Możliwości zastosowania frakcjonowanych UPS w budownictwie komunikacyjnym

Transkrypt

1 Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Materiałów Budowlanych Możliwości zastosowania frakcjonowanych UPS w budownictwie komunikacyjnym Marek Gawlicki Radosław Mróz Wojciech Roszczynialski Wojciech Wons Seminarium: Innowacyjne rozwiązania w wykorzystaniu ubocznych produktów spalania (UPS) Realizowane w ramach Przedsięwzięcia IniTech: Analiza uwarunkowań oraz badania możliwości wykorzystania wybranych UPS w budownictwie i inżynierii lądowej nr rejestracyjny OSF Kraków 14 listopada

2 Cel zadania Ocena możliwości wykorzystania UPS i wydzielonych z nich frakcji ziarnowych jako składników spoiw i kruszywa przeznaczonych dla drogownictwa 2

3 Uboczne produkty spalania kotły konwencjonalne popioły lotne biomasa kotły fluidalne popioły lotne żużle energetyczne produkty odsiarczania odpylonych gazów odlotowych mieszaniny popiołowo-żużlowe mieszaniny popiołowo-żużlowe + produkty odsiarczania odpady denne mieszaniny popiołów lotnych i odpadów dennych 3

4 Popioły z kotłów fluidalnych niespalony węgiel KONWENCJONALNY POPIÓŁ LOTNY faza szklista mullit 3Al 2 O 3. 2SiO 2 larnit Ca 2 SiO 4 magnetyt Fe 3 O 4 MgO CaO kalcyt CaCO 3 semiamorficzna substancja glinokrzemianowa POPIÓŁ LOTNY Z KOTŁA FLUIDALNEGO anhydryt CaSO 4 kwarc SiO 2 4

5 Konwencjonalny 5

6 6

7 Popiół lotny z kotła fluidalnego 50µm 7

8 pozostałe składniki UPS Składniki badanych spoiw Popiół lotny z El. Pątnów lub jego frakcje ziarnowe Popiół lotny z lub jego frakcje ziarnowe Popiół fluidalny z El. Turów lub jego frakcje ziarnowe Mieszanka popiołowo-żużlowa ze składowiska Połaniec cement portlandzki CEM I 42,5 R zmielony klinkier portlandzki, 3500 cm 2 /g wg Blaine a wapno hydratyzowane 8

9 Spoiwa zawierające cement portlandzki i UPS z El. Pątnów oraz CEM I 42,5R (całość lub μm) 20 40% 60 80% 20 40% 60 80% CEM I 42,5R El. Pątnów (całość, 0-30 μm, μm) CEM I 42,5R mieszanka p-ż (0-30 μm) CEM I 42,5R (0-100 μm) wapno hydratyzowane 30% 70% 10 20% 50 70% 15 30% hydrauliczne spoiwa drogowe 20 30% 35 40% 35 40% 10 20% 50 70% 15 30% CEM I 42,5R El. Pątnów CEM I 42,5R (0-100 μm) wapno hydratyzowane (0-100 μm) wapno hydratyzowane 50-70% 30-50% 50 70% 30-50% (0-100 μm) wapno hydratyzowane 9

10 Spoiwa zawierające klinkier portlandzki i UPS z El. Pątnów oraz klinkier pow-3500 cm 2 /g 20 30% (całość lub μm) 70 80% 20 30% 70 80% klinkier pow-3500 cm 2 /g popiół wapienny El. Pątnów (całość, 0-30 μm, μm) klinkier pow-3500 cm 2 /g Mieszanka p-ż (0-30 μm) 30% 70% hydrauliczne spoiwa drogowe 20 30% klinkier pow-3500 cm 2 /g klinkier pow-3500 cm 2 /g 30% 35 40% popiół wapienny El. Pątnów Mieszanka p-ż (0-30 μm) 35% popiół wapienny El. Pątnów 35% 35 40% Popiół lotny 10

11 Spoiwa zawierające cement lub klinkier portlandzki i UPS z El. Turów oraz CEM I 42,5R 20 40% popiół fluidalny El. Turów całość, 0-30 μm, μm) 60 80% 20 40% 60 80% klinkier pow-3500 cm 2 /g popiół fluidalny El. Turów całość, 0-30 μm, μm) CEM I 42,5R (0-100 μm) 20 30% 35 40% hydrauliczne spoiwa drogowe 20 30% 35 40% klinkier pow-3500 cm 2 /g (0-100 μm) popiół fluidalny El. Turów 35 40% 35 40% popiół fluidalny El. Turów CEM I 42,5R popiół fluidalny El. Turów całość, 0-30 μm, μm) 10 20% 70-80% wapno hydratyzowane 5-15% 30% 35% 35% klinkier pow-3500 cm 2 /g mieszanka p-ż (0-30 μm) popiół fluidalny El. Turów 11

