ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Хоботова Э. Б., д-р хим. н., Уханёва М. И., Соколова-Роша Е. Н.

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

Исследование возможности применения золошлаковых отходов в строительстве

Требования к золошлаковым материалам как сырью для производства вяжущих, тяжелых и легких бетонов должны быть направлены на обеспечение высокого качества изделий и конструкций, изготавливаемых на их основе. Немаловажное значение имеет установление класса радиационной опасности золошлаковых отходов. Это связано с тем, что золы и шлаки являются компонентами техногенно измененного радиационного фона. Неконтролируемое применение их в строительных материалах может привести к повышению доз внешнего и внутреннего облучения.

Целью работы являлось выявление фракций золошлаковых отходов ТЭС, обеспечивающих их эффективное применение в качестве компонента цементов и бетонов. Исследованы золошлаковые отходы Славянской ТЭС (Луганская обл.), Змиевской ГРЭС и Эсхаровской ГРЭС-2 (Харьковская обл.).

Гранулометрический состав золошлаков меняется в широких пределах. Нами выделены фракции 10-20 мм, 5-10 мм, <5 мм для золошлаковых отходов Славянской ТЭС. Таким образом, все зольные частицы переходят в самую мелкую фракцию (<5 мм), две другие фракции включают шлаковые частицы.

С помощью рентгеновского микроанализа установлено, что основными элементами, входящими в состав золошлаковых отходов Славянской ТЭС, являются Si, Al, Fe, Mg, Ca, K. Так как большинство элементов присутствуют в виде оксидов, то содержание кислорода составляет более 50%. Во фракцию <5 мм входит углерод, в отличие от более крупных фракций шлака, не имеющих органической компоненты. При этом пространственная структура частиц представлена остеклованными агрегатами, заполненными внутри спекшимися шариками золы различного размера.

Результаты химического анализа (табл. 1) показывают, что основным оксидом в золошлаковых отходах Славянской ТЭС и Эсхаровской ГРЭС-2 является SiO₂. Затем по уменьшению количественного вклада следуют Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO и MgO. При укрупнении фракций увеличивается количественный вклад SiO₂ на 7%, Al₂O₃ – на 17,7% и СаО – на 27,7%. Одновременно уменьшается вклад оксидов Fe₂O₃ (на 18,6%) и MgO (на 38,3%).

Таблица 1

Результаты химического анализа (масс. %) золошлака Славянской ТЭС и шлака Эсхаровской ГРЭС-2

Оксид, показатели	Зола Славянской ТЭС, фракции			Шлак Эсхаровской ГРЭС-2
Оксид, показатели	<5 мм	5-10 мм	10-20 мм	Шлак Эсхаровской ГРЭС-2
SiO₂	54,3	58,4	58,4	63,8
Al₂O₃	21,3	24,4	25,9	18,5
Fe₂O₃	11,3	11,5	9,36	10,7
CaO	2,79	2,79	3,86	3,6
MgO	1,33	1,20	0,82	1,13
Δm_прк	4,65	привес	0,63	привес
М_п = (СаО + Fe₂O₃) : (SiO₂ + Al₂O₃)	0,186	0,173	0,157	0,174
М_о = (CaO + MgO) : (SiO₂ + Al₂O₃)	0,054	0,048	0,055	0,057
М_а = (Al₂O₃) : (SiO₂)	0,39	0,42	0,44	0,29

^* Δm_прк – потери при прокаливании

Рассчитанные модули основности М_о, активности М_а и плавкости М_п (табл. 1) являются важной характеристикой химического состава и гидравлической активности золошлаков.

Установлено, что с понижением М_п повышается температура плавления золы и уменьшается ее микропористость. Причем адсорбционная активность и микропористость зол гораздо больше зависит от М_п, чем шлаковых частиц. Для М_п золы 0,157-0,186 адсорбционная емкость зольных частиц будет составлять 6,5-7,0 мг-экв/100 г, а количество пористых частиц – 18-19%. Падение М_п будет способствовать меньшему водонасыщению легких бетонов. Следовательно, из исследованных фракций более пригодны для использования в легких бетонах крупные фракции с размером частиц 5-10 мм и 10-20 мм.

Сравнение с данными для шлака Эсхаровской ГРЭС-2 показывает, что значения М_п шлака близко к таковому для фракции 5-10 мм Славянской ТЭС. Однако, существенно увеличен массовый вклад SiO₂ и понижен вклад Al₂O₃. Для других оксидов их массовый вклад укладывается в одинаковые интервалы.

