Диапазон использования золошлаковых материалов в бетонах очень широкий, от гидротехнического бетона, где сухая зола применяется как заменитель части (до 25 %) цемента, до шлакобетона и стенных блоков из него, где в качестве мелкого и крупного заполнителей используются зола и шлак из отвалов и текущего выхода.

Важным этапом на пути использования зольного и шлакового сырья является его классификация, в основу которой положены наиболее характерные критерии качества материала:

• модуль основности (гидравлический модуль) – М_о;

• силикатный (кремнеземистый) модуль – М_с;

• коэффициент качества (гидравлическая активность) – К.

Модуль основности (гидравлический модуль) представляет собой отношение содержания оснóвных оксидов к сумме кислотных оксидов. При М_О > 1 золошлаки – основные и обладают вяжущими свойствами; при М_О < 1 золошлаки – кислые, могут служить гидравлической добавкой. Для учета влияния щелочных компонентов в формулу модуля оснóвности включены оксиды натрия и калия.

     Силикатный (кремнеземистый) модуль показывает отношение количества оксида кремния, вступающего в реакцию с другими оксидами, к суммарному содержанию оксидов алюминия и железа. Физический смысл силикатного модуля состоит в следующем. Силикатный модуль, являясь соотношением SiO₂ (необходимым для образования С₂S и С₃S) к Al₂O₃ + Fe₂O₃ (необходимых для образования C₃A  и С₄АF), пропорционален, таким образом, отношению минералов (силикатов) к минералам (плавням).

     Гидравлическая активность оценивается коэффициентом качества.

     В числителе стоят оксиды, повышающие гидравлическую активность, в знаменателе – снижающие ее. Следовательно, чем выше коэффициент качества, тем выше гидравлическая активность золошлака. Значение модулей и коэффициента качества колеблются в определенных пределах. Однако, чем больше значение модуля оснóвности, тем выше вяжущие свойства материала, тем больше его прочность при затвердевании. При прочих равных условиях и при повышенном силикатном модуле материал схватывается и твердеет медленно, но прочность его через определенное время возрастает.

     Следовательно, указанные три показателя являются важными классификационными признаками материала, дающими информацию об определенных свойствах и показывающими соотношение главных компонентов.

     На основании исследований золошлаковых отходов многих электро- и теплостанций, сжигающих топливо различных месторождений, все золошлаки в зависимости от состава были поделены на три группы: активные, скрытоактивные, инертные.

     К первой группе (I) отнесены золошлаковые материалы эстонского сланца, углей Канско-Ачинского бассейна, ангренского угля,  некоторых видов торфа. Эти золошлаковые материалы характеризуются общим содержанием оксида кальция в пределах 20 … 60 % и свободного оксида кальция до 30 %. Такой состав обеспечивает высокие значения модулей и коэффициента качества: М_О – 0,5 ¸ 2,8; М_С – 1,5  ¸ 7,8; К – 1,0 ¸ 3,6. Золошлаковые материалы указанных топлив обладают свойством само-стоятельного твердения. Такие золошлаки могут применяться для возведения дамб золошлакоотвалов без специальных мероприятий (введение вяжущих веществ), а также для производства изделий на их основе, преимущественно автоклавного твердения.

     Ко второй группе () отнесены золошлаковые материалы с общим содержанием оксида кальция от 5 до 20 %. Свободный оксид кальция не превышает 2 %, а модуль оснóвности – не более 0,5. К этой группе, характеризующейся меньшей активностью, чем первая, относятся золошлаковые материалы львовско-волынского, райчихинского, богословского, азейского и других углей. Основное направление использования золошлаков этой группы – производство изделий, твердеющих при тепловой обработке с активизаторами.

     В третью группу (III) включены золошлаковые материалы углей: экибастузского, подмосковного, кузнецкого, донецкого, карагандинского. Они характеризуются высоким содержанием оксидов кремния и алюминия и низким содержанием оксидов кальция и магния. Свободного оксида кальция, являющегося активизатором процесса твердения, в некоторых золошлаках данной группы может не быть совсем, а максимальное его содержание не превышает 1 %. В связи с этим основным направлением использования золошлаковых материалов третьей группы являются дорожное строительство, производство кирпича, зольного гравия.

1.2. СВОЙСТВА  ЗОЛОШЛАКОВ

     Для наиболее рационального решения вопроса утилизации золошлаков ТЭС необходимо знать их свойства, которые зависят от вида, марки угля, от топочного режима на ТЭС, а также от места отбора золы на пути прохождения дымовых газов.

     Как следствие этого, химическая природа, физические, а, следовательно, и технические свойства тех или иных зол могут быть различны. Обращает на себя внимание то, что золы от сжигания одного и того же вида угля часто характеризуются различными показателями химического состава и физических свойств.

     В зависимости от вида сжигаемого угля (антрацит, каменный, бурый) дисперсность, плотность, форма, цвет частиц золы, а также содержание окислов колеблется в больших пределах.

     Данные по химическому составу зол свидетельствуют о том, что содержание отдельных оксидов, а также топлива в золе, получаемой от пылевидного сжигания различных видов угля, имеет значительные отклонения. Это предопределяет свойства золы и область ее использования в производстве строительных материалов.

