Размещено на http://www.allbest.ru/

29

Введение

Золами обычно называют остатки от сжигания твердого топлива (угля, сланца, торфа). Размер частиц золы менее 0,14 мм. Более крупные зерна относят к шлаковому песку и щебню. Зола-унос (дымоходные золы) более однородны по составу и свойствам, чем золы отвала, поэтому они предпочтительнее для приготовления бетона.

Пригодность золы для изготовления вяжущих и бетонов устанавливают опытным путем проверки химического состава и содержания вредных примесей, к которым относятся несгоревшее топливо, сера, негашеная известь, оксид магния. По виду сжигаемого топлива золы подразделяют на угольные, сланцевые и торфяные. В зависимости от модуля основности золы, как и шлаки, бывают кислые и основные (модуль).

1. Источники образования золошлаковых отходов и пути их рационального использования

Золами обычно называют остатки от сжигания твердого топлива (угля, сланца, торфа). Размер частиц золы менее 0,14 мм. Более крупные зерна относят к шлаковому песку и щебню. Зола-унос (дымоходные золы) более однородны по составу и свойствам, чем золы отвала, поэтому они предпочтительнее для приготовления бетона. Пригодность золы для изготовления вяжущих и бетонов устанавливают опытным путем проверки химического состава и содержания вредных примесей, к которым относятся несгоревшее топливо, сера, негашеная известь, оксид магния. По виду сжигаемого топлива золы подразделяют на угольные, сланцевые и торфяные. В зависимости от модуля основности золы, как и шлаки, бывают кислые и основные (модуль). Химический состав зол сильно колеблется в зависимости от вида топлива. В золе может быть:

15..60% - SiO2; 5..45% - AI2O3; 5..40% -Fe2O3; 3..50%- CaO.

В угольных золах больше содержится SiO2; в сланцевых и торфяных возрастает содержание CaO. Угольные и сланцевые золы в большинстве своем являются кислыми, золы горючих сланцев -основными. Активностью золы называют ее способность при смешивании в тонкоизмельчен-ном виде с воздушной известью и затворении с водой твердеть в различных условиях. Активность повышается при наличии в золе кремнеземистого компонента или обожженных глинистых материалов и при повышении ее удельной поверхности. Зола является активным компонентом смешанного вяжущего и бетона, что обуславливает возможность ее эффективного использования для производства из-вестково-зольных вяжущих в качестве активной минеральной добавки в цементы и бетоны, для производства ячеистых бетонов. Химическая активность золы повышается при тепловой обработке бетона. Большей активностью обладают основные золы. Некоторые золы, полученные при сжигании сланцев и отдельных видов торфа и угля, после тонкого помола могут использоваться как низкомарочные вяжущие вещества. Плотность золы составляет 1,75-2,4 г/см³, однако плотность отдельных фракций может значительно отличаться от средних значений. Насыпная плотность золы колеблется от 600 до 1300 кг/м³.Плотность зависит от вида топлива и температуры сжигания, обычно увеличиваясь с повышением последней.

Мелкие частицы топлива при пыле-угольном сжигании сгорают на лету. При этом на их поверхности образуются плотная оболочка, а внутри они имеют пористую структуру. Пористостью частиц объясняется средняя плотность золы. Размеры частиц золы зависят от сырья, способа сжигания, места отбора пробы и обычно колеблются в пределах от 5...100 мкм. Золы, используемые для изготовления железобетонных изделий, не должны содержать более 5% несгоревшего топлива (золы от сжигания антрацита и каменного угля - более 10%) и 1% серы, а также включений негашеной извести. Зола должна выдерживать стандартные испытания на равномерность изменения объема, при этом образцы-лепешки изготавливают из раствора нормальной густоты, сухая смесь которого состоит из 1 части цемента и 3 частей золы. К зерновому составу золы обычно особых требований не предъявляется, но рекомендуется, чтобы для ячеистых бетонов использовалась зола с удельной поверхностью более 2500 см²/г, а для плотных бетонов -не менее 1500см²/г. С увеличением помола золы возрастает не только прочность бетона, но также водопо-требность бетонной смеси и усадка бетона, поэтому оптимальный зерновой состав зол, а также содержание облагораживающих добавок (активизирующих золу, пластифицирующих бетонную смесь) целесообразно устанавливать предварительными опытами для конкретного вида золы и бетона.

В г.Улан-Удэ источниками золошлаковых отходов являются ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2. Предприятия электроэнергетической отрасли являются основными источниками загрязнения атмосферного воздуха в республике. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу на предприятиях отрасли снизились по сравнению с 1996 г. на 24,23 тыс. тонн за счет уменьшения количества сжигаемого топлива, повышением эффективности работы золоулавливающих установок. Предприятиями энергетики образовано отходов всех видов 491305,784 тонн из них производственные - 491022,834; непроизводственные (бытовые) -282,95. Основной вклад в образование отходов вносят золошлаковые отходы -488306,7 (99,3%) тыс. тонн, из них использовано 18570 (3,7%) остальные размещаются на полигонах предприятий энергетики. В городе самым большим источником образования и размещения отходов является ТЭЦ-1, на которой в 1997 г. образовалось 115292,343 тыс. тонн всех видов отходов, из них золошлаки -114801 (98,7%). Золошлаки хранятся в двух золоотвалах: промежуточном и основном. Промежуточный эксплуатируется в зимний период и не имеет профильтрационного экрана. На ТЭЦ-2 образовалось всех видов отходов-26808,182 тыс. тонн, из них золошлаки -26772 (93,8%), которые переданы на основной золоотвал ТЭЦ-1. Золошлаковые отходы практически не используются как вторичные материальные ресурсы. В настоящее время проводятся подготовительные работы по использованию золошлаков в качестве наполнителя в строительные материалы.

