12,2.Заполнители для бетонов из отходов промышленности. Виды отрасли применения.

Ежегодно тепловые электростанции, работающие на угле, сланце или торфе, дают около 70 млн. т золы. Используется она пока мало. На содержание отвалов тратится не менее 150 млн. руб. в год. Кроме того, под отвалы приходится отводить значительные площади ценных земельных угодий — 300 ... 1500 га возле каждой крупной теплоэлектростанции.

Между тем научные исследования и имеющийся большой производственный опыт показали, что золы тепловых электростанций могут быть эффективно использованы, в частности в качестве мелкого заполнителя для бетонов или как сырье для производства заполнителей.

Зола представляет собой дисперсный материал, в котором размер частиц в основном менее 0,16 мм. Остаток на сите 0,16 мм составляет 20 ... 40%. Частицы имеют пористую структуру. Насыпная плотность сухой золы в зависимости от вида топлива и условий его сжигания может составлять 600 ... 1300 кг/м3.

В качестве мелкого заполнителя золу целесообразно использовать в смеси с природным или дробленым песком, гранулированным шлаком. Это ведет к экономии цемента и улучшению свойств бетона.

В настоящее время зола эффективно может применяться для получения плотного и ячеистого золобетона, в качестве мелкого заполнителя или части его в тяжелых и особенно в легких бетонах.

Затруднения в применении золы связаны с тем, что на тепловых электростанциях используют преимущественно гидроудаление золы. Там, где налажен сухой отбор золы, ее качество и эффективность использования, по данным И. А. Иванова, значительно выше.

В технических условиях на применение золы тепловых электростанций в качестве мелкого заполнителя для конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов (ТУ 21-33-1-73) приведены требования к зерновому составу и содержанию вредных примесей.

Золошлаковое сырье может применяться для изготовления заполнителей как тяжелых, так и легких бетонов. Пористыми заполнителями для легких бетонов служат: шлаки от сжигания антрацита, каменного и бурого углей, торфа и сланцев; золы, щебень и песок из топливных шлаков, аглопорит на основе золы ТЭС, зольный обжиговый и безобжиговый гравий, глинозольный керамзит.

Золошлаковые заполнители. Свойства зол и шлаков зависят от способа сжигания и вида топлива. Оптимальную пористую структуру антрацитовых и каменноугольных шлаков получают при кусковом сжигании, а у шлаков бурого угля — при пылевидном. Недостатком пылевидного сжигания или переработки в газогенераторах антрацита и каменных углей является то, что эти процессы приводят к чрезмерному спеканию и получению в результате этого плотных и тяжелых заполнителей.

По зерновому составу шлак представляет собой механическую смесь зерен крупностью 0,14—30 мм с отдельными включениями более крупных частиц, поэтому ее можно рассматривать как естественную смесь мелкого и крупного заполнителей. В связи с этим шлаки ТЭС целесообразно применять в легких и тяжелых бетонах в качестве основного заполнителя, для частичной замены щебня (20—50%), а также для улучшения гранулометрического состава песков.

Все топливные шлаки можно классифицировать на основные, кислые и нейтральные. Шлаки каменных углей в основном кислые. Шлаки некоторых бурых углей и сланцев, содержащие до 40% СаО и повышенное количество оксидов железа, относятся к основным. Наименее кислыми являются антрацитовые шлаки.

Вредными компонентами шлаков, вызывающими при повышенном количестве разрушение бетона, являются сульфаты и сульфиды. Общее содержание сернокислых и сернистых соединений в пересчете на S03 в топливных шлаках не должно превышать 3% массы, в том числе не более 1% водорастворимых сульфатов и 1% сульфидов. Недопустимо также присутствие в шлаках ТЭС свободного оксида кальция, гашение которого в затвердевшем бетоне может послужить причиной его разрушения.

Так же, как и металлургические, шлаки ТЭС должны быть устойчивы против силикатного и железистого распада. Стойкость против силикатного распада определяют пропариванием и автоклавной обработкой пористого щебня, а железистого — 30-дневным выдерживанием в дистиллированной воде. Потеря массы испытываемых проб не должна превышать 5%.

Металлургические шлаки являются значительным резервом обеспечения строительной индустрии заполнителями для бетонов. Шлаковые заполнители по величине насыпной плотности могут быть тяжелыми (ро > 1000 кг/м3) и легкими (р0 < 1000 кг/м3), а по крупности зерен — мелкими (< 5 мм) и крупными (> 5 мм).

