Использование бетонного лома в качестве активной минеральной добавки в цемент

РЕФЕРАТ. На основе анализа существующих публикаций и результатов исследований в области вторичного использования отходов, образовавшихся при сносе бетонных сооружений и состоя­щих преимущественно из бетонного лома, а также детального изучения процессов, происходящих при карбонизации и нагревании в цементном камне, авторами статьи предложены методы активации бетонного лома в целях его последующего применения  в качестве активной минеральной добавки в цемент. Показано, что принудительная ускоренная карбонизация — эффективный метод повышения активности бетонного лома, что позволяет в перспективе расширить область вторичного использования данного материала в строительстве.

Ключевые слова: бетонолом, активация лома бетона, карбонизация бетона, пуццоланическая активность, минеральные добавки.

Keywords: concrete waste, concrete waste activation, concrete carbonation, pozzolanic activity, supplementary cementitious materials.

Введение

Строительство всегда считалось важнейшей отраслью экономики, которая при этом интенсивно использует природные ресурсы и образует большое количество отходов и выбросов, оказывая тем самым значительное воздействие на окружающую среду. По имеющимся данным, производство цемента (главного компонента бетона) является источником около 8 % мировых выбросов углекис­лого газа (CO₂), ежегодно поступающих в атмо­сферу [1, 2], а  рост общей массы накоп­ленных в мире отходов в 2050 году по отношению к 2016 году составит по прогнозу 70 % [3]. Почти треть всех отходов в развитых странах — это строительные отходы, их бóльшая часть образуется при сносе зданий и сооружений [4]. Около 40 % таких отходов приходится на лом бетона и железобетона [5]. 

В условиях устойчивого развития глобальной тенденцией стало сокращение выбросов углекислого газа и образования отходов в строительной отрасли [6].

До недавнего времени отходы от разрушения старых конструкций из бетона обычно предназначались для строительства дорог.  Однако в последние годы в развитых и многих развивающихся странах переработанные заполнители из старых бетонных конструкций, применяющиеся на дорогах (в том числе в подстилочном слое последних), постепенно все больше замещаются материалами или отходами более низкого качества [7, 8]. Переработка таких отходов может сократить и потреб­ление новых природных ресурсов, и площади захоронения отходов, которые становятся экологической, экономической и со­циальной проблемой [9, 10].

Мелкую фракцию, образующуюся при производстве вторичных заполнителей, можно использовать (с рядом ограничений) в качестве альтернативного сырья при обжиге порт­ландцементного клинкера [11]. Также ее можно применять как переработанный заполнитель бетона (Fine Recycled Concrete Aggregate, FRCA), что способствовало бы решению проблемы нехватки сырья в строительном секторе за счет превращения лома бетона в ресурс. 

Многие исследователи используют оценку жизненного цикла зданий (Life-cycle assessment, LCA), чтобы определить и сравнить, как воздействуют на  окружающую среду бетон из переработанного заполнителя (Recycled Aggregate Concrete, RAC) и бетон с природным заполнителем (Natural Aggre­gate Concrete, NAC). Использование переработанного порошка в качестве компонента вяжущего материала может уменьшить загрязнение окружающей среды [12, 13]. При этом один из важнейших факторов, замедляющих развитие переработки лома в сырье, — его стоимость. В условиях, когда природные ресурсы для производства бетона (гравий, песок) были доступны для большинства стран мира, использование RAC не давало значительных экономических преимуществ. Однако, с учетом экологического аспекта и развития циркулярной экономики эксплуатацию природных ресурсов и накопление отходов следует сокращать, поэтому RAC занимает все большее место в строительной отрасли [4, 14—17]. 

