Analizy doświadczalne i numeryczne wybranego gruntu wzmocnionego popiołami lotnymi z procesu fluidalnego spalania węgla

POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ BUDOWNICTWA KATEDRA GEOTECHNIKI I DRÓG UNIVERSITY OF CASSINO AND SOUTHERN LAZIO (UCLAM) FACULTY OF CIVIL ENGINEERING DEPARTMENT OF CIVIL END MECHANICAL ENGINEERING Analizy doświadczalne i numeryczne wybranego gruntu wzmocnionego popiołami lotnymi z procesu fluidalnego spalania węgla Streszczenie rozprawy doktorskiej Karolina KNAPIK Promotorzy: Dr hab. inż. Joanna Bzówka, prof. nzw. Pol. Śl. Dr inż. Giacomo Russo, prof. nzw. UCLAM Luty, 2016

Karolina Knapik 1 1. Wstęp Każdego roku w Polsce powstaje znacząca ilość odpadów pochodzących z sektora energetyki, opartego w głównej mierze na spalaniu węgla. Popioły lotne, wchodzące w skład grupy odpadów z tej gałęzi przemysłu, zostały rozpoznane jako materiał wykazujący właściwości wiążące w zróżnicowanym stopniu, zależnie od przyjętej technologii spalania oraz rodzaju i właściwości spalanych surowców. Popioły lotne pochodzące ze spalania węgla w konwencjonalnych kotłach pyłowych są obecnie materiałem stosunkowo dobrze rozpoznanym i powszechnie stosowanym, między innymi do produkcji materiałów budowlanych, w drogownictwie i geoinżynierii. Z uwagi na obecnie przyjętą politykę dążenia do ograniczenia emisji zanieczyszczeń, część nowopowstających bloków energetycznych pracuje w oparciu o technologię spalania fluidalnego. Popiół lotny z procesu fluidalnego spalania węgla, powstający w stosunkowo niskiej temperaturze spalania, różni się pod wieloma względami od popiołów lotnych z kotłów konwencjonalnych, co wpływa na pewne ograniczenie możliwości jego zastosowania. Jednakże, materiał ten wykazuje również właściwości wiążące. Korzyści płynące z zastosowania odpadu o właściwościach pucolanowo hydraulicznych zostały dostrzeżone i docenione przez jednostki przemysłowe. Niemniej jednak, wyniki badań prowadzonych w celu zastosowania popiołów lotnych z procesu fluidalnego spalania węgla często pozostają wewnętrzną wiedzą firm. Niniejsza praca powstała jako odpowiedź na aktualne potrzeby geoinżynierii, stanowiąc uzupełnienie wiedzy w zakresie zjawisk zachodzących w mieszaninie gruntowo popiołowej. Zjawiska te obejmują zarówno reakcje zachodzące w hydratyzujących popiołach lotnych, jak i zmiany właściwości samego gruntu, spowodowane odmiennym chemizmem wody. 1.1. Cel i teza pracy Głównym celem pracy było znalezienie powiązań pomiędzy zachodzącymi zjawiskami fizyko chemicznymi a właściwościami fizycznymi i mechanicznymi gruntu wzmocnionego popiołem lotnym, z ewentualnym

2 Streszczenie dodatkiem niewielkiej ilości wapna. Kierunki badań zastosowane w niniejszej rozprawie doktorskiej obejmują: określenie jakościowych i ilościowych zmian w składzie fazowym badanych mieszanek zweryfikowanie wpływu odmiennego chemizmu wody na układ cząsteczek gruntu drobnoziarnistego zastosowanego w badaniach laboratoryjnych określenie zmian właściwości fizycznych i mechanicznych badanych mieszanek zbadanie wpływu dodatku wapna na właściwości mieszanek gruntowo-popiołowych skonfrontowanie wyników badań laboratoryjnych z wynikami analiz numerycznych przy zastosowaniu modelu konstytutywnego opisującego zachowanie się gruntów 1.2. Struktura rozprawy Rozprawa doktorska została podzielona na pięć głównych rozdziałów składających się z sekcji. Pierwszy rozdział stanowi wprowadzenie, mające na celu określenie postawionego celu oraz struktury rozprawy. Pierwsza sekcja Rozdziału 2 została poświęcona popiołom lotnym. Opisano w niej problematykę stosowania materiałów odpadowych, ich klasyfikację i wymagania w świetle różnych dokumentów, charakterystykę spalania fluidalnego, właściwości powstających popiołów lotnych oraz wybrane przykłady zastosowań w dziedzinie wzmacniania gruntu. Z uwagi na fakt, że wolne wapno jest jednym z ważnych składników popiołu lotnego pochodzącego z fluidalnego spalania węgla, w drugiej sekcji Rozdziału 2 opisano wpływ wapna na właściwości gruntu. Całość została zakończona podsumowaniem. Rozdział 3 poświęcono badaniom laboratoryjnym. W początkowej części opisano przyjętą strategię badań. Z uwagi na fakt, że wybranym gruntem drobnoziarnistym zastosowanym w badaniach jest kaolin Speswhite, w drugiej sekcji Rozdziału 3 zawarto charakterystykę tego materiału oraz właściwości kaolinitu na podstawie literatury. W kolejnej sekcji Rozdziału 2 opisano metodykę przyjętą w badaniach laboratoryjnych. Badania zostały podzielone na dwie główne grupy, odnoszące się do obserwacji w skali

