CC BY
34УДК 691.5
Н.И. КОЖУХОВА, канд. техн. наук ([email protected]), Д.Н. ДАНАКИН, инженер ([email protected]),
И.В. ЖЕРНОВСКИЙ, канд. геол.-минер. наук ([email protected])
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46)
Особенности получения геополимерного газобетона на основе золы-уноса Новотроицкой ТЭЦ*
Вопросы получения энергоэффективных экологически чистых и в то же время недорогих строительных материалов с использованием крупнотоннажных промышленных отходов не теряют своей актуальности. В рамках работы исследован один из слабовостребованных видов отхода промышленности - зола-уноса Новотроицкой ТЭЦ кислого состава с низкой гидравлической активностью в качестве основного компонента при получении ячеистых композитов на основе геополимерного вяжущего. На основании экспериментально-аналитических исследований установлена пригодность рассматриваемой золы-уноса в качестве реакционно-активного компонента в результате ее щелочной активации при получении геополимерного вяжущего. Разработаны составы геополимерного газобетона с низкими показателями плотности и теплопроводности. Обоснована целесообразность и перспективность получения эффективных газобетонных композитов на основе геополимерного вяжущего с использованием золы-уноса ТЭЦ кислого состава.
Ключевые слова: зола-уноса, геополимерный газобетон, энергоэффективность, отходы промышленности.
Для цитирования: Кожухова Н.И., Данакин Д.Н., Жерновский И.В. Особенности получения геополимерного газобетона на основе золы-уноса Новотроицкой ТЭЦ // Строительные материалы. 2017. № 1-2. С. 113-117.
N.I. KOZHUKHOVA, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), D.N. DANAKIN, Engineer ([email protected]), I.V. ZHERNOVSKY, Candidate of Sciences (Geology and Mineralogy) ([email protected])
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (46, Kostyukov Street, Belgorod, 308012, Russian Federation)
Features of Producing Geopolymeric Gas Concrete on the Basis of Fly Ash of Novotroitskaya TPS*
Issues of producing energy-efficient, environmentally friendly and affordable building materials with the use of large-tonnage industrial waste do not lose their relevance. Within the frame of this research, one of the weakly demanded industrial waste, fly ash of the Novotroitskaya Thermal Power Station of acidic composition with a low hydraulic activity as a main component when producing cellular composites on the basis of a geopolymeric binder, has been studied. On the basis of experimental-analytical studies, the suitability of the fly ash considered as a reaction-active component as a result of its alkaline activation when producing the geopolymeric binder has been established. Compositions of the geopolymericas concrete with low indexes of density and heat conductivity have been developed. The reasonability and perspectivity of producing efficient gas concrete composites on the basis of the geopolymeric binder with the use of fly ash of TPS of acidic composition has been substantiated.
Keywords: fly ash, geopolymaric gas concrete, energy efficiency, industrial waste.
For citation: Kozhukhova N.I., Danakin D.N., Zhernovsky I.V. Features of producing geopolymeric gas concrete on the basis of fly ash of novotroitskaya tps. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2017. No. 1-2, pp. 113-117. (In Russian).
В современной экономической ситуации перед строительной индустрией РФ стоят задачи экономии минеральных ресурсов, снижения материалоемкости, трудоемкости и энергетических затрат. Их выполнение непосредственно связано с производством самого объемного и крупнотоннажного строительного продукта — стеновых изделий и сооружений с их использованием. С учетом теплотехнических норм в строительстве [1], вопросов промышленной экологии, а также с увеличением цен на энергоносители ежегодно все более остро встает вопрос разработки и использования энергоэффективных и экологически чистых стеновых материалов с высокими теплозащитными свойствами [2—5].
Эти требования актуализируют интенсификацию разработки новых технологических приемов использования в производстве ячеистых бетонных материалов местной сырьевой базы [6—9] и минеральных промышленных отходов, по вопросам использования которых в настоящее время уже ведутся активные исследования [10—16].
