Технология применения золы-уноса в строительстве: рост эффективности прочностных характеристик бетона

1. Введение

1.1 Общие сведения:

Строительная отрасль в Беларуси традиционно основывалась на консервативных подходах, включая использование бетона в качестве основного строительного материала. Бетон, как продукт, существует со времен древнеегипетских сооружений и широко применяется в качестве заполняющего материала и для скрепления конструкционных элементов между собой. Однако, ранее в Беларуси не применялись инновационные подходы к повышению прочностных характеристик бетона с использованием угольной золы.

1.2 Цель:

Целью данной методики являлось внедрение новой технологии в Беларуси, основанной на использовании угольной золы, в частности золы-уноса [1] в качестве дополнительного вяжущего материала. Этот инновационный подход был представлен технологией в 2013 году и был направлен на удовлетворение растущих требований строительной индустрии к высокопрочным инженерным сооружениям, включая мосты, гидротехнические сооружения и высотные здания, а также гражданскому строительству. Внедрение этой методики в строительную отрасль Беларуси помогло в строительстве более дешевых, качественных и экологически чистых зданий.

1.3 Значимость исследования:

Это исследование имеет важное значение для Беларуси, так как оно впервые предложило новую технологию использования угольной золы в строительстве и применение данной методики позволило значительно усилить отечественное производство строительных материалов. Внедрение этой технологии способствовало экономическому эффекту, так как замена 30% цемента угольной золой помогло значительно снизить затраты на производство бетона, делая здания более доступными для конечного потребителя.

Важными преимуществами данной методики являются экономическая эффективность, улучшение качества бетона и экологическая чистота строительства в Беларуси.

Введение новой технологии использования угольной золы в качестве вяжущего материала для бетона открыло новые перспективы для строительной отрасли Беларуси. Благодаря этой инновации получилось снизить затраты на дорогостоящие цементные материалы, заменяя их более доступной угольной золой.

Помимо экономических выгод, использование угольной золы также повысило прочностные характеристики бетона и улучшило его эксплуатационные свойства. Тонкая структура угольной золы действует как наполнитель, улучшая общую прочность и долговечность бетона. Это важно для создания надежных инженерных сооружений, таких как мосты и гидротехнические сооружения, а также для строительства высотных зданий.

Применение этой методики также способствовало решению экологических проблем, связанных с утилизацией угольной золы. Угольная зола, которая ранее являлась отходом производства энергетической промышленности, теперь находит свое применение в строительстве, что способствовало созданию круговой экономики и минимизации отходов. Это важный шаг в направлении устойчивого и экологически чистого строительства в Беларуси.

Таким образом, внедрение методики использования угольной золы для повышения прочностных характеристик бетона в Беларуси представило собой инновационный подход, который смог принести множество преимуществ. Более доступные здания, повышенная прочность бетона, снижение затрат и улучшение экологической устойчивости – все это делает эту методику неотъемлемой частью развития строительной отрасли Беларуси.

1.4 Результат внедрения:

Благодаря данной методике компания успешно произвела 600000 кубометров бетона по новой методике. Это производство было достигнуто в течение шести лет, с 2013 по 2019 год, с годовым объемом производства 100000 кубометров.

Исходя из расчета, что в среднем для строительства двадцатиэтажного здания требуется 10000 тонн бетона. Таким образом, на основе этого расчета можно сделать вывод, что построено в общей сложности 60 зданий, включая двадцатиэтажные здания с одним подъездом.

Общая площадь построенных зданий составляет около 1200000 квадратных метров. При средней площади квартир в Беларуси, составляющей 70 квадратных метров, было построено около 17100 квартир. Это означает, что 17100 семей были обеспечены доступным и экологически чистым жильем.

Внедрение этой технологии привело к строительству более экономичных, доступных и экологически чистых зданий, способствуя общему развитию строительного сектора в Беларуси.

2. Обзор литературы

2.1 Исторический взгляд на бетон и угольную золу:

Всестороннее понимание исторического контекста использования бетона и угольной золы позволяет получить представление об эволюции строительной практики. Бетон использовался с древних времен, и его долговечность и прочность постоянно улучшались на протяжении веков. Аналогичным образом, использование угольной золы в качестве побочного продукта сжигания угля имеет долгую историю, а ранние наблюдения за ее потенциалом в качестве строительного материала восходят к древним цивилизациям. Изучение исторических предпосылок помогает оценить важность использования угольной золы в современном производстве бетона.

2.2 Существующие проблемы при производстве бетона:

Производство бетона сталкивается с различными проблемами, требующими инновационных решений. Эти проблемы включают необходимость повышения прочностных характеристик, экономической эффективности, экологической устойчивости и управления отходами. Традиционные бетонные смеси часто в значительной степени зависят от цемента, производство которого может быть дорогостоящим и экологически трудоемким. Кроме того, утилизация отходов угольной золы создает проблемы из-за ее огромного объема и потенциального воздействия на окружающую среду. Понимание этих проблем имеет решающее значение для определения потенциала использования угольной золы в бетоне и разработки эффективных решений.

2.3 Предварительные исследования по утилизации угольной золы:

В многочисленных исследованиях изучалось использование угольной золы при производстве бетона:

1. Исследование: "Экологическая оценка бетона из угольной золы для устойчивого строительства" (2017) Ши, С. и др.

