Известно, что для эксплуатации электрических станций, теплоэлектростанций (ТЭС) с угольными котлами на специально отведенной территории организуются склады хранения отходов от сжигания углей (золошлаков) – золоотвалы. С течением времени объемы накопленных золошлаков непрерывно растут, свободные емкости существующих золоотвалов уменьшаются.
При этом утилизируется и используется не более 10% годового выхода золошлаков. Если такая тенденция сохранится, то в ближайшие 3-5 лет переполнение золоотвалов приобретёт массовый характер.
В ПАО «Иркутскэнерго» приняли общую стратегию по золоотвалам с отказом от строительства новых с целью активизации усилий по оптимизации заполнения существующих емкостей и утилизации золошлаков. Очевидно, что наиболее эффективными, требующими минимума затрат, являются следующие методы утилизации золошлаков: 1) ремонт и строительство (тепловых сетей, дорог, площадок, дамб); 2) рекультивация угольных разрезов и свалок. В Иркутской области успешно действует акционерное общество ЗАО «Иркутсксзолопродукт», которое занимается сертификацией золошлаков золоотвалов ПАО «Иркутскэнерго» и реализацией продукции на основе золошлаков (рис. 1).
шлакобетон: бесплатный строительный материал
Рис. 1. Отбор золошлаков на золоотвале ПАО «Иркутскэнерго»
(фото с сайта http://zolprod.irkutskenergo.ru).
Важнейшей, первоочередной задачей, направленной на решение проблемы утилизации золошлаков, является его сертификация. Сертифицированные золошлаки (золошлаковая смесь, зола уноса) могут быть перенесены из разряда золошлаковых отходов (ЗШО) к разряду золошлаковых материалов (ЗШМ) [1].
Паспорт на ЗШМ для его дальнейшего использования в дорожном строительстве разрабатывают, как правило, на основе действующих нормативных документов. Существует ряд документов, разрешающих использовать ЗШМ в качестве строительного песка или мелкого щебня при соблюдении определенных технических условий. Полезно назвать некоторые из них: ОДМ 218.2.031-2013 «Методические рекомендации по применению золы-уноса и золошлаковых смесей от сжигания угля на тепловых электростанциях в дорожном строительстве»; ГОСТ 3344-83 «Щебень и песок шлаковые для дорожного строительства. Технические условия»; ГОСТ 25607-2009 «Смеси щебеночно-гравийно-песчанные для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов. Технические условия».
Классификация и свойства золошлаков
Очевидно, что состав и свойства золошлаков зависят от состава минеральной части топлива, типа системы пылеприготовления, режима сжигания, способа улавливания и удаления, места отбора золошлаков в улавливающих установках или на золоотвале. По способу улавливания, удаления и месту отбора золошлаки подразделяются на золу-унос (мелкие несгоревшие частицы топлива из-под установок золоудаления), шлак топливный (тугоплавкий остаток твердого топлива из-под котлов) и золошлаковую смесь (ЗШС).
Для дорожного строительства используются все компоненты как в отдельности, так и в смеси (ЗШС). По виду сжигаемого угля золошлаки можно поделить на сланцевые, каменноугольные, буроугольные, образующиеся при сжигании торфа. По химическому составу золошлаки принято делить на высококальциевые (активные) и низкокальциевые (инертные, кислые). Данная классификация особенно удобна для оценки возможности использования ЗШМ при возведении технологических дамб золоотвалов ТЭС, дорожного строительства и производства строительных материалов [2] (табл. 1).
ДОРОГИ ИЗ УГОЛЬНОЙ ЗОЛЫ
Показатели качества оцениваются в зависимости в зависимости от химического состава (в %) по следующим формулам:
В соответствии со значением основного модуля Mo ЗШМ также условно разделяют на основные
Коэффициент качества определялся по формуле:
Таблица 1. Классификация золошлаковых материалов по группам активности.
