CC BY
26Эффективность топливных зол угля Экибастузского бассейна в цементных системах
Зимакова Галина Александровна,
к.т.н., доцент кафедры «Строительные материалы», ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», zimakovaga@tyuiu.ru
Солонина Валентина Анатольевна,
к.т.н., доцент кафедры «Строительные материалы», ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», soloninava@tyuiu.ru
Баянов Дмитрий Сергеевич,
аспирант кафедры «Строительные материалы», ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», bajanovds@tyuiu.ru Tyumen Industrial University
Илясова Светлана Викторовна,
ассистент кафедры «Строительные материалы», ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», iljasovasv@tyuiu.ru
В статье дается сравнительный анализ золы-уноса, образующейся при сжигании угля Экибастузского бассейна на Рефтинской ГРЭС и Омской ТЭС и их влияние на структуро-образование цементного композита. Исследования исходного сырья и полученных цементных систем проведены гранулометрическим, химическим, рентгенофазовым, и электронно-микроскопическим методами анализов. Установлено, что кристаллическая составляющая данных зол представлена кварцем, муллитом и окерманитом. При этом исходные золы имеют некоторые различия, обусловленные условиями режима сжигания топлива и системой их улавливания. Содержание муллита в Рефтинской золе выше, а так же доля стеклофазы и зольных микросфер. Выявлено, что процессы формирования новых кристаллогидратов в данной золе идут более интенсивно. Методом рентге-нофазового анализа идентифицировано влияние муллито-вой составляющей на процессы структурообразования и величину достигаемой прочности цементного камня. Ключевые слова: активная минеральная добавка, цементная система, зола-унос, пуццолановая активность, гидросиликаты кальция, гидроалюмосиликаты кальция.
Применение минеральных добавок в цементных системах позволяет решать следующие ключевые задачи технологии высокофункциональных бетонов: снижение расхода цемента, управление реологическими свойствами бетонной смеси: повышение технических характеристик бетона, регулирование тепловыделения и усадки, путем совмещения процессов химического взаимодействия с процессами формирования межагрегатных связей, в которых наряду с цементными минералами участвуют вещества добавок [1].
Полнота участия минеральных добавок в процессе синтеза и формирования свойств определяется целым рядом факторов, основные из которых: химико-минералогический состав, количество стекловидной фазы, дисперсность и технологические параметры режима твердения цементного композита [2,3].
В работе изучено влияние зол на свойства цементного камня и выполнен сравнительный анализ зол-уноса, отобранных на Рефтинской ГРЭС и Омской ТЭС. Данные золы образуются при сжигании угля Экибастузского бассейна, однако исходные золы имеют некоторые различия, обусловленные условиями режима сжигания топлива и системой их улавливания [4].
Исходное сырье изучено на предмет: химического, минерального состава, соотношения между кристаллическими и аморфными фазами, а так же исследована дисперсность.
Для теоретического обоснования и экспериментального подтверждения влияния зол на свойства двухкомпонентной цементной системы изучены механические характеристики камня по результатам испытаний прочности при сжатии в различные сроки твердения. Для выявления физико-химической природы протекающих в системах процессов использованы химические и рентгенофазовые анализы. Структурные особенности полученных систем изучены с применением метода электронной растровой микроскопии, гранулометрический состав зол уста-
X X
о
го А с.
X
го m
о
ю 4
М О
to
новлен с применением лазерного анализатора размера частиц.
Кристаллическая фаза зол в основном представлена кварцем, муллитом и окерманитом (рис. 1а, б). Содержание стеклофазы в Рефтин-ской золе - 70%, в Омской - 13 %.
О)
о
см
О!
Рис. 1. Дифрактограмма золы-уноса: а) Рефтинская ГРЭС; б) Омская ТЭС.
По химическому составу (табл. 1), ввиду однотипного сжигаемого топлива, золы на 90% состоят из оксидов кремния и алюминия, что позволяет отнести их к категории кислых.
Таблица 1
Зола-унос SiO2 Al2Oз Fe2Oз CaO MgO Na2O SOз
Омской ТЭС 61,5 27,4 5,65 1,17 0,49 0,32 0,42 0,57
Рефтинской ГРЭС 59,7 29,1 5,1 2,52 0,94 0,52 0,6 0,22
В основной массе частицы золы представлены сферической формой (рис. 2).
