ZASTOSOWANIE POPIOŁÓW LOTNYCH Z WĘGLA BRUNATNEGO DO WZMACNIANIA NASYPÓW DROGOWYCH prof. UZ, dr hab. Urszula Kołodziejczyk dr inż. Michał Ćwiąkała mgr inż. Aleksander Widuch
a) popioły lotne; - właściwości fizyczne i chemiczne b) spoiwa hydrauliczne (mieszanki popiołowo-cementowe o różnych klasach wytrzymałościowych); - właściwości fizyczne, chemiczne oraz mechaniczne c) grunty; - rodzaj gruntu - właściwości fizyczne d) mieszanki gruntów ze spoiwami hydraulicznymi (o klasie wytrzymałości 3 i 9 MPa), w proporcjach 6 i 8% - właściwości mechaniczne
Domielenie ziaren popiołu lotnego w aktywatorze pozwala uzyskać bardziej drobnoziarnistą frakcję, o większej powierzchni właściwej, co z kolei zwiększa reaktywność popiołu i przyspiesza proces hydratacji.
W wyniku obróbki mechanicznej popiołu lotnego (zmodyfikowanie-rozdrobnienie) uzyskuje się zwiększenie jego powierzchni właściwej, prowadzące do większej reaktywności, czyli efektywności pucolanowej. Aktywność pucolanowa zależy od zawartości reaktywnej krzemionki. Skutkiem zwiększonej reaktywności krzemionki jest szybki przyrost wytrzymałości w początkowej fazie procesu twardnienia, a także osiągnięcie wysokiej wytrzymałości docelowej spoiwa hydraulicznego.
Grunt - siedem rodzajów gruntu o zróżnicowanym uziarnieniu Cement CEM I 42,5 R Hydrauliczne spoiwo o klasie wytrzymałości 3 i 9 MPa Dodatek spoiwa: 6 i 8% Popioły lotne z węgla brunatnego Okręgu Konińskiego (El. Pątnów) - grupa III
SiO 2 reaktywne 9,25 % SO 3 11,05 % Strata prażenia 0,11 % Cl - 0,002 % CaO reaktywne 31,26 % SiO 2 33,28 % CaO Aprobata techniczna: Hydrauliczne spoiwo drogowe Wapeco I, Instytut Badawczy Dróg i Mostów, wolne 8,71 % Nr AT/2009-03-2510, Warszawa, 2009 (max. SO 3-7 %). MgO 6,86 % Fe 2 O 3 7,64 % K 2 O 0,28 % Na 2 O 0,24 % Projekt EN 13282-1:2010 Hydraulic road binders Part 1: Rapid hardening hydraulic road binders Composition, specifications and conformity criteria (max. SO 3-7; 9; 11,5 %). PN-EN 450-1:2007 Popiół lotny do betonu. Definicje, specyfikacje i kryteria zgodności (max. SO 3-4 %). Wytyczne mieszanek związanych spoiwem hydraulicznym do dróg krajowych, WT-5:2010 Wymagania techniczne, Załącznik nr 4 do Zarządzenia nr 102 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad z dnia 19 listopada 2010r. Al 2 O 3 3,55 %
Wskaźniki aktywności pucolanowej [%] Przechodzi przez sito [%] Powierzchnia właściwa [cm 2 /g] Wykres uziarnienia popiołu lotnego z Elektrowni Pątnów 100 90 4000 Niezmodyfikowany popiół lotny z węgla brunatnego Zmodyfikowany popiół lotny z węgla brunatnego w aktywatorze magnetycznym Wapeco 80 70 60 50 40 3500 3000 2500 2000 1500 1000 2150 3540 30 500 20 0 Niezmodyfikowany Zmodyfikowany 10 Rodzaj popiołu lotnego 1,000 0,100 0,010 0 0,001 Wymiar sita [mm] Popiół lotny średnioziarnisty Popiół lotny drobnoziarnisty 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 90,60 86,90 77,30 66,20 Niezmodyfikowany Zmodyfikowany Rodzaj popiołu lotnego 28 dniach 90 dniach
Zawartość siarcznów SO 3 [%] Powierzchnia właściwa [cm 2 /g] Gestość właściwa [g/cm 3 ] 3,000 2,940 2,970 2,950 2,900 2,850 2,800 SPOIWO I = 10% CEMENT + 90% POPIÓŁ = 3 MPa 2,750 2,700 2,640 2,650 2,600 2,550 2,500 SPOIWO II = 20% CEMENT + 80% POPIÓŁ = 9 MPa 2,450 Niezmodyfikowany popiół lotny Spoiwo hydrauliczne 3 MPa Spoiwo hydrauliczne 9 MPa Rodzaj materiału wiążącego 12,00 10,00 8,00 11,05 6,32 5,31 4000 3500 3000 2500 2150 3540 3340 3170 6,00 2000 4,00 1500 1000 2,00 500 0,00 Niezmodyfikowany popiół lotny Spoiwo hydrauliczne 3 MPa Spoiwo hydrauliczne 9 MPa 0 Niezmodyfikowany popiół lotny Zmodyfikowany popiół lotny Spoiwo hydrauliczne 3 MPa Spoiwo hydrauliczne 9 MPa Rodzaj materiału wiążącego Rodzaj materiału wiążącego
