Fly Ash Facts for Highway Engineers

Chapter 1 – Fly Ash-An Engineering Material

• Why Fly Ash?
• tuotanto
• käsittely
• ominaisuudet
• lentotuhkan laatu

miksi lentotuhka?

Mitä lentotuhka on? Lentotuhka on hienoksi jakautunut jäännös, joka syntyy jauhetun hiilen palamisesta ja kulkeutuu palokammiosta pakokaasujen mukana. Lentotuhkaa tuotettiin vuonna 2001 yli 61 miljoonaa tonnia (68 miljoonaa tonnia).

mistä lentotuhka on peräisin? Lentotuhkaa tuotetaan kivihiiltä käyttävillä sähkö-ja höyryntuotantolaitoksilla. Tyypillisesti kivihiili jauhetaan ja puhalletaan ilman mukana kattilan polttokammioon, jossa se syttyy välittömästi synnyttäen lämpöä ja tuottaen sulan mineraalijäämän. Kattilan putket ottavat lämpöä kattilasta, jolloin savukaasu jäähtyy ja sula mineraalijäämä kovettuu ja muodostaa tuhkaa. Karkeat tuhkapartikkelit, joita kutsutaan pohjatuhkaksi tai kuonaksi, putoavat palotilan pohjalle, kun taas kevyemmät lentotuhkahiukkaset, joita kutsutaan lentotuhkiksi, jäävät suspendoitumaan savukaasuun. Ennen savukaasun uuvuttamista lentotuhka poistetaan hiukkaspäästöjä rajoittavilla laitteilla, kuten sähkösuodattimilla tai suodatinkangaspusseilla (KS.Kuva 1-1).

missä lentotuhkaa käytetään? Nykyisin lentotuhkaa käytetään vuosittain yli 20 miljoonaa tonnia erilaisissa teknisissä sovelluksissa. Tyypillisiä moottoritie engineering sovelluksia ovat: portlandsementtibetoni (PCC), maa-ja tiepohjan stabilointi, virtaava täyttää, saumoja, rakenteellinen täyttö ja asfaltti täyteainetta.

mikä tekee lentotuhkasta käyttökelpoisen? Lentotuhkaa käytetään yleisimmin POZZOLAANINA PCC-sovelluksissa. Pozzolaanit ovat piipitoisia tai piipitoisia ja aluminaattisia aineita, jotka hienoksi jakautuneena ja veden läsnä ollessa reagoivat kalsiumhydroksidin kanssa tavallisissa lämpötiloissa muodostaen sementtipitoisia yhdisteitä.

lentotuhkan ainutlaatuinen pallomainen muoto ja hiukkaskokojakauma tekevät siitä hyvän mineraalitäytteen kuumasekoitussovelluksissa (HMA) ja parantavat juoksevan täytteen ja laastin sujuvuutta. Lentotuhkan yhdenmukaisuus ja runsaus tarjoavat monilla alueilla ainutlaatuisia mahdollisuuksia käyttää rakennetäytteitä ja muita maantiesovelluksia.

ympäristöhyödyt. Lentotuhkan hyödyntämisellä erityisesti betonissa on merkittäviä ympäristöhyötyjä, kuten: (1) betonin teiden ja rakenteiden käyttöiän pidentäminen parantamalla betonin kestävyyttä, (2) energiankäytön ja kasvihuonekaasujen nettovähennys ja muut haitalliset ilmapäästöt, kun lentotuhkaa käytetään korvaamaan tai syrjäyttämään valmistettua sementtiä, (3) kaatopaikoille sijoitettavien hiilenpolttotuotteiden määrän vähentäminen ja (4) muiden luonnonvarojen ja materiaalien säilyttäminen.

kuva 1-1: lentotuhkan siirtomenetelmä voi olla kuiva, märkä tai molempia.

tuotanto

lentotuhkaa syntyy kivihiilen poltosta sähkölaitoksissa tai teollisuuskattiloissa. Hiilikattiloita on neljää perustyyppiä: pulveroitu hiili (PC), stokerilla toimiva tai kiertävä arina, sykloni ja leijukattilat (FBC). PC-kattila on yleisimmin käytetty, erityisesti suurissa sähköntuotantoyksiköissä. Muut kattilat ovat yleisempiä teollisuus-tai yhteistuotantolaitoksissa. Tässä asiakirjassa ei käsitellä FBC-kattiloiden tuottamaa lentotuhkaa. Lentotuhka otetaan talteen savukaasuista sähköstaattisilla saostimilla (ESP) tai suodatinkankaiden kerääjillä, joita kutsutaan yleisesti pussirakennuksiksi. Lentotuhkan Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet vaihtelevat polttomenetelmien, kivihiilen lähteen ja hiukkasten muodon välillä.

taulukko 1-1: lentotuhkan tuotanto ja käyttö 2001.

