КОМПОЗИТНЫЕ СИСТЕМЫ 
КОМПОЗИТНЫЕ СИСТЕМЫ 

С ДОБАВЛЕНИЕМ ЗОЛЫ
С ДОБАВЛЕНИЕМ ЗОЛЫ

Москва
ИНФРА-М
2022

Ì.Â. ÓÑÒÈÍÎÂÀ
Í.È. ÇÓÁÐÅÂ

МОНОГРАФИЯ

УДК 691:504.06(075.4)
ББК 38.3:20.18
 
У80

Устинова М.В.
Композитные системы с добавлением золы : монография / М.В. Устинова, 
Н.И. Зубрев. — М. : ИНФРА-М, 2022. — 71 с. + Доп. материалы 
[Электронный ресурс]. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/mono-
graphy_5978867f1f48b0.08091833.

ISBN 978-5-16-012743-9 (print)
ISBN 978-5-16-103198-8 (online)

В монографии рассмотрено применение зол-уноса в инъекционных растворах. 
Проанализирован вклад российских и зарубежных ученых в развитие 
практического использования инъектирования тампонажных растворов.
Приведены физико-химические свойства компонентов композитного раствора. 
Подробно проанализировано структурообразование в композитных растворах 
цемент — зола. Исследовано структурообразование композитных растворов, 
содержащих золу, в процессе отверждения и при длительном хранении. 
Проведено исследование влияния добавок золы на структуру композитной 
системы.
Рассмотрена экологическая безопасность композитного раствора, содержащего 
золу. Исследована токсичность водных вытяжек композитного раствора 
методом биотестирования. Проанализировано исследование фитотоксичности 
и агроэкономической оценки растворов.
Монография представляет интерес для специалистов в области охраны окружающей 
среды.

УДК 691:504.06(075.4)
ББК 38.3:20.18

У80

А в т о р ы:
Устинова Марина Владимировна – кандидат технических наук, доцент, доцент 
кафедры «Техносферная безопасность» Московского государственного университета 
путей сообщения Императора Николая II;
Зубрев Николай Иванович – кандидат технических наук, доцент, профессор 
кафедры «Техносферная безопасность» Московского государственного университета 
путей сообщения Императора Николая II, эксперт по обращению с опасными 
отходами Росприроднадзора МПР России

ISBN 978-5-16-012743-9 (print)
ISBN 978-5-16-103198-8 (online)
© Устинова М.В., Зубрев Н.И., 2018

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 
в электронно-библиотечной системе Znanium

Введение

Ежегодно в ОАО «РЖД» выводится из производственного использования 
около 5,5 миллионов штук шпал, не пригодных к повторной 
укладке в путь. В настоящее время действует производство по сжиганию 
отработанных деревянных шпал на станции Тагул Восточно-
Сибирской железной дороги. При их сжигании образуется летучая 
зола, опасная для окружающей среды.
Экологической стратегией ОАО «РЖД» на период до 2015 года 
и на перспективу до 2030 года предусматривается вовлечение отходов 
в хозяйственный оборот в качестве источников сырья и материалов. 
К таким отходам могут быть отнесены золы от сжигания отработанных 
деревянных шпал.
Известно применение золы от сжигания угля в качестве частичной 
замены цемента при использовании в тампонажных растворах 
для заблочного и затрубного пространства коллекторных тоннелей. 
Однако их применение носит ограниченный характер, обусловленный 
непостоянным составом золы от сжигания угля, так как 
он зависит от вида и качества добываемого сырья.
Большой вклад в развитие практического использования инъекти-
рования тампонажных растворов внесли российские и зарубежные 
ученые: С.Д. Воронкевич, Н.А. Ларионова, Н.Х. Каримов, А. Кам-
бефор, Г.О. Смирнова, А.Э. Смит, В.И. Митраков, В.М. Мильтштейн, 
Б.В. Ляпидевский и др. Цемент является основной составляющей 
в композитных системах, применяемых в транспортном строительстве 
при закреплении грунтов. Наряду с цементом в состав композитных 
систем входят бентонит и жидкое стекло. Зола от сжигания шпал является 
ценным компонентом, который после снижения токсичности 
может использоваться в качестве замены цемента в композитной системе.

Наиболее выгодным решением было бы такое, которое позволит 
обеспечить получение экологически безопасного состава, для использования 
его в транспортном строительстве.
Полученные результаты позволяют полностью утилизировать 
золу от сжигания шпал путем использования ее в экологически безопасных 
композитных системах при строительстве и эксплуатации 
объектов транспортной инфраструктуры.

