Использование золы ТЭС в технологии геополимерных строительных материалов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Ерошкина Н. А., Коровкин М. О., Коровченко И. В. Использование золы ТЭС в технологии геополимерных строительных материалов // Молодой ученый. — 2015. — №7. — С. 117-120. — URL https://moluch.ru/archive/87/17049/ (дата обращения: 16.10.2018).

Приведены данные о эффективности применения золы ТЭС в производстве геополимерных вяжущих строительного назначения. Показано, что в России и других странах, не имеющих развитой индустрии утилизации промышленных отходов, применение золы в технологии геополимерных вяжущих является наиболее перспективным направлением ее использования.

Ключевые слова: геополимер, строительное вяжущее, зола ТЭС, утилизация.

 

Геополимерные вяжущие и материалы на их основе — активно развивающееся в последние годы направление создания ресурсо- и энергосберегающих технологий строительных материалов. В качестве сырья для получения геополимеров использовались алюмосиликатные материалы, которые подвергались термической обработке при температуре 750…850 °С. Это позволяло, в сравнении с портландцементом, сократить на 70…90 % расход энергии и выбросы углекислого газа при производстве вяжущего [1]. Еще менее энергозатратны технологии геополимерных материалов на основе золы-уноса и доменного гранулированного шлака, так как эти промышленные отходы в процессе образования уже прошли термическую обработку.

Анализ многочисленных публикаций, посвященных геополимерным материалам, позволяет сделать вывод о том, что перспективным сырьем для производства этих материалов являются золы ТЭС. Объемы производства топливных зол во всем мире достигают 800 млн т [2], что намного больше по сравнению с производством доменных шлаков, микрокремнезема и других материалов, использующихся в технологии геополимерных материалов.

Золы ТЭС представляют собой неорганическую часть угля после кратковременной температурной обработки. В золе содержится неорганическое и органическое вещество. Последнее представлено несгоревшим углем. Основными минералами золы являются глинистые минералы, а также слюды и кварц. Химический состав зол представлен в основном оксидами кремния, алюминия и кальция. В качестве второстепенных зола содержит оксиды железа, магния, серы, натрия и калия. Минеральный состав включает стекловидные фазы, а также кристаллические составляющие, такие, как различные модификации кварца, мелилит, волластонит и др. Частицы золы имеют сферическую форму с размером от 1 до 100 мкм [3] и развитую внутреннюю поверхность, что облегчает помол золы.

При быстром охлаждении золы в ней образуется значительная доля стекловидных фаз, что, наряду с высокой удельной поверхностью золы-уноса — 200…600 м2/кг, является причиной проявления вяжущих или пуццолановых свойств золы. Реакционная способность золы определяется содержанием в ней термодинамически менее устойчивой стеклофазы, кристаллические минералы обычно инертны.

Основное преимущество золы в сравнении с другими сырьевыми материалами — значительная доля в ее составе стекловидных фаз алюмосиликатного состава и высокая дисперсность. Эти два фактора позволяют получать на основе золы геополимеры с высокими техническими характеристиками [1, 4–7] без температурной обработки сырья и его измельчения.

Химико-минералогический состав золы и зольность углей могут значительно различаться, однако в пределах каменноугольных бассейнов и месторождений состав зол имеет схожие черты. По химическому составу золы классифицируются на кислые и основные. Классификационным критерием является содержание в золе СаО. При содержании оксида кальция до 10 % зола относятся к кислым, а свыше 10 % — к основным.

В зарубежной практике по содержанию СаО золы в соответствии со стандартом ASTM С618 Американского общества по материалам и их испытаниям делятся на два класса: класс C и класс F. При содержании в золе оксида кальция менее 10 % она относится классу F, а при большем содержании СаО — к классу C.

Далеко не все золы обладают химико-минералогическим составом, пригодным для получения геополимерных материалов. В основном используются кислые золы с низким содержанием CaO и высоким содержанием оксида алюминия и кремния [6, 7]. Jaarsveld с соавторами [8] отмечают, что активность, сроки схватывания и твердения вяжущего зависят от вида золы-уноса. Зола-унос с высоким содержанием CaO обладает высокой прочностью в ранние сроки твердения, потому что формируются гидроалюминаты кальция.

