CC BY
30
печит необходимую надежность и эффективность сооружения.
Библиографический список
1. Шпете Г. Надежность несущих строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1994. - 288 с.
2. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. -М.: Высш. шк., 1999. - 576 с.
To the question of the pile bases reliability Y. Krasnoshekov
The reliability of the pile bases is characterized by the reliability coefficient accepted depending on a way of defining bearing capacity of a pile and in special cases on the number of
piles in the base. The attempt to present the given factor as a function of general distribution of a random quantity of a single pile bearing capacity is undertaken in the article. According to this function and private values of the reliability coefficient limiting values of a variation factor are received, from comparison this data with experimental one, it is possible to find out the reliability of the base.
Рецензент: В.Н. Шестаков, доктор технических наук, профессор СибАДИ.
Статья поступила 06.03.2008 г.
УДК 691.328
ПРОЕКТ ШИРОКОМАСШТАБНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗОЛОШЛАКОВЫХ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ ОМСКИХ ТЭЦ В ПРОИЗВОДСТВЕ ВЫСОКОМАРОЧНОГО ВЯЖУЩЕГО
В.С. Прокопец, доктор технических наук, профессор, СибАДИ
Аннотация. На основе многолетних исследований предложен состав золоцементной смеси, обладающей активностью, соответствующей ШПЦ 400 и БШПЦ 500 - 650. Вяжущее получено применением механоактивационной технологи. Благодаря прогрессивной технологии доля портландцемента в золоцементной смеси составляет не более 30%. В 2010 году на территории Омской области планируется запустить завод по выпуску БШП 500 в объеме 1300 000 т в год, на что потребуется ежегодно более 400 тыс. т золошлаковых отходов Омских ТЭЦ - 4,5.
Введение
В настоящее время в условиях Омской области сложилась парадоксальная ситуация. С одной стороны повысились цены на цемент, что привело к значительному удорожанию основной группы строительных материалов и издержек их производителей, энергоресурсов, при этом покупательная способность населения осталась на прежнем уровне. С другой стороны имеется угроза экологической безопасности, которую создают золоотвалы ОАО «Омская электрогенерирующая компания», где накопилось более 58 миллионов тонн золошлаковых отходов. При этом следует отметить, что трудно, пожалуй, найти другое сырье, которое обладало бы таким множеством ценных качеств и при этом так долго пробивало бы путь к широкому применению в строительной промышленности, как золошлаковые отходы Омских ТЭЦ.
Понимая значимость для области, как проблемы стоимости вяжущих веществ, так и проблемы утилизации отходов топливно-
энергетического комплекса, кафедрой СМиСТ СибАДИ совместно с ООО НПП «ОСНОВА» создана эффективная технология по утилизации золошлаковых сырьевых материалов (ЗШСМ) и производство на их основе конкурентоспособной продукции - высокомарочного минерального вяжущего, названного - Зольцит.
Описание проекта
ООО НПП «ОСНОВА» планирует в 2010 году на территории Омской области запустить завод по утилизации четырехсот тысяч тонн в год ЗШСМ ТЭЦ-5 ТГК-11 г.Омска и двухсот тысяч тонн в год нефелинового шлама - отхода Ачинского глиноземного комбината компании РУСАЛ Ачинск Красноярского края и производству на их основе минерального смешанного вяжущего активностью М 500, аналогичное по физико-механическим характеристикам шлакопортландцементу БШЦ 500, общим объемом 1 млн. 300 тыс. тонн в год. Предприятие планируется разместить в районе отвалов золошлаковых отходов у деревни Ульяновка Омского района Омской области.________________________
Рядом с заводом по производству вяжущего планируется разместить железобетонный завод с ежегодной производительностью по изделиям и конструкциям порядка трехсот тыс. м2 полезной площади.
Разработанная технология производства Зольцита представлена на блок-схеме (рис.1), из которой видно, что основным отличием предлагаемой технологии получения вяжущего, от стандартной, является отсутствие обжига исходного сырья. Технологический регламент производства имеет следующие переделы сырья. Первый передел - отделение сырья от воды сепаратором (вакуум-фильтром). Второй передел - одновременная сушка и усреднение фракционного состава шлама и шлака. Третий передел - весовое дозирование высушенных компонентов в количестве, необходимом для получения смешанного вяжущего ПЦ 500 Д0. Четвертый передел - их предварительное смешение (гомонизация) в смесительных установках. Пятый передел
- обработка смеси в реакторе, где путем интенсивного ударно-интегрального воздействия на смесь инициируются определенные физико-химические процессы, позволяющие получать вяжущее БШЦ 500.
