ГлавнаяМокрые золы и котельные шлаки представляют собой остатки из топочного пространства, дополнительных обогреваемых поверхностей, дожигательной решетки, а также получаются при предварительной механической очистке (грубая очистка) дымовых газов; они сливаются из наполненных водой резервуаров. На электростанциях ГДР используется преимущественно бурый уголь в пылеугольных топках для производства пара и энергии. Ежегодно получаемое в ГДР количество буроугольной золы составляет 18—20 млн т, из них 70—90% сухих зол и 10—30% мокрых. Реализуется около 30%.
Золы электростанций — существенный резерв сырьевых материалов для производства цементобетона. В зависимости от их состава они используются как тонкий заполнитель (микронаполнитель) и как вяжущее. Целью усиленной реализации зол в строительстве является замена ими природных сырьевых материалов для снижения транспортных затрат, повышения экономии материалов, снижения непроизводительных затрат на их хранение.
Свойства летучих зол и требования к ним
"Летучие" золы (золы-уносы) значительно отличаются друг от друга в зависимости от сжигаемого угля. Так, каменноугольные золы более однородны по своему составу, чем золы бурых углей (рис. 5.1), и содержание сульфатов в них, как правило, ниже. "Летучие" золы от сгорания каменного угля получаются главным образом в виде стекловидных шарообразных частиц с зерновым составом, аналогичным цементному; Благодаря этому они могут улучшать удобоукладываемость свежего бетона и в большей или меньшей степени снижать водопотребность при той же консистенции. "Летучие" золы от сгорания бурого угля, напротив, из-за неправильной формы зерен часто требуют повышенного расхода воды.
Часть зол-уноса практически инертна (тончайшие заполнители), другая часть обладает пуццолановыми свойствами и при достаточном влажном хранении бетона способствует образованию цементоподобной матрицы. Следует помнить, что состав и свойства зол, особенно от сгорания бурого угля, не отличаются постоянством, и при комбинации зол с цементом могут вызвать значительный разброс основных свойств бетона. Поэтому необходимы испытания на пригодность.
Для применения в качестве вяжущего буроугольных зол-уносов существенны их химический и минералогический составы, а также гранулометрический. Сухие золы могут быть классифицированы по их химическому составу в зависимости от использованного бурого угля следующим образом:
- основные сухие золы с высоким содержанием CaO (около 30% по массе) из района западной Эльбы);
- богатые кремнекислотой сухие золы с высоким содержанием SiO2 (> 50% по массе) и средним содержанием Al2O3 и Fe2O3 (около 10% по массе) из Нидерлаузитц;
- алюмосиликатные сухие золы с высоким содержанием SiO2 (около 50% по массе) и Al2O3 (около 30% по массе) из Оберлаузитц.
► Гидравлическое и пуццолановое действие
Для использования сухих зол имеют значение их гидравлические и пуццолановые свойства. Основные сухие золы вследствие наличия в них гидравлически активных фаз, особенно силикатов, алюминатов и ферритов кальция, обладают собственными вяжущими свойствами. Богатые кремнекисло-той и алюмосиликатные сухие золы действуют в цементном камне как пуццоланы. Благодаря этому повышается степень гидратации цементного камня, а также прочность его и плотность.
Наличие пуццоланов в золах-уноса обусловливает прежде всего увеличение объема заполненных водой капиллярных пор, необходимых для гидратации цементной составляющей. Благодаря этому становится возможным повышение степени гидратации, что явствует из развития температуры и поверхности по ВЕТ, а также из результатов определения содержания неиспаряемой воды. Электронномикроскопические исследования показывают» что в раннем возрасте твердения бетона пуццоланы не принимают активного участия в гелеобразовании. Связывание оксида кальция на этой стадии твердения происходит только вследствие адсорбции. В более поздние сроки имеет место активное участие пуццоланов благодаря образованию очень тонких, распространяющихся по всей поверхности реакционных зон, так как частицы прочно встраиваются в цементный гель. Здесь нет химического превращения, а пуццолановые частицы, подобно гидратированным клинкерным фазам, снимают пористость геля и повышают благодаря "опорному" эффекту его прочность. Электронномикроскопические исследования показывают, что и после длительного твердения пуццолановые частицы остаются в цементном камне неизменными, различима лишь очень узкая реакционная зона. Содержание неиспаряемой воды и количество гидроксида кальция также указывают лишь на незначительную гидратацию пуццолановой составляющей. Развитие внутренней поверхности геля, его прочность и плотность к этому моменту существенно выше, чем у чистого портландцемента.
Для применения зол в качестве одного минерального вяжущего или составной части вяжущего решающее значение имеют содержание свободного оксида кальция и общее его содержание, а также содержание серного ангидрида. Если зола-унос бурых углей применяется в качестве вяжущего, то свободная известь может "работать" как кристаллическая затравка, а общее содержание оксида кальция должно составлять минимум 18—20% по массе. При таких условиях наблюдается как быстрое затвердевание бетона, так и хорошее последующее твердение. С другой стороны, при смешивании с цементом содержание свободной извести и сульфатов не должно превышать определенных значений во избежание опасности расширения.