Использование FRCA в конструкционном бетоне, способствующее развитию экономики замкнутого цикла, позволяет сократить выбросы CO₂, количество захороненных отходов, дефицит сырья и затраты в производстве и строительстве [18]. Накопление отходов и увеличение числа сооружений, которые необходимо снести (в крупных промышленных странах), станут основными движущими силами многих исследований в области альтернативного сырья и новых строительных технологий. Обеспечение новыми материалами, в том числе переработанными, без истощения природных ресурсов позволяет поддерживать устойчивое развитие общества [19], экономить значительное количество энергии, снижать выбросы CO₂, NO_x и других загрязнителей воздуха при производстве заполнителей. В работе [20] указано, что при производстве 1 т природных заполнителей (речного песка и щебня) в атмосферу выбрасывается 23—33 кг CO_2-экв, в то время как при производстве 1 т FRCA из строительных отходов и лома (Construction and Demolition Wastes, CDW) — 12 кг CO_2-экв.

Переработка позволяет повторно использовать уже отработанные материалы вмес­то того, чтобы отправить их на свалки. Это сокращает затраты на утилизацию отходов, которые, вероятно, возрастут из-за налогов на их захоронение. Таким образом, переработка CDW стала фактически стандартом для строи­тельного сектора.

Из-за быстрого роста производства и использования бетона потребление природных заполнителей также возросло. Наиболее широко используются в качестве заполнителей щебень, речной песок и гравий. Однако их количество уменьшается, а добыча приводит к серьезным проблемам окружающей среды во всем мире.

Например, при добыче речного песка изменяется течение воды, размывается береговая линия, создаются тупиковые ответвления русла водотоков и карьеры [21, 22]. С учетом высокого спроса на бетон и негативного влия­ния добычи мелких природных заполнителей (0—4 мм) из рек и морей альтернативные источники приобретают все большее значение.

Некоторые авторы отмечают [15], что сокращая добычу природных заполнителей, можно снизить затраты на благоустройство и биоразнообразие при рекультивации карьеров.

Однако, более широкое применение FRCA на бетонных заводах чрезвычайно ослож­няется рядом проблем, к основным из которых относятся:

• отсут­ствие грамотно разработанных руководств по испытаниям при контроле каче­ства. При этом данный кон­троль в лаборатории должен быть требователен и строг, поскольку эксплуатационные характеристики бетона очень чувствительны к изменениям в физических и химических свойствах FRCA;

• неизвестное происхождение FRCA;

• масштабирование.

Поскольку основную часть CDW (67 %) составляет бетон на портландцементе [16, 24—26], еще одно направление применения таких отходов — их использование в качестве добавки к цементу.

Снижение энергопотребления производства и ресурсосбережение — приоритетные направления современных исследований, направленных на снижение доли клинкера в цементах при их производстве [27]. Поэтому расширение ассортимента используемых на производстве активных минеральных добавок к цементу — актуальная технологическая задача [28]. Это могут быть добавки и минерального, и техногенного происхождения. К последним относятся, например, шлаки, зола-унос и др.

Характер гидратации цементов при вводе в них техногенных добавок может изменяться, так как зачастую последние взаимодействуют с фазами цементного камня [31, 32]. 

Известны способы повышения пуццоланической активности добавок путем термической, химической или механической активации материалов [33]. Кроме того, переход к углеродно-нейтральному бетону к 2050 году включает в себя ряд стратегий, затрагивающих энергоэффективность производства, использование технологий улавливания и хранения CO₂ (Carbon Capture and Storage, CCS) и улавливания и использования углерода (Carbon Capture and Utilization, CCU), замену части клинкера минеральными добавками, эффективное использование цемента и использование переработанного бетона (FRCА) [34, 35]. В связи с этим представляется интересным изучение степени пуццоланической активности бетонного лома, а также способов ее повышения, для использования данного отхода в каче­стве активной минеральной добавки в цемент. В качестве метода повышения пуццоланической активности лома бетона предлагается его ускоренная принудительная карбонизация в специальной установке, а также термо- и механоактивация. 

Анализ расчетных значений изобарно-изотермического потенциала реакций взаимодействия основных фаз цементного камня с углекислым газом [36] показы­вает, что в такой системе могут образоваться ха­рактерные для пуццолановых добавок аморф­ные соединения кремния, алюминия и железа (табл. 1) . Поэтому следует ожидать, что в ходе карбонизации реакционная активность минеральной добавки на основе мелкой фракции бетонного лома будет рас­ти [37—43].

