Влияние физико-химических свойств зол ТЭЦ-9 и Ново-Иркутской ТЭЦ на эксплуатационные свойства золощелочных бетонов на их основе

Рис. 5. Г. Асплунд. Дом Асплунда. Швеция. 1937

Марсель Брейер писал: «Архитектура - не материализация настроения. Ее цель - общая полноценность, включая и визуальное воздействие. Она не должна быть автопортретом архитектора или его клиента, но нести личные взгляды обоих. Она должна служить поколениям. Я люблю думать о самом роскошном доме, который я построил в качестве эксперимента, чтобы найти решения, применимые для общего использования»5.

5Marsel Breuer. Sun and Shadow, the Philosophy of Architect. New York, Dodd, Mead, 1955. C. 55.

Многие из домов ХХ века остаются и экспериментальными, и современными даже сегодня, так же как и тогда, когда были только что построены. Таким образом, они не устарели и в двадцать первом столетии.

История архитектуры утверждает, что не может быть единственного идеального современного дома. Понимание фундаментальных концепций, всевозможных воплощений и определенных материальных факторов двадцатого века может помочь в проектировании односемейных домов сегодня.

Таким образом, для архитекторов прошлого, настоящего и будущего главной проблемой остается видение реального - создание жилых пространств, которые дадут новые измерения и значения в повседневной жизни.

1. Гидион З. Пространство, время, архитектура. - М.: Стройиздат, 1984.

2. Фремптон К. Современная архитектура. - М.: Стройиздат, 1990.

3. Breuer M. Sun and Shadow, the Philosophy of Architect. New York, Dodd, Mead, 1955.

4. Davies C. Key houses of the Twentieth Century. Laurence King Publishing Ltd. London. 2006.

5. Frampton K., Larkin D. The Twentieth Century American House. Rizzoli International Publishing. London, 1995.

ский список

6. Hatje G. Encyclopedia of Modern Architecture. Thames and Hudson. London. 1963.

7. Loos A., «Plumbers», New York, Prinseton University Press,1997.

8. Muthesius H., The English House. New York.Rizzoli.1979.

9. Urbanelli E. Modern American Houses. New York. 1996.

10. Wagn W., Diamond R.The Architecture of Adolf Loos,. London, Art Council of Great Britain, 1985.

11. Wagner O. Modern Architecture. Santa Monica, CA, Getty Center Text, 1988.

УДК 656.80

ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗОЛ ТЭЦ-9 И НОВО-ИРКУТСКОЙ ТЭЦ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЗОЛОЩЕЛОЧНЫХ БЕТОНОВ НА ИХ ОСНОВЕ

_ А О

С.В.Макаренко1, Н.П.Коновалов2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приводятся данные по химическому составу зол Ново-Иркутской ТЭЦ и ТЭЦ-9, результаты их механической активации, состав золощелочных бетонов и их характеристики. Табл. 6. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: золы уноса; золощелочные бетоны; механоактивация.

1Макаренко Сергей Викторович, аспирант, тел.: 89646522003, e-mail: makarenko_83_07@ mail.ru Makarenko Sergey, Postgraduate, tel.: 89646522003, e-mail: makarenko_83_07@mail.ru

2Коновалов Николай Петрович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой физики, тел.: (3952) 405177. Konovalov Nikolai, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Physics, tel.: (3952) 405177.

THE EFFECT OF PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF ASHES FROM THE HEAT STATION-9 AND NEW IRKUTSK HEAT STATION ON PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF ASH-ALKALI CONCRETES BASED ON THEM

S.V. Makarenko, N.P. Konovalov

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The article provides data on the chemical composition of ashes from New Irkutsk Heat Station and Heat station-9, the results of their mechanical activation, the composition of ash-alkali concretes and their characteristics. 6 tables.7 sources.

Key words: fly ashes; ash-alkali concretes; mechanical activation.

Химический и минералогический состав золы зависит от состава пустой породы исходного топлива. Чаще всего пустая порода представлена глинами и минералами с включением дисперсных песчаных фракций (такой состав характерен для большинства каменных и бурых углей) [1]. По мере повышения температуры глинистое вещество проходит несколько стадий преобразования. Исходя из представлений о фазовом состоянии вещества, совокупность неорганических частиц золы следует рассматривать как сочетание стекловидных и кристаллических компонентов. Чем больше образуется стекловидных частиц, тем однороднее состав золы и выше их потенциальная возможность к гидратации, так как стекловидные и аморфные компоненты в результате своей термодинамической нестабильности являются компонентами гидравлической активности зол.

