Ograniczenie skurczu zapraw cementowych zawieraj cych popio y lotne

MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012), 309-313 www.ptcer.pl/mccm Ograniczenie skurczu zapraw cementowych zawieraj cych popio y lotne MARTA KOSIOR KAZBERUK*, MA GORZATA LELUSZ Politechnika Bia ostocka, Wydzia Budownictwa i In ynierii rodowiska, ul. Wiejska 45E, 15-351 Bia ystok *e-mail: m.kosior@pb.edu.pl Streszczenie Wzrastaj ca ilo popio ów pochodz cych ze spalania innych paliw ni w giel powoduje konieczno poszukiwania sposobów ich zagospodarowania. Wykorzystanie popio ów wymaga wiedzy o ich w a ciwo ciach. Przedmiotem bada by y popio y pochodz ce ze spalania w gla kamiennego oraz ze spalania biomasy drzewnej w kotle konwencjonalnym. Dokonano oceny podstawowych w a ciwo ci charakteryzuj cych oba popio y. Analizowano rozwój odkszta ce skurczowych próbek zapraw napowietrzonych i bez domieszki napowietrzaj cej, w których 20% masy cementu zast piono popio em lotnym. Stwierdzono, e obecno domieszki napowietrzaj cej, jak równie pochodzenie i forma popio u lotnego maj istotny wp yw na odkszta cenia skurczowe zapraw. Ponadto, rozwój odkszta ce skurczowych w czasie, monitorowany dla zapraw zawieraj cych popió lotny, przebiega odmiennie ni dla zapraw bez dodatku. S owa kluczowe: zaprawa cementowa, skurcz, popió z biomasy, popió w glowy, domieszka napowietrzaj ca LIMITATION OF SHRINKAGE OF CEMENT MORTARS CONTAINING FLY ASH The increasing amount of ashes originating from the combustion of alternative fuels causes a need to nd ways for their practical application. The utilization of new ashes demands the knowledge about their properties. The present study focuses on the ashes from the combustion of bituminous coal and wood-biomass. The basic properties of both ashes were estimated. The analysis was carried out concerning the development of shrinkage deformations in mortars with and without an air entraining agent, containing 20% y ash related to the cement mass. It has been found that the presence of the air entraining agent, as well as the origin and the form of y ash had an essential effect on shrinkage of mortars. Moreover, the development in time of shrinkage deformations in the case of mortars containing y ash proceeds in a different manner than for mortars without the addition. Keywords: Cement mortar, Shrinkage, Biomass y ash, Coal y ash, Air entraining agent 1. Wprowadzenie Norma PN-EN 450-1+A1:2009 [1], podobnie jak normy obowi zuj ce w innych krajach, nie dopuszcza stosowania jako aktywnego sk adnika betonu popio ów lotnych pochodz cych ze spalania wy cznie biomasy. Jednak e, ilo popio ów pochodz cych ze spalania innych paliw ni w giel stale wzrasta ze wzgl du na zast powanie paliw kopalnych odnawialnymi ród ami energii. Biomasa jest trzecim co do wielko ci naturalnym ród em energii. Energetyczne przetwarzanie biomasy odbywa si poprzez bezpo rednie spalanie, wspó spalanie w gla z biomas w kot ach konwencjonalnych lub termiczn utylizacj po czon z jej piroliz i zgazowaniem [2]. Zwi kszaj ce si zasoby popio- ów pochodz cych ze spalania biomasy powoduj konieczno poszukiwania kierunków ich gospodarczego wykorzystania. Ilo utylizowanych odpadów b dzie wzrasta a, mi dzy innymi ze wzgl du na zobowi zania Polski wynikaj