Шлаковый щебень. Шлаковый щебень получают дроблением отвальных металлургических шлаков или специальной обработкой огненно-жидких шлаковых расплавов (литой шлаковый щебень). Для производства щебня в основном применяют отвальные шлаки, сталеплавильные (приемлемые для переработки в щебень), а также медеплавильные, никелевые и другие шлаки цветной металлургии.

К эффективным видам тяжелых заполнителей бетона, не уступающих по физико-механическим свойствам продуктам дробления плотных природных каменных материалов, относится литой шлаковый щебень. При производстве этого материала огненно-жидкий шлак из шлаковозных ковшей сливается слоями толщиной 250—500 мм на специальные литейные площадки или в трапециевидные ямы-траншеи ( 2.8). При выдерживании в течение 2—3 ч на открытом воздухе температура расплава в слое снижается до 800 °С и шлак кристаллизуется. Затем его охлаждают водой, что приводит к развитию многочисленных трещин. Шлаковые массивы на линейных площадках или в траншеях разрабатываются экскаваторами с последующим дроблением и грохочением.

Физико-механические свойства литого шлакового щебня:

Средняя плотность кусков, кг/м3 ... . . 2200—2800

Истинная плотность, кг/м3 2900—3000

Предел прочности на сжатие, МПа 60—100

Водопоглощение, % масс 1—5

Насыпная плотность щебня, кг/м3 1200—1500

Литой шлаковый щебень характеризуется высокими морозо- и жаростойкостью, а также сопротивлением истиранию. Стоимость его почти в 2 раза меньше, чем щебня из природного камня. Для изготовления бетонных и железобетонных изделий применяют фракционированный литой шлаковый щебень крупностью 5—70 мм. Несортированный материал используется в дорожном строительстве и в производстве минеральной ваты, а отсев может служить заполнителем жароупорных бетонов и частично заменять гранулированный шлак в производстве шлакопортландцемента. Для получения литого плотного шлакового щебня кристаллической структуры применяются «малогазистые» огненно-жидкие шлаки, в которых при охлаждении образуется минимальное число пор, а средняя плотность кусков — не менее 2200 кг/м3.

Утилизация цементной пыли. Основным направлением утилизации пыли, образуемой при обжиге цементного клинкера в вращающихся печах, является использование ее в самом процессе производства цемента. Пыль из пылеосадительных камер возвращается во вращающуюся печь вместе со шламом. Основное же количество пыли улавливается в электрофильтрах. Эта пыль имеет высокую дисперсность и содержит повышенное количество свободного оксида кальция, щелочей и серного ангидрита. Добавка 5—15% пыли к сырьевому шламу вызывает его коагуляцию и уменьшение текучести. При повышенном содержании в ней щелочных оксидов снижается качество клинкера.

Сейчас на цементных заводах с мокрым способом производства применяются различные способы возврата пыли в печь. Для предотвращения зарастания труб, замазывания цепей и образования шламовых колец пыль можно вводить в виде пульпы. Влажность шлама эффективно снижается за счет разжижителей.

В гранулированном и негранулированном виде пыль вводят за цепную завесу печи ( 6.5), устраняя ее отрицательное влияние на шлам. При беззольном топливе и относительно невысоком количестве пыли (8—10%) ее можно возвращать в печь вдуванием в зону спекания с «горячего» конца печи. На крупных заводах целесообразен обжиг всей уловленной пыли в отдельной вращающейся печи.

Пыль, уловленная электрофильтрами вращающихся печей, может служить основным компонентом различных смешанных вяжущих. Ее активизируют добавками портландцементного клинкера, гипса и доменных гранулированных шлаков. Для активного проявления вяжущих свойств в композициях пыли с гипсом, шлаком и другими добавками она должна содержать достаточное количество свободного оксида кальция и клинкерных минералов.

Компоненты, составляющие цементную пыль, гидратируются при запаривании и активно реагируют с кремнеземом, образуя гидросиликаты и гидроалюмосиликаты. Это позволяет частично или полностью заменять известь в производстве силикатных кирпича и бетонов, что значительно повышает их прочность. Применение цементной пыли эффективно и при изготовлении ячеистых силикатных бетонов. Для предотвращения неравномерности изменения объема силикатные материалы из смесей, содержащих цементную пыль, производят по гидратной схеме с принудительным гашением или с длительным вылеживанием пыли до полной гидратации оксида кальция.