аспирант
Белгородская область, Россия
аспирант
Россия
сотрудник с 01.01.2012 по 01.01.2019
Белгород, Россия
сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник
Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ОКСО 08.06.01 Техника и технологии строительства
ББК 383 Строительные материалы и изделия
ТБК 5415 Строительные материалы и изделия. Производство стройматериалов
BISAC TEC021000 Materials Science / General
Снижение количества потребления наиболее широко распространенного и дорогостоящего в строительстве неорганического вяжущего гидратационного типа твердения – портландцемента – является одной из важнейших задач для строительной отрасли. В свете сложившейся тенденции ресурсо- и энергосбережения, а также снижения экологического прессинга большой интерес представляет использование отходов топливно-энергетических предприятий в виде зол различных типов (кислая, основная), представляющих собой тонкодисперсное сырье преимущественно алюмосиликатного состава, скопившегося в отвалах топливоперерабатывающих предприятий. В работе произведен анализ влияния минеральных добавок в виде топливных зол, использование которых предусматривает замену части портландцемента (15–30 % от общей массы портландцемента, с шагом 5 %), на кинетику твердения вяжущего. На основании результатов испытаний на прочность образцов вяжущего с добавками произведен расчет прогнозирования прочности, на основе теории переноса. Проведен анализ кинетики набора прочности портландцемента как на ранних, так и на поздних сроках твердения; установлена эффективность и оптимальная концентрация применения топливных зол в зависимости от типа.
топливная зола, минеральная добавка, неорганическое вяжущее, портландцемент
Введение. Вопросы применения отходов топливно-энергетических предприятий в строительной индустрии имеют богатую историю, но актуальны и в настоящее время. Согласно анализу проведенных исследований, наиболее распространенным направлением использования топливных зол является получение композиционных материалов различного назначения на основе вяжущего гидратационного типа
твердения – портландцемента [1–4]. При этом, интерес представляют, как кислые (или низкокальциевые), так и основные (или высококальциевые) топливные золы, в силу того, что первые обладают пуццолановой активностью, а вторые, как правило, имеют в составе компоненты, которые наравне с клинкерными минералами активно участвуют в процессе гидратации.
Кроме особенностей по составу данный вид сырья при переходе от одного типа к другому имеет различие в морфологии поверхности частиц, гранулометрическом составе, донорно-акцепторной способности и т.п., что обусловлено видом сжигаемого угля, технологией его сжигания и удаления образовавшихся остатков в виде зол («мокрая» или «сухая»). Опыт исследований влияния топливных зол на цементные системы показывает положительные результаты [5–10]. Так применение золы позволяет получать, например, жаропрочные или гидротехнические (в некоторых случаях количество золы достигает
50 %) бетоны [11–13]. При этом, золы в составе цементного вяжущего могут проявлять пластифицирующую и водоудерживающую способность [14–16]. Установлено, что прочность бетонов с применением зол напрямую зависит от ее площади удельной поверхности [17–18].
Несмотря на накопленный опыт исследований, прочность цементного вяжущего с использованием зол определяется практически, что требует больших временных затрат. Однако, учитывая физико-механические, физико-химические и структурные особенности топливных зол при подборе типа и количества зол для получения модифицированного вяжущего с оптимальным набором прочностных характеристик, возможно применение расчетной методики, разработанной д.т.н., профессором Рахимбаевым Ш.М. [19], которая предполагает расчет коэффициента торможения процесса гидратации цемента на основании данных о кинетике набора прочности материала в течении 28 суток. Расчет прогнозируемой прочности был разработан для классических цементных систем [20, 21], но применялся и для композиционных вяжущих [22].
Таким образом, учитывая высокую точность прогнозирования прочности вяжущих с применением указанной методики, а также ее экспрессность, представляется актуальным ее использование по отношению к цементам с применением топливных зол различных типов.
Методология. Расчет прогнозируемой прочности вяжущего предусматривает изучение кинетики набора прочности в течении 28 суток. Для этого на основе исследуемых сырьевых материалов были подготовлены образцы-балочки размером 4×4×16 см и определена их прочность при сжатии на 1, 3, 7 и 28 сутки. Полученные результаты испытаний явились исходными данными для дальнейших расчетов.
С целью изучения кинетики набора прочности и дальнейшего расчета прогнозируемой прочности модифицированного вяжущего в качестве сырьевых материалов применялись:
– портландцемент ЦЕМ I 42,5 H производства ЗАО «Белгородский цемент»;
– основная (или высококальциевая) топливная зола Назаровской ТЭС (Красноярская обл.), полученная при сжигании бурого угля Ирша-Бородинского месторождения;
– кислая (или низкокальциевая) топливная зола Троицкой ГРЭС (Челябинская обл.), полученная при сжигании каменного угля Экибастузского месторождения.
