СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЗОЛОБЕТОННОЙ СМЕСИ
METHOD TO PREPARE ASH-CONCRETE MIX

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для изготовления золобетонов.
Известен способ получения золобетонной смеси путем смешивания портландцемента, золы-уноса и песка, при этом вначале перемешивается песок с золой-уносом, затем вводится цемент и, после вторичного перемешивания, вода затворения. Окончательным перемешиванием бетонная смесь доводится до однородного состояния. Зола-унос вводится взамен части песка (Строителева Е.А. Модификация структуры цементных бетонов наполнителем из золы-уноса ТЭС Дальнего Востока. Дисс. канд. техн. наук. - Хабаровск. 2006. - с.44, с.122).
Недостатком данного способа является низкая прочность и большие пластические деформации бетона.
Наиболее близким к техническому результату и взятым за прототип является способ приготовления золобетона, полученный путем смешивания портландцемента, золы, песка, щебня и воды. Все компоненты бетонной смеси одновременно вводятся в бетономешалку и перемешиваются до однородного состояния (Л.И. Дворкин, В.И. Соломатов, В.Н. Выровой, С.М. Чудновский. Цементные бетоны с минеральными наполнителями. Киев.: «Будивэльнык». 1991. - 47 с.).
Недостатком данной технологии является использование золы без дополнительной обработки. В процессе гидрозолоудаления и складирования в отвалах ТЭС происходит гидроклассификация продуктов, причем в различных точках сосредоточения минеральная масса золы, отличается по гранулометрическому, химическому и фазовому составам, в связи с этим золы малореакционных углей обладают нестабильными свойствами. Это ограничивает ее применение в бетонах, главным образом, заменой части мелкого заполнителя.
Техническая задача изобретения - удешевление смеси, ускорение процесса схватывания и твердения золобетонной смеси, повышение прочности и стабильности свойств золобетона, расширение областей утилизации отходов техногенного происхождения за счет их дополнительного использования в качестве активных наполнителей в цементных системах. Это позволяет повысить или снизить излишнюю активность цемента, а также получать низко- и высокопрочные бетоны.
2
Поставленная задача достигается за счет того, что приготовление золобетонной смеси, включает перемешивание золы, портландцемента, песка, щебня и воды, осуществляют обогащение золы гидрооудаления, затем полученную золу совместно с портландцементом, гипсом и пластифицирующей добавкой ЛСТМ-2 измельчают в шаровой мельнице до удельной поверхности 4500-5000 см/г, вводят полученную смесь, 2/3 части расчетного количества воды затворения, песок и негашеную известь в диспергидратор и подвергают активации в течение 1-2 мин при скорости вращения лопастей 100-200 об/мин, в бетоносмесителе перемешивают щебень известняковый и оставшуюся часть воды затворения в течение 1-2 мин, затем загружают в бетоносмеситель активированную смесь из диспергидратора и окончательным перемешиванием получают бетонную смесь однородной консистенции.
2
Зола гидроудаления предварительно подвергается технологическому процессу обогащения, заключающемуся в отделении несгоревших остатков топлива и магнетита; этот процесс включает операции сгущения, измельчения до 4500-5000 см/г, магнитную сепарацию и флотацию; в результате указанных операций зола приобретает стабильный гранулометрический, химический и фазовый состав.
2
Обзор литературы и предварительные исследования показали оптимальную раскрываемость минералов золы для флотационного обогащения золы при ее измельчении до удельной поверхность 4500-5000 см/г.
2
Полученная зола смешивается с портландцементом, гипсом и пластифицирующей добавкой ЛСТМ-2 и домалывается в шаровой мельнице до получения смеси с удельной поверхностью 4500-5000 см/г.
