XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изготовление стеклобетона как способ применения вторсырья

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шурыгин Д.А. 1

---

1Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования Куйбышевского района - Дом детского творчества

Гаращук Н.А. 1

---

1Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования Куйбышевского района - Дом детского творчества

Работа в формате PDF

149.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Складирование, хранение и захоронение отходов в многочисленных отвалах является крупной экономической и экологической проблемой. В связи с этим приоритетным направлением развития науки, техники и технологий в Российской Федерации сегодня является использование вторичных материальных ресурсов.

Актуальность изучения данной проблемы не вызывает сомнений, так как для многих предприятий на протяжении длительного времени основной задачей является разработка прогрессивных технологий, обеспечивающих рециклинг производственных процессов, повышение эффективности использования сырья и снижение затрат на производство. В данной работе рассмотрено стекло, как вторсырьё и применение его в строительном производстве, что позволит утилизировать стеклянные отходы и улучшению экологии, а также приведёт к увеличению ассортимента продукции.

Целью проводимого исследования является создание стеклобетона с использованием вторичного стеклянного сырья.

Гипотеза: использование стекла в изготовлении бетона поможет улучшить экономическое и эстетическое качество строительных объектов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. проанализировать использование вторсырья в строительстве мировой практики;

2. изготовить образцы бетона с использованием стеклянной крошки различных фракций;

3. изучить свойства полученных образцов и возможности стеклобетона в строительстве.

Этапы проекта:

1.Теоретический (подготовительный):

-поиск информации;

-систематизация полученных данных.

2.Практический:

-выбор материалов для изготовления стеклобетона;

-изготовление стеклобетона;

-изучение свойств полученных образцов.

3.Презентация:

-защита проекта, описание работы над ходом проекта.

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы: анализ литературы и обобщение полученных данных, сравнение и эксперимент. Литературным материалом для исследования послужили Интернет-ресурсы.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы. Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируются цель и задачи исследования. Первая глава посвящена исследованию теоретических вопросов, вторая – описанию проводимого эксперимента. В заключении подведены итоги и описаны выводы исследования.

ГЛАВА 1. ВТОРСЫРЬЁ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ МИРОВОЙ ПРАКТИКИ

1. 1. Вторсырьё и его виды

Вторсырьё – это отходы производств, быта, продуктов жизнедеятельности человека и животных, которые пригодны для дальнейшей переработки. Переработав его, можно получить новое полезное изделие, сырьё или полуфабрикат для дальнейшего использования.

К вторсырью можно отнести следующие виды отходов: макулатура, бумага, картон, стекло, металлолом, отработанное масло, битум, мазут, электробытовые приборы, пластмасса, пластик, некоторые строительные отходы (кирпичи, бетон, деревянные конструкции), резина, автомобильные покрышки, древесные отходы, биологические отходы.

В нашей работе мы акцентируем внимание на таком виде вторсырья, как стекло. Во времена СССР сдавать стеклянную тару было актуально, со временем эта тенденция утихла. Сейчас переработка стекла стала экологической необходимостью. При серьёзном подходе к сбору и переработке стеклотары можно иметь хороший стабильный доход.

Переплавка стекла сохраняет природные ресурсы, к тому же перерабатывать его можно бесконечное количество раз без потери качества.

Переработка стекла выглядит примерно так:

• первым делом в пунктах приёма производится сортировка стекла по цвету;

• очищение стекла от бумаги, пластика, металлических элементов;

• измельчение стекла в специальных шредерах;

• дроблёное стекло смешивается с другими компонентами (песок, известь, кальцинированная сода) для улучшения качества и цвета;

• плавление в печи при температуре 1200-1500 °С;

• расплавленная масса из стекла разливается в формы для изготовления новой продукции;

• термическая обработка в печи отжига.

Помимо новой стеклотары из переработанного стекла производят: стекловату, пеностекло, силикатный клей, декоративную плитку, стеклобетон. Их состав, виды и технологию производства рассмотрим ниже.

1.2. Использование вторсырья в строительстве в разных странах

С каждым днём экологическая ситуация на планете ухудшается. Люди пользуются благами цивилизации и не замечают, как отходы уничтожают флору и фауну Земли. Мусор стал глобальной проблемой человечества.

В мире давно существуют примеры сооружений из вторичных материалов, которые к тому же обладают своим неповторимым стилем. Сейчас строят дома, павильоны, малые архитектурные формы из простого мусора, который мог оказаться на свалке, но обрёл вторую жизнь.

