Способ приготовления портландцементного вяжущего с добавлением высококальциевой золы теплоэлектростанций (варианты)
METHOD OF PREPARATION OF PORTLAND CEMENT BINDER WITH THE ADDITION OF HIGH-CALCIUM ASH OF THERMAL POWER PLANTS (OPTIONS)

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано при производстве различных бетонных и растворных смесей.
Известен способ приготовления портландцементного вяжущего с добавлением высококальциевой золы (ВКЗ) теплоэлектростанций (ТЭЦ), включающий смешивание и помол портландцементного клинкера, гипсового камня, доменного граншлака, активной минеральной добавки, высококальциевой золы теплоэлектростанций (RU 2376253, 20.12.2009).
Недостатком способа является то, что на цементном заводе или на помольной установке у потребителя вяжущего технологически невозможно производить вяжущее с широким диапазоном соотношений: портландцемент : высококальциевая зола ТЭЦ. В то же время для разных бетонных и растворных смесей часто требуется оперативное изменение этого соотношения в широких пределах, что позволит экономить большее количество портландцемента и улучшать технологические свойства бетонных и растворных смесей.
Наиболее близким, по своей технической сущности является способ приготовления портландцементного вяжущего с добавлением высококальциевой золы теплоэлектростанций, включающий совместное измельчение портландцементного клинкера, гипсового камня, добавление высококальциевой золы в вяжущее в момент приготовления бетонной или растворной смеси (RU №2553667, 20.06.2015).
Недостатком данного способа является использование портландцемента с минеральными добавками (типа ЦЕМ II 32,5 или М 400 Д20), который требует большего расхода на кубометр бетонной или растворной смеси, медленнее набирает раннюю прочность до распалубки, требует повышенных затрат тепловой энергии на пропаривание, что не выгодно при бетонировании конструкций в построечных или заводских условиях.
Известен также способ приготовления портландцементного вяжущего с добавлением высококальциевой золы теплоэлектростанций, включающий совместное измельчение портландцементного клинкера, активной минеральной добавки, гипсового камня, вспомогательных материалов, добавление высококальциевой золы в вяжущее в момент приготовления бетонной или растворной смеси (RU №2553667, 20.06.2015). Данный способ имеет те же недостатки что и описанный выше.
Задачей решаемой настоящим изобретением является снижение расхода портландцемента на кубометр бетонной или растворной смеси, ускорение бетоном набора ранней прочности, снижение затрат тепловой энергии на пропаривание.
Настоящая задача решается тем, что по первому варианту в способе приготовления портландцементного вяжущего с добавлением высококальциевой золы теплоэлектростанций, включающем совместное измельчение портландцементного клинкера, гипсового камня, вспомогательных материалов, добавление высококальциевой золы в вяжущее в момент приготовления бетонной или растворной смеси, при этом перед добавлением высококальциевой золы, предварительно определяют содержание в ней свободной извести и после чего добавляют золу в вяжущее в следующем соотношении, мас.% от массы цемента:
содержание в высококальциевой золе свободной извести равно или меньше 10, но больше 6% до 20
или содержание в высококальциевой золе свободной извести равно или меньше 6, но больше 4% до 30,
или содержание в высококальциевой золе свободной извести равно или меньше 4% до 40.
По второму варианту в способе приготовления портландцементного вяжущего с добавлением высококальциевой золы теплоэлектростанций, включающем совместное измельчение портландцементного клинкера, гипсового камня, добавление высококальциевой золы и микрокремнезема или опоки в количестве 3 – 10% от массы цемента, в вяжущее в момент приготовления бетонной или растворной смеси, перед добавлением высококальциевой золы, предварительно определяют содержание в ней свободной извести и после чего добавляют золу в вяжущее в следующем соотношении, мас.% от массы цемента:
содержание в высококальциевой золе свободной извести равно или меньше 12, но больше 8% до 20
или содержание в высококальциевой золе свободной извести равно или меньше 8, но больше 6% до 30,
или содержание в высококальциевой золе свободной извести равно или меньше 6% до 40.
2
Высококальциевая зола электростанций в литературе встречается под названием зола-уноса по своей природе может быть кислой (богатой кремнеземом - SiO) либо основной (богатой оксидом кальция - СаО). Первая проявляет пуццоланические свойства, вторая дополнительно проявляет свойства самостоятельного вяжущего.
