Мелкозернистые бетоны на основе минеральных топливных отходов тепловых электростанций Донбасса
О мелкозернистых бетонах
Брагинский В. Попов С. Мелкозернистые бетоны на основе минеральных топливных отходов тепловых электростанций Донбасса // Капстроительтво. 2003 . №1. C. 58-60
К мелкозернистым бетонам относятся бетоны плотной структуры на цементном вяжущем и мелких плотных заполнителях. Эта группа бетонов включает песчаные бетоны с предельной крупностью зерен заполнителя 5 мм и бетоны на мелкодробленых щебне или минеральных отходах промышленности с предельной крупностью зерен заполнителя 10 мм.
В Донецком ПромстройНИИпроекте выполнен комплекс исследований по получению двух видов мелкозернистого бетона - песчаного, с добавкой золы-унос, и бетона на однокомпонентном заполнителе из золошлаковой смеси. Прямая замена цемента золой, как правило, не дает положительного результата и приводит к снижению прочности бетона. В связи с этим в наших исследованиях золу вводили в бетонную смесь вместо части цемента и части песка. В исследованиях по получению песчаного бетона с добавкой золы-унос применялась зола Кураховской ТЭС и Углегорской ТЭС. Зола для проведения исследований отбиралась из силосного склада установки. Химический состав золы представлен следующими окислами (%): SiO2 - 54,85; Аl2О3 - 24,37; Fe2O3 - 11,68; СаO - 4,16; МgО - 2,14; SO3 - 1,41; Na2O + K2O - 1,29.
Содержание несгоревших углистых остатков, определяемое потерей при прокаливании, составило 8,1%. Зола имела насыпную плотность в сухом состоянии 730 кг/м3, остаток на сите №008-15,3%, водопотребность по нормальной густоте цементного теста состава 1:3 ? 20%. Химический состав золы Углегорской ТЭС близок к химическому составу золы-уноса Кураховской ТЭС, но по сравнению с последней она содержит меньшее количество несгоревших углистых остатков - всего 0,65%. Насыпная плотность золы-уноса равнялась 885 кг/м3, остаток на сите №008 - 2,1%, водопотребностъ по нормальной густоте цементно-зольного теста, состава 1:3 - 19%. В качестве вяжущего в опытах использовался портландцемент М500 Краматорского завода. Заполнителем являлся кварцевый песок с Мк =2,68 Просяновского каолинового комбината.
Установлено, что эффективность введения золы-уноса в бетоны, твердеющие в нормальных условиях меньше, чем в бетоны, подвергаемые тепловлажностной обработке, что объясняется повышением активности золы при тепловой обработке и более полным взаимодействием ее с цементом. Оптимальные составы песчаного бетона с добавкой золы-уноса Кураховской ТЭС приведены в табл. 1.
Таблица 1. Оптимальные составы песчаного бетона с добавкой золы-уноса Кураховской ТЭС
Класс бетона по прочности на сжатие
ОК, см
Расход материалов, кг/м3
В/Ц
В/В
цемент
зола-унос
песок
вода
Твердение в условиях тепловлажностной обработки
В15
2.
225
250
1335
280
1,24
0,59
8
270
250
1250
320
1,18
0,61
В22,5
2
345
250
1225
290
0,84
0,49
8
390
250
1140
330
0,85
0,51
В30
2
490
100
1290
270
055
0,46
8
520
100
1220
310
0,60
0,50
Твердение в нормальных условиях
В15
2
320
250
1235
285
0,89
0,50
8
360
250
1160
320
0,89
0,50
В22.5
2
440
200
1230
280
0,64
0,44
8
510
100
1220
310
0,61
0,50
Опытами установлено, что применение золы-уноса Кураховской ТЭС в пропариваемых бетонах снижает расход цемента на 35... 160 кг/м3, а в бетонах нормального твердения на 20... 50 кг/м3. Как известно, на прочность песчаного бетона существенное влияние оказывает крупность песка. Для оценки этого влияния на прочность песчаного бетона с добавкой золы-уноса были проведены специальные опыты (табл. 2). В опытах использовали Просяновскии песок (Мкр = 2,68), Краснолиманский песок (Мкр= 1,03).
Таблица 2. Влияние крупности песка на прочность песчаного бетона с добавкой золы-уноса
mКР песка
Расход материалов, кг/м3
Плотность смеси, кг/м3
ОК, см
RСЖ28 после пропарки
цемент
зола-унос
песок
вода
2,68
295
98
1437
291
2122
2
14,8
1,87
315
105
1430
278
212
2
23,6
1,03
316
105
1432
249
2102
3
15,3
2,68
297
297
1148
289
2031
2
29,0
1,87
295
295
1130
303
2024
2,5
27,4
1,03
312
312
1194
240
2058
2,5
24,7
2,68
606
101
1181
289
2177
2
51,8
1,87
594
99
1180
291
2164
2
49,7
1,03
598
100
1176
282
2156
2
50,1
Из табл. 2 следует, что при расходе цемента примерно 300 кг/м3 и золы-уноса примерно 100 кг/м3 (составы 1-3), наибольшая прочность бетона получается при Мкр= 1,87, наименьшая при Мкр = 2,68. Это объясняется тем, что при указанном содержании цемента и золы-уноса для крупного песка не хватает мелких частиц, которые бы позволили создать плотную упаковку бетонной смеси. При расходе цемента и золы примерно по 300 кг/м3 (составы 4-6) наибольшая прочность бетона получается при Мкр = 2,68, наименьшая - при Мкр=1,03. В последнем случае появляется избыток мелких частиц, который не позволяет создать оптимальную микроструктуру бетонного камня.
