Перспективы развития технологии бетона с высоким содержанием золы-уноса

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 691.32: 628.477.7

Перспективы развития технологии бетона с высоким содержанием золы-уноса

Петухов А.В., Коровкин М.О., Ерошкина Н.А., Лавров И.Ю.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства E-mail: m_korovkin@mail.ru

Приведены результаты исследования свойств бетона с высоким содержанием золы-уноса. Проанализировано позитивное и негативное влияние высокого содержания золы на свойства бетона. Показано, что такие бетоны обладают рядом ценных свойств и могут быть использованы в различных видах строительства.

Ключевые слова: зола-унос, бетон с высоким содержанием золы, тепловыделение, долговечность

PERSPECTIVES ON DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY OF HIGH VOLUME FLY ASH CONCRETE

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

The results on study of the properties of high volume fly ash concrete are presented. The positive and negative effect of high ash content on the properties of concrete was analyzed. It was shown that such concretes often have a number of valuable properties and can be used in various types of construction.

Keywords: fly ash, high volume fly ash concrete, heat release, durability

Портландцемент и бетоны на его основе являются практически безальтернативными материалами в современном строительстве благодаря своим технологическим и эксплуатационным свойствам [1, 9, 14]. Общемировое производство портландцемента ежегодно возрастает и в настоящее время уже превысило 4,6 млрд. тонн в год, при этом потребность в этом материале в развивающихся странах возрастает на 5-10 % в год [7, 14].

Колоссальные объемы производства цементного клинкера, а также особенности его технологии - высокотемпературный обжиг и использование карбонатного сырья являются причиной важной экологической проблемы цементной отрасли - большим объемом выбросов в атмосферу углекислого газа [9]. В связи с этим применение различных безобжиговых материалов (CO2-нейтральных добавок) для частичной замены клинкера в цементе рассматривается в цементной отрасли в качестве наиболее перспективного направления снижения выбросов в атмосферу парниковых газов [14]. Применение для этих целей промышленных отходов можно считать практической реализацией концепции промышленного метаболизма, которая подразумевает использование отходов одних отраслей промышленности в качестве сырья для других отраслей.

К числу наиболее распространенных промышленных отходов, который используется для этих целей, относится зола-унос - материал, образующийся при сжигании угля на тепловых электростанциях [2, 5, 8]. В качестве минеральной добавки зола используется в промышленных странах с 30-х годов прошлого века. Золу-унос использовали при ее умеренных расходах в основном при возведении массивных бетонных конструкций - дамб и других гидротехнических сооружений. К положительным эффектам, которые получали при использовании этой минеральной добавки, относили экономию цемента, снижение тепловыделения цемента в массивных конструкциях и повышение стойкости бетона к коррозионно-активным веществам.

Несмотря на большой опыт исследования и применения этого материла потенциал развития технологии цемента и бетона с добавкой золы еще не исчерпан, особенно в отечественной строительной индустрии. Анализ зарубежной научной литературы показывает, что интерес к использованию золы в бетонах постоянно возрастает. Особый интерес у ученых взывают бетоны с высоким содержанием золы, которые в международных научных журналах обозначаются термином «high volume fly ash concrete». По данным библиографической базы Scopus количество статей и докладов конференций, посвященных различным аспектам исследования и применения бетонов с высоким содержанием золы, в последние годы растет экспоненциально. Только в 2017 году было опубликовано более 1600 научных работ по этой проблеме.

Такой интерес к использованию золы в технологии бетона вызван в значительной степени экологическими факторами [2, 5, 8]. Производство бетонов с высоким содержанием золы позволяет снизить содержание клинкера в цементе и значительно уменьшить выбросы углекислого газа при производстве цемента. Кроме того, это снижает актуальность проблемы складирования золы, объемы производства которой достигают сотен миллионов тонн в год.

