Использование отходов тепловых электростанций в качестве сырьевого компонента при производстве современных строительных материалов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Областная научно-практическая конференция «Открытый мир»

ГБОУ СПО

«Беловский техникум железнодорожного транспорта»

Курсовая работа

Тема: Использование отходов тепловых электростанций в качестве сырьевого компонента при производстве современных строительных материалов

Автор: ст. гр. ПСК 14-1, строительно-

архитектурного отделения

Минин Борис Иванович

Научный руководитель: Сигарева Ольга Андреевна

Белово 2016



СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИОННО-ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
• 1.1 Классификация и свойства строительных материалов
• 1.2 Теплофизические параметры строительных материалов
• 1.3 Применение алюмосиликатных микросфер для повышения теплофизических характеристик материалов
• 1.4 Бетоны с использованием микросфер
• 2. РАСЧЁТ СОСТАВА ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ВЯЖУЩЕГО С ДОБАВКОЙ ЗОЛЫ
• 2.1 Изучение химического состава компонентов
• 2.2 Определение радиоактивности и токсичности веществ
• 2.3 Определение модуля активности и модуля основности золы
• 2.4 Коэффициент качества К
• 2.5 Определение коэффициента основности силикатов
• 2.6 Расчет состава двухкомпонентной сырьевой смеси для получения вяжущего
• 3. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПЕРЕРАБОТКИ ЗОЛЫ ТЭС
• СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

• ВВЕДЕНИЕ
• теплоизоляционный строительный бетон зола
• Одним из приоритетов энергетической политики Российской Федерации является уменьшение негативного воздействия энергетики на окружающую среду. Закон «Об охране окружающей среды» предписывает руководствоваться «научно обоснованным сочетанием экологических и экономических интересов общества, обеспечивающих реальные гарантии прав человека на здоровую и благоприятную для жизни окружающих природную среду».
• В Кузбассе, где добывающие отрасли являются ведущими, за многие десятилетия скопилось большое количество отходов угледобычи, углеобогащения, теплоэнергетики и т.д., кроме того, на всей территории России работает большое количество тепловых электростанций, осуществляющих свою деятельность на угольном топливе, в результате сжигания которого, помимо прочего, образуется огромное количество золы. Складирование золошлаковых отходов занимает большие площади, однако золу можно использовать в различных отраслях промышленности.
• Наиболее крупным потенциальным потребителем промышленных отходов является промышленность строительных материалов. Использование промышленных отходов в строительной индустрии является перспективным направлением снижения себестоимости продукции и уменьшения негативной нагрузки на окружающую среду. В России и за рубежом накоплен большой опыт применения зол ТЭС. Переработка данного вида ресурсов может осуществляться по трем направлениям:
• - использование зол в качестве добавок в вяжущие вещества;
• - применение зол в качестве наполнителя;
• - переработка зол для выделения из них микросферы.
• Алюмосиликатные микросферы - это твердые полые частицы размером от 5 до 100 мкм. Они имеют сферическую форму, обладают низкой плотностью, высокой твердостью и температурой плавления. Химическая инертность микросферы обуславливает широчайший спектр ее применения в современной промышленности.
• Тема использования отходов ТЭС в качестве сырьевого материала особенно актуальна в 2016 году, т.к. этот год объявлен годом экологии, кроме того, актуальность данной темы обуславливается тем, что:
• - переработка топливных зол имеет огромное значение для поддержания и сохранения благоприятных экологических условий;
• - применение зол в составе строительных материалов улучшает как физические, так и механические свойства последних;
• - использование пылевидных зол выгодно экономически, т.к. переработанные отходы являются более дешёвым сырьём по сравнению с природными материалами, что значительно сокращает затраты предприятия на изготовление продукции;
• - использование зол ТЭС целесообразно, т.к. топливные электростанции расположены во всех крупных промышленных центрах и населённых пунктах, в результате отпадает необходимость в перевозке сырья на большие расстояния.
• Объект исследования: переработка отходов тепловых электростанций.
• Предмет исследования: использование отходов ТЭС в качестве сырьевого компонента при производстве современных строительных материалов.
• Гипотеза: использование зол ТЭС в качестве сырьевого материала для получения микросфер является наиболее эффективным методом переработки данного вида ресурсов.
• Цель работы: сравнить варианты использования отходов ТЭС, предложить оптимальный способ переработки топливных зол.
• Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:
• - изучить свойства и технологию изготовления современных конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов и изделий;
• - произвести расчёт состава двухкомпонентного вяжущего с добавкой золы, оценить эффективность введения данной добавки;
• - проанализировать достоинства и недостатки способов переработки золы тепловых электростанций и выбрать оптимальный.
• Для решения поставленных задач были выбраны методы работы:
• - анализ теоретических данных;
• - сравнение способов использования зол;
• - обобщение полученных знаний.
• Данная работа может быть применена для дальнейшего изучения вопроса использования отходов ТЭС при производстве строительных материалов, в том числе при практических исследованиях и научном обосновании, позволяющих находить более рациональные решения в строительстве.

• 1. СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИОННО-ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

1.1 Классификация и свойства строительных материалов

Каждый материал обладает комплексом разнообразных свойств, определяющих область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами. Исходя из разнообразия свойств, классификацию строительных материалов можно осуществить по различным признакам: по происхождению, по назначению и использованию в строительстве, по производственному (технологическому) признаку и другим.

По происхождению и виду исходного сырья стеновые материалы делят на природные и искусственные.

Природные, или естественные, строительные материалы и изделия получают непосредственно из недр земли. Этим материалам при изготовлении изделий из них придают определенную форму и рациональные размеры, не изменяя их внутреннего строения, химического и вещественного состава. Чаще других из природных используют каменные материалы и изделия.

Искусственные стеновые материалы разделяют по главному признаку их отвердевания (формирования структурных связей) на:

- обжиговые - материалы, формирование структуры которых происходит в процессе их термообработки в основном за счет твердофазовых превращений и взаимодействий;

- безобжиговые - материалы, отвердевание которых происходит при обычных, сравнительно невысоких температурах с кристаллизацией новообразований из растворов,

- автоклавного твердения - материалы, отвердевание которых происходит в условиях автоклавов при повышенных температуре (175...200°С) и давлении водяного пара (0,9...1,6 МПа).

