УДК 691.322.7

В.В. БЕЛОВ, доктор техн. наук, профессор, советник РААСН, завкафедрой, Д.Г. АБРАМОВ, аспирант, кафедра производства строительных изделий и конструкций, ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет»

Ключевые слова: мелкозернистый бетон, фибробетон, отходы производства, фибровые отходы базальтовой ваты, порошкообразные отходы базальтовой ваты, механические свойства, предел прочности при сжатии, предел прочности на растяжение при изгибе
Keywords: fine-grained concrete, fiber-reinforced concrete, industrial waste, fiber basalt wool waste, powder-like basalt wool waste, mechanical properties, compressive strength, tensile strength in bending

Переработка отходов производств минераловатных изделий (ОПМИ) является актуальной проблемой. ОПМИ состоят из волокнистых базальтовых отходов (ВБО) и пылевидных базальтовых отходов (ПБО). Показано, что введение оптимального содержания ОПМИ (ВБО – 1% от объема бетона, ПБО – 10% от массы цемента) в матрицу мелкозернистого бетона позволяет добиться прироста предела прочности на сжатие на 11,5 МПа для образцов-кубов и на 5,3 МПа для образцов-призм, прирост предела прочности на растяжение при изгибе образцов-призм составил 1,87 МПа по сравнению с образцами без добавления ОПМИ.

Наиболее используемым теплоизоляционным продуктом на сегодняшний день является минеральная вата, которая представляет собой неорганический волокнистый материал. Обрезки, отходы пылеудаления и некондиционные изделия, образующиеся в производстве изделий из базальтовых волокон, не годятся для использования по прямому назначению. Они, как правило, складируются в отведенных площадках и утилизируются, что, в свою очередь, негативно сказывается на экономике предприятий.

Необходимость переработки промышленных отходов в России обозначена стратегией экологической безопасности РФ на период до 2025 года (Указ президента РФ В.В. Путина от 19.04.2017 г. №176, ФЗ «Об отходах производства и потребления» №458-ФЗ от 29.12.2014 г.). Проблема актуальна и для Европы. Известно, что в некоторых странах ЕС суммарная годовая масса отходов минваты составит 2,5 млн тонн к 2020 году [1].

Частично данные отходы используют для получения различных строительных материалов. Наиболее широко их применяют в цементных композитах [2-7], в керамике [8-9], в изделиях из гипса [10-12], в брикетах [13], в геополимерах [14-15]. Однако значительные объемы отходов минеральной ваты никак не перерабатывают в связи с тем, что методы переработки малоэффективны из-за трудностей технического и экономического характера, а также чреваты потенциальным вредом здоровью людей [16-17]. Кроме того, они требуют больших пространств для складирования, поэтому их утилизируют путем захоронения на свалках [2, 3].

ОПМИ можно разделить на волокнистые базальтовые отходы (ВБО) и пылевидные базальтовые отходы (ПБО). Стоит отметить, что существуют определенные сложности применения ВБО в исходном виде в качестве добавки в композиционный материал. К главным трудностям можно отнести низкую насыпную плотность ВБО вследствие чего общая пористость По может достигать 99% [18]. Следовательно, при добавлении ВБО в бетонную смесь ее пластичность снижается, в то время как водопотребность цементных композитов должна быть сведена к минимуму. Как правило, исследования, направленные на использование отходов минеральной ваты для производства строительных материалов и изделий из них, обосновывают измельчение отходов для увеличения значения насыпной плотности минеральной ваты и уменьшения ее волокнистости [19].

Цель данной статьи заключается в том, чтобы определить пределы прочности на сжатие, прочности на растяжение при изгибе и среднюю плотность бетона с добавлением ОПМИ.

Таблица 1

Наименование материала	Производитель материала	Соответствие нормативному документу
Портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н	АО «Евроцемент груп», завод-производитель ООО «Липецкцемент»	ГОСТ 31108-2016
Намывной песок средней крупности	Карьер «Желанное-2», Ленинградская область	ГОСТ 8736-2014
Гранитная крошка (фр. 2-5 мм)	Карьер «Боровинка», Ленинградская область	—
Водопроводная вода	Местный водопровод	ГОСТ 23732-2011
Гиперпластификатор Melflux 5581 F	BASF Construction Solutions (Trostberg, Германия)	—

Исходные сырьевые материалы, которые использовались при проведении исследований, приведены в табл. 1. Основные характеристики ОПМИ, которые добавлялись в бетонную смесь, показаны в табл. 2.

