CC BY
17
УДК 504.55.054:622(470.6)
РЕЖИМ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ БЕТОНА С ДОБАВКОЙ ЗОЛЫ УНОСА
В.И. Голик, Ю.В. Дмитрак, М.В. Хмелевский, П.П. Стась
Обоснована частичная замена цемента альтернативными веществами на примере золы-уноса от сжигания угля на тепловых электростанциях. Приведены результаты определения количественных параметров зависимости между расходом цемента с добавками золы-уноса и прочностью бетонной смеси, что позволяет оптимизировать соотношение вяжущих со снижением расхода цемента при сохранении качества бетона. Даны количественные значения оптимальных скоростей перемешивания, полученные экспериментально путем сравнения альтернативных способов перемешивания вручную и в дезинтеграторах.
Ключевые слова: цемент, зола-унос, уголь, бетонная смесь, перемешивание, дезинтегратор.
Портландцемент является безальтернативным вяжущим компонентом благодаря своим технологическим и эксплуатационным свойствам. Производство цементного клинкера сопряжено с выбросами в атмосферу углекислого газа [1 - 3].
Наиболее перспективным направлением снижения выбросов в атмосферу является частичная замена цемента альтернативными веществами. К наиболее распространенным промышленным отходам, пригодным для этих целей, относится образующаяся при сжигании угля на тепловых электростанциях зола-унос [4 - 6].
Зола-унос составляет около 90 % угольной золы. Не более 40 % образующейся золы-уноса находит применение в различных отраслях, из которых до 20 % используется при производстве бетона и только небольшая часть находит применение в производстве вяжущих.
Зола-унос образуется на тепловых электростанциях при сжигании угольного топлива и состоит из твердых сферических частиц и небольшого количества полых элементов. Основным веществом золы-уноса является силикатное стекло, содержащее оксиды кремния, алюминия, железа и кальция.
Дозировка золы и влияние ее на свойства смешанного цемента в значительной степени зависят от ее химико-минералогического состава.
Достоинства золы-уноса в качестве добавки [7 - 10]:
- связывание извести с повышением коррозионной стойкости бетона;
- проявление вяжущих свойств;
- снижение расхода воды с обеспечением подвижности смеси;
-облегчение процесса укладки бетонной смеси;
- уменьшить тепловыделения и усадки бетона;
- уменьшение опасности трещинообразования.
Введение золы-уноса замедляет сроки схватывания, что объясняют медленной скоростью гидратации.
Бетоны с золой уноса характеризуются низким водоотделением, меньшей сегрегацией частиц, меньшей плотностью и меньшим весом бетона.
Введение золы-уноса в состав бетона снижает развитие усадочных деформаций при твердении.
Состав и структура золы-уноса зависят от свойств сжигаемого топлива и особенностей его сгорания. Применение золы-уноса как побочного материала позволяет существенно экономить затраты на сырье в процессе производства разного вида бетонов.
Область применения золы уноса [11 - 13]:
- в составе тяжелых бетонов для монолитных конструкций как заменитель части песка или части цемента, или как активный улучшающий свойства бетона микро-наполнитель;
- в производстве стеновых блоков и строительства для повышения агрегативной устойчивости смеси и формирования нужной структуры бетона.
Подавляющее большинство работающих на углях ТЭС и ТЭЦ не оснащен фильтрами, и зола вместе со шлаками направляется в шламонако-пители, что не позволяет утилизировать ее в производстве бетонов.
Лучшими качествами обладает зола бурых углей Канско-Ачинского угольного бассейна, которая представляет собой практически готовое к употреблению вяжущее (табл. 1).
Таблица 1
Характеристика вяжущих свойств золы бурых углей и цемента
Наименование материала Химический состав материала
SiO2, % АЬОз, % Fe2Oз, % СаО, % MgO, % ^Оз, %
Зола бурых углей Канско-Ачинского угольного бассейна 20...40 8.11 10.15 25.50 2.4 1.3
Портландцемент марки 500 8...26 4.9 0,36 62.68 > 5 1.3,5
Авторами исследовано влияние количества добавок к цементу в комплексных вяжущих различного типа на прочность твердеющих смесей для некоторых типов комплексных вяжущих.
