CC BY
2
УДК 69.1418
doi: 10.55287/22275398_2023_2_146
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО БЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОТХОДОВ
М.Алипур*
Г. Э. Окольникова* / **
* Российский университет дружбы народов (РУДН), г. Москва
** Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
Аннотация
Такие проблемы как, глобальное распространение парникового эффекта, которое частично имеет прямой связь с производством цемента и высокий спрос на природные ресурсы и производство цемента как главный компонент бетонной смеси из-за быстрой урбанизации и проблемы утилизации сельскохозяйственных отходов, заставляли нас задумываться о частичной замене цемента, которая поможет нам удешевить бетон и это целесообразно с точки зрения технико-экономической соображения. Интересно знать, что при производстве одной тонны цемента в воздух выбрасывается примерно одной тонны газа диоксида углерода, что вредит нашей экологии.
Все эти проблемы открывает нам возможность для применения промышленных и сельскохозяйственных отходов в качестве компонента бетонной смеси, частично заменяющий цемента, но не забывая о прочностных и деформативных характеристиках бетона и тем более, когда речь идет о высокопрочном бетоне, который используется в ответственных железобетонных конструкциях. В современном строительстве к бетонным смесям и высокопрочным бетонам предъявляется комплекс требований, среди которых основным является высокая подвижность и сохраняемость бетонной смеси, а также высокая прочность, долговечность, эксплуатационная надежность и доступная цена самого бетона [1]. В этой статьи рассматриваем некоторые сельскохозяйственные отходы и опыт их применение.
Ключевые слова
сельскохозяйственные отходы, высокопрочный бетон, рисовая шелуха, экологичный бетон, мелкий заполнитель, кокосовая скорлупа, цемент
Дата поступления в редакцию
20.04.2023
Дата принятия к печати
23.04.2023
Введение
В основу получения высокопрочных бетонов положены современные технологические приемы, способствующие улучшению технических и физико-механических свойств при комплексном применении сельскохозяйственного и промышленного сырья и эффективных химических добавок. Гигантски
возрастающее из года в год промышленное производство в нашей стране и за рубежом влечет за собой накопление огромных объемов техногенных отходов, а их ликвидация и хранение давно уже экономически и экологически невыгодно.
Растущее население, растущая урбанизация, улучшающийся образ жизни из-за технологических инноваций потребовали огромного количества природных ресурсов в строительной отрасли, что привело к нехватке ресурсов. Этот дефицит мотивирует исследователей использовать твердые отходы, образующиеся в результате промышленной, горнодобывающей, бытовой и сельскохозяйственной деятельности. Например Отмечено, что в Индии из сельскохозяйственных отходов образуется более 600 тонн отходов, что серьезно создает проблему утилизации или в России является проблема утилизации и рационального использование отходов сельского хозяйства.
По данным науки, сельскохозяйственное производство дает отходов в год 250 млн тонн, которых необходимо правильно и грамотно утилизировать. Таким образом повторное использование эти отходы, например в строительстве помогает очистить экологию и освободить площади от пополнения и хранения.
Данная статья поддерживает использование переработанных материалов в производстве различного вида высокопрочного бетона для обеспечения преимуществ устойчивости, оптимального
использования промышленных отходов в качестве альтернативы цементу в традиционных бетонных
„ „ „ Н
смесях. В качестве заменителей цемента используют зерновой доменный шлак, мета каолин, диоксид ^
кремния и летучую золу при определенном содержании цемента в испытуемой смеси при различных СО
коэффициентах замещения.
03
г
м О
Сельскохозяйственные ресурсы
Сельскохозяйственные отходы, такие как рисовая шелуха, зола пальмового масла и кокосовая скорлупа, являются устойчивым источником для производства бетона.
Зола рисовой шелухи
Рисовая шелуха является сельскохозяйственными отходами и одним из крупнейших доступных источников отходов (рис. 1). Утилизация этих природных отходов очень затруднена из-за загрязнения. Из-за высокого содержания кремнезема зола рисовой шелухи сильно пуццолановая, содержит 90 - 95% 8Ю2, который является важным компонентом бетона, в то время как обычный портландцемент содержит 21% 8Ю2.
