mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2025.3.409-418mgssuvest-551Research ArticleСтроительное материаловедениеConstruction material engineeringИсследование активности отходов тепловых электростанций с позиции применения в составе минеральных вяжущихStudy of the activity of thermal power plant waste from the point of application in mineral bindershttps://orcid.org/0000-0002-7569-1825МарковаИ. Ю.MarkovaI. Yu.

Ирина Юрьевна Маркова — кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, Инновационный научно-образовательный и опытно-промышленный центр наноструктурированных композиционных материалов (ИНО и ОПЦ НКМ)

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46

РИНЦ AuthorID: 671668, Scopus: 57216581692, ResearcherID: ABG-4964-2021

Irina Yu. Markova — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Senior Researcher, Innovative Scientific, Educational and Experimental Industrial Center of Nanostructured Composite Materials

46 Kostyukova st., Belgorod, 308012

RSCI AuthorID: 671668, Scopus: 57216581692, ResearcherID: ABG-4964-2021

irishka-31.90@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4130-5703СтепаненкоМ. А.StepanenkoM. A.

Маргарита Андреевна Степаненко — инженер, Инновационный научно-образовательный и опытно-промышленный центр наноструктурированных композиционных материалов (ИНО и ОПЦ НКМ)

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46

РИНЦ AuthorID: 1037561, Scopus: 57216581139, ResearcherID: AAU-6977-2020

Margarita A. Stepanenko — engineer, Innovative Scientific, Educational and Experimental Industrial Center of Nanostructured Composite Materials

46 Kostyukova st., Belgorod, 308012

RSCI AuthorID: 1037561, Scopus: 57216581139, ResearcherID: AAU-6977-2020

stepanencko.rita2017@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6895-4511СтроковаВ. В.StrokovaV. V.

Валерия Валерьевна Строкова — доктор технических наук, профессор, директор, Инновационный научно-образовательный и опытно-промышленный центр наноструктурированных композиционных материалов (ИНО и ОПЦ НКМ)

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46

РИНЦ AuthorID: 111246, Scopus: 6602722133, ResearcherID: B-5343-2013

Valeria V. Strokova — Doctor of Technical Sciences, Professor, Director doctor of sciences (engineering), professor, director, Innovative Scientific, Educational and Experimental Industrial Center of Nanostructured Composite Materials

46 Kostyukova st., Belgorod, 308012

RSCI AuthorID: 111246, Scopus: 6602722133, ResearcherID: B-5343-2013

vvstrokova@gmail.comЛукьяненкоН. О.LukyanenkoN. O.

Никита Олегович Лукьяненко — аспирант

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46

РИНЦ AuthorID: 1037561

Nikita O. Lukyanenko — postgraduate student

46 Kostyukova st., Belgorod, 308012

RSCI AuthorID: 1037561

niklu03@gmail.comБелгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова)РоссияBelgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (BSTU named after V.G. Shukhov)Russian Federation202527032025203409418Copyright © Маркова И.Ю., Степаненко М.А., Строкова В.В., Лукьяненко Н.О., 20252025Маркова И.Ю., Степаненко М.А., Строкова В.В., Лукьяненко Н.О.Markova I.Y., Stepanenko M.A., Strokova V.V., Lukyanenko N.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/551Введение

Введение. Для эффективного использования отходов в составе минеральных вяжущих и получения заданных характеристик конечных материалов на их основе необходимо учитывать одну из наиболее важных характеристик сырьевого компонента — активность. Выполнен анализ активности зол-уноса (ЗУ) различного состава с применением физико-химических методов, позволяющих определить возможность их использования в составе вяжущих систем на базе цемента. Получение минеральных вяжущих с применением отходов различных производств требует особого внимания ввиду специфики их получения, хранения и изменения свойств под воздействием внешних факторов. Комплексный подход при определении активности таких материалов позволит установить характер и механизмы взаимодействия ЗУ с компонентами вяжущего.

Материалы и методы

Материалы и методы. Проведен анализ активности отходов тепловых электростанций (ТЭС) в виде ЗУ разного состава: основной ЗУ Назаровской ТЭС; кислой ЗУ Рефтинской ГРЭС. Для анализа активности использован комплекс следующих методов: содержание свободного оксида кальция (CaOсв) ускоренным методом (ГОСТ 25818–2017); тест Фраттини (EN 196-5:2011); метод Чапеля (NF P18-513); оценка теплоты гидратации методом дифференциальной калориметрии (авторская методика).

