Применение кислых зол в цементных бетонах

The use of acidic ash in cement concrete Stroiteleva E.

Применение кислых зол в цементных бетонах Строителева Е. А.

Строителева Елена Александровна / Stroiteleva Elena - кандидат технических наук, доцент, кафедра производства строительных конструкций и строительной механики,

Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар

Аннотация: данная статья посвящена модифицированию структуры мелкозернистых цементных бетонов за счет использования наполнителя из золы-уноса Дальнего Востока. Изучалось влияние золы на структуру и прочностные характеристики при твердении в нормально -влажностных условиях и при тепловлажностной обработке. Для подтверждения происходящих процессов модифицирования структуры производились дополнительные исследования с использованием электронного микроскопа. Abstract: this article focuses on the modification of the structure of fine-grained cement concrete due to the use of a filler of fly ash in the Far East. Studied the effect of ash on the structure and strength characteristics during solidification in normal-humidity conditions and under heat and moisture treatment. For confirmation of the processes of modification of the structure was performed additional studies using the electron microscope.

Ключевые слова: зола-уноса, цементный камень, наполнитель, прочность при сжатии,

мелкозернистый бетон.

Keywords: fly ash, cement stone, filler, compressive strength, fine-grained concrete.

УДК 666.972.16

Введение

Интерес к использованию промышленных отходов в условиях рыночной конкуренции постоянно растет, так как снижение себестоимости и энергоемкости продукции является одним из приоритетных задач строительного комплекса [1 -5]. Это направление особенно актуально для Дальневосточного региона, поскольку все добавки, используемые сегодня в современных технологиях, являются привозными. Исходя из этого, необходимо модифицировать составы бетона с целью снижения себестоимости путем замены на местные материалы или вторичные продукты промышленности, что должно позволить помимо основной задачи решить еще и вопросы экологии региона. С точки зрения утилизации отходов различных отраслей промышленности, цементные бетоны являются одним из перспективных направлений.

1. Постановка задачи

Дальневосточные золы являются схожими по своему химическому составу [4], поэтому в качестве наполнителей в исследованиях применялась зола-унос Хабаровской ТЭЦ-3. Эти золы относятся к кислым, обладают малой гидравлической активностью, что приводит к снижению эффективности их применения для замены части цемента в бетонах. Поэтому замена даже 5 % портландцемента приводит к снижению прочностных показателей цементных бетонов.

Выполненные ранее исследования показали возможность замены золой-уноса Дальневосточных теплоэлектростанций части мелкого заполнителя (песка), без снижения их деформативно-механических свойств. Была выдвинута рабочая гипотеза, что улучшение структуры и свойств бетона при замене части песка связано с действием двух механизмов:

1) изменение топологии распределения частиц и уменьшение пористости бетонной смеси за счет увеличения объема системы цемент-зола-вода и улучшение условий гидратации вяжущего;

2) протекание пуццолановых реакций между новообразованиями цементного камня с золой-уноса с образованием низкоосновных гидросиликатов и кольматацией пор в твердеющем бетоне. При действии второго механизма применение тепловлажностной обработки должно увеличить эффективность использования золы-уноса в цементных бетонах для замены части мелкого заполнителя.

В приведенных ниже исследованиях ставилась задача подобрать оптимальную дозировку золы для замены части песка в мелкозернистых бетонах. Установить механизм влияния золы-уноса на структуру и свойства мелкозернистых бетонов.

2. Влияние условий твердения на прочностные показатели мелкозернистых бетонов

Экспериментальное изучение влияния наполнения песка на свойства бетона производилось путем замены части песка в диапазоне от 0 до 25 %. Составы готовились из условия сохранения постоянной подвижности бетонной смеси, что требовало увеличения расхода воды при введении золы-уноса. Образцы твердели в нормально-влажностных условиях (НВУ) и в условиях воздействия тепловлажностной обработки (ТВО). Образцы испытывались на прочность при сжатии в возрасте 7 и 28 суток (Рис.1).

Оптимальной степенью наполнения в условиях нормально-влажностного твердения является 10 %. Замена песка золой-уноса в таком количестве позволяет увеличить прочность относительно контрольного состава на 21 % в возрасте 7 суток, а на 28-е сутки - на 64 %. Увеличение прочности объясняется оптимальным топологическим расположением частиц, созданием благоприятных условий для гидратации цемента вследствие высокой водоудерживающей способности золы, а также образованием дополнительных низкоосновных гидросиликатов кальция по пуццолановому типу и уменьшением пористости цементного камня.

