Fly Ash Facts for Highway Engineers

Hoofdstuk 1-Fly Ash-An Engineering Material

• waarom vliegas?
• productie
• hantering
• kenmerken
• kwaliteit van VLIEGAS

waarom vliegas?

Wat is vliegas? Vliegas is het fijn verdeelde residu dat ontstaat bij de verbranding van verpulverde steenkool en door uitlaatgassen uit de verbrandingskamer wordt getransporteerd. In 2001 werd meer dan 61 miljoen ton vliegas geproduceerd.

waar komt vliegas vandaan? Vliegas wordt geproduceerd door kolengestookte elektrische en stoomcentrales. Gewoonlijk wordt steenkool verpulverd en met lucht in de verbrandingskamer van de ketel geblazen, waar het onmiddellijk ontbrandt, warmte genereert en een gesmolten mineraalresidu produceert. Ketelbuizen halen warmte uit de ketel, koelen het rookgas en veroorzaken het gesmolten minerale residu te harden en as te vormen. Grove asdeeltjes, ook wel bodemas of slakken genoemd, vallen op de bodem van de verbrandingskamer, terwijl de lichtere fijne asdeeltjes, vliegas genaamd, in het rookgas blijven hangen. Voordat het rookgas wordt uitgeput, wordt de vliegas verwijderd door middel van deeltjesemissiebeheersingssystemen, zoals elektrostatische stofvangers of filterstof baghouses (zie figuur 1-1).

Waar wordt vliegas gebruikt? Momenteel wordt jaarlijks meer dan 20 miljoen ton vliegas (22 miljoen ton) gebruikt in verschillende technische toepassingen. Typische highway engineering toepassingen omvatten: portland cement beton (PCC), bodem en weg base stabilisatie, vloeiende vullingen, voegen, structurele vulling en asfaltvuller.

wat maakt vliegas nuttig? Vliegas wordt het meest gebruikt als puzzolaan in PCC-toepassingen. Puzzolanen zijn kiezel-of kiezel-en aluminiumhoudende materialen, die in een fijn verdeelde vorm en in aanwezigheid van water reageren met calciumhydroxide bij gewone temperaturen om cementgebonden verbindingen te produceren.

de unieke sferische vorm en deeltjesgrootteverdeling van VLIEGAS maken het tot een goede minerale vulstof in hot mix asfalt (HMA) toepassingen en verbetert de vloeibaarheid van vloeiende vulling en specie. De consistentie en de overvloed aan vliegas in veel gebieden bieden unieke mogelijkheden voor gebruik in structurele vullingen en andere snelwegtoepassingen.

milieuvoordelen. Het gebruik van VLIEGAS, met name in beton, heeft aanzienlijke milieuvoordelen, waaronder: (1) verhoging van de levensduur van betonnen wegen en constructies door verbetering van de duurzaamheid van beton, (2) nettovermindering van het energieverbruik en broeikasgasemissies en andere schadelijke emissies in de lucht wanneer vliegas wordt gebruikt om vervaardigd cement te vervangen of te verplaatsen, (3) vermindering van de hoeveelheid kolenverbrandingsproducten die op stortplaatsen moeten worden gestort, en (4) behoud van andere natuurlijke hulpbronnen en materialen.

figuur 1-1: methode voor de overdracht van VLIEGAS kan droog, nat of beide zijn.

productie

vliegas wordt geproduceerd door de verbranding van steenkool in elektrische ketels of industriële ketels. Er zijn vier basistypen van kolengestookte ketels: verpulverde kolen (PC), stoker-gestookte of reizen rooster, cycloon, en fluidized-bed combustion (FBC) ketels. De PC boiler wordt het meest gebruikt, vooral voor grote elektrische generatoren. De andere ketels komen vaker voor bij industriële of warmtekrachtkoppelingsinstallaties. Door FBC-ketels geproduceerde vliegas wordt in dit document niet in aanmerking genomen. Vliegas wordt opgevangen uit de rookgassen met behulp van elektrostatische stofvangers (ESP) of in filterweefselcollectoren, gewoonlijk aangeduid als baghouses. De fysische en chemische eigenschappen van VLIEGAS variëren tussen verbrandingsmethoden, kolenbron en deeltjesvorm.

tabel 1-1: productie en gebruik van VLIEGAS in 2001.