Результаты

Результаты. На основании комплексной оценки активности отходов ТЭС установлено, что оба они являются активными. В свою очередь, основная ЗУ Назаровской ТЭС обладает одновременно вяжущими свойствами и в значительно меньшей степени пуццолановой активностью, а кислая ЗУ Рефтинской ГРЭС — лишь пуццолановой активностью.

Выводы

Выводы. Ввиду своей активности ЗУ могут быть использованы как вспомогательные компоненты в составе цементных композиций, так и взамен части цемента при рационально подобранном количестве компонентов. Для установления характера взаимодействия, а также скорости и интенсивности протекания реакций в процессе структурообразования цементной матрицы в присутствии ЗУ необходим комплексный подход с применением физико-химических методов.

Introduction

Introduction. For the efficient use of waste in mineral binders and obtaining the specified characteristics of the final materials based on them, it is necessary to take into account one of the most important characteristics of the raw material component — activity. The analysis of the activity of fly ash of different composition using various physicochemical methods, allowing to determine the possibility of their use in cement-based binder systems, was carried out. Obtaining mineral binders using waste from various industries requires special attention due to the specifics of their production, storage and change in properties under the influence of external factors. A comprehensive approach in determining the activity of such materials will allow us to establish the nature and mechanisms of interaction of fly ash with binder components.

Materials and methods

Materials and methods. TThe paper analyzes the activity of thermal power plant waste in the form of fly ash of various compositions: basic fly ash of the Nazarovskaya TPP; acid fly ash of the Reftinskaya SDPP. The following set of methods was used to analyze the activity: accelerated CaO content (GOST 25818–2017); Frattini test (EN 196-5:2011); Chapelle method (NF P18-513); assessment of the heat of hydration by differential calorimetry (proprietary technique).

Results

Results. Based on a comprehensive assessment of the activity of the waste from the thermal power plant, it was established that both of them are active. In turn, the main fly ash from the Nazarovskaya TPP has both binding properties and, to a much lesser extent, pozzolanic activity, while the acidic fly ash from the Reftinskaya SDPP has only pozzolanic activity.

Conclusions

Conclusions. Due to its activity, fly ash can be used as auxiliary components in cement compositions, as well as to replace part of the cement with a rationally selected amount of components. To establish the nature of the interaction, as well as the speed and intensity of reactions in the process of structure formation of the cement matrix in the presence of fly ash, a comprehensive approach using physicochemical methods is necessary.

