Композиционные составы для локализации очагов разрушения дорожного покрытия

Физико-механические свойства золы-уноса

Результаты гамма-спектроскопического анализа золы-уноса ТЭЦ-2 приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Гамма-спектроскопический анализ золы-уноса

Радиационная оценка золы-уноса исследуемых проб показала, что средние значения эффективной удельной активности не превышают нормированной величины от 370 Бк/кг до 750 Бк/кг и зола-унос может использоваться для строительства дорог.

Для повышения прочности ремонтного материала и улучшения структуры раствора кроме высококальциевой золы в него дополнительно вводили второе вяжущее, в качестве которого использовали портландцемент Красноярского цементного завода марки 400. Структура смешанного вяжущего в твердой фазе отличается повышенной плотностью, так как зерна золы являются тонкодисперсным наполнителем с размерами частиц 1–10 мкм, а зерна цемента имеют размер 1–100 мкм, которые заполняют пустоты между зернами золы, повышая плотность системы.

Химический состав и физико-механические свойства портландцемента приведены в табл. 2.4, 2.5.

Таблица 2.4

Химический состав портландцемента

Таблица 2.5

Физико-механические свойства портландцемента

К ремонтным композициям предъявляются требования по твердости, жесткости, прочности на сжатие. Эти свойства зависят как от свойств вяжущего, так и заполнителя. Структурный каркас композиции состоит из смеси двухфазного вяжущего и заполнителя. В твердеющей смеси заполнитель играет роль скелета, принимающего на себя нагрузки от внутренних напряжений, возникающих из-за деформаций структуры как на стадии твердения, так и в период эксплуатации. Однако чтобы заполнитель отвечал указанным требованиям, необходимо распределить частицы таким образом, чтобы более мелкие фракции располагались в промежутках между крупными, не раздвигая их. Так как зола-унос с размерами частиц 1–10 мкм относится к мелкой фракции, в качестве заполнителя при разработке состава композиции использовали речной песок карьера «Березовский» с модулем крупности М

= 1,68 с содержанием глинистых частиц менее 0,1 %.

Речной песок является полимиктовым, характеризуется многообразием петрографического состава, форма песчаных частиц малоокатанная, что способствует увеличению сцепления с другими материалами. Физико-механические характеристики и зерновой состав речного песка приведены в табл. 2.6, 2.7.

Таблица 2.6

Физико-механические свойства речного песка

Таблица 2.7

Зерновой состав речного песка

К составам для ремонта дорожных покрытий предъявляется требование быстрого набора начальной прочности, поэтому в состав композиции дополнительно вводили модифицированный шлам тонкомолотой угольной футеровки, представляющий собой попутный продукт производства алюминия Красноярского алюминиевого завода. По предварительным оценкам [1, 125, 102] общее количество твердых отходов производства алюминия составляет до 85 кг/т металла, из них до 40 кг/т составляет лом угольной футеровки – отход, образующийся при капитальном ремонте футеровки электролизеров [1, 125]. Отработанная футеровка электролизеров ориентировочно содержит по массе около 20 % углерода, 60 % огнеупоров и до 12–13 % фторидов. По гранулометрическому составу в преобладающей фракции (более 85 % масс.) составляют частицы размером от 0,25 до 0,5 мм. Фтор в угольной футеровке в основном связан в устойчивом комплексе – криолите Na

[AlF

]. Часть фтора содержится в легкорастворимых простых солях: NaF и AlF

. Поскольку с точки зрения экологической безопасности содержащийся в угольной футеровке фторид натрия необходимо связывать в нерастворимый продукт, угольную футеровку модифицировали крупнотоннажным отходом гидролизных производств – шламом нейтрализации варочной серной кислоты известью, как установлено в работе [71]. При тщательном перемешивании этих отходов образуется смесь, в которой при увлажнении происходит реакция

Растворимость NaF и AlF

намного выше растворимости CaF

, ПДК водной вытяжки из такого материала меньше значений ПДК по фтору для водоемов и почв[101]. Шлам, способный вступать в химическую реакцию на ранней стадии гидратации, по химическому составу относится к ускорителям твердения минеральных вяжущих.