Karolina Knapik 3 mikro i makro. W tej sekcji opisano wykorzystywane urządzenia, cel ich zastosowania oraz ogólne procedury dotyczące wykonywania badań z zastosowaniem przedstawionej aparatury. Czwarta część Rozdziału 3 została poświęcona programowi badań. W zależności od wykonywanego badania, przygotowywanie próbek obejmowało zróżnicowane czynności. Z tego względu, opis przygotowania próbek został konsekwentnie podzielony na badania prowadzone w skali mikro i makro. Uzyskane wyniki badań przedstawiono w piątej sekcji Rozdziału 3. W pierwszej kolejności zaprezentowano wyniki analiz przeprowadzonych dla materiałów wykorzystanych w badaniach kaolinu, popiołu lotnego i wapna. Następnie opisano wyniki badań mieszanek w świetle trzech głównych aspektów: ewolucji fizyko-chemicznej, fizycznych właściwości i poprawy właściwości mechanicznych badanych mieszanek. Wyniki badań zostały omówione w ostatniej części Rozdziału 3, gdzie podjęto próbę określenia istniejących powiązań pomiędzy zjawiskami zachodzącymi we wzmocnionych gruntach. Rozdział 4 składa się z pięciu sekcji poświęconych analizom numerycznym. W pierwszej kolejności przedstawiono uzasadnienie wykonanych analiz numerycznych. Kolejne sekcje zawierają opis modelu konstytutywnego oraz dane przyjęte do obliczeń. Uzyskane wyniki zostały omówione w końcowej sekcji Rozdziału 4. Całość niniejszej rozprawy doktorskiej zamykają wnioski płynące z wykonanych analiz ekspermentalnych i numerycznych oraz kierunki dalszych badań. 2. Popioły lotne z procesu fluidalnego spalania węgla Proces fluidyzacji polega na wprowadzeniu cząstek stałych w stan pseudo-płynny przy zastosowaniu strumienia gazu lub cieczy. Utrzymywanie prędkości przepływu płynu na odpowiednim poziomie powoduje, że cząstki stałe znajdują się w stanie zawieszenia. W praktyce, utrzymywanie złoża w stanie fluidalnym w kotle energetycznym powoduje, że spalanie jest bardzo efektywne. Rysunek 1 przedstawia w sposób schematyczny proces spalania fluidalnego.

4 Streszczenie Rysunek 1. Spalanie cząstek węgla w złożu fluidalnym schemat zachodzących procesów (tłumaczenie na podstawie Oka 2004) Zachodzące zmiany od momentu wprowadzenia cząstki węgla do złoża zostały opisane przez Oka (2004). Temperatura cząstki węgla gwałtownie rośnie na skutek wymiany ciepła pomiędzy cząstką paliwa a złożem fluidalnym. Po odparowaniu i wysuszeniu (temperatura 100 C) rozpoczyna się proces termicznej dezintegracji (powyżej temperatury 450 C), co prowadzi do uwolnienia substancji lotnych i rozdrobnienia cząstek. Części lotne ulegają spaleniu w okolicy ziarna węgla i proces ten może być kontynuowany nad górną powierzchnią złoża. Składniki mineralne zawarte w węglu oddzielają się, co powoduje stopniowe zmniejszanie się wymiarów cząstki węgla. Spalanie może zachodzić wewnątrz ziarna paliwa co prowadzi do powstania pozostałości szkieletu mineralnego. Cząstki mineralne mogą pozostać w złożu lub opaść na dno kotła. Temperatura spalania w kotle fluidalnym powinna zapewniać przereagowanie tlenku wapnia ze związkami siarki oraz spalenie paliwa. Średnia temperatura spalania wynosi około 850 C. Głównym paliwem wykorzystywanym w elektrowniach jest węgiel kamienny i brunatny, jednak proces fluidalnego spalania umożliwia efektywne spalanie mniej energetycznych materiałów, takich jak biomasa czy odpady kopalniane.

Karolina Knapik 5 W celu zapewnienia wiązania związków siarki, do złoża dodawany jest sorbent (wapień lub dolomit). Relatywnie mało porowaty kalcyt ulega rozpadowi zgodnie z Równaniem (1), co prowadzi do powstania porowatego tlenku wapnia: CaCO CaO (1) 3 CO 2 Jednocześnie zachodzi wiązanie związków siarki, co prowadzi do powstawania anhydrytu CaSO4. Parametry spalania oraz materiały wchodzące w skład złoża warunkują skład i właściwości popiołów lotnych, wychwytywanych w elektrofiltrach. Skład fazowy popiołów z procesu fluidalnego spalania węgla otrzymywanego z różnych elektrowni jest zbliżony, przy czym różne są proporcje pomiędzy poszczególnymi składnikami. Przykładowy skład fazowy popiołów lotnych z elektrowni Turów i Katowice jest przedstawiony w Tabeli 1. Można zauważyć, że popioły lotne składają się w głównej mierze z faz bezpostaciowych, powstałych w wyniku termicznego rozkładu części mineralnych. Tabela 1. Szacowany skład fazowy popiołów lotnych ze spalania węgla w kotle fluidalnym (Brandt i in. 2010) Udział danej fazy w masie popiołu lotnego (%) Stwierdzona faza Popiół lotny Turów Popiół lotny Katowice Kwarc (SiO 2) 1,5 15,0 Anhydryt II (CaSO 4) 6,5 6,2 CaO 4,7 0,3 Kalcyt (CaCO 3) 4,5 1,6 Niespalony węgiel Brak 1,7 Fazy bezpostaciowe, związane z rozkładem minerałów ilastych 82,7 75,2 Jak opisuje Giergiczny (2006), minerały ilaste ulegają procesowi dehydroksylacji w temperaturze około 300 350 C. Powyżej temperatury 500 550 C zachodzą dalsze przemiany, prowadzące do powstawania amorficznych glinokrzemianów o wysokiej powierzchni właściwej i silnych właściwościach pucolanowych. Fakt ten jest również opisany w innych