Глава 1
ПРИМЕНЕНИЕ ЗОЛ-УНОСА В ИНЪЕКЦИОННЫХ 
РАСТВОРАХ

В настоящее время для укрепления грунтов, трещин и разломов 
в железнодорожном строительстве, строительстве метро, а также ремонте 
действующих метрополитенов применяются различные инъекционные 
материалы [1].
Работы по укреплению грунтов с притоками грунтовых вод в подземные 
сооружения с использованием методов инъекции связаны со 
значительными расходами инъектируемого материала (цемент, 
песок, бентонит, жидкое стекло), которые в отдельных случаях превышают 
десятки тысяч тонн [2, 3, 4].
Для сокращения расходов цемента при инъекционной обработке 
грунтов, проходке и ремонте тоннелей наиболее часто применяют 
портландцемент, бентонитовую глину и известь, часто в сочетании 
с золами или другими отходами промышленности и энергетики [2, 
5, 6, 7].
Золы и золошлаковые смеси также используются в дорожном 
строительстве при сооружении земляного полотна, для устройства 
укрепленных оснований и получения бетона и бетонных изделий 
различного назначения [8]. Кроме того, золы сухого улавливания 
можно применять в качестве самостоятельного вяжущего, а также 
как активную добавку к неорганическим и органическим вяжущим 
веществам [2, 9].
Основные требования к золошлаковым материалам, используемым 
в дорожном строительстве, а также указания по технологии 
их применения изложены в документах [8, 10, 11, 12, 13].
Они основаны на обобщенных результатах исследований научно-
исследовательских организаций с учетом производственного опыта 
и предусматривают применение в дорожном строительстве зол-уноса 
и золошлаковых смесей, получаемых от сжигания в котлоагрегатах 
тепловых электростанций (ТЭС) твердого топлива различного вида 
(бурого и каменного угля, торфа и горючих сланцев).
При строительстве автомобильных дорог золы-уноса сухого отбора 
используют в качестве активной гидравлической добавки совместно 
с цементом или известью, а также как самостоятельное мед-
 ленно твердеющее вяжущее для устройства дорожных оснований 
и покрытий из укрепленных грунтов и отходов [14, 15, 16].
Отходы от сжигания твердого топлива на ТЭС широко используются 
при строительстве автомобильных дорог как в России, так и за 
рубежом [17, 18, 19, 20].

Зола сухого отбора применяется как:
 
• медленнотвердеющее самостоятельное вяжущее для устройства 
оснований дорожных одежд из укрепленных грунтов и каменных 
материалов;
 
• активная гидравлическая добавка в сочетании с неорганическими 
вяжущими (цементом или известью) для устройства оснований;
 
• активная гидравлическая добавка в сочетании с битумными или 
полимерно-битумными вяжущими;
 
• составная часть минерального порошка или для его замены при 
приготовлении асфальтобетонной смеси;
 
• добавка взамен части цемента и заполнителя при приготовлении 
тяжелого бетона и раствора.
Золы ТЭС состоят из неорганической и органической фаз. Неорганическая 
фаза включает: аморфную и кристаллическую составляющие, 
а аморфная представлена стеклом и аморфизированным 
глинистым веществом. Кристаллическая составляющая включает: 
 
• слабоизмененные зерна минералов исходного топлива (кварц, 
полевые шпаты и др.);
 
• клинкерные минералы — C2S, CS, С3А, C4AF и C2F, а также 
СаОсвоб, CaS04, С и карбонаты;
 
• примеси — магнетит, глауконит, опал, ортоклаз, гранат, пирит 
и др.
Стекло в золах может быть силикатного, алюмосиликатного 
и иного состава. Аморфная фаза представлена метакаолинитом, 
аморфизированным глинистым веществом и частично остеклованным 
материалом. Большинство зол имеют сферическую форму 
частиц и гладкую остеклованную фактуру поверхности, встречаются 
также микропористые частицы неправильной формы с губчатой поверхностью, 
полые шарообразные и агрегаты частиц различных конфигураций [
21].
Дисперсность зол оценивается по их удельной поверхности, которая 
в стандартах различных стран должна быть не менее 2700–
4000 см2/г. Содержание частиц менее 1 мкм в золах колеблется в широких 
пределах от нескольких процентов до 50 и более. Плотность 
твердой фазы различных зол колеблется от 1,75 до 3,5 г/см3 
и в среднем составляет 2,1–2,4 г/см3. Объемная плотность находится 
в пределах 0,6–1,3 г/см3 [22].
Пуццолановой активностью в составе зол обладают продукты обжига 
глин: аморфизированное глинистое вещество типа метакаоли-
нита, аморфные и А12О3 и алюмосиликатное стекло. Наиболее активно 
с Са(ОН) реагирует обладающий большой удельной поверхностью 
метакаолинит Al2О, 2SiО2 с образованием гидросиликатов 
кальция и гидрогеленита [23].