Ежегодно в мире образуется более 2,1 млрд тонн отходов, примерно 30-40% из них не перерабатываются экологически безопасным способом.

Вредные вещества при разложении отходов попадают в грунтовые воды и реки, а свалки увеличиваются в своих масштабах, как следствие — ухудшается экология. Поэтому этот способ строительства так важен в наше время!

В России система сортировки и переработки постепенно начала выстраиваться, но процесс идёт не быстро. В стране уже изготавливают плитку из переработанных пакетов, утеплители из шин, резиновую крошку из обуви и лавочки из переработанного пластика. Следующий этап — дома из отходов.

Во многих странах уже действует политика по переработке и вторичному использованию отходов. В Германии перерабатывается 60% твёрдых коммунальных отходов (ТКО), в некоторых городах Японии перерабатывается до 80% отходов, а Швеция утилизирует 99% всех бытовых отходов. И всё больше появляется примеров «экологичных зданий».

Есть примеры домов из вторсырья в России.

В Ростовской области в посёлке Новошахтинск Ольга Королёва за две недели построила из более чем 5 тысяч бутылок из-под шампанского одноэтажный дачный домик. Тару помогали собирать ей знакомые. Ольга вызывает большое уважение, но рассмотреть этот вариант дома для постоянного проживания сложно. В России существуют и другие примеры. Например, в Волгограде предприниматель Роман Себекин из переработанного пластика делал бытовую технику, теплицы, и даже построил для себя дом.

Нет сомнений, что в будущем технология переработки вторсырья достигнет такого уровня, при котором мы научимся безопасно использовать эти материалы везде, в том числе и в строительстве.

В России строят заводы для создания тротуарной плитки из отслужившего пластика. Интересное применение нашли крышкам от пластиковых бутылок. Крышки измельчают в гранулы и получают из них химволокно. Нетканые материалы, полученные из такого волокна, используют для утепления полотен и придания им прочности.

Нельзя оставаться равнодушным к проблеме загрязнения окружающей среды. Сделать планету чистой в наших силах. Главное, каждому вносить свой посильный вклад в заботу об экологии Земли.

К 2030 году в России планируют сортировать 100% коммунальных отходов. В планах также увеличить долю отходов, которые отправляются на переработку, производство RDF-топлива и сжигание с получением энергии — на 50%. Чтобы достичь этих целей, с 2019 года в стране развивается инфраструктура раздельного сбора мусора.

1.3. Общие сведения о стеклобетоне: технология производства, состав и виды, применение в строительстве

Бетон по праву считается одним из самых востребованных и популярных строительных материалов. У него есть огромное количество преимуществ, но и без недостатков не обошлось. Главный его минус – номинальная устойчивость к растяжению. Устранить указанную проблему можно при помощи стекловолокна. Если внести его в готовый раствор, бетон станет гораздо прочнее.

Как показывает практика, стеклобетон можно изготовить собственноручно. Он отличается конструктивной лёгкостью и исключительно высокими эксплуатационными характеристиками.

Что такое стеклобетон.

Если проводить сравнительную параллель между обычными и стеклосодержащими бетонами, легко выделить их высокие эксплуатационные свойства. Остановимся подробнее на преимуществах стеклобетона.

1. Технические свойства готового материала существенно улучшаются при внесении в состав различных пластификаторов и добавок.

2. Высокая прочность – материал характеризуется высокой устойчивостью на сгибание, сжатие, растягивание. Его устойчивость в 10-12 раз превышает прочность стандартного цемента.

3. Лёгкость. Ключевые ингредиенты состава – стекловолокно, песок и цемент с минимальной зернистостью.

4. Универсальность использования. Стеклобетон – лучшая основа для облицовочных листов, панелей и блоков.

Очевидно, что стеклобетон, произведённый в заводских условиях гораздо качественнее и практичнее материала, изготовленного собственноручно.

Характеристики и классификация стеклобетонов.

В зависимости от ингредиентов и состава стеклобетон принято классифицировать на следующие типы:

• с включением битого стекла;

• с лёгким и устойчивым оптическим волокном;

• с добавлением стеклофибры;

• со стеклом жидкого типа;

• с включением композитных ингредиентов;

• со связующим веществом в форме стекла.

Для каждой конкретной цели используются особые составы. Выбор в пользу того или иного изделия зависит от предназначения готового изделия.

Стекло в форме связующего ингредиента.

Перед внесением стекла в цементный состав, его тщательным образом измельчают, а затем пересеивают. Достигается это за счёт технологии грохота. Песок заменяют измельчённым стеклом, размер гранул которого не превышает 0,5 см. В качестве крупного наполнителя используют частички от 0,5 см.

