396Гусев К. П., Кравчук И. О. . НИР. Приоритетные направления

Направление: 6 – Рациональное природопользование
Тяжелые бетоны с применением отходов угольных теплоэлектростанций г.
Новосибирска
Введение
В данной работе предлагается технология применения отходов от угольных
теплоэлектростанций г. Новосибирска в качестве полезного сырья – наполнителя и
связующего, при производстве различных бетонных смесей.
Золошлаковые отходы (ЗШО) – является самым массовым из побочных продуктов
энергетики. Ежегодно в России образуется более 40 миллионов тонн ЗШО, и
наблюдается рост этого объема за счет увеличения доли угля в топливном балансе
страны, повышения эффективности золоулавливающего оборудования, внедрения
новых технологий сероочистки, связанных с образованием значительных объемов
твердых отходов, возрастающим потреблением тепловой энергии. Накопленные запасы
зол на золоотвалах оцениваются в 1,5 млрд. тонн. [41]
Доля угольного топлива в мировом топливно-энергетическом балансе составляет
42,8% (у нефти – 5,5; у газа – 18,5%, ядерной энергии – 15,0%, гидроэнергии и других
возобновляемых источников – 18,2%).
Во многих странах значение угля для электроэнергетики гораздо выше: в Польше
– 95%, ЮАР – 90%, Австралии – 86%, Китае – 81%, Англии – 60%, Германии – 54%,
США - 52%, Японии – 30%. В России, несмотря на большие запасы угля, на угольных
ТЭС вырабатывается всего 14,6% электроэнергии.
Доля угля в топливном балансе на ТЭС России составляет 22,1%, а по сравнению
с 2010 г. использование угля для производства электроэнергии в мире к 2030 г.
увеличится на 41% (до 4,5 млрд. т.) и уголь будет оставаться главным источником
производства электроэнергии.
Таким образом, являясь необходимой структурой в жизни любого мегаполиса –
теплоэнергетические станции являются одновременно и источниками огромной
экологической нагрузки в виде всегда сопутствующих им золоотвалов, неизбежных
выбросов в атмосферу газов от сжигаемых углей, сбросы оборотной воды предприятия
и т.д.
Производство тепловой и энергетической энергии в г. Новосибирске всецело
принадлежит ОАО «Новосибирскэнерго», в состав энергетических мощностей которой
на данный момент входит пять тепловых электрических станций и ГЭС.
Только в 2007 году, «Новосибирскэнерго» завершило первую очередь
строительства золоотвалов для ТЭЦ-5, общей стоимостью более 290 млн. рублей, по
данным представителей компании. Общее содержание золоотвалов так же является не
бесплатным, а необходимость в их расширении возникает все более часто.
Транспортировка и захоронение накапливаемых объемов ЗШО с применением
традиционных гидравлических систем имеет негативные экологические аспекты:
потребление воды, занятие и загрязнение земель, образование сточных вод, влияние на
грунтовые воды (воды, первого от поверхности земли постоянно существующего
водоносного горизонта), потенциальное загрязнение воздуха при пылении золоотвалов.
Поэтому для радикального повышения уровня экологической безопасности тепловой
электростанции решение проблемы утилизации ЗШО – обязательное условие.
В странах Евросоюза «наилучшим доступным методом» обращения с ЗШО
признано их полезное использование [1].
Стоит отметить, что сами золоотвалы не выносятся за территорию городов и, как
правило, находятся в непосредственной близости от ТЭЦ, соединяясь с ней системами
трубопроводов для подачи отработанной оборотной воды в смеси с золами
(гидропульпы).
1
Как правило, земли, некогда отведенные под площадки золоотвалов, уже
становятся навсегда отчужденными и непригодными для дальнейшего их прямого
использования.
Критические ситуации, когда территории золоотвалов ТЭЦ в ходе роста городов и
урбанизации заключались в границы города, возникают по всей России. Особенно
остро такая проблема встала в г. Владивосток, где один из золоотвалов ТЭЦ-2 был
переоборудован под стоянку автотранспорта.
Нечастые, но имеющие место, аварии на золоотвалах – такие как прорывы дамб,
когда потоки сильно минерализованной воды отправляются напрямую в близлежащие
реки и водоемы, представляю большую угрозу экологии городов.
«Стратегическим решением» правительства г. Москва и РАО «ЕЭС России»
приняты законы и выделены средства для перевода всех ТЭС г. Москва с угля на
газовое топливо. То же относится и к дальневосточному региону. Для Сибири таких
решений и мер не предпринимается, хотя для ТЭЦ-5 г. Новосибирска планировался
перевод на газ.
При переходе с твёрдого на газовое топливо себестоимость вырабатываемой
электроэнергии значительно возрастает, однако здесь есть и свои плюсы, при
использовании сжиженного газа не образуются золы, но остается сопутствующее
загрязнение атмосферы. При сжигании газового топлива в атмосферу попадает окись
серы, а по количеству выбросов оксидов азота при сжигании газ почти не уступает
сжиганию мазута.
Таким образом, на данный момент, можно полагать, что использование углей в
качестве основного вида топлива для ТЭЦ г. Новосибирска останется
безальтернативным еще долгое время, а вместе с этим, безальтернативным является и
вариант складирования отходов работы ТЭЦ – зол уноса.
Основным стимулом для потребителей золы может служить разница в цене на
цемент (другие природные минеральные ресурсы) и на ЗШО. Например, исследования
Алтайского государственного технического университета показали, что золы углей
Харанорского и Уртуйского месторождений (сжигаются на Харанорской ГРЭС,
Забайкальский край) при приготовлении бетонных растворов могут заменять до 20
процентов цемента без потерь в прочности. При этом энергетики готовы отдавать золу
практически бесплатно [42].
Методики проведения исследований и испытаний основывались на
Государственных стандартах. Таким образом, были изучены и освоены методы
проведения испытаний образцов тротуарного камня на прочность при сжатии,
водопоглощение, истираемость, прочность при изгибе, стойкость к агрессивным
средам, морозостойкость.
Основной целью и задачей работы являлась необходимость показать одно из
возможных направлений по утилизации отходов и превращению их в полезный
строительный материал с минимальными затратами на модернизацию или создание
технологической линии и изменением существующей технологии. До сих пор попытки
организовать широкое полезное применение не привели к значительным успехам:
утилизация ЗШМ в России была и остается на уровне 10-15 процентов от объемов их
ежегодного образования [42].
Научные положения данной работы основываются на экспериментальных
методах проверки путем сравнения теоретических и экспериментальных результатов.
Теоретический базис положительного влияния добавления ЗШО в бетонные смеси
отражен множеством работ [2,3,4,5,6,7] за продолжительный период времени
(некоторые работы датируются 1970-ми годами и по настоящее время).
2
Литературный обзор
В данный момент в России накоплен большой опыт применения ЗШО в
различных отраслях строительства. Множество институтов и исследователей
описывают возможные перспективы применения ЗШО, рецептуры и технологии
приготовления.
В статье Фахратова М. [8]: «Наиболее крупным потенциальным потребителем
промышленных отходов является промышленность строительных материалов, где
удельный вес сырья достигнет 50%. Использование промышленных отходов в
строительной индустрии является перспективным направлением снижения
себестоимости продукции и уменьшения негативной нагрузки на окружающую среду».
Высказывание автора подтверждает сложившуюся ситуацию с накоплением
ЗШО и малым его применением.
Так же, Фахратов М. отмечает что «…большинство тепловых электростанций
Европейской части России оборудовано системами гидрозолоудаления, получаемые в
них зола и ЗШС используются в основном в качестве мелкого заполнителя для бетонов
в производстве керамзито- и гипсобетона, низкомарочных растворов и бетонов, в
дорожном строительстве…. для эффективного использования зол ТЭС в качестве
активной добавки в производстве бетонных строительных деталей и конструкций в
последние годы сооружены установки сухогозолоотбора на Европейской части
России.».
Стоит отметить правильность данного замечания. В настоящей работе
использовались единичные выборки ЗШО с ТЭЦ г. Новосибирска, полученные прямым
отбором после сжигания углей. То есть, автоматизировать данный процесс в настоящее
время просто невозможно, необходимыкапиталозатраты.
В статье так же ведется речь о роли ЗШО в составе и влиянии на прочностные
характеристики бетонов: «Введение в бетон тонкомолотого шлака в количестве 40-60%
взамен эквивалентной части цемента позволяет получать бетоны, прочность которых в
1,5-2 раза выше прочности бетонов на промышленно изготовленных цементах. Бетоны
с
добавкой
шлака
характеризуются
повышенной
сульфатостойкостью,
удовлетворительной морозостойкостью и рядом других положительных свойств».