Таблица 2

Характеристика	Ед. изм.	Числовое значение
		ВБО	ПБО
Истинная плотность	кг/м3	2180	2200
Насыпная плотность	кг/м3	190	700
Толщина волокна	мкм	50-70	—
Диаметр частицы	мкм	—	0,4-75
Длина волокна	мм	4-6	—
Удельная поверхность	м2/кг	—	346
Основные оксиды: SiO2 CaO Al2O3 MgO Fe2O3	Содержаниепо массе, %	52,67  13,91  12,14  9,06  6,87	68,33 3,81 2,87 8,83 3,59

Эталонный состав бетона (без добавления ОПМИ) подбирался исходя из принципов метода абсолютных объемов. ПБО вводились в бетон в количестве 10% от массы цемента.

Согласно источнику [19], в композитах на основе цементных матриц объемная концентрация волокон Vf на основе базальтовых горных пород при свободно ориентированном армировании обычно не превышает 3-5%, только за редким исключением несколько выше, так как при Vf >2% уже, как правило, происходит образование волокнистых комков в бетонной смеси, что ведет к неминуемому снижению прочности. Учитывая опыт исследователей [20-24], примем границы изменения переменного фактора X1 от 0% до 2% с шагом варьирования 0,5%.

С целью выявления необходимого и достаточного содержания ВБО для достижения наилучших физико-механических характеристик мелкозернистого бетона был спланирован и проведен однофакторный эксперимент на пяти уровнях варьирования. В качестве фактора варьирования было принято объемное содержание ВБО X1=Vf, %. В табл. 3 расписаны условия планирования эксперимента типа B1.

Таблица 3

Фактор		Уровни варьирования					Шаг / интервал варьирования
Натуральный	Кодированный	-2	-1	0	+1	+2
Vf	Χ1	0%	0,5%	1%	1,5%	2 %	0,5% / 4%

Выходными параметрами являлись значения пределов прочности на сжатие, пределов прочности на растяжение при изгибе и средних плотностей. Остальные составляющие бетона оставались неизменными во всех опытах.

В начале приготовления бетонной смеси сухие составляющие гомогенизировали с помощью миксера SPARKY BM 1060E, далее вводили суспензию, состоящую из воды, гиперпластификатора и ВБО. Перемешивание смеси производилось не более 5 минут. Смесь заливалась в формы-балочки 40×40×160 мм.

Расплыв конуса (РК) бетонной смеси определяли на лабораторном встряхивающем столике в соответствии с ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии». Количество воды во всех замесах подбирали таким образом, чтобы РК находился в пределах 120 мм.

Образцы хранились 28 суток в нормальных условиях (при температуре (20±2)°С и относительной влажности (95±5)%) и после этого сразу были подвергнуты испытаниям. Контроль прочности образцов осуществляли путем проведения испытаний на прочность растяжения при изгибе и сжатии согласно ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии».

После проведения однофакторного эксперимента было определено, что оптимальная объемная концентрация ВБО составляет 1,0% по критерию предела прочности на сжатие и предела прочности на растяжение при изгибе.

Физико-механические характеристики образцов-балочек в зависимости от объемной концентрации ВБО сведены в табл. 4.

Таблица 4

№ замеса	Объемная концентрация ВБО, %	Предел прочности на сжатие, МПа	Предел прочности на растяжение при изгибе, МПа	Средняя плотность, кг/м3
1	0	45,9	11,8	2377
2	0,5	52,0	12,3	2436
3	1,0	52,5	12,7	2455
4	1,5	50,2	8,2	2460
5	2,0	44,7	8,0	2439

По приведенным данным видно, что максимальные прочностные показатели проявил замес №3 при объемной концентрации ВБО 1,0%. Прирост предела прочности на сжатие составил 6,6 МПа, а прирост предела прочности на растяжение при изгибе – 0,9 МПа по сравнению с замесом №1 (объемная концентрация ВБО 0,0%). Таким образом, оптимальным содержанием ВБО является 1,0% объемной концентрации.

Далее было залито две серии образцов-кубов 100×100×100 мм и призм 100×100×400 мм для дальнейшего определения их средних пределов прочности на сжатие, а также дополнительных призм 100×100×400 мм для определения их среднего предела прочности на растяжение при изгибе согласно требованиям ГОСТ 10180-2012. В серии №1 ОПМИ отсутствовали, а в серии №2 в бетонную смесь было введено 10% ПБО от массы цемента и 1,0% объемной концентрации. Процесс приготовления смеси производился аналогичным способом, описанным ранее.

Физико-механические характеристики бетонных образцов-кубов и балок серий №1 и №2 сведены в табл. 5.

