Гидравлические дорожные вяжущие с высоким содержанием золы-уноса: чешский опыт
РЕФЕРАТ. Гидравлические дорожные вяжущие (ГДВ) очень широко используются при укреплении грунтов, в первую очередь из-за их низкой стоимости по сравнению с традиционными вяжущими, например, известью или цементом. Состав и основные параметры ГДВ приведены в стандартах EN13282-1 и EN13282-2.
Исследования вяжущих с высоким содержанием золы-уноса начались в Чешской Республике задолго до создания стандартов EN. Вяжущее RSS5, которое состоит из 80 % оснóвной золы-уноса, полученной при сжигании каменного угля в кипящем слое, и 20 % негашеной извести, используется с 2010 года. Это очень хорошая альтернатива извести для обработки глин и суглинков. Вяжущее ViaCalco состоит из золы-уноса и пыли, уносимой из печи обжига извести. Оно используется главным образом для стабилизации дорожных покрытий и дополнительных слоев их основания, к которым предъявляются высокие требованиями по прочности (например, взлетно-посадочных полос в аэропортах). Наконец, в настоящее время проходит испытания новое ГДВ, состоящее из кислой золы-уноса, улавливаемой после прохождения дымовыми газами системы селективного некаталитического восстановления оксидов азота (selective non-catalytic reduction, SNCR) и содержащей не более 200 м. д. ионов аммония, и пыли, уносимой из цементной печи, с высоким содержанием хлора (до 13 %).
Ключевые слова: гидравлическое дорожное вяжущее, зола-унос, селективное некаталитическое восстановление оксидов азота, SNCR.
Keywords: hydraulic road binder, fly ash, selective non-catalytic reduction, SNCR.
Введение
Гидравлические дорожные вяжущие (ГДВ) очень широко используются при укреплении грунтов, что в значительной мере обусловлено их низкой стоимостью по сравнению с традиционными вяжущими материалами, такими как известь или цемент. ГДВ могут содержать различные компоненты и примеси. Составы и основные параметры ГДВ приведены в стандартах EN13282—1 и EN13282—2 [1, 2], разработчики которых, отреагировав на рыночную ситуацию, постарались охватить как можно больше таких вяжущих веществ, используемых в Европе.
Однако путь к этим стандартам был очень долгим. Первые быстросхватывающиеся вяжущие, содержащие золу-унос, были испытаны в начале 1970-х годов. В Чешской Республике смеси золы-уноса, полученной при сжигании топлива в кипящем слое, и извести использовались в начале 1990-х годов в качестве наполнителя, в том числе в покрытиях переходных зон между набережными и мостами. Пределы изменения свойств, ограничивающие возможность их использования при земляных работах, были установлены в Технических требованиях 93, впервые опубликованных в 1997 году [3]. Акцент был сделан на их прочностные характеристики и стабильность объема. Вопросы стабилизации грунтов и улучшения их свойств с использованием воздушной извести и/или гидравлических вяжущих при земляных работах регламентирует стандарт [4].
Первые ГДВ, содержащие золу-унос, были разработаны зарубежными компаниями (Holcim, Carmeuse). В Чешской Республике вяжущее с высоким содержанием золы-уноса было впервые изготовлено в 2006 году. Этот материал, который состоит из 80 % золы топлива, сжигаемого в кипящем слое, и 20 % негашеной извести, получил наименование RSS5 [5].
В 2012—2013 годах были разработаны новые вяжущие, содержащие аналогичную золу и пыль известковых и/или цементных печей от компании Carmeuse [6, 7].
Вяжущее RSS5
В Чешской Республике в 2006 году были проведены лабораторные и опытно-промышленные испытания для проверки возможности укрепления грунтов на основе глин средней пластичности смесью золы топлива, сжигаемого в кипящем слое на станции теплоснабжения предприятия Třinec Ironworks, и извести в соотношении 80 : 20 (далее — binder mixture 1, BM1).
Лабораторные испытания проводились для отработки рецептуры смешанного вяжущего BM1, используемого при обработке глин средней пластичности, имеющих влажность w = wopt + 3 %, где wopt — оптимальная влажность глины. На рис. 1 и 2 приведены полученные значения коэффициента относительной прочности по калифорнийскому методу (California bearing ratio, CBR) — условного показателя несущей способности грунта, определяемого путем вдавливания стержня.
Рис. 1. CBR грунтов с вяжущим BM1 в зависимости от времени твердения, содержания вяжущего и насыщения образца водой
Рис. 2. CBR грунтов с вяжущим BM1 сразу после смешивания с ним, а также после твердения в течение 7 и 28 сут и 96-часовой выдержки в воде
Во время твердения CBR повышается; не более чем через 7 сут твердения и 4 сут выдержки в воде он превышает 15 % для всех исследованных образцов, содержащих BM1, что соответствует минимальным требованиям, установленным в чешских стандартах и нормативных документах для грунтов в дополнительных слоях дорожных покрытий [8]. Характер зависимости CBR образцов с различным содержанием BM1 от времени твердения был сходным. С увеличением времени твердения с 7 до 28 сут рост CBR продолжался, однако был медленнее, чем в первые 7 сут.
