Исследование физико-химических свойств зол ТЭЦ-9 и Новой Иркутской ТЭЦ для применения в золощелочных вяжущих Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.335

С.В. МАКАРЕНКО, инженер-строитель-технолог (makarenko_83_07@mail.ru),

Н.П. КОНОВАЛОВ, д-р техн. наук, Иркутский государственный технический университет

Исследование физико-химических свойств зол

ТЭЦ-9 и Новой Иркутской ТЭЦ

для применения в золощелочных вяжущих

Отходы, образующиеся при сжигании высокозольных углей, составляют миллионы тонн ежегодно, что значительно усложняет экологическую обстановку в Иркутской области. К высокоэффективным строительным материалам, при производстве которых возможно использовать многотоннажные отходы зол, относятся золо- и шлако-щелочные вяжущие и материалы на их основе [1, 2, 3].

Для пробуждения активности у зол и шлаков необходима их активация с помощью температуры, механического воздействия или щелочными компонентами. Особую значимость при образовании золощелочного камня имеет минеральный состав зол и соотношение аморфной и кристаллической фаз [4, 5]. Соотношение аморфной и кристаллической фаз возможно регулировать механоактивацией золы. При измельчении может происходить изменение структуры вещества, связанное со всевозможными явлениями, наблюдаемыми при разрушении твердых тел: изменение морфологии, электронной структуры и минерального состава.

Таблица 1

Наименование показателя Содержание компонента, мас. %

Зола 1 Зола 2

SiO2 56,22 57,37

ТЮ2 0,624 0,614

А12О3 24,57 15,75

Fe2O3 общ. 7,88 7,14

МпО 0,044 0,109

МдО 1,689 2,916

СаО 4,172 13,471

Na2O + К2О <1,45 <0,945

Редкие оксиды 1,9 0,51

ППП 1,32 1,2

SOз 0,59 0,56

Модуль основности (Мо) 0,07 0,22

Модуль активности (Ма) 0,43 0,27

Таблица 2

Название минерала Содержание кристаллической фазы золы 1/золы 2, %, после помола в течение, ч

0 1 2 3

Кварц 24/30 18,4/34 16,4/45 23/47

Силлиманит 15/2,7 15/3 13/3,5 17/4

Муллит 10,2/7 5,5/8,5 6/15 7,3/13

Алит -/3,65 -/3,78 -/6,6 -/6

Основной задачей исследования было выявление морфологических свойств и их изменения при измельчении зол-уноса; определение химического и минерального состава зол и изменение соотношения кристаллической и аморфной фаз при измельчении.

Химический состав зол определяли с помощью РФА. Согласно результатам РФА (табл. 1) золы ТЭЦ-9 (далее зола 1) и Новой Иркутской ТЭЦ (зола 2) в основном содержат оксиды SiO2 — около 57%. Приведенные данные (табл. 1) позволяют заключить, что золы имеют разный состав, в частности гидравлическую активность, способности образовывать искусственный камень при взаимодействии с растворами щелочей.

По результатам исследования химического состава зол стало возможным определить косвенные показатели гидравлической активности, характеризующиеся модулем активности и модулем основности. Из данных табл. 1 следует, что основность и активность зол существенно различны.

Морфологию зол изучали на электронном сканирующем микроскопе Sem Quanta 2000, определение размера частиц и их количество в объеме определяли лазерной дифракцией.

Исходные частицы золы имеют в подавляющем большинстве сферическую поверхность (рис. 1).

Микросферы, представленные на рис. 1, а, в свою очередь, состоят из более мелких микросфер, заключенных в алюмосиликатную оболочку толщиной около 500 нм (рис. 1, б).

При помоле золы значительно увеличивается удельная поверхность, возрастает шероховатость частиц золы. После 2 ч помола происходит накопление частиц неправильной формы, общая шероховатость продолжает расти. После 3 ч помола происходит измельчение образовавшихся частиц неправильной геометрической формы.

Анализ лазерной дифракции золы 1 и золы 2 (рис. 3) позволил установить, что исходные золы имеют начальный средний размер зерна около 30 мк, количество зерен минимального размера 7 мк составляет около 10% общего количества. Наибольшее количество зерен золы — около 90% составляют зерна с размером около 130 мк. Более крупных зерен с размером до 300 мк не много, около 10%. В результате измельчения в зависимости от времени помола размеры зерен изменяются (рис. 4).

После 2 ч помола минимальный размер зерна сокращается незначительно и составляет 1,27 мк, средний размер уменьшился в 1,5 раза и составил 7 мк. Наибольшее количество зерен имеет размер 34 мк, их процентное содержание составляет 97%. Медиана 6,93 мк. После 3 ч помола минимальный размер зерна составил 1,05 мк. Средний диаметр изменился в 1,2 раза. Основная масса зерен имеет размер до 34 мк: ~ 98%.

