Зола-уноса¶

Зола-уноса — это тонкодисперсный пылевидный материал, образующийся при сжигании твёрдого минерального топлива (в первую очередь каменного и бурого угля) на тепловых электростанциях и улавливаемый из дымовых газов системами золоулавливания. Относится к классу техногенных (искусственных) отходов и одновременно является ценным вторичным минеральным сырьём, широко применяемым в строительной индустрии, производстве цемента и бетона, дорожном строительстве и других отраслях.

¶История

Образование золы-уноса как массового отхода началось с развитием теплоэнергетики в конце XIX — начале XX века. Первые крупные тепловые электростанции, работавшие на угле, столкнулись с проблемой утилизации огромных объёмов золошлаковых отходов. В СССР и России проблема золоудаления стала особенно актуальной в 1930–1950-е годы, когда были построены крупные ГРЭС и ТЭЦ. Долгое время зола-уноса рассматривалась исключительно как отход, складировавшийся в золоотвалах, которые занимали значительные площади и создавали экологическую нагрузку.

Научные исследования свойств золы-уноса начались в середине XX века. Было установлено, что она обладает пуццоланической активностью — способностью реагировать с гидроксидом кальция в присутствии воды с образованием прочных соединений, подобных цементному камню. Это открытие стимулировало использование золы-уноса в качестве активной минеральной добавки в цемент и бетон. В СССР с 1960-х годов началось внедрение золы-уноса в производство строительных материалов. В 1970-х годах были разработаны первые государственные стандарты, регламентирующие её применение. В западных странах, особенно в США и странах Европы, активное использование золы-уноса в строительстве началось несколько раньше, и к концу XX века она стала одним из ключевых компонентов в производстве высококачественных бетонов.

¶Образование и состав

¶Процесс образования

Зола-уноса образуется в топках котлов тепловых электростанций при сжигании угольной пыли. При температуре горения 1200–1700 °C минеральные компоненты угля плавятся, образуя мелкие капли. Вместе с потоком дымовых газов эти капли выносятся из топки, быстро охлаждаются и затвердевают в виде стекловидных сферических частиц размером от 1 до 100 мкм. Основная масса частиц имеет размер менее 50 мкм. Для улавливания золы-уноса из дымовых газов применяются электрофильтры, рукавные фильтры или циклоны, обеспечивающие степень очистки до 99 % и выше.

¶Химический состав

Химический состав золы-уноса зависит от типа сжигаемого угля, его минералогии и условий сжигания. Основными компонентами являются оксиды кремния (SiO₂), алюминия (Al₂O₃), железа (Fe₂O₃), кальция (CaO) и магния (MgO). В меньших количествах присутствуют оксиды калия, натрия, титана, серы, фосфора и других элементов. Типичный состав золы-уноса от сжигания каменных углей (антрацитов, тощих углей) включает 45–60 % SiO₂, 20–35 % Al₂O₃, 5–15 % Fe₂O₃, 1–5 % CaO. Зола от сжигания бурых углей, как правило, содержит больше CaO (до 20–30 %) и меньше Al₂O₃.

¶Фазовый состав

В фазовом составе золы-уноса преобладает алюмосиликатное стекло (аморфная фаза), составляющее 50–80 % объёма. Кристаллические фазы представлены кварцем (SiO₂), муллитом (3Al₂O₃·2SiO₂), гематитом (Fe₂O₃), магнетитом (Fe₃O₄), полевыми шпатами, а также, в зависимости от состава угля, — кальцитом, ангидритом, периклазом и другими минералами. Содержание несгоревшего углерода (потери при прокаливании, ППП) обычно составляет 1–8 %, но может достигать 15–20 % при неполном сжигании.

¶Классификация

Золу-уноса классифицируют по нескольким признакам.

¶По типу сжигаемого угля

Зола от сжигания каменных углей (антрацитов, тощих, газовых) — характеризуется высоким содержанием SiO₂ и Al₂O₃, низким содержанием CaO (менее 10 %), обладает пуццоланической активностью.
Зола от сжигания бурых углей (лигнитов) — содержит повышенное количество CaO (10–30 %), часто обладает вяжущими свойствами (гидравлической активностью) наряду с пуццоланическими.

¶По нормативным документам

В России действует ГОСТ 25818-2017 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия», который выделяет:

Золу I вида — для обычных бетонов;
Золу II вида — для ячеистых бетонов;
Золу III вида — для бетонов с особыми требованиями (например, для гидротехнических сооружений).

В международной практике широко применяется классификация ASTM C618 (США), которая делит золу-уноса на два класса:

Класс F — зола от сжигания антрацитов и битуминозных углей, с низким содержанием CaO (менее 10 %), обладающая пуццоланическими свойствами.
Класс C — зола от сжигания лигнитов и суббитуминозных углей, с высоким содержанием CaO (10–30 %), обладающая как пуццоланическими, так и вяжущими свойствами.

¶Физико-химические свойства

Основные свойства золы-уноса, определяющие её применение:

Удельная поверхность — от 200 до 600 м²/кг (по Блейну), что значительно выше, чем у цемента (300–400 м²/кг).
Насыпная плотность — 500–1000 кг/м³.
Истинная плотность — 1900–2600 кг/м³.
Цвет — от светло-серого до тёмно-коричневого, в зависимости от содержания несгоревшего углерода и оксида железа.
Форма частиц — преимущественно сферическая (стеклянные микросферы), что обеспечивает «шариковый эффект» — улучшение удобоукладываемости бетонных смесей.
Пуццоланическая активность — способность связывать гидроксид кальция при нормальной температуре, образуя гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, аналогичные продуктам гидратации цемента.
Гидравлическая активность (для золы класса C) — способность самостоятельно твердеть при затворении водой.