TD>61, 84

miljoonaa lyhyttä tonnia	prosenttia
tuotettu	68, 12	100.0
käytetty	19.98	22.00	32.3

kuten taulukossa 1-1, vuonna 2001 lentotuhkaa tuotettiin 62 miljoonaa tonnia (68 miljoonaa tonnia), ja sitä käytettiin vain 20 miljoonaa tonnia (22 miljoonaa tonnia) eli 32 prosenttia kokonaistuotannosta. Seuraavassa on eritelty lentotuhkan käyttötavat, joista suuri osa käytetään kuljetusteollisuudessa.

taulukko 1-2: lentotuhkan käyttö.

td>3, 21

td>3.4

miljoonaa tonnia	miljoonaa lyhyttä tonnia	prosenttia
sementti/betoni	12.16	13.40	60.9
virtaava täyttö 0.73	0.80	3.7
rakenteelliset täytteet	2.91	14, 6
tiepohja/osapohja	0, 93	1, 02	4, 7
Maanmuokkaus	0, 67	0, 74
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

käsittely

kerätty lentotuhka siirretään tyypillisesti pneumaattisesti ESP-tai suodatinkankaiden suppiloista varastosiiloihin, joissa se pidetään kuivana ennen käyttöä tai jatkojalostusta, tai järjestelmään, jossa kuiva tuhka sekoitetaan vesi ja johdetaan (sluupattu) paikan päällä olevaan varastoaltaaseen.

kuivana kerätty tuhka varastoidaan ja käsitellään tavallisesti käyttäen samanlaisia laitteita ja menetelmiä kuin portlandsementin käsittelyssä.:

• lentotuhka varastoidaan siiloihin, kupoleihin ja muihin irtotavaravarastoihin
• lentotuhka voidaan siirtää ilmaliukumien, kauhakuljettimien ja ruuvikuljettimien avulla tai se voidaan siirtää pneumaattisesti putkistoja pitkin positiivisessa tai negatiivisessa paineessa
• lentotuhka kuljetetaan markkinoille irtotavarana säiliöautoissa, junavaunuissa ja proomuissa/laivoissa
• lentotuhka voidaan pakata supersäkeihin tai pienempiin säkkeihin erikoissovelluksia varten

kuiva kerätty lentotuhka voidaan myös kostuttaa vedellä ja kostutusaineilla tarvittaessa käyttämällä erikoislaitteita (ilmastoitu) ja vedettiin katettu kippiautot erityissovelluksiin, kuten rakenteelliset täyttää. Vesikäsiteltyä lentotuhkaa voidaan varastoida työpaikoilla. Altistunut varastoitu materiaali on pidettävä kosteana tai peitettävä pressuilla, muovilla tai vastaavilla materiaaleilla pölypäästöjen estämiseksi.

ominaisuudet

koko ja muoto. Lentotuhka on tyypillisesti hienompaa kuin Portlandsementti ja kalkki. Lentotuhka koostuu lietekoisista hiukkasista, jotka ovat yleensä pallomaisia ja kooltaan tyypillisesti 10-100 mikronia (Kuva 1-2). Nämä pienet lasipallot parantavat tuoreen betonin sujuvuutta ja työstettävyyttä. Hienous on yksi lentotuhkan pozzolaanista reaktiivisuutta edistävistä tärkeistä ominaisuuksista.

kuva 1-2: Lentotuhkahiukkaset 2 000 x suurennoksella.

kemia. Lentotuhka koostuu pääasiassa piin, alumiiniraudan ja kalsiumin oksideista. Vähäisemmässä määrin esiintyy myös magnesiumia, kaliumia, natriumia, titaania ja rikkiä. Kun lentotuhkaa käytetään betonin mineraaliseoksena, se luokitellaan kemiallisen koostumuksensa perusteella joko luokkaan C tai luokkaan F kuuluvaksi tuhkaksi. American Association of State Highway Transportation Officials (AASHTO) M 295 määrittelee C-ja F-luokan lentotuhkan kemiallisen koostumuksen.

