CC BY
20УДК 666.963.4
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-775-10-70-74
В.В. РУСИНА, канд. техн. наук (Rusina07@bk.ru), Ю.А. ШЕСТАКОВА, магистр (Shestakova-yu6@yandex.ru)
Костромская государственная сельскохозяйственная академия (156530, Костромская область, п. Караваево, Учебный городок, 34)
Бесклинкерные вяжущие вещества на основе торфяной золы
Рассмотрена возможность использования торфяной золы в качестве основного компонента золощелочного вяжущего. Изучены свойства золы, образующейся на ТЭЦ (теплоэлектроцентраль) при сжигании торфа. Комплексным исследованием, проводимым с помощью электронно-микроскопического, рентгенофазового и химического анализа, установлено, что торфяная зола состоит из мелких частиц, находящихся преимущественно в аморфной форме. Показано, что по химическому составу исследуемый материал представляет собой кислое алюмосиликатное сырье. Торфяная зола не гидратируется водой и самостоятельно не твердеет. Для проявления золой вяжущих свойств предлагается введение щелочного компонента - жидкого стекла. Установлена необходимость модифицирования промышленного жидкого стекла из силикат-глыбы путем введения в его состав дополнительного количества щелочи №0Н и непродолжительного провара. Сделан вывод, что совместное использование торфяной золы и модифицированного жидкого стекла из силикат-глыбы позволяет получать золощелочное вяжущее с активностью более 20 МПа. Отмечается, что основные показатели свойств золощелочного вяжущего зависят от количества вводимой в жидкое стекло щелочи, плотности жидкого стекла и его расхода в вяжущей системе. На основании экспериментальных данных сделан вывод о целесообразности использования торфяной золы в составе золощелочного вяжущего. Подтверждена возможность применения торфяной золы результатами гамма-спектрального анализа по определению удельной эффективной активности естественных радионуклидов. Показана эффективность использования торфяной золы в производстве бесклинкерных вяжущих веществ.
Ключевые слова: торфяная зола, золощелочное вяжущее, жидкое стекло из силикат-глыбы, активность, бесклинкерные вяжущие.
Для цитирования: Русина В.В., Шестакова Ю.А. Бесклинкерные вяжущие вещества на основе торфяной золы // Строительные материалы. 2019. № 10. С. 70-74. 001: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-775-10-70-74
V.V. RUSINA, Candidate of Sciences (Engineering) (Rusina07@bk.ru), Yu.A. SHESTAKOVA, Master (Shestakova-yu6@yandex.ru) Kostroma State Agricultural Academy (34, Training camp, Karavaevo, Kostroma Region, 156530, Russian Federation)
Clinkerless Binders Based on Peat Ash
The possibility of using peat ash as the main component of ash-alkaline binder is considered. The properties of ash produced at the CHP (heat and power plant) when combusting the peat have been studied. A comprehensive study conducted using electron microscopic, x-ray phase and chemical analyses, established that peat ash consists of small particles, which are mainly in an amorphous form. It is shown that the chemical composition of the material under study is an acidic aluminosilicate raw material. Peat ash is not hydrated by water and does not harden on its own. The introduction of an alkaline component (liquid glass) is proposed for the manifestation of the binding properties by ash. The necessity of modifying industrial liquid glass from a silicate block by introducing an additional amount of alkali NaOH into its composition and a short boiling has been established. It is concluded that the combined use of peat ash and modified liquid glass from a silicate block makes it possible to obtain an ash-alkaline binder with an activity of more than 20 MPa. It is noted that the main indicators of the properties of the ash-alkali binder depend on the amount of alkali introduced into the liquid glass, the density of the liquid glass and its flow rate in the binder system. On the basis of experimental data the conclusion about expediency of the use of peat ash as a part of ash-alkaline binder is made. The possibility of using peat ash was confirmed by the results of gamma-spectral analysis for determining the specific effective activity of natural radionuclides. The efficiency of using peat ash in the production of clinkerless binders is shown.