Ежегодно в мире образуется около 600 млн. тонн угольной золы, из которых примерно 500 млн. тонн составляет зола-унос. По данным американской угольной ассоциации только 40 % от общего количества производимой золы-уноса находит применение в различных отраслях, остальное - складируется в отвалы. При этом около 16 % используется при производстве бетона и железобетонных конструкций и только 4 % золы-уноса находит применение при изготовлении смешанных вяжущих и производстве клинкера [2].

Большая часть золы производится в Китае, Индии и США, при чем значительная доля этого материала утилизируется только в Китае и США. В Европе и Японии образуется относительно небольшое количество золы, из которого используется более 90 % [13].

Зола-унос образуется на тепловых электростанциях при сжигании угольного топлива. Этот промышленный отход в основном состоит из твердых сферических частиц и небольшого количества полых ценосфер. Основным веществом золы-уноса является силикатное стекло, которое содержит оксид кремния, алюминия, железа и кальция.

Несмотря на то, что термин «high volume fly ash concrete» (бетон с высоким содержанием золы) используется уже несколько десятилетий, ученые не пришли к единому мнению, какой расход золы можно считать высоким. Многие авторы полагают, расход золы близкий к верхней границе, установленной в действующих стандартах, можно считать высоким расходом. Значительная часть исследователей считает, что высоким содержанием можно считать расход, который превышает установленные в стандартах нормы. Определенной проблемой такого подхода является отличия этих норм в различных стандартах от 25 до 35%. Некоторые ученые предлагают считать высоким содержание золы более 50 %.

Дозировка золы и влияние ее на свойства смешанного цемента в значительной степени зависит от ее химико-минералогического состава. В соответствии с российским ГОСТ 25818-2017 зола по химическому составу подразделяется на два вида - кислую до 10 % СaO и основную - свыше 10 % CaO. Схожие требования к золе унос по составу заложены в канадском стандарте: зола считается низкокальциевой при содержании CaO до 10 % (класс F) и высококальциевой - при CaO свыше 10% (класс C). В международной практике применяется стандарт ASTM, в соответствие с которым при суммарном содержании в золе оксидов кремния, алюминия и железа менее 70 % она относится к классу F, а при менее 50 % - к классу С.

Зола-унос в зависимости от ее состава может использоваться в качестве минеральной пуццолановой добавки, связывающей гидролизную известь, что повышает коррозионную стойкость цемента с добавкой золы или в качестве добавки со скрытовяжущими свойствами. Применение золы во многих случаях позволяет снизить расход воды или повысить удобоукладываемость бетонной смеси, уменьшить тепловыделение и усадку бетона.

Введение золы-уноса в количестве от 45 до 70 % позволяет сократить теплоту гидратации на 36-55 % [2], что является эффективным способом снижения раннего трещинообразования и использования бетонов для возведения массивных сооружений и строительства в регионах с жарким климатом. зола унос бетон

Исследованиями установлено, что зола является медленно гидратирующимся компонентом вяжущего; в реакцию гидратации вступает не более 20 % золы [4].

Некоторые авторы отмечают, что при введении золы-уноса в состав бетона снижается водопотребность, увеличивается удобоукладываемость смеси [2]. В одних случаях при замещении цемента на 50-70 % золой снижение осадки конуса незначительно 11-16 %, а в других случаях введение 60-70 % золы уменьшает осадку конуса бетонной смеси на 40-53 % [8]. При этом существенное увеличение удобоукладываемости при низких водоцементных отношениях достигается при введении поликарбоксилатного суперпластификатора.

Несмотря на то, что гидратация золы протекает медленнее, чем гидратация клинкера имеются сведения о том, что бетонная смесь с золой более быстро теряет подвижность [7]. Кроме того, имеются данные о снижении удобоукладываемости на 20-23 % при введении в состав бетона смешанного вяжущего, содержащего 60-70 % золы [11].

