Popílek Fakta pro Dálnici Inženýři

Kapitola 1 – Popílek – Inženýrský Materiál

• Proč Popílek?
• výroba
• manipulace
• charakteristika
• kvalita popílku

proč popílku?

Co je popílek? Popílek je jemně rozdělený zbytek, který je výsledkem spalování práškového uhlí a je transportován ze spalovací komory výfukovými plyny. V roce 2001 bylo vyrobeno přes 61 milionů metrických tun (68 milionů tun) popílku.

odkud pochází popílek? Popílek je vyráběn uhelnými elektrárnami a elektrárnami na výrobu páry. Uhlí je obvykle práškováno a foukáno vzduchem do spalovací komory kotle, kde se okamžitě vznítí, vytváří teplo a vytváří roztavený minerální zbytek. Trubky kotle extrahují teplo z kotle, ochlazují spaliny a způsobují, že roztavený minerální zbytek ztvrdne a vytvoří popel. Hrubý popel částice, označované jako škvára nebo struska, pád na dno spalovací komory, zatímco lehčí jemné částice popela, které nazývají popílek, zůstávají ve spalinách. Před vyčerpávající spalin, popílku se odstraní emise částic ovládací zařízení, např. elektrostatické filtry nebo filtrační tkaniny baghouses (viz Obrázek 1-1).

kde se používá popílek? V současné době se v různých inženýrských aplikacích ročně používá více než 20 milionů metrických tun (22 milionů tun) popílku. Mezi typické aplikace silničního inženýrství patří: portlandský cementový beton (PCC), stabilizace půdy a silniční základny, průtokové výplně, injektáže, konstrukční výplně a asfaltová výplň.

Co dělá popílek užitečný? Popílek se nejčastěji používá jako pozzolan v aplikacích PCC. Pozzolans jsou křemičité nebo křemičitých a hliníkové materiály, což v jemně rozptýlené formě a za přítomnosti vody reagují s hydroxidem vápenatým při běžných teplotách za vzniku cementových sloučenin.

jedinečný kulovitý tvar a distribuce velikosti částic popílku, aby to dobré minerální plnivo do horkého asfaltu (HMA) aplikací a zlepšuje plynulost tekuté vyplnit a malty. Konzistence a hojnost popílku v mnoha oblastech představují jedinečné příležitosti pro použití v konstrukčních výplních a dalších dálničních aplikacích.

přínosy pro životní prostředí. Využití popílku, zejména v betonu, má významné přínosy pro životní prostředí, včetně: (1) zvýšení životnosti betonové silnice a struktury, zlepšením betonu trvanlivost, (2) čisté snížení spotřeby energie a emisí skleníkových plynů a dalších nežádoucích emisí do ovzduší, když popílek se používá k nahradit nebo vytěsnit vyrábí cement, (3) snížení množství uhlí spaliny, které musí být likvidovány na skládkách, a (4) ochrana ostatních přírodních zdrojů a materiálů.

obrázek 1-1: způsob přenosu popílku může být suchý, mokrý nebo obojí.

výroba

popílek se vyrábí spalováním uhlí v elektrických nebo průmyslových kotlích. Existují čtyři základní typy uhelných kotlů: práškové uhlí (PC), topič-vystřelil nebo na cestách rošt, cyklon, a fluidním spalování (FBC) kotle. PC kotel je nejrozšířenější, zejména pro velké elektrické generátory. Ostatní kotle jsou častější v průmyslových nebo kogeneračních zařízeních. Fly popel produkovaný kotly FBC se v tomto dokumentu nebere v úvahu. Popílek je zachycen ze spalin pomocí elektrostatických odlučovačů (ESP) nebo v kolektorech filtračních tkanin, běžně označovaných jako baghouses. Fyzikální a chemické vlastnosti popílku se liší mezi způsoby spalování, zdrojem uhlí a tvarem částic.

tabulka 1-1: 2001 výroba a použití popílku.

	Milionů Tun	Milionů Krátkých Tun	Procenta
Vyrábí	61.84	68.12	100.0
	19.98	22.00	32.3

Jak je uvedeno v Tabulce 1-1, a to ze 62 milionů metrických tun (68 milionů tun) popílek vyrobené v roce 2001, pouze 20 milionů metrických tun (22 mil. tun), nebo 32 procent z celkové produkce, byl použit. Následuje rozpis použití popílku, z nichž většina se používá v dopravním průmyslu.

tabulka 1-2: použití popílku.