Порошок на основе стекла превращается в вяжущую субстанцию. При добавлении в состав готовой соды, стекло трансформируется в силикатный гель. После того, как цементный раствор окончательно затвердевает в сочетании с гелем, он трансформируется в устойчивый к кислотам состав.

Технология производства стеклобетона.

Стеклянной бой крайне проблематично утилизировать, его не разрушают микроорганизмы или внешние факторы окружающей среды. За счёт этого отходы стекла приобрели широкую популярность в строительной отрасли. Технологически замес бетона с включением стеклянных остатков не отличается сложностью. Не требуется никаких дополнительных ингредиентов, либо специализированного оборудования.

Последовательность приготовления:

1. Подготовительные мероприятия. На предварительном этапе происходит измельчение, сортирование и подготовка ингредиентов.

2. Вместо песка используют стекло с фракциями размером до 0,5 см.

3. В качестве наполнителя применяют бой стекла большей фракции – от 0,5 см.

Что касается цемента, его используют только высшего качества. Среди компонентов большое распространение получили фибра и стеклобой.

На вид обычный цемент. Замешивается также с водой. Но основной компонент, из чего он состоит — стекло. В перемолотом виде оно похоже на муку. Правда, вдохнуть такое вещество опасно и даже смертельно. Поэтому с ним надо работать с особой осторожностью, соблюдая технику безопасности. Полученную смесь соединяют с оксидом кальция и перекладывают в формы. В дальнейшем формы помещаются в среду со 100%-ной влажностью. В ней полученные образцы остаются минимум на 28 суток, после этого материал становится прочным. И его исследуют – давят прессом. Учёные говорят: выдерживает всё.

Разработка красноярских учёных частично решает эту проблему. По мнению Сергея Добросмыслова (кандидат технических наук, научный сотрудник ФИЦ КНЦ СО РАН), основное преимущество стеклобетона заключается в том, что фактически можно подобрать технологический процесс под любой состав. Наряду со стеклянной пылью, одновременно можно использовать крупное стекло.

Рекомендации по применению стеклобетона.

Строительные материалы на основе стеклобетона широко применяются в нескольких областях:

• дизайнерские элементы в сегменте паркового декорирования;

• бордюры и декоративная тротуарная плитка;

• реконструкционно-восстановительные работы в старых усадьбах, дворцах, храмах и замках;

• элементы ландшафтного дизайна;

• облицовочный материал для стен.

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. Изготовление стеклобетона с заменой щебня на стекло различных фракций

В ходе работы для достижения цели и решения поставленных задач мы подготовили необходимые материалы и оборудование: цемент (М500), песок, щебень (фракция - до 3 см), стеклянные тары, сито для песка со сменными насадками для получения готовых кусочков стекла 3-х разных фракций, пластификатор (Glenium ACE 430), вода, электронные весы, молоток, шлифовальная машина, формы для заливания стеклобетона, защитные средства (прорезиненные перчатки, защитные очки, респиратор, одноразовый защитный комбинезон, бахилы-сапоги).

На первоначальном этапе с соблюдением правил техники безопасности нами были измельчены стеклянные тары (все действия проходили под присмотром взрослого). После этого стекло было просеяно и распределено на 3 фракции (до 0,5 см, от 0,5 до 1 см, от 1 до 2 см).

После чего было замешано 3 состава стеклобетона, каждый из которых забили в форму (10x10x10 см).

Помимо этого, была забита стеклобетонная плитка для наглядного примера. Все образцы простояли в формах 28 дней для полного затвердевания.

Для проверки прочности кубиков был использован заводской гидравлический пресс.

Стеклобетонная плитка была отполирована шлифовальной машиной для наглядности макроструктуры бетона.

2.2. Сравнение прочности полученного стеклобетона

Изучив имеющуюся информацию из различных источников, произвели сравнительный анализ полученных образцов. По результатам анализа была составлена таблица, представленная ниже.

Условные обозначения в таблице, представленной выше:

• В/Ц – водоцементное соотношение;

• Ц – цемент;

• П – песок;

• Щ – щебень;

• В – вода.

В результате выше сказанного, были сделаны следующие выводы.

На составе №1 (контрольный состав) наблюдалась недостаточная пластификация. Было принято решение увеличить В/Ц отношение для достижения подвижности похожую на П4.