В этом исследовании оценивается воздействие бетона на основе угольной золы на окружающую среду по сравнению с обычным бетоном. Он количественно оценивает сокращение выбросов углекислого газа, достигнутое за счет использования угольной золы в качестве частичной замены цемента. Исследование подчеркивает потенциал бетона на основе угольной золы в снижении углеродного следа строительных проектов.

2. Исследование: "Оценка жизненного цикла бетона из угольной золы и его воздействия на окружающую среду" (2018) Ли, Х. и др.

В этом исследовании применяется методология оценки жизненного цикла (LCA) для оценки воздействия бетона на основе угольной золы на окружающую среду на протяжении всего его жизненного цикла. В исследовании количественно оцениваются выбросы углекислого газа, потребление энергии и другие экологические показатели, связанные с производством, транспортировкой и использованием бетона на основе угольной золы. Это дает представление о потенциале снижения углеродного следа и общих экологических показателях бетона на основе угольной золы.

3. Исследование: "Оценка углеродного следа бетона на основе угольной золы: сравнительное исследование" (2019) Чжан, Л. и др.

В этом сравнительном исследовании анализируется углеродный след бетона на основе угольной золы и традиционных бетонных смесей. Исследование количественно оценивает выбросы парниковых газов и потребление энергии при производстве бетона, уделяя особое внимание снижению содержания углекислого газа, достигаемому за счет использования угольной золы в качестве дополнительного материала. Исследование содержит всестороннюю оценку углеродного следа бетона на основе угольной золы.

4. Исследование: "Оценка углеродного следа бетона с высоким содержанием золы-уноса" (2014), Динг Ю. и др.

В этом исследовании изучается углеродный след бетона с высоким содержанием золы-уноса, в котором используется значительная доля угольной золы в качестве заменителя цемента. В исследовании рассматриваются выбросы углекислого газа и потребление энергии на протяжении всего жизненного цикла бетона с высоким содержанием золы-уноса и сравнивается его с обычным бетоном. Полученные результаты демонстрируют потенциал бетона на основе угольной золы в значительном сокращении выбросов углекислого газа.

В ходе этих исследований были изучены технические свойства бетона, содержащего угольную золу, включая его влияние на повышение прочности, обрабатываемость, долговечность и воздействие на окружающую среду. Исследователи изучили различные типы угольной золы, такие как зола-унос и донная зола, и оценили их пригодность в качестве дополнительных цементных материалов. В предыдущих исследованиях также изучались оптимальные пропорции угольной золы в бетонных смесях, влияние различных условий отверждения и долговременные эксплуатационные характеристики бетонных конструкций на основе угольной золы.

3. Технологические требования и типы золы-уноса

Угольная зола в виде золы-уноса или шлака может быть использована в качестве минеральной добавки, которая частично заменяет цемент, или в качестве частичной или полной замены мелкодисперсных заполнителей при производстве бетонных смесей и строительных растворов. Наиболее эффективное использование золы-уноса наблюдается в бетоне более высокого качества (от В20), особенно в бетоне, используемом для строительства плотин, фундаментов и опорных слоев. Количество золы-уноса, вводимой в бетонную смесь, колеблется от 30 до 90 кг на кубический метр.

Качество золы-уноса, используемой в бетоне и строительных растворах, должно соответствовать требованиям, указанным в ГОСТ 25818-2017 для золы-уноса и ГОСТ 25592-91 для шлакового материала. ГОСТ 25818-2017 распространяется на золу-уноса, которая используется в качестве компонента при производстве тяжелых, облегченных ячеистых бетонов и строительных растворов. Он также используется в качестве тонкоизмельченной добавки для термостойких бетонов и минеральных вяжущих в смесях и для стабилизации грунта в дорожном строительстве. Однако стандарт не распространяется на золу-уноса, получаемую при сжигании горючих сланцев. ГОСТ 25592-91 устанавливает требования к шлаковому материалу, используемому в качестве заполнителя в сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкциях зданий и сооружений. Настоящий стандарт не допускает использование шлаковых материалов в качестве заполнителей в гидротехнических сооружениях, дорожных покрытиях, трубах, шпалах, опорах линий электропередач и конструкциях, изготовленных из специальных бетонов.

Согласно ГОСТ 25818-2017, зола-уноса классифицируется в зависимости от типа сжигаемого угля: антрацит (А), полученный при сжигании антрацита, полуантрацита и обедненного угля; битуминозный (KU), полученный при сжигании каменного угля; и бурый уголь (Б), полученный при сжигании бурого угля. Зола-уноса далее классифицируется в зависимости от ее химического состава: кислотная (K) для золы-уноса антрацита, битуминозных и буроугольных углей, содержащей содержание оксида кальция (CaO) по массе до 10%; и щелочная (O) для золы-уноса бурого угля, содержащей содержание CaO более 10%. Однако эта классификация не отражает специфических характеристик химического состава щелочной золы-уноса с высоким содержанием CaO. Следовательно, для золы-уноса бурого угля следует ввести дополнительный тип, а именно высокощелочную золу-уноса, содержащую содержание CaO более 40%.

В зависимости от параметров качества зола-уноса делится на четыре категории:

I – для железобетонных конструкций и изделий из тяжелого и облегченного бетона;

II – для бетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого бетона, а также строительных растворов;

III – для изделий и конструкций из ячеистого бетона;

IV – для бетонных и железобетонных изделий и конструкций, используемых при строительстве гидротехнических сооружений, дорог, аэропортов и др.