В диспергидратор выливается примерно 2/3 части рассчитанного на замес золобетонной смеси количество воды, измельченная золоцементная смесь, песок и негашеная известь и активируется в воде в течение 1-2 мин, при этом, активация производится путем отделение налипших частиц глинистых примесей и частичной активацией поверхности песка известью, с исключением измельчения песка. Эта операция регулируется скоростью вращения лопастей диспергидратора от 100-200 об/мин. Остаток воды, определенный по расчету на замес, выливается в бетоносмеситель, добавляется щебень, после 1-2-минутного перемешивания в бетоносмеситель загружается полученная в диспергидраторе смесь и окончательно перемешивается до получения однородной консистенции золобетонной смеси.
Предварительная обработка золы по измельчению, магнитной сепарации и флотации производится для усреднения и приведения ее к стабильным характеристикам по гранулометрическому, химическому и фазовому составам и переводит ее из категории отхода с нестабильными свойствами в качественное сырье, кроме того, измельчение золы повышает ее реакционную способность и приводит к разрушению крупных частиц СаО, которые реагируют с водой со значительным увеличением объема заметно медленней основной массы, в том числе из-за капсулирования стеклом, что со временем приводит к неравномерному изменению объема золобетона и его растрескиванию.
2
Кроме того, из-за неравномерности температуры в топочном пространстве полнота окисления исходного топлива до CO и CO существенно различается в результате чего в золе содержатся невыгоревшие органические остатки с различными свойствами. Содержание невыгоревших частиц колеблется от 0,5 до 25% массы золы. Вследствие химической инертности углеродных и магнетитовых частиц, являющихся балластным материалом в составе золы, нарушается оптимальное соотношение между реагирующими компонентами бетона, а также снижается адгезия с цементным камнем, что иногда приводит к существенным колебаниям свойств бетона. Обогащенная зола отличается стабильным химическим и фракционным составом, количество несгоревшего органического топлива не превышает 5%, что допускается ГОСТ 25592-91.
Вследствие удаления химически инертных углеродных и магнетитовых частиц, а также благодаря тонине помола золы гидроудаления и попутному удалению из нее солей щелочных металлов повышается химическая активность и обеспечивается долгосрочное нарастание прочности и стабильность свойств золобетона.
Специально модифицированный «помольный» лигносульфонат ЛСТМ-2 способствует ускорению процесса измельчения цемента в диспергидраторе, а также тому, чтобы не произошло переизмельчения цемента и переобогащение ее ультрамелкой фракцией, кроме того, многочисленные исследования подтвердили лучший пластифицирующий эффект лигносульфонатов в качестве добавки в золобетоны в сравнении с некоторыми другими пластификаторами. При незначительном объеме ее введения, она повышает подвижность смеси в 3,7 раза. ЛСТМ-2 полученный модификацией ЛСТ (лигносульфоната технического) представляет собой смесь солей лигносульфоновых кислот, выработанных на основе лигнина, являющегося природным полимером, который находится между клеток древесины, придавая прочность и эластичность волокнам. ЛСТМ хорошо растворим в воде в любых соотношениях и имеет очень высокую поверхностную активность. Многочисленными исследованиями ЛСТМ-2 определен как один из лучших интенсификаторов помола золы.
Учитывая подавляющее преобладание мелкозернистых песков в нашей стране, нахождение рациональных границ применения мелких песков в бетоне при минимальном перерасходе цемента и обеспечении хорошего качества бетона встречает определенные трудности. Как известно, мелкозернистые пески являются более загрязненными и содержат от 5 до 8% глинистых примесей, что затрудняет реакцию твердения на поверхности песка и, в конечном итоге, снижает прочность и увеличивает усадку бетона. При одинаковом процентном содержании посторонних веществ снижение прочности на мелких песках оказывается значительно выше. Большой эффект промывки песка в экономии цемента вызывает не уменьшение содержания мельчайших фракций, а удаление тончайших частиц с поверхности песчинок, которые значительно увеличивают внутреннее трение в цементных системах, существенно повышают водопотребность растворов. Обработанные таким образом мелкозернистые пески обладают большей химической активностью, чем крупнозернистые. Отделенные от песка примеси, в ряде случаев, могут оказаться полезными, так как мельчайшие частицы кварца, приближающиеся по своим размерам к зернам цемента, могут оказывать некоторое пластифицирующее и уплотняющее действие на бетонную смесь и уменьшить величину перерасхода цемента в бетоне с мелким песком до 20%.
