CC BY
33Буравчук Н. И., канд. хим. наук, Южный федеральный университет Кондюрин А. М., канд. техн. наук, доц., Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) Гурьянова О. В., ст. науч. сотр. Южный федеральный университет
МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНЫХ ПРОДУКТОВ СЖИГАНИЯ УГЛЯ
На основании проведенных экспериментов и данных физико-химических исследований были разработаны составы мелкозернистого бетона. Результаты физико-механических испытаний образцов бетона свидетельствуют о высокой эффективности применения вторичных продуктов сжигания угля Новочеркасской ГРЭС в качестве добавочных компонентов в составе бетонных смесей. Доказана возможность получения на основе цементно-зольных композиций мелкозернистого бетона с прочностью при сжатии М300 и морозостойкостью до 250 циклов. При проведении экспериментов было установлено, что отмечающийся прирост плотности и прочности золобетона обусловлен образованием дополнительного количества новообразований за счет повышения степени гидратации цемента в присутствии тонкодисперсных добавок пуццоланового характера. В заключении были рассмотрены варианты применения разработанных составов зольных бетонов при производстве железобетонных изделий различного назначения.
Ключевые слова: мелкозернистый бетон, вторичные материальные ресурсы, рециклинг, твердение цементного камня_
Одной из важнейших задач строительной отрасли является разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий, предусматривающих широкое применение местного минерального сырья и техногенных продуктов. В соответствии с основными положениями Концепции социально-экономического развития РФ «Страте-гии-2020» актуальными становятся вопросы организации производства строительной продукции высокого качества при минимизации расхода природного сырья. В данном контексте ресурсосбережение приобретает всеобъемлющий характер и становится частью современного экономического мировоззрения. Из образующихся и накопившихся отходов самыми многотоннажными являются побочные продукты топливной промышленности [1]. Академик В.И. Соломатов по этому поводу считает, что для эффективного использования техногенного сырья нужен принципиально новый подход к организации его рецик-линга в стройиндустрии на основе разработанной системы их санитарно-гигиенической оценки [2].
В ряде работ авторами отмечается, что золы и золошлаки по химико-минералогическому, гранулометрическому и фазово-минералогическому составу во многом идентичны природному минеральному сырью [3-6]. Использование золошла-ковых смесей в промышленности строительных материалов, в частности при получении мелкозернистых бетонов, является одним из стратегических путей решения экологической проблемы по улучшению состояния окружающей среды в
зонах работы ТЭС и в регионах с развитой угольной промышленностью [7]. В число таких регионов входит Ростовская область, на территории которой залегают значительные запасы каменных углей и расположены объекты теплоэнергетической отрасли. В связи с этим при разработке составов мелкозернистого бетона рассматривалось применение местных техногенных продуктов, расположенных на территории Ростовской области.
Цель работы - разработка состава мелкозернистого бетона с применением в качестве добавок золошлака; создание ресурсосберегающей технологии производства железобетонных изделий, обладающих повышенными физико-
механическими характеристиками и износостойкостью.
Как известно [8], в тяжелых бетонах использование золошлаковых материалов способствует повышению качества многокомпонентной матрицы и, в конечном счете, улучшению строительно-технических свойств готовой продукции. Сотрудниками института высоких температур РАН разработано несколько технологий по применению золошлаковых отходов в производстве строительных материалов [9]. В этом контексте представляет особый интерес выдвинутое предположение о создании в будущем специализированных комбинатов, которые наряду с электроэнергией будут производить глинозем, цемент и др. товарную продукцию строительного назначения. Ввод в состав бетона золы-уноса позволяет сни-
зить опасную концентрацию щелочей в цементе и модифицировать структуру цементного камня. Однако нестабильность химико-
минералогического состава и свойств зол ТЭС, как и многих других техногенных материалов [10, 11], сдерживает их применение в производстве бетона вследствие значительных колебаний свойств получаемой на их основе изделий. Данный негативный аспект может быть устранен путем применения дополнительной подготовки рас-
сматриваемых техногенных материалов перед использованием в бетонных смесях.
При проведении экспериментов в качестве техногенных материалов применялись зола-унос и золошлаковая смесь Новочеркасской ГРЭС. При изучении вещественного состава рассматриваемых побочных продуктов в иммерсионных препаратах (рис. 1) были определены: кварц, стеклофаза, гематит, магнетит, полевые шпаты, аморфизованное глинистое вещество, удлиненные игольчатые кристаллы муллита.
Рис. 1. Микрофотографии золы (а) и з
Рентгеноструктурный анализ золошлаковой смеси позволил установить, что кристаллическая составляющая золошлаковой смеси представлена кварцем, тридимитом, присутствуют полевые шпаты в виде альбита, геленит, метакаолинит. Кристаллическая фаза золы представлена в основном кварцем, тридимитом, присутствуют каолинит, полевые шпаты, оксиды алюминия и кальция, карбонаты. Фракция золы с размером частиц менее 0,005 мм представлена аморфизованным глинистым веществом, более крупные частицы -стеклофазой и в сравнительно небольшом количестве кристаллической фазой. Из стекол преобладает стекло алюмосиликатного состава.
