Перспективы использования золошлаковых отходов теплоэнергетики Сибири в производстве тротуарного камня

вследствие того, что они представляют собой многокомпонентную систему и характеризуются переменным химико-минеральным составом, зависящим от вида топлива, способа и условия его сжигания на ТЭС, способа улавливания золы и др. [2]. Состав золошлаков различается не только для углей разных бассейнов, но и для каждого отдельно взятого месторождения. Топливные золы и шлаки являются продуктами термохимических и фазовых превращений неорганических компонентов топлива при высоких температурах его сжигания. Различают кислые и основные золы. Кислые золы, как правило, содержат до 10-12% СаО, остальное SiO2, Al2O3, Fe2O3 и др. Основные золы делят на низко- (до 30%), средне- (30-38%) и высококальциевые (свыше 38%) [3]. На тепловых электростанциях Сибири в основном сжигаются угли Канско-Ачинского и Кузнецкого бассейнов. При сжигании бурых углей Канско-Ачинского бассейна образуются высококальциевые золы, а углей Кузнецкого бассейна – кислые и низкокальцие-вые. Влияние условий сжигания бурого угля на состав и свойства высококальциевых зол подробно описаны в [3]. Авторы этой работы отмечают, что фазовый состав зол, полученных в разных топках, имеет разную степень закристаллизован-ности, что подтверждается данными рентгеноструктурного и химического анализов. Многими исследователями установлено, что среди кристаллических фаз в золах присутствует кварц, СаОсв, ангидрит, периклаз, псевдоволластонит, различные по основности алюминаты и алюмо-ферриты кальция, кальцит и др. Процессы гидратации и твердения буроугольных высококальциевых зол в основном связаны с образованием прочного искусственного камня в результате взаимодействия СаО, минералов цементного клинкера и стеклофазы с водой. Экспериментальные исследования многих авторов [3-6] показывают, что высококальциевые золы обладают вяжущими свойствами, которые напрямую зависят от состава золы, однако они не могут быть использованы в качестве самостоятельных вяжущих материалов нормального твердения.

Анализ научно-технической литературы показал, что топливные высококальциевые золы и шлаки находят применение в производстве строительных материалов, в частности, в качестве сырьевого компонента для производства портландцементного клинкера, как минеральная добавка к цементу, как самостоятельное вяжущее для бетонов и растворов нормального и автоклавного твердения, для получения керамзита [36]. В работе [7] описывается композиция, включающая портландцемент, высококальциевую золу, а также хлорид или сульфат натрия, которые обеспечивают снижение оптимального количества воды затворения, увеличение пластической прочности газобетонного массива, компенсацию избыточных деформаций расширения золоцементного камня за счет обменных реакций между свободной известью золы и химическими добавками.

Цель работы: найти оптимальную композицию состава для получения тротуарного камня с маркой по прочности не ниже В-30 на основе использования высококальциевой золы угольных электростанций Сибирского региона.

Актуальность работы связана с расширением сырьевой базы для производства тротуарного камня в Сибирском регионе и частичным снижением экологической нагрузки от золоотва-лов за счет сокращения их объемов в случае реализации крупномасштабного производства тротуарного камня на основе высококальциевой золы. Как известно [8], производство строительного камня возможно по различным технологиям. Наиболее широко на практике используются вибропрессование и вибролитье. В данной работе выбрана технология вибролитья, как обеспечивающая требуемые эксплуатационные характеристики изделий, многообразие их форм и размеров, возможность изготовления крупногабаритных изделий за счет армирования. В задачу экспериментальных исследований входило получение тротуарного камня на основе высококальциевой золы с маркой по прочности не ниже В-30.

Методика получения тротуарного камня. Основные этапы приготовления образцов : - выбор исходных сухих и жидких компонентов – песок, щебень, вода, различные органические добавки (отходы), высококальциевая зола, портландцемент и др.;

• -    навеска материалов;

• -    измельчение (или химическая активация) отдельных компонентов;

• -    приготовление сухой смеси, посредством смешения сухих компонент на мешалках;

• -    добавление к сухой смеси жидких компонентов и тщательное перемешивание;

• -    вибрационное воздействие на готовую бетонную смесь в течение заданного времени;

• -    свободная или принудительная сушка готовых образцов изделий.

При изготовлении образцов были использованы поверхностно-активные вещества, позволяющие обеспечить лучшее перемешивание смеси с максимально низким отношением во-да/цемент (В/Ц), а также осуществлялся подбор форм. Формы – одна из главнейших деталей в производстве тротуарного камня, так как их стойкость к износу, гидрофильность и отсутствие адгезии к бетонной смеси обеспечивают высокое качество получаемых поверхностей изделия и точность их размеров.