Активность аморфных SiО2 и А12О3 заметно меньше, что объясняется 
снижением удельной поверхности вследствие спекания 
и кристаллизации образований (муллита, кристаллобалита). Стек-
лофаза зол и шлаков малоактивна при обычных температурах и в отсутствие 
химической активизации. Пуццолановая реакция золы 
в смеси с портландцементом начинается с адсорбции на поверхности 
частиц золы гидроксида кальция, выделяющегося при гидролизе силикатных 
минералов портландцемента. Ионы кальция поступают 
к поверхности частиц золы и взаимодействуют с ее активными компонентами. 
Пуццолановая реакция начинается не сразу, а по истечении 
определенного времени после приготовления бетона, которое 
колеблется от 14 до 40 суток. Этот срок зависит от качества золы 
и условий твердения [6].
Установлено, что бетоны, содержащие золу, обычно характеризуются 
повышенной водонепроницаемостью, которая зависит от неплотностей 
в местах контакта элементов бетона, что непосредственно 
связано с удобоукладываемостью бетонной смеси и связана 
с пуццолановой активностью золы.
При введении до 50% золы происходит уменьшение пористости 
образцов цементного камня автоклавного твердения. Исследование 
бетона с добавкой золы ТЭС показало, что его пористость (поры 
с d > 10 мкм) через сутки составляет 8–12%, а через 150 суток — 
7–10%, в то время как у обычного бетона соответственно 10–15% 
и 9–12%, причем и размер пор меньше в бетоне с золой [24, 25].
При затворении смеси цемента и золы водой гидратация их происходит 
не одновременно. Первоначально зола остается инертной, 
а цемент активно гидратируется. Степень гидратации цемента в этом 
случае выше, чем в цементе без золы.
Ускорение гидролиза и гидратации цемента в этом случае объясняется, 
прежде всего, тем, что на весовую единицу клинкера приходится 
больше воды, чем в тесте из портландцемента, и таким образом 
происходит более быстрая гидратация зерен клинкера. Кроме того, 
активная добавка, какой является зола, связывая гидрат окиси 
кальция в нерастворимые соединения, снижает его концентрацию 
в водном растворе твердеющей цементной массы и тем ускоряет гидролиз 
содержащихся в клинкере силикатов кальция. Установлено, 
что в начальный период зола не влияет на фазовый состав продуктов 
гидратации цемента [26, 27].
Процессы взаимодействия цемента с водой можно считать первичными, 
а взаимодействие первичной гидроокиси кальция 
с золой — вторичными. В результате этого взаимодействия образуются «
вторичные» гидратные фазы.
Микроскопическое исследование зольных цементов, твердевших 
3, 7, 28, 90 и 130 суток, а также их микрозондирование показало, что 

через 7 суток частицы золы практически не затронуты коррозией, 
а на 28-е сутки отмечается лишь незначительное их нарушение. 
К трем месяцам коррозия выражена уже довольно заметно, а в шес-
тимесячном возрасте этот процесс уже обеспечивает монолитность 
и повышенную прочность цементного камня [21].
Установлено, что через 6 суток на поверхности частиц золы, находившихся 
в цементном камне, появляются первые следы продуктов 
гидратации.
Пуццолановая реакция золы в бетоне начинается с адсорбции на 
поверхности частиц золы гидрооксида кальция, образовавшейся при 
гидролизе силикатов портландцемента. Существование пленки гидроокиси 
кальция на частицах золы доказывается электронно-микроскопическими 
исследованиями. Установлено, что гидроокись 
кальция осаждается на поверхности частиц заполнителя в виде 
пленки, которая образуется в течение 24 часов независимо от типа 
заполнителя. Между покрытием из гидроокиси кальция и частицами 
золы существует тонкий слой толщиной 0,5–1 мкм. При благоприятных 
условиях этот водный слой является проводником ионов 
кальция, под действием которых развивается постепенная эрозия 
поверхности частиц золы.
Таким образом, в водном слое, окружающем частицы золы, происходит 
осаждение и накопление продуктов пуццолановой реакции, 
наблюдается постепенная эрозия частиц золы на стекловидных 
участках. Толщина слоя продуктов пуццолановой реакции у цементного 
камня с 20%-ной заменой цемента золой в возрасте 2 лет составила 
около 1–2 мкм, что соответствует толщине водной прослойки 
[28, 29].
Влияние золы уноса на прочность цементного камня и бетона 
зависит от качества и количества золы, цемента, состава бетонной 
смеси, а также от условий выдерживания и возраста материала.
Введение золы способствует значительному уменьшению количества 
вовлеченного воздуха. Например, в бетоне без золы воздухо-
вовлечение снижается до 2%, а в бетоне с золой — до 5%. Таким образом, 
можно отметить, что введение тонкодисперсной золы практически 
не вызывает увеличения содержания «опасных» пор в бетоне 
разного возраста [30, 31].
В раннем возрасте наличие золы ухудшает структуру бетона, так 
как до заметного развития процессов эрозии зольных частиц, они 
весьма слабо связаны с твердеющим цементным камнем. Таким образом, 
в бетоне с золой резко увеличивается число ослабленных 
участков по сравнению с бетоном без золы за счет контактной зоны.
Зарастание водных пленок вокруг частиц золы способствует образованию 
прочных связей между частицами золы и окружающим ее 
цементным камнем. Уменьшается пористость контактной зоны, на-

