 13120. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3390/su132313120 (дата обращения 15.09.2023).

21. Soltanzadeh F., Emam-Jomeh M., Edalat-Behbahani A., Soltan-Zadeh Z. Development and characterization of blended cements containing seashell powder // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 161. P. 292—304. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.11.111 (дата обращения 15.09.2023).

22. Lertwattanaruk P., Makul N., Siripattarapravat C. Utilization of ground waste seashells in cement mortars for masonry and plastering // J. of Environmental Management. 2012. Vol. 111. P. 133—141. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2012.06.032 (дата обращения 15.09.2023).

23. Bamigboye G.O., Nworgu A.T., Odetoyan A.O., Kareem M. Sustainable use of seashells as binder in concrete production: Prospect and challenges // J. of Building Engineering. 2021. Vol. 34. P. 101864. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101864 (дата обращения 15.09.2023).

24. Olivia M., Mifshella A., Darmayanti L. Mechanical properties of seashell concrete // Proc. Eng. 2015. Vol. 125. P. 760—764. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.11.127 (дата обращения 15.09.2023).

25. Syed T., Zaid S., Vaishali G. Experimental investigation of snail shell ash (ssa) as partial repalacement of ordinary portland cement in concrete // Int. J. Eng. Res. 2014. N 3. P. 2278—0181. [Электронный ресурс]. URL: https://www.ijert.org/research/experimental-investigation-of-snail-shell-ash-ssa-as-partial-repalace... 100665.pdf (дата обращения 13.07.2022).

26. Tayeh B.A., Hasaniyah M.W., Zeyad A.M., Awad M.M., et al. Durability and mechanical properties of seashell partially-replaced cement // J. Building Eng. 2020. Vol. 31. P. 101328. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101328 (дата обращения 15.09.2023).

27. Stel’makh S.A., Shcherban’ E.M., Beskopylny A.N., Mai­lyan L.R., et al. Nanomodified concrete with enhanced characteristics based on river snail shell powder // Appl. Sci. 2022. N 12. P. 7839. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3390/app12157839 (дата обращения 15.09.2023).

28. Stel’makh S.A., Shcherban’ E.M., Beskopylny A.N., Mai­lyan L.R., et al. Composition, technological, and microstructural aspects of concrete modified with finely ground mussel shell powder // Materials. 2023. Vol. 16. P. 82. [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3390/ma16010082 (дата обращения 15.09.2023).