Гидравлическую активность золошлаков можно охарактеризовать с помощью системы модулей. Чем больше М_о и М_а (табл. 1), тем выше химическая активность и сильнее выражены гидравлические свойства золошлаков. По значению модулей основности и активности, а также содержанию основных оксидных компонентов все изученные фракции золошлака относятся к группе сверхкислых топливных шлаков. При этом наибольшее содержание гидравлически активных минералов характерно для фракции 10-20 мм Славянской ТЭС, которая может применяться как в качестве вяжущего компонента сырьевой смеси, так и в качестве наполнителя в бетонах.

Результаты рентгенофазового анализа подтвердили, что все три фракции золошлака Славянской ТЭС состоят, в основном, из стекловидных материалов. Для фракции <5 мм золошлака выявлены фазы кварца SiO₂, маггемита Fe₂O₃, не исключаются MgCl₂ и CaSO₄, а также сложный алюмосиликат (Ca,Na)₂(Fe,Mg,Ti)₆(SiAl)₆O₂₀. Для фракции 5-10 мм найдены фазы корунда Al₂O₃, двойного алюмината кальция CaО∙2Al₂O₃, алюмосиликата магния MgO∙Al₂O₃∙SiO₂. Фракция 10-20 мм содержит фазы муллита 3Al₂O₃∙2SiO₂, силицида железа FeSi, NaFe₂O₃, Al₂O₃ и Fe.

Результаты гамма-спектрометрического анализа на сцинтилляционном спектрометре СЕГ-001 "АКП-С" золошлаковых отходов приведены в табл. 2. Все исследованные фракции золошлаков имеют в своем составе естественные радионуклиды ²²⁶Ra и ²³²Th (α, γ – излучатели), а также ⁴⁰К (β, γ – излучатель). Основной вклад в суммарную активность (более 80%) вносит изотоп ⁴⁰К.

Согласно величине эффективной удельной активности (С_эф.) исследованные золошлаки, как и их отдельные фракции, относятся к I классу радиационной опасности, для которого С_эф. не превышает величины 370 Бк/кг. Подобные материалы могут использоваться в строительстве без ограничения.

Таблица 2

Результаты гамма-спектрометрического анализа топливных золошлаковых отходов

Тип отходов	С_эф., Бк/кг	С_сум., Бк/кг	С_і, Бк/кг (% вклада)
Тип отходов	С_эф., Бк/кг	С_сум., Бк/кг	⁴⁰К	²²⁶Ra	²³²Th
Золошлак Славянской ТЭС: Фракция <5 мм Фракция 5-10 мм Фракция 10-20 мм	259±25,3	956	785 (82,2%)	101,0 (10,6%)	69,5 (7,3%)
	237±25,8	897	745 (83%)	83,4 (9,3%)	68,6 (7,6%)
	269±27,8	984	807 (82%)	104 (10,6%)	72,9 (7,4%)
	264±27,3	966	792 (82%)	100 (10,4%)	73,5 (7,6%)
Зола Эсхаровской ГРЭС-2	238±25,8	845	686 (81,1%)	95,0 (11,2%)	64,4 (7,6%)
Золошлак Эсхаровской ГРЭС-2	244±24,9	894	732 (81,9%)	97,8 (10,9%)	64,0 (7,2%)
Шлак Эсхаровской ГРЭС-2	236±26,0	902	750 (83,1%)	89,5 (9,9%)	62,8 (7,0%)
Золошлак Змиевской ГРЭС	254±26,6	930	761 (81,9%)	101 (10,9%)	67,3 (7,2%)

Величина С_эф. как отдельных фракций золошлака Славянской ТЭС, так и отходов Эсхаровской ГРЭС-2 и Змиевской ГРЭС (табл. 2) практически не изменяется, как и вклад отдельных радионуклидов в нее. Следовательно, не могут существовать ограничения по использованию в строительстве отдельных гранулометрических фракций по величине радиоактивности.

Некоторое опасение вызывает достаточно высокая удельная активность ²²⁶Ra, обусловливающего появление радионуклидов радона, так как изотопы радона и их дочерние продукты распада обуславливают примерно на 60-70% величину эффективной дозы облучения человека. Высокая радиотоксичность изотопов ²²²Rn объясняется тем, что их распад сопровождается высокоэнергетическим 100% α-излучением.

Выбор той фракции топливных отходов, которую можно рекомендовать для применения в бетоне не только как наполнителя, но и в качестве вяжущего компонента, должен основываться на двух принципах: низкая радиоактивность и достаточно высокая гидравлическая активность минералов.