Москва, г. Москва и Московская область, Россия
г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
студент
Белгородская область, Россия
студент
Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Золошлаковые отходы, образующиеся в результате сжигания твердого топлива, подверг-нутые активации, благодаря своему индексу активности, малому размеру частиц, химическо-му, а также фазовому составу широко используются как добавки в технологии получения це-ментов и бетонов, что позволяет корректировать их свойства в нужном направлении, а также значительно снизить расход цемента в композиционных материалах. В работе исполь-зованы тонкодисперсные зольно-топливные отходы для повышения экономической эффектив-ности производства цементов, а также с целью решения экологических проблем. В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено, что заме-на от 10 до 40 % масс. цемента на золу-уноса (ЗУ) или зольный остаток (ЗО) в составе вяжу-щего хотя и приводит к снижению прочностных показателей образцов из цементно-зольно-песчаной смеси вне зависимости от времени их твердения и тем сильнее, чем в большем количестве произведена такая замена, но одновременно способствует повышению равномерности изменения объема затвердевшего цементнозольного теста. Выявлена возможность замены до 40 % масс. портландцементного клинкера на золу-уноса или на зольный остаток для получения пуццолановых цементов, которые имеют прочность на сжатие в возрасте 28 суток нормального твердения, соответственно, 33,9 МПа и 25,6 МПа.
загрязнение окружающей среды, золошлаковые отходы, зола-уноса, зольный остаток, цемент-но-зольно-песчаная смесь, портландцементный клинкер, прочность на сжатие
Введение. С целью получения модифицированных бетонов в мире, в том числе и во Вьетнаме, широко применяются различные тонкодисперсные неорганические добавки природного и техногенного происхождения, которые в зависимости от своего минерального состава обладают пуццолановой или гидравлической активностью и служат как для экономии цемента, так и для уплотнения структуры искусственного камня. Например, микро- и нанокремнезем, метакаолин, ЗУ, ЗО, природные пуццоланы и др. [1–5].
Зола-уноса является тонкодисперсным материалом, состоящим из частичек размером до 0,14 мм, которые образуются в результате сжигания твердого топлива на тепловых электростанциях, после чего улавливаются электрофильтрами и в сухом состоянии с помощью пневмотранспорта поступают в силосы-накопители [6].
Зольный остаток – несгоревший остаток с зернами мельче 0,16 мм, образующийся из минеральных примесей при сжигании твердого топлива и осаждаемый из дымовых газов золоулавливающими устройствами. В зависимости= от вида топлива зола подразделяется на антрацитовую, каменноугольную, буроугольную, сланцевую, торфяную и др. [7].
Во Вьетнаме в последние годы из-за большой потребности в электроэнергии наблюдается значительный рост количества тепловых электростанций, работающих на твердом топливе, что приводит к появлению большего количества золошлаковых отходов.
Промышленные отходы, в том числе топливные, являются очень серьезной причиной возникновения проблем экологического характера, вызывающих загрязнение почвы, воды и воздуха окружающей среды во всех провинциях Вьетнама. При этом, уровень повторного использования техногенных отходов весьма ограничен и составляет всего около 2–5 % [8, 9].
Тепловая электростанция в индустриальном парке «Вунг Анг», расположенная в центральной части Вьетнама, начала свою работу в 2012 году. Ежегодно она образует примерно 1 млн. т. различных золошлаковых отходов, которые помимо загрязнения воздуха вызывают также серьезное загрязнение морской воды, приведшее в 2016 году к массовой гибели рыбы и морских животных (рис. 1) [10].
Поэтому использование отходов сжигания твердого топлива - это не столько вопрос экономии материальных ресурсов, сколько необходимость решения проблемы возрастающего загрязнения окружающей среды и, следовательно, здоровья нации.