В своей статье «Применение зол и золошлаковых отходов в строительстве»
Ватин Н.И., Петросов Д.В. и др. [9] классифицируют виды зол в зависимости от вида
сжигаемого угля:
1) Зола-уноса при сухом золоудалении с осаждением частиц золы в циклонах и
электрофильтрах и накоплением в силосах.
2) Топливные шлаки при полном плавлении минеральной части топлива,
осаждении расплава в нижней части топки котла и грануляции расплава водой
аналогично придоменной грануляции доменных шлаков.
3) Золошлаковая смесь при совместном мокром удалении уловленной
обеспыливающими устройствами золы-уноса и топливных шлаков, образующихся в
котле. Золошлаковая смесь в виде пульпы направляется в золоотвал.
В патенте РФ по приготовлению шламобетона [24] предлагается включение в
состав нефтешлама - продукта очистки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов и
минерального вяжущего - известь или цемент. При этом минеральная часть
нефтешлама представляет собой полидисперсные частицы (мас.%): СаСО3 и MgCO3,
гидроксиды Са(ОН)2, Mg(OH)2, Al(ОН)3, Fe(ОН)3 - 70-75, а органическая часть
содержит сырую нефть и продукты ее переработки (включающие фракции масел, смол,
асфальтенов и их модификации - асфальтогеновые кислоты), а также воду - 30-25,
причем соотношение органической части смеси и воды составляет 1:2. Соотношение
компонентов шламобетона, мас.%, следующее: органоминеральная смесь - 86,2-87,6;
известь или цемент - 12,4-14,8. К недостаткам этого бетона можно отнести то, что он
3
имеет сравнительно узкий диапазон применения, поскольку по прочности относится ко
II и III классам.
Одна из разработок - бетонная смесь (см. патент РФ №2131856, опубл.
10.07.2000) [25], которая содержит в процентах от массы: портландцемент 19,5-20,1,
щебень 48,2-48,5, песок 30,0-31,5, суперпластификатор на основе натриевой соли
продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 0,21-0,50,
порошкообразный бентонит 0,4-1,2. Недостатком этого состава является недостаточная
прочность и истираемость, а также крошливость краев плитки в процессе укладки.
Известна бетонная смесь, содержащая цемент, щебень, песок и воду, а также
суперпластификатор на основе натриевой соли нафталинсульфокислоты с
формальдегидом С-3 в качестве добавки при следующем соотношении компонентов,
мас. ч. : цемент - 350, щебень - 1200, песок - 760, вода - 142, суперпластификатор на
основе натриевой соли нафталинсульфокислоты с формальдегидом С-3 - 210 (т.е. 0,6 от
массы цемента) или мас.%: цемент - 13,15; щебень - 45,08; песок - 28,55; вода - 5,33;
суперпластификатор на основе натриевой соли нафталинсульфокислоты с
формальдегидом С-3 - 7,89.
Недостатками описанной бетонной смеси являются низкая механическая
прочность бетона на ее основе для ряда изделий, например, для тротуарных плит,
вследствие малого содержания суперпластификатора С-3 (0,6 от массы цемента),
значительное коробление плоских изделий на основе этой смеси при увлажнении и
сушке, постепенное растрескивание плоских изделий и сокращение срока их службы
из-за расслоения бетонной смеси при виброуплотнении для высокопластичных масс,
т.к. введение суперпластификатора С-3 без специальных водоудерживающих добавок
сильно снижает водоудерживающую способность смеси и, как следствие, из-за
нарушения однородности бетона по толщине изделий. Кроме этого, поверхности
изделий, изготовленных на основе описанной бетонной смеси, характеризуются
темным грязным цветом, так как суперпластификатор С-3, имея темный цвет и являясь
поверхностно-активным веществом, адсорбируется на поверхности зерен цемента и
окрашивает его в темный цвет, что придает всему изделию грязный оттенок.
Известен способ приготовления декоративной бетонной смеси, включающий
одновременное введение портландцемента, заполнителя и белого пигмента концентрата покровной казеиновой краски. Концентрат покровной казеиновой краски
вводят в количестве до 10% от массы цемента [10].
Недостатками этого способа приготовления бетонной смеси являются узкая
сфера применения вследствие дефицитности белого пигмента и значительное
коробление плоских изделий, изготовленных с использованием этого способа, при
увлажнении и сушке, так как полученная бетонная смесь не обладает достаточной
водоудерживающей способностью и расслаивается при виброуплотнении, и, как
следствие, сокращается срок службы изделий. Кроме этого, изделия, изготовленные с
использованием описанного способа, не обладают высокой механической прочностью.
Известен способ приготовления бетонной смеси, включающий предварительную
обработку цемента суперпластификатором в количестве 2,2 - 20,0% от массы цемента
при механическом воздействии 30 - 120 Вт на килограмм обрабатываемой смеси в
течение 20,0 - 3,6 · 104 сек, последующее перемешивание в бетоносмесителе
полученного вяжущего с заполнителем и затворение водой. В качестве заполнителя
используют щебень и песок [31].
Недостатками описанного способа приготовления бетонной смеси являются
сложность технологического процесса приготовления бетонной смеси вследствие
необходимости использования дополнительного перемешивающего устройства для
смешивания цемента с суперпластификатором и повышенный расход дорогостоящего
суперпластификатора С-3 (2,2 - 20,0% от массы цемента). Кроме этого, поверхности
изделий, изготовленных с использованием описанного способа, характеризуются
4
темным грязным цветом вследствие обработки цемента суперпластификатором С-3,
который, адсорбируясь на поверхности зерен цемента, окрашивает его в темный цвет,
придавая всему изделию грязный оттенок и не дает использовать готовые изделия в
качестве облицовочного материала.
Известна бетонная смесь, содержащая портландцемент, щебень, песок,
суперпластификатор
на
основе
натриевой
соли
продукта
конденсации
нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3, порошкообразный поливинилацетат и
метилпиразол при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 18,9
- 19,4; щебень 44,1 - 44,5; песок 35,0 - 35,6; указанный суперпластификатор 0,1 - 0,2;
порошкообразный поливинилацетат 0,8 - 1,1; метилпиразол 0,1 - 0,2 [26].
Основными недостатками бетонной смеси-прототипа являются, во-первых,
низкая механическая прочность изделий на ее основе, т.к. указанное количество
суперпластификатора С-3 в бетонной смеси (0,1 - 0,2 мас.%) не обеспечивает снижения
требуемого количества воды затворения для бетонной смеси и, следовательно, не
приводит к повышению плотности и механической прочности изделий (при увеличении
количества суперпластификатора С-3 в бетонной смеси - сверх 0,2 мас.% - замедляются
процессы схватыванияи твердения портландцемента, и прирост механической
прочности изделий также не происходит), во-вторых, значительное коробление изделий
на основе этой бетонной смеси при увлажнении и сушке, что сокращает срок их
службы, т.к. для описанной бетонной смеси характерно расслоение при
виброуплотнении вследствие низкой водоудерживающей способности смеси, и, как
следствие, нарушение однородности бетона по толщине изделий; в-третьих, не
обеспечивается необходимая белизна поверхностей изделий, изготовленных на основе
этой бетонной смеси, т.к. цвет поверхностей характеризуется как грязноватый,
вследствие того, что суперпластификатор С-3, имея темный цвет и являясь
поверхностно-активным веществом, адсорбируется на поверхности зерен цемента и
окрашивает его в темный цвет, что придает всему изделию грязный оттенок.
В патенте №2307209 [27] заявлен состав для тротуарной плитки, содержащий в
себе цемент марки 500-450 мас.ч.; песок - 100-560 мас.ч.; щебень - 1000 мас.ч. и воду в
количестве 150 мас.ч., в качестве связующего вещества и пластификатора нефтесодержащие шламы в количестве 100-560 мас.ч. Данное изобретение наиболее
близко подходит к теме настоящей работы. Однако, объемы нефтесодержащих шламов
не могут сравниться с объемами золоотвалов, по представляемому для производства
материалу. Заявленные физические характеристики полученных образцов полностью
удовлетворяют требованиям действующих стандартов (см. табл. 1)
Таблица 1 – Физические характеристики образцов [27]
Параметр
Предел прочности
при сжатии
При изгибе
Плотность, гк/м3
Морозоустойчивость,
(МРЗ)
Водопоглощение, %
Истираемость, %
Усадка, %
С использованием
дезинтегратора
(заявляемая)
С использованием в
качестве
пластификатора
нефтесодержащих
шламов
Пластификатор
"Биотех НМ"
Пластификатор С3
58,5
39,8
28,0
38,7
8,07
2780
290
6,12
2400
290
3,8
2280
180
6,10
2410
290
3,3
1,7
1,1
4,0
2,0
1,4
6,4
5,6
3,6
3,7
2,0
1,3
5
Согласно патента № 2106327 [28], приготовление бетонной смеси ведется из
высокопрочного цемента, мелкого и крупного заполнителей, суперпластификатора и
воды затворения. Заполнители предварительно подготавливают с удалением слабых
зерен, посторонних примесей и с разделением их на фракции. В качестве мелкого
заполнителя используют песок с показателем дробимости 5–30%, а в качестве крупного
– щебень с требуемыми параметрами при объемном соотношении цемента, песка и
щебня соответственно Vц :Vп :Vщ = 1,00 : (1,00 – 1,45) : (2,00–3,00).