Из данных синхронного термического анализа следует, что в интервале температур 20-1000 °С в золе и золошлаковой смеси происходят примерно одни и те же физико-химические превращения. На кривых ДТА наблюдаются следующие пики:
- удаления свободной воды (эндоэффект при 150 °С);
- дегидратации глинистых минералов с выделением конституционной воды и разрушением кристаллической решетки (эндоэффект при 460
°С);
- переход аморфного железа в кристаллическое (эндоэффекты при 130 и 280 °С);
- полиморфное превращение кварца (эндоэффект при 571 °С);
б
олошлака (б) в иммерсии (х63, николи II)
- диссоциация карбонатов, выгорание окок-сованных углистых частиц (эндоэффекты при 680 и 800 °С).
Составы мелкозернистого бетона с использованием техногенного сырья и технологические параметры их получения были отработаны в лабораторных условиях и апробированы на производстве при изготовлении изделий. В качестве активного вяжущего компонента применялся портландцемент М 500 Новороссийского цементного завода. Золошлаковую смесь использовали в качестве однокомпонентного заполнителя без природного песка и крупного заполнителя для получения мелкозернистых бетонов. Содержащиеся в золошлаковой смеси мелкодисперсные фракции золы, мелкие и крупные шлаковые включения способствуют полной замене песка и щебня. Для выбора оптимального количества добавки золы к вяжущему при проведении экспериментов варьировалось отношение «цемент : зола» с последующим определением прочностных показателей бетонных образцов при твердении. Расход наполнителей (зола сухого отбора, молотая горелая порода) составлял от 100 до 250 кг/м3. Для бетонов с повышенным расходом цемента количество вводимого наполнителя возрастало. Водоцементное отношение варьировалось в пределах 0,24-0,45. Для очень жестких смесей, предназначенных для вибропрессования с пригрузом
а
значение оптимального В/Ц составляло 0,24. В условиях производства формование контрольных образцов производилось по той же технологии, и с теми же параметрами уплотнения и термообработки, что и конструкции.
Определение физико-механических свойств проводилось на образцах-кубах с длиной ребра 100 мм, призмах квадратного сечения 100х100х400 (мм), цилиндрах с высотой и диаметром 150 мм. Формование и твердение бетонных образцов проводилось в соответствии с ГОСТ 10180-90, пропаривание по режиму: вы-
держка свежеотформованных образцов не менее 2-х часов, подъем температуры до начала изотермического прогрева - 3 часа, выдержка при температуре изотермического прогрева -8-9 часов, медленное охлаждение до комнатной температуры. Температура изотермического прогрева - 8587 оС. В ходе проведения лабораторных испытаний было установлено, что ввод золы-уноса в состав бетона позволяет сэкономить до 50 % цемента. Технологические параметры получения и прочностные показатели бетона в зависимости от соотношения «зола : цемент» приведены в табл. 1.
Таблица 1
Технологические параметры и прочнос тные показатели бе тонных образцов
Марка Осадка кону- Соотношение Экономия цемента, на 1 м3 бетонной Прочность при
бетона са (ОК), см «цемент : зола» смеси сжатии, МПа
% кг
1:0 - - 10,8
1:0,83 20 38 14,8
М100 1-3 1:1,20 30 58 15,3
1:1,50 40 77 14,8
1:2,00 50 96 11,4
1:0 - - 24,0
М200 1 1:0,62 20 61 28,0
1:0,85 30 91 25,9
1:1,11 40 121 23,0
1:0 - - 20,6
М200 3-5 1 0,62 20 69 24,5
1 0,85 30 103 28,6
1 0,99 40 138 22,5
1:0 - - 31,3
М300 4-9 1:0,49 20 91 34,2
1:0,63 30 137 34,0
1:0,76 40 182 32,7
1:0 - - 30,4
М300 4-6 1 0,49 20 80 32,8
1 0,63 30 120 34,5
1 0,83 40 160 32,1
Из табл. 1 видно, что изделия из золобетона классов В7,5-В30 имели запас по прочности 4-40 % при экономии цемента от 10 до 40 %. Наибольший запас прочности наблюдался у низкомарочных бетонов. Результатами лабораторных исследований установлено, что эффективность использования зол повышается при твердении бетона в условиях тепловлажностной обработки (ТВО). Тепловлажностная обработка увеличивает активность всех аморфных фаз зол и шлаков, в особенности спекшихся и остеклованных. При повышенных температурах проявляют активность и некоторые кристаллические компоненты зо-лошлаков (кварц, полевые шпаты, алюмосиликаты кальция). К числу важных факторов, влияющих на прочность и долговечность бетонов и растворов, относится однородность. В качестве критерия для определения однородности бетонной смеси с добавками золы применялась оценка прочностных показателей после твердения. Результатами проведенных исследований установлено, что повышение однородности бетонной
смеси происходит при вводе золы в среднем до 25-27 %. Факт повышения прочностных показателей может быть объяснен увеличением пластичности бетонных смесей. Положительное влияние тонкодисперсной добавки, приводящее к уменьшению деструктивных процессов в бетоне при ТВО, заключается в повышении однородности бетонной смеси. Компактное, сближенное расположение частиц цемента и добавки, уменьшение размеров пор и капилляров существенно ослабляют миграционные процессы внутри материала. Развитая удельная поверхность системы благоприятствует протеканию физико-химических процессов твердения и структурообразования без возникновения дефектов структуры.