При этом, как отмечено в ВСН 185-75 «Технические указания по использованию зол уноса и золошлаковых смесей от сжигания различных видов твердого топлива для сооружения земляного полотна и устройства дорожных оснований и покрытий автомобильных дорог», при совместном гидрошлакозолоудалении зола уноса и шлак в значительной степени теряют свою химическую активность, особенно свободную окись кальция и другие соединения, обеспечивающие самостоятельное твердение.
Важной механической характеристикой грунтов является плотность. Очевидно, плотность золошлаков следует определять как плотность грунтов по ГОСТ 5180-84, отбирая образцы вдавливанием специальных наборов колец. Плотность определяют при конкретном значении влажности, сравнивая массу влажных и хорошо просушенных образцов.
В ГОСТ 25100-2011 существует понятие плотность скелета грунта ρd, под которым подразумевается плотность сухого грунта, определяемая по формуле:
где W – влажность грунта.
Как видно из формулы наличие влаги дополнительно увеличивает плотность грунта и соответственно золошлаков. ОДМ 218.2.031-2013 рекомендует использовать золошлаки с влажностью не более 15%.
В отношении использования золошлаков выделяют агрегатную плотность ρа и объемную массу скелета отложений ρск золошлаков [2]. Агрегатная плотность ρа представляет собой плотность частицы с учетом ее пористости:
где Мk – масса частицы; Vk – объем частицы.
Для производства работ с золошлаками на золоотвале приходится иметь дело с объемной массой скелета отложений ρск, которая, очевидно, различается по зонам и зависит от пористости между частицами:
где n – пористость (относительный объем пор между частицами) (табл. 2).
В [2] выделяют также понятие объемная масса скелета в водонасыщенном состоянии ρвск, где к объемной массе скелета добавляется плотность воды, заполняющая все поры:
где ρв – плотность воды.
Таблица 2. Пористость отложений на золоотвалах.
| Топливо | Вид шлака | Пористость отложений на золоотвалах, % | ||
| Надводный намыв | Подводный намыв | |||
| Шлаковая зона | Зольная зона | |||
| Угли | Жидкий | 35-45 | 50 | 55-65 |
| Твердый | 45-60 | 60-65 | 60-70 | |
| Сланец | Твердый | 58 | 66 | — |
| Торф | Твердый | 55 | 65-70 | 85-90 |
Исходя из данных многочисленных экспериментов, можно сделать вывод, что суммарная пористость (в т. ч. с учетом водонасыщения) довольно значительная (от 35 до 90%) [2]. Доказано, что ЗШС (золошлаковые смеси) обладают хорошей способностью к уплотнению. Поэтому для уменьшения объемов золошлаков целесообразны мероприятия по их дренированию (осушению) и уплотнению. Тем самым можно приблизить плотность складируемого материала к истинной плотности сухого грунта ρd, что будет соответствовать минимальному объему и будет способствовать увеличению срока эксплуатации золоотвала.
Значения величин ρа и ρск лежат в пределах: ρа, = 2160 ÷ 2900 кг/м 3 ; ρск = 900 ÷ 1750 кг/м 3 .
Согласно требований Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ для отбора золошлаков на золоотвалах специализированными проектными организациями (стоит отметить, например, ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева) разрабатывается проектная и рабочая документация. В случае совместного гидрошлакозолоудаления, проектом, как правило, предусматриваются мероприятия по выделению «карт» – огороженных технологическими дамбами площадок на золоотвалах. Карты условно делятся на «рабочие» – где производится заполнение золоотвала (например, золошлаковой пульпой), и карты отбора – где производятся мероприятия по подготовке золошлаков к отгрузке (например, осушение).
Морозостойкость – свойство особенно актуальное в строительстве в северных регионах России. Исследования [2] показывают, что частицы золы и жидкого шлака (полученного путем жидкого шлакоудаления) морозостойки (гранулометрический состав этих материалов до и после испытаний остается неизменным), а частицы твердого шлака – не морозостойки.