Из данной таблицы очевиден прирост прочности в образцах замеса №2 по сравнению с замесом №1. Необходимо отметить, что для достижения указанных проч­ностных характеристик бетона на ОПМИ необходимо дозировать отходы в оптимальных количествах, а также вводить их в бетонную смесь таким способом, который бы наиболее равномерно распределял ПБО и в особенности ВБО в бетонной смеси. В нашем случае при соблюдении всех необходимых условий прирост предела прочности на сжатие составил на 11,5 МПа для кубов и на 5,3 МПа – для призм. Прирост предела прочности на растяжение при изгибе составил 1,87 МПа по сравнению с замесом №1. Средние плотности образцов обоих замесов различаются незначительно.

Таблица 5

№ замеса	Наличие ВБО и ПБО	Средний предел проч­ности на сжатие кубов 100×100×100 мм, МПа	Средний предел проч­ности на сжатие призм 100×100×400 мм, МПа	Средний предел прочности на растяжении при изгибе призм 100×100×400 мм, МПа	Средняя плотность, кг/м3
№1	—	46,7	34,6	9,72	2370
№2	ВБО – 1% от объема бетона; ПБО – 10% от массы цемента	58,2	39,9	11,59	2410

Достижение максимальных прочностных показателей при оптимальных дозировках ВБО – 1,0% от объема бетона и ПБО – 10% от массы цемента можно объяснить тем, что ВБО при заданной дозировке образуют некий упрочняющий каркас, напрямую влияющий на прочность бетона. ПБО успешно справляется с ролью минерального тонкодисперсного микронаполнителя, как следствие, улучшается микроструктура композита, повышается сцепление цементных новообразований с заполнителем бетона. Химическое сродство ПБО с заполнителем улучшает адгезионные свойства частиц цемента к стеклофазе, что, в свою очередь, ведет к увеличению сопротивляемости деформированию и снижению напряжений на границе «цементный камень – заполнитель», а также к уплотнению этой контактной зоны. С увеличением содержания ВБО прочностные характеристики резко снижаются. Такое поведение возможно по нескольким причинам. Одна из них – это неравномерное распределение ВБО в бетонной матрице, в результате чего волокна сбиваются в комки, образующие концентраторы напряжений. Второй причиной служит снижение подвижности бетонной смеси, в результате чего необходимо увеличивать водоцементное отношение.

Выводы:

В результате исследований влияния ОПМИ на механические свойства бетона было выяснено, что оптимальной объемной концентрацией ВБО является 1%, а ПБО – 10% от массы цемента, в результате чего опытные образцы приобретают наилучшие показатели своих механических свойств. В данном случае прирост предела прочности на сжатие составил на 11,5 МПа для образцов-кубов и на 5,3 МПа – для образцов-призм, а прирост предела проч­ности на растяжение при изгибе образцов-призм составил 1,87  МПа по сравнению с эталонными образцами. Использование ОПМИ в производстве цементных композитов – весьма перспективное направление. Потенциал бетона, обогащенного ОПМИ, возможно использовать для производства различных конструкций и элементов зданий и сооружений. Применение в цементном бетоне такой эффективной добавки в комплексе с другими методами может существенно помочь в уменьшении поперечных сечений конструкций, снижении расхода армирования стальными стержнями, а также получить экономию сырьевых ресурсов и влиять на сохранение экологии окружающей среды.

Библиографический список

1. Vantsi O., Karki T. Mineral wool waste in Europe: a review of mineral wool waste quantity, quality, and current recycling methods // Journal of Material Cycles and Waste Management, 2014. Vol. 16, №1, pp. 62-72. DOI: https://doi.org/10.1007/s10163-013-0170-5

2. Cheng A., Lin W., Huang R. Application of Rock Wool Waste in Cement-Based Composites. Materials & Design, 2011, Vol. 32, №2, pp. 636-642. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2010.08.0147

3. Patent US 4662941. Mineral wool waste cement, Hagerman R.M. Declared 21.10.1985. Published 05.05.1987. Appl. №: 789,691.

4. Lin W.-T., Han T.-Y., Huang C.-C., Cheng A., Huang R. Using Rock Wool Wastes as Partial Replacement of Cement in Cement-Based Composites. Advanced Science Letters, 2012, Vol. 8, pp. 489-494. DOI: https://doi.org/10.1166/asl.2012.2334

5. Белов В.В., Али Р.А. Дисперсно-армированный газобетон с использованием базальтовых отходов // Цемент и его применение. №3, 2016, с. 102-105.

6. Silva K.D.C., Silva G.C., Natalli J.F., Mendes J.C., Silva G.J.B., Peixoto R.A.F. Rock wool waste as supplementary cementitious material for portland cement-based composites // ACI materials journal. №5, 2018, pp. 653-661. DOI: https://doi.org/10.14359/51701100.

7. Rashchepkina S.A., Maharramova I.A. Advanced composite construction materials, filled with basalt // European Journal of Natural History, №6, 2016, pp. 62-65.