Рис. 1. Влияние замены части песка золой-уноса мелкозернистого бетона на предел

прочности при сжатии

Увеличение количества золы свыше 10 % приводит к снижению прочности, так как начинают превалировать процессы образования капиллярных пор при повышении водоцементного отношения.

Применение тепловлажностной обработки сдвигает оптимум введения золы-уноса взамен части песка в диапазон 15-20 %. Тепловлажностная обработка активизирует протекание реакции пуццоланового типа между новообразованиями цемента и золой-уносом, что компенсирует увеличение водоцементного отношения для сохранения подвижности бетонной смеси. Увеличение прочности в возрасте 7 суток составляет 25 % по отношению к контрольному составу и в возрасте 28 суток - 52 %.

3. Особенности развития микроструктуры цементного камня в зависимости от условий твердения

Изучению с помощью электронного микроскопа подвергались образцы цементного камня, изготовленные из теста нормальной густоты, а также образцы из золоцементного камня, часть которых была изготовлена из теста с аналогичным водоцементным отношением и низкой подвижностью, а другая часть за счет увеличения водоцементного отношения по консистенции соответствовала тесту нормальной густоты.

Анализ скола цементного камня, содержащего наполнитель из золы-уноса и чистого цементного камня, показывает особенности развития микроструктуры в зависимости от условий твердения. При нормально-влажностных условиях твердения в образцах с фиксированным водоцементным отношением и низкой подвижностью золоцементного теста (№ 2) наблюдается образование микротрещин, а у образцов из подвижных золоцементных смесей с повышенным водоцементным отношением (№ 3) и чистого цементного камня (№ 1) их нет (Рис.2).

№ 1.

№ 2

№ 3.

Рис. 2. Микроструктура цементного камня и камня с содержанием наполнителя из золы-уноса при твердении в нормально-влажностных условиях, увеличение х 10000 1 - зола 0 %; 2 - зола 30 % (B/U,=const); 3 - зола 30 % (В/Цфсотр

Применение тепловлажностной обработки приводит к значительному увеличению количества кристаллических новообразований и их размеров на поверхности частичек золы как у образцов золоцементного камня с постоянным водоцементным отношением (№ 5), так и с постоянной подвижностью и увеличенным водоцементным отношением (№ 6) (Рис. 3), что подтверждает увеличение гидравлической активности золы в условиях тепловлажностной обработки. Следует отметить, что в образцах с увеличенным водоцементным отношением на поверхности частичек золы формируется более плотная, однородная и правильная кристаллическая структура, чем в образцах из жесткой золоцементной смеси. Это подтверждает предположение о создании благоприятных условий формирования структуры цементного камня в присутствии золы при повышенном водоцементном отношении.

№ 4.

№ 5.

№ 6.

Рис. 3. Микроструктура цементного камня и камня с содержанием наполнителя из золы-уноса при термовлажностной обработке, увеличение х 10000 4 - зола 0 %; 5 - зола 30 % (B/U=const); 6 - зола 30 % (В/Цфсотр

Заключение

Выполненные исследования подтвердили высокую эффективность применения кислых зол-уноса для замены части мелкого заполнителя в мелкозернистых бетонах с целью увеличения прочностных показателей. Определены оптимальные дозировки золы для замены части песка, которые в зависимости от условий твердения составляют 10-20 %. Получила подтверждение гипотеза о благоприятном влиянии золы в присутствии достаточного количества воды на формирование структуры цементного камня. Показано, что применение тепловлажностной обработки при оптимальной дозировке наполнителя приводит к интенсификации реакции пуццоланового типа и получению бетонов, превосходящих по прочности аналогичные составы нормально-влажностного твердения.

Литература

1. Волженский А. В., Иванов И. А., Виноградов Б. Н. Применение зол и топливных шлаков в производстве строительных материалов. М.: Стройиздат, 1984. 255 с.

2. Долгорев А. В. Вторичные сырьевые ресурсы в производстве строительных материалов. М.: Стройиздат, 1990. 446 с.

3. Ярмолинская Н. И., Лазарева Т. Л.Использование отходов теплоэнергетической промышленности Дальнего Востока в технологии строительных материалов Хабаровск, 2000. 96 с.

4. Ступаченко П. П. Строительные материалы из отходов промышленности Дальнего Востока. Владивосток, 1988. 173 с.

5. Строителева Е. А. Модификация структуры цементных бетонов наполнителем из золы-уноса ТЭС Дальнего Востока.: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Хабаровск, 2007. 145 с.