Применение золы в качестве заполнителя

   Зерновой  состав золошлаковых смесей золоудаления.

   Таблица 4.

   При сухом  удалении золы крупные частицы улавливаются циклонами, мелкие - электрофильтрами. При этом на каждом поле электрофильтра собирается определенная фракция золы. Так, на Прибалтийской ГРЭС зола из циклонов содержит частиц размером мельче 50 мкм 47-63%, электрофильтровая зола со второго поля - 61-87%, с третьего - 78-99%, а четвертого - 100%.

   При этом происходит разделение и по химическому составу, и по фазовому. Максимальное содержание сферических стекловидных частиц имеют мельчайшие фракции золы. Чем зерна золы крупнее, тем выше в ней содержание агрегированных, шероховатых, пористых частиц.

   От  зернового, химического и фазового составов золы зависит ее насыпная плотность, которая может составлять от 0,6 до 1,3 г/см3 Удельный вес (истинная плотность) золы колеблется от 1,75 до 3,5 г/см3, составляя в среднем 2,1-2,4 г/см3. Физические характеристики некоторых зол приведены в табл. 5

   Физические  свойства зол.

   Таблица 5.

   3.4. Активность золы.

   Химическая  активность является важным свойством зол, от которого зависит их использование - в качестве самостоятельных вяжущих или как компонента комплексных вяжущих.

   По  химическому составу золы подразделяются на основные, кислые и нейтральные. Основные золы содержат гидравлически активные компоненты и являются самостоятельным вяжущим. Кислые золы обладают свойствами типичных пуццоланов и могут применяться как активные минеральные добавки.

   Топливные золы, как правило, не способны непосредственно взаимодействовать с водой. Это характерно лишь для зол, содержащих свободные оксиды кальция и магния. Аморфные компоненты зол обладают пуццолановой активностью, т.е. способностью связывать при обычных температурах гидроксид кальция, образуя нерастворимые соединения. При их накоплении появляется возможность гидравлического твердения вяжущих из смесей извести или портландцемента с золой.

   Пуццолановой  активностью в составе зол  обладают продукты обжига глин: аморфизированное глинистое вещество типа метакаолинита, аморфные SiО₂ и Аl₂О_з и алюмосиликатное стекло. Реакционная способность по отношению к гидроксиду кальция у них различна и зависит от температурных превращений каолинитовых глин при сжигании топлива. Обладающий большой удельной поверхностью метакаолинит А1₂О₃х2SiO₂ активно реагируете Са(ОН)₂ при обычных температурах с образованием гидросиликатов кальция и гидрогеленита.

   Активность  образующихся при более высоких  температурах аморфных SiO₂ и Аl₂О₃ заметно меньше, что объясняется резким снижением удельной поверхности вследствие спекания и кристаллизации новообразований - муллита, кристобаллита.

   Высокотемпературное спекание и плавление глинистых  минералов резко снижают их удельную поверхность и, соответственно, активность. Вследствие этого стеклофаза зол малоактивна при обычных температурах.

   Повышение температуры сжигания топлива сверх  допустимого предела приводит к  падению активности большинства  топливных зол.

   Основным  критерием, определяющим способность  золы проявлять вяжущие свойства, является наличие кальция в свободном или связанном виде.

   Наряду  с этим используются следующие критерии:

   - модуль  основности (гидросиликатный модуль) МО, который представляет собой отношение суммы основных оксидов к сумме кислотных оксидов:

   МО = (СаО + MgO + К₂О + Na₂O): (SiO₂ + А1₂О₃);

   - силикатный (кремнеземистый) модуль Мс, показывающий  отношение оксида кремния, вступающего  в реакцию с другими оксидами, к суммарному содержанию оксидов  алюминия и железа:

   Мс = SiO₂: (A1₂O₃ + Fe₂O₃);

   - коэффициент  качества К, показывающий отношение  оксидов, повышающих гидравлическую  активность к оксидам, снижающим  ее:

   К = (СаО + А1₂О₃ + MgO): (SiO₂ + TiO₂).

   На  основании многочисленных исследований топливных отходов электростанций, сжигающих топливо различных месторождений, золы разделены на группы - активные, скрыто активные и инертные (табл. 6).