Keywords: peat ash, ash-alkaline binder, liquid glass from silicate blocks, activity, clinkerless binders.
For citation: Rusina V.V., Shestakova Yu.A. Clinkerless binders based on peat ash. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 10, pp. 70-74. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-775-10-70-74
Из всех техногенных отходов шлаки и золы от сжигания твердого топлива занимают одно из первых мест по объемам образования, так как уголь, торф и горючие сланцы являются главными источниками для выработки энергии.
При сжигании твердых видов топлива образуются золы и шлаки. Причем на многих ТЭЦ и ТЭС ежегодное количество золошлаковых отходов превышает 1 млн т.
Топливные отходы, образующиеся в значительных объемах, занимают ценные земельные угодья, а содержание отвалов требует существенных затрат. При этом золошлаковые отходы прошли высокотем-
пературную обработку и получили свойства, которые предопределяют возможность использования их при получении различных видов строительных материалов, что подтверждается научными исследованиями и практическим опытом [1—11].
Исследованию золошлаковых отходов ТЭС и ТЭЦ и влияния их на свойства цементов и бетонов посвящено много работ [2—17]. Однако этот вопрос до сих пор требует подробного изучения и анализа. Только так может быть подготовлена научно-техническая база для обеспечения возможности массового применения золошлаковых отходов в производстве вяжущих веществ и бетона. К сожалению, до сих пор
Таблица 1
Основные физико-технические свойства торфяной золы
Влажность, % Насыпная плотность, кг/м3 Истинная плотность, кг/м3 Удельная поверхность, см2/г
1 709 2243 3116
Таблица 2
Гранулометрический состав торфяной золы
Остатки на ситах, % Размер ячеек, мм
5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 <0,16
Частные остатки 12 4,2 3,5 5 6,4 50,8 18,1
Полные остатки 12 16,2 19,7 24,7 31,1 81,9 100
Таблица 3
Химический состав торфяной золы
Наименование соединения/ элемента Мас. %
в золе от сжигания торфа месторождения Карасево-Юрос в золе от сжигания торфа месторождения Пыщугское
CaO 29,46 23
MgO 4,71 7,4
SiO2 29,44 18,52
AI2O3 10 15,4
Fe2O3 16,15 16
SO3 4,96 0,18
P2O5 2,22 1,42
MnO 0,554 3,4
FeO - 13,44
TiO2 0,487 0,98
K2O 1,17 -
Na2O 0,369 -
ZnO 0,041 -
MoO3 0,0213 -
V2O5 0,0203 -
Cl 0,0562 -
z 99,66 99,74
в России применение золошлаковых отходов в производстве строительных материалов остается крайне ограниченным, и наша страна в этой области намного отстает от других промышленно развитых государств. Объемы утилизации золошлаковых отходов у нас пока незначительны, что не может привести к заметному сокращению накопленных отходов. При этом для регионов, богатых торфяными ресурсами, особую актуальность приобретает использование золы, образующейся при сжигании торфа. В связи с этим целью работы являлось исследование торфяной золы для оценки ее пригодности в качестве основного сырьевого компонента при производстве вяжущих веществ.
По теплотворной способности торф (как вид топлива) нисколько не уступает различным видам угля, дровам и сланцам. Поэтому на некоторых городских ТЭЦ и местных котельных торф применяется как в качестве основного, так и в виде резервного источника топлива. При этом следует отметить, что при сжигании торфа в котельных ЖКХ стоимость тепла значительно меньше.
На ТЭЦ г. Шарья (Костромская область) при сжигании торфа образуется минеральный остаток — зола, представляющая собой порошок темно-серого (почти черного) цвета. Размер частиц главным образом не превышает 0,16 мм. Основные физико-технические свойства торфяной золы представлены в табл. 1, а ее гранулометрический состав — в табл. 2.
