Marciapiedi
Fatti di ceneri volanti per ingegneri autostradali
Capitolo 1-Ceneri volanti-Un materiale di ingegneria
- Perché ceneri volanti?
- Produzione
- Movimentazione
- Caratteristiche
- Qualità delle ceneri volanti
Perché le ceneri volanti?
Che cos’è la cenere volante? Le ceneri volanti sono il residuo finemente suddiviso che deriva dalla combustione del carbone polverizzato e viene trasportato dalla camera di combustione dai gas di scarico. Oltre 61 milioni di tonnellate (68 milioni di tonnellate) di ceneri volanti sono state prodotte nel 2001.
Da dove viene la cenere volante? Le ceneri volanti sono prodotte da centrali elettriche e a vapore a carbone. Tipicamente, il carbone viene polverizzato e soffiato con aria nella camera di combustione della caldaia dove si accende immediatamente, generando calore e producendo un residuo minerale fuso. I tubi della caldaia estraggono il calore dalla caldaia, raffreddando il gas di combustione e inducendo il residuo minerale fuso a indurirsi e formare la cenere. Le particelle di cenere grossolana, denominate ceneri di fondo o scorie, cadono sul fondo della camera di combustione, mentre le particelle di cenere fine più leggere, chiamate ceneri volanti, rimangono sospese nel gas di combustione. Prima di esaurire i gas di scarico, le ceneri volanti vengono rimosse da dispositivi di controllo delle emissioni di particolato, come precipitatori elettrostatici o sacchetti di tessuto filtrante (vedere Figura 1-1).
Dove si usa la cenere volante? Attualmente, oltre 20 milioni di tonnellate metriche (22 milioni di tonnellate) di ceneri volanti vengono utilizzate ogni anno in una varietà di applicazioni ingegneristiche. Le tipiche applicazioni di ingegneria autostradale includono: cemento portland (PCC), stabilizzazione del suolo e della base stradale, riempimenti fluidi, stucchi, riempimento strutturale e riempitivo per asfalto.
Cosa rende utile la cenere volante? La cenere volante è più comunemente usata come pozzolana nelle applicazioni PCC. I pozzolani sono materiali silicei o silicei e alluminosi, che in una forma finemente divisa e in presenza di acqua, reagiscono con idrossido di calcio a temperature ordinarie per produrre composti cementizi.
La forma sferica unica e la distribuzione granulometrica delle ceneri volanti lo rendono un buon riempitivo minerale nelle applicazioni hot mix asphalt (HMA) e migliora la fluidità del riempimento scorrevole e della malta. La consistenza e l’abbondanza di ceneri volanti in molte aree presentano opportunità uniche per l’uso in riempimenti strutturali e altre applicazioni autostradali.
Benefici ambientali. L’utilizzo di ceneri volanti, specialmente nel calcestruzzo, ha notevoli vantaggi ambientali, tra cui: (1) aumentare la durata delle strade e delle strutture in calcestruzzo migliorando la durata del calcestruzzo, (2) riduzione netta del consumo di energia e dei gas a effetto serra e di altre emissioni atmosferiche avverse quando le ceneri volanti vengono utilizzate per sostituire o spostare il cemento fabbricato, (3) riduzione della quantità di prodotti della combustione del carbone che devono essere smaltiti in discarica e (4)
Figura 1-1: Il metodo di trasferimento delle ceneri volanti può essere asciutto, bagnato o entrambi.
Produzione
Le ceneri volanti sono prodotte dalla combustione del carbone in caldaie elettriche o industriali. Ci sono quattro tipi di base di caldaie a carbone: carbone polverizzato (PC), stoker-fired o griglia di viaggio, ciclone e caldaie a combustione a letto fluido (FBC). La caldaia PC è la più utilizzata, in particolare per grandi gruppi elettrogeni elettrici. Le altre caldaie sono più comuni negli impianti industriali o di cogenerazione. Le ceneri volanti prodotte dalle caldaie FBC non sono considerate in questo documento. Le ceneri volanti vengono catturate dai gas di scarico utilizzando precipitatori elettrostatici (ESP) o nei collettori di tessuto filtrante, comunemente denominati baghouses. Le caratteristiche fisiche e chimiche delle ceneri volanti variano tra i metodi di combustione, la fonte di carbone e la forma delle particelle.
