Влияние продолжительных процессов смешивания на свойства свежих, затвердевших и долговечных цементных систем, содержащих летучую золу

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6091 (2023) Цитировать эту статью

708 Доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

Спецификации, соответствующие производительности системы, могут гарантировать дополнительную ценность. В большинстве спецификаций товарного бетона указаны ограничения на время выгрузки и количество оборотов барабана грузовика. Эти ограничения были разработаны для обычного бетона. Поскольку использование дополнительных вяжущих материалов (SCM) становится повсеместным, важно определить, применимы ли эти спецификации к SCM, то есть к системам, содержащим летучую золу. В данной статье представлены результаты влияния времени смешивания и количества оборотов миксера на характеристики изготовленных в лаборатории паст и строительных растворов, содержащих 20% и 50% летучей золы. Оцениваемые их характеристики включают изменяющиеся во времени концентрации ионов, время схватывания, текучесть, прочность на сжатие, пористость и кажущийся коэффициент диффузии хлоридов. Результаты показывают, что с увеличением времени смешивания и количества оборотов смесителя смеси с заменой летучей золы улучшают характеристики как свежего, так и затвердевшего. При смешивании в течение 60 минут или 25 505 оборотов прочность на сжатие за 28 дней смесей, содержащих 20% и 50% летучей золы, на 50–100% выше, чем у чистого цемента. Летучую золу предлагается использовать в расширенных процессах смешивания цементных систем.

Летучая зола — это пуццолановый побочный продукт процесса сжигания угля, используемый для выработки электроэнергии. В настоящее время на процесс сжигания угля приходится примерно 50–55% общего объема производства энергии в США1,2. Примерно 75 процентов побочных продуктов этой операции представляют собой летучую золу3,4,5. Следовательно, прогнозируется, что в глобальном масштабе ежегодно производится 500–550 миллионов тонн летучей золы6,7. Летучую золу используют во многих отраслях, в том числе в сельском хозяйстве, а также в цементной и бетонной промышленности. Было обнаружено, что использование летучей золы в цементной и бетонной промышленности улучшает эксплуатационные характеристики гидратированных продуктов8,9. Основное использование летучей золы для производства современных бетонных композитов приводит к появлению новых инновационных решений в этой области, таких как наноматериалы10, четвертичные и тройные связующие11,12,13 и активные семена14,15. Новые инновационные решения могут предложить индивидуальные бетонные изделия для различных применений. Однако более 70 процентов летучей золы, собираемой на электростанциях, не используется, что создает серьезные проблемы с утилизацией16,17. Угольные электростанции несут дополнительные затраты из-за утилизации летучей золы. Ожидается, что ежегодные затраты составят примерно 1,2 миллиарда долларов США18. Поэтому необходимы дополнительные исследования и инновации, которые могут расширить использование летучей золы, особенно в цементной и бетонной отраслях. Помимо снижения затрат на утилизацию, это может улучшить эксплуатационные характеристики бетонных смесей.

Бетон является вторым наиболее часто используемым веществом в мире после воды19. Были предприняты значительные усилия по ограничению выбросов CO2 в цементной и бетонной отраслях из-за экологических проблем. Тем не менее, выбросы CO2 от этих предприятий остаются заметно высокими, и требуются дополнительные усилия. Американская ассоциация угольной золы (ACAA)20 подсчитала, что использование летучей золы в качестве источника дополнительного вяжущего материала (SCM) в бетоне может сократить выбросы CO2 на 10–14 тонн в год только в США. Частичная замена летучей золы не только может способствовать устойчивому развитию за счет снижения выбросов CO2, но также снижает затраты, связанные с производством бетона и утилизацией летучей золы. Правила Федерального управления шоссейных дорог (FHWA) поощряют использование бетонных систем, содержащих летучую золу. Это особенно верно, когда цена на бетон из золы-уноса сопоставима или ниже цены на портландцементный бетон (PCC)21. Следовательно, не весь цемент следует заменять летучей золой в данной смеси. Помимо экологических и экономических преимуществ, признано, что замена портландцемента (ПК) летучей золой улучшает свойства свежего и затвердевшего гидратированного продукта. В качестве пуццоланового материала гидроксид кальция (Ca(OH2)) может вступать в реакцию с образованием гидратов силиката кальция, повышающих прочность (CS – H). Эти гидраты приводят к уплотнению межфазной переходной зоны (ITZ) и улучшению микроструктуры бетона на границе раздела цементного теста и заполнителей22,23. Следовательно, характеристики бетонных систем, включающих летучую золу, могут превосходить характеристики обычных бетонных систем, включая готовый бетон.