► Потребность в воде затворения
Однозначно повышенный по сравнению с цементом расход воды затворения (табл. 5.1) обусловливают алюмосиликатные и богатые кремнекислотой "летучие" золы бурых углей, поскольку состоят главным образом из пористых, имеющих неправильную форму и сильно структурированную поверхность частиц. Благодаря этому увеличивается и пористость материала. Часть воды связывается адсорбцией. Для практики важно знать, что повышенная потребность в воде затворения не должна ухудшать свойств твердеющих зол. Опыт работы с цементом при таких высоких водовяжущих отношениях не может быть использован, так как часть воды, адсорбционно-связанная вода, из-за повышенной водоудерживающей способности используется неэффективно.
► Tребования к качеству зол
Свойства зол, особенно буроугольных летучих зол, колеблются. Колебания свойств можно уменьшить посредством гомогенизации. Это имеет место, например, в комбинации с получением из зол ценных веществ (например, железорудного концентрата). Достигается это разделением на фракции.
Известен способ центробежного воздушного сепарирования. Разделение смесей твердых веществ происходит с помощью воздушного потока, в который подается смесь, причем мелкие частицы уносятся потоком, тогда как крупные осаждаются. Другая возможность гомогенизации золы и облегчения перевозок состоит в гранулировании ее при ограниченном количестве воды. Требования к зерновому составу смешанных зол как тонкого заполнителя приведены в табл. 5.2.
Золы гидроудаления и золошлаки
Золы гидроудаления — "мокрые" золы (табл. 5.3 и 5.4) и котельные шлаки в строительстве почти не применяются. Они крупнозернистые и практически не имеют вяжущих свойств, но могут использоваться как балластировочный материал и тонкий заполнитель для цементобетона.
Применение
Использование золы-уноса для производства растворов и бетонов в основном зависит от их вещественного состава, причем качественный и количественный химический и минералогический составы имеют равное значение. Определенная проблема при использовании летучих зол состоит в колебании их состава в относительно широких пределах, что особенно вредно сказывается при использовании их вяжущих свойств. Причины этого многообразны. Даже при поставке на электростанцию угля из одной шахты одной геологической формации химический состав его колеблется, особенно и бурого угля, в широких пределах. Кроме того, часто изменяется режим работы парового котла (избыток кислорода, температура горения, длительность пребывания в топочном пространстве, степень размола угля), вследствие чего, несмотря на одинаковый химический состав, имеются различия в минералогическом составе. Золы с одинаковым химическим, но различным минералогическим составом могут быть причиной отклоняющихся друг от друга свойств растворов и бетонов, изготовленных из этих зол.
В строительном деле используются три основных, более или менее сильно выраженных свойств "летучих" зол:
- вяжущее свойство вследствие содержания составляющих, обладающих щелочной реакцией, оксида кальция в совокупности с гидравлически активными фазами: силикатами, алюминатами, ферритами и сульфатами кальция, обладающими собственными возможностями твердения;
- пуццолановые действия зол, богатых кремнекислотой, и алюмосиликатных зол, которое ведет к повышению плотности и прочности цементного камня при последующем твердении;
- наличие химически инертных составляющих (например, диоксида кремния), позволяющих использовать золы — уноса как тонкий заполнитель (микронаполнитель) для цементобетона.
► Составляющая цемента
Летучие золы похожи на цемент не только по своему виду (окраска, порошкообразное состояние), но и по их составляющим. Это относится прежде всего к содержанию оксида кремния, силикатов кальция и алюмосиликатов, поэтому они могут добавляться к сырьевой муке при производстве цемента при условии соблюдения определенных парам. Последнее относится особенно к допустимым максимальным количествам свободной извести и сульфата. Золы с пуццолановыми составляющими подходят как добавка при помоле и делают возможной экономию цементного клинкера. Опыт показывает, что можно добавлять до 20% по массе буроугольных зол-уносов без существенного влияния на сроки схватывания цемента; более значительные количества вызывают прежде всего замедление схватывания. Золосодержащие цементы часто имеют пониженные начальную прочность и тепловыделение при гидратации, но повышенную водопотребность в зависимости от количества добавленной золы, улучшенную коррозионную стойкость, а также сравнимую с портландцементом морозостойкость. Пуццолановые вяжущие с золами-уноса от сгорания бурых углей находят применение в горном строительстве для закладки штолен.
Особое значение имеют эти золы для производства цементов, обладающих щелочебуферными свойствами, для уменьшения эффекта расширения при взаимодействии щелочей цемента с заполнителями. В ГДР для этих целей имеется портландцемент РХ9/40А, который изготавливается совместным тонким помолом портландцементного клинкера, гипсового и ангидритового камня и алюмосиликатных буроугольных зол-уноса (табл. 5.5). Добавка при помоле должна составлять от 20 до 25% по массе. Использование портландцемента PZ 9 распространяется в основном на северные округа ГДР, месторождения заполнителей в которых содержат щелочечувствительные составляющие.
