CC BY
0Технические науки. Строительство и архитектура
Научная статья УДК 691.3
ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия БОТ 10.51608/26867818 2023 4 144
© Авторы, 2023 SPIN: 4276-7420
SPIN: 6949-2994
ОПЫТ ОМСКОГО РЕГИОНА ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ОТХОДОВ ТЭЦ1
ЯВИНСКИЙ Александр Викторович
аспирант
Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (Россия, Омск, e-mail: 121qqz@mail.ru)
ЧУЛКОВА Ирина Львовна
доктор технических наук, профессор
Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (Россия, Омск, e-mail: le5@inbox.ru)
SPIN: 2873-6860 ORCID 0000-0002-2378-3947 ScopusID: 55887733300 ResearcherlD: A-4757-2016
ЛЕСОВИК Валерий Станиславович
член-корреспондент РААСН, Заслуженный деятель науки РФ. доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительного материаловедения, изделий и конструкций, Белгородский государственный
технологический университет им. В.Г. Шухова (Россия, Белгород)
Аннотация. Приведены данные об отходах тепловых электростанций в России и Омской области. Выявлены экологические угрозы и риски связанные с хранением золы гидроудаления на золоотвале. Определен химический состав золы гидроудаления. Предложены составы тяжелого бетона с заменой части цемента золой гидроудаления, которые могут быть использованы при производстве дорожных плит. Исследованы прочность, водопоглощение и морозостойкость составов тяжелого бетона с золой гидроудаления и проведено сравнение с контрольным составом.
Ключевые слова: зола гидроудаления; цемент; бетон; прочность бетона; морозостойкость; экология; строительные материалы
Для цитирования: Явинский А.В., Чулкова И.Л., Лесовик В.С. Опыт Омского региона по переработке отходов ТЭЦ // Эксперт: теория и практика. 2023. № 4 (23). С. 144-147. ^ 10.51608/26867818_2023_4_144
1 Работа представлялась в виде устного доклада на Международной научно-практической конференции «Новые прогрессивные рецептурно-технологические решения в строительном материаловедении» (18-21 июля 2023 г., Новосибирск).
ЭКСПЕРТ: EXPERT:
теория и практика 2023. № 4 (23) theory and practice
Original article
THE EXPERIENCE OF THE OMSK REGION ON THE RECYCLING OF WASTES FROM THERMAL POWER PLANTS
© The Author(s) 2023 YAVINSKY Alexander Viktorovich
PhD Candidate
Siberian State Automobile and Highway University (Russia, Omsk, e-mail: 121qqz@mail.ru)
CHULKOVA Irina Lvovna
doctor of technical sciences, professor
Siberian State Automobile and Highway University
(Russia, Omsk, e-mail: le5@inbox.ru)
LESOVIK Valery Stanislavovich
Corresponding Member of RAACS, Dr. of Technical, Prof.
Belgorod State Technological University named after. V. G. Shukhova (Russia, Belgorod)
Abstract. The article presents data on waste from thermal power plants in Russia and the Omsk region. The ecological threats and risks associated with the storage of the ash or hydro-removal of the ash have been identified. The chemical composition of the ash of hydro-removal has been determined. Compositions of heavy concrete with the replacement of a part of cement with hydro-removal ash, which can be used in the manufacture of road plates, are proposed. The strength, water absorption and frost resistance of compositions of heavy concrete with wet ash discharge have been investigated and comparison with the control composition has been conducted.
Keywords: wet ash discharge; cement; concrete; concrete strength; frost resistance; ecology; building materials
For citation: The experience of the Omsk region on the recycling of wastes from thermal power plants / A.V. Yavinsky, I.L. Chulkova, V.S. Lesovik // Expert: Theory and Practice. 2023. No. 4 (23). Pp. 144-147. doi 10.51608/26867818_2023_4_144
Образующиеся при сжигании угля отходы тепловых электростанций (ТЭЦ) создают серьезную проблему при их утилизации и хранении [1-2]. В мире наблюдается тенденция к повышению количества потребляемого твердого топлива на тепловых электростанциях [3]. За последние 30 лет в 2 раза выросло количество потребляемого угольного топлива. Вследствие сжигания угля на ТЭЦ вырабатываются зола и шлак, которые удаляются сухим или мокрым способом. Ежегодная выработка отходов ТЭЦ в России составляет более 25 млн. тонн, однако, переработке подвергается не более 10% вырабатываемых в год отходов, что значительно меньше, чем в других развитых странах (рис. 1). Следствием чего стали огромные площади золоотвалов по всей России. Общая площадь золоотвалов в России составляет более 30 тыс. га, на которых хранится около 1,5 млрд тонн отходов [4-5].