ТЭЦ-1 работает в основном на Гусиноозерском, ТЭЦ-2 на Тугнуйском углях. В 1997 г. были проведены исследования на токсичность золошлаковых отходов. Для оценки токсичности ЗШО на этих ТЭЦ были отобраны пробы топлива, золы из скрубберов и батарейных циклонов, пробы шлака и золошлаковых смесей с золоотвала. Пробы золы обогащены железом и немного кальцием ЗШО ТЭЦ являются продуктом высокотемпературной термической обработки минеральной части угля, сжигаемого в котлах. В действующих в настоящее время «ИМД» временный классификатор токсичных промышленных отходов и методические рекомендации по определению класса токсичности промышленных отходов утвержденные Минздравом и ГКАТ СССР 13.05.87 № 4286-87 отходы угольной части ТЭК в токсичных отходах не значатся. Это значит, что как отходы угледобывающих предприятий (порода и вскрыша), так и ЗШО ТЭЦ токсичными не являются.

Использование золы при производстве цемента: Золы используют в качестве тонкомолотой добавки для снижения расхода цемента и тепловыделения в изделиях для гидротехнических сооружений, заменяя часть цемента золой, а также в тех случаях, когда по прочности бетона требуется меньший расход цемента, чем минимально допустимый по условию получения плотного бетона. Топливные золы и шлаки как компонент цементной сырьевой смеси: На ряде цементных заводов доменные гранулированные шлаки применяются в качестве сырья. Топливные шлаки также могут быть введены в состав сырьевой цементной шихты либо непосредственно, либо при вдувании размолотого шлака с горячего конца вращающейся печи. Особенность использования топливных гранулированных шлаков состоит, прежде всего, в том, что они не должны размалываться и практически не содержат несгоревших частиц топлива. Наличие частиц угля в золошлаковых отходах, применяемых в качестве сырьевого компонента цементной шихты, является положительным фактором.

В состав портландцементных сырьевых смесей на основе доменного шлака необходимо вводить корректирующие добавки ( железо- и кремнеземсодержащую) из-за практически полного отсутствия в доменных шлаках окислов железа и недостатка SiO2. Содержание сланцевого шлака в сырьевой смеси может составлять 40-65 % (в зависимости от чистоты карбонатного компонента). Для сравнения количество доменного шлака в составе цементной сырьевой смеси обычно не превышает 35-45%, а глины- 1822 %.

Расчеты показывают, что при использовании сланцевого шлака может быть получено (по сравнению с сырьевой шихтой на глине): во-первых, снижение расхода известняка на 1 тонну клинкера примерно на 40%, следовательно, снижение удельного расхода тепла на обжиг сырьевой смеси; во-вторых, повышение выхода клинкера из 1 тонны сырья примерно на 15-20%, следовательно, заметное увеличение производительности печи.

Топливные гранулированные шлаки используются, как активная добавка к цементам.

Использование золы при производстве пористых заполнителей. Золы используют для приготовления искусственных пористых заполнителей; аглопоритового и зольного гравия. Аг-лопоритовый гравий из зол ТЭС готовят методом спекания сырцовых гранул на решетках агломерационных машин. Пористые зольные заполнители приближаются по своим свойствам к керамзиту, но дешевле его. На пористых зольных заполнителях можно получать эффективные легкие бетоны. Золы можно использовать также для приготовления безобжигового зольного гравия. Сразу после грануляции прочность гравия составляет 0,6-1 МПа. После кратковременной тепловой обработки (2-3ч) гравий приобретает прочность 1-2МПа и используется для приготовления бетона. Дальнейшее твердение гравия происходит непосредственно в массе бетона, что обеспечивает высокую монолитность материала. Безобжиговый зольный гравий имеет плотность 600-900кг/м³ и прочность 4,5-6МПа (после нормального твердения в течение 28 суток). Из зольных гранул можно получать бетоны плотностью 900-2000кг/м³ и с прочностью 5-40МПа. Для облегчения гравия в него вводят отходы ячеистого бетона и другие пористые материалы. Безобжиговый зольный гравий получают при меньших затратах топлива, чем обжиговые заполнители (25-30кг, условного топлива и 40-60 Квт*ч электроэнергии на 1м³ гравия вместо 90-110 кг). Для изготовления безобжигового гравия помимо золы можно использовать различные тонкомолотые отходы промышленного производства. Поскольку для приготовления безобжигового гравия идет вяжущее вещество, его применение должно в каждом конкретном случае обосновывать технико-экономическим расчетом.

Использование золы при производстве ячеистых бетонов: Ячеистые бетоны, приготовленные с использованием золы до 60-80% золы по массе, как правило, также эффективны, как и ячеистые бетоны на тонкомолотом кремнеземистом заполнителе. Прочность автоклавного золобетона обычно составляет 3-6МПа при плотности 600 кг/м³; 5-10МПа при 800 кг/м³ и 12-24 МПа при 1100 кг/м³. В строительстве наибольшее применение находят ячеистые золобе-тоны с плотностью 600... 1000кг/м³.

Использование золы при производстве керамического кирпича. Одним из направлений в работах по повышению качества керамических изделий и улучшению технико-экономических показателей кирпичных заводов является использование корректирующих добавок, позволяющих уменьшить, а в отдельных случаях исключить расход технологического топлива, вводимого в шихту. Такой добавкой могут служить золы ТЭС. Они действуют одновременно на выгорающие добавки вследствие наличия в них коксового остатка и как отощающие, т.е. понижающие пластичность, воздушную и огневую усадку глин.

Добавкой при производстве керамического кирпича и камней сможет служить зола-унос ТЭС, а также золошлако-вая смесь из отвалов. В отдельных случаях для улучшения сушильных свойств керамической (глинозольной) массы в нее вводят небольшое количество мелкодробленого топливного шлака (зерна размером менее 5 мм).

Золошлаковая смесь или зола-унос, которые используют в производстве строительной керамики, должны отвечать следующим требованиям:

- золы должны быть легкоплавкими или средней плавкости (температура размягчения соответственно до 1200 и 1400⁰С). Сюда относятся золы донецких, кузнецких;

содержание несгоревшего топлива в золе не ограничивается, т.к. при содержании в золе горючей части 10% и более введению в шихту технологического топлива может быть снижено;

количество топливного шлака с размером зерен более 3 мм должно быть не более 5% объема золошлаковой смеси;

содержание серы в золе (в пересчете на SO3) не должно быть более 2%; содержание карбонатных пород с размером зерен более 1 мм не допускается.