Вяжущий материал вводился в грунт также в опытно-промышленных условиях, и в результате испытаний подтвердилась возможность укрепления глин со средней пластичностью. Значения модуля деформации, полученные при измерениях на обработанном слое, остававшемся незащищенным от неблагоприятных погодных условий в течение 28 и 60 сут, составили 140 и 150 Н/ мм2 соответственно.
Вяжущее BM1 было рекомендовано для укрепления грунтов при строительстве набережных, сертифицировано и начало продаваться под наименованием RSS5 в качестве средства для укрепления грунтов не только в Чешской Республике, но и в Польше. Этот материал классифицируется как нормально твердеющее ГДВ и используется для обработки мелкозернистых грунтов с преобладанием низко- и среднепластичных глин. Дозировка RSS5 обычно составляет 4—6 % в зависимости от пластичности и влажности обрабатываемых грунтов (рис. 3) [9].
Рис. 3. CBR укрепленных вяжущим RSS5 элювиальных глин с влажностью wn = 15...20 % и wopt = 11 %, использованных в ходе работ на автодороге I/11 Олдржиховице — Быстржице (по данным лабораторных испытаний, выполненных в 2015 году)
Вяжущие ViaCalco
В 2014—2015 годах в сотрудничестве с производителем извести Carmeuse (Чешская Республика) были испытаны новые вяжущие материалы, содержащие золу-унос и/ или пыль из известковых (lime kiln dust, LKD) и цементных печей (cement kiln dust, CKD), следующих составов:
⋅ ViaCalco S: 50 % LKD + 50 % золы-уноса,
⋅ ViaCalco F: 30 % LKD + 70 % золы-уноса,
⋅ ViaCalco X1: 30 % LKD + 60 % золы-уноса + + 10 % CKD,
⋅ ViaCalco X2: 30 % LKD + 40 % золы-уноса + + 30 % цемента,
⋅ ViaCalco C50 (контрольный образец): 50 % LKD + 30 % цемента + 20 % CKD.
На первом этапе лабораторных испытаний готовили смеси с оснóвной золой-уносом теплоэлектростанции Новаки. Приготовленные вяжущие были смешаны с илистой глиной, имеющей оптимальную влажность (wopt = 18 %). Результаты представлены в таблице [10].
Их можно обобщить следующим образом:
1) по значениям IBI все грунты, укрепленные 2 или 3 % вяжущих новых и контрольного составов, соответствуют требованиям чешских стандартов и спецификаций CSN73 6133 [8] и TP 94 [11]. Влияние новых вяжущих на значения IBI укрепленного грунта с оптимальной влажностью было незначительным;
2) значения CBR (после 96 ч выдержки в воде) грунтов, укрепленных новыми вяжущими, возрастают с увеличением дозировки вяжущего. Ожидаемая закономерность роста CBR с увеличением времени твердения подтвердилась не во всех случаях (рис. 4);
Рис. 4. CBR укрепленных грунтов после 7 (а) и 28 сут твердения (б) и 96 ч выдержки в воде
3) наименьшее допустимое значение CBR укрепленных грунтов, используемых в дополнительных слоях основания покрытий автодорог с низкой транспортной нагрузкой, составляет 15 %. CBR были ниже этого предела при использовании 2 % вяжущего ViaCalco F или ViaCalco X2 после 7 сут твердения и 2 % ViaCalco F или ViaCalco X1 после 28 сут твердения;
4) UCS необработанной илистой глины составляло 0,3 Н/мм2. После смешивания грунтов с новыми вяжущими и твердения в течение 7 и 28 сут UCS увеличилась не более чем до 0,5 Н/мм2;
5) грунты, укрепленные вяжущими новых и контрольного составов, стабильны в отношении набухания, составляющего 0,1—0,5 %. Добавление вяжущих снижает возможность набухания необработанных почв, для которых оно максимально (1,9 %). Грунты, укрепленные новыми вяжущими, стабильны по объему [12].
Вяжущее из кислой золы-уноса и пыли цементной печи
В 2018 году начались лабораторные испытания нового вяжущего, состоящего из кислой золы-уноса, улавливаемой на теплоэлектростанции в Тршебовице после прохождения дымовыми газами системы селективного некаталитического восстановления оксидов азота (selective non-catalytic reduction, SNCR), и пыли, уносимой из печи обжига клинкера на цементном заводе Horné Srnie (cement kiln dust, CKD) [13].
Используемая кислая зола-унос содержит до 200 м. д. ионов аммония, а CKD — около 13 % хлора. Оба материала были сухими, в них преобладала фракция с размером зерен до 1 мм (рис. 5). Подготовленные смеси использовали для укрепления илистых глин с оптимальной влажностью wopt = 16 %.