   Классификация топливных отходов от сжигания твердого топлива.

   Таблица 6.

   К активным относятся золы поволжских сланцев, углей Канско-Ачинского угольного бассейна, ангренского угля, некоторых торфов. Общее содержание оксида кальция колеблется в пределах 20-60%, свободного оксида кальция - до 30%. Такой состав обеспечивает высокие значения модулей основности и силикатного, а также коэффициента качества. Золы от сжигания указанных видов топлива обладают свойством самостоятельно твердеть и могут применяться как самостоятельные вяжущие.

   К скрыто активным относятся золы от сжигания райчихинских, богословских, харанорских, черемховских, хакасских и некоторых других углей. Общее содержание оксида кальция в этих золах составляет 5-20%, содержание свободного оксида кальция - не выше 2%. Модуль основности составляет не более 5. Как правило, они используются в качестве комплексных вяжущих с активизиторами

   К инертным относятся золы от сжигания экибастузских, подмосковных, кузнецких, донецких, нерюнгринских и других углей. Они характеризуются высоким содержанием оксидов кремния и алюминия и низким количеством оксидов кальция и магния. Свободного оксида кальция содержится менее 1%, а в некоторых золах этой группы его может не быть совсем.

4. Применение золы в качестве заполнителя.

   Мелкий  заполнитель в тяжелых и легких бетонах частично или полностью  может быть заменен золой. При  изготовлении конструктивно-теплоизоляционных  легких бетонов классов В2,5—В7,5 зола, используемая в качестве песка, должна иметь насыпную плотность до 1100 кг/м3 и включать зерна размером менее 0,14 мм в количестве не более 90% массы. Содержание коксовых остатков в золе, полученной при сжигании каменного угля и антрацита, должно быть не более 12%, бурых углей—не более 5%.

   Установлено, что на долговечность бетона при  использовании зол оказывает  влияние, главным образом, состав топливных  остатков, стойкость которых к  окислению и воздействию влаги  зависит в свою очередь от минералогического состава исходного угля.

   Несгоревшие частицы угля представлены, в основном, в виде остатков кокса и полукокса. Отрицательные свойства этих топливных  остатков сказываются в незначительной степени, так как кокс и полукокс стойки к окислению на воздухе и поглощают мало влаги, а поэтому мало подвержены объемным изменениям при попеременном увлажнении и замораживании. Определение качественного состава остатков несгоревшего топлива дает возможность оценить целесообразность применения золы как мелкого заполнителя бетона.

   В немалой  степени свойства бетона зависят  от влажности зол и содержания в них сернистых и сернокислых  соединений. Количество последних в  перерасчете на S03 не должно превышать 3% по массе (в том числе сульфидной серы в перерасчете на S03 не более 1%). Влажность не должна превышать 35% по массе. Для получения долговечного золобетона для армированных легкобетонных конструкций золы ТЭС должны также содержать пониженное количество глинистых частиц при повышенном содержании стеклофазы (не менее 50—60%).

   Свойства  бетона в значительной степени зависят  от гранулометрического состава  заполнителей. Оптимальным для легких бетонов является соотношение 1:1 между  крупной (более 0,3 мм) и мелкой (менее 0,08 мм) фракциями золы. Хорошие прочностные показатели бетона достигаются при использовании зол, у которых соотношение между крупной и мелкой фракциями не превышает 1:2,5, а содержание частиц средней фракции составляет 50%.

   Применение  в бетонах золы-уноса позволяет  заменять как часть песка, так и часть цемента. Количество вводимой в состав бетона золы может достигать150—250 кг/м3 и более. При выборе возможного содержания золы в бетоне следует учитывать воздействие золы на свойства бетонной смеси. В зависимости от содержания золы влияние ее на водопотребность может быть несущественным или значительным. Так, если введение в состав бетона до 70—90 кг золы дисперсностью 3000—4500 см2Д практически не сказывается на водопотребности бетонной смеси, то дальнейшее увеличение содержания золы вплоть до 300 кг на 1 м3 бетона приводит к увеличению водопотребности бетонной смеси на 5—6% на каждые 50 кг дополнительно вводимой золы.