В проводимых исследованиях неоднократно проверялись морозостойкость и водонепроницаемость бетонов с добавками золы, испытывались составы, которые эксплуатируются в условиях переменных температур, повышенной влажности и действия агрессивных сред. Все исследуемые составы бетонов с добавками золы выдерживали
испытания на морозостойкость и зачастую превышали проектную марку; коэффициент морозостойкости был на 11-23 % выше, чем у бетона без золы. В табл. 2 приведены сведения о морозо-
Анализ табл. 2 показывает, что по морозостойкости золобетоны имеют марку Р50-Б200, по водонепроницаемости - W2-W12. Основными факторами, положительно влияющими на морозостойкость и водонепроницаемость бетонов с добавками золы являются:
1) уменьшение водоцементного отношения, которое происходит благодаря пластифицирующему действию золы;
2) повышение плотности бетона;
3) снижение водопоглощения;
4) наличие у изделий при проведении испытаний механизма «самозалечивания» возникающих в процессе твердения трещин.
В заключении можно отметить, что наблюдающийся прирост плотности и прочности золо-бетона обусловлен появлением дополнительного количества новообразований за счет повышения степени вовлечения цемента в гидратацию в присутствии тонкодисперсных добавок пуццоланово-го характера. Эти гидратные соединения кальма-тируют микротрещины и поры. По истечении большого количества циклов попеременного замораживания и оттаивания деструктивные процессы начинают превалировать над самопроизвольно идущим процессом «залечивания» трещин, и станут проявляться признаки разрушения бетона. Высокие показатели физико-механических свойств бетона свидетельствуют о том, что в присутствии золы улучшается формирование структуры цементного камня, происходит рост удельной поверхности новообразований, увеличивается число контактов между кристаллами, повышается плотность структуры конгломерата.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Строительные материалы из отходов промышленности / Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. -Ростов н/Д: Феникс, 2007. - 368 с.
стойкости и водонепроницаемости золобетонов в зависимости от марки по прочности, а также рекомендуемая область применения полученных мелкозернистых бетонов.
Таблица 2
2. Соломатов В.И. Новый подход к проблеме утилизации отходов в стройиндустрии // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2000. - №1. - С. 28-29.
3. Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С. Классификация техногенного сырья предприятий металлургии и энергетики по ее функциональной пригодности в производстве керамических материалов // Известия вузов. Строительство. - 2006. -№1. - С. 36-39.
4. Лемешев В.Г., Петров С.В. Утилизация золы-уноса ТЭС в производстве строительных материалов // Известия вузов. Строительство. -2002. - №5. - С.46-49.
5. Шпирт М.Я. Утилизация отходов добычи и переработки твердых горючих ископаемых. -М.: Недра, 1991. - 221 с.
6. Шпирт М.Я., Рубан В.А., Иткин Ю.В. Рациональное использование отходов добычи и обогащения углей. - М. : Недра. - 1990. - 224 с.
7. Буравчук Н.И. Ресурсосбережение в технологии строительных материалов. - Ростов н/Д: Изд-во Южного федерального университета, 2009. - 224 с.
8. Прошин А.П., Демьянова В.С., Калашников Д.В. Особо тяжелый высокопрочный бетон на основе вторичного сырья // Экология и промышленность России. - 2003. - №8. - С. 8-9.
9. Делицын Л.М., Власов А.С. Комплексное использование углей ТЭС / Экология и промышленность России. - 2002. - №8. - С. 37-39.
10. Евтушенко Е.И. Учет нестабильности свойств техногенных отходов в производстве строительных материалов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2004. - №8. - С. 143-145.
11. Лесовик В.С., Евтушенко Е.И. Стабилизация свойств строительных материалов на основе техногенного сырья // Известия вузов. Строительство. - 2002. - №12. - С. 40-44.
Общие характеристики Прочность при сжатии, МПа Морозостойкость, марка Водо-непро-ницае-мость, марка Объемная масса, кг/м3
Марка бетона ОК, см Изделие Пропа-рива-ние Естественное твердение, сут
28 60 180
М100 3-4 Блоки стен подвалов 12,5 14,2 25,3 26,0 F50 W2 2210
М200 1-3 Перемычки, балконы 22,8 25,6 35,0 43,4 F200 W6 2150
М150 3-4 Плиты ленточных фундаментов 13,25 20,52 22,24 23,89 F50 W2 2260
М200 5-7 Колонны 17,65 24,65 25,07 26,8 - - 2250
М250 1 Панели многопустотные 24,78 31,20 38,45 41,22 F50 W4 2340
М300 3-4 Блоки морских сооружений 35,06 34,25 41,42 45,71 F200 W12 2250
М300 3-4 Сваи 35,40 34,57 41,30 43,82 - - 2290