При производстве тяжелых и облегченных бетонов зола-уноса используется для снижения расхода цемента и наполнителей, улучшения технологических свойств бетонных и растворных смесей и повышения их качества. При производстве ячеистых бетонов кислую золу-уноса следует использовать в качестве кремнеземистого компонента в смеси, а также для экономии цемента в бетонах, не прошедших автоклавную обработку. Крупнозернистая зола с содержанием СаО не менее 30% рекомендуется в качестве минеральной добавки в цемент или в качестве компонента других вяжущих при производстве строительных бетонов и строительных растворов. Их можно использовать в качестве связующего для частичной замены извести или цемента в автоклавных и неавтоклавных ячеистых бетонах. В конструкционных и теплоизоляционных бетонах следует использовать кислую золу-уноса для частичной или полной замены пористых песков и снижения плотности бетона. Кислую золу-уноса IV типа следует применять для строительства подводных и внутренних зон гидротехнических сооружений.

Оптимальное содержание золы-уноса в тяжелых, легких, ячеистых бетонах и строительных растворах определяется путем подбора составов на основе конкретных материалов, обеспечивая при этом требуемые показатели качества бетона и раствора в изделиях, конструкциях и коррозионную стойкость арматуры. Для обеспечения коррозионной стойкости предварительно напряженной арматуры в железобетонных конструкциях, используемых в неагрессивных средах, массовое соотношение кислой золы-уноса в бетоне не должно превышать расхода портландцемента. Возможность увеличения содержания золы-уноса в бетонах установлена после проведения исследований коррозионной стойкости арматуры, деформационных свойств и долговечности бетона с использованием конкретных материалов.

Качественные характеристики золы-уноса для строительных бетонов и растворов должны соответствовать требованиям, указанным в таблице 1.

Таблица 1

Качественные характеристики золы-уноса для строительных бетонов и растворов

Влажность золы не должна превышать 1%. Зола-уноса при смешивании с портландцементом должна обеспечивать равномерное изменение объема при кипячении в воде, в то время как золу-уноса III типа следует использовать для автоклавирования.

При производстве ячеистого бетона зола-уноса используется в качестве связующего материала и кремнеземистого компонента в бетонной смеси. Согласно ГОСТ 25485-89, основная зола с содержанием CaO не менее 40%, в том числе свободного CaO не менее 16%, SO3 не более 6% и суммой оксидов K2O и Na2O не более 3,5%, может быть использована в качестве вяжущего материала для производства ячеистого бетона. При использовании золы-уноса в качестве кремнеземистого компонента в бетонной смеси она должна содержать не менее 45% SiO2, не более 10% CaO, не более 3% K2O + Na2O и не более 3% SO3.

Ранее требования к золе при производстве изделий из ячеистого бетона, изложенные в инструкции СН 277-80, были следующими: основная зола от сжигания горючих сланцев и бурого угля должна иметь следующий химический состав: общее содержание СаО не менее 30%, в том числе свободного СаО на уровне 15-25%; Содержание оксида SiO2 составляет 20-30%; содержание оксида SO3 не превышает 6%; и сумма оксидов K2O и Na2O не превышает 3%. Удельная поверхность золы-уноса должна составлять от 300 до 350 м2/кг.

Кислая зола-уноса должна состоять из стекловидных и оплавленных частиц не менее чем на 50%, при этом потеря массы при прокаливании не должна превышать 3% для бурого угля и 5% для каменного угля, а удельная площадь поверхности должна составлять от 400 до 500 м2/кг для бурого угля и каменного угля-сырца. Зола-уноса должна пройти испытания на равномерное изменение объема.

Согласно ГОСТ 26644-85, шлак от сжигания твердого топлива может быть использован для получения фракционированного гравия с размером зерен 5-10 мм, 10-20 мм и 5-20 мм, шлакового песка с размером зерен до 5 мм и неочищенного шлака с размером зерен до 20 мм. Требования к гранулометрическому составу фракционированного гравия, шлакового песка и неочищенного шлака приведены в таблице 2.

Таблица 2

Требования к гранулометрическому составу фракционированного гравия, шлакового песка и неочищенного шлака

Насыпная плотность плотного шлакового гравия, используемого для тяжелого бетона, должна составлять не менее 1000 кг/м3, в то время как насыпная плотность плотного шлакового песка должна составлять не менее 1100 кг/м3. В зависимости от насыпной плотности пористый шлаковый гравий, используемый для изготовления легкого бетона, подразделяется на марки 500, 600, 700, 800, 900, и 1000, в то время как песок классифицируется по сортам 600, 700, 800, 900, 1000, и 1100.

Потеря массы при обжиге не регулируется для плотного шлакового гравия и песка, но для пористого каменного угля и буроугольного шлака она не должна превышать 7% и 3% соответственно при использовании в качестве заполнителей в бетоне и 5% и 3% в железобетонных изделиях. Содержание сернистого вещества и сернокислых соединений, выраженное в SO3, в шлаковом гравии и песке не должно превышать 3%, а свободного CaO не должно превышать 1%.

Гравий должен иметь стабильную структуру, при этом потеря массы в шлаке не должна превышать 8% и 5% соответственно при испытаниях на устойчивость к разрушению силикатов и железа.

Морозостойкость шлакового гравия должна характеризоваться потерей массы, не превышающей 8%, после 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания для пористого гравия и 100 циклов для плотного гравия. Гравий и песок не должны содержать посторонних примесей, таких как растительные остатки, почва, кирпичи и т.д.