Для добавки в шихту стеновой керамики необходимо использовать золы с содержанием СаО+MgO не выше 5% и количеством несгоревшего топлива не менее 25%. Добавляют золу в сырьевую смесь обычно в количестве до 15 %, а на некоторых заводах дозировку золы увеличивают до 50%, что позволяет снизить среднюю плотность кирпича до

1250кг/м³ (у обычного керамического кирпича средняя плотность колеблется в пределах 1600-1900 кг/м³).

Физико-механические свойства кирпича и керамических камней с добавкой золы должны удовлетворять требованиям действующих ГОСТов на соответствующие керамические изделия.

Золу используют или как отощающую, или как топли-восодержащую добавку. Если нет топливосодержащей золы предусмотрено введение соответствующим образом подготовленного угля (бурый, каменный, антрацит). Чаще в том и другом варианте в шихту вводят дополнительно один из следующих видов добавок --древесные опилки, шамот, кварцевый песок и др. количество добавок устанавливают опытным путем. При использовании в качестве добавки зо-лошлаковой смеси из отвалов ТЭС ее предварительно сушат, рассеивают и дробят.

В зависимости от пластических свойств к глине добавляют разное количество золы. Для высокопластичной глины - 40-48; среднепластичной - до 30; низкопластичной - 8-20, свыше 20% золы или золошлаковой смеси вводят лишь на отдельных заводах, использующих умереннопла-стичные высокочувствительные к сушке глины.

К отличительным особенностям технологии керамических изделий с золой ТЭС относятся: более равномерный обжиг за счет равномерно распределенных горючих тонкодисперсных остатков в золе, сгорающих в массе кирпича-сырца; Более высокое качество изделий, в том числе повышенная прочность и меньшая плотность; меньший расход технологического топлива. С технико-экономической точки зрения добавка золы ТЭС приводит к снижению затрат на производство изделий, сокращению расходов на сырье, снижению себестоимости готовой продукции.

Прочность изделий при введении золы ТЭС повышается на 15-60% (соответственно увеличивается марка изделий). Средняя плотность не превышает 1500кг/м³, расход технологического топлива снижается на 20-70%, цикл сушки кирпича-сырца сокращается более чем на 20%.

2. Свойства зол и шлаков ТЭС

Зола - несгорающий остаток с зернами мельче 0,16 мм, образующийся из минеральных примесей топлива при полном его сгорании и осажденный из дымовых газов золоулавливающими устройствами. В зависимости от вида топлива зола подразделяется на антрацитовую, каменноугольную, буроугольную, сланцевую, торфяную и др. Содержание золы при сгорании топлива различно: в каменных и бурых углях - от 1 до 45%, в горючих сланцах - от 50 до 80%, в топливном торфе - от 2 до 30%. По способу удаления различают: золу сухого отбора (зола уноса) и мокрого (зола гидроудаления). Зола уноса получается в результате очистки дымовых газов золоуловителями и представляет собой тонкодисперсный материал с очень мелкими частицами, что позволяет использовать ее без дополнительного помола. Зола мокрого отбора образуется при удалении ее с помощью воды в виде пульпы по золопроводам.

Топливный шлак - это материал, скапливающийся в нижней части топочного пространства тепловых агрегатов и удаляемый в жидком или спекшемся состоянии. При совместном удалении золы и шлака гидротранспортом на тепловых электростанциях образуется золошлаковая смесь.

Химический и минерально-фазовый составы, строение и свойства золошлаковых материалов (ЗШМ) зависят от состава минеральной части топлива, его теплотворной способности, режима сжигания, способа их улавливания и удаления, места отбора из отвалов.

При высоких температурах (1200-1600°С) сжигания топлива минеральные примеси претерпевают изменения; в них протекают сложные физико-химические процессы: выделяется химически связанная вода силикатов и алюмосиликатов; разлагаются карбонаты; идут реакции в твердой фазе; происходят плавление, кристаллизация, силикатообразование, стеклообразование и др. Поэтому золы и шлаки ТЭЦ имеют сложный химический и минералогический составы.

Химический состав ЗШМ от сжигания углей в России и некоторых зарубежных странах приведен в табл. 2. Они представлены в основном SiO₂ и Аl₂Оз. Кроме того, в состав оксидов входят также Fe₂O₃, CaO, MgO, Na₂O, K₂O, TiO₂, SO₃ и др.

В настоящее время ГОСТ 25818-91 и ГОСТ 25592-91 определили требования к химическому составу ЗШМ, применяемым для производства различных видов бетонов и строительных растворов. Нормируется содержание оксидов - CaO, MgO, SO₃, Na₂O и К₂О:

оксида кальция СаО - 10%, чтобы обеспечить равномерность изменения объема при твердении, свободного СаО - 5%;

- оксида магния MgO - не более 5%;

- верхний предел сернистых и сернокислых соединений в пересчете на SO₃ по требованиям сульфатостойкости - 3-6% (в зависимости от вида исходного топлива);

- суммарное содержание щелочных оксидов Na₂O и К₂О - 1,5-3% (в зависимости от вида сжигаемого топлива) во избежание деформаций при их реакции с заполнителями.

В зависимости от вида топлива и условий его сжигания в ЗШМ могут содержаться несгоревшие органические частицы топлива. Потеря массы при прокаливании (п.п.п.) должна быть не выше 3-25% в зависимости от вида исходного топлива.

Минерально-фазовый состав включает неорганическую и органическую составляющие. Неорганическая фаза, в свою очередь, состоит из составляющих:

- аморфной, представленной стеклом и аморфизированным глинистым веществом;

- кристаллической, включающей слабоизмененные зерна минералов исходного топлива (кварц, полевые шпаты и другие, термически устойчивые минералы) и кристаллические новообразования, возникшие при сжигании топлива (муллит, гематит, алюмосиликат кальция и др.).

Стекло в золах может быть силикатного, алюмосиликатного и железисто-алюмосиликатного состава. Аморфизированные глинистые вещества - метакаолинит и слабоспекшееся аморфизированное глинистое вещество, а также спекшиеся и частично остеклованные частицы определяют химическую активность золы, форму и характер поверхности зольных частиц.

Частицы большинства зол имеют сферическую форму и гладкую остеклованную фактуру поверхности. Однородность частиц различна. Более однородны частицы, состоящие полностью из стекла. Имеются частицы, внутренняя часть которых не расплавилась и слагается из мельчайших минеральных и коксовых зерен. Встречаются и полые шарики в результате вспучивания стекла в момент образования частицы. Размер частиц - от нескольких микрон до 50-60 микрон.

