Всё более увеличивающиеся темпы жилищного строительства влекут за собой две основные проблемы, первая из которых — прогнозируемый значительный дефицит цемента, ощутимый уже в настоящее время.

Наряду с этим в Сибирском регионе, так же как и по всей России, ежегодно производятся сотни тысяч тонн отходов металлургической, теплоэнергетической, горнодобывающей, химической и других отраслей промышленности. Поэтому получение смешанных вяжущих на основе вторичного минерального сырья (высококальциевой золы, доменного шлака и др.), альтернативных традиционному портландцементу (ПЦ), необходимо и экономически обосновано. Так, при размещении на территории заводов ЖБИ помольных комплексов для производства золопортландцемента (ЗПЦ) на основе высококальциевых зол ТЭЦ (ВКЗ) и использовании его вместо обычного цемента, возможно не только увеличить объём выпускаемого железобетона, но и существенно повысить рентабельность продукции — от 11 до 22 %.

Ежегодно в одном только Сибирском федеральном округе объём выхода высококальциевой золы от сжигания Канско-Ачинских углей составляет около 1300 тыс. т. Отличительным признаком высококальциевых зол ТЭЦ является значительное содержание в них свободного оксида кальция в виде пережога, нередко приводящего к возникновению деструктивных процессов в уже сформировавшейся структуре камня. Несмотря на то, что высококальциевые золы давно служат объектом для изучения и проведения лабораторных исследований, широкое и повсеместное применение их в промышленности строительных материалов сдерживает другая особенность: нестабильность свойств получаемых золоматериалов из-за широкого диапазона колебаний химического, фазового состава и свойств зол.

Нами разработана технология получения золопортландцемента и бетонов на его основе, которая включает в себя корректировку состава золопортландцемента, изменение энергии помола и других технологических параметров с учётом найденных взаимосвязей между прочностными характеристиками тяжёлых бетонов, составом и свойствами зол. Проведенный статистический анализ данных многолетних исследований позволил предложить ряд показателей, необходимых и достаточных для использования конкретной партии высококальциевой золы при производстве вяжущих с учётом дальнейшего их применения в тяжёлых бетонах.

Результаты испытаний тяжёлого бетона на золопортландцементе из 20 проб высококальциевой золы, отобранной с электрофильтров ТЭЦ в течение года, свидетельствуют о стабильности предлагаемой технологии. Средняя прочность тяжёлых бетонов превышает прочность контрольного бетона на 7,9–16 (в зависимости от марки бетона) % при пропаривании и на 3,3–10 % при твердении в нормальных условиях (рис. 1). Коэффициенты вариации прочности бетонов на ЗПЦ как после ТВО, так и при твердении в нормальных условиях не превышают 13 %, допустимых для заводского производства (рис. 2). При этом эффективность использования в качестве вяжущего золопортландцементов повышается с увеличением марки бетона.

Рис. 1. Средняя прочность (в % от контроля) тяжёлого бетона марок М100, М200 и М300 на золопортландцементе при различных условиях твердения (20 проб золы)

Рис. 2. Изменение коэффициента вариации прочности при сжатии бетонов разных марок из золопортландцемента на 20 пробах ВКЗ при различных условиях твердения в нормативные сроки испытания

Установленные статистические модели по закономерностям изменения прочности бетона на ЗПЦ от показателей свойств ВКЗ позволяют с достаточной точностью прогнозировать и корректировать прочность бетонов и их составы. Основными факторами, влияющими на прочность бетонов на ЗПЦ, являются показатели, характеризующие активность зол: содержание свободного оксида кальция, температурный эффект ранней гидратации золы, сроки схватывания, потери при прокаливании и др. Влияние свободного суммарного оксида кальция СаОсвсумм и температурного эффекта ранней гидратации золы  Т представлено на рис. 3. Полученная зависимость позволяет рекомендовать к применению золы с  Т не более 7 °C, учитывая при этом содержание свободного оксида кальция.