| Milioni di Tonnellate Metriche | Milioni di Tonnellate corte | Cento | |
|---|---|---|---|
| Prodotto | 61.84 | 68.12 | 100.0 |
| Usato | 19.98 | 22.00 | 32.3 |
Come mostrato in Tabella 1-1, di 62 milioni di tonnellate (68 milioni di tonnellate) di ceneri volanti prodotte nel 2001, solo 20 milioni di tonnellate (22 milioni di tonnellate), del 32 per cento della produzione totale, è stato utilizzato. Quanto segue è una ripartizione degli usi di ceneri volanti, gran parte dei quali viene utilizzato nel settore dei trasporti.
| Milioni di Tonnellate Metriche | Milioni di Tonnellate corte | Cento | |
|---|---|---|---|
| Cemento | 12.16 | 13.40 | 60.9 |
| Fluidi di Riempimento | 0.73 | 0.80 | 3.7 |
| Strutturali Riempie | 2.91 | 3.21 | 14.6 |
| Base di Strada/Sub-base | 0.93 | 1.02 | 4.7 |
| Suolo Modifica | 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 |
Movimentazione
Le ceneri volanti raccolte vengono tipicamente convogliate pneumaticamente dalle tramogge ESP o filtranti ai silos di stoccaggio dove vengono mantenute asciutte in attesa di utilizzo o ulteriore lavorazione, oppure ad un sistema in cui le ceneri secche (sluiced) ad uno stagno di stoccaggio in loco.
La cenere raccolta a secco viene normalmente immagazzinata e manipolata utilizzando attrezzature e procedure simili a quelle utilizzate per la movimentazione del cemento portland:
- la cenere è stoccata in silos, le cupole e le altre rinfuse impianti di stoccaggio
- Fly ash possono essere trasferiti utilizzando aria diapositive, secchio convogliatori e trasportatori a coclea, o può essere trasportato pneumaticamente tramite condotte in positivo o negativo, in condizioni di pressione
- la cenere viene trasportato in mercati sfuso in autocisterna, vagoni ferroviari chiatte/navi
- la cenere può essere confezionato in super sacchi o borse più piccole per applicazioni speciali
Asciugare raccolti ceneri può essere inumidito con acqua e agenti bagnanti, quando applicabile, utilizzo di attrezzature specializzate (condizionato) e trasportato in autocarri con cassone ribaltabile coperti per applicazioni speciali come riempimenti strutturali. Le ceneri volanti condizionate dall’acqua possono essere stoccate nei cantieri. Il materiale stoccato esposto deve essere mantenuto umido o coperto con teloni, plastica o materiali equivalenti per evitare l’emissione di polvere.
Caratteristiche
Dimensioni e forma. La cenere volatile è tipicamente più fine del cemento portland e della calce. Le ceneri volanti sono costituite da particelle di dimensioni limo generalmente sferiche, di dimensioni tipicamente comprese tra 10 e 100 micron (Figura 1-2). Queste piccole sfere di vetro migliorano la fluidità e la lavorabilità del calcestruzzo fresco. La finezza è una delle proprietà importanti che contribuiscono alla reattività pozzolanica delle ceneri volanti.
Figura 1-2: Particelle di ceneri volanti con ingrandimento 2.000 X.
Chimica. Le ceneri volanti sono costituite principalmente da ossidi di silicio, ferro di alluminio e calcio. Magnesio, potassio, sodio, titanio e zolfo sono presenti anche in misura minore. Quando viene utilizzato come additivo minerale nel calcestruzzo, le ceneri volanti sono classificate come ceneri di classe C o di classe F in base alla loro composizione chimica. American Association of State Highway Transportation Officials (AASHTO) M 295 definisce la composizione chimica delle ceneri volanti di classe C e classe F.
