Właściwości fizykochemiczne popiołów fluidalnych

Transkrypt

1 Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Materiałów Budowlanych Właściwości fizykochemiczne popiołów fluidalnych Prof. dr hab. inż. Jan Małolepszy Zakopane 15 kwiecień 2010

2 POPIÓŁ LOTNY KRZEMIONKOWY Krzemionkowy popiół lotny z konwencjonalnego kotła pyłowego SiO 2akt woda Al 2 O 3akt + Ca(OH) 2 C-S-H C 4 AH 13, C 2 AH 8 REAKCJA PUCOLANOWA C 2 ASH 8, C 3 AS 3 -C 3 AH 6

3 OBSERWACJE MIKROSKOPOWE - SEM OP2/II

4 RODZAJE POPIOŁÓW FLUIDALNYCH Z węgla kamiennego Z węgla brunatnego (Turoszów) Z węgla brunatnego (PAK)? Z węgla brunatnego (Bełchatów)?

5 PROCES FLUIDALNY Temperatura w palenisku 850 C Sorbent CaCO 3 Odpady - popiół - złoże denne Paleniska naturalne - Temperatura w palenisku 1200 C - Odpady - popiół - żużel

6 OBRAZ SEM POPIOŁU FLUIDALNEGO

7 ZIARNA POPIOŁU TUROSZÓW Powiększenie x

8 ZIARNA POPIOŁU TUROSZÓW analiza EDS Pow x

9 ZIARNA POPIOŁU KATOWICE Powiększenie x

10 POPIÓŁ FLUIDALNY (T)

11 FLUBETPOPIÓŁ FLUIDALNY (T)

12 GŁÓWNI PRODUCENCI ODPADÓW FLUIDALNYCH W 2005 R. Nazwa zakładu rodzaj odpadu (tys. t.) Popiół fluid. odpad denny razem Elektrownia Turów E.C. Żerań E.C. Czechowice-Dziedzice Elektrownia Jaworzno II E.C. Katowice E.C. Tychy Elektrownia Siersza Z-dy Farm. Polpharma Elektrownia Chorzów Elektrownia Łagisza Razem

13 ZMIENNOŚĆ WYBRANYCH ELEMENTÓW SKŁADU CHEMICZNEGO POPIOŁÓW FLUIDALNYCH TURÓW I KATOWICE W OKRESIE R. Składnik Popiół fluidalny Turów Wartość średnia σ* min max Procent masy danego składnika, % Popiół fluidalny Katowice Wartość średnia σ* min max SiO 2 34,74 2,62 29,96 37,75 43,75 2,89 40,59 47,18 Fe 2 O 3 5,26 0,58 4,40 6,00 7,66 1,17 5,85 9,40 Al 2 O 3 25,43 2,73 21,20 28,40 23,33 1,29 21,18 25,62 CaO 19,24 4,46 14,46 26,34 8,85 1,77 6,30 11,60 SO 3 4,20 1,02 2,95 6,43 5,07 1,27 3,62 6,98 Na 2 O e 2,25 0,44 1,74 3,14 2,83 0,24 2,42 3,27 CaO w 6,57 1,93 4,70 10,00 1,18 1,14 0,00 3,40 Cl - 0,02 0,00 0,02 0,03 0,11 0,05 0,04 0,19

14 AKTYWNOŚĆ PUCOLANOWA POPIOŁÓW FLUIDALNYCH K WG METODY ASTM C Aktywność pucolanowa popiołów, % Składnik Popiół z Katowic (K) Popiół z Katowic (K1) Popiół z Katowic (K2) Popiół z Katowic (K3) Popiół z Katowic (K4) Popiół z Katowic (K5) Popiół z Katowic (K6) Popiół z Katowic (K7) SiO 2 21,50 15,37 17,20 16,00 18,25 17,88 14,13 17,89 Al 2 O 3 14,80 11,62 12,50 9,90 11,50 11,29 10,21 13,16 SUMA: 36,30 26,99 29,70 25,90 29,75 29,17 24,34 31,05