Комплексное изучение торфяной золы проводилось с помощью электронно-микроскопического, рентгенофазового и химического анализов, выполненных в БГТУ им. В.Г. Шухова.
Исследования, выполненные с помощью сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения TESCAN MIRA 3 LMU, показали, что торфяная зола состоит из мелких частиц размером преимущественно от 30 до 100 мкм, поверхность которых неровная, с выемками и углублениями. Присутствует высокодисперсная масса, образующая целые поля.
По результатам рентгенофазового анализа, проведенного на рентгеновском дифрактометре ARL XTRA (CuKa-излучение), можно заключить, что в торфяной золе преобладающей является рент-геноаморфная фаза (76%). В кристаллической фазе золы отмечается кварц (»18%), муллит (»2%), кальцит (»2%) и магнетит (»2%).
В табл. 3 приведены результаты химического анализа золы, выполненного на рентгено-флуоресцент-ном спектрометре ARL 9900 Workstation.
Как видно, исследуемая торфяная зола характеризуется достаточно высоким содержанием CaO. Однако в целом по химическому составу она представляет собой кислое (по модулю основности) алюмосиликатное сырье. Порошки проб торфяной золы не гидратируются водой и самостоятельно не твердеют. Это существенно осложняет применение отхода в производстве вяжущих веществ. Для полной гидратации золы необходимо введение щелочного компонента. Причем, как показывают многочисленные исследования [18—23], для кислого алю-мосиликатного сырья наиболее целесообразным является использование низкомодульного жидкого стекла. В этом случае образуется камень высокой плотности, состоящий из более низкоосновных, чем при использовании других щелочных компонентов, новообразований. Однако на отечественных предприятиях жидкое стекло производится только лишь со сравнительно высокими значениями силикатного модуля. Поэтому с целью снижения значений этого показателя в промышленное жидкое стекло с силикатным модулем n=2,79 вводилась щелочь NaOH, и осуществлялся дополнительный
: ;:, |,j: научно-технический и производственный журнал
щ _
У А ® октябрь 2019 71
провар. После охлаждения, полученное в результате непродолжительной термической обработки, низкомодульное жидкое стекло использовалось для за-творения торфяной золы и получения золощелоч-ного вяжущего (ЗЩВ).
Активность исследуемого вяжущего определяли на образцах размером 4x4x16 см, изготовленных из растворной смеси состава торфяная зола:кварцевый песок=1:3 и подвергнутых тепловлажностной обработке при температуре изотермического прогрева 85оС.
Экспериментально установлено, что на основе торфяной золы и модифицированного жидкого стекла из силикат-глыбы может быть получено ЗЩВ активностью до 20 МПа и более (табл. 4).
Причем, варьируя свойства жидкого стекла (содержание щелочи, плотность) и его расход, можно получить изменение прочности искусственного камня в несколько раз.
Таким образом, выполненные эксперименты показали, что торфяная зола может быть эффективно использована как основной сырьевой компонент при получении ЗЩВ. Данные Центра Госсанэпиднадзора (г. Кострома) подтверждают возможность применения торфяной золы в производстве строительных материалов. Так, при проведении гамма-спектрального анализа по определению удельной эффективной активности естественных радионуклидов в строительных материалах торфяная зола отнесена к первому классу опасности, на основании чего выдано заключение, разрешающее ее использовать во всех видах строительства. Выполненными исследованиями установлено, что а-, в-, у-излучения образцов ЗЩВ не превышают уровня естественного фона и составляют при исследовании дозиметром-радиометром ДРБП-03: у-излучение — 11 мкР/ч (естественный фон 12 мкР/ч); содержание а-активных радионуклидов — 26 частиц/см2 (естественный фон 7 частиц/см2); содержание в-активных радионуклидов — 10 частиц/см2 с (естественный фон 12 частиц/см2 с).
