CC BY
219
ИСПОЛЬЗОВАНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Гребер Г., Эрк С., Григуль У. Основы учения о теплообмене. - М. : Издат. иностран. л-ры, 1958. - 556 с.
2. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. - М. : Наука, 1964. - 487 с.
3. Сторожук Н. А. Вибровакуумирование бетонных смесей и свойства вакуумбетона. -Днепропетровск : Пороги, 2008. - 251 с.
4. Сторожук Н. А. Исследование нового способа уплотнения бетонных смесей под действием вакуума // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. - 1982. - № 11. - С. 67-71.
5. Сторожук Н. А. К вопросу уплотнения бетонных смесей вибровакуумированием // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. - 1976. - № 2. - С. 110-115.
6. Сторожук Н. А. Оптимальное управление процессом вибровакуумной обработки бетонной смеси // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. - 1980. - № 12. - С. 82-86.
7. Франк Ф., Мизес Р. Дифференциальные и интегральные уравнения математической физики. - М.-Л. : Главн. редакция общетехн. л-ры, 1937. - 998 с.
8. Posenthal D. The Theory of Moving Sources of Heat and its Application the A.S.M.E., 1946,
№ 11, Р.849-853.
УДК 662.613.13
ОСОБЕННОСТИ ЗОЛЫ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ КАК СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА
А. П. Приходъко, д .т. н., проф., Т. М. Павленко, к. т. н., доц., А. Р. Аббасова, студ.
Ключевые слова: зола уноса ТЭС, утилизация отходов, золобетон, виброуплотнение, вибровакуумирование.
Постановка проблемы. На современных тепловых электростанциях (ТЭС) при сжигании угля образуется два вида твёрдых отходов:
- топливный шлак (зернистый материал с крупностью зёрен от 0,16 мм до 20 мм; изредка встречаются более крупные куски);
- зола уноса (дисперсный материал).
При горении топлива крупные частицы не захватываются потоком отходящих газов и оседают вниз, в шлакосборник, где происходит полное выгорание углеродистых частиц, а минеральная часть переходит в огненно-жидкое состояние (расплав) и сливается в специальную ванну с водой. В результате быстрого охлаждения и высокого давления образующихся водяных паров крупные куски шлака растрескиваются и распадаются на сравнительно мелкие зерна - гранулы. Оставшиеся крупные куски подаются в дробилку для измельчения, шлак удаляют в отвалы гидравлическим способом.
Мельчайшие частицы потоком газов выносятся из зоны горения и в силу малых размеров быстро охлаждаются. Они из потока уносящих их газов выделяются с помощью системы золоулавливающих устройств. Так образуется зола уноса - один из основных видов отходов ТЭС.
Шлаки тепловых электростанций довольно успешно используются в строительстве (приготовление бетонов, дорожное строительство и т. п.).
Золы ТЭС достаточно хорошо изучены и рекомендованы строителям как активная минеральная добавка при производстве вяжущих веществ или при приготовлении бетонов и строительных растворов, как минеральный порошок в асфальтобетоны, используют золы при производстве силикатных и керамических изделий. Во всех перечисленных случаях зола используется как добавка в относительно небольшом объеме. Вместе с тем, это, как правило, ведет к усложнению технологии, дополнительному технологическому оборудованию, увеличению производственных площадей.
Исходя из этого, актуальной задачей в настоящее время является разработка технологий, способствующих значительному увеличению объемов использования золы в строительстве.
Анализ публикаций. Химический состав золы Приднепровской ТЭС, работающей на углях донецкого бассейна, полученный в результате обобщения опубликованных данных [4; 5; 9 и др.], приведен в таблице 1. Следует отметить, что анализ приведенных данных показывает, что золы основных наиболее крупных тепловых электростанций Украины по своему
химическому составу близки между собой. Содержание 8Ю2 находится в основном в пределах 41...54 %. Отклонение от этих пределов наблюдается лишь как частный результат отдельных проб. Содержание оксидов алюминия, железа, кальция и магния также близки. Колебания химического состава золы в указанных пределах не вызывают существенных изменений ее свойств. Если исключить долю несгоревших углеродистых частиц и оставшуюся минеральную часть принять за 100 %, то разница в содержании отдельных оксидов в золах различных ТЭС в значительной степени уменьшится.