Количество воды затворения определяют из зависимости для определения
проектной прочности бетона, выведенной экспериментально-теоретическим путем,
водоцементное отношение выдерживают в пределах В/Ц = 0,24–0,28.
Суперпластификатор вводят в смесь в количестве 0,5–1,0% от массы цемента.
Основным недостатком такой разработки является нацеленность на
использование дорогостоящих материалов и природных ресурсов. Кроме того,
используемые наполнители проходят через дробильные установки, что увеличивает
стоимость готового продукта и усложняет сам процесс производства.
В другом патентном документе (№ 2377209) [29] разработка нацелена на
увеличение сопротивлению бетонной смеси при сжатии и максимально возможном
снижении усадки готовых изделий. Поставленная задача достигается тем, что
строительный раствор, включающий цемент, песок, добавку, воду, в качестве песка
содержит отход медеплавильного производства со следующим содержанием основных
оксидов, мас.%: SiO2 – 29,60; Fe2O3 – 60,60; Аl2О3 – 3,30; CaO – 1,60; CuO – 1,10; ZnO –
2,90; TiO2 – 0,40; РbO2 – 0,40; MnO – 0,04; NiO – 0,02; Сr2О3 – 0,03; CdO – 0,01, а в
качестве добавки – золь гидроксида железа (III). Новым по сравнению с известными
строительными растворами в данном патенте является сочетание известных
компонентов цемента, воды с отходом медеплавильного производства и добавкой золя
гидроксида железа (III). Именно, использование многокомпонентного отхода
медеплавильного производства, по указанию авторов, с указанными компонентами
обеспечивает формирование наиболее плотной структуры строительного раствора,
который отличается повышенной прочностью при сжатии, пониженное значение
усадки и водопоглощения, т.е. достигается требуемый технический результат за счет
значительного повышения гидратационной активности цемента и дополнительного
блокирования пор дисперсиями гидроксида железа (III), входящими в состав золя
гидроксида железа (III). Стоит отметить, достаточно простую технологию производства
образцов в данном методе.
Таблица 2 – Состав бетонной смеси согласно патента [29]
Компонент
Цемент
Отход
медеплавильного
производства
Золь гидроксида
железа (III)
Вода
Массовая доля,
%
15,23-16,42
75,74-76,82
0,04-0,05
7,8-7,9
Известен строительный раствор, содержащий связующее, минеральный
наполнитель, мыло хозяйственное и воду, в качестве связующего раствор содержит
карбоксилметилцеллюлозу, а в качестве наполнителя – доломитовую пыль [32].
Недостатком данного технического решения является недостаточная прочность при
сжатии, повышенное значение усадки и водопоглощения.
Известен строительный раствор, включающий цемент, известковый компонент,
стеарат калия и воду [30]. Недостатком данного технического решения является
пониженная прочность при сжатии, повышенное значение усадки и водопоглощения.
Строительный раствор (139841) [32], включает в себя цемент, песок, добавку и
воду, в качестве песка используется формовочный отход металлургического
производства – формоотход, а в качестве добавки используется добавка на основе
6
стеарата натрия (С17Н35СООNа) при следующем соотношении компонентов, мас. %
(см. табл. 3).
Таблица 3 – Состав бетонной смеси согласно патенту № 2139841
Компонент
Цемент
Формоотход
Добавка на основе стеарата
натрия C17H35COONa
Вода
Массовая доля,
%
24-28
50-60
8-10
8-6
В своих трудах Прокопец B.C. [11,12,13] рассматривает механоактивацию как
основной путь к увеличению физико-механических характеристик бетонов на основе
отходов ТЭС г. Омска с увеличением вовлеченного объема ЗШО в бетонную смесь.
Согласно изложенным данным [11], часть цементных зерен крупностью 40-60
мкм остается негидратированными и лишь через полгода толщина слоя цементного
камня достигает 15 мкм, в то время, как основными цементными зернами,
участвующими в наборе прочности цементного камня, являются зерна крупностью 3-30
мкм [14]. Основной проблемой при приготовлении бетонных смесей является
неоднородность взаимодействия цементных зерен с водой, вследствие их коагуляции
из-за сил молекулярного сцепления.
Уменьшая фракционный состав цемента, повышается удельная поверхность, что
должно было бы положительно сказаться на равномерности взаимодействия цементных
зерен с водой. Однако, применение молящего оборудования вносит вклад в статью
расходов производства и является неэкономичным. Выходом из сложившейся ситуации
видится активация вяжущего в процессе приготовления бетонной смеси или вяжущего
на стадии смешения с добавками (ЗШО) [11].
Прокопец В. С. объясняет низкое распространение применения ЗШО в
производстве следующими их недостатками: «высокие зольность (до 53%) и пористость (до 1600 м2 /кг), а также очень низкая основность (Косн = 0,03, т.е. <<1)что
обуславливает высокую водопотребность, что резко снижает прочность получаемых
материалов и изделий [24].
Стоит отметить, что в настоящей работе удалось избежать увеличения
водопотребности бетонной смеси, используя пластифицирующие добавки в
необходимых количествах как для растворов с механоактивированным вяжущим, так и
без.
Применение зол ТЭС с обычным механическим смешением явно показывает
неактуальность данного метода, выраженную в резком снижении прочности готового
продукта (см. рис. 1.1) [12].
Предложенная Прокопцом В. С. смесь получила название Зольцит, и имеет
физико-механические характеристики приведенные в табл. 4 [12].
Из таблицы 4 видно, что состав бетонной смеси с прочностью при сжатии 44,5
Мпа (строка 2) наиболее близок по параметрам к проектируемым составам бетонных
смесей данной работы. Однако, в составе отсутствует крупный наполнитель (осадочная
или вулканическая порода), а присутствуют только ЗШО и шлам.
7
Таблица 4 - Физико-механические характеристики Зольцита [12]
-
-
добавка
Шлам
100
Зола
Цемет
Содержание
компонентов в
вяжущем, %
Плот- Норма Сроки
ность, льная схватыва
г/смЗ густот ния, час- Равномер
мин
а
ность
начало/
цемен
изменения
тного конец
объёма
теста,
%
3,1
25
27 40 30
3
3,04
26,1
36 40 20
4
3,05
25,5
47 29 19
5
3,07
25,4
2-50/
5-20
2-55/
4-30
1-45/
4-55
1-35/
4-35
Предел
прочности
через 28 суток
твердения, МПа
при на
сжат растяжен
ии
ие при
изгибе
Предел
прочности
через 90 суток
твердения, МПа
при на
сжат растяжен
ии
ие при
изгибе
Стоимость
вяжущего
без
НДС,
руб/тн
Выдержали
51,2
6,2
-
-
4 788
Выдержали
44,5
7,4
71,5
9,6
1845
Выдержали
56,7
7,8
90,6
10,6
2 339
Выдержали
65,5
8,9
110,5
14,5
2842
Рисунок 1 - Влияние содержания золы в цементе на активность вяжущего [12]
Таким образом, анализируя известную литературу посвященную развитию и
изучению технологии введения ЗШО в состав бетонной смеси, можно подытожить:
1) Введение ЗШО в состав бетонной смеси не ухудшает характеристики
готового изделия;
2) Бетонные смеси с ЗШО обладают рядом повышенных характеристик –
прочность при сжатии, изгибе, водопотребность и пр.
3) Существует реальный опыт внедрения технологии изготовления бетона на
основе ЗШО в Сибирском федеральном округе.
