Ресурсосберегающая технология бетона с обогащенной золой ТЭС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Петрик Ирина Юрьевна

• Петрик Ирина Юрьевна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Петрик Ирина Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О БЕТОНАХ С

ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЗОЛЫ ТЭС

1.1 Влияние золы ТЭС на структуру и свойства бетонов

1.1.1 Влияние гранулометрического и химико-минералогического состава

1.1.2 Влияние несгоревшего углерода

1.1.3 Зола из золоотвалов ТЭС (зола гидроудаления)

1.2 Способы обогащения золы ТЭС

1.3 Бетоны с высоким содержанием золы ТЭС

1.4 Модифицированные бетоны с высоким содержанием золы ТЭС

1.5 Выводы по разделу

РАЗДЕЛ 2 ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ,

МЕТОДОВ И МЕТОДИК, ПРИНЯТЫХ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Характеристика принятых для исследования материалов

2.2 Методы и методики экспериментальных исследований

2.2.1 Электростатическая сепарация золы

2.2.2 Анализ гранулометрического состава золы

2.2.3 Анализ химического состава золы

2.2.4 Порошковая рентгеновская дифракция

2.2.5 Сканирующая электронная микроскопия

2.2.6 Анализ ^-потенциала золы

2.2.7 Оценка влияния вяжущих материалов на воздухововлекающую способность добавки (индекс пены)

2.2.8 Подвижность теста цементно-зольного вяжущего

2.2.9 Рентгенофазовый анализ камня цементно-зольного вяжущего

2.2.10 Подвижность бетонной смеси и прочность бетона

2.2.11 Объем вовлеченного воздуха бетонной смеси

2.2.12 Морозостойкость бетона

2.2.13 Коррозионная стойкость бетона

2.3 Выводы по разделу

РАЗДЕЛ 3 СВОЙСТВА ОБОГАЩЕННОЙ ЗОЛЫ ТЭС И ЕЕ ВЛИЯНИЕ

НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЦЕМЕНТНО-ЗОЛЬНОГО ВЯЖУЩЕГО

3.1 Эффективность электростатической сепарации золы ТЭС

3.2 Фазовый анализ

3.3 Влияние золы на воздухововлекающую способность поверхностно-активного вещества (индекс пены)

3.4 Дзета-потенциал частиц золы

3.5 Влияние обогащенной золы ТЭС на свойства цементного теста и камня

3.5.1 Подвижность цементно-зольного теста

3.5.2 Прочность при сжатии

3.5.3 Влияние добавки золы на гидратацию цемента

3.5.4 Влияние комплексного органо-минерального модификатора на прочность камня вяжущего

3.6 Выводы по разделу

РАЗДЕЛ 4 ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И

БЕТОНОВ С ОБОГАЩЕННОЙ ЗОЛОЙ ТЭС

4.1 Оптимизация состава бетонной смеси с обогащенной золой ТЭС

4.2 Влияние золы ТЭС на воздухововлекающую способность химических добавок в бетонной смеси

4.3 Эксплуатационные свойства бетона с обогащенной золой ТЭС

4.3.1 Морозостойкость бетона с обогащенной золой ТЭС

4.3.2 Коррозионная стойкость бетона с обогащенной золой ТЭС

4.4 Рекомендации по ресурсосберегающей технологии бетона с обогащенной золой ТЭС

4.4.1 Общие положения

4.4.2 Ссылки на нормативную документацию

4.4.3 Характеристика сырьевых материалов

4.4.4 Отбор золошлаковой смеси из золошлакоотвалов

4.4.5 Транспортирование, переработка и хранение золошлаковых отходов на предприятии потребителе

4.4.6 Технология приготовления бетонной смеси

4.5 Технико-экономические показатели завода товарного бетона

4.5.1 Характеристики продукции

4.5.2 Основные параметры производства

4.5.3 Себестоимость продукции

4.6 Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Рекомендации по ресурсосберегающей технологии

бетона с обогащенной золой ТЭС

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Протокол заседания рабочей группы по рассмотрению результатов диссертационного исследования Петрик И. Ю. на тему «Ресурсосберегающая технология бетона с обогащенной золой ТЭС» для

обоснования промышленного внедрения

ПРИЛОЖЕНИЕ В Протокол о намерении

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Справка о внедрении результатов исследований

диссертационной работы (опытно-промышленная апробация)

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Справка о внедрении результатов исследований

диссертационной работы в учебный процесс

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ресурсосберегающая технология бетона с обогащенной золой ТЭС»

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы растущее осознание воздействия строительной отрасли на окружающую среду способствовало росту спроса на бетон с более высоким расходом так называемых цементирующих и пуццолановых материалов, в том числе золы тепловых электростанций, поскольку увеличение содержания золы в его составе является одним из способов снижения содержания цемента и, следовательно, выбросов диоксида углерода в окружающую среду [1, 2]. В будущем новые виды бетонов на основе альтернативных вяжущих могут обеспечить экологические и экономические преимущества наряду с улучшенными свойствами в сравнении с вяжущими на основе портландцементного клинкера [3, 4].

По данным [5] при производстве тонны портландцемента затрачивается порядка 4 ГДж энергии, при этом выбросы С02 в атмосферу составляют 2,981 Гт/С02экв - примерно 8 % мировых выбросов диоксида углерода.

Согласно «Стратегии развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года и дальнейшую перспективу до 2030 года» [6] основными мировыми тенденциями в развитии промышленности строительных материалов в последние годы стали: переход на новый уровень энергоэффективности производства; снижение негативного влияния на окружающую среду; вовлечение отходов в производство строительных материалов и увеличение глубины переработки природных ресурсов; выпуск новых типов (инновационных и композитных) строительных материалов и др. Среди минеральных отходов различных отраслей народного хозяйства в качестве компонентов строительных материалов наибольшее применение находят шлаки металлургического производства и золошлаковые отходы тепловых электростанций.

Высокие затраты на утилизацию, повышенный интерес к снижению негативного воздействия на окружающую среду делают утилизацию золы-уноса ТЭС все более актуальной задачей [7-11]. Так, при сжигании тонны угля образуется около 250-300 кг золы-уноса [12], а мировое производство продуктов сгорания, включая золу-уноса, в 2015 году составило почти 1 Гт [5]. Несмотря на то, что в некоторых

Европейских странах - Нидерландах, Дании, Германии, Италии, процент утилизации золы ТЭС достигает 100 %, в целом в мировой практике этот показатель составляет всего 25 %. В частности, для тройки ведущих мировых экономик - Индии, Китая и США, процент переработки золы не превышает 38, 45 и 65 %, соответственно [13].

В зависимости от вида сжигаемого угля, способа сжигания, температуры факела, способа золоудаления, сбора и хранения золы на ТЭС образуются следующие виды золошлаковых отходов (ЗШО):

- зола-уноса при сухом золоудалении с осаждением частиц золы в циклонах и электрофильтрах и накоплением в силосах;

- топливные шлаки при полном плавлении минеральной части топлива, осаждении расплава в нижней части топки котла и грануляции расплава водой аналогично придоменной грануляции доменных шлаков;

- золошлаковая смесь (ЗШС) при совместном мокром удалении уловленной обеспыливающими устройствами золы-уноса и топливных шлаков, образующихся в котле [8].

В России основная часть ЗШО (около 85 %) с помощью комплекса гидравлического золошлакоудаления направляется в золошлакоотвалы [10] и превалирует в общем нарастающем объеме накопленных производственных отходов - около 90 млн. т в год. Общий объем золошлаковых материалов, накопленных за прошлые годы в нашей стране, превысил 2 млрд. т [14]. К основным воздействиям золошла-коотвалов, отрицательно влияющим на окружающую среду, следует отнести: отчуждение земель и изъятие из сельхозоборота значительных территорий (в России отвалы ТЭС занимают около 200 тыс. га [9]); пылеобразование (особенно в летний период), опасное вблизи рекреационных территорий [14, 15]; при длительном хранении золы в золоотвалах во влажном состоянии фильтрация пульповой воды, обогащенной растворимыми токсичными зольными компонентами, в подземные горизонты грунтовых вод, что приводит к загрязнению окружающих водоемов и земель тяжелыми металлами и токсичными элементами [14-16].

В ряде регионов, в частности, в Донецкой Народной Республике, на территории которой функционируют в настоящее время три крупные ТЭС, золошлакоот-валы значительно осложняют экологическую обстановку. Если учесть, что около 70 % всей электроэнергии в стране вырабатывается при сжигании твердого топлива, то рост золошлаковых отходов будет продолжаться и, следовательно, возрастет их отрицательное воздействие на экологию. Таким образом, утилизация золошлаковых отходов становится уже не столько вопросом экономии материальных ресурсов, сколько проблемой безопасности населения страны [8, 9].

Применение золы-уноса тепловых электростанций взамен части цемента или части цемента и песка естественного происхождения в тяжелых бетонах рекомендуется в случаях: применения цемента более высоких марок, чем это необходимо для получения проектной марки бетона по прочности на сжатие; необходимости повышения плотности бетона и удобоукладываемости бетонной смеси, коррозионной стойкости бетона; применения гидротермальной обработки твердеющих бетонных изделий и конструкций; необходимости снижения теплоты гидратации твердеющего бетона в массивных сооружениях (фундаменты, гидротехнические сооружения) [17].

В соответствии с нормативной документацией - ГОСТ Р 57293-2016/ EN 1971:2011 «Цемент общестроительный. Технические условия», портландцемент с минеральными добавками второго типа может содержать кислую золу-уноса в количестве соответственно от 6 до 20 % (CEM II/A-V) или от 21 до 35 % (CEM II/B-V). В то же время, с учетом выполнения требований по ограничению выбросов CO2, производители вяжущих заинтересованы в замене еще больших частей портландцемента золой. Соответственно, это дает новые стимулы для изучения цементов, содержащих золу-уноса в больших количествах [18].

Актуальность темы исследования. Канадским центром минеральных и энергетических технологий (CANMET) разработаны составы тяжелых цементных бетонов, содержащих более 50 % кремнеземистой золы (класс F) взамен портландцемента. Такие бетоны с высоким содержанием золы-уноса (High-Volume Fly Ash

Concretes) за счет применения комплекса химических модификаторов (суперпластификатор, воздухововлекающая добавка) характеризуются высокой удобоукла-дываемостью бетонной смеси, пониженным тепловыделением в ранние сроки твердения, повышенной коррозионной стойкостью, а также достаточно высокой прочностью при сжатии в поздние сроки твердения.