Таблица 1
Химический состав золы Приднепровской ТЭС
Марки и классы углей Химический состав, % НУЧ, %
8x02 А12О3 Бе0+ +Ре203 СаО Mg0 К20+ +№20 803
АШ, АС, АСШ, ПрПр 47...56 18...25 14...20 2...4 1.1,6 3,2...4,5 0,1...0,8 14...26
Модуль основности зол, вычисленный по данным таблицы 1, находится, в основном, в пределах 0,04...0,08. Таким образом, золы от сжигания донецких углей относятся к сверхкислым.
Исследования с помощью светового микроскопа показали, что минеральная часть зол ТЭС на 90...92 % состоит из стекла - стекловидной фазы [4; 5]. Основным компонентом этой фазы является кремнезём, который в значительной степени формирует физические и химические свойства золы. Он входит в минеральную часть углей, в остатки от их сжигания (золы, шлаки) и участвует как основной компонент в процессах гидратационного твердения и в процессах синтеза, образуя различные гидросиликаты [8].
В силу определенного химического состава присутствующих в угле минералов, зола состоит, в основном, из высокожелезистого алюмосиликатного стекла с примесями щелочных и щелочноземельных металлов. В большинстве природных соединений ионы алюминия и железа находятся в шестерной координации. Однако при высоких температурах ионы этих элементов могут изменять свою координацию с образованием тетраэдрических группировок, чему способствует присутствие оксидов К, Са, Mg. Характерно, что в тетраэдрических группировках алюминий и железо выступают наряду с кремнием в качестве стеклообразователей, а в октаэдрических - в качестве модификаторов [2].
Результаты, полученные методом рентгеноспектрального микроанализа, убедительно доказывают, что стеклофаза золы микронеоднородна. Природа неоднородностей может иметь как ликвационный, так и флуктуационный характер. Ликвационные явления могут приводить к образованию микроучастков, почти полностью состоящих из А1203, так как ион алюминия обладает большим значением электростатического силового поля, чем другие ионы [1].
Исходя из данных ряда исследователей [2; 3], оксиды железа при определенных условиях, так же как и оксид алюминия, способны вызвать ликвацию.
Структура зерен золы формируется под влиянием скоротечных интенсивных физических и химических процессов, протекающих в специфических условиях высоких температур.
При быстром повышении температуры выгорание содержащихся в пылевидном угле органических веществ, спекание и расплавление минеральной части происходят практически одновременно. Выделяющиеся при этом газы вспучивают расплав. Поэтому почти все частицы золы имеют мельчайшие, преимущественно замкнутые поры. При благоприятном сочетании факторов (уровень температуры, время пребывания в зоне высоких температур, вязкость расплавленного стекла, зависящая от химического состава минеральной части топлива, наличия в микрочастице легкоплавких минералов и плавней и др.) в зернах золы образуются относительно крупные поры, диаметр которых лишь не намного меньше диаметра самой частицы. Такие частицы золы, практически представляющие собой полые сферолиты (полые микросферы) с тончайшей оболочкой из стекла, толщина которой на некоторых участках зерна составляет всего лишь 3...5 мкм и меньше, обнаружены при исследовании зол Приднепровской ТЭС [4; 5]. Анализ микрофотографий показывает, что между пористыми частицами золы и полыми микросферами определенной границы не существует. Даже в тонких оболочках полых
частиц зачастую содержатся мельчайшие газовые пузырьки. Если принимать в расчет только явно выраженные полые сферолиты, то можно подсчитать, что при абсолютных значениях толщины их оболочек от 2 до 12 мкм, относительная толщина стенок (по отношению к диаметру частицы) составляет примерно от 2 до 20 %. При этом, даже в пределах одной полой частицы, толщина оболочки может изменяться в значительных пределах.
Очевидно, что средняя плотность полых микросфер зависит от относительной толщины их оболочек (стенок полых частиц) и плотности вещества этих оболочек (стекловидной фазы) и может изменяться в широких пределах.
Доказано, что плотность отдельных сферолитов, а точнее, отдельных групп полых сферолитов, изменяется от 0,23 до 1,8 г/см3 и выше.