6 Streszczenie publikacjach, prezentujących charakterystykę popiołów FBC. Sulovský (2002) wskazuje na obecność w popiele lotnym składników mineralnych, zarówno tych, które nie uległy przemianom termicznym (kwarc, skalenie), jak i częściowo przetworzonych lub amorficznych (metakaolinit, metaillit). Zapotoczna Sytek i in. (2013) wskazują na obecność metakaolinitu w popiołach lotnych z elektrowni Turów. Ziarna popiołu lotnego FBC (Rysunek 2) są w większości nieregularne, a ich wielkość mieści się w zakresie od 1 do 300 μm (Zapotoczna Sytek i in. 2013). Rysunek 2. Obraz SEM ziarna popiołu lotnego powiększenie 12000 (Zapotoczna Sytek i in. 2013) Amorficzne fazy determinują reaktywność pucolanową popiołów lotnych z procesu fluidalnego spalania węgla. Zawartość składników pucolanowych jest nieco większa w popiołach lotnych ze spalania węgla kamiennego, jednak popioły lotne z węgla brunatnego charakteryzują się często wysoką powierzchnią właściwą, co rekompensuje szybkość zachodzących reakcji pucolanowych (Brandt i in. 2010). Tworzenie się żelu wraz z upływem czasu powoduje zmiany w strukturze materiału, co prowadzi do poprawy wytrzymałości. Produkty odsiarczania powstające podczas spalania są zwykle całkowicie utlenione i występują w popiele lotnym w postaci anhydrytu CaSO4 (Giergiczny 2006). W chemii cementu anhydryt jest alternatywą dla naturalnego gipsu, stosowanego w celu spowolnienia hydratacji fazy C3A (Shen 2013). W zależności od dostępności jonów 2 Ca, 2 SO 4, OH i 3 Al

Karolina Knapik 7 w roztworze, może dochodzić do tworzenia się etryngitu zgodnie z Równaniem (2): OH 2Al OH 26H O Ca Al ( SO )( OH ) H O 3CaSO4 3Ca 2 6 2 4 12 26 (2) 2 2 3 Etryngit tworzy się w środowisku alkalicznym, przy ph pomiędzy 11 a 13, a jego rozpuszczenie zachodzi przy ph mniejszym od 9 (Chrysochoou i Dermatas, 2004). Część wolnego tlenku wapnia, powstałego na skutek oddziaływania temperatury panującej w kotle, nie przereagowuje z innymi związkami i wchodzi w skład popiołu lotnego. Jego reaktywność jest bardzo wysoka. Z uwagi na fakt, że sorbent jest dodawany do złoża w nadmiarze, jego utylizacja nie jest całkowita. W rezultacie popiół lotny FBC zawiera również kalcyt. Bardzo ważną cechą popiołów lotnych jest ich wysoka alkaliczność. Wartość ph zależy od stosunku Ca/S. Jak opisuje Sulovský (2002), większość niebezpiecznych pierwiastków śladowych (zwłaszcza metali ciężkich) tworzą formy nierozpuszczalne w środowisku alkalicznym. Wysoka wartość ph jest niezbędna do zachodzenia reakcji pucolanowej. Nowo powstała faza CSH odgrywa ważną rolę w procesie zatrzymywania metali ciężkich (Giergiczny 2006) i wpływa na zmianę właściwości materiału. 3. Analizy doświadczalne Celem analiz doświadczalnych było zbadanie właściwości wybranego gruntu drobnoziarnistego, wzmocnionego popiołem lotnym z procesu fluidalnego spalania węgla (z dodatkiem oraz bez dodatku wapna). Badania były prowadzone w następujących instytucjach: Politechnice Śląskiej w Gliwicach (Polska) Uniwersytecie w Cassino i Południowym Lazio (University of Cassino and Southern Lazio, Włochy) Instytucie Materiałowym w Nantes (Institute de Matériaux de Nantes, Francja) Określenie właściwości fizycznych i mechanicznych (uziarnienie, pęcznienie, ściśliwość, wytrzymałość na ścinanie), zostało przeprowadzone w Laboratorium Katedry Geotechniki i Dróg, na Wydziale Budownictwa Politechniki Śląskiej. Badania mikrostruktury oraz rozpoznanie właściwości