В то же время, зола-уноса даже с одной тепловой электростанции может характеризоваться высокой степенью неоднородности как по гранулометрическому, так и по химико-минералогическому составу, что обусловлено целым рядом различных факторов. Так, количество несгоревшего углерода (потери при прокаливании ППП, %) в золе-уноса колеблется в широких пределах и зависит, прежде всего, от вида углей и условий их сжигания - от менее 1 до более 20 %. Углерод, содержащийся в золе, имеет высокую пористость и очень большую удельную поверхность, что обусловливает его способность поглощать значительное количество воды затворения, а также химических добавок, снижая их эффективность. Кроме того, вследствие адсорбции поверхностью углерода воздухововлекающей добавки требуется более высокая ее дозировка для обеспечения морозостойкости бетона, что приводит к снижению прочности бетона. Таким образом, для применения золы-уноса в бетоне содержание ППП в ее составе нормативными документами различных стран ограничивается в пределах 5-7 %. Следует также учитывать, что стремление на тепловых электростанциях выполнять требования по экологии в части снижения выбросов оксидов азота (NOx), обычно сопровождается увеличением содержания несгоревшего углерода в золе-уносе, что может сделать ее непригодной для применения в бетоне.

Еще большей неоднородностью обладают золошлаковые смеси, образующиеся при совместном гидроудалении золы и шлака в золоотвал. Возможность применения в качестве минеральной добавки в виде сухой золы (восстановленная отвальная зола) с требуемой однородностью по гранулометрическому и химико-минералогическому составу обеспечивается в результате применяемой технологии переработки. Среди различных способов обогащения зол ТЭС наибольшей эффек-

тивностью обладает электростатическая сепарация. Обогащение золы гидроудаления в электростатическом сепараторе в сочетании с применением модификатора на основе углеродных наноструктурированных материалов и воздухововлекающей добавки обеспечит возможность получения бетона с высоким содержанием золы взамен части портландцемента (до 50 %) с нормальными темпами набора прочности бетона как в раннем, так и позднем сроках твердения, а также нормируемыми строительно-техническими свойствами.

Степень разработанности темы. Проблемам разработки составов и исследования свойств тяжелых бетонов, содержащих золошлаковые отходы, в частности золу-уноса ТЭС, посвящен огромный массив работ, выполненных отечественными и зарубежными учеными. На основе накопленного практического опыта различных научных коллективов: НИИЖБ Госстроя СССР, ВНИИЖелезобетон МПСМ СССР, Донецкого ПромстройНИИпроекта, ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева и других, разработаны «Рекомендации по применению в бетонах золы, шлака и золошлаковой смеси тепловых электростанций». Согласно «Рекомендациям» содержание золы-уноса ТЭС, используемой в составе конструкционного бетона в качестве минеральной добавки, колеблется в пределах 15-25 %. В 1985 году ведущими учеными института CANMET - V. M. Malhotra, P. K. Mehta, предложены технологические принципы получения бетонов с высоким содержанием золы-уноса (до 50 % взамен цемента): High Volume Fly Ash Concretes. Наряду с тем, что разработанные бетоны отвечают требованиям устойчивого развития - сокращение выбросов CO2, ресурсо- и энергосбережение, показатели их качества соответствуют также линейке высококачественных бетонов - High Performance Concretes. Ряд ученых доложили положительные результаты исследований бетонов с содержанием золы-уноса 65-80 %: Г. Д. Ляхевич, D. P. Bentz, R. Kumar, C. S. Poon, R. Siddique, M. Stechyshyn, W. Wongkeo и др. Для устранения негативного влияния повышенного содержания золы на твердение и свойства бетонов предложен ряд химических модификаторов, включающих эффективные суперпластификаторы, ускорители твердения, воздухо-вовлекающие добавки. Объектом интенсивных исследований в последние годы яв-

ляются фуллероидные углеродные наночастицы различных типов и топологий, которые вводятся в цементные системы для направленного управления их реологическими и физико-механическими характеристиками: Ю. В. Пухаренко, Э. И. Ба-тяновский, С. А. Жданок, С. Н. Леонович, Н. Н. Смирнягина, Л. А. Урханова.

С другой стороны, в литературе имеется значительное количество противоречивых данных о влиянии высокого содержания золы на свойства бетона. Кроме того, исследования, как правило, выполнены в отношении бетонов, содержащих золу-уноса сухого отбора, в том числе обогащенную различными технологическими способами. В то же время, практически отсутствуют данные о свойствах бетонов, содержащих большое количество низкокачественной золы, в частности, отвальной золы гидроудаления. Требуют дальнейшего изучения направления модифицирования бетонов химическими добавками с целью устранения негативного влияния большого содержания золы на свойства бетона.

Целью работы является разработка научно обоснованного технологического решения, обеспечивающего получение тяжелого бетона с повышенным содержанием отвальной золы ТЭС путем ее обогащения электростатической сепарацией совместно с комплексным модифицированием структуры бетона (суперпластификатор + модификатор на основе углеродных наноструктурированных материалов + воздухововлекающая добавка).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- выполнить анализ существующих представлений о бетонах с высоким содержанием золы ТЭС в составе вяжущего;

- разработать конструкцию установки, обосновать параметры и режимы обогащения золы ТЭС в высоковольтном электростатическом сепараторе;

- определить свойства обогащенной золы ТЭС, исследовать влияние обогащенной золы ТЭС в сочетании с химическими модификаторами на твердение и свойства цементно-зольного вяжущего;

- оптимизировать состав комплексного органо-минерального модификатора, исследовать свойства бетонных смесей и бетонов;

- разработать рекомендации по ресурсосберегающей технологии бетона с обогащенной золой ТЭС, осуществить опытно-промышленное внедрение результатов исследования и оценить их технико-экономическую эффективность.

Объект исследования - бетонные смеси и бетоны с обогащенной золой ТЭС и комплексным модификатором (суперпластификатор + модификатор на основе углеродных наноструктурированных материалов + воздухововлекающая добавка).

Предмет исследования - процессы твердения, свойства и технология тяжелого бетона с обогащенной золой ТЭС и комплексным модификатором (суперпластификатор + модификатор на основе углеродных наноструктурированных материалов + воздухововлекающая добавка).

Научная новизна полученных результатов:

- обосновано и экспериментально доказано технологическое решение получения комплексно модифицированного тяжелого бетона на основе цементно-золь-ного вяжущего с заменой портландцемента обогащенной электростатической сепарацией отвальной золой ТЭС в количестве до 45 %;

- по данным рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии установлено, что в результате электростатической сепарации золы обеспечивается улучшение ее фазового состава: повышается содержание кварца и снижается содержание гематита, а также несгоревшего углерода. Цементный камень с обогащенной золой гидроудаления представлен плотной, достаточно однородной микроструктурой, с иммобилизованными в образовавшиеся фазы продуктов гидратации дисперсными частицами золы;

- по показателю «индекс пены» определено влияние золы ТЭС на эффективность воздухововлекающей добавки Sika®Aer Рш-100 - показано, что при применении в составе цементного теста золы с высоким содержанием несгоревшего углерода (ППП = 22 %) резко сокращается длительность устойчивого состояния пены на поверхности теста, а расход разбавленной воздухововлекающей добавки для получения стабильной пены повышается в 8,1 раза в сравнении с применяемой обогащенной золой (ППП = 2,2 %);

- по данным рентгенофазового анализа камня вяжущего в возрасте 28 суток твердения установлено активизирующее процессы гидратации цемента влияние комплексного органо-минерального модификатора (обогащенная зола, модификатор «АРТ-КОНКРИТ Р», добавка Sika®Aer Pro-100): снижение относительной интенсивности дифракционных отражений алита, Р-кварца; более высокая интенсивность линий слабозакристаллизованных низкоосновных гидросиликатов кальция.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- получены новые данные, дополняющие теоретические представления о процессе структурообразования тяжелого бетона на основе портландцемента с добавкой золы ТЭС, содержащего комплексный модификатор: поликарбоксилатный суперпластификатор + модификатор на основе углеродных наноструктурированных материалов + воздухововлекающая добавка на основе композиции синтетических поверхностно-активных веществ. Получены бетоны с нормальными темпами набора прочности бетона как в раннем, так и позднем сроках твердения, а также нормируемыми строительно-техническими свойствами;

- установлена высокая эффективность способа трибоэлектростатической сепарации золы гидроудаления ТЭС для снижения содержания несгоревшего углерода и улучшения гранулометрического состава материала, используемого в качестве пуццолановой добавки для бетона: после электрической сепарации количество материала, отвечающего требованиям к пуццолановым добавкам бетона, составляет 82,7 %, среднее содержание ППП - не превышает 3 %, гранулометрический состав улучшен за счет повышения содержания дисперсных частиц размером менее 2 мкм;

- разработаны рекомендации по ресурсосберегающей технологии бетона с обогащенной золой ТЭС, выполнена опытно-промышленная апробация результатов исследования (растворно-бетонный завод ООО «Донспецпром»);

- теоретические положения, результаты экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров по направлению 08.03.01 «Строительство», профиль «Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций», а также при подготовке магистров по направлению

08.04.01 «Строительство», программа «Перспективные строительные материалы, изделия, конструкции и технологии их производства».

Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационной работы являются положения и закономерности материаловедения, физики, научные исследования в области трибоэлектростатической сепарации минерального сырья. Экспериментальные исследования свойств бетонных смесей и бетонов выполнены согласно стандартным и специальным методикам с использованием аттестованных средств измерительной техники и испытательного оборудования. Свойства золы, процессы твердения вяжущих веществ исследованы с использованием современных методов: лазерной гранулометрии, рентгенофазового, электронно-микроскопического и химического анализов. Оптимизация состава комплексного модификатора выполнена с использованием математических моделей. Для обработки и анализа результатов экспериментов применены методы математической статистики.

Положения, выносимые на защиту:

- обоснование возможности получения тяжелого бетона с повышенным содержанием отвальной золы ТЭС за счет ее обогащения в электростатическом сепараторе, а также применения комплексного модификатора в составе: (поликарбокси-латный суперпластификатор + модификатор на основе углеродных наноструктури-рованных материалов + воздухововлекающая добавка на основе композиции синтетических поверхностно-активных веществ);

- результаты исследования свойств отвальной золы ТЭС, обогащенной путем электростатической сепарации, и ее влияния на структурообразование цементно-зольного вяжущего;

- результаты исследования влияния обогащенной золы ТЭС и комплексного модификатора на свойства цементно-зольного теста, прочность камня вяжущего, состав продуктов гидратации;

- экспериментальные зависимости эксплуатационных свойств (морозостойкость и коррозионная стойкость) модифицированного бетона на основе обогащенной золы ТЭС от содержания комплексного модификатора.

Степень достоверности результатов исследований. Достоверность результатов обеспечивается проведением экспериментов на современном исследовательском оборудовании с достаточной воспроизводимостью результатов; применением стандартных методик, обеспечивающих достаточную точность полученных результатов; статистической обработкой полученных данных с заданной вероятностью и необходимым количеством повторных испытаний; сопоставлением результатов с аналогичными результатами, полученными другими авторами; положительными результатами опытного внедрения составов и ресурсосберегающей технологии бетона с обогащенной золой ТЭС.

Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертации докладывались на: VII Международном молодежном форуме «Образование, наука, производство» (Белгород, 20-22 октября 2015 г.); Региональной конференции «Комплексное использование природных ресурсов» (Донецк, 10 декабря 2015 г.); Международной научно-практической конференции «Строительство и архитек-тура-2015» (Ростов-на-Дону, 26-27 ноября 2015 г.); международных строительных форумах «Строительство и архитектура» и конференциях молодых ученых, аспирантов, студентов «Научно-технические достижения студентов, аспирантов, молодых ученых строительно-архитектурной отрасли» (Макеевка, 2016-2023 гг.); Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2016-2018 гг.); IV Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 60-летию Инженерно-технического института Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова «Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго-и ресурсосбережение» (Якутск, 27-28 октября 2016 г.); Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, 16-17 ноября 2016 г.); VI Международной научно-практической конференции «Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона» (Саратов, 16-23 апреля 2018 г.); III Всероссийской научной конференции,

посвящённой 90-летию кафедры строительного материаловедения «Строительное материаловедение: настоящее и будущее» (Москва, 15-16 ноября 2023 г.).

Личный вклад соискателя состоит в выполнении экспериментальных исследований, обработке и интерпретации полученных данных, внедрении результатов исследований в производство. Отдельные составляющие теоретических и экспериментальных исследований, а также внедрение результатов диссертационной работы выполнены с соавторами научных работ, изложенных в списке публикаций.

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в четырех печатных работах в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук; публикация в издании, индексируемом в базе данных "Web of Science"; семь работ - в изданиях по материалам научных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 174 страницах машинописного текста, состоит из введения, основной части из четырех разделов, заключения, списка использованной литературы из 195 наименований и пяти приложений. Содержит 38 рисунков и 44 таблицы.

РАЗДЕЛ 1

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О БЕТОНАХ С ПОВЫШЕННЫМ

СОДЕРЖАНИЕМ ЗОЛЫ ТЭС

1.1 Влияние золы ТЭС на структуру и свойства бетонов

Утилизация золы тепловых электростанций при производстве бетонов взамен размещения в золоотвалах может быть обоснована как экономическими и экологическими аспектами при использовании в качестве частичной замены портландцемента [12, 18-22] с одной стороны, так и техническими, связанными с её положительным влиянием в качестве активной минеральной добавки (пуццоланы) и дисперсного наполнителя на свойства бетонных смесей и бетонов, - с другой [17, 18, 22-27].

Согласно ГОСТ 25818-2017 (EN 450-1:2012) «Зола-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия», под термином «зола-уноса» понимается мелкая, состоящая преимущественно из шарообразных стекловидных частиц пыль, образующаяся при сгорании мелко смолотого угля и обладающая пуццола-новыми свойствами и/или гидравлической активностью. Среднее время нахождения частицы угля в топочном пространстве составляет приблизительно 3-4 секунды. Зола, образовавшаяся в результате горения, находится в расплавленном состоянии и выносится дымовыми газами через конвективные части котла, после чего улавливается электрофильтрами на выходе из котла [28].

Положительному влиянию золы ТЭС на структурообразование бетона способствует так называемый «эффект мелких порошков». Факторы, которые считаются основными при оценке влияния высокодисперсных наполнителей на свойства цементного камня и бетона, связаны с физическим эффектом (эффект микронаполнителя) либо с реакциями активных гидравлических составляющих. Эффект микронаполнителя проявляется тогда, когда частицы золы имеют более тонкий гранулометрический состав, чем портландцемент, при этом эффект проявляется лишь

при росте содержания тонкодисперсных частиц в смеси портландцемента с золой [29, 30].

В раннем возрасте твердения бетона важными факторами развития прочности являются как физический эффект - дисперсные частицы золы действуют как микронаполнитель, уплотняя структуру, так и вклад химических реакций образования эттрингита. В более позднем возрасте реакции гидратации доминируют в процессе развития прочности, поскольку образуются дополнительные новообразования в реакциях с участием золы-уноса [25]. Гидроксид кальция Са(ОН)2, выделяющийся при гидролизе силикатов кальция портландцемента, вступает в реакцию с алюмосиликатным стеклом, присутствующим в золе, с образованием цементирующих соединений, обладающих когезионными и адгезионными свойствами. Продуктами реакции являются низкоосновные гидросиликаты кальция С-Б-Н с более низким соотношением С^ (например, по данным [31] - 1,54 для обычного портландцемента и 1,39 для цемента с золой-уноса в возрасте твердения цементного камня 360 суток), которые зависят от периода твердения, однако пуццолановые реакции протекают намного медленнее, чем реакции гидратации цемента [4, 29, 32, 33]. Большое количество непрореагировавшей золы остаётся после 91 суток твердения [18, 34]. По результатам исследований [35] установлено, что в цементном тесте и цементно-зольном тесте (содержание золы-уноса 25 % взамен портландцемента), приготовленных с В/Ц(В/В)=0,24, около 39 % портландцемента (степень гидратации 60,6 %) и 73 % золы-уноса (степень пуццолановой реакции) остаются непроре-агировавшими в возрасте 90 суток нормального твердения. Эти непрореагировав-шие частицы портландцемента и золы-уноса служат в качестве микронаполнителей, которые также вносят свой вклад в прочность цементирующего материала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Петрик Ирина Юрьевна, 2024 год

<и н и

£ 200 с

о й

150

100

15 30

Содержание золы, %

45

Рисунок 3.13 - Зависимость подвижности цементно-зольного теста (диаметр расплыва) от содержания золы ТЭС (обогащенная) (серия А7, Б7, В7)

0

Исследования проведены для образцов цементно-зольного теста, содержащих в своем составе 15 и 45 % золы взамен части портландцемента: исходной - ЗН (необработанная), а также отобранной после процесса электросепарации с электрода-анода (ЗА) и электрода-катода (ЗК). Показатели прочности соотносили к прочности цементного теста контрольного состава (К) - без золы. Расход воды (во-довяжущее отношение) подбирался из условия получения теста вяжущего нормальной густоты - НГ = 25 % (таблица 3.12).

Результаты эксперимента (таблица 3.12) свидетельствуют о том, что показатели предела прочности при сжатии камня вяжущего всех составов увеличиваются с возрастом твердения. В раннем возрасте твердения (3 суток нормального твердения) все образцы камня вяжущего на основе портландцемента с частичной заменой золой показывают снижение прочности в сравнении с контрольным образцом на основе чистого портландцемента. Если для состава с золой, отобранной с электрода-анода, в количестве 15 % снижение прочности в сравнении с контрольным составом составляет 12,4 %, то при дозировке золы 45 % - 33,5 %.

Таблица 3.12 - Прочность при сжатии цементного камня

Обозначение состава В/В З, % Прочность при сжатии, МПа, в возрасте

3 сут. 7 сут. 28 сут.

1 К 0,25 0 26,6 51,9 66,7

2 ЗА-15 0,24 15 23,3 53,9 71,2

3 ЗА-45 0,20 45 17,7 35,8 56,8

4 ЗК-15 0,26 15 19,2 41,6 52,1

5 ЗК-45 0,28 45 15,5 31,3 41,9

6 ЗИ-15 0,29 15 17,2 34,4 44,8

7 ЗИ-45 0,32 45 12,2 26,7 39,7

Кроме того, повышение прочности образцов с частичной заменой портландцемента золой в сравнении с контрольным составом (100 % портландцемента) увеличивается с возрастом твердения. Так, например, состав теста с 15 %-ной заменой портландцемента обогащённой золой (образец из анода ЗА) имеет следующий процент прочности при сжатии в возрасте 3, 7 и 28 суток - 87,6; 103,9 и 106,7 %, соответственно, относительно контрольного (рисунок 3.14). Тем не менее, явно наблюдается замедляющий эффект влияния золы на предел прочности при сжатии в раннем возрасте твердения (3 суток).

120

100

к к

Й

*

о К

С Л

н о о К

5

С

80

60

40

20

□ К

ВЗА-15 ВЗА-45 ШЗК-15 ПЗК-45 0ЗН-15 НЗН-45

3 сут. 7 сут. 28 сут.

Длительность нормального тверденния, сутки

Рисунок 3.14 - Относительное изменение прочности при сжатии камня вяжущего в зависимости от длительности твердения, количества и качества золы в составе вяжущего

Поскольку пуццолановая реакция является медленным процессом, её вклад в развитие прочности происходит только в более позднем возрасте, при использовании большого количества золы ранняя прочность цементного камня существенно снижается. Можно отметить, что в возрасте 28 суток состав с 15 % обогащённой золы (образец из анода ЗА) в качестве частичной замены портландцемента имеет

0

показатель прочности при сжатии на 6,7 % выше в сравнении с контрольным образцом. Когда уровень замещения составляет 45 % (образец с анода ЗА), 28-суточ-ная прочность при сжатии также достаточно высока (85,2 %). Прежде всего, это связано с улучшенными характеристиками золы после процесса электростатической сепарации, в частности, сниженным содержанием ППП, улучшенным гранулометрическим и фазовым составом, что обусловливает улучшенные реологические свойства цементного теста. Цементно-зольное тесто, содержащее обогащенную золу (ЗА) в количестве 45 %, имеет нормальную густоту В/В = 0,20, в то время как при таком же содержании исходной (необработанной) золы показатель нормальной густоты выше в 1,6 раза (В/В = 0,32).

3.5.3 Влияние добавки золы на гидратацию цемента

Рентгенофазовый анализ (РФА) образцов камня вяжущего выполнен для образцов состава, приведенного в таблице 3.12, твердевших 28 суток в нормальных условиях По данным РФА (рисунок 3.15) установлено, что зола оказывает влияние на гидратацию исходных минералов цементного клинкера, в частности, трёхкаль-циевого силиката (алит) и состав формирующихся продуктов гидратации. Это может быть проиллюстрировано относительной интенсивностью наиболее индикативных дифракционных пиков в составе цементного камня с равным уровнем замены портландцемента золой. Например, относительная интенсивность линий алита (в сравнении с контрольным образцом) цементного камня с 15 %-ной заменой золой: 2-ЗА-15 (обогащенная, с анода), 4-ЗК-15 (обогащенная, с катода) и 6-ЗН-15 (необработанная) составляет соответственно: d = 0,278 нм (20 = 32,17°) -85,6; 93,4 и 87,9 %; ё = 0,177 нм (20 = 51,59°) - 84,4; 94,3 и 88,1 %; ё = 0,164 нм (20 = 56,00°) - 91,3; 102,2 и 113,9 %.

Аналогичная картина сохраняется для цементного камня, содержащего 45 % золы: 3-ЗА-45; 5-ЗК-45 и 7-ЗН-45, соответственно: d = 0,278 нм (20 = 32,17°) - 81,8; 90,7 и 93,1 %; ё = 0,177 нм (20 = 51,59°) - 96,3; 106,7 и 96,2 %; ё = 0,164 нм (20 = 56,00°) - 107,3; 113,8 и 120,4 %.

1.|.»».|1||||1|.|.|.1Е^||||||1^_-|||||;|||.||||.||||||:|.е1.||||||||

15.(XI 20,00 35,00 30^ 35.00 40,00 ^.00 50.00 55,00 60,00 70.00 75.00

Угол 20, град.

