Тяжелые бетоны с применением отходов угольных теплоэлектростанций г. Новосибирска

УДК 691.34 ТЯЖЕЛЫЕ БЕТОНЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОТХОДОВ УГОЛЬНЫХ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ Г. НОВОСИБИРСКА В.В. Ларичкин, К.П. Гусев, И.О.Кравчук Новосибирский Государственный Технический Университет Актуальность работы В работе ставилась задача разработки технологии применения отходов от угольных теплоэлектростанций г. Новосибирска в качестве полезного сырья – наполнителя и связующего, при производстве различных бетонных смесей. Золошлаковые отходы (ЗШО) – является самым массовым из побочных продуктов энергетики. Ежегодно в России образуется более 40 миллионов тонн ЗШО, и наблюдается рост этого объема за счет увеличения доли угля в топливном балансе страны, повышения эффективности золоулавливающего оборудования, внедрения новых технологий сероочистки, связанных с образованием значительных объемов твердых отходов, возрастающим потреблением тепловой энергии. Накопленные запасы зол на золоотвалах оцениваются в 1,5 млрд. тонн [14]. Являясь необходимой структурой в жизни любого мегаполиса – теплоэнергетические станции являются одновременно и источниками огромной экологической нагрузки в виде всегда сопутствующих им золоотвалов, неизбежных выбросов в атмосферу газов от сжигаемых углей, сбросы оборотной воды предприятия и т.д. Производство тепловой и энергетической энергии в г. Новосибирске всецело принадлежит ОАО «Новосибирскэнерго», в состав энергетических мощностей которой на данный момент входит пять тепловых электрических станций и ГЭС. Капиталозатраты на содержание золоотвалов достигают сотен миллионов рублей. Так, в 2007 году, «Новосибирскэнерго» завершило первую очередь строительства золоотвалов для ТЭЦ-5, общей стоимостью более 290 млн. рублей, по данным представителей компании. Общее содержание золоотвалов так же является не бесплатным, а необходимость в их расширении возникает все более часто. Транспортировка и захоронение накапливаемых объемов ЗШО с применением традиционных гидравлических систем имеет негативные экологические аспекты: потребление воды, занятие и загрязнение земель, образование сточных вод, влияние на грунтовые воды (воды, первого от поверхности земли постоянно существующего водоносного горизонта), потенциальное загрязнение воздуха при пылении золоотвалов. Поэтому для радикального повышения уровня экологической безопасности тепловой электростанции решение проблемы утилизации ЗШО – обязательное условие. Основным стимулом для потребителей золы может служить разница в цене на цемент (другие природные минеральные ресурсы) и на ЗШО. Например, исследования Алтайского государственного технического университета показали, что золы углей Харанорского и Уртуйского месторождений (сжигаются на Харанорской ГРЭС, Забайкальский край) при приготовлении бетонных растворов могут заменять до 20 процентов цемента без потерь в прочности. До сих пор попытки организовать широкое полезное применение не привели к значительным успехам: утилизация ЗШМ в России была и остается на уровне 1015 процентов от объемов их ежегодного образования [15]. Теоретический базис положительного влияния добавления ЗШО в бетонные смеси отражен множеством работ за продолжительный период времени [9, 10 и т.д.]. Основной проблемой при приготовлении бетонных смесей является неоднородность взаимодействия цементных зерен с водой, вследствие их коагуляции из-за сил молекулярного сцепления. Уменьшая фракционный состав цемента, повышается удельная поверхность, что должно было бы положительно сказаться на равномерности взаимодействия цементных зерен с водой. Однако, применение молящего оборудования вносит вклад в статью расходов производства и является неэкономичным. Выходом из сложившейся ситуации видится активация вяжущего в процессе приготовления бетонной смеси или вяжущего на стадии смешения с добавками (ЗШО), введение пластификаторов [1]. Прокопец В. С. [1,2,3] объясняет низкое распространение применения ЗШО в производстве следующими их недостатками: «высокие зольность (до 53%) и пористость (до 1600 м2 /кг), а также очень низкая основность (Косн = 0,03, т.