Следует отметить, что топливные золы использовались в качестве активной минеральной добавки к цементу в интервале от 15 до 30 % от общей массы цемента с шагом 5 %. Количество воды для затворения принимали в соответствии с определенной ранее водопотребностью топливных зол по расплыву конуса. Так для вяжущего с использованием высококальциевой топливной золы Назаровской ТЭС при всех концентрациях водовяжущее отношение (В/В) составило 0,39, для вяжущего с использованием низкокальциевой топливной золы В/В увеличивалось с ростом ее количества в составе вяжущего. При использовании 15, 20, 25 и 30 % низкокальциевой топливной золы Троицкой ГРЭС В/В составило соответственно 0,39, 0,40, 0,41 и 0,42.
В основу используемого в работе расчета положена теория переноса. На основе анализа кинетики ряда важных процессов при производстве и эксплуатации строительных материалов, изделий и конструкций выделяют два частных случая, которые представляются следующими уравнениями:
(1)
(2)
где τ – время твердения (гидратации), сут; σ – предел прочности при сжатии, МПа; (τ/σ)0 – величина, обратная начальной скорости твердения (гидратации), сут/МПа; k1 и k2 – коэффициенты торможения процесса твердения (гидратации).
На основании уравнений, характеризующих частные случаи, с учетом начальной скорости набора прочности и коэффициента ее торможения для определения прогнозной прочности вяжущих была выведена следующая формула:
(3)
где U0 – начальная скорость; Ktor – коэффициент торможения.
Основная часть. Анализ кинетики твердения портландцемента с использованием минеральных добавок в виде топливных зол в первые 28 суток показывает, что при использовании кислой (или низкокальциевой) золы Троицкой ГРЭС прочность вяжущего при всех концентрациях превышает этот же показатель для контрольного образца (табл. 1). Следует отметить, что в первые сутки при использовании кислой золы в количестве 15 и 30 % прочность образцов при сжатии превышает контрольное значение практически на 2 МПа. При использовании этой же золы в количестве 20 и 25 % прочность образцов вяжущего близка к прочности контрольного образца.
Примерно такая же тенденция сохраняется и на 3 сутки. Однако, значения прочности при всех концентрациях минеральной добавки ниже, чем у образца без нее (на 15,5–45,5 %).
При испытании образцов модифицированного вяжущего на 7 сутки ситуация существенно меняется. Так при использовании кислой золы в количестве 15, 20 и 30 % прочность в среднем на 27,5 % ниже, у образцов без добавки. Обращают на себя внимание образцы с использованием золы Троицкой ГРЭС в количестве 25 %. Среднее значение прочности образцов в этом случае составляет 29 МПа, что лишь на 8,3 % ниже контрольного значения.
Так же существенно выделяются значения прочности при сжатии в результате испытания образцов с концентрацией кислой топливной золы в количестве 25 % и на 28 сутки. При этом прочность образцов модифицированного вяжущего превышает прочность образов без добавки на 2 %.
В случае с высококальциевой золой Назаровской ТЭС (табл. 1) на первые сутки испытаний среди образцов модифицированного вяжущего наибольшими значениями прочности отличаются образцы, содержащие 15 и 30 % добавки. Однако, это на 31,1 и 19,2 % соответственно ниже, чем прочность контрольного образца, что весьма существенно. Данный факт свидетельствует о том, что использование основной топливной золы Назаровской ТЭС тормозит процесс твердения портландцемента на начальном этапе.
На 3 сутки прочность образцов портландцемента с использованием всех концентраций высококальциевой золы существенно возрастает и превышает контрольное в среднем на 12 %.
При испытании образцов на 7 сутки максимальными значениями отличаются образцы с использование основной топливной золы Назаровской ТЭС с содержанием 15 %. В данном случае значение прочности лишь на 0,5 % ниже контрольного.
