Использование зольной пыли в производстве бетона.

Зольная пыль является наиболее важным из продуктов сгорания угля (ССР), составляя почти 70% от их общего количество. В Европе каждый год около 6 млн. тонн кремнистой зольной пыли используется в качестве добавки к цементу, заменяя часть цемента для производства бетона. Столь большое количество объясняется более чем 50-летним опытом использования зольной пыли в производстве бетона в некоторых европейских странах.

На рисунке 1 показано использование зольной пыли в качестве добавки к бетону в Европе с 1993 по 2003 г. Начиная с 1993 г. в виде добавки к бетону было использовано около 55 млн. тонн зольной пыли. Технические преимущества, особенно в отношении обрабатываемости и долговечности, а также длительный опыт привели к признанию этого материала в качестве строительного сырья. Главным условием для такого признания было доступность зольной пыли постоянного качество. Чтобы удовлетворить растущий спрос но зольную пыль но рынке бетона в сезон строительство, были установлены бункера для хранения и системы обогащения. Для использования в качестве добавки к бетону зольная пыль должна отвечать требованиям европейского стандарта EN 450 "Зольная пыль для бетона" . Этот стандарт, впервые опубликованный в 1994 г. и исправленный в 2005 г., относится к кремнистой зольной пыли, получаемой при сжигании пылевидного угля.

Зольная пыль получается но электростанциях, работающих на сжигании угольной пыли. Уголь, измельченный на угольных мельницах до пылевидного состояния, подается с помощью сжатого воздуха но пылеугольные горелки и сжигается в полностью контролируемом процессе при высокой температуре до 14000С (котлы с сухим золоудалением). В некоторых странах используются также котлы с водяным золоудалением, где при температуре сжигания, достигающей 16000С, образуются сферические частицы с большим количеством аморфного материала. Полученное тепло нагревает воду в пароводяном тракте, и вырабатываемый пор приводит в действие турбину.

Во время сжигания меньшая часть угольной золы падает на дно печи, откуда оно удаляется как зольный остаток. Большая часть, примерно 90% мелкой золы, уносится дымовыми газами и проходит через катализатор DENOX до электростатического фильтра, где более 99,9% золы отделяется от дымовых газов и с помощью сжатого воздуха направляется в бункер. Топочный газ после этого пропускается через установку десульфуризации дымовых газов (FGD), где производится гипс FGD, и поступает в трубу. Чистый газ, уже не содержащий азота, пыли и десульфуризованный, выходит через трубу в атмосферу.

Для определения возможности использования зольной пыли в связанных с цементом применениях определяются характеристики золы, то есть физические характеристики - гранулометрический состав, плотность и объемная плотность, и минералогический, о также химический состав.

Зольная пыль из котлов с сухим золоудалением представляет собой чрезвычайно мелкозернистый материал от светло-серого до средне-серого цвета.

Его плотность обычно находится в диапазоне между 2,0 и 2,6 кг/дм, объем-

ная плотность - от 0,7 до 1,1 кг/дм. По минералогическому составу зольная пыль содержит алюмосиликатное стекло с вкраплениями кварца, муллита, гематита и магнетита. Кристаллическая доля составляет от 5 до 25% массы.

По химическому составу зольная пыль содержит более 80% по массе 5i02, АI2Оз и Fе20з. Количество СаО меньше 1 0% по массе. В отношении содержания несгоревших материалов (<5 - 7% по массе) должны выполняться требования стандарта EN 450 по предельному содержанию свободной извести (<1 % по массе), серы (<3% по массе, как S03) и хлора (<о, 1 % по массе).

Использование зольной пыли в качестве добавки к бетону оказывает реологическое и заполняющее воздействие на свежеуложенную бетонную смесь. Кроме того, прочность и долговечность затвердевшего бетона повышаются благодаря пуццелановой реакции, ведущей к образованию более плотной структуры.

У бетона нормального состава наблюдается явное разжижение в случае замены части цемента на зольную пыль постоянном содержании воды. Разжижающее действие зольной пыли может использоваться для уменьшения содержания воды в бетоне. Это часто описывается «эффект роликовых подвесок». Это связано с представлением о том, что частицы золы шарообразной формы с ровной поверхностью облегчению формуемости и улучшает реологические характеристики.

