Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Бой стекла наиболее трудно утилизируемый твердый отход, в случае попадания в природную среду, он наносит серьезный ущерб экологии на столетия. Но в то же время стекло является ценным материалом, на получение которого затрачено природное сырье и значительные энергетические ресурсы [1];.

На долю стеклобоя в твердых бытовых отходах приходится около 15% (рис. 1). При учете того фактора, что в отличие от других компонентов твердых бытовых отходов стекло невозможно окислить или разложить, то следует признать, что количество стекла, накопленного и продолжающего поступать в окружающую среду сопоставимо с природными геологическими ресурсами, используемыми человечеством [1];.

Отходы стекла

Рисунок 1 – Отходы стекла

Одним из способов утилизации стекла является его использование в качестве добавки в строительные бетоны.

Бетонами называются искусственные каменные материалы, получаемые в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из минерального или органического вяжущего вещества с водой, мелкого или крупного заполнителей, взятых в определенных пропорциях. По затвердевания эту смесь называют бетонной смесью [2];.

Бетоны классифицируют по трем основным показателям: виду вяжущего вещества, средней плотности и назначению. Благодаря применению различных рецептов состава смеси, введению тех или иных добавок для бетона, использованию специальных видов вяжущего и т.п. производители могут добиться от готовой смеси требуемых характеристик и параметров [3];.

1. Практическая значимость

Практическая значимость работы заключается в получении бетона с новыми свойствами за счёт утилизации вторичного стекла.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью данной работы является исследование влияния измельченного стекла на эксплуатационные свойства бетона.

Основными задачами исследования является определения оптимального фракционного состава измельченного стекла добавляемого в бетон, без снижения его прочностных характеристик.

3. Аналитический обзор литературы

3.1 Общие сведения о бетоне

Бетон – искусственный каменный материал, получаемый в результате формования и затвердевания бетонной смеси. Бетонной смесью называют перемешанную до однородного состояния пластичную смесь, состоящую из вяжущего вещества, воды, заполнителей и специальных добавок. Есть бетоны, для получения которых не требуется вода (асфальтобетоны, полимербетоны и др.) [4];.

Состав бетонной смеси подбирают таким образом, чтобы при данных условиях твердения бетон обладал заданными свойствами (прочностью, морозостойкостью, плотностью и др.) [5];.

Бетон состоит из большого количества зерен заполнителя (до 80…85% объема), связанных затвердевшим вяжущим веществом. Так как в качестве заполнителей применяют дешевые природные материалы или отходы промышленности, бетон экономически весьма эффективный материал. Роль заполнителя могут играть даже пузырьки воздуха [4];.

Бетон известен давно. В Древнем Риме, например, с использованием бетона на извести был построен ряд сложных инженерных сооружений: купол Пантеона, акведуки, термы (бани) и др. Существует мнение, что блоки внутренней части египетских пирамид также изготовлены из бетона, вяжущим в котором служила известь. Широкое применение бетона начинается после освоения промышленного производства портландцемента. Современное строительство немыслимо без бетона — бетон стал основным строительным материалом. Это объясняется его экономичностью, технологичностью и доступностью основных сырьевых материалов, а также разнообразием строительных свойств[6]; .

Бетонная смесь представляет собой пластично-вязкую массу (рис. 2), сравнительно легко принимающую любую форму и затем самопроизвольно переходящую в камневидное состояние. Таким образом легко получают конструкции и изделия любой заданной формы [5];.

Бетонная смесь

Рисунок 2 – Бетонная смесь

В наше время получают бетоны с самыми разнообразными физико-механическими свойствами. Помимо обычного тяжелого бетона производят легкий бетон с плотностью в 2…3 раза меньшей, чем у кирпича. Такой бетон обладает хорошими теплоизолирующими свойствами и применяется для возведения стен жилых и промышленных зданий. И наоборот, при строительстве ядерных установок, например, атомных электростанций, для защиты от ионизирующего излучения применяют особо тяжелые бетоны, плотность которых в 1,5…2 раза больше плотности гранита[5]; .

Бетон — огнестойкий материал. В настоящее время получены бетоны, стойкие к самым разнообразным агрессивным воздействиям, и в том числе жароупорные бетоны, способные работать при температуре свыше 1000 °С. При сочетании бетона и стали получается композиционный материал с еще более совершенными свойствами — железобетон [4];.

По плотности бетоны делят на особо тяжелые (плотность более 2500 кг/м3), тяжелые обыкновенные (2200…2500 кг/м3), облегченные (1800…2200 кг/м3), легкие (500…1800 кг/м3), особо легкие теплоизоляционные (500 кг/м3).

По виду вяжущего бетоны подразделяют на бетоны на неорганических и органических вяжущих. К бетонам на неорганических вяжущих относятся цементные (вяжущее — портландцемент и его разновидности), силикатные (известково-кремнеземистое вяжущее), гипсовые (гипсовые вяжущие); к бетонам на органических вяжущих: асфальтобетон (на битуме) и полимербетон (на синтетических смолах) [7];.