Отходы рисового поля, такие как зола рисовой шелухи, могут использоваться в бетонной смеси (зеленый бетон) для повышения эффективности, прочности, долговечности и уменьшения количества цемента. Он может остановить растрескивание бетона в виде геля гидрата силиката кальция (С-8-Н) и защитить его от коррозии и насыщения [9]. В самоуплотняющемся бетоне зола рисовой шелухи решает проблему утилизации, защищая окружающую среду от загрязнения. Кремнезем в золе рисовой шелухи представляет собой сочетание гидроксида кальция и устойчивости материалов к кислотным условиям. Бетон, модифицированный золой рисовой шелухи, имеет другую прочность на сжатие, предел прочности при растяжении и модуль упругости по сравнению с контрольным бетоном.
Рис. 1 см. на следующей странице
и
га
I
о
н
<и
ю
о
о
I
т
о
а
с
о
X
< о
со и
О
* и
к
X
.0 I
с; Щ I
о (и
* 2
о
а
с
и
> Н
с X
с; (и с и
< а
■ и
2 с
Рис. 1. Рисовая шелуха и зола рисовой шелухи
ЗРШ относится к сельскохозяйственному побочному продукту сжигания шелухи при контролируемой температуре ниже 800 °С (рис. 1).
После колоссальных исследований [2] в 2013 году протестировали свойства самоуплотняющегося бетона, используя рисовую шелуху и известняк в качестве мелкодисперсной замены заполнителя.
Сообщалось, что использование золы рисовой шелухи в самоуплотняющемся бетоне позволило снизить удельный вес, текучесть, пористость, водопоглощение, прочность на сжатие, скорость ультразвукового импульса и стоимость. Об использовании рисовой шелухи было исследовано и сообщено в 2014 [3] в качестве заменяющего частично цемента, для производства плит и замены заполнителя в бетоне в недорогом жилье.
Таблица 1
Элементный состав рисовой шелухи
Образец Содержание элемента, % мас. C / H
C H O N K Si Ca Mg Al
Рисовая шелуха 40,80 5,38 44,42 1,16 0,97 7,00 0,10 0,11 0,06 7,60
Таблица 2
Характеристики брикетов рисовой шелухи
Характеристика Шелуха риса
Плотность, т/м3 1,0 - 1,2
Теплотворная способность, ккал/кг 4800 - 5200
Влажность, % мас. 4 - 7
Зольность, % мас. 0,3 - 3,0
В 2011 было проведено в России исследование [4] на применение золы рисовой шелухи в качестве частичного заменяющего цемента в модифицированном высокопрочном бетоне, что дает нам возмож-
ность экономить цемент с повышением прочность бетона на сжатие на 20% и прочность на растяжение при изгибе на 10%.
В 2017 году было проведено исследование в Иране на тему появление применения золы рисовой шелухи (ЗРШ) на физико-механические характеристики высокопрочного бетона с различными процентами содержания и были получены следующие результаты [6]:
• Предотвращение воздействия на окружающую среду и сокращение выбросов загрязняющих веществ—это проблемы, связанные с заменой цемента, что приводит к созданию более всеобъемлющей основы для решения экологических проблем.
• Включение ЗРШ в цемент способствует снижению коэффициента проникновения хлорид-ионов до 928 кулонов при 25% замене ЗРШ.
• Смеси с 25% ЗРШ показали самые низкие показатели водопоглощения - примерно на 4,8% через 7 дней и на 3% через 28 дней выдержки соответственно.
• Эффективность золы рисовой шелухи в бетоне зависит от количества добавленного кремнезема. Это связано с тем, что зола рисовой шелухи содержит от 85 до 95% мас. аморфного кремнезема. Зола рисовой шелухи в качестве пуццоланового реактивного материала может быть использована для увеличения площади поверхности переходной зоны между микроскопической структурой цементного теста и заполнителя в высокопроизводительном бетоне.
• Увеличение прочности на сжатие на 6,9% через 7 дней и на 6,8% через 28 дней было получено при увеличении содержания ЗРШ до 25%, но результаты, вероятно, будут контрастировать из-за большего количества замен. Та же тенденция наблюдалась и для предела прочности при растяжении, который наиболее сильно увеличился до 6,8% ЗРШ, а затем имеет тенденцию к снижению. В случае прочности на сжатие и свойств проникновения хлоридов стандартная практика отверждения в течение 28 дней считается адекватной. Установлено, что длительное отверждение до 90 дней выгодно только с точки зрения повышения стойкости к поглощению воды. Замена 25% рисовой золы приводит к резкому улучшению проницаемости бетонной смеси по сравнению с обычным бетоном, что приводит к:
- Снижению водонепроницаемости на 26%.