Для снижения транспортных издержек запланировано создание участка в г. Ачинске, на котором будет производиться предварительная переработка, хранение и отгрузка нефелинового шлама в Омск.
Промежуточный контроль качества продукции предусмотрено осуществлять на этапе предварительного смешивания исходных компонентов и обработки полученной смеси реактором.
В настоящее время подготовлены материалы к патентованию составов смешанных вяжущих веществ, способа получения Зольцита М 500, а также на отдельные узлы и реактор в целом. Ожидаемое получение приоритетных справок на поданные заявки на патенты март-апрель 2008 года.
Планируется, завод смешанного вяжущего -Зольцита и железобетонных изделий из него разместить рядом с отвалами золошлаковых отходов ТЭЦ-5 компании ТГК-11 у деревни Ульяновка Омского района Омской области и железнодорожными путями, которые займут площадь порядка 30 гектаров. Филиал завода будет размещен на территории Ачинского глиноземного комбината компании РУСАЛ Ачинск Красноярского края. Глиноземный комбинат имеет отходов шлама примерно 3 млн. тонн в год. В настоящее время с компанией РУСАЛ Ачинск согласован предварительный договор на поставку нефелинового шлама в количестве
200 тыс. тонн в год, аренде земельных участков под размещение на них оборудования для сушки и хранения шлама, а также договор на поставку электроэнергии.
Для получения сырья и отгрузки продукции завода предприятиям Омской области запланировано строительство 15-ти км электрифицированных железнодорожных путей от места размещения заводов до ближайшей железнодорожной станции Московка и 6км автомобильных дорог. Прокладка железнодорожных путей предварительно согласовывалась в Омском отделении железной дороги. если проект поддержит Правительство Омской области, то железная дорога даст разрешение на их прокладку в их зоне ответственности вдоль федеральной трассы до станции Московка.
Необходимо будет построить порядка 4-х км газопровода и 5-ти км электрических сетей.
Перечень оборудования завода включает складское хозяйство для хранения сырья и продукции, печи для сушки сырья, сепараторы (вакуум-фильтры, для отделения сырья от воды), весовые дозаторы, смесители, реакторы и технологическое оборудование, позволяющее ликвидировать в летний период возможный дефицит золошлаковых отходов.
Реактор - разрабатывался, изготавливался и совершенствовался под моим руководством в течение 25-ти лет и он является одним из основных элементов нашей технологии.
Установленная мощность завода составит порядка 4,6 мВт (мегаватт), в том числе по Омску порядка 3,9 мВт, по Ачинску - 0,7 мВт.
Доставка готовой продукции будет производиться железнодорожным транспортом, а так как все потребители практически в пределах города, то для железной дороги это экономически невыгодно. Для решения этой проблемы отгрузка готовой продукции планируется осуществлять собственным подвижным составом. Для этой цели будут приобретены: один электровоз, 70 железнодорожных цементовозов, а для оперативности поставки несколько 23-и 40-ка тонных автомобильных цементовоза.
Запуска заводов на полную мощность позволит создать порядка 150 рабочих мест.
Контроль качества выпускаемой продукции будет контролировать заводская лаборатория, оснащенная современным испытательным оборудованием. Кроме контроля качества в ее задачу будет входить дальнейшее совершенствование технологии производства.
Все технологические процессы на заводах будут автоматизированы. Заказ на ее
разработку будет размещен на предприятиях Омской области.
г. Ачинск
Рис.1. Блок-схема производства Зольцита
По нашим предварительным расчетам стоимость проекта составит порядка 90 млн. евро или 3,5 млрд. рублей, срок изготовления и монтажа оборудования завода - 2 года, срок выхода на проектную мощность - 2 года, срок окупаемости проекта - порядка 2,5 лет со дня начала производства.
Для сравнения, окупаемость заводов по стандартной технологии составляет 7-8 лет.