По структуре различают бетоны со слитной структурой, ячеистые и крупнопористые. Чаще других используются бетоны со слитной структурой — это обычный тяжелый бетон и легкие бетоны на пористых заполнителях. Легкие и особо легкие бетоны можно получить вспенивая тесто вяжущего — так получают бетоны ячеистой структуры (с равномерно распределенными порами размером 0,2…2 мм). Бетоны крупнопористой структуры, также относящиеся к легким бетонам, получают исключая из состава бетона мелкий заполнитель и скрепляя зерна крупного заполнителя вяжущим веществом [5];.

Бетоны — главнейший строительный материал. В нем сочетаются очень важные для строительства свойства: большая сырьевая база (до 85 % объема бетона — заполнители), простота технологии и достаточно высокие физико-механические свойства [8];.

На первый взгляд, изготовление бетонной смеси не являет собой сложный процесс, однако следует учитывать ряд критериев, которые определяют его пригодность и качество. В зависимости от предназначения материала, входящие компоненты могут отличаться.

Основным компонентами бетонной смеси являются наполнитель, цемент и вода. В качестве наполнителя используют щебень или гравий [4];.

В зависимости от прочности материала существуют разные марки. Для их обозначения используются цифры – чем они больше, тем показатель прочности выше. Наиболее часто используются марки М400, М500. Соотношение составляющих равно 1:4 или 1:5 (цемент: песок). Классификация песка зависит от степени его зернистости, которая равна от 0,5 до 2 мм. Иногда с целью повышения вязкости в смесь добавляют глиняный раствор. В случае переизбытка глины песок подлежит очистке и просушке [8];.

Щебень, как наполнитель, образуется путем дробления гранита. Полученные частицы должны быть не больше 5 мм в диаметре. Обязательным условием для получения качественного раствора щебень необходимо промыть, а также он не должен иметь в своем составе глины и земли[8]; .

Что касается воды для бетона, то единственным условием является ее чистота, а именно, отсутствие солей и кислот. Данная характеристика требует использования водопроводной воды, а не колодезной или родниковой. Также с целью повышения особенностей по эксплуатации смеси применяются добавки[7]; .

Схема приготовления бетонной смеси

Рисунок 3 – Схема приготовления бетонной смеси
(анимация: 6 кадров, повторение неограничено, 240 килобайт)

Главными критериями, которые поддаются изменению, являются пластичность и текучесть. Кроме того, возможно воздействие на процессы затвердения бетона, что особенно важно при жаркой погоде. Еще один тип добавок влияет на гидроизоляцию и морозостойкость конструкции.

3.2 Применение стеклобоя в качестве добавки

В последнее время наряду с уже традиционными и известными в определенном смысле отходами особый интерес вызывает утилизация несортированного боя искусственных стекол, или просто — стеклобоя. Дело в том, что образующийся во время производства брак или бой стекла чаще всего используется этими же заводами повторно. Такое стекло имеет стабильный (в рамках данной технологии) химический состав и находит применение в процессе плавки шихты. Состав несортированного боя различных видов стекол (оконного, тарного, оптического и пр.) является достаточно широким и разнообразным. Плюс ко всему возможны посторонние примеси, попадание которых в сырьевую смесь не допустимо, если желательно получить стекло с определенным составом или качеством. Поэтому несортированный стеклобой, в огромных количествах образующийся в отвалах и на свалках, до сих пор не находит должного применения [9];.

Наиболее вескими причинами переработки стеклобоя в настоящее время являются:

1. Период распада обыкновенной стеклянной бутылки составляет десятки лет.

2. Хрупкость – это обуславливает опасность стекла как для животных, так и для человека – все знают, насколько опасным может быть битое стекло, разбросанное в прибрежной зоне или в водоемах.

3. Каждые 10% стеклобоя снижают расход газа при изготовлении стекла на 3%. То есть, если будет использовать для производства стекла только стеклобой, то расход газа на изготовление продукции уменьшится на 30%.

Именно поэтому проблема масштабной и своевременной переработки этого материала и по сей день не теряет своей актуальности[9]; .

Преимуществами переработки стекла является:

1. Стекло представляет собой на 100% рецеркулируемый материал – таким образом, после его переработки не остается побочных материалов, которые отрицательно влияют на окружающую среду.

2. Каждые 1000 кг переработанных отходов экономят более 1000 кг природных материалов, в том числе 200 кг известняка, около 180 кг соды и более 600 кг песка [10];.

Следует отметить, что с экологической точки зрения стекло считается наиболее трудно утилизируемым отходом. Оно не подвергается разрушениям под воздействием воды, атмосферы, солнечной радиации, мороза. Кроме того, стекло — это коррозионностойкий материал, который не разрушается под воздействием подавляющего количества сильных и слабых органических, минеральных и биокислот, солей, а также грибков и бактерий.Одним из эффективным способом переработки стеклобоя, является добавление измельченного стекла (рис 2) в цементные бетоны, в качестве специальной добавки.

