Способ изготовления мелкоштучных изделий строительного назначения Российский патент 2025 года по МПК C04B18/04 C04B18/167 C04B24/02 C04B28/04 C04B40/02 B28B1/04 B28B11/24 

Область техники

Изобретение относится к области переработки отходов и может найти свое применение при производстве мелкоштучных строительных изделий, в частности, строительного кирпича.

Уровень техники

Как известно, ежегодно в мире образуются миллионы кубических метров бетонных и железобетонных отходов. А ожидаемый ежегодный прирост бетонолома, образующегося при сносе жилых сооружений и других конструкций в России приравнивается к десяткам миллионов тонн и составляет 9,5% (Т.Г. Галимзянова, Е.В. Шилова. Технологии переработки отходов строительства и сноса // Вестник ПНИПУ. Прикладная экология. Урбанистика. 2021. № 4 с. 116-126).

Как следствие, существует нарастающая проблема утилизации таких отходов, при этом отсутствие мотивации для проведения таких работ обусловлено, в частности, отсутствием единых и повсеместных систем переработки данных видов отходов и существенными затратами на их проведение. К преимущественному виду обращения с бетонными отходами относятся такие направления, как утилизация путем захоронения в карьерах или же строительство временных дорог (С.П. Олейник. Строительные отходы при реконструкции зданий и сооружений // Интернет-журнал «Отходы и ресурсы» Том 3, 2016. №2 с. 1-10).

Традиционно, бетонами называют композиционные материалы, состоящие из вяжущего компонента (цемента), заполнителя и наполнителя, а также различных химических модификаторов, взятых в определенных пропорциях. При взаимодействии с водой, образующаяся бетонная смесь со временем теряет свою подвижность переходит в камневидное состояние. Цемент является активной составляющей бетона: в результате его реакции с водой образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит (Ю.М. Баженов, А.Г. Комар. Технология бетонных и железобетонных изделий // Москва. Стройиздат. 1984).

Из уровня техники известны способы изготовления бетонных изделий, предусматривающие использование в качестве заполнителя отходов строительной промышленности. Например, известна сырьевая смесь, в качестве заполнителя в которой использован, в том числе, бой кирпича (RU 2331606 C1, 20.08.2008). Вместе с тем, без какой-либо дополнительной обработки, смесь с использованием боя кирпича по своим свойствам практически ничем не отличается от общеизвестных смесей, в которых в качестве заполнителя используется щебень, гравий и т.п.

Также известно, что процесс производства цемента включает две основные стадии, при которых происходит выделение углекислого газа: 1) обжиг известняка; 2) сжигание твердого топлива во вращающихся цементных печах. Обе процедуры составляют 90% от общего объема выброса углекислого газа в атмосферу в процессе производства цемента. Так, на 1 тонну произведенного цемента приходится приблизительно 900-1000 килограммов СО₂ (Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 8 - 2022).

Таким образом, процесс производства цемента связан с существенной эмиссией углекислого газа, являющегося объектом климатического регулирования, вследствие чего существует задача по его утилизации.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи по созданию эффективного способа переработки разного типа строительных отходов, образующихся в процессе демонтажа старых зданий (далее - бетонолом) строительной индустрии, позволяя при этом получить мелкоштучные изделия строительного назначения, обладающие улучшенными физико-механическими характеристиками относительно традиционного силикатного кирпича.

По результатам проведенных исследований, как это показано в нижеследующем описании, получены результаты, на основании которых возможно проводить переработку бетонолома посредством обработки углекислым газом спрессованных изделий заданной формы, обладающих повышенными прочностными характеристиками.

Таким образом, при своем осуществлении, изобретение позволяет обеспечить достижение технических результатов, заключающихся в расширении области применения строительных отходов с одновременной утилизацией углекислого газа цементных производств промышленности и повышении прочности и долговечности бетонных изделий.