Рис. 1. Загрязнение морской воды техногенными отходами
в индустриальном парке «Вунг Анг» (Вьетнам)
Обзор литературы. По материалам исследований [11, 12] уровень утилизации топливных отходов в России составляет около 10 %, в ряде развитых стран – около 50 %, во Франции и в Германии – 70 %, а в Финляндии – около 90 % годового объема сухих зол-уноса и топливных зольных остатков. Кроме того, во многих странах проводится государственная политика, стимулирующая этот процесс. Так, в Китае золы доставляются потребителям бесплатно, а в Болгарии сама зола бесплатна. В Великобритании действуют пять региональных центров по сбыту золошлаковых отходов. В табл. 1 приводится обзор некоторых практических результатов использования золошлаковых отходов при производстве строительных материалов.
Таблица 1
Использование золошлаковых отходов в качестве сырья для производства строительных материалов
|
Год |
Авторы |
Название исследования |
Виды материалов |
|
1998 |
Баженов Ю.М. и др. |
Мелкозернистый бетон [13] |
Мелкозернистый бетон |
|
2005 |
Malhotra V.M., Mehta P.K. |
High-Performance, Fligh-Volume Fly Ash Concrete. Supplementary cementing materials for sustainable development [14] |
High performance concrete |
|
2009 |
Энтин З.Б., Стржалковская Н.В. |
Еще раз о золах-уноса ТЭС для производства цемента [15] |
Цемент |
|
2012 |
Энтин Э.Б. и др. |
Золы ТЭС – сырье для цемента и бетона [16] |
Цемент и бетон |
|
2018 |
Tang Van Lam, Boris Bulgakov & etc. |
Effect of rice husk ash and fly ash on the compressive strength of high performance concrete [17] |
High performance concrete |
В данной работе было проведено исследование возможности использования золошлаковых отходов ТЭС «Вунг Анг» в виде золы-уноса и зольного остатка в качестве дополнительного цементирующего материала при производстве цементов.
Материалы:
- портландцемент (Ц) типа ЦЕМ I 42,5 Н производства завода «Бут Сон» (Вьетнам) с истинной плотностью 3150 кг/м3;
- кварцевый песок (П) реки Ло (Вьетнам) с модулем крупности MK = 2,85, истинной плотностью 2620 кг/м3 и насыпной плотностью 1570 кг/м3;
- зольный остаток (ЗО) ТЭС «Вунг Анг» класса F [18] с истинной плотностью 2220 кг/м3 и насыпной плотностью 765 кг/м3;
- зола-унос (ЗУ) ТЭС «Вунг Анг» класса F [18] с истинной плотностью 2350 кг/м3 и насыпной плотностью 812 кг/м3.
Результаты анализа ЗО и ЗУ ТЭС «Вунг Анг» приведены в табл. 2 и 3, а также на рис. 2.
Таблица 2
Химический состав ЗО и ЗУ ТЭС «Вунг Анг»
|
Вид топливных отходов |
Средний химический состав, % масс. |
|||||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
SO3 |
K2O |
Na2O |
MgO |
CaO |
P2O5 |
п.п.п. |
|
|
ЗО «Вунг Анг» |
54,62 |
25,17 |
7,11 |
0,85 |
1,28 |
1,25 |
1,57 |
1,48 |
1,63 |
5,04 |
|
ЗУ «Вунг Анг» |
54,91 |
23,1 |
5,67 |
0,37 |
1,05 |
1,71 |
2,53 |
1,55 |
1,6 |
7,51 |
Таблица 3
Физические характеристики ЗО и ЗУ ТЭС «Вунг Анг»
|
Свойства |
ЗО «Вунг Анг» |
ЗУ «Вунг Анг» |
|
Истинная плотность, кг/м3 |
2220 |
2350 |
|
Удельная поверхность, м2/г |
14,455 |
15,23 |
|
Влажность, % |
5 |
0,06 |
|
Количество зерен, остающееся после просеивания на сите с размером отверстий 45 мкм, % |
31 |
28,5 |
Частицы ЗО и ЗУ ТЭС «Вунг Анг» имеют сферическую форму, их гранулометрический состав приведен на рис. 2.
|
(a) |
(б) |
Рис. 2. Гранулометрические составы: (a) ЗО и (б) ЗУ ТЭС «Вунг Анг»
Методология. Изучение гранулометрического состава, использованных золошлаковых отходов проводили с помощью метода лазерной гранулометрии (рис. 2).
