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 ®