Целью исследований было определить зависимость между расходом цемента с добавками добавки золы-уноса и прочностью бетона, что позволило бы снизить расхода цемента с сохранением качества бетона. В рамках исследования оценивали эффективность операции перемешивания компонентов бетонных смесей.
Компоненты смесей включали в себя цементно-зольную смесь, хвосты обогатительной фабрики и воду.
В первой серии опытов золу-унос активировали совместно с цементом в дезинтеграторе УДА- 10 четырехрядными ударно-лопастными роторами с частотой вращения 3000 об./мин. (суммарная линейная встречная скорость 46,5 м/с).
Результаты опыта представлены на рис.1.
Возраст, сут
Рис.1. Динамика прочности бетонной смеси в зависимости от расхода вяжущих при перемешивании в дезинтеграторе
При расходе цемента 150 и 160 кг/м3 и интенсивном перемешивании прочность смеси с увеличением количества золы уноса возрастает. Уменьшение расхода цемента с компенсацией добавкой золы уноса повышает прочность смеси по сравнению с базовым вариантом с цементом.
Образцы второй серии исследования изготовили из таких же компонентов после обработки смеси цемента и золы-уноса в дезинтеграторе аналогично первому опыту, но компоненты смеси смешивали вручную.
Установлено, что при перемешивании смеси вручную прочность значительно ниже, чем при интенсивном перемешивании. При этом прочность смесей при увеличении расхода золы увеличивается (табл. 2 и рис. 2).
Таблица 2
Прочность твердеющей смеси с перемешиванием вручную
Компоненты смеси, кг/м3 Прочность (МПа) при возрасте, сут
Цемент Зола Хвосты Вода 7 14 28
160 300 822 490 0,63 0,99 2,1
140 300 640 490 0,56 0,37 1,9
120 300 857 490 0,39 0,71 1,6
100 300 874 490 0,27 0,60 1,3
140 400 704 490 0,59 1,0 2,1
120 400 722 490 0,45 0,82 1,8
100 400 739 490 0,32 0,69 1.4
120 500 586 490 0,51 0,93 2,0
100 500 604 490 0,38 0,82 1,7
При постоянном расходе цемента активное приращение прочности бетона происходит при добавке 100.300 кг/м3 золы, а дальнейшее увеличение ее не изменяет прочности (рис. 3 - 5).
Рис. 2. Динамика прочности бетонной смеси в зависимости от расхода вяжущих при перемешивании вручную
Рис. 3. Прочность бетона при добавке к цементу 300 кг/м3 золы
Рис. 4. Прочность бетона при добавке к цементу 400 кг/м3 золы
204
Рис. 5. Прочность бетона при добавке к цементу 500 кг/м3 золы
В третьей серии перемешанные вручную компоненты активировали в дезинтеграторе Д-27 с применением трехрядных лопастных самофутерующихся роторов при различных оборотах.
Сначала смесь перемешивали вручную, а затем провели ее обработку при помощи лопастной быстроходной мешалки при режиме 3500 об/мин в течение трех минут (табл. 3 и рис. 3).
Состав твердеющей смеси (на 1 м3): цемент М 400 - 120 кг; зола уноса Рефтинской ГРЭС - 300 кг; хвосты обогащения - 357 кг; вода - 490 л.
Динамика набора прочности приведена в табл. 3 и на рис. 6.
Таблица 3
Прочность твердеющей смеси с перемешиванием вручную _и активацией_
Линейная встречная скорость, м/с Предельное напряжение сдвига, Па Коэффициент отстоя воды, % Прочность смеси, МПа, возраст, сут
7 14 28
30 123 90,3 0,50 1,8 3,4
40 117 91,2 0,52 1,9 2,7
50 110 90,3 0,56 1,4 2,5
60 107 88,7 0,53 1.1 2,4
80 105 89,3 0,48 1,1 2,7
100 108 90,6 0,50 1,5 3,9
Максимальная скорость обработки соответствует 30.40 м/с (перемешивание) и 100 м/с (измельчение).
Прочность образцов, перемешивание в дезинтеграторе при скоростях 30.40 м/с (табл. 3) и при перемешивании вручную (см. табл. 2) приведена в табл. 4 и на рис.7.
