Akademia Górniczo - Hutnicza im. St Akademia Górniczo - Hutnicza im. St.Staszica w Krakowie Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Materiałów Budowlanych Właściwości cementów CEM II/(A i B) zawierających popioły denne z węgla kamiennego lub brunatnego Dr inż. Zdzisław Pytel Seminarium Techniczne POPIOŁY W BETONIE 3 - 5 marca 2004 Bydgoszcz
Program prezentacji krótka informacja nt. technologii fluidalnego spalania paliw stałych i powstających odpadów wymagania normowe odnośnie cementów CEM II koncepcja badań charakterystyka surowców wyjściowych wyniki badań właściwości otrzymanych cementów
Ekologiczne koszty pozyskiwania energii w wyniku spalania paliw emisja do atmosfery szkodliwych gazów i pyłów powstawanie znacznych ilości odpadów stałych
Cechy charakterystyczne procesu spalania paliw stałych w złożu fluidalnym niższe temperatury spalania (< 900°C) dłuższy czas przebywania reagentów w strefie spalania
Podstawowe rodzaje odpadów stałych odpady ze złoża fluidalnego (bottom ash) o uziarnieniu 0,3 ÷ 6,0 mm, stanowiące 30 ÷ 60% odpadu popioły z odpylania strumienia gazów odlotowych (cyklon ash) o uziarnieniu 1 ÷ 300 m, stanowiące 40 70% odpadu
Podstawowe składniki odpadów fluidalnych Niepalne substancje obecne w węglu produkty odsiarczania spalin, reprezentowane głownie przez anhydryt wolny, nie przereagowany tlenek wapnia nadmiar sorbentu (wapień) produkt wtórnej karbonatyzacji CaO w postaci kalcytu nie spalony węgiel w postaci koksiku substancje mineralne stanowiące zanieczyszczenia sorbentu
Porównanie składów fazowych odpadów z odsiarczania w różnych technologiach spalania Spalanie tradycyjne w palniku pyłowym temperatura >1200C Spalanie w złożu fluidalnym atmosferycznym temperatura < 900C Składnik mineralny substancja szklista 72 ÷ 94 - kwarc 1 ÷ 9 2 ÷ 12 mullit 1 ÷ 12 - zdehydratyzowany illit - < 50 hematyt 1 ÷ 12 3 ÷ 9 magnetyt 1 ÷ 7 4 ÷ 17 CaO 1 ÷ 5 5 ÷ 30 kalcyt - < 1 anhydryt < 1 10 ÷ 20
Wymagania normowe dla cementów CEM II Składniki główne Składniki drugorzędowe odmiana A odmiana B 0 5% Klinkier 80 94% Dodatek mineralny 6 20% 65 79% 21 35%
Wymagania mechaniczne i fizyczne Klasa Wytrzy-małości Wytrzymałość na ściskanie Początek czasu wiązania min Stałość obję-tości mm Wytrzymałość wczesna Wytrzymałość normowa po 2 dniach po 7 dniach po 28 dniach 32,5N - 16 32,5 52,5 75 10 32,5R 10 42,5N 42,5 62,5 60 42,5R 20 52,5N 52,5 45 52,5R 30
Skład chemiczny klinkierów portlandzkich Rodzaj klinkieru Str. praż. SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O Klinkier „KR” 22,4 4,3 5,3 66,4 0,7 0,1 0,1 0,2 0,2 Klinkier „KO” 20,3 6,8 2,9 65,6 1,4 0,7 0,1 0,9 0,4
Składy mineralne klinkierów portlandzkich Rodzaj klinkieru C3S C2S C3A C4AF CaOw MN MK MG Klinkier „KR” 62,0 17,0 2,5 16,0 0,4 0,9 2,3 0,8 Klinkier „KO” 55,0 16,0 13,0 9,0 1,6 0,9 2,1 2,3
Składy chemiczne popiołów dennych Rodzaj surowca SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO SO3 S2- Sc jako SO3 Na2O K2O Str. praż. ZFB 32,2 19,9 3,9 1,5 24,0 1,3 13,0 0,1 13,3 1,1 1,2 1,8 ZFCD 43,5 14,7 4,4 0,6 16,4 1,9 13,8 0,3 14,6 0,7 2,0
Skład mineralny popiołu dennego z węgla kamiennego (próbka ZFCD)
Skład mineralny popiołu dennego z węgla brunatnego (próbka ZFB)