Таблица 1
Кинетика твердения портландцемента с добавками топливных зол
|
№ п/п |
Наименование |
Прочность на сжатие, МПа |
|||
|
1 сут |
3 сут |
7 сут |
28 сут |
||
|
1 |
без добавки |
8,30 |
20,80 |
31,20 |
43,10 |
|
2 |
зола Троицкой ГРЭС 15 % |
10,04 |
17,57 |
22,66 |
37,27 |
|
3 |
зола Троицкой ГРЭС 20 % |
8,47 |
14,19 |
22,16 |
31,19 |
|
4 |
зола Троицкой ГРЭС 25 % |
8,50 |
11,96 |
28,63 |
43,99 |
|
5 |
зола Троицкой ГРЭС 30 % |
10,23 |
15,39 |
23,10 |
33,98 |
|
6 |
зола Назаровской ТЭС 15 % |
5,72 |
24,02 |
31,03 |
41,09 |
|
7 |
зола Назаровской ТЭС 20 % |
2,52 |
23,03 |
24,26 |
28,11 |
|
8 |
зола Назаровской ТЭС 25 % |
3,81 |
23,59 |
27,17 |
36,93 |
|
9 |
зола Назаровской ТЭС 30 % |
6,71 |
22,75 |
24,69 |
31,73 |
Наиболее высоким значением прочности на сжатие на 28 сутки отличаются образцы на основе портландцемента с использованием 15 % основной топливной золы. Однако, значение прочности более чем на 3 % отличается от значения, регламентируемого ГОСТ (42,5 МПа), и почти на 5 % – от фактического значения прочности образцов без добавки.
Таким образом, на основании анализа кинетики набора прочности образцов вяжущего на основе портландцемента с использованием минеральных добавок в виде топливных зол различных типов можно сделать вывод, что наиболее эффективной сточки зрения достижения марочной прочности модифицированного вяжущего показывает себя кислая топливная зола Троицкой ГРЭС, что не противоречит сложившимся представлениям о влиянии зол на цементные системы. Однако, для достижения необходимой прочности требуется 25 % добавки. При использовании высококальциевой золы, в силу содержания клинкерных минералов, процесс набора прочности идет гораздо быстрее на 3 и 7 сутки, при этом требуется лишь 15 % процентов добавки. Однако, на 28 сутки прочность образцов на основе модифицированного вяжущего ниже требуемой.
На основании полученных данных о кинетике набора прочности цемента произведен расчет кинетических констант (табл. 2, 3): U0 – начальная скорость; Кtor – коэффициент торможения; Кkor – коэффициент корреляции.
Из таблиц видно, что использование кислой топливной золы Троицкой ГРЭС в любом количестве снижается начальная скорость, тогда как при использовании основной топливной золы Назаровской ТЭС, в частности при использовании 30 %, этот коэффициент возрастает по отношению к данному коэффициенту для контрольного контрольного состава на 5 %. Соответственно, в связи со снижением начальной скорости твердения возрастает коэффициент торможения в обоих случаях. Исключением, является лишь 25 %-ная концентрация кислой топливной золы. Это позволяет сделать вывод о том, что в присутствии топливных зол снижается интенсивность процесса гидратации портландцемента ввиду существенного снижения его количества.
Таблица 2
Результаты расчёта по уравнениям теории переноса для вяжущего, модифицированного кислой топливной золой Троицкой ГРЭС
|
№ п/п |
Наименование |
Значения кинетических констант при расчёте |
||
|
U0 |
Кtor |
Кkor |
||
|
1 |
без добавки |
11,18 |
0,198 |
0,999 |
|
2 |
зола Троицкой ГРЭС 15 % |
9,59 |
0,0234 |
0,995 |
|
3 |
зола Троицкой ГРЭС 20 % |
9,03 |
0,0282 |
0,999 |
|
4 |
зола Троицкой ГРЭС 25 % |
7,19 |
0,0178 |
0,9823 |
|
5 |
зола Троицкой ГРЭС 30 % |
9,86 |
0,0260 |
0,9976 |
Таблица 3
Результаты расчёта по уравнениям теории переноса для вяжущего, модифицированного основной топливной золой Назаровской ТЭС
|
№ п/п |
Наименование |
Значения кинетических констант при расчёте |
||
|
U0 |
Кtor |
Кkor |
||
|
1 |
без добавки |
11,18 |
0,198 |
0,999 |
|
2 |
зола Назаровской ТЭС 15 % |
9,73 |
0,0204 |
0,9881 |
|
3 |
зола Назаровской ТЭС 20 % |
5,61 |
0,0282 |
0,9247 |
|
4 |
зола Назаровской ТЭС 25 % |
7,08 |
0,0216 |
0,9646 |
|
5 |
зола Назаровской ТЭС 30 % |
11,76 |
0,0284 |
0,9963 |
Таблица 4
Расчетные прочности цементного камня,
модифицированного кислой топливной золой Троицкой ГРЭС, в возрасте 28 суток
|
№ п/п |
σрасчетн, МПа |
σэксперим, МПа |
Отклонение Δ, МПа |
Отклонение Δ, % |
|
1 |
36,87 |
37,27 |
0,40 |
1,08 |
|
2 |
31,10 |
31,19 |
0,09 |
0,29 |
|
3 |
43,92 |
43,99 |
0,07 |
0,15 |
|
4 |
33,76 |
33,98 |
0,22 |
0,65 |
В результате расчета прогнозируемой прочности на 28 сутки с использованием полученных кинетических констант было установлено, что экспериментальные и расчетные значения имеют высокую сходимость (табл. 4, 5).