15 AKTYWNOŚĆ PUCOLANOWA POPIOŁÓW FLUIDALNYCH T WG METODY ASTM C Aktywność pucolanowa popiołów, % Składnik Popiół z Turowa (T) Popiół z Turowa (T1) Popiół z Turowa (T2) Popiół z Turowa (T3) Popiół z Turowa (T4) Popiół z Turowa (T5) Popiół z Turowa (T6) Popiół z Turowa (T7) SiO 2 19,37 15,84 12,05 18,90 17,75 15,33 18,30 13,87 Al 2 O 3 13,00 10,93 8,50 12,03 10,40 10,11 11,49 9,08 SUMA: 32,37 26,77 20,55 30,93 28,15 25,44 29,79 22,94

16 WYNIKI OZNACZENIA CECH WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH ZAPRAW WYKORZYSTANYCH DO OCENY PUCOLANOWOŚCI POPIOŁÓW FLUIDALNYCH TURÓW Skład spoiwa w zaprawie normowej Wytrzymałość na zginanie i ściskanie po czasie hydratacji, dni % wytrzymałości na ściskanie zaprawy zawierającej popiół w stosunku do zaprawy cementowej, %, po czasie hydratacji dni* 90 dni* Cement CEM I 42,5R 8,3 // 45,1 8,5 // 49, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Turów (T) 9,6 // 54,2 9,5 // 58, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Turów (T1) 9,7 // 51,2 9,4 // 53, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Turów (T2) 9,5 // 48,0 9,4 // 50, Cement CEM I 42,5R 7,7 // 48,5 8,6 // 52, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Turów (T3) 10,1 // 59,2 10,1 // 63, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Turów (T4) 9,1 // 54,6 9,8 // 59, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Turów (T5) 8,3 // 48,6 9,6 // 51, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Turów (T6) 9,2 // 53,2 9,3 // 54, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Turów (T7) 9,1 // 51,3 8,7 // 53,

17 WYNIKI OZNACZENIA CECH WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH ZAPRAW WYKORZYSTANYCH DO OCENY PUCOLANOWOŚCI POPIOŁÓW FLUIDALNYCH KATOWICE Skład spoiwa w zaprawie normowej Wytrzymałość na zginanie i ściskanie po czasie hydratacji, dni % wytrzymałości na ściskanie zaprawy zawierającej popiół w stosunku do zaprawy cementowej, %, po czasie hydratacji dni 90 dni Cement CEM I 42,5R 8,3 // 45,1 8,5 // 49, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Katowice (K) 10,7 // 57,1 10,3 // 58, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Katowice (K1) 9,8 // 55,5 9,6 // 57, Cement CEM I 42,5R 7,7 // 48,5 8,6 // 52, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Katowice (K2) 9,6 // 57,9 10,0 // 60, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Katowice (K3) 10,8 // 54,6 9,7 // 59, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Katowice (K4) 9,0 // 58,4 9,6 // 61, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Katowice (K5) 10,1 // 60,5 10,0 // 62, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Katowice (K6) 8,8 // 56,5 9,3 // 59, % - CEM I 42,5R 25% - popiół Katowice (K7) 10,4 // 54,4 9,6 // 62,

18 DYFRAKTOGRAM POPIOŁU FLUIDALNEGO (A anhydryt, C kalcyt, Q kwarc)

19 ZMIENNOŚĆ SKŁADU MINERALNEGO POPIOŁÓW FLUIDALNYCH TURÓW I KATOWICE W OKRESIE R. Składnik Wartość średnia Popiół fluidalny Turów Procent masy danego składnika, % σ* min max Wartość średnia Popiół fluidalny Katowice σ* min max SiO 2 2,3 1,0 1,5 3,9 16,4 2,2 14,2 19,9 CaSO 4 7,1 1,7 5,0 10,9 8,6 2,2 6,2 11,9 CaO 6,6 1,9 4,7 10,0 1,2 1,1 0,00 3,4 CaCO 3 5,2 1,7 3,4 8,9 2,2 1,9 0,4 6,5 nie spalony węgiel fazy bezpostaciowe związane z rozkładem minerałów ilastych: typ metakaolinitu 0,1 0,0 0,1 0,1 2,0 0,7 0,6 2,7 79,1 4,7 71,0 83,7 70,2 3,7 62,8 73,8

20 ZŁOŻE DENNE Skład chemiczny Zawartość [% wag.] Straty prażenia 4,00 SiO 2 38,69 Fe 2 O 3 3,21 Al 2 O 3 16,18 TiO 2 0,51 CaO 21,48 MgO 1,78 SO 3 13,99 S 2-0,16 W tym CaO w 7,68