Skład surowcowy badanych cementów Składnik cementu CEM I CEM II/A CEM II/B 1 2 1A 1B 2A 2B 1C 1D 2C 2D Klinkier „KO” 93,7 - 86,1 85,4 78,5 77,2 Klinkier „KR” 92,5 84,0 83,3 75,5 74,0 Gips „GN” 6,3 7,5 3,1 3,2 3,7 Popiół „ZFB” 11,4 13,0 22,8 26,0 Popiół „ZFCD” 10,7 12,2 21,5 24,5 Zawartość SO3 3,47 3,51 3,49 3,50
Właściwości fizyczne cementów Badany parametr CEM I CEM II/A CEM II/B 1 2 1A 1B 2A 2B 1C 1D 2C 2D Gęstość cementu g/cm3 3,15 3,19 3,11 3,14 3,09 3,10 3,13 Powierzchnia właściwa m2/kg 402 380 406 396 434 428 423 405 420 413
Właściwości wytrzymałościowe cementów
Efekty cieplne procesu hydratacji cementów na bazie klinkieru „KO”
Efekty cieplne procesu hydratacji cementów na bazie klinkieru „KR”
Wnioski końcowe Otrzymane cementy CEM II/A i CEM II/B z udziałem popiołów dennych powstających w instalacjach do fluidalnego spalania zarówno węgla kamiennego jak i brunatnego, w zakresie cech użytkowych spełniają większość wymagań normy PN-EN 197-1. Wspomniana norma nie przewiduje jednak stosowania tego typu dodatku mineralnego ze względu, że nie spełnia on wymagań odnośnie popiołu krzemionkowego i wapiennego. Badania nie wykazały wyraźnych różnic w zachowaniu się stosowanych dodatków mineralnych do cementów ze względu na źródło ich pochodzenie, tj. na rodzaj spalanego węgla.
Wnioski końcowe c.d. Obecność popiołów dennych w analizowanych cementach powoduje wzrost ich wodożądności rzędu 10 15%. W efekcie przy stosowaniu ich do mieszanki betonowej należy dodać zwiększoną ilość plastyfikatora lub superplastyfikatora. Obecność w badanych cementach omawianych odpadów przemysłowych nie powoduje wyraźnych różnic w kinetyce procesu hydratacji cementów. Proces ten jest podobny do hydratacji cementów bez tego typu dodatków mineralnych. Omawiane dodatki mineralne nie powodują obniżenia wytrzymałości początkowych cementów, wpływają natomiast na wzrost ich wytrzymałości końcowej.
Wnioski końcowe c.d. W składzie mineralnym omawianych odpadów fluidalnych występują zwykle amorficzne formy produktów dehydroksylacji minerałów ilastych, decydujące w głównej mierze o ich właściwościach pucolanowych. Mogą być zatem dodawane do cementu w charakterze aktywnych domieszek mineralnych, powodujących zwiększenie wytrzymałości i odporności chemicznej zapraw i betonów otrzymywanych z ich udziałem. Omawiane odpady przemysłowe, zawierające w swym składzie mineralnym produkty odsiarczania spalin, reprezentowane głównie przez anhydryt, mogą spełniać w cemencie rolę regulatora czasu wiązania, eliminując tym samym obecność gipsu.
Wnioski końcowe c.d. W opinii autora pracy uzyskane wyniki badań stanowią wprawdzie pewne przesłanki do podjęcia prób w skali przemysłowej otrzymywania cementów portlandzkich mieszanych rodzaju CEM II z udziałem rozpatrywanych odpadów fluidalnych. Jednak warunkiem podstawowym stosowania tej kategorii odpadów energetycznych jest odpowiednia ich jednorodność i niski stopień zmienności składu chemicznego i mineralnego.
Akademia Górniczo - Hutnicza im. St Akademia Górniczo - Hutnicza im. St.Staszica w Krakowie Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Materiałów Budowlanych Właściwości cementów CEM II/(A i B) zawierających popioły denne z węgla kamiennego lub brunatnego Dr inż. Zdzisław Pytel Seminarium Techniczne POPIOŁY W BETONIE 3 - 5 marca 2004 Bydgoszcz