Бетон с добавкой зольного остатка от переработки твердых бытовых отходов

РЕФЕРАТ. При сжигании твердых бытовых отходов в мусоросжигающих печах образуются зола-унос (ЗУ) и зольный остаток (ЗО). Выход ЗУ мал, а содержание в ней хлоридов настолько высоко, что ее нельзя использовать при производстве железобетонных изделий.

В то же время доля ЗО составляет около 25 %, а содержание в нем хлоридов незначительно, так что потенциально он может быть использован в качестве минеральной добавки при изготовлении бетонных смесей. Однако молотый ЗО обладает более низкими показателями по сравнению с другими минеральными добавками — микрокремнеземом (МК) или ЗУ, образуемой при сжигании угля на ТЭЦ. Это связано с присутствием частиц алюминия, которые реагируют с известью, выделяющейся в результате гидратации портланд­цемента (ПЦ), с образованием пузырьков водорода, которые значительно увеличивают пористость бетона и снижают его прочность.

Для устранения этого недостатка разработан новый метод полного механического удаления частиц алюминия с помощью специального мокрого помола ЗО. Полученный в результате зольный шлам (ЗШ) использовался в качестве заменителя ПЦ.

В данной работе использованы три вида ЗШ, причем в бетонных смесях ими заменяли 20 % ПЦ, а также ЗУ и МК. Самый тонкий ЗШ (размер частиц около 1,7 мкм) оказался сопоставимым с МК по влиянию на механические свойства и долговечность бетона, а характеристики бетона с более грубым ЗШ (3 и 5 мкм) были лучше, чем с ЗУ от сжигания угля, и хуже, чем с МК.

Ключевые слова: зольный остаток, шлам, бетон.

Keywords: bottom ash, slurry, concrete.

1. Введение

ЗО, образующийся при сжигании твердых бытовых отходов в мусоросжигающих печах, имеет химический состав, который в общем ненамного отличается от состава угольной ЗУ, традиционно используемой в качестве пуццолановой добавки, повышающей долговечность бетона. Химический состав ЗО представлен кремнеземом, глиноземом, оксидом железа и оксидом кальция [1—4]. Учитывая высокую дисперсность материала, можно предположить, что ЗО обладает пуццолановыми и гидравлическими свойствами и при введении в бетонную смесь в качестве минеральной добавки может положительным образом влиять на развитие микроструктуры цементного теста. Следовательно, ЗО от сжигания мусора, запасы которого в громадных количествах доступны во многих странах мира, можно было бы превратить в ресурс, пригодный для производства качественного бетона.

В некоторых работах показана гидравлическая и пуццолановая активность молотых ЗО по отношению к извести или портланд­цементному клинкеру [5, 6]. Тем не менее до сих пор нет данных об использовании ЗО в качестве минеральной добавки в бетон из-за побочных эффектов, возникающих при ее введении. В основном негативное влияние сводится к выделению водорода после смешивания материалов из-за присутствия в ЗО металлического алюминия [7]. При растворении алюминия в щелочной среде портланд­цементного теста (pH около 13) образуется большое количество газообразного водорода. После укладки и уплотнения бетона водород остается в свежем материале, образуя скопления пузырьков, что приводит к значительному снижению прочности и увеличению проницаемости затвердевшего бетона.

В данной работе представлены результаты исследований, направленных на разработку таких способов технологической обработки ЗО, которые позволили бы использовать ее в качестве минеральной добавки для производства строительного бетона с исключением образования газообразного водорода из-за наличия частиц металлического алюминия.

2. Экологические аспекты

Все образцы бетонов с добавкой молотого ЗО были испытаны на выщелачивание, причем это были и монолиты, и кусковой и тонко измельченный бетон, что моделировало ситуацию в конце срока службы материала. Полученные результаты были положительными: все бетоны соответствовали нормативам европейских стандартов. В частности, подтверждено, что ЗО обладает хорошими экологическими свойствами, что удаление тяжелых металлов действительно оказывается эффективным и что молотый ЗО с экологической точки зрения и с учетом срока службы материала можно сравнить с обычными минеральными добавками (ЗУ, МК, доменным шлаком) и цементом.

3. Экспериментальная часть

Зольный остаток после сжигания твердых бытовых отходов состоит из смеси неорганических частиц с кусочками металлов. Новый метод благодаря очень эффективной сепарации металлов (включая тяжелые) и особому способу мокрого помола позволил получить подвижный ЗШ, из которого с помощью сепарации были полностью удалены алюминийсодержащие металлические частицы.

