Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Утилизация металлурпгческих и топливных шлаковдля дорожного строительства в Удмуртской Республике

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Утилизация металлурпгческих и топливных шлаковдля дорожного строительства в Удмуртской Республике"

На правах рукописи

Юдина Лк овна

Утилизация металлургических и топливных шлаков для дорожного строительства в Удмуртской Республике

УДК 625.731

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук.

Ижевск 1996

Работа выполнена в Ижевском государственном техническом университе те и Государственном научно-исследовательском институт« СОЮЗДОРНИИ.

Научный руководитель: кандидат техн. наук с.н.с.

В.М.Юмашев

Официальные оппоненты: доктор техн. наук

И.Е.Синицына кандидат техн. наук с.н.с. А.И.Скляднев

Ведущая организация: Гос. дорожный проектно-изыскателъский

институт СОЮЗДОРПРОЕКТ.

Защита состоится " " 199^ в_час. на заседании дис

сертационного совета К0б4.47.09 в Удмуртском государственном универ ситете по адресу: 426034, г.Ижевск, ул. Красногеройская, 71.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УдГУ.

Автореферат разослан "_"_1996г.

Й^^^ОГ-Баранова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На современном этапе научно-технической революции дальнейшее развитие промышленности связано с необходимостью тщательного учета экологической ситуации. Наша страна располагает значительными запасами сырья, тем не менее реализация вторичных материальных и энергетических ресурсов необходима, за счет этого стабилизируется и улучшается общая экологическая обстановка. Эта проблема весьма актуальна для различных регионов, в т.ч. для Удмуртской республики, являющейся экологически неблагополучной.

Одним из самых распостра! генных видов твердых отходов являются металлургические и топливные шлаки. В Ижевске, на западном берегу водохранилища, на площади 16 га в отвалах производственного объединения "Ижсталь" находится более 5 млн. т. сталеплавильных шлаков, образовавшихся за более чем 250-летнюю историю металлургического производства. Дальнейшее развитие отвалов происходит только за счет сокращения размеров городского водохранилища. Значительные территории заняты под шлаковые отвалы топливно-энергетической промышленности в виде озер, образовавшихся в результате гидроудаления золошлаковой пульпы. Общая площадь, отведенная под отвалы ТЭЦ-2 г.Ижевска, составляет 45,1 га, в отвалах содержится 586 тыс.мЗ золошлака. Ежегодный выход, по данным за 1995 год, составляет 44тыс. тонн. Порошкообразный материал, образующийся в процессе распада металлургических шлаков, частицы золы инфильтруются в водную и воздушную среды, заражая их. В то же время отсутствие в Удмуртии значительных месторождений каменных материалов и необходимость завоза их из Свердловской области, дефицит главнейших строительных материалов - цемента, битума - все это предопределило необходимость создания ресурсосберегающих технологий, поиск новых материалов на основе вторичных ресурсов.

В настоящее время текущий выход сталеплавильных шлаков на объединении "Ижсталь" составляет 120 тыс. т/год. Почти полностью он проходит переработку на шлакоперерабатывающем комплексе, включающую дробление, магнитную сепарацию и получение щебня для дорожного строительства. С 80-х годов в Республике находятся в эксплуатации участки дорог,имеющие основание из сталеплавильных, шлаков Ижевского производства:

• дорога- Нылга-Вавож IV категории, участок протяженностью 800 м у д.Косоево, построен в 1987г.;

• ул. Ленина в г.Ижевске I группы, участок примыкания к Завья-ловскому тракту протяженностью. 1000м, построен в 1980г.;

• ул. Баранова в заречной части г.Ижевска II группы, участок протяженностью ЮООм, построен в 1981г..

Обследования, проведенные в 1996 г., показали, что на этих участках отсутствуют деформации дорожной одежды, связанные с работой основания. За это время асфальтобетонное покрытие на участках не менялось.

Переработка шлакового отвгша производственного объединения "Ижсталь" позволила бы получить до 2,5 млн. м3 шлакового щебня для дорожного строительства и дополнительно извлечь до 750 тыс.т. металла , направивив его в сталеплавильное производство.

В работе, представленной в виде монографии, даются все аспекты проблемы, рассматриваются направления использования в дорожном строительстве сталеплавильных шлаков объединения "Ижсталь", зо-лошлаковых отходов теплоэлектроцентралей Удмуртской Республики. Но наибольший интерес представляют золошлаковые смеси гидроудаления ТЭЦ в связи с тем, что годовой выход их в целом по стране составляет около 100 млн.т. и с развитием энергетики будет неуклонно расти. Кроме того, золошлаковые смеси не требуют обязательной предварительной переработки при использовании в дорожном строительстве, что дает определенный экономический эффект. Именно это направление научных исследований выносится на защиту.

Целью работы является разработка способа использования зо-лошлаковых отходов ТЭЦ города Ижевска взамен природных каменных материалов при строительстве автомобильных дорог в Удмуртской Республике.

Задачи диссертационной работы. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Оценка химико-минералогического состава и физико-механических свойств золошлаковых отходов топливно-энергетической промышленности г.Ижевска.