ce z przynale no ci do Unii Europejskiej. Badania dotycz ce w a ciwo ci popio ów ze spalania biomasy wykaza y, e ilo i jako powstaj cych popio ów zale y od rodzaju stosowanej biomasy i technologii spalania [3-5]. Cz popio ów z biomasy wykazuje w a ciwo ci pucolanowe analogiczne do w a ciwo ci popio ów lotnych w glowych [6, 7]. Wed ug Rajamma i in. [3] produkty spalania odpadów ro linnych, zawieraj ce du ilo krzemionki w formie amor cznej, mog by potencjalnie u yte jako zamiennik cz ci cementu. Gospodarcze wykorzystanie popio ów z biomasy wymaga poszerzenia wiedzy dotycz cej ich sk adu i w a ciwo- ci, a nast pnie opracowania zaawansowanych i bezpiecznych dla rodowiska metod utylizacji odpadów. Podobnie jak w przypadku popio ów pochodz cych ze spalania w gla, zagospodarowanie popio ów z biomasy, jako aktywnego sk adnika kompozytów cementowych, wymaga oceny ich wp ywu na w a ciwo ci techniczne materia ów. Skurcz kompozytów cementowych jest zwi zany ze zmniejszeniem zawarto ci wody w zaczynie spowodowanym przede wszystkim samoosuszaniem podczas hydratacji cementu oraz wysychaniem materia u pod wp ywem czynników zewn trznych. Ponadto, w trakcie hydratacji na skurcz nak adaj si efekty kontrakcji uk adu cement-woda. Skurcz uzale niony jest od wielu czynników technologicznych i rodowiskowych. Ruch wody w materia ach kapilarnoporowatych zdeterminowany jest, mi dzy innymi ich mikrostruktur [8-10]. 309

M. KOSIOR KAZBERUK, M. LELUSZ Obecno aktywnych dodatków mineralnych, a tak e domieszek, ma wp yw na zmiany obj to ciowe kompozytów cementowych. Wed ug Giergicznego i Gawlickiego [11] oraz Li i in. [12], dodatek popio u lotnego w glowego, przy równoczesnym zmniejszeniu ilo ci cementu, powoduje ograniczenie skurczu betonu, które zale y od ilo ci i jako ci u ytego popio u lotnego oraz od rodzaju i klasy wytrzyma o ciowej stosowanego cementu. Akkaya i in. [13] stwierdzili, e wprowadzenie popio u lotnego w glowego ogranicza odkszta cenia od skurczu samoczynnego, ale zwi ksza odkszta cenia skurczowe spowodowane wysychaniem. Natomiast zast pienie cz ci cementu mieszanin ró nych dodatków mineralnych (uk ady dwu- lub trójsk adnikowe) mo e spowodowa wzrost skurczu od wysychania [14]. Wprowadzenie, jako zamiennika cz ci cementu portlandzkiego w betonie wysokowarto ciowym, mielonego popio u z biomasy ro linnej [15] spowodowa o nieznaczne obni enie skurczu od wysychania. Badania nad wp ywem napowietrzenia na odkszta cenia w asne betonu [16] wykaza y, e skurcz napowietrzonego betonu z cementem portlandzkim jest mniejszy o ok. 15% ni skurcz betonu nienapowietrzonego, ale napowietrzenie betonu z cementem u lowym spowodowa o istotne zwi kszenie skurczu [9]. Czkwianianc i in. [17], Nassif i in. [18] oraz Mazloom [19], badaj c skurcz i pe zanie betonów samozag szczalnych i betonów wysokowarto ciowych, zwrócili uwag na konieczno wery kacji stosowanych powszechnie modeli do prognozowania wielko ci skurczu ze wzgl du na odmienny ni dla betonu zwyk ego rozwój odkszta ce skurczowych materia ów zawieraj cych du e ilo ci drobnoziarnistych dodatków mineralnych. W pracy zaprezentowano wybrane wyniki bada nad wp ywem popio ów lotnych oraz domieszki napowietrzaj cej na rozwój odkszta ce skurczowych zapraw cementowych. Stosowano konwencjonalny