Конструкционно-теплоизоляционные материалы объединяют материалы различной природы, имеющие марку по средней плотности от D400 до D1200 и класс по прочности на сжатие от B2,5 до B10. Эти материалы совмещают удовлетворительные прочностные характеристики, позволяющие их использовать в самонесущих или несущих строительных конструкциях, и относительно невысокую теплопроводность, что позволяет формировать на их основе и с минимальным включением эффективного утеплителя, изоляционные оболочки теплоэффективных зданий.

Для конструкционно-теплоизоляционных материалов предусмотрена следующие критерии технического уровня, учитывающих требования к материалам по применению, назначению, эксплуатации:

- показатели назначения: прочность при сжатии, теплопроводность, предел прочности при изгибе, предел прочности при растяжении, сорбционная влажность, линейная температурная усадка, морозостойкость, термическая стойкость, водопоглощение, газо- и паропроницаемость, химический состав;

- показатели конструктивности: номинальные размеры изделия и отклонения от них, плотность, правильность геометрической формы, дефекты внешнего вида, разнотолщинность, однородность структуры;

- показатель стойкости: эксплуатационная стойкость материалов, и их стойкость с учетом условий хранения;

- показатели технологичности: удельная трудоемкость изготовления, удельная материалоемкость, степень механизации и автоматизации изготовления, выделение вредных веществ при изготовлении и общие нагрузки на окружающую среду;

- показатели транспортабельности: масса, габаритные размеры, возможность контейнеризации или пакетирования, материалоемкость и трудоемкость упаковки, продолжительность подготовки к транспортированию;

- эргономические показатели: уровень токсичности материалов и изделий, пыление материалов и изделий.

К критериям эксплуатационной пригодности относятся:

- критерий стабильности показателей качества, среднеквадратическое отклонение: плотности, теплопроводности, предела прочности при изгибе, предела прочности при сжатии;

- показатели экономической эффективности: себестоимость, рентабельность, удельные капитальные вложения в производство, годовой экономический эффект;

- конкурентоспособность на внешнем рынке.

Особенностью строения конструкционно-теплоизоляционных материалов является их насыщенность порами, которая и определяет важнейшие свойства этих материалов: плотность, прочность, теплопроводность, морозостойкость и другие.

Конструкционно-теплоизоляционные материалы должны иметь низкую теплопроводность, но, в то же время, и высокую прочность. Способы получения конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов определяются природой веществ, из которых изготавливают эти материалы.

Если рассматривать пористые бетоны, то можно выделить следующие четыре вида:

- бетон, изготовленный на основе вяжущего и пористых заполнителей (перлит, вермикулит, керамзит и др.). Пористость материала в основном обусловлена пористым строением зерен заполнителя. Этот вид бетона называется легким бетоном;

- бетон на основе вяжущего и пористого или плотного заполнителя. Пористость материала обусловлена в основном порами в межпоровых пространствах в результате незначительного содержания мелких фракций заполнителя. Этот вид бетона называется крупнопористым (беспесчаным) бетоном на пористых или плотных заполнителях;

- бетон на основе вяжущего и пористых заполнителей. Пористость его обусловлена как пористым строением заполнителя, так и порами в цементирующем их вяжущем, образованными путем введения в смесь пены или газообразующими добавками. Этот вид бетона называется поризованным легким бетоном;

- бетон, приготовленный из пластичной мелкозернистой смеси, в которой поры образованы в результате введения в смесь пены или вспучивания смеси при добавлении газообразователей. Такой бетон называется ячеистым.

Способы поризации могут быть подразделены на шесть основных групп: вспучивание, удаление порообразователя, неплотная упаковка, контактное омоноличивание, объемное омоноличивание и создание комбинированных структур.

Способ вспучивания основан на выделении в пластично-вязкой массе или введение в массу газовой фазы, что приводит к увеличению объема. При вспучивании формируется ячеистая структура, общий объем пористости которой зависит от количества введенного газообразователя. Таким способом получают как бетоны ячеистой структуры, так и пеностекло.

При удалении порообразователя происходит удаление (испарение воды) или выгорание при высокой температуре порообразователей.

Способ неплотной упаковки подразумевает оптимизацию гранулометрического состава для получения наибольшей межзерновой пустотности.

При контактном омоноличиваним происходит омоноличивание зерен в местах контакта склеивающим составом. Пористость зависит от вида каркасообразующего материала. При объемном омоноличивании зернистые пористые материалы соединяются связующим. Пористость материала в данном случае зависит от пористости заполнителя. Создание комбинированных структур включает множество технологических разновидностей.

Основными показателями качества теплоизоляционных строительных материалов являются плотность, прочность, коэффициент теплопроводности и паропроницаемость. Такие показатели как прочность, коэффициент теплопроводности и паропроницаемость в основном зависят от плотности. Однако, при одной и той же плотности свойства материала могут быть различными. Это, в основном, определяется структурой теплоизоляционного материала и характеристиками каркаса данного материала.

Большое влияние на прочность и теплопроводность оказывает неравномерность распределения пустот, форма и размер пустот. Являясь одним из основных свойств, прочность определяется в основном пористостью материала. Так, прочность ячеистых бетонов, получаемых способом вспучивания, характеризуется их средней плотностью. Однако при одинаковой плотности ячеистых бетонов прочность их может быть различной. Прочность ячеистых бетонов повышается при: использовании композиционных вяжущих, увеличении тонкости помола исходных компонентов; уменьшении размера пор; повышении равномерности распределения пор; с увеличением количества закрытых пор сферической формы.

Кроме того, на прочность ячеистого бетона оказывает большое влияние не только пористость, но и структура пористости. Фактором, оказывающим наибольшее влияние на прочность ячеистого бетона, является дисперсия его пористости. При увеличении дисперсии пористости прочность бетона снижается (снижение может быть значительным - более чем в два раза). Влияние размера пор на прочность бетона меньше. С увеличением размера пор от 0,39 мм до 0,48 мм прочность повышается с 2,8 до 4,5 МПа.