Раскрытие изобретения

Для достижения следующих из описания технических результатов предлагается способ изготовления мелкоштучных изделий на основе бетонолома, включающий несколько этапов:

1. Измельчение бетонолома до прохождения через сито с ячейкой 0,2 мм;

2. Гомогенизация смеси (добавление 5 мас.% портландцемента, содержащего известняк);

3. Затворение водой при В/Т = 12 %. В воде затворения растворяется химическая водоудерживающая добавка на основе эфира целлюлозы добавка в количестве 0.1 мас.%;

4. Прессование смеси в форме при давлении 300 кгс/см² в течении 60 с;

5. Обработка углекислым газом (карбонизация) спрессованных полуфабрикатов при температуре 60-80°С, давлении углекислого газа 8 атм и относительной влажности 90-99 %;

6. Выдержка изделий в воздушно-влажных условиях.

В дополнительном варианте осуществления способ предусматривает затворение смеси водой, насыщенной углекислым газом.

В следующем разделе описания представлены подробные сведения в отношении осуществления изобретения и приведено теоретическое и экспериментальное подтверждение достижения указанных технических результатов.

Осуществление изобретения

Измельченный бетонный лом представляет из себя смесь основных кристаллогидратов цементного камня с инертным гравийным и базальтовым заполнителем и песком. В ходе карбонизации происходит образование карбонатного каркаса, в основном образующегося за счет реакции углекислого газа с гидратными фазами цементного камня. Карбонатное твердение осуществляется за счет поглощения и связывания углекислого газа материалом и в ряде случаев может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на физико-механические свойства строительных композитов, вызывая коррозию. Так, например, карбонизация композитов на основе гашеной извести за счет перекристаллизации ее в плотный и прочный СаСО₃ повышает их механическую прочность и долговечность, а карбонизацию цементного камня в большинстве случаев воспринимают как фактор, негативно влияющий на долговечность и прочность строительных материалов на его основе, однако при повторной гидратации коррозионное воздействие окружающей среды будет нивелировано. В то же время установлено, что вторичный карбонат кальция, образующийся при взаимодействии углекислого газа и свободного гидроксида кальция, способствует повышению атмосферостойкости и таким образом положительно влияет на сроки эксплуатации цементных бетонов при условии отсутствия в них армирующих металлических изделий. Карбонизированный слой в этом случае выступает в качестве барьера на поверхности материала, уплотняющего поверхность бетона и уменьшающего его проницаемость.

При осуществлении изобретения основной компонент - бетонолом был получен из бетона класса прочности B 30 путем дробления кусков размером 3-5 см в щековой дробилке с дальнейшим помолом в шаровой мельнице.

Основными фазами отсевов дробления бетонного лома являются: кварц, кальцит, частично закристаллизованный тоберморитоподобный гидросиликат кальция, портландит Са(ОН)₂, гидроферриты кальция, твердые растворы комплексных соединений и др. Все фазы, входящие цементной составляющей при нормальной температуре способны вступать в реакции карбонизации с образованием в качестве конечных продуктов СаСО₃ и аморфных SiO₂ и Al(OH)₃, о чем свидетельствуют отрицательные значения изобарно-изотермического потенциала химических реакций карбонизации основных минералов бетонного лома.

В результате карбонизации происходит диссоциация СО₂ в воде до СО₃^2- и Н⁺. Образующиеся карбонат-ионы участвуют в гидратации портландцемента, в результате чего способны образовываться такие фазы как моногидрокарбоалюминат кальция (С₃А*СаСО₃*11Н₂О) и карбонат кальция (СаСО₃). Морфология кристаллов карбоалюминатов, как и остальных гидроалюминатов типа AFm представлена гексагональными пластинками, в то время, как внешний вид карбоната кальция может быть различным и в первую очередь обусловлен его модификацией (кальцит, арагонит, ватерит).

При карбонизации в заданных условиях основная часть карбоната кальция уже при 80°С переходит в состояние кальцита. Частицы СаСО₃, содержащиеся в цементе, являются центрами и подложками кристаллизации гидратных новообразований, способствуют преимущественному росту кристаллогидратов в порах, а не только на поверхности частиц исходного цемента, что приводит к зарастанию капиллярных пор и уплотнению структуры.

