ВЛИЯНИЕ АЛЮМОСИЛИКАТНОЙ МИКРОСФЕРЫ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассмотрено влияние алюмосиликатной микросферы на реологические свойства бетона. Получены алюмосиликатные микросферы на основе золошлаковых отходов Ангренской ТЭС. Изучен химический состав алюмосиликатной микросферы и золошлаковых отходов. Добавление полученной алюмосиликатной микросферы значительно влияет на свойства бетона, у которого происходит уменьшение плотности и значительно увеличивается прочность. Определено оптимальное количество добавляемой алюмосиликатной микросферы, что составляет 15%. При добавлении 15% алюмосиликатной микросферы результат прочностных показателей достиг 400 кг/см³, а плотность уменьшилась до 1840 кг/м³.

ABSTRACT

In this paper, the influence of aluminosilicate microspheres on the rheological properties of concrete is considered. Aluminosilicate microspheres were obtained on the basis of ash and slag wastes from the Angren TPP. The chemical composition of aluminosilicate microspheres and ash and slag wastes has been studied. The addition of the obtained aluminosilicate microspheres significantly affects the properties of concrete, in which there is a decrease in density and a significant increase in strength. The optimal amount of added aluminosilicate microspheres was determined, which is 15%. With the addition of 15% aluminosilicate microspheres, the result of strength indicators reached 400 kg/cm³, and the density decreased to 1840 kg/m³.

Ключевые слова: Алюмосиликатная микросфера, золошлаковые отходы, бетон, алюмосиликатный гель, температура, плотность, геополимерная добавка, органическое вещество, прочность.

Keywords: Aluminosilicate microsphere, ash and slag waste, concrete, aluminosilicate gel, temperature, density, geopolymer additive, organic matter, strength.

Введение. Oживление нaциoнaльнoй экoнoмики и рaзвитие cтрoительнoгo кoмплекca cтрaны ведет к увеличению пoтребнocти в cтрoительных мaтериaлaх. Этo обуславливает пoиcк путей cнижения их cебеcтoимocти, рacширения минерaльнo-cырьевoй бaзы зa cчет иcпoльзoвaния меcтных cырьевых реcурcoв, a тaкже нoвых эффективных технoлoгий их прoизвoдcтвa.

В процессе сжигания угля при производстве сырой золы около 20% мелких шариков получается из золы. Микросферы представляют собой легкие картриджи, наполненные углекислым газом массой 100...150 кг/м3 [1]. Эта часть золы обладает повышенной устойчивостью к кислоте и теплу.

Одним из наиболее дорогих веществ золы являются пористые частицы — алюмосодержащие микросферы (АСМ) — лёгкая фракция золы уноса, представляющая собой мелкодисперсный сыпучий порошок, состоящий из полых тонкостенных частиц сферической формы алюмосиликатного состава диаметром в несколько десятков или сотен микрон. На электростанциях, где зольные отходы убираются в виде водной пульпы, микросферы, обладая плотностью не более 1 г/см³, в результате естественной флотации всплывают на поверхностные водные бассейны золоотвалов и находятся там длительное время в виде «пенных слоёв» различной толщины [2].

Данные многочисленные накопления микросфер могут быть переработаны и в дальнейшем использованы в производствах как добавки для разных нужных материалов (строительных материалов; огнестойких керамических; антикоррозионных покрытий; компонентов автомобилей; электрических кабелей и взрывчатых веществ; газоразделительных материалов и др.), а также для улучшения их тепловых, прочностных, изоляционных, детонационных и акустических свойств [3].

В работе [4] на начальном этапе были изучены процессы структурообразования цементной матрицы, наполненной зольными микросферами (ЗМС). На втором этапе изучений выполнена механоактивация зольных микросфер путем помола в шаровой мельнице до размера удельной поверхности 360 м²/кг.

