CC BY
42
УДК 504.06
Коробейников Александр Викторович Alexander Korobeinikov
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ СОСТАВОВ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗОЛООТВАЛА ЧИТИНСКОЙ ТЭЦ-2
STRUCTURES’ DURABILITY RESEARCH FOR FOR-FASTENING SURFACES OF ZOLOOTVALA CHITINSKOJ THERMAL POWER STATION-2
Дано описание экологической проблемы загрязнения воздушного бассейна городов забайкальского края. Описывается проблема загрязнения атмосферы золоотвалами теплоэлектростанций, а также процесс проведения лабораторных испытаний прочности на сжатие составов для закрепления поверхности золоотвала Читинской ТЭЦ-2. Приводятся результаты измерений и анализ прочностных характеристик закрепленных составов. Делаются выводы об эффективности использования закрепляющих компонентов с экономической точки зрения
Елючевые слова: золоотвал, ТЭЦ-2, прочность, закрепление, исследование, поверхность, загрязнение, атмосфера, экология
The article describes the environmental problems of air pollution in cities of Trans-Baikal territory. The problem of air pollution ash dumps power plants is presented. It also describes the process of laboratory testing of compressive strength of compositions for fixing the surface of ash disposal area Chita TPP-2. The results of measurements and analysis of strength characteristics of fixed composition are presented. Conclusions about the effectiveness of fixing components use from an economic point of view are observed
Key words: ash disposal, TPP-2, TEC-2, strength, fixation, research, surface, pollution, atmosphere, ecology
В настоящее время проблема экологии Забайкальского края и г. Чита стоит остро. Так, в г. Чита в последние годы среднегодовое содержание бенз(а)пирена превысило ПДК почти в 5 раз, формальдегида
— в 4 раза, взвешенных веществ (пыли) — в 2 раза. Чита входит в приоритетный список городов с наибольшими выбросами как основных, так и некоторых специфических загрязняющих веществ [1]- Помимо прочих источников, значительный вклад в загрязнение атмосферы вносят золоотвалы теплоэлектростанций. В золошлаковых отходах ТЭС в несколько раз, по сравнению с исходными углями, может возрастать содержание токсичных (Я, Ве, Н§, Ав, Р,), потенциально токсичных и тяжелых металлов (Мп, РЬ, У, N1, Со, Сг, Сё, Яе). Золош-лаки, накапливаясь в золоотвалах в значи-
тельных объемах, создают реальную угрозу загрязнения почв, водоемов, атмосферы. Загрязнение атмосферы происходит в результате пыления поверхности золоотвала в летние периоды. Одним из реальных вариантов предотвращения пыления отвалов в засушливый период является закрепление их поверхностей. Существует множество составов для закрепления пылящих поверхностей. В основном это составы, приготовленные из химических компонентов. Химические составы имеют ряд существенных недостатков, главными из которых являются:
— загрязнение почвы и водного бассейна ядовитыми веществами;
— сложность в приготовлении;
— высокая стоимость компонентов;
— большой расход химических реагентов.
Поэтому применение данных составов для быстрого закрепления пылящих поверхностей целесообразно только на небольших площадях. Для закрепления золоотвалов необходимы более дешевые, распространенные и легкодоступные в данном регионе материалы. На основании обобщения ранее выполненных исследований [2; 3; 4; 5; 6] были выбраны несколько материалов для исследования их закрепляющей способности, а именно: известь, глина, сапропель, цемент. Были изготовлены образцы смеси золы-уноса с данными вяжущими компонентами путем заполнения цилиндрических форм смесью, с последующей сушкой и испытанием на прочность при сжатии.
Для изготовления образцов было сделано более 100 цилиндрических форм следующими размерами: высота (Ь) = 4,65 см, внутренний диаметр (ё) = 4,65 см, площадь поперечного сечения образца (Я) = 16,97 см2.
Для испытания образцов на прочность при сжатии использован пресс настольный ПРГ-50, предназначенный для создания визуально контролируемого усилия сжатия образцов строительных материалов размерами не более 90x90x90 мм, требующих усилия сжатия не более 50 кН.