Также в результате карбонизации гидросиликатов различного состава при протекании обменных реакций с СО₃^2- может наблюдаться образование аморфного SiO₂, а при карбонизации гидроалюминатов может образовываться Al(OH)₃. Кремнезем вступает во взаимодействие с фазами цементного камня, образуя гелеобразный слой низкоосновных гидросиликатов, сцепляющий частицы бетонолома между собой. Гидроксид алюминия обладает хорошей реакционной способностью и тоже способен к образованию гидроалюминатов. Реакция карбонизации безводных фаз клинкерных минералов может протекать с увеличением объема вторичных фаз. Таким образом, можно видеть, что карбонизация приводит к заполнению межзернового пространства и более прочному сцеплению частиц бетонолома, чем в составе без карбонизации.

Вместе с тем, грубо помолотый бетонный лом карбонизироваться не будет, поскольку находящиеся в прямой доступности для вероятной карбонизации фазы уже прошли карбонизацию углекислым газом воздуха за время эксплуатации бетонного сооружения.

Таким образом, необходимо определить оптимальную гранулометрию частиц для создания матрицы, являющейся основой для образования плотной структуры. Тонкость помола варьировалась с помощью замены мелящих тел в барабане цементной мельницы, изменению времени обработки бетонолома. Результирующая тонкость помола составила: образец 1 - 0,2 мм; образец 2 - 0,1 мм.

Прочность на сжатие образцов с одинаковым содержанием цемента (5%) при одинаковом давлении прессования Р = 300 кгс/см² (без добавки) и одинаковом времени карбонизации (4 часа) при одинаковой температуре 40°С составила для образца 1 - 6,8 МПа, для образца 2 - 6,0 МПа. Таким образом, получен результат, на основании которого сделан вывод о том, что избыточное измельчение не является целесообразным и использование помола тонкостью 0,2 мм позволяет повысить прочность изготовленного изделия.

Далее измельченный бетонолом перемешивался с портландцементом (5%) с известняком (ЦЕМ II/А-И 42,5Н ГОСТ 31108-2020) в шаровой мельнице в течение 30 минут. Выбор цемента данного типа основан на том, что частицы известняка в данной смеси служат дополнительными центрами кристаллизации минералов, получаемых в процессе карбонизации, что ускоряет химическую реакцию и увеличивает степень превращения цементных минералов в прочную структуру.

Результаты испытаний прочности на сжатие образцов с различным содержанием цемента после обработки углекислым газом представлены на фиг. 1. На их основании следует вывод о том, что увеличение содержания цемента в составе выше 5% не способствует существенному увеличению прочности и является нецелесообразным.

Для обеспечения процесса гидратации цемента смесь бетонолома с цементом необходимо затворить некоторым количеством воды. Недостаток воды не позволит образовать прочную структуру цементного камня, а ее избыток приведет к водоотделению, что негативно скажется на уплотнении изделия в процессе прессования.

Результаты определения оптимального количества воды затворения для получения наиболее прочных образцов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Прочность образцов в зависимости от водотвердого отношения

№ исп. В/Т, % Прочность, МПа 1 10 5,6 2 12 7,3 3 14 6,7 4 16 6,2

Бетонный лом достаточно гидрофилен и способен удерживать воду за счет физического взаимодействия между частицами бетона и воды. Однако при его избытке в процессе прессования наблюдается сильное водоотделение. Установлено, что оптимальным соотношением В/Т является 12%. При добавлении данного количества воды водоотделение при прессовании составляет не более 1%. В образцах, приготовленных с меньшим водотвердным отношением, на этапе прессования не достигалась максимальная плотность образцов, а при избытке воды наблюдалось сильное водоотделение, в результате смесь становилась переувлажненной и непригодной для прессования.

