CC BY
12
УДК 662.638
Хвойные бореальной зоны. 2021. Т. XXXIX, № 1. С. 55-59
ВЛИЯНИЕ ЗОЛЫ УНОСА НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ
С. Н. Долматов, Н. В. Смертин
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Утилизация значительных объемов отходов ТЭЦ и лесопромышленных производств - это одна из актуальных задач. Производство строительных материалов в виде легких бетонов с минеральными и органическими заполнителями является одним из путей по их утилизации. Представлены результаты исследований прочностных показателей древесно-цементного композиционного материала при введении в его состав золы уноса от сжигания бурого угля. Образцы изготавливались на основе рецептуры с использованием портландцемента, опилок, песка и сульфата алюминия. Было исследовано влияние замещения песка золой уноса на предел прочности образцов древесно-цементного композита при сжатии. В ходе исследования было выявлено, что введение в состав зольного заполнителя вместо песка приводит к снижению прочности образцов при сжатии. Полученные закономерности могут быть использованы при проведении дальнейших исследования по повышению прочностных показателей легких бетонов.
Ключевые слова: утилизация, отходы, древесно-цементный композит, зола уноса, опилки, лесная промышленность, ТЭЦ, бурый уголь.
Conifers of the boreal area. 2021, Vol. XXXIX, No. 1, P. 55-59
INFLUENCE OF FLOW ASH ON THE STRENGTH PROPERTIES OF WOOD-CEMENT COMPOSITES
S. N. Dolmatov, N. V. Smertin
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
Disposal of significant volumes of waste from thermal power plants and timber industry is one of the urgent tasks. The production of building materials in the form of lightweight concrete with mineral and organic aggregates is one of the ways for their utilization. The article presents the results of studies of the strength indicators of wood-cement composite material with the introduction offly ash from the combustion of brown coal into its composition. The samples were made on the basis of a recipe using Portlane cement, sawdust, sand and aluminum sulfate. The influence of the percentage of sand and fly ash on the ultimate strength of wood-cement composite specimens under compression was investigated. In the course of the study, it was revealed that the introduction of an ash filler into the composition leads to a decrease in the compressive strength of the samples. The obtained patterns can be used in further research to improve the strength characteristics of lightweight concrete.
Keywords: utilization, waste, sawdust concrete, fly ash, sawdust, forest industry, thermal power plant, brown coal.
ВВЕДЕНИЕ
Красноярский край является одним из ведущих угледобывающих регионов страны. По данным [1], в Красноярском крае сосредоточено около 40 % кондиционных угольных ресурсов России, а также 25 % разведанных запасов. Общие разведанные запасы каменного и бурого угля в регионе составляют более 4 трлн т. Потенциально предприятия на территории региона могут добывать до 1 млрд т угля в год. Стоит отметить, что в Красноярском крае происходит добыча 77 % всех запасов бурых углей в России. Самое
крупное среди предприятий, добывающих бурый уголь в Канско-Ачинском угольном бассейне, - Бородинский разрез имени М. И. Щадова [2]. Добываемый бурый уголь транспортируется и используется в качестве топлива на Красноярских ТЭЦ. Реальная зольность бурого угля Бородинского месторождения достигает 20-25 % [3]. Иными словами, четвертая часть угля, поставляемого из Бородинского разреза, после сгорания уходит в отходы в виде золы и шлака. Утилизация золы и шлака практически никак не реализована. И для их хранения этих отходов выделяются
полигоны, отвалы которых занимают внушительные территории, что не благоприятно сказывается на экологии региона. Например, на сегодняшний день на территории России скопилось порядка 1,5 млрд тонн золошлаковых отходов. Только на территории Красноярска находится 5 золошлакоотвалов [4].
По данным [3], суммарная установленная тепловая мощность всех Красноярских ТЭЦ составляет около 3700 Гкалл/час. Принимая во внимание то, что при сгорании 1 тонны бурого угля генерируется 7 Гкалл тепловой мощности [4], можно сделать вывод, что на выработку такого количества тепловой мощности необходимо затратить 530 тонн угля в сутки. Учитывая зольность бурого угля, 20 % из этого количества до 106 тонн в сутки являются отходами, которые необходимо утилизировать.
