Композитные материалы на основе зольных и шлаковых отходов для теплоизоляции дорожного полотна.
Автор: Панков Павел Павлович, Коновалова Наталья Анатольевна, Шаванов Николай Дмитриевич, Бесполитов Дмитрий Викторович
Журнал: Строительство уникальных зданий и сооружений @unistroy
Статья в выпуске: 6 (120), 2025 года.
Бесплатный доступ
Объектом исследования является зольно-шлаковая смесь Амазарской котельной (Забайкальская железная дорога), входящая в состав композита в качестве инертного наполнителя полимерной матрицы. Целью работы является изучение способов использования зольно-шлаковой смеси в составах композитных материалов для гидроизоляции и теплоизоляции главной платформы железнодорожного полотна. Методика. Для получения данных о химико-фазовом составе, физико-физико-химических свойствах, микроструктурных особенностях зольно-шлаковой смеси и композита на ее основе использовались современные аналитические методы (рентгенофлуоресцентный и рентгенофазовый анализ; дифференциальная сканирующая калориметрия и термогравиметрия; инфракрасная спектроскопия; световая, стерео- и сканирующая электронная микроскопия; компьютерная рентгеновская микротомография и др.). Представлены условия синтеза композитной матрицы, способы подготовки образцов и их эксплуатационные характеристики. Сканирующая электронная микроскопия и компьютерная рентгеновская микротомография были использованы для изучения свойств порового пространства композитного материала и установления механизма его криоструктурирования. Результаты. Было установлено, что зольно-шлаковая смесь не вспучивается, а удельная эффективная активность природных радионуклидов соответствует требованиям ГОСТ 30 108-94 (295 Бк/кг), что позволяет использовать ее без ограничений в строительной отрасли. На основании гидравлической активности зольно-шлаковая смесь классифицируется как инертный материал. Инфракрасная спектроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия и термогравиметрия выявили присутствие органических соединений (угля, полукокса и остатков кокса) в зольно-шлаковой смеси. Сканирующая электронная микроскопия выявила неоднородность порового пространства зольно-шлаковой смеси, что может способствовать производству композита с оптимальными теплоизоляционными свойствами. Полученный композитный материал морозостойкий и водонепроницаемый (температура плавления не менее 3600 с), характеризуется прочностью на сжатие 6,20 МПа и теплопроводностью 0,17 Вт/(м•К). Криогенная обработка композитного материала привела к изменению пространственной ориентации его микроструктурных элементов. Максимальный объем в структуре композитного материала (13–39 мм³) занимают поры размером 0,028–0,084 мм, составляющие до 41%. Общая пористость композита составила 17,28%, что определяет его теплофизические свойства и позволяет рекомендовать его для установки гидро- и теплоизолирующих защитных слоев под железнодорожный балласт.
Композитные материалы, теплоизоляция дорожного полотна, криоструктурирование, полимерная матрица, утилизация отходов, смеси золы и шлака.
Короткий адрес: https://sciup.org/143185616
IDR: 143185616 | DOI: 10.4123/CUBS.120.2
Composite materials based on ash and slag waste for thermal insulation of roadbeds
The object of research is the ash and slag mixture of the Amazar boiler station (Trans-Baikal Railway), involved in the composition of the composite as an inert filler of the polymer matrix. The aim of this work is to study the methods of utilization of ash and slag mixture in the compositions of composite materials for waterproofing and thermal insulation of the main platform of the railway roadbed. Method. To obtain data on the chemical and phase composition, physical and physicochemical properties, microstructural features of the ash and slag mixture and the composite based on it, modern analytical methods were used (X-ray fluorescence and X-ray phase analysis; differential scanning calorimetry and thermogravimetry; infrared spectroscopy; light, stereo- and scanning electron microscopy; computed X-ray microtomography, etc.). The conditions for the synthesis of the composite matrix, sample preparation modes and their performance characteristics are presented. Scanning electron microscopy and computed X-ray microtomography were used to study the pore space properties of a composite material and establish the mechanism of its cryostructuring. Results. The ash and slag mixture was found to be non-heaving, with the specific effective activity of natural radionuclides meeting the requirements of GOST 30 108−94 (295 Bq/kg), allowing its unrestricted use in the construction industry. Based on its hydraulic activity, the ash and slag mixture is classified as an inert material. Infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, and thermogravimetry revealed the presence of organic compounds (coal, semi-coke, and coke residues) in the ash and slag mixture. Scanning electron microscopy revealed the heterogeneity of the ash and slag mixture's pore space, which may facilitate the production of a composite with optimal thermal insulation properties. The resulting composite material is frost-resistant and waterproof (ti not less than 3600 s), characterized by a compressive strength of 6.20 MPa and a thermal conductivity of 0.17 W/ (m•K). Cryogenic treatment of the composite material led to a change in the spatial orientation of its microstructural elements. The maximum volume in the composite material structure (13−39 mm3) is occupied by pores with sizes of 0.028−0.084 mm, which account for up to 41%. The total porosity of the composite was 17.28%, which determines its thermophysical properties and allows it to be recommended for the installation of hydro- and thermal-insulating protective layers under railway ballast.
