Popiół lotny jako aktywny składnik cementów i dodatek min. do betonu.pdf

Zbigniew Giergiczny

Marek Gawlicki

Popiół lotny jako aktywny składnik cementów

i dodatek mineralny do betonu

FLY ASH AS ACTIVE CEMENTS COMPONENT AND MINERAL ADMIXTURE

TO CONCRETE

Streszczenie

W pracy omówiono klasyfikację i definicje popiołów lotnych zawarte w normach przed-

miotowych PN-EN 197-1:2002 i PN-EN 450:1998, a także dokonano analizy wymagań

jakościowych jakie powinny spełniać popioły lotne, stosowane jako składnik cementów

i jako dodatek do betonu. Przedstawiono również zasady stosowania popiołów lotnych

w produkcji betonu podane w normie PN-EN 206-1:2003 oraz wyniki badań wpływu

popiołów lotnych na kształtowanie się szeregu właściwości użytkowych cementów

i betonów.

Abstract

The specifications and definitions dealing with fly ash, according to the Polish/European

standards PN-EN 197-1:2002 and PN-EN 450:1998 respectively, are presented in this work.

The quality requirements, concerning fly ash as cement component and concrete mineral

admixture are also discussed. The rules governing fly ash implementation in concrete mix

design, recommended in PN-EN 206-1:2003 are given together with some data on the use

of fly ash in cement and concrete and properties of materials thus produced.

dr inż. Zbigniew Giergiczny – Górażdże Cement S.A., Opole

dr inż. Marek Gawlicki – Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Popiół lotny jako aktywny składnik cementów i dodatek mineralny do betonu

1. Wprowadzenie

Popiół z paliwa współwystępuje ze spoiwami mineralnymi od zarania ich dziejów

i w istotny sposób może zmieniać właściwości użytkowe spoiw. W budownictwie, przez

tysiące lat używano mieszanin spoiwowo-popiołowych, które powstawały w wyniku

obróbki termicznej surowców, prowadzonej w bezpośrednim kontakcie z paliwem. Tak

jest często również i obecnie, jednak w przypadku wypalania w wysokiej temperaturze,

jak to ma miejsce podczas syntezy klinkieru portlandzkiego, popiół jako samodzielny

składnik produktu zanika, wchodząc w reakcje chemiczne z wypalanym materiałem

i współtworząc minerały klinkierowe.

Świadome wprowadzanie popiołu do spoiw mineralnych ma również długą historię

i święciło triumfy już w starożytnym Rzymie, gdzie wykorzystywano popiół wulkanicz-

ny jako dodatek do zapraw wapiennych, nadając im cechy materiałów hydraulicznych.

Tradycja stosowania popiołów jako składnika spoiw i betonów odrodziła się w XX wieku,

gdy rozwój energetyki i technik odpylania spalin spowodował pojawienie się dużych ilo-

ści popiołów lotnych o właściwościach pucolanowych, a często również hydraulicznych.

Popioły te znalazły zastosowanie w przemyśle materiałów wiążących, między innymi

jako składnik cementów powszechnego użytku, cementów specjalnych, a także jako do-

datek do betonów. Od popiołów lotnych przeznaczonych do wymienionych zastosowań,

wymagane są między innymi: jednorodność, stabilność cech fizycznych, dostatecznie

duża aktywność pucolanowa, ograniczona zawartość nuklidów promieniotwórczych

i niespalonego węgla, a także kulisty kształt tworzących je ziaren.

Wymagania stawiane popiołom lotnym stosowanym jako składnik cementu zawarte są

w normie PN-EN 197-1 [1], zaś wymagania dla popiołu lotnego użytego jako dodatek do

betonu określa norma PN-EN 450 [2]. Zasady stosowania popiołów lotnych w produkcji

betonu zostały podane w normie PN-EN 206-1 [3].

Należy podkreślić, iż pomimo wieloletniej tradycji stosowania popiołów lotnych w bu-

downictwie, niepodważalnych zalet mieszanek cementowo-popiołowych, a także bogatego

piśmiennictwa poświęconego tym zagadnieniom, wiele problemów dotyczących oceny

jakości popiołów lotnych oraz zdefiniowania ich cech, pozwalających na precyzyjne okre-

ślenie optymalnych kierunków ich wykorzystania pozostaje nadal niejasnych.

Celem prezentowanej pracy jest omówienie wymagań stawianych popiołom lotnym

w podanych wyżej normach oraz omówienie roli, jaką popioły lotne spełniają w kształ-

towaniu właściwości cementów i betonów.