Вредные компоненты, содержащиеся в золе и шлаке, включают соединения серы, несгоревшие частицы твердого топлива (кокс и полукоксы), свободные оксиды кальция и магния, особенно в крупнокристаллическом или перегоревшем состоянии, и оксиды щелочных материалов. Кроме того, присутствие нестабильных фаз в золе и шлаке отрицательно влияет на их свойства, приводя к разрушению частиц золы или гранул шлака из-за изменения объема несгоревших глинистых веществ, присутствующих в шлаках низкотемпературного сжигания. Другая форма оксида алюминия (обезвоженный) может повторно гидратироваться и вызывать изменения объема шлака. Сульфиды железа, которые окисляются в присутствии воздуха и воды, оказывают вредное воздействие на деформационные свойства строительных материалов и изделий на основе золошлака.

В соответствии с ГОСТ 25592-91 угольный золошлаковый материал, используемый в качестве заполнителя для сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций, должен соответствовать следующим техническим требованиям (табл. 3).

Таблица 3

Технические требования к угольным золошлаковым материалам в соответствии с ГОСТ 25592-91

Кроме того, потеря массы при прокаливании не должна превышать значения, указанного в таблице 4 для различных классов и типов золошлаковых материалов.

Таблица 4

Потеря массы при прокаливании

Дополнительные требования к золошлаковому материалу следующие: общее содержание свободного оксида кальция и оксида магния во фракции золы (менее 0,16 мм) золошлакового материала не должно превышать 10%, а в шлаке оно должно составлять не более 1%. Зола, присутствующая в золошлаковом материале, должна пройти испытания на равномерное изменение объема. Шлак с размером зерен более 5 мм, относящийся к золошлаковым материалам класса А (типы I и II) и класса В (тип I), должен иметь стабильную структуру. Потеря массы шлака при испытании на его устойчивость к разрушению силикатов и железа не должна превышать 5%. Золошлаковый материал не должен содержать посторонних примесей. Золошлаковый материал с содержанием шлака от 20% до 50% можно использовать для тяжелого бетона в сочетании с натуральными наполнителями.

Золошлаковый материал, используемый в огнеупорном бетоне (с рабочими температурами до 1800°C) для экономии цемента и улучшения эксплуатационных свойств, должен соответствовать требованиям ГОСТ 20910-90 по химическому составу и крупности. К золошлаковому материалу, используемому в качестве тонкоизмельченной добавки в бетон с портландцементом и жидким стеклом, предъявляются следующие требования: крупность должна составлять не менее 50% при прохождении через сито № 008; общее содержание свободных CaO и MgO не должно превышать 3%, а карбонатов не должно превышать 2%.

При использовании золошлакового материала в качестве наполнителя в огнеупорном бетоне его химический состав должен соответствовать следующим требованиям: общее содержание оксидов SiO2 и Al2O3 должно составлять не менее 75%, включая минимум 40% SiO2; количество сульфатов, выраженное в SO3, не должно превышать 3%; сумма свободных CaO и MgO не должна превышать 4%, а потеря массы при прокаливании не должна превышать 5%. Золошлаковые материалы не должны быть загрязнены другими материалами, которые могут снизить эксплуатационные свойства или привести к разрушению бетона после нагрева (такими как известняк, гранит, доломит, магнезит и т.д.).

4. Технология изготовления и проверки качества

4.1 Отбор и характеристика угольной золы:

Отбор и характеристика сланцевой золы:

Конкретным типом золы, используемой в данной методике, является сланцевая зола. Сланцевая зола получается в результате сжигания сланца и имеет высокое содержание оксида кальция, обычно превышающее 30% по массе. Это высокое содержание кальция является решающим фактором для его вяжущих свойств, что позволяет ему частично заменять цемент при производстве бетона.

Сланцевая зола отличается от других видов угольной золы, например, получаемой из бурого угля, которые обычно содержат 2-3% оксида кальция.

Свежесть золы является важным фактором. Сланцевую золу следует получать на предприятиях, где она образуется в качестве побочного продукта процесса сжигания, что обеспечивает ее свежесть и пригодность к использованию. Возраст золы не должен превышать одного месяца, чтобы сохранить ее реакционную способность.

Для сохранения качества сланцевой золы необходимы особые условия хранения. Его следует хранить в специальных бункерах или контейнерах для защиты от влаги и загрязнений окружающей среды. Помещение для хранения должно быть сухим и герметично закрытым, при этом температура не является критическим фактором.

Транспортное и погрузочное оборудование:

Обычные железнодорожные вагоны или грузовики не подходят для транспортировки сланцевой золы из-за ее высокой летучести. Для обеспечения безопасной обработки и погрузки в железнодорожные вагоны или грузовые автомобили требуются специальные бункеры и погрузочное оборудование.

Варианты загрузочного оборудования включают шнековые конвейеры или пневматические системы загрузки, в которых для транспортировки золы используются специально разработанные трубы. Следует избегать ленточных загрузочных систем или любой формы открытой загрузки из-за высокой летучести золы и связанных с этим рисков.

Требования к размеру частиц:

Сланцевая зола должна иметь мелкое распределение частиц по размерам, чтобы повысить ее реакционную способность. Она должен быть мелко измельчен для достижения желаемого уровня крупности.