По данным [6] введение золы-уноса замедляет сроки схватывания, при этом бетоны с высоким содержанием золы имеют замедленные темпы твердения. Замедление схватывания и твердения можно объяснить отчасти медленной пуццолановой реакций золы и ее низкой скоростью гидратации по сравнению с цементом. Результаты исследований жидкой фазы при гидратации вяжущей системы [12] показали, что насыщение частиц гипса происходит в течение нескольких секунд после добавления воды в золу-унос. В работе [12] замедление объясняется образованием катионов SO4^2- и Ca^{+ 2} при растворении золы-уноса. Таким образом, вследствие медленного твердения золы в бетоне ее можно использовать вместо дорогостоящей химической добавки замедлителя схватывания.

По данным [6] бетоны с золой унос характеризуются низким водоотделением, отсутствием сегрегации частиц, что можно объяснить «смазывающим» эффектом стекловидных сферических частиц золы унос.

Введение золы-уноса снижает плотность бетонной смеси, что уменьшает вес бетонной конструкции и обеспечивает еще одно преимущество бетона с высоким расходом золы-уноса. Уменьшение плотности бетонной смеси связано с более низкой средней плотностью золы по сравнению с цементом.

В бетонах с высоким расходом золы от 50 до 85 % отмечается снижение прочности при сжатии и изгибе в ранние сроки твердения до 35-80 %. В более позднем возрасте от 3 месяцев до 1 года снижение прочности по сравнению с бездобавочными составами может составлять 3-25 %, что характеризует золу как медленно твердеющий компонент смешанного вяжущего [4].

Для бетонов с содержанием золы-уноса 60 % по данным исследований [8] характерно повышенное воздухововлечение, что обеспечивает их высокую морозостойкость.

Введение золы-уноса в состав бетона снижает развитие усадочных деформаций при его высыхании. Зола-унос выполняет роль минеральной добавки, за счет которой снижается водопотребность бетонной смеси. В результате уменьшается количество образованной цементной матрицы и поровой воды в структуре материала, что способствует снижению усадки высыхания бетона. С учетом этой особенности бетон с высоким содержанием золы может быть рекомендован для строительства массивных конструкций, таких как плиты фундаментов и плотины.

Исследования авторов [3, 8] показали, что бетоны с высоким содержанием золы-уноса имеют низкую проницаемость к воздействию хлоридов и других агрессивных веществ. Низкая проницаемость агрессивных веществ объясняется пуццолановой реакцией золы, в ходе которой поглощаются гидросиликаты и образуются водонерастворимые продукты гидратации, снижается возможность выщелачивания гидросиликатов. Продукты гидратации заполняют капиллярные поры, снижая проницаемость. Низкая проницаемость бетона с высоким содержанием золы-уноса

обеспечивает его высокую долговечность

Введение золы-уноса в бетон значительно повышает его сульфатостойкость. Зола-унос, содержащаяся в бетоне, препятствует проникновению сульфатных ионов, что приводит к незначительному образованию гипса или эттрингита. По мнению авторов [10], сульфатостойкость повышается за счет следующих явлений:

- при поглощении свободной извести ее не хватает для взаимодействия с сульфатом;

- понижается проницаемость, которая препятствует проникновению сульфатов;

- при замещении части цемента золой снижается количество реакционно-активных алюминатов.

Повышение кислотостойкости за счет введения золы-уноса может быть связано с пуццолановой реакцией между золой унос и гидросиликатом кальция, высвобождаемого при гидратации цемента.

Имеются противоречивые результаты по сорбционной способности бетонов с высоким расходом золы. В одних случаях зола-унос повышает, в других понижает сорбцию бетона. Уменьшение сорбционной способности уменьшает проницаемость в бетон хлоридных и сульфатных ионов [5].

Большое количество исследований показывает, что зола существенно повышает карбонизационную стойкость бетона. Карбонизация обуславливает выщелачиванием цементного камня в результате взаимодействия портландита с углекислым газом. Это вызывает усадку карбонизации [2, 8].

В таблице приведены обобщенные положительные и отрицательные эффекты, установленные различными авторами по результатам исследований бетонов с высоким содержанием золы.

