1082

В.С. Прокопец, Е.А. Бедрин

Механоактивационная технология

получения минерального вяжущего

на основе кислых зол ТЭЦ

Учебное пособие

Учебное издание

Прокопец Валерий Сергеевич,

Бедрин Евгений Андреевич

Механоактивационная технология

получения минерального вяжущего

на основе кислых зол ТЭЦ

Учебное пособие

***

Редактор И.Г. Кузнецова

***

Подписано к печати 2003 Формат 60 90/16. Бумага ксероксная. Оперативный способ печати. Гарнитура Таймс.

Усл. п.л. 5, 5, уч.– изд. л. Тираж 350 экз. Заказ . Цена договорная .

Издательство Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии 644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10

Отпечатано в ПЦ издательства СибАДИ 644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10

УДК 621.926.323.4 ББК 38.32: 38.300.8 П 80

Рецензенты д-р техн. наук, проф. Н.А. Машкин

канд. техн. наук, доц. А.А. Миронов канд. техн. наук, проф. В.П. Никитин

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебного пособия для специальности 291000 "Автомобильные дороги и аэродромы"

Прокопец В.С., Бедрин Е.А. Механоактивационная технология получения минерального вяжущего на основе кислых зол ТЭЦ: Учеб. пособие.– Омск: Изд-во Си-

бАДИ, 2003. – с.

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по строительным и механическим специальностям. Показана перспектива использования механохимической активации минеральных веществ для целей дорожного строительства. На примере дезинтеграторов рассмотрены конструктивные особенности активаторов. Показаны основные принципы определения рациональных режимных и конструктивных параметров дезинтегратора.

Рассмотрены свойства материалов, используемых для приготовления вяжущего на основе кислых зол по дезинтеграторной технологии. Приведены сведения о физикомеханических свойствах золоцементного вяжущего и укрепленных грунтов на его основе. Особое внимание уделено кинетике изменения свойств механоактивированного золоцементного вяжущего.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 291000 "Автомобильные дороги и аэродромы", а также для научных сотрудников и аспирантов, занимающихся исследованиями в областях: получения вяжущих веществ на основе кислых зол и оптимизаций параметров оборудования для тонкого и сверхтонкого помолов минеральных материалов.

Министерство образования РФ

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

В.С. Прокопец, Е.А. Бедрин

Механоактивационная технология

получения минерального вяжущего

на основе кислых зол ТЭЦ

Учебное пособие

Допущено УМО вузов Российской Федерации по образованию в области железнодорожного транспорта и транспортного строительства в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности

"Автомобильные дороги и аэродромы" направления подготовки дипломи-

рованных специалистов "Транспортное строительство"

Омск

Издательство СибАДИ

2003

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение объемов строительства, требования экономики обуславливают необходимость внедрения более экономичных технологий при производстве работ в дорожном строительстве с одновременным улучшением качества строительных материалов. Одной из важных тенденций, направленных на совершенствование существующих технологий, является решение важнейшей задачи использования материальных ресурсов с широким вовлечением в хозяйственный оборот вторичных материальных и топлив- но-энергетических ресурсов, а также попутных продуктов, развитие мощностей по производству дорожно-строительных материалов с использованием золы и шлаков тепловых электростанций. С учетом вышеизложенного исследование направлений и методов широкого рационального использования в дорожном строительстве таких попутных продуктов электроэнергии, какими являются золы и шлаки от сжигания твердых видов топлива на тепловых электростанциях, является актуальным.

Одним из вариантов применения в дорожном строительстве золы ТЭС является ее использование в качестве наполнителя для цемента при укреплении грунтов, что позволяет понизить стоимость работ по устройству дорожной одежды. Однако при добавлении золы в вяжущее для сохранения его реакционной способности на прежнем уровне необходимо применение новых технологий, отличных от неэкономичной тепловой обработки. Одной из таких новых технологий может являться предварительная механическая обработка путем измельчения. В процессе диспергирования можно выделить два основных этапа. Первый – разрушение частиц внешней силой, приложенной обычно к их совокупности. Второй – агрегация частиц, как самопроизвольная, так и вызванная внешними сжимающими усилиями. Изучение диспергирования связано, следовательно, с проблемой прочности твердого тела и проблемой агрегативной устойчивости. Наряду с диспергированием и агрегацией при измельчении, как и при всяком другом виде механической обработки, происходит изменение кристаллической структуры и энергетического состояния поверхностных слоев частицы – механическая активация твердых тел.

Необходимо отметить, что механическая активация может решать самые разнообразные задачи: повышение реакционной способности твердых тел, изменение структуры, ускорение твердофазных реакций и т.д.

До настоящего времени перспективность активации измельчением определялась в основном применением в добывающей, химической и в некоторой степени строительной индустриях. Интенсивное развитие разработок помольных аппаратов-активаторов большой производительности позволило успешно их использовать в таком материалоемком производстве, каким является дорожное строительство.

