Опыт применения сельскохозяйственных отходов в бетонах для экологичных конструкций, зданий и сооружений

РЕФЕРАТ. Сельскохозяйственные отходы — перспективный источник сырьевых компонентов для строительных материалов различного рода, в первую очередь бетонов, в составе которых такие отходы могут применяться в качестве заполнителей, наполнителей, армирующих добавок и др. В статье рассмотрены и проанализированы возможности применения сельскохозяйственных отходов в бетоне как замены части вяжущего или дополнения к нему. Такая замена может приводить не только к незначительному ухудшению или сохранению характеристик бетона в сравнении с обычными традиционными бетонами, но, при рационально подобранных дозировках компонентов бетона, и к улучшению его свойств, в том числе механических, а также к увеличению долговечности конструкций. Применение в бетоне таких сельскохозяйственных отходов, как зола рисовой шелухи, биоуголь, банановые и кокосовые волокна, волокна рисовой соломы и финиковой пальмы, конопляная костра, кокосовые орехи, может способствовать их эффективной утилизации, экономии дорогостоящего вяжущего и, тем самым, снижению углеродного следа и повышению экологической и экономической эффективности изготовления бетонов.

Ключевые слова: сельскохозяйственные отходы, рисовая шелуха, банановые волокна, кокосовые волокна, биоуголь, бетон.

Keywords: agricultural waste, rice husks, banana fibers, coconut fibers, biochar, concrete.

Введение

Сельскохозяйственные отходы — ​перспективный источник сырьевых компонентов для изготовления различных строительных материалов, в первую очередь бетонов, по ряду причин. Во-первых, такие отходы — возоб­новляемый ресурс, т. е. существует техническая возможность получать сырьевые компоненты для бетона регулярно, вне зависимости от риска истощения этих ресурсов. Во-вторых, состав сельскохозяйственных отходов в большинстве случаев обеспечивает их совместимость с другими составляющими бетонов. Сельскохозяй­ственные отходы, не подвергнутые какой-либо обработке, могут применяться в каче­стве заполнителя или наполнителя в бетоне, а также для создания эффекта дисперсного армирования и др. В то же время известен ряд способов применения в бетонах сельскохозяйственных отходов растительного и животного происхождения и других биоотходов, переработанных, например, посредством сжигания, перемалывания, измельчения и др. Таким образом, в составе бетона успешно совмещаются компоненты органического и неорганического происхождения. Вместе с тем, поскольку в сельском хозяйстве образуется большое количество побочных продуктов, требующих утилизации, поиск путей их использования — актуальная задача для исследователей.

Очень важно изучение полного жизненного цикла бетона, а не только его свойств в возрасте 28 сут, в том числе определение долговечности материалов, основанное на моделировании эксплуатации бетонов в условиях агрессивных и циклических воздействий.

Мировая повестка для достижения целей устойчивого развития диктует необходимость новых подходов ко всем сферам экономики, в том числе к производству и строительству. Инженеры-строители могут способствовать достижению этой цели при помощи переработки отходов, в том числе сельскохозяй­ственных, в качественные строительные материалы. Информация об исследованиях в этой области приведена в следующем разделе статьи.

Обзор исследований

В работе [1] изучено влияние пористой структуры пенобетона, содержащего цемент, молотый гранулированный доменный шлак, метакаолин, а также 5 и 15 % об. конопляной костры в качестве заполнителя, на плотность и механическую проч­ность при использовании различных методов вспенивания. Было изготовлено и испытано 8 партий пенобетона с пуццолановыми добавками (в количестве 30 % массы цемента) и без них. Добавки пуццоланы несколько повышают однородность размеров пор материала и, как следствие, его механическую прочность, особенно в возрас­те 28 сут. Добавление конопляной костры приводит к увеличению пористости пенобетона и радиуса пузырьков воздуха, а также к снижению однородности и механической прочности материала.

