Розроблення та дослідження низьковуглецевих товарних бетонів з використанням мокрої золи-винесення Бурштинської ТЕС

Abstract

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА» КАФЕДРА БУДІВЕЛЬНОГО ВИРОБНИЦТВА Розширена анотація магістерської кваліфікаційної роботи Студента: Коція Олександра Ростиславовича Керівник: Саницький Мирослав Андрійович Тема: Розроблення та дослідження низьковуглецевих товарних бетонів з використанням мокрої золи-винесення Бурштинської ТЕС. Львів – 2024р. Розширена анотація Дослідження має на меті розробку низьковуглецевих бетонних сумішей, які відповідають сучасним вимогам до міцності та довговічності, дозволяючи при цьому скоротити витрати виробництва та сприяти екологічній стійкості шляхом зниження викидів СО? у будівельній промисловості. Проблема зміни клімату, викликана підвищеним рівнем викидів вуглекислого газу (СO?), є однією з найбільших екологічних загроз сучасності. За даними міжнародних досліджень, антропогенні викиди СО?, спричинені промисловістю, транспортом та енергетикою, є основною причиною глобального потепління та порушенням кліматичної рівноваги. На світовій арені, а також в Україні, питання зменшення вуглецевого сліду є нагальним для запобігання екологічним катастрофам та покращення якості життя. В Україні також спостерігається зростання промислових викидів СО?, і ця проблема потребує активного втручання та пошуку рішень. Одним з основних джерел СО? є промисловість, виготовлення будівельних матеріалів, зокрема виробництво бетону. Процес виготовлення цементу – основного компонента бетону – є одним із найбільш вуглецевоємних. Він потребує випалу клінкеру при високих температурах, що супроводжується значними викидами СО?. Вважається, що на виробництво цементу припадає близько 8% глобальних викидів вуглекислого газу. Об’єкт дослідження – низьковуглецеві товарні бетони з використанням мокрої золи-винесення. Предмет дослідження – особливості розроблення, складу та властивостей низьковуглецевих бетонів з додаванням мокрої золи винесення Бурштинської ТЕС з акцентом на міцність, довговічність і зниження вуглецевого сліду. Мета дослідження – основною метою дослідження є зниження вуглецевих викидів, пов'язаних з виробництвом бетону, шляхом оптимізації складу бетонної суміші з акцентом на зменшенні витрат цементу. Одним із найбільш перспективних шляхів досягнення цієї мети є заміна частин цементу на інші компоненти, що мають нижчий вуглецевий слід. Таке рішення не лише знижує рівень СО?, але й здатне вплинути на вартість кінцевого продукту, зменшуючи витрати на цемент — один із найдорожчих компонентів бетонної суміші. Для досягнення цієї мети розглядаються декілька підходів. По-перше, дослідження впливу пластифікуючих добавок. Це допоможе підвищити рухливість бетонної суміші при меншому вмісті води і цементу, що позитивно впливає на її міцність і довговічність. По-друге, оптимізація складу заповнювачів, тобто правильний вибір різних фракцій піску та щебеню, дозволить мінімізувати питомі поверхні в бетоні, підвищуючи його щільність і знижуючи витрату цементного в'яжучого. По-третє, додавання золи винесення з теплоелектростанцій (ТЕС) до складу бетонної суміші забезпечує не лише економію цементу, але й дозволяє вторинне використання промислових відходів, що також має екологічні переваги. Результати дослідження: 1. Оптимізація гранулометричного складу Введення щебеню фракції 2-5 мм покращило структуру бетонної суміші, що призвело до підвищення міцності бетону. У віці 28 діб міцність склала 38,10 МПа, що на 0,5% вище порівняно з базовим складом (37,91 МПа). Хоча приріст міцності виявився незначним, оптимізація гранулометричного складу створила кращу основу для подальшої модифікації бетону. 2. Вплив пластифікуючих добавок Використання пластифікатора Centrament N9 дало такі результати, зниження витрати води на 9,5% та цементу на 5,7%, міцність бетону на 28 добу зросла до 42,65 МПа, що на 12,5% перевищує показники базового складу. Застосування суперпластифікатора Muraplast EK59 виявилося ще ефективнішим - при зниженні витрати води на 18,6% та цементу на 17,1% міцність досягла 44,65 МПа, що на 17,8% вище за базовий склад. 3. Комплексна модифікація Часткова заміна цементу золою винесення при використанні суперпластифікатора Muraplast EK59 дозволила знизити витрату цементу до 270 кг/м? (на 22,9% порівняно з базовим складом). При цьому міцність бетону на 28 добу становила 43,98 МПа, що на 16,0% перевищує показники базового складу. Це свідчить про ефективність комплексного підходу до модифікації складу бетону. 