8 Streszczenie fizyko-chemicznych (Skaningowa Mikroskopia Elektronowa, Porozymetria Rtęciowa, oznaczenie ph) przeprowadzono w Laboratorium University of Cassino and Southern Lazio. Praca poświęcona badaniom składu fazowego (Dyfrakcja Rentgenowska, Termograwimetria) została wykonana podczas pobytu w jednostce Institute de Matériaux de Nantes. Gruntem drobnoziarnistym wykorzystywanym w badaniach był kaolin Speswhite, ze złóż w Południowo-Zachodniej Anglii, dystrybuowany przez firmę Imerys Minerals UK. Kaolin jest powszechnie znanym gruntem, wykorzystywanym w badaniach naukowych przez badaczy, zarówno w Polsce, jak i za granicą. Taki wybór gruntu bazowego umożliwił przyporządkowanie obserwowanych zjawisk określonym materiałom, co jest dużą zaletą z uwagi na złożoność procesów zachodzących w popiołach lotnych. Ponadto, bazowanie na gruncie o stałych właściwościach fizycznych i chemicznych pozwala uniknąć problemów związanych ze zmiennością właściwości gruntów naturalnych, pobranych w warunkach in situ. Kaolin Speswhite wykazuje bardzo niską reaktywność pucolanową w pierwszych czterech tygodniach od momentu zmieszania z wapnem i jest gruntem nie zawierającym minerałów pęczniejących. Badania przeprowadzone na bazie tego gruntu pozwalają określić wpływ dodatku popiołów lotnych, z uwagi na ich właściwości wiążące oraz zawartość związków siarki, które mogą powodować pęcznienie. Popiół lotny zastosowany w badaniach został pobrany z elektrowni działającej na obszarze Górnego Śląska w Polsce. Charakterystyka tego materiału została przedstawiona w pracy na podstawie własnych badań Autorki. W celu określenia wpływu wapna na właściwości mieszanek gruntowopopiołowych w badaniach zastosowano dodatkowo niewielką ilość tego spoiwa. 3.1. Wyniki 3.1.1. Popiół lotny Popiół lotny zastosowany w badaniach pochodzi ze spalania węgla kamiennego i mułów węglowych w kotle fluidalnym. Główne fazy krystaliczne wchodzące w skład tego materiału to: kwarc, anhydryt, kalcyt, dolomit, tlenek wapnia, hematyt, illit/muskowit i anortoklaz. Skład

Karolina Knapik 9 chemiczny popiołu został określony dla dwóch partii popiołu lotnego, jak przedstawiono w Tabeli 2. Tabela 2 Skład chemiczny popiołu lotnego określony za pomocą Fluorescencji Rentgenowskiej Numer partii popiołu lotnego 1 2 Data analizy Kwiecień 2014 Luty 2015 Strata prażenia 1,72 1,80 SiO 2 39,73 41,94 Al 2O 3 20,04 20,18 Fe 2O 3 7,52 6,21 CaO 18,73 16,68 CaO wolne 5,24 4,92 MgO 1,75 1,78 SO 3 4,11 6,12 Na 2O 0,43 1,02 Na 2O eq 1,64 2,57 K 2O 1,84 2,36 Cl - 0,09 0,11 Skład granulometryczny popiołu lotnego to 46% frakcji piaskowej (0,063<d<2,0 mm), 42% frakcji pylastej (0,002<d<0,063 mm) i 12% frakcji ilastej (d 0.002 mm). Obrazy popiołu lotnego uzyskane za pomocą Skaningowego Mikroskopu Elektronowego (SEM) wykazały, że materiał ten jest bardzo zróżnicowany. Składa się z cząstek o zróżnicowanej strukturze i wielkości. Drobne cząstki popiołu lotnego, o wielkości od 1 do 20 µm charakteryzują się nieregularnym kształtem. Wyniki analizy termicznej wskazują na obecność kalcytu i niewielką zawartość portlandytu. W celu zweryfikowania właściwości wiążących popiół lotny został zmieszany z wodą w proporcjach woda:popiół=1:10. Po 7 dniach materiał związał i upodobnił się do miękkiej skały. Wyniki Dyfraktometrii Rentgenowskiej i Termograwimetrii wykazały, że wolne wapno zostało przekształcone w portlandyt. Stwierdzono również istnienie hydratów, głównie etryngitu i faz CSH. W celu zweryfikowania właściwości pucolanowych, popiół lotny został zmieszany z wapnem palonym i wodą. Zauważono, że zawartość portlandytu zmniejsza się wraz z czasem, czemu jednocześnie towarzyszy wzrost zawartości hydratów etryngitu i fazy CAH oraz amorficznej fazy CSH. Wyniki analizy XRD przedstawiono na Rysunku 3.

Rysunek 3. Wyniki analizy XRD popiołu lotnego zmieszanego z wapnem palonym i wodą wykonane po różnych okresach przechowywania próbek: 21 godzin oraz 1, 7, 14 i 28 dni 10 Streszczenie

Karolina Knapik 11 Wysoce alkaliczne środowisko jest warunkiem koniecznym do rozpuszczenia się związków krzemu i glinu i tworzenia się hydratów. Badania wykazały, że kaolin posiada odczyn kwaśny (ph=4.2). Dodatek popiołu lotnego do kaolinu przyczynia się do natychmiastowego wzrostu odczynu ph (Rysunek 4). Rysunek 4. Pomiary odczynu ph w czasie uzyskane dla mieszanek o różnej zawartości popiołu lotnego Analizy rentgenowskie i termograwimetryczne pozwoliły ustalić, że dodatek popiołu lotnego przyczynia się do tworzenia się hydratów w mieszankach gruntowo-popiołowych, których wartość ph po 7 dniach była nie mniejsza niż 10,4. Uziarnienie mieszanek gruntowo-popiołowych jest uwarunkowane proporcjami obydwu materiałów, z uwagi na różną zawartość poszczególnych frakcji w obydwu materiałach składowych. Dodatkowo stwierdzono, że skład granulometryczny mieszanek o większej zawartości popiołu lotnego zmienia się w czasie. Na Rysunku 5 przedstawiono wyniki badania składu granulometrycznego, uzyskane dla mieszanki wykonanej z dodatkiem 40% popiołu, badanej po różnych czasach przechowywania próbek.