На составе №2 щебень был заменён на колотое стекло фракциями 5-15 мм, более крупные фракции были убраны из состава бетона. При этом по весу в переводе на 1 куб количество «щебня» было уменьшено на 110 кг, так как обладает меньшим весом, чем гранитный щебень и по консистенции бетона было выявлено, что «щебня» достаточно. В случае приближения по весу к контрольному составу могла наблюдаться за щебёночная бетонная смесь, вследствие чего: меньшая подвижность и непроформовка кубиков.

Состав №3 был экспериментом, замена инертных материалов производилась 50/50, то есть половина стеклянного щебня/ половина гранитного, половина песка речного/ половина из дроблённого стекла. Повышенное в/ц фиксировалось вследствие недостаточной пластификации.

Все составы доводились до одинаковой подвижности 18-20 см.

Прочность состава №1 не дотягивает до стандартной прочности для В25 (25Мпа минимум). Связываем это с понижением активности цемента (мешок лежал в магазине, открытый неизвестно сколько). Плотность бетона снижена, но считаем, что состав подобран верно. Так как при замешивании точно хватило на 2 контрольных кубика, следовательно, 2л замешали= 2л забили.

Прочность образца №2 снижена по сравнению с контрольным образцом, так как, произошла недостаточная сцепка цементного теста с щебнем из стекла из-за ровно гладких ребер стекловидного щебня. В данном образце применялся крупный стекловидный щебень 5-20 мм.

По прочности существенно выигрывает состав №3 за заменой инертных материалов 50/50, это связанно с тем, что при смешении 2-х различных инертных (привычных в строительной отрасли и дроблённых стёкол) происходит лучшая упаковка частиц бетонной смеси (заполнение межпустотных пространств пылеобразным стеклянным песком), чего не наблюдалось в составах №1 и №2. При этом фракции гранитного щебня 5-20 мм, стекловидного щебня 5-10 мм. В отличии состава №2, при замешивании состава №3 даже при недостаточной пластификации с помощью пластифицирующей добавки, из-за лучше упаковки частиц наблюдалась лучшая подвижность бетонной смеси, чем у предыдущих образцов (бетон мешался лучше).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучая виды вторсырья, способы использования в строительстве, мы пришли к выводам, что преимущество современного стеклобетона – абсолютная экологическая безопасность. Это лучшее решение для возведения несущих конструкций, наружных, а также внутренних перегородок.

Сибирские учёные предлагают заводам экономить и сохранять природу с помощью стеклобетона. В лаборатории его создают на основе отходов промышленного и бытового стекла. Оно составляет 90% смеси. По итогу стеклобетон не только дешевле и прочнее своих аналогов, но и уменьшает количество неразлагаемых отходов.

В заключении можно сказать, что цель моего исследования была достигнута, а гипотеза – нашла своё подтверждение. Использование стекла в изготовлении бетона поможет улучшить экономическое и эстетическое качество строительных объектов.

В процессе работы были решены следующие задачи:

1) проанализировано использование вторсырья в строительстве мировой практики;

2) изготовлены три образца стеклобетона с использованием стеклянной крошки различных фракций;

3) изучены свойства полученных образцов и возможности стеклобетона в строительстве.

Мы обратили внимание лишь на некоторые аспекты, касающиеся изготовления стеклобетона и его использования в строительстве, что предполагает возможность дальнейшего изучения заявленной темы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 6 примеров переработки мусора в разных странах мира - https://welady.ru/pererabotka-musora

2. Все виды вторсырья, на которых можно заработать - https://dzen.ru/a/Ys7COuJ1qFK47gEs

3. Использование стеклобетона - https://uniqston.ru/articles/steklobeton-primenenie-i-preimushchestva/

4. Как вторсырьё используют в строительстве - https://vk.com/wall-138950_693290

5. Как страны мира избавляются от мусора: топ – 10 лучших примеров - https://lindeal.com/rating/kak-strany-mira-izbavlyayutsya-ot-musora-top-10-luchshikh-primerov

6. Красноярские учёные придумали сверхпрочный стеклобетон - https://steklosouz.ru/news/krasnoyarskie_uchenye_pridumali_sverhprochnyy_steklobeton

7. Новый строительный материал из стекла и бетона оказался дешевле и прочнее - https://ksc.krasn.ru/news/novyy_stroitelnyy_material/

8. Современные разновидности стеклобетона - https://www.сметчик.рф/en/articles/materialy-i-tehnologii-v-stroitelstve/vidy-steklobetona-ot-klassifikacii-k-harakteristikam

9. Стеклобетон: технология изготовления и области применения - https://domsolo.ru/steklobeton-tehnologiya-izgotovleniya-i-oblasti-primeneniya