Используемые материалы и методы исследования

Минеральную добавку на основе бетонного лома получали в несколько этапов.

На первом этапе стандартные образцы-кубы бетона класса прочности В30, изготовленного из портландцемента ЦЕМ I 42,5Н ГОСТ 31108—2020 производства компании ЦЕМЕНТУМ (г. Коломна), гранитного щебня и полифракционного кварцевого песка (в соотношении 1 : 2 : 3) со сроком твердения не меньше полугода, измельчали в лабораторной щековой дробилке до наибольшей крупной фракции 10 мм и затем сушили при температуре 100 ± 5 °С.

Далее проводили более тонкое измельчение материала в лабораторной шаровой мельнице с промежуточным сепарированием крупки, которая возвращалась в мельницу на доизмельчение.

После смешивания полученный порошкообразный материал подвергали ускоренной принудительной карбонизации в лабораторном автоклаве (рис. 1) или подвергали термообработке при 200, 500 и 800 °С в лабораторной печи с выдержкой при заданной температуре в течение 2 ч. Температура в рубашке аппарата составляла 70—80 °С, давление углекислого газа 5—6 атм, время выдержки — около 25 ч. Пос­ле повторной сушки пробу измельчали до остатка на сите № 008 около 8 %. 

Рис. 1. Лабораторный автоклав-карбонизатор: 1 — термостат с водой; 2 — термометр;  3 — автоклав (герметичный корпус, с подводом газа в крышке); 4 — редуктор; 5 — баллон с углекис­лотой; 6 — чашки с бетонным ломом

Методы, режимы и условия обработки бетонного лома перед исследованием представлены в табл. 2.

Степень пуццоланической активности опре­деляли двумя способами:

1) согласно ГОСТ Р 56593—2015 по количеству оксида кальция, поглощенного добавкой из насыщенного раствора гидроксида кальция;

2) согласно ГОСТ 25094—2015 по t-критерию — добавка считается активной по проч­ности при сжатии, когда его значение равно или превышает 15, и неактивной (инертной) при его значении менее 15.

Активность добавок по СаО, поглощенному из раствора

Исследуемые добавки сравнивали с измельченным полифракционным кварцевым песком (в качестве эталонной инертной добавки) и метакаолином МКЖЛ-3, полученным из каолиновых глин месторождения Журавлиный Лог (в качестве эталонной по пуццоланической активности добавки). По результатам сравнения (рис. 2), бетонный лом без предварительной обработки (не считая механической активации при его измельчении) может связывать лишь незначительное количество оксида кальция (10,2 мг/г) — в 3 раза больше, чем песок, но приблизительно в 10 раз меньше, чем метакаолин. 

Рис. 2. Степень поглощения СаО из насыщенного раствора Ca(OH)₂ на 1 г минеральных добавок

Тепловая обработка бетонного лома при различных температурах, особенно выше температуры разложения портландита, как правило, снижает пуццоланическую активность. Например, количество СаО, поглощенного из раствора образцом, обожженным при 800 °С, уменьшилось до 1,1 мг/г добавки по сравнению с тем же показателем для необработанного бетонного лома БЛ-необр. (10,2 мг/г добавки). В составе добавки, обожженной при 500 °С, количество СаО, поглощенного из раствора, также меньше (4,6 мг/г добавки), чем у необработанного бетонного лома. Это можно объяснить тем, что в ходе термической обработки при данных температурах не образуются аморфные фазы, повышающие пуццоланическую активность добавки. Наиболее эффективен с точки зрения термической активации бетонного лома обжиг при 200 °С (12,6 мг/г добавки). Однако даже в таких условиях обработки не удалось достичь значимых изменений активности добавки. 

Наибольшую активность показал образец, обработанный углекислым газом (Б/Л-карб.). Степень поглощения СаО из раствора составила 51,2 мг/г добавки, что равняется приблизительно половине активности метакаолина (107 мг/г). Согласно классификации показателей качества активных минеральных добавок в бетоны (см. п. 5.1.6 ГОСТ Р 56592—2015 «Добавки минеральные для бетонов и строительных растворов»), карбонизированный бетонный лом можно отнести к классу добавок со средними пуццоланическими свойствами (30—70 мг СаО/г АМД). Таким образом, активность минеральных добавок на основе бетонного лома можно ускорить путем его принудительной карбонизации.