Стандарты качества:

Использование сланцевой золы при производстве бетона должно соответствовать определенным стандартам качества ГОСТ, указанным в пункте 3 данного документа. Эти стандарты определяют приемлемый химический состав, физические свойства и эксплуатационные требования к сланцевой золе, используемой в бетоне.

Важно следовать этим рекомендациям и обеспечивать соответствие соответствующим стандартам для достижения желаемых эксплуатационных характеристик и максимизации преимуществ использования сланцевой золы при производстве бетона.

4.2 Способы предварительной обработки золы:

При работе с влажной угольной золой необходимо высушить ее, чтобы удалить лишнюю влагу. Содержание влаги в золе необходимо снизить, чтобы повысить ее реакционную способность при производстве бетона. Процесс сушки может быть осуществлен различными способами:

1. Термическая сушка: Влажная угольная зола с содержанием влаги, составляющим от 20% до 40%, подвергается термической сушке. Золу распределяют по большой площади поверхности и подвергают воздействию горячего воздуха в сушильной камере. Температуру поддерживают на уровне 150-200°C (300-400°F) в течение 1-3 часов для достижения желаемого уровня влажности около 2-5%.
2. Воздушная сушка: Если оборудование для термической сушки недоступно, влажную золу можно высушить естественным путем на воздухе. Зола рассыпается тонкими слоями и подвергается воздействию окружающего воздуха. Время высыхания будет зависеть от условий окружающей среды, таких как температура, влажность и поток воздуха. Как правило, сушка на воздухе может занять 3-7 дней для достижения содержания влаги около 2-5%.

Измельчение:

В тех случаях, когда частицы угольной золы превышают желаемый размер, требуется измельчение для уменьшения их размера и улучшения реакционной способности. Процесс измельчения включает в себя:

1. Дробление: Угольная зола первоначально измельчается для расщепления крупных частиц. Дробление может производиться с помощью дробилок или пульверизаторов, в зависимости от масштаба операций. Целевой размер частиц после дробления составляет около 5-10 мм (0,2-0,4 дюйма).
2. Измельчение: Измельченная угольная зола подвергается дальнейшей обработке в мельницах для достижения желаемого гранулометрического состава. Для этой цели используются шаровые мельницы или вертикальные роликовые мельницы. Золу измельчают до крупности, обычно составляющей 10-30%, пропуская через сито диаметром 45 микрон. Время измельчения может варьироваться, но обычно для достижения желаемой тонкости требуется около 1-2 часов.

4.3 Определение оптимального содержания золы в бетоне:

Чтобы определить оптимальное содержание золы в бетоне, были проведены обширные эксперименты с учетом требования о содержании золы в смеси не менее 30%. С помощью серии тестов была установлена корреляция между содержанием кальция в золе и допустимым добавлением золы в бетон. Всего было проведено 100 экспериментов, в ходе которых анализировались различные комбинации содержания золы и кальция в золе.

Результаты экспериментов выявили четкую взаимосвязь между содержанием кальция и максимально допустимым процентом золы в бетонной смеси. Чем выше содержание кальция в золе, тем больше допустимая добавка золы в бетон, что приводит к потенциальной экономии затрат и использованию ресурсов.

Таблица 5 наглядно иллюстрирует корреляцию между содержанием кальция в золе и соответствующим допустимым процентом содержания золы в бетоне.

Таблица 5

Соотношение между содержанием кальция и допустимым процентом золы в бетоне

В таблице 3 показана взаимосвязь между содержанием кальция в бетоне и диапазоном допустимых процентных значений золы в бетонной смеси. Если содержание кальция в золе, используемой при производстве бетона, составляет 30%, рекомендуется добавлять примерно 35-40% золы в бетонную смесь для достижения желаемой прочности и эксплуатационных характеристик.

4.4 Процедуры смешивания и рекомендации по дозированию:

Для достижения желаемых прочностных характеристик бетона следует соблюдать особые процедуры смешивания и рекомендации по дозировке. Двумя ключевыми показателями, которые следует учитывать, являются прочность на сжатие через 72 часа и прочность на сжатие через 2 месяца. Цель состоит в том, чтобы бетон достиг 70% своей предельной прочности через 72 часа, а оставшиеся 30% - в течение 2 месяцев.

Конструкция бетонной смеси:

Начните с определения требуемой прочности бетона на основе проектных спецификаций и конструктивных требований. Должна быть достигнута желаемая прочность на сжатие через 2 месяца.

Используйте программное обеспечение для проектирования бетонных смесей или обратитесь к соответствующим рекомендациям, чтобы рассчитать оптимальные пропорции цемента, заполнителей, воды и угольной золы. Состав смеси будет варьироваться в зависимости от желаемой степени прочности и конкретного применения.

Процедуры смешивания:

Подготовьте необходимые ингредиенты, включая заполнители, цемент, угольную золу и воду, в соответствии с определенным составом смеси.

Поместите заполнители в бетономешалку, а затем смесь цемента и угольной золы. Включите миксер и дайте сухим компонентам взбиться в течение нескольких минут.

Постепенно добавляйте заданное количество воды, продолжая перемешивать ингредиенты. Убедитесь, что вода равномерно распределена по всей смеси.

Перемешивайте бетон в течение рекомендуемого времени, обычно около 3-5 минут, чтобы получить однородную и консистентную смесь.