2.Подбор составов золошлаковых композиций для оснований дорожных одежд и обоснование оптимальных составов на основе исследований структуры и физико-механических свойств полученного материала.

3.Разработка технологической схемы приготовления материалов на основе активированных золошлаковых смесей в стационарной установке и отработка технологии в производственных условиях.

4.Устройство основания дорожной одежды из разработанных золошлаковых материалов в условиях опытного строительства.

5.Натурные наблюдения и исследования опытных участков дорог.

Объектом исследования являются золошлаковые смеси гидроудаления теплоэлектроцентралей (ТЭЦ)

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы теоретические основы подбора составов и проектирования технологии при производстве строительных и дорожно-строительных материалов, математическое планирование эксперимента, стандартные и специальные методы испытаний, физико-химические методы исследования /рентгенография, микроскопия, дериватография/, натурный эксперимент.

Научная новизна. Разработаны рекомендуемые составы золомине-ральных смесей для оснований дорожных одежд, твердеющих по принципу "контактного твердения", основанному на способности дисперсных силикатных и алюмосиликатных веществ, находящихся в аморфном состоянии, образовывать прочный водостойкий камень в момент сближения частиц, при уплотнении. Подтверждена теория гелевого упрочнения, по которой нарастание прочности шлаковых материалов идет не в результате армирования образцов кристаллическими сростками, а в результате уплотнения гелевых новообразований и перехода их в камнеподобное состояние. Разработана технологическая схема приготовления золомине-ральных смесей в асфальтобетонном смесителе.

Практическая значимость работы. Работа выполнена на кафедре "Инженерная геодезия, основания и фундаменты" Ижевского государственного технического университета в рамках выполнения республиканской комплексной программы Удмуртской республики "ЭКОЛОГИЯ" и подготовлена к защите в порядке соискательства при аспирантуре государственного дорожного научно-исследовательского института "СОЮЗДОРНИИ"в лаборатории каменных материалов. Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы переданы в виде технических отчетов, внедрены трестом "Дормостстрой", ГП "Удмуртавтодор" при строительстве дорог в Удмуртской республике. Теоретические результаты внедрены в учебный процесс Ижевского государственного технического университета, Международного инженерного университета. Учебное пособие "Металлургические и топливные шлаки в строительстве" рекомендовано Ассоциацией строительных вузов для студентов всех строительных специальностей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: "Ученые ИжГТУ-производству" /Ижевск, 1990,1992,1994,1996/, "Человек и окружающая среда", "2-ая Российская университетско-академическая конференция" /УдГУ, 1989,1995/, на Российских конференциях "Экология и ресурсосбережение" /Ижевск, 1990/, "Применение отходов производств-основной резерв строительства" /Севастополь, 1990/, "Использование отходов промышленности при строительстве и эксплуатации автодорог в нечерноземной зоне РСФСР" /Владимир, 1990/, на международных конференциях "Механика и технология композиционных материалов" /София, Болгария, 1991/, "Физические проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения" /Ижевск, 1992,1994/, "Новые строительные материалы, конструкции, технологии" /Вильнюс, Литва, 1995/.

Результаты исследований нашли применение в тресте "Дормостстрой", ГП"Удмуртавтодор". Построен участок дороги протя-

женносгью 1 км. в п. "Шаберды" вблизи г. Ижевска, дорожная одежда которого включает слои из активированной золошлаковой смеси с гравием.

Положения, выносимые на защиту:

1 .Результаты подбора, составов материала для оснований дорожных одежд с использованием активированных золошлаковых смесей , твердеющих по принципу "контактного твердения".

2.Резулътаты исследования структуры и свойств золоминеральных составов для оснований дорожных одежд:

- прочность как функция времени и оптимального соотношения "зола : активатор";

- нарастание прочности как результат гелевого упрочнения материалов.

3.Технологическая схема устройства золоминерального основания дорожной одежды с приготовлением смесей в стационарном смесителе.

4.Результаты внедрения разработанной конструкции дорожной одежды с использованием активированных золошлаковых смесей в условиях опытного строительства.

Публикации.Основные положения диссертации изложены в 24 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация представлена в виде монографии, состоящей из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 83 наименования. Работа изложена на 162 страницах, содержит 40 иллюстраций, 49 таблиц. Монография издана в 1996 г.: Ижевск, издательство "Удмуртия". ISBN 5-7659-0751-2.

Содержание работы

Представлены результаты исследований по разработке дорожных одежд с использованием активированных золошлаковых смесей ТЭЦ-2 г.Ижевска, проведенные в период 1989-1995 гг. при непосредственном участии автора, включающие комплекс работ от подбора составов до строительства опытных участков дорог и натурных наблюдений.

Состояние вопроса

Анализ современного состояния проблемы утилизации шлаков и зол показал, что одним из главных утилизаторов этих отходов являются строители дорог. Решению этих проблем в разные годы посвящали свои работы ведущие ученые нашей страны: М.И.Волков, С.И.Самодуров, А.В.Волженский, А.А.Пащенко, Н.В.Горелышев, В.Д.Глуховский, Ю.М. Баженов, Я.А.Рекитар, Ю.С.Буров, C.B..Королев, А.Я.Тулаев, В.М. Юмашев, В.А.Мымрин и др. В России накоплен большой опыт использования в качестве строительных и дорожных материалов почти всех раз-

¡ювидносгей шлаков. Разработаны рекомендации по их применению зместо природных каменных материалов и традиционных вяжущих.