8
Тяжелые бетонные смеси, их характеристика и свойства
Тяжелая бетонная смесь – это бетонная смесь, приготовленная из цемента, воды,
а так же крупных и мелких заполнителей. Тяжёлым считается бетон с удельной массой
одного кубического метра 1800 - 2500 кг. Крупными заполнителями тяжёлого бетона
являются такие горные породы как: гранит, известняк, диабаз, гравий.
Тяжелый бетон должен обладать рядом свойств, такими как скорость набора
проектной (планируемой марочной) прочности к определенному сроку,
водостойкостью (проникновению и накоплению влаги в теле бетонного камня),
морозостойкостью (способностью выдерживать циклы заморозки-разморозки),
плотностью и т. д. Кроме того, требуется определенная степень подвижности бетонной
смеси, которая соответствовала бы принятым способам ее укладки и позволяла бы
траспортировать готовую смесь до места ее выгрузки и укладки.
Бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную систему,
состоящую из новообразований, образовавшихся при взаимодействии вяжущего с
водой, непрореагированных частиц клинкера, заполнителя, воды, вводимых
специальных добавок и вовлеченного воздуха. Ввиду наличия сил взаимодействия
между дисперсными частицами твердой фазы и воды эта система приобретает
связанность и может рассматриваться как единое физическое тело с определенными
реологическими, физическими и механическими свойствами.
Определяющее влияние на эти свойства будут оказывать количество и качество
цементного теста, которое, являясь дисперсной системой, имеет высокоразвитую
поверхность раздела твердой и жидкой фаз, что способствует развитию сил
молекулярного сцепления и повышению связанности системы.
В процессе гидратации цемента количество гелеобразных новообразований
растет, увеличивается дисперсность твердой фазы, повышается клеящаяся способность
цементного теста и его связующая роль в бетонной смеси.
Цементноеявляется
структурированной
системой,
характеризующуюся
некоторой начальной прочностью. Определенная структура цементного теста создается
за счет действия сил молекулярного сцепления между частицами, окаймленными
тонкими пленками воды. Пленки жидкой фазы в структуре цементного теста придают
ему свойство пластичности. Структурная вязкость цементного теста зависит от
концентрации твердой фазы в водной суспензии. Поведение структурированных систем
при приложении внешних сил в отличие от жидких телрезко меняется.
Простое смешение вышеуказанных компонент при соблюдении
всех
необходимых условиях (чистота компонент, зерновой состав, температура) может не
дать ожидаемого результата, так как, молекулярные силы взаимодействия в цементном
тесте достаточно сложны, и существует ряд проблем, таких как образование эттрингита
и туамасита, влияние от которых частично или полностью убирается применение
пластифицирующих добавок. Кроме того, для получения удобоукладываемой бетонной
смеси отношение воды к цементу обычно принимают В/Ц = 0,4-0,7, в то время как для
химического взаимодействия цемента с водой требуется не более 20% воды от массы
цемента. Избыточная вода, не вступившая в химическое взаимодействие с цементом,
испаряется из бетона, образуя в нём поры, что ведёт к снижению плотности и
соответственно прочности бетона. Прочность бетона можно повысить путём
уменьшения водоцементного отношения и усиленного уплотнения, что также
позволяет осуществить добавление пластификаторов в бетонную смесь.
Пластифицирующими называют добавки, увеличивающие подвижность (или
уменьшающие жесткость) бетонных смесей без снижения прочности бетона.
Подвижность бетонных смесей характеризуется усадкой стандартного конуса,
выражаемой в сантиметрах. Для определения пластифицирующего эффекта добавки
изготовляют бетонную смесь с осадкой конуса 2 - 4 см. При введении добавки осадка
9
конуса возрастает. В зависимости от полученного результата добавку относят к одной
из следующих четырех групп: I группа — суперпластификаторы, увеличивающие
осадку конуса с 2 - 4 до 20 см и более; II группа — сильнопластифицирующие,
повышают осадку конуса до 14 – 19см; III группа — среднепластифицирующие, осадка
конуса 9 - 13 см; IV группа — слабопластифицирующие, осадка конуса менее 8 см [33].
Для приготовления смесей тяжёлых бетонов наиболее подходит использование
суперпластификаторов. В данной работе в качестве пластифицирующей добавки
использовался суперпластификатор «Стандарт» на основе пластификатора С-3
(производитель ЗАО «Владимирский ЖБК»). Характеристики пластификатора
приведены в табл. 5.
Таблица 5 – Важнейшие характеристики добавки «Стандарт»
Наименование показателя
Внешний вид
Плотность при 20 ºС, не менее, г/см3
Массовая доля воды, % не более
Показатель активности водородных ионов
(рН)
Массовая доля ионов хлора в сухом
веществе, не более
Значение показателей для добавки
Однородная жидкость тёмнокоричневого цвета
1,175
70,0
8,5 ± 1,5
0,1
Суперпластификаторы С–3 – специально синтезируемые органические
соединения, применение которых в оптимальных дозировках позволяет получать из
малоподвижных бетонных смесей литые и высокоподвижные смеси без снижения
прочности бетона во все сроки твердения.
Свойства пластификатора тесно связаны с его характерными особенностями:
способность адсорбироваться на разных поверхностях раздела фаз и образовывать
пространственные коагуляционные структуры, как в объёме цементной системы, так и
в бетонной смеси. Рассмотрим подробнее механизм действия суперпластификатора при
добавлении его в бетонную смесь .
Продуктами взаимодействия агрессивной среды и цементного камня, в первую
очередь, являются эттрингит (продукт изменения алюмосиликатов Са). Когда
эттрингит образуется в свежеприготовленной бетонной смеси, а его распределение
является относительно равномерно, он не является причиной разрушения бетона.
Протекающая реакция образования эттрингита в момент приготовления бетонной
смеси имеет вид:
3CaO•Al2O3+3(CaSO4•3H2O)+26H2O = 3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O
В процессе этой реакции эттрингит адсорбируется на поверхности цементных
зерен, не допускает проникновение к ним воды и адгезии цементного геля и тем самым
способен регулировать сроки схватывания цементного камня.
Суперпластификатор действует на поверхностную оболочку цементных зерен и
возникающие новообразования. Молекулы суперпластификатора способны вызывать
распад пленки, адсорбируя игольчатые кристаллы эттрингита и тем самым
высвобождая часть иммобилизованной эттрингитом воды и улучшая доступ веды к
внутренним слоям цементного зерна.
При введении суперпластификаторов в бетонную смесь они, адсорбируясь на
твердой поверхности зерен цемента и заполнителя, создают на поверхности
утолщенную оболочку со значительным отрицательным потенциалом и тем самым
повышают эффект диспергации и отталкивания частиц и подвижность бетонной смеси.
Однако для обеспечения их хорошего взаимодействия с поверхностью твердых частиц
требуется интенсивное перемешивание или предварительная активация в присутствии
добавки [35].
10
Технология приготовления бетонной смеси
Тротуарная плитка производится двумя самыми распространенными на данный
момент способами: вибропрессованием и вибролитьем. Первый способ предполагает
использование жестких смесей с низким содержанием воды, при втором применяют
пластичные составы, заливаемые в виброформы. Оба способа позволяют получать
отличный результат, и выбор метода производства того или иного вида плитки зависит
от формы готового изделия, состава раствора и предпочтений производителя. В
настоящей работе использовался только вибролитьевой метод.
На сегодняшний день вибролитьё получило более широкое распространение на
российских заводах по изготовлению тротуарных покрытий. С его помощью получают
плитку самых разных размеров и форм. Наряду с гладкой поверхностью выпускаются
изделия, имитирующие кирпич, брусчатку, доски и даже деревянные спилы [19].
Технология изготовления тротуарной плитки включает в себя несколько
основных этапов [39]:

подготовка форм;

приготовление бетонной смеси;

формование на вибростоле;

выдерживание изделий в формах;

распалубка изделий;

упаковка и хранение.
Рассмотрим каждый из этапов производства подробнее.
Подготовка форм.
Формы для изготовления изготовления тротуарной плитки могут использоваться
пластиковые, резиновые и резиноподобные (полиуретановые). Количество циклов
формования, которое выдерживают формы, составляет: для резиновых - до 500 циклов,
для пластиковых - 230-250, для полиуретановых - 80-100 циклов.
Формы перед заливкой в них бетона смазывают специальными составами или
заливают бетон без предварительного смазывания формы. При работе без смазки новые
формы обрабатывают антистатиком, после распалубки формы осматривают и при
необходимости промывают 5-10 % раствором соляной кислоты..
Приготовление бетонной смеси
В основном порядок приготовления смеси не отличается от приготовления
обычного бетона.
