автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение эффективности мелкозернистых бетонов путем комплексного использования техногенных отходов

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Павленко Станислав Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ ПУТЕМ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Новокузнецк 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание..............................................................................................3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ..........................................6

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ..................................................................19

обоснование задач исследований........................................................19

Глава 1. Исследование зол и шлаков тепловых электростанций и других материалов, использованных в работе.....................................................................................................22

1.1. Золы и шлаки ТЭС Кузбасса от сжигания кузнецких углей.....22

1.1.1. Основные физические характеристики..............................22

1.1.2. Химические и минеральные составы...................................29

1.2. Золы и шлаки ТЭС от сжигания экибастузских каменных углей....................................................................................................33

1.2.1. Основные физические характеристики..............................33

1.2.2. Химические составы............................................................34

1.2.3. Фазово-минералогический состав.......................................35

1.3. Золы и шлаки ТЭС от сжигания бурых углей Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса............................37

1.3.1. Физические характеристики зол и шлаков.........................38

1.3.2. Химические и минеральные составы зол и шлаков ТЭС

от сжигания углей КАТЭКа..........................................................46

1.4. Микрокремнезем Кузнецкого завода ферросплавов.................49

1.4.1. Физические характеристики микрокремнезема.................50

1.4.2. Химический состав ферросплавной пыли............................51

1.5. Литейные шлаки Павлодарского тракторного завода...............53

1.5.1. Основные физические характеристики шлаков ПТЗ.........53

1.5.2. Химический состав шлаков ПТЗ..........................................55

1.6. Цементы, используемые в исследованиях.................................55

Глава 2. Составы и технология мелкозернистого шлакозолобетона высокой подвижности для несущих конструкций..........................................................................................57

2.1. Проведение исследований по разработке составов...................57

2.2. Исследование влияния различных пластификаторов на подвижность мелкозернистого шлакозолобетона............................61

Глава 3. СОСТАВЫ И ТЕХНОЛОГИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО ШЛАКОЗОЛОБЕТОНА ДЛЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ..............................................67

3.1. Исследования по разработке составов.......................................67

3.2. Особенности тепловой обработки шлакозолобетонов литой консистенции......................................................................................79

Глава 4. СОСТАВЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ВЫСОКОМОРОЗОСТОЙКОГО И ВОДОСТОЙКОГО МЕЛКОЗЕРНИСТОГО ШЛАКОЗОЛОБЕТОНА...........................83

4.1. Исследование влияния гранулометрического состава шлакового песка на водопотребность, прочность и морозостойкость мелкозернистого бетона........................................83

4.2. Разработка составов и технологии высокоморозостойкого и водостойкого мелкозернистого шлакозолобетона............................91

4.3. Разработка составов и технологии бетона для конструкций кровли..................................................................................................98

Глава 5. СОСТАВЫ И ТЕХНОЛОГИЯ БЕСЦЕМЕНТНОГО МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА НА ОСНОВЕ ВЫСОКОКАЛЬЦИЕВЫХ ЗОЛ И ШЛАКОВ ТЭС И ШЛАКОВ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА.................................101

5.1. Бетоны для несущих конструкций и изделий..........................102

5.2. Бетоны для ограждающих конструкций...................................109

5.3. Исследование влияния режимов термообработки бесцементных бетонов на показатели их прочности и плотности. 110

5.3.1. Бетон для несущих конструкций.......................................110

5.3.2. Бетон для ограждающих конструкций.............................115

5.4. Бесцементный мелкозернистый бетон из шлаков литейного производства (на примере Павлодарского тракторного завода).... 116

5.4.1. Разработка составов бетонов из ишаков ПТЗ.................116

Глава 6. Исследования процесса структурообразования и разработка концепции создания бесцементного золошлакобетона.................................................................................118

6.1. Приготовление бетонных смесей и образцов...........................118

6.2. Изучение процесса структурообразования...............................120

6.3. Разработка концепции создания мелкозернистых бесцементных золошлакобетонов...................................................124

6.3.1. Исследование влияния соотношения компонентов на прочность и плотность бетона..................................................131

6.3.2. Исследование влияния режимов термообработки на прочность бесцементного золошлакобетона............................132

Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И РЕГЛАМЕНТЫ ПЕРЕРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ ЗОЛ, ШЛАКОВ ТЭС, ШЛАКОВ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА И ДРУГИХ ОТХОДОВ ПРОМПРЕДПРИЯТИЙ В БЕТОНАХ........................136

7.1. Организация производства мелкоштучных изделий из шлакозолобетонов на заводе "Стройдеталь" треста "Киселевскшахтострой".........................................................................136

7.2. Использование зол и шлаков ТУ ГРЭС на Томь-Усинском ЗЖБК Минэнерго СССР.........................................................................136

7.3. Разработка проектов отбора сухой золы и переработки граншлака в песок на Западно-Сибирской ТЭЦ..................................138

7.4. Разработка проектов цехов ПТЗ по переработке основного шлака (СЛЦ-2) в вяжущее и кислых шлаков (СЛЦ-1 и ЧЛЦ) в песок.........................................................................................................140

7.5. Огнеупорные мелкозернистые бетоны..........................................141

7.6. Регламенты и проекты по организации производства вяжущего и бесцементных бетонов......................................................142

7.7. Бетоны с заполнителем из отвальных пород................................146

7.8. Технология глубокой переработки зол ТЭС.................................146

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.............................................................149

Литература.............................................................................................153

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................173

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований

В связи с отсутствием в ряде регионов России и СНГ качественных заполнителей целесообразным является использование мелкозернистых бетонов. В том числе с техногенными отходами. Так, в Кузбассе отсутствуют месторождения песков, в Алтае, Кузбассе, Новосибирске и Омске дефицит крупного заполнителя, а имеющиеся барханные пески не отвечают требованиям ГОСТа.

Отечественной наукой созданы мелкозернистые бетоны, в которых в качестве заполнителей используются природные пески, шлаки металлургических предприятий, золы и шлаки ТЭС и которые решают часть вышеуказанных проблем. Но они не нашли еще широкомасштабного применения по многим причинам и, прежде всего, из-за высокого расхода вяжущих (в 1,2... 1,4 раза больше чем в тяжелых бетонах); недостаточным качественным характеристикам, как удобоукла-дываемость, морозостойкость, водостойкость, ограниченность номенклатуры конструкций и конструктивов, коррозионная стойкость; отсутствием теоретических положений по подборам составов, структурно-механическим и теплофизическим свойствам, влиянию зернового состава, технологии приготовления и термообработки из многотоннажных отходов ТЭС (в России используется в бетонах всего 3-4% отходов ТЭС). Отсутствует необходимая теоретическая база по составам и технологии бесцементных бетонов. Не выработан рефлекс доверия к ним.

В то же время, природные ресурсы истощаются, а отходы производства, как в мире, так и особенно в странах СНГ, наращиваются. Больше всего отходов образуют предприятия горно-добывающих, металлургических и теплоэнергетических отраслей. Огромные скопления этих отходов нарушают экологическое равновесие в природе, являются источником загрязнения окружающей среды, зачастую под отвалы занимаются необходимые для народного хозяйства земли [1].

Профессор из США Оскар Манз в обзорном докладе на 11-ом международном симпозиуме в Орландо (1995 год) приводит данные о выходе и использовании золы тепловых электростанций в целом, в том числе в строительстве, из которых видно, что большинство стран мира используют золу от 55 до 90 % от выхода, в том числе в строительстве от 35 до 70 %. Страны же СНГ занимают по существу одно из последних мест (7 % в целом и 4,4 % в строительстве). В России использование золошлаковых отходов за период 1991-1995 годы снизилось на 30 %. Нагрузка на природную среду достигла таких размеров,