Наиболее распространенным типом конструкции дорожной одежды ишяготся конструкции из щебня, гравия, песка, грунта с добавлением шлаковых материалов. Здесь, прежде всего, отдается предпочтение зо-пошлаковым смесям гидроудаления ТЭЦ. Необходимость постановки этого вопроса основывается на трех основных факторах: во-первых, зола гйдроудаления, как правило, сбрасыватся в отвал вместе со шлаками, образуя влажную золошлаковую смесь; во-вторых, шлак, играя рога, заполнителя, позволяет уменьшить расход каменных материалов, что дает определенный экономический эффект; в-третьих, золошлаковая смесь не гребует никакой дополнительной переработки, что в значительной степени упрощает технологический процесс при их использовании. Золошлако-вые отходы ТЭЦ могут использоваться во всех слоях дорожных одежд для любой транспортной нагрузки. Дорожные одежды с использованием зол и шлаков имеют достаточную прочность, морозостойкость, устойчивость к попеременному воздействию насыщением водой и высушиванию, долговечность. Многочисленными исследованиями доказано, что золошлаки кислого состава повышают стойкость в агрессивных средах. Стабилизированные с помощью цемента, извести и др. активаторов, материалы продолжают увеличивать свою прочность с течением времени, а наиболее интенсивное нарастание прочности наблюдается в возрасте 90...120 сут.. Ценным свойством золы является ее способность к гидравлическому твердению, обусловленная наличием силикатов и алюмосиликатов кальция, а также развитой внутренней поверхностью. Неактивные золы, которые при затворении водой не твердеют самостоятельно, приобретают такую способность при добавлении небольшого количества активаторов. Важным свойством золы является ее пуццолановая способность, обуславливающая медленное твердение материалов на их основе в начальные сроки и значительный набор прочности - в более поздние сроки. С ростом температуры от 0 до 45°С прочность зольных материалов возрастает.

Для каменных метериалов, укрепленных известково-зольными вяжущими, характерно отсутствие линейной зависимости между пределом прочности при сжатии и деформацией. Это указывает на то, что данные смеси представляют собой типичный гетерогенный конгломератный материал, состоящий из отдельных агрегатов, связанных между собой силикатным гелем. Величина деформации при изгибе этих образцов примерно в четыре раза больше, чем при растяжении, что свидетельствует о большей их эластичности. Характерно, что такие смеси не только не дают усадки, а даже расширяются, что способствует обжатию уложенного слоя материала. Наблюдения за опытными участками дорог, построенными в разное время у нас и за рубежом, показывают высокие эксплуатационные свойства дорожных одежд с использованием золошлаковых смесей. Все

это позволяет ставить вопрос о частичной замене природных каменных. материалов отходами топливно-энергетической промышленности при строительстве автомобильных дорог.

Для обоснования возможности применения отходов топливно-энергетической промышленности при строительстве автомобильных дорог в Удмуртской Республике , для разработки технологии необходимо было провести всесторонние теоретические и экспериментальные исследования, В соответствии с этим определены цель и задачи данной работы, изложенные выше.

Подбор составов золоминеральных композиций для оснований дорожных одежд

В качестве исходной схемы дорожной одежды была принята конструкция, представленная на рис.1, с заменой щебеночного основания зо-ломинеральнйй смесью, состоящей из песчано-гравийной смеси и активированного золошлака. Разработано основание дорожной одежды, формирование, которого происходит по принципу "контактного твердения", основанному на способности обводненных дисперсных силикатных и алюмосиликатных веществ образовывать прочный водостойкий камень в момент сближения частиц при уплотнении.

1 - двухслойный асфальтобетон

2 - золоминеральная смесь

(ПГС + золошлак + активатор)

3 - песчаный подстилающий слой

4 - щебеночное основание

1ПШДШШШШ

--У. ■<*!;(

.-¿Л^.Я-.-.-Г.-

.-.Гу'.Д-;^;-!?

тш

Рис. 1 Конструкция дорожной одежды с использованием золошла-ковой смеси взамен щебеночного основания.

Для исследований в качестве компонентов смесей приняты следующие материалы: природная песчано-гравийная смесь Волковского карьера Удмуртской Республики, золошлаковая смесь гидроудаления ТЭЦ-2 г.Ижевска. Зола, относящаяся к сверхкислым материалам, практически не обладает вяжущими свойствами, поэтому в качестве активаторов приняты портландцемент марки 400 и молотая негашеная известь. Золошлак рассматривается с двух точек зрения: с одной стороны - это активная минеральная составляющая в комплексном вяжущем, с другой - собственно заполнитель в композициях.