Контроль качества и тестирование:

После замешивания бетона проведите тесты контроля качества, чтобы оценить его обрабатываемость и содержание воздуха. При необходимости отрегулируйте содержание воды или используйте водорастворимые добавки для поддержания желаемой обрабатываемости.

Подготовьте испытательные образцы, такие как кубы или цилиндры, для испытания на прочность при сжатии через определенные промежутки времени (например, 72 часа и 2 месяца).

Условия отверждения и хранения должны соответствовать стандартным методам, чтобы обеспечить точное увеличение прочности. Поддерживайте соответствующий уровень температуры и влажности в течение периода отверждения.

Проведите испытания на прочность при сжатии отвержденных образцов через 72 часа и 2 месяца, чтобы оценить достигнутую прочность. Сравните результаты с целевыми значениями и при необходимости скорректируйте состав смеси.

Кроме того, важно учитывать требуемую степень прочности бетона, которая зависит от конкретного применения и конструкции. Различные области применения могут предъявлять различные требования к прочности, и конструкция бетонной смеси должна соответствовать этим спецификациям. В таблице 6 продемонстрированы сопоставления марок прочности бетона с соответствующими целевыми значениями прочности на сжатие.

Таблица 6

Марки прочности бетона и целевые значения прочности при сжатии

4.5 Методы испытания бетона на прочность:

Существует несколько методов неразрушающего контроля для определения прочности бетона:

Испытательные образцы, отлитые из подготовленных смесей в лабораторных условиях: Образцы бетона в форме цилиндров, кубов или конусов изготавливаются из смеси, предназначенной для строительства. Затем их прочность на сжатие определяется с помощью пресса.

Испытательные образцы, отделенные от затвердевших бетонных конструкций: Эти образцы можно разрезать или распилить. Алмазное колонковое бурение обычно используется для создания образцов. Прочность определяется в лабораторных условиях с помощью пресса.

Используются неразрушающие методы с использованием специализированного оборудования: ультразвуковые, ударно-импульсные или другие современные принципы действия.

Важно отметить, что, хотя современные технологии позволяют определять прочность с помощью приборов, лабораторные испытания остаются наиболее распространенным и точным методом получения точных результатов.

Виды конкретных исследований

В дополнение к основным методам тестирования существуют дополнительные виды конкретных исследований:

Испытание на оседание: Этот метод позволяет изучить свойства приготовленной смеси. Смесь заливается в металлический конус, и после формирования конуса ее вынимают для проверки консистенции, однородности, обрабатываемости и других факторов, влияющих на структуру и прочность бетона.

Исследование уплотнения: Определяется коэффициент уплотнения приготовленной смеси. Тест проводится с помощью устройства, оснащенного воронками и двумя контейнерами. Раствор переливается из заполненного контейнера во второй через клапан, а затем переливается в мерный цилиндр.

Определение пластичности и изменения формы: Для изучения этих параметров раствор сначала наливают в специальный конус, который затем наклоняют, чтобы выпустить его на стол. Этот процесс определяет характеристики текучести материала.

Обнаружение воздушных включений (пустот): Тест может быть выполнен двумя способами. Первый метод включает измерение веса образца до и после интенсивного встряхивания в специальном приборе. Другой метод включает сжатие образца в прессе.

При приготовлении смеси и заливке бетонной конструкции часто используются простые непрямые методы. Прочность бетона можно оценить по его цвету, поскольку высококачественный бетон обычно имеет зеленовато-серый цвет, причем более зеленые оттенки указывают на лучшее качество. Желтоватый оттенок указывает на снижение качества. Появление цементного молочка на поверхности заливаемого бетона указывает на хорошее качество, и оно должно быть густым. В залитой массе не должно быть отдельных фракций наполнителя. Наконец, легкое постукивание молотком по затвердевшему монолиту должно привести к появлению звенящего звука, при этом на поверхности останется лишь небольшое углубление.

Разрушительные методы

Для лабораторных испытаний разрушающие методы включают отделение образцов от затвердевшего бетона. Процедура регламентирована ГОСТ 10180-2012, и получаются следующие типы образцов:

Кубики, вырезанные из монолита.

Цилиндры (стержни), полученные сверлением алмазным корончатым долотом.

Образцы помещаются под пресс и подвергаются воздействию силы до тех пор, пока не произойдет разрушение. Регистрируется усилие, необходимое для разрушения. Разрушающие методы требуют незначительного повреждения монолита и являются более трудоемкими, но они обеспечивают наиболее точные значения прочности. Следовательно, эти методы обязательны для производства ответственных бетонных конструкций. Количество взятых проб зависит от объема бетонных работ, количества партий бетонной смеси и возможных вариаций.

Неразрушающие методы

Для определения прочностных характеристик бетона неразрушающими методами используются специализированные приборы. Это косвенные методы, которые предоставляют исходные данные для необходимых расчетов. Полученные результаты сравниваются с установленными стандартами, сведенными в таблицы.

Используются следующие методы:

1. Ультразвуковой контроль: Скорость распространения звуковых волн через материал зависит от его плотности и структуры. полученные фактические результаты сравниваются с эталонным образцом. Для этих испытаний обычно используется прибор UGM-1, погрешность измерения которого оценивается в 5%.
2. Ударно-импульсный метод: Металлический молоток сферической формы используется для нанесения ударов по бетону, не вызывая повреждений. Специальные устройства магнитострикционного или пьезоэлектрического типа преобразуют ударный импульс в электрический сигнал, который измеряется приборами.
3. Метод отбойного молотка: В этом тесте используется склерометр для определения параметров отскока при ударе молотка по бетонной поверхности.
4. Метод пластической деформации: Металлический шарик ударяют по бетонной поверхности, оставляя вмятину. Соотнося силу удара и размер углубления, определяют прочность материала путем сравнения его с эталонным образцом.