Основным компонентом смесей выступила зола-унос (золоотвал ТЭЦ-2). Химический состав золы-уноса приведен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав золы-уноса Читинской ТЭЦ-2
Химический элемент Содержание, %
Оксид кремния, 51203 16,41
Оксид алюминия, А1203 21,99
Оксиджелеза, Ре203 13,14
Оксид кальция, СаО 21,21
Оксид калия, ^0 1,71
Оксид серы, Э03 2,36
Оксид титана, ТЮ2 1,03
Углерод 19,37
Оксид стронция, ЭгО 0,87
Пятиокись фосфора, Р205 0,51
Оксид марганца, Мп02 0,47
Оксид меди, СиО 0,45
Оксид бария, ВаО 0,42
Другие элементы 0,06
Для экспериментальных исследований приняты следующие процентные концентрации для каждого вяжущего компонента: 2;5; 10и20%.В результате гашения извести образовалось известковое тесто, которое разбавляли водой. Получившееся известковое молоко добавляли в золу и тщательно перемешивали.
При приготовлении смесей глину и сапропель измельчали до порошкообразного состояния. При приготовлении смеси золы с цементом, глиной, сапропелем в золу добавляли вяжущий компонент, смесь увлажняли до оптимальной влажности, тщательно перемешивали.
Было приготовлено 16 видов смесей с содержанием основного компонента — золы-уноса, воды и вяжущих компонентов.
Испытания на прочность при сжатии производились через определенные промежутки времени. Образец устанавливали в центре нижней плиты пресса, затем опускали верхнюю плиту так, чтобы зазор между образцом и верхней плитой составлял 2...3 мм. Предел прочности вычисляли по формуле р
Я=— , Н/см2, (1)
F
где Р — разрушающая нагрузка, Н;
Р — первоначальная площадь основания образца, см2.
Предел прочности при сжатии вычисляли с точностью до 1 Н/см2. Расхождение между результатами испытаний отдельных образцов не превышало 15%.
Результаты исследований при испытании образцов на прочность при сжатии представленынарис. 1-2.
На графиках видно, что предел прочности образцов различного состава при сжатии значительно изменяется с течением времени. Так, при испытании через 16 дней предел прочности образцов с известью был незначительным. Через 66 дней этот показатель вырос в три раза, значение прочности стабилизировалось и практически не изменялось.
Изменение предела прочности образцов с цементом в качественном отношении происходило таким же образом. Измерение
предела прочности через 66 дней показало, предела прочности также остается практи-что прочность по сравнению с 16-дневными чески неизменным, измерениями возросла, после чего значение
Известь 16% Известь 8 % Цемент 20 % Глина 20 % Глина 10%
0 20 40 60 80 100 Срок, дней
Рис. 1-Пределпрочностиобразцов
Известь
Цемент
Глина
Содержание закрепляющих компонентов, %
Рис. 2. Прочность образцов в зависимости от содержания закрепляющих компонентов
Относительное изменение предела прочности образцов с глиной происходило практически как и с цементом. Однако необходимо отметить, что абсолютный показатель предела прочности был примерно в 5 раз ниже.
Отмечен качественно иной характер изменения предела прочности образцов с сапропелем. Через 16 дней данный показатель был на низком уровне, при последующих измерениях образцы стали очень хрупкими и разрушались при минимальных значениях нагрузок.
Из сказанного можно сделать вывод, что для закрепления поверхности золоот-валов в рассматриваемых условиях нельзя использовать сапропель, т.к. показатели прочности образцов очень низкие и при уменьшении влажности стремятся к нулю, в то время как закрепление необходимо именно в сухой период. Остальные же вяжущие компоненты вполне могут использоваться для этих целей, т.к. с течением времени при уменьшении влажности прочность образцов остается на достаточно высоком уровне.
Рассмотрим зависимость прочности образцов от процентного содержания вяжущего компонента.
Анализируя графики (рис. 2), можно
отметить, что при увеличении процентного содержания исследованных вяжущих компонентов (исключая сапропель) растет предел прочности при сжатии.
В соответствии с [2] при укреплении самых различных грунтов дозировки извести не превышали 12 %, увеличение дозировки извести в грунте нежелательно, т.к. избыток ее не вступает во взаимодействие с грунтом и остается в свободном состоянии. Такие грунты оказываются менее стойкими. На рис. 2 показана тенденция увеличения прочности при увеличении процентного содержания извести: более 8 % уменьшается и можно прогнозировать, что увеличение больше 16 % не даст увеличение прочности.
Согласно [7], при приготовлении глиняных растворов для строительства процентное содержание глиняного теста колеблется 20...30 %. Можно полагать, что использование глины в количестве более 30 % также не ведет к увеличению прочности образцов.
