CC BY
61do:
УДК 504.55.054:622(470.6)_____________________________________________________
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СМЕСЕЙ С ДОБАВКОЙ ЗОЛЫ-УНОСА
Дмитрак Юрий Витальевич - доктор технических наук, профессор, ректор, СевероКавказский государственный технологический университет
Цидаев Батраз Саламович - кандидат технических наук, доцент, проректор, зав. кафедрой «Нефтегазовое дело», Северо-Кавказский государственный технологический университет
Дзапаров Вячеслав Хаматканович - кандидат технических наук, доцент, кафедра «Горное дело», Северо-Кавказский государственный технологический университет
Харебов Георгий Зурикоевич - кандидат технических наук, доцент, кафедра «Горное дело», Северо-Кавказский государственный технологический университет
Аннотация: в статье приводится обоснование эффективности замены товарного цемента минеральными добавками на примере золы-уноса сжигания угля ТЭЦ. Даны количественные результаты экспериментального определения зависимости между добавками золы-уноса и прочностью бетонной смеси. Исследованы количественные параметры режима приготовления смесей, детально, от режима перемешивания. Экспериментально получены количественные параметры альтернативных способов перемешивания: спокойно вручную и интенсивно в дезинтеграторах. Показано, что в настоящее время портландцемент является основным вяжущим компонентом при изготовлении бетонных смесей, что определяет его дороговизну, и наиболее перспективным направлением снижения затрат является частичная замена цемента альтернативными минеральными веществами, например, золой-уноса при сжигании угля на тепловых электростанциях. Получена количественная величина зависимости между добавками на основе золы-уноса и прочностью бетонной смеси, необходимая для корректного обоснования эффективности замены товарного цемента золой-уноса от сжигания угля. Экспериментально установлены количественные параметры режима приготовления смесей, в том числе, влияние режима перемешивания сравниваемых альтернативных способов перемешивания: спокойно вручную и интенсивно в дезинтеграторах. Доказано расчетами и экспериментально, что частичная замена цемента альтернативными веществами является перспективным направлением снижения дефицита вяжущих для приготовления бетонов и уменьшения нагрузки на окружающую среду. Определено, что образующаяся при сжигании угля на тепловых электростанциях зола при условии оптимального соотношения с цементом и оптимальном режиме приготовления, в частности, перемешивания ингредиентов в дезинтеграторе обеспечивает существенное увеличение прочности бетона. Результаты исследования могут найти применение в горном деле, строительстве и смежных отраслях.
Ключевые слова: эффективность, горные работы, цемент, зола-унос, бетонная смесь, перемешивание, прочность, дезинтегратор.
Введение.
Яортландцемент является
безальтернативным вяжущим компонентом, благодаря своим технологическим и эксплуатационным свойствам [1, 4, 8]. Производство цементного клинкера сопряжено с выбросами в атмосферу углекислого газа. Наиболее перспективным направлением снижения выбросов в атмос-
феру 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.
Для корректного обоснования эффективности замены товарного цемента минеральными добавками, например, золы-ун о са с жигания угля важна количественная
Содержимое этой работы может использоваться в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Любое дальнейшее распространение этой работы должно содержать указание на автора (ов) и название
величина зависимости между добавками на основе золы уноса и прочностью бетонной смеси.
Целью исследований данного направления является экспериментальное установление количественных параметров режима приготовления смесей, в том числе, от режима перемешивания сравнением альтернативных способов перемешивания: спокойно вручную и интенсивно дезинтеграторах.
Основная часть. Зола-унос составляет около 90 % угольной золы. Не более 40 % образующейся золы-уноса находит применение в различных отраслях хозяйства, 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 зависит от ее химикоминералогического состава.
Достоинства золы-уноса в качестве добавки:
- связывание извести с повышением коррозионной стойкости бетона;
- проявление вяжущих свойств;
- снижение расхода воды с обеспечением подвижности смеси;
- облегчение процесса укладки бетонной смеси;
- уменьшение 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:
- 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 оснащены фильтрами, и зола вместе со шлаками направляется в шламонакопители, что не позволяет утилиз и ровать ее в производстве бетонов.
Лучшими качествами обладает зола бурых углей Канско-Ачинского угольного бассейна, которая представляет собой практически готовое к употреблению вяжущее (табл. 1).
Нами исследовано влияние количества добавок к цементу в комплексных вяжущих различного типа на прочность твердеющих смесей для некоторых типов комплексных вяжущих [2, 9, 12].
Целью исследований было определить зависимость между расходом цемента с добавками добавки золы-уноса и прочностью бетона, что позволило бы снизить расход цемента с сохранением качества бетона.
Химический состав компонентов вяжущих
Таблица 1
Наименование материала Химический состав материала
SiO2, % AI2O3, % Fe2O3, % CaO, % MgO, % SiO3, %
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 0,3...6 62...68 > 5 1.3,5
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 ударнолопастными роторами со скоростью вращения 3000 об./мин. (суммарная линейная встречная скорость - 46,5 м/с).
Результаты опыта сведены в табл. 2.