По минералогическому составу и свойствам зола уноса может быть разделена на два вида, которые отличаются друг от друга, главным образом, содержанием кальция. Зола уноса первого вида содержит менее 5% оксида кальция СаО и является в основном продуктом сжигания антрацитовых и битуминозных углей. Ко второму виду относится зола уноса, содержащая 15-35% СаО. Она представляет собой продукт сжигания бурого и низкобитуминозных углей.

Низкокальциевая зола уноса благодаря высокому содержанию кремнезема и глинозема состоит в основном из алюмосиликатных фаз. В печи, где происходит медленное и неоднородное охлаждение больших объемов расплавленного стекла, наблюдается кристаллизация кварца, алюмосиликатов - силлиманита и муллита в виде тонких игольчатых кристаллических включений внутри стеклянных сфер. Это объясняется тем, что при охлаждении расплавленного стекла происходит захват кристаллических алюмосиликатов, в результате чего эти золы имеют низкую реакционноспособность. Аморфные продукты зольной части топлива, так же как и кристаллические, не обладают способностью непосредственно вступать в реакцию с водой. Это свойство характерно для свободных оксидов кальция и магния, а также ортосиликатов этих элементов, образующихся при сжигании топлива с высоким содержанием оксида кальция. В то же время, аморфные компоненты зол и топливных шлаков обладают пуццоланической активностью - способностью вступать в реакцию с ионами щелочи из водных растворов и образовывать труднорастворимые продукты: гидросиликаты или гидроалюмосиликаты. Пуццолан и-ческая активность определяется по присутствию в

составе зол и шлаков аморфных продуктов, образующихся при высоких температурах обжига алюмосиликатных стекол и быстром охлаждении расплава зольной части топлива. Поскольку кристаллическая и аморфная составляющие зол и шлаков имеют низкую реакционную способность при нормальных условиях, то необходима их активация. Гидравлическую активность зол можно повысить тонким измельчением за счет увеличения реакционной поверхности их зерен и изменения физико-химических свойств. При такой активации может происходить изменение структуры вещества, связанное с разрушением твердых тел. При передаче механической энергии твердому телу, в зависимости от эффективности процесса, может происходить изменение морфологии, электронной структуры и химического состава [2,3]. В результате поглощения определенной дозы энергии при механической обработке в веществе возникают активные центры или состояния с избыточной энергией: это могут быть свободные радикалы, образующиеся на месте разрыва межатомных связей, атомы с нарушенной первой координационной сферой на линии дислокации или на новой поверхности, колебательно-или электронно-возбужденные состояния и т.д. Все эти частицы и избыточная энергия становятся главной причиной меха-нохимической активации твердого тела [4]. Механическая активация вносит изменение в ход химических процессов, происходящих как на свежеобразованной поверхности, так и в окрестности действия электрических сил. В соответствии с принципом Гиббса-Кюри, при повышении степени дисперсности вещества увеличиваются его растворимость и химическая активность. Таким образом, как показывают исследования, измельчение представляет собой сложный процесс, на который оказывают влияние многие факторы, и его результатом является не только диспергирование, но и существенное изменение физико-химических свойств порошков.

Следующим видом активации золы можно считать химическую. Химическая активность золы (гидравлическая активность) значительно повышается при введении щелочей, являющихся неотъемлемым компонентом золощелочного вяжущего.

Наличие щелочной среды является основным условием протекания химических процессов при гид-ратационном твердении, что свидетельствует об определенном сходстве процессов структурообразо-вания силикатных систем и позволяет использовать данные о процессах гидратации и твердения вяжущих веществ на основе кальция для установления теоре-

тических предпосылок получения золощелочных материалов. Особенностью золощелочных материалов является наличие в них более активных по сравнению с кальцием щелочных элементов первой группы периодической системы Д.И.Менделеева, гидроокиси которых дают более сильную щелочную реакцию. По щелочной активности окисей и гидроокисей щелочные и щелочноземельные металлы можно расположить в ряд «основности»: Сэ, РЬ, К, №, Ы, Ва, Бг, Са, Мд [5] -в порядке (слева направо) уменьшения рН среды и растворимости гидроокисей.