минеральные вяжущиезола-уносацементные системыактивностькинетика тепловыделенияmineral bindersfly ashcement systemsactivityheat release kineticsИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-19-00796 (URL: https://rscf.ru/project/23-19-00796/) с использованием оборудования Центра высоких технологий на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.The research was carried out at the expense of the grant of the Russian Science Foundation No. 23-19- 00796 (URL: https://rscf.ru/project/23-19-00796/) using the equipment of the High Technology Centre at BSTU named after V.G. Shukhov.ReferencesВолодин В.В., Тараканов О.В., Низина Т.А., Кяшкин В.М., Балыков А.С. Гидратация цементных вяжущих с минеральными добавками на основе глинистых и карбонатных пород // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. № 8. С. 1317–1327. DOI: 10.22227/1997-0935.2024.8.1317-1327. EDN AOVNKP.Volodin V.V., Tarakanov O.V., Nizina T.A., Kyashkin V.M., Balykov A.S. Hydration of cement binders with mineral additives based on clay and carbonate rocks. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2024; 19(8):1317-1327. DOI: 10.22227/1997-0935.2024.8.1317-1327. EDN AOVNKP. (rus.).Бедарев В.В., Бедарев Н.В., Бедарев А.В. Применение золы ТЭС для получения высокопрочных бетонов и снижения расхода цемента // Бетон и железобетон. 2022. № 2 (610). С. 3–7. DOI: 10.31659/0005-9889-2022-610-2-3-7. EDN SLHTXZ.Bedarev V.V., Bedarev N.V., Bedarev A.V. The use of thermal power plant ash to produce high-strength concrete and reduce cement consumption. Concrete and Reinforced Concrete. 2022; 2(610):3-7. DOI: 10.31659/0005-9889-2022-610-2-3-7. EDN SLHTXZ. (rus.).Макаренко С.В., Хохряков О.В., Хозин В.Г., Беляков А.Ю. Цементы низкой водопотребности — эффективные строительные материалы для утилизации золошлаковых смесей ТЭЦ // Инженерный вестник Дона. 2023. № 10 (106). С. 524–532. EDN QSOEBO.Makarenko S.V., Khokhryakov O.V., Khozin V.G., Belyakov A.Yu. Low water demand cements are effective building materials for recycling ash and slag waste from thermal power plants. Engineering journal of Don. 2023; 10(106):524-532. EDN QSOEBO. (rus.).Истомина К.Р., Бургонутдинов А.М., Хусаинова К.А. Возможные технологии использования золы уноса // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2022. № 1. С. 36–44. DOI: 10.15593/24111678/2022.01.05. EDN FZTEOA.Istomina K., Burgonutdinov A., Khusainova K. Possible technologies for using fly ash. Transport. Transport Facilities. Ecology. 2022; 1:36-44. DOI: 10.15593/24111678/2022.01.05. EDN FZTEOA. (rus.).Strokova V.V., Markova I.Y., Markov A.Y., Stepanenko M.A., Nerovnaya S.V., Bondarenko D.O. et al. Properties of a Composite Cement Binder Using Fuel Ashes // Key Engineering Materials. 2022. Vol. 909 KEM. Pp. 184–190. DOI: 10.4028/p-tm4y4j. EDN DZHXTC.Strokova V.V., Markova I.Y., Markov A.Y., Stepanenko M.A., Nerovnaya S.V., Bondarenko D.O. et al. Properties of a Composite Cement Binder Using Fuel Ashes. Key Engineering Materials. 2022; 909 KEM:184-190. DOI: 10.4028/p-tm4y4j. EDN DZHXTC.Марков А.Ю., Безродных А.А., Маркова И.Ю., Строкова В.В., Дмитриева Т.В., Степаненко М.А. Прогнозирование прочности портландцемента в присутствии топливных зол // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2020. № 3. С. 26–33. DOI: 10.34031/2071-7318-2020-5-3-26-33. EDN HPFLJZ.Markov A., Bezrodnykh A., Markova I., Strokova V., Dmitrieva T., Stepanenko M. Forecasting strength of Portland cement in the presence of fuel ashes. Bulletin of Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. 2020; 3:26-33. DOI: 10.34031/2071-7318-2020-5-3-26-33. EDN HPFLJZ. (rus.).Путилин Е.И., Цветков В.С. Применение зол уноса и золошлаковых смесей при строительстве автомобильных дорог: обзорная информация отечественного и зарубежного опыта применения отходов от сжигания твердого топлива на ТЭС. М. : Союздорнии, 2003. 58 с. EDN QNQXJH.Putilin E.I., Tsvetkov V.S. Use of fly ash and ash-slag mixtures in the construction of highways : a review of domestic and foreign experience in the use of waste from the combustion of solid fuel at thermal power plants. Moscow, Soyuzdornii, 2003; 58. EDN QNQXJH. (rus.).Королев Е.В. Нанотехнология в строительном материаловедении. Анализ состояния и достижений. Пути развития // Строительные материалы. 2014. № 11. С. 47. EDN SYSIMT.Korolev E.V. Nanotechnology in construction materials science. Analysis of the state and achievements. Development paths. Construction Materials. 2014; 11:47. EDN SYSIMT. (rus.).Галибина Е.А. Классификация пылевидных зол в зависимости от вещественного состава, обеспечивающего их рациональное направление использования для производства строительных материалов // Исследования по строительству. Строительная теплофизика. Долговечность конструкций. Талин, 1981.Galibina E.A. Classification of dust ash depending on the material composition, ensuring their rational use for the production of building materials. Research in construction. Construction thermal physics. Durability of structures. Talin, 1981. (rus.).Кожухова Н.И., Данакин Д.Н., Жерновский И.В. Особенности получения геополимерного газобетона на основе золы-уноса Новотроицкой ТЭЦ // Строительные материалы. 