Характеристики долговечности и микроструктура высокопрочного бетона (ВБ) класса B60, содержащего алкофин, банановое волокно (БВ) и кокосовое волокно (КВ) определены в работе [2]. Цемент час­тично заменяли алкофином (15 % масс.), БВ и КВ вводили в бетон в количестве 0,5, 1,0, 1,5 и 2,0 % об. Характеристики долговечности (прочность на сжатие в длительные сроки твердения, скорость проникновения хлоридов, сорбцион­ная способность, водопоглощение, объем проницаемых пустот и стойкость к кислотному воздействию) сходны с аналогичными характеристиками обычных ВБ. При включении БВ, КВ и алкофина в ВБ показатели долговечности не ухудшились по сравнению с результатами для обычного ВБ. Показатели долговечности бетона с 1 % БВ в возрасте 180 сут были выше, а при большем содержании БВ — ​ниже, чем у эталонного ВБ. Ввод волокон БВ оказывает более существенное положительное влияние на показатели долговечности ВБ, чем ввод КВ.

В работе [3] обоснована возможность изготовления бетона, состоя­щего из минеральной цементно-песчаной матрицы и заполнителя в виде измельченной скорлупы кокосовых орехов, определено рацио­нальное сочетание компонентов такого бетона, а также изучены его структура и характеристики.

При изучении механических и термических свойств теплоизоляционного бетона из строи­тельных отходов и переработанной соломы, изготовленного в северной провинции Китая — ​Фуцзянь [4], были выполнены методом конечных элементов компьютерные расчеты для стен из бетона с переработанной соломой и без нее. Результаты моделирования показали, что теплоизоляционные характеристики стен из бетона с соломой на 145 % лучше, чем у стен из не содержащего ее бетона.

В работе [5] показана возможность изготавливать аморфный кремнезем с повышенной реакционной способностью из рисовой шелухи — ​сельскохозяйственных отходов, которые в изобилии доступны в мире. Шелуху промывали соляной кислотой, что позволяло удалить значительную часть примесей щелочных металлов, а также получить при последующем сжигании шелухи в контролируемом режиме золу с аморфной структурой и большей площадью поверхности час­тиц. Такая зола имела более высокую реак­ционную способность по сравнению с обыч­ной золой рисовой шелухи (ЗРШ). Час­тичная замена порт­ландцемента в высококачественных бетонах на ЗРШ, золу с высокой реакционной способностью из рисовой шелухи (ЗВРШ) и обычным микрокремнеземом (МК) показала следующее. Прочность на сжатие бетона с ЗВРШ во всех возрастах была выше (обычно более чем на 20 %), чем у бетона контрольного состава. Прочность на изгиб бетонов с ЗРШ, ЗВРШ и МК была выше проч­ности контрольного образца на 20, 46 и 36 % соответственно.

Авторы работы [6] отмечают, что, поскольку бетон хрупок, изготовленные из него конструкции имеют ограниченный срок службы при воздействии динамических нагрузок. В этом исследовании волокна рисовой соломы (ВРС) использовали для замены искусственных волокон в производстве бетона с улучшенными статическими/динамическими характеристиками и характеристиками защиты от γ-излучения. В разработанных бетонах объемная доля ВРС составляла 0, 0,25, 0,5 и 0,75 %. Определяли следующие статические свойства бетона: проч­ность на сжатие, раскалывание и изгиб. Кроме того, проводили испытания на удар падающим грузом, определяя ударопрочность бетона. Радиационно-защитные характеристики бетона проверяли с помощью теста на линейное затухание. Добавление ВРС в бетон немного повысило прочность на сжатие (до 7,0 %) и значительно — ​прочность на растяжение и изгиб (до 17,1 % и 25,8 % соответственно). Кроме того, благодаря добавлению ВРС был достигнут значительный рост ударной прочности бетона (до 48,6 %) и его способности защищать от γ-излучения (до 7,9 %).

В работе [7] предложена новая гибридная модель искусственной нейронной сети, позволяющая прогнозировать прочность на сжатие бетона, содержащего ЗРШ. Для обучения предлагаемой модели использовали 192 значения прочности на сжатие бетона и 6 входных параметров (возраст и содержание цемента, ЗРШ, суперпластификатора, заполнителя и воды). Для оценки прогностической эффективности новой модели и 5 моделей, разработанных ранее, были приняты 4 статистических индекса, имевшие для новой модели следующие значения: коэффициент детерминации R²—0,9709, учтенное отклонение — ​97,0911 %, средняя квадратическая ошибка — ​3,4489 и средняя абсолютная ошибка — ​2,6451. Предложенная модель обеспечивала более высокую точность прогнозирования, чем модели, разработанные ранее с использованием тех же данных. Результаты оценки чувствительности показы­вают, что возраст бетона, содержащего ЗРШ, — наиболее важный параметр для прогнозирования его прочности на сжатие.