12 Podstawowe kierunki badań z El. Pątnów (lub jego frakcje) z (lub jego frakcje) z El. Turów (lub jego frakcje) mieszanka popiołowożużlowa z Połańca (lub jej frakcje) drobne frakcje hydrauliczne spoiwa drogowe wg pren jako kruszywo ulepszanie gruntów (poprawa nośności) <0,5 MPa stabilizacja gruntów 0,5 2,5 MPa podbudowy drogowe >2,5 MPa 12

13 Projekty norm RHRB pren Hydraulic road binders. Part 1. Composition, specifications and conformity criteria of rapid hardening hydraulic road binders NHRB pren Hydraulic road binders. Part 2. Composition, specifications and conformity criteria of normal hardening hydraulic road binders 13

14 Składniki główne NHRB pren Składnik główny: >10% m/m klinkier cementu portlandzkiego (K) granulowany żużel wielkopiecowy (S) pucolany: - pucolana naturalna (P) - pucolana naturalna wypalana (Q) popioły lotne: - popiół krzemionkowy (V) - popiół wapienny (W) łupek palony (T) wapienie: - wapień (LL) - wapień (L) zdefiniowane zgodnie z PN-EN oraz: wapno palone (CL-Q), wapno hydratyzowane (CL-S) i naturalne wapno hydrauliczne (NHL) PN-EN

15 Składniki główne NHRB pren popioły lotne: - krzemionkowe popioły lotne z cyrkulacyjnych kotłów fluidalnych (Va) - niegaszone popioły wapienne (Wa) zasadowe żużle konwertorowe (Sb) Popiół lotny Va SiO 2 + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 > 70% wolne wapno < 2% reaktywna SiO 2 > 20% SO 3 < 6% Pozostałość na sicie 315 μm = 0% Straty prażenia 9% Popiół lotny Wa zawiera nie mniej niż 15% reaktywnego CaO oznaczonego zgodnie z PN-EN Może być użyty do wytwarzania NHRB klas N 1 i N 2 Straty prażenia 9% Żużel konwertorowy Sb SiO 2 + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 > 40% całkowity CaO > 40% MgO < 9% wolne wapno 7 15% SO 3 < 0,3% Powierzchnia właściwa wg Blaine a > 2000 cm 15 2 /g

16 Cechy użytkowe HRB Klasa po 7 dniach Wytrzymałość na ściskanie [MPa] po 28 dniach RHRB po 56 dniach E 2 5,0 12,5 32,5 E 3 10,0 22,5 42,5 E 4 16,0 32,5 52,5 Początek czasu wiązania [min] Stałość objętości [mm] E 4-RS 16,0 32, NHRB N ,5 N 2 12,5 32,5 N 3 22,5 42, N 4 32,5 52,5 16

17 Kierunki zastosowania spoiw Spoiwa przyporządkowano odpowiednim klasom wytrzymałościowym N1 N4 wg pren Wybrane spoiwa przeznaczono do: ulepszania i stabilizacji gruntów spoistych ulepszania i stabilizacji gruntów niespoistych wykonania podbudów drogowych 17

18 Ulepszanie i stabilizacja gruntów spoistych + Ca 2+ Wymiana jonów w przestrzeniach międzypakietowych minerałów ilastych 18

19 Ulepszanie i stabilizacja gruntów spoistych wnioski z badań 1. Wprowadzenie do gruntu spoistego spoiw zawierających popioły lotne powoduje: podwyższenie granicy płynności gruntu, zwiększenie nośności gruntu bezpośrednio po zagęszczeniu, zespalanie (grudkowanie) cząstek gruntu, ograniczenie pęcznienia gruntu. 2. Wzrost zawartości wapna w spoiwach, w wyniku wymiany jonowej w przestrzeniach międzypakietowych, potęguje efekty wymienione wyżej. 3. Frakcjonowanie popiołów lotnych zastosowanych w spoiwach nie wpływa w istotny sposób na stabilizację gruntów spoistych. 19