Поскольку зола гидроудаления является производственным отходом, то основные затраты, связанные с ее использованием в промышленной отрасли, составляет транспортировка и подготовительные операции (помол и/или сушка). Использование золы гидроудаления в состоянии
естественной влажности может позволить уменьшить затраты предприятия на производство
изделий, в которых она будет применяться.
Рисунок 1 - Сравнительный анализ по мировым объемам утилизации вторичных ресурсов
В данной статье приведены результаты испытаний составов тяжелого бетона с заменой компонентов золой гидроудаления в состоянии естественной влажности и контрольного беззольного состава, которые соответствуют требованиям ГОСТ и могут использоваться при производстве дорожных плит.
В работе использовалась зола гидроудаления с ТЭЦ-5 города Омска. Химический состав был
Технические науки. Строительство и архитектура
определен посредством рентгенофлуоресцентного метода и представлен в таблице 1.
По химическому составу зола гидроудаления является ультракислой и не обладает собственной активностью. Зола гидроудаления применялась в состоянии естественной влажности, что учитывалось при расчете необходимого количества воды в составе тяжелого бетона. Влажность определялась высушиванием до постоянной массы и составила 39%.
Удельная поверхность золы гидроудаления определялась с помощью прибора ПСХ-12 и составила в 210-240 м2/кг.
Для изготовления бетонных образцов использовался омский цемент ЦЕМ I 42,5Н, который был исследован в лаборатории. Установлено, что цемент соответствует всем требованиям ГОСТ 31108-2020.
В данной работе из тяжелого бетона готовились образцы кубы с ребром 10 см, которые подвергались ТВО по режиму 2 ч подъем температуры, затем изотермический прогрев при температуре +60 0С в течении 7 часов, после чего образцы плавно остывали в течении 3 часов. Составы тяжелого бетона класса В25, рассчитанные на 1 м3 представлены в таблице 2. Применение пластифицирующей добавки должно позволить компенсировать повышенную водопотребность составов с золой гидроудаления, поэтому все составы обладают одинаковым В/Ц (водоцементное отношение), зола учитывалась как часть вяжущего.
В составах №2 и №3 заменялась 20% и 30% цемента по сравнению с контрольным беззольным составом №1 соответственно. Образцы испытывались после ТВО, а также часть образцов были испытаны на более поздних сроках твердения
(в возрасте 45 и 90 суток) и показали следующие результаты (таблица 3).
Исходя из представленных результатов можно сделать вывод, что замена части цемента золой гидроудаления позволяет получать составы тяжелого бетона, соответствующие требованиям ГОСТ 331482014 для производства дорожных плит.
По результатам испытаний можно заметить, что прочность беззольного состава непосредственно после ТВО выше, чем у составов №2 и №3 на 7% и 12% соответственно. Снижение прочности у составов с золой может быть следствием неполной гидратации цемента, так как зола гидроудаления обладая пористой структурой забирает часть воды в микропоры и даже добавление пластификатора не позволяет полностью компенсировать данный негативный эффект. Однако, образцы с золой гидроудаления набирают прочность на более поздних сроках твердения интенсивнее, чем контрольный образец. Это проявляется в повышении прочности состава №2 в возрасте 45 суток на 18%, когда у беззольного состава данный прирост составил всего 13%. В возрасте 90 суток прочность состава №2 выше, чем у контрольного беззольного состава №1 на 5%, а состав №3 показывает прочность при сжатии не уступающую составу №1. Из чего можно сделать вывод, что составы тяжелого бетона с золой гидроудаления обладая прочностью ниже, чем контрольный беззольный состав на ранних сроках твердения способны активнее набирать прочность в более долгий период времени, что положительно скажется на итоговой прочности таких составов, за счет взаимодействия воды, которая высвобождается из пор золы гидроудаления.
