Дорожные бетоны на основе золощелочного вяжущего

Научная статья
DOI:
https://doi.org/10.60797/IRJ.2024.143.82
Выпуск: № 5 (143), 2024
Предложена:
31.03.2024
Принята:
14.05.2024
Опубликована:
17.05.2024
136
8
XML
PDF

Аннотация

В работе была выявлена возможность использования эттрингитового, золощелочного вяжущих для приготовления дорожных одежд. Показана возможность использования золощелоочного бетона на основе золы гидроудаления ТЭЦ при производстве основного бетонного несущего слоя и эттрингитового вяжущего для укрепления щебеночного основания автомобильных дорог. Разработан состав бетона на эттрингитовом вяжущем для укрепления оснований дорог, а также разработан состав на золощелочном вяжущем для основания дорог. Определены их физико-механические свойства, которые соответствуют требованиям для подобной смеси на основе традиционных вяжущих (типа портландцемент). Установлена эффективность применение разработанных вяжущих в устройстве дорожных одежд.

1. Введение

Развитие инфраструктуры Российской Федерации состоит из нескольких направлений, одним из которых является повсеместное строительство и благоустройство сети автомобильных дорог. Автодорожное строительство является нерентабельным из-за высокой стоимости. Поэтому для снижения себестоимости необходимо использовать «местные» материалы и повышать качество дорог. Одним из способов повышения качества дорог является укрепление щебеночных и песчаных оснований вяжущими, в качестве которых используют битум, низкомарочные вяжущие.

В работе предлагается использовать золощелочное вяжущее для укрепления оснований дорог, и для создания бетона под асфальтобетонное покрытие. Использование золощелочного вяжущего позволит снизить экологическую напряженность промышленных регионов с тепловыми электростанциями.

2. Методы и принципы исследования

В ходе эксплуатации автомобильных дорог из автотранспорта выделяются выхлопные газы в состав которых входят: диоксид серы (SO2), азот (N2), водяной пар (H2O), диоксид углерода (СО2), угарный газ (CO), которые растворяясь в воде вызывают коррозию цемента. Глуховским В.Д. было установлено, сто шлакощелочные вяжущие практически не подвержены коррозии портландцемента. Выхлопные газы растворяются в воде или оседая на снег совместно с антигололедными реагентами образуют различные кислоты и кислые соли, вызывающие коррозию цементного камня второго типа переходящую в коррозию третьего типа В дальнейшем в результате снижения рН бетона разрушаются высокоосновные гидросиликаты кальция, которые составляют основу цементного камня и увеличивается доля высокоосновного гидросульфоаллюмината кальция, который выкристаллизовывается в порах цементного камня ввязывая давление порядка 80Мпа

. Химическая коррозия цементного камня способствует ускорению физического разрушения бетона за счет снижения морозостойкости, тем самым снижается срок службы дорожных бетонных конструкций, что приводит к замене их. Частая замена конструкций отражается на себестоимости эксплуатации дорожного бетона.    

Целью работы является получение золощелочного вяжущего для дорожного бетона соответствующего требованиям.

В качестве материалов использовали золу Магнитогорской ТЭЦ. Химический и минералогический составы выбранного материала приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Химический состав золы гидроудаления ТЭЦ г. Магнитогорск

a2O

MgO

Al2O3

SiO2

SO3

K2O

CaO

e2O3

MnO

Cr2O3

P2O5

TiO2

0,84 – 0,9

9,0 – 9,88

7,2 – 8,1

20,10 – 20,18

​0,57

0,29​

27,8​

22,65​

2,93​

0,413​

0,52​

0,8​

Таблица 2 - Минералогический состав золы гидроудаления ТЭЦ г. Магнитогорск

Элемент

Формула

%

Gehlenite

Al0.729Ca0.968O5.265Si0.488

14,8

Larnite

Ca2O4Si

53,1

Siderite

CFeO3

10,3

Quartz

O2Si

12,6

Brownmillerite

Al0.114Ca2Fe1.886O5

9,2

Из таблицы 2 видно, что химической активностью в щелочной среде обладают Larnite, Quartz, находящийся в аморфном состоянии

. Для этого золу измельчали в лабораторной вибромельнице до удельной поверхности 460 м2/кг. В качестве активизаторов твердения в работе были использованы гидроксид натрия плотностью 1,2 кг/л и промышленное натриевое растворимое стекло плотностью 1,43 кг/л.

Влияние вида активизатора на кинетику набора прочности золощелочного вяжущего определялась с помощью стандартных образцов, твердеющих в нормальных условиях (Т = 20±5 оС, W = 100 %). Определение кинетики набора прочности проводилось в возрасте 3, 7, 14, 21 и 28 сут. Полученные результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Влияние вида активизатора на прочностные характеристики золощелочного вяжущего

Вид активизатора

Предел прочности при сжатии, МПа

Предел прочности при изгибе, МПа

NaOH

​0,6

​0,1

Натриевое жидкое стекло

​29,63

​1,85

Аl2(SO4)3×10H2O – 2%

​2,35

​0,84

Аl2(SO4)3×10H2O – 4%

​3,85

​1,02

Аl2(SO4)3×10H2O – 6%

​6,31

​2,06

Аl2(SO4)3×10H2O – 8%

​10,11

​3,21

Аl2(SO4)3×10H2O – 10%

​9,13

​3,24

Из таблицы 3 видно, что оптимальное содержание сульфата алюминия 8% от массы золы.