ОДМ 218.2.031-2013 определяет основным критерием оценки пригодности ЗШС для сооружения земляного полотна степень морозной пучинистости по ГОСТ 25100-2011. Степень морозной пучинистости – характеристика, отражающая способность грунта к морозному пучению, выражается относительной деформацией морозного пучения.
При оценке применяемых золошлаковых смесей из золоотвалов для сооружения земляного полотна автомобильных дорог по критерию морозоустойчивости (степени пучинистости) установлено, что наиболее однородными и пригодными для сооружения земляного полотна являются каменноугольные золошлаковые смеси при условии жидкого шлакоудаления у котлов (0,015 ÷ 0,035) [3]. Согласно ОДМ 218.2.031-2013 ЗШС, величина относительной деформации морозного пучения которой не превышает 0,035, применяют для возведения насыпей земляного полотна без ограничений.
Гранулометрический состав играет важную роль при гидротранспорте ЗШС на золоотвалы (гидрошлакозолоудалении), создании устойчивой системы оборотного водоснабжения, для дальнейшего использования золошлаков в качестве строительных материалов. Гранулометрический состав является критерием для деления золошлаковых материалов на золу (золу-унос) и шлаки. Условной границей между ними можно принять частицы размером 0,25 мм: более мелкие материалы относят к золам, более крупные – к шлакам [3]. В источнике [2] приводятся следующие обобщенные данные по гранулометрическому составу: зола в основном представлена фракциями 0,01 ÷ 0,1 мм; средняя крупность жидкого шлака – 2,5 ÷ 9,0 мм; средняя крупность твердого шлака при отсутствии дробилок – 0,12 ÷ 10 мм; средняя крупность твердого шлака при наличии дробилок – 0,25 ÷ 4 мм.
Согласно ОДМ 218.2.031-2013 для сооружения дорожных слоев без укрепления в наибольшей степени пригодна крупнозернистая и среднезернистая ЗШС, т.е. ЗШС с наибольшей шлаковой составляющей (шлаковый щебень – частицы размером свыше 5 мм) и шлаковый песок (частицы от 0,315 до 5 мм).
При гидротранспорте ЗШС по пульпопроводам на золоотвал одной из основных задач при эксплуатации золоотвала является создание устойчивой боковой зоны – части откоса намыва, которые примыкают к ограждающей дамбе. Очевидно, что боковая зона должна обладать достаточными прочностными и антифильтрационными свойствами для эффективной и безопасной эксплуатации золоотвала [2]. В дальнейшем, как правило, из этой зоны производится отбор золошлаков.
Данные о зерновом и химическом составах на золоотвалах гидроудаления показывают, что ЗШС по зерновому составу неоднородны. Золошлаковые грунты по ГОСТ 25100-82 могут быть отнесены к пескам – от гравелистого до пылеватого. Большей средней крупностью характеризуются ЗШС от сжигания каменных углей, меньшей – от сжигания бурых углей. Исследование проб ЗШС, отобранных из отвалов на разных расстояниях от места слива золопульпы, показало, что по мере удаления от него дисперсность смесей возрастает, и если на расстояниях до 50 м преобладают шлаковые фракции, то на расстояниях 200 ÷ 300 м – зольные с частицами размером менее 0,25 мм. Это дает основание для выделения в пределах отвала зон фракционирования: шлаковой – с преобладанием фракций шлака (>0,25 мм), золошлаковой – с преобладанием фракций золы (
Основными прочностными характеристиками грунтов принято считать: угол внутреннего трения φ, удельное сцепление с и модуль упругости Е. Данные характеристики для золошлаков согласно [2] лежат в пределах φ = 22 ÷ 34; с = 0,005 ÷ 0,03 МПа.
На основании испытаний кубиков с размерами сторон 2х2х2 см рекомендуется принимать следующие значении предела прочности на сжатие: для жидкого шлака 200 МПа, для твердого шлака 1 МПа [2]. Модуль упругости материала частиц шлака Е рекомендуют брать равным модулю упругости песчаника – 0,18х10 5 МПа [2].