В дополнение к непрямым неразрушающим методам также разрешены методы контроля с частичным разрушением. Одним из вариантов является определение прочности с помощью испытания на отрыв. В этом случае металлический диск надежно крепится к бетонной поверхности с помощью специального клея. Затем его отрывают от бетона, забирая с собой часть материала. Определяется усилие, необходимое для отсоединения.

Другой метод основан на масштабировании материала. К бетонному монолиту крепится специальное устройство, и в нем просверливаются небольшие выступы, куда вставляются лепестковые анкеры. Эти анкеры наклеивают материал вдоль боковых стенок, в то время как устройство измеряет усилие, необходимое для наклеивания. Метод масштабирования обычно используется на ребрах. Для этой цели можно использовать устройство GPNH-4. Для образования накипи прикладывается определенное усилие, и регистрируются сила и объем поврежденного бетона. Для расчетов используются специальные формулы.

Используя эти методы, можно точно оценить прочность бетона и получить необходимые данные для структурного анализа и проектирования.

По итогам испытаний бетона на прочность ему присваивается марка на основании результатов испытаний на прочность в соответствии с рекомендациями соответствующего национального стандарта. Марка состоит из буквы "М", за которой следует цифра, указывающая прочность на сжатие в кг/см2, а класс прочности обозначается буквой "В", за которой следует значение прочности на сжатие в МПа. Наиболее распространенные марки бетона варьируются от М100 до М500 с увеличением прочности на 50 кг/см2. Для специальных целей могут использоваться материалы с марками до M1000.

Применение бетона зависит от его прочностных характеристик:

Бетон марок от М100 до М250 можно отнести к категории легких, характеризующихся ячеистой структурой. Они не подходят для литья несущих конструкций, так как их прочность не выдерживает значительных нагрузок. Такие бетоны подходят для дорожек, бордюров и фундаментов небольших, менее ответственных сооружений.

Бетон марок М300 и М350 относится к категории средних. Они обладают достаточной прочностью для возведения фундаментов многоэтажных зданий и монолитных бетонных стен, а также изготовления плит перекрытия.

Марки бетона в диапазоне от М400 до М500 широко используются в высотном строительстве. Они используются для изготовления железобетонных конструкций, рассчитанных на сложные условия эксплуатации. Бетон марки М500 можно использовать в гидротехнических сооружениях.

5. Оценка воздействия на окружающую среду и экономику:

5.1 Сокращение выбросов углекислого газа:

Одним из ключевых экологических преимуществ технологии является ее способность снижать выбросы углекислого газа при производстве бетона. Использование угольной золы в качестве частичной замены цемента приводит к снижению расхода цемента, который является значительным источником выбросов углекислого газа в строительной промышленности.

Согласно проведенным исследованиям и статистическим данным, внедрение технологии с использованием 30% золы вместо цемента может привести к сокращению выбросов углекислого газа на примерно 0,7 - 1 тонн CO2 на 1 кубический метр произведенного бетона. Это снижение объясняется частичной заменой углекислотообразующего цемента более экологически устойчивым компонентом - угольной золой.

Оценивая количественно сокращение выбросов углекислого газа, достигнутое благодаря внедрению данной технологии, можно подчеркнуть ее положительное воздействие на окружающую среду. Такое сокращение углеродного следа способствует достижению целей устойчивого развития и усилиям по смягчению последствий изменения климата.

5.2 Утилизация отходов и экономика замкнутого цикла:

Использование угольной золы в бетоне – это инновационное решение, дающее как экологические, так и экономические преимущества. Во всем мире ежегодно образуется большое количество угольной золы в результате сжигания угля, часто для выработки электроэнергии. Этот побочный продукт представляет значительные проблемы с утилизацией из-за его большого объема и потенциально вредного состава. Большая часть этой золы часто хранится на свалках вблизи городских районов или в черте города, что создает риски как для окружающей среды, так и для здоровья населения.

Во многих странах площадь поверхности, занимаемая этими отложениями пепла, может соперничать с общей площадью малых государств. В этих местах хранения отходов скапливаются миллиарды тонн отходов сжигания угля. Тем временем электростанции продолжают генерировать миллионы тонн отходов каждый год. Поскольку мусорные полигоны приближаются к своей максимальной мощности, многие электростанции сталкиваются с закрытием или увеличением эксплуатационных расходов из-за строгих правил утилизации отходов.

Проблема утилизации угольной золы не новая и была темой многочисленных международных конференций, совещаний и симпозиумов. Многие страны выступили с инициативами по повышению энергоэффективности и разработке новых способов обращения с этими отходами, причем целевые показатели часто устанавливаются на десятилетие в будущем. Однако воздействие этих инициатив иногда может быть медленным и минимальным из-за нормативных или финансовых барьеров.

В странах с обширными территориями и суровым климатом уголь часто остается основным источником тепловой энергии. Несмотря на доступность природного газа, его стоимость и экспортный потенциал могут привести к тому, что предпочтение будет отдаваться углю. При сжигании угля образуются зола и шлак (минеральная, негорючая часть). Мелкие частицы, известные как летучая зола, уносятся дымом, улавливаются с помощью воздушных фильтров или электрофильтров и хранятся в специально отведенных местах.