В строительстве широко используют бетоны, приготовленные на це-ментах или других неорганических вяжущих веществах. Эти бетоны обыч-но затворяют водой. Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит [7];.

Измельченое стекло

Рисунок 3 – Измельченое стекло

Не малую долю составляют наполнители для бетонов. Однако расширение добычи основных типов заполнителей бетонов не всегда может быть реализовано. Месторождения нерудных материалов типа строительного камня, песчаногравийных смесей и строительных песков не всегда могут быть использованы, так как они застроены, находятся в пойменных террасах рек или на других охраняемых территориях [8]. При этом бытовой и промышленный стеклобой, не находящий на сегодняшний день сбыта, но обладающий высокими прочностными характеристиками и доступностью, практически не используется как заполнитель бетонов. В нашей стране ежегодно образуется около 35–40 млн т твердых бытовых отходов, при этом рециклингу подвергается только 3–4% ТБО. Количество стеклобоя для различных территорий составляет 6–17 мас. %. Ежегодный объем стеклобоя, попадающего на полигоны твердых бытовых отходов, составляет 2–6 млн т. В сравнении с годовой потребностью в заполнителях эта величина невелика, но необходимо учитывать экологический эффект не только от утилизации компонента ТБО, но и возможность снижения добычи природных ресурсов при замене на сырье антропогенного происхождения. Кроме того, использование отходов в 2–3 раза дешевле, чем природного сырья, расход топлива при использовании отдельных видов отходов снижается на 10–40%, а удельные капиталовложения на 30–50% [8];.

Добавление измельченного стекла в бетон (рис. 5), может отразится на свойствах бетона, в частности на его прочности. Нет единого мнения по поводу снижается ли прочность или увеличиться. В разных источниках указанна разная информация, которая противоречит друг другу. Так исследования проводились в Колумбийском университете (США) профессором С. Мейером. Выявлено, что добавление стекла в композицию в большинстве случаев приводит к протеканию процесса щелочно-силикатного взаимодействия и снижению прочности. Также проведены исследования влияния на процесс температуры и состава стекла. Было обнаружено, что порошки стекла высокой дисперсности приводят к отсутствию расширения образцов. Авторы делают предположение о высокой скорости протекания процесса щелочно-силикатной реакции в этом случае, что приводит к завершению процесса 24–28 ч, вследствие чего в дальнейшем не может быть зафиксировано расширение и разрушение образцов. Можно предположить, что в качестве возможных путей подавления процесса щелочно-силикатного взаимодействия в композициях стекло – цемент авторы предлагают использование стекла определенного гранулометрического состава, добавление высокодисперсного стекла и модификацию композиции добавлением соединений лития или циркония. Но в ином источнике указанно что более мелкие фракции (менее 0,1 см) стекла, положительно влияют на прочность бетона т.к. гель не успевает образоваться и не вызывает трещин [9];.

Бетон с добавлением измельченого стекла

Рисунок 5 – Бетон с добавлением измельченого стекла

Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят различные химические добавки и активные минеральные компоненты, которые ускоряют или замедляют схватывание бетонной смеси, делают ее более пластичной и удобоукладываемой, ускоряют твердение бетона, повы¬шают его прочность и морозостойкость, регулируют собственные деформа¬ции бетона, возникающие при его твердении, а также при необходимости изменяют и другие свойства бетона[9]; .

Применение техногенных отходов, в частности стеклобоя, при изготовлении вяжущих материалов и бетонов на их основе - одно из перспективных направлений современного материаловедения, которое становится наиболее актуальным в последнее время [9];.

Выводы

Стекло является самым трудно утилизируемым твердым бытовым отходом, поэтому проблемы утилизации стоят так остро. Добавление измельченного стекла в бетон, является одним из способов его переработки. Однако стоит применять более мелкую фракцию измельченного стекла так как именно такая фракция положительно влияет на одно из основных свойств – прочность.

Список источников

  1. Проблема утилизации стеклобоя [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://scienceforum.ru...
  2. Невиль А. М. Свойства бетона / А. М. Невиль – М.: Издательство литературы по строительству, 1972. – 344 с.
  3. Черкасов Г.И. Введение в технологию бетона/ Г. И. Черкасов – Восточно-Сибирское издательство, 1974. - 312 с.
  4. Классификация бетонов [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://pronowosti.ru...
  5. Общие сведения о бетонах [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://stroy-server.ru...
  6. Афанасьев, Н.Ф. Добавки в бетоны и растворы / Н. Ф. Афанасьев, М. К. Целуйко – М.: Стройиздат, 1988. – 575 с.
  7. Способ приготовления бетонной смеси [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://kladembeton.ru...
  8. Ицкович С. М., Чумаков Л. Д., Баженов Ю. М. Технология заполнителей бетонов / С. М. Ицкович, Л. Д. Чумаков, Ю. М. Баженов – М.: Высшая школа, 1991 – 496 с.
  9. Использование стеклобоя как заполнителя бетонов [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.newchemistry.ru...
  10. Калашников В. И. Терминология науки о бетонах нового поколения / Строительные материалы. 2011, № 3. - С. 103-106.