- Снижению проникновения хлоридов на 78%.
Эти результаты значительно улучшают долговечность и стойкость бетонных конструкций, и срок их службы.
Зола пальмового масла (ЗПМ)
Зола пальмового масла — это сельскохозяйственные отходы, оставшиеся от пальмового масла, из которого получают пальмовое волокно и его скорлупу (рис. 2). Они сжигаются при температуре от 800 до 1000 градусов по Цельсию для производства электроэнергии. Это одна из экологических угроз, потому что, поскольку этот материал захоронен, его дальнейшее использование невозможно, поэтому он использовался многими исследователями в качестве дополнительного вяжущего материала в бетоне.
Зола пальмового масла содержит 21 - 22% кремнезема, который может реагировать путем гидратации с гидроксидом кальция (Са(ОН)2) с образованием гидрата силиката кальция (С-8-Н) [8].
03
г
м О
-I
м
Э СО
Рис. 2 см. на следующей странице
и
га
I
о
н
<и
ю
о
о
I
т
о
а
с
о
X
< о
со и
О
* и
к
X
.0 I
с; Щ I
о (и
* 2
о
а
с
2
и
> Н
с X
с; (и с и
< а
■ и
2 С
Рис. 2. Пальмовое масло
Замена Золы пальмовым маслом на 20% может быть оптимальным уровнем для достижения прочности бетона (самая высокая прочность при замене топливной золы пальмовым маслом на уровне 20% достигается в возрасте 28 дней), кроме того, существенное значение имеет достижение эффективности, заполняющей способности, гибкости, снижения трения между частицами, сохранения деформационной способности, вязкости и самодостаточности в монолитных конструкциях при повышении прочности на сжатие.
Экологически чистое производство высокопрочного бетона из золы пальмового масла вполне возможно. На основании общего обзора можно сделать вывод, что зола пальмового масла может использоваться в качестве эффективного цементного материала для замены 20% цемента в бетоне и растворе. [9]. Например, в Великобритании в 2018 году было проведена исследовательская работа над темой применение золы пальмового масла в качестве частичной замены цемента в бетонной смеси [10] (рис. 3).
В этом исследовании излучалось влияние топливной золы из пальмового масла в качестве замены пуццолана в бетоне, и основными результатами являются:
• Зола из пальмового масла является эффективным пуццоланом для замены цемента с низким процентным содержанием при оптимальном уровне 2,5%.
• Образцы, изготовленные с заменой 2,5% и 5% ЗПМ, имели более высокую прочность по сравнению с контролем через 7 и 28 дней; поведение, очень похожее на поведение диоксида кремния.
• Основываясь на данных о прочности, бетон из золы пальмового масла потенциально может использоваться в пролетных строениях, включая мосты с большим пролетом, в основном для сборных и предварительно напряженных балок, что позволяет увеличить пролеты при проектировании мостов и высотных небоскребов за счет строительства колонн меньшего размера и увеличения.
Замена Золы пальмовым маслом на 20% может быть оптимальным уровнем для достижения прочности бетона (самая высокая прочность при замене топливной золы пальмовым маслом на уровне 20% достигается в возрасте 28 дней). , кроме того, существенное значение имеет достижение эффективности, заполняющей способности, гибкости, снижения трения между частицами, сохранения деформационной способности, вязкости и самодостаточности в монолитных конструкциях при повышении прочности на сжатие.
Экологически чистое производство высокопрочного бетона из золы пальмового масла вполне возможно. На основании общего обзора можно сделать вывод, что зола пальмового масла может использоваться в качестве эффективного цементного материала для замены 20% цемента в бетоне и растворе.[9].
Например, в Великобритании в 2018 году было проведена исследовательская работа над темой применение золы пальмового масла в качестве частичной замены цемента в бетонной смеси [10] (рис. 3).
