CC BY
45УДК 691.3
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ И УГОЛЬНЫХ ОТХОДОВ В КАЧЕСТВЕ ВТОРИЧНОГО
СЫРЬЯ В БЕТОННЫХ КОМПОЗИТАХ
Коряковцева Т.А.1, Заборова Д.Д.1, Гамаюнова О.С.1
'Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ); Россия, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29 [email protected], [email protected], [email protected]
Аннотация: в статье представлен анализ использования углеродосодержащих добавок в строительстве. Выявлены преимущества нового бетонного композита на основе растительной и углеродосодержащих добавок. Даны выводы по вредному воздействию на окружающую среду и отходам при производстве нового бетонного композита. Предмет исследования: использование отходов в качестве вторичного сырья в строительстве позволит сократить количество цемента или песка при производстве бетона. В статье предлагается в качестве добавки в бетон использовать сухую щепу борщевика длиной 50 мм. Второй добавкой в бетон является древесный уголь, который был использован в фильтрах очистки поверхностного стока (ФОПС). Целью работы является экологический анализ нового бетонного композита, состоящий из растительной добавки и активированного угля.
Материалы и методы: произведен анализ использования углеродосодержащих добавок в бетоне. С помощью EPD производителей, где собрана необходимая информация о материале, были посчитаны вредные выбросы (в эквиваленте выбросов СО2), количество образованных отходов, получаемых при производстве бетонных композитов без добавки и бетонный композит с добавкой.
Результаты: Использование отходов других производств для создания строительных материалов может рассматриваться как вторичное сырье. Выбранные отходы позволяют создать более экологичный и менее негативный для окружающей среды материал. Из обзора литературы выявлено, что содержание углесодержащих добавок в бетоне приводит к улучшению механических свойств, делает его легче, снижает нагрузку от ограждающих и несущих конструкций. Получено уменьшение выбросов углекислого газа и отходов при производстве на 3% для нового бетонного композита. Объем отходов для бетонных композитов - 41,96 кг на 1 м3, объем выбросов углекислого газа - 626,8 кг на 1 м3. Выводы: предложенные добавки не только могут улучшить свойства бетона, но и сократить количество вредного сорняка, дать возможность использовать отходы другого производства (угольные фильтры ФОПС), уменьшить негативное влияние на окружающую среду.
Ключевые слова: добавка в бетон, уголь, угольные фильтры ФОПС, борщевик, негативное влияние на окружающую среду, объем отходов при производстве.
ВВЕДЕНИЕ
В строительстве разрабатываются и анализируются конструкции и материалы, снижающие чрезмерное потребление энергии и природных ресурсов [1]. В настоящее время ученые в строительной отрасли занимаются проблемами ограждающих конструкций и важно учитывать мероприятия по улучшению их
энергоэффективности [2]-[4]. Важными являются вопросы энергоэффективности и экологичности зданий, но также необходимо учитывать комфорт нахождения человека в этом здании. Поэтому решаются вопросы, связанные с улучшением свойств строительных материалов и конструкций
[5]-[8].
В настоящее время вопросы экологии становятся все актуальнее в связи с ростом добычи полезных ископаемых, ростом населения, которое все время вырабатывает отходы [9]. Использование отходов производства в качестве вторичного сырья в целях замещения природных сырьевых материалов -актуальная задача. Основная цель при выборе направления использования отходов - это определение вещественного состава конкретных отходов и оценки возможности их применения в качестве наиболее эффективного компонента как товарного продукта [10].
Активированный уголь — это углерод, полученный из углеродсодержащих исходных материалов, таких как бамбук, кокосовая шелуха, ивовый торф, древесина, кокосовое волокно, лигнит, уголь и нефтяной пек. Активированный уголь можно получить путем физической активации или химической активации. Форма активированного угля, известная как активированный уголь, обрабатывается для получения небольших пор небольшого объема, которые увеличивают площадь поверхности, доступную для адсорбции или химических реакций. Различные классификации активированного угля включают: порошкообразный, гранулированный, экструдированный, импрегнированный уголь и уголь с полимерным покрытием. Установлено, что сорбционная активность угля обусловлена наличием в его поверхности множества пор [11].
Экологическая проблема требует ликвидации отходов угольной промышленности. Фильтры очистки поверхностного (ливневого) стока ФОПС предназначены для очистки поверхностных (талых и ливневых) вод с автодорог, селитебных территорий и территорий промышленных предприятий. Технология фильтров ФОПС разработана, запатентована и внедрена совместно компанией ООО «Аква-Венчур», ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» и ФГАОУ ВО «СПбПУ Петра Великого». Фильтры очистки поверхностного (ливневого) стока ФОПС состоят из корзины для
мусора и самого фильтра. Содержание фильтра зависит от его назначения к применению [12-14]. Один фильтр ФОПС содержит уголь массой около 7 кг. Угольные фильтры после сроков эксплуатации не используются в дальнейшем и возникает вопрос их утилизации.
Предлагается создать бетонный композит с помощью добавления угля из фильтров в состав цемента и изучить его влияние на окружающую среду. Так как угольные фильтры являются «отходами» дождевых и талых стоков, то возникает необходимость исследования измельченных угольных фильтров в сочетании с цементом.
Цель работы - оценить негативное влияние на окружающую среду при производстве нового бетонного композита, состоящего из растительной добавки и активированного угля.
Задачи
1. Рассмотреть существующие сферы использования угля и золошкальных отходов.
2. Рассмотреть свойства активированного угля в бетоне, определить примерные свойства нового материала
3. Рассчитать выбросы парниковых газов (в СО2 экв.) и количество отходов, образующихся при производстве нового бетонного композита.