Волокно финиковой пальмы (ВФП) — ​один из распространенных твердых отходов в сельскохозяйственном секторе Саудовской Аравии [8]. Этот материал на основе целлюлозы разлагается под воздействием высоких температур, что приводит к значительной потере прочности и структурной целостности композитов, в составе которых он используется. В работе [8] показано, что использование пуццолановых материалов снижает потерю механических свойств цементных композитов, содержащих ВФП, при высоких температурах. Порошкообразный активированный уголь (ПАУ) дешевле других пуццолановых материалов. Использование ПАУ в качестве добавки к бетону, армированному ВФП, поз­волило уменьшить потери его механической прочности при воздействии повышенной температуры.

Согласно работе [9], биоуголь, побочный продукт пиролиза сельскохозяйственных отходов, может использоваться в качестве устойчивого материала-заменителя обычного силикатного цемента в производстве бетона. В этой работе изучено влияние дозировки и тонины помола биоугля на механические свойства и долговечность биоугольного бетона. Определяли прочность бетона на сжатие и изгиб, стойкость к карбонизации и устойчивость к проникновению хлорид-ионов при различных дозировках биоугля (0, 1, 3, 5, 10 %) и средних размерах его частиц, равных 44,70; 73,28; 750 и 1020 мкм. В качестве контрольной композиции использовался состав с дозировкой биоугля 0 %. Показано, что ввод 1—3 % масс. биоугля может эффективно снизить глубину быстрой карбонизации и коэффициент диффузии хлоридов в бетоне. Прочность бетона на сжатие и изгиб с ростом содержания биоугля сначала увеличивалась, а затем уменьшалась, причем наиболее существенное влияние на механическую прочность бетона оказывал био­уголь со средним размером частиц 73,28 мкм. Было обнаружено, что при дозировке биоугля 3 % масс. повышается степень гидратации це­мента.

В мире ежегодно образуется почти 100 млн т рисовой шелухи — ​дешевого возоб­новляемого сырья с химическим составом, постоянным для данного региона и сорта рас­тения, из которого можно получить около 15 млн т аморфного кремнезема высокой чис­тоты. Успешной утилизации отходов может способствовать применение золы рисовой шелухи в качестве альтернативного материала при производстве бетонов [10—12].

Авторы работы [13] сделали вывод, что ЗРШ в качестве вторичного материала имеет большой потенциал как замена портландцемента в самоуплотняющемся бетоне, позволяющая сохранить механические и эксплуатационные характеристики бетонной смеси и готового бетона в приемлемом диапазоне. Упрочнение бетона происходит на более позднем этапе по сравнению с цементным бетоном. При этом пуццолановая реакция в основном способ­ствует увеличению проч­ности на сжатие бетона в более позднем возрасте путем улучшения межфазной связи между цементным тестом и заполнителем. Кроме того, мельчайшие частицы золы повышают прочность бетона, заполняя промежутки между частицами цемента.

Высокие физико-механические характеристики показал легкий бетон, содержащий костру технической конопли [14]. Данный вид заполнителя не только дешев, но и поз­воляет получить бетон с более высокими показателями прочности и морозостойкости при сравнительно малых теплопроводности и плотности. Синтезированный легкий бетон может использоваться и в виде теплоизоляционных плит, и панелей с низким коэффициентом теп­лопроводности, а также выполнять роль несущей конструкции в виде отдельных блоков или пазогребневых блоков с высокими прочностью и морозостойкостью.

Выводы

Сельскохозяйственные отходы хорошо зарекомендовали себя в качестве добавок в бетон и применяются в нем в виде порошков, волокон, стружки и зернистых сыпучих материалов. В результате их введения в бетон в качестве замены части вяжущего или в дополнение к нему характеристики бетона сохраняются или ухудшаются лишь незначительно в сравнении с обычными традиционными бетонами, а ввод таких отходов в определенных рационально подобранных количествах позволяет улучшить физические, механические свойства и долговечность.