21 SKŁAD FAZOWY ZŁOŻA Metakolinit(AS 2 ) 50% (faza amorficzna) CaOw 5 8% CaCO % CaSO 4 II 20-25% SiO 2 kwarc <3%

22 AKTYWNOŚĆ PUCOLANOWA POPIOŁÓW KRZEMIONKOWYCH Zawartość rozpuszczanych składników w temperaturze 80 C (roztw. NaOH) - SiO % (16-20%) - Al 2 O % (10 13%) Skład chemiczny pop.fluid. SiO 2 /Al 2 O 3 = pop.krzem.- SiO 2 /Al 2 O 3 =

23 CHARAKTERYSTYKA POPIOŁÓW LOTNYCH M Q M Q M Q M M M M M Q M M Dyfraktogramy XRD P3 popiołów lotnych M Q M Q M M M M M M Q M M P2 M Q M M M M M M M Q M M Cu K Q - -kwarc, M - mullit P1 Popioły lotne Intensywność piku dyfrakcyjnego od -kwarcu (26,5 2 Cu Kα ) Intensywność piku dyfrakcyjnego od mullitu (26,2 2 Cu Kα ) [zliczenia] [%] [zliczenia] [%] P , ,0 P , ,7 P , ,6 P1, P2, P3 1, 2, 3 strefa odpylania elektrofiltru

24 SKŁAD FAZOWY POPIOŁÓW KRZEMIONKOWYCH Faza szklista 50-70% Faza krystaliczna 30-50% - kwarc (SiO 2 ) - mulit (3Al 2 O 3 2SiO 2 )

25 WYTRZYMAŁOŚĆ NA ŚCISKANIE ZAPRAW CEMENTOWYCH Z DODATKIEM POPIOŁÓW LOTNYCH Z I, II I III SEKCJI ELEKTROFILTRU (2006) Rodzaj cementu Wytrzymałość na ściskanie w [MPa] po upływie: 2 dni 28 dni 90 dni 180 dni CEM I 42,5R 24,6 44,7 54,4 60,2 CEM I 42,5R (80%) + PI (20%) CEM I 42,5R (80%) + PII (20%) CEM I 42,5R (80%) + PIII (20%) 17,8 33,9 41,5 46,1 19,6 43,0 49,1 64,7 22,1 45,8 53,1 69,4

26 CHARAKTERYSTYKA KAOLINITU Kaolinit - minerał ilasty o budowie warstwowej, o pakietach dwuwarstwowych, dioktaedrycznych (1 : 1) Odmiany polimorficzne: dickit i nakryt, Al 4 [Si 4 O 10 ](OH) 8 (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O, AS 2 H 2 ) Podstawowym elementem struktury kaolinitów jest pakiet zbudowany z warstwy krzemo-tlenowej i warstwy glino-tlenowodorotlenowej

27 STRUKTURA KAOLINITU Podstawowym elementem struktury kaolinitów: - warstwa krzemo-tlenowej - warstwa glino-tleno-wodorotlenowe L.K. Si = 4 [SiO 2 O 5 ] -2 H2O L.K. Al = 6 [AlO 6 ] -9

28 STRUKTURA WEWNĘTRZNA KAOLINITU (projekcja wzdłuż osi b)

29 KRZYWE TERMICZNE KAOLINITU

30 DEHYDROKSYLACJA KAOLINITU 2 Al 2 O 3 4SiO 2 4H 2 O 2 Al 2 O 3 4SiO 2 +4H 2 O Temperatura rozkładu 550 C Temperatura praktyczna 750 C 800 C

31 REAKCJA PUCOLANOWA METAKAOLINITU AS CH + 5 H C 5 AS 2 H 5 gdzie C 5 AS 2 H 5 jest fazą o przeciętnym składzie reprezentowaną przez mieszaninę CASH, C 2 ASH 8, C 4 AH 13, C 3 AH 6, CSH, a w przypadku obecności węglanów, dodatkowo mogą być również obecne węglanogliniany (karbogliniany). Rodzaj tworzących się produktów krystalicznych w głównej mierze zależy od stosunku AS 2 /CH.