Научные основы проекта
Основным сдерживающим фактором широкого применения техногенного сырья в строительстве является необходимость в проведении ряда мероприятий по их модификации. При этом, как правило, базируются на использовании традиционного оборудования, что в большенстве случаев не обеспечивает требуемой глубины переработки образующегося техногенного сырья [1, 2, 3]. Этим и объясняется продолжающееся повсеместное накопление в отвалах зо-
лошлаковых отходов - продуктов сжигания каменных углей Экибастузского бассейна [4]. Главным препятствием к их использованию в производстве бетонов, растворов и вяжущих является их высокие зольность (до 53%) и
пористость (до 1600 м /кг), а также очень низкая основность (Косн = 0,03, т.е. <<1), что обусловливает высокую водопотребность (рис.2 и табл.1), что резко снижает прочность получаемых материалов и изделий.
Рис.2. Микрофотографии зольных частиц
Физические свойства золошлаковых отходов
Таблица 1
№ п/п Наименование показателей Ед.измерений Величина
Средняя Предельные значения
1 Естественная влажность % 45 80
2 Мксим. молекулярная влагоемкость % 30 40
3 Полная влагоемкость % 60 85
4 Плотность естественного сложения кг/м2 1400 1600
5 Плотность твердых частиц кг/м2 2200 2300
6 Плотность сухого материала (скелета) кг/м2 950 1040
Таблица 2
Физические и гранулометрические свойства нефелинового шлама АГК
Физические показатели Остатки на ситах, % Гранулометрический состав по размерам отверстий сит, мм
Ист. плотн, кг/м3 Нас.плотн, кг/м3 Пустот, % Мод круп 5 2,5 1,25 0,63 0,31 5 0,14 <0,14
900 1120 48 1,51 Полные - 4 10 24 51 62 100
Из других отходов промышленности интерес в отходы производства алюминия, свойства основном представляют нефелиновые шламы - которого приведены в табл. 2-4.
Таблица 3
Химический состав нефелинового шлама АГК
Наименование SiO2, % Fe2Oз, % АІ2О3, % СаО, % №20+К20 в пересчете на №20, %
Нефелиновый шлам 30,2 4,2 3,4 53,2 0,80
Таблица 4
Активность шламов АГК
Оптимальная Средняя плотность, г/см3 Предел прочности при сжатии (МПа) после твердения, сут.
влажность, % Вл Ре „ск Ре 7 28 90 180
24 1,84 1,46 2,20 3,1 7,6 13,2
Данные табл.2-4 указывают на щелочной характер нефелинового шлама, а также обладанием этого продукта слабо гидравлическими свойствами.
В различных научно-технических источниках описывается способ применения ЗШСМ Омских ТЭЦ, заключающийся в простом ме-
В свою очередь, введение нефелиновго шлама до 20% приводит к росту активность золо-цементного вяжущего с 20 до 35 МПа (рис.4). Дальнейшему росту активности золоцементного вяжущего препятствует избыточность щелочности системы.
Таким образом, обычное смешение указанных компонентов не позволяет получить
ханическом смешении золы с портландцементом. Результаты подобных экспериментов приведены на рис.3, из которого видно, что добавка данной золы в портландцемент даже в незначительном количестве приводит к снижению активности вяжущего.
вяжущее высокой марки. Преодоление указанного недостатка возможно путем применения механоактивационного способа обработки материалов. Существующие представления процессов, происходящие в материалах, подвергнутых интенсивному ударному воздействию приведены на рис.5 и в табл.5 [5].
Рис. 3. Влияние содержания золы в цементе на активность вяжущего
Рис.4. Влияние содержания шлама АГК на активность вяжущего (цемент 70% +зола 30%)
Таблица 5
Ступени актива- ции Модель Характер процессов Методы оценки изменения энергосост Применяемые механизмы
1 Предразру-шение (СТр < ^ Формируются зоны остаточных напряжений ДЕсвоб = Авнешн.сил
2 Измельче- ние Образование новой поверхности и происходит формирование химически активных центров ДН,; = СТ + Я Молотковые дробилки
3 Тонкое измельчение Частичная аморфизация кристаллического вещества, происходит изменение энергии активации реакций ДЕ = RTln(KД/KИ) Дезинтегратор, струйные и планетарные, шаровые и вибрационные мельницы
4 Сверхтонкое измельчение Исходный материал перестает существовать, превращаясь в новое вещество с другим строением и свойствами ДG = Е - Ям Струйные и планетарные мельницы
Обозначения в таблице: ДЕсвоб - свободная энергия; Авнешн.сил - работа внешних сил; ДН -
увеличение полной энергии системы в изотермическом процессе прироста поверхности раздела фаз на 1 см2; ст - удельная поверхность; q - скрытая теплота образования 1 см2 новой поверхности; ДЕ - изменение энергии активации; КД и КИ - константы скорости реакций с жидкостью соответственно диспергированных и идеальных кристаллов; ДG - изменение энергетического состояния; Е - энергия атомизацции соединения; qм - теплота образования молекул
Рис. 5. Модель «магма- плазмы», возникающей при ударе твердого тела:
1 - фрактоэмиссия;
2 - неискаженная структура;
3 - плазма;
4- разупорядоченная структура.