е. <<1), что обуславливает высокую водопотребность, что резко снижает прочность получаемых материалов и изделий. Тяжелые бетонные смеси, их характеристика и свойства Тяжелая бетонная смесь – это бетонная смесь, приготовленная из цемента, воды, а так же крупных и мелких заполнителей. Тяжёлым считается бетон с удельной массой одного кубического метра 1800 - 2500 кг. Крупными заполнителями тяжёлого бетона являются такие горные породы как: гранит, известняк, диабаз, гравий. Простое смешение вышеуказанных компонент при соблюдении всех необходимых условиях (чистота компонент, зерновой состав, температура) может не дать ожидаемого результата, так как, молекулярные силы взаимодействия в цементном тесте достаточно сложны, и существует ряд проблем, таких как образование эттрингита и туамасита, влияние от которых частично или полностью убирается применение пластифицирующих добавок. Кроме того, для получения удобоукладываемой бетонной смеси отношение воды к цементу обычно принимают В/Ц = 0,4-0,7, в то время как для химического взаимодействия цемента с водой требуется не более 20% воды от массы цемента. Избыточная вода, не вступившая в химическое взаимодействие с цементом, испаряется из бетона, образуя в нём поры, что ведёт к снижению плотности и соответственно прочности бетона. Прочность бетона можно повысить путём уменьшения водоцементного отношения и усиленного уплотнения, что также позволяет осуществить добавление пластификаторов в бетонную смесь. Для приготовления смесей тяжёлых бетонов наиболее подходит использование суперпластификаторов. В данной работе в качестве пластифицирующей добавки использовался суперпластификатор «Стандарт» на основе пластификатора С-3 (производитель ЗАО «Владимирский ЖБК»). Характеристики пластификатора приведены в табл. 1. Таблица 1 – Важнейшие характеристики добавки «Стандарт» Наименование показателя Значение показателей для добавки Внешний вид Однородная жидкость тёмно-коричневого цвета Плотность при 20 ºС, не менее, г/см3 1,175 Массовая доля воды, % не более 70,0 Показатель активности водородных ионов (рН) 8,5 ± 1,5 Массовая доля ионов хлора в сухом веществе, не более 0,1 Продуктами взаимодействия агрессивной среды и цементного камня в первую очередь, являются эттрингит (продукт изменения алюмосиликатов Са). Когда эттрингит образуется в свежеприготовленной бетонной смеси, а его распределение является относительно равномерно, он не является причиной разрушения бетона. Протекающая реакция образования эттрингита в момент приготовления бетонной смеси имеет вид: 3CaO•Al2O3+3(CaSO4•3H2O)+26H2O = 3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O В процессе этой реакции эттрингит адсорбируется на поверхности цементных зерен, не допускает проникновение к ним воды и адгезии цементного геля и тем самым способен регулировать сроки схватывания цементного камня. Суперпластификатор действует на поверхностную оболочку цементных зерен и возникающие новообразования. Молекулы суперпластификатора способны вызывать распад пленки, адсорбируя игольчатые кристаллы эттрингита и тем самым высвобождая часть иммобилизованной эттрингитом воды и улучшая доступ веды к внутренним слоям цементного зерна. При введении суперпластификаторов в бетонную смесь они, адсорбируясь на твердой поверхности зерен цемента и заполнителя, создают на поверхности утолщенную оболочку со значительным отрицательным потенциалом и тем самым повышают эффект диспергации и отталкивания частиц и подвижность бетонной смеси. Однако для обеспечения их хорошего взаимодействия с поверхностью твердых частиц требуется интенсивное перемешивание или предварительная активация в присутствии добавки [11]. Технология приготовления бетонной смеси Тротуарная плитка производится двумя самыми распространенными на данный момент способами: вибропрессованием и вибролитьем. Первый способ предполагает использование жестких смесей с низким содержанием воды, при втором применяют пластичные составы, заливаемые в виброформы. В настоящей работе использовался только вибролитьевой метод. Технология изготовления тротуарной плитки включает в себя несколько основных этапов [12]: подготовка форм; приготовление бетонной смеси; формование на вибростоле; выдерживание изделий в формах; распалубка изделий; упаковка и хранение. Золошлаковые отходы При сжигании твердого топлива на современных электростанциях (угля, торфа и др.) образуются так называемые очаговые остатки - зола и шлак, которые объединяют общим термином золошлаковые материалы [4]. Золы уноса, образующиеся при сжигании Канско-Ачинских бурых углей (используемых на ТЭЦ-3 г. Новосибирска) имеют