Лабораторные и опытно-промышленные работы по использованию ЗШС Апатитской ТЭС в технологии ячеистого бетона

Пак А.А., Сухорукова Р.Н.

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им.И.В.Тананаева Кольского научного центра РАН (г.Апатиты Мурманской обл.)

Одним из наиболее эффективных направлений утилизации зол и золошлаковых смесей является их применение в ячеистых бетонах. Апатитская ТЭС, являющаяся одной из наиболее крупных теплоэлектростанций в Кольском регионе, работает на каменных углях, что сопровождается образованием в качестве побочного продукта золошлаковой смеси (ЗШС). Ежегодно системой гидрозолоудаления направляется в золоотвал порядка 200 тыс. т ЗШС. Только в отработанном золоотвале №1 накоплено более 6 млн т ЗШС, практически не используемых и наносящих ущерб окружающей среде. 

В лаборатории бетонов отдела технологии строительных материалов института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В Тананаева КНЦ РАН (ИХТРЭМС КНЦ РАН) выполнены лабораторные и опытно-промышленные работы по использованию ЗШС Апатитской ТЭС в технологии ячеистого бетона [1,2] . Исследования показали, что ЗШС является низкокальциевой кислой золой с модулем основности 0.07. По основным показателям физико-механических свойств она соответствуют требованиям ГОСТ 25592. Благодаря высокотемпературному сжиганию угля в тонкомолотом состоянии и многолетнему хранению в золоотвале, ЗШС Апатитской ТЭС отличается однородностью химического и минерального составов. По зерновому составу она относится к мелкозернистому типу смесей и представлена преимущественно зольной составляющей: содержание фракции менее 0.16 мм – 76%. Зерна шлака крупнее 5 мм присутствуют в незначительном количестве (около 1%). Насыпная плотность – 1000 кг/м³, удельная поверхность, м²/кг: для фракции менее 5 мм – 252, менее 0.16 мм – 269. Зерна шлака обладают устойчивой структурой против силикатного и железистого распадов. Испытания ЗШС показали возможность их использования для строительных работ без ограничений по радиационному фактору [3].

Выполненными лабораторными и опытно-промышленными работами была установлена высокая технико-экономическая эффективность теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного газозолобетонов на основе ЗШС Апатитской ТЭС. При получении газобетонных смесей в качестве смешанного вяжущего использовались портландцемент М400 Пикалевского завода и известково-песчаное вяжущее (ИПВ), производимое ОАО «Оленегорский завод силикатного кирпича» путем совместного помола в шаровой мельнице кальциевой негашеной извести и кварцевых отходов обогащения железной руды ОАО «Олкон» при их соотношении 1:1. ИПВ содержало активных СаО + МgО в пределах 30-33%, в том числе СаОсв – 28-30%. В экспериментах использовалась ЗШС, просеянная через сито с ячейками 5 мм. Для получения теплоизоляционного бетона ЗШС домалывалась до удельной поверхности 300-340 м²/кг. В качестве газообразующей добавки использовали алюминиевую пудру марки ПАП-1 в виде водной суспензии с добавкой поверхностно-активного вещества в количестве 5% от массы пудры.

В результате экспериментальных исследований разработаны составы и изучены физико-механические свойства газозолобетона автоклавного и неавтоклавного твердения. Испытания показали, что полученный газозолобетон удовлетворяет требованиям ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия». Он обладает высоким коэффициентом конструктивного качества к.к.к.=100-150, морозостойкостью F50-100, низкой теплопроводностью 0.08-0.20 Вт/(м·°С). В пределах нормативных находятся показатели усадки при высыхании (0.7 мм/м после автоклавного твердения и 3 мм/м после пропаривания), влажности после тепловлажностной обработки (10-30% по объему). Величина капиллярного подсоса оказалась на 20-30% меньше, чем у газобетона традиционного состава, что может быть объяснено относительно высоким содержанием вяжущего в разработанных газозолобетонных составах (Ц + ИПВ = 40-50%).

