ЗОЛОЦЕМЕНТНОЕ ВЯЖУЩЕЕ (ЗОЛЬЦИТ) НА ОСНОВЕ КИСЛЫХ ЗОЛ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
ASH-CEMENT BINDER (ZOLCIT) BASED ON ACID ASHES OF THERMAL POWER PLANTS

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано при производстве золопортландцемента на основе зол тепловых электростанций (ТЭЦ).
Сущность изобретения заключается в создании состава вяжущего на основе зол тепловых электростанций, обладающего повышенными прочностными и улучшенными строительно-техническими свойствами, а также увеличении объема утилизации кислых и ультракислых зол-уноса ТЭЦ.
Известно вяжущее, включающее высококальциевую золу-унос, портландцемент и глинистую добавку, отличающееся тем, что в качестве глинистой добавки оно содержит порошок неполно обожженной глины при следующем соотношении компонентов, мас.%: высококальциевая зола-унос - 55-40; портландцемент - 25-45; порошок неполно обожженной глины - 20-15 (см. Заявка на изобретение С04В 7/28, №98120832/03, 13.11.1998. Дата публикации заявки: 10.09.2000).
Недостатком описанного вяжущего является сравнительно высокая водопотребность, недостаточно высокие прочностные показатели, а также необходимость использования при производстве данного вяжущего исключительно высококальциевых зол тепловых электростанций, что приводит к ограниченному выпуску подобного вяжущего и снижению объема утилизации отходов ТЭЦ.
2
2
Из существующего уровня техники известно вяжущее, включающее совместно размолотые до удельной поверхности 7500-8000 см/г золу-унос и отвальный доменный шлак и дополнительно бой стекла с удельной поверхностью 9500-10000 см/г и цемент при следующем соотношении компонентов, масс.%: зола-унос 28-32; доменный отвальный шлак 38-42; бой стекла 18-28; портландцемент 6-8% (см. Патент на изобретение С04В 7/14, №2005697, 15.01.1994).
Основным недостатком данного вяжущего являются низкие прочностные показатели при высоком значении коэффициента хрупкости (отношение прочности при сжатии к прочности при изгибе - Rсж/Rизг). Кроме того, недостатком данного вяжущего является значительная технологическая сложность приготовления компонентов смеси, а также необходимость применения исключительно высококальциевых зол ТЭЦ, что не позволяет решать в полном объеме экологические проблемы.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является сырьевая смесь, содержащая, мас.%: портландцемент 8,5-18,5, бокситовый шлам 57,0-60,5, золу-унос 6,5-9,0, вода остальное, причем соотношение коэффициентов основности золы и шлама составляет 0,5-1,15, при коэффициенте основности шлама 1,16 (см. авт.свид. SU 1766866, 07.10.1992).
Основным недостатком данной смеси являются низкие прочностные показатели, а также ограниченное применение кислых зол-уноса, что не позволяет решать в полном объеме экологические проблемы.
Цель изобретения - создание высокотехнологичного и высокоактивного золоцементного вяжущего (Зольцит) с низким коэффициентом хрупкости, со значительной заменой клинкера исключительно кислой золой ТЭЦ и позволяющего одновременно решать экологические проблемы.
Техническим результатом при использовании предлагаемого вяжущего является получение высокомарочного золоцементного вяжущего с низким коэффициентом хрупкости (Rсж/Rизг), высокими технологическими свойствами и возможностью широкой утилизации кислых зол ТЭЦ.
2
Вышеназванный технический результат достигается тем, что вяжущее, содержащее кислую золу-унос ТЭЦ, бокситовый шлам и портландцемент, содержит бокситовый или нефелиновый шлам и дополнительно комплексную добавку состава, мас.%: полуводный гипс 40, хлористый кальций 30, суперпластификатор 30, при следующем соотношении компонентов, мас.%: кислая зола ТЭЦ 30-40, бокситовый или нефелиновый шлам 20-30, комплексная добавка 3-5, портландцемент остальное, совместно размолотые до удельной поверхности 4500-5500 см/г.
При этом совместный размол осуществляется исключительно в аппаратах дезинтеграторного принципа действия при линейных скоростях вращения роторов, по меньшей мере, 70 м/с.
Предложенный состав позволяет получать высокопрочные золопортландцементы со свойствами, не уступающими обычному портландцементу и удовлетворяющими требованиям, предъявляемым к цементам по активности, срокам схватывания, дисперсности и равномерности изменения объема. Это обеспечивается за счет введения бокситового или нефелинового шлама, играющих роль щелочного активизатора и комплексной добавки, придающей смеси повышенные пластические свойства и способствующей эффективному размолу исходных компонентов в процессе последующего однократного интенсивного размола в дезинтеграторе.
В процессе интенсивного помола наряду с усреднением (гомогенизацией) смеси в аппаратах дезинтеграторного принципа действия происходит активация компонентов смеси, что благоприятно влияет на физико-механические и технологические свойства получаемого вяжущего.
2
осн
Главными препятствиями к использованию кислых зол ТЭЦ, например продуктов сжигания каменных углей Экибастузского бассейна, в производстве бетонов, растворов и вяжущих являются их высокие зольность (до 53%) и пористость (до 1600 м/кг), а также очень низкая основность (К=0,03, т.е. <<1), что обуславливает высокую водопотребность (табл.1), что резко снижает прочность получаемых материалов и изделий (Гужулев Э.П., Усманский Ю.Т. Рациональное применение золы ТЭЦ: Результаты научно-практических исследований. - Омск: ОмГУ, 1998. - 238 с.).