В этом исследовании излучалось влияние топливной золы из пальмового масла в качестве замены пуццолана в бетоне, и основными результатами являются:
• Зола из пальмового масла является эффективным пуццоланом для замены цемента с низким процентным содержанием при оптимальном уровне 2,5%.
• Образцы, изготовленные с заменой 2,5% и 5% ЗПМ, имели более высокую прочность по сравнению с контролем через 7 и 28 дней; поведение, очень похожее на поведение диоксида кремния.
• Основываясь на данных о прочности, бетон из золы пальмового масла потенциально может использоваться в пролетных строениях, включая мосты с большим пролетом, в основном для сборных и предварительно напряженных балок, что позволяет увеличить пролеты при проектировании мостов и высотных небоскребов за счет строительства колонн меньшего размера и увеличения.
Рис. 3. График развития прочности на сжатие бетона из пальмового масла
Кокосовая скорлупа
Утилизация кокосовой скорлупы — еще одна экологическая проблема. Исследования показали, что сжигание сельскохозяйственных отходов вызывает загрязнение воздуха и снижает плодородие почвы. Хотя разложение сельскохозяйственных отходов на этом поле не является вредным и увеличивает урожайность, процесс разложения идет очень медленно.
Приготовление Кокосовая скорлупа высушивается на воздухе в виде вискозы при комнатной температуре 25 - 30 °С и может быть разбита вручную на мелкие кусочки размером до 12 мм. Применяется в бетонной промышленности в качестве частичной замены крупных заполнителей для снижения естественного расхода на производство сырого бетона.
Замена скорлупы кокосового ореха в качестве заполнителя в бетонной смеси повысила прочность на сжатие по сравнению с обычной бетонной смесью. Эти натуральные заполнители из скорлупы кокосового ореха должны заменить 10 - 20% обычных зерен. Характеристики бетона, замешанного на смеси кокосовой скорлупы, несколько ниже нормальных значений.
03
г
м О
-I
м
Э СО
и
га
I
о
н
<и
ю
о
о
I
т
о
а
с
о
X
< о
со и
О
* и
к
X
.0 I
с; Щ I
о (и
* 2
о
а
с
2
и
> Н
с X
с; (и с и
< а
■ и
2 С
С экологической и экономической точки зрения скорлупа кокосового ореха может быть использована в качестве альтернативного строительного материала [9, 11].
Определена прочность на сжатие бетона из кокосовой скорлупы при частичной замене природного крупного заполнителя отходами кокосовой скорлупы. Проведены лабораторные испытания замены крупного заполнителя на скорлупу кокосового ореха от 5 % до 30 % для бетона класса В20. Наблюдалась различная прочность бетона, которая измерялась в МПа.
Результаты, полученные для прочности на сжатие от 7 до 28 дней, подтверждают оптимальное процентное требование для замены природного крупного заполнителя отходами кокосовой скорлупы, показаны (рис. 4) [5].
I! II ill II ill
0% замены 5% замены 10% замены 20% замены 30% замены
■ 7 суток 15,5 14,4 13,3 12,3 11,45
■ 14 суток 18,65 18,2 17,7 16,4 15,8
■ 21 сутки 19,9 18,8 18,1 17,4 16,35
■ 28 суток 22,3 20,45 20,1 18,7 17,9
Название оси
■ 7 суток ■ 14 суток ■ 21 сутки ■ 28 суток
Рис. 4. Сравнение прочности на сжатие бетона из скорлупы кокосового ореха
Заключение
Использование частичных заменителей цемента или пуццоланов набирает популярность по целому ряду причин, включая повышение эксплуатационных характеристик бетона, снижение затрат на использование традиционных компонентов бетона и заботу об окружающей среде.
Производство цемента является одним из самых высоких источников CO2. Частичная замена цемента не только приносит пользу окружающей среде, но и положительно влияет на физико-механические свойства бетона, долговечность и водопоглашение.
Библиографический список
1. Бажанов Ю. М. Бетоны повышенной долговечности // строительные материалы. 1999. No 7 - 8. С. 21 - 22.
2. G. S. Iam, N. Makul «Utilization of limestone powder to improve the properties of self-com-pacting concrete incorporating high volumes of untreated rice husk ash as fine aggregate» Constr. Build. Mater., 38 (2013), pp. 455 - 464.