Эффективность использования торфяной золы в производстве бесклинкерных вяжущих веществ определяется не только их достаточно высокими физико-механическими характеристиками, расши-
Таблица 4
Активность золощелочного вяжущего на основе торфяной золы
Количество щелочи NaOH, % от массы жидкого стекла Плотность жидкого стекла (р), г/см3 Расход жидкого стекла (жидк. стекло/зола), мас. части Активность золощелочного вяжущего (RcJ, МПа
0,7 12,3
7 1,36 0,8 0,9 9,6 7,5
0,7 12
10 1,39 0,8 0,9 14,3 14,2
0,7 16,4
1,32 0,8 0,9 14,6 12,2
0,7 16,1
1,35 0,8 15,4
15 0,9 14,6
0,7 16
1,38 0,8 0,9 16 14,6
0,7 15
1,42 0,8 0,9 19,5 19,8
0,7 11,4
1,32 0,8 0,9 15 14,4
0,7 12,6
1,35 0,8 15,5
17 0,9 14,2
0,7 11,9
1,37 0,8 0,9 21,9 15,7
0,7 22,3
1,43 0,8 0,9 20,7 17,5
0,7 14,1
20 1,37 0,8 0,9 14.4 13.5
рением сырьевой базы вяжущих, но и возможностью решения экономических и экологических проблем, связанных с утилизацией промышленных отходов.
Список литературы
References
1. Мингалеева Г.Р., Шамсутдинов Э.В., Афанасьева О.В., Федотов А.И., Ермолаев Д.В. Современные тенденции переработки и использования золошлаковых отходов ТЭС и котельных // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. С. 225.
2. Яценко Е.А., Грушко И.С., Гольцман Б.М. Опыт
создания строительных материалов на основе зол и шлаков тепловых электростанций // Научное обозрение. 2014. № 9-2. С. 443-448.
2.
Mingaleeva G.R., Shamsutdinov E.V., Afanas'e-va O.V., Fedotov A.I., Ermolaev D.V. Current trends of processing and use of cindery and slag waste of thermal power plant and boiler rooms. Sovremennye problemy nauki iobrazovaniya. 2014. No. 6, pp. 225. (In Russian). Yatsenko E.A., Grushko I.S., Gol'tsman B.M. Experience of creation of construction materials on the basis of the evils and slags thermal power plants. Nauchnoe obozrenie. 2014. No. 9-2, pp. 443-448. (In Russian).
1.
научно-технический и производственный журнал tj'frJ0';i'(-:JibTib\= ~72 октябрь 2019
3. Панибратов Ю.П., Староверов В.Д. К вопросу применения зол ТЭС в бетонах // Технологии бетонов. 2012. № 1-2. С. 43-47.
4. Русина В.В., Грызлова Е.О. Особенности состава и свойств отвальной золошлаковой смеси // Строительные материалы. 2009. № 5. С. 62-64.
5. Зоткин А.Г. Прочностные эффекты золы в бетоне // Технология бетонов. 2018. № 9-10. С. 44-47.
6. Александров А.О. О применении термоактивированной золы-уноса для замены цемента в строительстве // Цемент и его применение. 2017. № 3. С. 88-91.
7. Петухов А.В., Коровкин М.О., Ерошкина Н.А., Лавров И.Ю. Перспективы развития технологии бетона с высоким содержанием золы-уноса // Молодежный научный вестник. 2018. № 3 (28). С. 112-118.
8. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Дондуков В.Г. Цементы и добавки для производства высокопрочных бетонов // Строительные материалы. 2017. № 11. С. 4-10. DOI: https://doi. org/10.31659/0585-430X-2017-754-11-4-10
9. Ушеров-Маршак А.В. Современный бетон и его технологии // Бетон и железобетон. 2009. № 2. С. 20-25.