Помимо пористости и ее структуры на прочность ячеистого бетона большое влияние оказывает состав силикатной связи, т.е. новообразований, возникающих при автоклавной обработке. Кристаллизационная структура прослойки (твердой фазы) должна быть предельно плотной, мелкокристаллической с тонкокапиллярной, преимущественно контракционной пористостью. Толщина прослойки между газовыми пузырьками должна быть минимальной, в пределе соизмеримой с размерами кристаллов новообразований или частиц тонкоизмельченного кварца. Колебания в толщинах прослойки должны быть наименьшими, что предопределяет однородность твердой фазы, в соответствии с законом сродства структур. Газовая фаза должна быть предельно дисперсной оптимальной прерывистой гранулометрии с минимальным размером наиболее крупной «фракции» газовых пузырьков и преобладанием в общем объеме пор предельно мелких замкнутых пор.

Дефектами структуры в основном являются микротрещины. Для увеличения трещиностойкости и макропрочности, уменьшения теплопроводности рекомендуется уменьшать средний размер пор.

Для оценки прочности конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов используется коэффициент конструктивного качества ККК, равный отношению предела прочности на сжатие к объемному весу материала. Данный коэффициент физически выражает высоту столба из данного материала, в основании которого под действием его собственного веса, напряжения будут равны пределу прочности при сжатии.

1.2 Теплофизические параметры строительных материалов

Повышение термического сопротивления оболочки здания может достигаться двумя основными способами: использованием строительных систем, включающих функциональные слои различного назначения и использованием эффективных теплоизоляционно-конструкционных материалов.

Первый способ нашел в строительстве широкое применение в штукатурных фасадах с утеплением, вентилируемых фасадах, слоистой кладке. При этом, как показывает строительная практика, этот способ предполагает высокую культуру комплектации материалами, монтажа строительных систем и эксплуатации конструкций, что не всегда может быть обеспечено при массовом строительстве.

На фоне этого наблюдается повышение интереса к конструкционно-

теплоизоляционным материалам, позволяющих улучшить энергоэффективность зданий без применения дополнительных изоляционных элементов. К подобным материалам относят ячеистый бетон автоклавного твердения.

Ячеистый бетон автоклавного твердения является наиболее распространенным и качественным конструкционно-теплоизоляционным материалом. Он имеет высокую прочность, обладая при этом низкой теплопроводностью. Однако для некоторых конструкций прочность ячеистого бетона может быть недостаточной, а высокое сорбционное увлажнение влияет на теплопроводность данного материала. Кроме того, теплопроводность зависит от размера и характера пор, их ориентации в пространстве, от среды, заполняющей поры а также от направления приложения теплового потока.

1.3 Применение алюмосиликатных микросфер для повышения теплофизических характеристик материалов

В мире ежегодно при сжигании каменного угля на тепловых электростанциях образуется огромное количество летучей золы и шлаков. При этом значительное количество золоотвалов располагается в черте городов. Используются же эти громадные отходы в очень небольшом количестве.

Перспективным направлением утилизации золошлаковых отходов является получение и использование полых микросфер, представляющих собой стекловидные полые сферические частицы, которые образуются при сжигании в котлах ТЭС каменных углей определенных месторождений.

Ценность микросфер заключается в их малой насыпной массе, низкой теплопроводности и сферической форме частиц. Количество микросфер в летучей золе зависит от типа сжигаемых углей, вида котельного оборудования и режима его работы. В среднем содержание микросфер в золе-унос изменяется от десятых долей процента до 3...5 %.

Алюмосиликатные микросферы (ценосферы) - это полые стеклокристаллические микросферы размером от 20…50 мкм до 400…500 мкм с преобладанием частиц диаметром 100...200 мкм, с толщиной стенок от 2 до 30 мкм, насыпная плотность в неуплотненном состоянии 350...400 кг/м3, истинная плотность вещества стенок в среднем 2500 кг/м3.

Содержание естественных радионуклидов в зольных микросферах значительно ниже предельно допустимых значений для материалов 1-го класса по радиационному качеству, равных 370 Бк/кг. Такие материалы могут использоваться в строительстве жилых и общественных зданий без каких-либо ограничений.

Помимо микросфер продуктами переработки зольных отходов являются следующие материалы: оксиды алюминия, кремнезем (белая сажа), галлий, редкоземельные элементы, используемые в шинной промышленности, цветной металлургии, нефтехимической промышленности и прочих сферах человеческой деятельности.

В связи с тем, что микросферы имеют низкую теплопроводность порядка 0,1 Вт/м·°С, они широко используются в качестве теплоизоляционного материала для огнеупорной керамики, нефтепроводов, геотермических цементов, отделочного и штукатурного гипса для изоляции внешних стен зданий и во многих других случаях, когда требуется хорошая термоизоляция.

К микросферам относятся следующие группы материалов:

- алюмосиликатные микросферы (ценосферы) -- газонаполненные продукты горения угля;

- стеклянные микросферы (полые стеклянные микросферы, экосферы)

- газонаполненные стеклянные сферы (обычно из силикатного стекла), получаемые искусственным образом.

- композитные микросферы -- алюмосиликатные и стеклянные микросферы с покрытием: полиуретан (термокраски), палладий, золото, никель, оксид алюминия и др.

Производство стеклянных микросфер более затратное, что алюмосиликатных, однако, стеклянные микросферы имеют лучшие характеристики по сравнению с ценосферами. Их основное преимущество заключается в стабильности параметров и возможности получения фракций меньших размеров, поэтому стеклянные микросферы могут использоваться наравне с ценосферами.

Алюмосиликатные микросферы как коммерческий продукт обладают высоким потенциалом, но они слабо распространены на рынке, а их реальные свойства и характеристики знают лишь некоторые потребители.

К проблеме переработки и утилизации золошлаковых отходов российский сырьевой сектор обратился относительно недавно. Хотя по данным РАО "ЕЭСРоссии" за последние 40лет было разработано более 300 технологий использования данного продукта по более чем 20 направлениям.