С целью расширения сырьевой базы дешевого сырья для получения энергоэффективных бесцементных ячеистых материалов в настоящей работе изучена возможность получения газобетонных композитов на основе геополимерного вяжущего с использованием зол-уноса ТЭЦ кислого состава.
В качестве сырьевого материала для получения геополимерного вяжущего использовалась зола-уноса Новотроицкой ТЭЦ (Оренбургская обл.). Химический и минеральный состав золы-уноса представлен в табл. 1 и на рис. 1.
Важнейшими характеристиками сырьевого компонента, выступающего в качестве основного связующего в геополимерных вяжущих, являются его минеральный состав, дисперсность и гранулометрия, которые отвечают за реакционную активность в среде щелочного активатора, а также формирование оптимальной поровой структуры ячеистого композита.
Для оценки характера зернового распределения частиц золы-уноса по размерам был проведен грануло-
Таблица 1
Оксиды SiO2 A^Os TiO2 Fe2O3 MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 V2O5 z
Содержание, мас. % 58,98 28,29 0,97 4,63 0,08 1 3,74 0,63 0,65 0,36 0,02 99,35
* Работа выполнена при финансовой поддержке Департамента внутренней кадровой политики Белгородской области в форме гранта на проведение научно-исследовательских работ по приоритетным направлениям социально-экономического развития Белгородской области. Договор № 41-гр. от 19.10.2016, с использованием оборудования на базе Центра Высоких Технологий, БГТУ им. В.Г. Шухова.
* The work is made under the financial support of the Department of Internal and Personnel Policy of the Belgorod Oblast in the form of a grant for conducting scientific and research works according to the priority directions of the social-economic development of the Belgorod oblast. The agreement № 41 gr of 19.10. 2016 with the use of equipment on the basis of the Center of High Technologies of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov.
научно-технический и производственный журнал
14000 11000 8000 5000 2000 -1000 -4000 -7000
А - анатаз(эталон)
А
Кварц Муллит Анортит Магнетит Амор. фаза
10,7±3,03 23,54±1,38 4,31 ±0,6 1,03±0,57 60,42±2,31
I 11 11 i. с 11 tl CI nij iu liinluvii ш i. к
----- -I - 1
8
16
24
32
72
40 48 56 64 20 (о)
Рис. 1. Результаты количественного полнопрофильного РФА золы-уноса Новотроицкой ТЭЦ
Рис. 3. Микроструктура золы-уноса Новотроицкой ТЭЦ: а - увеличение 1000Х; б - увеличение 10000Х
Таблица 2
Характеристики геополимерного газобетона в зависимости от состава
№ п/п Варьируемые параметры Плотность р, кг/м3 Предел прочности при сжатии Лсж, МПа Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м2°С)
Na2O/Al2O3 Al-паста, %
1 0,5 0,2 541 0,075 0,081
2 0,5 0,5 571 0,112 0,082
3 0,5 0,8 426 0,126 0,079
4 0,75 0,2 588 0,439 0,101
5 0,75 0,5 735 0,798 0,104
6 0,75 0,8 567 0,305 0,094
7 1 0,2 604 0,773 0,1
8 1 0,5 712 0,693 0,109
9 1 0,8 531 0,261 0,093
метрическии анализ с помощью лазерного анализатора размеров частиц ANALYSETTE 22 NanoTec plus* (рис. 2).
Согласно гранулометрическому составу (рис. 2), зола-уноса Новотроицкой ТЭЦ является преимущественно одномодальной полидисперсной. Преобладающая часть частиц золы-уноса находится в диапазоне 30—200 мкм с размерным пиком в точке 100 мкм. Содержание более 70% зерен находится в пределах 30—120 мкм.
Данные гранулометрического состава подтверждают результаты визуализации микроструктуры золы-уноса, иллюстрирующие их полидисперсный состав (рис. 3) с преимущественным содержанием сферических частиц.
Согласно микроструктурным данным, в составе золы-уноса также встречаются крупноразмерные (до 40 мкм) обломки минеральной составляющей, а также
Размер частиц, мкм Рис. 2. Гранулометрический состав золы-уноса
тонкодисперсные частицы размером до 5 мкм и их рыхлые ассоциации.