3. P. Shafigh, H. B. Mahmuda, M. Z. Jumaat, M. Zargar «Agricultural wastes as aggregate in concrete mixtures — A review» Constr. Build. Mater., 53 (2014), pp. 110 - 117.
4. Нгуен Динь Чинь, Нгуен Тхе Винь, Ю. М. Баженов // Высокопрочные бетоны с комплексным применением золы рисовой шелухи, золы-уноса и суперпластификаторов // Вестник МГСУ 2011 77 - 82.
5. Sanjay Kumar Verma, Sagar Shrivastava // Use of Coconut Shell as Partly Substitution of Coarse Aggregate — An Experimental Analysis // AIP Conference Proceedings 2158, 020021)2019.
6. Seyed Alireza Zareei, Farshad Ameri, Farzan Dorostkar, Mojtaba Ahmadi // Rice husk ash as a partial replacement of cement in high strength concrete containing micro silica: Evaluating durability and mechanical properties // Case Studies in Construction Materials Volume 7, December 2017, Pages 73 - 81.
7. Khalid Al-Gahtani, Ibrahim Alsulaihi, Mohamed Ali, Mohamed Marzouk // Built Environment Project and Asset Management Production of green concrete using recycled waste aggregate and byproducts // journal homepage: https://doi.org/10.1108/BEPAM-09-2016-0047.
8. Vinita Vishwakarma, D. Ramachandran // Green Concrete mix using solid waste and nano-particles as ф alternatives // journal homepage: www.elsevier.com/locate/conbuildmat. Z
9. Zaid O., Ahmad J., Siddique M. S. and Aslam F. (2021) Effect of Incorporation of Rice Husk Ash О Instead of Cement on the Performance of Steel Fibers Reinforced Concrete. Front. Mater. 8:665625. doi: ы 10.3389/fmats.2021.665625.
10. Jonida Pone, Ahmed Ash*, John Kamau and Fraser Hyndman // Palm Oil Fuel Ash as A Ce ment Replacement in Concrete // Department of Civil Engineering Group, Leeds Beckett University, UK.
11. G. E. Okolnikova, G. T. Weldelibanos, H. B. Kahsay, A. G. Gebrezgiabher. Bamboo as sustainable material for building construction. — 2022. — № 42. — С. 73 - 81. doi: 10.55287/22275398_2022_1_72.
ÎÛ
PROSPECTS FOT THE USE OF HIGH-STRENGTH CONCRETE USING AGRICULTURAL WASTE
M. Alipour *
G. E. Okolnikova */ **
* Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University), Moscow
** Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
Abstract
Issues such as the global spread of the greenhouse effect, which is partly directly related to the production of cement and the high demand for natural resources and the production of cement as the main component of the concrete mix due to rapid urbanization and the problem of agricultural waste disposal, made us think about partial replacement of cement, which will help us reduce the cost of concrete, and this is expedient from the point of view of technical and economic considerations.
The Keywords
agricultural waste, high- strength concrete, rice hulls, Eco-friendly concrete, fine aggregate, Coconut shell, Cement
и
ra i о
H
<u ю о
0
1
т о а с о
X
< О
со и
° й ^ со
s к
51
^ X
о ï
£ ^ о S
Л а
m с
^ 2 а
£ s
£ Ё <&
■ и s С
It is interesting to know that during the production of one ton of cement, approximately one ton of carbon dioxide gas is released into the air, which harms our environment.
Date of receipt in edition
Date of acceptance for printing
20.04.2023
All these problems open up the possibility for us to use industrial and agri-
23.04.2023
cultural waste as a component of the concrete mixture, partially replacing cement, but not forgetting the strength and deformation characteristics of concrete, and
even more so when it comes to high-strength concrete, which is used in critical reinforced concrete structures. In modern construction, concrete mixes and high-strength concretes are subject to a set of requirements, among which the main ones are high mobility and persistence of the concrete mix, as well as high strength, durability, operational reliability and affordable price of the concrete itself [1]. In this article, we consider some agricultural waste and the experience of their use.
Ссылка для цитирования:
М. Алипур, Г. Э. Окольникова. Перспективы применения высокопрочного бетона с использованием сельскохозяйственных отходов. — Системные технологии. — 2023. — № 2 (47). — С. 146 - 154.
