Материал: 1082

Смеси, применяемые для устройства конструктивных слоев дорожных одежд, включают 10–40 % золы, минеральное вяжущее и заполнитель из песка или легкого грунта. Укрепляют золошлаковые смеси либо готовым известково-цементным вяжущим, либо путём одновременного или последовательного введения в укрепляемую смесь заданного количества извести и цемента. Золошлаковые смеси, укрепленные известково-цементным вяжущим, допускается использовать для строительства оснований на автомобильных дорогах III –IV технической категорий, а также покрытий на дорогах местного значения, расположенных во II–IV дорожноклиматических зонах.

Наиболее простым способом укрепления грунтов, как указывает Н.Ф. Глущенко, является смешение грунта с золошлаковым материалом, увлажнение смеси известковым молоком (из расчёта до 4 % СаО) и последующим уплотнением.

В последние годы проводятся исследования по выявлению возможности получения малоактивного вяжущего с использованием кислых зол, шлаков и ЗШС гидроудаления ТЭС и применения их в дорожном строительстве. Предложено ЗШС гидроудаления молоть совместно с малыми дозами цемента и извести и получать малоактивное вяжущее, обеспечивающее при укреплении различных материалов получение долговечных конструктивных слоев дорожных одежд.

Известны результаты научно-исследовательских работ по использованию золы и золошлаковых материалов даже экибастузских углей для получения на их основе гидравлических вяжущих, пригодных для производства строительных работ.

Из вышеизложенного следует, что замена природных каменных материалов золами-уноса ТЭС, несомненно, приведет к повышению темпов дорожного строительства.

2.2. Гидравлическая активность зол

Важнейшим свойством золошлаковых отходов, обуславливающим возможность их практического применения в качестве компонентов вяжущих веществ, является их гидравлическая активность. Реакционная способность сырьевых смесей зависит от заданного химического состава вяжущего; условий, в которых ведется синтез; минералогической природы сырьевых компонентов, их удельной поверхности, количества примесей в них, реакционной способности компонентов; тонкости измельчения сырьевой смеси.

Аморфные продукты термической обработки зольной частицы способностью к непосредственному присоединению воды, как правило, не обладают. Это свойство характерно для свободных оксидов кальция и магния, а

также ортосиликатов этих элементов, возникающих при сжигании топлива с высококальциевой зольной частью. В то же время аморфные компоненты зол и топливных шлаков обладают высокой пуццоланической активностью. Она определяется присутствием в составе зол и шлаков аморфных продуктов термической обработки кристаллических алюмосиликатов, дегидратированного глинистого вещества типа метакаолинита, сохранившего частичную упорядоченность кристаллической решетки, аморфных SiO2, Al2O3, алюмосиликатных стекол.

ВУралВТИ им. Дзержинского было изучено большое число проб золы

ишлака, отобранных непосредственно на ТЭС, в том числе ТЭЦ «Омскэнерго», сжигающих топливо различных месторождений России и СНГ. При этом исследовались химический и фазово-минералогический составы, содержание свободного оксида кальция, горючих по потерям массы при прокаливании, температуры плавления.

Взависимости от соотношения кислотных и основных окислов золы делятся на кислые и основные по модулю основности:

Всоответствии с этим к основным золам, имеющим модуль больше единицы, относятся березовские угли Канско-Ачинского бассейна, содержащие в своем составе свободный оксид кальция. К кислым золам, имеющим модуль меньше единицы, относятся золы кузнецкого и экибастузского углей, не содержащих свободного оксида кальция в практических количествах. В кислых золах, как правило, отмечается менее 10 % оксида кальция при наличии кислых оксидов более 70–80 %.

Восновных золах содержание оксида кальция может достигать 50–60 %, а свободного оксида кальция – до 30 %. Необходимо отметить, что в учебном пособии в дальнейшем будут изучены только кислые золы омских ТЭС.

Характер взаимодействия компонентов зол и шлаков с водой и водными растворами Cа(OH)2 и добавок (гипса, различных солей) при твердении вяжущих зависит, в первую очередь, от соотношения растворимости реагирующих веществ. При большом различии в растворимости взаимодействие и выделение новообразований осуществляется на поверхности труднорастворимых компонентов. Сравнительная растворимость минералов глин

ипродуктов их обжига, как полевых шпатов или слюд, резко возрастает с ростом температуры раствора и его щелочностью. Применение тепловой обработки резко увеличивает активность аморфизации и плавления глинистого вещества, в связи с чем возрастают скорость и объем поглощения оксида кальция из раствора этими минералами. При этом в наибольшей сте-

пени повышается активность спекшихся и остеклованных аморфных фаз, характеризующихся малой удельной поверхностью. Термически обработанный кварц благодаря повышенной растворимости взаимодействует с гидроксидом кальция, образуя гелевидные низкоосновные гидросиликаты кальция группы С - S - Н. Исходный же кварц, не подвергавшийся обжигу,

вэтих условиях почти инертен.