Технической сущностью настоящего изобретения является дозирование высококальциевой золы электростанций в состав приготавливаемого портландцементного вяжущего в зависимости от содержания в ней свободной извести. Это сокращает расход цемента, увеличивает раннюю двухсуточную и прочность после пропаривания при пониженной до 60°С температуре, что экономит тепловую энергию, обеспечивает требуемый диапазон расширения бетона за счет свободной извести золы.
В таблице 1 приведены показатели свойств высококальциевых зол ТЭЦ-3 г. Барнаула.
В таблице 2 приведены показатели прочности и деформации удлинения золосодержащих бетонов на разных цементах и золах с разным содержанием свободного СаО.
В таблица 3 приведены показатели прочности и деформации удлинения золосодержащих бетонов на разных цементах и золах с разным содержанием свободного СаО и активной минеральной добавкой (АМД).
Пример конкретного осуществления изобретения
На Барнаульской ТЭЦ-3 с периодичностью два раза в неделю отбирают пробы высококальциевой золы, определяют их свойства. В золах, в числе прочих показателей, определяют содержание свободной извести СаО. Показатели заносят в таблицу 1.
На цементном заводе осуществляют производство портландцемента с активными минеральными добавками по прототипу класса прочности ЦЕМ II 32,5 по ГОСТ 31108-2016 «Цементы общестроительные. Технические условия» (или марки ПЦ М400 Д20 по ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические условия»). Данный цемент получают помолом клинкера Голухинского цементного завода ОАО «Цемент», Алтайский край, 5% гипсового камня, 8-15% доменного граншлака (ДГШ) Западно-Сибирского металлургического комбината и 3-10% АМД в виде Инзенской опоки (Ульяновская область) - природная пуццолана.
Так же на цементном заводе осуществляют производство чисто клинкерного цемента ЦЕМ I 42,5 (ПЦ М500 Д0), который получают совместным помолом смеси ПЦ клинкера и двуводного гипса в количестве 95-100% и вспомогательных материалов 0-5%.
Пять проб высококальциевой золы Барнаульской ТЭЦ-3, взятые после электрофильтров, используют для производства тяжелого бетона класса прочности В15 (М200) из бетонной смеси подвижностью П4 по ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные. Технические условия (с Поправкой)».
На основе полученных портландцементов и отобранных проб высококальциевой золы изготавливают вяжущие и тяжелые бетоны их основе.
Пример конкретного осуществления изобретения.
3
Состав зимней бетонной смеси из вяжущего по прототипу для изделий кассетной технологии КПД включает (кг/м):
- портландцемент с активными минеральными добавками класса ЦЕМ II 32,5 (ПЦ 400 Д20) - 400
- песок обской с модулем крупности Мк=1,2-660
- щебень из гравия Верх-Катунской дробильно-сортировочной фабрики (ДСФ) фракции 5-15 мм - 970
-вода - 210-230
- добавка-пластификатор - 16
3
3
3
При добавлении высококальциевой золы в бетонную смесь по прототипу в соотношении ВКЗ : ПЦ=(30:70) расход вяжущего увеличивают на 20% для достижения бетоном равной прочности (см. примечание к таблице 2). При этом получаем расход компонентов золо-цементного вяжущего как 144 кг ВКЗ и 336 кг ПЦ, или 480 кг вяжущего на 1 м бетона. При этом в составе бетона уменьшается расход песка и щебня (при сохранении их соотношения) на увеличенное количество вяжущего - 80 кг/м. Новый расход песка (с округлением для дозатора) 630, а щебня 920 кг/м.
3
Состав зимней бетонной смеси из заявляемого вяжущего включает (кг/м):
- портландцемент ЦЕМ I 42,5 (ПЦ 500 Д0) - 370;
- песок обской с модулем крупности Мк=1,2-690;
- щебень из гравия Верх-Катунской дробильно-сортировочной фабрики (ДСФ) фракции 5-15 мм - 970;
- вода - 210-230
- добавка-пластификатор - 16.
Результаты испытания бетонных смесей, полученных из компонентов, содержащих портландцемент и высококальциевую золу, приготовленных по предлагаемому способу, приведены в таблицах 2 и 3.
Примечание: количество вяжущего в бетонных смесях увеличивалось пропорционально соотношению ВКЗ : ПЦ. При соотношении 10:90 расход вяжущего увеличивался на 5%; при 20:80 - на 10%, при 30:70 на 20% и при 40:60 на 30%. Избыток вяжущего компенсировался уменьшением либо песка, либо щебня, либо и песка и щебня одновременно.