Кроме того, при проведении экспериментов было обнаружено, что введение в смесь добавки в виде эфира целлюлозы приводит к повышению прочности образцов в процессе карбонизации Определение прочностных характеристик проводилось на автоматическом прессе, а в качестве добавок были рассмотрены суперпластификатор MasterGlenium 115 (П) и эфиры целлюлозы (ЭЦ).

В качестве испытуемых составов выбраны 3 состава бетонолома с цементом ЦЕМ II АИ с различными добавками:

1. основа БЛ: 5% ЦЕМ II АИ с 1% П

2. основа: БЛ: 5% ЦЕМ II АИ с 0,1% ЭЦ

3. основа БЛ: 5% ЦЕМ II АИ с 1% П и 0,1% ЭЦ

4. основа БЛ: 5% ЦЕМ II АИ.

Исходя из полученных данных (фиг. 3), можно сделать вывод об эффективности эфира целлюлозы. В составе с эфирами целлюлозы наблюдалось минимальная потеря массы при прессовании, что говорит о минимальном водоотделении, а добавление пластификатора в количестве 1% уменьшает прочность изделий, что говорит о неэффективности добавки.

Свойства составов с добавкой эфира целлюлозы были изучены более подробно.

Содержание влаги в бетонной смеси непосредственно влияет на прочность, плотность и долговечность материала после его окончательного затвердевания. Избыточная концентрация воды может приводить к увеличению объема межзернового пространства, из-за чего ослабевают связи между составляющими стройматериала. Водоредуцирующие добавки позволяют достичь следующих целей: обеспечить необходимую подвижность раствора при меньшем содержании воды; снизить риск возникновения трещин из-за усадки; облегчить процесс перемешивания бетонного состава; уменьшить расход цемента.

Полученные результаты в зависимости от выбранных концентраций приведены в таблице 2.

Таблица 2. Прочность образцов в зависимости от концентрации ЭЦ.

№ исп. ЭЦ, % масс Прочность, МПа 1 0 7,01 2 0,05 7,6 3 0,1 8,05 4 0,2 7,89 5 0,5 8,2

Исходя из полученных данных можно сделать вывод о том, что 0,1% эфира целлюлозы является эффективной добавкой и позволяет повысить прочность изделий на 12-15%.

Для улучшения прочностных характеристик необходимо определить оптимальное давление прессования. Следует учитывать, что слишком низкое давление прессования приведет к снижению прочности в связи с недостаточной адгезией материала. При этом образованных в результате реакции карбонизации карбонатов различного состава может не хватить для сцепления всего объема изделия в единую композицию. В составе присутствует определенный % воды, часть которой необходима для процесса гидратации и связывания минералов цементного камня как в самом цементе, так и в бетонном ломе, поскольку при помоле бетонного лома на поверхности материала могут оказаться негидратированные минералы. Избыточное давление прессования также может снизить прочность получаемого изделия из-за чрезмерного вытеснения воды из состава. Также при слишком большом давлении прессования плотность материала увеличивается, что затрудняет диффузию углекислого газа через поверхностный слой.

Было установлено (фиг. 2), что наибольшие показатели прочности имеет состав, спрессованный при давлении 300 кгс/см² в течение 60 с. Дальнейшее увеличение давления приводит к уменьшению прочности, что, как уже было указано выше, может быть вызвано выдавливанием критического количества воды из изделия. Таким образом установлено, что оптимальным давлением прессования является прессование при 300 кгс/см².

Следующим этапом проведения испытаний стало определение оптимальных условий карбонизации. В автоклаве карбонатного твердения существует два изменяемых параметра - это температура карбонизации и давление углекислого газа. Было проведено исследование влияния температуры карбонизации на прочность полученных образцов. Результатом эксперимента стал предварительный вывод об оптимальной температуре карбонизации. Был использован состав с добавлением 5% цемента ЦЕМ II АИ. В качестве добавки использовались эфиры целлюлозы в количестве 0,1%. Карбонизацию проводили при температурах от 20 до 80°C, в реакторе поддерживалось избыточное давление углекислого газа.