Эффект наполнителя основан на повышении «плотности размещения» смены частиц за счет проникновения частиц угольной пыли в тончайшие пористые образования. В результате уменьшается количество заполненных водой пустот. Эффект наполнителя имеет физический характер и зависит от мелкозернистости используемого наполнителя. Чем мельче наполнитель, тем лучше эффект заполнения пустот.

На характеристики затвердевшего бетона влияют уменьшение выработки теплоты гидратации на ранних стадиях и позднее пуццолановая реакция зольной пыли.

Уменьшение выработки теплоты гидратации снижает опасность образования трещин, за счет чего повышается долговечность бетона. Это имеет особое значение для неармированного монолитного бетона, например, в плотинах, шлюзах, фундаментах и массивных бетонных компонентах.

При пуццолановой реакции зольной пыли, то есть реакции химической активной двуокиси кремния и химически активной окиси алюминия с гидроoксидом кальция, получаемым при гидратации цемента, образуются гидраты алюмината кальция и гидраты силиката кальция. Эти реакции протекают медленнее, чем при гидратации портландцемента. Длительно сохраняющаяся реакционная способность зольной пыли ведет к повышению прочности с течением времени.

В дополнение к этому, пуццолановая реакция зольной пыли вызывает образование другой пористой структуры, характеризующейся уменьшением доли капиллярных пор в затвердевшем цементном тесте. Это уменьшение доли капиллярных пор повышает сопротивляемость бетона к проникновению в него агрессивных сред.

Использование получаемой от сгорания антрацита зольной пыли в бетоне влияет на все важные характеристики бетона, такие, как обрабатываемость, нарастание прочности, теплота гидратации и долговечность. Получаемый эффект зависит от дозировки, состава бетона, типа укладки и последующего отверждения.

Зольная пыль используется в бетоне более пятидесяти лет по всему миру. Накопленный за этот длительный период времени опыт позволил точно оценить преимущества и виды предусмотренного использования, но также и ограничения и потенциальные риски.

Первые проекты в европейских странах были реализованы по специальным разрешениям совета экспертов и государственных строительных ведомств. Опыт, полученный при работе по этим разрешениям, был обобщен в государственных стандартах или предписаниях. В 1994 г. был опубликован первый европейский стандарт EN 450 по использованию З0ЛЬНОН пыли в бетоне. Этот стандарт не был гормонизированным, т.е. его введение в государственное зоконодательство не было отрегулировано. Пользователь должен был решать, использовать ли стандарт EN 450, или rосударственный стандарт, если такой имеется, на основании национального опыта. С введением в государственное законодательство стандарт EN 450 получил дополнительный код страны (напр. DIN EN 450 в Германии, И S EN 450 в Соединенном королевстве и т.п.)

В 2005 г, были опубликованы исправленные европейские стандарты EN 450-1 и EN 450-2 . Эти стандарты гармонизированы, что означает необходимость их внесения в государственные законодательство всех государств членов ЕС Местные государственные стандарты могут использоваться наряду с новыми в ток называемый "период сосуществования". Этот период заканчивается 31 декабря 2006 г.

При проведении исправления предшествующий стандарт EN 450,1994 г" был разделен но две части, EN 450-1 включает определения, спецификации и критерии соответствия для кремнистой зольной пыли, получаемой при сгорании пылевидного угля, с совместно сжигаемыми материалами или без них, и собираемой в сухом состоянии, или же получаемой пере работкой путем, например, классификации, отбора, просеивания, сушки, смешивания, перемалывания или восстановления углеродом, или путем комбинирования этих процессов. EN 450-2 описывает оценку соответствия зольной пыли для бетона, полученной на электростанциях, но перерабатывающих предприятиях. Наиболее важной частью является документация процедур технического контроля в руководстве по контролю качества работ.

В EN 450-1 [3] устанавливаются требования относительно гомогенности, прочности и эффективности. Химические требования относятся к потере веса на прокаливание, содержание серы, хлора и свободной извести. Если зольная пыль получается при совместном сжигании, должны определяться содержание химически активной 5i02, общее содержание 5i02, содержание A1203, Fe203, щелочей, MgO и фосфатов. В отношении физических параметров определяются требование по мелкозернистости, отклонениям зернистости и плотности, прочности и показателю активности. В Дополнение к этому зольная пыль от cовместного сжигания материалов должно соответствовать требованиям по времени начала схватывания раствора, зольная пыль категории 5 - требованиям по водопотреблению.