	Miljoen Ton	Miljoen Korte Ton	Percentage
Geproduceerde	61.84	68.12	100.0
	gebruikte	19.98	22.00	32.3

zoals weergegeven in Tabel 1-1, Van de 62 miljoen ton (68 miljoen ton) vliegas geproduceerd in 2001, slechts 20 miljoen ton (22 miljoen ton), of 32 procent van de totale productie, werd gebruikt. Het volgende is een uitsplitsing van VLIEGAS toepassingen, waarvan een groot deel wordt gebruikt in de transportindustrie.

tabel 1-2: gebruik van VLIEGAS.

	Miljoen Ton	Miljoen Korte Ton	Percentage
Cement/Beton	12.16	13.40	60.9
Flowable Vul	0.73	0.80	3.7
Structurele Vult	2.91	3.21	14.6
Weg Base/Sub-basis	0.93	1.02	4.7
Bodem Wijziging	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

hantering

de verzamelde vliegas wordt gewoonlijk pneumatisch getransporteerd van de ESP of filterweefseltrechters naar opslagsilo ‘ s waar deze in afwachting van gebruik of verdere verwerking droog wordt gehouden, of naar een systeem waar de droge as met water wordt gemengd en naar een on-site wordt getransporteerd (Sluis) opslagvijver.

de droge verzamelde as wordt gewoonlijk opgeslagen en behandeld met behulp van apparatuur en procedures die vergelijkbaar zijn met die welke worden gebruikt voor het hanteren van Portlandcement:

• vliegas wordt opgeslagen in silo ‘s, koepels en andere bulk opslag
• vliegas kan worden overgedragen via de lucht dia’ s, emmer transportbanden en schroeftransporteurs, of het kan worden pneumatisch getransporteerd via pijpleidingen onder de positieve of negatieve druk voorwaarden
• vliegas wordt vervoerd naar de markten in bulk tankwagens, rail auto ‘ s en boten/schepen
• vliegas kan worden verpakt in super zakken of kleinere tassen voor speciale toepassingen

Droge verzameld vliegas kan ook worden bevochtigd met water en bevochtigers, indien van toepassing, met behulp van gespecialiseerde apparatuur (geconditioneerd) en getrokken in overdekte dump trucks voor speciale toepassingen zoals structurele vullingen. Water geconditioneerde vliegas kan worden opgeslagen op jobsites. Blootgesteld opgeslagen materiaal moet vochtig worden gehouden of bedekt met dekzeilen, plastic of gelijkwaardige materialen om stofuitstoot te voorkomen.

kenmerken

grootte en vorm. Vliegas is meestal fijner dan portland cement en kalk. Vliegas bestaat uit deeltjes ter grootte van slib die over het algemeen bolvormig zijn, meestal variërend in grootte tussen 10 en 100 micron (figuur 1-2). Deze kleine glazen bollen verbeteren de vloeibaarheid en verwerkbaarheid van Vers beton. Fijnheid is een van de belangrijke eigenschappen die bijdragen aan de pozzolanische reactiviteit van VLIEGAS.

figuur 1-2: Vliegasdeeltjes bij 2.000 x vergroting.

Chemie. Vliegas bestaat voornamelijk uit oxiden van silicium, aluminiumijzer en calcium. Magnesium, kalium, natrium, titanium en zwavel zijn ook aanwezig in mindere mate. Bij gebruik als minerale vermenging in beton wordt vliegas op basis van de chemische samenstelling ingedeeld als as van klasse C of klasse F. American Association of State Highway Transportation Officials (AASHTO) M 295 definieert de chemische samenstelling van klasse C en klasse F vliegas.

as van klasse C is in het algemeen afkomstig van subbitumineuze kolen en bestaat voornamelijk uit calciumaluminosulfaatglas, kwarts, tricalciumaluminaat en vrije kalk (CaO). Klasse C as wordt ook wel aangeduid als hoge calcium vliegas omdat het meestal meer dan 20 procent CaO bevat.