Могут также образовываться стекловидные частицы неправильной формы. У некоторых частиц поверхность губчатая из-за различного количества пузырьков. Они также могут содержать во внутренней части большое количество кристаллических веществ.

При недостаточно высокой температуре сгорания топлива и высокой тугоплавкости его зольной части образуются золы, состоящие из аморфизированного глинистого вещества, представленного пористыми частицами неправильной формы. Эти частицы имеют высокое водопоглощение.

В крупных фракциях золы содержатся агрегаты, образовавшиеся в результате спекания множества мелких зерен. Они неоднородны и имеют низкую прочность.

Шлаки но сравнению с золами содержат меньше органических остатков и аморфизированного глинистого вещества, но больше стеклофазы (до 95%). Обусловлено это тем, что шлаки большее время находятся в высокотемпературной зоне топки. Кристаллическая фаза в них представлена кварцем, муллитом, магнетитом и т.д.

Важнейшими физическими свойствами ЗШМ являются зерновой состав, насыпная и истинная плотности, водонасыщение и способность к морозному пучению.

Зерновой состав определяется видом топлива, его подготовкой к сжиганию, режимом сжигания, способом улавливания золы, местом отбора (табл. 3 и 4).

При сухом удалении золы крупные частицы улавливаются циклонами, мелкие - электрофильтрами. При этом на каждом поле электрофильтра собирается определенная фракция золы. Так, на Прибалтийской ГРЭС зола из циклонов содержит частиц размером мельче 50 мкм 47-63%, электрофильтровая зола со второго поля - 61-87%, с третьего - 78-99%, а четвертого - 100%

При этом происходит разделение и по химическому составу, и по фазовому. Максимальное содержание сферических стекловидных частиц имеют мельчайшие фракции золы. Чем зерна золы крупнее, тем выше в ней содержание агрегированных, шероховатых, пористых частиц.

Системы гидроудаления золы и шлака направляют в отвалы полидисперсные шлакозольные смеси. Вблизи места выпуска пульпы образуется шлаковая зона отвала, в которой преобладают частицы крупнее 0,25 мм, в отдалении - мельче 0,25 мм

От зернового, химического и фазового составов золы зависит ее насыпная плотность, которая может составлять от 0,6 до 1,3 г/см³ Удельный вес (истинная плотность) золы колеблется от 1,75 до 3,5 г/см³, составляя в среднем 2,1-2,4 г/см³. Крупность зерен шлаков - от 10 до 15 мм, удельный вес - 2,8-3,3 г/см³, насыпная плотность - 1,1-1,3 г/см³.

По химическому составу золы и шлаки подразделяются на основные, кислые и нейтральные. Основные золы содержат гидравлически активные компоненты и являются самостоятельным вяжущим. Кислые золы обладают свойствами типичных пуццоланов и могут применяться как активные минеральные добавки.

Топливные золы и шлаки, как правило, не способны непосредственно взаимодействовать с водой. Это характерно лишь для зол, содержащих свободные оксиды кальция и магния. Аморфные компоненты зол и шлаков обладают пуццолановой активностью, т.е. способностью связывать при обычных температурах гидроксид кальция, образуя нерастворимые соединения. При их накоплении появляется возможность гидравлического твердения вяжущих из смесей извести или портландцемента с золой или шлаком.

Пуццолановой активностью в составе зол и шлаков обладают продукты обжига глин: аморфизированное глинистое вещество типа метакаолинита, аморфные SiО₂ и Аl₂Оз и алюмосиликатное стекло. Реакционная способность по отношению к гидроксиду кальция у них различна и зависит от температурных превращений каолинитовых глин при сжигании топлива. Обладающий большой удельной поверхностью метакаолинит А1₂О₃х2SiO₂ активно реагируете Са(ОН)₂ при обычных температурах с образованием гидросиликатов кальция и гидрогеленита.

Активность образующихся при более высоких температурах аморфных SiO₂ и Аl₂О₃ заметно меньше, что объясняется резким снижением удельной поверхности вследствие спекания и кристаллизации новообразований - муллита, кристобаллита.

Высокотемпературное спекание и плавление глинистых минералов резко снижают их удельную поверхность и, соответственно, активность. Вследствие этого стеклофаза зол и шлаков малоактивна при обычных температурах.

Повышение температуры сжигания топлива сверх допустимого предела приводит к падению активности большинства топливных зол.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЗОЛ И ШЛАКОВ

Классификацией зол и шлаков занимались многие исследователи - Н.А. Попов [2], Н.А. Иванов [3], Г.Н. Книгина и М.В. Балахнин [4], Е.А. Галибина [5], А.В. Волженский и В.Н. Виноградов [6, 7, 8], В.А. Мелентьев [9] и другие.

Основным критерием, определяющим способность золы и шлака проявлять вяжущие свойства, является наличие кальция в свободном или связанном виде.

Наряду с этим используются следующие критерии:

- модуль основности (гидросиликатный модуль) М₀, который представляет собой отношение суммы основных оксидов к сумме кислотных оксидов:

М₀ = (СаО + MgO + К₂О + Na₂O): (SiO₂ + А1₂О₃);

- силикатный (кремнеземистый) модуль М_с, показывающий отношение оксида кремния, вступающего в реакцию с другими оксидами, к суммарному содержанию оксидов алюминия и железа:

М_с = SiO₂: (A1₂O₃ + Fe₂O₃);

- коэффициент качества К, показывающий отношение оксидов, повышающих гидравлическую активность к оксидам, снижающим ее:

К = (СаО + А1₂О₃ + MgO): (SiO₂ + TiO₂).

К активным относятся золошлаковые материалы (ЗШМ) поволжских сланцев, углей Канско-Ачинского угольного бассейна, ангренского угля, некоторых торфов. Общее содержание оксида кальция колеблется в пределах 20-60%, свободного оксида кальция - до 30%. Такой состав обеспечивает высокие значения модулей основности и силикатного, а также коэффициента качества. ЗШМ от сжигания указанных видов топлива обладают свойством самостоятельно твердеть и могут применяться как самостоятельные вяжущие.