С проблемой утилизации отходов сталкиваются и на лесопромышленных производствах Красноярского края. Она относится к числу наиболее актуальных, так как при существующих методах переработки в настоящее время теряется почти половина биомассы дерева, что, естественно, говорит о низком уровне технологических процессов деревообработки. На Российских ЛПК из примерно 60 млн м3 ежегодно образующихся отходов три четверти приходится на долю лесопиления, из них 60 % составляют крупные или кусковые (горбыль, рейки, вырезки и т. д.) и 40 % мелкие или мягкие (опилки, стружка и т. д.) [4].
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Цель исследования можно представить в следующем виде:
Определить влияние золы уноса от сжигания бурого угля на прочностные свойства древесно-цементных композитов при замещении минерального заполнителя рецептуры (песка) золой.
Задачи исследования:
1. Выявить объемы отходов в виде опилок и зольных отходов ТЭЦ.
2. Оценить существующие технологии хранения и утилизации данных видов отходов.
3. Экспериментально обосновать возможность изготовления и исследовать прочностные свойства композитов на основе древесных опилок, золы бурого угля и портландцемента.
При сжигании бурого угля на Красноярских ТЭЦ ежегодно образуется до 300 тысяч тонн золошлаков [5]. Одним из способов утилизации отходов ТЭЦ является использование их в строительстве зданий и автодорог. Также зола используется в производстве удобрений, стройматериалов и в рекультивации нарушенных земель - например отработавших карьеров [6]. Применение золошлаков в строительстве благоприятно сказывается на экономии природных ресурсов, сохранении окружающей среды и существенно повышает качество материалов, снижает себестоимость их производства, повышает долговечность эксплуатации, например, автомобильных дорог.
Исследованиями [7] на основе золы уноса и цемента разработан материал для изоляции труб тепловых сетей. Применение такого материала будет спо-
собствовать решению проблемы снижения экологической нагрузки на окружающую среду. Известна возможность использования летучей золы в качестве дополнительной добавки в бетоны. Такой способ утилизации отходов сжигания угля был известен еще с начала прошлого века [8]. Известен способ [9], в котором обоснована возможность получения высокопрочных бетонов с добавлением золы от сжигания угля в качестве минерального наполнителя. Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что проблема вовлечения в промышленное производство продуктов сжигания угля актуальна и ведутся работы по поиску эффективного пути ее решения.
Также, учитывая результаты применения золо-полимерных смесей в строительстве лесовозных дорог [10], которые были опубликованы относительно недавно, можно сделать вывод о том, что изучение влияния вовлечения золы в различные сферы строительства до сих пор остается интересной и актуальной целью. Исследованиями [11] был получен материал на основе золы и укрепленного цементом грунта с прочностью 8...15 МПа.
В лесной промышленности, доля низкокачественной древесины, отходов лесозаготовок и лесопиления составляет, соответственно 15-40, 30-40 и 19-20 % [12]. В объемном исчислении это внушительная цифра - более 45 млн м3 древесных отходов, из них более 2286 тыс. м3 [13] - это опилки.
МАТЕРИАЛЫ
И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Производство конструкционно-теплоизоляционных материалов в виде древесных композиций на основе портландцемента является одним из направлений утилизации отходов лесопиления в виде опилок. Данный вид материала может быть использован при строительстве в виде блоков, плит и т. п. Увеличение объемов строительных работ по возведению новых зданий, реконструкции и ремонту существующего жилого фонда неизбежно приведет к заинтересованности в таких материалах.
В целях определения возможности использования золы, в качестве наполнителя при производстве дре-весно-цементных композитов был проведен эксперимент, цель которого: определить, при каком процентном соотношении зольного наполнителя и песка готовый блок древесно-цементного композита может быть использован в качестве строительного материала.
Основным критерием, определяющим возможность применения материала для строительства гражданских и промышленных объектов является его прочность. Прочность древесно-цементных композитов зависит от множества факторов. Установлено, что прочностные качества изменяются при варьировании фракционного состава органических компонентов [14]. Определенное влияние оказывает армирование древесно-цементных композитов различными материалами [15]. Введение в рецептуру различных эмульсий, оказывающих обволакивающее действие на древесные частица и ограничивающих воздействие находящихся в составе клетки древесины сахаров - ядов для карбонатных вяжущих веществ оказывает пози-
тивное влияние на прочностные показатели древесно-цементных композитов [16].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Эксперимент проводится для определения влияния введения в состав смеси древесно-цементных композитов золы уноса бурого угля, в качестве альтернативного заполнителя на прочностные характеристики. В качестве объекта исследования приняты образцы в форме куба изготовленные размером 5*5x5 см (рис. 1).