Набор прочности при активизации растворимым натриевым стеклом обусловлено тем, что жидкое стекло в водном растворе разлагается на NaOH и Si(OH)4. Кремневая кислота, адсорбируясь на поверхности Larnite, извлекает из его кристаллической решетки кальций и реагирует с ним, образуя низкоосновные гидросиликаты кальция. При этом одновременно повышается дефектность Larnite, что также способствует повышению его гидравлической активности. Химическое взаимодействие дефектного Larnite с водой образует гидросиликаты кальция и гидроксид кальция. Образованный Ca(OH)2, реагируя с кремневой кислотой до ее полного устранения, также образует гидросиликаты кальция.

При активизации водным раствором сульфата алюминия происходит следующее:

- водный раствор сульфата алюминия имеет кислую среду, в зависимости от концентрации сульфата алюминия (pH от 6 до 3,5). В кислой среде происходит химическое взаимодействие основного ларнита с ионами алюминия и ионами серной кислоты, в результате которой из кристаллической решетки ларнита извлекается оксид кальция и образуется 6-ти водный гидроалюминат кальция по схеме:

2CaOSiO2 + Al(OH)3 + H2O → 3CaOAl2O3×6H2O + SiO2×nH2O;

2CaOSiO+ H2O + SO3-2 → CaSO4×2H2O

- шести водный гидроалюминат кальция реагирует с гипсом и образует высокоосновную форму гидросульфоалюмината кальция (эттренгит) по схеме:

3CaOAl2O3×6H2O + CaSO4×2H2O + H2O → 3CaOAl2O3×3CaSO4×32H2O.

В результате вышеперечисленных реакций происходит частичное разрушение и деформация кристаллической решетки ларнита, в результате чего он становится химически активным к воде. В связи с этим происходит химическая реакция гидратации ларнита с образованием небольшого количества низкоосновных гидросиликатов по схеме:

2CaOSiO+ H2→ CaOSiO2×nH2O.

В ходе данной химической реакции образуется одна молекула гидроксида кальция по схеме:

SiO2×nH2O + Ca(OH)+ H2O → CaOSiO2×nH2O.

На основании выше изложенного получены вяжущие на растворимом стекле со следующими характеристикам:

Сроки схватывания:

- начало – 0,33 ч;

- конец – 0,58 ч;

-  нормальная густота – 27,5.

Предел прочности при сжатии при твердении:

- нормальные условия – 29,63 МПа.

На сульфате алюминия

Сроки схватывания:

- начало – 0,22 ч;

- конец - 2,21 ч.

Вяжущее обладает ложным схватыванием, которое ликвидируется за счет дополнительного перемешивания,

- нормальная густота – 25,7.

Предел прочности при сжатии при твердении:

- нормальные условия – 10,11 МПа.

3. Основные результаты

На основе вышеуказанных вяжущих разработаны составы тяжелого бетона:

на золощелочном вяжущем для несущего слоя дорог бетон марки по удобоукладываемости П-1 (ок. – 1-4 см)(состав бетона класса В15: растворимое стекло – 210 л; золощелочное вяжущее – 290 кг; песок – 800 кг; щебень – 1000 кг);

на эттренгитовом вяжущем разработан укрепляющий состав мелкозернистого бетона для укрепления щебеночного основания дорог марки по удобоукладываемости П-5 (ок. 21 см и более) (состав бетона В3,5: 10%-й раствор сульфата алюминия – 240 л; эттренгитовое вяжущее – 265 кг; песок – 1635 кг).

Экономический эффект от применения золощелочного вяжущего в тяжелых бетонах можно произвести на примере мелкозернистых бетонов в сравнении с мелкозернистыми бетонами на ШПЦ. Он будет обеспечиваться разницей в стоимости этих бетонов, которая обеспечивается разницей в стоимости вяжущего. Экономический эффект замены в бетонах традиционного цемента ШПЦ 300 на золощелочное вяжущие составил: 75,17 руб. при аналогичных эксплуатационных свойствах.

4. Заключение

В результате проведенных исследований установлена возможность получения золощелочного и эттренгитового вяжущих на основе золы ТЭЦ гидроудаления (активностью 29,63 МПа и 10,11 МПа соответственно).

На данных вяжущих разработаны составы бетонов для несущего и укрепляющего основания бетонов прочностью (В15 и В7,5 соответственно). Экономический эффект при использовании золощелочного вяжущего 75,17 руб./м3, на основе эттренгитового вяжущего экономический эффект не рассчитывался.

Использование золы ТЭЦ гидроудаления позволяет получить не только экономический эффект, но и социальный, который заключается в снижении уровня загрязнения окружающей среды, а именно водной и воздушной.

Метрика статьи

Просмотров:136
Скачиваний:8
Просмотры
Всего:
Просмотров:136