Рис. 3. Зависимость прочности бетона марки М 200 на золопортландцементном вяжущем от температурного эффекта ранней гидратации золы  Т и содержания свободной суммарной извести СаОсвсумм при твердении в условиях ТВО

Многие исследователи, изучая материалы на основе высококальциевой золы, испытывают лишь их прочностные характеристики. Тем не менее, одной из наиболее важных характеристик бетона при эксплуатации, помимо прочности, является его долговечность. В процессе длительной эксплуатации зданий и сооружений из бетона с использованием высококальциевых зол могут возникать значительные деструктивные процессы в уже затвердевшем камне из-за находящегося в золе периклаза (MgOсвоб) в количестве до 9 % [1]. Поэтому при использовании в тяжёлых бетонах золопортландцемента из высококальциевой золы ТЭЦ необходимо оценивать влияние золы не только на прочностные характеристики бетона, но и на косвенный показатель долговечности — собственные деформации золоцементного камня при автоклавировании.
Для изучения собственных деформаций золопортландцементного камня испытанием в автоклаве по ГОСТ 25818-91 образцы-призмы размером 2,5x2,5x28,0 см, изготовленные из золопортландцементного теста нормальной густоты, выдерживают 3 ч в автоклаве при давлении 2,1 МПа, после чего рассчитывают относительное удлинение. Полученные таким образом собственные деформации намного превышают удлинения, возникающие в процессе эксплуатации в течение многих лет. Также нами была произведена оценка долговечности бетона на золопортландцементе после интенсификации твердения при ТВО.

Результаты проведённых исследований показывают, что высокоактивные золы, содержащие в сумме СаОсвоб + MgOсвоб > 9 %, вызывают значительные деструктивные явления, особенно после автоклавирования. Наиболее гидравлически активная проба золы № 16, в которой содержание СаОсвсумм превышает 8 %, MgOсвоб — ~5 %, а сульфатной серы SO3 — >5,7 %, вызвала удлинение около 12 %, приведя к значительному искривлению образцов (рис. 4).

Нами разработаны корректирующие мероприятия, позволяющие уменьшить удлинение ЗПЦ, вызывающее деструкцию, например, путём введения добавок, связывающих свободную известь в результате пуццолановых реакций в гидросиликаты кальция, что не только обеспечивает равномерность изменения объёма при твердении, но и существенно повышает конечную прочность бетона.

                                      а

                                                     б

Рис. 4. Линейные деформации золопортландцемента (ЗПЦ) в сравнении с эталоном. а) деформации ЗПЦ на пробе золы № 16; б) деформации ЗПЦ на пробах золы № 16 и 17 соответственно

Как показывают обнаруженные взаимозависимости, наибольшее влияние на деформации золоцементного камня в автоклаве оказывает содержание свободного СаО, либо суммарное содержание свободных СаО и MgO. Кроме того, эти взаимозависимости подтверждают влияние формирования эттрингитоподобных фаз на возникновение деструктивных явлений (табл. 1).

Таким образом, несмотря на существующие трудности при использовании высококальциевых зол в промышленном производстве, используя научные разработки, можно получить золопортландцемент, удовлетворяющий всем требованиям нормативных документов и обладающий характеристиками, соответствующими потребностям современного рынка. Экономический эффект при производстве и применении ЗПЦ на заводе ЖБИ, потребляющем около 40 тыс. т цемента в год составит около 20 млн. руб., потребляющем 60 тыс. т в год — около 30 млн. руб. и т. д.

Таблица 1. Уравнения и коэффициенты корреляций двухпараметрических взаимосвязей между величиной удлинения ЗПЦ при испытании на равномерность изменения объёма в автоклаве при 2,1 МПа и составом и свойствами ВКЗ

Литература:

1. Овчаренко Г. И. Золы углей КАТЭКа в строительных материалах. — Красноярск: Изд-во Красноярского университета, 1992.

С анализом российского рынка металлургических и топливных шлаков и с анализом оборудования для производства цемента на основе шлаков Вы можете познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок шлаков в России» и «Анализ поставок каменноугольной золы с заводов-производителей в 2008 году».

www.newchemistry.ru