В ходе эксперимента использовались золошлаковые отходы с содержанием оксидов: SiO₂ – 60,0÷62,0%, Al₂O₃ – 29,0÷31,0%, Fe₂O₃ – 4,0÷5,0%, CaO+MgO – 1,5÷6,5%. Размер зерен - 30-80 мкм, 80-100 мкм до 25 %, в основном представлены стеклянными частицами практически совершенной сферической формы. Индекс пуццолановой активности зольных микросфер находится в интервале 120-128 мг/г. После механоактивации пуццолановая активность частиц зольных микросфер увеличилась до 140 мг/г.

По химическому составу зольные микросферы различных ТЭС отличаются друг от друга, но содержание основного состава оксида алюминия и кремния близки между собой у разных зольных микросфер. В составе золошлаковых отходов различных ТЭС содержится разное количество алюмосиликатной микросферы. Изделия, используемые с применением алюмосиликатной микросферы, готовятся при высокой температуре размягчения.

На Ангренской ТЭС собралось около 7 млн тонн золошлаковых отходов. Но в составе этих отходов алюмосиликатной микросферы очень мало. Для использования золошлаковых отходов мы решили получить алюмосиликатную микросферу методом повторной активации алюмосиликатного сырья. Состав золошлаковых отходов и алюмосиликатной микросферы очень похож. В составе алюмосиликатной микросферы содержится оксид алюминия, оксид кремния, оксид железа, оксид кальция и другие элементы. В составе золошлаковых отходов содержатся такие же оксиды, но отличается количественным составом. Мы решили эту проблему во время активации золошлаковых отходов. Во время активации золошлаковых отходов получается алюмосиликатный гель, который легче подвергается измельчени ю. Измельчение геля активированного алюмосиликатного сырью проводилось путём термообработки. При воздействии высокой температуры частицы геля плавились и получалась алюмосиликатная микросфера шарообразной формы. Получалась алюмосиликатная микросфера разных размеров. Полученная микросфера имела среднюю плотность 700-800 кг/м³, а насыпную плотность 0,35…0,39 г/см³, размеры частиц были от 5 до 450 мкм. Внутри полученной алюмосиликатной микросферы содержится смесь газов: около 70% СО₂ и 30% N₂. Благодаря своей форме, частицы микросферы используются, как сыпучий материал, обладающий повышенной текучестью, что обеспечивает хорошее истечение из бункера и плотное заполнение формы.

В процессе работы изучили химический составов стеклянной, зольной микросферы, полученной из алюмосиликатной микросферы и золошлаковых отходов. Химический состав зольной микросферы, полученной из алюмосиликатной микросферы и золошлаковых отходов показан в таблица 1.

Таблица 1.

Химический состав зольной микросферы, полученной алюмосиликатной микросферы и золошлаковых отходов

Из таблицы видно, что химический состав зольной микросферы, полученной из алюмосиликатной микросферы и золошлаковых отходов, ближе к друг другу. Но у стеклянной микросферы обнаружен в составе B₂O₃, а Al₂O₃ отсутствует, поэтому данную стеклянную микросферу часто называют бор силикатной микросферой. Прочий химический состав почти схож и отличается только количественным составом. Видно, что в зольной микросфере количество Al₂O₃ составляет от 25 до 35%, а в золошлаке - около 17,39%. В составе зольной микросферы находится SiO₂ от 50 до 65 %, а в золошлаке меньше - до 40,6%. Алюмосиликатная микросфера получена методом щелочной активации золошлака. Добавляли активатор на основе жидкого стекла, при получении алюмосиликатной микросферы из золошлаковых отходов, в результате активации алюмосиликатов повышается количество SiO₂. Парообразователь добавляли для получения шарообразной структуры с микропорами.