Ежегодно в мире производится более 20 миллиардов тонн бетона. Обычный цемент является основным источником выбросов С02 среди
компонентов бетона, в частности, оно обеспечивает 5-10% мировых выбросов углекислого газа. Изготовление цемента требует высокой температуры, а она достигается за счёт сжигания ископаемого топлива. Использование
альтернативных вяжущих материалов настоятельно рекомендуется для снижения воздействия производства бетона на окружающую среду. Местные отходы могут быть приемлемым подходом с точки зрения экономической и экологической устойчивости благодаря их доступности на местах. Замена цемента «отходами» на основе угля дает экологические преимущества. На сегодняшний день в России и за рубежом ведутся работы по модификации бетонной смеси. Необходимо учитывать стратегию низкоуглеродной экономики, чтобы снизить количество выбросов углекислого газа. Для этой цели необходимо снизить содержание клинкера в бетонных смесях.
Потребление наибольшего количества топлива в России представлено на рисунке 1. На рисунке 2 представлена статистика по выбросам углекислого газа и парникового газа (переведено в эквивалент СО2) в России по видам отрасли и секторам. Можно увидеть, что строительная и производственная отрасли находятся на третьем месте по негативному влиянию на окружающую среду.
2020
® Другая отрасль ® Раз!кигани&
* Цемент ■ "аз
* Масло
® Каменный /голь. Общин
1,06% 2,96% 1.29% 47.40% 24.65% 22.63% 100,00%
Рис. 1. Выбросы углекислого газа по видам отрасли в России [15] Fig. 1. Carbon dioxide emissions by industry in Russia
Рис. 2. Выбросы парникового газа по секторам в России за 2019 год [15] Fig. 2. Greenhouse gas emissions by sector in Russia in 2019
Рост населения мира до ожидаемых 9,2 млрд человек к 2050 году повлечет за собой неуклонное повышение потребления строительных материалов, в том числе цемента. Одним из неблагоприятных экологических последствий производства этого искусственного материала является выброс парниковых газов, при этом выбросы га2 составляют 5-7 % от общемировых выбросов [16].
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Сферы использования активированного угля
Активированный уголь — мелкий черный порошок, который образуется, когда древесный уголь подвергается воздействию высокой температуры. Она изменяет его внутреннюю структуру, уменьшая размер пор и увеличивая площадь поверхности [17]. Активированный уголь это мало затратный, экологически чистый и ежегодно- возобновляемый продукт. Измельченный уголь используют во многих отраслях, в том числе и в промышленности:
- дорожно-строительная отрасль - сфера применения отходов угольных ТЭС. Они являются универсальной добавкой при отсыпке дорожных насыпей, устройстве оснований и слоёв автодорог, в качестве компонента вяжущих материалов для укрепления грунтов;
- из угля и золошлаков можно изготавливать цемент, известь, золобетон, кирпич, а также
стеновые, кровельные и облицовочные материалы. С добавлением этого ингредиента данная продукция приобретает особую прочность, обладая при этом низкой теплопроводностью и относительно низкой себестоимостью;
- уголь используется в производстве углеродного волокна и специализированных компонентов (к примеру, металлического кремния), которые применяются в изготовлении бытовых приборов;
- в качестве фильтрующего элемента в фильтрах системы водоотведения, для очистки воды от загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы, инсектициды и гербициды. Горючее ископаемое используют для очистки питьевых, бытовых и технических вод. Фильтры с угольной загрузкой удаляют примеси и сокращают мутность жидкости, частицы угля справляются с устранением посторонних запахов и привкусов;
- в сельском хозяйстве - как удобрение земельных участков для выращивания некоторых культур или как компоненты в составе различных минеральных удобрений;
- применяется в медицине в качестве лекарства и косметической продукции: благодаря его пористой структуре, которая имеет отрицательный электрический заряд, он помогает притягивать положительно заряженные молекулы, такие как токсины и газы. Это способствует их задержанию в кишечнике предотвращая всасывание [18].
В России много действующих тепловых электростанций, работающих на угольном топливе, в результате сжигания которого, помимо прочего, образуется огромное количество золы [19]. После
сжигания угля остаются золошлаки, которые можно применить в строительных материалах. В мире увеличивается производство строительных материалов с вкраплениями «отходных» элементов. Золошлаки являются заменителем материалов, используемых для формирования земляного полотна. Плюсы угля в широком распространении месторождений, низких ценах и отсутствии необходимости специальных условий для транспортировки
Добавки в бетон из углеродосодержащих материалов
Основной объем отходов угля используется в благоустройстве и озеленении территории, рекультивации земель, производстве материалов, для нужд дорожного строительства. Отходы угольного производства необходимо использовать в качестве вторичного сырья [20], развивать производство эффективных строительных материалов, полнее использовать вторичное сырье, рассматривая их не как отходы производства, а как ценное сырьё, источник расширения сырьевой базы
[9, 21].
Бетон является наиболее универсальным материалом, который широко используется в строительстве, так как обладает преимуществами перед другими материалами. Одна из актуальнейших задач технологии строительного материаловедения - совершенствование составов и улучшение физико-технических свойств современных бетонов.
Среди известных способов снижения расхода цемента наиболее эффективными являются следующие технологические способы:
дополнительное измельчение цемента;
использование в качестве наполнителей в бетонной смеси тонкомолотых материалов; введение комплексных органоминеральных добавок; улучшение качества инертных заполнителей; использование многокомпонентных цементов, например пуццоланового портландцемента, быстротвердеющего шлакопортландцемента,
характеризующихся пониженным содержанием клинкера.
В современных представлениях о роли высокодисперсных добавок в бетонных смесях отмечается положительное влияние оптимального количества золы от сжигания твердого топлива на структуру и физико-механические характеристики бетонных композитов: упрочнение контактной зоны между цементным камнем и заполнителями с образованием кластеров «вяжущее наполнитель» за счет высокой поверхностной энергии частиц наполнителя; снижение общей пористости цементного камня в бетоне при увеличении объемной концентрации и дисперсности наполнителя; связывание гидроксида кальция аморфизованным кремнеземом пуццолановых наполнителей; повышение пуццоланической активности наполнителя при его тонком
измельчении и др. Получены образцы бетона с улучшенными физико-механическими свойствами благодаря введению в их состав 2-14 % (от массы цемента) золы от сжигания бурого угля [22].