20 Spoiwa użyte do ulepszania i stabilizacji gruntów spoistych - przykłady - 70 % popiół wapienny z Elektrowni Pątnów, - 15 % cement portlandzki CEM I 42,5R, - 15 % wapno hydratyzowane w proporcjach: - 96 % gruntu średnio-spoistego, - 4 % spoiwa hydraulicznego % popiół wapienny z Elektrowni Pątnów, - 30 % wapno hydratyzowane w proporcjach: - 94 % gruntu średnio-spoistego, - 6 % spoiwa hydraulicznego % fluidalny z Elektrowni Turów, - 10 % cement portlandzki CEM I 42,5R, - 10 % wapno hydratyzowane w proporcjach: - 95 % gruntu, - 5 % spoiwa hydraulicznego. Próba polowa Żarska Wieś k/zgorzelca 20

21 Ulepszanie i stabilizacja gruntów niespoistych wnioski z badań - popioły lotne mogą być substytutem części cementu w hydraulicznych spoiwach drogowych z mieszanka p-ż <30μm popiół wapienny Z El Pątnów popiół fluidalny z El. Turów najkorzystniejszy - wprowadzenie drobnych frakcji popiołów lotnych do spoiwa poprawia efekty wzmocnienia gruntu 21

22 Podbudowy drogowe CEM I 32,5R mieszanka p-ż. (całość lub <1mm) 5 7% 30 50% 6 12% hydrauliczne spoiwa drogowe kruszywa naturalne 43 63% 88 94% kruszywa naturalne podbudowy drogowe i chude betony 22

23 Podbudowy drogowe - wnioski - Spoiwa zawierające popiół fluidalny (El. Turów) i popiół wapienny (El. Pątnów) pozwalają uzyskać pełnowartościowe podbudowy drogowe. - Frakcjonowanie mieszanki popiołowo-żużlowej umożliwia wyeliminowanie pozostałości niespalanej biomasy frakcji >1 mm i pozwala na wykorzystanie mieszanki jako kruszywa w podbudowach drogowych i chudych betonach. - Niefrakcjonowane mieszanki popiołowo-żużlowe nie zapewniają dostatecznej mrozoodporności podbudowy drogowej. - Mieszanka popiołowo-żużlowa obniża gęstość objętościową podbudów drogowych, zmniejszając tym samym jednostkowe zużycie cementu oraz masę materiału koniecznego do wykonania podbudowy drogowej. 23

24 Podbudowy drogowe - przykłady 5-7 % cement CEM I 32,5 R, % mieszanka żużlowo popiołowa, % kruszywa naturalne. W opt = 16,5% R 28 = 5,6 MPa Spoiwo: % popiół wapienny z Elektrowni Pątnów, % cement portlandzki CEM I 42,5R, w proporcjach: - 90% gruntu piaszczystego, - 10 % spoiwa hydraulicznego. W opt = 10,5% R 28 = 4,5 MPa Spoiwo: % popiół fluidalny z Elektrowni Turów, % cement portlandzki CEM I 42,5R, w proporcjach: % gruntu piaszczystego, % spoiwa hydraulicznego W opt = 7,0-10,5% R 28 = 2,4-3,6 MPa Próba polowa Żarska Wieś k/zgorzelca 24

25 Wpływ frakcjonowania UPS na ich wykorzystanie w drogownictwie Usunięcie frakcji ziarnowej > 1 mm z mieszanki popiołowożużlowej zdeponowanej na składowisku GDF Suez w Połańcu (UPS ze współspalania węgla i biomasy) umożliwia jej efektywne wykorzystanie jako składnika podbudowy drogowej. Użycie do stabilizacji gruntów niespoistych frakcji ziarnowej < 30 µm wydzielonej z popiołów lotnych w znaczący sposób (nawet o 30%) zwiększa wytrzymałość gruntów spoistych w stosunku do wytrzymałości gruntów spoistych stabilizowanych mieszankami spoiwowymi zawierającymi pobrany bezpośrednio z urządzeń odpylających. Skład ziarnowy popiołu lotnego w mieszankach spoiwowych stosowanych do ulepszania i stabilizacji gruntów spoistych nie wywiera istotnego wpływy na ich właściwości użytkowe. 25

26 Zgłoszenia know-how Mieszanki drogowe na podbudowy zawierające odpady energetyczne z GDF Suez w Połańcu oraz wapienny z Elektrowni Pątnów Hydrauliczne spoiwa drogowe zawierające wapienny z Elektrowni Pątnów Hydrauliczne spoiwa drogowe na bazie popiołu fluidalnego z Elektrowni Turów Hydrauliczne spoiwa drogowe na bazie mieszanin popiołu fluidalnego z Elektrowni Turów oraz popiołu lotnego z Elektrowni Połaniec Hydrauliczne spoiwa drogowe zawierające z Elektrowni Połaniec oraz wapienny z Elektrowni Pątnów 26

27 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ 27