Рисунок 3.15 - Рентгенограммы образцов цементного камня с добавкой золы (составы 1-7, таблица 3.12)

По данным РФА можно также наблюдать изменение относительной интенсивности дифракционных пиков продуктов гидратации вяжущего: портландита (СН): d = 0,493 нм (20 = 17,98°); ё = 0,311 нм (20 = 28,66°); ё = 0,263 нм (20 = 34,05°), а также слабозакристаллизованной фазы гидросиликатов кальция ^Н(В) и С2БИ2): ё = 0,307 нм (20 = 29,06°); ё = 0,281 нм (20 = 31,82°); ё = 0,183 нм (20 = 49,79°); ё = 0,220 нм (20 = 40,99°); ё = 0,211 нм (20 = 42,90°); ё = 0,200 нм (20 = 45,31°).

Результаты показывают, что обогащенная зола, отобранная с анодной пластины сепаратора (ЗА), является более реакционноспособной в сравнении с образцами обогащенной золы, отобранной с катодной пластины, а также необработанной золой. Эти данные согласуются с результатами определения прочности камня вяжущего в возрасте 28 суток твердения (таблица 3.12).

Исследование влияния различных факторов X; (состав и содержание отдельных компонентов органо-минерального модификатора - таблица 3.13) на выходные параметры У (У1 - прочность камня вяжущего в раннем возрасте твердения Я3, МПа; У2 - то же, в проектном возрасте твердения R28, МПа), а также состав продуктов гидратации выполнено с использованием полного факторного эксперимента ПФЭ-2к с уровнями варьирования -1, 0, +1 [191]. Регрессионный анализ математических моделей, построение поверхностей функции отклика осуществлено на ПЭВМ с использованием программы «MatehCAD».

В качестве минеральной составляющей комплексного органо-минерального модификатора применяется зола, обогащенная в электросепараторе и отобранная из зоны действия электрода-анода.

Расход химических добавок (модификатор «АРТ-КОНКРИТ Р» - М и возду-хововлекающая добавка Б1ка® Лег Рго-100 - ВВД) на нулевом уровне (в центре плана) принят, исходя из рекомендуемых дозировок, предлагаемых соответствующим производителем (в процентах жидкой добавки от массы вяжущего (цемент + зола)). Расход воды подбирали из условия получения цементно-зольного теста нормальной густоты (таблица 3.14).

Таблица 3.13 - Значения факторов варьирования

Код фактора Физический смысл фактора Единица измерения Интервал варьирования Уровни фактора

-1 0 +1

Х1 Содержание золы ТЭС (З) % в составе вяжущего 15 15 30 45

Х2 Содержание модификатора «АРТ-КОНКРИТ Р» (М) % жидкой добавки от массы вяжущего 0,6 0,4 1,0 1,6

Хз Содержание добавки Б1ка® Лег Рго-100 (ВВД) % жидкой добавки от массы вяжущего 0,4 0,1 0,5 0,9

результаты эксперимента

№ Натуральное значение факторов Кодированное значение факторов Расход компонентов, г (мл) У1, У2,

п/п X: Х2 Х3 Х1 Х2 Х3 Ц З М (мл) ВВД (мл) В (мл) (В/В) МПа МПа

1 45,0 1,6 0,9 +1 +1 [phone] 0,156 32,6 54,1

2 45,0 1,6 0,1 +1 [phone] 0,166 29,4 48,7

3 45,0 0,4 0,9 +1 -1 [phone] 0,175 17,7 44,5

4 45,0 0,4 0,1 [phone] 0,185 13,3 40,5

5 15,0 1,6 0,9 -1 +1 [phone] 0,168 34,2 65,6

6 15,0 1,6 0,1 -1 [phone] 0,175 31,1 63,4

7 15,0 0,4 0,9 -1 -1 [phone] 0,187 21,3 44,2

8 15,0 0,4 0,1 -1 -1 -1 850 150 4 1 194 0,199 17,8 38,6

9 30,0 1,0 0,5 0 0 0 700 300 10 5 151 0,166 32,5 47,8

К - - - - - - 1000 - - - 240 0,240 35,4 58,0

На основании результатов эксперимента получены следующие уравнения регрессии:

Y1 = 27,68 - 1,43х1 + 7,15х2 + 1,78х3 + 0,6х!х2 - 0,2х2х3 (3.1)

Y2 = 49,95 — 3х1 + 8х2 + 2,15х3 — 3,55х1х2 — 0,25х2х3 — 0,6х1х2х3 (3.2) Графическая интерпретация уравнений регрессии (3.1) и (3.2), характеризующих соответственно изменение предела прочности при сжатии камня вяжущего

Рисунок 3.16 - Графическая интерпретация уравнений регрессии (3.1) и (3.2)

Анализ уравнений регрессии показывает, что при увеличении содержания в составе цементного теста золы ТЭС (фактор Х1) прочность камня вяжущего как в раннем, так и проектном возрасте имеет тенденцию к снижению. Напротив, при увеличении значения фактора Х2 - содержание модификатора «АРТ-КОНКРИТ Р», прочность камня вяжущего увеличивается, при этом данный фактор оказывает наиболее сильное влияние на выходные параметры функции отклика. Это можно объяснить с двух позиций: во-первых, добавка, действующая как суперпластификатор, оказывает водоредуцирующий эффект, существенно снижая показатель во-довяжущего отношения для получения цементного теста нормальной густоты (соответственно снижение пористости и повышение прочности камня вяжущего). Во-вторых, присутствие в составе модификатора высокопрочного углеродного нано-материала, по мнению белорусских ученых [174, 176] выполняющего функцию центров кристаллизации новообразований вяжущего, способствует формированию упрочнённой армированной микроструктуры цементного камня.

Положительное влияние на прочность камня вяжущего фактора Х3 - содержание воздухововлекающей добавки Sika® Лег Рго-100, в исследуемом интервале варьирования, вероятно, связано с проявлением синергетического взаимодействия с пластификатором в части усиления водоредуцирующего эффекта, способствующего получению более плотной структуры цементного камня.

Из факторов взаимодействия наиболее сильное влияние на прочность камня вяжущего в возрасте 28 суток твердения оказывают факторы Х1 и Х2 - модифицирующий эффект углеродного наноматериала снижается по мере уменьшения в составе цементного теста содержания портландцемента, замещенного золой ТЭС. Другие взаимодействия факторов существенного влияния на прочность камня вяжущего в возрасте трех и 28 суток твердения не оказывают.

Рентгенограммы образцов камня вяжущего в возрасте 28 суток твердения представлены на рисунке 3.17. Относительная величина пиков минерала алита (рисунок 3.18) образцов камня вяжущего, содержащего комплексную органо-мине-ральную добавку, относительно контрольного состава (100 % портландцемент), демонстрирует активизацию процессов гидратации, что объясняет прирост прочности составов с оптимальным содержанием модификатора.

5 10 2Z 25 30 35 40 45 50 55 60

* - эттрингит; - портландит; - кварц (Р, а - модификация); - гидросиликат кальция С8И(Б); - алит; - гидросиликат кальция С28И(П); ® - гидроалюминат кальция СзАИ6;

Рисунок 3.17 - Рентгенограммы образцов камня вяжущего в возрасте 28 суток нормального твердения (обозначения см. табл. 3.14)

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0,303 нм

0,278 нм

0,274 нм

0,261 нм

0,218 нм

0,177 нм

1К Н 1 П2 03 04 Н5 Ш6 07 88 8

Рисунок 3.18 - Относительная интенсивность (%) основных линий алита

Можно отметить, что наиболее существенное снижение относительной интенсивности дифракционных отражений трехкальциевого силиката (алита) относительно контрольного состава наблюдается для составов №№ 5 и 6: линия 0,303 нм (20 = 29,46°) - 70 и 80 %; линия 0,278 нм (20 = 32,17°) - 33 и 67 %; линия 0,274 нм (20 = 32,57°) - 33 и 58 %; линия 0,261 нм (20 = 34,33°) - 44 и 67 %; линия 0,218 нм (20 = 41,31°) - 50 и 67 %; линия 0,177 нм (20 = 51,59°) - 60 и 80 %, соответственно. Эти составы включают минимальное количество золы - 15 % и максимальное добавки «АРТ-КОНКРИТ Р». Соответственно эти составы превысили прочность при сжатии камня вяжущего в возрасте 28 суток относительно контрольного на 13 и 9 %, соответственно - эффект снижения водовяжущего отношения за счет суперпластификатора и интенсификации гидратации клинкерных минералов обогащенной золой. При этом прочность в возрасте трех суток практически достигает значения контрольного состава, что наряду с фактором снижения водовяжущего отношения дополняется интенсифицирующим гидратацию влиянием углеродных нано-частиц, что компенсирует замедляющий эффект золы на раннюю гидратацию вяжущего.

С другой стороны, составы №№ 1 и 2, содержащие максимальное количество золы (45 %) и добавки «АРТ-КОНКРИТ Р» в возрасте 28 суток твердения также показывают достаточно высокую прочность относительно контрольного состава -93,3 и 84,0 %, соответственно, а также сопоставимую интенсивность линий алита. Можно предположить, что при дальнейшем твердении будет наблюдаться устойчивый прирост прочности за счет пуццоланических реакций золы.

Составы №№ 7 и 8, несмотря на то, что содержат минимум золы, демонстрируют большее снижение прочности как в проектном возрасте - 76,0 и 66,5 %, так и в раннем - 60 и 50 %, соответственно. Это объясняется недостаточным содержанием добавки «АРТ-КОНКРИТ Р», что не компенсирует замедляющий эффект влияния золы. Относительная интенсивность дифракционных отражений алита выше, чем для линий контрольного состава.

По величине интенсивности дифракционных отражений кварца (Р- и а-моди-фикации) можно судить о степени связывания золы в процессе пуццоланических реакций. Так, основная линия ё = 0,334 нм (20 = 26,67°) убывает в следующем порядке: 50 ед. (№№ 1, 8); 30 ед. (№№ 2, 4, 7); 20 ед. (№№ 3, 5); 15 ед. (№ 6). Другие линии имеют следующую интенсивность: ё = 0,424 нм (20 = 20,94°) - 80 ед. (состав № 2); 50 ед. (№№ 1, 4, 8); менее 50 ед. (№№ 3, 5, 6, 7); ё = 0,245 нм (20 = 36,65°) -100 ед. (состав № 1); 80 ед. (№№ 7, 8); менее 50 ед. (№№ 2, 3, 5, 6).

