Анализ перспективности применения золы-уноса в технологии геополимеров

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Анализ перспективности применения золы-уноса в технологии геополимеров

Коровкин М. О

Проведен анализ факторов, определяющих развитие промышленного производства геополимерных бетонов. Показано, что технология геополимеров имеет рад преимуществ в сравнении с портландцементными бетонами. Рассмотрены перспективные области применения геополимерного бетона.

Ключевые слова: геополимерный бетон, зола-унос, преимущества, технология, области применения.

ANALYSIS OF PROSPECTS FOR USING OF FLY ASH IN TECHNOLOGY OF GEOPOLYMER

Korovkin M.O., Volodin V.M., Eroshkina N.A., Chamurliyev M.Yu., Lavrov I.Yu.

An analysis of factors determining the development of industrial production of geopolymer concretes was carried out. It was shown that the technology of geopolymer have advantages in comparison with Portland cement concrete. The promising fields of using of geopolymer concrete were considered.

Keywords: geopolymer concrete, fly ash, advantages, technology, application.

Геополимерные вяжущие относятся к числу наиболее перспективных направлений развития ресурсосберегающих технологий строительных материалов. Это связано с возможностью использования в производстве геополимеров крупнотоннажных промышленных отходов - шлаков, зол уноса, побочных продуктов горной промышленности [1, 11].

Важной особенностью доменных гранулированных шлаков и золы-уноса является наличие в их составе алюмосиликатных стекловидных фаз способных твердеть при щелочной активации в нормальных условиях и при тепловой обработке. Образование в этих отходах стекловидных фаз обусловлено быстрым охлаждением алюмосиликатных расплавов. Использование для получения вяжущих материалов, которые ранее были подвергнуты высокотемпературному воздействию, является основным фактором, обеспечивающим энергетическую эффективность использования шлаков и зол в качестве минеральных добавок в портландцемент, а также для производства безобжиговых вяжущих на их основе.

В качестве сырьевого материала для получения геополимерного бетона наибольший интерес у исследователей вызывает зола-унос, которая может применяться как самостоятельно, так и с добавкой доменного гранулированного шлака [1, 3, 5, 6, 9,10].

Свойства золы зависят от состава угля и условий его сжигания и охлаждения [1]. При быстром охлаждении образуются золы с повышенным содержанием стекловидной фазы, имеющие сферические частицы и аморфный состав. При медленном охлаждении в золе возрастает содержание малоактивных кристаллических фаз.

На основе опыта использования зол уноса в различных странах принята своя классификация этих материала [1, 5, 9], которая обычно основана на содержании оксида кальция и степени основности (см. рис.1). В соответствии с американским стандартом ASTM C618-12a золаунос по содержанию оксида кальция подразделяется на высококальциевую (добавка класса С) и низкокальциевую (добавка класс F). В российском стандарте ГОСТ 31108-2016 зола подразделяется на основную и кислую.

В высококальциевой золе-унос, полученной из бурого угля, содержится свыше 20 % CaO, суммарное содержание оксидов SiO2, Al2O3 и Fe2O3 составляет от 50 до 70 %. Низкокальциевая зола класса F на основе антрацитового или каменного угля содержит менее 10 % CaO, а остальное

- это оксиды кремния, алюминия и железа. По классификации канадского стандарта СSA -A300003 золы по содержанию оксида кальция делятся на три вида (см. рис.1).

В составе золы-уноса могут встречаться элементы, образующие токсичные вещества - Ti, V, Cr, Mn, Co, Pb и др. [1]. Это требует экологичных способов применения золы или ее безопасного складирования в отвалах.

Рисунок 1. Классификация зол уноса, используемых при производстве геополимерных строительных материалов по американскому (ASTM C618) и канадскому стандартам (СSA -A3000-03) и ГОСТ 31108-2016 [1, 9]

Возможности развития технологии геополимерных материалов в различных странах определяются не только объемом производства и составом золы или научно-техническим потенциалом национальных экономик. Большое значение имеют объемы золы, которые еще не находят применения в различных отраслях. Так в некоторых странах Западной Европы производятся значительные объемы золы (рис. 2), но в настоящее время в этих странах уже сформировалась индустрия, основанная на использовании в качестве сырья отходов сжигания угля. Как видно из данных диаграммы на рис. 3 большая часть золы в странах западной Европы уже используется. В этих условиях предприятиям, производящим геополимерные строительные материалы на основе золы, придется конкурировать на сложившемся рынке золы, что приведет к повышению издержек.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 2. Производство золы-уноса в странах Западной Европы по данным [2]

В некоторых странах - Китае, Индии, США большое количество золы не находит применения (рис. 3). В связи с этим, а также большим числом исследований, посвященных разработке технологии геополимерных строительных материалов, которые ведутся в этих странах можно с уверенностью прогнозировать создание в этих странах индустрии этих материалов. В России также значительная часть золы не используется, что является хорошей предпосылкой для создания и развития отрасли геополимерных материалов.