4. Екологічні показники Екологічні характеристики фінального складу бетонної суміші порівняно з базовим, на 28 добу твердіння: • Зниження клінкер-інтенсивності на 33,8% (з 7,4 до 4,9 кгклінкеру/(м?*МПа)) • Зниження CO?-інтенсивності на 34,4% (з 6,4 до 4,2 кгCO?/(м?*МПа)) Перелік використаної літературних джерел ДСТУ Б В.2.7-32-95 Будівельні матеріали. Пісок щільний природний для будівельних матеріалів, виробів, конструкцій і робіт. Технічні умови ДСТУ Б В.2.7-43-96 Бетони важкі. Технічні умови ДСТУ Б В.2.7-71-98 Щебінь і гравій із щільних гірських порід і відходів промислового виробництва для будівельних робіт. Методи фізико-механічних випробувань ДСТУ Б В.2.7-171:2008 Будівельні матеріали. Добавки для бетонів і будівельних розчинів. Загальні технічні умови (EN 934-2:2008, NEQ) Будівельне матеріалознавство / [П.В. Кривенко, К.К. Пушкарьова, В.Б. Барановський та ін.] – К.: ТОВ УВПК “ЕксОб”, 2004. – 704 с Гоц В.І. Бетони і будівельні розчини / В.І. Гоц. – К.: ТОВ УВПК “ЕксОб”, 2003. – 468 с. ДСТУ Б В.2.7-214:2009 Будівельні матеріали. Бетони. Методи визначення міцності за контрольними зразками ДСТУ Б В.2.7-232:2010 Будівельні матеріали. Пісок для будівельних робіт. Методи випробувань ДСТУ-Н Б В.2.7-299:2013 Настанова щодо визначення складу важкого бетону ДСТУ Б В.2.7-46:2010 Будівельні матеріали. Цементи загальнобудівельного призначення. Технічні умови ДСТУ-Н Б В.2.6-197:2014 Настанова з проектування залізобетонних колон. Розрахунок на вогнестійкість Принципи стратегії сталого розвитку в цементній промисловості / Т.М. Круць, І.М. Гев`юк М.А. Саницький, Т.П. Кропивницька // Будівельні матеріали та вироби.–2015. – № 3-4. – С. 16-19. Кропивницька Т.П. Концепція еко-ефективних наномодифікованих лужноактивованих композиційних цементів з високою ранньою міцністю / Т. П. Кропивницька // Вісник НУ «Львівська політехніка». Теорія і практика будівництва. – 2019. – № 912. – C. 18-23. Високоякісні швидкотверднучі портландцементи виробництва ПрАТ «Івано-Франківськцемент» / Т.М. Круць, О.Ф. Горпинко, І.М. Гев`юк, М.А. Саницький, Т.П. Кропивницька // Будівельні матеріали та вироби. – 2018. – № 1/2 (97). – C. 34–37.MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF UKRAINE NATIONAL UNIVERSITY "LVIV POLYTECHNIC" DEPARTMENT OF CONSTRUCTION PRODUCTION Extended Annotation of Master's Qualification Thesis Student: Kotsii Oleksandr Rostyslavovych Supervisor: Sanytsky Myroslav Andriiovych Topic: The development and research of low-carbon ready-mix concretes using wet fly ash from Burstyn TPP Lviv -- 2024 Extended abstract The research aims to develop low-carbon concrete mixtures that meet modern requirements for strength and durability while reducing production costs and promoting environmental sustainability by decreasing CO? emissions in the construction industry. Climate change caused by increased carbon dioxide (CO?) emissions is one of the most significant environmental threats of our time. According to international studies, anthropogenic CO? emissions caused by industry, transport, and energy sectors are the primary cause of global warming and climate imbalance. Both globally and in Ukraine, reducing the carbon footprint is crucial for preventing environmental disasters and improving quality of life. Ukraine is also experiencing an increase in industrial CO? emissions, and this problem requires active intervention and solutions. One of the main sources of CO? is industry, particularly the manufacturing of construction materials, including concrete production. The process of cement manufacturing - a key component of concrete - is one of the most carbon-intensive processes. It requires clinker burning at high temperatures, which is accompanied by significant CO? emissions. It is estimated that cement production accounts for about 8% of global carbon dioxide emissions. Research Object: Low-carbon ready-mix concrete using wet fly ash. Research Subject: Features of development, composition, and properties of low-carbon concrete with the addition of wet fly ash from Burshtyn Thermal Power Plant, focusing on strength, durability, and carbon footprint reduction. Research Goal: The main objective of the research is to reduce carbon emissions associated with concrete production by optimizing the concrete mixture composition with emphasis on reducing cement consumption. One of the most promising ways to achieve this