Созданы на века: наука, лежащая в основе устойчивого бетона в операциях по переработке отходов

Бетонные полы на объектах по переработке твердых отходов работают на стыке экстремальных химических и механических воздействий. Они должны выдерживать абразивное воздействие стальных гусениц и ковшей погрузчиков, воздействие хлоридов и сульфатов, а также термические нагрузки при циклическом замораживании-оттаивании.

Во многих случаях эти плиты подвергаются более агрессивным условиям эксплуатации, чем мостовые настилы или покрытия аэропортов. И когда они выходят из строя, результат не только эстетический, но и приводит к последующим эксплуатационным простоям, экологическим рискам и прямому снижению эффективности объекта.

Раньше долговечность была единственным приоритетом при проектировании. Сегодня, когда сектор переработки отходов и материалов переходит на принципы циклической экономики, второй показатель имеет не меньшее значение: экологичность. Владельцам объектов, инженерам и подрядчикам теперь следует задаваться вопросом не только о долговечности бетонного пола, но и о том, сколько углерода он выбрасывает за весь свой жизненный цикл.

Достижения в области химии добавок, оптимизации состава смесей и систем защитных покрытий позволяют достичь обеих целей. Экологичное проектирование и долговечность — это уже не просто компромиссы с бетонными конструкциями, а синергетические цели, основанные на материаловедении.

Сокращение выбросов углерода за счет более рациональной химии цемента

Задача устойчивого развития начинается с цемента. На производство портландцемента приходится около 8% мировых выбросов CO2 из-за обжига известняка при температуре около 2642°F (1450°C), что приводит к выделению почти 1 тонны CO2 на тонну цемента. Уменьшение содержания цемента в смеси напрямую снижает выбросы углерода, а использование дополнительных вяжущих материалов (ВВМ) представляет собой наиболее практичный способ добиться этого снижения без ущерба для эксплуатационных характеристик бетона.

Летучая зола, пуццолановый побочный продукт сжигания угля, реагирует с гидроксидом кальция [Ca(OH)2], выделяющимся при гидратации, образуя дополнительный гидрат силиката кальция (C–S–H2). Эта реакция расходует более слабые побочные продукты, улучшает пористую структуру и увеличивает долговременную прочность бетонной смеси, одновременно снижая ее проницаемость. Замена 25–35% портландцемента летучей золой класса F может снизить содержание углерода примерно на 178 кг/м3 бетона и повысить сульфатостойкость — ключевое преимущество для предприятий по переработке твердых отходов, подверженных воздействию фильтрата.

Шлаковый цемент, также известный как доменный гранулированный шлак, обеспечивает как гидравлическую, так и пуццолановую реактивность бетонной смеси. Он повышает сопротивление проникновению хлорид-ионов до 50 процентов и улучшает сохранение прочности на ранней стадии при правильной активации щелочами. Полы, включающие от 30 до 50 процентов шлака, достигают более высокой конечной прочности, более светлой отражательной способности и сниженной теплоты гидратации, что сводит к минимуму термическое растрескивание при укладке в холодную погоду.
Микрокремнезем, побочный продукт производства металлического кремния, используется для обеспечения эффекта сверхтонкого наполнителя, который уплотняет переходную зону между пастой и заполнителем. При дозировке от 2 до 5 процентов он снижает проницаемость бетона до менее 1000 кулонов при испытании ASTM C1202 и увеличивает стойкость к истиранию на целых 40 процентов, что критически важно для зон опрокидывания с интенсивным движением.

Благодаря стратегическому комбинированию SCM подрядчики могут получать смешанные вяжущие с заменой цемента до 50 процентов и при этом превосходящие по прочности на сжатие и изгиб обычные смеси.

Армирование фиброй как средство защиты конструкции

В полах мусороперерабатывающих заводов растрескивание конструкции часто является причиной химического разрушения. Проникновение воды или фильтрата через поверхностные трещины ускоряет коррозию арматуры, а внутренние микротрещины расширяются под действием повторяющихся нагрузок. Традиционная арматура или сварная сетка обеспечивают локальное сопротивление растяжению, но не могут предотвратить возникновение микротрещин или коррозионное разрушение.

Армирование дисперсными волокнами решает обе проблемы. Синтетические макроволокна, обычно изготавливаемые из высокомодульного полипропилена или смесей сополимеров, распределяют растягивающие усилия по миллионам волокон на кубический ярд. При дозировке от 3 до 8 фунтов на кубический ярд (от 1,8 до 4,7 кг/м3) они снижают образование пластических трещин более чем на 80% и обеспечивают вязкость после образования трещин, превышающую 150 фунтов на квадратный дюйм (1,0 МПа) по результатам испытаний ASTM C1609. Благодаря своей инертности и коррозионной стойкости макроволокна эффективны даже в химически агрессивных средах.

Стальные волокна, доступные в крючковой или гофрированной геометрии, обеспечивают повышенную прочность на разрыв и перераспределение нагрузки в сверхпрочных зонах. В сочетании с синтетическими волокнами они создают гибридное армирование, одновременно повышающее пластичность, ударопрочность и прочность на изгиб.

Помимо эксплуатационных характеристик бетона, фибра напрямую способствует устойчивому развитию. Отказ от традиционной арматуры и проволочной сетки снижает выбросы углерода и упрощает укладку, сокращая сроки строительства и снижая потребление энергии на нагрев и отверждение. В некоторых случаях оптимизированные конструкции с фиброармированием позволяют уменьшить толщину плиты на 10–20% без ущерба для несущей способности — прямая экономия материалов, многократно увеличивающаяся на площади в тысячи квадратных футов.