Из ряда основности следует, что едкие щелочи являются сильными основаниями и что на их основе, как и на основе гидроокисей щелочноземельных металлов, можно получить гидравлические вяжущие вещества [6].

Водные растворы едких щелочей и солей слабых кислот дают щелочную реакцию, что характеризуется повышенной концентрацией ионов ОН. Поэтому за-творение зол растворами щелочных соединений [5] приводит к ускорению процессов растворения при гидратации и особенностям адсорбционных процессов. Механизм гидратации зол заключается в адсорбции отрицательно заряженных гидроксильных ионов на поверхности золы, нарушающих электродинамическое равновесие системы и приводящих к разрушению структуры золы.

Щелочная среда является определяющим условием процессов синтеза минеральных веществ щелочного и щелочно-щелочноземельного алюмосили-катного состава, которые играют роль структурообразующих элементов при формировании искусственного камня.

С учетом вышесказанного становится очевидным, что золы способны проявлять гидравлическую активность по-разному и зависит это от комплекса физико-химических и структурных особенностей. Из этого следует, что эксплуатационные свойства золощелоч-ных бетонов на основе разных зол могут значительно отличаться.

Для исследования были выбраны золы Новой Иркутской ТЭЦ и ТЭЦ -9 и сформулированы основные задачи исследования:

1. Изучение химического и минерального составов зол.

2. Определение соотношения кристаллической и аморфной частей в процессе помола.

3. Исследование эксплуатационных свойств золощелочных бетонов.

Химический состав зол определяли с помощью РФА. Согласно результатам РФА (табл. 1) золы ТЭЦ-9 (далее зола 1), Ново-Иркутской ТЭЦ (зола 2) в основном содержат оксиды SiO2 - около 57%. Приведенные данные (табл. 1) показывают, что золы имеют разный химический состав.

По результатам химического состава стало возможным определить косвенные показатели гидравлической активности зол, характеризующейся модулем активности и модулем основности:

Мо (яо2+л!2о)'

»у Л1 Оз

ма =—— а 810,

'2 1 ^"2^3/ 2

Рентгеноструктурный анализ выявил некоторое различие в составе минеральной части золы ТЭЦ-9 и Новой Иркутской ТЭЦ. Зола Новой Иркутской ТЭЦ преимущественно содержит в своем составе четыре основных минерала: кварц (30%), муллит (7%), сили-маннит (2,7%) и алит (3,5%). Суммарное содержание кристаллической фазы составляет около 44%, рентге-ноаморфной - 56%.

Таблица 1 Химический состав исследуемых зол

Наименование Содержание компонента, мас. %

показателя

Зола 1 Зола 2

бю2 56,22 57,37

ТЮ2 0,624 0,614

А12О3 24,57 15,75

Ре2О3 общ. 7,88 7,14

МпО 0,044 0,109

МдО 1,689 2,916

СаО 4,172 13,471

№2О <0,2 <0,2

К2О 1,258 0,745

Редкие оксиды 1,9 0,51

ППП 1,32 1,2

Сумма 97,97 99,83

БО3 0,59 0,56

Мо 0,07 0,22

Ма 0,43 0,27

Зола ТЭЦ-9, в свою очередь, состоит из трех основных минералов: кварца (24%), муллита (9%), си-лиманнита (13%). Содержание кристаллической и рентгеноаморфной фаз составляет 46 и 54% соответственно.

Далее, в исследуемых золах определили содержание и изменение кристаллической и аморфной фаз при измельчении с учетом фактора времени (табл.25).

Таблица 2

Изменение кристаллической фазы золы 2 в процессе измельчения

Название минерала Содержание кристаллической фазы, %, после помола в течение, ч

0 1 2 3

Кварц 30 34 45 47

Силиманит 2,7 3 3,5 4

Муллит 7 8,5 15 13

Алит 3,65 3,78 6,6 6

Для определения эксплуатационных свойств зо-лощелочных бетонов был приготовлен наиболее оптимальный состав смеси, установленный ранее, в результате проведенных исследований, и заданы оптимальные технологические параметры:

• усилие прессования - 10 МПа,

• водо-твердое соотношение - 15%

• температура тепловой обработки - 35°С,

• продолжительность тепловой обработки - 8 ч,

• соотношение щелочь:зола - 12:88%,

• время измельчения золы -1 ч.