Из продуктов гидратации в составе камня вяжущего идентифицированы: портландит - невысокая интенсивность дифракционных отражений для всех составов: ё = 0,493 нм (20 = 17,98°); ё = 0,311 нм (20 = 28,68°); ё = 0,263 нм (20 = 34,06°); ё = 0,193 нм (20 = 47,05°); ё = 0,179 нм (20 = 50,98°); ё = 0,169 нм (20 = 54,23°); слабозакристаллизованные гидросиликаты кальция СБИ(Б) - более высокая интенсивность линии ё = 0,307 нм (20 = 29,06°) для составов №№ 3, 4, 5, примерно одинаковая интенсивность линии ё = 0,280 нм (20 = 31,94°) для всех составов и наибольшая линии ё = 0,183 нм (20 = 49,79°) для составов №№ 5 и 6.

Дифракционные отражения высокосульфатной формы гидросульфоалюми-ната кальция (эттрингит) представлены линиями: ё = 0,973 нм (20 =9,08°) -

наибольшая интенсивность для составов №№ 2, 3, 7, 8; ё = 0,388 нм (20 = 22,90°) -максимум №№ К, 1, 3, 4, 8, минимум - №№ 5, 6; ё = 0,367 нм (20 = 24,23°) - максимум №№ 4, 7, 8, минимум - №№ 2, 3, 5, 6; ё = 0,297 нм (20 = 30,03°) - высокая интенсивность для составов №№ К, 1, 2, 3, 8, низкая - №№ К, 4, 5, 6; ё = 0,256 нм (20 = 34,97°) - высокая интенсивность для составов №№ 5 и 7, низкая - для остальных составов. Следует при этом отметить, что максимальную прочность при сжатии в возрасте 28 суток проявляют составы № 5 (Я28=65,6 МПа) и № 6 (Я28=63,4 МПа), которые содержат минимальное количество золы и максимальную дозировку добавки «АРТ-КОНКРИТ Р». Минимальная интенсивность линий эт-трингита для этих составов может свидетельствовать о том, что прочность камня вяжущего в проектном возрасте твердения обеспечивается продуктами гидратации трехкальциевого силиката, в то время как вклад эттрингита приходится, вероятно, на развитие ранней прочности, о чем свидетельствуют и высокие показатели прочности в возрасте трех суток: Я3=34,2 МПа - состав № 5, Я3=31,1 МПа - состав № 6.

3.6 Выводы по разделу 3

1. Установлена достаточно высокая эффективность способа трибоэлектро-статической сепарации золы гидроудаления ТЭС для снижения содержания несго-ревшего углерода и улучшения гранулометрического состава материала, используемого в качестве пуццолановой добавки для бетона. Так, после электрической сепарации количество материала, отвечающего требованиям к пуццолановым добавкам бетона, составляет 82,7 %, среднее содержание ППП - не превышает 3 %, гранулометрический состав улучшен за счет повышения содержания дисперсных частиц размером менее 2 мкм.

2. По данным рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии с ЭДС установлено, что в результате электростатической сепарации золы обеспечивается улучшение ее фазового состава: повышается содержание кварца и снижается содержание гематита, а также несгоревшего углерода. Цементный ка-

мень с обогащенной золой гидроудаления представлен плотной, достаточно однородной микроструктурой, с иммобилизованными в образовавшиеся фазы продуктов гидратации дисперсными частицами золы.

3. По показателю «индекс пены» определено влияние золы ТЭС на эффективность воздухововлекающей добавки Sika®Aer Pro-100. Показано, что при применении в составе цементного теста золы с высоким содержанием несгоревшего углерода (ППП = 22 %) резко сокращается длительность устойчивого состояния пены на поверхности теста, а расход разбавленной воздухововлекающей добавки для получения стабильной пены повышается в 8,1 раза в сравнении с применяемой обогащенной золой (ППП = 2,2 %).

4. Установлено, что дзета-потенциал частиц золы отрицательный - в пределах от минус 13,12 до минус 22, 29 мВ. Данный фактор может оказывать положительное влияние на реологические свойства цементно-зольного теста с высоким процентом замещения портландцемента золой, когда интегральный электрокинетический потенциал частиц в дисперсной системе будет отрицательный, и в системе, соответственно, будут преобладать кулоновские силы отталкивания, препятствующие образованию агрегатов из частиц (флоккул).

5. Показано, что для цементно-зольного теста, содержащего обогащенную золу, отмечается более выраженный пластифицирующий эффект при увеличении содержания минеральной добавки. При содержании золы в количестве 45 % эффект повышения подвижности в сравнении с контрольным составом (без химических добавок) составляет соответственно 54 % (добавка «АРТ-КОНКРИТ Р») и 74,2 % (Sika Visco Crete 5-600 N PL). Это связано как с улучшением гранулометрического состава обогащенной золы, так и снижением содержания высокопористых угловатых частиц несгоревшего углерода.

6. Установлено, что цементный камень, содержащий 15 % обогащённой золы взамен портландцемента, в возрасте 28 суток твердения имеет показатель прочности при сжатии на 6,7 % выше в сравнении с контрольным образцом. Когда уровень замещения составляет 45 %, прочность при сжатии также достаточно высока -85,2 %. Это, прежде всего, связано с тем, что цементно-зольное тесто, содержащее

обогащенную золу в количестве 45 %, имеет нормальную густоту В/В = 0,20, в то время как при таком же содержании исходной (необработанной) золы показатель нормальной густоты выше в 1,6 раза (В/В = 0,32).

7. По результатам факторного эксперимента установлено влияние компонентов органо-минерального модификатора на гидратацию и развитие прочности камня вяжущего. При увеличении содержания золы ТЭС прочность камня вяжущего как в раннем, так и проектном возрасте имеет тенденцию к снижению. Напротив, при увеличении содержания добавки «АРТ-КОНКРИТ Р», прочность камня вяжущего увеличивается - с одной стороны, суперпластификатор оказывает водо-редуцирующий эффект, с другой, присутствие в составе модификатора углеродного наноматериала, выполняющего функцию центров кристаллизации новообразований вяжущего, способствует формированию упрочнённой армированной микроструктуры цементного камня. Положительное влияние на прочность камня вяжущего воздухововлекающей добавки Sika® Аег Рго-100, в исследуемом интервале варьирования, вероятно, связано с проявлением синергетического взаимодействия с пластификатором в части усиления водоредуцирующего эффекта.

ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И БЕТОНОВ

С ОБОГАЩЕННОЙ ЗОЛОЙ ТЭС

4.1 Оптимизация состава бетонной смеси с обогащенной золой ТЭС

Оптимизация состава модифицированной бетонной смеси с повышенным содержанием обогащенной золы ТЭС выполнена с использованием полного трехфак-торного эксперимента с уровнями варьирования -1, 0, +1 [191]. Оптимизация позволяет при определенных оптимальных параметрах достичь максимальной прочности бетона в возрасте твердения 28 суток ^28) при обеспечении требуемой подвижности бетонных смесей. Таким образом, прочность бетонной смеси в проектном возрасте (ГОСТ 18105-2018 «Бетоны. Правила контроля и оценки прочности») по показателю прочности бетона на сжатие Я28, МПа [186], и удобоукладываемость бетонной смеси по расплыву конуса (ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные. Технические условия») на встряхивающем столе ёрасп., мм [185], - служили параметрами оптимизации состава бетона (таблица 4.1).

Регрессионный анализ математических моделей, построение поверхностей функции отклика осуществлено на ПЭВМ с использованием программы «ММсЬСАО».

Таблица 4.1 - Параметры оптимизации состава бетонной смеси

Код параметра оптимизации Физический смысл параметра оптимизации Единица измерения Граничное значение функции отклика

У1 Удобоукладываемость бетонной смеси по расплыву конуса см не менее 35 не более 41

У2 Предел прочности на сжатие образцов бетона в возрасте 28 суток нормального твердения МПа не менее 40

Таблица 4.2 - Значения факторов варьирования

Код фактора Физический смысл фактора Единица измерения Интервал варьирования Уровни фактора

-1 0 +1

Х1 Содержание золы ТЭС (З) % в составе вяжущего 15 15 30 45

Х2 Содержание добавки «АРТ-КОНКРИТ Р» (СП) % жидкой добавки от массы вяжущего 0,6 0,4 1,0 1,6

Х3 Содержание добавки Б1ка® Лег Рго-100 (ВВД) % жидкой добавки от массы вяжущего 0,4 0,1 0,5 0,9

Матрица планирования, составы бетонных смесей и результаты эксперимента приведены в таблице 4.3. При определении удобоукладываемости смесей использовали конусную форму с размерами: диаметр нижнего основания 200 мм, верхнего - 130 мм, высота - 200 мм. Прочность бетона на сжатие определяли на образцах-кубах с ребром 7,07 см в возрасте 28 суток нормального твердения.

Таблица 4.3 - Матрица планирования, состав бетонных смесей и результаты эксперимента

№ п/п Натуральное значение факторов Кодированное значение факторов Расход компонентов*, кг/м3 У, см У2, МПа

Х1 Х2 Х3 Х1 Х2 Х3 Ц З СП (л) ВВД (л) В (л)

1 45,0 1,6 0,9 +1 +1 +1 251 206 7,3 4,1 199 40,2 40,1

2 45,0 1,6 0,1 +1 [phone] 7,3 0,5 202 36,1 53,7

3 45,0 0,4 0,9 +1 -1 +1 251 206 1,8 4,1 204 35,4 40,5

4 45,0 0,4 0,1 [phone] 1,8 0,5 208 33,2 40,5

5 15,0 1,6 0,9 -1 +1 +1 388 69 7,3 4,1 199 34,3 35,6

6 15,0 1,6 0,1 -1 +1 -1 388 69 7,3 0,5 202 31,5 53,1

7 15,0 0,4 0,9 -1 -1 +1 388 69 1,8 4,1 204 30,1 54,1

8 15,0 0,4 0,1 -1 -1 -1 388 69 1,8 0,5 208 28,3 48,6

9 30,0 1,0 0,5 0 0 0 320 137 4,6 2,3 203 35,2 37,8

*Примечание. Расход щебня составляет 1112 кг/м3, расход песка - 553 кг/м3

У1 = 33,3 + 2,63 • Х1 + 1,88 • Х2 + 1,38 • Х3 (4.1)

У2 = 45,75 - 2,08 • Х1 - 3,20 • Х3 + 3,34 • Х1 • Х2 - 4,59 • Х2 • Х3 (4.2) Формулы перехода от кодированных значений к натуральным:

= (^ - 30)/15; = № - 1)/0,6; Х3 = (Х3 - 0,5)/0,1 (4.3-4.5)

Графическая интерпретация уравнений регрессии (4.1) и (4.2), характеризующих соответственно изменение удобоукладываемости бетонной смеси по рас-плыву конуса, см, и предела прочности на сжатие образцов бетона в возрасте 28 суток нормального твердения, МПа, от действующих факторов представлена на рисунке 4.1.

