Дорожные бетоны на основе золощелочного вяжущего
Дорожные бетоны на основе золощелочного вяжущего
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;
2CaOSiO2 + 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:
2CaOSiO2 + H2O → CaOSiO2×nH2O.
В ходе данной химической реакции образуется одна молекула гидроксида кальция по схеме:
SiO2×nH2O + Ca(OH)2 + 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.