popió lotny w glowy oraz popió ze spalania biomasy. Tabela 1. Sk ad chemiczny i g sto w a ciwa badanych popio ów i cementu portlandzkiego. Table 1. Chemical composition and density of y ashes tested and Portland cement. Popió lotny Oznaczany sk adnik Popió lotny Cement z w gla [% mas.] z biomasy portlandzki kamiennego Straty pra enia 6,2 3,9 0,9 CaO 16,3 3,6 65,2 SiO 2 45,4 51,7 21,1 Al 2 O 3 9,3 26,7 5,2 Fe 2 O 3 8,0 7,0 3,45 MgO 1,1 2,9 0,8 SO 3 2,4 0,6 1,8 Na 2 O 0,5 1,2 0,4 K 2 O 8,3 2,0 0,3 P 2 O 5 1,7 b.d. b.d. G sto w a ciwa [kg/m 3 ] 2240 2230 2995 2. Cz do wiadczalna 2.1. W a ciwo ci stosowanych popio ów W badaniach wykorzystano popió pochodz cy ze spalania w gla kamiennego oraz popió lotny z biomasy. Oba paliwa spalano w kot ach konwencjonalnych miejskiej elektrociep owni. Biomasa sk ada a si ze zr bków drzew li ciastych. Sk ad chemiczny popio ów podano w Tabeli 1. Obserwacje mikrostruktury popio u lotnego z biomasy wykonano za pomoc elektronowego mikroskopu skaningowego z emisj polow FE-SEM. Przyk ady form morfologicznych popio u pokazano na Rys. 1. W popiele pochodz cym ze spalania biomasy dominowa- y ziarna nieregularne. Obserwowano zarówno formy zwarte, jak i g bczaste o rozwini tej, porowatej powierzchni. Formy sferyczne, licznie obecne w popio ach ze spalania w gla kamiennego [11], wyst powa y bardzo rzadko. Obliczone, na podstawie wyników bada wytrzyma o ciowych zapraw, wska niki aktywno ci pucolanowej analizowanych popio ów, odniesione do wymaga zawartych w PN-EN 450-1+A1 [1] przedstawiono w Tabeli 2. W przypadku popio- u w glowego oraz mielonego popio u z biomasy wska niki przekroczy y wymagane warto ci, co potwierdza prawid o- Rys. 1. Mikrofotogra e FE-SEM popio u lotnego ze spalania biomasy drzewnej. Fig. 1. FE-SEM micrographs of y ash originating from wood biomass. 310 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012)

OGRANICZENIE SKURCZU ZAPRAW CEMENTOWYCH ZAWIERAJ CYCH POPIO Y LOTNE Tabela 2. Wska nik aktywno ci pucolanowej popio ów. Table 2. Pozzolana activity index of y ashes. Wiek Wymagania Popió z w gla kamiennego Popió z biomasy zaprawy wg [1] niemielony mielony niemielony mielony 28 dni 75% 79,4% 90,4% 66,3% 72,8% 90 dni 85% 88,9% 99,7% 79,2% 90,8% Tabela 3. Narastanie wytrzyma o ci na ciskanie f c i wytrzyma o ci na rozci ganie przy zginaniu f t zapraw zawieraj cych popio y lotne. Table 3. Variations in compressive strength f c and exural strength f t of mortars containing y ashes. Wytrzyma o po dniach [MPa] Rodzaj popio u 28 dni 90 dni f t f c f t f c bez dodatku (porównawcz 7,2 37,4 7,9 38,0 z w gla 6,2 28,3 7,4 35,2 z w gla mielony 7,1 34,6 7,6 43,2 z biomasy 5,2 24,6 6,3 26,0 z biomasy mielony 7,0 30,4 7,3 36,1 wy przebieg reakcji pucolanowej w trakcie hydratacji spoiwa. W Tabeli 3 zawarto wyniki badania wytrzyma o ci na ciskanie i rozci ganie przy zginaniu zapraw zawieraj cych 20% dodatku w stosunku do masy cementu oraz zaprawy kontrolnej. Po 28 dniach dojrzewania, spo ród badanych materia- ów, tylko zaprawa zawieraj ca mielony popió lotny z w gla kamiennego odznacza a si wytrzyma o ci porównywaln z zapraw bez dodatku. Pomi dzy 28 a 90 dniem twardnienia zaprawy zawieraj ce dodatki mineralne wykaza y wi kszy przyrost wytrzyma o ci ni zaprawa kontrolna. Wprowadzenie zmielonych popio ów, niezale nie od pochodzenia, istotnie wp yn o na popraw w a ciwo ci wytrzyma o- ciowych zapraw. 