Анализ уравнений регрессии показывает, что увеличение содержания в составе бетонной смеси золы ТЭС (фактор Х1) ведет к повышению показателя удобо-укладываемости бетонной смеси по расплыву конуса. Одним из ключевых факторов, способствующих увеличению подвижности, является уменьшение внутреннего трения зерен в бетонной смеси при добавлении обогащенной золы, состоящей преимущественно из сферических частиц с гладкой остеклованной фактурой поверхности и сниженным содержанием шероховатых и пористых несгоревших угольных частиц. Кроме того, при введении золы взамен части портландцемента объем теста вяжущего в бетонной смеси увеличивается, так как замена портландцемента золой производится по массе, а плотность золы значительно меньше плотности цемента. Увеличение же объема теста вяжущего (цементно-зольного теста), при прочих равных условиях, приводит к увеличению удобоукладываемости бетонной смеси [3].

Поликарбоксилатный суперпластификатор в составе модификатора «АРТ-КОНКРИТ Р» (фактор Х2) также оказывает положительное влияние на повышение удобоукладываемости бетонной смеси, в то время как воздухововлекающая добавка Sika® Аег Рго-100 (фактор Х3) оказывает незначительное пластифицирующее

Рисунок 4.1 - Графическая интерпретация уравнений регрессии (4.1) и (4.2)

С другой стороны, следует отметить, что на показатель прочности бетона факторы Х1 и Х3 оказывают отрицательное влияние. Так, с увеличением расхода золы ТЭС в составе бетона, показатель прочности незначительно снижается. Можно предполагать, что эффект связан с тем, что темпы роста прочности в ранние сроки твердения снижаются с увеличением процента замещения портландцемента золой. В то же время известно, что в более поздние периоды твердения (90-360 сут.) бетон с умеренным количеством золы может достичь той же или даже более высокой прочности, чем бетон без золы. Это происходит благодаря нескольким факторам. Во-первых, зола содержит аморфный кремнезем, который связывает гидрок-сид кальция в низкоосновные гидросиликаты кальция и стимулирует гидратацию клинкерных минералов портландцемента. Во-вторых, дисперсные частицы золы выполняют функцию микронаполнителя, улучшающего структуру бетона.

Отрицательное влияние фактора Х3 связано, с тем, что с увеличением расхода воздухововлекающей добавки повышается пористость бетона, что может привести к снижению его прочности. Компенсировать некоторое снижение прочности бетона возможно за счет слабого водоредуцирующего эффекта воздухововлекающей добавки.

Положительное взаимодействие факторов Х1 и Х2 можно объяснить совместным пластифицирующим эффектом на бетонную смесь, что ограничивает расход воды затворения, с одной стороны, а также влиянием углеродных наночастиц на процесс гидратации цемента - с другой. Отрицательное взаимодействие факторов Х2 и Х3, вероятно, связано с повышением воздухововлечения в бетонную смесь при увеличении содержания химических добавок.

Области оптимальных составов комплексного модификатора (обогащенная зола ТЭС, модификатор «АРТ-КОНКРИТ Р» и воздухововлекающая добавка Sika® Лег Рго-100), обеспечивающего получение бетонных смесей с показателем удобо-укладываемости по расплыву конуса на встряхивающем столе не менее 35 и не более 41 см (марка по расплыву конуса Р2 согласно ГОСТ 7473-2010) и бетона с пределом прочности при сжатии в проектном возрасте не менее 40 МПа, приведены на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - Области оптимальных составов комплексного модификатора

4.2 Влияние золы ТЭС на воздухововлекающую способность химических добавок в бетонной смеси

Известно, что содержащийся в золе ТЭС несгоревший углерод может действовать как адсорбент органического материала и имеет сильную склонность к взаимодействию с поверхностно-активными веществами, используемыми в качестве воздухововлекающих добавок. По мере увеличения значения ППП золы дозировка воздухововлекающих добавок, необходимая для получения заданного содержания вовлеченного воздуха, также обычно увеличивается. Кроме того, колебания ППП золы (несгоревший углерод) приводят к колебаниям содержания воздуха в бетоне. Эта ситуация требует тщательного контроля качества со стороны производителя бетонных смесей и частых корректировок дозировок добавок [59, 69]. В третьем разделе диссертации установлено, что при применении в составе цементного теста золы с высоким содержанием несгоревшего углерода (ППП = 22 %) резко сокращается длительность устойчивого состояния пены на поверхности теста вяжущего, а расход разбавленной воздухововлекающей добавки для получения стабильной пены повышается в 8,1 раза в сравнении с применяемой обогащенной золой (ППП = 2,2 %).

Объем вовлеченного воздуха уплотненных бетонных смесей на плотных заполнителях определен с помощью поромера КП-133 с объемом чаши для смеси

Таблица 4.4 - Состав бетонных смесей для определения воздухововлечения

№ Зола гидроудаления Цемент Пе- Ще- СП ВВД В, В/В

исходная обогащенная % кг/м3 сок, бень, % л % л л

% кг/м3 % кг/м3 кг/м3 кг/м3

1 0 0 0 0 100 457 553 1112 1,0 4,6 0,5 2,3 199 0,45

2 15 69 0 0 85 388 528 1087 1,0 4,6 0,5 2,3 199 0,45

3 30 137 0 0 70 320 516 1075 1,0 4,6 0,5 2,3 199 0,45

4 45 206 0 0 55 251 503 1062 1,0 4,6 0,5 2,3 199 0,45

5 0 0 15 69 85 388 528 1087 1,0 4,6 0,5 2,3 199 0,45

6 0 0 30 137 70 320 516 1075 1,0 4,6 0,5 2,3 199 0,45

7 0 0 45 206 55 251 503 1062 1,0 4,6 0,5 2,3 199 0,45

Содержание компонентов бетонной смеси рассчитано по методу абсолютных объемов, учитывая средний объем вовлеченного воздуха при применении воздухо-вовлекающей добавки в количестве 30-40 л. Расход заполнителей относительно контрольного состава скорректирован, исходя из изменения объема теста вяжущего при замещении цемента золой. Водовяжущее отношение для всех составов постоянно - В/В=0,45, расход химических добавок принят в процентах жидкой добавки от массы вяжущего (цемент + зола), исходя из рекомендаций товаропроизводителя.

Установлено, что с ростом процента замещения портландцемента исходной золой гидроудаления (необработанной), содержащей несгоревший углерод в количестве ППП=7 %, снижается содержание вовлеченного воздуха в бетонную смесь, кроме того, наблюдается ухудшение ее удобоукладываемости (рисунок 4.3). Для обеспечения требуемого объема вовлеченного воздуха в этом случае потребуется повышение дозировки воздухововлекающей добавки, однако, при этом будет наблюдаться замедление твердения и снижение прочности бетона. С другой стороны, зола, обогащенная в электростатическом сепараторе, с показателем

ППП=2,4 % обеспечивает повышение воздухововлечения в бетонную смесь с увеличением процента замещения портландцемента. Очевидно, на объем вовлеченного воздуха свое влияние будет оказывать и другая химическая добавка - суперпластификатор «АРТ-КОНКРИТ Р»: с одной стороны, снижая эффективность воз-духововлекающей добавки вследствие конкурентной адсорбции на границе раздела фаз, с другой стороны, компенсируя это снижение за счет собственного воздухово-влечения как суперпластификатора на поликарбоксилатной основе.

7

\0

о4

Ctf 6

£

СО о 5

и

о

и О 4

К

X

<SJ V 3

С1>

Ч

« о 2

и

S

<SJ А 1

Ю

О 0

□ 0 В 15 Ш 30 В 45

3.8

6.2

Зола исходная Зола обогащенная

Содержание золы, %

Рисунок 4.3 - Зависимость объема вовлечённого воздуха от процента замещения портландцемента золой ТЭС

4.3 Эксплуатационные свойства бетона с обогащенной золой ТЭС

4.3.1 Морозостойкость бетона с обогащенной золой ТЭС

Положительное влияние содержания обогащенной золы ТЭС взамен части портландцемента в составе бетона на получение требуемого объема вовлеченного воздуха дает предпосылки для обеспечения его высокой морозостойкости. Исследованы два состава бетона: контрольный - с высоким содержанием портландцемента и достаточно низким водоцементным отношением, и модифицированный -

Таблица 4.5 - Состав бетонных смесей для определения морозостойкости

№ Расход компонентов, кг/м3 В/Ц (В/В)

цемент зола песок щебень (фр.5-10 мм) СП (л) ВВД (л)

1 600 0 648 1000 6,0 0 0,32(0,32)

2 300 300 512 945 5,1 3,0 0,64(0,32)

Морозостойкость бетона определяли согласно ГОСТ 10060-2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости» [187] по второму базовому методу - для бетонов, эксплуатирующихся в условиях воздействия минерализованной воды. Испытания начинали после достижения бетоном проектного возраста. Образцы размером 0,1^0,1x0,1 м (рисунок 4.4) изготавливали и испытывали на сжатие сериями по ГОСТ 10180. Контрольные образцы бетона перед испытанием на прочность, а основные образцы перед замораживанием насыщали 5%-ным водным раствором хлорида натрия температурой (20 ±2 )°С.

Рисунок 4.4 - Образцы исследуемого бетона в морозильной камере

Оценку морозостойкости бетона осуществляли визуальным осмотром и по показателям уменьшения массы образцов (таблица 4.6), а также по изменению предела прочности при сжатии (таблица 4.7).

№ со- Показатели Число циклов замораживания-оттаивания

става 50 75 100

Уменьшение массы, % 0,18 0,64 1,53

1 Визуальные повреждения отсутствуют шелушение поверхности шелушение поверхности, ребер, сколы

Уменьшение массы, % 0,02 0,12 0,31

2 Визуальные повреждения отсутствуют шелушение поверхности

Таблица 4.7 - Прочность контрольных и основных образцов бетона (испытания - 100 циклов замораживания и оттаивания по второму базовому методу)

Номер образца в серии Прочность бетона, МПа

контрольных образцов основных образцов

состав № 1 состав № 2 состав № 1 состав № 2

1 42,9 48,3 34,6 44,2

2 48,8 46,8 41,1 47,7

3 39,3 54,2 40,4 47,2

4 42,2 41,1 34,2 39,4

5 44,5 53,2 31,3 43,1

6 47,9 49,4 41,8 43,2

Показатель Значения показателей

Хср.1, МПа 44,3 48,8 - -

оп1, МПа 3,8 5,2 - -

Хрп, МПа - - 37,2 44,1

оп11, МПа - - 4,2 3,3

V, % 8,6 10,7 11,3 7,5

Хтп1, МПа 34,5 35,4 - -

0,9ХШШ1, МПа 31,1 31,9 - -

Хтшп, МПа - - 26,4 35,6

Результаты исследований показывают, что морозостойкость образцов модифицированного бетона (обогащенная зола в количестве 50 % взамен портландцемента; модификатор «АРТ-КОНКРИТ Р»; воздухововлекающая добавка Sika® Аег Pro-100) выше, чем у образцов бетона контрольного состава 1, при этом для обоих составов уменьшение массы образцов до и после испытаний не превышает 2 %, что удовлетворяет требованиям ГОСТ 10060-2012.