Необходимость внедрения технологий переработки ЗШО обусловлена постоянно растущим потреблением угля электроэнергетикой России.

Популярность микросфер объясняется их уникальными свойствами, в частности, оптимальным соотношением площади поверхности к занимаемому объему. Шарообразная форма наполнителя означает, что для увлажнения его поверхности потребуется меньшее количество жидких компонентов производимой продукции, чем для наполнителя иной, отличной от сферы формы.

Применение полых сфер позволяет существенно облегчать производимые композиционные материалы, улучшать их теплоизолирующие и звукопоглощающие свойства.

В ряде случаев химический состав микросфер придает им уникальные свойства огнезащитных, стойких и прочных материалов.

Качественные характеристики алюмосиликатных микросфер напрямую зависят от характеристик золошлаковых отходов, производимых на ТЭС.

Параметры ЗШО в свою очередь определяется особенностью состава минеральных компонентов углей, способом подготовки топлива к сжиганию, технологией сжигания, системой очистки дымовых газов от золы и способом транспортировки золы в золоотвалы.

С точки зрения химического состава главный компонент ценосфер - оксид кремния SiO2 (45-60 %), далее идут оксид алюминия Al2О3 (15-40 %), оксид железа Fe2О3 (1-10 %), оксид кальция СаО (1,5-4,5 %), оксид калия K2O (2,0-4,5 %) и некоторые другие оксиды, содержание которых обычно не превышает одного процента.

Ценосферы образуются в топках тепловых электростанций, работающих на каменном угле. При высоких температурах силикатный минеральный материал углей плавится и в газовом потоке продуктов сгорания дробится на мельчайшие капли. Газовые включения в минеральных частицах при нагреве расширяются и раздувают отдельные капли расплава. Т.е. капли, в которых внутреннее давление газа уравновешивается силами поверхностного натяжения, образуют полые шарики. В остальных происходит разрыв капель (внутреннее давление больше сил поверхностного натяжения), либо они остаются просто силикатными шариками, сплошными или пористыми (поверхностное натяжение больше внутреннего давления). Образующиеся в процессе горения микросферы выносятся топочными газами из высокотемпературной зоны, накапливаются в золосборнике ТЭС и смываются водой в пруды-золонакопители. В прудах легкие микросферы всплывают на поверхность, тем самым самостоятельно отделяясь от других компонентов золы. Впоследствии материал собирается, сушится и просеивается.

Также существует способ получения микросфер, по которому отделяют алюмосиликатные микросферы от золошлаковых отходов путем их погружения в жидкость. Собирают алюмосиликатные микросферы с поверхности жидкости и сушат в две стадии, причем на первой стадии сушки выдерживают алюмосиликатные микросферы при температуре не ниже 2°С до достижения ими остаточной относительной влажности не более 30 %, а на второй стадии сушки нагревают алюмосиликатные микросферы до температуры 100…300°С в печи барабанного типа путем прямого контакта осушаемых алюмосиликатных микросфер с нагретыми от внешнего источника стенками барабана названной печи до достижения ими относительной влажности не более 3 %.

Основными достоинствами ценосфер являются:

- низкая насыпная плотность 320-700 кг/м3 (в зависимости от фракции). Хорошие массо-габаритные показатели объясняются тем, что внутри микросфер находятся газы CO2 и N2, а толщина оболочки сферы обычно составляет всего 10 % от диаметра. Низкая плотность обеспечивает удобство использования, большую легкость смешивания, снижение транспортных затрат, легкость пескоструйной обработки, обработки резанием, сверления.

- высокая прочность и твердость. Предел прочности на сжатие - 10-20 МПа и выше, твердость - 5-6 по шкале Мооса. Твердая поверхность микросфер обеспечивает их высокую устойчивость к эрозии. Стекловидная оболочка микросферы полностью непроницаема для жидкостей и газов.

- высокие показатели текучести. Благодаря форме частиц микросферы обладают повышенной текучестью, по значению этого показателя они приближаются к жидким веществам.

- компактность. Сферы обеспечивают минимальное отношение площади поверхности к занимаемому объему и наиболее компактную укладку. Коэффициент укладки - 60-80 % от теоретической. Форма частиц микросфер как наполнителя позволяет изменять вязкость полимерных материалов и резин.

- низкая усадка. Микросферы - один из немногих наполнителей, который может обеспечивать низкую усадку.

- низкая теплопроводность. Теплопроводность микросфер составляет 0,08-0,2 Вт/(м·К) при t = 20°С. Ценосферы широко используются в качестве изоляционного материала для производства огнеупорной керамики, геотермических цементов, отделочного и штукатурного гипса для изоляции внешних стен зданий.

- инертность (pH в воде - 6,0-9,0). Химический состав микросфер позволяет использовать их в растворителях, органических растворах, воде, кислотах или щелочах без потери свойств. Ценосферы pH-нейтральны и не влияют на химический состав или реакции материалов, в которых они используются.

- термостойкость. Ценосферы не теряют свойств до температуры в 980-1800°С; температура плавления при этом превышает 1200°С. Благодаря этому свойству микросферы широко используются для производства высокотемпературной изолирующей огнеупорной керамики, а также огнеупорных материалов.

- электрические свойства. Ценосферы обладает повышенной радиопрозрачностью. Так, керамика на их основе по показателю радиопрозрачности превосходит керамику на основе плавленого кварца на 20-30 %.

- показатели гигроскопичности и водопоглощения у микросфер значительно ниже, чем у вспученного перлита.

- микросферы являются хорошим диэлектриком. Обладая высокими диэлектрическими свойствами, микросферы хорошо проходимы для радиосигналов и могут быть использованы при изготовлении радиопрозрачных конструкций.

- уровень удельной эффективной активности естественных радионуклидов микросфер ниже контрольного уровня (280 Бк/кг) для материалов, применяемых в жилищном строительстве.

