УДК 666.945
В.М. УФИМЦЕВ, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, доцент кафедры «Материаловедение в строительстве»,
В.Ф. ГРИГОРЬЕВА, ст. инженер проблемной лаборатории силикатов, каф. технологии цемента, УГТУ-УПИ, г. Екатеринбург
Ключевые слова: технологии производства бетонов, вяжущее, заполнитель, прочность бетонной конструкции, зола, шлак, цемент, камень
Keywords: concrete production technologies, binder, aggregate, strength of concrete structure, ash, slag, cement, stone
Бесцементный бетон на основе высококальциевых зол ТЭС представляется авторам реальным конкурентом цементного аналога, что подтверждено экспериментом, проведенным еще в 80-е годы прошлого века, результаты которого приведены ниже.
В технологии производства бетона, особенно его высоких марок, прочность сцепления заполнителя с цементным камнем является одним из базовых факторов, обеспечивающих получение бетона заданной прочности. Общеизвестно, что контактная зона между ними является слабым звеном строительного бетона. В этой связи логично полагать, что фазовое (химическое) сродство между вяжущим и заполнителями обеспечит максимум прочности бетонной конструкции. Иначе говоря, равная прочность компонентов бетона должна дополняться равной между ними контактной прочностью. Указанная технология является дважды экологически активной, поскольку совмещает:
– замещение экологически грязного производства цемента обжигом во вращающейся печи на экологически безопасный аналог;
– трансформирует золошлаки в строительную продукцию высокого уровня.
Цементный клинкер – базовая составляющая в производстве портландцемента, содержит до 65% оксида кальция в виде клинкерных минералов в сочетании с SiO2, Al2O3, Fe2O3. Кроме клинкера, в составе цемента обязательно присутствует полуводный гипс СаSO40,5Н2О, нормализующий сроки схватывания цементного теста, а также иные добавки функционального назначения. В отличие от цементного клинкера доля СаО в высококальциевых золах (ВОЗ) ТЭС значительно ниже – от 5 до 50%, а доля извести в «цементной золе» должна быть не менее 25%. Изучение фазового состава ВОЗ ТЭС установило, что его структура в одной и той же пробе может содержать до десятка вариантов извести; они отличаются в основном сроками гидратации, т.е. трансформации СаО в Са(ОН)2 [3].
Данные коллизии обусловлены различиями в технологиях сжигания, используемых ТЭС. Среди них наибольшие проблемы создает высокотемпературное (≥1500°С) сжигание угля, вследствие которого часть золошлаков представлена «термически стабилизированной известью», условно обозначенной как «пережог», который непригоден ни для индустрии как вяжущее, ни для сельского хозяйства как раскислитель почвы.
Исходя из сказанного выше, следует минимизировать на ТЭС РФ высокотемпературное сжигание углей с высококальциевыми золами ввиду отсутствия у получаемых таким образом золошлаков строительных свойств.
Полагаем, что глобальной задачей современной угольной энергетики является замена традиционной технологии, производящей минеральные отходы, на универсальную, двойного назначения технологию, согласно которой помимо электроэнергии вырабатывают качественную строительную продукцию.
Следует добавить, что строительные смеси, совмещающие портландцемент и ВОЗ, менее эффективны, поскольку теряют прочность в непропорциональной зависимости, т.е. химические процессы твердения смеси зольного цемента и портландцемента взаимно «угнетаются».
Ниже дано сравнение результатов эксперимента по получению высокопрочного бетона на ВОЗ с умеренным содержанием СаО из золы-уноса Назаровского угля активностью 8,1 МПа (показатель прочности по стандарту) с портландцементом марки М400, т.е. прочностью 420 кг с/см2.
В качестве крупного заполнителя использовались зольные гранулы размером 8-10 мм, твердевшие в воздушно-влажных условиях 28 суток. Мелкий заполнитель получен дроблением и рассевом гранул фракции 5-8 см с последующим рассевом «дробленки» на ситах с размером ячейки 1,25 и 5 см.
Цель эксперимента – оценить реальные возможности получения на едином сырье с пониженной основностью, т.е. уменьшенной долей СаО, дешевой строительной продукции.
Химический состав золы-уноса угля Назаровского разреза, масс. %:
SiO2 – 27,6; Al2O3 –10,4; Fe2O3 – 14,2; СаО – 38,1; MgO – 5,8; SO3 – 3,2; СаОсвб. – 1,1; удельная поверхность – 0,33 м2/г.
Сроки схватывания зольного теста, мин.: начало – 10, окончание – 21.
Грануляция осуществлена с использованием лабораторного гранулятора. Как и ожидалось, зола хорошо гранулировалась, так как ВОЗ образуют с Н2О коллоидную фазу, а полученные гранулы быстро затвердевали. В табл. 1 приводится динамика их твердения на воздухе.