Определено, что прочность бетона при интенсивном перемешивании в дезинтеграторе увеличивается в 1,5 - 2 раза и более. Оптимальным режимом для перемешивания является скорость 30.40 м/с. Дальнейшее увеличение скорости нецелесообразно.
205
Рис. 6. Динамика прочности бетонной смеси в зависимости от расхода вяжущих при комбинированном перемешивании
Таблица 4
Прочность смеси при различных режимах перемешивания
компонентов
Линейная встречная скорость, м/с Предельное напряжение сдвига, Па Коэффициент отстоя воды, % Прочность смеси, МПа, возраст, с
7 14 28
30 423 90,3 0,5 1,8 3,4
40 117 91,2 0,52 1,9 2,7
- 121 95,2 0,39 0,71 1,6
А Ь У О Я Р о
Оч
С
■60 •80 100
10
15
20
25
30
Возраст, сут.
Рис. 7. Прочность смеси при различных режимах перемешивания
компонентов
Повышение эффективности раскрытия вяжущих свойств добавок к цементу является важным шагом в направлении снижения затрат на цемент [14 - 17].
Результаты экспериментов корреспондируют с сообщениями зарубежных специалистов данного направления [18 - 20].
206
Выводы
1. Частичная замена цемента альтернативными веществами является перспективным направлением снижения дефицита вяжущих для приготовления бетонов и нагрузки на окружающую среду.
2. Для этого используется образующаяся при сжигании угля на тепловых электростанциях зола при условии оптимального соотношения с цементом.
3. При интенсивном перемешивании ингредиентов в дезинтеграторе прочность бетона увеличивается в 1,5 - 2 раза.
Список литературы
1. High-volume fly ash concrete with and without hydrated lime: chloride diffusion coefficient from accelerated test / J.H. Filho [et al.] // Journal of Materials in Civil Engineering. 2013. Vol. 25, Issue 3. P. 411-418.
2. Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В., Радченко Д.Н. Расширение сырьевой базы горнорудных предприятий на основе комплексного использования минеральных ресурсов месторождений // Горный журнал. 2013. № 12. С. 29-33.
3. The effectiveness of combining the stages of ore fields development / V. Golik, V. Komaschenko, V. Morkun, Z. Khasheva // Metallurgical and Mining Industry. 2015. Т. 7. № 5. С. 401-405.
4. Rashad A. M. Potential use of phosphogypsum in alkaliactivated fly ash under the effects of elevated temperatures and thermal shock cycles // Journal of Cleaner Production. 2015. Vol. 87. P. 717- 725.
5. Анализ перспективности применения золы-уноса в технологии геополимеров / М. О. Коровкин [и др.] // Молодежный научный вестник. 2017. №10 (23). С. 70-77.
6. Golik V., Dmitrak Yu. Parameters of solidifying mixtures transporting at underground ore mining // E3S Web of Conferences The Second International Innovative Mining Symposium. 2017.
7. Shaikh F. U.A., Supit S.W.M. Mechanical and durability properties of high volume fly ash (HVFA) concrete containing calcium carbonate (CaCO3) nanoparticles // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 70. P. 309-321.
8. the history of russian caucasus ore deposit development / V.I. Golik, Yu. I. Razorenov, V.N. Ignatov, Z.M. Khasheva // The Social Sciences (Pakistan). 2016. Т. 11. № 15. С. 3742 - 3746.
9. Дмитрак Ю.В., Балахнина Е.Е. Особенности движения мелющей загрузки в шаровой барабанной мельнице // ГИАБ. 2003. № 2. С. 54 - 57.
10. Silva P., de Brito J. Electrical resistivity and capillarity of self-compacting concrete with incorporation of fly ash and limestone filler // Advances in concrete construction. 2013. Vol. 1, Issue 1. P. 65-84.
11. Физико-химическая геотехнология / В. Ж. Аренс [и др.] М.: Горная книга, 2010. 574 с.
12. Mining impact on environment on the north ossetian territory / O.G. Burdzieva, V.B. Zaalishvili, O.G. Beriev, A.S. Kanukov, M.V. Maisuradze // International Journal of geomate. 2016. Т. 10. № 1. С. 1693-1697.
13. Golik V.I., Khasheva Z.M., Shulgatyi L.P. Economical efficiency of utilization of allied mining enterprises waste // Journal of the Social Sciences. 2015. Т. 10. № 6. С. 750-754.
