CC BY
19
УДК 625.088 Е.А.БЕДРИН
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
МЕХЛНОЛКТИВИРОВЛННОЕ ЗОЛОЦЕМЕНТНОЕ ВЯЖУЩЕЕ ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ
Рассматриваются проблемы внедрения более экономичных технологий в дорожном строительстве с одновременным улучшением качества строительных материалов. Описываются основные особенности механоактивационной технологии минеральных материалов и свойства укрепленных грунтов на основе эолоцементного вяжущего.
Одной из важных технико-экономических задач современного дорожного строительства является снижение материалоемкости дорожно-строительных материалов и конструкций при сохранении заданного уровня показателей качества. В связи с чем проводимые исследования в СибАДИ, направленные на применение золошлаковых отходов как наполнителя к вяжущим для укрепления грунтов, являются актуальными. При этом введение наполнителей позволяет управлять процессами структурообразования вяжущих композиций, их поврежденностью, технологическими дефектами и физико-поверхностными свойствами исходных материалов.
Рассматривая проблемы использования золошлаковых отходов из отвалов омских ТЭЦ при строительстве автомобильных дорог и других объектов, необходимо указать, что строительство автомобильных дорог требует расходования больших объемов дорожно-строительных материалов: грунта, щебня, песка, минеральных и органических вяжущих. Так, на строительство 1 км дороги в среднем расходуется 20-25 тыс. м3 грунта (в плотном теле), 2,5-3 тыс. м3 щебня, примерно столько же песка, 1 ООО-1400 т асфальтобетона или 1500-1800 м1 бетона. Если учесть, что в области в ближайшие три года намечается ежегодно строить в среднем по 400 км дорог с твердым покрытием и, кроме того, осуществлять реконструкцию и ремонт существующих дорог, то годовая потребность в основных дорожно-строительных материалах ориентировочно составит: грунта — около 10 млн. м'1, щебня и песка — по 1,1-1,3 млн. м'\ асфальтобетона — 0,4-0,6 млн. т.
Использование естественного грунта из боковых или сосредоточенных резервов (карьеров) для сооружения насыпей автомобильных дорог связано с исключением значительных площадей земли из сельскохозяйственного пользования, изменением естественного рельефа местности, а учитывая, что рекультивация карьеров производится только в границах выработанного пространства, - то и с изменением гидрогеологических условий территории, Это, в конечном итоге, ведет к нарушению экологического равновесия в районе строительствадороги.
Дороговизна других перечисленных дорожно-строительных материалов, зачастую дальнепривозных, при недостатке денежных средств сдерживает темпы строительства, реконструкции и ремонта, автомобильных дорог, что ухудшает условия эксплуатации автотранспорта, затрудняет грузоперевозки и I наносит ущерб экономике области.
Важнейшим свойством золошлаковых отходов, обуславливающим возможность их практического применения в качестве компонентов вяжущих веществ, является их химическая активность. Реакционная способность сырьевых смесей зависит от заданного химического состава вяжущего; условия, в которых ведется синтез; минералогической природы сырьевых компонентов, их удельной поверхности, количества примесей в них, реакционной способности компонентов; тонкости измельчения сырьевой смеси.
Исследования, проведенные в СибАДИ, показали перспективность совместного тонкого измельчения минерального вяжущего с золой, т.е. механоактива-ции. При этом реакционная способность зол изменяется в результате поглощенной упругой энергии, подводимой от измельчителя. Механохимическая активация золы приводит к значительным изменениям их физико-химических свойств. В частности, происходит увеличение концентрации парамагнитных центров, увеличение выхода растворимых продуктов, качественный состав которых значительно отличается от таковых в исходной золе. Все эти изменения обусловлены совокупностью различных факторов. Во-первых, уменьшением размеров зольных частиц (повышением степени их дисперсности), а следовательно, увеличением удельной поверхности. Во-вторых, путем разрушения ранее недоступной инертной оболочки золы получаем более активную аморфную фазу. Посредством механоактивации в значительной степени интенсифицируется взаимодействие оксида кальция с кремнеземом.
Аморфные продукты механической обработки зольной частицы способностью к непосредственному присоединению воды, как правило, не обладают. Это свойство характерно для свободных оксидов кальция и магния, а также ортосиликатов этих элементов, возникающих при сжигании топлива с высококальциевой зольной частью. В то же время аморфные компоненты золи топливных шлаков обладают высокой пуц-цоланической активностью. Она определяется присутствием в составе зол и шлаков аморфных продуктов механической обработки кристаллических алюмосиликатов, дегидратированного глинистого вещества типа метакаолинита, сохранившего частичную упорядоченность кристаллической решетки, аморфных БЮ.,, А1г03, алюмосиликатных стекол.
