CC BY
107
УДК 661.2
Г. А. Медведева, Р. Т. Ахметова, И. Ш. Сафин,
В. Ф. Строганов, Д. Р. Каримова
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭЦ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ СЕРОЙ
Ключевые слова: композиционные материалы, сера, золошлаковые отходы, химическое взаимодействие.
Разработаны технологии пропитки пористых композиционных материалов из крупнотоннажных отходов теплоэнергетики в расплаве серы Исследованы свойства полученных материалов. Показано, что получение защитного водостойкого и упрочняющего покрытия на бетоне методом пропитки в серном расплаве существенно повышает прочностные, водостойкие и теплоизоляционные свойства материалов, что позволяет расширить область применения разработанных материалов.
Keywords: composition materials, sulfur, ash and slag wastes, chemical interaction.
^mposites on oil and gas industry and heatpower wastes base were developed and investigated. Compositions of materials were optimized. It is shown that the use of developed method leads to a chemical interaction of components and forming a homogeneous surface structure.
Как показывает мировая практика использование золошлаковых отходов (ЗШО) тепловых электрических станций при производстве строительных материалов с использованием передовых технологий и оборудования позволяет совместить разрешение острых экологических проблем путем утилизации отходов с производством высокоэффективных и конкурентоспособных строительных материалов для ведения малоэтажного строительства, малых форм для благоустройства территорий, элементов тротуарного и дорожного покрытия. Огромные количества золошлаковых отходов скопились в отвалах, занимающих ценные земельные угодья и требующих значительных затрат на содержание. Одним из способов переработки золошлаковых отходов теплоэнергетики является получение пористых теплоизоляционных бетонов. Известны бетонные композиции [1-3], другие материалы строительного назначения на золошлаковых отходах ТЭЦ. Однако высокая пористость указанных материалов является причиной крайне низкой прочности и высокого водопоглощения.
В последнее время как у нас в стране, так и за рубежом значительное внимание исследователей уделяется способу уплотнения порового пространства бетона путем его пропитки мономерами или олигомерами с последующей их полимеризацией в поровой структуре бетона [4,5]. В результате пропитки получают бетонополимеры с высокими прочностными характеристиками, плотностью, морозостойкостью и повышенной стойкостью к некоторым агрессивным средам. Однако высокая стоимость мономеров, их дефицитность и сложная технология получения бетопополимеров сдерживают их практическое применение. Кроме того, мономеры и олигомеры обладают рядом недостатков. Олигомеры имеют сравнительно высокую вязкость, а мономеры повышенную токсичность и летучесть, что связано с возможностью образования взрывоопасных смесей. Поэтому разработка новых, более дешевых и недефицитных пропиточных композиций является важной и актуальной задачей. Сера менее дефицитна и значительно дешевле мономеров, используемых для пропитки бетонов. Поскольку доля дешевой попутной серы увеличивается, производство материалов с ее применением становится экономически обоснованным.
В литературе практически не описаны цементные материалы, содержащие золошлаковые отходы, с защитным покрытием, полученном при пропитке в серном расплаве.
Между тем, такие материалы, на наш взгляд, должны обладать оптимальным набором прочностных, водостойких и теплоизоляционных свойств.
Поэтому целью данной работы явилось получение и исследование свойств композиционных материалов на основе золошлаковых отходов, пропитанных в серном расплаве.
В работе использовались следующие материалы:
- цемент, класс прочности 42,5Н (ГОСТ 31108-2003);
- сера - отход Нижнекамского нефтеперерабатывающего завода (ГОСТ 127-93). По химическому составу эти отходы содержат 99,9% серы, т.е. практически представляют собой товарный продукт;
- строительный песок (ГОСТ 8736-93);
- золошлаковые отходы ТЭЦ-2 г.Казани следующего состава (мас.%):
8102 - 47,7-52,2; ЛЬОз +ТЮ2 - 21,24-25,28;
Са0+ МдО - 4,3; Рв20з - 5,2-5,9;
К20 - 1,84-19,03; 8О3 - 0,2.
Методом рассева золошлаковые отходы были разделены на зольную и шлаковую составляющие. В работе использовали зольную составляющую с размером частиц менее 1 мм.
Образцы композиций готовили путем смешения исходных компонентов - цемент, песок, золошлаковые отходы. Оптимальным с точки зрения прочностных свойств материала, является соотношение цемент: наполнитель (песок и ЗШО), равное 1:3. Поэтому в работе поддерживали именно это соотношение компонентов. Полученные смеси направляли на формование образцов заливкой в формы размером 2х2х6 см. После распалубки форм (через 28 суток) изделия сушили при температуре 100оС в течение 2 ч в сушильном шкафу. Полученные образцы загружали в емкость с расплавленной серой при температуре 120-130°С и осуществляли пропитку серой в течение 1 ч. После этого изделия извлекали из пропиточной камеры и охлаждали до температуры окружающей среды. Процесс охлаждения сопровождался кристаллизацией расплава в поровом пространстве и свойства материала изменялись. Полученные материалы испытывали на прочность, плотность, водопоглощение и теплопроводность.