В EN 450-2 [4] устанавливается система оценки соответствия, включающая регулярный производственный контроль, внутренний контроль качество и самостоятельный контроль с испытанием образцов, а также оценку результатов самостоятельного контроля, контрольное испытание образцов, инспекцию производственной установки и производственный контроль со стороны уведомляемого органа сертификации. За счет этого получаемая зольная пыль имеет гарантированную эффективность, учитывающуюся при разработке бетона, Изготовитель зольной пыли (или управляющий электростанции, или маркетинговая компания) несут ответственность за качество, эффективность и надежность продукта. Контроль за процессом производства ведется третьей стороной, уведомляемой компетентными строительными органами.

Для использования зольной пыли по стандарту EN 450 в бетоне необходимо рассмотреть требования европейского стандарта EN 206 [6] по производству бетона. В этом стандарте зольная пыль упоминается кок добавка типа 11, что означает добавку с пуццолановыми или скрытыми гидравлическими свойствами, Стандарт EN 206 включает две общие концепции относительно использования зольной пыли в бетоне, называемые "концепцией величины k" и "концепцией равных характеристик бетона", Так как EN 206 не является гармонизированным европейским стандартом, предписания CEN позволяют использовать национальные нормы, если это указано в стандарте. Эти национальные нормы предусмотрены в Документах национальных заявок. В некоторых Документах национальных заявок было выбрана «концепция величины k», в то время кок в других странах использовалось "концепция ровных характеристик бетона".

Величина k определяет коэффициент, введенный для учета зольной пыли относительно эквивалентной доли воды и цемента w/(c + kf), и, в некоторых странах, содержания эквивалентного связующего вещество, beq = с + kl. В других странах разрешается определенное уменьшение минимального содержания цемента при его замене эквивалентным связующим веществом, если количество цемента уменьшено за счет его замены зольной пылью. В европейских странах величина k составляет 0,2 или 0,4, в зависимости от типа и класса прочности цемента, Обычно величина k дЛЯ СЕМ I 32.5 составляет 0,2, для более высоких классов прочности - 0,4. В Германии величина k составляет 0,4 для всех типов цемента. Для специальных видов бетона, таких, кок бетон для подводных сооружений, бетон для буровых свай и стен в грунте, величина k составляет 0,7. Во Франции величина k равна 0,4, 0,5 или 0,6 в зависимости от показателя активности зольной пыли. Во всех документах национальных заявок к EN 206 максимальное количество зольной пыли, учитываемое для эквивалентного соотношения воды и цемента (w/(c+kl)), не превышает 0,33 от содержания цемента. В некоторых странах принята концепция эквивалентных характеристик бетона, Т.е. эквивалентность характеристик бетона па прочности и долго-

вечности должна доказываться для данной прочности бетона и класса воздействия внешних условий.

Основанное на технических преимуществах и позднее ускоренное оформлением юридических условий использование зольной пыли в качестве добавки к бетону развивалось на протяжении последних 50 лет, Каждый год в европейских странах (15 стран - членов ЕС, ЕС 15) используется около 6 миллионов тонн кремнистой зольной пыли в виде добавки к бетону.

Первый опыт, полученный в отдельных проектах на основании разрешений, государственных органов, был обобщен в национальных стандартах или предписаниях. В 1994 г. был опубликован первый европейский стандарт EN 450 по использованию зольной пыли в бетоне. На основании опыта европейских стран содержание исправленных европейских стандартов EN 450- 1 и EN 450-2 по использованию зольной пыли в бетоне было распространено на зольную пыль, получаемую при совместном сжигании горючих материалов, с ограничениями по типу и количеству, и но зольную пыль с перерабатывающих предприятий. Часть 1 стандарта охватывает определения, спецификации и критерии соответствия зольной пыли для бетона, часть 2 дает схемы оценки соответствия. С введением гармонизированных стандартов должны учитываться дополнительные физические и химические параметры при оценке соответствия нормам зольной пыли, полученной от совместного сжигания материалов, и зольной пыли, полученной с перерабатывающих предприятий.

Для гарантии качества зольной пыли на основании расширенных определений в новых стандартах необходимы внутренний контроль качества с соответствующим мониторингом со стороны уполномоченного центра по надзору, а также необходима выполнение требований к установкам по производству и хранению зольной пыли для обеспечения соответствия характеристикам, определенным в стандарте DIN EN 450-1.