В Донецком ПромстройНИИпроекте выполнен комплекс исследований по получению двух видов мелкозернистого бетона - песчаного, с добавкой золы-унос, и бетона на однокомпонентном заполнителе из золошлаковой. Мелкозернистые бетоны на основе минеральных топливных отходов тепловых электростанций Донбасса

К мелкозернистым бетонам относятся бетоны плотной структуры на цементном вяжущем и мелких плотных заполнителях. Эта группа бетонов включает песчаные бетоны с предельной крупностью зерен заполнителя 5 мм и бетоны на мелкодробленых щебне или минеральных отходах промышленности с предельной крупностью зерен заполнителя 10 мм. В Донецком ПромстройНИИпроекте выполнен комплекс исследований по получению двух видов мелкозернистого бетона - песчаного, с добавкой золы-унос, и бетона на однокомпонентном заполнителе из золошлаковой смеси. Прямая замена цемента золой, как правило, не дает положительного результата и приводит к снижению прочности бетона. В связи с этим в наших исследованиях золу вводили в бетонную смесь вместо части цемента и части песка. В исследованиях по получению песчаного бетона с добавкой золы-унос применялась зола Кураховской ТЭС и Углегорской ТЭС.

Зола для проведения исследований отбиралась из силосного склада установки. Химический состав золы представлен следующими окислами (%): SiO2 - 54,85; Аl2О3 - 24,37; Fe2O3 - 11,68; СаO - 4,16; МgО - 2,14; SO3 - 1,41; Na2O + K2O - 1,29. Содержание несгоревших углистых остатков, определяемое потерей при прокаливании, составило 8,1%. Зола имела насыпную плотность в сухом состоянии 730 кг/м3, остаток на сите №008-15,3%, водопотребность по нормальной густоте цементного теста состава 1:3 — 20%. Химический состав золы Углегорской ТЭС близок к химическому составу золы-уноса Кураховской ТЭС, но по сравнению с последней она содержит меньшее количество несгоревших углистых остатков - всего 0,65%. Насыпная плотность золы-уноса равнялась 885 кг/м3, остаток на сите №008 - 2,1%, водопотребностъ по нормальной густоте цементно-зольного теста, состава 1:3 - 19%. В качестве вяжущего в опытах использовался портландцемент М500 Краматорского завода. Заполнителем являлся кварцевый песок с Мк =2,68 Просяновского каолинового комбината. Установлено, что эффективность введения золы-уноса в бетоны, твердеющие в нормальных условиях меньше, чем в бетоны, подвергаемые тепловлажностной обработке, что объясняется повышением активности золы при тепловой обработке и более полным взаимодействием ее с цементом.

Оптимальные составы песчаного бетона с добавкой золы-уноса Кураховской ТЭС приведены в табл. 1. Таблица 1. Оптимальные составы песчаного бетона с добавкой золы-уноса Кураховской ТЭС Класс бетона по прочности на сжатие ОК, см Расход материалов, кг/м3 В/Ц В/В цемент зола-унос песок вода Твердение в условиях тепловлажностной обработки В15 2. 225 250 1335 280 1,24 0,59 8 270 250 1250 320 1,18 0,61 В22,5 2 345 250 1225 290 0,84 0,49 8 390 250 1140 330 0,85 0,51 В30 2 490 100 1290 270 055 0,46 8 520 100 1220 310 0,60 0,50 Твердение в нормальных условиях В15 2 320 250 1235 285 0,89 0,50 8 360 250 1160 320 0,89 0,50 В22.5 2 440 200 1230 280 0,64 0,44 8 510 100 1220 310 0,61 0,50 Опытами установлено, что применение золы-уноса Кураховской ТЭС в пропариваемых бетонах снижает расход цемента на 35... 160 кг/м3, а в бетонах нормального твердения на 20...

50 кг/м3. Как известно, на прочность песчаного бетона существенное влияние оказывает крупность песка. Для оценки этого влияния на прочность песчаного бетона с добавкой золы-уноса были проведены специальные опыты (табл. 2). В опытах использовали Просяновскии песок (Мкр = 2,68), Краснолиманский песок (Мкр= 1,03). Таблица 2. Влияние крупности песка на прочность песчаного бетона с добавкой золы-уноса mКР песка Расход материалов, кг/м3 Плотность смеси, кг/м3 ОК, см RСЖ28 после пропарки цемент зола-унос песок вода 2,68 295 98 1437 291 2122 2 14,8 1,87 315 105 1430 278 212 2 23,6 1,03 316 105 1432 249 2102 3 15,3 2,68 297 297 1148 289 2031 2 29,0 1,87 295 295 1130 303 2024 2,5 27,4 1,03 312 312 1194 240 2058 2,5 24,7 2,68 606 101 1181 289 2177 2 51,8 1,87 594 99 1180 291 2164 2 49,7 1,03 598 100 1176 282 2156 2 50,1 Из табл.