10. Архипов В.П., Вернигорова В.Н., Гакштетер Г.В., Горшкова Л.В., Елесин М.А., Ермаков Д.А. и др. Эффективные высокопрочные и обычные бетоны / Под общ. ред. В.И. Калашникова. Пенза: Приволжский дом знаний, 2015. 148 с.
11. Рахимов Р.З. Пути снижения цементоемкости строительной продукции // Популярное бетонове-дение. 2008. № 7 (21). С. 24-28.
12. Барахтенко В.В., Бурдонов А.Е., Зелинская Е.В., Толмачева Н.А., Головнина А.В., Самороков В.Э. Исследование свойств современных строительных материалов на основе промышленных отходов // Фундаментальные исследования. 2013. № 10-12. С. 2599-2603.
13. Чулкова И.Л., Пастушенко И.В., Парфёнов А.С. Строительные композиты на основе местного техногенного сырья // Технологии бетонов. 2014. № 3 (92). С. 12-13.
14. Scott A., Thomas M. Evaluation of fly ash from the co-combustion of coal and petroleum coke for use in concrete // Materials Journal. 2007. Vol. 104. Iss. 1, pp. 62-69.
15. Xu Ziyi, Liu Linzhy. Research on superfine flyach and its activity // Proceedings Beijing International Symposium Cement and Concrete. Beijing, May 14-17, 1985. Vol. 1.
16. Berry E.E., Malhotra V.M. Fly ash for use in concrete -a critical review // ACI Journal. 1982. Vol. 2. No. 3, pp. 59-73.
17. Lane R.O. Best J.F. Properties and use of fly ash in Portland cement concrete // Concrete International. 1982. Vol. 4, No. 7, pp. 81-92.
18. Кожухова Н.И., Данакин Д.Н., Жерновский И.В. Особенности получения геополимерного газо-
3. Panibratov Yu.P., Staroverov V.D. To a question of use of the evils of thermal power plant in concrete. Tekhnologii betonov. 2012. No. 1—2, pp. 43—47. (In Russian).
4. Rusina V.V., Gryzlova E.O. Features of the composition and properties of waste ash and slag mixture. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 5, pp. 62—64. (In Russian).
5. Zotkin A.G. Strength effects of fly ash in concrete. Tekhnologiya betonov. 2018. No. 9-10, pp. 44-47. (In Russian).
6. Aleksandrov A.O. On the use of thermally activated fly ash to replace cement in construction. Tsement i ego primenenie. 2017. No. 3, pp. 88-91. (In Russian).
7. Petukhov A.V., Korovkin M.O., Eroshkina N.A., Lavrov I.Yu. Prospects for the development of concrete technologies with a high content of fly ash. Molodezhnyi nauchnyi vestnik. 2018. No. 3 (28), pp. 112-118. (In Russian).
8. Kaprielov S.S., Sheinfeld A.V., Dondukov V.G. Cements and additives for producing high-strength concretes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 11, pp. 4-10. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-754-11-4-10. (In Russian).
9. Usherov-Marshak A.V. Modern concrete and its technologies. Beton izhelezobeton. 2009. No. 2, pp. 20-25. (In Russian).
10. Arkhipov V.P., Vernigorova V.N., Gakshteter G.V., Gorshkova L.V., Elesin M.A., Ermakov D.A. i dr. Effektivnye vysokoprochnye i obychnye betony [Efficient high strength and ordinary concretes. Edited by V.I. Kalashnikov]. Penza: Volga house of knowledge. 2015. 148 p.
11. Rakhimov R.Z. Ways to reduce cement consumption of construction products. Populyarnoe betonovedenie. 2008. No. 7 (21), pp. 24-28. (In Russian).
12. Barakhtenko V.V., Burdonov A.E., Zelinskaya E.V., Tolmacheva N.A., Golovnina A.V., Samorokov V.E. Research of properties of modern construction materials on the basis of industrial wastes. Fundamental'nye issledo-vaniya. 2013. No. 10-12, pp. 2599-2603. (In Russian).