Однако, определяя пуццоланическую активность по степени поглощения СаО, можно оценить только реакционную способность самой добавки, что не всегда позволяет достаточно точно спрогнозировать свойства цемента, содержащего данную добавку. Поэтому в работе определяли активность добавок и вторым методом — по ГОСТ 25094—2015. 

Определение активности добавки по t-критерию

Портландцемент ЦЕМ I 42,5Н смешива­ли с добавкой в соотношении 1 : 2 в лабораторной мельнице в течение 2 ч. После за­­творения водой при В/Ц = 0,5 из смеси формовали стандарт­ные образцы-балочки размерами 40 × 40 × 160 мм. Формы с образцами накрывали пластинкой и помещали в пропарочную камеру, где выдерживали в течение 120 ± 10 мин при температуре 20 ± 2 °С (при отключенном подогреве). Режим пропарки соответствовал п. 5.3.3 ГОСТ 25094—2015. 

Все составы цемента с минеральными добавками из бетонного лома показали более высокие прочностные характеристики, чем у состава с песком. Полученные значения t- критерия для исследованных добавок приведены в табл. 3. 

Полученные результаты показывают повышенную активность карбонизированного бетонного лома (t-критерий равен 18,6). Остальные способы активации оказались менее эффективными. Таким образом, карбонизированный бетонный лом можно рассматривать как активную минеральную добавку к цементам, о чем свидетельствуют и результаты метода определения активности по количеству поглощенного СаО из насыщенного раствора Са(ОН)₂, и значения t-критерия. 

Заключение

Подтверждена возможность использования активированного бетонного лома в качестве активной минеральной добавки в цемент. Установлено, что пуццоланическая активность у бетонного лома низка — 10,2 мг/г, это всего в 3 раза больше, чем у инертного песка. При ускоренной карбонизации бетонного лома она повышается в 5 раз (до 51,2 мг/г). Таким образом, полученную добавку можно отнести к классу активных минеральных добавок со средней пуццоланической активностью. При термической обработке активность добавки изменяется незначительно, причем с повышением температуры сверх 200 °С пуццоланическая активность начинает стремительно снижаться.

Определение активности добавки бетонного лома по t-критерию (получено его значение, равное 18,6) показало, что карбонизированный бетонный лом можно считать активной минеральной добавкой по прочности на сжатие.  Все составы цемента с минеральными добавками из бетонного лома показали более высокие прочностные характеристики, чем у состава с песком.

ЛИТЕРАТУРА

1. Concrete carbon footprint: how the 8 % rule is harming the planet [Электронный ресурс] URL: https://8billiontrees.com/carbon-offsets-credits/carbon-ecological-footprint-calculators/concrete-ca... (дата обращения 10.11.2024).

2. Singh A., Miao X., Zhou X., Deng Q., et al. Use of recycled fine aggregates and recycled powders in sustainable recycled concrete // J. Building Engin. 2023. Vol. 77. P. 107370. 

3. Шилкина С.В. Мировые тенденции управления отходами и анализ ситуации в России // Отходы и ресурсы 2020. Т. 7, № 1 [Электронный ресурс] URL: https://resources.today/PDF/05ECOR120.pdf (дата обращения 10.11.2024).

4. Владимиров С.Н. Проблемы переработки отходов строительной индустрии // Системные технологии. 2016. № 19. С. 103.

5. Wilson D.C., Rodic L., Modak P., Soos R., et al. Global waste management outlook // Report. UNEP, 2015 [Электронный ресурс] URL: https://eprints.whiterose.ac.uk/99773/ (дата обращения 30.01.2025).

6. Environmental impacts of cement production [Электронный ресурс] URL: https://environmentgo.com/environmental-impacts-of-cement-production/ (дата обращения 10.11.2024).