Сроки схватывания и равномерность изменения объема цементно-зольного теста определялись в соответствии с требованиями TCVN 6017:2015 (СРВ) [19].
Прочность на изгиб образцов-балочек размером 40×40×160 мм из цементно-зольно-песчаных растворов, а затем их половинок – на сжатие, определяли в соответствии с требованиями TCVN 6061:2011 (СРВ) [20].
Основная часть. Было исследовано влияние замены до 40 % масс. портландцемента в составе вяжущего зольным остатком или золой-уноса ТЭС «ВунгАнг» на динамику набора прочности цементно-зольно-песчаными растворами, которые твердели в течение от 3 до 28 суток в нормальных условиях. Предварительно золошлаковые отходы высушивали и механоактивировали измельчением до состояния мелкодисперсного порошка с помощью смесителя в Институте строительной науки и технологии (СРВ) (рис. 3).
Образцы для испытаний на прочность формовали из растворных смесей, соблюдая соотношения Вяж : П = 1 : 3 и В/Вяж = 0,5, согласно требованиям стандарта TCVN 6061:2011. Содержание ЗО и ЗУ в образцах варьировалось в пределах от 0 до 40% от массы вяжущего (цемент + топливные отходы). Составы указанных растворов приведены в табл. 4. Из полученных растворов изготавливали по 3 образца-балочки с размерами 40×40×160 мм (рис. 4), на которых после их твердения в нормальных условиях в течение 28 суток сначала определяли прочность цементно-зольно-песчаного камня на растяжение при изгибе (рис. 5), а после этого, на их половинках - прочность на сжатие (рис. 6).
|
Рис. 3. Измельченные золошлаковые отходы ТЭС «Вунг Анг» (Вьетнам) |
Рис. 4. Образцы-балочки из цементно-зольно-песчаных растворов |
Таблица 4
Составы цементно-зольно-песчаных растворов
|
Сырьевые материалы |
Содержание ЗУ или ЗО в цементно-зольно-песчаных растворах, % от масс. вяжущего |
||||
|
0 (контрольный) |
10 |
20 |
30 |
40 |
|
|
Ц, г |
450 |
405 |
360 |
315 |
270 |
|
П, г |
1350 |
1350 |
1350 |
1350 |
1350 |
|
ЗУ (или ЗО), г |
0 |
45 |
90 |
135 |
180 |
|
В, мл |
225 |
225 |
225 |
225 |
225 |
|
Рис. 5. Определение прочности образцов на растяжение при изгибе |
Рис. 6. Определение прочности образцов на сжатие |
Зависимость прочности цементно-зольно-песчаного камня при изгибе и на сжатие от количества ЗО и ЗУ ТЭС «Вунг Анг», введенных взамен части цемента, в различных возрастах нормального твердения представлена в табл. 5 и на рис. 7 и 8.