В работе [23] зола выполняет функции наполнителя - тонкомолотой добавки (микронаполнителя). Положительный эффект, достигаемый благодаря наполнителю - это снижение расхода цемента высоких марок при изготовлении низкомарочных бетонов и строительных растворов, повышение плотности бетонов, их водонепроницаемости и теплозащитных свойств.
В работе [24] были предприняты попытки добавления активированного угля вместе с летучей золой в бетон. В результате максимальный прирост прочности оказался на 25% больше, чем у бетона без активированного угля. Комбинация нанозольной пыли и нанометакаолина с добавлением активированного угля может улучшить прочность бетона на сжатие и повысить надежность результатов анализа недорогостоящего метода быстрой оценки воздушных пустот в затвердевшем бетоне, поэтому влияние прочности на сжатие больше по сравнению с контрольным образцом.
В работе [25] уголь в количестве 2% и 4% по весу был впервые добавлен в систему зольного цемента для получения композитов активированный уголь-летучая зола в виде паст и строительных растворов. Было обнаружено, что использование активированного угля приводит к повышению прочности строительных растворов с летучей золой. Самая высокая прочность, полученная для цементных растворов с 20%-ной летучей золой, была обнаружена при 4%-ном активированном угле, где прочность на сжатие через 28 дней составила 22,39 МПа. Это преимущество можно ясно увидеть в цементе с летучей золой с содержанием летучей золы 20%, где важность добавления активированного угля означает, что относительная прочность по сравнению с прочностью цемента стала почти 100% через 28 дней. Кроме того, сканирующие электронные микрофотографии также показали, что хорошее взаимодействие между активированным углем и цементной матрицей летучей золы наблюдается при использовании активированного угля в качестве наполнителя, что приводит к более плотной микроструктуре и более высокой прочности по сравнению с эталонной смесью летучей золы без активированного угля.
В работе [26] были проведены лабораторные испытания для оценки возможности использования угольной золы в качестве заменителя речного песка в бетоне. Речной песок замещали золой угольного остатка по массе в бетоне при уровне замещения 0, 30, 50, 75 и 100%. Водопоглощение и начальная скорость поглощения воды за счет капиллярного действия увеличиваются при включении золы угольного остатка в производство бетона. Все бетонные смеси показали снижение средней глубины износа с возрастом, то есть повышение сопротивления истиранию.
В статье [27] сделан вывод, что добавка угольной золы до 10 % в качестве заменителя портландцемента позволяет улучшить
механические свойства бетона и, таким образом, может быть использована в бетонной промышленности.
Ведение летучей золы делает внутреннюю часть цемента более плотной и предотвращает поглощение воды порошком активированного угля, что приводит к более низкому водопоглощению в экспериментальной группе с летучей золой, чем в экспериментальной группе без летучей золы. Частицы углерода заполняют часть пор и делают их более плотными, что объясняет повышенную прочность цемента на сжатие за счет добавления активированного угля [28].
Исследование [29] подтвердило, что крупность частиц материалов, заменяющих цемент, оказывает значительное влияние на прочностные характеристики бетона. Экспериментально было установлено, что 10 % измельченной золы, имеющей крупность частиц от 65 до 75 % и прошедшей через сито с размером ячеек 63 мкм, может обеспечить достаточную прочность бетона на сжатие и растяжение.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Использование активированного угля в бетоне: свойства и способности бетонной смеси
В работе будут использованы угольные фильтры, состоящие из активированного угля БАУ-А. Активный уголь БАУ-А имеет сильно развитую общую пористость, широкий диапазон пор и значительную величину удельной поглощающей поверхности, размер частиц от 1-3 мм. Для этого необходимо исследовать состав бетонной смеси с процентным отношением 3% угля к объему бетонного композита, и добавить растительную добавку в виде сухого борщевика в таком же процентном соотношении. Опыты и полученные свойства бетонного композита, армированного борщевиком, представлены в работе [30].
Адсорбционная природа активированного угля может быть эффективно использована для удаления токсичных загрязнителей воздуха, таких как оксиды азота, летучие органические соединения путем адсорбции на бетонных элементах (дымоходы, туннели и т.д.). Экспериментальные исследования, проведенные на цементных композитах, содержащих активированный уголь, выявили его потенциальную способность улучшать физико-механические и прочностные свойства цементных композитов. Исследователи всего мира экспериментально показали [16], [31]-[34], что присутствие активированного угля в цементных композитах положительно влияет на различные свойства цементных композитов:
1. Активированный уголь можно использовать в легком бетоне, и он действует как связующее вещество.
2. Увеличение процентного содержания активированного угля уменьшит тепловое воздействие.
3. Активированный уголь уменьшил содержание NOx (двуокиси азота, оксидов азота) от загрязнения в туннелях и гаражах.
4. Процент активированного угля может увеличить прочность на сжатие.
5. Активированный уголь уменьшает количество пор в обычном бетоне, что улучшает характеристики бетона [11].
Порошкообразный активированный уголь уменьшал содержание воздушных пустот и влиял на удельную площадь поверхности и коэффициент заполнения. Добавление небольшого количества активированного угля значительно увеличивает адсорбцию вредных газов; что ограничивало загрязнение окружающей среды. Добавление активированного угля в цементный раствор с летучей золой улучшило прочность на сжатие. [35]
В работе [36] провели эксперимент с бетоном, содержащим активированный уголь. Результат исследования показал, что улучшение эксплуатационных характеристик и долговечности бетона связано с наличием в бетоне активированного угля. Различные проценты использованного активированного угля составляли 0,48%, 1,06% и 1,43% по массе. Результаты испытаний, прочность на сжатие, прочность на изгиб и устойчивость к сульфатному воздействию, показали, что результаты были максимальными при 0,48%, 1,06% и 1,43% соответственно.