12 Streszczenie Rysunek 5. Uziarnienie mieszanki wykonanej z dodatkiem 40% popiołu lotnego, badane po różnych czasach przechowywania próbek Dodatek popiołu lotnego powoduje, że chemizm wody ulega zmianie, co rzutuje na zachowanie się gruntu drobnoziarnistego, jakim jest kaolin. Na podstawie badań sedymentacyjnych wykazano, że drobne cząstki łączą się ze sobą, co przyspiesza proces sedymentacji (Rysunek 6). Rysunek 6. Krzywe sedymentacji dla mieszanek wykonanych z różną zawartością popiołu lotnego

Karolina Knapik 13 Badania pęcznienia liniowego przeprowadzone w edometrze wykazały, że wartość pęcznienia zmierzona dla mieszanek zdecydowanie przewyższa wartości pęcznienia zarejestrowane dla popiołu lotnego. Potwierdzono brak pęcznienia dla próbki kaolinu (Rysunek 7). Rysunek 7. Zmiany objętości w czasie zmierzone dla kaolinu, popiołu lotnego oraz mieszanek gruntowo-popiołowych Badania przeprowadzone w edometrach wykazały, że ściśliwość mieszanek gruntowo-popiołowych zmienia się w czasie. Odnotowano wzrost ciśnienia powodującego uplastycznienie się mieszanek i zmniejszenie się odkształceń objętościowych pod wpływem odciążenia, co przypisano tworzeniu się hydratów. Wyniki uzyskane dla mieszanki gruntowopopiołowej wykonanej z zastosowaniem dodatku 40% popiołu lotnego przedstawiono na Rysunkach 8 i 9.

14 Streszczenie Rysunek 8. Krzywe ściśliwości uzyskane dla kaolinu i mieszanek gruntowopopiołowych wykonanych z dodatkiem 40% popiołu, badanych po różnych czasach przechowywania próbek Rysunek 9. Wartość naprężenia uplastyczniającego w zależności od czasu przechowywania mieszanki z dodatkiem 40% popiołu lotnego Badania przeprowadzone w aparacie bezpośredniego ścinania wykazały, że wytrzymałość na ścinanie mieszanek gruntowo-popiołowych zmienia się w czasie, co jest związane z tworzeniem się hydratów. Odnotowano głównie wzrost spójności mieszanek. W Tabeli 3 zestawiono wartości spójności i kąta

Karolina Knapik 15 tarcia wewnętrznego wyznaczone dla kaolinu i mieszanek gruntowopopiołowych. Tabela 3 Wartości spójności i kąta tarcia wewnętrznego wyznaczone dla kaolinu i mieszanek o różnej zawartości popiołu lotnego, badanych po 21 godzinach i 28 dniach Materiał 21 godzin 28 dni c (kpa) ( ) c (kpa) ( ) Kaolin 5 16 - - 10% popiołu lotnego 5 16 11 16 20% popiołu lotnego 6 20 56 29 40% popiołu lotnego 13 21 158 28 Badania laboratoryjne udowodniły, że wapno spełnia ważną rolę w procesie wzmacniania gruntu z zastosowaniem popiołu lotnego pochodzącego z procesu fluidalnego spalania węgla. Wykazano, że jego obecność powoduje natychmiastowy wzrost wartości ph. Dodatkowo stwierdzono, że silnie alkaliczne środowisko utrzymuje się przez dłuższy czas. Rysunek 10 przedstawia wyniki pomiarów ph, przeprowadzonych dla mieszanki wykonanej z wykorzystaniem 10% popiołu bez dodatku wapna i przy zastosowaniu niewielkiej ilości tego spoiwa. Rysunek 10. Pomiary odczynu ph w czasie, uzyskane dla mieszanki zawierającej 10% popiołu lotnego z dodatkiem i bez dodatku wapna

16 Streszczenie Dodatek wapna przyczynia się do zmiany wzajemnego ułożenia się drobnych cząstek gruntu, co można zaobserwować w badaniach sedymentacyjnych. Stwierdzono, że końcowa wysokość osadu jest wyższa dla mieszanek gruntowo-popiołowych, w których zastosowano dodatek wapna, co przedstawiono na Rysunku 11. Rysunek 11. Krzywe sedymentacji dla mieszanek wykonanych z dodatkiem 10% popiołu lotnego i różną zawartością wapna Stwierdzono również, że dodatek wapna przyczynia się do zmniejszenia pęcznienia liniowego, obserwowanego w mieszankach gruntowopopiołowych, co zaprezentowano na Rysunku 12. Rysunek 12. Zmiany objętości w czasie, zmierzone dla mieszanek gruntowo popiołowych z dodatkiem i bez dodatku wapna

Karolina Knapik 17 Dodatek niewielkiej ilości wapna przyczynia się do powstawania hydratów co zostało potwierdzone w badaniach. Odnotowano znaczący wpływ tego spoiwa na zmiany ściśliwości (Rysunki 13 i 14) i wytrzymałości na ścinanie mieszanek gruntowo-popiołowych (Tabela 4). Tabela 4 Wartości spójności i kąta tarcia wewnętrznego wyznaczone dla mieszanek o różnej zawartości popiołu lotnego i wapna, badanych po 21 godzinach i 28 dniach Materiał 21 godzin 28 dni c (kpa) ( ) c (kpa) ( ) 10% popiołu lotnego 5 16 11 16 20% popiołu lotnego 6 20 56 29 10% popiołu lotnego i 2% wapna 11 18 56 21 20% popiołu lotnego i 2% wapna 10 20 179 20 Rysunek 13. Krzywe ściśliwości uzyskane dla mieszanek gruntowopopiołowych wykonanych z dodatkiem 10% popiołu i różną zawartością wapna, badanych po 28 dniach przechowywania próbek