при которых сама природа уже не в состоянии восстановить нарушенное экологическое равновесие. Поэтому, несмотря на наличие в настоящее время многочисленных работ отечественных и зарубежных научно-исследовательских и учебных институтов, лабораторий, конст-рукторско-технологических бюро и фирм, плеяды видных ученых и специалистов-производственников, разработавших рекомендации, ГОСТы и технологии применения золошлаковых отходов ТЭС в бетонах, требуется комплексный подход к решению этой проблемы. А именно такие теоретические, проектные и практические разработки и предложения, которые позволят использовать отходы каждого предприятия, золы и шлаки каждой электростанции и каждой котельной на 100 %, сокращая и сводя на нет применение в бетонах природных и искусственно созданных заполнителей (щебня, гравия, песка, керамзита, пенополистирола и других), а также цемента (при использовании высококальциевых зол углей КАТЭКа), ликвидируя золошлакоотвалы как таковые. Это позволит решить триединую задачу: экологическую (ликвидацию отходов), экономическую (стоимость бетонов из вторичных ресурсов значительно дешевле) и социальную (увеличение строительства жилья и других объектов соцкультбыта из дешевых и различных видов материалов).

Наши многолетние исследования (в течение 30 лет), теоретические и практические разработки и имеющийся опыт показали и доказали возможность комплексного решения вышеуказанной проблемы.

Для решения проблемы получения и крупномасштабного внедрения мелкозернистых бетонов (и прежде всего бесцементных) с повышенными качественными характеристиками необходима разработка теоретических положений более эффективного использования потенциальных возможностей многотоннажных отходов теплоэнергетики, металлургии, химической и деревообрабатывающей промышленности, его вяжущих свойств, влияния зернового состава, углубления представления механизма пластификации смеси, структурообразования во времени и в процессе водонасыщения, замораживания и оттаивания, повышения эффективности технологий и технических решений в производстве и применении указанных бетонов. Это позволит получать мелкозернистые бетоны, в том числе бесцементные, с прочностью до 70МПа, морозостойкостью 1500 циклов и водонепроницаемостью до 1,2МПа при минимальных трудовых, материальных и энергетических затратах .

Диссертационная работа выполнена в соответствии с "Целевой комплексной программой Минэнерго СССР по использованию золош-лаковых отходов ТЭС Кузбассэнерго на 1986-1990 годы и на период до 2000 года" и с федеральной программой "Переработка золошлако-вых отходов тепловых электростанций" (Постановление СМ РФ от 6 декабря 1993 г. №1265).

Степень изученности проблемы

За весь исторический путь развития общества теоретическим и особенно практическим проблемам использования отходов уделялось недостаточное внимание. Даже в Программе ООН по окружающей среде, предусматривающей решение глобальных проблем ее загрязнения, проблема использования отходов не нашла должного отражения.

Большинство работ в отечественных и зарубежных изданиях по проблеме использования отходов в бетонах посвящено теоретическим и практическим аспектам применения зол и шлаков ТЭС (их тысячи), шлаков металлургических предприятий и в последнее время микрокремнезему (отходу ферросплавного производства).

В качестве ведущих организаций России и стран СНГ, занимающихся проблемой использования зол и шлаков ТЭС в строительстве (и прежде всего, в бетонах) следует отметить: среди НИИ и проектных организаций: Атомтеплоэлектропроект, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, ВНИИжелезобетон, ВТИ, ДальНИИС, Донецкий промстрой-НИИпроект, НИИЖБ, Оргэнергострой, СибЗНИИЭП, Сибинвестст-ром, УралНИИстромпроект и другие, среди Вузов: Днепропетровский ИСИ, КИСИ, Львовский политехнический институт, Московский государственный строительный университет, Новосибирская ГАС, Пензенская ГАС, СибГГМА, Таллиннский политехнический институт, Челябинский технический университет и многие другие.

Этой проблемой занимались и занимаются видные ученые стран СНГ: Ю.М. Баженов, М.В. Балахнин, А.Т. Баранов, A.A. Безверхий, И.С. Бобык, П.И. Боженов, Ю.С. Буров, Ю.М. Бутт, Б.Н. Виноградов, A.B. Волженский, А.Е. Галибина, Г.И. Горчаков, Г.Д. Дибров, В.Г. Довжик, И.А. Иванов, В.Х. Кикас, В.К. Козлова, Л.А. Малинина, В.М. Медведев, В.А. Мелентьев, В.Ф. Мигачев, Г.И Овчаренко., В.Г. Пантелеев, Г.И.Овчаренко, H.A. Попов, В.И. Романов, В.Н. Россовский, A.M. Сергеев, Т.Е. Сергеева, Г.Н. Сиверцев, Н.Я. Спивак, В.В. Стольников, В.Б. Судаков, Н.И. Федынин, М.Ф. Чебуков, Г.П. Щеблыкина и многие другие.