Химическим способом повышения активности песка является добавка негашеной извести. Она оказывает каталитическое действие на реакционную активность поверхности песка в процессе механической обработки в диспергидраторе. Кроме того, введение извести, повышает щелочность бетона, что приводит к большему образованию продуктов гидратации цемента в единицу времени, частично компенсируя недостаток зол гидроудаления, замедляющих гидратацию цемента, а также устраняет «известковый голод» в твердеющем цементе и позволяет проявляться гидратациям цемента с наибольшей интенсивностью, как и химической активности золы.
С целью интенсификации твердения цементного камня и повышения прочностных характеристик золобетона в состав золобетонной смеси вводится совместная добавка к цементу 2-3% негашеной извести и 1,5-2% гипса. Это увеличивает прочность сцепления с основанием для цементного камня в 10-12 раз, а для цементно-песчаного раствора в 3-4 раза.
Обработка щебня в смеси с водой в бетономешалке, практически не оказывая существенного влияния на себестоимость бетонной смеси, позволяет значительно повысить адгезию поверхности щебня с цементным камнем и, в конечном счете, прочность бетона. В качестве щебня используется плотный щебень, отвечающий требованиям ГОСТ 8269.0-97, прочность которого приближенно в 2,5 раза превышает прочность приготавливаемого бетона.
Использование новой последовательности приемов и операций, которые надо осуществить для достижения поставленной технической задачи изобретения, выгодно отличает предлагаемый способ изготовления золобетонной смеси от указанного прототипа, так как в результате активации и измельчения зола выступает не только в роли инертного наполнителя цементной системы, но и приобретает дополнительную активность и способность вступать в химическое взаимодействие с продуктами гидратации цемента. Это способствует более полной реализации вяжущих свойств цементом, а также существенному росту прочности цементной системы, при оптимальной концентрации золы. Использование золы без предварительной обработки, включающей отделение несгоревших угольных частиц и магнетита, при ее введении вместо части песка, не позволяет достоверно прогнозировать прочность бетона из-за нестабильности свойств золы. В отдельных случаях, при повышенном содержании несгоревших угольных частиц, прочность бетона падает. «Грязный» нетоварный вид продукта из-за наличия в нем несгоревшего угля является одной из причин недостаточного применения золошлаковых материалов в строительстве. Несмотря на распространенность и дешевизну золошлаков, строительные организации по этой причине предпочитают ввозить песок и цемент издалека, не зависимо от цены.
Одной из целей активация золы по указанной технологии при ее использовании в качестве наполнителей цемента, является создание оптимального рельефа на его поверхности. Увеличение шероховатости наполнителя не только способствует механическому заклиниванию связующего, но и повышает, таким образом, площадь поверхности контакта. Эффективность наполнителей как подложек направленного кристаллообразования увеличивается по мере повышения их дисперсности, кристаллохимической близости к связующему. Этот прием позволяет получать композиционные вяжущие, превышающие исходную прочность портландцемента, входящего в его состав.
Кроме того, зола, не прошедшая предварительную переработку, снижает скорость схватывания и твердения бетона, вследствие засоренности неактивными компонентами и в таком виде используется, главным образом, для замены мелкого заполнителя.
Использование золы при добавлении к цементу, по указанной технологии, позволяет повысить или снизить излишнюю активность цемента и получить композиционное вяжущее с новыми свойствами. Большая наполняемость бетона золой за счет расширения области ее применения при замене не только части песка, позволяет расширить области применения золошлаков, повысить степень наполнения ими бетона и, таким образом, снизить себестоимость рядовых бетонов и получать низко- и высокопрочные бетоны.