В результате этого механическая активация золошлаковых отходов оказывает влияние на количественный и качественный состав получаемых из них вяжу-
Таблица I
Физико-механические характеристики аутогезионного взаимодействия частиц в порошках после различного режима измельчения
Исследуемая смесь Режимы измельчения, СО с Прочность слоя порошка р 10 ", МПа, в зависимости от усилия уплотнения, О 10'2, МПа
5 10 15
Цемент 0 147 294 392
16,67 186 361 591
33,33 229 463 737
50.00 294 592 915
Зола ТЭЦ-2 0 10 15 20
16,67 16 23 31
33.33 19 25 33
50,00 24 31 47
Смесь: цемент 60% + зола ТЭЦ-2 40% 50,00 29 40 62
0 119 200 320
16.67 140 341 579
33,33 210 437 715
2 X
Е
ев т О
Ж
5
щих веществ и бетонов в процессах последующей переработки.
Существует два подхода к оценке влияния предварительной механической обработки на реакционную способность твердых веществ. В первом учитывается общее увеличение запаса свободной энергии твердого вещества в результате увеличения как энтальпийного, так и энтропийного члена в ходе обработки. Увеличение активности вследствие механической обработки как для изотермических, так и для эндотермических реакций всегда ведет к увеличению скорости реакции.
При другом подходе учитываются связи между свойствами отдельных видов дефектов, возникающих в твердом теле при механической обработке, и специфическими особенностям в твердой фазе.
Основными видами дефектов, возникающих в результате механической обработки, являются следующие: 1) образование новой поверхности (диспергирование); 2) сдвиговые напряжения в решетке и искажения типа дислокации; 3) образование твердых продуктов механохимических реакций.
В соответствии с этим все экспериментальные методы исследования направлены либо на определение запаса избыточной энергии, полученной твердым веществом в результате обработки, либо на установление вида, концентрации и характера распределения в твердом теле дефектов, образующихся при механическом воздействии.
С помощью экспериментальных исследований было изучено механическое воздействие на золоцемент-ную смесь путем исследования изменения ее аутоге-зионных параметров (табл. 1).
Способность вяжущего к агломерации резко изменяется в зависимости от его состава, а также от степени приложения механического воздействия на исследуемые порошки.
Прочность уплотненного слоя порошка зависит в то же время не только от природы материала, но и от упаковки частиц, т.е. от числа контактов в сечении разрыва. Поэтому был проведен расчет числа контактов частиц на 1 см2 площади сечения разрыва и пересчет прочности слоя на прочность единичных контактов,
Были получены зависимости прочности единичных контактов от уплотняющего частиц усилия. Графическая зависимость типа Р, = ВО,", где В и п — коэффициенты, представлена на рис. 1.
Тангенс угла наклона функции Р, от О, является мерой аутогезионной способности данного материала. Необходимо отметить, что испытания для одинаковых по химическому и минералогическому составу образцов, проводились только при изменении режимов измельчения. Поэтому изменения в динамике роста прочности единичных контактов при повышении усилия уплотнения отдельных частиц объясняется только изменениями в структуре дисперсионной
Р, 10"6, МПа 2,502 2,002 1.502 1,002 0,502 0,002
Л < ?
- Цемент
-зола (ТЭЦ-2)
-смесь: цемент 60%+зола ТЭЦ-2
40%
10 210 410 610 810 1010 1210 <3|'Ю , Н Рис. 1. Влияние усилия поджима единичных частиц на прочность индивидуальных контактов (ш=0...50 с1, 0=5 10 2 МПа).
Таблица 2
Влияние механоактивации на свойства золоцементного вяжущего (при добавлении 40% золы в цемент)
Состав смеси № пробы Нормальная густота,% Сроки схватывания, час-мин Равномерность изменения Величина водоотделения.
начало конец объема %
Цемент 100% 1 неизмельч. 26,0 2-25 52-0 + 23,5
Цемент 60% 2 30,0 3-30 6-30 - 25,7
Зола 40% 3 38,5 4-55 8-05 27,0
4 36,0 3-50 7-00 - 26,2
неизмельч.
Цемент 60% 5 28,5 1-30 5-20 + 24,3
Зола 40% 6 28,0 1-20 5-15 + 23,0
7 28,5 1-25 5-15 - 24,9
измельч.
Примечание: « + » — образцы выдержал» испытания на равномерность изменения объема; «-» — не выдержали.
системы. Параметрами этой структуры являются размер зерен, их форма, морфология их поверхности, а также упругие свойства частиц, электростатический заряд, состояние адсорбционного слоя на поверхности частиц, т.е. можно отметить, что происходит накопление энергии материалом при его измельчении.
При этом после измельчения золоцементного вяжущего уменьшаются сроки его схватывания. Данный факт подтверждает ранее сделанный вывод о том, что переданная от мельницы материалу механическая энергия способствует ускорению химической скорости реакции (в данном случае взаимодействия вяжущего с водой) (табл. 2).
