Повышение эффективности использования золоминерального вяжущего в производстве бетона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 691.328 д Ф КОСАЧ

М. А. РАЩУПКИНА H.A. КОСАЧ

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

ПОВЫШЕНИЕ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗОЛОМИНЕРАЛЬНОГО ВЯЖУЩЕГО В ПРОИЗВОДСТВЕ БЕТОНА

В статье приведены данные экспериментов на золоминеральном вяжущем с различным содержанием золы гидроудаления и различной удельной поверхностью. Изучены прочностные и деформативные свойства бетона на золоминеральном вяжущем, что позволяет определить оптимальный состав золоминерального вяжущего.

Для выполнения некоторых работ в строительстве 2,3 - 2,6 млн тонн ЗШО. На золоотвалах омских ТЭЦ

технически возможно и экономически целесооб- общей площадью 755 га в настоящее время скопилось

разно использование вяжущих и бетонов на основе более 45 млн тонн ЗШО. На Иркутской ТЭЦ ежегодно

многотоннажных отходов теплоэнергетической сжигается 12 млн т угля, что дает более 2 млн т золы и

промышленности. шлака. На Рефтинской РГЭС мощностью 3800 МВт

В настоящее время на топливных электростанци- находится около 60 млн т золошлака. Для сравнения:

ях страны ежегодно образуется около 100 млн тонн электрофильтры ТЭЦ Германии ежегодно улав-

золошлаковых отходов (ЗШО), складируемые в ливают более 10 млн т золы. В 1987 г. На ТЭЦ в США

специальных намывных гидротехнических со- ежегодно образовывалось 68 млн т золы, а к 2020 г.

оружениях - золошлакоотвалах. Площадь золо- возможно увеличение количества золы до 181,6 млн т

шлакоотвалов достигла около 20 тыс. га. Объемы в год. Типичная угольная ТЭЦ 500 МВт ежегодно

твердых отходов зависят от зольности угля. выделяет740 тыс. т золы. Одна из крупнейших ТЭЦ в

По данным /9/, на омских ТЭЦ-2, 4, 5 ежегодно Индии «КогЬа» мощностью 2100 МВт сжигает 9-

образуется от сжигания твердого топлива порядка 10 млн т. угля в год; на ней образуется 3 - 4 млн т золы.

Таблица I

Химический состав используемой низкокальциевой золы, получаемой при сжигании экибастузского угля

Окислы, %

тю2 ЯЮ, А1А Ре,О, СаО МдО во. Ыа20 к,о ппп

1,15 57,9 25,83 5,76 1,43 0,51 0,1 0,75 0,92 18,33

Таблица 2

Гранулометрический состав отвальной золы

Место отбора Фракция, мм % содержание

2-1 1-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 0,1-0,06 0,06-0,01 0,01-0,005 0,005

золоотвал 1 2 4 25 50 5 3 2

Исследование золы ГЭЦ-5, в % массы Таблица 3

Элементы Условное обозначение Отвальная зола

Фракции

мелкая крупная

Кремний 51 24 19

Алюминий А1 10,5 8,5

Железо Ре 4,5 2,0

Титан Т1 0,5 0,57

Вольфрам <0,005 <0.005

Молибден Мо 0,010 0,008

Ванадий V 0,0150 0,0180

Иттрий \ 0.0042 0,0046

Скандий Бс 0.0022 0.0025

Галлий Са 0,005

Германий Се <0,001

Лантан и 0,0027 0,0021

Разработка строительных материалов на основе комплексного использования таких материалов обусловлена экологическими факторами: во-первых, значительным ростом цен на цемент, природные заполнители, энергоносители и, во-вторых, ухудшением экологической ситуации в результате образования и накопления промышленных отходов. При этом на производство вяжущих из зольных отходов ТЭС затрачивается в 4-5 раз меньше электроэнергии, и они в 2-3 раза дешевле цемента /]/. Минимизировать экологические последствия от воздействия промышленных отходов можно путем их полной утилизации. Поэтому многие развитые страны используют в качестве минерального сырья не природные, а техногенные материалы и изготовляют из них принципиально новые виды высококачественной продукции. Россия в этом плане значительно уступает. Так, например, золошлаковые отходы ГЭС используются только на 8%, сталелитейные и ферросплавные шлаки — на 50%, ультрадисперсный кремнезем — на 10%, побочные продукты горнодобывающей промышленности — на 27% /7/. Исследования показывают, что широкое применение промышленных отходов позволило бы на 15—20% расширить минерально-сырьевую базу промышленности строительных материалов /8/.

На омских ТЭЦ ведутся отборы золы с помощью электрофильтров и гидроудалением. Далее будет рас-

сматриваться зола гидроудаления омской ТЭЦ-5, поскольку применение этой золы является наиболее насущной проблемой ее утилизации.