колебания в химическом (см. табл. 2) [13]. Все золы характеризуются близким химическим составом минеральной части, но резко отличаются по гранулометрическому составу и удельной поверхности, при этом золы большинства ТЭС имеют величину удельной поверхности  от 3000 до 5000 г/ см2 [13]. Таблица 2 – Состав золы бурых углей Канско-Ачинского угольного бассейна Наименование материала Химический состав материала SiO2, % Al2O3, % Fe2O3, % CaO, % MgO, % SiO3, % Зола бурых углей Канско-Ачинского угольного бассейна 20 - 40 8 - 11 10 - 15 25 - 50 2 - 4 1 - 3 Портландцемент марки 500 8 - 26 4 - 9 0,3 - 6 62 - 68 ≥ 5 1 – 3,5 Анализируя приведённую выше таблицу можно сделать вывод, что зола бурых углей Канско-Ачинского угольного бассейна является высококальциевой и имеет сходный состав по содержанию оксидов металлов по сравнению с портландцементом, используемым в приготовлении тяжёлых бетонов. Именно высокое содержание оксида кальция делает золу бурых углей качественным минеральным материалом и отличным вяжущим для изготовления бетонных смесей. Образцы бетонной смеси на основе ЗШО и результаты их испытаний В ходе проведения настоящей работы изготовлено более 50 серий образцов с включением в состав различного процентного содержания ЗШО и других компонент, проведены испытания на прочность при сжатии, водопоглощение и истираемость. Подробнее остановимся на трех сериях образцов (К-14, 51, 52, 53), и промежуточных образцов К-11,15,19, состав которых приведен в таблице 3. Состав В-30 – теоретический состав бетона с присущими свойствами обычной бетонной смеси данной марки. Таблица 3 – Составы бетонных смесей с применением ЗШО и пластифицирующих добавок Серия образца Содержание цемента, % Содержание наполнителя + H2O, % Содержание ЗШО, % Доля пластификатора от массы вяжущего, % К - 14 21,2 50,8 20,0 - К - 51 0,4 К - 52 0,7 К - 53 1,0 К-11 17,6 67,4 15,0 К-15 19 59,0 22 - К-19 16 54,0 30 - В-30 23,5 76,5 - - Образец К-14, как наиболее удачный с точки зрения результатов испытания на прочность при сжатии в ранних работах послужил основой для трех серий образцов К-51, 52, 53, отличительной чертой которых от К-14 явилось наличие в своем составе суперпластификатора «Стандарт». Стоит отметить, что к тротуарной плитке, изготавливаемой по ГОСТ 17608-91 "Плиты бетонные тротуарные" [8], предъявляются жесткие требования по морозостойкости (не менее 200 циклов замораживания и оттаивания), прочности (не менее 30 МПа), водопоглощению (не более 5%) и истираемости (не более 0,7 г/см?). Поэтому создание материала требуемого качества начинается с подбора необходимых качественных материалов для его изготовления. Таким образом, испытаниям подверглись разработанные рецептуры тротуарного камня с применением ЗШО и пластификатора (на основе С - 3) в количестве от 0,4 до 1 % от массы вяжущего (сумма масс цемента и золы) в смеси. На рисунке 1 показана динамика роста набора прочности образцами с течением времени. Бетонная смесь с включением в состав ЗШО достигла прочности в 28 суточном возрасте – 38,5 МПа, В то время как бетонная смесь с включением в состав ЗШО с пластифицирующими добавками достигла максимальной прочности порядка – 42,5 МПа. Проведенные испытания образцов тротуарного камня на истираемость (в соответствии с ГОСТ 13087-81 «Бетоны. Методы определения истираемости» [6]) показали полное соответствие изготовленных образцов требованиям ГОСТ (рис. 2). Рисунок 1 – Набор марочной прочности образцами в различные сроки твердения бетонной смеси [5] Рисунок 2 – Результаты испытаний образцов на истираемость Классический состав бетонной смеси, приготовленный по рецепту бетона марки В-30 достиг показателя истираемости – 0,68 г/см2. Образцы бетонной смеси с включением в состав ЗШО – 0,51-0,46 г/см2, в то время как бетонная смесь с включением в состав ЗШО с пластифицирующими добавками достигла истираемости около – 0,1 г/см2. Испытания образцов на влагопоглощение проводились согласно ГОСТ [7]. Допускаемым параметром является влагопоглощение не более 5%, при использовании заполнителей в бетонной смеси крупностью до 20 мм. Получены следующие результаты (табл. 4). Таблица 4 – Показатели влагопоглощения различными образцами Образец Влагопоглощение, % Образец Влагопоглощение, % K-11 1,9 К-19 1,5 K-14 1,7 К-51 1,3 К-15 1,7 К-52 1,3 К-16 1,6 К-53 1,2 В-30 4,9 Таким образом, следует заметить, что при введении золошлаковых