Одним из ярких представителей помольных устройств класса "Измель- читель-активатор" является дезинтегратор – высокоскоростная ударная мельница, которая с обычным помолом инициирует механохимические процессы, увеличивающие реакционную способность материалов, в том числе и минеральных.

Зная процессы, происходящие при изготовлении золоцементного вяжущего, инженер может легко организовать технологию его производства. Это и обуславливает исключительную важность учебного пособия, где авторами предпринята попытка определить возможные направления для повышения эффективности процесса механоактивации золоцементных материалов.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ТЕРМИНЫ

Технология – наука о процессах и способах производства. Физико-химическая механика – область знаний, основанная акаде-

миком П.А. Ребиндером, изучает механические свойства материалов, являющиеся следствием физико-химических процессов.

Механохимия – область знания, которая занимается изучением физических свойств тел и материалов при их разрушении.

Активация – процессы, ускоряющие химические реакции. Механоактивация – очень сложный, многоступенчатый процесс из-

менения энергетического состояния материала в условиях подвода механической энергии. В ее основе лежит изменение реакционной способности твердых тел под воздействием механических сил. Осуществление активационных процессов происходит за счет энергии напряженного состояния измельчаемого материала, энергии упругих и пластических деформации.

Адсорбция – физико-химический процесс перемешивания молекул (ионов) из объема жидкости или газа на поверхность тела или другой жидкости (адсорбента) под действием сил притяжения, которыми эта поверхность обладает. Природа адсорбционных сил многообразна: а) физическая адсорбция – обусловлена возникновением вандерваальсовой силы межмолекулярного притяжения и электростатическим притяжением разноименно заряженных молекул адсорбента и адсорбата б) хемосорбция – обусловлена возникновением валентных сил, возникающих при обмене электронами между молекулами (ионами) адсорбента и адсорбата с образованием химических связей.

Адгезия – прочность сцепления вяжущего (клея) со смачиваемой им поверхностью. Обусловлена физико-химическим взаимодействием вяжущего и поверхности (электростатическим, валентным, а также межмолекулярными, вандерваальсовыми силами притяжения).

Когезия – собственная прочность вяжущего как клея. Обусловлена его

вязкостью, толщиной слоя или пленки, степенью ориентации молекул в них, адгезионным взаимодействием вяжущего со смачиваемой им поверхностью.

Аутогезия – взаимодействие между частицами, определяет статическое и динамическое состояния порошков, их способность течь, условия внутреннего трения и сдвига, возможность сводообразования и зависания, истечение из отверстий, слеживаемость при хранении и ряд других явлений, от которых зависит использование порошкообразных материалов.

Диспергирование – изменение, как макро-, так и микросвойств твердого тела при механическом его нагружении.

Удар – явление, при котором за малый промежуток времени, почти мгновенно изменяется кинематическое состояние механической системы контактирующих тел (происходит мгновенное преобразование механической энергии и возникают ударные импульсы в точках контактирования тел). Удар называется абсолютно упругим, если скорости до и после удара равны. Удар называется абсолютно неупругим, если скорость точки после удара равна нулю. В случае, когда отношение скоростей после и до удара находится от 0 до 1, то удар называют упругим.

Механоактивированное золоцементное вяжущее – неорганическое вяжущее вещество совместного помола цемента и наполнителя (золы).

Наполнители – порошкообразные материалы, частицы которых соизмеримы с частицами вяжущего вещества. Наполнители совместно с вяжущим веществом участвуют в формировании микроструктуры матричной части и контактных зон в конгломератах. Обладая огромным потенциалом поверхностной энергии, наполнители становятся активными компонентами при отвердевании вяжущих веществ в процессе формирования структуры и свойств материала.

Укрепление грунтов – комплекс строительных операций по внесению вяжущих и других веществ, обеспечивающих существенное изменение свойств грунтов с приданием им требуемой прочности, деформативности, водо- и морозостойкости.

2. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

2.1. Перспективы использования ЗШО ТЭЦ

Мощное развитие электроэнергии в нашей стране, в первую очередь, основанной на применении твердых видов топлива, предопределило образование огромного количества попутных продуктов – зол и шлаков, занимающих тысячи гектаров пахотной земли. Только в Омской области за год ожидается прирост зол и шлаков от омских ТЭЦ-2, ТЭЦ-4, ТЭЦ-5 около 2,3–2,6 млн т /1/. Необходимо отметить, что использование в народном хо-

зяйстве России только ежегодных выходов ЗШО порядка 45 млн т позволит тепловой энергетике значительно уменьшить капитальные затраты на строительство и эксплуатационные расходы на содержание золоотвалов ТЭС и тем самым снизить себестоимость электрической и тепловой энергии. Немалую прибыль получают и предприятия-потребители этих побочных продуктов ТЭС. Вместе с тем необходимость полного использования зол и шлаков диктуется особо важными природоохранительными требованиями, изложенными в "Основах законодательства России о недрах", а также в Законе России "Об охране атмосферного воздуха". Так, организация золошлакоотвалов отрицательно отражается на продуктивности тех земель, где они размещаются. Атмосферный воздух в местах золоотвалов в летнее время обогащен пылевыми частицами, разносимыми ветром на значительные расстояния и отрицательно отражающимися на санитарногигиеническом режиме окружающей природы и условиях жизни населения.