К скрыто активным относятся ЗШМ от сжигания райчихинских, богословских, харанорских, черемховских, хакасских и некоторых других углей. Общее содержание оксида кальция в этих ЗШМ составляет 5-20%, содержание свободного оксида кальция - не выше 2%. Модуль основности составляет не более 5. Как правило, они используются в качестве комплексных вяжущих с активизиторами

К инертным относятся ЗШМ от сжигания экибастузских, подмосковных, кузнецких, донецких, нерюнгринских и других углей Они характеризуются высоким содержанием оксидов кремния и алюминия и низким количеством оксидов кальция и магния. Свободного оксида кальция содержится менее 1%, а в некоторых ЗШМ этой группы его может не быть совсем. В основном их используют в качестве техногенных грунтов.

3. Технические требования к золошлаковым материалам

Основным нормативным документом, в котором приведены и детализированы основные требования к золошлаковым материалам, используемым в дорожном строительстве, а также указания по технологии их применения являются «Технические указания по использованию зол уноса и золошлаковых смесей от сжигания различных видов твердого топлива для сооружения земляного полотна и устройства дорожных оснований и покрытий автомобильных дорог» (ВСН 185-75). Они основаны на обобщенных результатах исследований Союздорнии, его филиалов, Гипродорнии, Госдорнии и ряда других научно-исследовательских организаций с учетом производственного опыта.

ВСН 185-75 предусматривают применение в дорожном строительстве зол уноса и золошлаковых смесей, получаемых от сжигания в котлоагрегатах тепловых электростанций (ТЭС) твердого топлива различного вида (бурого и каменного угля, торфа, горючих сланцев).

При строительстве автомобильных дорог золы уноса сухого отбора используют в качестве активной гидравлической добавки совместно с цементом или известью, а также как самостоятельное медленно твердеющее вяжущее для устройства дорожных оснований и покрытий из укрепленных грунтов и отходов, получаемых при дроблении каменных материалов.

Золошлаковые смеси применяют в качестве материала для сооружения насыпей земляного полотна или малоактивной гидравлической добавки, в сочетании с цементом при укреплении грунтов на дорогах III-IV категорий.

Критерием пригодности золошлаковой смеси для возведения земляного полотна считают их морозостойкость, которая характеризуется величиной относительного морозного пучения (К_пуч). Оно представляет собой отношение вертикальной деформации пучения при промораживании образца к его первоначальной высоте, выраженной в процентах. Степень пучинистости материалов определяют на образцах, выдержанных 7, 28 и 90 сут. золошлаковый материал

По степени морозостойкости золошлаковые смеси классифицируют на непучинистые (К_ПУЧ.<1%), слабо пучинистые (К_ПУЧ=1?3%), пучинистые (К_ПУЧ=3?10%) и сильно пучинистые (К_ПУЧ>10%). Непучинистые и слабо пучинистые золошлаковые смеси применяют при возведении насыпей земляного полотна без ограничений. Пучинистые золошлаковые смеси допускаются при обязательном осуществлении комплекса мероприятий по обеспечению устойчивости земляного полотна, особенно верхних его слоев, находящихся в зоне промерзания. К таким мероприятиям относятся:

- назначение крутизны откосов с учетом возможности механизированного планирования, уплотнения и укрепления поверхности откосов или устройства защитных слоев на откосах насыпи;

- применение морозозащитных слоев в верхней части земляного полотна;

- устройство дренажа или капилляропрерывающих слоев;

- устройство берм и изолирующих слоев в основании земляного полотна;

- укрепление обочин земляного полотна и устройство требуемого водоотвода в процессе послойного возведения земляного полотна.

Сильно пучинистые золошлаковые смеси для возведения насыпей земляного полотна не допускаются.

Золошлаковые смеси, применяемые как малоактивная гидравлическая добавка в сочетании с цементом или известью для укрепления грунтов, должны содержать частицы размером: мельче 0,071 мм - более 60%, крупнее 2 мм - не более 5%; п.п.п. - не более 10%.

Для укрепления золами сухого улавливания в качестве самостоятельного вяжущего или как компонента смешанного вяжущего, а также золошлаковыми смесями в сочетании с цементом пригодны:

- крупнообломочные несцементированные грунты, включая различные естественные смеси;

- отходы, получаемые при дроблении каменных материалов;

- пески фавелистые, пески крупные, средние, мелкие, в том числе пылеватые, а также однородные мелкие;

- супеси всех разновидностей;

- легкие суглинки.

Водородный показатель (рН) всех видов фунтов должен быть не ниже 4. Общее содержание легкорастворимых солей в обрабатываемых грунтах допускается не более 3% (по массе грунта) при сульфатном засолении и не более 5% - при хлоридном.

Содержание зол уноса сухого отбора, применяемых в качестве самостоятельного вяжущего или активного компонента, назначают не менее:

- 20% (массы смеси) - при использовании золы в первом случае;

- 15-20% - во втором, в сочетании с 4-6% цемента, 5-8% - с известью.

Количество зол уноса или золошлаковых смесей, не отвечающих требованиям табл. 7, должно быть не менее 15-25% совместно с 5-10% цемента.

Для повышения прочностных показателей укрепления грунтов вводят 4-6% (массы золы) хлористого кальция.

Для укрепления легких суглинков содержание золы должно составлять не ниже 25% (массы смеси). Морозостойкость таких укрепленных грунтов можно повысить добавкой каустической соды 0,7-1% массы сухого грунта.

ГОСТ 25818-91 «Золы-уноса тепловых электростанций и бетонов» предусматривает применение зол уноса сухого отбор в качестве компонента для приготовления тяжелых, легких, ячеистых бетонов и строительных растворов. Кроме того, они используются в качестве тонкомолотой добавки для жаростойких бетонов и минеральных вяжущих. Золы подразделяются на кислые (до 10% оксида кальция) и основные (более 10%). При этом нормируются:

- содержание оксида кальция, оксида магния, сернистых; сернокислых соединений в пересчете на SО₃, щелочных оксидов в пересчете на Na₂O;

- потеря массы при прокаливании;

- удельная поверхность;

- остаток на сите № 008;

- влажность золы - не более 1% по массе

- величина суммарной удельной активности естественных дионуклидов.