18 Streszczenie Rysunek 14. Wartość naprężenia uplastyczniającego w zależności od czasu przechowywania mieszanek z dodatkiem 10% popiołu lotnego i różną zawartością wapna W badaniach przeanalizowano również wpływ początkowej wilgotności mieszanek na ich właściwości. Podwyższona wilgotność mieszanek powoduje, że wpływ odmiennego chemizmu wody na właściwości mieszanek jest bardziej widoczny. Dodatkowo, analizy wykazały, że podwyższona zawartość wody sprzyja powstawaniu hydratów. Na Rysunku 15 przedstawiono obliczenia strat masy w przedziale temperatury od 20 do 350 C na podstawie wyników analizy termograwimetrycznej, wykonanej dla próbek o wilgotności początkowej wynoszącej 50% i 100%. Rysunek 15. Straty masy w temperaturze 20 350 C w zależności od czasu przechowywania próbek, obliczone dla mieszanek gruntowo-popiołowych wykonanych przy wilgotności początkowej 50% i 100%

Karolina Knapik 19 4. Analizy numeryczne 4.1. Cel analiz Głównym celem analiz numerycznych było ich skonfrontowanie z wynikami uzyskanymi w laboratorium. Obliczenia przeprowadzono dla mieszanek o wilgotności początkowej równej 100%. Wyznaczenie parametrów mechanicznych dla tych mieszanek na podstawie badań laboratoryjnych było utrudnione. Z uwagi na ten fakt, podjęto próbę oszacowania tych parametrów na podstawie analiz numerycznych. Modelowanie numeryczne obejmowało ustalenie warunków brzegowych, funkcji obciążenia i parametrów materiałowych. Przyjęta metodyka miała na celu jak najdokładniejsze oddanie warunków w jakich próbki badane są w laboratorium. W pierwszej kolejności wykonano analizę wsteczną na podstawie badań edometrycznych. Wstępne analizy pozwoliły ustalić, że ściśliwość mieszanek stosunkowo dobrze opisuje model konstytutywny Modified Cam Clay (Rysunek 16). Rysunek 16. Powierzchnia plastyczności modelu Modified Cam Clay (Pieczyrak 2001) Parametry modelu numerycznego były dostosowywane w celu uzyskania jak najbardziej dokładnego odwzorowania krzywych ściśliwości.

20 Streszczenie W kolejnym kroku analiz numerycznych, zamodelowano badanie w aparacie bezpośredniego ścinania z wykorzystaniem modelu konstytutywnego Modified Cam Clay i parametrów materiałowych wyznaczonych na podstawie analizy wstecznej z badań edometrycznych. Program stosowany do obliczeń to Z_Soil 2014 Student v14.10 (ZACE Services Ltd, Software Engineering), wykorzystujący Metodę Elementów Skończonych. 4.2. Ściśliwość - analiza wsteczna Model symulujący badanie w edometrze to pełny cylinder o wymiarach odpowiadających wymiarom próbek badanych w laboratorium (średnica 5 cm i wysokość 2 cm). Model (Rysunek 17) został podzielony na 1920 elementów i posiadał 2307 węzłów. Rysunek 17. Trójwymiarowy model próbki symulacja badania prowadzonego w edometrze Zadanie warunków brzegowych obejmowało: zablokowanie możliwości przesuwu we wszystkich kierunkach na dolnej powierzchni cylindra pełnego zablokowanie możliwości przesuwu w kierunku poziomym i umożliwienie przesuwu w kierunku pionowym na pobocznicy Na poziomie dolnej powierzchni próbki zadano poziom wody, a na powierzchni górnej umożliwiono wypływ wody w celu uzyskania warunków z drenażem. Pionowe naprężenie zostało zadane na górnej powierzchni

Karolina Knapik 21 modelu, a jego wartość i czas trwania były dokładnie takie same, jak podczas badań wykonywanych w laboratorium. 4.3. Wytrzymałość na ścinanie Model symulujący badanie w aparacie bezpośredniego ścinania (Rysunek 18) to pełny prostopadłościan, o wymiarach odpowiadających typowym wymiarom próbek badanych w warunkach laboratoryjnych (6x6x2 cm). Model został podzielony na 4608 elementów i posiadał 5625 węzłów. Zadanie warunków brzegowych obejmowało: zablokowanie możliwości przemieszczeń we wszystkich kierunkach na dolnej płaszczyźnie modelu umożliwienie przemieszczeń pionowych i zablokowanie przemieszczeń poziomych na powierzchniach bocznych wymuszenie przemieszczenia górnej połowy pełnego prostopadłościanu w stosunku do dolnej połowy podczas modelowania etapu ścinania Na górnej powierzchni modelu umożliwiono odpływ wody, w celu uzyskania warunków z drenażem. Rysunek 18. Trójwymiarowy model próbki symulacja badania prowadzonego w aparacie bezpośredniego ścinania