Использование зольных микросфер в исходном состоянии для введения в цемент при их содержании более 30 масс. % малоэффективно из-за низкого адгезионного взаимодействия поверхности микросфер с цементным клинкером. Поверхность микросфер имеет низкую шероховатость, гидрофобна, поэтому вклад механической составляющей в сцепление цементного теста с микросферами не может быть значительным. Для создания сферобетона нужно использовать микросферы с активированной поверхностью, полученной при длительной обработке в кипящей воде.

Одним из важных свойств золы-уноса (и микросфер в том числе) является способность реагировать с гидроксидом кальция при гидратации цемента. Пуццолановая реакция золы в бетоне начинается с адсорбции на поверхности микросфер гидроксида кальция, выделяющегося при гидролизе минералов-силикатов портландцемента. Между адсорбированным слоем гидроксида кальция и микросферами, возникают тонкие водные слои толщиной 0,5-2 мкм, через которые ионы кальция поступают к поверхности и взаимодействуют с ее активными компонентами. В результате реакции снижается макропористость за счет создания дополнительного объема новообразований.

Максимальное сорбционное увлажнение алюмосиликатных микросфер мало. Поэтому их применение в качестве наполнителя в искусственных строительных материалах положительно влияет на их тепловлажностные характеристики, в том числе, снижается эксплуатационная влажность и прирост теплопроводности на каждый процент влажности строительных материалов.

Основной недостаток ценосфер заключается в том, что поскольку они имеют естественное происхождение, производители могут лишь в ограниченной мере влиять на конечные характеристики продукции. Как следствие, в зависимости от используемого для сжигания угля, ценосферы могут разниться по фракционному составу, по цвету, и другим физическим и химическим характеристикам. Выделение сфер однородного состава приводит к образованию больших объемов отходов - ценосфер другого фракционного состава, что снижает рентабельность производства.

Благодаря свойственному им набору химических и физических характеристик ценосферы нашли применение в производстве различных композиционных материалов. Они используются в технических задачах, где требуется снижение веса материала при низкой теплопроводности, высокой прочности, экономии объема, повышенной устойчивости к эрозии и агрессивным средам.

1.4 Бетоны с использованием микросфер

Применение микросфер настолько разнообразно, что сегодня нет такой области науки и техники, где не исследовалось бы их возможное применение [121…126].

Ценосферы различного происхождения широко применяются как добавки в цемент для создания легких и сверхлегких бетонов. Сферы находятся в тесном взаимодействии с продуктами гидролиза и гидратации цемента и выполняют роль структурирующего элемента, проявляющего пуццоланическую активность. Продукты гидролиза цемента - известь, алюминаты и гидроалюминаты, гидроферриты -- имеют положительный заряд. Поэтому они притягивают микросферы и притягиваются ими.

Располагаясь в межзерновом пространстве, продукты гидролиза вместе с микросферами образуют сложные комплексы. Они уплотняют межзерновое пространство и одновременно поризуют его. Полые стеклянные микросферы в цементном растворе и камне проявляются в качестве центров кристаллизации и оказывают пуццоланический и структурирующий эффекты благодаря действию поверхностных сил.

По некоторым оценкам, технология производства бетонов с добавлением ценосфер является более простой по сравнению с традиционной технологией изготовления пенобетонных блоков и с автоклавной технологией производства газобетонных блоков. В частности, при использовании микросфер, в силу описанных выше свойств, не нужно искусственно уменьшать время схватывания цемента дополнительными реагентами, наличие которых снижает прочность конечного изделия.

Добавление микросфер придает бетону свойства жаропрочности, долговечности (длительное сохранение несущей способности). Материал на основе ценосфер характеризуется повышенными тепло- и звукоизолирующими свойствами, при существенно меньшем весе. Такой бетон, например, может использоваться для футеровки промышленных печей, работающих при температурах до 1200°С.

Отдельная обширная сфера применения микросфер - добавки для производства облегченных тампонажных цементов. Облегченные тампонажные материалы применяются при цементировании глубоких скважин, а также при наличии в разрезе пластов с низкими давлениями гидроразрыва. Добавки из микросфер снижают вероятность возникновения поглощений и обеспечивают большую высоту подъема тампонажного раствора. Введение в состав смеси микросфер создает равномерно распределенную в цементной матрице ячеистую структуру, внутри которой полые микросферы окаймляют поры.

В цементных смесях микросферы используются в качестве:

- заполнителя с малой массой. Ценосферы могут заменять некоторое количество используемого в составе бетона песка с нормальной массой. Плотность ценосфер почти в 4 раза ниже плотности кварцевого песка, а размер самых больших ценосфер соответствует размеру наименьших гранул песка. Дополнительное преимущество ценосфер заключается в том, что они практически "невидимы" в бетоне, поэтому материалы на их основе легче полируются;

- усилителя обрабатываемости. Добавление ценосфер к бетонной смеси с традиционной массой повышает обрабатываемость за счет способности частиц действовать как шарикоподшипники. Т.к. микросферы являются структурным заполнителем, они повышают плотность бетона и его прочность за счет обеспечения лучшего трамбования. Для улучшения обрабатываемости в бетонную смесь обычно добавляют 1-5 % ценосфер по массе;

- объемного заполнителя. Использование ценосфер в качестве объемного заполнителя ведет к увеличению объема смеси без дополнительных добавок цемента, а различные размеры тонко измельченных частиц способствуют уменьшению усадки. Сферическая форма ценосфер позволяет частицам проникать в небольшие отверстия, куда не могут проникнуть зазубренные и имеющие углы частицы песка. При использовании ценосфер в качестве объемного заполнителя их доля достигает 10-30 % смеси по массе.

Применение алюмосиликатных микросфер в мелкозернистом бетоне позволяет существенно повысить морозостойкость бетонов до марки F150, что объясняется созданием замкнутых «резервных» пор, оказывающих «демпфирующее» действие в процессе замораживания бетона, а также тем, что добавка микросфер вносит с собой дополнительную поверхность раздела и создает эффективные «ловушки» для развивающихся трещин.

Введение микросфер практически не усложняет технологию приготовления бетонной смеси, ведет к повышению ее связности и созданию заданной и стабильной во времени замкнутой пористости бетона.

