Анализи

Възможности за влагане на едър добавъчен материал от рециклирана керамика за направата на конструктивни бетони: якостни свойства

Инж. ас. Боян Петров, доц. д-р Румяна Захариева, УАСГ С приемането на Закона за управление на отпадъците (юли 2012 г.) и Наредбата за управление на строителните отпадъци и за влагане на рециклирани строителни материали (НУСО, ноември 2012 г.) у нас се въведоха европейските цели при управление на строителните отпадъци - 70% степен на материално оползотворяване към 2020 г. Строителната керамика, с кодове 17 01 02 и 17 01 03, е сред най-масовите строителни отпадъци у нас (около 14% от общото им количество според Националния стратегически план за управление на строителните отпадъци, 2011г.), поради което тя е от целевите групи на строителните отпадъци – тези, към чието материално оползотворяване са поставени специфични цели, които плавно нарастват от 30% до 70% в периода 2014 – 2019 г. (табл.1). Тези цели налагат да се търси решение за по-широко използване на рециклираните материали от строителна керамика, например за направата на бетон, още повече че в строежите с публично финансиране трябва да се влагат определен процент рециклирани материали (по Приложение №10 от НУСО). Приложение на рециклираната керамика в строителството Според Pacheco и Jaliali [1] керамичните отпадъци се разделят на две категории в зависимост от източника на суровините. В първата категория влиза т.нар. червена керамика, състояща се от тухли, керемиди и др. Втората категория е т.нар. бяла керамика от плочки с по-плътен череп (полупорцелан и порцелан) и санитарна керамика. Керамичните отпадъци могат да бъдат влагани като пълнител в цимента и/или като добавъчен материал в бетона, но всяка от горните категории има специфична област на оползотворяване, тъй като има различен ефект върху свойствата на бетонната смес и бетона. Например според МеШпа и др. [2] добавянето на смляна санитарна керамика намалява времето за свързване на цимента и прави сместа по-подвижна, докато смляната строителна керамика увеличава времето за свързване и намалява подвижността на смесите. Едрата фракция с размер над 4 тт служи за пълно или частично заместване на естествения едър добавъчен материал (ЕДМ). Фракцията с размер до 4 тт може да замества частично или напълно пясъка. Не са еднозначни резултатите по отношение на ефекта от влагане на трошен пясък от керамика върху якостта на натиск и якостта на опън при огъване – според [3] тези показатели намаляват при образци на възраст 28 дни, в сравнение с конвенционални състави, но ако замяната е до 50%, намалението се компенсира до голяма степен в по-късна възраст (180 дни). При частична или пълна замяна на естествения ЕДМ с трошен камък от керамика с подходяща зърнометрия не се наблюдават значителни разлики в якостите. В своите изследвания Cachim и Suzuki [4, 5] получават по-високи резултати за якостите на натиск при замяна до 20%, което се дължи вероятно на благоприятния ефект на керамиката да служи като резервоар и да отдава влага към циментовия камък, с което допринася за по-добрата му хидратация – ефект, който по тази причина е наречен internal curing. Така скоростта на набиране на якост в по-късна възраст е по-висока в сравнение с тази при бетоните с обикновени ЕДМ. Според други изследвания [6] с увеличаване на количеството на ЕДМ от трошени тухли се наблюдава значително намаляване на якостта на натиск (до 45% при 100% замяна на ЕДМ с такъв от трошени тухли) и малко по-слабо изразено при якостта на опън при (до 26%). Известно намаляване се отчита и при еластичния модул, тъй като при керамиката той е по-нисък от този на скалните материали, използвани като трошен камък за направата на конвенционални бетони. Експериментална постановка и резултати Използван е цимент СЕМ II А-V 42,5К. Той отговаря на изискванията на БДС ЕN 197-1 „Цимент. Част 1: Състав, изисквания и критерии за съответствие за обикновени цименти“. Използван е речен пясък от кариера „Кривина“, отговарящ на изискванията на БДС ЕN 12620:2002 +А1:2008^А:2008. Химическата добавка е поликарбоксилатен суперпластификатор GLENIUM 51, продукт на фирма BASF. Използвани са, съгласно БДС ЕМ 12620 +А1, два вида едър добавъчен материал: – Естествен ЕДМ: трошен камък от кариерата в с. Студена, фракция 4/11,2 тт. – Рециклиран ЕДМ: рециклиран трошен камък от груба строителна керамика, фракция 4/11,2 тт - фиг.1. Тъй като в момента няма редовно производство на рециклиран трошен камък от строителна керамика, е използван т.