Рентгеноструктурный анализ выявил некоторое различие в составе минеральной части зол 1 и 2.

Зола 2 преимущественно содержит в своем составе четыре основных минерала: кварц (30%), муллит (7%),

60

июнь 2011

iA ®

а

Рис. 1. Немолотые частицы исследуемых зол при увеличении от 1000 до 10500 раз: а - зола 1; б - зола 2

силлиманит (2,7%) и алит (3,5%). Суммарное содержание кристаллической фазы составляет около 44%, рент-геноаморфной — 56%.

Зола 1, в свою очередь, состоит из трех основных минералов: содержание кварца составляет 24%, муллита — 9%, силлиманита — 13%. Содержание кристаллической и ренгеноаморфной фаз составляет 46% и 54% соответственно.

Далее в исследуемых золах определяли соотношения кристаллической и аморфной фаз зол и его изменение при измельчении с учетом фактора времени (табл. 2).

В результате проведенных исследований установлено, что обе золы относятся к ультракислым и не способны к гидравлическому твердению самостоятельно. Частицы золы представляют собой микросферы, кото-

рые в свою очередь состоят из более мелких микросфер, заключенных в алюмосиликатную оболочку. Начальный средний размер зерна зол составляет около 30 мк, количество зерен минимального размера 7 мк около 10% общего количества. Таким образом, для применения исследованных зол в качестве компонента золощелочного вяжущего их необходимо активировать. Одним из наиболее распространенных способов активации является помол.

При измельчении изменяются морфологические особенности частиц, увеличивается общая удельная поверхность и шероховатость, что является положительным фактором для компонента вяжущего.

Наибольшая эффективность помола по изменению размера частиц происходит за 1 ч.

Рис. 2. Золы после измельчения в течение 3 ч при увеличении от 3000 до 20000 раз

Ы ®

июнь 2011

61

0,1 1 10 100 1000 мкм

□ dQ3(x) - Q3(x)

Рис. 3. Логарифмическая и интегральные кривые распределения частиц исходной золы 1 по размерам

Результаты рентгеноструктурного анализа зол выявили, что при измельчении золы 2 происходит накопление кристаллической фазы. Причем процесс носит явно затухающий характер. Наибольшее количество кристаллической фазы образуется после 2 ч измельчения. При измельчении золы 1 происходит аморфизация минералов, составляющих золу. Причем процесс в этом случае носит волновой характер. Наибольший процент аморфной составляющей приходится на 2 ч помола.

Ключевые слова: золы ТЭС, состав зол, структура зол, рентгенофлуорисцентный анализ, электронная микроскопия.

Список литературы

1. Бабачев Г. Золы и шлаки в производстве строительных материалов / Пер. с болг. Л. Шариновой. Киев: Будивельник, 1987. 136 с.

0,1 1 10 100 1000 мкм

□ dQ3(x) - Q3(x)

Рис. 4. Логарифмическая и интегральные кривые распределения

частиц золы 1 по размерам после 1 ч помола

2. Златинская Т.В., Курченко Т.А. Применение зольных бетонов в жилищном строительстве города Норильска: Всесоюзное научно-техническое совещание по совершенствованию крупнопанельного строительства в районах распространения вечномерзлых грунтов и сурового климата. Красноярск, 1969.

3. Стольников В.В., Кинд В.В. Гидротехнический бетон с добавкой золы-уноса. М.: Госэнергоиздат, 1963.

4. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск: Наука, 1986. 363 с.

5. МолчановВ.И., Селезнева О.Г.,ЖирновЕ.Н. Активация минералов при измельчении. М.: Недра, 1988. 208 с.

6. Глуховский В.Д. Шлакощелочные бетоны на мелкозернистых заполнителях. Киев: Вища школа, 1981. 224 с.

7. Федынин Н.И. Получение известково-зольного вяжущего повышенной прочности // Цемент. 1990. № 9. С. 10.

«Холдинговая компания «Регионтрансстрой»

щебень габбро-диабаз • гранитная крошка известняк • песок мытый

гранит и сеяный

для изготовления высококачественных бетонных и асфальтобетонных смесей.

Гарантированные своевременные поставки из базовых карьеров в любых объемах железнодорожным, речным и автомобильным транспортом

по выгодным ценам.

Дополнительный входной контроль каждой партии в независимой аккредитованной лаборатории на кафедре дорожно-строительных материалов МАДИ

за счет «ХК «Регионтрансстрой» .

Москва, Левобережная ул., д. 12. e-mail: info@hkrts.ru, т. (495) 4581632

р

л

а

м

а

62

июнь 2011

ÍÁ ®