Возможность осуществления крупномасштабных мероприятий по применению зол и шлаков в строительстве обеспечивается результатами многочисленных исследований, технико-экономическими разработками, проектными материалами, технологическими указаниями, нормативами по оценке свойств зол и шлаков и пригодности их для использования в разных случаях строительства. Разработаны также ГОСТы, ОСТы и технические условия на многие материалы и изделия из зол и шлаков. Из зол и шлаков возможно производство почти всей гаммы строительных материалов, изделий и конструкций, необходимых при возведении жилых зданий, объектов промышленного, сельскохозяйственного назначения, гидротехнических, дорожных и т.п. сооружений (рис. 2.1).

Рассматривая проблемы использования золошлаковых отходов из отвалов омских ТЭЦ при строительстве автомобильных дорог и других объектов, необходимо указать, что строительство автомобильных дорог требует расходования больших объемов дорожно-строительных материалов – грунта, щебня, песка, минеральных и органических вяжущих. Так, на строительство 1 км дороги в среднем расходуется 20–25 тыс. м3 грунта (в плотном теле), 2,5–3 тыс. м3 щебня, примерно столько же песка, 1 000–1 400 т асфальтобетона или 1 500–1 800 м3 бетона. Если учесть, что в области в ближайшие три года намечается ежегодно строить в среднем по 400 км дорог с твердым покрытием и, кроме того, осуществлять реконструкцию и ремонт существующих дорог, то годовая потребность в основных дорожно-строительных материалах ориентировочно составит: грунта – около 10 млн м3, щебня и песка – по 1,1–1,3 млн м3, асфальтобетона – 0,4– 0,6 млн т.

Использование естественного грунта из боковых или сосредоточенных резервов (карьеров) для сооружения насыпей автомобильных дорог связа-

но с исключением значительных площадей земли из сельскохозяйственного пользования, изменением естественного рельефа местности, учитывая, что рекультивация карьеров производится только в границах выработанного пространства и с изменением гидрогеологических условий территории. Это в конечном итоге ведет к нарушению экологического равновесия в районе строительства дороги.

Дороговизна других перечисленных дорожно-строительных материалов, зачастую дальнепривозных, при недостатке денежных средств сдерживает темпы строительства, реконструкции и ремонта автомобильных дорог, что ухудшает условия эксплуатации автотранспорта, затрудняет грузоперевозки и наносит ущерб экономике области.

Весьма эффективно использование золошлаковых смесей (ЗШС) гидроудаления из отвалов ТЭС для устройства различных укреплённых конструктивных слоев дорожных одежд.

Так, ЗШС с добавкой 4–6 % цемента или 3–5 % извести нашли широкое применение при устройстве оснований автомобильных дорог. Известно применение в основаниях автомобильных дорог и неукрепленных ЗШС, а также смесей с добавкой 25–50 % щебня.

Исследования, выполненные в своё время в СоюздорНИИ и его филиалах, ГипродорНИИ, СибАДИ и других исследовательских организациях, позволили разработать более рациональные методы использования ЗШС при укреплении некоторых видов грунтов. Доказано, что наиболее эффективно использование этих отходов после гидроудаления совместно с цементом при укреплении песчаных, супесчаных, а также крупнообломочных грунтов неоптимального состава. При этом было установлено, что эти отходы участвуют не только в физико-химическом взаимодействии с поверхностью грунта, но и одновременно способствуют заполнению межзерновых пустот грунта, что приводит к снижению пористости и увеличению плотности укреплённого материала. Отходы ТЭС, выполняющие роль гранулометрической добавки, должны содержать частиц размером менее 0,071 мм не более 60 % и частиц крупнее 2 мм не более 5,0 %. При укреплении песчаного грунта 4–6% цемента и 20–40 % золошлаковой смеси (по массе смеси) для супесчаного грунта количество цемента 6–7 % и золы 20– 30 %.

При оптимальном соотношении этих отходов и портландцемента материал приобретает высокий коэффициент морозостойкости (порядка 0,85– 0,94 %).

Исследования, выполненные в ГипродорНИИ, указывают на эффективность укрепления песчаных грунтов комплексными минеральными вяжущими веществами, например золоизвестковоцементными. В этом случае уверенно получают материал 2-го класса прочности.

Широкое применение в дорожном строительстве получили отвальные

золошлаковые смеси Украины. Их использовали на строительстве дорог в качестве самостоятельного материала, в смесях со щебнем, гравием и с различными грунтами в укреплённом и неукреплённом виде. Из неукреплённых ЗШС устраивались подстилающие и нижние слои оснований на дорогах областного и местного значения.