Предполагая, что максимально необходимая толщина закрепленного слоя составляет 10см, можно рассчитать расход вяжущих компонентов для закрепления 1м2 поверхности (табл. 2):
Таблица 2
Расчет площади поверхности, закрепляемой вяжущими компонентами
Наименование компонента Приблизительная насыпная плотность*, кг/м3 Процентное содержание вяжущего компонента, % Расход вяжущего компонента, кг/м2 Стоимость вяжущих, руб/м2
от ДО от ДО от ДО
Глина 1500 20 30 16,67 26,47 16,67 26,47
Цемент 1000 15 25 11,69 20,00 46,76 80,00
Известь 1000 6 15 4,57 11,69 13,71 35,07
* Показатели насыпной плотности в соответствии с [8, 9]
Для сравнения экономической эффективности использования закрепляющих компонентов необходимо сделать оценку затрат для закрепления поверхности. В табл. 2 приведен расчет стоимости закрепления поверхности площадью 1 м2 вяжущими компонентами.
Из таблицы видно, что наиболее дешевым компонентом для закрепления поверхности является известь. Следующим компонентом по показателю стоимости использования является глина. Несмотря на самый большой расход, в процентном соотношении этот материал является самым
дешевым из представленных материалов. Цемент является гораздо более дорогим средством закрепления. Стоимость его использования более чем в 3,5 раза превышает стоимость использования остальных компонентов.
Можно сделать вывод, что для закрепления поверхности исследованного золо-
отвала следует применять цемент в процентном соотношении 15...25 %, известь в процентном соотношении 6...15 % и глину в процентном соотношении 20...30 %.
Результаты лабораторных исследований будут использованы при проведения натурных опытно-промышленных экспериментов на золоотвале ТЭЦ-2.
Литература
1. Миляева В.Б., Головина. Н.М., Иванова Н.М. Ежегодник выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух городов и регионов Российской Федерации за 2008 г. — СПб.: б.н., 2009. - 139 с.
2. Левчановский Г.Н. Укрепление грунтов известью в дорожном и аэродромном строительстве. — М.: Транспорт, 1977. — 147 с.
3. Инструкция по применению грунтов, укрепленных вяжущими материалами для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов. — Москва: утв. Государственный комитет Совета Министров СССР по делам строительства, 24.10.1974, 1975. — С. 129. СН 25-74.
4. Рекомендации по рекультивации отработанных золошлакоотвалов тепловых электростанций: РД 34.02.202.-95. Утверждено Департаментом эксплуатации энергосистем и электрических станций РАО «ЕЭС России» 25.12.95 г. Заместитель начальника В.Г. Шаблий. ОР. М.: б.н.
5. Ляшенко В.И., Карпенко Б.В. Природоохранные технологии управления состоянием хвостохранилищ. — Новосибирск: Научный вестник НГУ. —№ 11, — 2009.
6. Технические указания по комплексным методам укрепления грунтов цементом с применением добавок химических веществ при устройстве дорожных и аэродромных оснований и покрытий: ВСН 158-69: утв. Техническим управлением Министерстватранспортного строительства.
7. Приготовление и применение растворов строительных (взамен СН 290-74): СП 82-10198: принят и введен в действие письмом Госстроя России от 17 июня 1998 г. № АБ-20-218/12. -М., 1999.
8. Дворкин Л.И. Строительные материалы из отходов промышленности: учеб.-справоч. пособие. — М.: Феникс, 2007.
9. Справочник строителя. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.baurum.ru.
10. Рекомендации по борьбе с пылением действующих и отработанных золошлакоотвалов ТЭС: РД 153-34.0-02.108-98. — М.: утв. Департаментом стратегии развития и научно-технической политики РАО «ЕЭС России» 21.01.98г. Вводится в действие с 01.12.2000.
11. Методика расчета компонентного состава золошлаковых отходов ТЭС: РД 153-34.1-02. 203-99: утв. Департаментом стратегии развития и научно-технической политики РАО «ЕЭС России» 29 декабря 1999.
12. Инструкция по нормированию выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для тепловых электростанций и котельных (взамен РД 34.02.303-91): РД 153-34.0-02.303-98: Утв. РАО «ЕЭС России» 07.08.98.
Коротко об авторе______________________________________________ Briefly about the author
Коробейников A.B., аспирант, Читинский госу- A. Korobeinikov, postgraduate student, Chita State дарственныйуниверситет (ЧитГУ) University
Служ. тел.: 79144670605
Научные интересы: геоэкология, геосистема, Scientific interests: geoecology, geosystem, natural природные ресурсы resources
