Road concretes based on gold-alkali binder
Road concretes based on gold-alkali binder
Abstract
The possibility of using ettringitic, ash-alkali binders for the preparation of road pavements was determined in the work. The possibility of using ash-alkali concrete on the basis of hydro-removal ash of TPP in the production of the main concrete bearing layer and ettringite binder for reinforcement of crushed stone bases of motorways has been shown. The composition of concrete on ettringite binder for strengthening of road bases is developed, as well as the composition on ash-alkali binder for road bases is designed. Their physical and mechanical properties have been determined, which meet the requirements for a similar mixture based on traditional binders (such as Portland cement). The efficiency of application of the developed binders in road pavement construction has been established.
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.