В табл. 1 представлены характеристики трех ЗШ со средним размером частиц (D₅₀) около 5, 3 и 1,7 мкм, полученных при различных временах помола. ЗШ наибольшей дисперсности (1,7 мкм) содержит меньшее количество ЗО (41,2 %) по сравнению с более грубыми ЗШ (около 55 %); это необходимо для того, чтобы обеспечить одинаковую подвижность исследуемых ЗШ. На рис. 1 представлены фотографии ЗШ, полученные с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ).

а)  б)  

в) 

Рис. 1. Фотографии частиц ЗО в ЗШ. Cредний размер частиц, мкм: а — 1,7; б — 3; в — 5

В табл. 2 приведен химический состав ЗО, угольной ЗУ, МК и ПЦ CEM I 52.5 R, использованных для приготовления бетонных смесей.

В табл. 3 представлен состав следующих бетонных смесей:

• контрольной бездобавочной;

• с угольной ЗУ с замещением ПЦ 20 %;

• с МК с замещением ПЦ 10 %;

• с ЗШ (5 мкм) с замещением ПЦ 20 %;

• с ЗШ (3 мкм) с замещением ПЦ 20%;

• с ЗШ (1,7 мкм) с замещением ПЦ 20%.

Во всех образцах масса вяжущего материала, включая портландцемент и минеральные добавки, составляла около 340 кг на 1 м³ бетона. Масса воды затворения, включая воду, содержащуюся в ЗШ, была около 167 кг на 1 м³ бетона; таким образом, соотношение В/Т во всех бетонных смесях составляло 0,49. Расход поликарбоксилатного суперпластификатора (около 1 % массы вяжущего) был подобран так, чтобы для всех бетонных смесей осадка конуса составляла около 210 мм.

Определяли следующие характеристики образцов бетонов:

• прочность при сжатии в возрасте 1—60 сут при 20 °C;

• водопроницаемость бетона в возрасте 28 сут по стандарту EN 12390/8;

• коэффициент проницаемости хлоридов в бетон (возраст 28 сут) при его выдерживании в 3,5%-м растворе NaCl в течение 120 сут;

• степень карбонизации бетона (возраст 28 сут) при его выдерживании на воздухе в течение 120 сут.

4. Результаты и их обсуждение

4.1 Прочность при сжатии

На рис. 2 представлены изменения проч­ности при сжатии контрольных образцов бетона и образцов с добавками ЗУ и МК. Из рисунка видно, что замена 20 % ПЦ угольной ЗУ снижает прочность бетона, особенно в начальный период гидратации. В случае замещения 10 % ПЦ на МК наблюдается незначительное снижение прочности образцов в раннем возрасте (1—7 сут), а затем проч­ность увеличивается (в возрасте 28—90 сут).

Рис. 2. Прочность при сжатии бетона без замены (1) и с заменой ПЦ на 20 % ЗУ (2) или 10 % МК (3)

На рис. 3—5 представлены значения прочности при сжатии бетона при замещении 20 % ПЦ соответственно ЗШ (5 мкм), ЗШ (3 мкм) и ЗШ (1,7 мкм). Видно, что чем меньше размер частиц ЗО, тем выше проч­ность при сжатии. Наиболее тонкодисперсная добавка ЗШ (1,7 мкм) работает так же хорошо, как и добавка МК, причем оба образца бетона после 7 сут хранения демонстрируют более высокую прочность, чем контрольная смесь в том же возрасте (рис. 5). В случае замещения 20 % ПЦ на ЗШ (3 мкм) прочность при сжатии на ранних этапах незначительно снижается, но прак­тически не отличается от прочности конт­рольных образцов в возрасте 90 сут (рис. 4). Замещение 20 % ПЦ на ЗШ с наиболее крупными частицами (5 мкм) производит больший положительный эффект, чем ЗУ, на ранних этапах твердения (рис. 5). Таким образом, в зависимости от тонкости помола ЗШ по своему влиянию на прочность при сжатии образцов находится между угольной ЗУ и МК.

