Flugasche Fakten für Autobahningenieure

Kapitel 1 – Flugasche – Ein technischer Werkstoff

• Warum Flugasche?
• Herstellung
• Handhabung
• Eigenschaften
• Qualität der Flugasche

Warum Flugasche?

Was ist Flugasche? Flugasche ist der feinteilige Rückstand, der bei der Verbrennung von Kohlenstaub entsteht und durch Abgase aus der Brennkammer transportiert wird. Im Jahr 2001 wurden über 61 Millionen Tonnen (68 Millionen Tonnen) Flugasche produziert.

Woher kommt die Flugasche? Flugasche wird von Kohlekraftwerken und Dampferzeugungsanlagen produziert. Typischerweise wird Kohle pulverisiert und mit Luft in die Brennkammer des Kessels geblasen, wo sie sich sofort entzündet, Wärme erzeugt und einen geschmolzenen Mineralrückstand erzeugt. Kesselrohre entziehen dem Kessel Wärme, kühlen das Rauchgas ab und lassen den geschmolzenen Mineralrückstand aushärten und Asche bilden. Grobe Aschepartikel, die als Sumpfasche oder Schlacke bezeichnet werden, fallen auf den Boden der Brennkammer, während die leichteren feinen Aschepartikel, die als Flugasche bezeichnet werden, im Rauchgas suspendiert bleiben. Vor dem Absaugen des Rauchgases wird die Flugasche durch Partikelemissionsschutzvorrichtungen wie Elektrofilter oder Filtergewebebeutelfilter entfernt (siehe Abbildung 1-1).

Wo wird Flugasche verwendet? Derzeit werden jährlich über 20 Millionen Tonnen (22 Millionen Tonnen) Flugasche in einer Vielzahl von technischen Anwendungen eingesetzt. Typische Autobahnbauanwendungen umfassen: portlandzementbeton (PCC), Boden- und Straßenstabilisierung, fließfähige Füllungen, Fugenmörtel, Strukturfüllungen und Asphaltfüllstoffe.

Was macht Flugasche nützlich? Flugasche wird am häufigsten als Puzzolan in PCC-Anwendungen verwendet. Puzzolane sind silikatische oder silikatische und aluminiumhaltige Materialien, die in fein verteilter Form und in Gegenwart von Wasser mit Calciumhydroxid bei gewöhnlichen Temperaturen zu zementartigen Verbindungen reagieren.

Die einzigartige Kugelform und Partikelgrößenverteilung der Flugasche machen sie zu einem guten mineralischen Füllstoff in Heißasphaltanwendungen (HMA) und verbessern die Fließfähigkeit von fließfähiger Füllung und Mörtel. Die Konsistenz und Fülle von Flugasche in vielen Bereichen bieten einzigartige Möglichkeiten für den Einsatz in Strukturfüllungen und anderen Autobahnanwendungen.

Vorteile für die Umwelt. Die Verwendung von Flugasche, insbesondere in Beton, hat erhebliche ökologische Vorteile, einschließlich: (1) Erhöhung der Lebensdauer von Betonstraßen und -bauwerken durch Verbesserung der Betonhaltbarkeit, (2) Nettoreduzierung des Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen sowie anderer nachteiliger Luftemissionen, wenn Flugasche verwendet wird, um hergestellten Zement zu ersetzen oder zu verdrängen, (3) Verringerung der Menge an Kohleverbrennungsprodukten, die auf Deponien entsorgt werden müssen, und (4) Erhaltung anderer natürlicher Ressourcen und Materialien.

Abbildung 1-1: Methode des Flugaschetransfers kann trocken, nass oder beides sein.

Produktion

Flugasche entsteht bei der Verbrennung von Kohle in Stromversorgungs- oder Industriekesseln. Es gibt vier Grundtypen von kohlebeheizten Kesseln: Kohlenstaub (PC), Heizer oder Wanderrost, Zyklon und Wirbelschichtverbrennungskessel (FBC). Der PC-Kessel ist am weitesten verbreitet, insbesondere für große Stromerzeugungsanlagen. Die anderen Kessel sind häufiger in Industrie- oder KWK-Anlagen. Flugasche, die von FBC-Kesseln erzeugt wird, wird in diesem Dokument nicht berücksichtigt. Flugasche wird von den Rauchgasen unter Verwendung der Elektrofilter (ESP) oder in den Filtergewebesammlern gefangen, allgemein gekennzeichnet als baghouses. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Flugasche variieren je nach Verbrennungsmethode, Kohlequelle und Partikelform.

