CC BY
298
130
Проблематика транспортных систем
А. Ф. Серенко, Е. А. Строителева
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ТВЕРДЕНИЯ НА ОПТИМАЛЬНОЕ КОЛИЧЕСТВО ЗОЛЫ ПРИ ЗАМЕНЕ ПЕСКА И НА МИКРОСТРУКТУРУ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ
Статья посвящена модифицированию структуры цементных бетонов за счет использования наполнителя из золы-уноса Хабаровской ТЭЦ-3. Изучалось влияние золы на структуру и прочностные характеристики при твердении в нормальновлажностных условиях (НВУ) и при тепловлажностной обработке (ТВО). Для подтверждения происходящих процессов модифицирования структуры производились дополнительные исследования с использованием электронного микроскопа.
цементный камень, наполнитель, зола-уноса, прочность при сжатии, микроструктура, мелкозернистый бетон, тяжелый бетон.
Введение
В настоящее время все более актуальным становится вопрос утилизации большого количества накопленных промышленных отходов.
Наполнения цементных бетонов тонкодисперсными минеральными материалами является одним из перспективных направлений уменьшения себестоимости цементных бетонов с одновременным повышением их физико-механических свойств. В последние годы накоплен значительный опыт по применению отходов теплоэнергетики, особенно зол и шлаков, в качестве минеральных добавок в цементные бетоны [1]—[3]. При этом снижается их себестоимость, улучшается ряд физико-механических свойств бетонов, решаются вопросы экологии регионов.
Основным направлением применения зол и шлаков является замена части портландцемента. Вместе с тем ряд зол обладает неудовлетворительными характеристиками при использовании их взамен части вяжущего. Следовательно, необходимо искать другие направления эффективного применения зол, исследовать механизм их воздействия на структуру и свойства цементных бетонов.
1 Основные допущения. Постановка задачи
Дальневосточные золы-уноса теплоэлектростанций по своему химическому составу относятся к кислым, поэтому обладают низкой гидравлической активностью. Кроме того, им свойственны повышенная водопотребность и способность активно адсорбировать распространенные добавки поверхностно-активных веществ, резко снижая их эффективность. Поэтому замена даже 5% портландцемента приводит к снижению прочностных показателей цементных бетонов.
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
131
Выполненные ранее исследования показали возможность замены золой-уноса дальневосточных теплоэлектростанций части мелкого заполнителя (песка), особенно в малоцементных бетонах, без снижения их деформатив но-механических свойств. Нами выдвинута рабочая гипотеза, что улучшение структуры и свойств бетона при замене части песка связано с действием двух механизмов: 1) изменение топологии распределения частиц и уменьшение пористости бетонной смеси за счет увеличения объема системы цемент-зола-вода и улучшения условий гидратации вяжущего; 2) протекание пуццолановых реакций между новообразованиями цементного камня с золой-уноса с образованием низкоосновных гидросиликатов и кольматацией пор в твердеющем бетоне. При действии второго механизма применение тепловлажностной обработки должно увеличить эффективность использования золы-уноса в цементных бетонах для замены части мелкого заполнителя.
В приведенных ниже исследованиях ставилась задача подобрать оптимальную дозировку золы для замены части песка в мелкозернистых и тяжелых бетонах; установить механизм влияния золы-уноса на структуру и свойства бетонов; изучить влияние условий твердения на структуру и свойства цементного камня с золой-уноса в качестве наполнителя.
2 Влияние условий твердения на прочностные показатели мелкозернистых бетонов
Зола-уноса Хабаровской ТЭЦ-3 использовалась для замены части песка в мелкозернистом бетоне. Экспериментальное изучение влияния наполнения песка на свойства мелкозернистого бетона производилось путем замены части песка в диапазоне от 0 до 20%. Составы готовились из условия сохранения постоянной подвижности бетонной смеси, что требовало увеличения расхода воды при введении золы-уноса. Образцы твердели в нормально-влажностных условиях (НВУ) и в условиях воздействия тепловлажностной обработки (ТВО). Образцы-кубики 7,07x7,07x7,07 см испытывались на прочность при сжатии в возрасте 7 и 28 суток (рис. 1).