Насыпная плотность полых микросфер зависит от средней плотности их зерен и гранулометрии и практически находится в пределах 200...400 кг/м3, хотя нижняя граница насыпной плотности золы, состоящей преимущественно из полых микросфер, имеет ещё меньшее значение - 100...150 кг/м3.
Механизм образования полых сферолитов при сжигании углей в пылевидном состоянии можно представить как определенную последовательность окислительно-восстановительных реакций в зоне высоких температур, когда минеральная часть твердого топлива переходит в состояние вязкого расплава. Важную роль при этом играют реакции, сопровождающиеся газовыделением.
Что касается несгоревших углеродистых частиц в золе, то можно отметить следующее. Сопоставление дериватограмм исходных углей с дериватограммой несгоревших углеродистых частиц свидетельствует об их существенном различии [4]. На кривой ДТА несгоревших частиц нет явного экзотермического эффекта в области низких температур, который наблюдается на кривых ДТА исходных углей. Это свидетельствует об отсутствии в составе несгоревших углеродистых частиц малоустойчивых органических соединений, характерных для углей.
Такие остатки представляют собой коксовые частицы и по сравнению с исходным углем более стойки к воздействию атмосферных факторов (кислорода воздуха, попеременного увлажнения и высушивания, замораживания и оттаивания) и практически не подвержены дальнейшим превращениям и объемным изменениям. Далее, если даже при неблагоприятных режимах горения третья часть несгоревших частиц не успеет пройти стадию коксования, доля действительно вредных частиц от общего содержания горючих составляет лишь около 8 %. Поэтому даже в золах с высоким значением НУЧ, порядка 20...30 %, содержание вредных частиц будет невелико - 1,5...2,5 %, что не может, естественно, оказать заметного отрицательного влияния на свойства цементного камня и бетона [5].
Цель работы. Учитывая приведенные свойства золы тепловых электростанций, предусматривается разработать высокоэффективную технологию производства строительных изделий (конструкций) из золобетонов, в которых зола используется одновременно как активная минеральная добавка, пластификатор и заполнитель. Это значительно упростит технологию производства изделий, складское хозяйство, значительно увеличит объемы использования золы в строительстве.
Основной материал. Истинная плотность золы уноса основных электростанций Украины, в том числе Приднепровской ТЭС, определенная по методике ГОСТ 9758-86, находится, как правило, в пределах 2,26...2,5 г/см3. Плотность алюмосиликатного стекла может быть и значительно выше [9]. Плотность зависит не только от химического состава, но и от чисто физической структуры зерен золы. Следует учитывать, что при определении плотности по указанной методике материал измельчают до полного прохождения через сито с сеткой 008. Преобладающими в таком порошке являются частицы размером 10...50 мкм. Однако в частицах золы может содержаться различное количество мельчайших пор диаметром 2... 10 мкм и меньше, значительное количество которых при измельчении сохраняется. Естественно, что оставшиеся поры, их доля в общем объеме стекла существенно влияют на результаты определения плотности.
Истинная плотность зерен золы находится в пределах 2,1...2,3 г/см3, причем плотность тонких фракций выше, чем плотность фракций средней и грубой дисперсности. Это связано с тем, что относительная пористость более крупных фракций выше, чем мелких.
Насыпная плотность золы уноса находится в пределах 0,75...1,05 г/см3. Она зависит от гранулометрии, содержания несгоревших углеродистых частиц и восстановленного железа.
Средние результаты ситового анализа сбрасываемых в отвалы зол уноса характеризуются следующими данными: массовая доля остатка на сите с сеткой 016 - 3...9 %, 008 - 8...16 %, 0063 - 20...45 %. Дисперсность зол зависит от ступени золоулавливающих устройств, от которой отбирается проба. На первых ступенях улавливания отбираются сравнительно крупные фракции, характеризуемые удельной поверхностью 1500...2000 см2/г, на последних - наиболее мелкие - 5000...6000 см2/г. Средняя дисперсность направляемых в отвалы зол находится в пределах 2600...3800 см2/г. Однако в результате естественного расслаивания материала на различных участках золоотвалов, формируемых гидравлической системой удаления отходов с ТЭС, оседают и накапливаются золы различной дисперсности, от 1800 до 7000 см2/г.