8. Вдовина Е.В., Абдрахимов В.З. Исследование фазового состава в керамических композиционных материалах на основе бейделлитовой глины и отходов производства минеральной ваты // Огнеупоры и техническая керамика, №4-5, 2012, с. 67-79.

9. Kizinievic O., Balkevicius V., Pranckevicienё J., Kizinievic V. Investigation of the usage of centrifuging waste of mineral wool melt (CMWW), contaminated with phenol and formaldehyde, in manufacturing of ceramic products. Waste Management. 2014. №8, pp. 1488-1494. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2014.01.010

10. Петропавловская В.Б., Новиченкова Т.Б., Бурьянов А.Ф., Соловьев В.Н., Петропавловский К.С. Утилизация отходов минерального волокна в производстве гипсовых изделий // Вестник МГСУ, т. 12, вып. 12 (111), 2017, с. 1392-1398. DOI: 10.22227/1997-0935.2017.12.1392-1398.

11. Новиченкова Т.Б., Петропавловская В.Б., Завадько М.Ю., Бурьянов А.Ф., Пустовгар А.П., Петропавловский К.С. Применение пылевидных отходов базальтового производства в качестве наполнителя гипсовых композиций // Строительные материалы. №8, 2018, с. 9-13. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-762-8-9-13.

12. Патент РФ 2601700. Cырьевая смесь для изготовления облицовочных гипсовых панелей / Петропавловская В.Б., Першикова М.Ю., Грабов Г.В., Новиченкова Т.Б. Заявл. 21.07.2015. Опубл. 10.11.2016. Бюлл. № 31.

13. Фирсов В.В., Самойленко В.В., Блазнов А.Н., Пенкина Е.А., Углова Т.К. Переработка отходов минераловатного производства // Ползуновский вестник, №4-2, 2015, с. 61-65.

14. Yliniemi J., Kinnunen P., Karinkanta P., Illikainen M. Utilization of mineral wools as alkali-activated material precursor. Materials (Basel), 2016, vol. 9(5), 312. https://www.mdpi.com/1996-1944/9/5/312/htm (Date of access 02.01.19).

15. Kinnunen P., Yliniemi J., Talling B., Illikainen M. Rockwool waste in fly ash geopolymer composites. // Journal of Material Cycles and Waste Management, 2017, vol. 19, Iss. 3, pp. 1220-1227. DOI: 10.1007/s10163-016-0514-z.

16. Крамаренко А.В., Путилова М.Н. Возникновение онкологических заболеваний от воздействия минеральной ватой // Наука и образование: новое время, №2 (19), 2017, с. 1-4.

17. Копытенкова О.И., Леванчук А.В., Турсунов З.Ш. Оценка риска ущерба для здоровья при воздействии мелкодисперсной пыли минеральной ваты // Казанский медицинский журнал, №4, 2014, с. 570-574.

18. Yliniemi J., Laitinen O., Kinnunen P., Illikainen M. Pulverization of fibrous mineral wool waste // Journal of Material Cycles and Waste Management, 2017, vol. 20, iss. 2, pp. 1248-1256. DOI: https://doi.org/10.1007/s10163-017-0692-3.

19. Рабинович Ф. Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов / Вопросы теории и проектирования, технология, конструкции. – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2011, – 642 с.

20. Singaravadivelan R., Chinnadurai P., Muthuramu KL., Vincent P. Flexural Behaviour of Basalt Chopped Strands Fiber Reinforced Concrete Beams. 2nd International Conference on Chemical, Ecology and Environmental Sciences (ICEES’2013), – London, 2013, рp. 237-241.

21. Кудяков А.И., Плевков В.С., Кудяков К.Л., Невский А.В., Ушакова А.С. Совершенствование технологии изготовления базальтофибробетона с повышенной однородностью // Строительные материалы, №10, 2015, с. 44-48.

22. Tabsheer A., Abid A., Manohar S.C. Experimental study on mechanical properties of basalt fibre reinforced concrete // International Journal of Science and Research (IJSR), 2015, vol. 4, iss. 8, pp. 468-472, https://www.ijsr.net/archive/v4i8/SUB157334.pdf (Date of access 10.01.19).

23. Fathima Irine I.A. Strength aspects of basalt fiber reinforced concrete // International Journal of Innovative Research in Advanced Engineering (IJIRAE), 2014, vol. 1, iss. 8, pp. 192-198.

24. Wlodarczyka M., Jedrzejewskia I. Concrete Slabs Strengthened with Basalt Fibres – Experimental Tests Results. Procedia Engineering 153, 2016, pp. 866-873. DOI: doi: 10.1016/j.proeng.2016.08.200.