Следует остановиться еще на одном моменте, который может проявляться при эксплуатации затвердевшего в трещинах дорожного полотна ремонтного состава. В дождливый период материал подвергается настолько мощному напору воды, что это может быть сравнено с условиями нахождения материала в проточных водах. При твердении в портландцементе наряду с целым рядом гидратов образуется свободная гидратная известь, которая хорошо растворяется и снижает устойчивость цементного камня в напорных, проточных и слабоминерализованных водах. Поэтому целесообразно вводить в цемент активные добавки, которые содержат активную (растворимую) форму кремнезема и глинозема. Они придают портландцементу повышенную водостойкость за счет взаимодействия активного кремнезема и глинозема с Са (ОH)

и образования нерастворимых гидросиликатов [46].

С этой точки зрения шлам тонкомолотой угольной футеровки является активной минеральной добавкой, которая, во-первых, может способствовать регулированию темпа набора прочности композиции в начальные сроки, во-вторых, придать композиции дополнительную плотность и водостойкость. Шлам тонкомолотой угольной футеровки по химическому составу может быть отнесен к кислым добавкам низкой активности (меньше 50 мг/г поглощенной извести из известкового раствора через 30 сут). Модуль, определенный по формуле [46]

меньше 1 (кислая добавка).

Поскольку угольная футеровка содержит значительное количество SiO

то ее введение, несомненно, будет способствовать повышению плотности и прочности состава композиции за счет сопутствующей дополнительной реакции пуццоланизации между Ca (OH)

и SiO

Рис. 2.1. Влияние шлама нейтрализации (ШН) и золы-уноса (З-У) ТЭЦ-2 на выщелачивание фтора из угольной футеровки (УФ) при различных соотношениях угольной футеровки и добавки:

исх. УФ;

УФ + З-У (1:3);

УФ + ШН (1:1)

Для оценки возможности применения угольной футеровки в составе композиции для ремонта дорожных покрытий изучали полноту связывания фторид-ионов с золой-уноса ТЭЦ, содержащей 8,4 % масс. свободного оксида кальция, и неорганическим шламом нейтрализации гидролизного производства, содержащего СаSO

до 75 % масс. Количество добавки в каждом случае было достаточным для стехиометрически обоснованного связывания ионами кальция высвобождающихся ионов фтора, как показано на рис. 2.1.

Установлено, что при контакте тонкомолотой угольной футеровки с водой происходит активное выщелачивание фтора. Эта стадия взаимодействия, вероятно, обусловлена растворением фторида натрия, находящегося на поверхности измельченных частиц угольной футеровки, и протекает по схеме

Экспериментальная зависимость логарифма равновесной концентрации фторид-ионов lgC

в растворе от времени выщелачивания ? в пределах ошибок является прямолинейной, т. е. скорость реакции выщелачивания фтора Y

на данной стадии практически не изменяется со временем при температуре 22 °С.

Данное значение скорости соответствует быстрому переходу фтора в раствор в течение 1–2 мин, затем скорость процесса выщелачивания заметно снижается. Последующие измерения показали, что равновесие в данной системе достигается только через 2–3 сут.

Проведенные исследования показали, что при увлажнении тонко-молотой угольной футеровки гипсосодержащим шламом полностью исключается вымывание фтора в окружающую среду.

Таким образом, для связывания токсичных соединений фтора в практически нерастворимое соединение СаF в угольную футеровку предложено вводить шлам нейтрализации гидролизных производств, состоящий на 75–80 % из гипса и остатков лигнина, в том числе лигносульфонатов. Находящийся в составе композиции оксид кальция золы-уноса как основного компонента вяжущего также будет связывать фторид-ионы, высвобождающиеся при гидролизе солей NaF, AlF