Из изображенных на рис. 7 результатов видно, что с уменьшением содержания цемента прочность на сжатие во всех возрастах твердения искусственного камня снижается и замена 40 % масс. цемента на зольный остаток ТЭС «Вунг Анг» в составе вяжущего и приводит к снижению прочностных показателей образцов в возрасте 28 суток на 51 %, по сравнению цементно-песчаным камнем, не содержащим золошлаковых отходов
Таблица 5
Средняя прочность образцов на растяжение при изгибе в зависимости от содержания
ЗО и ЗУ ТЭС «Вунг Анг» в растворных смесях, введенных взамен части цемента,
при различном времени твердения
|
Возраст твердения |
Прочность на растяжение при изгибе, MПa, от содержания ЗО |
Прочность на растяжение при изгибе, MПa, от содержания ЗУ |
||||||||
|
0% |
10% |
20% |
30% |
40% |
0% |
10% |
20% |
30% |
40% |
|
|
3 сут. |
6,9 |
5,7 |
4,4 |
4,2 |
3,9 |
6,9 |
6,3 |
4,5 |
4,2 |
4,0 |
|
7 сут. |
7,8 |
7,2 |
6,7 |
5,8 |
5,1 |
7,8 |
7,4 |
6,1 |
5,5 |
4,5 |
|
14 сут. |
8,2 |
7,8 |
7,4 |
6,7 |
5,4 |
8,2 |
8,0 |
7,3 |
6,8 |
5,4 |
|
28 сут. |
9,4 |
8,6 |
7,9 |
7,1 |
6,2 |
9,4 |
9,1 |
8,4 |
7,2 |
6,5 |
Рис. 7. Влияние замены части цемента зольным остатком ТЭС «Вунг Анг» на среднюю прочность
цементно-зольно-песчаного камня на сжатие
.
Рис. 8. Влияние замены части вяжущего золой-уноса ТЭС «Вунг Анг» на среднюю прочность
цементно-зольно-песчаного камня на сжатие
Из приведенных на рис. 8 результатов исследований следует, что и как в предыдущем случае сокращение расхода цемента приводит к снижению прочности и его замена в количестве 40 % масс. на золу-уноса ТЭС «Вунг Анг» вызывает понижение прочности на сжатие испытанных образцов в возрасте 28 суток твердения на 34,4 %.
Влияния золошлаковых отходов ТЭС «Вунг Анг» на сроки схватывания и равномерность изменения объема цементно-зольного теста, оцениваемой по величине его расширения в кольце Ле Шателье при кипячении в воде в течение 180±5 мин. в соответствии с требованиями TCVN 6017:2015 (СРВ), представлены в табл. 6.
Таблица 6
Сроки схватывания и равномерность изменения объема цементно-зольного теста
|
Показатели |
Вид топливных отходов |
Содержания золошлаковых отходов ТЭС «Вунг Анг» |
||||
|
0 % |
10 % |
20 % |
30 % |
40 % |
||
|
Начало схватывания, мин. |
ЗО |
70 |
72 |
76 |
80 |
83 |
|
ЗУ |
70 |
74 |
75 |
82 |
84 |
|
|
Конец схватывания, мин. |
ЗО |
285 |
310 |
312 |
325 |
327 |
|
ЗУ |
285 |
315 |
316 |
326 |
329 |
|
|
Равномерность изменения объема, мм |
ЗО |
6,8 |
6,1 |
5,6 |
5,2 |
4,5 |
|
ЗУ |
6,8 |
6,0 |
5,5 |
4,6 |
4,2 |
|
Выводы. В результате проведенных исследований установлено, что замена до 40% масс. цемента на, соответственно, зольный остаток и золу-уноса ТЭС «Вунг Анг» в составе вяжущего хотя и ведет к снижению прочности затвердевших цементно-зольно-песчаных растворов в различных возрастах твердения, и чем в большей степени проведена такая замена, тем сильнее, но одновременно способствует повышению равномерности изменения объема цементно-зольного теста. Таким образом, выявлена возможность замены до 40 % масс. портландцементного клинкера на золу-уноса или на зольный остаток для получения пуццолановых цементов, которые имеют прочность на сжатие в возрасте 28 суток нормального твердения, соответственно,
33,9 МПа и 25,6 МПа. Кроме того, использование местных ЗУ и ЗО вместо импортных тонкодисперсных минеральных добавок, применяемых в настоящее время во Вьетнаме для получения бетонов и строительных растворов, позволит значительно снизить их стоимость и будет способствовать улучшению экологической ситуации в стране.
1. Khatib J.M. Performance of self-compacting concrete containing fly ash. Constr. Build. Mater. 2008. № 22. Pp. 1963-1971.
2. Naik T.R., Ramme B.W. High early strength concrete containing large quantities of fly ash. ACI Mater. J 1989.№ 86, pp. 111-116.
