Дрібнозернисті щільні бетони зі спеціальними властивостями на заповнювачах із кам"яновугільних і антрацитових золошлакових матеріалів ТЕС Донбасу - Автореферат

При згорянні вугілля на теплових електростанціях утворюються золи та шлаки, вихід яких в Україні щорічно складає 7-9 млн. тонн (50 - 200 грамів золи на 1 КВТ·г вироблюваної електроенергії). Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру було виконано в рамках державної ?Програми використання відходів виробництва і споживання на період до 2005 року? (затверджено Постановою КМУ від 28 червня 1997 р., №668); при виконанні кафедральної науково-дослідної теми ДО-2-5-96 ?Композиційні будівельні матеріали підвищеної довговічності на основі відходів промисловості й енергозберігаючих технологій їх виробництва? та державної науково-дослідної теми №0102U005641 ?Дослідження властивостей дрібнозернистих щільних бетонів на основі паливних відходів ТЕС Донбасу? (замовник - Українська державна корпорація ?Укрбуд?, 2002 - 2003 р., код тематичної рубрики 67.09.33). Мета роботи: теоретичне й експериментальне обґрунтування одержання дрібнозернистих щільних бетонів зі спеціальними властивостями (підвищені морозостійкість, водонепроникність, адгезійно-когезійна міцність, температурна і корозійна стійкість) з використанням як заповнювачів камяновугільних і антрацитових ЗШС ТЕС Донбасу поточного виходу на основі встановлення закономірностей формування міжфазного контактного шару ?цементний камінь-зола? і ?цементний камінь-шлак?. виконати порівняльні дослідження міцнісних, деформативних і експлуатаційних властивостей золошлакобетонів і бетонів на природних заповнювачах; Дослідження порової структури, фазового складу і властивостей ЗШС, експлуатаційно-деформативних властивостей бетонів здійснювалося з використанням стандартних і спеціальних методів досліджень, а саме: оптичної мікроскопії, ІЧ - спектроскопії, термографічними і рентгенофазовими методами.Чернишова та інших дослідників дозволяє дійти висновку про те, що альтернативою заповнювачам з гірських порід можуть бути ЗШС ТЕС, насамперед у тих випадках, коли бетони за умов експлуатації повинні мати спеціальні властивості. Широкому впровадженню таких бетонів заважає недостатній обсяг експериментальних даних про властивості ЗШС ТЕС поточного виходу і золошлакобетонів зі спеціальними властивостями. Помірний вміст золи в суміші підвищує водонепроникність бетону, що обумовлено гідравлічними властивостями золи, поліпшенням гранулометричного складу бетонної суміші і зменшенням відкритої пористості бетону (Л.Й. За рахунок ущільнюючого ефекту варто очікувати підвищення водонепроникності і сульфатостійкості композиції, а також близькості показників деформативно-міцнісних властивостей золошлакобетонів і бетонів на природних заповнювачах. Як вихідні компоненти при порівняльних випробуваннях фізичних і механічних властивостей бетонів на основі антрацитових і камяновугільних ЗШС з властивостями піщаних бетонів, важких бетонів на природних заповнювачах і бетонів на природних заповнювачах з домішкою золи-виносу, використані: вяжучі - портландцемент ПЦІІ/А-Ш-500, портландцемент ПЦІІ/А-Ш-400, що виробляються ВАТ ?Краматорським цементно-шиферним комбінатом-Пушка?; заповнювачі з мінеральних відходів - камяновугільні ЗШС Зуєвської і Вуглегірської ТЕС, антрацитові ЗШС Старобешевської ТЕС, зола-виносу Кураховської ТЕС; природні заповнювачі - кварцовий пісок Просянівського каолінового комбінату (Дніпропетровська обл.) із МК=2,66, кварцовий пісок Краснолиманського карєру (Донецька обл.) із МК=1,03, гранітний щебінь (фракція 5-20 мм) Каранського карєру.Теоретично й експериментально доведено ефективність використання камяновугільних і антрацитових ЗШС Зуєвської, Старобешевської і Углегорської ТЕС поточного виходу як заповнювачів при виготовленні дрібнозернистих щільних бетонів зі спеціальними властивостями, такими як підвищена водонепроникність (марка W6-W20), морозостійкість (F250-350), температуростійкість (до 8000С), сульфатостійкість, адгезійно-когезійна міцність. Щільовидні порожнини на контакті жужільних зерен з розчинною частиною, переходять у щільовидний зазор (довжиною до 1,5 см, завширшки 0,1-0,15 мм), що спостерігається на межі контакту розчинної частини зі слабкими і зруйнованими зернами шлаку. У бетонах з межею міцності при стиску більше 30 МПА різниця між найбільшою і найменшою витратами цементу значно збільшується. За основними характеристиками (залишкова міцність при стиску після нагрівання є не менше 30%, термічна стійкість 8 - 12 теплозмін, температурна усадка 0,33 - 0,42%) бетони на камяновугільній ЗШС задовольняють вимогам до бетонів при температурі їх експлуатації до 8000С (И8 по ГОСТ 20910). При збільшенні термінів витримування в повітряно-сухих умовах до 60-90 діб бетони на антрацитових ЗШС за величиною залишкової міцності при стиску також задовольняють цим вимогам.