Исходя из полученных данных (фиг. 4) можно сделать вывод о том, что температура карбонизации напрямую влияет на скорость реакции, что в свою очередь объясняет повышение прочности образцов сразу после извлечения из автоклавной установки при увеличении температуры карбонизации. Оптимальной температурой карбонизации является 60°С, т.к. при увеличении температуры выше 60°С изменения прочностных характеристик не так значительны, как до этой границы, и находятся в рамках погрешности эксперимента.

Вторым оптимизируемым параметром карбонизации является значение давления углекислого газа, поэтому была исследована зависимость прочности образца от давления газа при карбонизации. Подбор оптимального давления карбонизации проводили при температуре равной 60°C. В результате эксперимента сделан предварительный вывод об оптимальном давлении карбонизации.

В составе присутствовало 5% цемента ЦЕМ II/А-И 42,5Н. В качестве добавки использовали эфиры целлюлозы. Эфиры целлюлозы были добавлены в количестве 0,1%. Карбонизацию проводили при избыточном давлении от 1 до 8 атмосфер и относительной влажностью 98%.

На основе экспериментальных данных (фиг. 5) сделан вывод, что повышение давления карбонизации напрямую влияет на прочность образцов, что, в свою очередь можно объяснить увеличением степени превращения и скорости протекания процесса карбонизации. Максимальная прочность достигается у состава, карбонизированного при 8 атмосферах, при этом дальнейшее повышение давления карбонизации экономически и технически неоправданно, так как издержки нагнетания давления растут в геометрической прогрессии, что сводит к нулю рациональное использование бетонного лома.

Поскольку в составе смеси находится цементное вяжущее, процесс твердения обусловлен не только образованием карбонатов при карбонизации, но также связан с продолжающейся гидратацией цементного вяжущего в камере нормального твердения в течение длительного срока. Гидратированные фазы клинкерных минералов связывают карбонизированные фазы, тем самым повышая прочность композиции. В качестве испытуемых составов выбраны 6 составов бетонолома: цемент ЦЕМ II АИ в различных соотношениях с добавлением эфиров целлюлозы. Образцы-цилиндры различного состава подвергали карбонизации при 60°C и избыточному давлению равному 8 атмосферам. Часть цилиндров испытывали сразу после карбонизации, часть - через 14, часть через 28, а часть - через 56 суток.

Для сравнения в качестве контрольного образца был выбран силикатный кирпич, также находившийся в камере нормального твердения в условиях 95-100% влажности. На фиг. 6-8 представлены результаты испытаний сразу после карбонизации, через 28 суток (выдержка в КНТ) и 56 суток (выдержка 28 суток в КНТ, затем 28 в н.у.).

Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что сразу после процедуры карбонизации необходимую прочность (равную прочности силикатного кирпича) не набирает ни один из составов, что можно объяснить неполнотой прохождения реакций карбонизации бетонного лома и гидратации цементных фаз. Однако по прошествии 28 суток в камере нормального твердения, где поддерживается высокая влажность воздуха, образцы увеличивают прочность практически в два раза и достигают прочности силикатного кирпича, равной 16,5 МПа.

Таким образом, было установлено, что автоклавная обработка углекислым газом активирует бетонный лом и приводит к образованию прочных соединений карбонатной природы. Для повышения эффективности карбонизации затворение смеси может осуществляться водой, насыщенной углекислым газом.

В результате проведенных исследований было установлено, что в процессе карбонизации плотность материала значительно вырастает. При увеличении х250 (фиг. 9 А-Б) отчетливо выражены отличия структуры образцов гидратационного твердения (фиг. 9 А) от структуры материала гидратационно-карбонатного твердения (фиг. 9 Б). Несмотря на то, что в обоих случаях использовались одинаковые параметры прессования и подготовки образцов для испытания, в первом случае структура выглядит более рыхлой. У частиц бетонолома размером 200-300 мкм отсутствует связность между собой, а контактный слой заполнен незначительным количеством продуктов гидратации портландцемента. После обработки углекислым газом в материале, напротив, отсутствует явная граница между зернами бетонолома. Структура выглядит плотной, а большинство пустот и контактных зон заполнены продуктами карбонизации/гидратации.