¶Применение

¶Производство цемента и бетона

Зола-уноса является наиболее массовым видом техногенного сырья для строительной индустрии. Она используется:

Как активная минеральная добавка в цемент — вводится в состав цемента при помоле (до 20–40 % по массе), что позволяет снизить расход клинкера, уменьшить энергозатраты и выбросы CO₂. В России такой цемент выпускается по ГОСТ 31108-2020 (ЦЕМ II, ЦЕМ III, ЦЕМ IV, ЦЕМ V).
Как добавка в бетон — частично заменяет цемент (обычно 10–30 % по массе), улучшая удобоукладываемость, снижая тепловыделение при гидратации, повышая водонепроницаемость и долговечность бетона. Широко применяется при строительстве массивных гидротехнических сооружений, мостов, дорожных покрытий.
В производстве ячеистых бетонов (газобетона, пенобетона) — в качестве кремнезёмистого компонента.
В производстве сухих строительных смесей — штукатурок, кладочных растворов, затирок.

¶Дорожное строительство

Зола-уноса используется:

В качестве стабилизатора грунтов — при укреплении оснований дорожных одежд, аэродромных покрытий.
Как компонент асфальтобетонных смесей — в качестве минерального порошка (наполнителя), улучшающего сцепление битума с каменным материалом.
В составе цементобетонных дорожных покрытий — как добавка, повышающая морозостойкость и трещиностойкость.

¶Сельское хозяйство

Зола-уноса может применяться:

В качестве известкового материала — для нейтрализации кислых почв (особенно зола класса C, богатая CaO).
Как микроудобрение — содержит калий, фосфор, серу, микроэлементы (бор, медь, цинк, молибден), однако её применение ограничено из-за возможного содержания тяжёлых металлов и радиоактивных элементов.
В качестве мелиоранта — для улучшения физико-химических свойств почв.

¶Другие области

Производство керамических материалов — кирпича, черепицы, керамогранита (в качестве отощающей добавки).
Производство стекла и стеклокристаллических материалов (ситаллов, шлакоситаллов).
Производство сорбентов — для очистки сточных вод и газовых выбросов от тяжёлых металлов, органических загрязнителей.
Производство легких заполнителей (аглопорита, керамзита).
В качестве наполнителя в полимерных композитах, резинотехнических изделиях.

¶Экологические аспекты

Зола-уноса является одним из крупнейших по объёму техногенных отходов. В России ежегодно образуется около 20–25 млн тонн золы-уноса, из которых используется лишь 10–15 % (для сравнения, в странах ЕС уровень утилизации достигает 50–70 %, в США — около 40 %). Остальная масса складируется в золоотвалах, которые занимают тысячи гектаров земель, загрязняют атмосферу (пыление) и грунтовые воды (вымывание токсичных элементов).

Складирование золы-уноса сопряжено с рядом экологических рисков:

Пыление — мелкодисперсные частицы золы легко поднимаются ветром, создавая пылевое загрязнение воздуха, содержащее оксиды кремния, алюминия, тяжёлые металлы (мышьяк, кадмий, свинец, ртуть, хром).
Загрязнение водных объектов — дождевые и талые воды, проходя через золоотвалы, выщелачивают растворимые соли, сульфаты, хлориды, тяжёлые металлы, что приводит к засолению и токсификации водоёмов.
Радиоактивность — зола-уноса может содержать повышенные концентрации природных радионуклидов (уран, торий, радий), что ограничивает её применение в жилищном строительстве.

С другой стороны, использование золы-уноса в качестве вторичного сырья позволяет:

снизить объёмы складируемых отходов;
сократить выбросы CO₂ при производстве цемента (замена клинкера);
уменьшить потребление природных ресурсов (песка, щебня, глины);
снизить энергозатраты на производство строительных материалов.

¶Нормативное регулирование в России

В России применение золы-уноса регламентируется следующими основными документами:

ГОСТ 25818-2017 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия»;
ГОСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные. Технические условия»;
ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия»;
СП 28.13330.2017 «Защита строительных конструкций от коррозии»;
СанПиН 2.6.1.2523-09 (НРБ-99/2009) — нормы радиационной безопасности.

Для использования золы-уноса в строительстве требуется подтверждение её радиационной безопасности (отнесение к I или II классу по удельной эффективной активности естественных радионуклидов).

¶Источники

ГОСТ 25818-2017 «Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Технические условия». — М.: Стандартинформ, 2017.
ГОСТ 31108-2020 «Цементы общестроительные. Технические условия». — М.: Стандартинформ, 2020.
ASTM C618-19 «Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete». — ASTM International, 2019.
Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны. — М.: Издательство АСВ, 2006. — 368 с.
Золы-уноса тепловых электростанций: свойства, применение, экология / Под ред. В.И. Калашникова. — Пенза: ПГУАС, 2012. — 200 с.
Классен В.К., Классен И.В. Золы-уноса как сырье для производства цемента и бетона. — М.: Стройматериалы, 2018. — 240 с.
Малинин В.И., Малинина Л.В. Использование золы-уноса в строительстве. — М.: Стройиздат, 1991. — 160 с.
Рекомендации по применению золы-уноса в бетонах и строительных растворах. — М.: НИИЖБ, 2008. — 48 с.
Свод правил СП 28.13330.2017 «Защита строительных конструкций от коррозии». — М.: Минстрой России, 2017.