Разработаны кладочные и штукатурные растворы с полыми стеклянными микросферами с пределом прочности при сжатии в возрасте 28 сут - 3,2 МПа, при изгибе - 1,3 МПа, водопоглощением по массе 67,4 % и морозостойкостью - 25 циклов.

На основе модифицированных микросфер и цементного вяжущего разработан перспективный теплоизоляционный конструкционный материал - сферобетон плотностью 0,8-1,0 г/см3 и прочностью на сжатие до 21 Мпа. Сферобетон может найти применение при изготовлении защитных слоев в контейнерах специального назначения, например, для транспортировки и хранения радиоактивных материалов.

Разработан теплоотражающий материал на основе акрилового полимера, алюмосиликатных полых микросфер и алюминиевого пигмента при нанесении на внутреннюю поверхность ограждающей конструкции создающий покрытие толщиной 0,6-0,9 мм и позволяет повысить термическое сопротивление ограждающей конструкции на 35 %.

В научно-образовательном центре «Нанотехнологии» МГСУ разработаны составы энергоэффективного высокопрочного легкого бетона, содержащий вяжущее, минеральную часть, легкий наполнитель (полые микросферы), пластифицирующую добавку и воду, со средней плотностью 1300-1500 кг/м3 и прочностью до 70 МПа.

Разработан способ получения конструкционно-теплоизоляционного строительного материала на основе алюмосиликатных микросфер, позволяющий получить материал с повышенными прочностными и теплозащитными характеристиками при его средней плотности 400-700 кг/м3, прочностью при сжатии - 11-17 МПа, теплопроводностью - 0,22-0,3 Вт/м·°С и морозостойкостью - 50-100 циклов.

Разработаны составы конструкционно-теплоизоляционных кладочных смесей на основе полых алюмосиликатных микросфер с использованием стабилизирующей добавки, позволяющие получать кладочные композиты с прочностью от 2,5 до 8,4 МПа, плотностью от 745 до 1400 кг/м3, теплопроводностью от 0,16 до 0,32 Вт/(м•°С).

Разработаны составы цементных теплоизоляционных тампонажных материалов с полыми стеклянными микросферами, которые могут одновременно выступать как пассивная-теплоизоляция и тампонажный материал, имеющий среднюю плотность до 0,78 г/см3, обладающий повышенным сцеплением со сталью обсадной колонны (трубы) и отвечающий всем техническим, эксплуатационным требованиям.

Применение полых алюмосиликатных микросфер с близкой к идеальной сфере формой с микрорельефной поверхностью и небольшими размерами до 500 мкм позволяет получать высококачественные легкие бетоны с заданными физико-механическими свойствами, которые могут сочетать плотноупакованную структуру с низкой средней плотностью и высокими прочностными характеристиками.

Совокупность физических свойств полых микросфер позволяет применять их в качестве заполнителя для приготовления однородной и стабильной бетонной смеси, которая при твердении образует композит с высокими эксплуатационными характеристиками. Поэтому возможность практической реализации получения легких бетонов на полых микросферах с высокой прочностью является весьма актуальной задачей современного строительного материаловедения.



2. РАСЧЁТ СОСТАВА ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ВЯЖУЩЕГО С ДОБАВКОЙ ЗОЛЫ

В стройиндустрии золу ТЭС можно использовать как заполнитель и как компонент вяжущего, получая известково-зольные цементы. Это гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным помолом золы уноса ТЭС и извести. Их применяют для приготовления строительных растворов марок не более М 200. Для регулирования сроков схватывания и улучшения других свойств этих, вяжущих при изготовлении их вводится до 5% гипсового камня. Содержание извести составляет 10-30%.

Известково-зольные цементы по прочности уступают сульфатно-шлаковым цементам. Их марки: 50, 100, 150 и 200. Начало схватывания должно наступать не ранее чем через 25 мин., а конец - не позднее чем через 24 ч. после начала затворения. При снижении температуры, особенно после 10є С, нарастание прочности резко замедляется и, наоборот, повышение температуры при достаточной влажности среды способствует интенсивному твердению. Твердение на воздухе возможно лишь после достаточного продолжительного твердения (15-30 сут.) во влажных условиях. Для этих цементов характерна низкая морозостойкость, высокая стойкость в агрессивных водах и малая экзотермия

При использовании золы ТЭС в качестве добавки в вяжущее вещество для получения известково-зольного цемента необходимо сначала провести исследование, для этого:

- изучают химический состав золы и извести;

- определяют радиоактивность и токсичность веществ;

- определяют модуль активности и модуль основности золы;



2.1 Изучение химического состава компонентов

Химический состав шихты приведен в таблице 1.

Таблица 1 Химический состав шихты

Вид сырья	SiO2	ТiO2	Al2O3	CaO	MgO	Fe2O3	К2О	MnO	SO3	P2O5	П.П.П	У	К
Зола с гидроот. ТЭС	48,1	0,67	13,4	4,73	3,24	19,11	2,15	0,25	0,14	0,71	?	92,50	1,081
Известь	0,58	?	?	82,76	3,62	?	?	?	0,15	?	13,01	87,11	1,148

Для того, чтобы пересчитать данные химического состава к 100 %, необходимо вычислить переходной коэффициент К.

;

Химический состав шихты, приведенного к 100 %, определяется путем умножения процентного соотношения оксидов на соответствующий поправочный коэффициент К. Результаты расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2 Химический состав шихты, приведенный к 100%

Вид сырья	SiO2	ТiO2	Al2O3	CaO	MgO	Fe2O3	К2О	Na2O	MnO	SO3	P2O5	П.П.П	У
Зола с гидроотвалов ТЭС	51,97	0,72	14,49	5,12	3,51	20,66	2,32	0,27	0,15	0,80	9,19	100
Известь	0,67	?	?	95,01	4,16	?	?	?	?	0,17	?	14,94	100



2.2 Определение радиоактивности и токсичности веществ

Любое сырье исследуется на содержание радиоактивных и токсичных компонентов.

Под радиоактивностью понимают способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.

Активностью (A) нуклида (общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов Z и нейтронов N) в радиоактивном источнике называется число распадов, проходящих с ядрами образца в 1 с.