Подбор составов смесей выполнен с использованием метода математического планирования эксперимента. В работе рассмотрено влияние на прочность материалов дня оснований дорожных одежд трех следующих факторов: количества золы, количества активатора /портладцемента, извести/, возраста образцов. Каждый из трех факторов варьировался на трех уровнях - минимальном, нулевом, максимальном. Закодированные значения факторов соответствуют: XI-количество активатора, Х2-количество золы, ХЗ-возраст образцов. Кодирование натуральных переменных производилось по формулам:

х.шп=(упцп_у.у:г..

где Х)1""1 и Х;шах - кодированное значение ¡-го фактора, У™ и У,шах - натуральное значение ьго фактора, - интервал варьирования ¿-го фактора.

Для исключения влияния систематических ошибок в экспериментах принималась случайная последовательность реализации опытов - рандомизация. С целью определения необходимого количества измерений параметра оптимизации вычислялся коэффициент вариации по формуле:

и = (в/у )х100% ,

где в - среднеквадратичное отклонение;

у - среднее значение параметра оптимизации.

В результате экспериментов для доверительной вероятности а=0,90 необходимое число измерений параметра оптимизации было принято равным трем.

По окончании экспериментов устанавливалась математическая зависимость прочности материалов для оснований дорожных одежд от вышеуказанных факторов. Поскольку любую непрерывную функцию можно представить в виде степенного ряда Тейлора, то искомая зависимость для трехфакторного эксперимента, выглядит следующим образом:

Y = b„ + ¿ b,x, + 2 byXji + ¿ b¿x¿

M Itj-i /=1

где Y - исследуемая характеристика; bo ,b„ by, Ъц - коэффициенты модели; x - контролируемые факторы.

Коэффициенты модели, как при любом другом виде планирования, определялись методом наименьших квадратов. Проверка адекватности полученной модели определялась по Fp - критерию Фишера,

Fp=S*ag / S^y ,

где 82а8-дисперсия адекватности модели, определяемая по формуле.

S2ag = SW

где SW сумма квадратов отклонений расчетного параметра оптимизации от экспериментальных значений, вычисляемая по формуле.

tag - число степеней свободы.

Модель считается адекватной, если соблюдается условие Fp < Ft. Расчет моделей осуществлялся на персональной ЭВМ.

В соответствии с планом эксперимента в лаборатории готовились смеси оптимальной влажности, из которых из прессовались под давлением 20МПа образцы-цилиндры Н=Д=71.4 мм и Н=Д=101 мм. Образцы хранились в воздушно-влажностных условиях и испытывались в возрасте 28, 56, 90 суток. Полученные результаты обрабатывались согласно выше изложенной методике. Разработано 80 составов с широким варьированием процентного содержания компонентов, изготовлено и испытано 720 образцов, из них 90 образцов поставлено на длительное хранение в лабораторных условиях и испытано в возрасте 360 сут. и более. Контрольные серии образцов испытывались на водонасыщение, водостойкость, морозостойкость. Выполнены глубокие физико-химические исследования: снято и расшифровано 22 рентгенограммы, 9 .термограмм, сделано 70 микроскопических снимков. В табл. 1 приведена выборка составов разработа-ных смесей и соответствующая прочность образцов.

Таблица 1.Прочность образцов материалов для оснований дорожных одежд.

Состав смеси, % Предел прочности при сжа-

№ тии, МПа, в возрасте, сут.

п/п Зола Известь Цемент ПГС Вода 28 56 90

1 10 5 - 85 6.0 1.39 1.83 2.23

2 20 5 - 75 6.7 1.09 2.51 3.57

3 20 10 - 70 7.0 1.30 3.05 3.57

4 30 5 - 65 8.0 2.50 4.72 6.71

5 10 10 - 80 8.0 1.56 2.49 2.72

6 30 10 - 60 7.0 2.64 2.42 3.38

7 10 15 - 75 6.5 1.54 2.40 3.67

8 20 15 65 10.0 2.92 3.65 6.18

9 30 15 , - 55 , 6.0 2.73 2.61 5.06

10 10 .- 1 89 3.0 0.46 0.19 0.22

11 10 - 3 87 3.0 3.23 4.09 5.70

12 10 - 5 85 4.0 4.72 3.72 5.61

13 15 - 1 84 4.0 1.01 0.43 0.52

14 15 3 82 3.5 6.76 5.50 4.50

15 15 ■ 5 80' 4.0 3.74 4.14 4.31

16 20 - 1 79 5.0 0.87 0.69 0.75

17 20 - 3 77 6.5 2.40 3.55 3.85

18 20 - 5 75 6.7 5.80 8.25 8.69

19 30 1 69 6.5 0.54 0.39 0.39

20 30 - 3 67 6.5 3.0 2.86. 3.17

21 30 - 5 '65 5.8 3.97 5.62 -

Примечание:Морозостойкость для контрольной серии образцов составила 15,..25 цикл., водонасыщение - З...6%, коэффициент раз_мягчения - 0,7...0,8._

В результате обработки экспериментальных данных и исключения незначимых коэффициентов было получено следующее уравнение прочности для известково-зольных составов:

Я н.3.= 23 + 7,23 хХ2 + 11,66 х Хз - 4,43 х Хз х х Х2 + 7,84 х XI2 + 5,14 х XI хХз

где Х| - количество извести в образце,% ; Хг - количество золы в образце, %; Хз - возраст образцов, сутки.

