ДОБАВОЧНЫЙ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ С МОДИФИЦИРОВАННОЙ АКТИВНОЙ ЗОЛОШЛАКОВОЙ ДОБАВКОЙ ТЭС

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрена эффективность применения активированной золошлаковой смеси (АЗШС), полученной сухим способом на Ангренской ТЭС, в качестве активной минеральной добавки к портландцементу. Физико-химические свойства золошлаковых материалов, их химический состав и агрегатное состояние позволяют использовать их в строительной промышленности. Проведено химико-аналитическое исследование состава АЗШС по ГОСТ 5382-19, а также определена гидравлическая активность согласно ГОСТ 31108 и ГОСТ 30744. Влияние введения АЗШС в количестве от 5 до 20 % на прочность цемента при сжатии было экспериментально установлено. Установлено, что при добавлении 10–15 % прочность увеличивается на 13–15 %, что подтверждает целесообразность применения АЗШС в качестве эффективной и экологически безопасной минеральной добавки.

ABSTRACT

This article investigates the efficiency of using an activated ash-slag mixture (AASM), obtained through dry disposal from the Angren Thermal Power Plant, as an active mineral additive to Portland cement. The physicochemical properties, chemical composition, and aggregate state of the ash-slag materials indicate their suitability for use in construction material production. AASM samples were analyzed by chemical-analytical methods in accordance with GOST 5382-19, and their hydraulic activity was evaluated according to GOST 31108 and GOST 30744. The study examined the compressive strength of Portland cement with 5–20% AASM content. Results showed that 10–15% AASM addition increased compressive strength by 13–15%, confirming its potential as an effective and environmentally friendly mineral additive.

Ключевые слова: портландцемент, золошлаковые отходы, Ангренская ТЭС, активная минеральная добавка, гидравлическая активность, техногенное сырьё, прочность при сжатии.

Keywords: Portland cement, ash-slag waste, Angren TPP, active mineral additive, hydraulic activity, industrial raw materials, compressive strength.

Введение. В результате переработки местных природных сырьевых ресурсов на основную продукцию в различных отраслях промышленного производства, в нашей стране в наибольших объемах скопились и продолжают увеличиваться в отвалах различные виды техногенных отходов, в том числе золошлаковые отходы энергетической отрасли, удаляемые в отвалы гидроспособом.

Золошлаки ТЭС – это твердые продукты сгорания углей, образующиеся в топке в результате термообработки исходной минеральной части топлив, состоящие в основном из породообразующих компонентов, остальные компоненты – углерод, ангидрит CaSO₄, иногда – оксиды железа и алюмосиликаты кальция. По своему физико-химическому и агрегатному состоянию золошлаки являются уникальным ресурсом (материалом) для полезного использования в различных отраслях с получением значительных экологических эффектов. Золошлаковые материалы могут неограниченно использоваться как основной компонент, добавки и наполнители при производстве широкого спектра строительных материалов и полностью обеспечивают требования санитарии, включая радиологический аспект [1–6].

Материалы и методы. В качестве исходных компонентов для получения добавочных цементов использовали портландцементный клинкер АО «Ахангаранцемент», гипс Бухарского месторождения и ЗШС сухого удаления Ангренской ТЭС. Химические и физико-химические свойства ЗШС сухого удаления исследованы химико-аналитическим (по ГОСТ 5382-19 «Цементы и материалы цементного производства. Методы химического анализа»). Влияние активированной золошлаковой смеси (АЗШС) на физико-механические свойства портландцемента изучалось в соответствии с требованиями ГОСТ 31108 по методикам ГОСТ 30744.

Результаты и их обсуждение. Золошлаковые смеси сухого удаления представлены в виде полидисперсной массы серой окраски, с включениями твердой, и мягкой дисперсной фракций, состоящих из частиц черного и коричневого цветов. Твердая фракция золошлаковой смеси представлена спекшимися кусками размером зерен не более 15 мм (рис. 1.).

Рисунок 1. Структурное строение золошлаковой смеси Ангренской ТЭС сухого удаления: а–общий вид; б-шлаковая составляющая смеси. х100

Рисунок 2. Структура зольной фракции золошлаковой смеси Ангренской ТЭС сухого удаления

Встречаются зерна в виде призм и тонких волокон. Поверхность зерен не гладкая, а шероховатая, что при использовании в качестве добавки в цемент прогнозирует их прочное сцепление с частицами цемента и зернами заполнителя. Структура зерен зольной части АЗШС приведена на рисунке 2. В соответствии с рисунком 2, зерна представлены разноцветными прозрачными стеклообразными, белыми и светло-коричневого цвета матовыми зернами различных форм.

По данным таблицы 1, химический состав средней пробы золошлаковой смеси Ангренской ТЭС представлен преимущественным содержанием оксидов: SiO₂ (64,79 %) и Al₂O₃ (20,64 %). Присутствуют также примеси оксидов СаО (3,36 %), Fe2O3 (3,99 %) и SO3 (1,64 %). Суммарное содержание щелочных оксидов в пересчете на Na₂O составило 4,12 %. (таб.1)

Таблица 1.