ГОСТ 3344-83 приводит понятие «активность шлаков», которое характеризует как прочность образцов на сжатие, изготовленных из молотого шлака. При этом если прочность образцов молотого шлака свыше 5 МПа, шлак считается высокоактивным и его использование в дорожном строительстве является предпочтительным. Можно предполагать, что жидкие шлаки по данному критерию являются в основном высокоактивными.
Использование золошлаков в строительстве
При строительстве и ремонте теплосетей используются грунтовые материалы: щебень, песок, смеси щебеночно-гравийно-песчаные. Например, при укладке железобетонных лотков, опор, монтаже тепловых камер часто необходима замена существующего грунта, который не соответствует критериям плотности, несущей способности, морозостойкости.
К таким грунтам обычно можно отнести рыхлые и глинистые грунты (растительный слой почвы, пылеватые пески, торфы, илы, глины, суглинки, супеси). При укладке железобетонных изделий данные грунты рекомендуется удалить до существующих уплотненных слоев или слоев, которые можно уплотнить до необходимой проектной плотности. Если существующий грунт склонен к пучинистости, замену грунта производят на глубину промерзания. После уплотнения существующего ложа укладывается непросадочный, морозостойкий грунт (обычно щебень или щебеночно-гравийно-песчанная смесь) в качестве которого можно использовать морозостойкую ЗШС крупного или среднего состава с послойным уплотнением (трамбованием). ГОСТ 25607-2009 допускает добавку в щебеночно-гравийно-песчанные смеси золошлаков при недостатке в смеси мелких фракций.
При прокладке или перекладке теплосетей под дорогами и тротуарами рекомендуется либо полная (под дорогами), либо частичная замена грунта (на глубину 10-20 см). Грунт, используемый в качестве замены, должен соответственно отвечать требованиям щебеночно-гравийно-песчанных смесей используемых в качестве оснований (ГОСТ 25607-2009) или требованиям ЗШС для дорожного строительства (ОДМ 218.2.031-2013).
Вопросам использования золошлаков в дорожном строительстве посвящены многие документы (например, [4, 5]). Соответственно для строительных работ при прокладке и ремонте теплосетей они вполне применимы, тем более в случаях прокладки теплосетей под дорогами и тротуарами. Согласно ОДМ 218.2.031-2013 для сооружения насыпей земляного полотна пригодны все типы ЗШС по зерновому составу с величиной потерь при прокаливании, соответствующей низкому и среднему содержанию горючих, удовлетворяющие следующим требованиям:
а) удельная эффективная активность природных радионуклидов для всех видов золошлаков не должна превышать требований ГОСТ 30108 и НРБ-99/2009. (Как правило, золошлаки относятся к первому классу по удельной эффективной активности ЕРН (эфф. A) природных радионуклидов, поэтому они могут применяться без ограничений во всех дорожных конструкциях);
б) по Федеральному закону от 24.06.1998 г. № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» по степени негативного воздействия на окружающую среду золошлаки должны относиться к пятому классу – «практически неопасные отходы». В противном случае их применение должно сопровождаться внедрением специальных мероприятий, предусмотренных ФЗ и приказом от 30 сентября «Об утверждении порядка введения 2011 г. № 792 Министерства государственного кадастра отходов природных ресурсов Российской Федерации»;
в) золошлаки не должны содержать посторонних загрязняющих включений (строительного мусора, грунта, древесных остатков и др.).
Рекомендуемый состав дорожной насыпи согласно ОДМ 218.2.031-2013 представлен на рис. 2 (рисунок взят из того же источника).
Рис. 2. Схемы поперечных профилей дорожной насыпи с применением ЗШС:
А, Б — при II, III типах местности по условиям увлажнения; В, Г — на сухих участках;
1 — ЗШС; 2 — дорожная одежда (с краевой полосой); 3 — укрепленная обочина; 4 – плоская комбинированная георешетка;
5 — растительный или связный грунт с посевом трав; 6 — непучинистый или слабопучинистый грунт;
7 — дренирующий или связный грунт; 8 – берма из глинистого грунта; 9 — объемный геомат с геотекстилем
(рисунок с сайта http://zolprod.irkutskenergo.ru).