7. Le béton recyclé / De Larrard F., Colina H. (Dir.). Marne-la-Vallée: Ifsttar, 2018. 792 p.

8. Le H.-B., Bui Q.-B. Recycled aggregate concretes — A state-of-the-art from the microstructure to the structural performance // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 257. P. 119522.

9. Braymand S., Ferraille A., Serres N., Idir R. Analyse du cycle de vie du béton de GBR // Le béton recyclé. De Larrard F., Colina H. (Dir.). Marne-la-Vallée: Ifsttar, 2018. P. 601—631.

10. Bui Q.-B., Morel J.C., Tran V.H., Hans S., et al. How to use in-situ soils as building materials // Proc. Eng. 2016. Vol. 145. P. 1119—1126.

11. Schoon J., De Buysser K., Van Driessche I., De Belie N. Fines extracted from recycled concrete as alternative raw material for Portland cement clinker production // Cement and Concrete Composites. 2015. Vol. 58. P. 70—80. 

12. Zhu P., Mao X., Qu W., Li Z., et al. Investigation of using recycled powder from waste of clay bricks and cement solids in reactive powder concrete // Construction and Building Mater. 2016. Vol. 113. P. 246—254. 

13. Zhang Y., Luo W., Wang J., Wang Y., et al. A review of life cycle assessment of recycled aggregate concrete // Construction and building materials. 2019. Vol. 209. P. 115—125. 

14. Pacheco-Torgal F., Ding Y. Handbook of recycled concrete and demolition waste. Woodhead Publishing Ltd, 2013. 

15. Tam V.W.Y., Soomro M., Evangelista A.C.J. A review of recycled aggregate in concrete applications 2000–2017 // Construction and Building Mater. 2018. Vol. 172. Р. 272—292.

16. Behera M., Bhattacharyya S.K., Minocha A.K., Deoliya R., et al. Recycled aggregate from C&D waste & its use in concrete — a breakthrough towards sustainability in construction sector: a review // Construction and Building Mater. 2014. Vol. 68. Р. 501—516. 

17. Butera S., Christensen T.H., Astrup T.F. Life cycle assessment of construction and demolition waste management // Waste Manage. 2015. Vol. 44. P. 196—205. 

18. Nedeljković M., Visser J., Šavija B., Valcke S. et al. Use of fine recycled concrete aggregates in concrete: A critical review // J. Building Eng. 2021. Vol. 38. P. 102196. 

19. Pacheco-Torgal F. Eco-efficient construction and building materials research under the EU Framework Programme Horizon 2020 // Construction and Building Mater. 2014. Vol. 51. P. 151—162.

20. Hossain M.U., Poon C.S., Lo I.M., Cheng J.C. Comparative environmental evaluation of aggregate production from recycled waste materials and virgin sources by LCA // Resources, Conservation and Recycling. 2016.  Vol. 109. P. 67—77.

21. UEPG Annual review 2019—2020 [Электронный ресурс] URL: https://www.aggregates-europe.eu/wp-content/uploads/2023/03/UEPG-AR20192020_V13_03082020_spreads.pdf (дата обращения 10.11.2024).

22. Lu J. X., Shen P., Zheng H., Zhan B., et al. Synergetic recycling of waste glass and recycled aggregates in cement mortars: physical, durability and microstructure performance // Cement and Concrete Composites. 2020. P. 103632.

23. Andrade G., Polisseni G., Pepe M., Filho R.D.T. Design of structural concrete mixtures containing fine recycled concrete aggregate using packing model // Construction and Building Mater. 2020. Vol. 252. P. 119091.

24. Akhtar A., Sarmah A.K. Construction and demolition waste generation and properties of recycled aggregate concrete: A global perspective // J. of Cleaner Production. 2018. Vol 186. P. 262—281.

25. Rao A., Jha K.N., Misra S. Use of aggregates from recycled construction and demolition waste in concrete. // Resources, Conservation and Recycling. 2007. Vol. 50, N 1. P. 71—81.