14. Ляшенко В.И. Природоохранные технологии освоения сложно-структурных месторождений полезных ископаемых // Маркшейдерский вестник. 2015. № 1. C.10-15.
15. Голик В.И., Комащенко В.И., Страданченко С.Г., Масленников С.А. Повышение полноты использования недр путем глубокой утилизации отходов обогащения угля // Горный журнал. №9. 2012. С. 91-95.
16. Геомеханические и аэрогазодинамические последствия подработки территорий горных отводов шахт Восточного Донбасса/ Н.М. Качу-рин, Г.В. Стась, Т.В. Корчагина, М.В. Змеев // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. Вып. 1. С. 170-182.
17. Golik V.I., Stradanchenko S.G., Maslennikov S.A. Experimental study of non-waste recycling tailings ferruginous quartzite // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10. № 15. С. 35410-35416.
18. Голик В.И. Извлечение металлов из хвостов обогащения комбинированными методами активации // Обогащение руд. 2010. № 5. С. 38-40.
19. Harris J. M., Roach B. Environmental and Natural Resource Economics. A Contemporary Approach. M. E. Sharpe, Inc., Armonk, New York. 2013. 246 p.
20. Freeman A. M., Herriges J. A., Kling C. L. The measurement of environmental and resource values. Theory and methods. New York, USA : RFF Press. 2014. Р.325.
Голик Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., v.i.golikamail.ru, Россия, Владикавказ, Северо-Кавказский государственный технологический университет,
Дмитрак Юрий Витальевич, д-р техн. наук, проф., ректор, dmitrak@yandex.ru, Россия, Владикавказ, Северо-Кавказский государственный технологический университет,
Хмелевский Максим Викторович, инженер, ecologyJsuJula@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Стась Павел Павлович, инженер, ecologyJsuJula@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MODE OF MIXING COMPONENTS IN THE MANUFACTURE OF CONCRETE WITH
ADDITIVE ASH DOWN
V.I. Golik, Yu.V. Dmitrak, M.V. Hmelevskyi, P.P. Stas
208
The partial replacement of cement with alternative substances is justified on the example of fly ash from the combustion of coal in thermal power plants. The results of determining the quantitative parameters of the relationship between the consumption of cement with the addition of fly ash and the strength of the concrete mix are presented, which allows optimizing the ratio of binders with a decrease in the consumption of cement while maintaining the quality of concrete. Quantitative values of optimal mixing rates are given, obtained experimentally by comparing alternative methods of mixing manually and in disintegrators.
Key words: cement, fly ash, coal, concrete mix, mixing, disintegrator.
Golik Vladimir Ivanovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, v.i.golika mail. ru, Russia, Vladikavkaz, North-Caucasian State University,
Dmitrak Yuri Vitalievich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Rector, dmitrak@yandex.ru, Russia, Vladikavkaz, North Caucasus State Technological University,
Hmelevskyi Maxim Viktorovich, engineer, ecology_tsu_tula@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Stas Pavel Pavlovich, engineer, ecology_tsu_tula@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Filho J. H., Medeiros, H. M. F. Pereira, E. et al. High volume ash concrete with and without hydrated lime: chloride diffusion coefficient from accelerated testing // journal of materials in civil engineering. 2013. Thom. 25, issue 3. P. 411-418.
2. D. R. Kaplunov, M. V. Ryl'nikova, D Radchenko.N. Expansion of the raw material base of mining enterprises on the basis of integrated use of mineral resources of deposits. Gorny Zhurnal. 2013. No. 12. PP 29-33.
3. Efficiency of combining the stages of ore deposits development / V. Golik, V. Komaschenko, V. Morkun, Z. Khasheva // metallurgical and mining industry. 2015. Vol. 7. No. 5. P. 401-405.
4. Rashad, A. M., potential use of phosphogypsum in deliciouslibrary ashes of ablation when exposed to high temperatures and thermal shock cycles // Journal of cleaner production. 2015. Thom. 87. P. 717 - 725.
5. Analysis of prospects of application of fly ash in geopolymer technology / M. O. Korovkin [et al.] / / Youth scientific Bulletin. 2017. №10 (23). P. 70-77.