Имеются данные [9] об успешном использовании для производства геополимерного бетона низкокальциевой золы-унос, содержащей до 80 % алюмосиликатных оксидов, при соотношении Si/Al = 2. В этой золе количество оксида железа составляло около 10…20 %, оксида кальция менее 5 %. Содержание углерода, определяемое по потере при прокаливании, в золе-уносе было менее 2 %. В золе-унос содержалось 80 % частиц с размером менее 50 мкм.

Содержание несгоревшего угольного остатка является важным фактором, влияющим на механические свойства геополимерных вяжущих. Согласно Jaarsveld и др. [8], чем выше содержание несгоревших остатков угля, тем ниже прочность при сжатии и больше пористость геополимеров. Однако требования к содержанию этого снижающего качество золы компонента для производства геополимера менее жесткие по сравнению с требованиями, предъявляемыми при использовании золы в качестве компонента композиционного вяжущего на основе портландцемента.

Европейские стандарты EN 206–1 и EN 206–2 ограничивают содержание в золе-уносе несгоревшего угольного остатка (потери при прокаливании) до 2...5 %. Результаты испытания золы, содержащей до 80 % аморфного алюмосиликата и 23 % несгоревшего угля, показали, что она не может быть использована в производстве армированного бетона. Однако эта зола с успехом применяется для синтеза геополимера [1].

Многими исследованиями установлено, что к основными факторам, влияющим на прочность геополимерных вяжущих, относятся вид и количество активатора твердения, соотношение в сырьевых материалах Si/Al, режимы твердения.

Для производства геополимерного вяжущего на основе золы в качестве модифицирующего компонента используется доменный гранулированный шлак, доля которого в вяжущем достигает 50 % и более. При таком высоком содержании этого компонента вяжущее можно считать гибридным. Шлак целесообразно вводить в состав вяжущего при использовании высококальциевой золы и активации твердения гидроксидом натрия. Применение добавки шлака позволяет повысить прочность вяжущего и темпы ее набора, а также снизить усадочные деформации.

В качестве активатора процесса геополимеризации используются два вида щелочных соединений — щелочи (NaOH и KOH) и жидкое стекло (натриевое, калиевое или смешанное). Скорость протекания геополимерных реакций выше, если щелочным активатором служит раствор гидроксида щелочного металла, силиката натрия или силиката калия, в сравнении со скоростью реакций при использовании только гидроксида щелочного металла.

Для смешанных вяжущих на основе золы-уноса и шлака, активированных силикатом натрия, предпочтительны нормальные условия твердения, а также низкотемпературная тепловлажностная обработка (20...80 ºС) в течение непродолжительного периода времени. На этапе тепловой обработки важно не допускать сухого прогрева [10], который затрудняет процессы гидратации шлака и снижает прочность геополимерного вяжущего.

При использовании в качестве активаторов только щелочей для геополимерных вяжущих на основе золы-уноса или метакаолина следует применять только тепловую обработку, а при наличии в составе добавки шлака могут быть выбраны и нормальные условия твердения, и тепловлажностная обработка.

Геополимерные вяжущие на основе золы-уноса обладают [1] свойствами:

-          усадка при схватывании <0,05 %;

-          прочность на сжатие — более 90 МПа через 28 сут, а для быстротвердеющих высокопрочных геополимеров — 20 МПа через 4 часа;

-          прочность при изгибе — 10…15 МПа через 28 сут, а для быстротвердеющих высокопрочных геополимеров — 10 МПа после 24 часов;

-          модуль упругости — более 2 ГПа;

-          после 180 циклов замораживания-оттаивания потеря массы менее 0,1 %, потеря прочности менее 5 %;

-          после 180 циклов увлажнения-высушивания потеря массы менее 0,1 %;

-          выщелачивание в воде после 180 дней — K2O менее 0,015 %;

-          водопоглощение — менее 3 %;

-          гидравлическая проницаемость — 10 м/с;

-          потеря массы под действием 10 % раствора серной кислоты — 0,1 % в сут;

-          потеря массы под действием 50 % KOH — 0,2 % в сут.