2 следует, что при расходе цемента примерно 300 кг/м3 и золы-уноса примерно 100 кг/м3 (составы 1-3), наибольшая прочность бетона получается при Мкр= 1,87, наименьшая при Мкр = 2,68. Это объясняется тем, что при указанном содержании цемента и золы-уноса для крупного песка не хватает мелких частиц, которые бы позволили создать плотную упаковку бетонной смеси. При расходе цемента и золы примерно по 300 кг/м3 (составы 4-6) наибольшая прочность бетона получается при Мкр = 2,68, наименьшая - при Мкр=1,03. В последнем случае появляется избыток мелких частиц, который не позволяет создать оптимальную микроструктуру бетонного камня. При расходе цемента примерно 600 кг/м3 и золы-уноса 100 кг/м3 (составы 7-9) модуль крупности песка практически не влияет на прочность бетона. Таким образом, установлено, что влияние крупности песка на прочность песчаного бетона с добавкой золы-уноса зависит от содержания в бетоне цемента и золы. Это позволяет путем регулирования расхода цемента и золы, подбора их оптимального соотношения, получать мелкозернистый бетон необходимой прочности при использовании песка различной крупности, в том числе и очень мелкого (с Мк =1-1,3).

Были изготовлены образцы-кубы из песчаного бетона без добавки и с добавками зол-уноса Кураховской и Углегорской ТЭС. Эти образцы после пропаривания были испытаны на сжатие в возрасте 28 суток. При этом вычислены также расход цемента на единицу прочности бетона - показатель, характеризующий эффективность использования цемента.

Расход цемента в опытах принимался постоянным - около 300 кг/м3, а золы-уноса различным - 100, 150, 200 и 300 кг/м (табл. 3) Таблица 3. Зависимость прочности бетона от расхода золы-уноса Расход материалов, кг/м3 ОК, см RСЖ28 после пропарки Расход цемента на единицу прочности бетона, (кг/м3)/МПА цемент зола-унос Кураховской ТЭС зола-унос Углегорской ТЭС песок вода 292 - - 1432 278 2,5 11,2 26,0 295 98 - 1437 291 2 14,8 19,9 296 148 - 1379 292 2 19,0 15,6 298 199 - 1293 285 2,5 24,4 12,2 297 297 - 1148 289 2 28,3 10,5 313 - 104 1421 278 2,5 22,9 13,7 318 - 259 1390 265 2 31,6 10,0 328 - 219 1369 250 1,5 37,3 8,8 330 - 275 1320 248 1,5 40,0 8,2 Из табл. 3 следует, что при расходе цемента около 300 кг/м3 с введением золы-уноса Кураховской ТЭС в количестве 100, 150, 200 и 300 кг/м3 прочность песчаного бетона увеличивается соответственно на 3,6; 7,8; 13,2 и 17,1 МПа, а с введением золы-уноса Углегорской ТЭС в аналогичных количествах - соответственно на 11,7; 20,4; 26,1; 28,8 МПа. Повышение прочности бетона при применении золы-уноса равнозначно снижению расхода цемента для получения равнопрочного бетона. В наших опытах для получения прочности бетона равной 11,2 МПа, без добавки золы-уноса, расход цемента на единицу прочности составил 26 (кг/м3)/МПа. С добавкой золы-уноса Углегорской ТЭС в таких же количествах - соответственно на 12,3; 16,0; 17,2 и 17,8 (кг/м3)/МПа. В результате исследования основных физико-механических свойств песчаных бетонов с добавкой золы-уноса Кураховской ТЭС и Углегорской ТЭС установлено, что их показатели соответствуют нормируемым СНиП 2.03.01-84* для мелкозернистых бетонов.

Причем начальный модуль упругости и прочности на осевое растяжение бетона с добавкой золы оказались даже несколько выше, чем нормируемые СНиП. Бетон с добавкой золы-уноса отличается от бетона без добавки лучшей удобоукладываемостью, меньшим коэффициентом фильтрации, повышенной стойкостью в условиях воздействия агрессивной среды. Одним из эффективных видов мелкозернистого бетона является бетон на однокомпонентном заполнителе из золошлаковой смеси ТЭС. В данной работе приводятся результаты исследований мелкозернистого бетона на заполнителе из каменноугольной золошлаковой смеси Углегорской ТЭС. Золошлаковая смесь отбиралась непосредственно из отвала вблизи выпуска золошлаковой пульпы. Химический состав золошлаковой смеси представлен следующими окислами (%): SiO2 - 54,62; Аl2О3 -23.84; Fe2O3- 14,10; СаО - 2,38; МgО - 1,40; SO3 - 0,68; Na2O + К2О - 2,69. Содержание несгоревших углистых остатков составило 0,50%. Золошлаковая смесь имела насыпную плотность в сухом состоянии 649 кг/м3, объемную плотность зерен шлака 2292 кг/м3, пористость зерен 14,2%, дробимость зерен шлака фракции 5-10 мм в цилиндре 15,1 кгс/см2; водопоглощение 10,3%; стойкость шлака против железистого распада- 1,02%, против силикатного 1,25%; морозостойкость шлака после 100 циклов (потеря массы) - 4,60%.

