Właściwości cementu z dodatkiem popiołów lotnych ze spalania drewna wierzbowego w kotle energetycznym na paliwo stałe

• Autorzy: Tkaczewska Ewelina

Warianty tytułu

EN

Properties of cement with the addition of fly ashes from burning willow wood in the pulverized fuel fired boiler

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Praca analizuje właściwości spoiwa cementowego zawierającego w składzie cement CEM I 42,5R i popioły z biomasy w ilości 20% i 30% masowych. W badaniach wykorzystano próbki dwóch popiołów, które pochodziły ze spalania drewna wierzbowego w palenisku pyłowym kotła energetycznego. Podstawowymi składnikami chemicznymi tych popiołów były kolejno tlenki CaO, SiO2 i Al2O3. Uwagę zwracała również wysoka zawartość P2O5, alkaliów (zwłaszcza K2O) i wolnego CaO. Popioły te charakteryzowały się niewielkim udziałem fazy szklistej, natomiast fazami krystalicznymi były kwarc, kalcyt, gehlenit (Ca2Al2SiO7) i mikroklin (KAlSi3O8), a w jednym popiele dodatkowo siarczan potasowo-sodowy (K2Na(SO4)2), sylwin (KCl) i magnezoferryt, złożony z tlenków żelaza i magnezu (MgFe2O4). Oba popioły wykazywały bardzo słabe właściwości pucolanowe. Cement z dodatkiem popiołu z biomasy wymagał zastosowania większej ilości wody do uzyskania konsystencji normowej, a jego początek czasu wiązania ulegał wydłużeniu w stosunku do cementu CEM I. Zaobserwowano brak stałości objętości zaczynu z dodatkiem popiołu z biomasy, ale ekspansja nie przekraczała dopuszczalnej wartości 10 mm (metoda Le Chateliera). Popiół z biomasy obniżał wytrzymałość na ściskanie zaprawy cementowej, co spowodowane było głównie częściowym zastąpieniem cementu CEM I w spoiwie (tzw. efekt rozcieńczenia), a także wzrostem udziału wolnego CaO w badanych spoiwach wskutek wprowadzenia do składu spoiwa popiołu z biomasy, który wykazywał wysoką zawartość wolnego CaO. Dodatek 20% popiołu z biomasy pozwolił otrzymać cement CEM II/A klasy wytrzymałości 32,5R, natomiast dodatek 30% popiołu – cement CEM IV/A klasy wytrzymałości 32,5R.

EN

The work analyzes the properties of cement binder containing CEM I 42.5R cement and biomass ashes in the amount of 20 wt% and 30 wt%. The study used samples of two ashes that came from burning willow wood in the dust furnace of a power boiler. The basic chemical components of these ashes were oxides CaO, SiO2 and Al2O3. The high content of P2O5, alkali (especially K2O) and free CaO was also noteworthy. These ashes were characterized by a small content of the glassy phase, while the crystalline phases were quartz, calcite, gehlenite (Ca2Al2SiO7) and microcline (KAlSi3O8), and in one ash, additionally potassium sodium sulfate (K2Na(SO4)2), sylvite (KCl) and magnesium ferrite, composed of iron and magnesium oxides (MgFe2O4). Both ashes showed very poor pozzolanic properties. Cement with the addition of biomass ash required the use of more water to obtain a standard consistency, and its initial setting time was longer than that of CEM I cement. There was a lack of stability in the paste volume with the addition of biomass ash, but the expansion did not exceed the permissible value of 10 mm (Le Chatelier method). Biomass ash reduced the compressive strength of cement mortar, which was mainly due to the partial replacement of CEM I cement in the binder (so-called dilution effect), as well as the increase in the content of free CaO in the tested binders due to the introduction of biomass ash in the binder, which showed a high content of free CaO. The addition of 20% ash from biomass allowed obtaining CEM II/A cement class 32.5R, while the addition of 30% ash - CEM IV/A cement class 32.5R.

Słowa kluczowe

PL

popiół z biomasy; cement; konsystencja normowa; początek czasu wiązania; stałość objętości; wytrzymałość na ściskanie

EN

biomass ash; cement; standard consistency; initial setting time; volume stability; compressive strength

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2019
• Tom: T. 71, nr 2
• Strony: 145--160
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Tkaczewska Ewelina