Таблица 2
Прочность твердеющей смеси с перемешиванием смеси в дезинтеграторе
Компоненты смеси, кг/м Прочность, МПа, в возрасте, сут.
цемент зола хвосты вода 7 14 23
168 - 1242 435 0,39 1.2 1.3
160 100 1093 490 1.0 1.6 2,0
160 200 944 495 1,4 2,6 3,5
160 300 796 500 2,2 3,6 5,3
150 200 966 490 1,2 1.9 2,9
I50 300 818 495 1.6 2,4 4,0
150 400 669 500 1,9 3,5 5,2
150 500 520 505 2,5 4,1 6,5
При расходе цемента 150 и 160 кг/м3 и Образцы второй серии исследования
интенсивном перемешивании прочность изготовили из таких же компонентов после смеси с увеличением количества золы-уноса обработки смеси цемента и золы-уноса в возрастает (рис. 1). дезинтеграторе аналогично первому опыту,
но компоненты смеси смешивали вручную (рис. 2).
Рис. 1. Прочность бетонной смеси при перемешивании в дезинтеграторе
Рис. 2. Прочность бетонной смеси при перемешивании вручную
Установлено, что при перемешивании смеси вручную прочность значительно ниже, чем при интенсивном перемешивании. При этом прочность смесей при увеличении расхода золы увеличивается (табл. 3).
В третьей серии перемешанные вручную компоненты активировали в дезинтеграторе Д-27 с применением трехрядных лопастных самофутерующихся роторов при различных оборотах (рис. 3).
Таблица 3
Прочность твердеющей смеси при перемешивании вручную
Компоненты смеси, кг/м3 Прочность, МПа, в 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
Рис. 3. Прочность бетонной смеси при комбинированном перемешивании
Сначала смесь перемешивали вручную, а затем провели ее обработку при помощи лопастной быстроходной мешалки при режиме 3500 об./мин. в течение 3 мин. (табл. 4).
Состав твердеющей смеси (на 1 м3): -цемент М 400 - 120 кг;
- зола-унос Рефтинской ГРЭС - 300 кг;
- х восты обогащения - 357 кг;
- вода - 490 л.
Таблица 4
Прочность твердеющей смеси при перемешивании вручную и активации
Линейная встречная скорость, м/с Предельное напряжение сдвига, Па Коэффициент отстоя воды, % Прочность смеси, МПа, в возрасте, 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 I.I 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 Прочность образцов, изготовленных при соответствует 30...40 м/с (перемешивание) и скоростях 30...40 м/с (табл. 3) и при переме-100 м/с (измельчение). шивании вручную (табл. 2), приведена в
табл. 5.
Прочность смеси при различных режимах перемешивания компонентов
Таблица 5
Линейная встречная скорость, м/с Предельное напряжение сдвига, Па Коэффициент отстоя воды, % Прочность смеси, МПа, в возрасте, сут.
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
Определено, что прочность бетона при интенсивном перемешивании в дезинтеграторе увеличивается в 1,5...2 и более раза. Оптимальным режимом для перемешивания является скорость 30...40 м/с. Дальнейшее увеличение скорости нецелесообразно
[12, 13].
Полученные результаты коррелируют с результатами, полученными Российскими и зарубежными исследователями [3, 5, 6, 9, 10].
Заключение. 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 и более раза.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Atis C.D. Strength properties of high-volume fly ash roller compacted and workable concrete, and influence of curing condition // Cement and Concrete Research. 2005. №.35. P. 1112-1121.
2. Голик В.И., Дмитрак Ю.В., Хашева
З.М., Шульгатый Л.П. Экономическая эффективность использования свойств массива при добыче руд // Сборник научных статей. Издательство Южного института менеджмента. 2018. С. 29-34.
3. Filho J.H., Medeiros M.H.F., Pereira E. et al. High-volume fly ash concrete with and without hydrated lime: chloride diffusion coefficient from accelerated test // Journal of Materials in Civil Engineering. 2013. Vol. 25.
Issue 3. P. 411-418.
4. Голик В.И., Полухин О.Н. Природоохранные геотехнологии в горном деле // Белгород, 2013. 284 с.
5. McCarthy M.J., Dhir R.K. Development of high volume fly ash cements for use in concrete construction // Fuel. 2005. Vol. 84. Issue 11. P. 1423-1432.
6. Rashad A.M. Potential use of phos-phogypsum in alkaliactivated fly ash under the effects of elevated temperatures and thermal shock cycles // Journal of Cleaner Production. 2015. Vol. 87. P. 717- 725.
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. Разоренов Ю.И., Голик В.И., Куликов М . М . Экономика и менеджмент горной промышленности. Новочеркасск, 2010. 251 с.
9. Siddique R., Khan Iqbal. Supplementary Cementing Materials, Engineering Materials. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2011. DOI: 10.1007/978-3-642-17866-5_1.
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.
1 1. Golik V.I., Razorenov Yu.I., Ignatov V.N., Khasheva Z.M. The history of Russian Caucasus ore deposit development // The Social Sciences (Pakistan). 2016. Т. 11. № 15. С. 3742-3746.