Таблица 1
Физические свойства золы - унос ТЭЦ
№п/п
Наименование показателей
Ед. измерений
Величина
Средняя
Предельные значения
1
Естественная влажность
%
45
80
2
Максим. молекулярная влагоемкость
%
30
40
3
Полная влагоемкость
%
60
85
4
Плотность естественного сложения
кг/м<sup>2</sup>
1400
1600
5
Плотность твердых частиц
кг/м<sup>2</sup>
2200
2300
6
Плотность сухого материала (скелета)
кг/м<sup>2</sup>
950
1040
Поэтому просто механическое смешение даже небольшого количества кислых зол с портландцементом приводит к резкому снижению активности получаемого вяжущего.
Из других отходов промышленности интерес в основном представляют шламы, образующиеся при производстве алюминия. К ним относятся нефелиновые - Ачинского глиноземного комбината (АГК) и бокситовые - Павлодарского алюминиевого завода (ПАЗ) шламы. Свойства шламов приведены в табл.3-5.
Таблица 4
Химический состав нефелинового АГК и бокситового ПАЗ шламов
Вид шлама
Содержание химических компонентов, мас.%
SiO<sub>2</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
CaO
MgO
SO<sub>3</sub>
ППП
К<sub>основн</sub>
ПАЗ
19,34
21,59
7,48
36,41
0,43
0,25
8,89
0,76
АГК
26,7
3,61
3,44
54,20
1,1
0,12
9,16
1,64
Данные табл.3-4 указывают на щелочной характер шламов, а также наличие у данных отходов слабо гидравлических свойств. При этом величина коэффициента основности бокситового и нефелинового шламов составила 0,76 и 1,64 соответственно.
В свою очередь установлено, что введение в золоцементную смесь нефелиновго или бокситового шлама до 12% приводит к росту активности золоцементного вяжущего с 20 МПа до 35 МПа. Дальнейшему росту активности золоцементного вяжущего препятствует избыточность щелочности системы.
Таким образом, обычное смешение указанных компонентов не позволяет получить вяжущее высокой марки. Преодоление указанного недостатка возможно путем применения механоактивационного способа обработки материалов. Существующие представления процессов, происходящие в материалах, подвергнутых интенсивному ударному воздействию, приведены в работе, например Аввакумова Е.Г. Механические методы активации химических процессов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Новосибирск, Наука, 1986 - 306.
Вяжущее приготавливают путем взвешивания в требуемом количестве цемента ПЦ 400 Д20, кислой золы-унос ТЭЦ, бокситового шлама ПАЗ или нефелинового шлама АГК.
Затем полученную смесь пропускают однократно через дезинтегратор при линейных скоростях вращения обоих роторов, по меньшей мере, 70 м/с.
Для испытания вяжущего готовили раствор «вяжущее-песок» в соотношении, равном 1:3, который затворялся водопроводной водой. Из полученного раствора формовались путем вибрирования стандартные образцы-балочки размером 4×4×16 см. Применялся песок тонких фракций с модулем крупности Мкр=1,1 и водопроводная вода.
В качестве компонентов добавки применяли:
- гипс строительный марки Г-2 по ГОСТ 125-79;
- суперпластификатор по ТУ 5745-022-58042865-2007. Добавка для бетонов и строительных растворов полифункционального действия ПФМ-НЛК. Технические условия (в форме порошка коричневого цвета);
- кальций хлористый технический по ГОСТ 450-77.
осн золы/косн бокс, нефел
Для приготовления сырьевой смеси вяжущего принимали соотношения коэффициента основности золы-унос и бокситового и нефелинового шлама как К равными 0,04 и 0,018 соответственно. То есть в зоне, соответствующей ультракислой среде.
Испытания свойств вяжущего и их сопоставительный анализ со свойствами вяжущего-прототипа проводили в идентичных условиях по ГОСТ 310.1-76 - 310.4-76. Данные испытаний сведены в таблицу 6 (в таблице представлены данные испытаний, соответствующие количествам ингредиентов, выходящих в заявленные в формуле изобретения пределы). В таблице 5 представлены основные физико-механические характеристики Зольцита, полученного путем пропуска через измельчитель-активатор золо-шламоцементной смеси.
Как видно из представленных результатов, путем регулирования составов Зольцита возможно получение вяжущего активностью в интервале от 500 до 650.
Составы Зольцита в заявленных интервалах компонентов смеси после 28 суток твердения показали прочность при сжатии, соответственно последовательности номерам смесей, от 52 до 57 МПа, а при изгибе - от 7,2 до 9,6 МПа. При этом следует отметить, что прочность на растяжение при изгибе на 22-32% выше, чем у вяжущего по прототипу. Зольцит может применяться для изготовления несущих элементов повышенной ответственности. Уменьшение величины соотношения прочности при сжатии к прочности при изгибе увеличивает деформативные свойства материала и способствует резкому снижению усадочных процессов в изделиях и конструкциях.
Зольцит имеет благоприятный временной интервал по срокам схватывания, а именно 54-68/102-139. Данное свойство вяжущего позволит направленно регулировать технологические процессы изготовления изделий и конструкций из бетонов на основе Зольцита. При этом хотелось бы отметить, что изделия и конструкции на основе разработанного вяжущего отличают высокая морозостойкость, низкая водонепроницаемость; особо высокая коррозионная устойчивость против кислот и сульфатов.
Наблюдаемые эффекты объясняются следующим. В ходе интенсивного ударного измельчения присутствующий в золе кристаллический кремнезем частично аморфизируется (рис.1), что усиливает его реакционную способность и в то же время снижает кислотность среды. Одновременно усиливается реакционная способность белитовой части бокситового (нефелинового) шлама, а также цемента за счет увеличения их дисперсности.