Tabelle 1-1: Produktion und Verwendung von Flugasche 2001.

	Millionen metrische Tonnen	Millionen kurze Tonnen	Prozent
Produziert	61.84	68.12	100.0
Gebraucht	19.98	22.00	32.3

Wie in Tabelle 1-1 gezeigt, der 62 Millionen Tonnen (68 Millionen Tonnen) flugasche produziert Im Jahr 2001 wurden nur 20 Millionen Tonnen (22 Millionen Tonnen) oder 32 Prozent der Gesamtproduktion verwendet. Das Folgende ist eine Aufschlüsselung der Verwendung von Flugasche, von denen ein Großteil in der Transportindustrie verwendet wird.

Tabelle 1-2: Verwendung von Flugasche.

	Millionen Tonnen	Millionen Tonnen	Prozent
Zement/Beton	12,16	13,40	60,9
Fließfähige Füllung	0,73	0,80	3,7
Strukturelle Füllungen	2,91	3,21	14,6
Straße Basis/Sub-basis	0,93	1,02	4,7
Boden Änderung	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

Handhabung

Die gesammelte Flugasche wird typischerweise pneumatisch von den ESP- oder Filtergewebetrichtern zu Lagersilos gefördert, wo sie bis zur Verwendung oder Weiterverarbeitung trocken gehalten wird, oder zu einem System, in dem die trockene Asche mit Wasser gemischt und gefördert (geschleust) wird zu einem Vor-Ort-Speicherteich.

Die trocken gesammelte Asche wird normalerweise unter Verwendung von Geräten und Verfahren gelagert und gehandhabt, die denen für die Handhabung von Portlandzement ähneln:

• Flugasche wird in Silos, Kuppeln und anderen Schüttgutlagern gelagert
• Flugasche kann mit Luftschiebern, Becherförderern und Schneckenförderern transportiert oder pneumatisch unter Über- oder Unterdruckbedingungen durch Rohrleitungen gefördert werden
• Flugasche wird in Schüttgut-Tankwagen, Schienenfahrzeugen und Lastkähnen/Schiffen zu Märkten transportiert
• Flugasche kann in Supersäcken oder kleineren Beuteln für Spezialanwendungen verpackt werden

Trocken gesammelte Flugasche kann auch mit Wasser und Netzmitteln befeuchtet werden, wenn anwendbar, mit speziellen Geräten (konditioniert) und in überdachten Muldenkippern für spezielle Anwendungen wie Strukturfüllungen gezogen. Wasser konditionierte Flugasche kann auf Baustellen gelagert werden. Freiliegende Halden müssen feucht gehalten oder mit Planen, Kunststoff oder gleichwertigen Materialien abgedeckt werden, um Staubemissionen zu vermeiden.

Eigenschaften

Größe und Form. Flugasche ist typischerweise feiner als Portlandzement und Kalk. Flugasche besteht aus schlickgroßen Partikeln, die im Allgemeinen kugelförmig sind und typischerweise eine Größe zwischen 10 und 100 Mikron haben (Abbildung 1-2). Diese kleinen Glaskugeln verbessern die Fließfähigkeit und Verarbeitbarkeit von Frischbeton. Die Feinheit ist eine der wichtigen Eigenschaften, die zur puzzolanischen Reaktivität von Flugasche beitragen.

Abbildung 1-2: Flugaschepartikel bei 2.000-facher Vergrößerung.

Chemie. Flugasche besteht hauptsächlich aus Oxiden von Silizium, Aluminium, Eisen und Kalzium. Magnesium, Kalium, Natrium, Titan und Schwefel sind ebenfalls in geringerem Maße vorhanden. Bei Verwendung als mineralische Beimischung in Beton wird Flugasche aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung entweder als Asche der Klasse C oder der Klasse F eingestuft. American Association of State Highway Transportation Officials (AASHTO) M 295 definiert die chemische Zusammensetzung von Flugasche der Klassen C und F.Aschen der Klasse C stammen im Allgemeinen aus subbituminösen Kohlen und bestehen hauptsächlich aus Calciumaluminiumsulfatglas sowie Quarz, Tricalciumaluminat und freiem Kalk (CaO). Asche der Klasse C wird auch als Flugasche mit hohem Calciumgehalt bezeichnet, da sie typischerweise mehr als 20 Prozent CaO enthält.Klasse-F-Asche wird typischerweise aus bituminösen und anthrazitfarbenen Kohlen gewonnen und besteht hauptsächlich aus einem Alumosilikatglas, wobei auch Quarz, Mullit und Magnetit vorhanden sind. Klasse F oder niedrige Kalziumflugasche hat weniger als 10 Prozent CaO.