Рис. 1. Готовый образец
Опытные образцы изготавливались из следующих сырьевых компонентов: опилки, полученные при распиловке сосны на дисковой лесопильной установке. Фракционный состав размер частиц от 2 до 5 мм. Влажность опилок не измерялась и соответствовала влажности сырорастущей древесины. В качестве вяжущего использовался портландцемент 11/А-Ш 32,5Б (ПЦ 400-Д20) (Портландцемент со шлаком (Ш) от 6 до 20 %, класса прочности 32,5 быстротвердеющий, ГОСТ 31108-2003) производства ООО «Красноярский цемент». В качестве заполнителя использовался карьерный песок, модуль крупности - 0,2-3,5 мм, коэффициент фильтрации - 1,0-3,0 м/сутки, насыпная плотность - 1,55-1,65 кг/м3. Вредные яды, которые формируются в процессе контактирования древесных сахаров с бетонной смесью, не представляют опасности для человека, однако являются одной из главных причин, которые существенно замедляют процесс гидратации цемента. Как правило, для нейтрализации
сахаров используются химические соли, наиболее эффективным среди которых является соединение сульфата алюминия (ГОСТ 12966-85), который был использован при проведении эксперимента. Зола использовалась из золоотвала Красноярской ТЭЦ-2 (г. Красноярск ул. Лесопильщиков, 156). Зола предварительно просеивалась от частиц шлака на сите с размером ячеек 3 мм.
Применялась рецептура опилкобетонной смеси следующего состава компонентов: портландцемент 140 гр, опилки 100 гр, песок 100 гр, вода 300 гр. В целях проведения эксперимента часть песка заменялась золой от сжигания бурого угля. Были изготовлены партии блоков с 7, 10, 15, 20, 30 и 50 процентным замещением песка в смеси золой от сжигания бурого угля. Изготовление образцов проводилось путем смешивания сухой смеси из портландцемента, песка и золы. Смесь затворялась водой с предварительным внесением сульфата алюминия и древесных опилок. Смешивание проводилось вручную. Затем полученной смесью заполнялись формы кубической формы. Смесь уплотнялась методом вибрирования с пригрузом. Сушка образцов проводилась при комнатной температуре. Образцы маркировались и извлекались из форм через 7 суток. Далее образцы набирали прочность при комнатной температуре ещё 28 суток в условиях естественной влажности, а после подверглись испытанию на сжатие на прессе в лаборатории испытательных машин университета. Результаты испытаний образцов древесно-полимерного композита с добавлением в рецептуру золы от сжигания бурого угля представлены в таблице и на рис. 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате экспериментального исследования было выявлено, что введение золы уноса от сжигания бурого угля, в качестве альтернативного минерального заполнителя в состав древесно-цементного композита значительно снижает его прочностные показатели. Повышение доли замещения песка золой уноса приводит к закономерному снижению прочностных показателей готовых образцов (рис. 2).
Снижение прочности древесно-цементного композита при введении в его состав альтернативного заполнителя в виде золы уноса, связанно с тем, что мелкодисперсная фракция золы интенсивно взаимодействуют с частицами портландцемента, образуя очаги гидратации цементного камня.
Результаты лабораторных исследований образцов древесно-цементного композита
с добавлением золы
Номер образца Соотношение замещения песка золой, % Плотность образца, кг/ м3 Усилия разрушения, Н Предел прочности при сжатии, МПа Деформация образца при разрушении, мм Модуль упругости, МПа
1 7 800 4000 1,3 7 185
2 10 780 3500 1,1 7 157
3 15 760 2700 0,9 6 150
4 20 720 2200 0,8 5 160
5 30 680 1500 0,1 5 20
6 50 560 700 0,07 4 18
При этом сила взаимодействия частиц вяжущего в частицами песка и древесины оказывается снижена, тем больше, чем выше содержание золы в рецептуре смеси древесно-цементного композита. Кроме того, конечная плотность образцов снижается с 800 до 560 кг/м3. Поскольку зола уноса является материалом с меньшей плотностью, по сравнению с песком.