Сувеличением температуры твердения вяжущих с активными алюмосиликатными фазами от 20–50 до 90–100 0С повышается содержание в цементирующем веществе субмикроскопических новообразований – гидросиликатов кальция группы С - S - H – и уменьшается количество хорошо окристаллизованных гидроалюмосиликатов кальция – гидроагрегатов, что существенно улучшает свойства продуктов твердения бетонов, их содержащих.

Исследования, проведенные во ВНИИГе, показали перспективность совместного тонкого измельчения минерального вяжущего с золой, т.е. механоактивации. При этом гидравлическая активность зол изменяется в результате поглощенной упругой энергии, подводимой от измельчителя. Механохимическая активация золы приводит к значительным изменениям их физико-химических свойств. В частности, происходит увеличение концентрации парамагнитных центров, увеличение выхода растворимых продуктов, качественный состав которых значительно отличается от таковых в исходной золе. Все эти изменения обусловлены совокупностью различных факторов. Во-первых, уменьшением размеров зольных частиц (повышением степени их дисперсности), а следовательно, увеличением удельной поверхности. Во-вторых, путем разрушения ранее недоступной инертной оболочки золы получаем более активную аморфную фазу. Л.Д. Гольдштейн отмечает, что посредством механоактивации в значительной степени интенсифицируется взаимодействие оксида кальция с кремнеземом. В результате этого механическая активация золошлаковых отходов оказывает влияние на количественный и качественный составы получаемых из них вяжущих веществ и бетонов в процессах последующей переработки. При этом помол можно осуществлять с химическими добавками, которые могут способствовать увеличению активности вяжущего на основе золы, а также регулировать физико-химические свойства данного вяжущего в зависимости от его дальнейшего применения.

Кроме тепловой и механической активации золоминерального вяжущего, возможно повышение гидравлической активности данных вяжущих в электрических и магнитных полях, а также применение поверхностноактивных веществ, однако данные способы активации имеют ряд существенных недостатков /2/ по сравнению с механоактивацией. Так, при применении химических добавок к золоматериалам немаловажное значение имеют доступность той или иной добавки, а также последствия ее исполь-

зования (коррозия оборудования и др.).

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНОАКТИВАЦИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Существующие представления о механоактивации минеральных материалов

Механическая обработка с целью диспергирования и активации является одной из важнейших технологических операций. Так, занимаясь систематизацией химических наук на основе энергетического подхода, В.Оствальд впервые обосновал наличие особого класса химических процессов – механохимических. Для конца XIX в. было характерно появление принципиально новой науки – механохимии неорганических веществ. Однако необходимо отметить тот факт, что теория механохимии не нашла широкого применения, что было обусловлено отсутствием соответствующего технологического оборудования.

Интенсивное развитие потребностей промышленности в тонкодисперсных материалах в последние годы повлекло за собой необходимость конструирования и изготовления в больших количествах специализированной измельчающей техники, что в конечном итоге привело к принципиально новому витку в развитии механохимии неорганических веществ. Свидетельством стремительного развития числа исследований по механохимии является проведение различных совещаний, появление большого числа статей, обзоров и монографий во всех странах мира.

Среди них следует отметить работы ученых, представляющих различные научные школы: Е.Г. Аввакумова /3/, В.В. Болдырева /4/, Н.Г. Каказея /5/, В.И. Молчанова /6/, Г.С. Ходакова /7/, П.А. Ребиндера /8/, А.А. Хинта /9/ и других. В результате проведенных исследований отмечается тот факт, что физико-химические явления, обусловленные механическим воздействием на твердые тела, особенно интенсивно проявляются в процессе измельчения веществ. Благодаря существованию механической активации появляется возможность решения самых разнообразных научных задач: повышение реакционной способности твердых тел, изменение структуры, ускорение твердофазных реакций и т.д. Согласно определению, данному академиком П.А. Ребиндером, «цель механохимии состоит в использовании или предотвращении тех химических реакций, которые вызываются или ускоряются механической активацией». Основными задачами механохимии являются: 1) изучение механизма реакций, происходящих в результате механического воздействия на вещество; 2) выяснение причин, в силу которых реакционная способность твердых веществ изменяется в результате механического воздействия.