отходов в состав бетонной смеси процент поглощаемой влаги снижается по сравнению с образцами без золы на 3,5 %, в то время как образцы с применением суперпластификатора С-3 снижают коэффициент влагопоглощения ещё на 0,3 %. Еще одним важным параметром бетонной смеси является водоцементное отношение (см. табл. 5). В образцах без добавления ЗШО оно рассчитывается как отношение массы добавленной воды к массе цементного вяжущего. В образцах, где добавлялись ЗШО, расчет проводился с учетом добавления массы отходов. Таблица 5 - Водоцементное отношение основных образцов бетонных смесей Серия образца Доля цементного вяжущего, % Доля золошлаковых отходов, % Доля потребляемой воды, % Наличие пластифи-катора С-3 В/Ц-1* отношение В/Ц-2** отношение В - 30 23,5 - 8,9 нет 0,38 0,38 К - 11 17,6 15,0 10,1 нет 0,57 0,30 К - 14 21,0 20,0 10,3 нет 0,49 0,25 К – 15 20,9 22,0 10,5 нет 0,50 0,24 К - 19 22,0 30,0 11,0 нет 0,50 0,21 К – 51 21,0 20,0 9,9 Да 0,47 0,24 К – 52 21,0 20,0 9,7 да 0,46 0,24 К - 53 21,0 20,0 9,5 да 0,45 0,23 * - Водоцементное отношение рассчитывается как частное от содержания воды в бетонной смеси и массы требуемого цемента. ** - Водоцементное отношение рассчитывается как частное от содержания воды в бетонной смеси и массы вяжущего (цемента и ЗШО). Из представленных результатов в таблице 9 видно, что показатель водоцементного отношения образцов с добавлением золошлаковых отходов из расчета в качестве вяжущего только цемента достигает 0,57, что несколько выше рекомендуемого значения (0,55). Однако, если принять во внимание тот факт, что вяжущим выступает и ЗШО, то видно, что В/Ц отношение в этом случае невелико. Стоит отметить, что в процессе приготовления серий образцов К-51, 52, 53 выявлена возможность еще дополнительно снизить расход воды, что будет апробировано в следующих сериях образцов. Заключение Поставленная в работе цель по изучению характеристик тротуарного камня на основе ЗШО ТЭЦ-3 г. Новосибирска с применением пластифицирующих добавок достигнута и получены следующие результаты: Прочность тротуарного камня отвечает требованиям ГОСТ и имеет значение не менее 430 кгс/см2 (42 МПа) в 28-ми суточном возрасте изделия и при включении в состав ЗШО в количестве 20% от массы сухих компонент. Истираемость тротуарного камня с использованием пластифицирующих добавок так же отвечает требования ГОСТ и находится на отметке 0,1 г/см2, при норме 0,7 г/см2. При введении ЗШО в состав бетонной смеси наблюдается ее уплотнение, уменьшение видимых дефектов и пор на поверхности, а сама поверхность получает эффект стеклянной поверхности. Вследствие этого, водопоглощение образцов с включением ЗШО составляет 1,2% при норме в 5%. Дальнейшим развитием работы видится исследование характеристик тротуарного камня с повышенным содержанием ЗШО в своем составе и подбор оптимального содержания пластификатора с составлением каталога бетонных смесей. Библиографический список КНИГИ 1 Прокопец B. Влияние механоактивационного воздействия на активность вяжущих веществ // Строительные материалы. 2003 . №9. C. 28-29 2 Прокопец B.C. Карамышев И.М., ПРОИЗВОДСТВО ВЫСОКОМАРОЧНОГО ВЯЖУЩЕГО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗОЛОШЛАКОВЫХ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ ОМСКИХ ТЭЦ, ОМСК РОССИЯ (Брал у Ларичкина сборник) 3 Прокопец B.C. Получение минерального порошка из местного сырья на АБЗ. // Наука и техника в дорожной отрасли. 1997. № 2. С. 22-23. 4 Сметанин В. И. Защита окружающей среды от отходов производства и потребления: Учебники и учеб. пособия. — М.: Колос, 2000.— 232 с.: ил. СТАНДАРТЫ 5 ГОСТ 10180—90. Методы определения прочности по контрольным образцам. [Текст]. — Взамен ГОСТ 10180-78; введ. 1991—01—01. — М. : Изд-во стандартов, 1991. — IV, 27 с. : ил. ; 29 см. 6 ГОСТ 13087-81. Бетоны методы определения истираемости. [Текст]. - Взамен ГОСТ 13087-67; введ. 1982—01—01; М. : 1983. 7 ГОСТ 12730.3—78. Бетоны. Метод определения водопоглощения. [Текст]. — Введ. 1980—01—01. — М. : Стандартинформ, 2007., 4 с. 29 см. 8 ГОСТ 17608-91. Плиты бетонные тротуарные. Технические условия. [Текст]. — Введ. 1992—01—01. — М. : Изд-во стандартов, 1991. 20 с. : ил. ; 29 см. Патентные документы 9 Шламобетон: пат. РФ №2150546, Е01С 3/04, 7/36, E02D 3/12/ Шеина Т.В. Коренькова С.Ф. Клименков О.М.; Заявитель и патентообладатель: Самарская государственная архитектурно-строительная академия. - № 98101139/03, заявл. 