Микросферы — это высокодисперсный сферический наполнитель, который может обеспечивать низкую усадку изделий. Алюмосиликатные микросферы – это микроскопические шарики, которые обладают шероховатой сферой, за счет чего, при добавлении в смеси, получается активная связка между поверхностью микросфер с вяжущим. А в среде стеклянной микросферы, которая представляет собой более гладкую поверхность, между вяжущим и поверхностью микросферы не образуется мошной связи. При этом,  полученное изделие не дает достаточной прочности. В отличие от стеклянных сфер, микросферы имеют более высокий предел прочности при сжатии, благодаря более прочной оболочке, за счет алюмосиликатной микросферы, сформированной из микро и мезо пор. Предел прочности на сжатие 140…285 кг/см².

Алюмосиликатные микросферы взаимодействуют активно с глиной, цементом, гипсом и силикатными вяжущими, что позволяет использовать их для получения специальных строительных смесей, строительный материалов и разных изделий, характеризующихся следующими показателями: объёмная масса 540…900 кг/м³; прочность при сжатии 4…13 МПа; коэффициент теплопроводности 0,17…0,23 Вт/(м ·К). Цементные изделия с добавлением алюмосиликатной микросферы изготавливаются при высокой температуре, примерно до 1200 °С.

Получены цементные лабораторные образы с добавлением алюмосиликатных микросфер, которые получены методом пере активации золошлаковых отходов Ангренской ТЭС. Цементное тесто приготовлено по стандартным рецептурам. Для повышения совместимости алюмосиликатной микросферы с цементами добавлено 2 % от массы цемента специально синтезированные геополимерные добавки. Геополимерные добавки синтезированы на основе золошлаковых отходов с органическими веществами. Алюмосиликатные микросферы добавлены в количество 1-20% от обшей массы. Результаты исследований проведены после 14 дней приготовления лабораторных образцов. Результаты исследования показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Влияние количества алюмосиликатной микросферы на реологические свойства бетона

На рисунке 1 видно, что добавление полученной алюмосиликатной микросферы в тесто цементобетонного изделия, очень заметно влияет на его реологические свойства. При добавлении алюмосиликатной микросферы в количестве 5% видно, что повышается прочность на сжатие от 400 до 440 кг/см³, а плотность уменьшается незначительно: от 2350 до 2300 кг/м³, когда при добавлении алюмосиликатной микросферы в количестве 15 % прочностной показатель стал 400 кг/см³, а плотность уменьшалось до 1840 кг/м³. При добавлении алюмосиликатной микросферы больше 15%, показатель прочности уменьшается пропорционально.

Таким образом, в результате проведённых исследований доказано, что микросферы являются превосходным наполнителем при производстве изделий из облегчённых цементов и других строительных материалов. Изделия, с добавлением алюмосиликатной микросферы, обладают увеличенной износостойкостью, лёгкостью и высокими изоляционными свойствами. Кроме всего, применение микросферы в качестве наполнителей значительно снижает себестоимость продукции за счет снижения плотности и повышения прочности. Если производить дорожно-бордюрные изделия с добавлением алюмосиликатной микросферы, можно облегчить труд при транспортировке и установке этих изделий.

Список литературы:

1. И. П. Добровольский, О. В. Васильев, Ш. Ш. Ягафаров Химические проблемы экологии: М.: Изд-во Челяб. гос. ун-та, 2012. 225 с.
2. В. Г. Пименов, И. В. Никулин, B. C. Дрожжин и др.Физико-химические свойства поверхности зольных микросфер по данным обращённой газовой хроматографии / Химия твёрдого топлива. 2005. № 3. С. 83–92.
3. Кулкарни М., Бамболе В., Маханвар П. Влияние размера частиц ценосфер летучей золы на свойства акрилонитрил-бутадиен-стирольных композитов. Журнал термопластичных композитных материалов. 2014;27(2):251-267. дои :10.1177/0892705712443253
4. Зимакова Г.А., Солонина В.А., Зелиг М.П. Зольные механоактивирванные микросферы – компонент высокоэффективных бетонов // МНИЖ. 2016. №12-3 (54). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/zolnye-mehanoaktivirvannye-mikrosfery-komponent-vysokoeffektivnyh-betonov