6. Golik V., Yury Dmitrak the transportation of solidified mixtures during underground mining operations.In the collection: e3s Web of Conferences second international innovative mountain Symposium. 2017.
7. F. A. Fedorchenko Yu., supit S. V. M. mechanical properties and durability high volume ash (HVFA) concrete containing calcium carbonate (CaCO3) nanoparticles // building materials. 2014. Thom. 70. P. 309-321.
8. Golik V. I., Razorenov Yu. I., Ignatov, V. N., Khasheva Z. M. History of the Russian Caucasus ore development // social Sciences (Pakistan). 2016. Vol. 11. No. 15. P. 37423746.
9. Dmitrak Yu. V., Balakhnina E. E. features of grinding loading motion in a ball drum mill // GIAB (scientific and technical journal). 2003. No. 2. P. 54-57.
10. Silva P., de Brito J. electrical resistance and capillarity of self-compacting concrete with the inclusion of fly ash and limestone filler // additives in the concrete structure. 2013. Thom. 1, Issue 1. P. 65-84.
11. Physico-chemical Geotechnology / V. Zh. Arens [et al.] / / M.: Mountain book 2010,. 574 p.
12. the impact of mining on the environment on the territory of North Ossetia / Bur-dzieva O. G., Zaalishvili V. B., Beriev O. G., Kanukov A. S., Maisuradze, M. V. // international journal of geomate. 2016. Vol. 10. No. 1. P. 1693-1697.
13. Golik V. I., Khasheva Z. M., Shulgatyi L. P. economic efficiency of use of waste of adjacent mining enterprises // journal of social Sciences. 2015. Vol. 10. No. 6. P. 750-754.
14. In Lyashenko.I. nature protection technologies of development of complex fields of mineral resources// mine Surveying Bulletin. 2015. No. 1. P. 10-15.
15. In Golik.I., Komashchenko.I., With Stradanchenko.G., With Maslennikov.A. Increasing the efficiency of the subsoil by means of deep disposal of tailings / coal/ Mining magazine. No. 9. M.: "Publishing house "Ore and Metals". 2012. P. 91-95.
16. Geomechanical and aerogasdynamics the consequences of the undermining of the territories of mountain branches of mines Eastern Donbass/ N. M. Kachurin, G. V. Stas, T. V. Korchagina, M. V. Kites // Izvestia of the Tula state University. earth science. Issue. 1. 2017. P. 170-182.
17. Golik V. I., Stradanchenko S. G., Maslennikov S. A. experimental study of waste-free processing of ferruginous quartzite tails // international journal of applied engineering studies. 2015. Vol. 10. No. 15. P. 35410-35416.
18. In Golik.I. Extraction of metals from tailings by the combined activation obog. 2010. No. 5. Pp. 38-40.
19. J. M. Harris, B. roach, environmental and natural resources Economics. modern approach. M. E. Sharpe, Inc., Armonk, New York. 2013. P. 246.
20. Freeman, A. M., H. Rodriguez, A. A., Kling C. L., the measurement of environmental and resource values. Theory and methods. New York, USA : RFF Press. 2014. P. 325.
УДК 622.257.1+622.83
ГЕОТЕХНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОВТОРНОЙ ЛИКВИДАЦИИ ВСКРЫВАЮЩИХ НАКЛОННЫХ ВЫРАБОТОК ЗАКРЫТЫХ
УГОЛЬНЫХ ШАХТ
П.Н. Должиков, С.О. Легостаев
На основании многочисленных натурных исследований разработана новая геотехническая модель повторной ликвидации вскрывающих наклонных выработок, закрытых и закрываемых угольных шахт, определены типовые состояния старых вскрывающих наклонных горных выработок и обоснованы расчетные схемы определения объемов тампонажно-закладочныхработ.
Ключевые слова: повторная ликвидация, старые наклонные горные выработки, буровая скважина, закрытые угольные шахты, закладка, тампонаж, геотехническая модель, расчетная схема.
Ликвидация значительного числа вскрывающих горных выработок закрываемых угольных шахт Восточного Донбасса потребовала обобщения накопленного отечественного и зарубежного опыта ведения подобного рода работ, а также проблем, связанных с их ведением, и возникающих аварийных ситуаций [1 - 5].