Оптимальный режим перемешивания:

вода + пигмент – 15 – 20 с;

песок + пигмент – 15 – 20 с;

песок + пигмент + щебень – 15 - 20с;

песок + пигмент + щебень + цемент - около 20 с;

песок + пигмент + щебень + цемент+ЗШО + добавки - 3 - 5 мин;

всего – 5,5 – 6 мин.
Для повышения долговечности бетона, его износоустойчивости и сопротивления
удару в бетон добавляются полипропиленовые, полиамидные или стеклянные
щелочестойкие волокна длиной 5-20 мм и диаметром 5-50 мкм в количестве 0,7-1,0 кг
на 1м3 бетона.
Полипропиленовое и щелочестойкое стекловолокна вводят с водой затворения;
полиамидное волокно вводят в готовую бетонную смесь, т.е. на последнем этапе, при
этом время перемешивания смеси увеличивают на 30 -50с.
11
В качестве воды затворения рассматривается то количество воды, которое
добавляется к смеси при замешивании. Для этого можно применять воду из природных
источников, если она не содержит примесей, негативно влияющих на твердение или
другие свойства бетона.
При определении количества необходимой воды затворения следует учитывать
собственную влажность заполнителя. Она состоит из поверхностной влажности и
зерновой влажности. Поверхностная влажность — это вода на поверхности зерен или
между зернами заполнителя. При стационарных мешалках поверхностная влажность
постоянно измеряется радиометрическим способом.
Требуемое количество воды затворения получается из потребности в воде за
вычетом поверхностной влаги в заполнителе. Контроль за водосодержанием смеси на
площадке возможен с помощью испытания консистенции свежего бетона.
Формование на вибростоле
Готовая бетонная смесь имеет удобоукладываемость ОК=3-4 см. Поэтому для ее
уплотнения используют кратковременную виброобработку. После приготовления
бетонной смеси ее укладывают в формы и уплотняют на вибростоле.
При производстве цветной плитки в пластиковых формах для экономии
пигмента можно применять послойное формование: первый лицевой слой бетона
приготавливается с использованием пигмента, второй слой бетона без него. Для
раздельного формования необходимо иметь два смесителя для приготовления бетона
первого и второго слоя.
При формовании сначала укладывается лицевой слой цветного бетона толщиной
2 см и уплотняется в течение 40 с. После этого укладывается 2-й слой бетона без
пигмента и уплотняется вибрацией еще в течение 20 с. При другой подвижности бетона
необходимо подобрать свое время уплотнения на формовочном столе.
Выдерживание изделий
После формования изделия в формах устанавливаются в штабели высотой 3-8
рядов в зависимости от толщины и конфигурации плитки. Так, например, квадратные
плиты ставятся не более чем в 3 ряда. После этого штабели накрывают полиэтиленовой
пленкой для предотвращения испарения влаги. Температура выдерживания должна
быть не менее 15 °С. Дополнительный подогрев не требуется. После 24 ч выдержки в
формах можно произвести распалубку (освобождение изделий из форм).
Распалубка
Распалубку фигурных изделий производят на специальном выбивочном столике
с вибрацией, при этом для облегчения распалубки формы с изделиями рекомендуется
подогреть 2-3 мин в ванне с горячей водой (температура 45-50 °С). При этом
используется эффект высокого теплового расширения полимеров по сравнению с
бетоном.
Распалубка квадратных плит и фасадной плитки происходит без каких-либо
специальных приспособлений. Следует отметить, что распалубка без предварительного
нагрева укорачивает срок службы формы приблизительно на 30 % и может привести к
браку готовой продукции, особенно у тонких изделий.
Упаковка и хранение
После распалубки плитку укладывают на европоддоны "лицом" к "спине",
увязывая их упаковочной лентой. Для обеспечения дальнейшего твердения бетона и
сохранения
товарного
вида
изделий
их
необходимо
накрыть
полиэтиленовойтермоусадочной или стрейч-пленкой. В летнее время отпуск изделий
производится при достижении ими 70 % от проектной прочности, что приблизительно
соответствует 7 суткам твердения бетона, считая с момента его изготовления. В зимнее
12
время отпуск производится при достижении 100 % от проектной прочности (28 суток с
момента приготовления бетона) [31].
Методики испытания бетонных изделий
Для контроля качества бетонных изделий проводится ряд испытаний на
прочность при сжатии, изгибе, водопоглощение, морозостойкость и прочее. В
настоящей работе для полученных образцов проводились испытания в соответствии с
ГОСТ на следующие показатели.
Прочность бетона.
Испытания на прочность при сжатии проводятся в соответствии с ГОСТ 10180—
90 - Методы определения прочности по контрольным образцам [17].
Определение прочности бетона состоит в измерении минимальных усилий,
разрушающих специально изготовленные контрольные образцы бетона при их
статическом нагружении с постоянной скоростью роста нагрузки и последующем
вычислении напряжении при этих усилиях в предположении упругой работы
материала.
Порядок испытаний состоит из следующих этапов:
1) Подготовка образцов:
Форма и номинальные размеры образцов в зависимости от метода определения
прочности бетона должны соответствовать ГОСТ. Допускается применять образцы
следующих размеров и форм: кубы 70 × 70; 100 × 100; 150 × 150 мм. При
изготовлении одной или нескольких серий образцов, предназначенных для
определения различных характеристик бетона, все образцы следует изготавливать из
одной пробы бетонной смеси и уплотнять их в одинаковых условиях. При определении
прочности бетона на сжатие образцы распалубливают не ранее чем через 24 ч для
бетонов класса В7,5 и выше.
В помещении для испытания образцов следует поддерживать температуру
воздуха в пределах (20±5) °С и относительную влажность воздуха не менее 55 %. В
этих условиях образцы должны быть выдержаны до испытания в распалубленном виде,
в течение не менее 4 ч, если они твердели в воздушно-влажностных условиях или в
условиях тепловой обработки. Образцы испытываются в возрасте 7, 14 и 28 суток.
Перед испытанием образцы подвергают визуальному осмотру, устанавливая
наличие дефектов в виде cколов ребер, раковин и инородных включений по [17].
2) Проверка плоскостности граней:
Плоскость изгиба образцов-призм при испытании на растяжение при изгибе
должна быть параллельна слоям укладки. Линейные размеры образцов измеряют с
погрешностью не более 1 %.Отклонения от перпендикулярности смежных граней
образцов-кубов определяют по методике приложения 5 [17]. Отклонения от
плоскостности поверхностей образцов определяют по методике приложения 5 того же
ГОСТ.Если опорные грани образцов-кубов или цилиндров не удовлетворяют
требованиям п. 2.1.4 ГОСТ 10180-90, то они должны быть выровнены. Для выравнивания опорных граней применяют шлифование.
3) Установка в испытательную машину (рис. 2).
Рисунок 2 – Установка образца на испытательную машину (пресс гидравлический
ПРГ-7)
13
При испытании на сжатие образцы-кубы устанавливают одной из выданных
граней
на
нижнюю
опорную
плиту
пресса
(или
испытательной машины) центрально относительно
его
продольной
оси,
используя
риски, нанесенные на плиту пресса, дополнительные стальные плиты или специальное
центрирующее устройство.
Между плитами пресса и опорными поверхностями образца допускается
прокладывать дополнительные стальные опорные плиты.
После установки образца на опорные плиты пресса (дополнительные стальные
плиты) совмещают верхнюю плиту пресса с верхней опорной гранью образца
(дополнительной стальной плитой) так, чтобы их плоскости полностью прилегали одна
к другой. Далее начинаютнагружение.
Прочность тяжёлого бетона в благоприятных условиях температуры и
влажности непрерывно повышается. В первые 7-14 суток прочность бетона растёт
быстро, затем к 28 суткам рост прочности замедляется и постепенно затухает; во
влажной тёплой среде прочность бетона может нарастать несколько лет. При
нормальных условиях хранения средняя прочность бетонных образцов в 7-суточном
возрасте составляет 60-70% прочности 28-суточных образцов,
Плотный бетон может быть непроницаем не только для воды, Но и для жидких
нефтяных продуктов вязкой консистенции - мазута, тяжёлой нефти.
Морозостойкость
Морозостойкость является одним из главных требований, предъявляемых к
бетону гидротехнических сооружений, дорожных покрытий, опор мостов и других
подобных конструкций. Морозостойкость бетона характеризуется наибольшим числом
циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые способны выдержать
образцы 28-суточного возраста без снижения предела прочности при сжатии более чем
на 25% и без потери в массе более 5% [15].