     Например, золы уноса, образующиеся при сжигании Канско-Ачинских бурых углей имеют колебания в химическом составе (в %):  SiO₂ – 20 … 40; Al₂O₃ – 8 … 11; Fe₂O₃ – 10 … 15; TiO₂ – 0,6 … 0,8; CaO (общ.) – 25 … 50; CaO (своб.) – 2 … 13; MgO – 2 … 4; SO₃ – 1 … 3; щелочи – до 2 %. Из минералов, способных к гидратации и твердению, в золах присутствуют СаО, СаО . Al₂О₃, 3СаО . Al₂О₃, β-СаО . SiО₂, MgО, 4СаО . Al₂О₃ . Fe₂О₃.

     Минералогический состав золы всех проб по каждой ТЭС представлен в основном аморфизованным глинистым веществом, стеклом бесцветным и окрашенным, остатками угля и кристаллической фазой в виде кварца, муллита, магнезита и изредка полевого шпата. По показателю потерь в массе при прокаливании золы, условно характеризующего содержание остатков горючего, отмечаются значительные колебания по различным пробам золы по каждой станции в пределах от 7 до 15 %.

     Все золы характеризуются близким химическим составом минеральной части, но резко отличаются по гранулометрическому составу и удельной поверхности, при этом золы большинства ТЭС имеют величину удельной поверхности  от 3000 до 5000 см²/г.

     Несмотря на высокую удельную поверхность всех зол гидравлически активные минералы зачастую находятся внутри капель стекла либо покрыты стеклом, затрудняющим контакт минералов с водой. Поэтому при использовании золы уноса для получения вяжущих материалов необходимо разрушение стекла для вскрытия активных минералов, т.е. нужен помол золы.

     Для получения вяжущего материала и изделий на его основе с высокими физико-механическими свойствами (без ограничения условий эксплуатации) необходимо введение добавок-активаторов или применение механохимической активации золы. 

   1.3. ИЗВЕСТНЫЕ  НАПРАВЛЕНИЯ  ИСПОЛЬЗОВАНИЯ  ЗОЛОШЛАКОВ 

     Применение золы и шлака ТЭС в качестве сырья для производства строительных материалов и в строительстве получило научное обоснование и подтвердилось результатами опытов, поставленных в ведущих научно-исследовательских организациях. Были определены рациональные области использования золы и шлака ТЭС, разработаны прогрессивные технологические приемы и процессы производства строительных материалов на основе золы и шлака, созданы опытно-промышленные установки по их отбору, переработке и хранению. Разработаны нормативные документы, регламентирующие использование золошлаков для производства ряда эффективных строительных материалов и в строительстве, а именно:

– Добавка к цементу, не снижающая активности материала.

– Компонент строительных бетонов и растворов.

– Приготовление специальных бетонов (пенозолобетон, газозолобетон и др.).

– Изготовление легких заполнителей для бетонов (пористый материал типа керамзита, аглопорита и т.п.).

– Получение самостоятельного вяжущего материала.

– Для дорожного строительства (наполнитель углеводородных вяжущих веществ, подготовка под покрытия и т.п.).

– В качестве сырья для химической промышленности (получение из зол Al₂O₃, Fe₂O₃, TiO₂, K₂O, Na₂O, P₂O₅, U₃O₃, V и Ge.

– Добавка к глине при изготовлении кирпича, черепицы и т.д.

     Кроме того, золы уноса используются в сельском хозяйстве как удобрение; в литейном производстве; обработанные силикагелем – для удаления с поверхности воды мазута или остатков кислот; для быстрого высушивания шламов.

     Большое количество золошлаковой смеси используется для строительства ограждающих дамб на золошлакоотвалах, т.е. на собственные нужды ТЭС.

     Важным направлением является использование золошлаковой смеси взамен крупного и мелкого заполнителя в тяжелом бетоне. Это направление должно развиваться в районах  острого дефицита в заполнителях для тяжелого бетона.

     Использование золы и шлака ТЭС в качестве выгорающих и отощающих добавок при производстве кирпича позволяет повысить массообменные характеристики сырца и ускорить процесс сушки с одновременным снижением расхода топлива (до 20 … 40 %), повысить прочность кирпича и снизить процент брака после его сушки и обжига. В силикатном производстве кирпича достигается значительная экономия извести (до 20 %) при одновременном повышении прочности сырца и самого кирпича после термообработки.

    Весьма эффективным является использование золошлаков для производства ячеистых бетонов, так называемых пено-, газозолобетонов и ячеистых золошлакобетонов с плотностью 200 … 300 кг/м³. При этом используются как автоклавная, так и безавтоклавная технологии.

     Большой выбор легких заполнителей, таких как аглопоритовый гравий и щебень, зольный гравий, новый вид заполнителя (безобжиговый зольный гравий), глинозольный керамзит, позволяют наиболее полно использовать все разнообразие свойств различной золы и шлака ТЭС.

     В дорожном строительстве наибольшее применение находит активная (обладающая вяжущими свойствами) зола в сухом состоянии, образующаяся при сжигании торфа, сланцев, бурых углей, и в опытном производстве – гранулированный топливный шлак для строительства покрытий и оснований дорог.

     Диапазон использования золошлаковых материалов в бетонах очень широкий, от гидротехнического бетона, где сухая зола применяется как заменитель части (до 25 %) цемента, до шлакобетона и стенных блоков из него, где в качестве мелкого и крупного заполнителей используются зола и шлак из отвалов и текущего выхода.

С анализом российского рынка металлургических и топливных шлаков Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок шлаков в России».

Newchemistry.ru