Зерновой состав золошлаковой смеси характеризовался данными, приведенными в табл.4. Таблица 4. Зерновой состав золошлаковой смеси Остатки на ситах Размеры отверстий сит, мм Проход сквозь сито №014 10 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,14 Цветные, г 0 98 255 207 50 55 95 240 Частные, % 0 9,8 25,5 20,7 5,0 5,5 9,5 24,0 Водные, % 0 9,8 35,3 56,0 61,0 66,5 76,0 100 В качестве вяжущего в исследованиях применялся портландцемент марки 500 Краматорского цементного завода. Оптимальные составы бетона на заполнителе из золошлаковой смеси приведены в табл. 5. Таблица 5. Оптимальные составы бетона на заполнителе из золошлаковой смеси Класс бетона по прочности на сжатие ОК, см Расход материалов на 1 м3 бетона, кг Цемент, М500 Золошлаковая смесь Вода Бетон, подвергнутый тепловой обработке В15 2 205 1730 200 8 290 1610 240 В22,5 2 335 1650 205 8 410 1540 240 В30 2 465 1525 220 8 535 1425 250 Бетон нормального твердения В15 2 325 1660 205 8 350 1600 240 В22.5 2 450 1540 220 8 515 1445 250 В30 2 570 1400 230 8 - - - В технологии бетона большое внимание уделяется зерновому составу заполнителей, как одному из значимых факторов, влияющих на физико-технические свойства и экономичность. При подборе зернового состава заполнителей тяжелого бетона стремятся к тому, чтобы пустотность смеси щебня и песка была минимальной.

Оптимальным считается такое соотношение между песком и щебнем, при котором достигается не только наивысшая прочность бетона, но и наилучшая подвижность бетонной смеси. Самая высокая прочность бетона достигается когда доля зольной фракции в золошлаковой смеси составляет 20-30%. При изменении содержания в золошлаковой смеси мелких фракций в пределах от 20 до 40% прочность бетона снижается всего на 7-14%. Отмеченная особенность представляет практический интерес, так как позволяет не предъявлять к золошлаковой смеси жестких требовании по зерновому составу.

Это дает возможность использовать в ряде случаев золошлаковую смесь, получаемую из отвала без ее обогащения. Следует отметить, что бетоны на однокомпонентном заполнителе из золошлаковой смеси, являясь по своей структуре мелкозернистыми, по физико-механическим свойствам не уступают традиционным тяжелым бетонам на природных заполнителях, а по ряду показателей превосходят их. Для бетона с золошлаковыми заполнителями эффективна тепловая обработка. Прочность его после пропаривания составляет 0,80-0,85 от марочной. Изучено влияние различных технологических факторов на прочность бетонов с золошлаковыми заполнителями: активности и расхода цемента, вида золошлаковой смеси, способа приготовления бетонной смеси, продолжительности перемешивания, времени выдерживания перед формованием, продолжительности вибрирования, повторного вибрирования, сочетания вибрирования с прессованием, режимов твердения. Исследованы прочностные и деформативные свойства бетонов на золошлаковьк заполнителях. Коэффициент применений прочности бетонов находится в пределах 0,7-0,85. Начальные модули упругости близки к нормируемым по СНиП для тяжелых бетонов соответствующих марок.

Предельная сжимаемость при нагрузках равных 0,9-0,95 от разрушающих, составила от 1,4 до 2,1 мм/м. Полученные значения коэффициента Пуассона находятся в пределах от 0,17 до 0,23. Деформации ползучести и усадки бетона на заполнителе из золошлаковой смеси превышает деформации тяжелого бетона в среднем на 10%. По ряду показателей бетон на заполнителе из золошлаковьк смесей превосходит обычные тяжелые бетоны.

Так, например, плотность его ниже на 150-300 кг/м3, прочность на осевое растяжение на 10-15%, водонепроницаемость при одинаковых расходах цемента выше на две марки, без применения специальных добавок бетоны выдерживают эксплуатационные воздействия высоких температур до 800°С. На основе золошлаковой смеси могут быть получены бетоны классов В3.5-В50 по прочности, марок F25-F300 по морозостойкости и W2-W12 по водонепроницаемости. Применение бетонов на однокомпонентная заполнителе из золошлаковой смеси позволяет использовать до 30-35% топливных отходов без их переработки. Комплексное исследование зол-уноса и золошлаковьк смесей позволяет решить целый ряд задач, связанных с охраной окружающей среды и с устранением дефицита природных микронаполнителей и заполнителей бетона