В статье [37] экспериментально изучили влияние частичной замены цемента и мелких заполнителей активированным углем в бетоне. Активированный уголь при использовании в качестве связующего вещества в бетоне уменьшает поры в бетоне, тем самым улучшая характеристики бетона. В этом исследовании цемент был частично заменен активированным углем в различных процентных соотношениях, таких как 15%, 30% и 45% по массе. Мелкие заполнители были частично заменены активированным углем в количестве 15%, 30% и 45% по массе. Прочность на сжатие и прочность на растяжение были максимальными для бетона с частичной заменой 30%, в то время как прочность на изгиб набирала максимальную прочность при частичной замене 15%. Образец, приготовленный из смесей, в которых цемент заменен активированным углем, показал большую прочность, чем образец, частично изготовленный из бетона, содержащего активированный уголь в качестве частичной замены мелкого заполнителя.
В работе [38] доля активированного угля в растительном бетоне положительно связана с пористостью, проницаемостью, водоудерживающей способностью, содержанием питательных веществ и удерживающей способностью, в то время как она отрицательно связана с сухой плотностью,
водоудерживающей способностью, силой сцепления и углом внутреннего трения. Как правило, эффект древесного активированного угля более заметен, чем эффект минерального активированного угля, особенно с точки зрения плотности в сухом состоянии, проницаемости, содержания питательных веществ и удерживающей способности.
Результаты испытаний [24] на прочность при сжатии показали, что небольшое количество активированного угля в качестве мелкого заполнителя до 1,5 мас.% увеличивает прочность на сжатие обычного цементного раствора, тогда как избыточное количество, равное или превышающее 5%, существенно снижает прочность. Однако в цементном растворе с активированным углем вода, адсорбированная гранулами активированного угля, перераспределяется и доставляется к частицам цемента во время процесса отверждения. Этот микромасштабный процесс отверждения, вызванный локальной гидратацией, способствует увеличению общей прочности цементного раствора.
Из обзора сделает, что добавка из углеродосодержащих веществ положительно
влияют на механические свойства материала, но не указывается какой экологический эффект данная добавка имеет.
Расчет негативного влияния на окружающую среду нового бетонного композита с растительной добавкой и разным процентным соотношением активированного угля Необходимо проанализировать негативное воздействие на окружающую среду при производстве предложенной бетонной смеси и понять, какое количество цемента она может сократить и предположить, какие результаты могут получиться исходя из предыдущего опыта и литературного обзора.
Отходы активированного угля, из которого состоит угольный фильтр, будут использоваться для строительных целей - создание бетонной смеси. Бетонный композит будет иметь следующий состав для 1 литра бетонной смеси, представленный в таблице 1.
Таблица 1. Состав бетонного композита Table 1. The composition of the concrete composite
Объем смеси, л Портландцемент М400, г Кварцевый песок 0,63 мм, г Пластификатор, г Вода, мл
1 687 1253 7 253
В бетонный композит добавляются следующие добавки:
- растительная добавка борщевика размером 50х0,5х0,5 мм, объемная доля составляет 3%;
- добавка активированного угля размером 0,251 мм, объемная доля составляет 3%.
Каждая составляющая бетонной смеси вносит свой вес в выбросы вредных газов, так как при создании бетонной смеси должны соблюдаться пропорции составляющих.
При взаимодействии угля с водой образуются различные кислоты (например, угольная), которые взаимодействуют с гидроксидом кальция, образующимся при гидратации цемента. При этом образуются различные карбонаты, в связи с чем процесс твердения замедляется. Для изготовления бетона с использованием угля необходимо применять специальные виды вяжущих, которые обладают повышенной стойкостью к карбонатной коррозии [9].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
При оценке негативного влияния материала на окружающую среду в работе рассматривается только первый этап - этап производства продукта: добыча полезных ископаемых - А1, транспортировка - А2, производство материала -А3. Оценку воздействия материала на окружающую среду можно найти в экологической декларации продукта [39]. При расчете параметра «Потенциал глобального потепления GWP» в качестве эталонного газа взят диоксид углерода (СО2). Помимо этого, при производстве любого материала образуются различные виды отходов: опасные, неопасные, радиоактивные, которые также были посчитаны.
Рассчитаем количество компонентов, необходимых для одной формы опалубки. Для опытов была использована опалубка размерами 20х6х2 см, объемом 0,24 л. Расчетное количество выбросов углекислого газа и отходов на объем образца и 1 м3 представлены в таблице 2.
Таблица 2. Расчетное значение углекислого газа и отходов Table 2. Estimated value of carbon dioxide and waste
Портландцемент, кг Песок, кг Общее количество выбросов, кг Значение на 1 м3 бетона, кг
Бетонная смесь без добавок (контрольная)
Вес составляющих 1 опалубку 0,16488 0,30072
Выбросы СО2, кг 0,88 0,03326
Выбросы на 1 опалубку 0,1451 0,0100 0,1551 646,235
Отходы, кг 0,0171 0.02515
Отходы на 1 опалубку 0,0028 0,00756 0,0103 43,26
Бетонная смесь с добавкой по объему (борщевик 3% и уголь 3%)
Выбросы на 1 опалубку 0,1407 0,0097 0,1504 626,848
Отходы на 1 опалубку 0,00273 0,0073 0,0101 41,96
При замене 6% процентов бетонной смеси на растительные добавки (борщевик и уголь) количестве выбросов СО2, а также отходов, образующихся при производстве такого материала, уменьшается на 3%.
Таким образом, используя растительные добавки, можно уменьшить количество цемента, который является одним из наиболее вредных для окружающей среды материалов, активно используемый в строительной индустрии.