Основний зміст роботи

1. Теоретично й експериментально доведено ефективність використання камяновугільних і антрацитових ЗШС Зуєвської, Старобешевської і Углегорської ТЕС поточного виходу як заповнювачів при виготовленні дрібнозернистих щільних бетонів зі спеціальними властивостями, такими як підвищена водонепроникність (марка W6-W20), морозостійкість (F250-350), температуростійкість (до 8000С), сульфатостійкість, адгезійно-когезійна міцність.

2. За фізико-механічними, оптико-мікроскопічним, термографічним, рентгенофазовим методами, а також за методом ІЧ-спектроскопії встановлено, що середньостатистичні проби ЗШС характеризуються безперервною гранулометрією (при розмірі часток від 20 мм до 1 мкм), насипною щільністю - до 1670 кг/м3, міжзернинною пустотністю - менше 45%, маркою за подрібнюваністю - 1000; переважною складовою в ЗШС є кисле алюмосилікатне скло (65-95%). ЗШС за показниками якості відповідають вимогам ГОСТ 25592, що дає змогу одержувати бетони підвищеної щільності з малою кількістю сполучених пор.

3. Щільний контакт на межі ?цементний камінь-зола? і ?цементний камінь-шлак? визначається утворенням низькоосновних гідросилікатів і гідроалюмосилікатів кальцію. Цементний камінь щільно заповнює нерівності поверхні зерен шлаку. Основна частина пор жужільних зерен має закритий характер. Макрокапілярні пори в золошлакових бетонах дрібні d = 0,10-0,15 мм і розташовані на контактних нещільностях на межі міжфазного контактного шару ?розчинна частина - зерна шлаку?. Щільовидні порожнини на контакті жужільних зерен з розчинною частиною, переходять у щільовидний зазор (довжиною до 1,5 см, завширшки 0,1-0,15 мм), що спостерігається на межі контакту розчинної частини зі слабкими і зруйнованими зернами шлаку. Щільний контакт між зернами шлаку і розчинною частиною спостерігається переважно повсюдно. Щільний контакт на межі фаз переходить у повну хімічну взаємодію.

4. З використанням експериментально-статистичного моделювання визначено, що найбільшу міцність (найменша витрата цементу в рівноміцнісному бетоні) отримано при вмісті 20% зольної фракції у складі ЗШС. При вмісті зольної фракції від 20 до 40% у складі ЗШС різниця між найменшою і найбільшою витратами цементу в рівноміцнісних бетонах з межею міцності при стиску менше 30 МПА складає до 50 кг/м3, що дозволяє використовувати ЗШС безпосередньо з відвалу без її збагачення. У бетонах з межею міцності при стиску більше 30 МПА різниця між найбільшою і найменшою витратами цементу значно збільшується.