Для анализа положения на рынке золы и возможных изменений с точки зрения использования этого продукта в других отраслях важно рассмотреть структуру его использования в странах, которые относятся к наиболее крупным производителям золы - Китае и Индии, а также в Европе.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 3. Ежегодное производство и использование золосодержащих продуктов в различных странах мира по данным [1, 7-9]

Таблица 1. Использование золы-уноса в развивающихся странах и Европе по данным [7, 8]

Как видно из данных в таблице 1 одно из основных направлений использования золы - получение добавок в цемент и бетон, то есть при развитии технологии геополимерных строительных материалов область применения остается прежней, а изменяется лишь способ активации вяжущих свойств золы.

Эффективность применения золы-уноса в технологии геополимерного бетона зависит от ее состава, содержания несгоревшего угля и дисперсности.

В качестве источника золы-уноса в технологии геополимеров наиболее перспективной признается низкокальциевая зола с аморфной структурой [1, 5, 9], которая является реакционноактивной в щелочной среде. Использование этого вида золы обеспечивает высокие прочностные свойства, коррозионную стойкость и долговечность бетона. Применение высококальциевой золыуноса класса С значительно ускоряет сроки схватывания и может вызвать снижение прочности геополимерного бетона в более поздние сроки твердения. Для снижения этого негативного влияния высококальциевой золы, в состав геополимерного вяжущего вводят замедлители - например, оксид бора [1]. При совместном использовании высококальциевой золы-уноса и добавки доменного гранулированного шлака, активация процесса твердения раствором NaOH позволяет повысить прочность и темпы ее набора, а также уменьшить усадку геополимерного бетона [1, 5].

Для использования в технологии бетонов содержание несгоревшего угля в составе золыуноса по требованиям разливных стандартов не должно превышать 5 %. При нарушении этого требования возможно снижение прочности и повышение пористости геополимерных материалов [3].

Дисперсность золы-уноса влияет на ее водопотребность и прочность геополимерных материалов. С повышением дисперсности свыше 450 м2/кг значительно повышается водопотребность растворной смеси и снижается прочность бетона [1, 5].

Получение геополимерного вяжущего на основе золы-уноса происходит в результате разрушения структуры алюмосиликатных минералов в щелочной среде с последующим их растворением и полимеризацией продуктов реакции [1].

В качестве активаторов процесса твердения могут применять как гидроксиды щелочных металлов - натрия и калия, так и их силикаты. При использовании низкокальциевой золы эффективно применение растворимого стекла совместно с щелочью, а для высококальциевой золы - растворов щелочных гидроксилов.

Важное значение в зависимости от вида золы-уноса, щелочного активатора, а также наличия добавки шлака имеют условия твердения геополимерного бетона. При использовании в качестве активатора твердения высококальциевой золы совместно с добавкой шлака щелочных растворов (с концентрацией 10-16 М) твердение может проходить как в нормальных условиях, так и в ходе тепловлажностной обработки при температуре 60-90 °С в течение 24-48 часов [3, 5]. Твердение геополимерного бетона на основе низкокальциевой золы, активированной растворимым стеклом и щелочью, происходит только при длительной тепловой обработке при температуре 40-80 °С в течение 24-72 часов [1].

Известно три основных способа приготовления бетонной смеси на геополимерном вяжущем на основе золы-уноса [1, 3, 4, 10]:

приготовление раствора активатора, смешивание в сухом виде заполнителей и золыуноса, введение в сухую смесь активатора, перемешивание. зола геополимер бетонный

приготовление раствора активатора, введение золы, перемешивание, введение добавки шлака, перемешивание, введение мелкого заполнителя, перемешивание, введение крупного заполнителя, перемешивание.

приготовление раствора активатора, введение золы, перемешивание, введение заполнителей, перемешивание.

В зависимости от консистенции геополимербетонной смеси перемешивание может осуществляться в бетоносмесителях принудительного или гравитационного действия. Каждая операция перемешивания составляет в среднем по 3-5 мин. После приготовления бетонной смеси формуются изделия, которые подвергаются тепловой обработке или твердеют в нормальных условиях.