ВЫВОДЫ
Были получены экологическое и экономическое преимущества бетонной смеси за счет использования вторичного сырья и сорняка:
- Применение угольных фильтров и сухого борщевика позволяет утилизовать отходы (отработанные угольные фильтры и сорняк). Использование отходов в качестве вторичного сырья помогают уменьшить вес конструкции и приводят к меньшим нагрузкам на фундамент.
- Использование борщевика в бетоне может привести к уменьшению количества сорняка, который растет в большом количестве в городах и является большой проблемой для сельского хозяйства и людей. Бетонный композит может быть применен заводами-изготовителями бетонной и железобетонной продукции.
- Уголь может адсорбировать оставшиеся токсичные свойства в опилках борщевика, тем самым борщевик будет работать как пористое тело с корой, без образования осадка на поверхности опилок. Улучшение вязкости бетонной смеси и возможность не использовать пластификаторы.
- Уменьшение количества цемента в бетонном композите может привести к снижению вредных выбросов и количества отходов, образованных при производстве продукции.
Для получения значимости данной смеси необходимо провести экспериментальные
исследования образца на трехточечный изгиб и определить теплопроводность материала.
Информация о финансировании/ благодарности: проект выполнен при поддержке Российского научного фонда, соглашение 21-79-10283 от 29.07.2021 https://rscf.ru/project/21-79-10283/»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Цыпленков Даниил, Гамаюнова Ольга. Современные строительные энергоэффективные материалы // Строительство новые технологии -новое оборудование. 2021. (12). С. 6-11.
2. Мусорина Т.А., Гамаюнова О.С., Петриченко М.Р. Обоснование конструктивных мероприятий по увеличению энергоэффективности стеновых ограждений // Вестник МГСУ. 2017. № 11 (110)(12). С. 1269-1277.
3. Чакин Е.Ю., Гамаюнова О.С. Использование BIM-технологий для выбора энергоэффективных теплоизоляционных материалов // Инженерные исследования. 2022. № 2(7). С. 11-21.
4. Petrichenko M.R., Petrichenko R.M. Convective heat and mass transfer in combustion chambers of piston engines. Basic results // Heat Transfer - Soviet Research. 1991. № 5(23). С. 703.
5. Gagarin V.G., Akhmetov V.K., Zubarev K.P. Mathematical Model Using Discrete-Continuous Approach for Moisture Transfer in Enclosing Construction // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. № 2(463). С. 022023. D0I:10.1088/1757-899X/463/2/022023.
6. Зубарев К.П., Зобнина Ю.С. Современные исследования стены Тромба-Мишеля в концепции пассивного дома // БСТ: Бюллетень Строительной Технологии. 2022. № 1054(6). С. 58-60.
7. Petrichenko M., Ostrovaia A., Statsenko E. The Glass Ventilated Facades - Research of an Air Gap // Applied Mechanics and Materials. 2015. (725-726). С. 87-92.
D0I:10.4028/WWW.SCIENTIFIC.NET/AMM.725-
726.87.
8. Зубарев К.П., Зобнина Ю.С. Анализ особенностей исполнения стены Тромба - Мишеля // Строительство и архитектура. 2022. № 8(155). С. 94-98.
9. Шабанов Е.А., Гилязидинова Н.В. Исследование свойств бетонных смесей с применением отходов угледобычи для строительства шахт // Инновации и инвестиции. 2020. № 9. С. 240-244.
10. Лавриненко А.А., Свечникова Н.Ю., Коновницына Н.С., Игуменшева Е.А., Куклина О.В., Хасанзянова А.И. Использование отходов флотации битуминозных углей в производстве керамического кирпича // Химия твердого топлива. 2018. (6). С. 64-68. D01:10.1134/S0023117718060099.
11. Aiswarya.S, Malvin T Moses, Lloyd Bennet Thomas J.S., Dev and G. V. Prospective Benefits of Using Activated Carbon in Cement Composites- An Overview // International Journal of Advanced Research in Engineering and Technology (IJARET). 2019. № 3(10). С. 289-296.
12. Греков М.А., Елагин С.В., Козинец Г.Л., Леонов Л.В., Чечевичкин А.В., Якунин Л.А. Тестовая эксплуатация фильтра-сепаратора ФОПС-С при очистке поверхностного стока с территории автопарковки // Водоснабжение и санитарная техника. 2021. № 2. С. 38-45. D0I:10.35776/VST.2021.02.04.
13. Игоревич В.К., Лазарев Ю.Г., Чечевичкин А.В., Чечевичкин В. Н., Якунин Л. А. Совершенствование технологии очистки поверхностного стока с мостовых переходов на автомагистралях // Путевой навигатор. 2021. № 49(75). С. 56-62.
14. Фильтры ФОПС от производителя | Аква-Венчур [Электронный ресурс]. URL: https://aquaventure.ru/page_200_poverhnostniy_livnev iy_stok.html (дата обращения: 21.09.2022).
15. Ritchie H., Roser M., Rosado P. C02 and Greenhouse Gas Emissions // Our World in Data. 2020.
16. Frías M., Vigil de la Villa R., García R., Martínez S., Villar E., Vegas I. Effect of a high content in activated carbon waste on low clinker cement microstructure and properties // Construction and Building Materials. 2018. (184). С. 11-19. D0I:10.1016/J.C0NBUILDMAT.2018.06.216.
17. Juurlink D.N. Activated charcoal for acute overdose: a reappraisal // British journal of clinical pharmacology. 2016. № 3(81). С. 482-487. D0I:10.1111/BCP.12793.
18. Villarreal J., Kahn C.A., Dunford J. V., Patel E., Clark R.F. A retrospective review of the prehospital use of activated charcoal // The American journal of emergency medicine. 2015. № 1(33). С. 56-59. D0I:10.1016/J.AJEM.2014.10.019.
19. Делицын Л.М., Рябов Ю.В., Власов А.С. Возможные технологии утилизации золы // "Энергосбережение." 2014. (2). С. 60-66.