нар. моделен трошен камък. Той е произведен от зидарийни тела (тухли) на 3-ма различни производители на строителна керамика (табл. 2.), при използване на технологиите за рециклиране на строителни отпадъци (с мобилна роторна трошачна машина на площадката в кв. „Враждебна”, оператор „Софинвест“). Този подход дава възможност да се установи влиянието на физико-механичните свойства на строителната керамика върху свойствата на рециклирания ЕДМ, като се избегне влиянието на редица нежелани примеси (от зидарийни разтвори, мазилки и др.). За разлика от естествения трошен камък, който има пренебрежимо малка абсорбция на вода (под 0,5%), при изследваната керамика абсорбцията достига до 18%. Тази водопопиваемост следва да се отчита при изготвянето на състави с рециклиран керамичен трошен камък, тъй като тя води до съществено понижение на обработваемостта на смесите. В табл. 2 са показани резултатите от изпитванията за абсорбция на вода на различните видове строителна керамика, от която е произведен рециклиран трошен камък. Изпитването е проведено съгласно БДС ЕN 1097-6, като абсорбцията е определяна след 30 секунди, на 1-вата, 5-ата и 15-ата минута и след 24 часа. Прави впечатление, че поради характера на поровото пространство (едри пори и капиляри) още на първата минута повечето от откритите пори се запълват с вода и абсорбцията достига до около 14 – 15%, като до 5-ата минута тя нараства само с още с 1 - 1,5%. След това до 24-тия час водопопиваемостта се повишава до 17 – 18,5%. За целите на настоящото изследване е използван рециклиран трошен камък от тухли, произведени от Багренци. Представени са резултатите за 4 състава на бетон, от които един референтен (без заместване на естествения ЕДМ) и три съответно с 20%, 60% и 100% замяна на ЕДМ с трошен камък от рециклирана керамика – табл. 3. Съставите са проектирани по метода на плътните обеми, като е спазена препоръката при проектиране на леки бетони отношението по обем между пясъка и ЕДМ да бъде в границите 1,5 - 1,8 [7]. Всички състави са с еднакво количество на цимента и водоциментно отношение. Проектният клас по якост на натиск е С25/30. Обработваемоста на всички състави е проектирана за клас 82 (50 – 90 тт). При изготвянето на бетони с еднакви консистенции, В/Ц и съдържание на цимент единственото средство за контролиране на консистенцията е количеството на пластифисиращата добавка, което води до различното й количество при съставите с различно съдържание на рециклиран трошен камък. С оглед преодоляване на проблемите с обработваемостта, предизвикани от абсорбцията на вода от рециклираните материали и тяхната по-грапава и ъгловата повърхност, е приложено предварително омокряне на трошения камък с 14% вода от неговата маса. Тази вода, съгласно постановките на БДС ЕN 206-1 за ефективно водно съдържание, не се взема предвид при изчисляване на водоциментното отношение. Съставите са забъркани в гравитачен бетоносмесител с максимален обем 120 т3. До момента на изпитване отлежават при стандартни условия, съгласно БДС ЕN 206-1. Установено е, че с нарастване на съдържанието на рециклиран ЕДМ якостта на натиск намалява – на 7-ия ден това намаление е съответно 8%, 20% и 31% за съставите с 20%, 40% и 100% заместване на естествения с рециклиран ЕДМ - фиг. 2. В по-късна възраст (28-и ден), относителното понижение в якостите при съставите с рециклирана керамика е отчасти компенсирано и не надвишава 21% - очевидно рециклираният добавъчен материал съдейства за по-добро протичане на процесите на хидратация, отдавайки влага към циментовия камък, при което се подобрява и сцеплението между тях - т.е. проявява се ефектът на т.нар. internal curing. Заключение и насоки за бъдещи изследвания С използването на трошен камък от рециклирана строителна керамика за направата на бетон могат да бъдат успешно решени редица задачи, свързани с управлението на строителните отпадъци. Проектирането на състава и изготвянето на бетонните смеси изисква да се отчитат особеностите на керамичния рециклиран трошен камък. Частичната замяна, до 60%, на естествения с рециклиран трошен камък не води до съществено понижение в якостта на натиск. Дори и при 100% замяна е възможно да се произвеждат конструктивни бетони клас С25/30 без необходимост - за разлика от леките бетони, от завишаване на количеството цимент. В същото време тези бетони имат обемна плътност във въздушно сухо състояние с 2,5 до 18% по- ниска, което е значително предимство, тъй като води до намаляване на собственото тегло на конструктивните елементи. Предстои изследването и на други аспекти от поведението на бетоните, съдържащи рециклирани керамични добавъчни материали, като модул на еластичност, съсъхване, процес на карбонизация и сцепление с армировката, за да бъдат очертани адекватните области на приложение на тези бетони. ЛИТЕРАТУРА 1. Pacheco-Torgal F, Jalali S. Reusing ceramic wastes in concrete. Constr Build Mater. 24(5):832–838, 2010 r. 2. Medina C. Banfill P.F.G., Sánchez de Rojasa M.I., Fríasa M. Rheological and calorimetric behaviour of cements blended with containing ceramic sanitary ware and construction/demolition waste. Constr. and Building Materials, Volume 40, March 2013. 3. Ledesmaa E.F, Jiméneza. J.R, Ayusoa J, Fernándezb J.M, Britoc J. Maximum feasible use of recycled sand from construction and demolition waste for eco-mortar production – Part-I: ceramic masonry waste. Journal of Cleaner Production, 2014. 4. Cachim P.B. Mechanical properties of brick aggregate concrete. Constr Build Mater 23(3):1292–1297, 2009. 5. Suzuki M, Meddah MS, Sato R. Use of porous ceramic waste aggregates for internal curing of high-performance concrete. Cem Concr Res 39(5):373–381, 2009. 6. Brito J, Pereira AS, Correia JR. Mechanical behaviour of non-structural concrete made with recycled ceramic aggregates. Cement Concr Compos 27(4):429–433, 2005. 7. Arnould M., Virlogeux M. Granulats et bétons légers. EAN13: 9782859780869, 1986.