ряду с уменьшением пористости цементного камня за счет продолжающейся 
гидратации цемента. По мере твердения происходит уплотнение 
структуры цементного камня и бетона с золой.
Таким образом, при введении золы структура цементного камня 
и бетона заметно изменяется. Отличия возникают и в структуре пор. 
В твердом каркасе появляется, во-первых, новый исходный компонент 
вяжущего — зола, значительно отличающийся по свойствам от 
цемента; во-вторых, возникает новый структурный элемент — продукты 
пуццолановой реакции; и, в-третьих, изменяется соотношение 
между гелевой и кристаллической составляющими в новообразованиях. 
Поровая структура отличается наличием пористости контакт 
ной зоны «зернозолы — цементный камень», повышенной пористостью 
самого цементного камня, возникающей вследствие повышения 
фактического значения водоцементного отношения, 
и дополнительным объемом пор, принадлежащих продуктам пуццолановой 
реакции [32, 33].
Характер дисперсности зол-уноса позволяет использовать их в качестве 
добавок к грунтам, для заполнения межзерновых пустот. Это 
обеспечивает возможность достижения наибольшей плотности смеси 
при уплотнении, что позволяет существенно уменьшить дозировку 
цемента (в среднем на 30–40% от оптимальной его нормы) без снижения 
прочности цементогрунта. Более того, прочность и морозостойкость 
золоцементогрунтов возрастает при оптимальном составе 
смеси. Так, например, прочность на одноосное сжатие золоцемен-
тогрунта, состоящего из песка + 5% цемента + 35% золы-уноса, составила 
около 50 кг/см2 [34]. Для обеспечения повышенных прочностных 
показателей цементогрунта необходимо, чтобы зольные 
добавки содержали частиц менее 0,074 мм более 35% по массе. Такие 
добавки в силу своего гранулометрического состава являются положительным 
фактором в получении высокой механической прочности 
песчаных цементогрунтов, что одновременно предопределяет их долговечность 
и морозостойкость.
Выбор инъекционных растворов применительно к конкретным 
задачам и инженерно-геологическим условиям обычно базируется 
на оценке их реологических и технологических свойств [1, 35, 36, 37].
Исследования, выполненные на геологическом факультете МГУ 
им. М.В. Ломоносова, показали возможность успешно использовать 
золы гидроудаления каменных и бурых углей для снижения расхода 
портландцемента при обработке высокодисперсных глинистых 
грунтов с числом пластичности выше 17, в том числе гумусиро-
ванных [9, 38, 39]. На примере грунтов горизонта А предкавказского 
чернозема было показано, что при их обработке 10%-ной добавкой 
порт ландцемента в сочетании с добавкой зол гидроудаления каменных 
и бурых углей количестве 20–30% формируется золоцемен-

тогрунтовый материал с прочностью на одноосное сжатие в водонасыщенном 
состоянии около 60 кг/см2. Полученные материалы отличаются 
также достаточной морозостойкостью. В результате 
исследования роли химических добавок в улучшении физических 
кондиций золоцементогрунтовых материалов установлено:
 
• при введении в 0,2–0,3% активизаторов щелочного состава 
(NaOH, Na2C03, и др.) существенно повышается водостойкость 
и морозостойкость систем;
 
• наиболее эффективными оказались добавки силиката натрия, 
сернокислого алюминия и кремнефторида натрия;
 
