Строительная отрасль может считаться одной из самых материалоемких отраслей нерудных материалов. По статистке, ежегодное мировое производство бетона составляет более 20 млрд. м³. Но даже современные высокоэкологичные технологии сопровождается губительным воздействием на окружающую среду. Добыча сырья – извести, глины, песка, гравия – оставляет глубокие раны в поверхности земли, портит ландшафт, для доставки и обработки сырья необходимо много энергии. На производство бетона приходится более 5% выбросов углекислого газа (CO₂), при том, что на мировую авиацию приходится лишь 3%.

Поэтому одной из важнейших задач строительного материаловедения является совершенствование составов и улучшение физико-технических свойств современных бетонов с целью их эффективного применения. Следовательно, современный бетон должен иметь более продолжительный срок службы, чем обычный, высокую прочность и меньший расход материалов для его производства. Благодаря чему должно быть сведено к минимуму и вредное воздействие на природу.

Научным прорывом в данной области стало создание бетонов ультравысоких технологий известных как UHPC (Ultra High Performance Concrete).

Как известно, UHPC потребляют в несколько раз больше цемента в сравнении с традиционными, однако т.к. их прочность в 3-4 раза выше (может достигать 150-200 МПа). Эффективность в этом случае достигается снижением количества используемого бетона, что позволяет не только сэкономить материалы, но и как следствие осуществить уменьшение веса конструкции.

Большое количество цемента требуется не только для обеспечения высокой прочности, но и для обеспечения содержания в бетонной смеси достаточного объема тонкодисперсной реологической матрицы (что является более существенным), являющейся, по сути, водной суспензией цемента разжижаемой современными гиперпластификаторами на поликарбоксилатной основе.

Уменьшить содержание цемента можно путем введения в состав бетонной смеси реологически-активных и реакционно-активных пуццоланических дисперсных наполнителей. Как показывают многолетние исследования, проведенные в ПГУАС, и результаты внедрения разработок, эффективными высокодисперсными наполнителями являются тонкомолотые природные кварцевые пески без глинистых примесей, плотные горные породы (гранит, известняк, доломит, базальт), а также некоторые техногенные отходы, в частности отходы предприятий теплоэнергетики и металлургии [1, 2, 3].

В России и за рубежом накоплен большой опыт применения зол и шлаков ТЭЦ в бетонах [4, 5]. Использование промышленных отходов в производстве строительных материалов является перспективным направлением снижения себестоимости продукции, улучшения физико-механических и эксплуатационных характеристик бетона и уменьшения негативной нагрузки на окружающую среду.

Анализ научной литературы, касающейся использования минеральных добавок к вяжущим веществам для бетона, показал, что этот класс добавок, являющихся в основном вторичным сырьем (доменные гранулированные шлаки, золы и золошлаковые смеси ТЭЦ), позволяет получать многокомпонентные системы с требуемыми характеристиками и способствует созданию безотходных технологий [6,  7, 8].

Кроме того, исследованиями установлено, что, несмотря на гидравлическую активность высококальциевой золы-уноса, процессы структурообразования зольного вяжущего материала протекают медленно. Кроме того, свободный оксид кальция в золах часто является причиной неравномерности изменения объема зольного или цементно-зольного камня, что отрицательно сказывается на качестве продукции.

В евростандарте EN 196-3 «Методы испытания цемента – Часть 3: Определение времени схватывания и постоянства объема цемента» содержание цемента при испытании на равномерность изменения объема составляет 30%, а прочность на сжатие через 28 сут нормального твердения должна быть не менее 10 МПа. В российском стандарте имеются испытания равномерности изменения объема цементно-зольного вяжущего при соотношении цемент : зола, равным 1 : 1 для кислых зол. Для основных зол это соотношение выбирается равным соотношению, используемому на производстве. Прочностные свойства цементно-зольных вяжущих в ГОСТ 25818-91 не регламентируются в отличие от европейского стандарта.

Решающим фактором, влияющим на равномерность изменения объема, является содержание СаО_св в вяжущем и соотношение SO₃/СаО_св, т.е. так называемый сульфоизвестковый модуль. Так, с понижением сульфоизвесткового модуля образцы не выдержали испытаний на равномерность изменения объема. Учитывая, что химический состав, содержание активных СаО и SO₃ в золах различных ТЭЦ, использующих Канско-Ачинские угли, существенно различаются, мы использовали золы №1 и №2, в которых содержание SO₃ не превышало 1%, а сульфоизвестковый модуль составил 0,13.

В наших исследованиях основным критерием безопасного использования зол в бетонах явилась равномерность изменения объема. При испытаниях цементно-зольных вяжущих на равномерность изменения объема для исследования возможности использования золы с повышенным содержанием активных СаО и MgO объемное расширение трудногасящихся оксидов кальция и магния мы решили устранить тонким домолом золы-уноса совместно с цементом.