Химический состав компонентов, используемых для получения добавочного цемента

Влияние на физико-механические свойства ПЦ. Гидравлическая активность АЗШС составляет по критерию Стьюдента t=52,92, что выше регламентируемого его значения t=2,07 по O'z  МSt  336, относительно группы: «Техногенная активная минеральная добавка» и t=15 по ГОСТ 31108, что послужило основанием для его использования в качестве активной минеральной добавки к цементу.

Были приготовлены компонентный состав шихт и физико-механические свойства портландцементов с добавкой АЗШС, содержащие ПЦ клинкер (75–85)  %, АЗШС (10–20)  % и 5 % гипса (таб.  2).

В соответствии с данными этой таблицы, 15 %-ное количество АЗШС способствовало повышению прочности цемента по сравнению с ПЦ-Д0 во все сроки. При добавке 20 % АЗШС прочность образцов добавочного цемента в начальный период твердения (2–7 суток) несколько снижается, однако, формирующийся в процессе гидратации в системе «молотый клинкер – АЗШС – гипс – вода» цементный композит постепенно уплотняется и к 28-суточному сроку твердения его прочность стала даже выше (рис.  3), чем у ПЦ-Д0. Добавочные цементы, содержащие до 20 % АЗШС, соответствовали всем требованиям ГОСТ 31108.

Таблица 2.

Влияние АЗШС на показатели прочности портландцемента

Рисунок 3. Рисунок 5. Изменение скорости гидратации ПЦ в зависимости от вида АЗШС и времени твердения

Через 2 суток после затворения водой цементное тесто начинает превращаться в камень, поверхность его скола имеет разную форму и ориентацию, она состоит из шероховатых частиц множеством воздушных пор, а на внутренних стенках пор наблюдается рост игольчатых кристаллов. На поверхностных слоях затвердевающей цементной пасты вновь появляются бугорки таких игольчатых кристаллов (рис. 4).

Рисунок 4. Рельеф поверхности скола цементного каменя, затвердевшего за 2 сутки с содержанием 20% АЗШС

К 28 суткам микроструктура цементного камня, за счет роста и срастания продуктов гидратации, представлена низкой пористостью и монолитностью (рис. 5). Вместе с тем, процесс гидратации добавочного цемента продолжается по принципу «снизу-вверх» и за счет образования  в порах цементного камня «агрегатов» из беспорядочно растущих игольчатых, призматических волокнистых и нитевидных кристаллов гидросиликатов, к 28 суткам образуется твердый искусственный конгломерат в виде сросшихся блоков, и его гидравлическая активность соответствует требованиям ГОСТ 31108.

Рисунок 5. Рельеф поверхности скола цементного камня с АЗШС, твердевшего 28 суток

Заключение. Исследованы скорость гидратации, процессы зарождения и эволюции новообразований, генезис формирования структуры цементного камня. Показано, что, несмотря на уменьшение в нем доли высокотемпературной алитовой клинкерной составляющей на 20 %, повышение прочности цементного камня обеспечивается за счет ускоренного протекания химических процессов взаимодействия в системе «молотый клинкер – активная золошлаковая смесь – гипс – вода» и установлены закономерности корреляционной зависимости «фазовый состав – структура –прочность» в процессе твердения разработанного нового вида общестроительного ПЦ. 

Список литературы:

1. Мингалеева Г.Р., Шамсутдинов Э.В., Афанасьева О.В., Федотов А.И., Ермолаев Д.В. Современные тенденции переработки и использования золошлаковых отходов ТЭС и котельных // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.science-education.ru/ru/article /view?id =16475 (дата обращения: 24.06.2025).
2. Миронюк Н.А. Рациональные технологии использования золоотходов при производстве сухих строительных смесей // сб. трудов Республ. НТК. «Горно-металлургический комплекс: проблемы и их решения» г. Алмалык, 8 апреля 2015 г. – С.100–101.
3. Определение задачи по снижению стоимости строительных материалов // Материалы совещания, проведенного 14.05.2019 г. Президентом РУз Шавкатом Мирзиёевым, посвященного приоритетным задачам дальнейшего развития индустрии строительных материалов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.uza.uz/.(дата обращения: 24.06.2025).
4. Постановление Президента Республики Узбекистан от 23.06.2019 г. № ПП - 4335 «О дополнительных мерах по ускоренному развитию промышленности строительных материалов» [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  /http://uza.uz/ru/documents/o-dopolnitelnykh-merakh-po-uskorennomu-razvitiyu-promyshlenn-24-05-2019. (дата обращения: 24.06.2025).
5. Разработка способа активации, технологии и освоения производства полного использования топливных золошлаковых отходов в производстве строительных материалов // АО “Узстройматериалы”. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: uzsm.uz/ru /activities/science/16299/ (дата обращения: 24.06.2025).
6. Самусева М.Н., Шишелова Т.И. Золошлаковые материалы-альтернатива природным материалам // Фундаментальные исследования. 2009. – № 2. – С.75–76.