ГОСТ 25592-91 «Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов» распространяется на золошлаковые смеси гидроудаления, применяемые в качестве компонента при приготовлении строительных растворов, а также тяжелых, легких и ячеистых бетонов для сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций и изделий.

Золошлаковые смеси состоят из шлакового песка (размер зерен от 0,315 до 5 мм) - и шлакового щебня (размер зерен крупнее 5 мм). Нормируются:

- удельная поверхность;

- потеря массы при прокаливании;

- содержание оксидов кальция и магния, сернистых и сернокислых соединений в пересчете на SO₃, щелочных оксидов в пересчете на Na₂O;

- влажность - не выше 15% по массе;

- величина суммарной удельной активности естественных радионуклидов.

Шлаковый щебень золошлаковой смеси должен обладать стойкостью против силикатного и железистого распадов, отвечать требованиям по морозостойкости.

ГОСТ 9128-97 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон» допускает применять в качестве минеральных порошков для пористого и высокопористого асфальтобетона, а также плотного асфальтобетона марок II и III золы уноса и золошлаковые смеси. Для этих материалов нормируются

- зерновой состав;

- пористость;

- водостойкость образцов из смеси порошка с битумом;

- показатель битумоемкости;

- потери при прокаливании;

- содержание активных окислов кальция и магния, а также водорастпоримых соединений.

ГОСТ 23538-94 «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства» предусматривает применение в качестве вяжущего материала золу уноса с удельной поверхностью свыше 150 м^2/кг, содержанием сернистых и сернокислых соединений в пересчете на SO₃ не более 6% и потерями при прокаливании не более 5% по массе.

Золошлаковая смесь, подвергаемая обработке неорганическими вяжущими, должна отвечать требованиям ГОСТ 25592-91. ГОСТ 30491-97 «Смеси органоминеральные и грунты, укрепленные органическими вяжущими, для дорожного и аэродромного строительства» предусматривает возможность применять для приготовления смесей порошковые отходы промышленного производства, которые должны отвечать требованиям ГОСТ 9128-97.

ГОСТ 26644-85 (изменение № 1 от 2000 г.) устанавливает требования к щебню и песку, образующимся при сжигании углей на тепловых электростанциях. Их применяют в качестве заполнителей для тяжелых и легких бетонов сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений. Стандарт не распространяется на бетон для дорожных покрытий. Нормируются:

- зерновой состав;

- насыпная плотность;

- химический состав (потеря массы при прокаливании, содержание сернистых и сернокислых соединений в пересчете на SО₃, содержание свободного кальция).

Щебень должен обладать стойкостью против силикатного и железистого распадов

4. Отечественный и зарубежный опыт применения зол и золошлаковых смесей в дорожном строительстве

Отходы от сжигания твердого топлива на ТЭС широко используются при строительстве автомобильных дорог как в России, так и за рубежом. Ниже приведены следующие области их применения:

Зола сухого отбора

- медленнотвердеющее самостоятельное вяжущее для устройства оснований дорожных одежд из укрепленных грунтов и каменных материалов;

- активная гидравлическая добавка в сочетании с неорганическими вяжущими (цементом или известью) для устройства оснований;

- активная гидравлическая добавка в сочетании с битумными или полимерно-битумными вяжущими;

- составная часть минерального порошка или для его замены при приготовлении асфальтобетонной смеси;

- добавка взамен части цемента и заполнителя при приготовлении тяжелого бетона и раствора;

отвальные золошлаковые смеси гидроудаления;

- техногенный грунт для сооружения дорожных насыпей;

- материал, укрепленный цементом или другими вяжущими, для устройства оснований и дополнительных слоев дорожных одежд;

- малоактивная гидравлическая добавка к извести при приготовлении золоизвестковых вяжущих для укрепления грунтов и каменных материалов;

- взамен минерального порошка и частично песка при приготовлении асфальтобетона;

- заполнитель при приготовлении тяжелого песчаного бетона. При применении зол и золошлаковых смесей достигается следующая экономия цемента:

- при использовании активных зол уноса сухого отбора в качестве самостоятельного медленно твердеющего вяжущего - 100%;

- при использовании малоактивных зол уноса сухого отбора в качестве добавок к цементу - до 50%;

- при укреплении цементом золошлаковых смесей гидроудаления (вместо естественных песчаных грунтов или в качестве добавок к ним) - 20-30%.

Применение зол сухого улавливания в качестве самостоятельного медленно твердеющего вяжущего материала или гидравлической добавки к цементу или извести

Большая эффективность применения сухих зол в качестве самостоятельного вяжущего наблюдается при укреплении гравийно-песчаных и песчаных грунтов, а также супесей.

Комплексными вяжущими с активными компонентами в виде золы укрепляются песчано-щебенистые грунты, получаемые при дроблении малопрочных известняковых и песчанистых (либо других) пород, дресва изверженных и метаморфических пород, отходы камнедробления или крупнообломочные отходы промышленных предприятий. Исследовалось укрепление связных грунтов (суглинков и глин с числом пластичности до 21) золой с добавками химических веществ либо как компонента комплексного вяжущего.

Как было показано выше (см. разд. 2) активность сухих зол определяется их дисперсностью и химико-минералогическим составом. Гидравлическая активность зол обусловлена наличием свободной СаО, определяющей высокое значение рН их водных вытяжек (отношение золы к воде 1:10). Как показали исследования [14], образцы золы горючих сланцев Эстонии, содержащие 6,3% свободной СаО, имели прочность при сжатии в возрасте 28 сут - 7,2 МПа, в 90 сут - 9,8 МПа, 180 сут - 12,3 МПа, к году - 13,6 МПа. Ангренская зола бурых углей, содержащая 3,3% свободной СаО, в возрасте 28 сут имела прочность 18,7 МПа, к году - 96,7 МПа.

В табл. 9 приведены результаты определения активности зол Канско-Ачинских бурых углей [11]. Активность этих зол устанавливали испытанием образцов, твердевших в нормальных условиях в течение 7, 28 и 90 сут. Образцы-цилиндры диаметром и высотой 5 см изготавливали из золы, увлажненной до оптимальной влажности, путем прессования под нагрузкой 150 кгс/см² в течение 3 мин

В табл. 10 приведены результаты укрепления мелкого песка различными золами сухого улавливания, содержащими 5-20% свободной СаО. По классификации, приведенной в п. - 2.2, эти золы относятся к активным.