Нижняя граница доверительного интервала прочности контрольных образцов с учетом коэффициента 0,9 равна 31,1 МПа - для первого состава и 31,9 МПа - для второго состава. Нижняя граница доверительного интервала прочности основных образцов равна 26,4 МПа - для первого состава и 35,6 МПа - для второго состава.

Таким образом, исходя из условия выполнения соотношения: Хтт11 > Р^ХА образцы модифицированного бетона (состав № 2) выдержали 100 циклов испытаний по второму базовому методу, что соответствует марке бетона по морозостойкости F2100. Для образцов бетона контрольного состава (Состав № 1) данное соотношение не выполняется. Вероятно, это связано с тем, что эффект заполнения пор, создаваемый пуццолановыми сферическими частицами золы, способствует увеличению плотности, а в связи с этим, значительному уменьшению капиллярной пористости и проницаемости бетона. Использование воздухововлекающей добавки и поликарбоксилатного суперпластификатора обеспечивает формирование замкнутых сферических воздушных ячеек в бетоне. Эти ячейки снижают напряжения в бетоне, создаваемых в ходе попеременных циклов замораживания-оттаивания, что способствует повышению его морозостойкости (морозосолестойкости).

Следует также отметить, что пуццолановая реакция, при которой зола вступает в реакцию с образованием гидросиликатного геля, протекает намного медленнее, чем гидратация цемента. При этом, большинство стандартизированных методик испытаний на морозостойкость (морозосолестойкость) начинаются через 28 суток нормального твердения, что недостаточно для того, чтобы бетон с золой достиг своего полного потенциала в отношении морозостойкости (морозосолестойкости)

Коррозионную стойкость мелкозернистого бетона определяли по ускоренной методике [189] на образцах-призмах размером 0,04x0,04x0,16 м. Степень коррозионной стойкости оценивали коэффициентом стойкости (КС), который представляет собой отношение прочности (Да, МПа) образцов после каждого срока их выдерживания в агрессивном растворе (0,1 н раствор HCl и 5 %-ный раствор NaCl - рисунок 4.5, 4.6) к прочности (Дк, МПа) образцов, твердевших в воде 14 суток (п. 2.2.13). Испытаниям подвергались образца бетона, составы которого приведены в таблице 4.5.

Рисунок 4.5 - Образцы бетона, Рисунок 4.6 - Образцы бетона,

выдержанные в течение 126 суток в выдержанные в течение 126 суток в 0,1 н растворе HCl 5%-ном растворе NaCl

Установлено, что коэффициент коррозионной стойкости образцов модифицированного бетона после выдерживания в течение 126 суток в 0,1 н растворе HCl и 5%-ном растворе NaCl равен, соответственно Кснс1 = 0,90 и КсМаС1 = 0,95, в то время как для образцов бетона контрольного состава - КснС1 = 0,74 и Кс№<С = 0,87 (таблица 4.8).

Вспомогательные цементирующие материалы, которые образуются в результате реакции между свободной избыточной известью и золой, блокируют капил-

лярные поры, а также снижают риск выщелачивания свободной извести и тем самым уменьшают проницаемость бетона, повышая коррозионную стойкость бетона [25]. Этому способствует также действие модификатора «АРТ-КОНКРИТ Р», уменьшающего капиллярную пористость бетона за счет водоредуцирующего эффекта поликарбоксилатного суперпластификатора и микроармирующего эффекта многослойных углеродных нанотрубок. В исследованиях белорусских ученых показано, что применение модификатора обеспечивает повышение коррозионной стойкости (уменьшение проникновения хлорид-ионов) и снижение водопроницаемости бетона [170].

Таблица 4.8 - Результаты определения коррозионной стойкости бетона

Состав бетона № Прочность контрольных образцов, Rк, МПа Предел прочности на растяжение при изгибе образцов, выдержанных в агрессивных растворах, Rl26, МПа, и коэффициент коррозионной стойкости Кс

0,1 н раствор НС1 5 %-ный раствор №С1

Я126, МПа Кс Я126, МПа Кс

1 6,9 5,1 0,74 6,0 0,87

2 7,3 6,6 0,90 6,9 0,95

4.4 Рекомендации по ресурсосберегающей технологии бетона с обогащенной золой ТЭС

Зола тепловых электростанций дает многочисленные преимущества производителям и потребителям бетона. Среди преимуществ частичной замены портландцемента в бетоне можно отметить: выгодное использование отходов промышленности; снижение энергозатрат, необходимых для производства единицы объема бетона, улучшение строительно-технических показателей качества изделий и конструкций [22]. Бетоны с высоким содержанием золы имеют большие перспективы использования, что обусловлено, в первую очередь, доступностью сырьевой базы, которая имеется во многих регионах России. Так, в настоящее время на территории

Бетоны с высоким расходом золы характеризуются низким тепловыделением, высокой трещиностойкостью, высокой морозостойкостью, низкой проницаемостью к воздействию агрессивных веществ, сульфато- и кислотостойкостью и могут использоваться для возведения массивных строительных конструкций (при строительстве плотин, ядерных реакторов, возведении массивных фундаментов [53, 126]. Доказана эффективность замены 25-30 % портландцемента золой-уноса для бетонов внутренних зон массивных гидротехнических сооружений и 15-20 % для бетона в подводных частях сооружений. В ряде случаев обоснована целесообразность увеличения содержания в гидротехническом бетоне золы-уноса до 5060 % от массы цемента. При замене золой до 40 % цемента при их совместном измельчении прочность бетона через 28 суток близка, а через 60 суток практически равна прочности бетона без добавки [159].

В настоящее время на тепловых электростанциях зола улавливается воздушными или электрофильтрами и накапливается в бункерах (сухой способ отбора) или вместе с образующимся шлаком утилизируется системой гидравлического золошла-коудаления. Этот способ, как наиболее экономичный, широко используется, таким образом более 90 % золошлаковых отходов размещается в золошлакоотвалах.

Размещение золы в золошлакоотвалах является экологической проблемой, так как утилизированные отходы не находят практического применения и могут загрязнять окружающую среду.

Для отбора всего текущего выхода золошлаковой смеси и организации централизованной ее поставки потребителям, на электростанциях целесообразно строить специальные установки, включающие секционные бассейны, золошлаконако-пители, шламовую насосную, грейферный кран для извлечения золошлаковой смеси из накопителей, площадки для складирования золошлаковой смеси и подъездные дороги. Установка обеспечит получение золошлаковой смеси оптимального зернового состава и предотвратит ее загрязнение в отвале [17].

4.4.1.1 Настоящие рекомендации разработаны на основе «Рекомендаций по применению в бетонах золы, шлака и золошлаковой смеси тепловых электростанций», разработанных НИИЖБ Госстроя СССР [17].

4.4.1.2 Рекомендации распространяются на тяжелые цементные бетоны, применяемые в различных областях строительства, за исключением сооружения верхнего слоя покрытия автомобильных дорог и аэродромов, устоев и пролетных строений мостов, оболочек градирен и стволов вытяжных (дымовых) труб, гидротехнических сооружений в частях, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию.

4.4.1.3 Применение сухой золы тепловых электростанций взамен части цемента в тяжелых бетонах рекомендуется в случаях: применения цемента более высоких марок, чем это необходимо для получения проектной марки бетона по прочности на сжатие; необходимости повышения плотности бетона и удобоукладывае-мости бетонной смеси; применения гидротермальной обработки (пропаривание в камерах при атмосферном давлении и в автоклавах под давлением, электропрогрев, инфракрасный прогрев) твердеющих бетонных изделий и конструкций; необходимости снижения теплоты гидратации твердеющего бетона в массивных сооружениях (фундаменты, гидротехнические сооружения).

4.4.1.4 С применением обогащенной золы гидроудаления в количестве до 45 % взамен части портландцемента могут изготавливаться бетоны марок по прочности М300-М400, по морозостойкости Б2100 из бетонных смесей марки по рас-плыву конуса Р2.

4.4.1.5 В рекомендациях приведены требования к золе, исходным компонентам тяжелого цементного бетона; даны ссылки на ГОСТы на бетонные смеси и бетон, а также все составляющие бетон материалы; приведены рекомендации по хранению и транспортированию золошлаковых отходов на заводы-потребители; описана функциональная технологическая схема производства бетонной смеси с обогащенной золой ТЭС.

4.4.1.6 Прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, коррозионная стойкость и другие физико-механические характеристики бетонов с использованием обогащенной золы гидроудаления должны отвечать требованиям государственных стандартов, технических условий и рабочих чертежей на изготовляемые конструкции и возводимые сооружения, что устанавливается проведением соответствующих испытаний контрольных образцов бетона и готовых железобетонных изделий.

4.4.1.7 Бетоны с использованием золы не разрешается применять для строительных конструкций, армированных термически упрочненной сталью, склонной к коррозионному растрескиванию.

4.4.2 Ссылки на нормативную документацию

В настоящих рекомендациях использованы ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 10180-2012 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.

ГОСТ 10181-2014 Смеси бетонные. Методы испытаний (с Поправкой).

ГОСТ 18105-2018 Бетоны. Правила контроля и оценки прочности (с Поправкой).

ГОСТ 23732-2011 Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия (с Поправкой).

ГОСТ 24211-2008 Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия (с Изменением N 1) (с Поправкой).

ГОСТ 25592-2019 Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов. Технические условия.

ГОСТ 25818-2017 Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия.

ГОСТ 26633-2015 Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия.

ГОСТ 26633-2015 Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия (с Поправкой, с Изменением N 1).

ГОСТ 31108-2020 Цементы общестроительные. Технические условия (с Поправкой, с Изменением N 1).

ГОСТ 7473-2010 Смеси бетонные. Технические условия (с Поправками).

ГОСТ 8267-93 Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия (с Изменениями N 1-4).

ГОСТ 8736-2014 Песок для строительных работ. Технические условия (с Поправками, с Изменением N 1).

ГОСТ Р 56592-2015 Добавки минеральные для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия.

ГОСТ Р 56593-2015 Добавки минеральные для бетонов и строительных растворов. Методы испытаний (Переиздание).

4.4.3 Характеристика сырьевых материалов

Материалы для приготовления бетона должны отвечать требованиям, изложенным в государственных стандартах на эти материалы. При несоответствии отдельных составляющих бетон материалов требованиям нормативной документации необходимо провести их испытание в бетонах и дать технико-экономическое обоснование целесообразности их применения.

4.4.3.1 В качестве вяжущего вещества применяется портландцемент, отвечающий требованиям, представленным в таблице 4.9.

4.4.3.2 В качестве крупного заполнителя применяется гранитный щебень, отвечающий требованиям, представленным в таблице 4.10.

4.4.3.3 В качестве мелкого заполнителя применяется кварцевый песок, отвечающий требованиям, представленным в таблице 4.11.

4.4.3.4 В качестве активной минеральной добавки применяется обогащенная зола ТЭС, отвечающая требованиям, представленным в таблице 4.12.