vm = В ехр - (ДЕ а/ ^Т)ехр
■де vm - скорость зародышеобразования; В - коэффициент, ДЕ а - энергии активации образования критического зародыша; ДS - энтропия активации; R- универсальная газовая постоянная; Т - температура, 0К.
Рис. 6. Промышленный измельчитель - активатор фирмы ГИЛМ (г. Омск-1998 г.).
4. Физико-механические свойства Золь- та, полученного путем пропуска через цита и бетонов на его основе измельчитель - активатор золо-шламо-
Ниже, в табл.6 представлены основные цементной смеси. физико-механические характеристики Зольци-
Таблица 6
Физико-механические свойства Зольцита
Содержание компонентов в вяжущем, % Плот- ность, г/см3 Нормальная густота цементного теста, % Сроки схватывания, час-мин начало / конец Равномерность изменения объёма Предел прочности через 28 суток твердения, МПа Предел прочности через 90 суток твердения, МПа Стоимость вяжущего без НДС, руб/тн
цемент зола шлам добавка при сжатии на растяжение при изгибе при сжатии на растяжение при изгибе
100 - - 3,1 25 2-50 / 5-20 Выдержали 51,2 6,2 4 788
27 40 30 3 3,04 26,1 2-55 / 4-30 Выдержали 44,5 7,4 71,5 9,6 1 845
36 40 20 4 3,05 25,5 1-45 / 4-55 Выдержали 56,7 7,8 90,6 10,6 2 339
47 29 19 5 3,07 25,4 1-35 / 4-35 Выдержали 65,5 8,9 110,5 14,5 2 842
Как видно из представленных результатов, путем регулирования составом Зольцита, возможно получение вяжущего активностью в интервале от 400 до 650, что соответствует шла-копортландцементам марок ШПЦ 400 и БШПЦ 500-650.
Различные составы Зольцита после 90 суток твердения показали прочность при сжатии, соответственно последовательности номерам смесей, 71,5; 90,6 и 110,5, а при изгибе - 9,6; 10,6 и 14,5. При этом следует отметить, что прочность на растяжение при изгибе на 10-22% выше, чем у ШПЦ 500. Зольцит может применяться для изготовления несущих элементов повышенной ответственности. Уменьшение величины соотношения прочности при сжатии к прочности при изгибе увеличивает деформатив-ные свойства материала и способствует резкому снижению усадочных процессов в изделиях и конструкциях.
Зольцит имеет широкий временной интервал по срокам схватывания: начало схватывания от 45 мин до 2 час; конец схватывания - от 2,5 часов до 6 часов. Данное свойство вяжущего позволит направленно регулировать технологическими процессами изготовления изделий и конструкций из бетонов на основе Зольцита. При этом хотелось бы отметить, что изделия и кон-
струкции на основе разработанного вяжущего отличают высокая морозостойкость, низкая водонепроницаемость; особо высокая коррозионная устойчивость против кислот и сульфатов.
За летний период 2007 года на территории ОАО «ЗСК № 1» и под контролем их лаборатории производился Зольцит, из которого изготавливались образцы бетона для производства свай. Из каждого состава бетона формовались по три образца-куба, размером 10*10*10 см, с последующим испытанием. Результаты испытаний приведены в табл.7, которые убедительно показывают, что образцы из бетона на основе Зольцита имеют прочностные показатели, превышающие прочностные показатели контрольных образцов.