20. Аникеев В., Силка Д. От отходов угольных электростанций к производству строительных
материалов // Энергетическая политика. 2021. № 1(155). С. 48-55.
21. Владимировна Ф.М., Васильевна К.Л. Применение отходов добычи и переработки угля в качестве заполнителей бетонных смесей // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2013. № 3 (172).
22. Lyahevich G.D., Lishtvan I.I., Lyahevich A.G., Dudarchik V.M., Kraiko V.M., Zvonnik S.A. Technology And Efficiency In Usage Of Brown Coal Ash For Cement And Concrete Mixtures At The Lelchitsky Deposit // Science & Technique. 2017. № 2(16). С. 104-112. DOI:10.21122/2227-1031-2017-16-2-104-112.
23. Павлович Г.С. Оптимизация составов тяжелых бетонов применением тонкодисперсных добавок // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2012. № 17 (276).
24. Sai Dinakar Swaroop M P.A.R.G. Experiment on Concrete Containing with activated carbon and Nano-fly ash, nano metakaolin // International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE). № 6S4(8). С. 1030-1033. D0I:10.35940/ijitee.F1212.0486S419.
25. Yang Z., Ba J., Pan J., Zheng C., Liu Z., Xu J., Li X., Yao Y. Compressive Strength and Microstructure of Activated Carbon-fly Ash Cement Composites // Chemical Engineering Transactions. 2017. (59). D0I:10.3303/CET1759080.
26. Singh M., Siddique R. Properties of concrete containing high volumes of coal bottom ash as fine aggregate // Journal of Cleaner Production. 2015. (91). С. 269-278. DOI: 10.1016/J.JCLEPR0.2014.12.026.
27. Kurama H., Kaya M. Usage of coal combustion bottom ash in concrete mixture // Construction and Building Materials. 2008. № 9(22). С. 1922-1928. D0I:10.1016/J.C0NBUILDMAT.2007.07.008.
28. Wang Y., Ge Y., Wang X., Chen X., Li Q. The effect of powder activated carbon on mechanical properties and pore structures of cement-based mortars // Construction and Building Materials. 2022. (316). С. 125798.
D0I:10.1016/J.C0NBUILDMAT.2021.125798.
29. Mangi S.A., Ibrahim M.H.W., Jamaluddin N., Arshad M.F., Mudjanarko S.W. Recycling of Coal Ash in Concrete as a Partial Cementitious Resource // Resources 2019, Vol. 8, Page 99. 2019. № 2(8). С. 99. D0I:10.3390/RES0URCES8020099.
30. Musorina T.A., Zaborova D.D., Petrichenko M.R., Stolyarov 0.. Flexural properties of hogweed chips reinforced cement composites // Magazine of Civil Engineering. 2021. № 1(107). С. 107. D0I:10.34910/MCE.107.9.
31. Liu J., Nie X., Zeng X., Su Z. Long-term leaching behavior of phenol in cement/activated-carbon solidified/stabilized hazardous waste // Journal of Environmental Management. 2013. (115). С. 265-269. D0I:10.1016/J.JENVMAN.2012.11.026.
32. Mahoutian M., Lubell A.S., Bindiganavile V.S. Effect of powdered activated carbon on the air void characteristics of concrete containing fly ash //
Construction and Building Materials. 2015. (80). С. 8491. D0I:10.1016/J.C0NBUILDMAT.2015.01.019.
33. Krou N.J., Batonneau-Gener I., Belin T., Mignard S., Javierre I., Dubois-Brugger I., Horgnies M. Reactivity of volatile organic compounds with hydrated cement paste containing activated carbon // Building and Environment. 2015. (87). С. 102-107. D0I:10.1016/J.BUILDENV.2015.01.025.
34. Horgnies M., Dubois-Brugger I., Gartner E.M. N0 x de-pollution by hardened concrete and the influence of activated charcoal additions // Cement and Concrete Research. 2012. № 10(42). С. 1348-1355. D0I:10.1016/J.CEMC0NRES.2012.06.007.
35. Chowdhury B. Investigations into the role of activated carbon in a moisture-blocking cement formulation // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 2004 78:1. 2004. № 1(78). С. 215-226. D0I:10.1023/B:JTAN.0000042169.37321.24.
36. Tommaso M. Di, Bordonzotti I. N0x Adsorption, Fire Resistance and C02 Sequestration of High Performance, High Durability Concrete Containing Activated Carbon [Электронный ресурс]. . 06.2016URL: http://gamatec-projects.com/wp-content/uploads/2016/11/PPT-BioConcrete.pdf (дата обращения: 20.09.2022).
37. Venkata Krishna Chaitanya. C., Dr. Neeraja. D. Experimental Study 0n Strength Assessment 0f Concrete With Partial Replacement 0f Activated Carbon // International Journal of Advanced Scientific Technologies in Engineering and Management Sciences. 2016. № 2. С. 2454-356.
38. Gao J., Liu D., Xu Y., Chen J., Yang Y., Xia D., Ding Y., Xu W. Effects of two types of activated carbon on the properties of vegetation concrete and Cynodon dactylon growth // Scientific Reports. 2020. № 1(10). D0I:10.1038/S41598-020-71440-W.
39. IS0 - IS0 14025:2006 - Environmental labels and declarations — Type III environmental declarations — Principles and procedures [Электронный ресурс]. URL: https://www.iso.org/standard/38131.html (дата обращения: 15.04.2022).
REFERENCES
1. Tsyplenkov Daniil, Gamayunova 0lga. Modern building energy-efficient materials // Building new technologies - new equipment. 2021. (12). pp. 6-11.
2. Musorina T.A., Gamayunova 0.S., Petrichenko M.R. Substantiation of constructive measures to increase the energy efficiency of wall enclosures. Vestnik MGSU. 2017. No. 11 (110) (12). pp. 12691277.
