Мелкозернистые бетоны из отходов промышленности

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗОЛ И ШЛАКОВ ТЕПЛОВЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И ДРУГИХ МАТЕРИАЛОВ,
ИСПОЛЬЗОВАННЫХ В РАБОТЕ

В данном разделе комплексной работы были исследованы физические свойства, химический и минералогический составы: зол и шлаков 9Ш электростанций Кузбасса, работающих на кузнецком каменном угле, 5 ^ти электростанций на бурых углях КАТЭКа (Новосибирск, Барнаул, Абакан, Минусинск и Юрга), 5 ^ти электростанций на каменном угле Экибастуза (Экибастуз, Ермак, Павлодар, Омск); три вида шлаков литейного производства Павлодарского тракторного завода; портландцемент марок 400 и 500 Топкинского цементного завода.

1.1. Золы и ШЛАКИ ТЭС КУЗБАССА от СЖИГАНИЯ КУЗНЕЦКИХ
УГЛЕЙ

В Кемеровской области (Кузбассе) действует 10 тепловых электростанций (ТЭС), в том числе 9 из них сжигают местный кузнецкий каменный уголь и одна Юргинская ТЭЦ бурый уголь Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (КАТЭКа) из соседнего Красноярского края.

1.1.1. Основные физические характеристики

Физические свойства зол и шлаков определяли по ГОСТ 310.2 и 310.3 и приведены в таблице 1.1. Из 9 ТЭС Кузбасса только 3 имеют установки по сухому отбору золы (Томь-Усинская ГРЭС - мощностью 20 тыс. тонн в год, Западно-Сибирская ТЭЦ -100 тыс. тонн в год и Кемеровская ГРЭС - 30 тыс. тонн в год). Более 2 ^х млн. тонн транспортируется водой вместе со шлаком в виде золошлаковых смесей в отвалы. Недостаток системы отбора сухой золы - отсутствие классификации летучей золы по сортам.

По классификации ИА. Иванова [3] по размеру частиц золы делятся на крупные (размер частиц выше 85 мкм), средние (от 85 до 20 мкм) и мелкие (менее 20 мкм), а по однородности на монодисперсные и полидисперсные. Зерновой состав зол определяется методами седиментометрического анализа, используя седиментографы различных систем.

По этим исследованиям золы Томь-Усинской ГРЭС, Южно-Кузбасской ГРЭС и Кемеровской ГРЭС относятся к мелким полидисперсным, Западно-Сибирской ТЭЦ к средней, монодисперсной и

7

Таблица 1.1.

Физические характеристики зол и шлаков ТЭС Кузбасса

8

Беловской ГРЭС к крупной, полидисперсной. Сухая зола Белов-ской ГРЭС состоит преимущественно из агрегированных частиц и микросфер, поэтому крупная и легкая.

Имея данные гранулометрического анализа можно по треугольной диаграмме устанавливать рациональное соотношение золы и цемента в будущих бетонных смесях. Это же определяет и необходимость разделения золы ТЭС по гранулометрии на первый, второй и третий классы, как это делается в настоящее время в большинстве стран мира, использующих летучую золу в строительстве.

Характерной особенностью золы является ее неоднородность (в данном случае по физическим характеристикам) а именно: по размерам частиц, конфигурации, цвету, структуре и т.п. Эти особенности даже при сжигании одного и того же угля зависят от типов (конструкций) котлов, режимов сжигания углей, способов отбора золы и удаления. Преимущественно преобладают шарообразные частицы, затем остроугольные и нитеобразные, а также агрегированные, состоящие из нескольких зерен (рис. 1.1). Последние преобладают в крупнодисперсных золах (в нашем случае зола Беловской ГРЭС). Эту структуру необходимо разрушать, чтобы иметь более высокую долговечность бетона. Более дисперсные золы обладают большей однородностью (гидроудаленная зола ТУ ГРЭС и золошлаковая смесь Южно-Кузбасской ГРЭС (рис. 1.2).