Анализ уравнения показывает, что наибольшее влияние на набор прочности золоизвестковых композиций оказывает возраст образцов. На рис.2, даны графики, характеризующие эту зависимость. Графики свидетельствуют о равномерном наборе прочности золоизвестковых составов. Форма кривых дает основание предполагать, что процесс увеличения прочности будет продолжаться в дальнейшем. Это подтвердилось впоследствии при испытании образцов в возрасте одного года: Язво = 2...4К.28. Полученные результаты свидетельствуют о пуццолановой активности золы, обусловленной наличием в ее составе аморфных БЮг и АЬОз, способных поглощать ионы Са++ из водного раствора с образованием низкоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. Однако пуццолановая активность золы проявляется не сразу, а по истечении 2-Зх недель. При постоянном количестве извести в образцах увеличение содержания золы ведет к увеличению прочности образцов как во времени, так и для образцов одного возраста. Совместное влияние золы и извести на рост прочности образцов (рис.3) обуславливает интенсификацию твердения и набора прочности как за счет увеличения содержания золоизвест-кового вяжущего, так и возраста образцов. Изучение структуры полученных композиций методами рентгенографии, микроскопии, термографии свидетельствует о химическом взаимодествии компонентов. Отмечено наличие аморфного вещества, которое, надо полагать, является продуктом взаимодействия золы и извести. Аморфная и слабозакристаллизованная фазы сохраняются в течение длительного периода твердения (более года). Здесь находит подтверждение теория гелевого упрочнения, по которой упрочнение шлаковых материалов идет не путем синтеза, взаимного прорастания и объемного армирования образцов кристалличесческими новообразованиями, а в результате уплотнения гелевых новообразований и перехода их в камнеподобное состояние. Микроскопические снимки свидетельствуют о плотном контакте на границах "вяжущее-заполнитель", "зола-вяжущее", "вяжущее-шлак". В контактной зоне щели не обнаружены.

При подборе составов смесей для оснований дорожных одежд на золоцементном вяжущем основным критерием подбора служил минимальный расход цемента. Результаты испытания образцов подобранных составов на прочность при сжатии в возрасте 28, 56, 90 сут., обработанные с помощью ЭВМ, дали следующее уравнение для золоцементных составов:

11«,= 44.2 + 27.3 х XI + 3.83 х Хз + 3.16 хХ, х Хз + 5.73 х Х2х Хз--9.69 х Хз2- 5.94 хХЛ

где X] — количество цемента в образцах , %;

Хг — количество золы в образцах, %;

Хз — возраст образцов , сутки.

Чс>к,МПа

Рис.2. Изменение прочности во времени золоизвестковых образцов, содержащих: 5% извести и золы 30(1), 20(2), 10(3)%; 10% извести и золы 30(4), 20(5), 10(6)%; 15% извести и золы 30(7), 20(8), 10(9)%..

Яс?к, МПа Содержание зош,%

6,0 I • I 1 / 1

5,0 4.0 I I / 1 1 1

1 3,0 2

1 2,0 1,0 0 I I 1 1

Содержание извести, 7.

, Рис.3, Прочность образцов оснований дорожных одежд на золоиз' вестковом вяжущем в возрасте 90(1), 56(2) и 28(3) сут.

Анализ уравнения показывает, что наибольшее влияние на прочность образцов оказывает , как и следовало ожидать, содержание цемента (фактор Х1), затем по значимости идет фактор Хз - возраст образцов. Среди парных факторов наиболее значимыми являются возраст образцов и содержание золы УХз, Хг/, совместно ведущие к увеличению прочности, что по-тверждает наличие пуццолановой активности золы. Зависимость прочности образцов от содержания золоцементного вяжущего в различные сроки твердения представлена на рис.4. Повышение содержания золы в золоцементных составах ведет к повышению прочности только до определенного предела( рис.5.). Максимальная прочность для образцов всех возрастов достигается при содержании золы 20%, после чего начинается ее постепенное снижение. Процессы структурообразования и набор прочности исследуемых составов происходят стабильно и равномерно. Положительное влияние золы на формирование структуры и уплотнение образцов с золоцементным вяжущим объясняется более высокой степенью гидратации цемента за счет реакции между Са(ОН)г портландцемента и аморфными компонентами золы (8102, АЬОз). Исследование золоцементных образцов физико-химическими методами подтверждает возможность активации зольных композиций портландцементом. Рентгенограммы дают широкий максимум, смещенный в сторону больших углов, свидетельствующий о присутствии амфорных и слабозакристализованных веществ, к которым, повидимому, следует отнести продукты гидратации золы и щелочных оксидов портландцемента - СН, С2Н и др. Микроскопические снимки также подтверждают, что новообразования носят гелевый характер или представлены слабозакристализированными продуктами. Отмечается плотный контакт на границах "вяжущее-песок", "вяжущее-гравий".