3. Chakin E.Yu., Gamayunova 0.S. The use of BIM-technologies for the selection of energy-efficient heat-insulating materials. Inzhenernye issledovaniya. 2022. No. 2(7). pp. 11-21.
4. Petrichenko M.R., Petrichenko R.M. Convective heat and mass transfer in combustion chambers of piston engines. Basic results // Heat Transfer - Soviet Research. 1991. No. 5(23). S. 703.
5. Gagarin V.G., Akhmetov V.K., Zubarev K.P. Mathematical Model Using Discrete-Continuous Approach for Moisture Transfer in Enclosing Construction // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. No. 2(463). C. 022023. DOI:10.1088/1757-899X/463/2/022023.
6. Zubarev K.P., Zobnina Yu.S. Modern studies of the Trombe-Michel wall in the concept of a passive house // BST: Bulletin of Building Technology. 2022. No. 1054(6). pp. 58-60.
7. Petrichenko M., Ostrovaia A., Statsenko E. The Glass Ventilated Facades - Research of an Air Gap // Applied Mechanics and Materials. 2015. (725-726). pp. 87-92.
D0I:10.4028/WWW.SCIENTIFIC.NET/AMM.725-726.87.
8. Zubarev K.P., Zobnina Yu.S. Analysis of the performance features of the Trombe-Michel wall // Construction and architecture. 2022. No. 8(155). pp. 94-98.
9. Shabanov E.A., Gilyazidinova N.V. Investigation of the properties of concrete mixtures using coal mining waste for the construction of mines // Innovations and investments. 2020. No. 9. P. 240-244.
10. Lavrinenko A.A., Svechnikova N.Yu., Konovnitsyna N.S., Igumensheva E.A., Kuklina O.V., Khasanzyanova A.I. The use of bituminous coal flotation waste in the production of ceramic bricks // Chemistry of solid fuels. 2018. (6). pp. 64-68. D0I:10.1134/S0023117718060099.
11. Aiswarya.S, Malvin T Moses, Lloyd Bennet Thomas J.S., Dev and G. V. Prospective Benefits of Using Activated Carbon in Cement Composites- An Overview // International Journal of Advanced Research in Engineering and Technology (IJARET). 2019. No. 3(10). pp. 289-296.
12. Grekov M.A., Elagin S.V., Kozinets G.L., Leonov L.V., Chechevichkin A.V., Yakunin L.A. Test operation of the filter-separator FOPS-S in the treatment of surface runoff from the parking area // Water Supply and Sanitary Engineering. 2021. No. 2. S. 38-45. DOI:10.35776/VST.2021.02.04.
13. Igorevich V.K., Lazarev Yu.G., Chechevichkin A.V., Chechevichkin V.N., Yakunin L.A. Improving the technology of treating surface runoff from bridge crossings on highways. 2021. No. 49(75). pp. 56-62.
14. FOPS filters from the manufacturer | Aqua-Venture [Electronic resource]. URL: https://aquaventure.ru/page_200_poverhnostniy_livnev iy_stok.html (date of access: 09/21/2022).
15. Ritchie H., Roser M., Rosado P. CO2 and Greenhouse Gas Emissions // Our World in Data. 2020.
16. Frías M., Vigil de la Villa R., García R., Martinez S., Villar E., Vegas I. Effect of a high content in activated carbon waste on low clinker cement microstructure and properties // Construction and Building Materials. . 2018. (184). pp. 11-19. DOI:10.1016/J.CONBUILDMAT.2018.06.216.
17. Juurlink D.N. Activated charcoal for acute overdose: a reappraisal // British journal of clinical pharmacology. 2016. No. 3(81). pp. 482-487. D01:10.1111/BCP.12793.
18. Villarreal J., Kahn C.A., Dunford J. V., Patel E., Clark R.F. A retrospective review of the prehospital use of activated charcoal // The American journal of emergency medicine. 2015. No. 1(33). pp. 56-59. D0I:10.1016/J.AJEM.2014.10.019.
19. Delitsyn L.M., Ryabov Yu.V., Vlasov A.S. Possible technologies for ash utilization // "Energy saving." 2014. (2). pp. 60-66.
20. Anikeev V., Silka D. From the waste of coal-fired power plants to the production of building materials // Energy policy. 2021. No. 1(155). pp. 48-55.
21. Vladimirovna F.M., Vasilievna K.L. Application of coal mining and processing wastes as fillers for concrete mixtures. North Caucasian region. Technical science. 2013. No. 3 (172).
22. Lyahevich G.D., Lishtvan I.I., Lyahevich A.G., Dudarchik V.M., Kraiko V.M., Zvonnik S.A. Technology And Efficiency In Usage Of Brown Coal Ash For Cement And Concrete Mixtures At The Lelchitsky Deposit // Science & Technique. 2017. No. 2(16). pp. 104-112. D0I:10.21122/2227-1031-2017-16-2-104-112.
23. Pavlovich G.S. Optimization of the compositions of heavy concrete using finely dispersed additives // Bulletin of the South Ural State University. Series: Construction and architecture. 2012. No. 17 (276).
24. Sai Dinakar Swaroop M P.A.R.G. Experiment on Concrete Containing with activated carbon and Nano-fly ash, nano metakaolin // International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE). No. 6S4(8). pp. 1030-1033. D0I:10.35940/ijitee.F1212.0486S419.
25. Yang Z., Ba J., Pan J., Zheng C., Liu Z., Xu J., Li X., Yao Y. Compressive Strength and Microstructure of Activated Carbon-fly Ash Cement Composites // Chemical Engineering Transactions. . 2017. (59). D0I:10.3303/CET1759080.
26. Singh M., Siddique R. Properties of concrete containing high volumes of coal bottom ash as fine aggregate // Journal of Cleaner Production. 2015. (91). pp. 269-278. D0I:10.1016/J.JCLEPR0.2014.12.026.