Le ceneri di classe C sono generalmente derivate da carboni sub-bituminosi e consistono principalmente in vetro alumino-solfato di calcio, nonché quarzo, alluminato tricalcico e calce libera (CaO). La cenere della classe C inoltre si riferisce a come alta cenere volatile del calcio perché contiene tipicamente più di 20 per cento CaO.
Le ceneri di classe F sono tipicamente derivate da carboni bituminosi e antracite e consistono principalmente in un vetro alumino-silicato, con anche quarzo, mullite e magnetite. Classe F, o basso calcio ceneri volanti ha meno del 10 per cento CaO.
| Composti | Fly Ash Classe F | Fly Ash Classe C | Cemento Portland |
|---|---|---|---|
| SiO2 | 55 | 40 | 23 |
| Al203 | 26 | 17 | 4 |
| Fe2O3 | 7 | 6 | 2 |
| CaO (Calce) | 9 | 24 | 64 |
| MgO | 2 | 5 | 2 |
| SO3 | 1 | 3 | 2 |
Colore. Le ceneri volanti possono essere abbronzate al grigio scuro, a seconda dei suoi costituenti chimici e minerali. Tan e colori chiari sono in genere associati con alto contenuto di calce. Un colore brunastro è tipicamente associato al contenuto di ferro. Un grigio scuro al colore nero è tipicamente attribuito ad un elevato contenuto di carbonio incombusto. Il colore della cenere volante è solitamente molto coerente per ogni centrale elettrica e fonte di carbone.
Figura 1-3: Colori tipici della cenere
Qualità delle ceneri volanti
I requisiti di qualità per le ceneri volanti variano a seconda dell’uso previsto. La qualità delle ceneri volanti è influenzata dalle caratteristiche del combustibile (carbone), dalla co-combustione di combustibili (carboni bituminosi e sub-bituminosi) e da vari aspetti dei processi di combustione e di depurazione/raccolta dei gas di combustione. Le quattro caratteristiche più rilevanti delle ceneri volanti per l’uso nel calcestruzzo sono la perdita di accensione (LOI), la finezza, la composizione chimica e l’uniformità.
LOI è una misura del carbonio incombusto (carbone) che rimane nella cenere ed è una caratteristica critica delle ceneri volanti, specialmente per le applicazioni in calcestruzzo. Alti livelli di carbonio, il tipo di carbonio (cioè attivato), l’interazione di ioni solubili nelle ceneri volanti e la variabilità del contenuto di carbonio possono causare significativi problemi di trascinamento dell’aria nel calcestruzzo fresco e possono influire negativamente sulla durata del calcestruzzo. AASHTO e ASTM specificano i limiti per la LOI. Tuttavia, alcuni dipartimenti dei trasporti statali specificheranno un livello inferiore per la LOI. Il carbonio può anche essere rimosso dalle ceneri volanti.
Alcuni usi di ceneri volanti non sono influenzati dalla LOI. Filler in asfalto, riempimento scorrevole e riempimenti strutturali possono accettare ceneri volanti con contenuto di carbonio elevato.
La finezza delle ceneri volanti è strettamente correlata alle condizioni operative dei frantoi a carbone e alla macinabilità del carbone stesso. Per l’uso di ceneri volanti in applicazioni di calcestruzzo, la finezza è definita come la percentuale in peso del materiale trattenuto sul setaccio da 0,044 mm (n.325). Una gradazione più grossolana può provocare una cenere meno reattiva e potrebbe contenere un contenuto di carbonio più elevato. I limiti sulla finezza sono indirizzati dalle specifiche del dipartimento dei trasporti di stato e di ASTM. Le ceneri volanti possono essere lavorate mediante screening o classificazione dell’aria per migliorarne la finezza e la reattività.
Alcune applicazioni non concrete, come i riempimenti strutturali, non sono influenzate dalla finezza delle ceneri volanti. Tuttavia, altre applicazioni come il riempitivo per asfalto dipendono notevolmente dalla finezza delle ceneri volanti e dalla sua distribuzione granulometrica.