Tabelle 1-3: Probenoxidanalysen von Asche und Portlandzement

Verbindungen	Flugasche Klasse F	Flugasche Klasse C	Portlandzement
SiO2	55	40	23
Al203	26	17	4
Fe2O3	7	6	2
CaO (Kalk)	9	24	64
MgO	2	5	2
SO3	1	3	2

Farbe. Flugasche kann je nach chemischen und mineralischen Bestandteilen bräunlich bis dunkelgrau sein. Bräune und helle Farben sind typischerweise mit einem hohen Kalkgehalt verbunden. Eine bräunliche Farbe ist typischerweise mit dem Eisengehalt verbunden. Eine dunkelgraue bis schwarze Farbe wird typischerweise einem erhöhten unverbrannten Kohlenstoffgehalt zugeschrieben. Flugasche Farbe ist in der Regel sehr konsistent für jedes Kraftwerk und Kohlequelle.

Abbildung 1-3: Typische Aschefarben

Qualität der Flugasche

Die Qualitätsanforderungen für Flugasche variieren je nach Verwendungszweck. Die Flugaschequalität wird durch die Brennstoffeigenschaften (Kohle), die Mitverbrennung von Brennstoffen (bituminöse und subbituminöse Kohlen) sowie verschiedene Aspekte der Verbrennung und der Rauchgasreinigung / -sammlung beeinflusst. Die vier wichtigsten Eigenschaften von Flugasche für den Einsatz in Beton sind Zündverlust (LOI), Feinheit, chemische Zusammensetzung und Gleichmäßigkeit.

LOI ist eine Messung des in der Asche verbleibenden unverbrannten Kohlenstoffs (Kohle) und ein kritisches Merkmal von Flugasche, insbesondere für Betonanwendungen. Hohe Kohlenstoffgehalte, die Art des Kohlenstoffs (d. H. Aktiviert), die Wechselwirkung löslicher Ionen in Flugasche und die Variabilität des Kohlenstoffgehalts können zu erheblichen Luftporenproblemen in Frischbeton führen und die Haltbarkeit von Beton beeinträchtigen. AASHTO und ASTM legen Grenzwerte für LOI fest. Einige staatliche Transportabteilungen werden jedoch eine niedrigere Ebene für LOI festlegen. Kohlenstoff kann auch aus Flugasche entfernt werden.

Einige Verwendungen von Flugasche sind von der Absichtserklärung nicht betroffen. Füllstoff in Asphalt, fließfähigen Füllungen und Strukturfüllungen kann Flugasche mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt aufnehmen.

Die Feinheit der Flugasche hängt am engsten mit dem Betriebszustand der Kohlebrecher und der Mahlbarkeit der Kohle selbst zusammen. Für die Verwendung von Flugasche in Betonanwendungen ist die Feinheit definiert als der Gewichtsprozent des Materials, das auf dem 0,044 mm (Nr. 325) Sieb zurückgehalten wird. Eine gröbere Abstufung kann zu einer weniger reaktiven Asche führen und höhere Kohlenstoffgehalte enthalten. Die Feinheitsgrenzen werden in den Spezifikationen von ASTM und State Transportation Department festgelegt. Flugasche kann durch Siebung oder Luftklassifizierung verarbeitet werden, um ihre Feinheit und Reaktivität zu verbessern.

Einige nicht konkrete Anwendungen, wie z. B. strukturelle Füllungen, werden von der Flugaschefeinheit nicht beeinflusst. Andere Anwendungen wie Asphaltfüller sind jedoch stark von der Flugaschefeinheit und ihrer Partikelgrößenverteilung abhängig.Die chemische Zusammensetzung der Flugasche bezieht sich direkt auf die mineralische Chemie der Ausgangskohle und aller zusätzlichen Brennstoffe oder Additive, die bei der Verbrennung oder Nachverbrennung verwendet werden. Die verwendete Umweltschutztechnologie kann auch die chemische Zusammensetzung der Flugasche beeinflussen. Kraftwerke verbrennen große Mengen Kohle aus mehreren Quellen. Kohlen können gemischt werden, um die Erzeugungseffizienz zu maximieren oder die Umweltleistung der Station zu verbessern. Die Chemie der Flugasche wird ständig getestet und für spezifische Anwendungen bewertet.