На первом этапе исследований с использованием прибора Вика определены водопотребность золы и для сравнения - цементов М 400 и М 500. Результаты исследований приведены в таблице 2.
Таблица 2
Водопотребность золы и цементов (нормальная густота)
Вид материала Удельная поверхность, см2/г Водопотребность (нормальная густота), %
Зола 4570 33
Зола 6990 33
Цемент М 400 4500 24
Цемент М 500 5500 28
Исследованиями установлено, что водопотребность золы на 25... 30 % больше водопотребности широко применяемых цементов. Что характерно, с увеличением удельной поверхности золы ее водопотребность не увеличивается. Это еще раз подтверждает очень высокую пористость золы.
Учитывая полученные результаты исследований, мы сформулировали рабочую гипотезу, которая сводится к следующему:
- золобетонные смеси обладают очень большой водопотребностью из-за очень высокой удельной поверхности золы и поэтому при производстве изделий целесообразно уплотнять такие смеси вибровакуумированием, позволяющим эффективно управлять водопотребностью за счет удаления необходимой части воды затворения; это предоставит возможность получить надлежащее уплотнение золобетона и увеличить прочность в несколько раз, при этом осуществлять немедленную распалубку конструкций.
При исследовании плотности и прочности золобетонов формовали образцы:
- виброуплотненные из исходной (подвижной) бетонной смеси;
- вибровакуумированные;
- виброуплотненные из жесткой смеси (расход воды в бетоне из жесткой смеси такой же, как и у вибровакуумированного).
В исследованиях использовали портландцемент М 400 и местное вяжущее М 200, а также золу Приднепровской ТЭС. Подвижность исходной бетонной смеси характеризовалась осадкой стандартного конуса - ОК = 3.4 см. Из каждого вида золобетонной смеси формовали образцы размером 15 х 15 х 7 см для определения плотности и прочности в возрасте 28 суток при следующих режимах и способах уплотнения (с учетом предыдущих наших исследований) [7]. Из бетонной смеси исходного состава образцы формовали вибрационным способом продолжительностью 25.30 с, при формовании образцов из жесткой смеси продолжительность уплотнения вибрированием составляла 60.65 с; вибровакуумированные -после предварительного виброуплотнения продолжительностью 15.20 с, подвергали вакуумированию при разрежении 0,7...0,8 (полный вакуум принят за единицу). В процессе вакуумирования применяли периодическое вибрирование (два приема по 10.12 с через каждые первые 2 мин.). Общая продолжительность вибровакуумирования составляла 9 мин., при этом было удалено 88.110 л воды в пересчете на 1 м3 вакуумбетона. Все отформованные образцы твердели в нормальных условиях.
Составы бетонов и результаты их испытаний приведены в таблице 3.
Таблица 3
Состав, плотность и прочность при сжатии золобетонов
Вид золобетона Расход материалов, кг/м3 Количество извлеченной воды, л/м Плотность бетона, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа
Цемент Зола Вода
Цемент М 400
Виброуплотненный из подвижной смеси 278 1114 368 - 1760 1492 5,8
Вибровакуумированный 295 1180 276 110 1751 1520 11,7
Виброуплотненный из жесткой смеси 285 1158 274 - 1717 1486 8,4
Цемент М 200
Виброуплотненный из подвижной смеси 291 1107 356 - 1754 1460 2,5
Вибровакууми-рованный 318 1172 261 88 1751 1532 4,9
Виброуплотненный из жесткой смеси 312 1166 258 - 1736 1517 3,2
Примечание: числитель - плотность бетонов после формования, знаменатель -плотность сухих бетонов
Вибровакуумирование предоставляет возможность повысить прочность золобетона практически в 2 раза, как при использовании цементов М 400, так и М 200. Прочность бетонов из жестких золобетонных смесей больше прочности бетонов из подвижных смесей только на 25... 30 %. Это объясняется недостаточным уплотнением вибрационным способом таких смесей [6].