Рис. 5. Зерна кислой золы-уноса из дымовых газов, прошедших систему SNCR, при 500-кратном увеличении (а) и зерна CKD при 400-кратном увеличении (б)
Проводились испытания грунтов с добавками, содержащими:
⋅ 100 % золы-уноса (CKD‑0),
⋅ 80 % золы-уноса + 20 % CKD (CKD‑20),
⋅ 50 % золы-уноса + 50 % CKD (CKD‑50),
⋅ 20 % золы-уноса + 80 % CKD (CKD‑80),
⋅ 100 % CKD (CKD‑100).
Определялись IBI и CBR грунтов с 3, 5 и 7 % добавок после 96 ч выдержки в воде.
Значения IBI и CBR увеличивались с ростом дозировки добавки и количества CKD в ней (рис. 6). Однако испытания с переувлажненными грунтами еще не проводились.
Рис. 6. Значения IBI (а) и CBR после 3 сут твердения и 96 ч выдержки в воде (б) грунтов, укрепленных добавками с золой-уносом и/или CKD
После 28 сут твердения CBR существенно увеличился относительно его значения после 3 сут твердения только для грунтов с CKD‑20 и CKD‑50. В остальных случаях значимого роста CBR не было.
Требуемое минимальное значение CBR (15 %) смеси грунта с золой-уносом (добавкой CKD‑0) было достигнуто только при содержании последней 5 и 7 %. Наблюдалось положительное влияние ввода CKD в состав добавки на IBI и CBR. Однако укрепление грунта только CKD (добавкой CKD‑100) было не таким эффективным, как в случае добавки с 20 % золы-уноса (состава CKD‑80).
Из-за низкой пуццолановой активности золы-уноса и быстрого твердения добавок с высоким содержанием CKD (60—100 %) провести все требуемые испытания ГДВ не удалось. Максимальное достигнутое значение UCS составляло 2,5 Н/мм2, при более высокой одноосной нагрузке смеси разрушались (рис. 7).
Рис. 7. Разрушившийся образец состава CKD‑20
Объектами дальнейших исследований станут ГДВ, содержащие золу-унос из прошедших систему SNCR дымовых газов, CKD с высоким содержанием хлора и портландцементного клинкера.
Заключение
ГДВ с золой-уносом используются в Чешской Республике более 10 лет. Наиболее успешным в коммерческом отношении было вяжущее RSS5, которое содержит оснóвную золу-унос, полученную при сжигании угля в кипящем слое, и негашеную известь. Это вяжущее использовалось во многих случаях для укрепления грунтов при строительстве дорог или других земляных работах.
Производитель вяжущего ViaCalco, содержащего золу-унос и пыль из печи обжига извести, достиг положительных результатов при разработке новых вяжущих, однако последние не нашли коммерческого применения.
Продолжаются исследования с целью получить новый вяжущий материал, содержащий золу-унос, уловленную после прохождения дымовыми газами системы SNCR, и CKD с высоким содержанием хлора.
ЛИТЕРАТУРА
1. EN13282—1 Hydraulic road binders. Part 1: Rapid hardening hydraulic road binders — Composition, specifications and conformity criteria [Электронный ресурс]. URL: https://standards.globalspec.com/std/1583074/EN%2013282—1 (дата обращения 21.09.2019).
2. EN13282—2 Hydraulic road binders. Part 2: Normal hardening hydraulic road binders — Composition, specifications and conformity criteria [Электронный ресурс]. URL: https://standards.globalspec.com/std/9929971/EN%2013282—2 (дата обращения 21.09.2019).
3. TP 93 Design and execution of road earthworks with fly ash and ash (на чешском языке).
4. EN16907—4 Earthworks — Part 4 Soil treatment by lime and/or hydraulic binders [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/552369793 (дата обращения 21.09.2019).
5. Kresta F. Secondary materials in highway construction. Ostrava: VŠB TU, 2012. 144 p.
6. Kresta F.: Soils treated by binders with fly ash content // Seminar Construction layers and pavement subgrade. Brno, 2012 (на чешском языке).
7. Kresta F. Fly ash as a binder or binder component // Conf. Fly ash in civil engineering. Brno, 2013. (на чешском языке).
8. ČSN73 6133 Design and execution of road earthworks (на чешском языке).
9. Kresta F. Soil treatment by binders with fly ash content and existing results with RSS5 binder application // Silniční obzor. 2014. N1. P. 6—8 (на чешском языке).
10. Kresta F. Carmeuse — a new binder. Laboratory tests. Final report. ARCADIS CZ a. s. 06/2015.
11. TP 94 Soil treatment (на чешском языке).
12. Kresta F. Soil treatment by mixtures of fly ash and lime and cement kiln dusts // Conf. Fly ash in civil engineering. Brno, 2017 (на чешском языке).
13. Kresta F. Fly ash after denitrification by the SNCR method and their utilisation in earthworks // Silniční obzor. 2018. Vol. 79, N 1. P. 3—6 (на чешском языке).
Автор: Ф. Креста |
Рубрика: Использование отходов |