С учетом проведенных аналитических исследований золы-уноса была разработана матрица планирования, согласно которой было за-формовано девять составов газобетона с варьируемым содержанием щелочного компонента и газообразующего агента в составе сырьевой смеси как факторов варьирования математической матрицы планирования (табл. 2). В качестве газообразующего агента использовалась алюминиевая паста. Составы были за-формованы в формы-кубы 7х7х7 см, подвержены термической обработке по следующему режиму: 1 ч — при н. у. ^ 24 ч — при 35оС ^ 24 ч — при 50оС. Термическая обработка экспериментальных составов геополимерного вяжущего осуществлялась в условиях тепловой сушки с последующим остыванием образцов до комнатной температуры (20±3оС), их расформовкой и дальнейшим твердением в естественных условиях до достижения возраста 28 сут.
Тепловая сушка — способ обезвоживания материалов, при котором удаление влаги из материала происходит в основном путем испарения [1].
В возрасте 28 сут для экспериментальных образцов были определены показатели плотности, прочности и теплопроводности (табл. 2).
Полученные результаты физико-механических характеристик экспериментальных составов геополимерного газобетона (табл. 2) показали незначительные вариации в контролируемых параметрах. Наиболее низкими показателями прочности обладают составы с молярным соотношением №20/А1203=0,5 во всем диапазоне содержания порообразователя, что является нежелательным эффектом. В то же время для этих составов характерны минимальные показатели плотности и коэффициента теплопроводности, значения которых в среднем ниже на 17 и 16% соответственно в сравнении с составами с более высоким соотношением №20/А1203 (табл. 2).
Составы геополимерного газобетона с молярным соотношениями №20/А1203=0,75 и №20/А1203=1 характеризуются примерно одинаковыми характеристиками
* Центр высоких технологий (ЦВТ) БГТУ им. В.Г. Шухова.
научно-технический и производственный журнал ■' i ■ ■ , ■, Г i ' М-1 i liJ^
i ■
-0,2
750 700 650 600 550 50 450 400
CO <E о
Щ1И :\Ч ЛишМШ
'0,5
0,6
0,7 „uwe 0,8 '^o^
0,9 песо0^ 0,9
y = 0,407 - 0,115 • Xj - 0,2803 • х2 - 0,141 • x{ • x{
i
0,4 0,5 0,6 Порообразователь, %
CO <
о
0,6 0,5
0,5 0,4
'Рообра
!3°sar,
^ель,%0,3 О,2'1
0,2 1
y = 576,4 - 47 • x1 - 42 • х2 - 10,5 • Xj • Xj
0,9
Oo
i| 0,8
CD
0,7
0,6
0,5
0,4 0,5 0,6 Порообразователь, %
0,6
0,7
0,8
0,9 0,9
0,4 0,5 0,6 Порообразователь, %
у = 0,407 - 0,115 • X! - 0,2803 • х2 - 0,141 • ху • X!
Рис. 4. Влияние состава геополимерного газобетона на: а - предел прочности при сжатии, МПа; б - плотность, кг/м3; в - теплопроводность, Вт/(м2К)
а
б
ö грдошвдша научно-технический и производственный журнал
ы ® январь/февраль 2017 115
750
700
650
52 600
О о н 550
от
d 500
450
400 (
б
0,85
£ § 0,75
и,
и 0,65
жат
о и 0,55
р
и 0,45
о
н 0,35
про
л е 0,25
д е р с 0,15
0,05 (
в
о" о 0,11
^
0,1
и
о н
д о в о 0,09
р п
о л п
е 0,08
ен
и
-о -fr 0,7
о о
2
___ эу
- | 1
0,2
0,5
Содержание порообразователя, %
0,8
2
э
- 1
Г
1 1
0,2
0,5
Содержание порообразователя, %
0,8
Содержание порообразователя, %
Рис. 5. Кинетика изменения показателей плотности (а), прочности (б) и теплопроводности (в) геополимерного газобетона в зависимости от состава - содержания порообразователя: 1 - 0,5%; 2 - 0,75%; 3 - 1%
в исследуемом диапазоне концентрации порообразователя, однако в составе № 7 (Na2O/Al2O3=7) при минимальном содержании порообразующей добавки (0,2%) показатель прочности значительно выше (на 43%) в сравнении с составом № 4 (Na20/Al203=0,75).