При использовании "летучих" зол в качестве единственного вяжущего работают с водовяжущим отношением от 0,8 до 1 при удобоукладываемости, сравнимой с удобоукладываемостью цементобетона. Из-за относительно высокого содержания малоактивных в отношении химически обусловленных вяжущих свойств составляющих они часть используют только в качестве тонкого микрозаполнителя.
► Микрозаполнитель
Для оптимизации содержания мучнистых фракций в заполнителе, например в отмытых песках, могут применяться "летучие" золы. Это наиболее важный для зол, богатых кремнекислотой, способ использования при производстве растворов и бетонов. Использование "летучих" зол в качестве микрозаполнителя (табл. 5.6) имеет двоякое действие. Во-первых, улучшается удобоукладываемость бетона благодаря повышению доли мучнистых фракций, и, во-вторых, тончайшие фракции действуют как пуццоланы или в незначительной мере как гидравлические компоненты. Таким образом, "летучие" золы улучшают условия гидратации, структуру образующегося геля и соответственно свойства цементного камня.
В отношении складирования, транспортирования, погрузочно-разгрузочных работ и дозирования для летучих зол справедливы те же основные правила, что и для цемента.
► Изготовление бетона
Золы-уноса пригодны для изготовления неармированного и армированного бетона, кроме напряженного. Золы с высоким содержанием оксида кальция (CaО/SiО2 ≥ 0,8) нельзя использовать с портландцементом PZ2 и РZ3. К примеру, при добавлении буроугольной золы в количестве от 30 до 150 кг содержание цемента снижается на 20—70 кг/м3 бетона, что делает возможным снижение стоимости до 5%. Однако следует учитывать, что зола-унос не причисляется к минимальному необходимому содержанию цемента.
Оправдало себя использование зол в бетонах с низким содержанием цемента (тощий бетон), например, в качестве бетонной основы. Для несущих слоев в дорожном строительстве применяются следующие смеси (пример рецептуры), кг:
При низких наружных температурах процесс твердения замедляется, поэтому существуют ограничения строительства временем года.
► Стабилизация несущих и покровных слоев дорожных покрытий
В состав так называемого минерального бетона без вяжущего, который служит для стабилизации несущих и покровных слоев при строительстве соответствующих дорожных покрытий, могут вводиться с целью предотвращения возможного расслоения изготовленных на центральных смесительных установках смесей летучие золы в количестве до 10% по массе. В этом случае они действуют главным образом как микрозаполнитель. К их качеству особых требований не предъявляется. Другой технологически простой способ применения состоит в том, что зола наносится на неуплотненный слой гравия и здесь смачивается и уплотняется.
► Известково-зольные растворы
Богатые известью золы-уноса используются для получения известково-зольных растворов при экономии гашеной извести. В случае зол с нелучшими вяжущими свойствами ориентируются на то, чтобы заменить золой в растворе максимум половину извести.
Летучие золы с повышенным содержанием извести (например, зола из Тирбаха после дополнительной очистки с содержанием общей извести более 20% по массе при содержании свободной извести 3—4% и серного ангидрида около 5%) могут использоваться в качестве только вяжущего компонента при соотношении вяжущее: заполнитель 1:3 по массе для изготовления штукатурных растворов.
► Пустотелые блоки
К издавна известным и широко распространенным областям применения "летучих" зол бурых углей, как и "мокрых" зол и котельных шлаков, относится изготовление пустотелых блоков, применение которых не требует от бетона значительных прочностей при сжатии. Рецептуры, позволяющие экономить цемент, показаны в табл. 5.7.
► Легкие заполнители
Распространены способы упрочнения исходных материалов спеканием. Сырьевая масса при этом состоит из золы-уноса со специальной добавкой (сульфитный щелок) и глины в качестве вяжущего в количестве от 8 до 20% по массе. Предпочтительны золы, содержащие до 15% по массе несгоревшего угля, благодаря чему снижается расход технологически необходимого топлива. Без дополнительных тепловых затрат легкие заполнители получают гранулированием при добавлении ограниченного количества воды. Спеченный легкий заполнитель (аглопорит) достигает насыпной плотности от 500 до 800 кг/м3 и прочности при сжатии от 1,5 до 5,5 МПа. Применяется для изготовления теплоизоляционного, конструкционного легкого бетона; пригоден для изготовления пустотелых блоков.
► Газобетон
Поскольку способы получения газобетона сравнимы с крупными химическими производствами, использованием летучих зол бурых углей из-за непостоянства их составов представляет большой риск с точки зрения получения заданных парам. Соответствующие испытания зол на пригодность абсолютно необходимы. Однако применение летучих зол бурых углей в принципе возможно при условии достаточно высокого содержания свободной извести и реакционно-способной кремнекислоты и использовании последних в качестве вяжущих компонентов. Кроме того, может быть еще добавлено минеральное вяжущее.
Газобетон, изготовленный по следующей рецептуре, имел прочность при сжатии от 6 до 7 МПа при плотности около 700 кг/м3, кг:
Зола-унос бурого угля — 530
Негашеная известь — 155
Гипс — 20
Эмульгатор — 0,15
Алюминиевая паста — 0,55
Вода — 360.