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Technologii Materiałów Budowlanych, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Ściążko, M., Zuwała, J., Pronobis, M.: Zalety i wady współspalania biomasy w kotłach energetycznych na tle doświadczeń eksploatacyjnych pierwszego roku współspalania biomasy na skalę przemysłową, Energetyka, 3, (2006), 207-220.
• [2] Czech, T., Sobczyk, T., Jaworek, A., Krupa, A.: Porównanie własności fizycznych popiołów lotnych ze spalania węgla kamiennego, brunatnego i biomasy, Materiały 11. Konferencji Naukowej POL-EMIS 2012 "Ochrona Powietrza Atmosferycznego", Sienna-Czarna Góra, 2012, 73-82.
• [3] Nunes, L. J. R., Matias, J. C. O., Catalão, J. P. S.: Biomass combustion systems: A review on the physical and chemical properties of the ashes, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 53, (2016), 235-242.
• [4] Kosior-Kazberuk, M.: Nowe dodatki mineralne do betonu, Budownictwo i Inżynieria Środowiska, 2, (2011), 47-55.
• [5] Giergiczny, E.: Popiół lotny ze współspalania jako dodatek do cementu i betonu w aspekcie wymagań normowych i środowiskowych, Materiały XIV Międzynarodowej Konferencji "Popioły z Energetyki", Międzyzdroje, 2007, Szczecin, 2007, 42-53.
• [6] Lamers, F. J. M., Vissers, J. L. J., van den Berg, J. W.: Effects of co-combustion of secondary fuels on fly ash quality, Proceedings of the 7th CANMET/ACI International Conference on the Fly Ash, Silica Fume, Slag, Natural Pozzolans in Concrete, American Concrete Institute, Vol.1, American Concrete Institute, Chennai, 2001, 433-457.
• [7] Grammelis, P., Skodras, G., Kakaras, E.: Effects of biomass co-firing with coal on ash properties. Part I: Characterisation and PSD, Fuel, 85, (2006), 2310-2315.
• [8] Ribbing, C.: Environmentally friendly use of non-coal ashes in Sweden, Waste Management, 27, (2007), 1428-1435.
• [9] Rajamma, R., Ball, R. J., Tarelho, L. A. C., Allen, G. C., Labrincha, J. A., Ferreira, F. M.: Characterisation and use of biomass fly ash in cement-based materials, J. Hazard. Mater., 172, 2009, 1049-1060.
• [10] Winnicka, G., Zuwała, J.: Współspalanie biomasy w energetyce – ocena wpływu na skład chemiczny popiołu, Seminarium Techniczne Popioły z energetyki – z odpadu do produktu. Aspekty formalno-prawne, Polska Unia Ubocznych Produktow Spalania, Wydawnictwo Ekotech, Szczecin, 2005: 43-59.
• [11] Małolepszy, J., Tkaczewska, E.: Fly ash from co-burning bituminous coal and biomass – effect on properties of cement, Proceedings of the 9th CANMET/ACI I International Conference on the Fly Ash, Silica Fume, Slag, Natural Pozzolans in Concrete, American Concrete Institute, Warszawa, 2007, 165-174.
• [12] Tkaczewska, E., Mróz, R., Łój, G.: Coal-biomass fly ashes for cement production of CEM II/A-V 42.5R, Constr. Build. Mater., 28, (2012), 633-639.
• [13] Tkaczewska, E., Małolepszy, J.: Hydration of coal-biomass fly ash cement, Constr. Build. Mater., 23, (2009), 2694-2700.
• [14] Tkaczewska, E., Małolepszy, J.: Wpływ popiołów lotnych ze współspalania węgla kamiennego i biomasy na proces hydratacji i właściwości cementu, IV Konferencja "Dni Betonu - Tradycja i Nowoczesność, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Wisła, 2006, Wydawnictwo Polski Cement Sp. z o.o., Kraków, 2006, 591-602.
• [15] Vassilev, S. V., Baxter, D., Andersen, L. K., Vassileva, C. G.: An overview of the chemical composition of biomass, Fuel, 89, (2010), 913-933.
• [16] Lowe, R.: Pozzolanic properties of biomass fly ash, PHD Thesis, Clemson University, 2012.
• [17] Alonso, J. L., Wesche, K.: Characterization of fly ash, Fly ash in concrete. Properties and performance, Report of Technical Committee 67-FAB – use of fly ash in building, London, 1991.
• [18] Lea, F. M.: The testing of pozzolanic cements, Cement Techn., 4, (1973), 21-25.
• [19] Kurdowski, W.: Chemia cementu i betonu, Wydawnictwo Polski Cement, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2010.
• [20] CEN/TR 15677 Fly ash obtained from co-combustion – A report on the situation in Europe, CEN, Brussels, 2007.
• [21] Tkaczewska, E., Kłosek-Wawrzyn, E.: Wpływ jonów fosforanowych PO43- na proces hydratacji cementu, Cement Wapno Beton, (2012), 401-408.
• [22] Massazza, F.: Pozzolana and pozzolanic cements, w Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, 4th ed., P. C. Hewlett (Ed.), Published by Elsevier Ltd., London, 2003, 471-635.
• [23] Wang, S., Miller, A., Llamazos, E., Fonseca, F., Baxter, L.: Biomass fly ash in concrete: Mixture proportioning and mechanical properties, Fuel, 87, 2008, 365-371.
• [24] Analiza uwarunkowań oraz badania możliwości wykorzystania wybranych ubocznych produktów spalania (UPS) w budownictwie i inżynierii lądowej, Projekt dofinansowany w ramach przedsięwzięcia IniTech Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, ZPB/61/65832/ITII/10, Kraków, 2013.
• [25] Bogue, R. H.: Calculation of the compounds in Portland cement, Ind. Eng. Chem. Anal. Ed., 1, 4, (1929), 192-197.
• [26] Lea, F. M.: The chemistry of cement and concrete, Edward Arnold Ltd., London, 1983.