Мелкозернистые бетоны из отходов промышленности

1.3. Золы и шлаки ТЭС от сжигания бурых углей
Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса

Канско-Ачинский бассейн имеет колоссальные запасы малозольного (до 10%) бурого угля, в отличии от Кузнецкого (зольность до 30%) и Экибастузского (до 50% и выше). Освоение бассейна начато сравнительно недавно и добыча угля ведется открытым способом при относительно небольшом объеме вскрышных работ. Золы и шлаки предыдущих двух бассейнов кислые и ультракислые. Зола углей КАТЭКа высококальциевая с содержанием оксида кальция 25...40%, а на Березовском месторождении до 60%. Соответственно в этих золах значительно ниже содержание кремнезема и алюминия (30 и 15%). Небольшое содержание несгоревших частиц и щелочных компонентов.

Все это позволяет решить проблему использования золы в качестве вяжущего, в малоцементных бетонах, а также создание бесцементных бетонов.

1.3.1. Физические характеристики зол и шлаков

В настоящей работе исследованы высококальциевые золы и шлаки 4* электростанций, сжигающих угли КАТЭКа преимущественно Назаровского и Ирша-Бородинского месторождений.

Основные физические характеристики зол и шлаков Новосибирской ТЭЦ-3, Барнаульской ТЭЦ-3, Юргинской ТЭЦ и Абаканской ТЭЦ приведены в таблице 1.11.

Зола сухого отбора Новосибирской ТЭЦ-3 представляет собой в основном частицы правильной шарообразной формы бурого цвета без посторонних включений. Размер сферических частиц колеблется от 0,5 до 20 мкм и единичные частицы достигают в диаметре 30...40 мкм. Микрофотография золы сухого отбора Новосибирской ТЭЦ-3 показана на рис. 1.13.

Проведенные исследования физических характеристик золы сухого отбора (на ТЭЦ действует установка по отбору золы) показали, что зола имеет высокие показатели плотности по сравнению с кислыми золами от сжигания Кузнецких каменных углей. Так, насыпная плотность золы колеблется в пределах 1200... 1500 кг/м3 (у Кузнецких зол от 600 до 900 кг/м3), истинная плотность 2900...2950 кг/м3 (у Кузнецких зол от 2100 до 2400 кг/м3). Это говорит о том, что в высококальциевых золах от сжигания углей КАТЭКа по существу не образуются микросферы (полые шарики). И это подтвердилось в наших исследованиях под электронным микроскопом.

25

Рис. 1.13. Микрофотография золы Новосибирской ТЭЦ-3.
Увеличение х150

Гранулированный шлак Новосибирской ТЭЦ-3 по внешнему виду представляет собой остеклованные частицы преимущественно черного цвета с неровными краями. Средний размер зерен находится в пределах 1100...2000 мкм. В рыхлонасыпном состоянии расстояние между зернами составляет 40...450 мкм. Модуль крупности зерен шлака равен 3,6...3,8. Что соответствует крупным пескам. Основные физические характеристики граншлака приведены в таблице 1.11, а ситовый анализ в таблице 1.10.

Таблица 1.10

Зерновой состав граншлака Новосибирской ТЭЦ-3

26

Таблица 1.11

Физические свойства зол и шлаков от сжигания углей КАТЭКа

Фотография шлака приведена на рис. 1.14.

27

Рис. 1.14. Гранулированный шлак Новосибирской ТЭЦ-3.

Прочность граншлака на сдавливание в цилиндр по ГОСТ 9758-86 составила 18 кг/см².

Как показали наши исследования, в граншлаке имеется от 3 до 7% слабых частиц и шлаковых агрегированных частиц с микротрещинами. Для надежности его использования в бетонах считаем необходимым его перерабатывать в песок фракции 0...5 мм с уменьшением модуля крупности с 3,6...3,8 до 2,6...2,8 по принципу действующей установки на ТУ ГРЭС.

Зола сухого отбора Барнаульской ТЭЦ-3. Это зола светло-серого цвета (в отличии от бурого Новосибирской ТЭЦ-3). Размеры частиц колеблются от 50 до 100 мкм. Микрофотография золы сухого отбора Барнаульской ТЭЦ-3 показана на рис. 1.15.

Насыпная плотность золы колеблется от 990 до 1180 кг/м³, истинная плотность от 2600 до 2700 кг/м³, удельная поверхность 4600...4800 см²/г. Остаток на сите № 008 равен 9,5%.

Граншлак Барнаульской ТЭЦ-3имеет остеклованную поверхность черного цвета с неровными гранями (как и у Новосибирской ТЭЦ-3). Размеры его частиц от 0.1 до 10 мм, средний размер зерен 1300...2000 мкм, модуль крупности 3,7...3,8. Основные физические характеристики шлака приведены в таблице 1.11. Прочность на сдавливание в цилиндре по ГОСТ 9758-86 составила менее 15 кг/см², то есть ниже прочности граншлака Новосибирской ТЭЦ-3 (там 18 кг/см²) и соответственно насыпная

28

и истинная плотности у этого шлака значительно ниже, чем у Новосибирского. Для увеличения прочностных характеристик его также нужно измельчать в песок.

Рис. 1.15. Микрофотография золы сухого отбора
Барнаульской ТЭЦ-3. Увеличение х150

Зола сухого отбора Юргинской ТЭЦ преимущественно светло-серого цвета (в виду незначительного содержания несгоревшего угля). Частицы золы в большинстве своем правильной шарообразной формы. Размеры частиц колеблются от 0,5 до 20 мкм и только отдельные достигают 30...40 мкм. Микрофотография золы сухого отбора Юргинской ТЭЦ показана на рис. 1.16.