Наименование показателя Показатель

Тип цемента ЦЕМ I

Класс цемента 42,5Н

Прочность на сжатие, МПа, не менее, в возрасте: - 2 суток - 28 суток 10 42,5

Начало схватывания, мин, не раннее 60

Равномерность изменения объема (расширение), мм, не более 10

Потери массы при прокаливании, не более 5,0

Нерастворимый остаток, не более 5,0

Содержание оксида серы (VI) SОз, не более 3,5

Содержание М§О, не более 5,0

Содержание хлорид-иона С1-, не более 0,10

Таблица 4.10 - Технические характеристики щебня

Наименование показателя Показатель

Фракционный состав, мм 5-10, 10-20, 20-40

Истинная плотность, кг/м3 2500-2700

Насыпная плотность, кг/м3 1350-1550

Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы, % по массе до 10 включ.

Марка по дробимости щебня из изверженных пород не менее 1000

Содержание зерен слабых пород, % по массе, не более 5

Содержание пылевидных и глинистых частиц, % по массе, не более 1

Содержание глины в комках, % по массе, не более 0,25

4.4.3.5 Зола ТЭС должна иметь сертификат соответствия и санитарно-эпидемиологическое заключение; не содержать даже следовых количеств радиоактивности; быть продуктом сгорания угля из одного месторождения и по одной технологии сжигания и сбора.

Наименование показателя Показатель

Модуль крупности 2,0-2,5

Истинная плотность, кг/м3 2400-2680

Насыпная плотность, кг/м3 1300-1600

Полный остаток на сите №063, % по массе 30-45

Содержание зерен крупностью, % по массе:

- св.10 мм 0,5

- св. 5 мм 5

- менее 0,16 мм 5

Содержание пылевидных и глинистых частиц, % по массе 2

Содержание глины в комках, % по массе 0,25

Влажность, % менее 7

Таблица 4.12 - Технические характеристики золы

Наименование показателя Показатель

Содержание оксида кальция СаО, % масс., не более 10

Содержание оксида магния MgO, % масс., не более 5

Содержание сернистых и сернокислых соединений в пересчете на Б03, % масс., не более 3

Содержание щелочных оксидов в пересчете на №20, % масс., не более 3

Содержание хлорид-ионов, % масс., не более 0,1

Потеря массы при прокаливании (п.п.п.), % масс., не более 2,5

Удельная поверхность, м2/кг, не менее 300

Остаток на сите №008, % масс., не более 15

Влажность, %, не более 1

Индекс активности не менее, %, в возрасте: - 28 суток - 90 суток 75 85

Водопотребность, %, не более 95

4.4.3.6 Для обеспечения требуемой удобоукладываемости бетонной смеси рекомендуется обязательное применение суперпластификатора, например, «АРТ-

КОНКРИТ Р» (ТУ BY 691460594.002-2016), содержащей модификатор на основе углеродных наноструктурированных материалов.

4.4.3.7 Для обеспечения требуемой марки бетона по морозостойкости необходимо обязательное применение воздухововлекающей добавки, например, Б1ка® Лег Рго-100 (ТУ 2499-003-13613997-2008) на основе композиции синтетических поверхностно-активных веществ.

4.4.3.8 Добавки химические и поверхностно-активные применяют в бетонах, в состав которых входит обогащенная зола, в соответствии с техническим описанием продукта и рекомендациями по применению от производителя.

4.4.3.9 Для затворения бетонной смеси используется техническая вода, отвечающая требованиям, представленным в таблице 4.13.

Таблица 4.13 - Характеристика воды затворения

Наименование показателя Показатель

Водородный показатель рН 4-12,5

Максимальное допустимое содержание, мг/л

- растворимых солей 5000

- ионов SO42- 2700

- ионов С1- 1200

- взвешенных частиц 200

Окисляемость, мг/л не более 15

4.4.4 Отбор золошлаковой смеси из золошлакоотвалов

4.4.4.1 Золошлаковую смесь для тяжелых бетонов в начальный период освоения данного сырья допускается отбирать с участков отвала, расположенных вблизи мест выпуска пульпы из трубопровода гидрошлакоудаления.

4.4.4.2 При использовании золошлаковой смеси из отвалов в больших объемах дирекцией ТЭС должен быть организован специальный участок (цех) для разработки отвалов.

4.4.4.3 Отобранные пробы золошлаковой смеси передают в лабораторию завода товарного бетона (сборных железобетонных изделий) для исследования. По

частным пробам определяют зерновой состав, насыпную плотность и химический состав пробы золошлаковой смеси, а также рассчитывают средний состав смеси по нескольким пробам, взятым на обследованной глубине.

4.4.5 Транспортирование, переработка и хранение золошлаковых отходов на предприятии потребителе

4.4.5.1 Золошлаковую смесь можно транспортировать в открытых вагонах, автосамосвалах и автоприцепах с погрузкой навалом.

4.4.5.2 Поставку и приемку золошлаковых материалов производят партиями. Партией считают количество золошлаковой смеси, одновременно отгружаемой одному потребителю в течение суток, но не более 500 т.

4.4.5.3 Хранить золошлаковую смесь в летнее время и в районах с теплым климатом допускается в открытых складах, предохраняя от загрязнения и смешивания с другими материалами. В районах с холодным климатом и в зимнее время золошлаковая смесь смерзается, и хранить ее следует в теплых складах под крышей в обогреваемых регистрами бункерах.

4.4.5.4 Золошлаковая смесь как вторичный минеральный ресурс для использования в тяжелых бетонах должна быть подвергнута переработке: сушке до показателя влажности не более 1 % с последующим рассевом на фракции для использования в бетоне в качестве:

- зольной составляющей (частицы золы и шлака размером менее 0,315 мм) -как минеральной добавки в виде сухой золы (восстановленная отвальная зола) со стабильными строительно-техническими свойствами и обеспеченной однородностью по гранулометрическому и фазово-минералогическому составу в результате применяемой технологии переработки;

- шлаковой составляющей, включающей зерна шлака размером от 0,315 до 5 (3) мм - как мелкого заполнителя, и зерна шлака, размером свыше 5 (3) мм - как крупного заполнителя.

Основными операциями технологического процесса приготовления бетонной смеси с обогащенной золой ТЭС являются (рисунок 4.7):

- хранение сырьевых материалов;

- подготовка материалов;

- дозирование материалов;

- перемешивание материалов;

- выдача готовой продукции.

Рисунок 4.7 - Функциональная технологическая схема производства бетонной смеси с обогащенной золой ТЭС

Цемент и добавки не требуют особых условий хранения. Необходимо соблюдать рекомендации производителя по их хранению. Рекомендуется заранее пополнять запасы мелкодисперсных компонентов, чтобы избежать изменения состава при изготовлении последующих партий бетона.

Заполнители должны быть надлежащим образом сохранены в секционированных складах, чтобы предотвратить перекрестное смешение между различными видами и фракциями, а также защитить их от воздействия внешней среды, чтобы минимизировать колебания влажности.

Компоненты бетонной смеси доставляются в крытое отапливаемое складское помещение, где они выдерживаются при температуре окружающей среды не менее 15°С в течение суток. Количество материала на складе должно быть равно или превышать суточное потребление на участке смешивания.

В зимнее время заполнители могут поступать в смерзшемся состоянии. Перед подачей в бетоносмесительный цех их необходимо подогреть. Это можно сделать по одно- или двухступенчатой схеме.

В первом случае заполнители нагревают до их оттаивания и до требуемой температуры. Во втором случае их оттаивание и нагрев до расчетной температуры производятся на разных установках.

4.4.6.2 Подготовка исходных материалов

Обогащение золы с целью снижения содержания несгоревших угольных частиц может производиться в электростатических сепараторах компании Separation Technologies (STI), которая занимается коммерческой разработкой систем кондиционирования золы-уноса. Технология электростатической сепарации, разработанная STI, позволяет снизить содержание углерода в угольной золе-уноса, в результате чего образуется однородная зола с низким содержанием углерода, которая может использоваться для замещения части цемента [192].

В настоящих рекомендациях предлагается применение барабанного коронно-электростатического сепаратора, схема которого приведена на рисунке 4.8.

В данных сепараторах механизм зарядки частиц в зоне коронного разряда аналогичен предшествующему варианту. Введение в рабочую зону дополнительного электростатического поля увеличивает роль электрических сил, способствующих более раннему отклонению проводящих частиц от барабана. Частицы диэлектриков, при прочих равных условиях, удерживаются на большем участке периметра барабана. В результате этого увеличивается разница в траекториях проводящих и непроводящих частиц. Таким образом, электродная система является важнейшим узлом данных сепараторов [193].

Рисунок 4.8 - Схема барабанного коронно-электростатического сепаратора: 1 - дозатор; 2 - металлический заземленный барабан (осадительный электрод); 3 - коронирующий высоковольтный электрод; 4 - отклоняющий электрод; 5 - приемник для непроводящих частиц I, проводящих частиц III и их смеси II; 6 - скребок

4.4.6.3 Дозирование и перемешивание компонентов бетонной смеси

Исходные компоненты дозируют по массе. Погрешность дозирования исходных материалов весовыми дозаторами не должна превышать ±2 % для цемента, воды, химических и минеральных добавок, ±3 % - для заполнителей.

Правильная последовательность загрузки материалов в бетоносмеситель имеет большое значение для получения качественного бетона. Обычно рекомендуется следующая последовательность: сначала загружается примерно 15-20 % воды

5

|р О о I о *

г II

III

от необходимого количества. Это делается для того, чтобы создать начальную влажность и предотвратить прилипание материалов к стенкам смесителя. Затем поступает песок, цемент, зола и щебень. Оставшееся количество воды, загружается в течение всего цикла загрузки материала.

Продолжительность перемешивания бетонной смеси в смесителях принудительного действия для смесей всех марок по удобоукладываемости при водоце-ментном отношении В/Ц менее 0,3 составляет 80-120 с. Для смесей марки по удо-боукладываемости Р2, продолжительность перемешивания увеличивают на 5 с. В зимнее время продолжительность перемешивания нужно увеличить на 20-25 %.

4.4.6.4 Контроль технологического процесса производства бетонной

смеси

Контроль качества сырьевых материалов осуществляется на основе действующих на них нормативных документов при поступлении на предприятие.

Контроль качества готовой продукции осуществляется отделом технического контроля в соответствии с ГОСТ 7473-2010.

4.4.6.5 Требования к производственным помещениям

Производственные здания и сооружения должны соответствовать требованиям СП 56.13330.2021.

Цех по производству бетонной смеси с обогащенной золой ТЭС должен состоять из следующих производственных помещений:

- склад хранения исходных компонентов;

- производственный участок;

- склад готовой продукции.

4.4.6.6 Охрана труда и техника безопасности

Государственные нормативные требования охраны труда при организации и выполнении работ, связанных с производством бетонных смесей устанавливают Правила по охране труда при производстве строительных материалов.

4.5.1 Характеристики продукции

Характеристика выпускаемой продукции представлена в таблице 4.14. Таблица 4.14 - Характеристика продукции