5. Визначено вид суперпластифікатора (С-3, ДФ), що дозволяє зменшити водопотребу рівнорухливих золошлакобетонів на 10-30% і підвищити їх міцність на 40-45%, що відповідає зниженню витрати цементу на 20-25%. Для інтенсифікації процесу твердіння бетону в нормальних умовах ефективним є сполучення Са(NO3)2 з повітропоглинаючою домішкою СНВ, що зменшує витрату цементу до 20%.

6. За основними характеристиками (залишкова міцність при стиску після нагрівання є не менше 30%, термічна стійкість 8 - 12 теплозмін, температурна усадка 0,33 - 0,42%) бетони на камяновугільній ЗШС задовольняють вимогам до бетонів при температурі їх експлуатації до 8000С (И8 по ГОСТ 20910). При збільшенні термінів витримування в повітряно-сухих умовах до 60-90 діб бетони на антрацитових ЗШС за величиною залишкової міцності при стиску також задовольняють цим вимогам.

7. Величина зчеплення між бетоном на ЗШС і важким бетоном на 10% менше, ніж між важкими бетонами на природних заповнювачах. Максимальний тиск води, при якому не спостерігається її просочування між сполучними зонами важкого бетону на природних заповнювачах і бетоном на ЗШС дорівнює 0,8 МПА. Наведене сполучення бетонів є найбільш доцільним під час ремонтів і відновлення будівель і споруд, що експлуатуються тривалий час.

8. Визначено високу міру стійкості бетонів на камяновугільних ЗШС при експлуатації їх у шахтних умовах. Встановлено, що міцність бетонів на камяновугільних ЗШС (витрата цементу більше 255 кг/м3) зростає у часі і практично не знижується при дії агресивних шахтних вод. Для бетонів з витратою цементу менше ніж 255 кг/м3 відзначається недобір міцності у 180-добовому віці до 8-9%. Рівень недобору міцності бетонів на антрацитових ЗШС 180-добової витримки складає до 17%.

9. Розроблено ?Технологічну інструкцію на виготовлення дрібнозернистих щільних бетонів на заповнювачах із золошлакової суміші Зуєвскої ТЕС і конструкцій на їх основі? для заводу ?Буддеталь? ВАТ ДХК ?Донбасшахтобуд?.

Результати досліджень впроваджено у виробництво на ряді підприємств будіндустрії Донецької області: заводі ?Буддеталь? ВАТ ДХК ?Донбасшахтобуд?, ТОВ ВФ ?Гідрозалізобетон?, заводі ?Буддеталь? ВАТ ?Донбасенергобуд?. Зниження собівартості виготовлення 1 м3 бетонної суміші склало від 15 грн. до 48,4 грн.

Основні положення дисертації викладені у наступних публікаціях

1. Давиденко В.П., Попов С.В. Оптимизация составов легкобетонных смесей на основе золошлаков Донбасса //Ежегодный научно-технический сборник Донецкого ПРОМСТРОЙНИИПРОЕКТА ?Современные проблемы строительства?. Донецк. 2001. С. 143-147.

2. Попов В.В., Брагинский В.Г., Попов С.В. Бетоны естественного твердения на заполнителе из золошлаковых смесей ТЭС//?Композиційні матеріали для будівництва?. Вісник Дон ДАБА. Макіївка. 2002. Вип. 2002-1(32). С. 76-80.

3. Братчун В.И., Попов С.В., Брагинский В.Г. Исследование водонепроницаемости мелкозернистых бетонов на золошлаковых заполнителях//?Композиційні матеріали для будівництва?. Вісник Дон ДАБА. Макіївка. 2002. Вип.2002-1(32). С. 164-168.

4. Попов С.В. Применение мелкозернистых бетонов на золошлаковых заполнителях для ремонта железобетонных конструкций//?Композиційні матеріали для будівництва?. Вісник Дон ДАБА. Макіївка. 2002. Вип.2002-1(32). С. 160-163.

5. Брагинский В.Г., Попов С.В. Мелкозернистые бетоны на основе минеральных топливных отходов тепловых электростанций Донбасса//?Будівельні конструкції? Міжвідомчий науково-технічний збірник НДІБК. Матеріали Всеукраїнської науково-технічної конференції ?Сучасні проблеми бетону та його технологій?. Київ. 2002. Вип.56. С. 97-103.