При расходе цемента примерно 600 кг/м3 и золы-уноса 100 кг/м3 (составы 7-9) модуль крупности песка практически не влияет на прочность бетона.
Таким образом, установлено, что влияние крупности песка на прочность песчаного бетона с добавкой золы-уноса зависит от содержания в бетоне цемента и золы. Это позволяет путем регулирования расхода цемента и золы, подбора их оптимального соотношения, получать мелкозернистый бетон необходимой прочности при использовании песка различной крупности, в том числе и очень мелкого (с Мк =1-1,3).
Были изготовлены образцы-кубы из песчаного бетона без добавки и с добавками зол-уноса Кураховской и Углегорской ТЭС. Эти образцы после пропаривания были испытаны на сжатие в возрасте 28 суток. При этом вычислены также расход цемента на единицу прочности бетона - показатель, характеризующий эффективность использования цемента. Расход цемента в опытах принимался постоянным - около 300 кг/м3, а золы-уноса различным - 100, 150, 200 и 300 кг/м (табл. 3)
Таблица 3. Зависимость прочности бетона от расхода золы-уноса
Расход материалов, кг/м3
ОК, см
RСЖ28
после пропарки
Расход цемента на единицу прочности бетона, (кг/м3)/МПА
цемент
зола-унос Кураховской ТЭС
зола-унос Углегорской ТЭС
песок
вода
292
-
-
1432
278
2,5
11,2
26,0
295
98
-
1437
291
2
14,8
19,9
296
148
-
1379
292
2
19,0
15,6
298
199
-
1293
285
2,5
24,4
12,2
297
297
-
1148
289
2
28,3
10,5
313
-
104
1421
278
2,5
22,9
13,7
318
-
259
1390
265
2
31,6
10,0
328
-
219
1369
250
1,5
37,3
8,8
330
-
275
1320
248
1,5
40,0
8,2
Из табл. 3 следует, что при расходе цемента около 300 кг/м3 с введением золы-уноса Кураховской ТЭС в количестве 100, 150, 200 и 300 кг/м3 прочность песчаного бетона увеличивается соответственно на 3,6; 7,8; 13,2 и 17,1 МПа, а с введением золы-уноса Углегорской ТЭС в аналогичных количествах - соответственно на 11,7; 20,4; 26,1; 28,8 МПа.
Повышение прочности бетона при применении золы-уноса равнозначно снижению расхода цемента для получения равнопрочного бетона. В наших опытах для получения прочности бетона равной 11,2 МПа, без добавки золы-уноса, расход цемента на единицу прочности составил 26 (кг/м3)/МПа. С добавкой золы-уноса Углегорской ТЭС в таких же количествах - соответственно на 12,3; 16,0; 17,2 и 17,8 (кг/м3)/МПа.
В результате исследования основных физико-механических свойств песчаных бетонов с добавкой золы-уноса Кураховской ТЭС и Углегорской ТЭС установлено, что их показатели соответствуют нормируемым СНиП 2.03.01-84* для мелкозернистых бетонов. Причем начальный модуль упругости и прочности на осевое растяжение бетона с добавкой золы оказались даже несколько выше, чем нормируемые СНиП.
Бетон с добавкой золы-уноса отличается от бетона без добавки лучшей удобоукладываемостью, меньшим коэффициентом фильтрации, повышенной стойкостью в условиях воздействия агрессивной среды.
Одним из эффективных видов мелкозернистого бетона является бетон на однокомпонентном заполнителе из золошлаковой смеси ТЭС. В данной работе приводятся результаты исследований мелкозернистого бетона на заполнителе из каменноугольной золошлаковой смеси Углегорской ТЭС. Золошлаковая смесь отбиралась непосредственно из отвала вблизи выпуска золошлаковой пульпы.
Химический состав золошлаковой смеси представлен следующими окислами (%): SiO2 - 54,62; Аl2О3 -23.84; Fe2O3- 14,10; СаО - 2,38; МgО - 1,40; SO3 - 0,68; Na2O + К2О - 2,69. Содержание несгоревших углистых остатков составило 0,50%. Золошлаковая смесь имела насыпную плотность в сухом состоянии 649 кг/м3, объемную плотность зерен шлака 2292 кг/м3, пористость зерен 14,2%, дробимость ç