Экспериментальное оборудование и приборы. В работе использовалось стандартное лабораторное оборудование: дисковые и шаровые мельницы для измельчения твердых материалов, смесители для перемешивания, анализатор ситовой с виброприводом для отделения требуемой фракции. В ходе работы были получены 34 серии образцов. Каждая серия состояла из 5-6 образцов. Испытания полученных образцов тротуарного камня проводились на прочность при сжатии, истирание, влагопоглощение и морозостойкость. Испытания на прочность при сжатии проводились на оборудовании INSTRON Satec D30. Для опытов на истирание использовался круг истирания ЛКИ-3М. Морозостойкость определялась в климатической камере WTH-155 (диапазон изменения температуры от –20 до +70^оС).

Исходные компоненты и маркировка образцов. В качестве исходных компонентов использовался портланд-цемент марки М400, обской речной песок фракции <0,2 мм, ПАВ, гранитная крошка фракции 5-10 мм, высоко-кальциевая зола канско-ачинских углей фракции порядка 0,3 мм. Используемая для изготовления образцов тротуарного камня высококальциевая зола отбиралась с места складирования золошлаковых отходов, в основном с золоотвала ТЭЦ-3 г. Новосибирска. Изготовленные образцы имели маркировку К-№-А-Б-В-Ц(З)-П, где К-№ - обозначение серии (К для всех образцов одинаково, № - порядковый номер). Следующая цифра за порядковым номером «А» указывает на процентное содержание цемента в смеси, далее идёт цифра «Б» характеризующая отношение во-да/цемент, затем «В» процентное содержание золы (в случае если зола отсутствует, то содержание золы равно 0). Следующее обозначение в виде буквы «Ц» указывает на то, что была проведена механическая активация цемента в шаровой мельнице, а буква «З», что была проведена механическая активация золы. Наличие в конце шифра буквы «П» указывает на введение в смесь пластификатора. Изготовленные образцы и их обозначение указаны в табл. 1.

Результаты испытаний и их анализ. Прочность при сжатии - основной показатель механических свойств бетона. Она определяется пределом прочности при сжатии стандартных образцов - кубов, изготовленных из данной бетонной смеси и выдержанных до испытания в течение 28 суток в нормальных условиях. По пределу прочности на сжатие для тротуарных плит установлены следующие классы: В22,5, В25, В30, В35. Цифры в обозначении класса соответствуют пределу прочности на сжатие измеренному в МПа. Прочность бетона при сжатии зависит от активности цемента (марки прочности), соотношения массы воды и цемента (В/Ц), прочности и качества заполнителей, их зернового состава, длительности твердения, температуры и влажности окружающей среды и др.

Все изготовленные образцы испытывались на прочность по ГОСТ 10180-90 [9] и влагопоглощение по ГОСТ 12730.3-78 [10] в возрасте от 7 до 40 дней. Основные результаты испытаний на сжатие и влагопоглощение в зависимости от возраста смеси приведены в табл. 1, где в соответствующей колонке в числителе отмечены сутки, на которые с момента изготовления проводились испытания, а в знаменателе значение прочности при сжатии в МПа. Допустимым уровнем влаго-поглощения для тротуарного камня из тяжелых бетонов является отметка в 5%. Как видно из табл. 1, все образцы на основе высококальциевой золы удовлетворяют этому требованию. Установлено, что образцы тротуарного камня при хранении в нормальных условиях в 7 суточном возрасте имеют среднюю прочность, равную 6070% от 28 суточной (марочной) прочности, а в возрасте 180 суток, 1 года и 2 лет их прочность соответственно составляет 150, 175 и 200% марочной прочности. Набор прочности образцами соответствует классическому поведению. Отметим, что основная масса образцов набирала 70% от своей марочной прочности уже к концу 14 суток от момента их изготовления.

Таблица 1. Результаты испытаний на прочность и влагопоглощение

На рис. 1 показано изменение прочности образцов тротуарного камня различного состава за 14-суточный период. Экспериментами установлено, что образцы, в состав которых добавлено более 1% ПАВ, имеют пористую структуру, что ухудшает эксплуатационные характеристики готового продукта и его морозостойкость. Механоактивация отдельных компонентов смеси заметного эффекта не дала. Отметим, что на качество готового продукта особенно сильно влияет степень чистоты исходных компонент и правильно подобранное водоцементное соотношение.

Выводы: результаты испытаний лабораторных образцов тротуарного камня полученных виб-ролитьевым методом показали, что для обеспечения класса изделия не хуже В30 в состав смеси может входить до 30% высококальциевой золы. Такая технология имеет в Сибирском регионе широкие перспективы для внедрения. Учитывая, что золошлаковые отходы принадлежат предприятиям теплоэнергетики, наиболее рентабельным может быть производство тротуарного камня непосредственно на ТЭС.

Рис. 1. Набор прочности образцами в зависимости от возраста смеси