27. Kurama H., Kaya M. Usage of coal combustion bottom ash in concrete mixture // Construction and Building Materials. 2008. No. 9(22). S. 1922-1928. D0I:10.1016/J.C0NBUILDMAT.2007.07.008.
28. Wang Y., Ge Y., Wang X., Chen X., Li Q. The effect of powder activated carbon on mechanical properties and pore structures of cement-based mortars // Construction and Building Materials. 2022. (316). P. 125798.
D0I:10.1016/J.C0NBUILDMAT.2021.125798.
29. Mangi S.A., Ibrahim M.H.W., Jamaluddin N., Arshad M.F., Mudjanarko S.W. Recycling of Coal Ash
in Concrete as a Partial Cementitious Resource // Resources 2019, Vol. 8, Page 99. 2019. No. 2(8). P. 99. D0I:10.3390/RES0URCES8020099.
30. Musorina T.A., Zaborova D.D., Petrichenko M.R., Stolyarov 0. Flexural properties of hogweed chips reinforced cement composites // Magazine of Civil Engineering. 2021. No. 1(107). P. 107. D0I:10.34910/MCE.107.9.
31. Liu J., Nie X., Zeng X., Su Z. Long-term leaching behavior of phenol in cement/activated-carbon solidified/stabilized hazardous waste // Journal of Environmental Management. 2013. (115). pp. 265-269. D0I:10.1016/J.JENVMAN.2012.11.026.
32. Mahoutian M., Lubell A.S., Bindiganavile V.S. Effect of powdered activated carbon on the air void characteristics of concrete containing fly ash // Construction and Building Materials. 2015. (80). pp. 84-91. D0I:10.1016/J.C0NBUILDMAT. 2015.01.019.
33. Krou N.J., Batonneau-Gener I., Belin T., Mignard S., Javierre I., Dubois-Brugger I., Horgnies M. Reactivity of volatile organic compounds with hydrated cement paste containing activated carbon // Building and Environment. 2015. (87). pp. 102-107. D0I:10.1016/J.BUILDENV.2015.01.025.
34. Horgnies M., Dubois-Brugger I., Gartner E.M. N0 x de-pollution by hardened concrete and the influence of activated charcoal additions // Cement and Concrete Research. 2012. No. 10(42). pp. 1348-1355. D0I:10.1016/J.CEMC0NRES.2012.06.007.
35. Chowdhury B. Investigations into the role of activated carbon in a moisture-blocking cement formulation // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 2004 78:1. 2004. No. 1(78). pp. 215-226. D0I:10.1023/B:JTAN.0000042169.37321.24.
36. Tommaso M. Di, Bordonzotti I. N0x Adsorption, Fire Resistance and C02 Sequestration of High Performance, High Durability Concrete Containing Activated Carbon [Electronic resource]. . 06.2016 URL: http://gamatec-projects.com/wp-content/uploads/2016/11/PPT-BioConcrete.pdf (accessed 20.09.2022).
37. Venkata Krishna Chaitanya. C D.N.. Experimental Study 0n Strength Assessment 0f Concrete With Partial Replacement 0f Activated Carbon // International Journal of Advanced Scientific Technologies in Engineering and Management Sciences. 2016. No. 2. S. 2454-356.
38. Gao J., Liu D., Xu Y., Chen J., Yang Y., Xia D., Ding Y., Xu W. Effects of two types of activated carbon on the properties of vegetation concrete and Cynodon dactylon growth // Scientific reports. 2020. No. 1(10). D0I:10.1038/S41598-020-71440-W.
39. IS0 - IS0 14025:2006 - Environmental labels and declarations - Type III environmental declarations -Principles and procedures [Electronic resource]. URL: https://www.iso.org/standard/38131.html (accessed 04/15/2022).
CrpoHTeflbCTBO HTexH0reHHaa6e30nacH0CTbN°26(78) -2022
USE OF PLANT AND COAL WASTE AS A SECONDARY RAW MATERIAL IN CONCRETE
COMPOSITES
Koryakovtseva T.A.1, Zaborova D.D.1, Gamayunova O.S.1
'Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 29 Politechnicheskaya st., St. Petersburg, 195251, Russian Federation [email protected], [email protected], [email protected]
Abstract: the article presents an analysis of the use of carbon-containing additives in construction. The advantages of a new concrete composite based on vegetable and carbon-containing additives are revealed. Given conclusions represents the calculations of the harmful effects on the environment and waste during the production of a new concrete composite.
Subject: the use of waste as a secondary raw material in construction will reduce the amount of cement or sand in the production of concrete. The article suggests using dry wood chips of hogweed with a length of 50 mm as an additive to concrete. The second additive to concrete is charcoal, which was used in filters for surface water treatment (FOPS). The aim of the work is an ecological analysis of a new concrete composite consisting of a vegetable additive and activated carbon.
Materials and methods: the analysis of the use of carbon-containing additives in concrete. With the help of the manufacturers' EPD, where the necessary information about the material was collected, harmful emissions (in the equivalent of CO2 emissions), the amount of waste generated during the production of concrete composites without additives and concrete composite with additives were calculated.
Results: Waste usage from other industries can be considered as secondary raw materials to create other building materials. The selected waste allows you to create a more environmentally friendly material. From the literature review it was revealed that the content of carbon-containing additives in concrete leads to an improvement in mechanical properties, makes it lighter, reduces the load from enclosing and load-bearing structures. The reduction of carbon dioxide emissions and waste during production by 3% for the new concrete composite was obtained. The volume of waste for concrete composites is 41.96 kg per 1 m3, the volume of carbon dioxide emissions is 626.8 kg per 1 m3.
Conclusions: the proposed additives can not only improve the properties of concrete, but also reduce the amount of harmful weed, make it possible to use waste from another production (coal filters FOPS), reduce the negative impact on the environment. Key words: additive to concrete, coal, coal filters FOPS, hogweed, negative impact on the environment, the volume of waste in production.