13. Chulkova I.L., Pastushenko I.V., Parfenov A.S. Construction composites based on local man-made raw materials. Tekhnologii betonov. 2014. No. 3 (92), pp. 12-13. (In Russian).
14. Scott A., Thomas M. Evaluation of fly ash from the co-combustion of coal and petroleum coke for use in concrete. Materials Journal. 2007. Vol. 104. Iss. 1, pp. 62-69.
15. Xu Ziyi, Liu Linzhy. Research on superfine flyach and its activity. Proceedings Beijing International Symposium Cement and Concrete. Beijing, May 14-17, 1985. Vol. 1.
16. Berry E.E., Malhotra V.M. Fly ash for use in concrete -a critical review. ACI Journal. 1982. Vol. 2. No. 3, pp. 59-73.
17. Lane R.O. Best J.F. Properties and use of fly ash in Portland cement concrete. Concrete International. 1982. Vol. 4, No. 7, pp. 81-92.
18. Kozhukhova N.I., Danakin D.N., Zhernovsky I.V. Features of producing geopolymeric gas concrete on
бетона на основе золы-уноса Новотроицкой ТЭЦ // Строительные материалы. 2017. № 1—2. С. 113-117. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430Х-2017-745-1-2-113-117
19. Логанина В.И., Кислицына С.Н., Жернов-ский И.В., Садовникова М.А. Структура и свойства синтезированных алюмосиликатов // Строительные материалы. 2014. № 4. С. 87-89.
20. Ерошкина Н.А., Коровкин М.О., Тымчук Е.И. Оценка риска щелочной коррозии геополимерного бетона // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3. http://web.snauka.ru/ issues/2015/03/50853
21. Кожухова Н.И., Чижов Р.В., Жерновский И.В., Логанина В.И., Строкова В.В. Особенности структурообразования геополимерной вяжущей системы на основе перлита с использованием различных видов щелочного активатора // Строительные материалы. 2016. № 3. С. 61-64.
22. Чижов Р.В. Алюмосиликатные бесклинкерные вяжущие и области их использования // Вестник БГТУим. В.Г. Шухова. 2016. № 4. С. 6-10.
23. Чижов Р.В., Кожухова Н.И., Жерновский И.В., Коротких Д.Н., Фомина Е.В., Кожухова М.И. Фазообразование и свойства алюмосиликатных вяжущих негидратационного типа твердения с использованием перлита // Строительные материалы. 2015. № 3. С. 34-36.
the basis of fly ash of Novotroitskaya TPS. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 1-2, pp. 113-117. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-745-1-2-113-117. (In Russian).
19. Loganina V.I., Kislitsyna S.N., Zhernovskii I.V., Sadovnikova M.A. Structure and properties of synthesized aluminosilicates. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2014. No. 4, pp. 87-89. (In Russian).
20. Eroshkina N.A., Korovkin M.O., Tymchuk E.I. Risk assessment of alkaline corrosion of geopolymer concrete. Sovremennye nauchnye issledovaniya i innovatsii.
2015.No.3. http://web.snauka.ru/issues/2015/03/50853
21. Kozhukhova N.I., Chizhov R.V., Zhernovskii I.V., Loganina V.I., Strokova V.V. Features of the structure formation geopolymer binder system based on perlite using different types of alkaline activator. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 3, pp. 61-64. (In Russian).
22. Chizhov R.V. Aluminosilicate clinker binders and areas of their use. Vestnik BGTU im. V.G. Shukhova.
2016. No. 4, pp. 6-10. (In Russian).
23. Chizhov R.V., Kozhukhova N.I., Zhernovsky I.V., Korotkih D.N., Fomina E.V., Kozhukhova M.I. Phase formation and properties of aluminum-silicate binders of dehydration type of hardening with the use of perlite. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 3, pp. 34-36. (In Russian).