2.2. Przygotowanie próbek do badania skurczu Popio y wykorzystano jako aktywny dodatek mineralny zast puj cy cz cementu portlandzkiego. W sk ad zapraw wchodzi o spoiwo, woda i kruszywo w proporcji wagowej 1:0,5:3. Do badania odkszta ce skurczowych stosowano zaprawy, w których 20% masy cementu zast piono popio em lotnym oraz zaprawy kontrolne zawieraj ce wy cznie cement portlandzki. Popió mielono w warunkach laboratoryjnych w m ynie kulowym (300 obr/min). Czas mielenia wynosi 30 min. Rozdrobniony materia charakteryzowa si uziarnieniem poni ej 0,045 mm. Do wykonania zapraw zastosowano cement portlandzki powszechnego u ytku CEM I 32,5 NA oraz kruszywo naturalne (piasek kwarcowy) o rednicy ziaren nie przekraczaj cej 2 mm. Stosowano domieszk napowietrzaj c przeznaczon do zapraw i betonów. Podstawowym sk adnikiem domieszki jest myd o ywic naturalnych; odczyn roztworu zasadowy o ph = 12,0, zawarto chlorków poni ej 0,1% masy, zawarto alkaliów poni ej 0,8% (Na 2 O eq ). Domieszk napowietrzaj c wprowadzono w ilo ci 1,6% masy spoiwa, zalecanej przez producenta, oraz 3,2% - dla celów porównawczych; zawarto zwi kszono ze wzgl du na u ycie popio ów lotnych. Pomiary odkszta ce skurczowych wykonywano co 5 dni. Elementy próbne w formie belek o wymiarach 40 mm 40 mm 160 mm, przechowywano w komorze klimatycznej w temperaturze 20 C i wilgotno ci wzgl dnej 50%. Ka da seria sk ada a si z trzech próbek. Wspó czynnik zmienno ci wyników pomiarów nie przekracza 10%. 3. Analiza wyników badania skurczu W pracy zaprezentowano wyniki bada skurczu w ci gu 90 dni od momentu wykonania zapraw. Rozwój odkszta ce skurczowych w czasie, na podstawie rednich warto ci odczytów, w zale no ci od zawarto ci domieszki napowietrzaj cej oraz rodzaju popio u stosowanego jako zamiennik cz ci cementu pokazano na Rys. 2-4. Istotno wp ywu badanych czynników na skurcz zapraw zosta a potwierdzona wieloczynnikow analiz wariancji wyników badania. Znacz cy wp yw obecno ci popio ów na warto odkszta ce skurczowych stwierdzono po 30 dniach badania. Przy czym, zaprawy z popio em mielonym wykazywa- y zwi kszony skurcz niezale nie od pochodzenia dodatku mineralnego. Wraz z wiekiem próbek ró nice odkszta ce skurczowych zapraw narasta y w zale no ci od rodzaju, jak równie od formy stosowanego popio u. Bior c pod uwag pochodzenie dodatku mineralnego mo na stwierdzi, e zaprawy z popio em z biomasy charakteryzowa y si wi kszymi odkszta ceniami skurczowymi w porównaniu do zapraw z popio em w glowym. Mechaniczne rozdrobnienie popio u tak e wp yn o na rozwój odkszta ce skurczowych. Pomiary po 90 dniach sezonowania wykaza y, e wprowadzenie popio u lotnego w formie nieprzetworzonej spowodowa o nieznaczne zmniejszenie skurczu zapraw (o 14%), natomiast obecno popio u mielonego przyczyni a si do zwi kszenia (o 12%) odkszta ce skurczowych w porównaniu do zapraw kontrolnych. Rys. 2. Przebieg odkszta ce skurczowych zapraw bez dodatku popio u. Fig. 2. Shrinkage strains of mortars without y ash. MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012) 311