Проблема повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций зданий стала особенно актуальной после введения с 01.10.2003 г. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», согласно которым минимальное значение термического сопротивления теплопередече (Rотр) ограждений повышено в 2.5-3 раза по сравнению с замененными СНиП 11-3-79 «Строительная теплотехника». Это делает экономически неоправданным применение традиционных стеновых материалов. Так, для Мурманского региона Rотр должно быть не менее 3.5 м² ·°С/Вт, в связи с чем толщина кирпичной кладки из силикатного кирпича со штукатуркой с двух сторон должна составить не менее 2.6 м. Стена из наиболее эффективного на сегодняшний день ячеистого бетона (при плотности 600 кг/м³) также должна быть существенно увеличена – до 0.8 м, а при плотности 700 кг/м³ – до 1.0 м. Таким образом, однослойные ограждающие конструкции из известных стеновых материалов становятся конструктивно и экономически нецелесообразными.

Одним из наиболее реальных путей обеспечения требуемых температурно-влажностных условий проживания в жилых помещениях является возведение наружных ограждающих стен из композиционных строительных материалов (КСМ), состоящих из нескольких химически разнородных мономатериалов. Благодаря рациональной технологии, КСМ приобретают новые свойства, которыми не обладает ни один из исходных материалов. К классу КСМ относятся цементно-полимерные бетоны (бетонополимеры), получаемые пропиткой затвердевшего бетона полимерными составами; полимербетоны, в которых вместо минерального вяжущего использованы термореактивные полимеры; бетоны на жидком стекле, серосодержащие бетоны и др.

Композиционным строительным материалом является получивший достаточно широкую популярность на отечественном строительном рынке последние 20-25 лет (на западном – более 40 лет) полистиролбетон – разновидность легкого бетона с равномерно распределенными по всей массе бетона в качестве крупного заполнителя гранулами пенополистирола. По своим физико-механическим показателям полистиролбетон позволяет эффективно решать вопросы требуемой теплозащиты зданий. Происходит это потому, что гранулы пенополистирола обладают рядом свойств, с которыми не могут сравниться другие заполнители легких бетонов. Так, их коэффициент теплопроводности при плотности от 15 до 85 кг/м³ составляет 0.044 Вт/(м·?С), гигроскопичность не превышает 0.4% по массе, а водопоглощение – 0.5-1% по массе.

Исследования показали, что введение вспененных гранул полистирола позволяет снизить водопотребность бетонной смеси на 25-30% при одинаковой удобоукладываемости. Заметное увеличение производства полистиролбетонных изделий наблюдается в крупных строительных центрах (Москва, Санкт-Петербург). Так, ЗАО «Метробетон» (г. Санкт-Петербург) производит мелкие стеновые блоки из полистиролбетона методом резки ленточной пилой массива размерами 0.6х1.2х2.4 м. Приготавливаемая полистиролбетонная смесь содержит по объему до 70% вспененных полистирольных гранул и до 30% поризованной цементно-песчаной (или цементно-зольной) смеси, а также модифицирующих добавок и воды. Блоки имеют марки по плотности D450-550, по прочности – М25-35. По пожаробезопасности относятся к классам Г1 – трудногорючих, В1 - трудновоспламеняемых и Д1 – малодымообразующих. Срок эксплуатации полистиролбетонных блоков 75-100 лет. Там же под Санкт-Петербургом, на Гатчинском ДСК освоена технология производства крупных ограждающих панелей из полистиролбетона слитной структуры плотностью 500-600 кг/м³.

Тем не менее, несмотря на высокие эксплуатационные показатели, строительные изделия из полистиролбетона не получили пока что массового применения. При равномерном распределении по всему объему изделия вспененных гранул полистирола, характеризующихся низкой плотностью и прочностью, с коэффициентом насыщения бетона гранулами пенополистирола 0.7, становится весьма проблематичным получение как особо легких (плотностью 120-200 кг/м³), так и более плотных и высокопрочных полистиролбетонов (плотностью от 700 до 1000 кг/м³ и прочностью до 10 МПа). Да и теплопроводность полистиролбетона не может быть снижена до минимума, так как межзерновое пространство между гранулами низкотеплопроводящего пенополистирола заполнено более теплопроводящим поризованным бетоном. Таким образом, известный полистиролбетон с равномерно распределенными по объему гранулами пенополистирола, вследствие структурного строения имеет некоторые ограниченные возможности по физико-механическим и теплотехническим свойствам.