26. Huang B., Wang X., Kua H., Geng Y., et al. Construction and demolition waste management in China through the 3R principle // Resources, Conservation and Recycling. 2018. Vol. 129. P. 36—44.

27. Булаев В.Г., Кувшинов Д.Ю., Гущин Н.В. Утилизация строительных отходов // Управление техносферой. 2020. Т. 3. С. 261—261.

28. Коровкин М.О. Шестернин А.И., Ерошкина Н.А. Использование дробленого бетонного лома в качестве заполнителя для самоуплотняющегося бетона // Инженерный вестн. Дона. 2015. С. 3—5.

29. Украинский И.С., Майорова Л.П., Саликов Д. А., Шевчук А.С. и др. Повторное использование бетонного и кирпичного лома в качестве заполнителей в бетон // Вестн. РУДН. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2023. Т. 31, № 2. С. 291—301.

30. Тыртыгин В.Н., Скрипник В.П., Собгайда Н.А., Шайхиев И.Г. Получение вяжущих и сырьевой шихты из бетонного лома // Вестн. Казанского технол. ун-та. 2015. Т. 18, № 7. С. 203—207.

31. Щеулов Р.И. Влияние добавок тонкомолотого бетонного лома на прочность мелкозернистых бетонов // Изв. Петербургского ун-та путей сообщения. 2012. № 1 (30). С. 117—120.

32. Лесовик Р.В., Ахмед А.А.А., Аль Мамури С.К.Ш., Гунченко Т.С. Композиционные вяжущие на основе бетонного лома // Вестн. Белгородского гос. технол. ун-та им. В.Г. Шухова. 2020. № 7. С. 8—15.

33. Смольская Е.А., Потапова Е.Н., Корчунов И.В., Сивков С.П. Свойства геополимерного цемента на основе термоактивированных глин // Цемент и его применение. 2024. № 1. С. 50—54. 

34. IEA, WBCSD. Technology Roadmap: Low-carbon transition in the cement industry [Электронный ресурс]. URL: https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry (дата обращения 20.11.2024).

35. Barbhuiya S., Kanavaris F., Das B.D., Idrees M. Decarbonising cement and concrete production: Strategies, challenges and pathways for sustainable development // J. of Building Eng. 2024. Vol. 86, N 1. P. 108861. 

36. Медицкая К.С., Сивков С.П. Получение активных минеральных добавок к цементам из бетонолома // Успехи в химии и химической технологии. 2022. Т. 36, № 3. С. 102—105.

37. Сивков С.П. Корчунов И.В., Потапова Е.Н., Дмитрие­ва Е.А. и др. Термодинамическая оценка активности соединений в цементах карбонатно-гидратационного твердения // Стекло и керамика. 2022. Т. 9, № 9. С. 34—43.

38. Lippiatt N., Ling S. Combining hydration and carbonation of cement using super-saturated aqueous CO₂ solution // Construction and Building Mater. 2019. Vol. 229. P. 116825.

39. Neves Junior A., Filho T.R.D., Fairbairn E.M.R., Dweck J. CO₂ sequestration by high initial strength Portland cement pas­tes // J. of Thermal Analysis and Calorimetry. 2013. Vol. 113, N 3. P. 1577—1584.

40. Korchunov I., Potapova E. Phase composition of СО₂-har­dened cement in the presence of chloride ions // Materials Today: Proc. 2021. Vol. 38. P. 1963—1967.

41. Zhan B.J., Xuan D.X., Poon C.S., Shi C.J. Mechanism for rapid hardening of cement pastes under coupled CO₂-water curing regime // Cement and Concrete Composites. 2019. Vol. 97. P. 78—88.

42. Pan S.Y., Lai B., Ren Y. Mechanistic insight into mineral carbonation and utilization in cement-based materials at solid–liquid interfaces // RSC Advances. 2019. Vol. 9, N 53. P. 31052—31061.

43. Корчунов И.В., Морозов А.Н., Прохоров А.С., Ивлиева Е.Ю. Использование бетонолома для производства мелкоштучных изделий карбонатного твердения // Цемент и его применение. 2023. № 4. С. 54.