Необходимо учитывать, что в зависимости от вида топлива и условий его сжигания в ЗШМ могут содержаться несгоревшие органические частицы топлива. Поэтому при производстве бетонов и строительных растворов потеря массы при прокаливании (п.п.п.) должна быть не выше 3÷25% в зависимости от вида исходного топлива [4]. Эта характеристика может также служить критерием количества посторонних загрязняющих включений в золошлаках при использовании их в строительстве.
Использование золошлаков обуславливает проведение дополнительных мероприятий по охране окружающей среды при разработке золоотвалов и в процессе дорожного строительства, если золошлаки в результате транспортирования теряют первоначальную влажность, высыхают и пылят. Использование зол уноса в дорожном строительстве не требует проведения дополнительных мероприятий по охране окружающей среды по сравнению с применением традиционных материалов (цемента, извести) [3].
Возведение технологических дамб на золоотвалах, строительство подъездов и дорожных насыпей на территории золоотвалов является важной технологической задачей при организации мероприятий по подготовке (осушению), отгрузке и вывозу золошлаков. Некоторые рекомендации по строительству технологических дамб, в т.ч. дамб «наращивания», которые могут служить для увеличения емкости золоотвала, перечислены в [2]:
1) по химико-минералогическому составу для дамб пригоден материал с высокой цементирующей способностью с суммарным наличием кальций- и магний содержащих минералов СаО + MgO на окисную форму 25% и более;
Согласно известной практике при строительстве технологических дамб также используются ЗШС, не обладающая цементирующей способностью в сочетании с суглинками (50% на 50%), с усилением поверхности щебнем или крупнообломочными грунтами.
Пример
Приведем пример характеристики золошлаков Усть-Илимской ТЭЦ на основании паспортов на ЗШС и золу уноса (табл. 3).
Таблица 3. Характеристики золошлаков Усть-Илимской ТЭЦ.
Анализируя данные табл. 3, можно сделать вывод, что по своим характеристикам золошлаки Усть-Илимской ТЭЦ применимы в строительстве и ремонте теплосетей без ограничений. Для возведения дамб «наращивания» золошлаки можно использовать только в сочетании с вяжущими (укрепляющими) материалами.
Можно сделать вывод, что при использовании золошлаков непосредственно, без добавок, в качестве подушек и оснований, наиболее предпочтительно использовать именно каменноугольную, образованную при жидком шлакоудалении, крупнозернистую с низким числом посторонних включений ЗШС. Разумеется, требования радиационной и экологической безопасности также должны быть выполнены и подтверждены техническими условиями.
Имеется положительный опыт использования ЗШС на Усть-Илимской ТЭЦ. В частности, ЗШС использовалась при ремонте грунтовых дорог, подсыпке площадок для внутреннего транспорта в районе ТЭЦ и золоотвала. При стоимости качественной песчанно-гравийной смеси (ПГС) от 600 руб. за тонну использование ЗШС в качестве альтернативы ПГС существенно снижало себестоимость проектов.
Несущая способность оснований из золошлаков
Ориентировочно оценить несущую способность оснований из ЗШС можно, используя известную модель предельного равновесия участка грунта под действием местного контактного давления [6]. При этом плоская модель (случай плоской деформации) (рис. 3), применима для ориентировочной оценки несущей способности основания при нагружении распределенной нагрузкой (МПа) шириной В.
Рис. 3. К расчету несущей способности оснований из ЗШС.
Упрощенная формула приведена ниже:
.
Данная формула является приближением более сложной классической Прандтля – Рейснера [6] и позволяет приблизительно оценить запас по несущей способности, используя минимальное количество данных (φ и с). Исходя из вышеуказанного диапазона их значений (φ = 22 ÷ 34; с = 0,005 ÷ 0,03 МПа) можно сказать, что несущая способность будет лежать в диапазоне от 10 до 100 т/м 2 (0,1÷1МПа), что в большинстве случаев достаточно для подушек и оснований фундаментов. Более точные оценки, в т.ч. с учетом других факторов, можно найти в разделах механики грунтов [6].