M. KOSIOR KAZBERUK, M. LELUSZ Rys. 3. Przebieg odkszta ce skurczowych zapraw z dodatkiem popio u lotnego w glowego: niemielonego, mielonego. Fig. 3. Shrinkage strains of mortars with bituminous y ash: asreceived ash, ground ash. Wp yw domieszki napowietrzaj cej na ograniczenie skurczu stwierdzono ju po 10 dniach sezonowania, a ró nica pomi dzy warto ciami odkszta cenia skurczowego zapraw napowietrzonych i bez napowietrzenia zwi ksza a si wraz z wiekiem próbek. Podobne wyniki uzyskali Piasta i Sikora [16] badaj c napowietrzone betony z cementem portlandzkim. Po 90 dniach badania zaprawy nienapowietrzone wykazywa y nawet dwukrotnie wi ksze zmiany w porównaniu do zapraw napowietrzonych, zawieraj cych 3,2% domieszki w stosunku do masy spoiwa. Po 90 dniach sezonowania wzgl dne warto ci odkszta ce liniowych by y porównywalne dla wszystkich badanych zapraw napowietrzonych (3,2% domieszki), w granicach od 2,60 mm/m dla zaprawy z popio em w glowym do 3,05 mm/m dla zaprawy kontrolnej. Jednocze nie, zaprawy nienapowietrzone z popio em nieprzetworzonym wykazywa y skurcz o warto- ciach rednich w granicach 4,87 mm/m, zaprawy z popio- ami mielonymi w granicach 6,25 mm/m, a zaprawa kontrolna 5,56 mm/m. Wprowadzenie domieszki w ilo ci 1,6% masy spoiwa tak e spowodowa o ograniczenie warto ci odkszta ce skurczowych, ale efektywno dzia ania domieszki by a ci le zwi zana z form dodatku mineralnego. Najwi ksze ograniczenie skurczu stwierdzono w przypadku zapraw z dodatkiem popio ów w formie nieprzetworzonej, dla których warto odkszta ce wynosi a rednio 3,10 mm/m. W tym samym czasie zaprawa kontrolna wykazywa a skurcz o warto ci 3,45 mm/m, a zaprawy z popio ami mielonymi rednio 4,40 mm/m. Zwi kszanie zawarto ci domieszki napowietrzaj cej powy ej ilo ci zalecanej, tj. do 3,2% masy cementu okaza o si korzystne jedynie w przypadku stosowania popio ów mielonych. 4. Podsumowanie Popio y lotne stosowane jako zamiennik cz ci cementu w zaprawach, wykazywa y aktywno pucolanow. Ze wzgl du na pochodzenie, odznacza y si odmiennym sk adem chemicznym i morfologi. Badaj c skurcz zapraw cementowych w ci gu 90 dni od ich wykonania stwierdzono, e zarówno obecno popio- u lotnego jako dodatku aktywnego, jak i domieszki napowietrzaj cej wp ywa na warto ci odkszta ce skurczowych. W przypadku popio u lotnego zast puj cego 20% masy cementu o zwi kszeniu b d ograniczeniu skurczu decydowa- o g ównie jego rozdrobnienie, a w mniejszym stopniu pochodzenie. Ponadto, rozwój odkszta ce skurczowych przebiega inaczej w zaprawach zawieraj cych popió lotny w porównaniu do zapraw bez dodatku. Zastosowanie popio u zmielonego spowodowa o zwi kszenie skurczu zapraw. Natomiast wprowadzenie domieszki napowietrzaj cej, w zakresie analizowanym w pracy, przyczyni o si do istotnego ograniczenia warto ci odkszta ce skurczowych. Obecno aktywnego dodatku mineralnego i domieszki napowietrzaj cej zmienia mikrostruktur zaprawy cementowej wp ywaj c na rozwój odkszta ce skurczowych. Literatura Rys. 4. Przebieg odkszta ce skurczowych zapraw z dodatkiem popio u lotnego z biomasy: niemielonego, mielonego. Fig. 4. Shrinkage strains of mortars with biomass y ash: asreceived ash, ground ash. [1] PN-EN 450-1+A1:2009 Popió lotny do betonu Cz 1: De- nicje, wymagania i kryteria zgodno ci. [2] Winnicka G., Zuwa a J.: Wspó spalanie biomasy w energetyce ocena wp ywu na sk ad chemiczny popio u, Mat. Sem. Tech. Popio y z Energetyki, Warszawa, (2005), 43-60. [3] Rajamma R., Ball R.J., Tarelho L.A.C., Allen G.C., Labrincha J.A., Ferreira V.M.: Characterisation and use of biomass y 312 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012)