09.01.1998, опубл. 10.06.2000 – 3 с. 10 Бетонная смесь и способ ее приготовления: пат. РФ № 2131856, C04B28/04, C04B28/04, C04B24:22, C04B14:06, C04B14:10, C04B40/00 / Автономов И.В.; Зайцев А.Г.; Ришес А.В.; Заявитель и патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью "Поиск". - № 98106829/04, заявл. 13.04.1998, опубл. 20.06.1999– 3 с. ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕСУРСЫ 11 М. В. Торопова, канд. техн. Наук. Проблема сульфатной коррозии в современном бетоноведении[Электронный ресурс] /Строительный журнал Весь Бетон. – Режим доступа: http://betonmagazine.ru. – Заглавие с экрана. 12 Колосниковая решётка, водопоглощение [Электронный ресурс] / Википедия, свободная энциклопедия. – Режим доступа: ru.wikipedia.org.– Загл. с экрана. 13 Золошлаки. Классификация, свойства, направления использования [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.newchemistry.ru. – Загл. с экрана. СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ДОКУМЕНТОВ 14 Газета Энергетика и промышленность Россиа: № 09 (173) май 2011 года: Производство и энергетика: Кожуховский И.С. Газета: № 04 (144) февраль 2010 года: Энергетика: тенденции и перспективы: Использование золошлаков – экологичность энергопроизводства.

Похожие:

	Рабочая программа по дисциплине в 8 Утилизация промышленных отходов Цели изучения курса: «Утилизация промышленных отходов» является: изучение студентами проблемы образования отходов средств производства...		Государственный стандарт союза сср бетоны тяжелые и мелкозернистые... Главного управления мчс россии по Республике Тыва и структурных подразделений по согласованию с Министерством образования и науки...
	Особенности проведения реструктуризации предприятий угольной отрасли на региональном уровне Рассмотрены проблемные аспекты проведения реструктуризации угольных компаний, роль государственного регулирования на данный процесс...		Пояснительная записка к проекту постановления «порядок предоставления... «хвостов» в брикеты, транспортирование твёрдых бытовых отходов, размещение отходов на полигоне в районе города Белореченск Краснодарского...
	Реферат переработка отходов насущная проблема современности Переработка отходов на основе сжигания в барботируемом расплаве шлака		Природопользования Жизнедеятельность человека связана с появлением огромного количества разнообразных отходов. Резкий рост потребления в последние десятилетия...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... ...		«Учебно-методический комплекс 150501 «Утилизация промышленных отходов» Цель дисциплины обучить студентов рациональному ресурсопользованию и современным технологиям производства вторичных материальных...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Постановление мэрии города Новосибирска от 14. 12. 2012 №12921 «Об утверждении ведомственной целевой программы «Реконструкция жилищного...		Перечень юридических лиц и индивидуальных предпринимателей, на балансе... Кемеровской области, имеющих лицензию на деятельность по сбору, использованию, обезвреживанию и размещению отходов по состоянию на...
	Перечень юридических лиц и индивидуальных предпринимателей, на балансе... Кемеровской области, имеющих лицензию на деятельность по сбору, использованию, обезвреживанию и размещению отходов по состоянию на...		Договор на оказание услуг по вывозу (удалению) отходов IV-V класса... Муниципальное унитарное предприятие Алтайского сельсовета «Алтайский коммунальщик», именуемое в дальнейшем «Исполнитель», в лице...
	Решение вступает в силу со дня подписания. Опубликовать решение в газете «Вечерний Новосибирск» Российской Федерации», Положением «О порядке разработки, принятия и контроле за исполнением плана социально-экономического развития...		Доклад на тему: «О ходе работ по выявлению и понуждению к ликвидации... Ежегодно в России образуется порядка 35 40 млн тонн твердых бытовых отходов. В объемных единицах это составляет 200 млн куб м
	А. А. Жукова «Реализация комплекса мер по недопущению накопления... Значительная часть накопленных промышленных отходов представлена отходами горнодобывающих, горнорудных предприятий, предприятий черной...		Единая комиссия по размещению муниципального заказа управления культуры... Предмет запроса котировок: право заключения муниципального контракта на поставку книг для нужд муниципального бюджетного учреждения...