c-luokan tuhkat ovat yleensä peräisin puolibitumisista hiilistä ja koostuvat pääasiassa kalsium-alumiinisulfaattilasista sekä kvartsista, trikalsium-aluminaatista ja vapaasta kalkista (CaO). C-luokan tuhkaa kutsutaan myös runsaaksi kalsiumpohjaiseksi lentotuhkaksi, koska se sisältää tyypillisesti yli 20 prosenttia CaO: ta.

luokan F tuhka on tyypillisesti peräisin bitumisista ja antrasiittisista hiilistä ja koostuu pääasiassa alumiinioksidisilikaattilasista, jossa on myös kvartsia, mulliittia ja magnetiittia. Luokka F eli vähäliuskainen lentotuhka sisältää alle 10 prosenttia CaO: ta.

taulukko 1-3: Tuhkan ja portlandsementin näyteoksidianalyysit

Lentotuhkaluokka F

55

6

yhdisteet	Lentotuhkaluokka c	Portlandsementti
SiO2	40	23
Al203	26	17	4
Fe2O3	7	2
cao (lime)	9	24	64
MGO	2	5	2
1	3	2

Color. Lentotuhka voi olla ruskeasta tummanharmaaseen riippuen sen kemiallisista ja mineraalisista ainesosista. Rusketus ja vaaleat värit liittyvät tyypillisesti korkeaan kalkkipitoisuuteen. Ruskehtava väri liittyy tyypillisesti rautapitoisuuteen. Tummanharmaasta mustaan väri johtuu tyypillisesti kohonneesta palamattomasta hiilipitoisuudesta. Lentotuhkan väri on yleensä hyvin Yhdenmukainen jokaiselle voimalaitokselle ja hiililähteelle.

kuva 1-3: tyypilliset tuhkan värit

lentotuhkan laatu

lentotuhkan laatuvaatimukset vaihtelevat käyttötarkoituksen mukaan. Lentotuhkan laatuun vaikuttavat polttoaineen ominaisuudet (kivihiili), polttoaineiden rinnakkaispoltto (bituminen ja puolibituminen hiili) sekä palamisen ja savukaasujen puhdistus-ja keräysprosessien eri näkökohdat. Betonissa käytettävän lentotuhkan neljä olennaisinta ominaisuutta ovat syttymishäviö (LOI), hienous, kemiallinen koostumus ja yhdenmukaisuus.

LOI on tuhkaan jäävän palamattoman hiilen (kivihiilen) mitta, ja se on lentotuhkan kriittinen ominaisuus erityisesti betonisovelluksissa. Korkeat hiilipitoisuudet, hiilen tyyppi (eli aktivoitunut), liukoisten ionien vuorovaikutus lentotuhkassa ja hiilipitoisuuden vaihtelu voivat aiheuttaa merkittäviä ilmansaantiongelmia tuoreessa betonissa ja vaikuttaa haitallisesti betonin kestävyyteen. AASHTO ja ASTM määrittelevät rajat LOI: lle. Jotkin valtion liikenneministeriöt määrittelevät kuitenkin loille alemman tason. Hiiltä voidaan poistaa myös lentotuhkasta.

joihinkin lentotuhkan käyttötarkoituksiin LOI ei vaikuta. Asfaltti -, juokseva täyttö-ja rakennetäytteet voivat hyväksyä lentotuhkan, jolla on kohonnut hiilipitoisuus.

lentotuhkan hienous liittyy läheisimmin hiilenmurskainten toimintakuntoon ja itse hiilen jauhettavuuteen. Lentotuhkan käytön osalta betonisovelluksissa hienous määritellään 0,044 mm: n (nro 325) seulaan jääneen materiaalin painoprosenttina. Karkeampi porrastus voi johtaa vähemmän reaktiiviseen tuhkaan ja se voi sisältää korkeampaa hiilipitoisuutta. Hienosäätörajoituksia käsitellään ASTM: n ja valtion liikenneministeriön eritelmissä. Lentotuhkaa voidaan käsitellä seulonnalla tai ilmaluokituksella sen hienouden ja reaktiivisuuden parantamiseksi.

joihinkin ei-konkreettisiin sovelluksiin, kuten rakenteellisiin täytteisiin lentotuhkan hienous ei vaikuta. Kuitenkin muut sovellukset, kuten asfaltti täyteaine, ovat suuresti riippuvaisia lentotuhkan hienous ja sen hiukkaskokojakauma.