Получаемый на основе золы-уноса геополимерный бетон по сравнению с обычным портландцементным бетоном имеет большие преимущества по эксплуатационным свойствам. Прочность при сжатии геополимерного бетона составляет 45-100 МПа. Геополимерный бетон обладает высокой коррозионной, морозостойкостью, долговечностью, низкой усадкой и огнестойкостью [1, 3, 5].

В настоящее время во многих странах мира ведутся опытно-промышленные исследования геополимерного бетона на основе золы. Согласно данным авторов [1, 6, 10] геополимеры могут найти применение в различных отраслях промышленности - при изготовлении монолитного бетона, в сборных железобетонных конструкциях, а также в конструкциях из высокопрочного бетона для строительства дамб, туннелей, высотных зданий, сооружении износостойких покрытий аэропортов и гоночных трасс. Одной из рациональных областей применения геополимеров является строительство резервуаров для хранения токсичных отходов.

Применение золы-уноса в технологии бетона позволяет лишь из 1 тонны этого промышленного отхода произвести 2,5 м3 геополимерного бетона [5]. Это может существенно снизить стоимость бетона, а также привлечь строительные предприятия к промышленному освоению технологии геополимеров. Еще одним фактором реализации технологии геополимеров является снижение лимитов на выбросы углекислого газа.

Наряду с преимуществами геополимерного бетона необходимо отметить и факторы, ограничивающие его применение:

использование дорогостоящего активатора, стоимость которого в составе бетона может достигать 50-60 %;

низкая ударная стойкость, что обуславливает необходимость армирующих волокон;

отсутствие данных по испытанию геополимерного бетона в условиях повышенной влажности и высыхания;

недостаточно исследована прочность сцепления арматуры с бетоном.

Выводы

Проведен анализ производства и применения золы-уноса в различных странах по отраслям промышленности. Установлено, что необходимо рационально использовать золу-унос с учетом ее состава в технологии геополимерного бетона. Показано, что зола имеет значительные экологические преимущества по сравнению с портландцементом. Геополимерные бетоны обладают высокой прочностью, долговечностью и низкой усадкой и не уступают по техникоэкономическим свойствам портландцементному бетону. Рассмотрены перспективные области применения геополимерного бетона.

Список литературы

Davidovits J. Geopolymer Chemistry and Applications. 4th ed. Saint Quentin, GeopolymerInstitute, 2015. 644 p.

Handbook of Environment & Waste Management / Yung-Tse Hung, N.K. Shammas, L.K. Wang. - World Scientific, 2014. Vol. 2. - 1114 p.

Jaarsveld J. G. S., Deventer J.S. J., Lukey G.C. The effect of composition and temperature on the properties of fly ash and kaolinite-based geopolymers // Chemical Engineering Journal. 2002. Vol. 89. Iss.1-3. Р.63-73.

Joseph B., Mathew G. Influence of aggregate content on the behavior of fly ash based geopolymer concrete // Scientia Iranica. 2012. Vol. 19, Issue 5. P. 1188-1194.

Rangan B. V., Hardjito D., Wallah S.E., Sumajouw D.M.J. Fly ash-based geopolymer concrete:

a construction material for sustainable development // Concrete in Australia. 2005. №. 31. P. 25-30.

Srinivasan K., Sivakumar A. Geopolymer Binders: A Need for Future Concrete Construction //ISRN Polymer Science. 2013. Article ID 509185. 8 p.

Surabhi. Fly ash in India: Generation vis-а-vis Utilization and Global perspective // International Journal of Applied Chemistry. 2017. Vol. 13, №. 1. P. 29-52.

Vilamovб Љ., Piecha M. Economic evaluation of using of geopolymer from coal fly ash in the industry //Acta Montanistica Slovaca. 2016. Vol. 21, № 2. P. 139-145.

Wattimena O. K., Antoni, Hardjito D. A review on the effect of fly ash characteristics and their variations on the synthesis of fly ash based geopolymer // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1887, Issue 1. 12 p.

Zerfu K., Ekaputri J.J. Review on Alkali-Activated Fly Ash Based Geopolymer Concrete // Materials Science Forum. 2016. Vol. 841. P. 162-169.

Ерошкина Н. А., Коровкин М.О. Геополимерные строительные материалы на основе промышленных отходов: монография. - фПенза: ПГУАС, 2017. - 128 с. Размещено на Allbest.ru