OGRANICZENIE SKURCZU ZAPRAW CEMENTOWYCH ZAWIERAJ CYCH POPIO Y LOTNE ash in cement-based materials, Journal of Hazardous Materials, 172, (2009), 1049-1060. [4] Vassilev S.V., Baxter D., Andersen L.K., Vassileva Ch.G.: An overview of the chemical composition of biomass, Fuel, 89, (2010), 913-933. [5] Johnson A., Catalan L.J.J., Kinrade S.D.: Characterization and evaluation of y-ash from co-combustion of lignite and wood pellets for use as cement admixture, Fuel, 89, (2010), 3042-3050. [6] Wang S., Baxter L.: Comprehensive study of biomass y ash in concrete: Strength, microscopy, kinetics and durability, Fuel Processing Technology, 88, (2007), 1165-1170. [7] Ribbing C.: Environmentally friendly use of non-coal ashes in Sweden, Waste Management, 27, (2007), 1428-1435. [8] Neville A.M.: W a ciwo ci betonu. Wyd. 4. Polski Cement, Kraków, (2000). [9] Sikora H., Piasta W.: Czy skurcz betonu napowietrzonego i nienapowietrzonego z dodatkiem u la jest taki sam? Mat. Konf. Dni Betonu tradycja i nowoczesno. Wis a, 11-13 pa dziernika 2010. [10] Jasiczak J., Szyma ski P.: Wczesny skurcz betonu posadzkowego - wybrane wyniki bada, Mat. Konf. Dni Betonu tradycja i nowoczesno. Wis a, 11-13 pa dziernika 2010. [11] Giergiczny Z., Gawlicki M.: Popió lotny jako aktywny sk adnik cementów i dodatek mineralny do betonu, Mat. Konf. Dni Betonu tradycja i nowoczesno. Wis a, 11-13 pa dziernika 2004, s. 277-294. [12] Li Y., Bao J., Guo Y.: The relationship between autogenous shrinkage and pore structures of cement paste with mineral admixtures, Construction and Building Materials, 24, (2010), 1855-1860. [13] Akkaya Y., Ouyang Ch., Shah S.P.: Effect of supplementary cementitious materials on shrinkage and crack development in concrete, Cement Concrete Composites, 29, (2007), 117-123. [14] Mokarema D.W., Weyers R.E., Lane D.S.: Development of a shrinkage performance speci cations and prediction model analysis for supplemental cementitious material concrete mixtures, Cement and Concrete Research, 35, (2005), 918-25. [15] Tangchirapat W., Jaturapitakkul Ch., Chindaprasirt P.: Use of palm oil fuel ash as a supplementary cementitious material for producing high-strength concrete, Construction and Building Materials, 23, (2009), 2642-2646. [16] Piasta W., Sikora H.: Odkszta cenia w asne betonów napowietrzonych, Przegl d Budowlany, 4, 2009, 28-31. [17] Czkwianianc A., Pawlica J., Ula ska D.: Skurcz i pe zanie betonów samozag szczalnych. Mat. VI Sympozjum Naukowo-Technicznego Reologia w technologii betonu, Gliwice 2004, 77-91. [18] Nassif H., Suksawang N., Mohammed A.: Wery kacja modeli pe zania i kurczenia si betonu wysokowarto ciowego, Mat. Konf. Dni Betonu tradycja i nowoczesno. Wis a, pa dziernika 2006. [19] Mazloom M.: Estimating long-term creep and shrinkage of high-strength concrete, Cement Concrete Composites, 30, 2008, 316-326. Otrzymano 23 wrze nia 2011, zaakceptowano 10 stycznia 2012 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 64, 3, (2012) 313