Золошлаковая смесь ТЭС — минеральная добавка в портландцемент

РЕФЕРАТ. Исследовано влияние на свойства цемента и бетона на его основе золошлаковых отходов Верхнетагильской ГРЭС и доменного гранулированного шлака ОАО «Нижне-Тагильский металлургический комбинат» при их использовании в качестве минеральных добавок. Лабораторные исследования и промышленные испытания показали возможность производства портландцемента типа ЦЕМ II/А-З 42,5Н с добавкой золошлаковой смеси Верхнетагильской ГРЭС  и его использования при производстве товарного бетона и железобетонных изделий.

Ключевые слова: золошлаковые отходы, минеральная добавка, бетон.

Keywords: waste ash and slag, mineral additive, concrete.

В России при сжигании угля и горючих сланцев на ТЭС ежегодно образуется около 45 млн т золошлаковых отходов, из которых утилизируется не более 10 %, а остальная часть складируется в отвалах. Цементная промышленность может стать одним из крупных их потребителей. Новым стандартом ГОСТ 31108—2003 допускается использование в портландцементе в качестве минеральной добавки золы-уноса в количестве 6—20 %, в пуццолановом цементе — 21—35 %, в композиционном цементе — 11—30 % [1]. Однако широкому использованию золы-уноса в цементном производстве препятствуют следующие причины: только несколько ТЭС имеют работающие установки для сбора, хранения и отгрузки золы; цементные заводы не оборудованы устройствами по приему, хранению и подаче золы в производство.

В Свердловской области в непосредственной близости от цементных заводов расположены Рефтинская и Верхнетагильская ГРЭС (ВТГРЭС), сжигающие каменный уголь Экибас­тузского месторождения (Казахстан) и имеющие установки по отгрузке до 350 тыс. т сухой золы. Ежегодно на обеих станциях в отвалы складируется более 4,5 млн т золошлаковых отходов, которые загрязняют окружающую среду, занимают большие площади земли под отвалы, на их транспортирование и складирование расходуются значительные средства.

До 2009 года ЗАО «Невьянский цементник» в качестве минеральной добавки в цемент использовало доменный гранулированный шлак (ДГШ) ОАО «Нижне-Тагильский металлургический комбинат». Ввиду низкой активности шлака его содержание в цементе ЦЕМ II/А-Ш 32,5Н составляет не более 15 %. Кроме того, стоимость шлака постоянно увеличивается, что приводит к росту себестоимости цемента. Поэтому специалистами цементного завода и Уральского федерального университета проводились работы, направленные на использование более эффективных и дешевых минеральных добавок, например ЗШС ВТГРЭС.

В исследованиях использовали портландцементный клинкер (КН = 0,92, n = 2,07, р = 1,25) ЗАО «Невьянский цементник» следующего состава, %: 60,8 С₃S; 14,7 C₂S; 7,4 C₃A; 13,9 C₄AF; 0,29 СаО_св. Для регулирования сроков схватывания цементов применяли гипсоангидритовый камень Ергачинского месторождения, а в качестве минеральной добавки — ДГШ НТМК и ЗШС ВТГРЭС (табл. 1).

По содержанию СаО исследованная ЗШС ВТГРЭС является кислой, содержит частицы топливного шлака в количестве не более 30 %. По химическому составу и потере массы при прокаливании она удовлетворяет требованиям, предъявляемым к минеральным добавкам для цементов общестроительного назначения по ГОСТ 31108-2003. По данным рентгенофазового анализа, ЗШС кроме стекловидной фазы содержит кварц, магнетит, муллит и кристобалит (рис. 1).

Рис. 1. Рентгенограмма ЗШС ВТГРЭС

Определяли гидравлическую активность, конец схватывания и водостойкость исследуемых минеральных добавок [2]. Показано, что водопотребность у цементов с ЗШС больше, чем с ДГШ; более высокое значение t-критерия Стьюдента, характеризующего активность минеральной добавки, получено для ЗШС (табл. 2); смеси ДГШ и ЗШС с гашеной известью схватились в течение 1 сут и являются водостойкими.

В зависимости от места отбора на отвале ЗШС характеризуется разным содержанием топливного шлака. Исследовано влияние содержания шлака (от 0 до 40 %) в составе ЗШС ВТГРЭС на физико-механические свойства портландцемента, содержащего 20 % золошлаковых отходов. Установлено, что с увеличением содержания топливного шлака в составе ЗШС продолжительность помола портландцемента повышается на 21 %, однако это в 1,75 раз меньше, чем время помола цемента с добавкой 20 % ДГШ.