Состав № 3 обеспечивает минимальную плотность и минимальный коэффициент теплопроводности среди всех исследуемых составов.
Список литературы
1. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 4) / Под общей ред. А.В. Клименко и В.М. Зорина. М.: Издательство МЭИ, 2004. 632 с.
2. Кожухова Н.И., Войтович Е.В., Череватова А.В., Жерновский И.В., Алехин Д.А. Термостойкие ячеистые материалы на основе композиционных гипсо-кремнеземных вяжущих // Строительные материалы. 2015. № 6. С. 65-69.
3. Zhemovsky I.V., Cherevatova A.V., Voitovich E.V., Kozhukhova N.I., Evtushenko E.I. High-temperature
Для установления тенденции изменения эксплуатационных характеристик исследуемых составов геополимерного газобетона в зависимости от состава сырьевой смеси по данным разработанной матрицы планирования были построены номограммы (рис. 4), а также сводные графики для трех контролируемых эксплуатационных параметров геополимерного газобетона (рис. 5).
На основании полученных номограмм (рис. 4), а также на основании кривых (рис. 5) необходимо отметить следующие закономерности:
— при снижении содержания порообразователя до
0.3.0,4%, а также при увеличении молярного соотношения оксидов Na2O/Al2O3 до 0,9 наблюдается постепенный рост предела прочности при сжатии геополимерного газобетона, увеличение которого достигает двух раз;
— изменение плотности газобетонных составов имеет выпукло-пораболическую зависимость при изменении обоих параметров: содержания порообразо-вателя и молярного соотношения оксидов Na2O/Al2O3 с минимальными значениями в диапазоне соотношения Na2O/Al2O3 = 0,5—0,7, а также в крайних точках содержания порообразователя — 0,2 и 0,8%;
— показатели теплопроводности характеризуются резкой тенденцией к снижению при уменьшении соотношения Na2O/Al2O3 и увеличении концентрации по-рообразователя с минимальным значением в точке Na2O/Al2O3=0,5 и содержанием порообразователя 0,7%.
На основании приведенных графиков (рис. 5) для всех составов геополимерного газобетона наблюдается прямая зависимость параметров между собой: при снижении плотности происходит ухудшение прочностных показателей при одновременном улучшении показателей теплопроводности. Однако могут быть выделены следующие составы геополимерного газобетона, обеспечивающие оптимальное соотношение показателей плотности, теплопроводности и предела прочности при сжатии: составы 3, 6, 7 (табл. 2).
Таким образом, установлена возможность получения газобетонных композитов на основе геополимерных вяжущих с применением золы-уноса ТЭС.
В то же время на основании проведенных исследований необходимо отметить, что слабой стороной экспериментальных составов геополимерного газобетона является их низкая прочность при сжатии. Это в полной мере может быть объяснено невысокой реакционной активностью исходного алюмосиликатного компонента — золы-уноса. При этом есть все основания предполагать, что золы-уноса с высокой реакционной активностью способны обеспечить формирование структуры ячеистого композита повышенной прочности при сохранении низких теплофизических параметров плотности и теплопроводности. Этот факт обосновывает перспективу получения геополимерных газобетонных композитов с использованием зол-уноса кислого состава с более высокими эксплуатационными характеристиками.
References
1. Klimenko A.V., Zorin V.M. Pramyishlennaya tepoloen-ergetika i tepolotehnika. Spravochnik [Industrial Thermal Power Engineering and Thermotechnics. Guide book]. Moscow: MEI. 2004. 632 p.