Из табл. 10 видно, что наиболее активно увеличивается прочность в интервале 90-180 сут, но не наблюдается прямой пропорциональной зависимости этого процесса от содержания свободной окиси кальция. Определение прочности образцов в водо-насыщенном состоянии показало, что эти золы сухого улавливания являются эффективным самостоятельным медленно твердеющим минеральным вяжущим табл. 11 даны результаты укрепления мелкого песка неактивными золами от сжигания экибастузского каменного угля и донецкого антрацита. Эти золы не содержат свободной окиси кальция. Использование таких зол в качестве добавки к цементу обеспечивает существенную экономию последнего. Введение в смесь 10% золы от сжигания экибастузского каменного угля позволило уменьшить количество цемента на 40% и получить образцы в 90-суточном возрасте с такой же прочностью, как и при укреплении песка одним цементом. При добавлении 20% золы расход цемента можно уменьшить в 2 раза.

Использование в качестве добавки к цементу 10% золы от сжигания донецкого антрацитового угля позволяет сократить расход цемента в среднем на 50%.

Приведенные данные показывают, что не всегда содержание СаО влияет на скорость упрочнения и разупрочнения активных зол и не является единственной характеристикой их активности. Более того, при хранении активных зол на воздухе их активность снижается за счет процессов гидратации и карбонизации свободных СаО.

Сызранская зола горючих сланцев, содержащая 4,1% свободной СаО, в возрасте 28 сут имела прочность 10,2 МПа, в 3 мес. - 17 МПа. Однако в дальнейшем наблюдается разуплотнение зольного камня и в 6 мес. прочность составила 9,3 МПа, в год - 5,7 МПа. По результатам валового химического анализа установлено наличие в составе этой золы закисного железа, сульфитной серы (в виде пирита), а также гипса. Наличие трехкальциевого алюмосиликата способствует быстрому упрочнению, а окислительно-восстановительные процессы и формирование гидроалюмосиликатов кальция высокой основности при избытке гипса вызывают разупрочнение зольного камня через 3 мес. и более.

Проведенными исследованиями показано, что в активных золах присутствуют силикаты, алюминаты и ферроалюминаты кальция различной основности, которые могут гидратироваться с различной скоростью. В буроугольных золах обнаружены СаS, Са₂S и С₃А, что позволяет проводить аналогию между процессами структурообразования в зологрунтовых и цементогрунтовых смесях на определенных стадиях их твердения.

В сухой золе нормируются содержание свободной окиси кальция, сернистых и сернокислых соединений, количество несгоревших частиц и степень дисперсности. Было установлено [13], что при содержании в золе свободной извести в количестве 15% и более наблюдается снижение морозостойкости укрепленные песчаных грунтов. Объясняется это возникновением и развитием при твердении золы гидросульфоалюминатных кальциевых структур, которые создают защитные пленки на частицах вяжущего и выступают как замедлители схватывания. Высокое содержание свободной окиси кальция создает условия для пересыщения, при котором кристаллизация гидросульфоалюмината сопровождается большим кристаллизационным давлением, что снижает прочность образующихся структур. Кроме того, в результате гидратации и карбонизации образуется карбонат кальция, который не морозостоек.

Для получения требуемой морозостойкости при применении зол с содержанием свободной извести выше 15% необходимо вводить химические добавки. Установлено [12], что введение 3-5% (массы золы) хлористого кальция значительно увеличивает морозостойкость укрепленного песчаного грунта как в ранние сроки твердения (28 сут), так и в более поздние (до 1 года) сроки хранения образцов. В растворах хлористого кальция резко ускоряются реакции образования гидросульфоалюмината и кинетика нарастания прочности. Ускоряются также процессы твердения других силикатов кальция.

Другой важной характеристикой гидравлической активности сухих зол является наличие минералов, близких по составу к клинкерным минералам портландцемента, - CaO, MgO, SiO₂, Аl₂Оз Fе₂Оз, К₂О, Na₂O (см. табл. 2). Активность зол и процессы упрочнения зологрунтов зависят и от формы окислов - свободные, закисные, связанные в силикаты с различной основностью.

Рассчитанные гидравлические модули активных зол свидетельствуют о сближении их гидравлической активности с глиноземистым цементом, а значения кремнеземистого и глиноземистого модулей - с их величинами для портландцемента.

Вместе с тем валовой химический анализ установил насыщенность активных и (тем более) неактивных сухих зол окисью кальция по сравнению с цементами. Это позволяет активизировать золы добавлением извести в виде СаО или Са (ОН)₂ и цемента к неактивным золам и кальциевых электролитов и других веществ - к активным.

Проведенные исследования и практика строительства показали, что для укрепления песчаных грунтов эффективно цементозольное вяжущее, а суглинистых грунтов - известково-зольное.

Так, песок, укрепленный 4-8% (массы смеси) сланцевой золы уноса, применялся для устройства обочин [44]

Зола уноса Владимирской ТЭЦ [46], примененная в качестве компонента вяжущего при укреплении грунтов, позволяет снизить расход цемента на 20% и обеспечить требуемые физико-механические свойства укрепленного грунта. В работе [51] описан опыт применения зол уноса Владимирской ТЭЦ при укреплении малопрочных известняков. На строительстве автомобильной дороги Ладога-Лунево слой известнякового щебня, укрепленной негашеной известью и золой уноса, укладывали на песчаное основание. Поверх укрепленного грунта устраивали двойную поверхностную обработку.

Хорошие результаты получены и при укреплении известнякового щебня цементом с добавкой золы уноса.

По эффективности укрепления зольными вяжущими грунты располагаются в следующем порядке [55]:

- тяжелые суглинки (Ч._П.=12?17);

- легкие суглинки (Ч._П.=7?12);

- супеси (Ч._П.=1?7);

- пески, глины (Ч._П.=17?25).

Для повышения морозостойкости и прочности грунтов, укрепленных золой уноса, вводят добавки-активаторы - хлористый кальций и каустическую соду.