При непосредственном перемещении по уплотненным слоям ЗШС транспортных средств, расчеты, также, как и практический опыт, показывают, что несущая способность ЗШС, как правило (для большинства видов ЗШС), является недостаточной для тяжелого автомобильного транспорта. Разрушение поверхностного слоя приводит к образованию глубокой колеи, что в дальнейшем приводит покрытие в негодность.
Расчеты показывают, чтобы предотвратить образование глубокой колеи, удельное давление на грунт не должно превышать 0,1 МПа, что достижимо только при использовании автомобильного транспорта с нагрузкой на ось менее 2 тс и гусеничного. В данном случае необходимы дополнительные мероприятия по увеличению контактной прочности поверхности, например, обработкой органическими и минеральными вяжущими, активной золой уноса (согласно ОДН 218.046-01). При этом структурная прочность насыпи из ЗШС, как целого, не вызывает опасения [7]. В практическом смысле это означает, что кратковременное нахождение тяжелого транспорта на гребне насыпных дамб допустимо, с последующим ремонтом (подсыпкой и планированием) поверхности.
В заключении можно сказать, что широкое использование ЗШС для строительства дорожных насыпей выглядит очень привлекательно. Не трудно подсчитать, что на 1 км дорожной насыпи (с высотой 4 м, шириной поверху 12 м, откосами 1:1,5) можно использовать средний годовой выход золошлаков крупной теплоэлектростанции, соразмерной с Усть-Илимской ТЭЦ (около 80 тыс. м 3 ).
Выводы
1. Утилизация золошлаков является актуальной задачей для энергогенерирующих компаний, которая попутно позволяет продлить срок эксплуатации хранилищ золошлаков – золоотвалов.
2. Сертификация золошлаков позволяет перенести последние из разряда золошлаковых отходов в золошлаковые материалы (ЗШМ).
3. При решении вопроса об использования ЗШС в строительстве необходимо учесть их основные характеристики: потерю массы при прокаливании, показатели активности, плотность скелета (насыпную) и агрегатную (истинную) плотность, влажность, гранулометрический состав (модуль крупности), морозостойкость, класс радиационной безопасности и класс опасности для окружающей природной среды.
4. В качестве подушек и оснований, наиболее предпочтительно использовать каменноугольную, образованную при жидком шлакоудалении, крупнозернистую с низким числом посторонних включений ЗШС.
5. Прочностные расчеты показывают, что подушки и насыпи из ЗШС имеют значительную несущую способность.
6. В настоящее время не существует принципиальных препятствий для широкого использования ЗШС в различных видах строительства. При выборе и заказе ЗШС удобно использовать нормы для дорожного строительства.
Литература
1.Горбунов В.В., Галенская Л.П., Сеякаев М.А. Стратегия использования золошлаков // Экология производства. 2011. № 1.
2. Пантелеев В.Г., Мелентьев В.А., Добкин Э.Л., Агеев Г.С., Кириллов В.Н., Ларина Э.А., Матюшин В.М., Большакова Ю.С., Гольдина Т.М., Сергеева Т.Е. Золошлаковые материалы и золоотвалы. М.: Энергия, 1978.
3. «Основные направления и способы использования золошлаковых отходов тепловых электростанций» // Технические статьи [Электронный ресурс] URL: http://somillial.ucoz.ru/news/ispolzovanie_zoloshlakovykh_otkhodov_tehs/2013-03-12-68 (дата обращения 20.04.2015).
4. Путилин Е.И., Цветков B.C. Применение зол уноса и золошлаковых смесей при строительстве автомобильных дорог. Обзорная информация отечественного и зарубежного опыта применения отходов от сжигания твердого топлива на ТЭС. М.: СОЮЗДОРНИИ, 2003.