Целесообразность введения шлака в золоминеральные композиции подтвердилась как микроскопическими исследованиями, так и физико-механическими испытаниями (табл.2). Наиболее высокую прочность имеют образцы в возрасте 28, 56, 90 сут. С 20...30% шлака при весовом отношении 3:Ш=1:1. Оптимальное количество шлака соответствует оптимальному количеству золы и составляет 10... 15%.

В результате подбора составов получены активированные золошла-ковые смеси с гравием марок 20 (активатор-известь) 40, 50, 60 (активатор-портландцемент), которые рекомендуются для устройства оснований дорожных одежд дорог 3, 4, 5 категорий, а также для покрытий при стадийном строительстве дорог местного и республиканского значения с устройством слоя износа и последующим использованием их в качестве оснований усовершенствованных капитальных покрытий.

с о

ос 6,0

4.0

Содержание золы,2, 20

до 1,0

! • ^^ 1 ^ 1

1

i

// / 1 /У/ 1 1 • 1

1 1 1 1 1 1 . . _.i

Содержание цецента,%

Рис.4. Прочность образцов оснований дорожных одежд на золоце-ментном вяжущем в возрасте 90(1), 56(2) и 28(3), сут.

R с>к, МПа 80

Содержание эо/>ы, Z

Рис.5. Зависимость прочности золоцементных образцов от содержания золы при расходе цемента: 5(3), 3(6), 1(8). % - в возрасте 28 сут.; 5(1), 3(5), 1(7), % - в возрасте 56 сут.; 5(2), 3(4), 1(9), % - в возрасте 90 сут.

Таблица 2. Прочность образцов материалов для оснований дорожных одежд со шлаком.

Состав смеси Активатор,°/о Предел прочности при сжа-

№ тии,МПа, в возрасте,сут.

п/п Золошлак, Весовое

% отношение Известь Цемент 28 56 90

зола:шлак

1 10 1:1 5 - 0.90 1.10 1.70

1:4 1.10 1.20 1.00

2 20 1:1 5 - 1.75 2.70 2.90

1:4 1.2 1.3 1.2

3 30 1:1 5 - 1.6 2.7 3.5

1:4 0.70 1.70 2.40

4 10 1:1 - 3 1.40 3.10 3.30

1:4 2.00 2.30 4.20

5 15 1:1 - 3 3.00 3.40 3.80.

1:4 2.20 3.40 3.70

6 20 1:1 - 3 4.50 5.10 5.50

1:4 2.00 1.10 -

Технология устройства оснований дорожных одежд из активированных золошлаковых смесей

По данным лабораторных исследований было запроектировано 4 варианта дорожной одежды с требуемым модулем упругости 216 . Проектирование осуществлено с помощью ЭВМ по программе "ДОРО", разработанной ГипродорНИИ в соответствии с Инструкцией по проектированию дорожных одежд нежесткого типа.

Для производства работ по устройству основания был выбран метод смешения в установке. Предложена технологическая схема (рис. 6) приготовления смесей в асфальтобетонном смесителе Д-617-2, позволяющем получать материалы высокого качества, однородные по составу, с заданным физико-механическими свойствами. Запроектирована технологическая линия на асфальтобетонном заводе с переналадкой существуещего оборудования, включающей следующие операции:

1 .Обеспечение подачи цемента к смесителю пневмоспособом введением в технологическую линию пневмокамерного насоса и пневмопровода.

2. Обеспечение подачи воды к смесителю введением в технологическую линию водопровода и объемного дозатора воды.

3.Автоматизация процесса подачи воды и цемента к смесителю.

4.Введение в технологическую линию осадительного бункера и шнека для подачи цемента в весовой дозатор.

5.Снижение тепловой нагрузки на сушильный барабан.

При проектировании технологии укладки активированных смесей использован принцип "контактного твердения". Поэтому решающую роль в получении качественного основания играет соблюдение технологии укладки и уплотнения при оптимальной влажности. Технология устройства конструктивного, слоя с использованием золошлаковых смесей близка к технологии асфальтобетона и включает следующие операции: укладка и уплотнение смесей при оптимальной влажности, планировка поверхности с последующей доукаткой, уход за основанием с целью создания нормального тепло-влажностного режима.

Отработка технологии устройства оснований дорожных одежд из актированных золошлаковых смесей в условиях опытного строительсва

Для проверки результатов лабораторных исследований активированных золошлаковых смесей для оснований дорожных одежд в натурных условиях в 1990 г. на подъездной дороге к автомагистрали Ижевск - Игра был построен опытный участок с основанием из гравийно-печаной смеси, укрепленной золоцементным вяжущим, протяженностью 50м. В 1991г. построено еще два участка: на подъездной дороге 4 категории к молочнотоварной ферме совхоза Шабердинский вблизи Ижевска , протяженностью 1000м и на автостоянке автобазы Минжилхоза УР площадью 200 м2.