	Milionů Tun	Milionů Krátkých Tun	Procenta
Cement/Beton	12.16	13.40	60.9
Tekutá Vyplnit	0.73	0.80	3.7
Strukturální Vyplňuje	2.91	3.21	14.6
Silniční Base/Sub-base	0.93	1.02	4.7
Půdy Modifikace	0.67	0.74	3.4
Mineral Filler	0.10	0.11	0.5
Mining Applications	0.74	0.82	3.7
Waste Stabilization /Solidification	1.31	1.44	6.3
Agriculture	0.02	0.02	0.1
Miscellaneous/Other	0.41	0.45	2.1
Totals	19.98	22.00	100

Manipulace

shromážděné popílek je obvykle dopravován pneumaticky z ESP nebo filtrační tkaniny násypky do skladovacích sil, kde je stále suché čekající na využití nebo dalšímu zpracování, nebo do systému, kde suchý popel se smíchá s vodou a dopravena (sluiced) na místě skladování rybník.

suché shromážděné popel je obvykle uloženy a zpracovány s použitím zařízení a postupy, podobné těm, které používají pro manipulaci s portlandského cementu:

• popílek je uložen v silech, kopulí a jiných hromadných skladovacích zařízení
• popílek může být převedena pomocí leteckých snímků, korečkové dopravníky a šnekové dopravníky, nebo to může být pneumaticky dopravena potrubím pod pozitivní nebo negativní tlak podmínky
• popílek je přepravován na trhy ve velkém tankeru nákladních automobilů, železniční vozy a čluny/lodě
• popílek může být zabalen v super pytle nebo menší tašky pro speciální aplikace

Suché shromažďovány popílek také může být navlhčený vodou a smáčedla, případně pomocí specializovaného zařízení (podmíněné) a tažené v krytých sklápěčích pro speciální aplikace, jako jsou strukturální výplně. Vodou podmíněný popílek lze skladovat na pracovních místech. Exponovaný skladovaný materiál musí být udržován vlhký nebo pokrytý plachtami, plasty nebo rovnocennými materiály, aby se zabránilo emisím prachu.

charakteristika

velikost a tvar. Popílek je obvykle jemnější než portlandský cement a vápno. Popílek se skládá z částic o velikosti bahna, které jsou obecně sférické, obvykle se pohybují ve velikosti mezi 10 a 100 mikronů (obrázek 1-2). Tyto malé skleněné koule zlepšují tekutost a zpracovatelnost čerstvého betonu. Jemnost je jednou z důležitých vlastností přispívajících k pozzolanové reaktivitě popílku.

obrázek 1-2: částice popílku při 2 000násobném zvětšení.

chemie. Popílek se skládá převážně z oxidů křemíku, hliníkového železa a vápníku. Hořčík, draslík, sodík, Titan a síra jsou také přítomny v menší míře. Při použití jako minerální příměs v betonu je popílek klasifikován jako popel třídy C nebo třídy F na základě jeho chemického složení. Americká asociace státních dálničních dopravních úředníků (AASHTO) M 295 definuje chemické složení popílku třídy C A třídy F.

popel třídy C je obecně odvozen od subbituminózního uhlí a sestává převážně z hlinitosulfátového skla vápenatého, jakož i křemene, hlinitanu vápenatého a volného vápna (CaO). Popel třídy C je také označován jako popílek s vysokým obsahem vápníku, protože obvykle obsahuje více než 20 procent CaO.

Třídy F popel jsou obvykle odvozené z uhlí a antracit uhlí a skládají se především z hlinitokřemičitanu sklo, křemen, mullit, magnetit také přítomen. Třída F nebo popílek s nízkým obsahem vápníku má méně než 10 procent CaO.

tabulka 1-3: Vzorek oxidu analýz popela a portlandského cementu

Sloučeniny,	Popílek Třídy F	Popílek Třídy C	Portlandského Cementu
SiO2	55	40	23
Al203	26	17	4
Fe2O3	7	6	2
CaO (Vápno)	9	24	64
MgO	2	5	2
SO3	1	3	2

Barva. Popílek může být opálený až tmavě šedý, V závislosti na jeho chemických a minerálních složkách. Tan a světlé barvy jsou obvykle spojeny s vysokým obsahem vápna. S obsahem železa je obvykle spojena nahnědlá barva. Tmavě šedá až černá barva se obvykle připisuje zvýšenému nespálenému obsahu uhlíku. Barva popílku je obvykle velmi konzistentní pro každou elektrárnu a zdroj uhlí.

obrázek 1-3: typické barvy popela

Kvalita Popílku

požadavky na Kvalitu popílku se liší v závislosti na zamýšleném použití. Popílek kvalita je ovlivněna vlastnosti paliva (uhlí), spoluspalování paliv (černého a sub-bituminózní uhlí), a různé aspekty spalování a čištění kouřových plynů/kolekce procesy. Čtyři nejdůležitější vlastnosti popílku pro použití v betonu jsou ztráta při vznícení (LOI), jemnost, chemické složení a jednotnost.