Рис. 1.1. Гидроудаленная зола Беловской ГРЭС
(агрегированные частицы). Х150

9

Рис. 1.2. Гидроудаленная зола Южно-Кузбасской ГРЭС. х!50

Цвет частиц золы меняется от светлого (прозрачные) до черного с металлическим блеском. Изменяется также и однородность строения (рис. 1.3). Наиболее однородны шарики, состоящие полностью из стекла. От 5 до 20% (больше всего у частиц Беловской ГРЭС) составляют шарики, полые внутри (рис. 1.4). То есть стекло вспучивается в момент образования таких шариков (микросфер). Микросфера - ценное сырье не только для легких бетонов, но и для устройства легких и стойких покрытий в различных отраслях. На ТУ ГРЭС сооружена опытная установка по отбору микросфер.

Рис. 1.3. Зольные шарики магнитной фракции золы ТУ ГРЭС. х!50

10

Рис. 1.4. Микросферы золы гидроотвалов Беловской ГРЭС. xllO

Кроме дисперсной золы на ТЭС Кузбасса в виде отходов от сжигания углей образуются и шлаки. Их содержание на различных ТЭС колеблется от 5 до 17% от всей массы золошлаковых отходов (83-95% золы и 5-17% шлака). В зависимости от устройства топок, шлаки получаются пористыми (сухое шлакоудаление) и плотными (огненно-жидкое шлакоудаление). Выход пористых шлаков на ТЭС составляет 20% и плотных 80%.

Пористый шлак образуется из расплава горных пород, обладающих низкой температурой плавления. Слабоспекшиеся частицы в процессе гидроудаления разрушаются и образуют частично шлаковый песок в золошлаковой смеси (до 50%) и до 50% снова превращаются в золу. Эти шлаки на электростанциях Кузбасса не отбираются и не перерабатываются, а складируются в отвалах вместе с золой.

Плотный шлак представляет собой расплав золы, удаляемый через топки в огненно-жидком состоянии. Далее он подвергается резкому охлаждению водой (грануляции) и распадается на отдельные гранулы неправильной формы с острыми гранями и размером зерен от 0 до 40 мм. При этом в шлаках создаются большие внутренние напряжения, которые со временем их разрушают на более мелкие (до 20 мм). По своей структуре

11

плотный шлак является преимущественно аморфным веществом (алюмосидикатное стекло) от темно-зеленого до черного цвета насыпной плотностью от 1095 до 1400 кг/м3-(у различных станций плотность различная) и истинной плотностью соответственно от 1950 до 2350 кг/м3. На ТУ ГРЭС весь огненно-жидкий шлак (его выход в год до 120 тыс. тонн) перерабатывается в песок фракции 0...5 мм на валковых дробилках.

На рисунках 1.5 и 1.6 показан гранулированный плотный шлак до переработки в песок и после переработки.

Рис. 1,5. Граншлак ТУ ГРЭС до переработки в песок

Рис. 1.6. Шлаковый песок ТУ ГРЭС после переработки

Переработка шлака в песок доказана нашими исследованиями с целью создания плотной и надежной структуры бетона, резкого повышения морозостойкости, прочности и долговечности. После переработки шлаковый песок удачно вписывается в зону наиболее плотной упаковки (средняя кривая на графике рис. 1.7).

Рис. 1.7. График наиболее плотной упаковки песка
по зерновому составу

12

Нами совместно с Санкт-Петербургским научно-исследовательским институтом радиационной гигиены (бывший ЛНИИРГ) были детально исследованы золы и шлаки ТЭС Кузбасса на показатели радиоактивности методом гамма-спектрографиического анализа. Данные приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Гамма-спектральный анализ зол и шлаков ТЭС Кузбасса

По требованиям действующих в России санитарных норм ОСП 72/87 (в настоящее время с 1 января 1995 года введен в действие ГОСТ 30108-94. Материалы и изделия строительные. Определение эффективной активности естественных радионуклидов)

13

содержание радионуклидов в золах и шлаках, применяемых в строительстве жилья, не должно превышать 10 рКи/г. Как видно из таблицы 1.2, все исследованные золы и шлаки и их смеси 9 ^ти электростанций Кузбасса удовлетворяют этим требованиям с резервом в 1,5...2 раза. То есть могут применяться неограниченно в строительстве по экологическим соображениям.

14