5. Методические рекомендации по определению экономически рациональной области использования отходов ТЭЦ и ГРЭС в дорожном строительстве. М.: СОЮЗДОРНИИ, 1987.
6. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1979.
7. Горунович. С.Б. Несущая способность дамб и дорожных насыпей из золошлаков ТЭЦ // Механики XXI веку. 2015. №14.
С.272-276.
Источник: www.rosteplo.ru
Использование золошлаковой смеси в строительстве
Диапазон использования золошлаковых материалов в бетонах очень широкий, от гидротехнического бетона, где сухая зола применяется как заменитель части (до 25 %) цемента, до шлакобетона и стенных блоков из него, где в качестве мелкого и крупного заполнителей используются зола и шлак из отвалов и текущего выхода.
Важным этапом на пути использования зольного и шлакового сырья является его классификация, в основу которой положены наиболее характерные критерии качества материала:
• модуль основности (гидравлический модуль) – Мо;
• силикатный (кремнеземистый) модуль – Мс;
• коэффициент качества (гидравлическая активность) – К.
Модуль основности (гидравлический модуль) представляет собой отношение содержания оснóвных оксидов к сумме кислотных оксидов. При МО > 1 золошлаки – основные и обладают вяжущими свойствами; при МО < 1 золошлаки – кислые, могут служить гидравлической добавкой. Для учета влияния щелочных компонентов в формулу модуля оснóвности включены оксиды натрия и калия.
Силикатный (кремнеземистый) модуль показывает отношение количества оксида кремния, вступающего в реакцию с другими оксидами, к суммарному содержанию оксидов алюминия и железа. Физический смысл силикатного модуля состоит в следующем. Силикатный модуль, являясь соотношением SiO2 (необходимым для образования С2S и С3S) к Al2O3 + Fe2O3 (необходимых для образования C3A и С4АF), пропорционален, таким образом, отношению минералов (силикатов) к минералам (плавням).
Гидравлическая активность оценивается коэффициентом качества.
В числителе стоят оксиды, повышающие гидравлическую активность, в знаменателе – снижающие ее. Следовательно, чем выше коэффициент качества, тем выше гидравлическая активность золошлака. Значение модулей и коэффициента качества колеблются в определенных пределах. Однако, чем больше значение модуля оснóвности, тем выше вяжущие свойства материала, тем больше его прочность при затвердевании. При прочих равных условиях и при повышенном силикатном модуле материал схватывается и твердеет медленно, но прочность его через определенное время возрастает.
Следовательно, указанные три показателя являются важными классификационными признаками материала, дающими информацию об определенных свойствах и показывающими соотношение главных компонентов.
На основании исследований золошлаковых отходов многих электро- и теплостанций, сжигающих топливо различных месторождений, все золошлаки в зависимости от состава были поделены на три группы: активные, скрытоактивные, инертные.
1.2. СВОЙСТВА ЗОЛОШЛАКОВ
Для наиболее рационального решения вопроса утилизации золошлаков ТЭС необходимо знать их свойства, которые зависят от вида, марки угля, от топочного режима на ТЭС, а также от места отбора золы на пути прохождения дымовых газов.
Как следствие этого, химическая природа, физические, а, следовательно, и технические свойства тех или иных зол могут быть различны. Обращает на себя внимание то, что золы от сжигания одного и того же вида угля часто характеризуются различными показателями химического состава и физических свойств.
Например, золы уноса, образующиеся при сжигании Канско-Ачинских бурых углей имеют колебания в химическом составе (в %): SiO2 – 20 … 40; Al2O3 – 8 … 11; Fe2O3 – 10 … 15; TiO2 – 0,6 … 0,8; CaO (общ.) – 25 … 50; CaO (своб.) – 2 … 13; MgO – 2 … 4; SO3 – 1 … 3; щелочи – до 2 %. Из минералов, способных к гидратации и твердению, в золах присутствуют СаО, СаО . Al2О3, 3СаО . Al2О3, β-СаО . SiО2, MgО, 4СаО . Al2О3 . Fe2О3.