Сущность предлагаемого изобретения будет понятна на конкретном примере его осуществления.
Пример.
Для получения образцов золобетона использовались следующие материалы:
Портландцемент М 500 ДО Себряковского завода, ГОСТ 31108-2003
Зола гидроудаления Новочеркасской ГРЭС, ГОСТ 25592-91
кр
Песок Красюковского карьера, М=1,8, ГОСТ 8736-93
Известковый щебень фр. 5-10 мм Быстрореченского карьера, М - 1200, ГОСТ 8269.0-97
В качестве поверхностно-активной добавки ЛСТМ-2, ОСТ 13-287-85
Известь молотая негашеная, ГОСТ 9179-77
Гипс, ГОСТ 125-79
Вода, ГОСТ 23732-79.
Бралась минеральная масса золы гидроудаления, при этом возможен как отсев песочно-щебеночной фракции, так и полное использование золы. Гидроклассификацией производилось предварительное извлечение угольной фракции. Предварительная гидроклассификация позволяет снизить расход флотационных реагентов и повысить извлечение угольной фракции. Для получения продукта требуемой плотности золу после предварительного отделения угольной фракции сгущали высушиванием в сушильном шкафу. Магнитной сепарацией отбирался магнетит. Остатки несгоревшего топлива отделялись от минеральной золы флотацией. Флотационным реагентом служил сульфированный керосин, предварительно эмульгированный в воде с добавкой поверхностно-активного вещества (сульфатно-спиртовой бардой). Фильтрование осуществлялось на лабораторном вакуум-фильтре с целью получения продукта со стабильной влажностью <0,5%.
2
Обработанную по приведенной технологии золу смешивали с портландцементом, гипсом и пластифицирующей добавкой ЛСТМ-2, домалывали в шаровой мельнице до получения смеси с удельной поверхностью 4500-5000 см/г.
Для приготовления золобетонной смеси в диспергидратор выливали 2/3 части рассчитанного на замес количества воды, затем подавали песок с негашеной известью и активировали в воде в течение 1-2 мин со скоростью 100-200 об/мин. В бетоносмеситель подавали оставшееся количество воды и расчетное количество щебня и в течение 1-2 минут проводили обработку щебня в водной среде, затем в бетоносмеситель загружали смесь обработанную в диспергидраторе и окончательно перемешивали до получения однородной смеси.
2
Обработанную по приведенной технологии золу смешивали с портландцементом, гипсом и пластифицирующей добавкой ЛСТМ-2, домалывали в шаровой мельнице до получения смеси с удельной поверхностью 4500-5000 см/г.
Для приготовления золобетонной смеси в диспергидратор выливали 2/3 части рассчитанного на замес количества воды, затем подавали песок с негашеной известью и активировали в воде в течение 1-2 мин со скоростью 100-200 об/мин. В бетоносмеситель подавали оставшееся количество воды и расчетное количество щебня и в течение 1-2 минут проводили обработку щебня в водной среде, затем в бетоносмеситель загружали смесь, обработанную в диспергидраторе, и окончательно перемешивали до получения однородной смеси.
Технические свойства полученных образцов золобетона представлены в таблице.
Таблица
Опыт
Марка бетона
Коэф. эффективности использования цемента
Расход материалов на 1 м<sup>3</sup>, кг
Цемент М500
Зола
Песок
Щебень
Известь
Гипс
ЛТСМ-2
Вода
Составы прототипа
1
200
0,096
200
150
670
1250
-
-
-
105
2
300
0,078
370
150
400
1300
-
-
-
180
Предлагаемые составы
3
200
0,18
105
245
710
1300
3,5
4,7
0,87
94
4
300
0,18
160
240
700
1270
4,8
7,2
1,15
110
5
400
0,17
225
225
690
1240
6,7
10,1
1,21
130
6
500
0,15
325
175
683
1201
9,7
14,6
1,45
145
7
800
0,14
544
136
670
1140
16,3
24,5
2,04
187