Единица активности - беккерель (Бк): активность нуклида, при которой за 1 с происходит один акт распада.

По ГОСТ 30108-94 «Материалы и изделия строительные. Определение эффективной удельной активности естественных радионуклидов» приводится следующая классификация материалов по их радиоактивности, представленная в таблице 3.

Таблица 3 Классификация материалов по их радиоактивности

Суммарная удельная активность, Бк/кг	Класс	Область применения
До 370	1	Все виды строительства
370…740	2	Дорожное строительство в пределах населенных пунктов, промышленное строительство
740…1350	3	Дорожное строительство вне населенных пунктов
Более 1350	4	Вопрос о возможности применения решается согласованием с Госкомсанэпиднадзором

Зола с гидроотвалов ТЭС имеет низкую суммарную удельную активность, и может быть использована для изготовления строительных изделий и конструкций.

Токсичность отхода оценивается путем сравнения состава с предельно допустимой концентрацией (ПДК) канцерогенных токсичных веществ и элементов. При этом возможно 3 варианта:

1. Отход содержит большое количество вредных элементов, превышает ПДК

2. Отход с небольшим количеством тяжелых металлов

3. Отход не содержит вредных веществ.

ПДК оценивается в мг на 1 м3 воздуха [мг/м3].

Mn и его соединения, мышьяк - As, NO2, СО, пыль нетоксичная, ртуть металлическая, Pb и его соединения, свинец сернистый - Pb, сажа, H2SO4, сернистый ангедрит - SO2, H2S, CS2, F и HF, Cl, HCl.

Исследуемые материалы не являются токсичными и радиактивными.

2.3 Определение модуля активности и модуля основности золы

Модуль активности и модуль основности определяют к какой группе относится данная зола: «кислая», «нейтральная» или «основная».

2.3.1 Модуль основности Мо

Определяется отношением содержания основных оксидов к общей сумме кислотных оксидов, %, и рассчитывается по формуле:

По модулю основности вещество делится на: кислые Мо1; нейтральные Мо=1; основные Мо>1.

Для золы с гидроотвалов ТЭС:

Мо=0,13<1 ? зола с гидроотвалов ТЭС относится к группе кислых.

2.3.2 Модуль активности Ма

Характеризуется отношением, %, глинозема в веществе к содержанию кремнезема.

По модулю активности вещество делится на активное Ма?2,5 и неактивное Ма2,5.

Ма для золы с гидроотвалов ТЭС:

Ма=0,272,5 ? зола с гидроотвалов ТЭС является неактивной, т.е. требует активизации.

2.4 Коэффициент качества К

Коэффициент качества характеризует свойства золы как сырья для получения вяжущего и позволяет присвоить сортность сырью:

— при содержании MgO до 10%



— при содержании MgO более 10%

Согласно ГОСТ 3476-74 породы делятся на 3 сорта. Показатели качества золы приведены в таблице 4.

Для данной золы MgO<10%, следовательно:

Таким образом видно, что данная зола относится к третьему сорту.

Таблица 4 Показатели качества золы

Показатель	1 сорт	2 сорт	3 сорт
Коэффициент качества не менее	1,65	1,45	1,20
Al2O3, % не менее	8,0	7,5	Не нормируется
MgO, % не более	15,0	15,0	15,0
TiO2, % не более	4,0	4,0	4,0
MnO2, % не более	2,0	3,0	4,0

2.5 Определение коэффициента основности силикатов

Для оценки качества вещества применен коэффициент основности силикатов (Kосн). Он используется для характеристики различных промышленных отходов, которые целенаправленно используются для производства тех или иных строительных материалов и изделий.

Коэффициент основности определяется по формуле:



По коэффициенту основности все материалы делятся на 5 групп:

1. Ультраосновные Косн=1,6…+;

2. Основные Косн=1,2…1,6;

3. Средние Косн=0,8…1,2;

4. Кислые Косн=0,0…0,8;

5. Ультракислые Косн0,0…-.

Kосн для золы с гидроотвалов ТЭС

Косн= - 0,11, следовательно зола с гидроотвалов ТЭС относится к группе ультракислых.

2.6 Расчет состава двухкомпонентной сырьевой смеси для получения вяжущего

Установлено, что промышленные продукты, имея коэффициент основности в интервале от 1,2 до 1,4, работают как вяжущее.

Для повышения коэффициента основности в золу необходимо ввести «основный» компонент - известь.

Для этого необходимо рассчитать, какое количество основного компонента необходимо добавить, чтобы повысить коэффициент основности до 1,6 (n=1,6).

где: n=1,6 - заданное для шихты значение Косн;

x - количество массовых частей «основного» сырья с Косн>1 на одну весовую часть «кислого» сырья с Косн1.

Упростив это выражение получим:

Таким образом, на 1 часть золы приходится 0,41 частей извести.

Найдем их процентное соотношение.

Тогда

Таким образом, при заданных условиях и при Косн=1,6 понадобится 70,92 % золошлаковой смеси и 29,08 % извести.

Для регулирования сроков схватывания и улучшения других свойств вяжущих при изготовлении вводится около 5% гипсового камня. Таким образом, для получения вяжущего, необходимо:

1) обеспечить домол до удельной поверхности более 300 м2/кг.

2) ввести сульфатный активизатор - гипс.

Необходимое количество гипса рассчитывается по формуле:

где: а - содержание CaSO4 2H2O в гипсовом камне, а = 80 %;

- суммарное содержание Al2O3 в обоих компонентах.

Для получения вяжущего необходимо ввести 6,14 % сульфатного активизатора (гипса).



3. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПЕРЕРАБОТКИ ЗОЛЫ ТЭС

Золы тепловых электростанций - дешёвый и неисчерпаемый источник сырья. Многолетние теоретические и экспериментальные исследования ведущих научно-исследовательских и учебных институтов и других организаций доказали высокую эффективность внедрения в производство бетона и железобетона золы-уноса и золошлаковых отходов ТЭС. Внимание инженерно-технических работников уже давно привлечено к тому, что золошлаковые отходы характеризуются разнообразием химического состава и ценными технологическими свойствами.