Таблица 1. Динамика твердения гранулированной золы
| Сроки твердения | исходн. | 2 час. | 1 сут. | 3 сут. | 14 сут. | 28 сут. |
| Результат, кгс/гранул. | 15 | 23 | 72 | 82 | 90 | 124 |
В табл. 2 данные бетонов на зольном вяжущем сравнимы по плотности с портландцементом марки М400, а в табл. 3 приведена динамика их твердения в условиях комнатных температур.
Таблица 2. Составы зольных бетонов
| № состава | Расход материалов на 1 м3 бетонах | Водовяжущее отношение | Плотностьбетонной смеси, кг/м3 | |||||
| вяжущее | крупный заполнитель | мелкий заполнитель | ||||||
| 1 | 304 кг | цемент | щебень | 1350 | песок | 548 | 0,65 | 2400 |
| 2 | зола | 415 | гранулы | 1370 | oтсев | 410 | 0,52 | 2350 |
| 3 | зола | 415 | 1330 | щебень | 650 | — | 0,35 | 2500 |
| 4 | зола | 415 | гранулы | 1260 | отсев | 467 | 0,56 | 2320 |
Таблица 3. Прочность зольных бетонов
| № состава | вяжущее | Предел прочности образцов на сжатие после влажного хранения | ||||
| Вяжущее | Расход кг/м3 | 3 сут. | 28 сут. | 180 сут. | 28 сут. 50* циклов замораж. | |
| 1* | Цемент | 304 | — | 420 | 555 | 555 |
| 2 | Зола | 415 | 80 | 280 | 324 | 204 |
| 3 | Зола | 415 | 43 | 56 | 183 | не определ. |
| 4 | Зола | 415 | 55 | 208 | 257 | 406 |
* – после 28 суток твердения в водной среде.
Установлено:
– плотности стандартного и зольных цементов близки, однако удельный расход вяжущего на 1 м3 бетона у зольного цемента на 20% выше, чем у портландцемента;
– упрочнение зольного бетона протекает дольше цементного, что свидетельствует о его более сложной схеме гидратации в сравнении с цементным бетоном.
Весьма существенно, что доля извести (СаО) в зольном цементе в сравнении с портландцементом значительно ниже, что, безусловно, является гарантией ощутимого снижения выброса СО2 в земную атмосферу в сравнении с глобальным производством цемента с использованием вращающихся печей.
Структура зольного цемента относится к неравновесным минеральным системам и потому быстро затвердевает, что усложняет его применение в строительстве. Выявлено, что включение в состав зольного цемента фосфогипса (попутного продукта производства фосфорных удобрений) способно существенно, до 60 минут, сохранять подвижность водозолоцементной смеси [4].
Выводы:
1. Целесообразно исключить из отечественной энергетики использование котлоагрегатов, использующих температуру факела сжигания угля выше 1000°С, поскольку при этом строительные свойства золошлаковой продукции полностью теряются.
2. Механизм гидратации и твердения зольного цемента заслуживает специального изучения как вариант перспективной технологии, совмещающей эффективное сжигание угля с высокопродуктивной схемой утилизации его твердых продуктов.
3. Показатели плотности зольного бетона и портландцемента близки, что объясняет близость их по показателю прочности.
4. Высокая прочность зольного цемента достигается в относительно краткие сроки и, вероятно, является результатом самопрогрева.
5. Зольное вяжущее эффективно для производства всех составляющих строительного бетона, включая крупный и мелкий заполнители.
6. Структура зольного цемента относится к неравновесным минеральным системам и потому быстро затвердевает, что усложняет его применение в строительстве.
7. Выявлено, что введение в зольный цемент фосфогипса способно существенно, до 60 минут, сохранять подвижность водозольноцементной смеси.
Библиографический список
1. Страна Росатом. Газета атомной отрасли. №17 (337). Май 2018 г. «Парниковый круговорот. Промышленные выбросы СО2», – 9 с.
2. Савинкина М.А., Логвиненко Т.А. «Золы канско-ачинских бурых углей». Изд-во Сибирского филиала РАН. Новосибирск. 1979, – 168 с.
3. Исследование по созданию экологического золоотвала и утилизации золошлаковых отходов от канско-ачинских углей. Отчет Уральского политехнического института по хоздоговору №1145. г. Свердловск. УДК621.662.666. № гос. рег. 79032060. 11.1980 г.
4. Уфимцев В.М. Агломерационный цемент на техногенном сырье // Сухие строительные смеси, №6, 2018, с. 14-16.
5. Уфимцев В.М., Григорьева В.Ф. Строительные бетоны из высококальциевой золы. Механика и технология композиционных материалов. Международный конгресс, Варна, 1982, т. 5, с. 745-749.
