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 65832 Kraków 14 listopada 2012 1
Cel zadania Ocena możliwości wykorzystania UPS i wydzielonych z nich frakcji ziarnowych jako składników spoiw i kruszywa przeznaczonych dla drogownictwa 2
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
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
Konwencjonalny 5
6
Popiół lotny z kotła fluidalnego 50µm 7
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
Spoiwa zawierające cement portlandzki i UPS z El. Pątnów oraz CEM I 42,5R (całość lub 0-100 μm) 20 40% 60 80% 20 40% 60 80% CEM I 42,5R El. Pątnów (całość, 0-30 μm, 30-100 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
Spoiwa zawierające klinkier portlandzki i UPS z El. Pątnów oraz klinkier pow-3500 cm 2 /g 20 30% (całość lub 0-100 μm) 70 80% 20 30% 70 80% klinkier pow-3500 cm 2 /g popiół wapienny El. Pątnów (całość, 0-30 μm, 30-100 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
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, 30-100 μm) 60 80% 20 40% 60 80% klinkier pow-3500 cm 2 /g popiół fluidalny El. Turów całość, 0-30 μm, 30-100 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, 30-100 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
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 13282 jako kruszywo ulepszanie gruntów (poprawa nośności) <0,5 MPa stabilizacja gruntów 0,5 2,5 MPa podbudowy drogowe >2,5 MPa 12
Projekty norm RHRB pren 13282-1 Hydraulic road binders. Part 1. Composition, specifications and conformity criteria of rapid hardening hydraulic road binders NHRB pren 13282-2 Hydraulic road binders. Part 2. Composition, specifications and conformity criteria of normal hardening hydraulic road binders 13
Składniki główne NHRB pren 13282-2 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 197-1 oraz: wapno palone (CL-Q), wapno hydratyzowane (CL-S) i naturalne wapno hydrauliczne (NHL) PN-EN 459-1 14
Składniki główne NHRB pren 13282-2 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 451-1 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
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] 90 10 E 4-RS 16,0 32,5 90 30 NHRB N 1 5 22,5 N 2 12,5 32,5 N 3 22,5 42,5 150 30 N 4 32,5 52,5 16
Kierunki zastosowania spoiw Spoiwa przyporządkowano odpowiednim klasom wytrzymałościowym N1 N4 wg pren 13282-2 Wybrane spoiwa przeznaczono do: ulepszania i stabilizacji gruntów spoistych ulepszania i stabilizacji gruntów niespoistych wykonania podbudów drogowych 17
Ulepszanie i stabilizacja gruntów spoistych + Ca 2+ Wymiana jonów w przestrzeniach międzypakietowych minerałów ilastych 18
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
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. - 70 % popiół wapienny z Elektrowni Pątnów, - 30 % wapno hydratyzowane w proporcjach: - 94 % gruntu średnio-spoistego, - 6 % spoiwa hydraulicznego. - 80 % 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
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
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
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
Podbudowy drogowe - przykłady 5-7 % cement CEM I 32,5 R, 20-38 % mieszanka żużlowo popiołowa, 50-68 % kruszywa naturalne. W opt = 16,5% R 28 = 5,6 MPa Spoiwo: 70-85 % popiół wapienny z Elektrowni Pątnów, 15-30 % cement portlandzki CEM I 42,5R, w proporcjach: - 90% gruntu piaszczystego, - 10 % spoiwa hydraulicznego. W opt = 10,5% R 28 = 4,5 MPa Spoiwo: 67-80 % popiół fluidalny z Elektrowni Turów, 20-33 % cement portlandzki CEM I 42,5R, w proporcjach: - 88-94% gruntu piaszczystego, - 8-12 % spoiwa hydraulicznego W opt = 7,0-10,5% R 28 = 2,4-3,6 MPa Próba polowa Żarska Wieś k/zgorzelca 24
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
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
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ 27