0 10 20 30 40 50 60
Соотношение песок/зола в рецептуре, %
Рис. 2. Зависимость предела прочности при сжатии образцов древесно-цементного композита от содержания золы уноса в рецептуре
Для увеличения прочности образцов при введении в состав древесно-цементного композита альтернативных заполнителей в виде золы уноса, необходимо увеличивать количество вяжущего. В таком случае плотность готового образца не будет снижаться, что позволит увеличить прочностные показатели опилко-бетона.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Объемы отходов в виде древесных опилок и зольных отходов ТЭЦ весьма значительны и постоянно увеличиваются. Обширные площади земель, пригодных, например, для сельского хозяйства, выводятся из эксплуатации и оказываются занятыми под полигоны для хранения этих отходов. Такая картина крайне неблагоприятно сказывается на экологической ситуации в районе расположения полигонов.
2. Разработаны и продолжают совершенствоваться различные технологии по утилизации этих отходов. Однако существующие технологии переработки данных видов отходов не позволяют в полной мере справиться со всем количеством загрязняющих веществ.
3. Экспериментальными исследованиями установлено, что введение в состав древесно-цементных композитов золы уноса от сжигания бурого угля, в качестве альтернативного заполнителя приводит к снижению показателей его прочности при сжатии.
4. Древесно-цементный композит, приготовленный с введением в его состав золы от сжигания бурого угля, может применяться как легкий теплоизоляционный материал в промышленном и гражданском строительстве.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ
1. Говорит Красноярск [Электронный ресурс]. URL: http://idrenome.ru/content/view/Unikalnaya-ugol-naya-kladovaya (дата обращения: 01.12.2019).
2. АО «СУЭК-Красноярск» [Электронный ресурс]. URL: http ://suek-krasnoyarsk.ru/o_kompanii/predprijatij a/ borodinskij (дата обращения 01.12.2019).
3. Сибирская генерирующая компания [Электронный ресурс]. URL: https://sibgenco.ru/about/company/ generation/krasnoyarskaya-tets-1/ (дата обращения 01.12.2019).
4. Успехи современного естествознания [Электронный ресурс] // Научный журнал. URL: https://www. natural-sciences.ru/ru/article/view?id=12611 (дата обращения: 12.11.2019).
5. NGS24.ru [Электронный ресурс] // Новостной портал. URL: https://ngs24.ru/news/more/66026374/ (дата обращения: 01.12.2019).
6. Утилизация золы и топливных шлаков [Электронный ресурс]. URL: https://ztbo.ru/o-tbo/lit/perera-botka-promishlennix-otxodov/utilizaciya-zoli-i-toplivnix-shlakov (дата обращения: 01.12.2019).
7. Павленко С. И., Малышкин В. И., Баженов Ю. М. Бесцементный мелкозернистый композиционный бетон из вторичных минеральных ресурсов. Новосибирск : Изд. Сиб. отд-ния РАН, 2000. 141 с.
8. Davis R. E., Carlson R. W., Kelly J. W. and Davis H. E. Propertiesof Cements and Concretes Containing Fly Ash // Journal of the American Concrete Institute. 1937. Vol. 33. Р. 577-611.
9. Mehta P. K., Burrows R. W. Building Durable Structures in the 21st Century // Concrete International. 2001. № 23(3). Р. 57-63.
10. Минаев А. Н., Зубова О. В. и др. Применение золополимерных смесей в строительстве лесовозных дорог. СПб. : Изд. «Известия вузов. Лесной журнал», 2020. № 3. С. 106-116.
11. Зубова О. В., Никитина И. С., Анисимова О. И., Новикова А. А. Дорожно-строительный материал на основе зологрунтовой смеси, укрепленной цементом // Изв. С.-Петерб. лесотехн. акад. 2012. Вып. 201. С. 193-202.
12. Коробов В. В., Рушнов Н. П. Переработка низкокачественного сырья (проблемы безотходной технологии). М. : Экология, 1991. 288 с.
13. Скорикова Л. А. Обоснование состава топливных гранул и технологии подготовки древесных опилок для их производства : дис. ... канд. техн. наук. Йошкар-Ола, 2012. 236 с.
14. Долматов С. Н. Влияние фракционного состава опилок на прочностные свойства опилкобетона // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии. 2017. № 1. С. 48-51.
15. Долматов С. Н., Мартыновская С. Н. Исследование прочности опилкобетона дисперсионно армированного различными неметаллическими материалами // Хвойные бореальной зоны. 2018. Т. 36, № 6. С. 536-541.