Наблюдаемые эффекты объясняются следующим. В ходе интенсивного ударного измельчения присутствующий в золе кристаллический кремнезем частично аморфи-зируется (рис.8), что усиливает его реакционную способность и, в то же время, снижает кислотность среды. Одновременно усиливается реакционная способность белитовой части нефелинового шлама, а также цемента, за счет увеличения их дисперсности.
Таблица 7
Механичесие свойства бетонов на основе Зольцита
№ испытания Содержание компонентов в Зольците, % Предел прочности образцов при сжатии (Рсж), МПа, после твердения,суток
ЗШСМ Шлам АГК ПЦ-500 Д0 +добавка 3 сут 14 сут 28 сут
п/п ест.тв. п/п ест.тв. п/п ест.тв.
1 40 30 30 23,2 23,8 25,5 24,7 31,3 29,4
2 40 20 40 22,8 21,1 21,1 32,0 23,5 33,7
3 29 19 52 26,2 25,6 26,9 31,5 27,5 36,7
4 - - 100 25,1 24,8 25,7 26,4 26,3 28,1
Сокращения: ЗШСМ - золошлаковый сырьевой материал; п/п - после пропаривания; ест. тв. - естественное твердение.
Рис.8. Микрофотография кремнеземсодержащего мисходного материала после обработки в реакторе: А - преобразования в жидкокристаллические частицы; Б - локальное сохранение решетки исходной матрицы
Интенсивный помол способствует также резкому снижению ЗШСМ удельной поверхности, что снизило водопотребность вяжущего.
Обсуждение результатов и выводы
Таким образом, обоснована экономическая эффективность применения механоактиваци-онной технологии для получения вяжущего марки БШЦ 500, включающее не более 30 % ПЦ 500, а остальными компонентами являются отходы промышленности, в том числе золошлаковые сырьевые материалы Омских ТЭЦ.
Определены физико-механические свойства полученного вяжущего вещества и бетонов на его основе. При этом установлено:
- установлено, что обычное механическое смешение компонентов золо-шламо-цементной смеси не позволяет получить вяжущее высокой марки;
- физико-механические характеристики Зольцита, полученного путем пропуска через измельчитель-активатор компонентов смеси отвечают ШПЦ 400 и БШПЦ 500-650;
- широкий временной интервал по срокам схватывания, позволит в будущем направленно регулировать технологическими процессами изготовления изделий и конструкций из бетонов на основе Зольцита;
- результаты испытаний образцов бетона на основе Зольцита убедительно показали, что их механические характеристики уверенно превышают аналогичные характеристики контрольных образцов.
Приведенные результаты еще раз доказали широчайшие возможности применения механоактивационных технологий в строительном материаловедении и, в частности, применительно к широкомасштабной утилизации золошлаковых сырьевых материалов Омских ТЭЦ- 4,5.
Библиографический список
1.Бондаренко В.М., Римшин В.И. Строительная наука - направления развития // Строительные материалы.-1998.- № 4.- С. 2-4.
2.Селиванов В.М., Шильница А.Д., Гныря А.И. Ресурсо- и энергосбережение - реальный путь снижения стоимости строительства жилья /Жилищное строительство. - 2000. № 12 .- С.2-3.
3. Утилизация отходов промышленности /Хамзин С.К., Смаилов К.З., Янчиков В.Ф., Никитин В.П. - Алма-Ата: Гылым, 1992.-168 с.
4. Гужулев Э.П., Усманский Ю.Т. Рациональное применение золы ТЭЦ: Результаты научно-практических исследований. -Омск.:ОмГУ, 1998.-238 с.
5. Прокопец В.С., Лесовик В.С. Производство и применение дорожно-строительных материалов на основе сырья, модифицированного механической активацией.- Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2005. - 264 с.
Project of wide use of cinder raw materials material of Omsk in production of binding agent
V.S. Prokopec
On base of the perennial studies is offered composition ash-cement mixture, possess by activity, corresponding to SHPC 400 and BSHPC 500 - 650. Vyazhuschee is received by using mechanically activation to technologies. Due to enabling technologies share portland cement in ash-cement mixture forms not more than 30%. In 2010 on territory Omskoy area is planned start the plant on issue BSHP 500 in volume 1300 000 t per annum, on that will take annually more than 400 thous.. t ash-cement departure Omsk TEC - 4,5.
Рецензент: Ю.Е. Пономаренко, доктор технических наук СибАДИ.
Статья поступила 21.03 2008 г.