Зола от сжигания экибастузского угля, используемого на ТЭЦ, является морозоустойчивой как по минералогическому составу, так и по микроагрегатному.

К недостаткам золы можно отнести большое различие по гранулометрическому, минералогическому, химическому составам золы, а также способность к пылению при влажности менее 0,06.

Химический и фазово-минералогический состав золы в основном определяется составом минерального вещества топлива и теми изменениями, которые оно претерпевает при высокотемпературной обработке в котлах ТЭЦ (табл.1, 2 , 3) /9/.

Золы экибастузских углей относятся к кислым, не содержащим свободного оксида кальция в практических количествах (менее 10%). В процессе транспортировки по трубопроводам пористые шлаковые частицы измельчаются. Поэтому содержание шлаковой составляющей в золоотвале не превышает 5-10%. Фракционирование ЗШМ на золоотвале является характерной особенностью при надводном намыве.

Целью данной работы была разработка золо-минерального вяжущего и бетона на его основе, с применением золы гидроудаления ТЭЦ-5.

7 14 21 2Я

время твердения, сут.

содержание отвальной золы 10% содержание отвальной золы 15% -л—содержание отвальной золы 20% —*—содержание отвальной золы 0%

Рис. 1. Зависимость прочности на сжатие от времени

твердения и содержания отвальной немолотой золы

Настоящие исследования были направлены на нахождение оптимального количества активированной золы способом помола в цементное вяжущее.

Оптимальное количество золы, а также прочностные и деформативные свойства зольного вяжущего изучались на образцах-балочках размером 4x4x16 см, после их твердения — в ваннах с гидравлическим затвором при комнатной температуре.

При использовании не молотой золы гидроудаления опыты показали, что оптимальной количество вводимой в бетонную смесь не молотой золы в процентах от массы цемента составляет 10% (рис. 1 и2).

Как следует из рисунка, характер изменения прочностных показателей во времени для вяжущих, приготовленных с разным содержанием отвальной золы, практически одинаков. Предел прочности при сжатии у всех образцов увеличивается до 14 суток. А к 28 суткам прочность стабилизируется и даже немного снижается, что можно объяснить погрешностью при проведении опытов. Только у образцов с содержанием золы 15% предел прочности немного увеличивается, но по итогу она оказывается все равно меньше, чем у образцов с содержанием золы 10%. Такой характер набора прочности можно объяснить несовершенством зольной части, а цемент, как быстротвердеющий материал, в короткие сроки исчерпывает все свои вяжущие свойства. Встает вопрос об активации золы с целью увеличения ее удельной поверхности и, как следствие, прочности. Иначе свойства золы используются не полностью, что и приводит к раннему затуханию прочности.

При помоле золы происходит усреднение ее гранулометрического и минералогическог о состава, что положительно сказывается на возможности применения золы гидроудаления в производстве строительных изделий. Важной положительной особенностью золы является ее более высокая интенсивность размалывания по сравнению с другими заполнителями.

Проведенный ряд опытов показывает, что удельная поверхность высушенной золы гидроудаления омской ТЭЦ-5 была 1728 см7г и изменилась после

I '

1,0,

ífes

-2Í3B

.-еоззе-

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

1500

2500 3500 4500 5500 6500 удельная поверхность, см/г

7500

время твердения, суг.

-•—согу )Жан ie отвальной золы 10%

содержание отпальной золы —ь- содержание отвальной золы 20% -*— содержание отвальной золы 0%

Рис. 2. Зависимость прочности на изгиб от времени твердения и содержания отвальной немолотой золы

помола в шаровой мельнице до 7644 см2/г (рис.3). Зо-лй отбиралась с золоотвала ТЭЦ, затем высушивалась при температуре 105 "С в течении 3-х часов до постоянной массы и проходила помол в шаровой мельнице от 1,5 до 6 часов. Удельная поверхность получаемого материала измерялась по ГОСТ-310.2-00 наприборе ПСХ-2.

Были проведены эксперименты на золомине-ральном вяжущем с различным содержанием золы гидроудаления (10, 15 и 20%) и различной удельной поверхностью.

При введении молотой золы в бетонную смесь с удельной поверхностью SyA = 2438см/г в начале водоцементное отношение резко увеличивалось с 0,45(беззолыюе вяжущее) до 0,5 у образцов с содержанием золы 10%, до 0,59 у образцов с содержанием золы 15% и до 0,67 у образцов с содержанием золы 20%. Далее же В/Ц, с введением золы более высокой удельной поверхности, незначительно увеличивалось, а затем стабилизировалось (происходило уменьшение водопотребности). Это можно объяснить особенностями микроструктуры и микрорельефа частиц золы. В процессе измельчения ликвидируются открытые и закрытые микро- и макропоры, а также микротрещины гидрофильных стекловидных частиц, являющихся микрообъемами для заполнения водой.

