ПОЛУЧЕНИЕ ЛЁГКИХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ БЕТОНОВ НА ОСНОВЕ ЗОЛЫ-УНОС ТЭС

 

Гилязидинова Н.В., Санталова Т.Н., Рудковская Н.Ю.

(ГУ КузГТУ, г. Кемерово, РФ)

 

Results of development of technology roasting free cindery gravel on the basis of processes of interaction of ashes-ablation with liquid glass, cement and selection of structure of light-weight concrete on cindery gravel.

 

С ростом темпов строительства повсеместно, и в том числе в Кузбассе ощущается острый недостаток крупного легкого заполнителя, являющегося базой для развития сборного и монолитного домостроения и гражданского строительства.

Керамзит, выпускаемый предприятиями Кузбасса, может быть заменён зольным гравием без ущерба для качества, за счёт организации производства безобжигового бесклинкерного и малоклинкерного видов гравия. Золы-унос ГРЭС и золошлаковые отвалы Кемеровской ТЭС, могут быть утилизированы и использованы для выпусков вторичного продукта на базе этих отходов.

Кузбасским Государственным Техническим Университетом проведены научные исследования по разработке безобжигового зольного гравия на бесклинкерной и клинкерной основе; разработаны составы лёгкого бетона на зольном гравии; определены физико-механические характеристики этих бетонов.

Золы и шлаки применяют при производстве бетонов достаточно широко. Имеются технологические и научные основы получения целого ряда строительных материалов на их основе. Однако эффективное использование отходов ТЭС возможно только на основе анализа свойств конкретных материалов. Химические, физические, минералогические и другие характеристики золошлаковых отходов, главным образом, зависят от свойств сжигаемого топлива и способов отбора отходов.

Химический состав золы-унос Кемеровской ТЭС, использовавшейся для производства клинкерного и бесклинкерного видов зольного гравия содержит малое количество окиси кальция (от 3% до 5,7%) и относится к кислым - их модуль основности М_о=0,11-0,06. Они содержат 67,7%-75,3% SiO₂+Al₂O₃+FeO. Такие шлаки и золы неспособны самостоятельно твердеть, но приобретают гидравлическую активность в смеси с щелочами (жидкое стекло, цемент) при тепловлажностной обработке. Золы электростанций города Кемерово характеризуются незначительным разбросом истиной плотности (2,1-2,23 г/см³), в тоже время их тонкость помола колеблется от 1800 до 3714 см²/г. Потери при прокаливании золы-унос, ниже допустимой нормы 5%, а естественный радиационный гамма фон отвечает санитарным нормам.

Исследования касались возможности получения безобжигового зольного гравия на основе процессов взаимодействия золы-унос Кузбасских ТЭС с жидким стеклом и хлористым кальцием, в ходе которого формируется нерастворимый водой гель твёрдой кремниевой кислоты, а также оксихлориды кальция, обладающие достаточной водо- и атмосферостойкостью.

В ходе опытной отработки технологии грануляции безобжигового зольного гравия на жидком стекле было признано необходимым смешивать золу-унос сразу со всем расчётным объёмом жидкого стекла и воды затворения.

В процессе грануляции смесь окатывается в зольный гравий размером 10-40 мм, пропитывается хлоридом кальция (СаCl₂), в качестве отвердителя в течении 12 часов при температуре 20⁰С и сушится (12ч при t=60⁰C). После тепловой обработки прочность безобжигового зольного гравия составляет 0,6-0,8 МПа, что обеспечивает её транспортирование складирование и последующий рост (в 28 дневном возрасте) до значений R₂₈=(1,3-1,4)R_уск.

В ходе исследований было выявлено влияние некоторых технологических факторов и приёмов производства зольного гравия на щелочных компонентах на его физико-механические характеристики.

Влияние плотности жидкого стекла на прочностные характеристики зольного гравия изучалось при постоянном расходе жидкого стекла (250 кг) на 1м³ золы-унос. Прочность зольного гравия определялась через 12 часов выдержки его в растворе СаСl₂ и сушке при температуре 60^оС в течении 12 и 60 часов. Данные испытаний представлены  в таблице 1.

 

 Таблица 1 – Изменение прочностных характеристик зольного гравия от  удельной плотности жидкого стекла

 

Прочность зольного гравия должна соответствовать характеристикам керамзитового гравия (при марке Д700-Д800, R_сж=2,0-2,7 МПа), это как видно из таблицы 1 достигается при удельной плотности раствора жидкого стекла   1,3-1,4 кг/м³. Время тепловой обработки гранул с учётом их последующего дозревания на складе можно ограничить до 12 часов.

Влияние расхода жидкого стекла на прочностные характеристики зольного гравия изучалось при постоянной плотности жидкого стекла 1,4 кг/м³, расходе золы 1000 кг/м³ и переменном расходе воды, обеспечивающим постоянную консистенцию растворной смеси.  Прочность зольного гравия определялась после сушки  при  температуре 40^оС  в течении 12 часов. Результаты испытаний  приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Изменение прочностных характеристик зольного гравия от расхода жидкого стекла

 

Расход раствора жидкого стекла, кг	Расход воды, л	Плотность раствора жидкого стекла, кг/м3	Прочность зольного гравия, МПа
100	250	1,32	0,5
150	210	1,36	0,8
200	150	1,365	1,5
250	100	1,375	1,32
300	30	1,395	1,6

       

Из анализа полученных данных видно, что для получения гравия необходимой прочности суммарный расход водного раствора жидкого стекла должен назначаться равным 330-350 кг/м³, а плотность суммарного раствора жидкого стекла должна предварительно приниматься 1,3-1,36 кг/м³.