LOI je měření nespáleného uhlíku (uhlí) zbývajícího v popelu a je kritickou charakteristikou popílku, zejména pro konkrétní aplikace. Aktivní), interakce rozpustných iontů v popílku a variabilita obsahu uhlíku mohou mít za následek významné problémy s unášením vzduchu v čerstvém betonu a mohou nepříznivě ovlivnit trvanlivost betonu. AASHTO a ASTM specifikují limity pro LOI. Některá státní dopravní oddělení však určí nižší úroveň pro LOI. Uhlík lze také odstranit z popílku.

některá použití popílku nejsou LOI ovlivněna. Plnivo v asfaltu, tekutá výplň, a strukturální výplně mohou přijímat popílek se zvýšeným obsahem uhlíku.

jemnost popílku nejvíce souvisí s provozním stavem drtičů uhlí a brusností samotného uhlí. Pro použití popílku v betonových aplikacích je jemnost definována jako procento hmotnosti materiálu zadrženého na sítu 0,044 mm (č. 325). Hrubší gradace může mít za následek méně reaktivní popel a může obsahovat vyšší obsah uhlíku. Limity jemnosti jsou řešeny specifikacemi ASTM a ministerstva dopravy státu. Popílek může být zpracován tříděním nebo klasifikací vzduchu, aby se zlepšila jeho jemnost a reaktivita.

některé nebetonové aplikace, jako jsou konstrukční výplně, nejsou ovlivněny jemností popílku. Jiné aplikace, jako je asfaltová výplň, jsou však do značné míry závislé na jemnosti popílku a jeho distribuci velikosti částic.

Chemické složení popílku se vztahuje přímo k minerální chemie mateřské uhlí a žádné další palivo nebo přísady používané v spalovací nebo post-spalovací procesy. Použitá technologie kontroly znečištění může také ovlivnit chemické složení popílku. Elektrické elektrárny spalují velké objemy uhlí z více zdrojů. Uhlí mohou být smíchány s cílem maximalizovat efektivitu výroby nebo zlepšit výkon stanice v oblasti životního prostředí. Chemie popílku je neustále testována a vyhodnocována pro specifické aplikace.

Některé stanice selektivně spalovat konkrétní uhlíky, nebo změnit jejich přísad, barviv, aby se zabránilo degradaci ash kvality nebo pro dodání požadovaného popílek chemie a vlastnosti.

jednotnost charakteristik popílku od zásilky k přepravě je nezbytná pro dodání konzistentního produktu. Chemie a vlastnosti popílku jsou obvykle známy předem, takže betonové směsi jsou navrženy a testovány na výkon.

tabulka 1-4: pokyny používané pro zajištění kvality popílku.

ACI 229R

Kontrolované Nízké Pevnosti Materiálu (CLSM)

ASTM C 311

odběru Vzorků a Testování Popílku nebo Přírodní Pozzolans pro Použití jako Minerální Příměsi v Portland Cement Concrete

AASHTO M 295
ASTM C 618

Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan pro Použití jako Minerální Příměsi v Portland Cement Concrete

ASTM C 593

Popílek a Další Pozzolans pro Použití S Limetkou

ASTM D 5239

Standardní Praxe pro Charakterizaci Popílku pro Použití v Půdě, Stabilizace

ASTM E 1861

Příručka pro Použití Uhlí Spalování vedlejších Produktů v Strukturální Naplňuje

Zajištění a Kontroly Kvality, kritéria se liší pro každé použití popílku ze státu do státu a zdroje ke zdroji. Některé státy vyžadují certifikované vzorky ze sila na stanoveném základě pro testování a schválení před použitím. Ostatní vedou seznamy schválených zdrojů a přijímají certifikace dodavatelů projektů o kvalitě popílku. Stupeň požadavků na kontrolu kvality závisí na zamýšleném použití, konkrétním popílku a jeho variabilitě. Požadavky na testování jsou obvykle stanoveny jednotlivými specifikačními agenturami.

obrázek 1-4: mikroskopické fotografie popílku (vlevo) a portlandského cementu (vpravo).

tabulka 1-5. Specifikace pro popílek v PCC.
AASHTO M 295 (ASTM C 618) Třídy F a C

			Třída F	Class C
Chemické Požadavky	SiO2 + Al2O3 + Fe2O3	min%	701	50
	SiO3	max.%	5	5
	Vlhkost	max%	3	3
	Ztráta žíháním (LOI)	max.%	51	51
Chemické Volitelné Požadavky	k Dispozici alkáliím	max%	1.5	1.5
Fyzické Požadavky	Jemnost (+325 Mesh)	max.%	34	34
	Puzolánový aktivity/cement (7 dní)	min%	75	75
	Puzolánový aktivity/cement (28 dnů)	min%	75	75
	spotřeba Vody	max%	105	105
	Autoklávu rozšíření	max.%	0.8	0.8
	Jednotné requirements2: hustota	max%	5	5
	Jednotné requirements2: Jemnost	max.%	5	5
Volitelné Fyzické Požadavky	Více faktor (LOI x jemnost)		255	—
	Zvýšení sušení smrštění	max%	.03	.03
	Jednotnost požadavky: Vzduchu, provzdušňovací agent	max%	20	20
	Cement/Alkalické Reakce: Malty expanze (14 dní)	max%	0.020	—

Poznámky:

1. ASTM požadavky jsou 6%
2. hustota a jemnost jednotlivých vzorků nesmí lišit od průměru zřízené 10 předcházejících testů, nebo tím, že všechny předchozí testy, pokud číslo je menší než 10, větší než maximální procentní sazby uvedené.