Rodzaj gruntu Pospółka ze złoża Nowogród Bobrzański Piasek średni ze złoża Babimost Glina ze złoża Sulechów Pospółka gliniasta ze złoża Józefowo Piasek gliniasty ze złoża Chynów Pospółka gliniasta ze złoża Kargowa Piasek średni ze złoża Lubrza Metoda badania Maksymalny wskaźnik nośności (CBR) [%] Hydrauliczne spoiwo o klasie wytrzymałości 3 MPa Hydrauliczne spoiwo o klasie wytrzymałości 9 MPa Dodatek spoiwa [%] Dodatek spoiwa [%] 6 8 6 8 Bezpośrednio po zagęszczeniu 78 57 78 81 Po 7 dniach pielęgnacji, w tym 4 dni moczenia w wodzie 358 358 358 358 Bezpośrednio po zagęszczeniu 19 16 18 21 Po 7 dniach pielęgnacji, w tym 4 dni moczenia w wodzie 52 69 96 134 Bezpośrednio po zagęszczeniu 16 18 16 17 Po 7 dniach pielęgnacji, w tym 4 dni moczenia w wodzie 53 65 61 71 Bezpośrednio po zagęszczeniu 10 13 14 14 Po 7 dniach pielęgnacji, w tym 4 dni moczenia w wodzie 137 157 156 188 Bezpośrednio po zagęszczeniu 15 16 14 13 Po 7 dniach pielęgnacji, w tym 4 dni moczenia w wodzie 113 185 136 200 Bezpośrednio po zagęszczeniu 43 44 35 34 Po 7 dniach pielęgnacji, w tym 4 dni moczenia w wodzie 283 341 349 354 Bezpośrednio po zagęszczeniu 43 50 48 56 Po 7 dniach pielęgnacji, w tym 4 dni moczenia w wodzie 258 275 271 358
Wytrzymałość na ściskanie [MPa] 5,00 Pospółka ze złoża Nowogród Bobrzański Glina ze złoża Sulechów Piasek gliniasty ze złoża Chynów Piasek średni ze złoża Lubrza Piasek średni ze złoża Babimost Pospółka gliniasta ze złoża Józefowo Pospółka gliniasta ze złoża Kargowa 4,00 PODBUDOWA ZASADNICZA R 28 = 2,5-5,0 MPa 3,00 2,00 GÓRNA CZĘŚĆ WARSTWY PODŁOŻA GRUNTOWEGO R 28 = 1,5-2,5 MPa 1,00 DOLNA CZĘŚĆ WARSTWY PODŁOŻA GRUNTOWEGO R 28 = 0,5-1,5 MPa 0,00 Czas pielęgnacji [dni] - przy dodatku spoiwa hydraulicznego 6 i 8%
Popioły lotne z węgla brunatnego, użyte jako główny składnik drogowych spoiw hydraulicznych, wykorzystanych następnie do wytwarzania mieszanek gruntowo-spoiwowych, poprawiają zdecydowanie parametry owych mieszanek, w tym: wytrzymałość na ściskanie R c i wskaźnik nośności CBR, co szczególnie nasila się po dłuższym okresie wiązania mieszanki. Zastosowanie drogowych spoiw hydraulicznych z aktywowanym popiołem lotnym z węgla brunatnego do mieszanek gruntowo-spoiwowych spełnia wymagania norm: PN-S-02205:1998 Drogi samochodowe. Roboty ziemne. Wymagania i badania oraz PN-S-96012:1997 Drogi samochodowe. Podbudowa i ulepszone podłoże z gruntu stabilizowanego cementem. Pozwala to na wykorzystanie przedmiotowych mieszanek do budowy nasypów drogowych i wzmacniania górnych warstw słabego podłoża (zbudowanego z gruntów wątpliwych oraz wysadzinowych), a także dolnych części warstw ulepszonego podłoża gruntowego (w przypadku posadowienia konstrukcji nawierzchni na podłożu z gruntów wrażliwych na działanie mrozu i wody) lub nawet do podbudów zasadniczych konstrukcji drogi.
Produkcja hydraulicznych spoiw drogowych z zastosowaniem aktywowanych popiołów lotnych z węgla brunatnego jest sposobem na utylizację odpadów przemysłowych, a także uzyskanie nowych materiałów i technologii w budowie obiektów liniowych. Duże zapotrzebowanie na wysokiej jakości materiały kruszywowe (spełniające kryteria zawarte w normach), ale także rosnące ceny cementu są przyczyną poszukiwań materiałów alternatywnych. Odpady przemysłowe, np. w postaci popiołów lotnych z węgla brunatnego, po przetworzeniu i spełnieniu odpowiednich kryteriów mogą być pełnowartościowymi produktami (materiałami alternatywnymi) do produkowania hydraulicznych spoiw wzmacniających pospolite surowce mineralne do wartości odpowiadających wysokowartościowym kruszywom.