Повышенное содержание топливного шлака в составе ЗШС не оказывает влияния на водопотребность золопортландцемента и незначительно замедляет начало и ускоряет конец схватывания. Увеличение содержания шлака до 10 % в составе ЗШС не изменяет прочность при сжатии цемента, но при большем содержании шлака она уменьшается как в ранние сроки, так и через 28 суток нормального твердения, соответственно, на 4,2—11,7 и 4,7—11,8 %. После пропаривания цементы с добавкой ЗШС, содержащей до 40 % топливного шлака, имели практически одинаковую прочность при сжатии, но пониженную прочность при изгибе.

При проведении промышленных испытаний по наработке 600 т портландцемента типа ЦЕМ II/А-З на ЗАО «Невьянский цементник» было установлено, что совместный помол клинкера, гипса и высушенной ЗШС ВТГРЭС в шаровой мельнице проходил хорошо и отмечено увеличение производительности мельницы в сравнении с измельчением цемента с добавкой ДГШ. Физико-механические свойства и химические характеристики цементов представлены в табл. 3—4. Установлено, что полученный портландцемент с добавкой ЗШС удовлетворяет требованиям ГОСТ 31108—2003 по срокам схватывания, прочности на сжатие, потере массы при прокаливании, содержанию оксида серы и хлорид-иона, но в отличие от цемента с добавкой ДГШ не соответствует требованиям данного стандарта по содержанию нерас­творимого остатка. В ЗШС по сравнению с ДГШ содержится значительное количество кварца, который мало растворим в растворе соляной кислоты (методика определения содержания нерастворимого остатка). Поэтому при введении ЗШС увеличивается содержание в цементе кварца и соответственно нерастворимого остатка. Кварц в цементе является наполнителем и, как показано в статье, не влияет отрицательно на кинетику твердения цемента и физико-механические свойства бетонов на его основе. По сравнению с портландцементом, содержащим ДГШ, цемент с добавкой ЗШС имеет более высокую прочность и в ранние, и в поздние сроки твердения.

На ОАО «Нижне-Исетский завод ЖБИ» и в цехе ЖБИ ОАО «Ревдинский кирпичный завод» опытный портландцемент ЦЕМ II/А-З 42,5Н был использован при производстве товарного бетона и железобетонных изделий. На основании анализа результатов, полученных при приготовлении бетонных смесей, формовании изделий и определении физико-механических свойств бетонов разных классов прочности, можно сделать следующие выводы:

• бетонная смесь на зольном портландцементе характеризуется повышенной водопотребностью, является однородной и пластичной, не расслаивается. Качество поверхности изготовленных бетонных и железобетонных изделий не ухудшилось;

• плотность бетона в среднем на 3 % ниже по сравнению с бетоном аналогичного состава на цементе с добавкой ДГШ;

• кинетика набора прочности бетона на зольном портландцементе в ранние сроки твердения и после тепло-влажностной обработки соответствует росту прочности бетона на цементе с ДГШ. Однако к 28 сут нормального твердения бетоны на зольном цементе имеют прочность при сжатии выше на 20—30 %;

• применение в качестве минеральной добавки отвальной ЗШС ВТГРЭС в количестве до 20 % в составе портландцемента не ухудшает качественных показателей приготовления бетонных смесей, их формования, твердения бетонов в нормальных условиях и при тепло-влажностной обработке;

• морозостойкость и водонепроницаемость бетона при введении ЗШС ВТГРЭС в состав портландцемента не ухудшились, т. е. эта добавка не влияет на долговечность бетона по сравнению с составами на цементе с добавкой ДГШ;

• портландцемент ЦЕМ II/А-З 42,5Н с добавкой ЗШС ВТГРЭС может быть использован в производстве товарного бетона, блоков фундаментных, железобетонных плит перекрытий для колодцев КЦП, камней бортовых БР и многопустотных плит перекрытий ППС и других изделий общестроительного назначения.

Таким образом, выполненные нами лабораторные исследования и проведенные промышленные испытания показали возможность производства портландцемента типа ЦЕМ II/А-З 42,5Н с добавкой золошлаковой смеси Верхне-Тагильской ГРЭС и использования его при производстве товарного бетона и железобетонных изделий. Однако широкому использованию золошлаков могут препятствовать их высокая влажность (22—40 %), вызывающая зависание материала в бункерах и течках сушильных барабанов, а также необходимость реконструкции отделения помола цемента и значительные капиталовложения. Указать конкретную сумму капиталовложений не представляется возможным. Обоснование инвестиций по реконструкции не проводилось.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 31108—2003. Цементы общестроительные. Технические условия. Введ. 01.01.2004. М.: ФГУП ЦПП, 2004.

2. ГОСТ 25094—94. Добавки активные минеральные для цементов. Введ. 01.01.1996. М.: ИПК Изд-во стандартов, 1996.