Становится очевидно, что вторичные фазы, образующиеся после карбонизации, имеют больший объем, чем первичные продукты гидратации. В результате чего наблюдается более прочное сцепление частиц бетонолома. Это могут быть как карбоалюминаты кальция или кальцит, так и продукты взаимодействия высвободившихся при карбонизации гидросиликатов и гидроалюминатов реакционные SiO₂ и Al(OH)₃ соответственно, которые при дальнейшем взаимодействии с фазами цементного камня образуют объемный гелеобразный слой, сцепляющий частицы бетонолома между собой и напоминающий собой продукты пуццолановой реакции или гель.

Основным фактором, определяющим разрушение кирпича облицовочного слоя, являются переменные температурно-влажностные воздействия в переходные периоды года. Результаты определения водостойкости силикатного кирпича плотностью не ниже 1850 кг/м³ и прочностью 17,2-19,6 МПа показали, что действительно прочность кирпича в водонасыщенном состоянии снижается на 11% по сравнению с прочностью в сухом состоянии, т. е. коэффициент размягчения составляет 0,89.

В сравнении с силикатным кирпичом, кирпич на основе бетонного лома будет лишен недостатка, связанного с водостойкостью данного изделия, поскольку в результате карбонизации фаз цементного камня образуется инертное соединение - кальцит, обладающее повышенной плотностью относительно продуктов гидратации цемента. Таким образом, обеспечивается формирование структуры материала, способной противостоять внешним воздействия окружающей среды: повышенная влажность, перепады температур и др.

Установлено, что в процессе принудительного карбонатного твердения прочность изделий из бетонолома увеличивается в 2-3 раза, что позволяет рассматривать подобную технологию производства как возможный способ утилизации углекислого газа, который в большом объеме поступает в атмосферу от предприятий, использующих термические процессы производства (например, цементный завод).

Таким образом, предложенное изобретение решает задачу утилизации отходов производства и одновременно позволяет получать бетонные изделия, обладающие повышенными прочностью, долговечностью и стойкостью к влиянию окружающей среды.

Изобретение относится к области переработки строительных отходов и может найти свое применение при производстве мелкоштучных строительных изделий, в частности строительного кирпича. Способ включает подготовку и смешивание компонентов бетонной смеси, формование и выдержку изделия. При этом используют бетонную смесь на основе бетонного лома, измельченного до прохождения сита 0,2 мм, с добавлением 5 мас.% портландцемента ЦЕМ II АИ, а также 0,1 мас.% разведённой в воде водоудерживающей добавки на основе эфира целлюлозы. Полученную смесь затворяют водой до водотвердого отношения 12%. Прессуют смесь в форме при давлении 300 кгс/см² в течение 60 с. Осуществляют этап карбонатного твердения изделия при температуре 60-80°С, давлении углекислого газа 8 атм и относительной влажности 90-99%. После чего выдерживают изделие в камере нормального твердения. Техническим результатом является расширение области применения строительных отходов бетонной промышленности и повышение прочности и долговечности бетонных изделий. 10 ил., 2 табл.

Способ изготовления мелкоштучных изделий строительного назначения, включающий подготовку и смешивание компонентов бетонной смеси, формование и выдержку изделия, отличающийся тем, что используют бетонную смесь на основе бетонного лома, измельченного до прохождения сита 0,2 мм, с добавлением 5 мас.% портландцемента ЦЕМ II АИ, а также 0,1 мас.% разведённой в воде водоудерживающей добавки на основе эфира целлюлозы, полученную смесь затворяют водой до водотвердого отношения 12%, прессуют смесь в форме при давлении 300 кгс/см² в течение 60 с, осуществляют этап карбонатного твердения изделия при температуре 60-80°С, давлении углекислого газа 8 атм и относительной влажности 90-99%, после чего выдерживают изделие в камере нормального твердения.