16. Фунтяков Д. С., Смирнов М. А. Разработка модифицированного опилкобетона с повышенными эксплуатационными характеристиками // Juvenis scientia. 2016. № 1. С. 33-35.
REFERENCES
1. Govorit Krasnoyarsk [Elektronnyy resurs]. URL: http://idrenome.ru/content/view/Unikalnaya-ugolnaya-kla-dovaya (data obrashcheniya: 01.12.2019).
2. AO "SUEK-Krasnoyarsk" [Elektronnyy resurs]. URL: http://suek-krasnoyarsk.ru/o_kompanii/predprija-tija/borodinskij (data obrashcheniya 01.12.2019).
3. Sibirskaya generiruyushchaya kompaniya [Elektronnyy resurs]. URL: https://sibgenco.ru/about/company/ generation/krasnoyarskaya-tets-1/ (data obrashcheniya 01.12.2019).
4. Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya [Elektronnyy resurs] // Nauchnyy zhurnal. URL: https://www. natural-sciences.ru/ru/article/view?id=12611 (data obrashcheniya: 12.11.2019).
5. NGS24.ru [Elektronnyy resurs] // Novostnoy portal. URL: https://ngs24.ru/news/more/66026374/ (data obrashcheniya: 01.12.2019).
6. Utilizatsiya zoly i toplivnykh shlakov [Elektronnyy resurs]. URL: https://ztbo.ru/o-tbo/lit/pererabotka-promis-hlennix-otxodov/utilizaciya-zoli-i-toplivnix-shlakov (data obrashcheniya: 01.12.2019).
7. Pavlenko S. I., Malyshkin V. I., Bazhenov Yu. M. Bestsementnyy melkozernistyy kompozitsionnyy beton iz vtorichnykh mineral'nykh resursov. Novosibirsk, Izd. Sib. otd-niya RAN, 2000, 141 s.
8. Davis R. E., Carlson R. W., Kelly J. W. and Davis H. E. Propertiesof Cements and Concretes Containing Fly Ash // Journal of the American Concrete Institute. 1937, Vol. 33, Р. 577-611.
9. Mehta P. K., Burrows R. W. Building Durable Structures in the 21st Century // Concrete International. 2001, No. 23(3), Р. 57-63.
10. Minayev A. N., Zubova O. V. i dr. Primeneniye zolopolimernykh smesey v stroitel'stve lesovoz-nykh dorog. Sankt-Peterburg, Izd. "Izvestiya vuzov. Lesnoy zhurnal", 2020, No. 3, S. 106-116.
11. Zubova O. V., Nikitina I. S., Anisimova O. I., Novikova A. A. Dorozhno-stroitel'nyy material na osnove zologruntovoy smesi, ukreplennoy tsementom // Izv. S.-Peterb. lesotekhn. akad. 2012, Vyp. 201, S. 193-202.
12. Korobov V. V., Rushnov N. P. Pererabotka nizko-kachestvennogo syr'ya (problemy bezotkhodnoy tekhno-logii). Moskva, Ekologiya, 1991, 288 s.
13. Skorikova L. A. Obosnovaniye sostava toplivnykh granul i tekhnologii podgotovki drevesnykh opilok dlya ikh proizvodstva : dis. ... kand. tekhn. nauk. Yoshkar-Ola, 2012, 236 s.
14. Dolmatov S. N. Vliyaniye fraktsionnogo sostava opilok na prochnostnyye svoystva opilkobetona // Zhurn. Sib. feder. un-ta. Tekhnika i tekhnologii. 2017, No. 1, S. 48-51.
15. Dolmatov S. N., Martynovskaya S. N. Issledova-niye prochnosti opilkobetona dispersionno ar-mirovan-nogo razlichnymi nemetallicheskimi materialami // Khvoy-nyye boreal'noy zony. 2018, T. 36, No. 6, S. 536-541.
16. Funtyakov D. S., Smirnov M. A. Razrabotka modifitsirovannogo opilkobetona s povyshennymi ekspluatatsionnymi kharakteristikami // Juvenis scientia. 2016, No. 1, S. 33-35.
© Долматов С. Н., Смертин Н. В., 2021
Поступила в редакцию 15.09.2020 Принята к печати 15.01.20210