2. Kozhukhova N.I., Voitovich E.V., Cherevatova A.V., Zhernovsky I.V., Alekhin D.A. Heat-resistant cellular materials on the basis of composite gypsum-silica binders. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 6, pp. 65—69. (In Russian).
3. Zhernovsky I.V., Cherevatova A.V., Voitovich E.V., Kozhukhova N.I., Evtushenko E.I. High-temperature
а
научно-технический и производственный журнал ■' i ■ ■ , ■, Г i ' М-1 i liiJä
phase transformations in CaO—SO3—SiO2—H2O system with nanosized component // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11. No. 12, pp. 7732-7735.
4. Кожухова Н.И., Чижов Р.В., Жерновский И.В., Логанина В.И., Строкова В.В. Особенности структу-рообразования геополимерной вяжущей системы на основе перлита с использованием различных видов щелочного активатора // Строительные материалы. 2016. № 3. С. 61-64.
5. Фомина Е.В., Войтович Е.В., Фомин А.Е., Лебедев М.С., Кожухова Н.И. Оценка радиационного качества шлака ОЭМК для применения его в строительных композитах // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. № 6. С. 130-133.
6. Fomina E.V., Strokova V.V. Kozhukhova N.I., Fo-min А.Е. Effect of mechano-activation on size parameter of aluminosilicate rocks // Indian Journal of Science and Technology. 2016. Vol. 9. Iss. 22. DOI: 10.17485/ ijst/2016/v9i22/95545.
7. Павленко Н.В., Боцман Л.Н., Хотомченко О.В., Сивальнева М.Н. Современный уровень развития ячеистых бетонов. Юбилейная Международная научно-практическая конференция, посвященная 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова «Наукоемкие технологии и инновации» (XXIнаучные чтения), 2014. C. 279-282.
8. Sivalneva M.N., Pavlenko N.V., PastushkovP.P., Strokova V.V., Netsvet D.D., Shapovalov N.A. Steam curing characteristics of cellular concrete on the base of nanostructured binder // Journal of Fundamental and Applied Sciences. 2016. Vol. 8. No. 3S, pp. 1480-1485. DOI: http://dx.doi.org/10.4314/jfas.v8i3s.292.
9. Pavlenko N.V., Strokova V.V., Cherevatova A.V., Netsvet D.D., Miroshnikov E.V. Cellular concretes based on nanostructured perlite binder // Applied Mechanics and Materials. 2014. No. 496-500, pp. 2383-2386. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.496-500.2383.
10. Строкова В.В., Череватова А.В., Жерновский И.В., Войтович Е.В. Особенности фазообразования в композиционном наноструктурированном гипсовом вяжущем // Строительные материалы. 2012. № 7. С. 9-12.
11. Войтович Е.В., Череватова А.В., Жерновский И.В., Алехин Д.А. Гипсокремнеземные строительные композиты с повышенной жаростойкостью // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. № 6. С. 74-80.
12. Сулейманова Л.А., Погорелова И.А., Кондрашев К.Р., Сулейманов К.А., Пириев Ю.С. Энергосберегающие газобетоны на композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 4. С. 73-83.
13. Фомина Е.В., Строкова В.В., Кудеярова Н.П. Особенности применения предварительно гашеной извести в ячеистых бетонах автоклавного твердения // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2013. № 5 (653). С. 29-34.
14. Кожухова Н.И., Жерновский И.В., Фомина Е.В. Фазообразование в геополимерных системах на основе зол-уноса Апатитской ТЭЦ // Строительные материалы. 2015. № 12. С. 85-88.
15. Voitovich E.V., Kozhukhova N.I. Cherevatova AV., Zhernovsky I.V. Osadchaya M.S. Features of quality control of free of cement binder of non-hydration type // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 724, pp. 3943. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.724.39.
16. Kozhukhova N., Zhernovsky I., Sobolev K. The effect of silica polymerization in fly ash on the strength of geopolymers // MRS Online Proceedings Library Archive. 2014. 1611, pp. 68-74. DOI: https://doi. org/10.1557/opl.2014.760.
phase transformations in CaO—SO3—SiO2—H2O system with nanosized component. International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11. No. 12, pp. 7732-7735.