Ежегодно на российских тепловых электростанциях образуется около 50 млн т отходов сжигания твердого топлива, а доля их утилизации не превышает 10 % [2]. В результате в золоотвалах накопилось более 1 млрд т золошлаковых отходов [2]. В связи с этим в нашей стране золы-унос — самое перспективное сырье для организации производства геополимерных вяжущих.

Геополимеры на основе зол и шлаков в настоящее время в некоторых странах используются только в порядке опытно-промышленного применения. Наибольшая перспектива роста промышленного производства этих материалов имеется в развивающихся странах, где рынок утилизации отходов еще не сложился и золы и шлаки в основной массе не находят применения, в отличие от промышленно развитых стран.

Значительная часть золы в промышленно развитых странах в настоящее время используется для различных целей — в качестве добавок при производстве цемента, добавки в бетоны, при производстве рулонных кровельных материалов, для замены грунта при различных видах строительства и др.

В связи с этим в промышленно развитых странах со сформировавшимися рынками использования этого отхода в качестве сырья для различных технологий не следует ожидать бурного роста производства геополимерных материалов на основе золы. В развивающихся странах, где существует индустрия утилизации угольной золы, а также зол от сжигания рисовой шелухи, отходов производства пальмового масла, эти материалы можно рассматривать в качестве перспективного сырьевого ресурса для производства геополимерных вяжущих.

 

Литература:

 

1.         Davidovits J. Geopolymer chemistry and applications / J. Davidovits // 3rd eddition. — France, Saint-Quentin: Institute Geopolymer, 2011. — 614 p.

2.         Энтин З. Б., Нефедова Л. С., Стржалковская Н. В. Золы ТЭС — сырье для цемента и бетона // Цемент и его применение. 2012. — № 2. — С. 40–46.

3.         Иванов И. А. Легкие бетоны с применением зол электростанций [Текст] / И. А. Иванов. — М.: Стройиздат, 1986. — 136 с.

4.         Ерошкина Н. А., Коровкин М. О., Коровченко И. В. Свойства геополимерного вяжущего на основе Томь-Усинской ГРЭС // Новый университет. Серия: Технические науки. 2014. № 12 (34). С. 30–34.

5.         Ерошкина Н. А. Геополимерные строительные материалы на основе промышленных отходов: моногр. / Н. А. Ерошкина, М. О. Коровкин. — Пенза: ПГУАС, 2014. — 128 с.

6.    Bakharev T. Thermal behaviour of geopolymers prepared using class F fly ash and elevated temperature curing // Cement and Concrete Research. 2006. Vol. 36. P. 1134–1147.

7.         Hardjito D. Development and Properties of Low-Calcium Fly Ash-based Geopolymer Concrete. Research Report GC1 / D. Hardjito, B. V. Rangan. — Perth: Curtin University of Technology, 2005. 103 p.

8.         Jaarsveld J. G. S. The effect of composition and temperature on the properties of fly ash and kaolinite-based geopolymers / J.G. S. Jaarsveld, J.S. J. Deventer, G. C. Lukey // Chemical Engineering Journal. 2002. Vol. 89. Iss.1–3. Р.63–73.

9.    Gourley J. T. Geopolymers, opportunities for environmentally friendly construction material / J. T. Gourley // Proceedings of the International Conference and Exhibition on Adaptive Materials for a Modern Society (Materials '03). — Sydney, Australia, 2003.

10.     Fernández-Jiménez A. High-Temperature Resistance in Alkali-Activated Cement / A. Fernández-Jiménez, J. Y. Pastor, A. Martín, A. Palomo // Journal of the American Ceramic Society. 2010. Vol. 93, Iss. 10. Р. 3411–3417.

Основные термины (генерируются автоматически): материал, KOH, зола, зола ТЭС, потеря массы, основа золы-уноса, производство, основа золы, содержание, высокое содержание.


Ключевые слова

геополимер, строительное вяжущее, зола ТЭС, утилизация.