2. Popiół lotny – definicje i klasyfikacja

Nawet pobieżna analiza szeregu sporów i dyskusji wskazuje, że praprzyczyną miaż-

dżącej niekiedy krytyki i błyskotliwych ripost są często nie różnice merytoryczne, lecz

nieporozumienia wynikające z braku definicji używanych pojęć, które dla obydwu prze-

ciwstawnych stron są tak jasne, że ...nie wymagają definicji. Aby uniknąć nieporozumień,

„w temacie” popioły lotne, podano definicje popiołów lotnych zawarte w różnych nor-

mach przedmiotowych.

O tym, że „spór o definicję” nie jest sporem czysto akademickim, łatwo można się

przekonać, analizując jako przykład możliwości zastosowania w budownictwie produk-

tów ubocznych, powstających w wyniku spalania paliw w kotłach fluidalnych, które to

produkty w pojęciu obiegowym określane są jako popioły lotne [4-6].

Zbigniew Giergiczny, Marek Gawlicki

Definicja popiołów lotnych, jaką posługuje się energetyka jest tyleż prosta, co lapidarna

i określa popiół lotny jako „pozostałość po spaleniu węgla kamiennego lub brunatnego,

unoszoną ze spalinami”. Uzupełnienie definicji przez podanie granicznych zawartości

SiO 2 , Al 2 O 3 , CaO i SO 3 , wraz z podziałem popiołów lotnych na krzemianowe, glinowe

i wapienne, z punktu widzenia możliwości wskazania zastosowań popiołów w przemyśle

cementowym i produkcji betonów, pozostaje jednak niewystarczające.

W normie PN-EN 197-1 popiół lotny określony został w sposób następujący: „Po-

piół lotny jest otrzymywany przez elektrostatyczne lub mechaniczne osadzanie pylistych

cząstek spalin z palenisk opalanych pyłem węglowym. Popiół otrzymywany innymi

metodami nie powinien być stosowany w cemencie zgodnym z niniejszą PN-EN-197-1.

Popiół lotny może być z natury krzemionkowy lub wapienny. Pierwszy wykazuje wła-

ściwości pucolanowe, drugi może wykazywać dodatkowo właściwości hydrauliczne”.

Norma opisuje obydwa wymienione rodzaje popiołu lotnego:

• Popiół lotny krzemionkowy (V) jest to bardzo drobny pył, złożony głównie z kulistych cząstek,

mający właściwości pucolanowe. Składa się zasadniczo z reaktywnego dwutlenku krzemu

(SiO 2 ) i tlenku glinu (Al 2 O 3 ). Pozostałość zawiera tlenek żelaza i inne związki.

• Popiół lotny wapienny (W) jest to bardzo drobny pył, mający właściwości hydrauliczne i/lub

pucolanowe. Składa się zasadniczo z reaktywnego tlenku wapnia(CaO), reaktywnego dwutlenku

krzemu (SiO 2 ) i tlenku glinu (Al 2 O 3 ). Pozostałość zawiera tlenek żelaza i inne związki.

Norma PN-EN 450 definiuje popiół lotny jako: „Drobno uziarniony pył, składający

się głównie z kulistych, zeszkliwionych ziaren, otrzymany przy spalaniu pyłu węglowe-

go, mający właściwości pucolanowe, zawierający w swoim składzie przede wszystkim

SiO 2 i Al 2 O 3 , przy czym zawartość reaktywnego SiO 2 , określona i oznaczona, jak podano

w EN 197-1, wynosi co najmniej 25% masy”. Uzupełnieniem powyższej definicji jest stwier-

dzenie, że „popiół lotny jest otrzymywany w wyniku elektrostatycznego lub mechanicznego

wytrącania cząsteczek pyłu z gazów odlotowych kotłowni opalanych pyłem antracytu lub

węgla kamiennego” oraz uwaga, w której zaznaczono, że w oparciu o przepisy krajowe do

betonów mogą być również wprowadzane popioły lotne otrzymywane w wyniku spalania

węgla brunatnego, w których całkowita zawartość CaO nie przekracza 10% masy popiołu,

pod warunkiem, że spełniają one wszystkie inne wymagania PN-EN 450.

Definicje popiołów lotnych oraz ich klasyfikacje podane w normach PN-EN 197-1

(cement) i PN-EN 450 (beton) wykazują dość istotne różnice. O ile norma PN-EN 197-1

wyróżnia popioły krzemionkowe i wapienne, to w normie PN-EN 450 takiego rozróżnie-

nia nie ma. W normie tej mówi się o popiołach lotnych z węgla kamiennego i popiołach

lotnych z węgla brunatnego. Norma PN-EN 450 dopuszcza w zasadzie stosowanie jako

dodatku do betonu jedynie popioły z węgla kamiennego. Popioły z węgla brunatnego

mogą być użyte tylko wtedy, gdy spełnią określone warunki. Obie normy podkreślają

zgodnie kulisty kształt ziaren popiołów lotnych.