По нашему мнению основным условием достижения безопасного критерия было существенное увеличение дисперсности золы и цементно-зольного вяжущего как важнейшего фактора повышения степени равномерности изменения объема и повышения физико-технических характеристик цементно-зольных вяжущих. Если зола измельчается совместно с цементом или отдельно высокая дисперсность ее является гарантией получения вяжущего с равномерным расширением, т.к. измельченные частицы СаО и MgO могут гаситься в процессе перемешивания бетонной смеси и выдерживания ее в пластичном состоянии при начальном твердении. Кроме того, повышение дисперсности золы до высокого уровня ускоряет гидратационные процессы при твердении золы, как в чистом состоянии, так и в смеси с цементом. Известно, что реакционные процессы ускоряются при повышении дисперсности шлаков и реакционно-химических добавок (микрокремнезема, дегидратированного каолина, пуццоланических добавок). Скорость растворения малорастворимых твердых частиц также существенно увеличивается при возрастании удельной поверхности. В связи с этим, мы исследовали золы и цементно-зольные вяжущие, подвергнутые совместному помолу до 5-6 тыс. см²/г и более. Вопрос о затратах электроэнергии на помол в данном случае связан с коэффициентом размолоспособности как золы, так и цемента. Учитывая, что зола, особенно основная имеет значительное количество или полых тонких микросфер или крупных микросфер, в которых находятся шарообразные частицы более тонкой золы, можно полагать, что энергия разрушения на дробление полых микросфер или крупных заполненных микросфер может быть ниже энергии разрушения клинкерных частиц цемента, которые являются спеченной полнотелой керамикой. В связи с этим исследовалась размалываемость цемента и золы с близкими исходными дисперсностями. Такой эксперимент позволяет оценить энергетические затраты на помол как исходной золы с невысокой удельной поверхностью, так и цемента той же дисперсности. Результаты исследования приведены в табл. 1.

Таблица 1. Исследование размалываемости цемента и золы-уноса №1

Из анализа таблицы следует, что в начальный период помола размалываемость золы-уноса выше, чем у цемента. Это подтверждает высказанное предположение о том, что в начальной фазе помола легко размалываются малопрочные крупные микросферы золы, в результате чего наблюдается резкое возрастание удельной поверхности. Это происходит в течение первых 2-х часов помола. В дальнейшем размалываемость цемента и золы со временем становится одинаковой. Таким образом, если золу размалывать до удельной поверхности не более 4,5-5,0 тыс. см²/г, то энергетические затраты на помол золы можно снизить. При увеличении времени помола с 2-х до 6-ти часов энергетические затраты возрастают в 3 раза, при этом увеличение удельной поверхности составляет 48-50% в сравнении с 2-часовым помолом.

Поэтому считаем, что оптимальная продолжительность помола цементно-зольного вяжущего составляет 2-3 часа, в течение которых происходит гомогенизация золы и цемента, а гранулометрический состав становится однородным и достигает оптимальной удельной поверхности 4,5-5,0 тыс. см²/г.

Проведены испытания затвердевших образцов, изготовленных из домолотого цементно-зольного вяжущего с удельной поверхностью S_уд=5600 см²/г, состоящего из 40% Красноярского цемента М500 Д0 и 60% золы ТЭЦ, размолотых совместно с 1% гиперпластификатора Мelflux 2651F. При В/Т цементно-зольного вяжущего, равного 0,17, прочность при сжатии на 28 сутки составила 120 МПа. Вяжущее обладает низкой усадкой и высокой трещиностойкостью.

В результате проведенных исследований установлено, что при совместном помоле цемента с основными золами-уноса ТЭЦ, с содержанием их от 40 до 60% от массы вяжущего, могут быть получены высококачественные вяжущие, обладающие повышенными физико-механическими свойствами. В связи с наличием больших запасов зол в отвалах ТЭЦ, использующих в качестве топлива бурые угли, стоимость вяжущего может быть значительно снижена, что, в конечном счете, повлияет на себестоимость готовой строительной продукции, делая ее более конкурентоспособной при сохранении высоких эксплуатационных свойств.

1. Калашников В.И. Промышленность нерудных строительных материалов и будущее бетонов. Строительные материалы. 2008. – №3. – С. 20-23.
2. Калашников В.И. Основные принципы создания высокопрочных и особовысокопрочных бетонов. Популярное бетоноведение. 2008. №3. С.102.
3. Калашников В.И. Через рациональную реологию в будущее бетонов. Ч.3. От высокопрочных и особовысокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общего назначения настоящего. Технологии бетонов.  2008.  № 1. С. 22.
4. Луханин М.В., Павленко С.И., Мочалов, С.П., Мышляев Л.П., Ушеров-Маршак А.В. Исследование структуры и реакционной способности высококальциевой и низкокальциевой зол-уносов ТЭС с целью создания нового вяжущего // АЛИТинформ. Международное аналитическое обозрение. Цемент. Бетон. Сухие смеси. – 2011. – №5-6 (22). – С.98-100.
5. Белякова Е.А. Порошковые и порошково-активированные бетоны с использованием горных пород и зол ТЭЦ: диссертация … кандидата технических наук: 05.23.05 / Пензенский государственный университет архитектуры и строительства. Пенза, 2013. – 190 с.
6. Калашников В.И., Белякова Е.А., Тараканов О.В., Москвин Р.Н. Высокоэкономичный композиционный цемент с использованием золы-уноса. Региональная архитектура и строительство. 2014. – №1. С. 24-29.
7. Калашников В.И., Хвастунов В.Л., Макридин Н.И., Карташов А.А. Новые геополимерные материалы из горных пород, активированные малыми добавками шлака и щелочей. Строительные материалы.  2006.  № 6.  С. 93-95.
8. Калашников В.И., Мороз М.Н., Нестеров В.Ю., Хвастунов В.Л., Василик П.Г. Минерально-шлаковые вяжущие повышенной гидрофобности. Строительные материалы.  2005.  № 7.  С. 64-68.

Все статьи автора «Мороз Марина Николаевна»