Марка бетона по морозостойкости F - установленное нормами минимальное
число циклов замораживания и оттаивания образцов бетона, испытанных по базовым
методам, при которых сохраняются первоначальные физико-механические свойства в
нормируемых пределах [18].
Ускоренные испытание на морозостойкость проводятся в соответствии с ГОСТ
10060.2-95 - Ускоренные методы определения морозостойкости при многовариантном
замораживании и оттаивании [18].
Истираемость
Истираемость бетонного покрытия – показатель потери массы образца,
отнесенной к поверхности истирания, за 1 км пути [38].
Показатель истираемости определяется согласно ГОСТ 13807-81 [19]. Данный
стандарт устанавливает методы определения истираемости бетонов сухим абразивом на
круге истирания (рис. 3)(для бетонов дорожных конструкций, полов, лестниц и других
конструкций) [19].
Рисунок 3 – Лабораторный круг истирания - ЛКИ-3М
14
Водопоглощение
Водопоглощение бетона — способность материала впитывать и удерживать в
порах и капиллярах воду. Массовое водопоглощение численно выражается в процентах
как отношение массы воды, поглощенной образцом при полном насыщении, к массе
сухого образца [39].
Водопоглощение определяют испытанием образцов по ГОСТ 12730.3-78. Размеры и количество образцов принимают по ГОСТ 12730.0 [20].
Испытание образцов на водопоглащение проводят в следующем порядке:
поверхность образцов очищают от пыли, грязи и следов смазки с помощью
проволочной щетки илиабразивного камня. Испытание образцов проводят в состоянии
естественной влажности или высушенных до постоянной массы.
Образцы помещают в емкость, наполненную водой с таким расчетом, чтобы
уровень воды в емкости был выше верхнего уровня уложенных образцов примерно на
50 мм.
Образцы укладывают на прокладки так, чтобы высота образца была
минимальной (призмы и цилиндры укладывают на бок).
Температура воды в емкости должна быть (20 ± 2) °С.
Образцы взвешивают через каждые 24 ч водопоглощения на обычных или
гидростатических весах с погрешностью не более 0,1%.
При взвешивании на обычных весах образцы, вынутые из воды, предварительно
вытирают отжатой влажной тканью. Массу воды, вытекшую из пор образца на чашку
весов, следует включать в массу насыщенного образца.
Испытание проводят до тех пор, пока результаты двух последовательных
взвешиваний будут отличаться не более чем на 0,1 %.
Образцы, испытываемые в состоянии естественной влажности, после окончания
процесса водонасыщения высушивают до постоянной массы по ГОСТ 12730.2 [21].
Водопоглощение бетона определяют также методом кипячения образцов в
случае, когда это предусмотрено стандартами (техническими условиями) на сборные
бетонные и железобетонные изделия или рабочими чертежами на монолитные
бетонные и железобетонные конструкции по приложению к настоящему стандарту [22].
Золошлаковые отходы
При сжигании твердого топлива на современных электростанциях (угля, торфа и
др.) образуются так называемые очаговые остатки - зола и шлак, которые объединяют
общим термином золошлаковые материалы [16].
Зола- порошкообразный, несгораемый остаток, образующийся из минеральных
примесей топлива при его сгорании.
Содержание золы в различных видах органического топлива следующее: в
каменных и бурых углях — 1—45 % и более, в горючих сланцах — 50—80 %, в
топливном торфе — 2—30 %, в дровах — обычно менее 1 %, в растительном топливе
других видов — 3—5 %, в мазуте — до 0,15 %, а иногда выше. Верхний предел
содержания минеральных примесей определяется технической возможностью и
экономической целесообразностью использования данного ископаемого в качестве
топлива.
Зола может быть в виде летучей золы и в виде провала. Летучая зола (зола
уноса, или унос) — пылевидные фракции золы, выносимые продуктами сгорания из
топки котла или осаждающиеся в его конвективных газоходах [15].
Провал — более крупные фракции золы, выпадающие в холодную воронку
топки или под колосниковую решетку.
15
Колосниковая решётка — чугунная решетка, устанавливаемая в топке и
служащая для поддержания слоя твёрдого топлива. Колосниковая решётка имеет
отверстия или щели, через которые, в частности, под неё просыпается зола [39].
Шлак — минеральные примеси, подвергшиеся высокотемпературному нагреву,
в результате которого они расплавились или спеклись и приобрели, в конечном счете,
значительную прочность.
Для наиболее рационального решения вопроса утилизации золошлаков ТЭС
необходимо знать их свойства, которые зависят от вида, марки угля, от топочного
режима на ТЭС, а также от места отбора золы на пути прохождения дымовых газов.
Как следствие этого, химическая природа, физические, а, следовательно, и
технические свойства тех или иных зол могут быть различны. Обращает на себя
внимание то, что золы от сжигания одного и того же вида угля часто характеризуются
различными показателями химического состава и физических свойств.
В зависимости от вида сжигаемого угля (антрацит, каменный, бурый)
дисперсность, плотность, форма, цвет частиц золы, а также содержание окислов
колеблется в больших пределах [40].
Данные по химическому составу зол свидетельствуют о том, что содержание
отдельных оксидов, а также топлива в золе, получаемой от пылевидного сжигания
различных видов угля, имеет значительные отклонения. Это предопределяет свойства
золы и область ее использования в производстве строительных материалов.
Например, золы уноса, образующиеся при сжигании Канско-Ачинских бурых
углей имеют изменения химического состава, приведенные в табл. 6 [40].
Все золы характеризуются близким химическим составом минеральной части,
но резко отличаются по гранулометрическому составу и удельной поверхности, при
этом золы большинства ТЭС имеют величину удельной поверхности от 3000 до 5000 г/
см2 [40].
Таблица 6 – Состав золы бурых углей Канско-Ачинского угольного бассейна
Наименование материала
Зола бурых углей КанскоАчинского угольного
бассейна
Портландцемент марки
500
SiO2, %
Химический состав материала
Al2O3, % Fe2O3, % CaO, % MgO, %
SiO3, %
20 - 40
8 - 11
10 - 15
25 - 50
2-4
1-3
8 - 26
4-9
0,3 - 6
62 - 68
≥5
1 – 3,5
Анализируя приведённую выше таблицу можно сделать вывод, что зола бурых
углей Канско-Ачинского угольного бассейна является высококальциевой и имеет
сходный состав по содержанию оксидов металлов по сравнению с портландцементом,
используемым в приготовлении тяжёлых бетонов. Именно высокое содержание оксида
кальция делает золу бурых углей качественным минеральным материалом и отличным
вяжущим для изготовления бетонных смесей.
В данной работе использовались высококальциевые золы ТЭЦ-3 г.
Новосибирска, полученные при сжигании углей Канско-Ачинского угольного бассейна.
Образцы бетонной смеси на основе ЗШО и результаты их испытаний
В ходе проведения настоящей работы изготовлено более 50 серий образцов с
включением в состав различного процентного содержания ЗШО и других компонент,
проведены испытания на прочность при сжатии, водопоглощение и истираемость.
Подробнее остановимся на трех сериях образцов (К-14, 51, 52, 53), и
промежуточных образцов К-15, К-19, состав которых приведен в таблице 7.
16
Таблица 7 – Составы бетонных смесей с применением ЗШО и пластифицирующих
добавок
Содержание
Серия
Содержание
Содержание Доля пластификатора
наполнителя +
образца
цемента, %
ЗШО, %
от массы вяжущего, %
H2O, %
К - 14
К - 51
0,4
21,2
50,8
20,0
К - 52
0,7
К - 53
1,0
К-11
17,6
67,4
15,0
К-15
19
59,0
22
К-19
16
54,0
30
В-30
23,5
76,5
Образец К-14, как наиболее удачный с точки зрения результатов испытания на
прочность при сжатии в ранних работах послужил основой для трех серий образцов К51, 52, 53, отличительной чертой которых от К-14 явилось наличие в своем составе
суперпластификатора «Стандарт».
Стоит отметить, что к тротуарной плитке, изготавливаемой по ГОСТ 17608-91
"Плиты бетонные тротуарные" [23], предъявляются жесткие требования по
морозостойкости (не менее 200 циклов замораживания и оттаивания), прочности (не
менее 30 МПа), водопоглощению (не более 5%) и истираемости (не более 0,7 г/см?).
Поэтому создание материала требуемого качества начинается с подбора необходимых
качественных материалов для его изготовления.
Таким образом, испытаниям подверглись разработанные рецептуры тротуарного
камня с применением ЗШО и пластификатора (на основе С - 3) в количестве от 0,4 до 1
% от массы вяжущего (сумма масс цемента и золы) в смеси.
На рисунке 4 показана динамика роста набора прочности образцами с течением
времени.
Рисунок 4 – Набор марочной прочности образцами в различные сроки твердения
бетонной смеси
Бетонная смесь с включением в состав ЗШО достигла прочности в 28 суточном
возрасте – 38,5 МПа, В то время как бетонная смесь с включением в состав ЗШО с
пластифицирующими добавками достигла максимальной прочности порядка – 42,5
МПа.
Проведенные испытания образцов тротуарного камня на истираемость (в
соответствии с ГОСТ 13087-81 «Бетоны. Методы определения истираемости» [19])
показали полное соответствие изготовленных образцов требованиям ГОСТ (рис. 5).
17
Рисунок 5 – Результаты испытаний образцов на истираемость
Классический состав бетонной смеси, приготовленный по рецепту бетона марки
В-30 достиг показателя истираемости – 0,7 г/см2. Образцы бетонной смеси с
включением в состав ЗШО – 0,43 г/см2, в то время как бетонная смесь с включением в
состав ЗШО с пластифицирующими добавками достигла истираемости около – 0,35
г/см2. Таким образом, введение пластифицирующих добавок улучшило показатели
истираемости практически в 4 раза по сравнению с образцами классического состава.
Испытания образцов на влагопоглощение проводились согласно ГОСТ 12730.378 «Бетоны. Методы определения водопоглощения» [22]. Допускаемым параметром
является влагопоглощение не более 5%, при использовании заполнителей в бетонной
смеси крупностью до 20 мм.Получены следующие результаты (табл. 8).
Таблица 8 – Показатели влагопоглощения различными образцами.
Образец
Влагопоглощение, %
Образец
Влагопоглощение, %
K-11
1,9
К-19
1,5
K-14
1,7
К-51
1,3
К-15
1,7
К-52
1,3
К-16
1,6
К-53
1,2
В-30
4,9
Классический состав бетонной смеси, приготовленный по рецепту бетона марки
В-30 показал коэффициент влагопоглощения равный 4,9%; бетонная смесь с
включением в состав ЗШО дала показатель влагопоглощения – 1,9 %, в то время как
бетонная смесь с включением в состав ЗШО с пластифицирующими добавками
показала влагопоглощение 1,2%.
Таким образом, следует заметить, что при введении золошлаковых отходов в
состав бетонной смеси процент поглощаемой влаги снижается по сравнению с
образцами без золы на 3,5 %, в то время как образцы с применением
суперпластификатора С-3 снижают коэффициент влагопоглощения ещё на 0,3 %.
При изготовлении образцов для обеспечения удобоукладываемости смеси
добавлялось различное количество воды, в зависимости от количества вяжущего,
называемое водопотребностью бетонной смеси. Водопотребность бетонных смесей с
добавлением золошлаковых отходов, пластификатора и без них - представлены на
рисунке 6.
18
Рисунок 6 – Водопотребность бетонных смесей различного состава
Из представленных результатов на рисунке 6 видно, что при норме
водопотребности бетонной смеси около 8,9 % воды от массы сухой смеси (для бетона
марки В-30), мы получаем отклонение по водопотребности около 0,5 % у образцов с
содержанием 21 % ЗШО и 1 % от массы цемента пластификатора. Это небольшое
отклонение связано с тем, что при приготовлении бетонной смеси без введения в неё
ЗШО в качестве вяжущего используется только цемент, а при введении ЗШО вяжущим
выступает как цемент, так и само ЗШО, что незначительно увеличивает
водопотребность бетонной смеси.
Еще одним важным параметром бетонной смеси является водоцементное
отношение (см. табл. 9). В образцах без добавления ЗШО оно рассчитывается как
отношение массы добавленной воды к массе цементного вяжущего. В образцах, где
добавлялись ЗШО, расчет проводился с учетом добавления массы отходов.
Таблица 9 - Водоцементное отношение основных образцов бетонных смесей
Наличие
пластифи
В/Ц-1*
В/Ц-2**
-катора
отношение
отношение
С-3
0,38
В - 30
23,5
8,9
нет
0,38
К - 11
17,6
15,0
10,1
нет
0,57
0,30
К - 14
21,0
20,0
10,3
нет
0,49
0,25
К – 15
20,9
22,0
10,5
нет
0,50
0,24
К - 19
22,0
30,0
11,0
нет
0,50
0,21
К – 51
21,0
20,0
9,9
Да
0,47
0,24
К – 52
21,0
20,0
9,7
да
0,46
0,24
К - 53
21,0
20,0
9,5
да
0,45
0,23
* - Водоцементное отношение рассчитывается как частное от содержания воды в бетонной смеси
и массы требуемого цемента.
** - Водоцементное отношение рассчитывается как частное от содержания воды в бетонной
смеси и массы вяжущего (цемента и ЗШО).
Серия
образца
Доля
цементного
вяжущего, %
Доля
золошлаковых
отходов, %
Доля
потребляемой
воды, %
Из представленных результатов в таблице 9 видно, что показатель
водоцементного отношения образцов с добавлением золошлаковых отходов из расчета
в качестве вяжущего только цемента достигает 0,57, что несколько выше
рекомендуемого значения (0,55). Однако, если принять во внимание тот факт, что
вяжущим выступает и ЗШО, то видно, что В/Ц отношение в этом случае невелико.
Стоит отметить, что в процессе приготовления серий образцов К-51, 52, 53
выявлена возможность еще дополнительно снизить расход воды, что будет
апробировано в следующих сериях образцов.
19
Заключение
Поставленная в работе цель по изучению характеристик тротуарного камня на
основе ЗШО ТЭЦ-3 г. Новосибирска с применением пластифицирующих добавок
достигнута и получены следующие результаты:
1) Прочность тротуарного камня отвечает требованиям ГОСТ и имеет значение
не менее 430 кгс/см2 (42 МПа) в 28-ми суточном возрасте изделия и при
включении в состав ЗШО в количестве 20% от массы сухих компонент.
2) Истираемость тротуарного камня с использованием пластифицирующих
добавок так же отвечает требования ГОСТ и находится на отметке 0,1 г/см2,
при норме 0,7 г/см2.
3) При введении ЗШО в состав бетонной смеси наблюдается ее уплотнение,
уменьшение видимых дефектов и пор на поверхности, а сама поверхность
получает
эффект
стеклянной
поверхности.
Вследствие
этого,
водопоглощение образцов с включением ЗШО составляет 1,2% при норме в
5%.
Дальнейшим развитием работы видится исследование характеристик
тротуарного камня с повышенным содержанием ЗШО в своем составе и подбор
оптимального содержания пластификатора с составлением каталога бетонных смесей.
20
Библиографический список
КНИГИ
ОДНОТОМНЫЕ ИЗДАНИЯ
1 Фоерборн Х.-Й. Угольная зола в Европе - юридические и технические
требования по применению // Золошлаки ТЭС: удаление, транспорт, переработка,
складирование: материалы 3 междунар. науч.-практ. семинара, Москва, 22-23 апр. 2010.
- М.: МЭИ, 2010. - С.22-28. - Библиогр.: 10 назв. Е2010-924 ч/з4 (З37-З.815)
2 Рапацкая Л.А., Романов И.А. Состав, типы и применение золошлаковых
отходов Иркутской ТЭЦ // Актуальные вопросы геологии и географии Сибири: матер.
науч. конф., посвящ. 120-летию основания ТГУ, Томск, 1-4 апр. 1998 г. Т.4. - Томск,
1998. - С.206-208. - Библиогр.: 2 назв. РЖ 00.05-22Т.198
3 Расстегаева Л.Н., Носов Е.А. Свойства армированных асфальтобетонов,
приготовленных на основе шлаковых и природных минеральных материалов //
Автотранспортный комплекс. Проблемы и перспективы развития: тез. докл. междунар.
науч.-практ. конф., Москва, 11 дек. 2000 г. - М.: МАДИ (ТУ), 2000. - С.210-212. Г200015088 ч/з4 (О3-А.227)
4 Рахимова Н.Р., Рахимов Р.З., Гатауллин Р.Ф. Влияние добавок золы на
свойства шлакощелочных вяжущих и бетонов // Строит. материалы, оборуд.,
технологии XXI века. - 2007. - N 3(98). - С.36-37. - Библиогр.: 11 назв.
http://stroyremobozrenie.ru/view_art.php?id_=108&lng_=ru
5 Ращупкина М.А., Косач А.Ф., Попов В.А. Применение золы гидроудаления
омских ТЭЦ в технологии бетона // Строит. материалы. - 2005. - N 10(610). - С.17-20. Библиогр.: 8 назв.