2017. № 1–2. С. 113–117. EDN XXIHXF.Kozhukhova N.I., Danakin D.N., Zhernovsky I.V. Features of producing geopolymeric gas concrete on the basis of fly ash of Novotroitskaya TPS. Construction Materials. 2017; 1-2:113-117. EDN XXIHXF. (rus.).Choudhary R., Gupta R., Nagar R. Impact on fresh, mechanical, and microstructural properties of high strength self-compacting concrete by marble cutting slurry waste, fly ash, and silica fume // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 239. P. 117888. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117888Choudhary R., Gupta R., Nagar R. Impact on fresh, mechanical, and microstructural properties of high strength self-compacting concrete by marble cutting slurry waste, fly ash, and silica fume. Construction and Building Materials. 2020; 239:117888. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117888Лам Т.В., Хунг Н.С., Зиен В.К., Чык Н.Ч., Булгаков Б.И., Баженова О.Ю. и др. Влияние водовяжущего отношения и комплексной органоминеральной добавки на свойства бетона для морских гидротехнических сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 2019. № 3. С. 11–21. DOI: 10.33622/0869-7019.2019.03.11-21. EDN ZAHMDZ.Lam T.V., Hung N.X., Dien Vu.K., Chuc N.T., Bulgakov B.I., Bazhenova O.Yu. et al. Effect of water-binder ratio and complex organic-mineral additive on properties of concrete for marine hydrotechnical constructions. Industrial and Civil Engineering. 2019; 3:11-21. DOI: 10.33622/0869-7019.2019.03.11-21. EDN ZAHMDZ. (rus.).Баженов Ю.М., Воронин В.В., Алимов Л.А., Бахрах А.М., Ларсен О.А., Соловьев В.Н. и др. Высококачественные самоуплотняющиеся бетоны c использованием отходов сжигания угля // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. № 12 (111). С. 1385–1391. DOI: 10.22227/1997-0935.2017.12.1385-1391. EDN YMEBXK.Bazhenov Yu.M., Voronin V.V., Alimov L.A., Bakhrakh A.M., Larsen O.A., Solov’ev V. N. et al. High-quality self-compacting concrete with coal burning waste. [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering]. 2017; 12(12):(111):1385-1391. DOI: 10.22227/1997-0935.2017.12.1385-1391. EDN YMEBXK. (rus.).Балабанов В.Б., Николаенко В.Л. Композитный материал в укатываемом бетоне // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. № 12 (59). С. 119–123. EDN ONXUNB.Balabanov V., Nikolaenko V. Composite material in rolled concrete. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2011; 12(59):119-123. EDN ONXUNB. (rus.).Ватин Н.И., Петросов Д.В., Калачев А.И., Лахтикен П. Применение зол и золошлаковых отходов в строительстве // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 4 (22). С. 16–21. EDN NVYMZJ.Vatin N.I., Petrosov D.V., Kalachev A.I., Lakhtiken P. Use of ashes and ash and slag waste in construction. Magazine of Civil Engineering. 2011; 4(22):16-21. EDN NVYMZJ. (rus.).Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. М. : Высшая школа, 1973. 504 с.Butt Yu.M., Timashev V.V. Practical training in chemical technology of binders. Moscow, Higher School, 1973; 504. (rus.).Потапова Е.Н., Манушина А.С., Зырянов М.С., Урбанов А.В. Методы определения пуццолановой активности минеральных добавок // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2017. № 7–8 (222–223). С. 29–33. EDN XEFJRN.Potapova E.N., Manushina A.S., Zyryanov S.M., Urbanov A.V. Methods for determining pozzolanic activity of mineral additives. Construction materials, equipment, technologies of the XXI century. 2017; 7-8(222-223):29-33. EDN XEFJRN. (rus.).Ferraz E. Pozzolanic activity of metakaolins by the French Standard of the modified Chapelle Test : а direct methology // Acta Geodynamica et Geomaterialia. 2015. Pp. 289–298. DOI: 10.13168/agg.2015.0026Ferraz E. Pozzolanic activity of metakaolins by the French Standard of the modified Chapelle Test : а direct methology. Acta Geodynamica et Geomaterialia. 2015; 289-298. DOI: 10.13168/agg.2015.0026Dolenec S., Ducman V. Evaluation of ash pozzolanic activity by means of the strength activity index test, Frattini test and DTA/TG Analysis // Technical Gazette. 2018. Vol. 25. Issue 6. DOI: 10.17559/tv-2017-1203193229Dolenec S., Ducman V. Evaluation of ash pozzolanic activity by means of the strength activity index test, Frattini test and DTA/TG Analysis. Technical Gazette. 2018; 25(6). DOI: 10.17559/tv-20171203193229Шахова Л.Д., Кучеров Д.Е., Аксютин Ю.А., Гридчина А.А. Оценка активности минеральных добавок для композиционных цементов // Сухие строительные смеси. 2012. № 4. С. 29–32. EDN THYERN.Shakhova L.D., Kucherov D.E., Aksyutin Yu.A., Gridchina A.A. Evaluation of the activity of mineral additives for the composite cements. Dry Building Mixtures. 2012; 4:29-32. EDN THYERN. (rus.).Donatello S., Tyrer M., Cheeseman C.R. Comparison of test methods to assess pozzolanic activity // Cement and Concrete Composites. 2010. Vol. 32. Issue 2. Pp. 121–127. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2009.10.008Donatello S., Tyrer M., Cheeseman C.R. Comparison of test methods to assess pozzolanic activity. Cement and Concrete Composites. 2010; 32(2):121-127. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2009.10.008

The authors declare that there are no conflicts of interest present.