32 WPŁYW WIELKOŚCI SUBSTYTUCJI CEMENTU METAKAOLINITEM NA ZAWARTOŚĆ PORTLANDYTU W BETONIE W ZALEŻNOŚCI OD DŁUGOŚCI OKRESU DOJRZEWANIA

33 WPŁYW DODATKU METAKAOLINITU NA ROZKŁAD WIELKOŚCI PORÓW w zaprawie w/c = 0,4, kruszywo/spoiwo = 1,0, wiek zaprawy = 100 dni.

34 Skład fazowy betonu komórkowego xcao ysio 2 nh 2 O 5CaO 6SiO 2 5H 2 O 3CaO Al 2 O 3 CaSO 4 12H 2 O x 3CaO mal 2 O 3 ysio 2 nh 2 O Popioły fluidalne dodatkowo 3CaO Al 2 O 3 CaCO 3 12H 2 O 7CaO 2SiO 2 CaCO 3 2H 2 O CaSO 4

35 POROWATOŚĆ Duże pory kuliste Małe pory kuliste

36 FORMY CSH

37 TOBERMORYT

38 PORÓWNANIE ODMIAN 300 I 600 OBSERWACJE SEM - FORMACJE TOBERMORYTU 300 (d śr 6 m) 600 (d śr 4 m) Prefabet Lidzbark Welski S.A.

39 XONOTLIT

40 MONOSULFAT

41 HYDROGRANAT Brak powstawania etryngitu

42 C-S-H + C 3 S 2 H (girolit)

43 MICROSTRUCTURE OF AAC FLUIDIZED COMBUSTION ASH C-S-H (stringy) and tobermorite

44 MICROSTRUCTURE OF AAC FLUIDIZED COMBUSTION ASH C-S-H (honeycomb) and hydrated calcium aluminosilicate

45 MICROSTRUCTURE OF AAC FLUIDIZED COMBUSTION ASH hydrated calcium aluminosilicate

46 MICROSTRUCTURE OF AAC FLUIDIZED COMBUSTION ASH gypsum

47 CHARAKTERYSTYKA SCAWTYTU Scawtyt Ca 6 Si 6 O 18 2H 2 O Ca(CO) 3 (7CaO 6SiO 2 CO 2 2H 2 O, C 7 S 6 H 2 (CO 2 ) zawiera dwie cząsteczki w jednoskośnej komórce elementarnej.

48 SCAWTYT

49 WNIOSKI Popioły fluidalne Zalety: - duża aktywność pucolanowa - zawartość CaOw bardzo aktywnego - zawartość CaSO 4 II Wady: - zwiększona wodożądność - zmienność składu fazowego - wskazane ujednorodnianie

50 Ucząc innych - uczysz siebie Seneca

51 Dziękuję za uwagę

52

53

54 STRUKTURA WEWNĘTRZNA KAOLINITU (projekcja wzdłuż osi a)

55 STRUKTURA WEWNĘTRZNA SCAWTYTU

56 STRUKTURA WEWNĘTRZNA KAOLINITU (projekcja wzdłuż osi c)

57 WYNIKI OZNACZEŃ PARAMETRÓW FIZYCZNYCH BADANYCH POPIOŁÓW ZE SPALANIA W KOTŁACH FLUIDALNYCH. Identyfikacja popiołu fluidalnego Powierzchnia BET, m 2 /g Wyniki oznaczeń: Wodożądność zaczynu wodno-popiołowego o normowej konsystencji, wyrażona wskaźnikiem W/S, - popiół Turów (T) 12,1 0,75 popiół Turów (T1) 9,2 0,69 popiół Turów (T2) 5,7 0,61 popiół Turów (T3) 13,4 0,69 popiół Turów (T4) 10,9 0,68 popiół Turów (T5) 7,1 0,67 popiół Turów (T6) 10,0 0,67 popiół Turów (T7) 5,9 0,62 popiół Katowice (K) 13,5 0,73 popiół Katowice (K1) 13,3 0,75 popiół Katowice (K2) 10,3 0,78 popiół Katowice (K3) 7,4 0,74 popiół Katowice (K4) 8,7 0,75 popiół Katowice (K5) 7,4 0,72 popiół Katowice (K6) 7,1 0,70 popiół Katowice (K7) 11,0 0,66

58 FAZA CSH