La composizione chimica delle ceneri volanti si riferisce direttamente alla chimica minerale del carbone capostipite e di qualsiasi combustibile o additivo aggiuntivo utilizzato nei processi di combustione o post-combustione. La tecnologia di controllo dell’inquinamento utilizzata può anche influenzare la composizione chimica delle ceneri volanti. Le centrali elettriche bruciano grandi volumi di carbone da più fonti. I carboni possono essere miscelati per massimizzare l’efficienza di generazione o per migliorare le prestazioni ambientali della stazione. La chimica delle ceneri volanti viene costantemente testata e valutata per applicazioni di utilizzo specifiche.
Alcune stazioni bruciano selettivamente carboni specifici o modificano la loro formulazione di additivi per evitare di degradare la qualità delle ceneri o per conferire una chimica e caratteristiche desiderate delle ceneri volanti.
L’uniformità delle caratteristiche delle ceneri volanti dalla spedizione alla spedizione è fondamentale per fornire un prodotto coerente. La chimica e le caratteristiche delle ceneri volanti sono tipicamente conosciute in anticipo, quindi le miscele di calcestruzzo sono progettate e testate per le prestazioni.
Controllata a Bassa Resistenza del Materiale (CLSM)
di Campionamento e di Prova delle Ceneri volanti o Naturale Pozzolans per l’Uso come una Miscela Minerale in Cemento Portland Cemento
ASTM C 618
la Cenere e Crudo o Calcinata Naturale e Pozzolana per l’Uso come una Miscela Minerale in Cemento Portland Cemento
Fly Ash e gli Altri Pozzolans per l’Uso Con la Calce
una Pratica Standard per la Caratterizzazione delle Ceneri volanti per l’Utilizzo in Suolo Stabilizzazione
Guida per l’Uso dei sottoprodotti della combustione del carbone nei riempimenti strutturali
I criteri di garanzia della qualità e di controllo della qualità variano per ogni uso di ceneri volanti da stato a stato e da fonte a fonte. Alcuni stati richiedono campioni certificati dal silo su una base specificata per il test e l’approvazione prima dell’uso. Altri mantengono elenchi di fonti approvate e accettano le certificazioni dei fornitori di progetti di qualità delle ceneri volanti. Il grado di requisiti di controllo di qualità dipende dall’uso previsto, dalla particolare cenere volatile e dalla sua variabilità. I requisiti di prova sono in genere stabiliti dalle singole agenzie che specificano.
Figura 1-4: Fotografie microscopiche di ceneri volanti (a sinistra) e cemento portland (a destra).
| Classe F | Classe C | |||
|---|---|---|---|---|
| Requisiti Chimici | SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 | min% | 701 | 50 |
| SiO3 | max% | 5 | 5 | |
| Contenuto di Umidità | %max | 3 | 3 | |
| Perdita su accensione (LOI) | max% | 51 | 51 | |
| Opzionale Chimica Requisiti | Disponibile alcali | %max | 1.5 | 1.5 |
| caratteristiche Fisiche | Finezza (+325 Mesh) | max% | 34 | 34 |
| attività pozzolanica/cemento (7 giorni) | min% | 75 | 75 | |
| attività pozzolanica/cemento (28 giorni) | min% | 75 | 75 | |
| per il consumo di Acqua | %max | 105 | 105 | |
| Autoclave di espansione | max% | 0.8 | 0.8 | |
| Uniforme requirements2: densità | %max | 5 | 5 | |
| Uniforme requirements2: Finezza | max% | 5 | 5 | |
| Opzionale Requisiti Fisici | a fattori Multipli (LOI x titolo) | 255 | — | |
| Aumento di essiccazione ritiro | %max | .03 | .03 | |
| Requisiti di uniformità: Agente di trascinamento dell’aria | max% | 20 | 20 | |
| Reazione cemento/alcali: espansione della malta (14 giorni) | max% | 0.020 | — |
Note:
- ASTM requisiti sono il 6 per cento
- la densità e La finezza dei singoli campioni non deve variare dai media stabilita dal 10 test precedente, o da tutte le precedenti prove, se il numero è minore di 10, oltre il massimo percentuali indicate.
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