Определение нормируемых характеристик рециклингового щебня из боя силикатного кирпича и перспективы его применения

Введение

Предприятия стройиндустрии, как и любые промышленные объекты, способны оказывать негативное воздействие на окружающую среду как при добыче природного сырья, так и в процессе реконструкции, капитального ремонта и сноса строительных объектов. Технология производства строительных материалов, строительство и эксплуатация различных зданий и сооружений является весьма материало- и энергоемким процессом с образованием различных отходов, которые необходимо утилизировать.

Проблема утилизации строительных отходов остро стоит во всех цивилизованных странах мира. По данным международной организации RILEM, в странах ЕС, США и Японии ежегодный объем только бетонного и кирпичного лома составляет более 360 млн т. В США значительная часть таких отходов (около 20 млн т) ежегодно перерабатывается в щебень, используемый в строительстве.

Начиная с 1970-х гг. во многих странах ведутся широкомасштабные исследования в области переработки бетонных и железобетонных, а также каменных (кирпичных) отходов, изучение технико-экономических, социальных и экологических аспектов использования получаемых из них вторичных продуктов. По сведениям из иностранных источников [1][2], энергозатраты при добыче природного щебня в 8 раз выше, чем получение щебня из бетона и кирпичей, а себестоимость бетона при использовании вторичного щебня снижается на 25 %.

Таким образом, в развитых странах мира наиболее предпочтительным путем утилизации бетонных и железобетонных, а также каменных (кирпичных) отходов является их рециклинг, т. е. процесс переработки и возвращения отходов в повторный оборот в качестве кондиционного товара.

В бывшем СССР внимание к этому вопросу было привлечено в конце ХХ века. Тогда считалось, что утилизация имеющихся отходов позволила бы вовлечь в хозяйственный оборот около 40 млн т бетонного и кирпичного лома, однако эти цели (в основном в связи с распадом СССР) реализованы не были.

По данным различных источников, на территории Российской Федерации построено около 260 млн м² жилого фонда в виде 5-этажных многоквартирных домов. Стены и перегородки значительной части этих домов выполнены из кладки с применением силикатного кирпича. Эти дома физически и морально устарели и подлежат сносу. Основным экономическим фактором от сноса пятиэтажных жилых домов является высвобождение городских территорий под новое современное строительство. Другим важным резервом улучшения экологии, а также экономии материальных и энергетических ресурсов в строительстве является переработка кирпичного лома и использование его в качестве заполнителей для бетонов общестроительного назначения. Для Российской Федерации использование вторичных ресурсов и внедрение системы рециклинга в производственный процесс является весьма перспективным направлением. В настоящее время переработка вторичных ресурсов не выделена в обособленный объект государственного регулирования: Федеральный закон № 89-ФЗ от 24 июня 1998 года «Об отходах производства и потребления» с изменениями, внесенными Федеральным законом от 28 июля 2012 г. № 128-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об отходах производства и потребления» [3], не рассматривает отходы как вторичные материальные ресурсы. В то же время в Распоряжении Правительства Российской Федерации № 868-р от 10 мая 2016 г. «Стратегия развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года и дальнейшую перспективу до 2030 года» [4] отмечается низкий уровень вовлечения отходов производства и потребления в новое производство (п. 8, стр. 19).

Использование вторичных ресурсов, а также масштабное освоение и внедрение системы рециклинга в производственный процесс Российской Федерации отвечает основным положениям Указа Президента Российской Федерации «Стратегия экологической безопасности Российской Федерации на период до 2025 г.». № 176 от 19 апреля 2017 г. [5].

Приоритетными направлениями в этом документе, в частности, являются:

• развитие системы эффективного обращения с отходами производства и потребления, создание индустрии утилизации, в том числе повторного применения таких отходов;
• стимулирование внедрения наилучших доступных технологий, создание удовлетворяющих современным экологическим требованиям и стандартам объектов, используемых для размещения, утилизации, переработки и обезвреживания отходов производства и потребления, а также увеличение объема повторного применения отходов производства и потребления за счет субсидирования и предоставления налоговых и тарифных льгот, других форм поддержки.

В настоящее время только в Москве ежегодно образуется 1500 тыс. т строительных отходов, в т. ч. в виде боя из силикатного кирпича. Только 70–80 тыс. т из них перерабатывается, остальное вывозится на полигоны, либо скапливается на десятках несанкционированных свалок. Этот сектор рынка все еще находится в стадии становления. Целесообразность переработки боя силикатного кирпича от сносимых зданий и получения вторичного щебня экономически оправдано. Наибольшим спросом пользуются фракции щебня 10–20 и 20–40 мм, которые в настоящее время используются для отсыпки, благоустройства территорий, а также для производства низкомарочных бетонов.

Рециклинговый щебень из боя силикатного кирпича представляет собой материал (продукт), получаемый дроблением некондиционного силикатного кирпича, силикатных камней, фрагментов кирпичной кладки на их основе, а также конструкций и изделий из мелкозернистого силикатного бетона. Рециклинговый щебень, получаемый из некондиционного силикатного кирпича и силикатных камней, состоит из зерен кирпичного боя различных фракций. Рециклинговый щебень, получаемый дроблением фрагментов кирпичной кладки на основе силикатного кирпича, силикатных камней, а также конструкций и изделий из мелкозернистого силикатного бетона, состоит преимущественно из зерен кирпичного боя, зерен раствора, а также агрегированных в единый конгломерат зерен кирпичного боя и раствора различных фракций. Рециклинговый щебень из боя силикатного кирпича представляет собой ценный ресурс для производства бетонных, а также железобетонных конструкций и изделий. Его использование для замены природных и традиционных искусственных заполнителей в бетоне может принести значительные экономические, энергетические и экологические преимущества. Повторное использование вторичного рециклингового кирпичного щебня во многих случаях весьма целесообразно и отвечает принципам концепции «устойчивого развития» («sustainable development»), основные положения которой предусматривают экономию материалов и энергии, а также уменьшение негативного воздействия на окружающую среду, в том числе сохранение невосполнимых источников природных ресурсов.