12. Коровкин М. О., Володин В. М., Ерошкина Н.А., Чамурлиев М.Ю., Лавров И.Ю. Анализ перспективности применения золы-уноса в технологии геополимеров //
геополимеров // Молодежный научный вестник. 2017. №10 (23). С. 70-77.
REFERENCES
1. Atis C.D. Strength properties of high-volume fly ash roller compacted and workable concrete, and influence of curing condition // Cement and Concrete Research. 2005. №.35. P. 1112-1121.
2. Golik V.I., Dmitrak Yu.V., Hasheva Z.M., Shul'gatyj L.P. Ehkonomicheskaya ehffektivnost' ispol'zovaniya svojstv massiva pri dobyche rud // Sbornik nauchnyh statej. Izdatel'stvo YUzhnogo instituta menedzhmenta. 2018. S. 29-34.
3. Filho J.H., Medeiros M.H.F., Pereira E.
et al. High-volume fly ash concrete with and without hydrated lime: chloride diffusion
coefficient from accelerated test // Journal of Materials in Civil Engineering. 2013. Vol. 25. Issue 3. P. 411-418.
4. Golik V.I., Poluhin O.N. Priro-doohrannye geotekhnologii v gornom dele // Belgorod, 2013. 284 s.
5. McCarthy M.J., Dhir R.K. Development of high volume fly ash cements for use in concrete construction // Fuel. 2005. Vol. 84. Issue 11. P. 1423-1432.
6. Rashad A.M. Potential use of phos-phogypsum in alkaliactivated fly ash under the effects of elevated temperatures and thermal shock cycles // Journal of Cleaner Production. 2015. Vol. 87. P. 717- 725.
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. Razorenov Yu.I., Golik V.I., Kulikov M.M. Ehkonomika i menedzhment gornoj promyshlennosti. Novocherkassk, 2010. 251 s.
9. Siddique R., Khan Iqbal. Supplementary Cementing Materials, Engineering Materials. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2011. DOI: 10.1007/978-3-642-17866-5_1.
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. Golik V.I., Razorenov Yu.I., Ignatov V.N., Khasheva Z.M. The history of Russian Caucasus ore deposit development // The Social Sciences (Pakistan). 2016. T. 11. № 15. S. 3742-3746.
12. Korovkin M. O., Volodin V. M., Eroshkina N.A., Chamurliev M.Yu., Lavrov
I.Yu. Analiz perspektivnosti primeneniya z o ly-unosa v tekhnologii geopolimerov // Molodezhnyj nauchnyj vestnik. 2017. №10 (23). S. 70-77.
INFLUENCE OF THE MODE OF MIXING OF COMPONENTS WHILE MANUFACTURING MIXTURES WITH ADDITIVE ASH DOWN
Dmitrak Y.V., TsidaevB.S., Dzaparov V.Kh, KharebovG.Z.
Annotation: the article provides a rationale for the effectiveness of the replacement of marketable cement with mineral additives on the example of fly ash from coal combustion in CHP. The quantitative results of an experimental determination of the relationship between the additives of fly ash and the strength of a concrete mix are given. The quantitative parameters of the mode of preparation of mixtures, in detail, from the mode of mixing. Experimentally obtained quantitative parameters of alternative methods of mixing: calmly manually and intensively disintegrators. It is shown that currently Portland cement is the main binder component in the manufacture of concrete mixes, which makes it expensive, and the most promising way to reduce costs is the partial replacement of cement with alternative minerals, for example, fly ash during coal combustion at thermal power plants. A quantitative value of the relationship between additives on the basis of fly ash and the strength of the concrete mix was obtained, which is necessary to correctly substantiate the effectiveness of replacing commercial cement with fly ash from the combustion of coal. The quantitative parameters of the mix preparation mode were experimentally established, including the effect of the mixing mode of the compared alternative mixing methods: quietly manually and intensively disintegrators. It has been proved by calculations and experimentally that partial replacement of cement with alternative substances is a promising way to reduce the shortage of binders for making concrete and reducing the load on the environment. It has been determined that the ash generated during the combustion of coal in thermal power plants, provided that the ratio with the cement is optimal and the cooking mode is optimal, in particular, mixing the ingredients in the disintegrator, provides a significant increase in concrete strength. The results of the study can find application in mining, construction and related industries.
Key words: efficiency, mining, cement, fly ash, concrete mix, mixing, strength, disintegrator.
© Дмитрак Ю.В., Цидаев Б.С., Дзапаров В.Х., Харебов Г.Х., 2019
Дмитрак Ю.В., Цидаев Б.С., Дзапаров В.Х., Харебов Г.Х. Влияние режима перемешивания компонентов при изготовлении смесей с добавкой золы-уноса //Вектор ГеоНаук. 2019. Т. 2. №1. С. 83-89.
Dmitrak Y.V., Tsidaev B.S., Dzaparov V.Kh., Kharebov G.Z., 2019. Influence of the mode of mixing of components while manufacturing mixtures with additive ash down. Vector of Geosciences. 2(1): 83-89.