goal is replacing portions of cement with other components that have a lower carbon footprint. This solution not only reduces CO? levels but can also affect the final product's cost by reducing expenses on cement - one of the most expensive components of concrete mixture. To achieve this goal, several approaches are considered: First, studying the effect of plasticizing additives. This will help increase the workability of the concrete mixture with lower water and cement content, positively affecting its strength and durability. Second, optimization of aggregate composition, meaning the proper selection of various sand and crushed stone fractions, will minimize specific surfaces in concrete, increasing its density and reducing cement binder consumption. Third, adding fly ash from thermal power plants (TPP) to the concrete mixture provides not only cement savings but also allows for industrial waste recycling, which has additional environmental benefits. Research Results: 1. Granulometric Composition Optimization The introduction of 2-5 mm fraction crushed stone improved the concrete mixture structure, leading to increased concrete strength. At 28 days, the strength reached 38.10 MPa, which is 0.5% higher compared to the base composition (37.91 MPa). Although the strength increase was modest, the granulometric composition optimization created a better foundation for further concrete modification. 2. Impact of Plasticizing Additives Using Centrament N9 plasticizer yielded the following results: water reduction by 9.5% and cement reduction by 5.7%, concrete strength at 28 days increased to 42.65 MPa, which is 12.5% higher than the base composition. The use of Muraplast EK59 superplasticizer proved even more effective - with water reduction by 18.6% and cement reduction by 17.1%, strength reached 44.65 MPa, which is 17.8% higher than the base composition. 3. Complex Modification Partial replacement of cement with fly ash while using Muraplast EK59 superplasticizer allowed reducing cement consumption to 270 kg/m? (22.9% compared to base composition). The concrete strength at 28 days was 43.98 MPa, which is 16.0% higher than the base composition. This demonstrates the effectiveness of a comprehensive approach to concrete composition modification. 4. Environmental Indicators Environmental characteristics of the final concrete mixture composition compared to the base composition at 28 days of hardening: • Reduction in clinker intensity by 33.8% (from 7.4 to 4.9 kg_clinker_/(m?*MPa)) • Reduction in CO? intensity by 34.4% (from 6.4 to 4.2 kg_CO?_/(m?*MPa)) List of used literature sources ДСТУ Б В.2.7-32-95 Будівельні матеріали. Пісок щільний природний для будівельних матеріалів, виробів, конструкцій і робіт. Технічні умови ДСТУ Б В.2.7-43-96 Бетони важкі. Технічні умови ДСТУ Б В.2.7-71-98 Щебінь і гравій із щільних гірських порід і відходів промислового виробництва для будівельних робіт. Методи фізико-механічних випробувань ДСТУ Б В.2.7-171:2008 Будівельні матеріали. Добавки для бетонів і будівельних розчинів. Загальні технічні умови (EN 934-2:2008, NEQ) Будівельне матеріалознавство / [П.В. Кривенко, К.К. Пушкарьова, В.Б. Барановський та ін.] – К.: ТОВ УВПК “ЕксОб”, 2004. – 704 с Гоц В.І. Бетони і будівельні розчини / В.І. Гоц. – К.: ТОВ УВПК “ЕксОб”, 2003. – 468 с. ДСТУ Б В.2.7-214:2009 Будівельні матеріали. Бетони. Методи визначення міцності за контрольними зразками ДСТУ Б В.2.7-232:2010 Будівельні матеріали. Пісок для будівельних робіт. Методи випробувань ДСТУ-Н Б В.2.7-299:2013 Настанова щодо визначення складу важкого бетону ДСТУ Б В.2.7-46:2010 Будівельні матеріали. Цементи загальнобудівельного призначення. Технічні умови ДСТУ-Н Б В.2.6-197:2014 Настанова з проектування залізобетонних колон. Розрахунок на вогнестійкість Принципи стратегії сталого розвитку в цементній промисловості / Т.М. Круць, І.М. Гев`юк М.А. Саницький, Т.П. Кропивницька // Будівельні матеріали та вироби.–2015. – № 3-4. – С. 16-19. Кропивницька Т.П. Концепція еко-ефективних наномодифікованих лужноактивованих композиційних цементів з високою ранньою міцністю / Т. П. Кропивницька // Вісник НУ «Львівська політехніка». Теорія і практика будівництва. – 2019. – № 912. – C. 18-23. Високоякісні швидкотверднучі портландцементи виробництва ПрАТ «Івано-Франківськцемент» / Т.М. Круць, О.Ф. Горпинко, І.М. Гев`юк, М.А. Саницький, Т.П. Кропивницька // Будівельні матеріали та вироби. – 2018. – № 1/2 (97). – C. 34–37.