Имеется опыт применения зол уноса в бетонных смесях для устройства цементобетонных покрытий в условиях Сибири [75], что позволяет

- улучшить связанность бетонной смеси;

- снизить расход цемента на 30-40% по сравнению с обычным бетоном для получения равнопрочного по изгибу материала [39]

- улучшить трещиностойкость бетона.

Укатанный бетон с добавками золы уноса до 30% обладает достаточно высокой стойкостью к шелушению.

Зола в бетоне выполняет роль активной минеральной добавки, а также микронаполнителя, улучшающего структурообразующие свойства смеси [56]. При введении золы в оптимальном количестве водопотребность бетонной смеси практически не изменяется.

Зола в растворах и бетонах [40] используется:

- как добавка в обычный и гидротехнический бетоны, выступая в качестве заполнителя цемента и песка или взамен части цемента;

- при производстве пористого заполнителя (зольного гравия);

- как добавка в цементные растворы для нагнетания при ремонтных работах;

- в качестве гидравлической добавки при производстве цемента;

- как добавка при производстве кирпича.

Применение зол сухого улавливания в качестве добавки к битумам или полимерно-битумным вяжущим

Исследования и опыт строительства [16] показали, что грунт, укрепленный зольно-битумным вяжущим, можно использовать в качестве слоев оснований под покрытия капитального типа или покрытий на дорогах III-V категорий во II-III дорожно-климатических зонах. Для обработки применяют: песчано-гравийные смеси, пески различного зернового состава, в том числе однородные, и супеси, в том числе пылеватые.

В качестве органических вяжущих используют битумные пасты (на известковом эмульгаторе) и сырые нефти, в том числе высокосмолистые.

В зависимости от требуемой прочности и назначения укрепленного грунта в конструкции дорожной одежды рекомендуются следующие дозировки вяжущих материалов (по массе грунта):

- зола уноса - не менее 15%;

- известково-битумная паста - 4-5% (в пересчете на битум);

- нефть - 4-6%.

Приготовление укрепленного грунта осуществляется по традиционной технологии: либо в стационарных условиях, либо на месте производства работ с применением грунтосмесительных машин. Уход за готовым слоем укрепленного грунта производят розливом битумной эмульсии: 0,8-1 л на 1 м² поверхности укрепленногo материала.

Сухие сланцевые золы применяли для приготовления битумоминеральных смесей при строительстве дорожных покрытий и оснований [17]. В состав смесей входили щебень из природного камня или гравия, гравий и песчано-гравийные смеси. Кроме того, можно включать природный, дробленый, а также шлаковый пески. Допускается использовать отсевы продуктов дробления горных пород и гравия, а в качестве вяжущего материала - жидкие нефтяные битумы.

Рекомендуемое содержание сланцевой смолы в зависимости от способа приготовления смеси и ее использования в дорожной одежде составляет 5-12% массы минеральной части смеси

Получаемые смеси, содержащие сланцевую золу, можно использовать непосредственно после приготовления (теплые смеси) или после хранения в штабелях (складируемые смеси)

Теплые смеси в зависимости от величины водонасыщения подразделяют на плотные (1-3%) и пористые (3-8%) Водонасыщение складируемых смесей - 3-8%.

Исследованиями [34] было установлено, что при укреплении щебеночных и песчаных смесей золой сухого улавливания (10-20% массы смеси) и гудроном (3-4% массы смеси) марки СВ повышаются водо- и морозостойкость укрепленного грунта он отвечает требованиям 1-го класса.

Проведенные исследования [37] показали, что пески, укрепленные битумной пастой (4% эмульгированного битума от массы песка) и золой уноса (15-20%), характеризуются ускоренным формированием структуры, повышенными плотностью, прочностью и морозостойкостью. Уже в возрасте 28 сут. песок, укрепленный зольно-битумным вяжущим, имел прочность при сжатии в водо-насыщенном состоянии 50 кгс/см², после 25 циклов замораживания-оттаивания - 20-30 кгс/см². Увеличилась деформативная способность, особенно при отрицательных температурах.

Глинистый грунт, укрепленный зольно-битумным вяжущим, имеет низкие водонасыщение и набухание.

Введение битумных вяжущих в зологрунты позволяет:

- оптимизировать процессы твердения последних во времени;

- использовать золы с различным содержанием свободной СаО;

- снижать расход золы на 10% (массы грунта);

- расширять номенклатуру укрепляемых грунтов за счет использования суглинков и глин.

Работами [67] установлена эффективность добавки сланцевой золы (2-4,5 % массы смеси) в сочетании с ФПС (фосфополугидрат сульфата кальция) для укрепления грунтов. Применение этого комплексного вяжущего позволяет уже после 28 сут. твердения получить материал, отвечающий требованиям 1 класса прочности.

Применение золошлаковых смесей для устройства земляного полотна

Золошлаковые материалы, которые согласно ГОСТ 25100-95 являются техногенными грунтами, можно использовать для возведения земляного полотна автомобильных дорог. Однако необходимо учитывать, что некоторые свойства этого материала (неоднородность состава, способность к набуханию и морозному пучению, наличие несгоревших частиц топлива) могут оказать негативное влияние на его долговременную безаварийную работу. Поэтому следует разработать специальные конструктивные и технологические мероприятия, чтобы исключить (или по крайней мере смягчить) такое воздействие.

Золошлаковые смеси из отвалов ТЭС впервые применены для возведения земляного полотна при строительстве подъездных дорог в районе городов Тверь, Воркута и др. [24]. Методы и технология использования золошлаковых смесей для сооружения земляного полотна автомобильных дорог исследовались в Союздорнии, Гипродорнии, научных центрах Белоруссии, Украины, Казахстана, Узбекистана. За основной критерий пригодности золошлаковых смесей в качестве материала для возведения земляного полотна была принята их морозостойкость (степень пучинистости), устанавливаемая по величине относительною морозного пучения [23] Наиболее однородными (и пригодными) признаны каменноугольные золошлаковые смеси. Установлено, что величина относительного морозного пучения торфяных, буроугольных золошлаковых смесей и золы уноса составляет 3,4-7,4%, каменноугольных- 1,5-3%. Кроме того, золошлаковые смеси обладают хорошей способностью к уплотнению.