Таблица 1 - Химический состав омской золы гидроудаления
SiO2 TiO2 AhOs Fe2O3 MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 HI ill*
61,93 0,75 25,0 2,65 0,13 0,34 3,01 1,0 0,52 0,42 4,67
*ППП - потери при прокаливании Таблица 2 - Составы тяжелого бетона
№ Состава Цемент, кг Влажная зола гидроудаления*, кг Песок, кг Щебень, кг Вода, кг Добавка Sika, кг
1 336 - 521 1470 148 -
2 269 110 521 1470 105 2,35
3 235 165 521 1470 83 2,35
* масса влажной золы гидроудаления учитывает количество воды Таблица 3 - Результаты испытаний образцов тяжелого бетона
Вид испытания № Состава Требования ГОСТ 33148-2014
1 2 3
Прочность при сжатии (после ТВО) Ясж, МПа 35,6 33,3 31,6 >28,8
Прочность при сжатии Я45, МПа 40,8 40,2 38,2 -
Прочность при сжатии Яз0, МПа 46,1 48,5 46,0 -
Водопоглощение максимальное, Wmax, % 3,0 4,1 4,5 >5%
Плотность, кг/м3 2305 2261 2234 -
Морозостойкость, циклы 200 200 200 200
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 4 (23)
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
Повышение водопоглощения и снижение плотности у составов №2 и №3 может быть следствием разрыхления структуры образцов при использовании золы гидроудаления. Данный эффект можно компенсировать использованием
гидрофобных добавок, что будет изучаться в дальнейших работах.
Все составы успешно прошли 200 циклов испытания по ускоренной методике определения морозостойкости, что соответствует марке по морозостойкости Б200. Высокая марка по морозостойкости позволяет использовать предложенные составы в климатических условиях Западной Сибири, которые характеризуются частой сменой погодных условий и перепадами температур.
С учетом возросшей стоимости на строительные материалы, в частности на портландцемент, использование разработанных составов позволяет снизить стоимость 1 м3 тяжелого бетона на 540 рублей и 806 рублей для состава №2 и №3 соответственно.
Заключение
В ходе выполнения работы был определен химический состав золы гидроудаления омской ТЭЦ-5. Установлено, что омская зола гидроудаления является ультракислой и не обладает собственной активностью.
Были запроектированы составы тяжелого бетона с заменой 20% и 30% цемента золой гидроудаления и контрольный состав. Установлено, что введение золы гидроудаления в состав тяжелого бетона снижает раннюю прочность при сжатии, однако, со временем данный негативный эффект компенсируется за счёт взаимодействия непрореагировавших частиц цемента с высвобождающейся из пор золы гидроудаления водой. В возрасте 90 суток состав с заменой 20% цемента золой гидроудаления показывает прочность при сжатии выше, чем контрольный беззольный образец.
Установлено, что замена 20% и 30% цемента золой гидроудаления и введение пластификатора позволяет получать составы тяжелого бетона с маркой по морозостойкости F200.
Библиографический список
1. Высококачественные самоуплотняющиеся бетоны c использованием отходов сжигания угля / Ю. М. Баженов, В. В. Воронин, Л. А. Алимов [и др.] // Вестник МГСУ. - 2017. - Т. 12, № 12(111). - С. 1385-1391. - DOI 10.22227/1997-0935.2017.12.1385-1391. - EDN YMEBXK.
2. Лесовик, В. С. Теоретические предпосылки создания цементных композитов повышенной непроницаемости / В. С. Лесовик, Р. С. Федюк // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. - 2016. - № 1(47). - С. 65-72. - EDN VNVNKB.
3. Lemly A. D. Damage cost of the Dan River coal ash spill // Environmental Pollution. - 2015. - Т. 197. - С. 55-61.
4. Нигматулин, Р. И. Как обустроить экономику и власть России: анализ инженера и математика / Р. И. Нигматулин // Энергобезопасность в документах и фактах. - 2007. - № 5. - С. 3-12. - EDN KFAABN.
5. Явинский, А. В. Влияние золы гидроудаления на свойства тяжелого бетона для строительства дорожного покрытия / А. В. Явинский, И. Л. Чулкова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2022. - № 3. -С. 16-24. - DOI 10.34031/2071-7318-2021-7-316-24. - EDN AEHVCK.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Статья поступила в редакцию 23.08.2023; одобрена после рецензирования 27.10.2023; принята к публикации 27.10.2023.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication.
The article was submitted 23.08.2023; approved after reviewing 27.10.2023; accepted for publication 27.10.2023.