Ц, кг/м3
Рис.. Зависимость прочности различных видов золобетонов от расхода цемента: 1 - виброуплотненный золобетон из подвижной смеси; 2 - вибровакуумированный золобетон; 3 - виброуплотненный золобетон из жесткой смеси
На рисунке обобщены обширные результаты исследований авторов и показана зависимость прочности различных видов золобетонов от расхода цемента М 400 (подвижность исходной золобетонной смеси характеризовалась ОК = 3.4 см). Как видно из приведенных данных, отмеченные ранее закономерности по прочностным характеристикам рассматриваемых бетонов сохраняются при всех принятых в исследованиях расходах цемента. Эти результаты
исследований еще раз подтверждают высокую эффективность вакуумной обработки золобетонных смесей при формовании изделий [7].
Выводы. Показана высокая эффективность вакуумной обработки золобетонов, как на обычном цементе (М 400), так и на местном вяжущем (М 200) - предоставляется возможность повысить прочность практически в 2 раза. Широкое использование золобетонов в строительстве дает возможность решить проблему заполнителей, способствует утилизации отходов ТЭС, и, соответственно, охране окружающей среды.
1. Колесова В. А. К вопросу о структуре силикатных стекол, содержащих галлий. - В кн.: Стеклообразное состояние: Тр. V Всесоюз. совещ. Ленинград, 1969, 26-30 мая. - Л. : Наука , 1971, С. 184-186.
2. Минаков А. Г., Чоловский М. Ф., Щеглова М. Д. Область стеклообразования в системе SiO2-CaO-Fe2O3. - В кн.: Вопросы химии и химической технологии: Респуб. межвед. науч.-техн. сб. - Харьков : Вища школа, 1973, вып. 29, С. 162-168.
3. Павлушкин Н. М. Основы технологии ситаллов. - М. : Стройиздат. 1979. - 360 с.
4. Сергеев А. М. Использование в строительстве отходов энергетической промышленности. - К. : Буд1вельник, 1984. - 120 с.
5. Сергеев А. М., Дибров Г. Д. и др. Применение местных материалов в строительстве. -К. : Буд1вельник, 1975. - 184 с.
6. Сторожук Н. А. Вибровакуумирование бетонных смесей и свойства вакуумбетона: Монограф. - Днепропетровск : Пороги, 2008. - 251 с.
7. Сторожук Н. А., Павленко Т. М. Вибровакуумная технология золошлаковых бетонов // Буд1вельш конструкций М1жыдомчий наук.-техн. зб. наук. пр. (буд1вництво). - Вип. 72. - К. : ДП НД1БК, 2009. - С. 302-308.
8. Berry E. E., Malhotra V. M. Fly ash for use in concrete - a critical review. - Journal of the American concrete institute, 1980, Proceedings, vol. 77, № 2, P. 59-73.
9. Diamond S. Intimate association of coal particles and inorganic spheres in fly-ash. - Cement and concrete research, 1982, vol. 12, № 3, P. 405-407.
УДК 666. 914.5:663.543:002.68
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОЙ ДЛИНЫ И СОДЕРЖАНИЯ КОМПОНЕНТОВ В ЦЕМЕНТНО-ВОЛОКНИСТОЙ КОМПОЗИЦИИ
В. Н. Деревянко, д. т. н., проф., Е. Г. Кушнир, инж., О. В. Шаповалова, к. т. н., доц.
Ключевые слова: армирование, волокна, добавка, прочность, матрица.
Постановка проблемы. Армирование растворов позволяет увеличить их стойкость к температурным, влажностным и коррозийным воздействиям, а также значительно улучшить механические свойства. Армирование композиционного материала заключается в том, что нагрузка, возникающая в результате внешних и внутренних воздействий различных факторов, передается с матрицы на волокна, имеющие высокие прочностные показатели, тем самым облегчая матрице условия работы. Волокна в составе матрицы снижают коэффициенты температурного и влажностного расширения, препятствуют перемещению дислокаций, воспринимают и перераспределяют основную нагрузку от механических воздействий, препятствуют возникновению трещин.
Принцип совместной работы составляющих композицию компонентов материала состоит в том, что волокно, матрицы и композиции в целом подчиняются закону Гука. Прочность композиции при заданной деформации определяется объемной долей компонентов и их модулями. Для композиций, армированных непрерывными волокнами:
ИСПОЛЬЗОВАНАЯ ЛИТЕРАТУРА
где 5к, 5в - пределы прочности композиции и волокна;