• торфяная зола сухого удаления может успешно использоваться 
в качестве самостоятельного вяжущего, причем наибольший эффект 
достигается в присутствии химических активизаторов — 
NaOH, Na2О, Na2SiF6.
Опытное строительство дорожного и аэродромного основания 
подтвердило возможность использования золоцементогрунтовых 
материалов с участием глинистых грунтов высокой степени дисперсности 
в качестве дорожно-строительных материалов. При этом максимально 
используются местные природные и техногенные грунты, 
и сокращается расход портландцемента.
Вяжущие свойства зол зависят от их химико-минерального состава, 
дисперсности и микроструктуры:
 
• состава минеральной части топлива;
 
• режима сжигания;
 
• способа улавливания;
 
• удаления от места сбора.
Соотношения главных оксидов в среднем составляют: SiО2 — 
40–8%; А12О3 — 21–27%; СаО — 4–6%; Fe2О3 — 4–17%; Na2О — 
0,4–1,4%; К2О — 0,4–0,7%. Помимо этого в состав зол входят SО3, 
MgO, ТiO2 и другие. Верхний предел содержания S03 (< 3%) ограничен 
требованиями сульфатостойкости. При сжигании некоторых 
видов угля, торфа и горючих сланцев образуются высокальциевые 
золы с содержанием СаО до 45%. Такие золы отчетливо проявляют 
гидравлические свойства и могут использоваться (при определенных 
условиях) в качестве самостоятельных вяжущих материалов. Следует, 
однако, отметить, что валовое содержание извести не обязательно 
соответствует повышенному количеству свободной извести, которая 
обеспечивает реакционную способность золы в целом. Свободный 
гидроксид кальция может составлять менее 1% от общего его содержания 
в золе, остальная часть извести связывается в силикатах 
и алюминатах при высоких температурах формирования зольного 
вещества. В зависимости от вида топлива и условий сжигания в золах 
может содержаться до 20% и более несгоревших органических частиц 
топлива, которые считаются вредными примесями [40, 41].

При строительстве подземных сооружений, возводимых способом 
щитовой проходки или микротоннелирования, применяется технология 
инъектирования композитных составов за обделку сооружения, 
которые могут являться, кроме того, противофильтрационной 
завесой.
Наибольшее распространение получили бентонитовые и цементно-
бентонитовые растворы.
Коллективом авторов лаборатории подземных сооружений и кровель 
ГУП «НИИМосстроя» разработаны новые составы для инъек-
тирования, обладающие повышенными гидроизоляционными свойствами 
с применение золы от сжигания угля в качестве частичной 
замены цемента при использовании в тампонажных растворах для 
заблочного и затрубного пространства коллекторных тоннелей [42].
По мнению авторов, в инъекционных растворах целесообразно 
применение систем:
 
• портландцемент — песок — бентонит — вода — зола-унос;
 
• гидравлическая известь — микрокремнезем — зола-унос — смесь 
пескового отсева — вода.
Зола также входит в состав тампонажного раствора, используемого 
при цементировании обсадных колонн газовых, газоконденсатных 
или нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, 
склонных к гидроразрыву пород, а также наличием в разрезе 
многолетнемерзлых пород. Он содержит ингредиенты, мас. %: портландцемент 
тампонажный 36,47–57,34; алюмосиликатные полые 
микросферы 6,47–17,65; карбоалюминатная добавка 1,18–2,67; гипс 
1,18–2,67; вода или 4%-ный раствор хлористого кальция — остальное. 
Использование такого состава приводит к увеличению 
прочности цементного камня при одновременном снижении плотности 
тампонажного раствора и расширении камня в пределах 0,1–
0,3 [14, 43].
Известны облегченные тампонажные растворы, включающие 
тампонажный цемент, облегчающую добавку — продукт флотации 
золы-уноса и воду [44], а также облегченный тампонажный раствор, 
содержащий тампонажный портландцемент, золу-унос, гидросил, 
сульфатсодержащий компонент и воду [45].
В Украине [6, 46] были разработаны тампонажные растворы с добавкой 
мела сланцевой золы измельченного угля. В АО КазНИГРИ 
[24, 47] разработаны облегченные цементы с добавкой золы-унос, 
керамзитовой пыли и резиновой крошки. Плотность растворов этих 
облегченных цементов зависит от вида добавок и водоцементного 
соотношения. Н.Х. Каримовым разработаны облегченные цементно-
зольные тампонажные растворы, наполненные низкокальциевыми 
золами. Введение 30–80% золы в цемент при незначительном увеличении 
водоцементного отношения (до 0,7) позволяет получить об-