Влияние времени выдержки сырцовых гранул в растворе хлорида кальция определялось путём их погружения в него и выдержки при t=20^оС в течение 4,8,12,16 часов, а затем сушке при t=40^оС в течении 12 часов. Динамика нарастания  прочностных характеристик прослеживалась в течении 1,3,5,7,14 и 28 суток. В результате оптимальный показатель нарастания прочности гравия во времени получены при его выдержке в растворе СаCl₂, в течении 12 часов.

Влияние температуры сухой термообработки сырцовых гранул зольного гравия после их пребывания в растворе СаCl₂, исследовалось при нагреве их в течении 12 часов в интервале температур 20^о,40^о,60^о,90^о и 100^оС. В результате роста температуры сухого изотермического прогрева зольного гравия, его прочность на сжатие в цилиндре возрастает,  достигая максимума при температуре 90^оС.

В ходе исследований было установлено влияние технологических факторов производства зольного гравия на клинкерной (цементной) основе на его прочностные показатели.

Влияние времени грануляции зольного гравия  на его прочность определялось в интервале 7-10 минут, при определённой скорости грануляции и угле наклона гранулятора. Оптимальное время грануляции установлено 8 минут.

Влияние времени и температуры сушки гранул исследовалось при температурах 50^о,60^о,70^о,80^оС  в течении 4 и 12 часов. Расход материалов принимался постоянным - соотношение золы-унос и цемента 1:10,  расход воды 300 кг/м³ раствора. Установлено, что оптимальные прочностные показатели соответствуют температуре 60^оС, при продолжительности изотермической обработки гранул в течение 12 часов.

Исследованиями установлено, что введение в состав зольно-цементного раствора суперпластификатора С-3 незначительно снижая насыпную плотность зольного гравия уменьшает его прочность на сжатие в среднем на 27%, а введение в состав шихты 50-70 кг древесных опилок снижая насыпную плотность зольного гравия в среднем на 72 кг/м³  приводит к уменьшению прочностных показателей в среднем с 2,1 до 0,76 МПа, т.е. в 2,7 раза. Поэтому, в качестве оптимального следует принять состав  включающий 1000 кг золы-унос и 100 кг цемента М400, В/Ц=3 (с уточнением при определении гранулируемости смеси).

Все проведённые исследования показывают реальную возможность организовать производство безобжигового зольного гравия, и подтверждает, что по своим физико-механическим и другим характеристикам он пригоден для изготовления легкого конструктивно-изоляционного бетона и на его основе стеновых материалов для нужд жилищного, гражданского и промышленного строительства.

Также, в ходе исследований разработаны составы лёгкого бетона на зольном гравии. Прочностные характеристики  лёгкого бетона на зольном безобжиговом бесклинкерном гравии оценивались по пределу прочности на сжатие образцов-кубов после пропаривания при температуре 85^оС и через 28 суток нормального хранения после пропаривания .Одновременно оценивалась средняя плотность таких образцов. Составы различных видов бетона на зольном бесклинкерном гравии и их характеристики представлены  в таблице 3.

 

Таблица 3 – Прочность и средняя плотность бетона на зольном бесклинкерном гравии

 

Исследованиями установлено, что увеличение расхода цемента М 400 не ведет к существенному росту прочности, поэтому оптимальный расход следует принять 200 кг/м³. Различный расход мелкого заполнителя (золошлаковой смеси) не значительно влияет на прочностные характеристики бетона. Уменьшение расхода зольного гравия до 900 кг/м³ приводит к росту прочности бетона через 28 суток после пропаривания  и составляет 19,6 МПа со средней плотностью 1600 кг/м³.

Составы различных видов бетона на зольном клинкерном гравии назначались с различным расходом цемента М300 (200 – 400 кг/м³) и их прочностные характеристики представлены в таблице 4.

 

Таблица 4 – Прочность и средняя плотность бетона на зольном клинкерном гравии

 

Было установлено, что с ростом расхода цемента прочность легкого бетона увеличивается с 3 до 6, 2 МПа, при изменении его средней плотности с 1230 до 1375 кг/м³. Оптимальный расход цемента М300 следует принять 300 кг/м³. Такие бетоны в климатических условиях Кузбасса с прочностью 5,3 МПа и со средней плотностью 1300 кг/м³ обладают достаточной конструктивной теплотехнической способностью для использования в монолитном домостроении.

Отличительной чертой безобжиговых заполнителей, является их высокое водопоглащение, определяющее их работу в бетоне. Результаты исследования показали, что водопоглащение бетона на безобжиговом зольном гравии выше, чем у бетонов на керамзите и обжиговом зольном гравии. Поэтому влажность сборных элементов из лёгкого бетона на зольном гравии не должна превышать 12%, как требуют нормы, а монолитные стеновые конструкции должны быть защищены штукатуркой от атмосферного воздействия.

Бетоны на безобжиговом зольном гравии характеризуются высокой морозостойкостью. Исследованные составы лёгкого бетона показали, что они могут использоваться для наружных стен зданий I и II класса по степени ответственности в климатических условиях Кузбасса, а также и в других регионах.