На основании полученных данных был произведен расчет по прогнозированию набора прочности на длительный срок (рис. 1).
Таблица 5
Расчетные прочности цементного камня,
модифицированного основной топливной
золой Назаровской ТЭС, в возрасте 28 суток
|
№ п/п |
σрасчетн, МПа |
σэксперим, МПа |
Отклонение Δ, МПа |
Отклонение Δ, % |
|
1 |
41,54 |
41,09 |
0,45 |
1,11 |
|
2 |
28,93 |
28,11 |
0,82 |
2,92 |
|
3 |
37,53 |
36,93 |
0,60 |
1,63 |
|
4 |
31,81 |
31,73 |
0,08 |
0,25 |
|
|
|
|
Рис. 1. Расчетная кинетика набора прочности вяжущих в зависимости от состава: а) с использованием кислой топливной золы; б) с использованием основной топливной золы |
|
Анализ кинетики набора прочности образцов модифицированного цемента в течении первых 28 суток свидетельствует о схожести характера процессов твердения не зависимо от типа применяемой золы в качестве добавки и ее концентрации. Из графиков (рис. 1) видно, что наиболее интенсивный рост прочности приходится на первые 7 суток, а выполаживание кривых после отметки 400 суток свидетельствует о завершении процессов гидратации как модифицированного, так и портландцемента без добавки. При этом расчетная прогнозируемая прочность при использовании добавок как низко-, так и высококальциевой золы в большинстве случаев ниже чем у образцов цемента без добавки. Однако, прогнозируемая прочность цемента с использованием 25 % кислой топливной золы Троицкой ГРЭС характеризуется приростом прочности после 28 суток на 10 % по сравнению с прочностью образцов контрольного состава (рис. 1, а). Практически совпадают по значениям с контрольным составом расчетные данные по определению прогнозируемой прочности вяжущего с использованием 15 % высококальциевой топливной золы (рис. 1, б).
Выводы. Таким образом, в результате анализа расчетных данных по кинетике набора прочности на длительный срок установлено, что наиболее эффективной с точки зрения модифицирования цемента, подразумевающего замену его части, является кислая (или низкокальциевая) топливная зола Троицкой ГРЭС в силу своей пуццолановой активности. А оптимальная ее концентрация в составе вяжущего гидратационного типа твердения составляет 25 % от массы цемента. При этом, оптимальной концентрацией основной (или высококальциевой) топливной золы Назаровской ТЭС является 15 %, а увеличение количества, несмотря на содержание клинкерных минералов в составе, приводит к значительному снижению набора прочности как на начальных, так и поздних сроках твердения в среднем на 10–30 %.
Источник финансирования. Грант Президента Российской Федерации НШ–2584.2020.8.
1. Баженов Ю.М., Воронин В.В., Алимов Л.А., Бахрах А.М., Ларсен О.А., Соловьев В.Н., Нгуен Д.В.К. Высококачественные самоуплотняющиеся бетоны c использованием отходов сжигания угля // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. № 12 (111). С. 1385-1391. DOI:https://doi.org/10.22227/1997-0935.2017.12.1385-1391.
2. Калашников В.И., Тараканов О.В., Белякова Е.А, Мороз М.Н. Новые направления использования зол ТЭЦ в порошково-активированных бетонах нового поколения // Региональная архитектура и строительство. 2013. № 3. С. 22-27.
3. Hanif A., Lu Z., Li Z. Utilization of fly ash cenosphere as lightweight filler in cement-based composites - A review // Construction and Building Materials. 2017. No. 144. Pp. 373-384. DOI:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.03.188.
4. Zhang, T., Du, Y., Sun, Y., He, Z., Wu, Z. Development of magnesium-silicate-hydrate cement by pulverized fuel ash // Key Engineering Materials. 2016. No. 709. P. 61-65. DOI:https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.709.61.
5. Ерофеев В.Т., Калашников В.И., Смирнов В.Ф., Карпушин С.Н., Родин А.И., Красноглазов А.М., Челмакин А.Ю. Стойкость цементных композитов на биоцидном портландцементе с активной минеральной добавкой в условиях воздействия модельной среды бактерий // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 1. С. 11-17.