22 Streszczenie W pierwszym etapie obliczeń na górnej powierzchni modelu zadano pionowe naprężenie. Po zakończeniu konsolidacji rozpoczęto etap, w którym model był ścinany, przy czym pionowe obciążenie na górnej powierzchni próbki było utrzymywane. Prędkość ścinania przyjęto jako 0,05 mm/min. Wartości naprężenia stycznego odczytano dla reprezentatywnego elementu, umiejscowionego w środkowej części powierzchni ścięcia, jak pokazano na Rysunku 19. Rysunek 19. Zdeformowana siatka otrzymana w wyniku symulacji badania w aparacie bezpośredniego ścinania a) przekrój poprzeczny b) przekrój podłużny z zaznaczonym elementem reprezentatywnym 4.4. Wnioski z analiz numerycznych Wartość spójności wyznaczona na podstawie analiz numerycznych wykonanych przy zastosowaniu modelu konstytutywnego Modified Cam Clay była zerowa dla wszystkich modeli. Wartość kąta tarcia wewnętrznego otrzymana dla modeli mieszanek badanych po 21 godzinach była większa niż dla modeli mieszanek badanych po 28 dniach. Taki trend nie jest zgodny z wynikami otrzymanymi w laboratorium dla mieszanek wykonanych przy wilgotności początkowej 50%. Należy zaznaczyć, że model konstytutywny Modified Cam Clay bazuje na stałych wartościach parametru λ. Mieszanki grunowo-popiołowe po 28 dniach charakteryzowały się większą porowatością. Efekt zerwania wiązań pomiędzy cząstkami stałymi ilustruje krzywa ściśliwości otrzymana w badaniach edometrycznych. Można zauważyć, że po przekroczeniu naprężenia uplastyczniającego krzywa początkowo charakteryzuje się

Karolina Knapik 23 dużym nachyleniem, a następnie jej nachylenie stopniowo się zmniejsza, co nie jest oddane w odpowiedni sposób przez model MCC. Przyjęte w obliczeniach wartości λ spowodowały, że wyznaczone wartości kąta tarcia wewnętrznego były zaniżone. Należy zauważyć, że naprężenie pionowe przykładane do próbek podczas laboratoryjnych badań edometrycznych spowodowało zerwanie wiązań pomiędzy cząsteczkami, jednak krzywa ściśliwości otrzymana dla mieszanki badanej po 28 dniach nie przecina krzywej ściśliwości otrzymanej dla mieszanki badanej po 21 godzinach, nawet przy bardzo dużych wartościach naprężenia pionowego ( =2450 kpa). Można przewidywać, że część wiązań pozostała nienaruszona, co z całą pewnością wpływa na rzeczywistą wytrzymałość na ścinanie mieszanek. Konsekwentnie, wytrzymałość na ścinanie mieszanek w których zastosowano spoiwo, zależy od stopnia w jakim obciążenie powoduje zerwanie wiązań. Ten aspekt powinien być uwzględniony w modelu konstytutywnym opisującym zachowanie się mieszanek. 5. Podsumowanie 5.1. Wnioski W ramach niniejszej rozprawy doktorskiej wykonano szereg badań laboratoryjnych na bazie kaolinu Speswhite, w celu znalezienia powiązań pomiędzy zachodzącymi zjawiskami fizyko chemicznymi a właściwościami fizycznymi i mechanicznymi gruntu wzmocnionego popiołem lotnym z procesu fluidalnego spalania węgla. Badania laboratoryjne obejmowały również określenie wpływu dodatku wapna na otrzymane wyniki. Obserwacje były prowadzone w skali mikro i makro, z zastosowaniem technik umożliwiających rozpoznanie zachodzących zmian w składzie mieszanek, ich strukturze, ściśliwości i wytrzymałości na ścinanie. Celem było określenie skutków i znalezienie przyczyn powodujących obserwowane zmiany. Aktywność hydrauliczno-pucolanowa popiołu lotnego zastosowanego w badaniach została potwierdzona. Wykazano, że dodatek wody do popiołu powoduje powstawanie hydratów. Wiązania pomiędzy cząsteczkami powodują, że hydratyzujący popiół lotny zyskuje znaczną wytrzymałość na ścinanie.

24 Streszczenie Dodatek popiołu lotnego pochodzącego z procesu fluidalnego spalania węgla do gruntu drobnoziarnistego, reprezentowanego w niniejszej rozprawie przez kaolin Speswhite, powoduje, że otrzymana mieszanka wykazuje właściwości zdeterminowane przez właściwości materiałów składowych. Wiązania pomiędzy cząsteczkami stałymi, spowodowane powstawaniem hydratów, wpływają na zmianę uziarnienia oraz porowatości mieszanek w czasie. W rezultacie zmienia się ich ściśliwość i wytrzymałość na ścinanie. Powstawanie hydratów jest uwarunkowane istnieniem wysoce alkalicznego środowiska (wartość ph nie mniejsza niż około 11). Z uwagi na fakt, że ph gruntu wzmocnionego popiołem lotnym ulega zmianom w czasie na skutek zmniejszenia zawartości portlandytu czy karbonatyzacji, odczyn powinien być weryfikowany w czasie. W przypadku mieszanek zawierających stosunkowo niewielką ilości popiołu lotnego, dla których wartość ph nie jest wystarczająco wysoka, dodatek niewielkiej ilości wapna może umożliwić uzyskanie satysfakcjonujących wyników. Ponadto, dodatek wapna zapewnia dostarczenie dodatkowej ilości jonów wapnia niezbędnych do tworzenia się hydratów. Wilgotność mieszanek odgrywa istotną rolę w aspekcie zachodzących zjawisk fizyko chemicznych. Dla mieszanek o większej wilgotności zauważono wzrost ilości hydratów oraz większą porowatość mieszanek. Przeprowadzone analizy numeryczne potwierdziły, że model konsytutywny Modified Cam Clay nie jest w stanie dobrze opisać zachowania się gruntu, którego ziarna są ze sobą zespolone na skutek powstawania hydratów. W rezultacie, wyniki analiz numerycznych nie są wiarygodne. Wykorzystanie modelu numerycznego dobrze opisującego zachowanie się scementowanych gruntów drobnoziarnistych umożliwiłoby uzyskanie dokładniejszych wyników, lepiej opisujących rzeczywistość. 5.2. Perspektywy dalszych badań Niniejsza rozprawa doktorska stanowi pierwszy krok w dziedzinie weryfikacji zastosowania popiołów lotnych z procesu fluidalnego spalania węgla do wzmacniania gruntu. Badania były skoncentrowane na wybranych właściwościach fizycznych i mechanicznych mieszanek wykonanych na bazie gruntu drobnoziarnistego, reprezentowanego przez kaolin Speswhite.