Если бетоны на основе рециклингового щебня из боя керамического кирпича в Российской Федерации применялись при строительстве различных зданий и сооружений с конца XIX до 60-х гг. XX века, то бетоны на основе рециклингового щебня из боя силикатного кирпича практически не производились. Действующие нормативные документы, регламентирующие требования к щебню из боя силикатного кирпича, на сегодняшний день в Российской Федерации практически отсутствуют.

Цель

Целью работы было определение зернового состава, прочности и насыпной плотности рециклингового щебня из боя силикатного кирпича с выявлением перспектив его применения в качестве заполнителей для производства бетонов общестроительного назначения.

Материалы и методы

Для определения насыпной плотности, зернового состава и марки по дробимости щебня из боя силикатного кирпича сотрудниками Лаборатории № 9 НИИЖБ им. А.А. Гвоздева были проведены комплексные экспериментальные исследования. Для проведения работ из стен реконструируемого здания (построенного в середине XX века) были отобраны фрагменты кирпичной кладки, затем дроблением этих фрагментов были получены пробы рециклингового щебня двух видов (типов):

• рециклинговый щебень непосредственно из кирпичной кладки с раствором;
• рециклинговый щебень из кирпича без наличия раствора.

Для изготовления рециклингового щебня использовали щековую дробилку марки ЩДС 180 × 250 производства ООО «Уральский Завод Котельного Оборудования». Размер выходной щели щековой дробилки составлял 20 мм. Общий вид щековой дробилки приведен на рис. 1.

Общие виды рециклингового щебня из боя силикатного кирпича приведены на рис. 2.

Осмотр проб показал, что рециклинговый щебень, полученный дроблением кирпичной кладки, состоит из зерен кирпича, зерен раствора, а также агрегированных в единый конгломерат зерен кирпича и раствора различных фракций. Рециклинговый щебень, полученный из кирпича без наличия раствора, состоит из зерен кирпича различных фракций. Инородные примеси в рециклинговом щебне отсутствовали.

Определение насыпной плотности, зернового состава и марки по дробимости рециклингового щебня проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний».

Требования к насыпной плотности, зерновому составу и марке по дробимости рециклингового щебня определяли в соответствии с ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия».

Результаты

Результаты определения насыпной плотности, зернового состава и марки по дробимости рециклингового щебня приведены в табл. 1–6.

Выводы

1. Насыпная плотность рециклингового щебня, полученного дроблением фрагментов кирпичной кладки (с раствором), составляет 1138–1160 кг/м³. Насыпная плотность рециклингового щебня, полученного дроблением кирпича без наличия раствора, составляет 1176–1184 кг/м³. Наличие в составе рециклингового щебня раствора незначительно (на 2–3 %) уменьшает насыпную плотность щебня.
2. Рециклинговый щебень, полученный дроблением фрагментов кирпичной кладки (с раствором), по зерновому составу не удовлетворяет требованиям ГОСТ 8267-93. Полные остатки на ситах Ø5 (65,30 %) и Ø2,5 (74,39 %) меньше минимальных нормируемых значений 90 и 95 %. Рециклинговый щебень, полученный дроблением кирпича без наличия раствора, не удовлетворяет требованиям ГОСТ 8267-93. Полные остатки на ситах Ø5 (59,74 %) и Ø2,5 (70,01 %) меньше минимальных нормируемых значений 90 и 95 %. Наличие в составе рециклингового щебня раствора на 17 % уменьшает количество мелких (менее 2,5 мм) зерен.
3. Независимо от наличия растворной части в рециклинговом щебне из кирпичного боя основной фракцией щебня являются зерна с размерами от 12,5 до 10 мм, их доля составляет 29,4 и 34,87 %, а также мелкие (менее 2,5 мм) фракции, их доля составляет 25,6 и 29,99 %.
4. Марка по дробимости (прочность) рециклингового щебня, полученного дроблением фрагментов кирпичной кладки (с раствором), и рециклингового щебня, полученного дроблением кирпича без наличия раствора, составляет М200. При этом наличие в щебне растворной части практически не влияет на ее дробимость.
5. По показателям насыпной плотности, зернового состава и марки по дробимости рециклинговый щебень, полученный дроблением фрагментов кирпичной кладки (с раствором), и рециклинговый щебень, полученный дроблением силикатного кирпича без наличия раствора, пригодны (наравне с щебнем из осадочных и метаморфических пород) для применения в качестве крупного заполнителя при производстве бетонов общестроительного назначения.
6. В настоящее время в Российской Федерации документы, нормирующие требования к рециклинговому щебню из дробленого кирпича и кирпичной кладки (на основе силикатного кирпича), практически отсутствуют. Для широкого применения в строительной отрасли рециклингового щебня необходимо проведение комплекса экспериментальных работ с разработкой нового ГОСТ, что позволит усовершенствовать процессы утилизации каменных, кирпичных конструкций и изделий с завершенным сроком эксплуатации для получения качественного и готового к применению строительного материала. Энергетические затраты на производство рециклингового (вторичного) дробленного кирпичного щебня в разы меньше, чем обычного. Небольшая цена и простота получения создают широкую сферу применения рециклингового (вторичного) щебня из силикатного кирпича. Кроме этого, применение рециклингового (вторичного) щебня существенно снижает техногенную нагрузку на природную среду, а его нейтральность при использовании не загрязняет окружающую среду.