Как показали результаты проведенных опытов, оптимальное содержание молотой золы в золомине-ральном вяжущем либо 10% с минимальной степенью ю

<

UI Л

О <

<

Рис. 3. Зависимость удельной поверхности золы гидроудаления от времени помола в шаровой мельнице

с 2 V

I 15 *

167 гз

1! Ii ,2* у-*8 Sfrr- —• ,------• 1С

х а X J3 ь

Г 0,6 0 1 т о.

14

21

время твердения, сут. содержание отвальной золы 10%(5уд=22-'иЗсм<'г) —л—содержание отвальной золы 20%(5уд=7044см/г) -*— содержание отвальной золы 0%(5уд= 1728смл)

Рис. 4. Зависимости прочности на сжатие от времени твердения и содержания отвальной молотой золы с различной удельной поверхностью

время твердения, сут.

—содержание отвальной золы !0%(Эуд-2438см/г) —содержание отвальной золы 20%(5уд-7644см/г) -»— содержание отвальной золы 0%(5уд-1728см/г)

Рис. 5. Зависимости прочности на изгиб от времени твердения и содержания отвальной молотой залы с различной удельной поверхностью

помола (SyA = 2438см/г), либо 20%, но с уже максимальной степенью помола (SyA = 7644см/г). Это видно из изменения набора прочности, самая высокая она именно на этих образцах.

На рис.4 и 5 представлена зависимость предела прочности при сжатии и изгибе от срока твердения образцов с содержанием золы 10% и 20%, активизированной помолом.

Особенностью золоминеральных вяжущих, а следовательно, и материалов на их основе является повышенная их прочность на растяжение при изгибе (R„„.) по сравнению с цементоминеральными материалами. При одинаковой марке (прочности при сжатии) зольные вяжущие имеют большие значения Кизг, чем портландцемент. Из рис. 4 и 5 иидно, что у золоминерального вяжущего при изменении прочности при сжатии от 9,6 до 19,7 МПа прочность на растяжение при изгибе изменяется в пределах от 3,5 до 4,4 МПа, т.е. соотношение Лизг/Ксж находится в пределах от 0,36 до 0,22. Это согласуется с данными A.B. Волженского и Л.Б.Гольдберга, которые также приводят данные, свидетельствующие о том, что добавки золы в цементный бетон способствуют увеличению прочности на растяжение при изгибе в большей степени, чем прочности при сжатии.

Для портландцемента согласно ГОСТ 10178-85 это соотношение изменяется от 0,15 до 0,11.

Вообще, идеальным материалом был бы материал с соотношением Яизг/Исж = 1, т.е. с равными значениями Яизг и Ясж. Но для реальных материалов это соотношение всегда меньше 1. именно поэтому соотношение между этими показателями используется как коэффициент дефектности структуры (К ). Чем выше этот коэффициент, тем однородней структура материала. Поэтому по сравнению с цементоминеральными материалами без добавки золы, цементоминеральпые материалы с добавкой золы, имеющие более высокое значение соотношения между прочностью на растяжение при изгибе и прочностью при сжатии, отличаются большей однородностью, а следовательно, и лучшими эксплуатационными свойствами.

Кроме того, коэффициент К можно использовать как условную меру жесткости материала.

Как видно из рисунков, золоминеральные вяжущие сами по себе твердеют медленно, даже при положительных температурах. И даже после не-

скольких лет их структура остается гелевидной, но не кристаллической /2/. Поэтому эти вяжущие в процессе строительства можно замораживать практически на любой стадии твердения, не опасаясь появления необратимых процессов. В таких структурах замерзающая свободная вода, оказывая давление на гелевые оболочки, углубляет процессы твердения вяжущего, что и приводит к нарастанию прочности при отрицательных температурах.

Способность золоминеральных вяжущих набирать прочность в течение длительного времени, в том числе при отрицательных температурах, и «залечивать» при этом возникающие дефекты от воздействия замерзающей воды придают этим вяжущим свойство обеспечивать надежную работу таких материалов под действием природно-климатических факторов. Эта способность обычно оцениваемся морозостойкостью материала. Можно с уверенностью утверждать, что морозостойкость золоминеральных материалов в процессе их службы будет обеспечена. Подтверждением этого могут служить результаты работы /5/ и работа, выполненная под руководством Белоусова Б.В. /6/, где отмечалось, что морозостойкость золоминеральных вяжущих и материалов на их основе увеличивается с возрастом их твердения.

Библиографический список

1. Мусин В.Г. Шлакоэольные вяжущие// Строит, материалы. 1994. №9.