Как видно из таблицы 2, применение чисто клинкерного цемента ЦЕМ I 42,5 в составах бетонов сокращает расход цемента, увеличивает раннюю двухсуточную и прочность после пропаривания при пониженной до 60°С температуре, что экономит тепловую энергию, обеспечивает требуемый диапазон расширения бетона за счет свободной извести золы. Вместе с тем, этот способ ограничивает количество золы в бетоне в зависимости от содержания в ней свободной извести до 40% при содержании в высококальциевой золе свободной извести равной или меньшей 4%, до 30% при содержании в высококальциевой золе свободной извести равной или меньшей 6, но больше 4% и до 20% при содержании в высококальциевой золе свободной извести равной или меньшей 10, но большей 6%.
Как видно из таблицы 3, дополнительное введение активных пуццолан в виде искусственного микрокремнезема (МК) или природной опоки, позволяет, при тех же преимуществах заявляемого вяжущего в виде повышенной ранней прочности, снижения затрат энергии на пропаривание и допустимых значениях удлинения (расширения) бетона, дополнительно увеличить расход золы при одинаковом содержании свободной извести в ней. Или увеличить диапазон содержания свободной извести в золе до равной или меньшей 12%, но больше 8%, при добавлении золы до 20%, до равной или меньшей 8%, но большей 6%, при добавлении золы до 30% и до равной или меньше 6% при добавлении золы до 40%.
Применение предлагаемого способа приготовления портландцементного вяжущего с добавлением высококальциевой золы теплоэлектростанций позволило сократить расход цемента, увеличить раннюю двухсуточную и прочность после пропаривания при пониженной до 60°С температуре, что экономит тепловую энергию, обеспечивает требуемый диапазон расширения бетона за счет свободной извести высококальциевой золы.
Способ приготовления портландцементного вяжущего
с добавлением высококальциевой золы теплоэлектростанций (варианты)
Таблица 2.
Вид бетонной смеси
Класс цемента
Расход цемента, кг/м<sup>3</sup>
Содержание в золе свободной CаO, %
Расход золы от массы цемента
Удлинение бетона, мм/м
Прочность бетона, МПа
2 суток
ТВО при 60<sup>о</sup>С
ТВО +28 сут.
Прототип
ЦЕМ II32,5
400
5,9
30
0,15
8,1
14,3
22
Заявляемая
ЦЕМ I42,5
370
4,1
30
0,25
10,2
18,1
23
40
0,36
11,1
16,6
24
50
0,91
9,3
14,4
21
5,9
20
0,23
11,4
19,5
24
30
0,67
10,6
17,8
23
40
0,93
9,3
15,4
20
9,8
10
0,45
10,2
16,3
22
20
0,74
9,7
15,4
20
30
1,21
8,3
15,1
18
Способ приготовления портландцементного вяжущего
с добавлением высококальциевой золы теплоэлектростанций (варианты)
Таблица 3.
Вид бетонной смеси
Класс цемента
Расход цемента, кг/м<sup>3</sup>
Добавка в бетон АМД, от массы цемента в %
Содержаниев золесвободнойCаO, %
Расход золы от массы цемента
Удлинение бетона, мм/м
Прочность бетона, МПа
2 суток
ТВО при 60<sup>о</sup>С
ТВО +28 сут.
Прототип
ЦЕМ II32,5
400
нет
5,9
30
0,15
8,1
14,3
22
Заявляе-мая
ЦЕМ I42,5
360
МК - 5
5,9
30
0,18
10,2
18,1
24
МК - 5
40
0,26
12,1
18,6
26
МК - 5
50
0,45
10,3
17,4
24
МК - 7
8,0
20
0,33
13,5
21,5
23
МК - 7
30
0,64
14,6
19,8
26
МК - 7
40
0,91
12,4
17,4
24
МК - 10
11,8
10
0,25
10,2
19,3
24
МК - 10
20
0,36
11,4
18,4
26
МК - 10
30
0,93
9,6
17,1
18
Опока - 5
5,9
30
0,21
10,8
18,1
23
Опока - 5
40
0,30
10,7
16,6
24
Опока - 5
50
0,55
9,3
14,4
21
Опока - 7
8,0
20
0,37
13,5
19,5
23
Опока - 7
30
0,71
12,6
17,8
22
Опока - 7
40
1,06
9,6
15,4
20
Опока - 10
11,8
10
0,31
12,6
16,3
23
Опока - 10
20
0,39
10,7
15,4
22
Опока - 10
30
1,12
8,4
15,1
19