Для улучшения эксплуатационных свойств ограждающих конструкций представляется целесообразным не вводить слабые зерна утеплителя в прочную бетонную матрицу, а изготавливать изделия методом послойного формования конструктивных слоев с четким разделением эксплуатационных функций между конструктивными материалами: один материал (конструктивный слой) – воспринимающий нагрузки, другой – чисто теплоизоляционный, третий слой – конструктивный защитный (от внешних агрессивных воздействий). Основываясь на этих предпосылках, в ИХТРЭМС КНЦ РАН разработаны способы изготовления композиционных многослойных строительных изделий (патенты РФ №2259272 и №2286249), отличающихся от известных некоторыми принципиальными особенностями. Предлагаемые изделия состоят из одного или двух конструктивных слоев, воспринимающих нагрузки, и одного теплоизоляционного слоя. Конструктивный слой формуется из конструкционно-теплоизоляционной газобетонной смеси, а теплоизоляционный – из бисерного невспененного (или частично вспененного) полистирола. Физический механизм способа основан на существенном увеличении объема обоих материалов, газобетонной смеси и бисерного полистирола, при их разогреве. А как известно, в технологии бетонов на минеральном вяжущем для ускорения твердения в подавляющем большинстве случаев применяется термовлажностная обработка (пропаривание при 85-95°С, либо для ячеистых бетонов - автоклавная обработка при температурах 175°С и более).

Новизна способов заключается в том, что во время одного технологического процесса – термовлажностной обработки изделия методом пропаривания осуществляются в разной последовательности самопроизвольно несколько формовочных операций:

 - вспучивание газобетонной смеси с увеличением объема в 1.5-2 раза на стадии подъема температуры в пропарочной камере;

 - вспенивание гранул полистирола в 30-50 раз при достижении в пропарочной камере температуры изотермической выдержки 85-95°С;

 - формообразование изделия с взаимным прижатием (прессованием) конструктивных слоев между собой (для этого изделия формуются в жесткозакрытых крышкой формах).

Разработанная технология позволяет изготавливать эффективные стеновые и теплоизоляционные материалы (названные нами полистиролгазобетоном) с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками: марка по прочности - М10-75, плотность – 150-800 кг/м³, теплопроводность – 0.06-0.14 Вт/м·°С, что в 1.35-1.85 меньше по сравнению с нормативными показателями для ячеистого бетона, морозостойкость – 25-75 циклов (Таблица).

Таблица - Сравнительные свойства ячеистого бетона, полистиролбетона и полистиролгазобетона

Многослойные композиционные полистиролгазобетонные стеновые изделия, обладающие значительно меньшей теплопроводностью, чем известные стеновые материалы, позволяют возводить стены без увеличения их толщины при сохранении всех остальных эксплуатационных показателей, или же исключить трудоемкие теплоизоляционные работы на строительной площадке.

Благодаря оптимальному соотношению несущих и теплоизоляционных слоев, формированию многослойного изделия монолитного сечения с бесшовным соединением конструктивных элементов, достигается существенное повышение эксплуатационных свойств материала. Особо следует отметить существенное уменьшение теплопроводности, в 1.35-1.85 раза меньше нормативных показателей для ячеистых бетонов. Вследствие этого толщина наружных стен из полистиролгазобетона по климатическим условиям Мурманской области может не превышать 0.4 м. На рисунке представлены двух- и трехслойные мелкие стеновые блоки размерами 198х195х398 мм из полистиролгазобетона с цветным фактурным слоем.

Рисунок - Двух- и трехслойные стеновые блоки из полистиролгазобетона

ЛИТЕРАТУРА

1. Макаров В.Н., Боброва А.А., Крашенинников О.Н., Пак А.А., Трупиков М.Ю. Физико-химические аспекты комплексного использования золошлаковых смесей тепловых электростанций –КНЦ РАН. – Апатиты: КНЦ РАН, 1991, 115 с.

2. Пак А.А., Крашенинников О.Н., Сухорукова Р.Н. Газобетон на основе техногенного сырья Кольского горно-промышленного комплекса.- Апатиты: КНЦ РАН, 2000. 84 с..

3. Мельник Н.А. Радиационная оценка техногенного и минерального сырья Кольского полуострова для строительных материалов //Комплексное использование минерального сырья в строительных и технических материалах. - Апатиты: КНЦ АН СССР, 1989.-С.71-76.

Журнал "СЕВЕР строительный" № 5 2008

Еще статьи на тему "бетона":

Выцветы на поверхности бетона и методы их предотвращения

Как увеличить прочность бетона

Плиты теплоизоляционные из ячеистого бетона би-400

Производство и продажа бетона в Воскресенске

Практический семинар на тему: «Контроль и оценка прочности бетона»

Необрастающие бетоны Кислогубской ПЭС