6 Румянцев Д.Е. Использование золошлаков ТЭС для производства
строительных материалов // Проблемы энергетики: докл. науч.-практ. конф. к 30-летию
ИПКгосслужбы, Москва, 25-26 марта 1998 г. Ч.3. - М.: Изд-во ИПКгосслужбы, 1998. С.171-176. - Библиогр.: 2 назв. РЖ 03.04-22Т.175
7 Свойства золы тепловых электростанций и направления ее использования: тез.
докл. совместн. сов.-амер. симп. по методам уменьшения выбросов с дымовыми газами
электростанций, 26-28 мая. - М., 1976. - 16 с. На 2 с. авторы: Вдовченко В.С., Мигачев
В.Ф., Залкинд И.Я., Прошина Л.А. Г76-7960 кх
8 Фахратов М. Эффективная технология использования промышленных отходов
в производстве бетона и железобетона // Строительные материалы. 2003 . №12. C. 48-49
9 Ватин Н.И., Петросов Д.В. Применение зол и золошлаковых отходов в
строительстве // Magazine of Civil Engineering, №4, 2011
10 Черных В.Ф. Стеновые и отделочные материалы. М., Росагропромиздат,
1991, с. 141-143
11 Прокопец B. Влияние механоактивационного воздействия на активность
вяжущих веществ // Строительные материалы. 2003 . №9. C. 28-29
21
12 Прокопец B.C. Карамышев И.М., ПРОИЗВОДСТВО ВЫСОКОМАРОЧНОГО
ВЯЖУЩЕГО
С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ЗОЛОШЛАКОВЫХ
СЫРЬЕВЫХ
МАТЕРИАЛОВ ОМСКИХ ТЭЦ, ОМСК РОССИЯ (Брал у Ларичкина сборник)
13 Прокопец B.C. Получение минерального порошка из местного сырья на АБЗ.
// Наука и техника в дорожной отрасли. 1997. № 2. С. 22-23.
14 Волженский А.В., Попов Л.Н. Смешанные цементы повторного помола и
бетоны на их основе. М.: Госстройиздат. 1961. 107 с.
15
Комар
А.Г. Строительные материалы и изделия:
Учеб. для инж.
экон. спец. строит. вузов. – 5-е изд.,перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2001. – 280 с.
–
16 Сметанин В. И. Защита окружающей среды от отходов производства и
потребления: Учебники и учеб. пособия. — М.: Колос, 2000.— 232 с.: ил.
Стандарты
17 ГОСТ 10180—90. Методы определения прочности по контрольным образцам.
[Текст]. — Взамен ГОСТ 10180-78; введ. 1991—01—01. — М. : Изд-во стандартов,
1991. — IV, 27 с. : ил. ; 29 см.
18 ГОСТ 10060.2-95. Бетоны ускоренные методы определения морозостойкости
при многовариантном замораживании и оттаивании. [Текст]. – Взамен ГОСТ 10060-87
в части второго и третьего методов определения морозостойкости; введ. 1996—09—06.
М. : Изд-во стандартов, 1996.
19 ГОСТ 13087-81. Бетоны методы определения истираемости. [Текст]. - Взамен
ГОСТ 13087-67; введ. 1982—01—01; М. : 1983.
20 ГОСТ 12730.0–78. Бетоны. Общие требования к методам определения
плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости. [Текст].
— Введ. 1980—01—01. — М. : Стандартинформ, 2007., 3 с. 29 см.
21 ГОСТ 12730.2-78 - Бетоны. Метод определения влажности. [Текст]. — Введ.
1980—01—01. — М. : Стандартинформ, 2007., 3 с. 29 см.
22 ГОСТ 12730.3—78. Бетоны. Метод определенияводопоглощения. [Текст]. —
Введ. 1980—01—01. — М. : Стандартинформ, 2007., 4 с. 29 см.
23 ГОСТ 17608-91. Плиты бетонные тротуарные. Технические условия. [Текст].
— Введ. 1992—01—01. — М. : Изд-во стандартов, 1991. 20 с. : ил. ; 29 см.
Патентные документы
24 Шламобетон: пат. РФ №2150546, Е01С 3/04, 7/36, E02D 3/12/ Шеина Т.В.
Коренькова С.Ф. Клименков О.М.; Заявитель и патентообладатель: Самарская
государственная архитектурно-строительная академия. - № 98101139/03, заявл.
09.01.1998, опубл. 10.06.2000 – 3 с.
25 Бетонная смесь и способ ее приготовления: пат. РФ № 2131856, C04B28/04,
C04B28/04, C04B24:22, C04B14:06, C04B14:10, C04B40/00 / Автономов И.В.; Зайцев
А.Г.; Ришес А.В.; Заявитель и патентообладатель: Общество с ограниченной
ответственностью "Поиск". - № 98106829/04, заявл. 13.04.1998, опубл. 20.06.1999– 3 с.
22
26 Бетонная смесь: пат. РФ N 2064907, C04B28/02, C04B28/02, C04B24:12,
C04B24:20 / Степанова В.Ф.; Елшина Л.И.; Заявитель и патентообладатель: Научноисследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и
железобетона. - № 93055230/04, заявл. 09.12.1993, опубл. 10.08.1996– 1 с.
27 Состав для тротуарной плитки: пат. РФ N 2307209, CC04B E01C / Рожман
А.А., Михайлов С.В., Дыкало Н.Я.; Заявитель и патентообладатель: Рожман А.А.,
Михайлов С.В. - № 2006100935/03, заявл. 10.01.2006, опубл. 27.09.2007– 1 с.
28 Cпособ изготовления особо прочного цементного бетона и технологическая
линия для его осуществления: пат. РФ N 2106327, C04B40/00, B28B15/00/ Свиридов
Н.В.; Коваленко М.Г.; Дайлов А.А.; Кишкин В.А.; Заявитель и патентообладатель:
Свиридов Н.В.; Коваленко М.Г.; Дайлов А.А.; Кишкин В.А. - № 97102933/03, заявл.
04.03.1997, опубл. 10.03.1998– 1 с.
29 Строительный раствор: пат. РФ N 2307209, C04B28/02, C04B22/06,
C04B111/20/ Коробов Н.В., Старчуков Д.С., Наумов Н.В., Беляев П.В., Ромащенко
Н.М.; Заявитель и патентообладатель: Военно-космическая академия имени А.Ф.
Можайского - №2008138286/03, заявл. 25.09.2008, опубл. 27.12.2009– 1 с.
30 Строительный раствор: пт. РФ N2236390, С04В 38/10, опубл. 20.09.04 г.
31 А. С. СССР 1812769, МПК6 C 04 B 40/00, 24/30, опубл. 10.05.96
32 SU 547427, С04В 25/08, бюл. 7 от 25.02.77 г.
ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕСУРСЫ
33 Добавки к бетону и строительному раствору [Электронный ресурс] / Абаши материал для отделки саун. – Режим доступа: http://colekou23.ru. – Заглавие с экрана.
34 Добавки в бетоны, растворы и сухие строительные смеси [Электронный
ресурс] / «Торговый дом СУПЕРПЛАСТ». – Режим доступа:www.superplast.su. –
Заглавие с экрана.
35 М. В. Торопова, канд. техн. Наук. Проблема сульфатной коррозии в
современном бетоноведении[Электронный ресурс] /Строительный журнал Весь Бетон.
– Режим доступа: http://betonmagazine.ru. – Заглавие с экрана.
36 Дорожные покрытия (плитка тротуарная, брусчатка) [Электронный ресурс] /
Kamrock. – Режим доступа: http://www.kamrock.com. – Загл. с экрана.
37 Технология изготовления тротуарной плитки: подробное описание процесса
[Электронный ресурс] / Группа компаний «Ваш дом». – Режим доступа:
http://www.vashdom.ru. – Заглавие с экрана.
38 Истираемость [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://arxipedia.ru.
39 Колосниковая решётка, водопоглощение [Электронный ресурс] / Википедия,
свободная энциклопедия. – Режим доступа: ru.wikipedia.org.– Загл. с экрана.
23
40 Золошлаки. Классификация, свойства, направления использования
[Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.newchemistry.ru. – Загл. с экрана.
СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ДОКУМЕНТОВ
41 Газета Энергетика и промышленность Россиа: № 09 (173) май 2011 года:
Производство и энергетика: Кожуховский И.С.
42 Газета: № 04 (144) февраль 2010 года: Энергетика: тенденции и перспективы:
Использование золошлаков – экологичность энергопроизводства.
24