Применение в бетоне таких сельскохозяйственных отходов, как зола рисовой шелухи, биоуголь, банановые и кокосовые волокна, волокна рисовой соломы и финиковой пальмы, конопляная костра, кокосовые орехи, способствует их эффективной утилизации, экономии дорогостоящего вяжущего, снижению углеродного следа и тем самым повышению экологической и экономической эффективности изготовления новых бетонов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Mohamad A., Khadraoui F., Chateigner D., Boutouil M. Influence of porous structure of non-autoclaved bio-based foamed concrete on mechanical strength // Buildings. 2023. Vol. 13. P. 2261. DOI: 10.3390/buildings13092261.

2. Rajkohila A., Prakash Chandar S., Ravichandran P.T. Influence of natural fiber derived from agricultural waste on durability and micro-morphological analysis of high-strength concrete // Buildings. 2023. Vol. 13. P. 1667. DOI: 10.3390/buildings13071667.

3. Stel’makh S.A., Beskopylny A.N., Shcherban’ E.M., Mailyan L.R., et al. Alteration of structure and characteristics of concrete with coconut shell as a substitution of a part of coarse aggregate // Materials. 2023. Vol. 16. P. 4422. DOI: 10.3390/ma16124422.

4. Deng J.-X., Li X., Li X.-J., Wei T.-B. Research on the performance of recycled-straw insulating concrete and optimization design of matching ratio // Sustainability. 2023. Vol. 15. P. 9608. DOI: 10.3390/su15129608.

5. Salas Montoya A., Chung C.-W., Kim J.-H. High performance concretes with highly reactive rice husk ash and silica fume // Materials. 2023. Vol. 16. P. 3903. DOI: 10.3390/ma16113903.

6. Mahdy M.M., Mahfouz S.Y., Tawfic A.F., Ali M.A.E.M. Performance of rice straw fibers on hardened concrete properties under effect of impact load and gamma radiation // Fibers. 2023. Vol. 11. P. 42. DOI: 10.3390/fib11050042.

7. Li C., Mei X., Dias D., Cui Z., et al. Compressive strength prediction of rice husk ash concrete using a hybrid artificial neural network model // Materials. 2023. Vol. 16. P. 3135. DOI: 10.3390/ma16083135.

8. Adamu M., Ibrahim Y.E., Elalaoui O., Alanazi H., et al. Modeling and optimization of date palm fiber reinforced concrete modified with powdered activated carbon under elevated temperature // Sustainability. 2023. Vol. 15. P. 6369. DOI: 10.3390/su15086369.

9. Ling Y., Wu X., Tan K., Zou Z. Effect of biochar dosage and fineness on the mechanical properties and durability of concrete // Materials. 2023. Vol. 16. P. 2809. DOI: 10.3390/ma16072809.

10. Zemnukhova L.A., Panasenko A.E., Artemyanov A.P., Tsoy E.A. Dependence of porosity of amorphous silicon dioxide prepared from rice straw on plant variety // BioResources. 2015. Vol. 10, N 2. DOI: 10.15376/biores.10.2.3713—3723.

11. Pelin G., Pelin C.-E., Ştefan A., Dincă I., et al. Mechanical and tribological properties of nanofilled phenolic-matrix laminated composites // Materiali in Tehnologije. 2017. Vol. 51, N 4. DOI: 10.17222/mit.2016.013.

12. Shi C., Wu Z., Cao Z., Ling T.C., et al. Performance of mortar prepared with recycled cowncrete aggregate enhanced by CO2 and pozzolan slurry // Cement and Concrete Composites. 2018. Vol  86. DOI: 1ww0.1016/j.cemconcomp.2017.10.013

13. Fedyuk R.S., Mochalov A.V., Pezin D.N., Timokhin R.A. Self-compacting concrete using crop wastes // Vestnik SibADI. 2018. Vol. 15, N 2. P. 294—304. DOI: 10.26518/2071—7296—2018—2—294—304.

14. Gavrilenko A.A., Kapush I.R., Lyubin P.A. Application of agricultural industry waste for the synthesis of lightweight concrete // StudNet. 2022. N 4.