Результаты физико-механических испытаний образцов приведены на рисунках 1, 2. Кривые 1 на графиках (т.е. отмеченные ромбиками) отвечают за образцы без покрытия, кривые 2 («квадратики») соответствуют образцам с защитным покрытием. Как видно из приведенных данных, увеличение доли золошлаковых отходов в наполнителе приводит к понижению в 2,5 раза прочности материала. Образцы, в которых наполнителем является только золошлаковый отход, имеют крайне низкую прочность и даже при небольшом усилии рассыпаются в руках. Это обусловлено образованием рыхлой, пористой структуры образцов и отсутствием адгезии между вяжущим и наполнителем. Плотность композиций также уменьшается, что объясняется низкой удельной плотностью золошлакового наполнителя и наличием большого числа пор и пустот в материале (рис. 2).
Наличие открытых пор в образцах, наполненных золошлаковыми отходами, является причиной высокого водопоглощения. Так, для композиций цемент: ЗШО оно составляет 45%, то есть такие материалы являются непригодными для использования в строительстве. Стандартные образцы бетона, наполненные строительным песком, имеют приемлемое значение водопоглощения (~ 5%).
Прочность образцов после модифицирования в серном расплаве существенно повысилась. Так, образцы бетона, наполненного песком, имеет прочность при сжатии 22 МПа, то есть после пропитки прочность повысилась в 6,5 раз (рис.1). Образцы цемент: ЗШО после пропитки также стали более прочными (прочность на сжатие повысилась почти в 8 раз). Модифицированные в серном расплаве образцы стали более плотными (рис.2) и водостойкими. Так, водопоглощение образцов бетона на золошлаковом наполнителе
понизилась до 13%, а водопоглощение бетонов с классическим наполнителем - песком -понизилась до 1,5%.
О -I--------1---------1--------1------------------г
0 0,2 0,4 0,6 0.8 1
Соотношение цемент: ЗШО, масс, часть
Рис. 1 - Предел прочности при сжатии цементно-золошлаковых композиций,
полученных при различных соотношениях наполнителей (песок и ЗШО): 1 - без пропитки серой; 2 - пропитанные серой
н
и
о
к
н
о
н
1=1
0 0,2 0,4 0,6 0,3 1
Соотношение цемент: ЗШО. масс часть
Рис. 2 - Зависимость плотности цементно-золошлаковых композиций, полученных при различных соотношениях наполнителей (песок и ЗШО): 1 - без пропитки серой; 2 -пропитанные серой
Введение в состав цементного бетона золошлаковых отходов позволяет улучшить теплоизоляционные свойства бетона. Как видно из рисунка 3 теплопроводность образцов уменьшается с 0,311 до 0,24 Вт/(м-°С), что объясняется формированием пористой структуры. После модифицирования в серном расплаве теплопроводность образцов также несколько понизилась. Даже для исходных цементных образцов теплопроводность составила
0,18 Вт/(м-°С).
Рис. 3 - Теплопроводность цементно-золошлаковых композиций, полученных при различных соотношениях наполнителей (песок и ЗШО): 1 - без пропитки серой; 2 -пропитанные серой.
Таким образом, пропитка в серном расплаве позволяет существенно улучшить прочностные и эксплуатационные свойства как цементных бетонов, так и бетонов, содержащих золошлаковые отходы.
Рис. 4 - Микрофотография поверхностного слоя образца бетона на золошлаковых отходах, модифицированного в серном расплаве. Увеличение 32
На микрофотографии модифицированных образцов (рис. 4) хорошо просматривается плотный беспористый защитный слой, который и обеспечивает высокую прочность и низкие значения водопоглощения и теплопроводности.
Такие материалы можно было бы применять как в сухих помещениях, например, как теплоизоляционная прослойка в межкомнатных перегородках, так и в качестве теплоизоляции в наружных стенах.
Литература
1. Баженов, Ю.М. Технология бетона / Ю.М.Баженов - М.: Высшая школа, 1987.- 414 с.
2. Порфирьева, Р.Т. Серные композиционные материалы для теплоэнергетики/ Р.Т.Порфирьева,
B. В. Герасимов, Г.А.Медведева //Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. - Казань.- 2002. - №1-2. -
C. 41-43.
3. Муртазаев, С.-А.Ю. Использование золошлаковых смесей ТЭС в строительных растворах /
С.-А.Ю. Муртазаев // Известия ВУЗов. Строительные материалы. - М. - 2008. -№ 6. - С. 68-69.
4. Патуроев, В.В. Полимербетоны/ В.В.Патуроев -М.: Стройиздат, 1987. - 286 с.
5. Королев, Е.В. Строительные материалы на основе серы / Е.В.Королев, А.П.Прошин, В.Т.Ерофеев, В.М.Хрулев, В.В.Горетый. - Пенза, 2003. - 372 с.
© Г. А. Медведева - канд. техн. наук, доц. каф. теплоэнергетики Казанского государственного архитектурно-строительного университета, [email protected]; Р. Т. Ахметова - д-р техн. наук, проф. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, [email protected]; И. Ш. Сафин - зав. лаб. каф. проектирования зданий Казанского государственного архитектурно-строительного университета; В. Ф. Строганов - д-р хим. наук, проф., зав. каф. химии и инженерной экологии в строительстве Казанского государственного архитектурно-строительного университета; Д. Р. Каримова - студ. каф. химии и инженерной экологии в строительстве Казанского государственного архитектурностроительного университета.