4. Kozhukhova N.I., Chizhov R.V., Zhernovsky I.V., Loganina V.I., Strokova V.V. Features of structure formation of a geo-polymeric binding system on the basis of perlite with the use of different types of alkali activators. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 3, pp. 61-64. (In Russian).
5. Fomina E.V., Voitovich E.V., Fomin A.E., Lebedev M.S., Kozhukhova N.I. Radioactivity analysis of Oskolsky elec-trometallurgical works as component in construction composites. Vestnik Belgorodskogo Gosudarstvennogo tehnologicheskogo Universiteta im. V.G. Shukhova. 2015. No. 6, pp. 130-133. (In Russian).
6. Fomina E.V., Strokova V.V. Kozhukhova N.I., Fomin A.E. Effect of mechano-activation on size parameter of aluminosilicate rocks. Indian Journal of Science and Technology. 2016. Vol. 9. Iss. 22. DOI: 10.17485/ ijst/2016/v9i22/955458.
7. Pavlenko N.V., Botsman L.N., Hotomchenko O.V., Sivalneva M.N. State of the art in cellular concrete. Anniversary Inrernational Research-to-practice Conference devoted to 60-Universe of BSTU named after V.G. Shoukhov "H-Tech technologies and Innovations" (XXI research readings). 2014, pp. 279-282. (In Russian).
8. Sivalneva M.N., Pavlenko N.V., PastushkovP.P., Strokova V.V., Netsvet D.D., Shapovalov N.A. Steam curing characteristics of cellular concrete on the base of nano-structured binder. Journal of Fundamental and Applied Sciences. 2016. Vol. 8. No. 3S, pp. 1480-1485. DOI: http://dx.doi.org/10.4314/jfas.v8i3s.292.
9. Pavlenko N.V., Strokova V.V., Cherevatova A.V., Netsvet D.D., Miroshnikov E.V. Cellular concretes based on nanostructured perlite binder. Applied Mechanics and Materials. 2014. No. 496-500, pp. 2383-2386. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.496-500.2383.
10. Strokova V.V., Cherevatova A.V., Zhernovsky I.V., Voitovich E.V. Peculiarities of phase formation in a composite nanostructured gypsum binder Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 7, pp. 9-12. (In Russian).
11. Voitovich E.V., Cherevatova A.V., Zhernovsky I.V., Alekhin D.A. Gypsum-silica construction composites with enhanced heat-resistance. Vestnik Belgorodskogo Gosudarstvennogo tehnologicheskogo Universiteta im. V.G. Shukhova. 2014. No. 6, pp. 74-80. (In Russian).
12. Suleymanova L.A., Pogorelova I.A., Kondrashev K.R., Suleymanov K.A., Piriev Y.S. Energy saving gas concrete based on composite binders. Vestnik Belgorodskogo Gosudarstvennogo tehnologicheskogo Universiteta im. V.G. Shukhova. 2016. No. 4, pp. 73-83. (In Russian).
13. Fomina E.V., Strokova V.V., Kudeyarova N.P. Effect of application of preliminarily slacked lime in autoclave cellular concrete. Izvestia vyischyih uchebnih zavedeniy. Stroitelstvo. 2013. No. 5 (653), pp. 29-34. (In Russian).
14. Kozhukhova N.I., Zhernovsky I.V., Fomina E.V., Phase formation in geo-polymer systems on the basis of fly ash of Apatity TPS. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 12, pp. 85-88. (In Russian).
15. Voitovich E.V., Kozhukhova N.I. Cherevatova A.V., Zhernovsky I.V. Osadchaya M.S. Features of quality control of free of cement binder of non-hydration Type. Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 724, pp. 39-43.
16. Kozhukhova N., Zhernovsky I., Sobolev K. The effect of silica polymerization in fly ash on the strength of geopoly-mers. Journal of the Society for American Music. 2014. 1611 (2).
научно-технический и производственный журнал