Эффективной стратегией решения этой проблемы является повторное использование угольной золы в строительной промышленности, особенно при производстве бетона. Это решение двойного назначения не только снижает нагрузку на свалки, но и сводит к минимуму потребность в дополнительном сырье. Такой подход соответствует принципам экономики замкнутого цикла, когда отходы одного процесса становятся ресурсом для другого. Это также улучшает технические и экологические свойства бетонных конструкций, способствуя более устойчивому и экологически ответственному строительству.

5.3 Анализ экономических выгод:

Использование угольной золы при производстве бетона дает значительные экономические преимущества. Учитывая, что стоимость цемента обычно составляет около 35% от общей стоимости бетона, добавление угольной золы в количестве 25% от объема цемента позволяет снизить общую стоимость бетона на 8-9%. Такое снижение затрат не только выгодно с финансовой точки зрения, но и решает проблемы, связанные с удалением угольной золы или повторным использованием.

Например, в Европе и Соединенных Штатах, где уровень повторного использования угольной золы колеблется от 30% до 40%, в восточноевропейских странах коэффициент использования значительно ниже - от 5% до 10%. Увеличивая использование угольной золы в бетоне, эти страны могут воспользоваться экономическими преимуществами и экологическими выгодами, которые дает утилизация угольной золы, в соответствии с тенденциями, наблюдаемыми в других регионах.

В количественном выражении, в среднем, 1 кубометр бетона составляет 80% от стоимости цемента, что составляет примерно 28 долларов. За счет добавления угольной золы в бетонную смесь можно добиться экономии затрат на 8%, что приводит к снижению примерно на 6 долларов за кубический метр. Учитывая объем производства примерно 100 000 кубометров в год на предприятии по производству бетона, ежегодная экономия составила бы примерно 600 000 долларов. Это значительное снижение затрат становится еще более ценным на высококонкурентном и низкомаржинальном рынке, позволяя компаниям поддерживать устойчивый рост и в конечном итоге использовать этот опыт для получения преимущества перед конкурентами.

В заключение следует отметить, что экономические выгоды от использования угольной золы при производстве бетона существенны. Снижая стоимость бетона за счет добавления угольной золы, компании могут добиться значительной экономии при одновременном решении проблем, связанных с утилизацией угольной золы. Более того, использование угольной золы обеспечивает конкурентное преимущество на рынке, характеризующемся острой конкуренцией и низкой рентабельностью. Экономическая целесообразность утилизации угольной золы в сочетании с ее экологическими преимуществами делает ее привлекательным решением для строительной отрасли.

Проведя всестороннюю оценку воздействия на окружающую среду и экономику, преимущества технологии эффективно оценены количественно и доведены до сведения заинтересованных сторон. В оценке учитываются экологические аспекты, такие как сокращение выбросов углекислого газа, утилизация отходов и ресурсоэффективность, а также экономические аспекты, такие как экономия затрат и прибыльность. Положительные результаты оценки дают веское обоснование для внедрения технологии, способствующей внедрению устойчивых методов строительства и способствующей созданию более экологичной и устойчиво функционирующей среды застройки.

Заключение

В заключение, технология, представленная в этом документе, которая фокусируется на внедрении инновационных подходов к повышению прочности бетона с использованием угольной золы, продемонстрировала свою значимость и влияние на строительную отрасль Беларуси. Внедрив эту новую технологию, Беларусь добилась замечательных результатов, включая экономические выгоды, улучшение качества бетона и экологическую устойчивость.

Использование угольной золы в качестве дополнительного вяжущего материала привело к экономии затрат при производстве бетона, сделав здания более дешевыми и доступными для населения в целом. Кроме того, улучшенные прочностные характеристики и долговечность бетона проложили путь к строительству надежных и эластичных инженерных сооружений, отвечающих меняющимся требованиям промышленности.

Кроме того, внедрение этой технологии сыграло ключевую роль в решении экологических проблем, связанных с утилизацией угольной золы. Перепрофилируя этот побочный продукт производства энергии, строительный сектор Беларуси внедрил подход к экономике замкнутого цикла, сводя к минимуму отходы и внося свой вклад в более экологичное будущее.

Успешное внедрение этой технологии проявляется в значительном объеме производимого бетона: за шесть лет было произведено 600 000 кубических метров. Результатом этого производства стало строительство многочисленных зданий общей площадью около 1 200 000 квадратных метров, в которых предусмотрено около 17 100 квартир. Эти достижения подчеркивают ощутимые выгоды, которые были достигнуты с точки зрения доступности жилья и устойчивого городского развития.

В целом, внедрение и интеграция этой технологии произвели революцию в строительной отрасли Беларуси, способствуя экономическому росту, экологической ответственности и улучшению условий жизни. Положительные результаты и уроки, извлеченные из этого опыта, могут послужить моделью для других регионов и отраслей промышленности, стремящихся усовершенствовать свои методы строительства, способствовать устойчивому развитию и внести свой вклад в развитие общества в целом.

[1] Зола-унос – это мелкодисперсный материал, который обладает отличными связующими свойствами и очень подходит для строительных целей. Практически вся зола-уноса перерабатывается, поскольку она служит ценным и легкодоступным материалом с хорошими цементирующими свойствами для применения в строительстве.