Зерновой состав частиц имеет не значительное отличие с преимуществом по дисперсности в пользу Рефтинской золы (рис. 3а,б, табл. 2).
о ш т х
<
т о х
X
«4 Ж 'Ш
1 р-
|> - » ♦ . ,
'лрЛг^*
Рис. 2. Зольные сферы
Диаметр, мкм
Рис. 3. Гранулометрический состав золы-уноса: а) Рефтинская ГРЭС; б) Омская ТЭС.
Для определения прочности двухкомпонент-ных систем (рис. 4) готовились цементные композиции с введением золы в количестве 18% от массы цемента. Образцы твердели при нормальных условиях.
Установлено, что введение зол позволяет повысить кинетику роста и величину достигаемой прочности [5], а именно: прочность образцов, изготовленных с применением Рефтинской золы, превалирует над прочностью образцов контрольного беззольного состава на 32,1%, с применением Омской золы на 7,8% соответственно.
Пуццолановый эффект зол, оцененный методом кислотно-основного титрования водной вытяжки показал, что пуццолановая активность Рефтинской золы выше, чем Омской, что выражается в поглощении СаО из известкового раствора около 56 мг пробы с Омской золой и 138 мг пробы с Рефтинской золой. Полученные ре-
а
а
б
б
зультаты свидетельствуют о наличии реакционно-способных компонентов в золах от сжигания Экибастузского угля.
Таблица 2
Содержание, % с максимальным диаметром частиц, мкм
Рефтинская ГРЭС Омская ТЭС
10 6,61 4,62
50 38,20 44,69
90 136,02 162,67
99 206,80 230,85
90, о
Л, во,о с
5 70,0
; бо,о
л
и 50,0 С 40,0
А
и 30,0
0
1 20,0
п.
с 10,0 0,0
79,0
64,5
59,8
«-7
<10,3 39А 35,9 ¿0.0 ■
1
3 сут 7 ;ут 2В сут
■ ПЦ □ ПЦ+ Рефтинская зола ■ ПЦ+Омскэя зола Рис. 4. Прочностные показатели цементных систем
Для выявления причин повышенной активности изучен фазовый состав новообразований цементного камня (рис. 5 а, б).
1,1 И III 11п1ш111 I ]. 1 р
Рис. 5. Дифрактограмма двухкомпонентной цементной системы с добавкой: а) Рефтинская ГРЭС; б) Омская ТЭС
Основными структурообразующими фазами в цементно-зольной матрице по результатам 90 суточного твердения являются портландит, ксо-нотлит, сколецит. При этом количество порт-ландита больше в системе с Омской золой, а содержание ксонотлита выше в продуктах гидратации с Рефтинской золой. Сформированные структурообразующие фазы являются преимущественно низкоосновными гидросиликатами
кальция типа СБН(!) [6]. Выявлено что, высокой активностью к процессам химического взаимодействия и формированию новых гидратных фаз обладает муллит. Новые гидратные фазы с участием муллита представлены гидроалюмосиликатами кальция типа сколлецита. Малоактивными кристаллическими фазами зол является кварц, по результатам рентгенофазового анализа диагностирован не связанный кварц. При оценке интенсивности дифракционных максимумов основных гидратных фаз установлено, что в среднем при использовании Рефтинской золы образуется на 18-20 % больше гидросиликатов и гидроалюмосиликатов кальция.
Изучение структуры и типов новообразований, выполненные методом электронной микроскопии позволяют подтвердить полноту прохождения процессов синтезообразования в системах с введением Рефтинской золы (рис. 6 а,б).
а
Рис. 6. Микроструктура двухкомпонентной цементной системы с добавкой: а) Рефтинская ГРЭС; б) Омская ТЭС
Как установлено по результатам электронной микроскопии при исходной дисперсности зерна стеклофазы имеют ограниченную активность, на рисунке 6б диагностированы осколки стеклофазы. Отдельные зольные микросферы имеют
х
X
о
го А с.
X
го т
о
ю 4
М О
а
б
О)
о
сч
OI
тонкие стеклянные оболочки, которые проницаемы для катионов и анионов системы. За счет этого внутри сферы без разрушения идет формирование и рост гидросиликатов кальция (рис. 6а).