Среди ученых дальнего зарубежья: Г. Бабачев, Б. Батлер, Е. Бер-ри, Ж. Бийен, Т. Бремнер, М. Венюа, О. Гьерв, А. Жарраж, Д. Каретт, М. Кокубу, Р. Левандовский, X. Люр, Я. Малолепши, М. Мальхотра, О. Манз, Р. Мета, С. Нагатаки, Т. Найк, П. Оуен, И. Папаянни, К. Попович, В. Рамачандран, А. Самарин, Н. Свами, И. Хинсзак и многие другие.

Указанными организациями и учеными только за последние 5-8 лет изданы десятки новых ГОСТов и международных стандартов, сотни рекомендаций, десятки монографий, проведено 6 специализированных международных конференций и одна Всесоюзная (1990 г. в городе Новокузнецке) с изданием соответствующих сборников и трудов, проведены семинары и симпозиумы, изданы различные республиканские и ведомственные рекомендации, инструкции, ГОСТы, стандарты предприятий по золошлакобетонам. Сибирской государственной горно-металлургической Академией (СибГГМА) тоже разработано 10 отраслевых технических условий по этой проблеме, прошедших экспертизу и согласованных с Госстроем СССР, РФ и Минстроем РФ.

В трудах перечисленных организаций и ученых в систематизированном виде изложено современное состояние проблемы использования отходов ТЭС в бетонах, обобщен имеющийся отечественный и зарубежный опыт, даны перспективные направления.

В стандартах США по бетонам введено в законодательном порядке использование зол ТЭС, а уклоняющиеся организации подвергаются крупным экономическим санкциям.

Но во всей этой громадной массе работ и практике их осуществления на наш взгляд недостает комплексного подхода к решению проблемы, а именно:

1. Недостаточно исследований и теоретических положений комплексного использования потенциальных возможностей многотоннажных отходов различной отраслей народного хозяйства в мелкозернистых бетонах с целью совершенствования их технологий, снижения расхода энергоемкого цементов и природных ресурсов, значительного повышения качественных характеристик, конкурентоспособности на рынке.

2. Создание мелкозернистых бесцементных бетонов и их технологии на основе высококальциевых зол и шлаков от сжигания бурых углей КАТЭКа и других бассейнов. На указанные золы и бетоны отсутствуют ТУ и ГОСТы, кроме ТУ34-70.10898-88. Зола высококальциевая Канско-Ачинских бурых углей как добавка в бетоны и строи-

тельные растворы. Эти ТУ, разработанные СибЗНИИЭП, ИХТТИМС СО АН СССР, НИИЖБ, и НИСИ, действовали только до 1993 года и зола здесь играла роль добавки. США обладает 16 патентами на бесцементные бетоны с использованием высококальциевых зол, но в них, либо применяются природные заполнители, либо добавляется известь и до 3-5 видов других добавок. Нами получен патент на состав и технологию бесцементного золошлакобетона, в котором используются только высококальциевая зола, шлаковый песок, микрокремнезем (отход производства ферросплавов) и вода.

3. Создание бетонов, исключающих в своем составе применение природных (щебня, гравия, песка) и искусственно созданных (керамзита, аглопорита, пенополистирола и других беззольных легких материалов) заполнителей и состоящих на 100 % из отходов ТЭС и пром-предприятий. Причем бетонов, как для несущих, так и для ограждающих конструкций, бетонов различных марок от 35 до 700 (3,5-70 МПа), т.е. бетонов от низкомарочных до высокомарочных, бетонов с высокими теплозащитными свойствами, бетонов высокой морозостойкости (до 1500 циклов), превосходящие международные стандарты.

Не созданы проекты комплексной переработки зол и шлаков с ликвидацией золошлакоотвалов как таковых на действующих, строящихся и проектируемых ТЭС, шлаковых отвалов на предприятиях металлургии, а также технологии глубокой переработки золошлаковых отходов. Это позволит создать безотходные технологии на предприятии, резко снизить потребление природных ресурсов за счет создания высококлассного сырья для производств