Karolina Knapik 25 Niektóre aspekty wymagają dalszych badań i lepszego zrozumienia. Jednym ze wspomnianych aspektów jest wpływ odmiennego chemizmu wody na zachowanie się gruntów. Dodatek popiołu lotnego wiąże się z wprowadzeniem do cieczy porowej różnego rodzaju jonów, których wpływ na zachowanie się gruntu drobnoziarnistego powinien zostać zweryfikowany. Ponadto, tematem otwartym i wymagającym dalszych badań jest natura pęcznienia obserwowanego w mieszankach. Z uwagi na fakt, że grunty naturalne wykazują duże zróżnicowanie cech fizycznych i mechanicznych, a dodatkowo stanowią mieszaninę różnego rodzaju minerałów, interesującym i pożytecznym kierunkiem dalszego rozwoju jest przeprowadzenie badań na reprezentatywnych grupach gruntów naturalnych, pobranych z podłoża gruntowego. Badania należałoby uzupełnić o określenie wpływu czynników, które występują w rzeczywistości na budowie i wpływają na właściwości wzmocnionego gruntu. Do czynników tych można zaliczyć między innymi: wpływ wód gruntowych, różny zakres temperatury otoczenia oraz procesu karbonatyzacji. Zaprezentowane badania były prowadzone w celu określenia zmian zachodzących w przeciągu pierwszych czterech tygodni od momentu zmieszania gruntu z materiałem wiążącym i wodą. Jednakże, wybrane badania przeprowadzono również dla mieszanek przechowywanych przez cztery miesiące. Uzyskane wyniki potwierdziły, że proces wzmocnienia gruntu z zastosowaniem popiołów lotnych FBC jest długotrwały. Z uwagi na ten fakt, badania powinny obejmować również dłuższe terminy, takie jak miesiące czy lata. Kolejną propozycją kierunku dalszych badań stanowi określenie modelu konstytutywnego dobrze opisującego zachowanie się gruntów drobnoziarnistych, w których zachodzi wiązanie. Projektowanie jest bardzo często uzupełniane poprzez wykonywanie analiz numerycznych. Wdrożenie do oprogramowania modelu konstytutywnego bazującego na parametrach, które mogą być stosunkowo łatwo wyznaczone w badaniach laboratoryjnych, pozwoliłoby uzyskać bardziej dokładne wyniki, zbliżone do rzeczywistości.

26 Streszczenie Literatura Brandt A. M., Czarnecki L., Deja J., Domagała K., Jóźwiak Niedźwiedzka D., Kańka S., Kasperkiewicz J., Kołodziej Ł., Kowalska D., Litorowicz A., Łagosz A., Małolepszy J., Marks M., Mossakowski P., Mróz R., Radomski W., Śliwiński J., Tracz T., Woyciechowski P., Zybura A. (2010): Zastosowanie popiołów lotnych z kotłów fluidalnych w betonach konstrukcyjnych. Praca zbiorowa pod redakcją A. M. Brandta. Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN, Warszawa Chrysochoou M., Dermatas D. (2004): Application of ettringite on heavy metal immobilization: a literaturę review (Zastosowanie etryngitu do immobilizacji metali ciężkich: przegląd literatury). Protection and Restoration of the Environment VII, Conference Proceedings, Mykonos, Grecja Giergiczny Z. (2006): Rola popiołów lotnych wapniowych i krzemionkowych w kształtowaniu właściwości współczesnych spoiw budowlanych i tworzyw cementowych. Politechnika Krakowska, Kraków Oka S. N. (2004): Fluidized bed combustion (Spalanie w złożu fluidalnym). Marcel Dekker Inc., Nowy York, Bazylea Pieczyrak J. (2001): Ustalanie parametrów wybranych modeli gruntu na podstawie próbnych obciążeń. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Nr 1507, Gliwice Shen Y., Qian J., Zhang Z. (2013): Investigations of anhydrite in CFBC fly ash as cement retarders (Badania anhydrytu z popiołów lotnych CFBC jako opóźniacza w cemencie). Construction and Building Materials 40, Elsevier Ltd., s. 672 678 Sulovský P. (2002): Mineralogy and chemistry of conventional and fluidised bed coal ashes (Mineralogia i chemizm popiołów lotnych konwencjonalnych i pochodzących z procesu fluidalnego spalania). Bulletin of the Czech Geological Survey, Tom 77, Nr 1, s. 1 11 Zapotoczna Sytek G., Łaskawiec K., Gębarowski P., Małolepszy J., Szymczak J. (2013): Popioły lotne nowej generacji do produkcji autoklawizowanego betonu komórkowego. Monografia. Instytut Śląski, Warszawa