lentotuhkan kemiallinen koostumus liittyy suoraan lähtöhiilen mineraalikemiaan ja mahdollisiin lisäpolttoaineisiin tai lisäaineisiin, joita käytetään poltossa tai sen jälkeisissä prosesseissa. Käytetty pilaantumisen torjuntatekniikka voi vaikuttaa myös lentotuhkan kemialliseen koostumukseen. Sähkövoimalat polttavat suuria määriä hiiltä useista lähteistä. Hiiliä voidaan sekoittaa tuotannon tehokkuuden maksimoimiseksi tai aseman ympäristötehokkuuden parantamiseksi. Lentotuhkan kemiaa testataan ja arvioidaan jatkuvasti erityisiin käyttötarkoituksiin.

joissakin asemissa poltetaan valikoivasti tiettyjä hiiliä tai muutetaan niiden lisäaineiden koostumusta, jotta tuhkan laatu ei heikkenisi tai jotta lentotuhkan kemia ja ominaisuudet olisivat halutut.

lentotuhkan ominaisuuksien yhdenmukaisuus lähetyksestä toiseen on välttämätöntä yhdenmukaisen tuotteen toimittamiseksi. Lentotuhkan kemia ja ominaisuudet ovat tyypillisesti tiedossa etukäteen, joten Betoniseokset suunnitellaan ja testataan suorituskykyä.

taulukko 1-4: lentotuhkan laadunvarmistuksessa käytettävät ohjeasiakirjat.

ACI 229R

Controlled Low Strength Material (CLSM)

ASTM C 311

lentotuhkan tai luonnollisten Pozzolaanien näytteenotto ja testaus Portlandsementtibetonin Mineraalisekoitteena

AASTO m 295
ASTM C 618

lentotuhka ja raaka tai kalsinoitu luonnon Pozzolaani mineraalina käytettäväksi portlandsementtibetonin sekoittaminen

ASTM C 593

lentotuhka ja muut pozzolaanit käytettäväksi kalkin kanssa

ASTM D 5239

standard practice for characterizing fly ash for use in Landstabilation

ASTM E 1861

guide for the use Hiilenpolton sivutuotteiden Rakennetäytteissä

laadunvarmistus-ja Laadunvalvontakriteerit vaihtelevat lentotuhkan käytön osalta osavaltiosta ja lähteestä toiseen. Jotkin valtiot vaativat siilosta sertifioituja näytteitä tietyin perustein testausta ja hyväksymistä varten ennen käyttöä. Toiset ylläpitävät hyväksyttyjen lähteiden luetteloita ja hyväksyvät projektitoimittajien lentotuhkan laatusertifikaatit. Laadunvalvontavaatimusten aste riippuu käyttötarkoituksesta, lentotuhkasta ja sen vaihtelusta. Testausta koskevat vaatimukset ovat yleensä yksilöityjen virastojen laatimia.

kuva 1-4: lentotuhkan (vas.) ja portlandsementin (oik.) Mikroskooppikuvat.

taulukko 1-5. Lentotuhkaa koskevat vaatimukset PCC: ssä.
AASTO M 295 (ASTM C 618) – luokka F ja C

luokka F
kemialliset vaatimukset	SiO2 + Al2O3 + Fe2O3	min%	701	50
	sio3	Max%	5	5
	kosteuspitoisuus	Max%	3	3
	syttymishäviö (loi)	Max%	51
valinnainen kemikaali Vaatimukset	käytettävissä olevat emäkset	max%	1, 5	1, 5
fyysiset vaatimukset	hienous (+325 Mesh)	max%	34	34
	pozzolaaninen aktiivisuus/sementti (7 päivää)	min%	75	75
	pozzolaaninen aktiivisuus/sementti (28 päivää)	min%	75
	veden tarve	Max%	105	105
	autoklaavin laajeneminen	Max%	0, 8
	yhdenmukaiset vaatimukset2: tiheys	max%	5	5
	yhdenmukaiset vaatimukset2: hienous	max%		5			5		5
vapaaehtoiset fyysiset vaatimukset	moninkertainen tekijä (LOI x hienous)		255		—
	kuivauskutistumisen lisääntyminen	Max%		.03	.03
	Yhdenmukaisuusvaatimukset: ilmaa entraining agent	max%	20	20
	sementti/Alkali-reaktio: laastin laajeneminen (14 päivää)	max%	0.020	—

huomautuksia:

1. ASTM: n vaatimukset ovat 6 prosenttia
2. yksittäisten näytteiden tiheys ja hienous eivät saa poiketa 10 edellisen testin tai kaikkien sitä edeltävien testien keskiarvosta, jos on alle 10, enemmän kuin ilmoitetut enimmäisprosentit.