Оптимальной степенью наполнения в условиях нормальновлажностного твердения является 10%. Замена песка золой-уноса в таком количестве позволяет увеличить прочность относительно контрольного состава на 21% в возрасте 7 суток, а на 28-е сутки - на 64%. Увеличение прочности объясняется оптимальным топологическим расположением частиц, созданием благоприятных условий для гидратации цемента вследствие высокой водоудерживающей способности золы, а также образованием дополнительных низкоосновных гидросиликатов кальция по пуццолано-вому типу и уменьшением пористости цементного камня. Увеличение количества золы свыше 10% приводит к снижению прочности, так как начинают превалировать процессы образования капиллярных пор при повышении водоцементного отношения.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
132
Проблематика транспортных систем
Рис. 1. Влияние замены части песка золой-уноса мелкозернистого бетона на предел
прочности при сжатии
Применение тепловлажностной обработки сдвигает оптимум введения золы-уноса взамен части песка в диапазон 15-20%. Тепловлажностная обработка активизирует протекание реакции пуццоланового типа между новообразованиями цемента (портландитом) и золой-уноса, что компенсирует увеличение водоцементного отношения для сохранения подвижности бетонной смеси. Увеличение прочности составляет 25% в возрасте 7 суток по отношению к контрольному составу и 52% - в возрасте 28 суток.
3 Влияние условий твердения на прочностные показатели тяжелых бетонов
Зола-уноса Хабаровской ТЭЦ-3 использовалась для замены части песка в тяжелом бетоне. Экспериментальное изучение влияния наполнения песка на свойства тяжелого бетона производилось путем замены части песка в диапазоне от 0 до 45%. Составы готовились из условия сохранения постоянной жесткости бетонной смеси, что также требовало увеличения расхода воды при введении золы-уноса. Образцы твердели в нормальновлажностных условиях (НВУ) и с применением тепловлажностной обработки (ТВО). По сравнению с условиями изготовления образцов мелкозернистого бетона было сокращено время предварительной выдержки образцов при использовании ТВО. Образцы-кубики с гранью 10 см испытывались на прочность при сжатии в возрасте 7 и 28 суток (рис. 2).
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Проблематика транспортных систем
133
Анализ результатов исследований позволяет сделать вывод, что при нормально-влажностных условиях твердения и термовлажностной обработке максимум прочности в тяжелом бетоне соответствует степени наполнения, равной 30% замены песка золой, при этом увеличение прочности превышает 60% по отношению к прочности контрольных образцов малоцементного бетона без наполнителя несмотря на увеличение водоцементного отношения. Введение наполнителя в количестве 45% позволяет получать бетоны по прочности не ниже контрольного состава.
Применение тепловлажностной обработки при оптимальной дозироке наполнителя приводит к интенсификации реакции пуццоланового типа и получению бетонов, превосходящих по прочности аналогичные составы нормально-влажностного твердения.
1 - НВУ 7 суток; 3 - ТВО 7 суток;
2 - НВУ 28 суток; 4 - ТВО 28 суток
Зола, %
Рис. 2. Влияние замены части песка золой-уноса тяжелого бетона на предел
прочности при сжатии
Таким образом, применение термовлажностной обработки в технологии наполненных цементных бетонов является оптимальным способом улучшения свойств бетона и повышения количества утилизируемой золы. Если при распространенной технологии замены части портландцемента 1020% золы в бетонах с расходом 200-300 кг цемента на кубометр количество золы составляет 20-60 кг, то замена 30% мелкого заполнителя в бетонах с расходом песка 600-700 кг на кубометр составляет 180-210 кг золы.