Einige Stationen verbrennen selektiv bestimmte Kohlen oder modifizieren ihre Additivformulierung, um eine Verschlechterung der Aschequalität zu vermeiden oder um eine gewünschte Flugaschechemie und -eigenschaften zu verleihen.

Um ein konsistentes Produkt zu liefern, ist die Gleichmäßigkeit der Flugascheeigenschaften von Sendung zu Sendung unerlässlich. Flugasche Chemie und Eigenschaften sind in der Regel im Voraus bekannt, so dass Betonmischungen entworfen und auf Leistung getestet werden.

Tabelle 1-4: Leitfäden zur Qualitätssicherung von Flugasche.

ACI 229R

Kontrolliertes Material mit geringer Festigkeit (CLSM)

ASTM C 311

Probenahme und Prüfung von Flugasche oder natürlichen Puzzolanen zur Verwendung als mineralische Beimischung in Portlandzementbeton

AASHTO M 295
ASTM C 618

Flugasche und roher oder kalzinierter natürlicher Puzzolan zur Verwendung als mineralische Beimischung in Beimischung in Portlandzementbeton

ASTM C 593

Flugasche und andere Puzzolane zur Verwendung mit Kalk

ASTM D 5239

Standardpraxis zur Charakterisierung von Flugasche zur Verwendung bei der Bodenstabilisierung

ASTM E 1861

Leitfaden für die Verwendung p>

Die Kriterien für die Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle variieren für jede Verwendung von Flugasche von Staat zu Staat und von Quelle zu Quelle. Einige Staaten verlangen zertifizierte Proben aus dem Silo auf einer bestimmten Basis für die Prüfung und Genehmigung vor der Verwendung. Andere führen Listen zugelassener Quellen und akzeptieren Zertifizierungen von Projektlieferanten für die Flugaschequalität. Der Grad der Anforderungen an die Qualitätskontrolle hängt von der beabsichtigten Verwendung, der jeweiligen Flugasche und ihrer Variabilität ab. Testanforderungen werden in der Regel von den einzelnen spezifizierenden Agenturen festgelegt.

Abbildung 1-4: Mikroskopische Aufnahmen von Flugasche (links) und Portlandzement (rechts).

Tabelle 1-5. Spezifikationen für Flugasche in PCC.
AASHTO M 295 (ASTM C 618) – Klasse F und C

			Klasse F	Klasse C
Chemische Anforderungen	SiO2 + Al2O3 + Fe2O3	min%	701	50
	SiO3	max%	5	5
	Inhalt	max%	3	3
	Verlust auf zündung (LOI)	max%	51	51
Optional Chemische Anforderungen	Verfügbare Alkalien	max%	1.5	1.5
Physikalische Anforderungen	Feinheit (+325 Mesh)	max%	34	34
	Puzzolanische Aktivität /zement (7 Tage)	min%	75	75
	Puzzolanische Aktivität/Zement (28 Tage)	min%	75	75
	Wasserbedarf	max%	105	105
	Autoklavenausdehnung	max%	0,8	0,8
	Einheitliche Anforderungen2: dichte	max%	5	5
	Einheitliche Anforderungen2: Feinheit	max%	5	5
Optionale Physikalische Anforderungen	Mehrfacher Faktor (LOI x Feinheit)		255	—
	Erhöhung der Trocknungsschrumpfung	max%	.03	.03
	Gleichmäßigkeitsanforderungen: Luftporenbildner	max%	20	20
	Zement/Alkali-Reaktion: Mörtelausdehnung (14 Tage)	max%	0.020	—

Hinweise:

1. ASTM anforderungen sind 6 prozent
2. Die dichte und feinheit der einzelnen proben darf nicht variieren von der durchschnitt etabliert durch die 10 vorhergehenden tests, oder durch alle vorhergehenden tests, wenn die anzahl ist weniger als 10, durch mehr als die angegebenen Höchstprozentsätze.