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 см 2 /г.
Несмотря на высокую удельную поверхность всех зол гидравлически активные минералы зачастую находятся внутри капель стекла либо покрыты стеклом, затрудняющим контакт минералов с водой. Поэтому при использовании золы уноса для получения вяжущих материалов необходимо разрушение стекла для вскрытия активных минералов, т.е. нужен помол золы.
Для получения вяжущего материала и изделий на его основе с высокими физико-механическими свойствами (без ограничения условий эксплуатации) необходимо введение добавок-активаторов или применение механохимической активации золы.
1.3. ИЗВЕСТНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗОЛОШЛАКОВ
Применение золы и шлака ТЭС в качестве сырья для производства строительных материалов и в строительстве получило научное обоснование и подтвердилось результатами опытов, поставленных в ведущих научно-исследовательских организациях. Были определены рациональные области использования золы и шлака ТЭС, разработаны прогрессивные технологические приемы и процессы производства строительных материалов на основе золы и шлака, созданы опытно-промышленные установки по их отбору, переработке и хранению. Разработаны нормативные документы, регламентирующие использование золошлаков для производства ряда эффективных строительных материалов и в строительстве, а именно:
– Добавка к цементу, не снижающая активности материала.
– Компонент строительных бетонов и растворов.
– Приготовление специальных бетонов (пенозолобетон, газозолобетон и др.).
– Изготовление легких заполнителей для бетонов (пористый материал типа керамзита, аглопорита и т.п.).
– Получение самостоятельного вяжущего материала.
– Для дорожного строительства (наполнитель углеводородных вяжущих веществ, подготовка под покрытия и т.п.).
– Добавка к глине при изготовлении кирпича, черепицы и т.д.
Кроме того, золы уноса используются в сельском хозяйстве как удобрение; в литейном производстве; обработанные силикагелем – для удаления с поверхности воды мазута или остатков кислот; для быстрого высушивания шламов.
Большое количество золошлаковой смеси используется для строительства ограждающих дамб на золошлакоотвалах, т.е. на собственные нужды ТЭС.
Важным направлением является использование золошлаковой смеси взамен крупного и мелкого заполнителя в тяжелом бетоне. Это направление должно развиваться в районах острого дефицита в заполнителях для тяжелого бетона.
Использование золы и шлака ТЭС в качестве выгорающих и отощающих добавок при производстве кирпича позволяет повысить массообменные характеристики сырца и ускорить процесс сушки с одновременным снижением расхода топлива (до 20 … 40 %), повысить прочность кирпича и снизить процент брака после его сушки и обжига. В силикатном производстве кирпича достигается значительная экономия извести (до 20 %) при одновременном повышении прочности сырца и самого кирпича после термообработки.
Весьма эффективным является использование золошлаков для производства ячеистых бетонов, так называемых пено-, газозолобетонов и ячеистых золошлакобетонов с плотностью 200 … 300 кг/м 3 . При этом используются как автоклавная, так и безавтоклавная технологии.
Большой выбор легких заполнителей, таких как аглопоритовый гравий и щебень, зольный гравий, новый вид заполнителя (безобжиговый зольный гравий), глинозольный керамзит, позволяют наиболее полно использовать все разнообразие свойств различной золы и шлака ТЭС.
В дорожном строительстве наибольшее применение находит активная (обладающая вяжущими свойствами) зола в сухом состоянии, образующаяся при сжигании торфа, сланцев, бурых углей, и в опытном производстве – гранулированный топливный шлак для строительства покрытий и оснований дорог.
Диапазон использования золошлаковых материалов в бетонах очень широкий, от гидротехнического бетона, где сухая зола применяется как заменитель части (до 25 %) цемента, до шлакобетона и стенных блоков из него, где в качестве мелкого и крупного заполнителей используются зола и шлак из отвалов и текущего выхода.
С анализом российского рынка металлургических и топливных шлаков Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок шлаков в России».
Источник: www.newchemistry.ru