Приготовление смесей осуществлено на асфальтобетонном заводе №1 треста "ДОРМОСТСТРОЙ" г.Ижевска. Для организации выпуска зо-ломинеральных смесей на одной из технологических линий завода осуществлена необходимая переналадка в соответствии с предыдущим разделом. В процессе отработки технологии получены наиболее оптимальные технологические параметры: время перемешивания в сухом состоянии, время перемешивания с водой, температура смеси. Таким образом, разработана следующая технология приготовления золоминеральной смеси в асфальтобетонном смесителе. Песчано-гравийная смесь и золошлак через приемные бункеры смесителя, отдозированные в объемном соотношении путем регулирования размера выходного отверстия течек расходных бункеров, холодным элеватором подаются в сушильный барабан. Высушенная смесь горячим элеватором подается через грохот в горячий бункер, а затем в весовой дозатор и смеситель. Цемент из силосной банки с помощью пневмонасоса и трубопровода шнеком подается в весовой дозатор и смеситель. Компоненты перемешиваются в сухом виде в течение 2 мин.

склад золошлака

склад пгс

усреднение смеси путем перемешивания

силосный склад портландцемента

вода

внутризаводской транспорт

фронтальный погрузчик

ж

пневмотранспорт

бункер асфальтобетонного смесителя

...ж.

питатель

Ж

осадит ельныи бункер

питатель

объемный дозатор

силосная' банка

объемный дозатор

М'

ленточный транспортер

пневмокамерный насос

ленточный транспортер

холодный элеватор

т

дозатор цемента

шнек

сушильный барабан

.пылеуловитель

горячии элеватор

грохот

V

вес080й дозатор

горячии бункер

смеситель

выгрузка в автотранспорт

трубопровод

объемный дозатор

Рис. 6. Принципиальная схема производства золоминеральных смесей.

Затем через объемный дозатор в смеситель подается вода, смесь перемешивается, с водой 3 мин, Доставка смеси к месту укладки осуществлялась автосамосвалами,: укладка — в соответствии с предыдущим разделом. Через несколько дней на основание укладывался двухслойный асфальтобетон.

Таблица 3. Физико-механические свойства золоминеральных смесей, взятых из смесителя.

Предеп прочности при сжатии,МПа, в Водонасыще-ние, % _ ' га

возрасте,сут. з о t

по по 1 1 о"4

№ п/п Средняя плотность,г /смЗ 7 14 28 массе объему s S М 9- I £ 5 §■ s £ з (в о 2 й° Ц п iSS ■= s | !§ ft п £ а 5 x го 6 ю га x

1 2,16 2,73 <2,58 6,42 2,95 6,46 5,25 0,82 1,69

2 2,15 2,58 2,43 5,25 3,39 7,43 4,75 0,9 1,59

3 2,19 3,15 3,00 6,08 2,84 6,22 4,96 0,82 1,11

Лабораторный контроль при устройстве основания с использованием зо-лошлаковых смесей включал определение зернового состава , влажности, прочности при сжатии в возрасте 7,14,28 сут., однородности по прочности образцов смесей, отобранных из смесителя.

При строительстве участка дороги к МТФ совхоза "Щабердинский", контроль проводился 'попикетно, отобрано из смесителя 20 проб золоми-неральных смесей, изготовлено и испытано 180 образцов.По прочности в возрасте 28 сут. определен коэффициент вариации. Выборка результатов испытаний представлена в таб. 3, анализ которой показал, что полученный материал по своим физико-механическим свойстам соответствует маркам 40, 60. Натурные наблюдения и испытания показали высокие технологические , эксплуатационные качества дорожных одежд с применением активированных золошлаковых смесей. Прочность образцов - вырубок составляет 5...6 МПа. Модуль упругости 440...510 МПа. Участки после трех лет работы не имеют каких либо деформаций, разрушений, связанных с работой основания. Все это позволяет рекомендовать золомине-ральные составы в практику дорожного строительства. Необходимо отметить , что разработанный способ утилизации золошлаковых смесей для оснований дорожных одежд может быть рекомендован и для сталеплавильных шлаков объединения "Ижсталь". Шлак вводится в композиции в тонкомолотом виде или в виде отходов от дробления фр. 0-5 мм. В моно-

графии представлены разработанные автором низкомарочные вяжущие на основе сталеплавильных шлаков с активаторами - известью, гипсом, портландцементом - и шлакощелочные вяжущие, которые могут быть рекомендованы для устройства дорожных оснований по предложенной выше технологии.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.Утилизация золошлаковых отходов ТЭЦ г.Ижевска может быть осуществлена путем использования их в дорожном строительстве взамен природных каменных материалов. Это способствует экономии природных ресурсов и улучшает общую экологическую обстановку.

2.Разработаны составы активированных золошлаковых смесей с гравием марок 20, 40, 50, 60, твердеющих по принципу "контактного твердения", которые могут быть рекомендованы для устройства оснований дорожных одежд автомобильных дорог 3, 4, 5 категории.

3.Прочность активированных золошлаковых материалов является функцией трех основных факторов: времени твердения, содержания золы, количества активатора. Наблюдается неуклонный рост прочности с течением времени: прочность при сжатии в возрасте 360 сут. превышает марочную в 2...4раза.

4.Процесс структурообразования продолжается в течение длительного времени, упрочнение шлаковых материалов происходит не только за счет кристаллизации продуктов взаимодействия золы, шлака и активатора, но и в результате уплотнения гелевых новооброзований, перехода их в камневидное состояние.