Похожие статьи

Влияние параметров состава на свойства геополимерного...

Приведены результаты исследования геополимерного вяжущего на основе золы-уноса Томь-Усинской ГРЭС. Исследовано влияние содержания щелочи, шлака и растворо/твердого отношения на прочностные свойства и усадку вяжущего.

Применение золоминеральных смесей в основаниях дорожной...

золу уноса сухого улавливания, когда зола, поступающая с электрофильтров и из циклонов ТЭС в золосборники, направляется специальным пневмотранспортом в силосные склады либо непосредственно в транспортные средства потребителей

Исследование рационального использования соломенной...

Максимальное содержание в золе, мг/кг (на сухую массу). Si. 30,0.

Содержание тяжелых металлов в золе (мг/кг) [2, 3]. Вид золы.

Однако, содержание фосфора в золе соломы выше, чем в золе сожженной древесины.

Технологические особенности использования угольной золы как...

Превышение температуры (oС) при содержании золы, мас. %

Основные термины (генерируются автоматически): угольная зола, бурый уголь, мелкозернистое изделие, PASKAL, пылевидное угольное топливо, показатель, наполнение золой, материал, комбинированная...

Научно-технологический анализ вторичной переработки...

2.Иванов И. А., Калашникова И. Г. Исследование зол ТЭС с повышенным содержанием несгоревших остатков для получения обжигового кирпича полусухого прессования.

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных...

Одним из направлений использования полимерных отходов является создание композиционных материалов с использованием различных наполнителей, в том числе и техногенных отходов (зола уноса ТЭС и шлак металлургических предприятий) [6–8].

Изменение качества подземных вод и особенности накопления...

Максимальные приземные концентрации золы угольной в районе влияния Змиевской ТЭС составляют 23 ПДК, в поселке Лиман — 1,8–1,6 ПДК.

Микрокомпоненты. Содержание выше норм ПДК.

О влиянии на атмосферу предприятий теплоэнергетического...

Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС (зола и шлаки). Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн. тонн мелкодисперсных аэрозолей.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Влияние параметров состава на свойства геополимерного...

Приведены результаты исследования геополимерного вяжущего на основе золы-уноса Томь-Усинской ГРЭС. Исследовано влияние содержания щелочи, шлака и растворо/твердого отношения на прочностные свойства и усадку вяжущего.

Применение золоминеральных смесей в основаниях дорожной...

золу уноса сухого улавливания, когда зола, поступающая с электрофильтров и из циклонов ТЭС в золосборники, направляется специальным пневмотранспортом в силосные склады либо непосредственно в транспортные средства потребителей

Исследование рационального использования соломенной...

Максимальное содержание в золе, мг/кг (на сухую массу). Si. 30,0.

Содержание тяжелых металлов в золе (мг/кг) [2, 3]. Вид золы.

Однако, содержание фосфора в золе соломы выше, чем в золе сожженной древесины.

Технологические особенности использования угольной золы как...

Превышение температуры (oС) при содержании золы, мас. %

Основные термины (генерируются автоматически): угольная зола, бурый уголь, мелкозернистое изделие, PASKAL, пылевидное угольное топливо, показатель, наполнение золой, материал, комбинированная...

Научно-технологический анализ вторичной переработки...

2.Иванов И. А., Калашникова И. Г. Исследование зол ТЭС с повышенным содержанием несгоревших остатков для получения обжигового кирпича полусухого прессования.

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных...

Одним из направлений использования полимерных отходов является создание композиционных материалов с использованием различных наполнителей, в том числе и техногенных отходов (зола уноса ТЭС и шлак металлургических предприятий) [6–8].

Изменение качества подземных вод и особенности накопления...

Максимальные приземные концентрации золы угольной в районе влияния Змиевской ТЭС составляют 23 ПДК, в поселке Лиман — 1,8–1,6 ПДК.

Микрокомпоненты. Содержание выше норм ПДК.

О влиянии на атмосферу предприятий теплоэнергетического...

Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС (зола и шлаки). Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн. тонн мелкодисперсных аэрозолей.

Задать вопрос