Для определения активности золоцементного вяжущего было проведено испытание его в образцах-ба-лочках из «цементо»-песчаного раствора состава 1:3 малопластичной консистенции с водоцементным отношением 0,4 и ниже (ГОСТ 310.4). Кроме прочности при сжатии, как показателя активности вяжущего, анализировалась прочность при изгибе, т.к. она является более чувствительной к проявлению возникающих внутренних напряжений (табл. 3).
Из табл. 3 можно отметить, что механическая обработка смешанного вяжущего в дезинтеграторе позволяет не только сохранить свои прочностные показатели, но и увеличить их до марки 400.
На последнем этапе исследования в супесь вводилось вяжущее, полученное путем совместного помола золы и цемента в дезинтеграторе, а для сравнения
Таблица 3
Показатели прочности образцов-балочек на золоцементного вяжущем, испытанных через 28 суток твердения в воде
Состав N8 пробы Предел прочности, МПа
смеси при изгибе при сжатии
Цемент 100% 1 неизмельч. 4,57 10,78
Цемент 60% + Зола 40% 2 3 4 неизмельч. 3,21 1,88 4,19 8.03 4,56 6,40
Цемент 60% + Зола 40% 5 6 7 измельч. 5,90 6.08 5,22 41,38 44,25 40,50
также вводился неизмельченный цемент. Результаты этой части работы приведены на рис. 2 и в табл. 4.
Исследования кинетики набора прочности супеси, укрепленной механоактивированным золоцемент-ным вяжущим, показывают, что уже при 6% этого вяжущего материал достигает марки 40 (первый класс прочности), тогда как при этом же содержании цемен-
^ водонасыщ. 14 образцов, МПа
10
у
//
С А У
У
■ механоактивированное эолоцемеитное вям^шее
10
13
Количество вяжущего, % от грунта
Рис. 2. Влияние процентного содержания механоактивированного золоцементного вяжущего и цемента на прочность укрепленного грунта в водонасыщенном состоянии.
Результаты применения механоактивированного золоцементного вяжущего для укрепления супеси
Таблица 4
Показатели свойств укрепленной супеси Количество вяжущего в % от грунта
Механоактивированное золоцементное вяжущее(40/60%) Цемент
1 4 • 10 13 1 4 7 10 13
1. Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов, МПа (!*„) 0,56 4,85 6,02 9,88 13,00 0,32 3,98 4,50 7,65 11,00
2. Предел прочности на растяжение при изгибе водонасасыщенных образцов, МПа 0,28 1,87 2,25 3,46 4,49 0,17 1,57 1,75 2,77 3,80
3. Коэффициент морозостойкости — 0,70 — — — — 0,70 — —
та достигается марка чуть больше 30 (второй класс прочности). При содержании в грунте до 7% механоактивированного вяжущего материал приобретает марку 60. Это объясняется тем, что в результате воздействия при измельчении интенсивных механических нагрузок резко увеличилась гидратационная активность исходной золы, что было отмечено ранее.
Таким образом, можно констатировать, что механическая активация золы уноса ТЭС-2 г. Омска с цементом позволяет получить высокоэффективное для укрепления грунтов вяжущее.
Результаты исследований использованы при разработке «Технического условия на опытную партию
механоактивированного золоцементного вяжущего» и «Технологический регламент производства механоактивированного золоцементного вяжущего», которые переданы ОАО «Рост» и ОАО «Строймеханиза-ции-1» г. Омска.
БЕДРИН Евгений Андреевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Безопасность жизнедеятельности».
Книжная полка
Новые поступления в фонд Центральной научной библиотеки Омского научного центра Сибирского отделения РАН
Галевский Г.В. Словарь по науке и технике (Английский. Немецкий. Русский.) / Г. В. Галевский, Л. В. Мауэр, Н. С. Жуковский; Под ред. Г. В. Га-левского. - М.: Флинта: Наука, 2003. - 320 с. ISBN 5-89349-443-1 (Флинта); ISBN 5-02-002948-3 (Наука)
Словарь содержит около 5000 английских терминов по науке и технике (с именами собственными в основе) и их эквивален ты на немецком и русском языках. В структуру словаря входят: словник терминов и понятий, биографическая справка об ученых и изобретателях, список помет и сокращений и лексикографические источники.
Рябцева Н.К. Научная речь на английском языке: Руководство по научному изложению: Словарь оборотов и сочетаемости общенаучной лексики: Новый словарь-справочник активного типа (на английском языке). -3-е изд., испр. - М.: Флинта: Наука, 2002. - 600 с. ISBN 5-89349-176-х (Флинта), ISBN 5-02-022583-5 (Наука)
Словарь-справочник призван оказать специалистам многостороннюю языковую помощь в написании научных трудов на английском языке. Справочник построен на представительном материале оригинальных английских научных текстов и содержит системно упорядоченные выражения, словосочетания, обороты и примеры, характерные для английского научного стиля и позволяющего просто, четко и ясно излагать свои мысли на английском языке и связывать их в единое целое - резюме, тезисы, доклад, статью, рецензию и т. д.