as van klasse F wordt gewoonlijk verkregen uit bitumineuze en antracietkool en bestaat voornamelijk uit aluminiumsilicaatglas, waarvan ook kwarts, mulliet en magnetiet aanwezig zijn. Klasse F, of lage calcium vliegas heeft minder dan 10 procent CaO.

tabel 1-3: Voorbeeld oxide analyses van as en portland cement

Verbindingen	vliegas Klasse F	vliegas Klasse C	Portland Cement
SiO2	55	40	23
Al203	26	17	4
Fe2O3	7	6	2
CaO (ongebluste Kalk)	9	24	64
MgO	2	5	2
SO3	1	3	2

kleur. Vliegas kan bruin worden tot donkergrijs, afhankelijk van de chemische en minerale bestanddelen. Tan en lichte kleuren worden meestal geassocieerd met een hoog kalkgehalte. Een bruine kleur wordt meestal geassocieerd met het ijzergehalte. Een donkergrijze tot zwarte kleur wordt meestal toegeschreven aan een verhoogd onverbrande koolstofgehalte. Vliegaskleur is meestal zeer consistent voor elke elektriciteitscentrale en kolenbron.

figuur 1-3: typische askleuren

kwaliteit van VLIEGAS

kwaliteitseisen voor vliegas variëren afhankelijk van het beoogde gebruik. De kwaliteit van de vliegas wordt beïnvloed door de eigenschappen van de brandstof (steenkool), het meeverstoken van brandstoffen (bitumineuze en subbitumineuze kolen) en verschillende aspecten van de verbrandings-en rookgasreinigings-/inzamelprocessen. De vier meest relevante eigenschappen van VLIEGAS voor gebruik in beton zijn loss on ignition (LOI), fijnheid, chemische samenstelling en uniformiteit.

LOI is een meting van onverbrande koolstof (kool) die in de as achterblijft en is een kritisch kenmerk van VLIEGAS, met name voor betontoepassingen. Hoge koolstofniveaus, het type koolstof (d.w.z. geactiveerd), de interactie van oplosbare ionen in vliegas, en de variabiliteit van het koolstofgehalte kunnen leiden tot aanzienlijke problemen met de lucht-entrainment in Vers beton en kunnen de duurzaamheid van beton nadelig beïnvloeden. AASHTO en ASTM specificeren limieten voor LOI. Sommige ministeries van openbaar vervoer zullen echter een lager niveau voor LOI specificeren. Koolstof kan ook worden verwijderd uit vliegas.

sommige toepassingen van VLIEGAS worden niet beïnvloed door de LOI. Vulstof in asfalt, vloeiende vulling en structurele vullingen kunnen vliegas met een verhoogd koolstofgehalte accepteren.de fijnheid van VLIEGAS hangt het nauwst samen met de bedrijfsomstandigheden van de kolenbrekers en de slijpbaarheid van de kolen zelf. Voor het gebruik van VLIEGAS in beton wordt de fijnheid gedefinieerd als het gewichtsprocent van het materiaal dat op de zeef van 0,044 mm (nr. 325) wordt vastgehouden. Een grovere gradatie kan resulteren in een minder reactieve as en kan een hoger koolstofgehalte bevatten. Grenzen op fijnheid worden aangepakt door ASTM en state transportation department SPECIFICATIES. Vliegas kan worden verwerkt door screening of luchtclassificatie om de fijnheid en reactiviteit te verbeteren.

sommige niet-concrete toepassingen, zoals structurele vullingen, worden niet beïnvloed door de fijnheid van VLIEGAS. Echter, andere toepassingen zoals asfaltvuller, zijn sterk afhankelijk van de vliegas fijnheid en de deeltjesgrootteverdeling.