Таблица 3

Изменение размеров и плотности кристаллов золы 2 в процессе измельчения

Размер кристаллитов, нм / плотность кристаллов, г/см3, после помола в тече-

Название

минерала ние, ч

0 1 2 3

Кварц 110/2,65 130/2,655 132/2,655 135/2,65

Силиманит 103/3,21 ---/3,23 94/3,25 ---/3,25

Муллит 86/3,13 95/3,14 103/3,14 102/3,14

Алит 50/3,16 50/3,17 50/3,15 50/3,17

1. По результататам РФА анализа определено, что обе золы относятся к ультракислым и теоретически не способны к гидравлическому твердению самостоятельно.

Таблица 5

Изменение размеров и плотности кристаллов золы 1 в процессе измельчения

Размер кристаллитов, нм/плотность кристаллов, г/см3, после помола в течение,

Название

минерала ч

0 1 2 3

Кварц 85/2,64 76,2/2,64 76,5/2,64 73/2,65

Силиманит 113/3,23 80,3/3,2 77/3,2 75/3,2

Муллит 164,6/3,14 215/3,14 190/3,13 170/3,14

Таблица 4

Изменение кристаллической фазы золы 1 в процессе измельчения

Название минерала Содержание кристаллической фазы, %, после помола в течение, ч

0 1 2 3

Кварц 24 18,4 16,4 23

Силиманит 15 15 13 17

Муллит 10,2 5,5 6 7,3

2. По результататам РСА анализа выявили, что в процессе измельчения золы 2 происходит накопление кристаллической фазы у всех составляющих ее минералов. Причем процесс носит явно затухающий характер. Наибольшее количество кристаллической фазы образуется при двухчасовом измельчении, примерно 70%. При дальнейшем измельчении процентное содержание кристаллической фазы не изменяется и составляет по-прежнему 70%. В процессе измельче-

Средние значения показателей качества золщелочного бетона

Таблица 6

Наиме-нов. ТЭЦ Плотность р, о' г/см3 Прочность R, МПа Коэффициент Размягчения Кр Водопогла-щение W, % Истираемость G, г/см 2 Коэффициент теплопроводности, Вт/

Зола 1 1,34 13,9 0,55 26 0,46 0,36 75

Зола 2 1,74 31,2 0,75 9,6 0,38 0,66 200

Определялись следующие эксплуатационные свойства бетона:

1. Средняя плотность - по методике, приведенной в ГОСТ12730.1-78.

2. Прочность при сжатии - по методике, приведенной в ГОСТ10180-90.

3. Морозостойкость - по методике, приведенной в ГОСТ 10060.4-95.

4. Водопоглощение - по методике, приведенной в ГОСТ 12730.3-78.

5. Водостойкость - отношение прочности влажного к прочности сухого образца.

6. Истираемость - по методике, приведенной в ГОСТ 13087-81.

Теплопроводность - по методике, приведенной в ГОСТ 30256.

Выводы, которые можно сделать с учетом изложенного выше, сводятся к следующему:

ния золы 1, напротив, происходит аморфизация минералов, о чем свидетельствует изменение процентного содержания аморфной и кристаллической фаз. Причем процесс в этом случае носит волновой характер. Наибольший процент аморфной составляющей приходится на два часа помола.

3. Физико-механические свойства золощелочного бетона удовлетворяют требованиям, предъявляемым к тяжелым бетонам .

4. Высокие эксплуатационные свойства бетона на золе Новой Иркутской ТЭЦ указывают на возможность применения данного бетона для изделий, эксплуатируемых в суровых условиях знакопеременных температур (тротуарная плита, бортовой камень).

5. Бетоны на золе ТЭЦ-9 могут быть использованы в изделиях, эксплуатируемых в воздушно-сухих условиях (стеновой камень, перегородочный камень).

Библиографический список

1. Иванов И.А. Легкие бетоны на основе зол электростанций. М.: Стройиздат, 1972.

2. Сенна М. Реакционная способность твердых тел и меха-нохимия Сэрамикусу. 2000. №11.

3. Химия цемента / под ред. Х.Р.Тейлора. М.: Стройиздат, 1969. 501 с.

4. Бутягин П.Ю. Химическая физика твердого состояния.

Диффузия и реакционная способность. М.: МФТИ, 1991. 116 с.

5. Глуховский В.Д. и др. Материалы II Республиканской научно-технической конференции по грунтосиликатам. Киев, 1968.

6. Глуховский В.Д. Грунтосиликаты. Киев: Госстройиздат, 1959. 154 с.