Контроль гидратации в условиях холода

Температура определяет кинетику гидратации цемента. При температуре ниже 10°C гидратация резко замедляется; при температуре ниже 4°C она практически прекращается. При этих температурах существует риск не только потери прочности, но и образования микротрещин вследствие раннего замерзания. Кристаллы льда увеличиваются в объёме примерно на 9%, разрушая формирующуюся матрицу C–S–H и открывая пути для проницаемости.

Успешное бетонирование в холодную погоду требует правильного управления как начальной температурой смеси, так и условиями поддержания твердения. Нагрев воды для замешивания до 140 °F (60 °C) и заполнителей примерно до 100 °F (38 °C) обычно дает температуру выгрузки от 55 °F до 65 °F (от 13 до 18 °C), что является оптимальным для ранней гидратации. Нехлоридные ускорители, основанные на химии нитрата кальция или триэтаноламина, способствуют гидратации C3S и C2S, не вызывая коррозии закладной стали.
Правильное вовлечение воздуха — обычно от четырех до шести процентов равномерно распределенных микропузырьков — создает внутренние «предохранительные клапаны», которые поглощают расширение во время циклов замораживания-оттаивания. Поддержание температуры твердения на месте от 55 °F до 70 °F (от 13 до 21 °C) в течение первых трех дней может увеличить конечную прочность на сжатие до 30 процентов. Тепловые одеяла, гидравлическое отопление или временные укрытия — это не роскошь, а необходимость для оптимальной работы.

Кроме того, инфракрасная термография и встроенные датчики зрелости теперь позволяют осуществлять мониторинг температурных градиентов в режиме реального времени, гарантируя соблюдение спецификаций отверждения и предотвращая дифференциальное охлаждение, которое приводит к короблению слитка или расслоению поверхности.

Защита поверхности, продлевающая срок службы

Даже самая оптимизированная бетонная смесь не может выдержать длительного воздействия без надлежащей подготовки поверхности. Полы мусороперерабатывающих заводов регулярно подвергаются воздействию агрессивных химикатов, таких как сульфаты, хлориды и органические кислоты. Ионы сульфата реагируют с трикальцийалюминатом (C3A), образуя расширяющийся эттрингит, в то время как хлориды проникают в поверхность бетона и депассивируют арматуру, что приводит к коррозии. Органические кислоты из разлагающихся отходов растворяют гидроксид кальция и разрушают пасту.
Защитные системы смягчают это, уменьшая проницаемость поверхности и истирание. Сухие отвердители, содержащие кварцевые или металлические заполнители, наносятся на свежий бетон и затираются, чтобы создать монолитную износостойкую поверхность с прочностью на сжатие более 10 000 фунтов на квадратный дюйм (70 МПа). Концентрация самых твердых материалов в местах, где происходит истирание, может удвоить или утроить срок службы по сравнению с необработанными плитами.

Высокопрочные покрытия, будь то полимерно-модифицированные цементные или эпоксидные, восстанавливают изношенные поверхности, придавая им химическую стойкость. Связанный слой толщиной 2,5 см с кальцинированным бокситовым заполнителем может обеспечить износостойкость в три раза выше, чем у бетонного основания благодаря его твёрдости по шкале Мооса 9.

Силан-силоксановые герметики химически связываются с капиллярной структурой, снижая водопоглощение более чем на 90%, сохраняя при этом противоскользящие свойства. Ежегодное повторное нанесение этих проникающих герметиков с регулярной повторной герметизацией швов предотвращает проникновение влаги и продлевает срок службы защитной системы.

Проектирование с учётом долговечности и устойчивости жизненного цикла

Правильно спроектированный пол мусороперерабатывающего предприятия — это гораздо больше, чем просто бетонная плита. Это структурная и экологическая система. Проектирование бетона должно начинаться с использования хорошо подобранных заполнителей фракцией до 3,8 см (1,5 дюйма) для минимизации расхода раствора и усадки. Выдержка влажным раствором в течение не менее семи дней обеспечивает полный потенциал гидратации, а положительные уклоны в сторону дренажных систем предотвращают застой воды и проблемы, связанные с замерзанием-оттаиванием.

Не менее важны обработка кромок и механизмы распределения нагрузки. Армированные соединения, дюбели правильного размера и точный дренаж исключают растрескивание и неравномерную осадку. Каждое усовершенствование конструкции, снижающее частоту технического обслуживания, способствует повышению устойчивости на протяжении всего жизненного цикла объекта.

Продление срока службы бетонного пола с пяти до 15 лет снижает выбросы углерода за год эксплуатации более чем на 60%. Это снижение ещё более заметно, если бетонные покрытия или ремонт с использованием фиброармированных материалов позволяют избежать полной замены. Таким образом, наиболее экологичные полы в мусороперерабатывающих заводах зачастую служат дольше всего.

Будущее полов в мусороперерабатывающих заводах

Современная индустрия переработки отходов меняет представление о долговечности. Бетонный пол не только должен выдерживать интенсивное движение, но и минимизировать своё воздействие на окружающую среду в течение десятилетий эксплуатации. Экологичный дизайн достигается благодаря целостному пониманию химии, материалов и мастерства.

Оптимизируя состав связующего, интегрируя армирование волокнами, контролируя гидратацию и защищая поверхность, подрядчики могут проектировать полы, которые одновременно экологичны и обладают превосходными механическими характеристиками. Каждая сэкономленная тонна цемента, каждая предотвращенная трещина и каждый продленный год службы способствуют уменьшению углеродного следа и укреплению фундамента для отрасли по переработке отходов.

Источник: https://wasteadvantagemag.com/built-to-endure-the-science-behind-sustainable-concrete-in-waste-operations/