Таблица 1. Влияние золы-уноса на свойства бетона

Выводы

Бетоны с высоким содержанием золы-уноса имеют большие перспективы использования. В первую очередь это обеспечивается энерго- и ресурсосбережением технологии: доступной сырьевой базой, которая имеется во многих регионах России и мира, вовлечением в производство промышленных отходов, снижением энергетических затрат на производство. Важным преимуществом таких бетонов является снижение их стоимости. Бетоны с высоким расходом золы характеризуются низким тепловыделением, высокой трещиностойкостью, высокой морозостойкостью, низкой проницаемостью к воздействию агрессивных веществ, сульфато- и кислотостойкостью и могут использоваться для возведения массивных строительных конструкций. С учетом того, что имеется значительное число противоречивых данных о влиянии высокого содержания золы на свойства бетона, многие аспекты применения таких бетонов должны быть дополнительно исследованы.

Список литературы

1. Atis C. D. Strength properties of high-volume fly ash roller compacted and workable concrete, and influence of curing condition. // Cement and Concrete Research. 2005. No.35. P. 1112-1121.

2. Bilodeau A., Malhotra V.M. Concrete incorporation high volume of ASTM Class F fly ashes, mechanical properties and resistance of deicing salt scaling and chloride-ion penetration // Proceedings Fourth International Conference. Istanbul, Turkey, 3-8, May 1992. P. 319- 349.

3. Filho J. H., Medeiros, M.H.F., Pereira, E. et al. High-volume fly ash concrete with and without hydrated lime: chloride diffusion coefficient from accelerated test // Journal of Materials in Civil Engineering. 2013. Vol. 25, Issue 3. P. 411-418.

4. Lam L., Wong Y.L., Poon C.S., 2000. Degree of hydration and gel/ space ratio of high-volume fly ash/cement systems // Cement and Concrete Research. 2000. Vol. 30, Issue 5. P. 747-756.

5. McCarthy M.J., Dhir R.K. Development of high volume fly ash cements for use in concrete construction // Fuel. 2005. Vol. 84, Issue 11. P. 1423-1432.

6. Mirza J., Mirza M.S., Roy V., Saleh K. Basic rheological and mechanical properties of highvolume fly ash grouts // Construction and Building Materials. 2002. Vol. 16, Issue 6. P. 353-363.

7. Rashad A. M. Potential use of phosphogypsum in alkaliactivated fly ash under the effects of elevated temperatures and thermal shock cycles // Journal of Cleaner Production. 2015. Vol. 87. P. 717725.

8. Shaikh F. U.A., Supit S.W.M. Mechanical and durability properties of high volume fly ash (HVFA) concrete containing calcium carbonate (CaCO₃) nanoparticles // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 70. P. 309-321.

9. Shi C., Qian J. Activated blended cement containing high volume coal fly ash // Advances in Cement Research. 2001. Vol. 13, Issue 4. P. 157-163.

10. Siddique R., Khan Iqbal. Supplementary Cementing Materials, Engineering Materials. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2011. Doi:10.1007/978-3-642-17866-5_1.

11. Silva P., de Brito J. Electrical resistivity and capillarity of self-compacting concrete with incorporation of fly ash and limestone filler // Advances in concrete construction. 2013. Vol. 1, Issue 1. P. 65-84.

12. Wesche. K. Fly ash in concrete properties and performance. Report of Technical Committee 67-FAB Use of Fly Ash in Building, RILEM, E& FN SPON, An Imprint of Chapman & Hall, 2005.

13. Коровкин М. О., Володин В. М., Ерошкина Н.А., Чамурлиев М.Ю., Лавров И.Ю.

Анализ перспективности применения золы-уноса в технологии геополимеров // Молодежный научный вестник. 2017. №10 (23). С. 70-77.

14. Лафон, Б. Обязательства компании «Лафарж» перед будущими поколениями [Электронный ресурс]. - Электр. дан. заглавие с экрана. URL: http://www.lafarge.ru/Sustainable_ambitions_RUS_Final.pdf (дата обращения: 12.02.2018).

Размещено на Allbest.ru