De chemische samenstelling van VLIEGAS heeft rechtstreeks betrekking op de minerale chemie van de basiskool en eventuele andere brandstoffen of additieven die worden gebruikt bij de verbranding of na de verbranding. De toegepaste verontreinigingstechnologie kan ook de chemische samenstelling van de vliegas beïnvloeden. Elektrische centrales verbranden grote hoeveelheden steenkool uit verschillende bronnen. Kolen kunnen worden gemengd om de opwekkingsefficiëntie te maximaliseren of om de milieuprestaties van het station te verbeteren. De chemie van de vliegas wordt voortdurend getest en geëvalueerd voor specifieke toepassingen.

sommige stations verbranden selectief bepaalde kolen of wijzigen hun toevoegingsformulering om te voorkomen dat de askwaliteit wordt aangetast of om een gewenste vliegaschemie en-eigenschappen te verkrijgen.

uniformiteit van de eigenschappen van VLIEGAS van overbrenging tot overbrenging is noodzakelijk om een consistent product te kunnen leveren. De chemie en eigenschappen van VLIEGAS zijn meestal van tevoren bekend, zodat betonmixen worden ontworpen en getest op prestaties.

tabel 1-4: richtsnoeren voor de kwaliteitsborging van VLIEGAS.

ACI 229R

Gecontroleerde Lage Sterkte Materiaal (CLSM)

ASTM C 311

Bemonsteren en Testen van vliegas of Natuurlijke Pozzolans voor Gebruik als een Mineraal Mengsel in Portland Cement Beton

AASHTO M 295
ASTM C 618

vliegas en Raw of Gebrand Natuurlijke Pozzolan voor Gebruik als een Mineraal Mengsel in Portland Cement Beton

ASTM C 593

vliegas en Andere Pozzolans voor Gebruik Met Kalk

ASTM D 5239

de Standaard Praktijk voor het Karakteriseren van vliegas voor Gebruik in de Bodem Stabilisatie

ASTM E 1861

de Gids voor het Gebruik van de bijproducten van de verbranding van steenkool in Constructievullingen variëren de kwaliteitsborgings-en Kwaliteitscontrolecriteria voor elk gebruik van VLIEGAS van toestand tot toestand en van bron tot bron. Sommige staten vereisen gecertificeerde monsters van de silo op een specifieke basis voor het testen en goedkeuring voor gebruik. Anderen houden lijsten bij van goedgekeurde bronnen en accepteren de certificeringen van vliegaskwaliteit van projectleveranciers. De mate van kwaliteitscontrole hangt af van het beoogde gebruik, de specifieke vliegas en de variabiliteit ervan. De testvereisten worden doorgaans vastgesteld door de afzonderlijke specificerende instanties.

figuur 1-4: microscopische foto ‘ s van VLIEGAS (links) en Portlandcement (rechts).

tabel 1-5. Specificaties voor vliegas in PCC.
AASHTO M 295 (ASTM C 618) – Klasse F en C

			Klasse F	Klasse C
Chemische Eisen	SiO2 + Al2O3 + Fe2O3	min%	701	50
	SiO3	max%	5	5
	Vochtgehalte	max%	3	3
	gloeiverlies (LOI)	max%	51	51
Optioneel Chemische Vereisten	Beschikbare fosfaten	max%	1.5	1.5
Fysieke Vereisten	Fijnheid (+325 Mesh)	max%	34	34
	Pozzolanic activiteit/cement (7 dagen)	min%	75	75
	Pozzolanic activiteit/cement (28 dagen)	min%	75	75
	Water eis	max%	105	105
	Autoclaaf uitbreiding	max%	0.8	0.8
	Uniform requirements2: dichtheid	max.%	5	5
	uniforme vereisten 2: fijnheid	max.%	5
	optionele fysische vereisten	meervoudige factor (LOI x fijnheid)			255	—		toename van droogkrimp	Max%	.03	.03		Uniformiteitseisen: luchtinlaat	max%	20			Cement/Alkaliereactie: Morteluitzetting (14 dagen)	max%	0.020	—

opmerkingen:

1. ASTM-eisen zijn 6%
2. de dichtheid en de fijnheid van individuele monsters mogen niet meer dan de maximumpercentages afwijken van het gemiddelde dat is vastgesteld bij de 10 voorafgaande tests, of bij alle voorgaande tests indien het aantal minder dan 10 bedraagt.aangegeven.