6. McCarthy M.J., Tittle P.A.J., Dhir R.K. Corrosion of reinforcement in concrete containing wet-stored fly ash // Сement & concrete composites. 2019. No. 102. P. 71-83. DOI:https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2019.03.003.
7. Oproiu C., Voicu G., Nicoara A.I., Badanoiu A.I. The Influence of Partial Substitution of Raw Materials with Heavy Ash on the Main Properties of Portland Cements // Revista de chimie. No. 69. R. 4. P. 860-863.
8. Kipkemboi B., Zhao T., Miyazawa S., (...), Nito N., Hirao H. Effect of C3S content of clinker on properties of fly ash cement concrete // Journal of Building Engineering. 2020. 29,101107. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.101107.
9. Choudhary R., Gupta R., Nagar R. Impact on fresh, mechanical, and microstructural properties of high strength self-compacting concrete by marble cutting slurry waste, fly ash, and silica fume // Construction and Building Materials. 2020. 239,117888. DOI:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117888.
10. Hamzaoui R., Guessasma S., Abahri K., Bouchenafa O. Formulation of Modified Cement Mortars Using Optimal Combination of Fly Ashes, Shiv, and Hemp Fibers // Journal of materials in civil engineering. 2020. 04019354. DOI:https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002918.
11. Лам Т.В., Хунг Н.С., Зиен В.К., Чык Н.Ч., Булгаков Б.И., Баженова О.Ю., Гальцева Н.А. Влияние водовяжущего отношения и комплексной органоминеральной добавки на свойства бетона для морских гидротехнических сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 2019. № 3. С. 11-21. DOI:https://doi.org/10.33622/0869-7019.2019.03.11-21.
12. Бондаренко Д.О., Строкова В.В., Тимошенко Т.И., Роздольская И.В. Плазмохимическое модифицирование облицовочного композиционного материала на основе полых стеклянных микросфер с защитно-декоративным покрытием // Перспективные материалы. 2018. № 8. С. 72-80. DOI:https://doi.org/10.30791/1028-978X-2018-8-72-80.
13. Oliva M., Vargas F., Lopez M. Designing the incineration process for improving the cementitious performance of sewage sludge ash in Portland and blended cement systems // Journal of cleaner production. 2019. No. 223. P. 1029-1041. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.03.147.
14. Нетеса Н.И., Паланчук Д.В., Нетеса А.Н. Легкие бетоны с золой-уноса приднепровской ТЭС // Наука та прогрес транспорту. 2013. № 5 (47). С. 137-145.
15. Gołaszewski J., Ponikiewski T., Kostrzanowska-Siedlarz A. Influence of Cements Containing Calcareous Fly Ash on Rheological Properties of Fresh Mortars and Its Variability // RILEM Bookseries. 2020. No. 23. P. 87-96. DOI:https://doi.org/10.1007/978-3-030-22566-7_11.
16. Mukilan K., Chithambar Ganesh A., Azik A. Investigation of utilization of Flyash in Self Compacting Concrete // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. 154495. DOI:https://doi.org/10.1088/1757-899X/561/1/012056.
17. Харченко А.И., Алексеев В.А., Харченко И.Я., Баженов Д.А. Структура и свойства мелкозернистых бетонов на основе композиционных вяжущих // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. № 3 (126). С. 322-331. DOI:https://doi.org/10.22227/1997-0935.2019.3.322-331.
18. Quan H., Kasami H. Experimental study on effects of type and replacement ratio of fly ash on strength and durability of concrete // Open Civil Engineering Journal. 2013. No. 7(1). P. 93-100. DOI:https://doi.org/10.2174/1874149520130708004.
19. Рахимбаев Ш.М., Авершина Н.М. Прогнозирование долговечности строительных материалов // Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций. Белгород: Везелица, 1993. С. 8.
20. Кафтаева М.В. Регулирование свойств мелкозернистых бетонов с пониженным содержанием золы: дис, … канд. техн. наук. Кафтаева М.В.; БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород, 2000. 184 с.
21. Поспелова М.А. Регулирование кинетики твердения цементных систем химическими добавками: дис. … канд. техн. наук. БГТУ им. В.Г.Шухова. Белгород, 2003. 130 с.
22. Фоменко Ю.В. Мелкозернистый бетон для тротуарной плитки с пониженным высолообразованием: авторефер. дис. … канд. техн. наук. БГТУ им. В.Г.Шухова. Белгород, 2007. 22 с.