5.Предложена и опробована в производственных условиях технология приготовления активированных золошлаковых смесей для оснований дорожных одежд в асфальтобетонном смесителе, позволяющая получать материалы высокого качества, однородные по составу с заданными физико-механическими показателями.

6.Возможность замены природного щебня активироваными зо-лошлаковыми смесями в основаниях дорожных одежд подтверждена как лабораторными исследованиями, так и опытным строительством. Новая конструкция дорожной одежды по своим деформативным свойствам не уступает дорожной одежде со щебеночным основанием и отвечает требованиям СНиП 2.05.02-85, 3.06.03-85 "Автомобильные дороги".

Основное содержание работы отражено в следующих печатных работах:

1. Юдина Л.В. Юдин A.B. Металлургические и топливные шлаки в строительстве: Учеб. пособие.-Ижевск : Удмуртия, Москва: АСВ,1995,-160с.

2. Юдина Л. В.,Турчин B.B. Исследование гидравлической активности сталеплавильных шлаков У/Проблемы рационального использования ресурсов,совершенствование технологии и методов расчета в строи-тельсгве.-Ижевск.ИМИ, 1991 .-Вып. 1 .-С. 10-14.

3. Юдина Л.В., Гедеонов П.П., Турчин В.В., Головко А.И., Гайдай A.B. ,Юдин A.B. Активированные золошлаковые смеси в основаниях дорожных одежд.//Автомобильные дороги.-М.:Транспорт,1993.- N 4. -С.8-10.

4. Гедеонов П.П.,Юдина Л.В. Золоминеральные композиции на основе отходов топливной промышленности для дорожного сгроитель-ства.//Строительные материалы.-1994.-N2.-C. 16-18.

5. Турчин В.В.,Юдина Л.В. Исследование возможности применения мартеновских шлаков в шлакощелочных композициях. // VI национальная конференция по механике и технологии композиционных материалов. Сборн.докл.-Болгарская Академия наук.-София,1991.-С. 350-353.

6. Юдина Л.В. Влияние некоторых факторов на свойства шлакощелочных вяжущих на мартеновских шлаках.//Ресурсосбережение и эколо-гия.Тез.докл.межрегион. конф.-Ижевск, 1990-С.2-3.

7. Юдина Л.В. Исследование свойств минеральных вяжущих на основе металлургических и топливных ишаков.// Физические проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения:Тез.докл. 1межд. симпозиума.-Ижевск, 1992.-С. 133 (русск.).С. 149(англ.).

8. Юдина Л.В.Шпакаускас А.А.Физико-химические исследования золошлаковых композиций. Исследование минералогического состава шлакощелочных композиций. //Тез. доокл. научн. конф.-Ижевск, 1994. С. 189-190.

9.Юдина Л.В., Турчин В.В., Гедеонов П.П., Чечулин С.П. Применение золошлаковых смесей при устройстве оснований дорожных одежд в Удмуртии. // Использование отходов промышленности при строительстве и эксплуатации аводорог в Нечерноземной зоне РСФСР: Тез.докл. научн.-технич. конф.- Владимир, 1990.-С.40-41.

Ю.Юдина Л.В. Опыт строительства оснований автомобильных дорог из золошлаковых отходов ТЭЦ II Ученые ИжГТУ - производству. Тез. докл.научн.докл.- Ижевск, 1994 С.188.

11. Юдина Л.В. Шпакаускас А. Исследование минерального состава композиций на основе металлургических и топливных шлаков // Новые материалы, конструкции технологии.Сборн. докл. 4 международ, конф,-Вильнюс, Литва, 1995.-С.30-36.

12. Щлакощелочные композиции на основе мартеновских шлаков. Информ. карта №56-91 ЦНТИ,-Ижевск, 1991.

13.Золошлаковые смеси для оснований дорожных одежд. Информ. карта №65-91, ЦНТИ, Ижевск, 1991.

14. Юдина JI.В., Тарануха H.JI. Диагностические исследования дорожных одежд с использованием золопшаковых смесей // Динамические испытания конструкционных материалов. Сборн. докл. междунар. конф.-Кошицца, Словакия, 1995. С.255-256.

15.Юдина JI.B., Турчин В.В. Исследование свойств шлакощелочных композиций на основе мартеновских шлаков. // Экология и ресурсосбережение. - Ижевск, ИжГТУ, 1995,-Вып. 2,- С. 9-13.

16. Юдина JI.B., Турчин В.В., Гедеонов П.П. Активированные зо-лошлаковые смеси в основаниях дорожных одежд.// Экология и ресурсосбережение. - Ижевск, ИжГТУ, 1995.-Вып. 2,- С. 9-24.

17. Юдина JI.B., Подбор составов золошлаковых смесей для укрепления оснований дорожных одежд // Ученье ИжГТУ- производству. Тез. докл. научн. конф. - Ижевск, 1990.-С.191.

18. Юдина Л.В., Шлаки и золы - строительному производству.-Ижевск: Статистика, 1990.-30 с.