Проведенные исследования физических характеристик показали, что насыпная плотность находится в пределах 1150... 1200 кг/м³, истинная плотность 2800...2850 кг/м³. Средняя удельная поверхность (со всех полей электрофильтров), определенная прибором ПСХ-4 составляет 3000...3100 см²/г, то есть по классификации И.А. Иванова [3] относится к крупнодисперсным.

Усредненные значения нами принимались с целью 100% использования золы, а не отдельных ее фракций (с разных полей). Остаток ее на сите 008 равен 10,3%. Тем более, что планируется ее применение для одно и двухэтажных зданий с низкими марками бетона (М85...М100, или 3,5...10 МРа).

29

Рис. 1.16. Микрофотография сухой золы Юргинской ТЭЦ под
электронным микроскопом. Увеличение х150

Гранулированный шлак Юргинской ТЭЦ темно-серого до черного цвета. До 96% в нем фракция от 0 до 5 мм и 4% фракция выше 5 мм. В отличии от шлаковых песков Новосибирской и Барнаульской ТЭЦ-3, шлак Юргинской ТЭЦ представляет смесь плотного гранулированного (огненно-жидкого удаления с водяным охлаждением) и пористого (сухого воздушного охлаждения). Средняя насыпная плотность шлакового песка 1430 кг/м³, плотность в зернах 1870 кг/м³, истинная плотность 2350 кг/м³, общая пористость 20%, модуль крупности 3,1. Прочность на сдавливание в цилиндре 13 кг/см². Кривая рассева шлакового песка приведена на рис. 1.17.

Как видно из рис. 1.17, для лучшей упаковки (уплотнения) зерен шлакового песка и улучшения его структуры, необходимо его дополнительное дробление (одностадийное) на валковой дробилке.

Зола сухого отбора Абаканской ТЭЦ по классификации И.А. Иванова относится к крупным полидисперсным. В противоположность вышеперечисленным золам ее частицы преимущественно неправильной формы и агрегированные (рис. 1.18).

30

Рис. 1.17. Кривая рассева шлакового песка Юргинской ТЭЦ
в сравнении со стандартной зоной

Рис. 1.18. Структура частиц золы Абаканской ТЭЦ

31

Ее удельная поверхность в 1,5...2 раза меньше (2400 см²/Г вместо 3000...4750). Сравнивая физические характеристики указанной золы с требованиями ТУ 34-70.10898-88 [6], золы Абаканской ТЭЦ можно отнести только ко второму сорту, а по остатку на сите к первому (7,5<12%). Для перевода золы в первый сорт и возможности отнесения к I^ОМУ виду (для железобетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого бетона) по ГОСТ 25818-91 необходим ее домол, что улучшит не только физические свойства, но и химическую активность, исключить неравномерность изменения объема (НРО).

Гранулированный шлак Абаканской ТЭЦ исследовали по ГОСТ 26644-85, для чего пробы были разделены на фракции: от 0,14 до 5 мм (шлаковый песок) - 92,5% и от 5 до 10 мм (шлаковый щебень) - 7,5%. Было установлено, что фракция свыше 5 мм имеет микротрещины. По результатам проверки зернового состава по ГОСТ 8735-88 установлено, что полный остаток на сите 063 составил 91% (таблица 1.12), а модуль крупности 4,35, что позволяет отнести его к пескам повышенной крупности.

Таблица 1.12.

Зерновой состав шлака Абаканской ТЭЦ

По средней плотности (таблица 1.11) шлак ТЭЦ относится к плотным (выше 2 г/см³).

Потеря массы шлака при определении на силикатный распад по ГОСТ 9758-86 составила 6,38% (по требованиям ГОСТ она не должна превышать 8%) и на железистый распад 4,46% (по требованиям ГОСТ не более 5%), то есть шлак соответствует по этим показателям требованиям ГОСТа. Шлак без переработки в песок выдерживал при испытании на морозостойкость До 120 циклов замораживания и оттаивания, а после дробления до фракции 0...5 мм до 235 циклов (требования ГОСТа для плотного шлака не менее 200 циклов).

32

Проведенные испытания физических характеристик шлака показали, что для организации производства мелкозернистого зо-лошлакового бетона из отходов Абаканской ТЭЦ без использования природных заполнителей представляется необходимым переработать весь шлак на фракцию 0...5 мм.

Были проведены также исследования на удельную активность естественных радионуклидов высококальциевых зол и шлаков 4^х указанных электростанций. Причем, у первых 3^х по требованиям действующих ОСП-72/87 (Основных санитарных правил Минздрава СССР), а золошлаков Абаканской ТЭЦ по новому ГОСТу 30108-94 (Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов. Введен в действие с 1.01.1995 г.). Данные исследований приведены в таблице 1.13.

Таблица 1.13.

Гамма-спектрометрический анализ зол и шлаков ТЭС от сжиганияуглей КАТЭКа

33

Все исследованные золы и шлаки 4 ^Х ТЭС по удельной эффективной активности соответствуют принятым в ОСП и ГОСТе критериям для применения их во всех видах строительства в неограниченном количестве (по ОСП - до 10 рКи/г и по ГОСТу -до 370 Бк/кг).

34