Рис. 3. Прочность при сжатии бетона без замены (1) и с заменой ПЦ на 20 % ЗУ (2),  10 % МК (3) или 20 % ЗШ со средним размером частиц 5 мкм (4)

Рис. 4. Прочность при сжатии бетона без замены (1) и с заменой ПЦ на 20 % ЗУ (2), 10 % МК (3) или 20 % ЗШ со средним размером частиц 3 мкм (4)

Рис. 5. Прочность при сжатии бетона без замены (1) и с заменой ПЦ на 20 % ЗУ (2),  10 % МК (3) или 20 % ЗШ со средним размером частиц 1,7 мкм (4)

4.2. Водопроницаемость

В табл. 4 представлены данные о глубине проникновения воды в бетон, в течение 5 сут находившийся под гидростатическим давлением 3 бар. Согласно стандарту EN 12390/8, бетон считается водонепроницаемым, если средняя глубина проникновения воды менее 20 мм, а максимальная не превышает 50 мм. По данным табл. 4, все бетоны согласно этому испытанию являются водонепроницаемыми, что обусловлено низким отношением В/Т, равным 0,49 (табл. 3). Водопроницаемость бетона с ЗШ (1,7 мкм) почти такая же, как бетона с МК; бетон с этими добавками наименее проницаем для воды. Проникновение воды в бетон с добавками двух других ЗШ происходит в меньшей степени, чем для бетона с добавкой угольной ЗУ.

4.3. Проницаемость хлоридов

В табл. 5 представлена глубина проникновения ионов Cl^– в образцы бетона. Представленные результаты показывают, что характеристики бетонов с добавками ЗШ (5 мкм) и ЗШ (3 мкм) выше, чем бетонов с добавкой угольной ЗУ, и ниже, чем образцов с добавкой МК, в то время как ЗШ (1,7 мкм) по эффективности соответствует МК.

4.4. Глубина проникновения CO₂

Результаты, представленные в табл. 6, показывают, что бетон, содержащий 20 % ЗШ самого тонкого помола (1,7 мкм), имеет такие же характеристики, что и бетон, содержащий 10 % МК, причем оба бетона имеют более высокую устойчивость к карбонизации по сравнению с контрольным образцом. Бетон с ЗШ (3 мкм) имеет более высокие эксплуатационные свойства, чем контрольный образец, в то время как проникновение CO₂ в бетон с ЗШ более грубого помола (5 мкм) происходит в меньшей степени, чем в бетон, содержащий ЗУ.

5. Выводы

ЗО от мусоросжигания в виде подвижных шламов (ЗШ) были получены с помощью новой технологии на основе высококачественной сепарации металлов, включая тяжелые, в процессе мокрого помола с использованием технических приемов, направленных на полное удаление частиц металлического алюминия. При варьировании времени помола были получены шлаки со средним размером частиц 5; 3 и 1,7 мкм.

Прочность при сжатии и долговечность определяли на образцах бетонов, в которых 20 % ПЦ было замещено исследуемыми ЗШ. Полученные результаты сравнивали с бетонами, содержащими 20 % угольной ЗУ и 10 % МК.

Эксплуатационные характеристики бетона с добавкой ЗШ наиболее тонкого помола (1,7 мкм) были не хуже, чем у бетона с МК по таким показателям, как прочность при сжатии, водопроницаемость, проницаемость хлоридов в бетон и глубина карбонизации. Характеристики бетонов с ЗШ при среднем размере частиц 3 и 5 мкм были выше, чем у бетонов, содержащих угольную ЗУ, особенно в возрасте 1—60 сут.

ЛИТЕРАТУРА

1. Pera J., Coutaz L., Ambroise J., Chababbet M. Use of inci­nerator bottom ash in concrete // Cement and Concrete Res. 1997. Vol. 27. N 1. P. 1—5.

2. Kikuchi R. Recycling of MSW for cement production: pilot-scale test for transforming incineration ash of solid waste into cement clinker // Resources, Conservation and Recycling. 2001. Vol. 31. P. 137—147.

3. Pecqueur G., Crignon C., Quénée B. Behaviour of cement-treated MSWI bottom ash // Waste Management. 2001. Vol. 21. P. 229—233.

4. Alkemade M.M.C., Eymael M.M.T. How to prevent expansion of MSWI bottom ash in road construction? // Environmental aspects of construction with waste materials, Studies in environmental sci. Amsterdam: Elsevier Science, 1994. P. 863—874.

5. Paine K.A., Dhir R.K., Doran V.P.A. Unprocessed and processed incinerator bottom ash as a cement bound material // Use of incinerator ash. Proc. of the International Symp. organized by the Concrete Technology Unit. Vol. 3. University of Dundee (UK), 2000. P. 20—21.

6. Macias A., Fernandez E., Goñi S., Guerrero A. Valorizacion de las cenizas de inceneracion de residuos solidos urbanos en los materiales de construction // Papel de los sectores cementero y de la construcciòn en la gestiòn y reciclado de residuos. Madrid: CSIC, 2001.

7. Bertolini L., Carsana M., Cassago D., Quadrio Curzio A. MSWI ashes as mineral additions in concrete // Cement and Concrete Res. 2004. Vol. 34. P. 1899—1906.