   Золобетоны  можно получать с широким диапазоном свойств: по прочности на сжатие — 0,5—40 МПа, средней плотности — от особо легких (р0 < 1000 кг/м3) до тяжелых (р0 = 1800—2000 кг/м3). Их получают как на портландцементе, так и на бесклинкерных вяжущих в условиях обычного и автоклавного твердения. Плотный золобетон характеризуется высокими значениями прочности на изгиб и дефор-мативных характеристик (предельной сжимаемости и ползучести).

   Недостатками  плотных золобетонов являются значительное водо-поглощение, а также усадка, которая при твердении образцов на воздухе составляет до 2—3 мм/м. Для  уменьшения водопоглощения рекомендуется вводить в смесь тонкомолотые добавки, снижающие пористость золобетона, например гранулированный шлак. Усадка снижается при автоклавной обработке и введении в массу до 30% крупных пористых заполнителей или песка, а также применением жестких смесей.

   На  приготовление золобетона классов В2,5—В12,5 со средней плотностью 1000—1600 кг/м3 при безавтоклавном твердении расходуется 200—400 кг/м3 цемента, в зависимости от свойств исходных компонентов и технологии изготовления изделий. Запаривание золобе-тонных изделий в автоклавах позволяет в 1,5—2 раза снизить расход вяжущего и частично (или полностью) заменить цемент известью.

   Более широкое применение находит зола как мелкий заполнитель в производстве керамзитобетонов. Для обеспечения  плотной структуры этих материалов в песчаной фракции должно содержаться 40—50% по массе частиц размером менее 0,15 мм. В связи с дефицитом керамзитового песка многие заводы при изготовлении конструктивно-теплоизоляционных легких бетонов применяют обычный кварцевый песок, что приводит к утяжелению керамзитобетонов до 1400—1600 кг/м3 и соответственно к снижению термического сопротивления стен. Применение золы в керамзитобетонах в количестве 180—200 кг/м3, а для однофракционного керамзита и в больших количествах, улучшает технологические свойства легкобетонных смесей и способствует получению плотной структуры бетона.

   Полная  замена мелкого заполнителя золой  наиболее целесообразна в конструктивно-теплоизоляционных  легких бетонах. Оптимальное содержание золы в конструктивно-теплоизоляционном  керамзитобе-тоне составляет 300—450 кг/м3. Дальнейшее увеличение ее содержания повышает среднюю плотность легкого бетона. При изготовлении легких конструктивных бетонов добавка золы в количестве до 100 кг на 1 м3 бетона может служить микронаполнителем.

6. Заключение.

     Анализ  накопленных данных научных исследований и практический опыт использования  зол ТЭС в нашей стране и  за рубежом показал технико-экономическую  целесообразность более широкого использования  отходов ТЭС при производстве цемента. В настоящее время более распространенной активной минеральной добавкой в России является доменный гранулированный шлак, с учетом использования которого спроектировано большинство цементных предприятий. В связи с общим экономическим положением в стране возникла необходимость замены гранулированных шлаков другими добавками технического или природного происхождения. Поэтому использование зол-уноса вместо доменного шлака или частичной его замены цементными предприятиями очень целесообразно и выгодно экономически.

      Экономические преимущества комплексного использования природного сырья и отходов ТЭС проявляются в следующем:

• достигается экономия капитальных вложений и снижение издержек в отраслях, производящих строительные материалы;
• использование отходов повышает рентабельность производства;
• переработка шлакозольных отходов позволяет стабилизировать экологическую обстановку в стране;
• комплексное использование природного сырья и отходов приводит к повышению уровня обеспеченности народного хозяйства материалами и изделиями, рациональному размещению производительных сил, уменьшению различных статей затрат и, следовательно, обеспечивает повышение эффективности капитальных вложений в народное хозяйство.

 

    На  основании изученных материалов и опыта работы некоторых предприятий  можно с уверенностью сказать, что накопленные за многие годы отходы ТЭС являются ценнейшим материалом для производства современных строительных материалов, а их промышленная утилизация не только способствует улучшению экологической обстановки в стране, но и делает производство строительных материалов более рентабельным, а значит, способствует стабилизации общей экономической обстановки в стране.