2. Белоусов Б.В. Материалы для долговечных и экономичных оснований дорожных одежд: Монография, - Омск: Иэд-во СибАДИ, 2000.-165 с.

3. Киреенко И.А. Теоритическое обоснование твердения цементных растворов и бетонов на морозе. — Киев: Изд-во АС УССР. 1962.

1. Борщевский Ю.А. Применение золошлаковых смесей при строительстве оснований дорожных одежд//исполь-эование зол-уносов, золошлаковых смесей и шлаков тепловых электростанций в строительстве: Тр. СоюзДорНИИ. - М., 1975. - №82-С. 158-164.

5. Цветков B.C., Мотылев Ю.Л., Ширшова H.H. Современные представления и новые данные об эффективности применения отвальных золошлаковых материалов для основания дорожных одежд// Совершенствование способов строительства оснований дорожных одежд с использованием шлаков: Тр. СоюзДорНИИ.-М„ 1990.

6. Белоусов Б.В.. Копылов Б.А., Бессонов В.И. Использование известково-эольного вяжущего для укрепления песчаных грунтов// Использование местных строительных материалов и отходов промышленности в дорожном строительстве Казахстана. - Алма-Ата: Минавтодор Каз. ССР, 1976. - С. 3-9.

7. Щеблыкина Т.П., Малинина Л.А., ЛишенкоА.В. Применение крупнотоннажных отходов. Экологические аспекты и законодательные акты // Строит, материалы. 1994. N° П.

8. Бикбау М.Я. Экология и строительная индустрия // Строит, материалы. 1994. №9.

9. Рациональное применение золы ТЭЦ: Результаты научно-практических исследований/ Сост. Э П. Гужулев, Ю Т Усмам-ский. Омск: Омский гос. ун-т, 1998 -238 с.

КОСАЧ Анатолий Федорович, кандидат технических наук, доцент.

РАЩУПКИНА Марина Алексеевна, аспирантка. КОСАЧ Наталья Анатольевна, аспирантка.

Дата поступления статьи в редакцию: 05,08.06 г. © Косач А.Ф., Ращупкина М.Л., Косач H.A.

УДК 691.53

В. А. ХОМИЧ

Т. С. химич

С. А. ЭМРАЛИЕВА

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ШТУКАТУРНЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА ТОНКОДИСПЕРСНЫМИ ДОБАВКАМИ

Установлено, что тонкодисперсные добавки, в зависимости от их структурированности и химической активности, влияют на формирование структуры цементных композиций. Уплотнение или разуплотнение структуры композиций на наноуровне, при введении тонкодисперсных добавок, приводит к изменению их физико-механических свойств. Приведены примеры использования этих свойств для улучшения эксплуатационных характеристик штукатурных составов.

Улучшение эксплуатационных характеристик повсеместно применяемых штукатурных растворов на основе портландцемента представляет собой актуальную задачу. При этом создание технологий с использованием местных и региональных ресурсов является наиболее перспективным.

В специальной литературе широко дискутируется вопрос об «эффекте микронаполнителя», который заключается в увеличении прочностных свойств бетонов при введении в цементные композиции тонкодисперсных наполнителей. Эффект находи т объяснение: в заполнении наполнителем пор цементной композиции, проявлении им гидравлической или пуццолановой активности, образовании частицами наполнителя центров кристаллизации для гидратных новообразований и др. К настоящему времени «эффект микронаполнителя» до конца не изучен [1].

В представленной работе тонкодисперсные наполнители испытаны в штукатурных растворах. Исследовано влияние на свойства штукатурных составов структурированных порошков, состоящих из агрегатов наночастиц — порошков технического углерода и белой сажи, Технический углерод является химически инертным по отношению к компонентам портландцементной композиции, белая сажа

и микрокремнезем обладают пуццолановой активностью.

На первом этапе работа проводилась с цементно-глиняными штукатурными составами. Использовалась добавка бентонитовой глины Любинского месторождения Омской области. Глина является водоудгрживающей и пластифицирующей добавкой. Однако недостатком применения «жирной» бентонитовой глины является воздушная усадка затвердевшей композиции, что вызывает появление трещин в тонкослойных покрытиях. Для ликвидации этого недостатка требуется введение в композиции армирующей добавки. В качестве такой добавки опробованы порошки технического углерода, полученные в отделе экспериментальных технологий углеродных материалов ИППУ СО РАН, г. Омск. Технический углерод известен как структуро-формирующая добавка в глиняно-песчаные композиции для изготовления разовых литейных форм. При его введении возрастает прочность и газопроницаемость композиций.

Следует отметить, что для штукатурных составов, используемых при реконструкции крупнопанельных зданий массовой застройки, необходимо, чтобы показатели по паро- и воздухопроницаемости композиций были не ниже показателей исходных