6. Попов С.В. Особенности набора прочности бетонов на основе топливных отходов ТЭС Донбасса, твердеющих без тепловой обработки//Материалы II научно-практического семинара ?Структура, свойства и состав бетона, вопросы теории бетоноведения и технологической практики?. Ровно. 2002. С. 110-115.

7. Карпенко И.С., Попов С.В., Недосекина Н.Н. Кислотоупорный порошок из шлаков тепловых электростанций//Ежегодный научно-технический сборник Донецкого ПРОМСТРОЙНИИПРОЕКТА ?Современные проблемы строительства?. Донецк, 2003. С. 166-170.

8. Братчун В.И., Попов С.В., Брагинский В.Г. Оптимизация составов мелкозернистых бетонов на основе золошлаковых отходов ТЭС Донбасса//Ежегодный научно-технический сборник Донецкого ПРОМСТРОЙНИИПРОЕКТА ?Современные проблемы строительства?. Донецк. - 2003. С. 158-163.

9. Попов С.В. Применение золошлаковых смесей Славянской ТЭС в строительстве//?Будівельні конструкції? Міжвідомчий науково-технічний збірник НДІБК. Київ. 2003. Вип.57. С. 460-464.

10. Братчун В.И., Попов С.В., Брагинский В.Г. Влияние химических добавок-ускорителей твердения Na2SO4, Na2NO3, CACL2, Ca(NO3)2 на прочность золошлакобетонов на золошлаковых смесях ТЭС Донбасса//?Композиційні матеріали для будівництва?. Вісник Дон ДАБА. Макіївка. 2003. Вип.2003-1(38). С. 110-112.

11. Попов С.В. Исследование морозостойкости мелкозернистых бетонов с использованием золошлаковой смеси Зуевской и Старобешевской ТЭС//?Композиційні матеріали для будівництва?. Вісник Дон ДАБА. Макіївка, 2003. Вип.2003-1(38). С. 113-116.

12. Попов С.В., Давиденко В.П. Ячеистые бетоны с применением золошлаковых отходов Кураховской ТЭС//Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. Дніпропетровськ: ПДАБА. 2003. №3-5. С. 115-120.

13. Попов С.В., Брагинский В.Г. Изготовление элементов шахтной крепи из плотных мелкозернистых золошлакобетонов, работающих в условиях воздействия агрессивных шахтных вод Донбасса//?Бетон и железобетон в Украине? Научно-технический и производственный журнал. Полтава. 2003. Вып.2 С. 13-16.

14. Попов С.В., Брагинский В.Г. Мелкозернистые плотные бетоны на золошлаковых смесях ТЭС Донбасса, работающие при повышенных и высоких температурах//?Будівельні конструкції? Міжвідомчий науково-технічний збірник НДІБК. Київ. 2003. Вип.58. С. 273-277.

Особиста участь здобувача в цих роботах. У публікаціях автором висвітлено: фізико-хімічні властивості камяновугільних і антрацитових ЗШС Зуєвської, Старобешевської і Вуглегірської ТЕС, золи-виносу Кураховської ТЕС поточного виходу як мінеральної сировини для виробництва бетонів [5, 7, 9, 12]; оптимізовано склади бетонів на основі ЗШС ТЕС Донбасу [1, 8]; узагальнено результати досліджень залежності міцності бетонів на ЗШС від умов твердіння [6]; досліджено вплив умов твердіння і різновидів ЗШС на водонепроникність і морозостійкість золошлакобетонів [3, 11]; розроблено склади бетонів на камяновугільних ЗШС ТЕС для монолітного домобудівництва, з підвищеними морозостійкістю і водонепроникністю [2]; досліджено вплив домішок-прискорювачів твердіння на динаміку набирання міцності золошлакобетонів [10]; визначено напрямки використання бетонів на ЗШС, що мають спеціальні властивості, стосовно умов Донбасу [2, 4, 13, 14].