Выводы о гидравлической активности золы-уноса были подтверждены анализом фотографий микроструктуры цементного камня, сделанных с помощью электронного микроскопа.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
134
Проблематика транспортных систем
4 Особенности развития микроструктуры цементного камня в зависимости от условий твердения
Изучению с помощью электронного микроскопа подвергались образцы цементного камня, изготовленные из теста нормальной густоты, и образцы из золоцементного камня, часть которых была изготовлена из теста с аналогичным водоцементным отношением и низкой подвижностью, а другая часть за счет увеличения водоцементного отношения по консистенции соответствовала тесту нормальной густоты. Образцы твердели в нормальновлажностных условиях и подвергались тепловлажностной обработке.
Анализ скола цементного камня, содержащего наполнитель из золы-уноса и чистого цементного камня, показывает особенности развития микроструктуры в зависимости от условий твердения. При нормальновлажностных условиях твердения в образцах с фиксированным водоцементным отношением и низкой подвижностью золоцементного теста (№2) наблюдается образование микротрещин, а у образцов из подвижных золоцементных смесей с повышенным водоцементным отношением (№3) и чистого цементного камня (№1) их нет (рис. 3).
№ 1 № 2 № 3
Рис. 3. Микроструктура цементного камня и камня с содержанием наполнителя из золы-уноса при твердении в нормально-влажностных условиях (увеличение х
10000):
№1 - НВУ, зола 0 %; №2 - НВУ, зола 30 % (В/Ц = const); №3 - НВУ, зола 30%
(В/Ц Ф const)
Применение тепловлажностной обработки приводит к значительному увеличению количества кристаллических новообразований и их размеров на поверхности частичек золы у образцов золоцементного камня как с постоянным водоцементным отношением (№5), так и с постоянной подвижностью и увеличенным водоцементным отношением (№6) (рис. 4), что подтверждает увеличение гидравлической активности золы в условиях
Proceedings of Petersburg Transport University
2006/3
Проблематика транспортных систем
135
ТВО. Следует отметить, что в образцах с увеличенным водоцементным отношением на поверхности частичек золы формируется более плотная, однородная и правильная кристаллическая структура, чем в образцах из жесткой золоцементной смеси. Это подтверждает предположение о создании благоприятных условий формирования структуры цементного камня в присутствии золы при повышенном водоцементном отношении.
№ 4 № 5 № 6
Рис. 4. Микроструктура цементного камня и камня с содержанием наполнителя из золы-уноса при термовлажностной обработке (увеличение х10 000):
№4 - ТВО, зола 0 %; №5 - ТВО, зола 30 % (В/Ц = const); №6 - ТВО, зола 30 %
(В/Ц Ф const)
Заключение
Выполненные исследования подтвердили высокую эффективность применения кислых зол-уноса для замены части мелкого заполнителя в малоцементных бетонах с целью увеличения прочностных показателей бетона и решения экологических проблем регионов. Определены оптимальные дозировки золы для замены части песка, которые в зависимости от условий твердения составляют 10-20% для мелкозернистых бетонов и 30% для тяжелых бетонов.
Получила подтверждение гипотеза о благоприятном влиянии золы в присутствии достаточного количества воды на формирование структуры цементного камня. Показано, что применение тепловлажностной обработки при оптимальной дозировке наполнителя приводит к интенсификации реакции пуццоланового типа и получению бетонов, превосходящих по прочности аналогичные составы нормально-влажностного твердения.
Библиографический список
1. Волженский А. В., Иванов И. А., Виноградов Б. Н. Применение зол и топливных шлаков в производстве строительных материалов. - М.: Стройиздат, 1984. - 255 с.
2. Долгорев А.В. Вторичные сырьевые ресурсы в производстве строительных материалов: Справочное пособие. - М.: Стройиздат, 1990. - 446 с.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/3
136
Проблематика транспортных систем
3. Ярмолинская Н. И., Лазарева Т. Л. Использование отходов теплоэнергетической промышленности Дальнего Востока в технологии строительных материалов. -Хабаровск: Хабар. гос. техн. ун-т, 2000. - 96 с.
2006/3
Proceedings of Petersburg Transport University