Klasyfikacja popiołów lotnych wytwarzanych w Polsce skomplikowała się w ostatnim

dziesięcioleciu w wyniku wprowadzenia nowych technik spalania paliw (kotły fluidalne)

oraz rozwoju różnych rodzajów metod odsiarczania spalin. Spalanie w kotłach fluidal-

nych jest zintegrowane z odsiarczaniem. Oba procesy przebiegają w temperaturze około

850 o C. Popioły powstające w takich warunkach stanowią mieszaninę popiołu paliwa o

silnie zaznaczonych właściwościach pucolanowych, nie zawierającego jednak fazy szklistej

i ziaren o owalnych kształtach, produktu odsiarczania – anhydrytu oraz zdekarbonatyzo-

wanego sorbentu – aktywnego CaO i pewnej ilości wtórnego CaCO 3 . Odsiarczanie spalin,

niezależnie od metody, jaką jest prowadzone, pozostaje bez wpływu na jakość popiołów

lotnych jedynie wtedy, gdy poddawane są mu odpylone gazy odlotowe. W pozostałych

Popiół lotny jako aktywny składnik cementów i dodatek mineralny do betonu

przypadkach, materiał wytrącony w urządzeniach odpylających stanowi mieszaninę,

której głównymi składnikami są: popiół paliwa, produkty odsiarczania – siarczany(VI)

i siarczan(IV) wapnia, sorbent – CaCO 3 oraz tlenek wapnia [7]. Tego rodzaju produkt

uboczny, często nazywany również popiołem lotnym, nie może być użyty jako składnik

cementów, ani jako dodatek do betonów, może natomiast znaleźć zastosowanie w pracach

ziemnych, w górnictwie oraz jako składnik spoiw specjalnych.

Na rys. 1 przedstawiono zdjęcia popiołów lotnych z kotłów konwencjonalnych

i kotłów fluidalnych uzyskane w wyniku badań przeprowadzonych na skaningowym

mikroskopie elektronowym (SEM). Zestawienie charakterystycznych cech podstawowych

rodzajów popiołów lotnych podano natomiast w tabeli 1.

Rys.1. Zdjęcia mikroskopowe SEM popiołów lotnych: a – krzemionkowy popiół lotny z konwen-

cjonalnego kotła pyłowego, b – popiół z kotła fluidalnego

Tabela 1. Charakterystyka podstawowych rodzajów popiołów lotnych powstających

w kotłach konwencjonalnych i kotłach fluidalnych

Rodzaj popiołu

Charakterystyka popiołu

Krzemionkowy

popiół lotny z

kotłów konwen-

cjonalnych

Popioły tego rodzaju powstają w wyniku spalania węgla kamiennego.

Zawierają ponad 50% SiO 2 , około 20% Al 2 O 3 i kilka procent Fe 2 O 3 .

W składzie fazowym dominuje szkliwo, krzemianowo-glinianowe,

którego zawartość przekracza 70%. Obecne są również fazy krystalicz-

ne: kwarc, mullit, hematyt, magnetyt. Składniki niepożądane to: nie

spalony węgiel, CaO oraz zbyt wysoka zawartość SO 3 . Cechą charakte-

rystyczną jest kulisty kształt większości ziaren popiołu.

Wapniowy po-

piół lotny

z kotłów kon-

wencjonalnych

Popioły wapniowe są produktami spalania węgla brunatnego z rejonu

Konina i Bełchatowa. Obok typowych dla popiołów tlenków: SiO 2 ,

Al 2 O 3 i Fe 2 O 3 zawierają znaczne ilości nie związanego CaO i MgO. Krze-

mianowo-glinianowa faza szklista wzbogacona jest w wapń, magnez.

Wśród faz krystalicznych dominują: kwarc, anhydryt i CaO. Obecne

są często także anortyt, gehlenit. Ich cechą charakterystyczną jest duża

zmienność składu chemicznego i fazowego.

Popiół lotny

z kotłów fluidal-

nych

Popioły stanowią mieszaninę semiamorficznych produktów dehydra-

tacji i dehydroksylacji substancji ilastej, tworzącej skałę płoną, towa-

rzyszącą złożom spalanego węgla, ziaren kwarcu, nie spalonego węgla,

anhydrytu i nie związanego CaO o dużej aktywności, a także wtórnego

węglanu wapnia. Popiół nie zawiera mullitu ani fazy szklistej. Ziarna

popiołu mają nieregularne kształty o różnej wielkości.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: