popiół lotny fakty dla inżynierów autostrad

Rozdział 1 – popiół lotny – materiał inżynieryjny

• dlaczego popiół lotny?
• produkcja
• Obsługa
• charakterystyka
• jakość popiołu lotnego

dlaczego popiół lotny?

Co to jest popiół lotny? Popiół lotny jest drobno podzieloną pozostałością, która powstaje w wyniku spalania sproszkowanego węgla i jest transportowana z komory spalania przez gazy spalinowe. W 2001 r. wyprodukowano ponad 61 mln ton (68 mln ton) popiołów lotnych.

skąd się bierze popiół lotny? Popiół lotny jest wytwarzany przez elektrownie węglowe i elektrownie parowe. Zazwyczaj węgiel jest sproszkowany i wdmuchiwany powietrzem do komory spalania kotła, gdzie natychmiast się zapala, wytwarzając ciepło i wytwarzając stopione pozostałości mineralne. Rury kotłowe pobierają ciepło z kotła, chłodząc spaliny i powodując stwardnienie stopionych pozostałości mineralnych i tworzenie popiołu. Grube cząstki popiołu, określane jako popiół Denny lub żużel, spadają na dno komory spalania, podczas gdy lżejsze drobne cząstki popiołu, zwane popiołem lotnym, pozostają zawieszone w gazach spalinowych. Przed wyczerpaniem spalin popiół lotny jest usuwany przez urządzenia kontroli emisji cząstek stałych, takie jak elektrofiltry lub worki filtracyjne (patrz rysunek 1-1).

gdzie stosuje się popiół lotny? Obecnie ponad 20 milionów ton (22 miliony ton) popiołów lotnych jest rocznie wykorzystywanych w różnych zastosowaniach inżynieryjnych. Typowe zastosowania inżynierii drogowej obejmują: cement portlandzki (PCC), stabilizacja podłoża gruntowego i drogowego, wypełnienia płynne, fugi, wypełnienie strukturalne i wypełniacz asfaltowy.

co sprawia, że popiół lotny jest przydatny? Popiół lotny jest najczęściej używany jako pozzolan w aplikacjach PCC. Pozzolany są materiałami krzemionkowymi lub krzemionkowymi i glinowymi, które w postaci drobno podzielonej i w obecności wody reagują z wodorotlenkiem wapnia w zwykłych temperaturach, tworząc związki cementowe.

unikalny kulisty kształt i rozkład wielkości cząstek popiołu lotnego sprawiają, że jest to dobry wypełniacz mineralny w zastosowaniach z gorącą mieszanką asfaltu (HMA) i poprawia płynność płynnego wypełnienia i fugi. Spójność i obfitość popiołów lotnych w wielu obszarach stwarza wyjątkowe możliwości zastosowania w wypełnieniach konstrukcyjnych i innych zastosowaniach drogowych.

korzyści dla środowiska. Wykorzystanie popiołów lotnych, zwłaszcza w betonie, ma znaczące korzyści dla środowiska, w tym: (1) zwiększenie żywotności betonowych dróg i konstrukcji poprzez poprawę trwałości betonu, (2) zmniejszenie netto zużycia energii oraz emisji gazów cieplarnianych i innych szkodliwych emisji do powietrza, gdy popiół lotny jest używany do zastąpienia lub wyparcia wytworzonego cementu, (3) zmniejszenie ilości produktów spalania węgla, które muszą być składowane na składowiskach, oraz (4) ochrona innych zasobów naturalnych i materiałów.

rysunek 1-1: metoda przenoszenia popiołu lotnego może być sucha, mokra lub obie te metody.

produkcja

popioły lotne powstają ze spalania węgla w kotłach elektrycznych lub przemysłowych. Istnieją cztery podstawowe typy kotłów opalanych węglem: sproszkowany węgiel (PC), opalany palnikiem lub ruszt jezdny, cyklon i kotły spalinowe ze złożem fluidalnym (FBC). Kocioł PC jest najczęściej stosowany, szczególnie w dużych agregatach prądotwórczych. Inne kotły są bardziej powszechne w zakładach przemysłowych lub kogeneracyjnych. Popioły lotne produkowane przez kotły FBC nie są brane pod uwagę w niniejszym dokumencie. Popiół lotny jest wychwytywany z gazów spalinowych za pomocą elektrofiltrów (ESP) lub w kolektorach z tkaniny filtracyjnej, zwanych potocznie baghouses. Właściwości fizyczne i chemiczne popiołów lotnych różnią się w zależności od metod spalania, źródła węgla i kształtu cząstek.

tabela 1-1: 2001 produkcja i wykorzystanie popiołów lotnych.

	milion ton metrycznych	milion ton krótkich	procent
produkcja	61.84	68.12	100.0
używany	19,98	22,00	32,3

Jak pokazano w tabeli 1-1, z w 2001 r.wyprodukowano 62 mln ton (68 mln ton) popiołów lotnych, z czego tylko 20 mln ton (22 mln ton), czyli 32 procent całkowitej produkcji. Poniżej przedstawiono podział zastosowań popiołów lotnych, z których wiele jest wykorzystywanych w przemyśle transportowym.

tabela 1-2: wykorzystanie popiołów lotnych.

	milion ton metrycznych	milion krótkich ton	procent
Cement/beton	12, 16	13, 40	60, 9
wypełnienie płynne	0, 73	0, 80	3, 7
wypełnienia strukturalne	2, 91	3,21	14,6
podstawa drogi/podłoże	0,93	1,02	4,7
modyfikacja gleby	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

Obsługa

zebrany popiół lotny jest zwykle transportowany pneumatycznie z leja lejowego ESP lub z tkaniny filtracyjnej do silosów magazynowych, gdzie jest przechowywany w stanie suchym w oczekiwaniu na wykorzystanie lub dalszą obróbkę, lub do systemu, w którym suchy popiół jest zmieszany z wodą i przewieziony (śluzowany) do stawu magazynowego na miejscu.

suchy popiół jest zwykle przechowywany i przetwarzany przy użyciu sprzętu i procedur podobnych do tych stosowanych do obróbki cementu portlandzkiego:

• popiół lotny jest przechowywany w silosach, Kopułach i innych magazynach masowych
• popiół lotny może być transportowany za pomocą prowadnic powietrznych, przenośników kubełkowych i ślimakowych lub może być transportowany pneumatycznie przez rurociągi w Warunkach dodatniego lub ujemnego ciśnienia
• popiół lotny jest transportowany na rynki w cysternach, wagonach kolejowych i barkach/statkach
• popiół lotny może być pakowany w super worki lub mniejsze worki do zastosowań specjalnych

sucho zebrana mucha popiół można również nawilżać wodą i środkami zwilżającymi, w stosownych przypadkach, przy użyciu specjalistycznego sprzętu (kondycjonowane) i ciągnięte w zadaszonych wywrotkach do specjalnych zastosowań, takich jak wypełnienia konstrukcyjne. Popiół lotny kondycjonowany wodą może być składowany w miejscach pracy. Narażony składowany materiał musi być wilgotny lub pokryty plandeką, tworzywem sztucznym lub równoważnymi materiałami, aby zapobiec emisji pyłu.

charakterystyka

rozmiar i kształt. Popiół lotny jest zazwyczaj drobniejszy niż cement portlandzki i wapno. Popiół lotny składa się z cząstek wielkości mułu, które są na ogół kuliste, zazwyczaj w zakresie wielkości od 10 do 100 mikronów (rysunek 1-2). Te małe szklane kule poprawiają płynność i urabialność świeżego betonu. Rozdrobnienie jest jedną z ważnych właściwości przyczyniających się do pozzolanowej reaktywności popiołów lotnych.

rysunek 1-2: cząstki popiołu lotnego w powiększeniu 2000 x.

Chemia. Popiół lotny składa się głównie z tlenków krzemu, żelaza glinu i wapnia. Magnez, potas, sód, tytan i siarka są również obecne w mniejszym stopniu. W przypadku stosowania jako domieszka mineralna w betonie popiół lotny jest klasyfikowany jako popiół klasy C lub klasy F na podstawie jego składu chemicznego. American Association of State Highway Transportation Officials (AASHTO) m 295 określa skład chemiczny popiołów lotnych klasy C i klasy F.

popioły klasy C na ogół pochodzą z węgli sub bitumicznych i składają się głównie ze szkła glinowo-siarczanowego wapnia, a także kwarcu, tlenku glinu i wolnego wapna (Cao). Popiół klasy C jest również określany jako popiół lotny o wysokiej zawartości wapnia, ponieważ zwykle zawiera więcej niż 20 procent CaO.

popioły klasy F zazwyczaj pochodzą z węgli bitumicznych i antracytowych i składają się głównie ze szkła glinokrzemianowego, z kwarcem, mulitem i magnetytem. Klasa F, czyli popiół lotny o niskiej zawartości wapnia ma mniej niż 10 procent CaO.

tabela 1-3: Przykładowe analizy tlenków popiołu i cementu portlandzkiego

związki	popiół lotny Klasa F	popiół lotny Klasa C	Cement portlandzki
SiO2	55	40	23
	al203	26	17	4
Fe2O3	7	6	2
cao (lime)	9	24	64
MgO	2	5	2
	SO3	1	3	2

Kolor. Popiół lotny może być brązowy do ciemnoszarego, w zależności od jego składników chemicznych i mineralnych. Tan i jasne kolory są zwykle związane z wysoką zawartością wapna. Brązowawy kolor jest zwykle związany z zawartością żelaza. Kolor ciemnoszary do Czarnego jest zwykle przypisywany podwyższonej zawartości niespalonego węgla. Kolor popiołu lotnego jest zwykle bardzo spójny dla każdej elektrowni i źródła węgla.

rysunek 1-3: typowe kolory popiołu

jakość popiołu lotnego

wymagania jakościowe dla popiołu lotnego różnią się w zależności od zamierzonego zastosowania. Na jakość popiołów lotnych mają wpływ właściwości paliwa (węgiel), współspalanie paliw (węgiel bitumiczny i sub bitumiczny) oraz różne aspekty procesów spalania i oczyszczania/zbierania spalin. Cztery najbardziej istotne cechy popiołu lotnego do stosowania w betonie to strata przy zapłonie (LOI), rozdrobnienie, skład chemiczny i jednorodność.

LOI jest pomiarem niespalonego węgla (węgla) pozostającego w popiole i jest krytyczną cechą popiołów lotnych, szczególnie w zastosowaniach betonowych. Wysoki poziom węgla, rodzaj węgla (tj. aktywowany), interakcja rozpuszczalnych jonów w popiołach lotnych i zmienność zawartości węgla mogą powodować znaczne problemy z wciąganiem powietrza w świeżym betonie i mogą niekorzystnie wpływać na trwałość betonu. AASHTO i ASTM określają limity dla LOI. Jednak niektóre państwowe departamenty transportu będą określać niższy poziom LOI. Węgiel można również usunąć z popiołu lotnego.

LOI nie ma wpływu na niektóre zastosowania popiołów lotnych. Wypełniacz w asfalcie, płynnym wypełnieniu i wypełnieniach strukturalnych może przyjmować popiół lotny o podwyższonej zawartości węgla.

rozdrobnienie popiołów lotnych jest najściślej związane ze stanem eksploatacyjnym kruszarek i rozdrobnieniem samego węgla. W przypadku stosowania popiołów lotnych w zastosowaniach betonowych rozdrobnienie definiuje się jako procent wagowy materiału zatrzymanego na sicie 0,044 mm (Nr 325). Grubsza gradacja może spowodować mniej reaktywny popiół i może zawierać wyższą zawartość węgla. Ograniczenia dotyczące rozdrobnienia są rozpatrywane przez specyfikacje ASTM i Departamentu Transportu Państwowego. Popiół lotny może być przetwarzany przez klasyfikację przesiewową lub powietrzną w celu poprawy jego rozdrobnienia i reaktywności.

rozdrobnienie popiołów lotnych nie wpływa na niektóre zastosowania niebetonowe, takie jak wypełnienia strukturalne. Jednak inne zastosowania, takie jak wypełniacz asfaltu, są w znacznym stopniu zależne od rozdrobnienia popiołu lotnego i jego rozkładu wielkości cząstek.

skład chemiczny popiołów lotnych odnosi się bezpośrednio do chemii mineralnej macierzystego węgla i wszelkich dodatkowych paliw lub dodatków stosowanych w procesach spalania lub dopalania. Stosowana technologia kontroli zanieczyszczeń może również wpływać na skład chemiczny popiołu lotnego. Elektrownie spalają duże ilości węgla z wielu źródeł. Węgiel może być mieszany w celu maksymalizacji wydajności wytwarzania lub poprawy efektywności środowiskowej stacji. Chemia popiołów lotnych jest stale testowana i oceniana pod kątem konkretnych zastosowań.