На основании проведенного исследования выявлено влияние тонкодисперсных зол на формирование структуры и свойств цементного камня. Установлено, что в процессах с участием муллита протекает синтез образования гидроалюмосиликатов кальция типа сколецита, пуц-цолановая активность зол сводится к взаимодействию с Са(ОН)2 с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция типа ксонотли-та. Высокое содержание муллита и дисперсность Рефтинской золы способствует ускорению и полноте протекания процессов твердения и, следовательно, величине достигаемой прочности.
Литература
1. Баженов, Ю. М. Модифицированные высококачественные бетоны / Ю. М. Баженов, В. С. Демьянова, В. И. Калашников. - М. : АСВ, - 2006. - 368 с.
2. Калашников, В.И. Роль дисперсных наполнителей в бетонах нового поколения / В.И. Калашников, О.В. Суздальцев, Г.П. Дрянин, Г.П. Сехспосян // Известия вузов. Строительство. -2014. - №7. С.11-21.
3. Дворкин, Л. И. Высокопрочные бетоны с применением золы-уноса / Л. И. Дворкин, И. Б. Шабман, С. М. Чудновский [и др.] // Бетон и железобетон. - 1993.- № 1. - С. 23-25.
4. Зырянов, В.В. Зола-уноса - техногенное сырье / В.В. Зырянов, Д.В. Зырянов. -М.: ИИЦ «Маска», 2009. -319 с.
5. Zimakova G.A. Research of the influence of reftinskii sdpp's ash on the processes of cement stone's structure forming/Zimakova G.A., Solonina V.A., Zelig M.P. // Current Problems and Solutions. Сер. "Ecology and Safety in the Technosphere: Current Problems and Solutions" 2017.
6. Зимакова Г.А. Зольные механоактивиро-ванные микросферы - компонент высокоэффективных бетонов / Г.А. Зимакова, В.А. Солонина, М.П. Зелиг // Международный научно-исследовательский журнал. -2016. -№12-3(54). -С.90-94.
Efficiency of coal fuel ash from the Ekibastuz basin in cement systems
Zimakova G.A., Solonina V.A., Bajanov D.S., Iljasova S.V.
Tyumen Industrial University
The article provides a comparative analysis of the fly ashes produced at Reftinskaya SDPP and Omsk TPP by burning coal from the Ekibastuz Basin and their impact on the cement composite structure formation. Feed and the obtained cement systems were analyzed by a particle size, chemical, X-ray phase, and electron-microscopic methods. The crystalline component of the ashes is found to be represented by quartz, mullite and eckermannite. It is noted that the primary ashes are different due to fuel burning conditions and the ash capture system. Mullite content in Reftinskaya ash is larger, as well as the glass phase and ash microspheres content. It has been revealed that new crystalline hydrates are formed more intensively in this ash. The method of X-ray phase analysis made it possible to identify the influence of the mullite component on the structure formation processes and the value of the achieved cement stone strength. Key words: active mineral admixture, cement system, fly ash, pozzolanic activity, calcium hydrosilicates, calcium hydro-aluminosilicates.
References
1. Bazhenov, Y. M. Modified high strength concrete / Y. М. Baz-
henov, V. S. Demianova, V. I. Kalashnikov. - М., - 2006. -368 pp.
2. Kalashnikov, V.I. The role of dispersive fillings in modern con-
crete / V.I. Calashnikov, O.V. Suzdaltsev, G.P. Drianin, G.P. Sekhsposian //Building - 2014. - №7. P.11-21.
3. Dvorkin, L. I. High strength concrete with fly ash additive / L. I.
Dvorkin, I. B. Shabman, S. М. Chudnovski [and others.] // Concrete and reinforced concrete. - 1993. - № 1. - P. 23-25.
4. Zyrianov, V.V. Fly ash - technogenic material / V.V. Zyrianov,
D.V. Zyrianov. - M., 2009. 319 pp.
5. Zimakova G.A. Research of the influence of reftinskii sdpp's
ash on the processes of cement stone's structure forming/Zimakova G.A., Solonina V.A., Zelig M.P. // Current Problems and Solutions. Сер. "Ecology and Safety in the Technosphere: Current Problems and Solutions" 2017.
6. Zimakova G.A. Ashy mechanoactivated microspheres as the
component of highly efficient concrete/ Zimakova G.A., Solonina V.A., Zelig M.P. // International research journal. -2016. -№12-3(54). -P.90-94.
О Ш
m x
<
m о x
X