3. Dinakar P., Babu K.G., Santhanam M. Durability properties of high volume fly ash self-compacting concretes. Cem. Concr. Compos. 2008. № 30. Pp. 880-886.
4. Satish H. Sathawane, Vikrant S. Vairagade, Kavita S Kene. Combine Effect of Rice Husk Ash and Fly Ash on Concrete by 30 % Cement Replacement. Procedia Engineer-ing.2013. № 51, pp. 35-44.
5. Narde A.R., Gajbhiye A.R. Durability studies on concrete with fly ash, rice husk ash and quarry sand. International Journal of Civil Engineering and Technology. 2018. № 9(2). Pp. 587-595.
6. Tang Van Lam, Boris Bulgakov, Sofia Bazhenova, Olga Aleksandrova, Pham Ngoc Anh and Vu Dinh Tho. Effect of Rice Husk Ash and Fly Ash on the Workability of Concrete Mixture in the High-Rise Construction, E3S Web of Conferences 33, 02029 (2018), https://doi.org/10.1051/e3sconf/20183302029.
7. ИТС НДТ 15-2016. Утилизация и обез-вреживание отходов (кроме обезвреживания термическим способом (сжигания отходов) // Бюро НДТ, М., 2016, 208 с.
8. Government Office. Conclusions of the Prime Minister on the implementation of the production program for the utilization of un-burned materials and the use of ash, slag and gypsum - waste from thermal power plants and chemical plants. Advertisement No. 218 / TB-VPCP, Hanoi, 17/06/2013, 3 c.
9. Trinh Hong Tung. Use of industrial waste for the production of building materials. Collec-tion of lectures for graduate students of the spe-cialty "Building Materials" of the Hanoi Civil Engineering University. Hanoi. 2010, 25 p.
10. Танг Ван Лам, Булгаков Б.И., Алек-сандрова О.В., Ларсен О.А. Возможность ис-пользования зольных остатков для производ-ства материалов строительного назначения во Вьетнаме // Научно-теоретический журнал «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова». 2017. №6. C. 6-12.
11. Ватин Н.И., Петросов Д.В., Калачев А.И., Лахтинен П. Применение зол и зо-лошлаковых отходов в строительстве // Жур-нал «Инженерно- строительный». 2011. №4. С. 16-22.
12. Путилин Е.И., Цветков B.C. Примене-ние зол-уноса и золошлаковых смесей при строительстве автомобильных дорог. М., 2003, 57 с.
13. Баженов Ю.М., Магдеев У.Х., Алимов Л.А., Воронин В.В., Гольденберг Л.Б. Мелко-зернистый бетон. М., 1998, 148 c.
14. Malhotra V.M., Mehta P.K. High-Performance, Fligh-Volume Fly Ash Concrete. Supplementary Cementing Materials for Sustain-able Development Inc., Ottawa, Canada, 2005, 124 p.
15. Энтин З.Б., Стржалковская Н.В. Еще раз о золах-уноса ТЭС для производства це-мента // Цемент и его применение. 2009. № 2. С. 106-111.
16. Энтин Э.Б., Нефедова Л.С., Стржал-ковская Н.В. Золы ТЭС - сырье для цемента и бетона // Цемент и его применение. 2012. №2. С. 40-46.
17. Tang Van Lam, Boris Bulgakov, Olga Aleksandrova, Oksana Larsen and Pham Ngoc Anh. Effect of rice husk ash and fly ash on the compressive strength of high performance con-crete, E3S Web of Conferences 33, 02030 (2018), https://doi.org/10.1051/e3sconf/20183302030.
18. ASTM C 618:15. Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete, 5 p.
19. TCVN 6017: 2015. Cements. Methods for testing the timing of setting and uniformity of changes in the volume of the cement paste. Pub-lisher construction. Hanoi. 2015, 17 p.
20. TCVN 6016: 2011. Cements. Methods for determining the ultimate strength in bending and compressing cement. Publisher construction. Hanoi. 2011, 37 p.