Niektóre stacje selektywnie spalają określone węgle lub modyfikują ich skład dodatków, aby uniknąć pogorszenia jakości popiołu lub nadać pożądaną chemię i właściwości popiołów lotnych.

jednorodność właściwości popiołów lotnych od wysyłki do wysyłki jest niezbędna w celu zapewnienia spójnego produktu. Chemia i właściwości popiołów lotnych są zwykle znane z wyprzedzeniem, więc mieszanki betonowe są projektowane i testowane pod kątem wydajności.

tabela 1-4: wytyczne stosowane do zapewnienia jakości popiołów lotnych.

Aci 229R

Controlled Low Strength Material (CLSM)

ASTM C 311

Pobieranie Próbek i badanie popiołów lotnych lub naturalnych Pozzolanów do stosowania jako domieszka mineralna w betonie cementowym portlandzkim

AASHTO M 295
ASTM C 618

popiół lotny i surowy lub kalcynowany naturalny Pozzolan do stosowania jako domieszka mineralna w betonie cementowym portlandzkim

ASTM C 593

popioły lotne i inne pozolany do stosowania z wapnem

ASTM D 5239

standardowa praktyka charakteryzowania popiołów lotnych do stosowania w stabilizacji gleby

ASTM E 1861

przewodnik stosowania produktów ubocznych spalania węgla w wypełnieniach konstrukcyjnych

kryteria zapewnienia jakości i kontroli jakości różnią się dla każdego zastosowania popiołów lotnych w zależności od stanu i źródła. Niektóre stany wymagają certyfikowanych próbek z silosu na określonej podstawie do testowania i zatwierdzenia przed użyciem. Inni prowadzą listy zatwierdzonych źródeł i akceptują certyfikaty dostawców projektów dotyczące jakości popiołów lotnych. Stopień wymagań w zakresie kontroli jakości zależy od przeznaczenia, konkretnego popiołu lotnego i jego zmienności. Wymagania dotyczące badań są zazwyczaj ustalane przez poszczególne agencje.

rysunek 1-4: Zdjęcia mikroskopowe popiołu lotnego (po lewej) i cementu portlandzkiego (po prawej).

tabela 1-5. Specyfikacje popiołu lotnego w PCC.
AASHTO M 295 (ASTM C 618) – Klasa F I C

		Klasa F	Klasa C
wymagania chemiczne	SiO2 + Al2O3 + Fe2O3	min%	701	50
	SiO3	Max%	5	5
	zawartość wilgoci	Max%	3	3
	Strata przy zapłonie (loi)	max%	51
opcjonalna substancja chemiczna Wymagania	dostępne alkalia	max%	1,5	1,5
wymagania fizyczne	próba (+325 oczek)	max%	34
	aktywność pozolanowa/cement (7 dni)	min%	75	75
		aktywność pozolanowa/cement (28 dni)	min%	75
	zapotrzebowanie na wodę	max%	105	105
	rozszerzenie autoklawu	Max%	0.8
wymagania jednorodne2: gęstość	max%	5	5
wymagania Jednorodne2: próba	max%	5	5
	opcjonalne wymagania fizyczne	wiele czynników (Loi x próba)		255	—
wzrost skurczu suszenia		Max%	.03	.03
wymagania dotyczące jednorodności: środek wciągający powietrze		max%	20	20
reakcja cementowo-zasadowa: rozprężanie zaprawy (14 dni)		max%	0.020	—

uwagi:

1. wymagania ASTM wynoszą 6 procent
2. gęstość i próba poszczególnych próbek nie mogą się różnić od średniej ustalonej przez 10 poprzednich testów lub przez wszystkie poprzednie testy, jeśli liczba jest mniejsza niż 10, o więcej niż podane maksymalne wartości procentowe.