Золы ТЭЦ по своему вещественному составу характеризуются содержанием тонкодисперсного остаточного топлива и стеклофазы. Вещественный состав зол влияет на фазовые превращения компонентов и формирование структуры строительных материалов. В связи с этим определились критерии пригодности золы, как основного сырья для производства строительных материалов и изделий.

Химический состав зол различных угольных бассейнов различен. Количество в них А1203 + Si02 и СаО существенно влияет на процессы структурообразования золосодержащих материалов. Золы ТЭС от сжигания углей Кузнецкого бассейна с высоким содержанием А1203 + Si02 (75- 95 %) отнесены к первому классу, а золы с низким содержанием А1203 + Si02 (30-50 %) - ко второму классу.

Золу-унос классифицируют в соответствии с ГОСТ 25818-91 «Золы-унос тепловых электростанций для бетонов. Технические условия».

В зависимости от химического состава золы подразделяют на типы: кислые (К) -- антрацитовые, каменноугольные и буроугольные, содержащие оксид кальция до 10 %; основные (О) -- буроугольные, содержащие оксид кальция более 10 % по массе.

Несмотря на то, что золы ТЭС различны по химическому составу в зависимости от вида сжигаемого топлива, режима горения, устройства топок, все они близки к составу гидравлических добавок.

Бетонные смеси с добавкой золы обладают большей вязкостью, лучшими транспортабельностью и перекачиваемостью, меньшими водоотделением и расслоением. Получаемые при этом изделия характеризуются повышенной плотностью и сульфатостойкостью, удовлетворительной морозостойкостью и рядом других положительных свойств.

При использовании золы ТЭС в качестве добавки в вяжущее вещество для экономии цемента, необходимо исследовать вещественный состав золы, определить содержание тонкодисперсного остаточного топлива, а также коэффициент основности.

Также необходимо учитывать, что химический и гранулометрический состав зол угольных бассейнов различен и существенно влияет на свойства получаемого продукта. Составы меняются в широких приделах в зависимости не только от различного местоположения электростанций, но даже в пределах на одной ТЭС в зависимости от времени года и места отбора.

Это говорит о необходимости проводить регулярные исследования состава используемой золы, что значительно усложняет использование золы ТЭС в качестве добавки в вяжущее вещество.

Однако, это далеко не единственный способ переработки данного вида техногенного продукта. Золу ТЭС также успешно вводят в состав бетонов в качестве наполнителя, получая при этом изделия с лучшими теплоизоляционными свойствами, которые являются конструкционно-теплоизоляционными материалами.

Теплопроводность конструкционно-теплоизоляционных материалов зависит от следующих факторов:

- физического состояния и строения, которые определяются фазовым состоянием вещества; степенью кристаллизации и размерами кристаллов; объемом пористости материала и характеристиками пористой структуры;

- химического состава и наличия примесей;

- условий эксплуатации (температуры, давления, влажности).

Один и тот же материал с одной и той же плотностью может обладать различным значением теплопроводности, ввиду, например, разной пористой структуры. Чем меньше размер пор, тем меньше теплопроводность материала. Но не только общая пористость но и форма, размер и ориентация пор играют заметную роль, поскольку направление потока тепла внутри пор оказывает большое влияние на общую теплопроводность материала.

Анализ прочности конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов показывает, что:

- прочность в основном определяется плотностью материала;

- обычно увеличение прочности происходит с уменьшением размера пор;

- при повышении равномерности распределения пор, а также с увеличением количества закрытых пор сферической формы прочность возрастает;

- чем выше прочность каркаса ячеистого материала, тем выше прочность изделия из этого материала.

Современные конструкционно-теплоизоляционные материалы включают в себя как давно известные ячеистые бетоны, в том числе пенобетон, газобетон, полистиролбетон, так и совершенно новые материалы.

Инновационными материалами можно назвать пеноцеолит и пеностекло. Это теплоизоляционные материалы, производимые на основе природного сырья Сибирского региона. Они являются экологически чистыми, биологически стойкими и очень теплыми материалами, имеют практически нулевое водопоглощение, характеризуются хорошей морозостойкостью и идеально подходят для использования в сибирских климатических условиях. В их состав могут входить туганские пески или микросферы, полученные при переработке золы ТЭС.

Алюмосиликатные полые микросферы (ценосферы) образуются в составе золы уноса при сжигании углей в топке котла на ТЭС. По своим свойствам микросферы из энергетических зол близки к полым микросферам, которые получают из расплавов промышленными методами. Существенно, что стоимость полых микросфер из золы в несколько раз ниже, чем получаемых промышленными методами.

Микросферы имеют форму, близкую к сферической, и гладкую внешнюю поверхность. Диаметр варьируется от 5 до 500 мкм. Газовая фаза, законсервированная внутри микросфер, состоит в основном из азота, кислорода и оксида углерода.

За счет сферической формы микросферы требуется меньше смол, крепителя, воды и т.д., чем для любого другого формового наполнителя. Это приводит к снижению расхода смол или крепителя, что в свою очередь дает возможность использовать смеси с высоким содержанием твердой составляющей, а также снизить усадочную деформацию и часто сократить затраты.

Сферические наполнители характеризуются высокой растекаемостью, так что их легко разбрызгивать, нагнетать насосом, наносить шпателем и т.д., снижают усадочную деформацию не только потому, что позволяют использовать более низкое содержание крепителя, но и непосредственно благодаря своей форме. При высокой концентрации сферы уплотнены, но дальнейшего уплотнения не происходит, как это может случиться с наполнителями неправильной формы в процессе усадки крепителя, а также испарения растворителя или воды. Таким образом, использование сфер способствует сохранению объема исходной продукции и, следовательно, они являются отличными наполнителями для мастик для герметизации трещин и швов, герметиков и т.д.

Свободная растекаемость - качество микросферы, означающее, что ее легко использовать в заводских условиях. Ее легко подавать самотеком, не опасаясь закупорки, а в сухом виде ее можно подавать насосом или пневмотранспортом.

...