baran_francuz_ostrowski_skawinska.pdf

(657 KB) Pobierz
Tomasz Baran
Piotr Francuz
Mikołaj Ostrowski
Anna Skawińska
Wpływ cementu portlandzkiego na wskaźniki
aktywności K28 i K90 popiołów lotnych
krzemionkowych kategorii S
Influence of Portland cement on actIvIty Index K28 and K90
of sIlIceous fly ash category s
Streszczenie
W artykule przedstawiono wpływ cementów portlandzkich CEM I na wartości wskaź-
ników aktywności K28 i K90 popiołów lotnych krzemionkowych o miałkości kategorii 
S. Do badań pozyskano 9 próbek popiołu lotnego krzemionkowego z różnych zakładów 
energetycznych  oraz  7  próbek  cementu  portlandzkiego  CEM  I  z  różnych  cementowni 
w Polsce. Cementy te były zróżnicowane z uwagi na skład fazowy i chemiczny; głównie 
zawartość glinianu trójwapniowego oraz zawartość sodu i potasu. Zawartość glinianu 
trójwapniowego mieści się w granicach 6–10%, a zawartość sodu i potasu w przeliczeniu 
na Na
2
O
e
 zawiera się w granicach 0,55–0,69%, czyli oba parametry spełniały wymagania 
normy PN-EN 450-1, dla cementu porównawczego.
Z popiołów lotnych krzemionkowych o miałkości kategorii N przygotowano popioły 
lotne krzemionkowe o miałkości kategorii S, poprzez wyseparowanie na drodze odsiania 
(odrzucenia) grubych frakcji. 
Badania  wykazały,  że  dla  cementu  portlandzkiego  CEM  I  z  różnych  cementowni 
uzyskano różne wartości współczynników aktywności K28 i K90 dla tego samego po-
piołu lotnego krzemionkowego kategorii S. Z pośród przebadanych 63 próbek cementów 
popiołowych tylko 2 próbki (3%) nie spełniały wymagań wartości wskaźnika aktywności 
K28, tj. minimum 75% w odniesieniu  do wytrzymałości na ściskanie danego cementu 
dr inż. Tomasz Baran – Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Oddział Szkła i Materiałów
Budowlanych w Krakowie
mgr inż. Piotr Francuz – Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Oddział Szkła i Materiałów
Budowlanych w Krakowie
dr inż. Mikołaj Ostrowski – Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Oddział Szkła i Materiałów
Budowlanych w Krakowie
dr inż. Anna Skawińska – Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Oddział Szkła i Materiałów
Budowlanych w Krakowie
535
Tomasz Baran, Piotr Francuz, Mikołaj Ostrowski, Anna Skawińska
porównawczego. Natomiast wszystkie próbki spełniały i to z dużym zapasem, wartości 
wskaźnika aktywności K90, tj. minimum 85% w odniesieniu do wytrzymałości na ściska-
nie danego porównawczego. Należy podkreślić, że 60 próbek cementów popiołowych 
(95%)  uzyskało  wartości  wskaźnika  aktywności  K90,  powyżej  100%,  czyli  te  cementy 
popiołowe uzyskały wytrzymałości na ściskanie po 90 dniach większe niż odpowiedni 
porównawczy cement portlandzki. Taki wpływ cementów portlandzkich na wskaźniki 
aktywności popiołów należy tłumaczyć głównie zawartością Na
2
O
e
.
Uzyskane wyniki sugerują na stosowanie popiołów lotnych krzemionkowych o miał-
kości kategorii S zarówno do produkcji cementu jak i betonu. Należy podkreślić korzyści 
ekonomiczne i ekologiczne ze stosowania odpadowego popiołu lotnego krzemionkowe-
go o miałkości kategorii S do cementu i betonu, w miejsce drogiego, energochłonnego 
klinkieru portlandzkiego.
Abstract
The paper presents the influence of Portland cements CEM I on the values of K28 and 
K90 activity index of siliceous fly ash of S category fineness. The study brought 9 samples 
of siliceous fly ash from various energy plants and 7 samples of Portland cement CEM 
I  from  various  cement  plants  in  Poland.  These  cements  were  varied  due  to  the  phase 
and chemical composition; mainly the content of tricalcium aluminate and the content 
of sodium and potassium. The content of tricalcium aluminate is in the range of 3–10%, 
and the content of sodium and potassium calculated as Na
2
O
e
 is between 0,55–0,69%, i.e. 
both parameters met the requirements of PN-EN 450-1 standard, for comparative cement.
Siliceous fly ash of S category fineness was prepared from siliceous fly ash of N ca-
tegory fineness, by separation by sieving (rejection) of coarse fractions.
Studies have shown that for Portland cement CEM I from different cement plants 
different values of K28 and K90 activity index for the same siliceous fly ash of S category 
fineness were obtained. Of the 63 samples of ash cements tested only 2 samples (3%) did 
not meet the requirements of the K28 activity index, i.e. a minimum of 75% with respect 
to the compressive strength of a given comparative cement. On the other hand, all sam-
ples fulfilled, with a large margin, the value of the K90 activity index, i.e. a minimum of 
85% with respect to the compressive strength of a given comparative cement. It should 
be emphasized that 60 samples of ash cements (95%) obtained values of the K90 activity 
index, above 100%, i.e. those ash cements obtained compressive strengths after 90 days 
greater than the corresponding comparative Portland cement. This influence of Portland 
cements on activity index of fly ashes should be mainly explained by the content of Na
2
O
e
.
The obtained results suggest the use of siliceous fly ashes of S category fineness for 
the production of cement and concrete. It is necessary to emphasize economic and eco-
logical benefits from the use of waste siliceous fly ash of S category fineness for cement 
and concrete, instead of expensive, energy-consuming Portland clinker.
536
DNI BETONU 2018
Wpływ cementu portlandzkiego na wskaźniki aktywności...
1. Wstęp
Popiół lotny krzemionkowy jest produktem odpadowym powstającym w wyniku spalania 
węgla kamiennego w zakładach energetyki zawodowej. Skład popiołu lotnego krzemion-
kowego oraz jego właściwości kwalifikują go jako dodatek mineralny, który może być 
wykorzystywany w innych gałęziach przemysłu, w tym w przemyśle  i betonowym, ze 
względów technologicznych, ekonomicznych i dużych korzyści dla środowiska. Obecnie 
stał się drugim, po granulowanym żużlu wielkopiecowym, niezbędnym dodatkiem do 
produkcji cementu i betonu. Znajduje zastosowania jako: dodatek mineralny do produkcji 
cementów; aktywny dodatek mineralny i mikrokruszywo do produkcji betonu zwykłego 
i  samozagęszczającego  się  (SCC),  do  produkcji  betonów  wysokowytrzymałościowych 
(BWW) i betonów o wysokiej trwałości; składnik do produkcji betonów komórkowych, 
drogowych i innych [1-5]. O szerokim zastosowaniu popiołów lotnych krzemionkowych 
decyduje  przede  wszystkim  ich  duża  miałkość,  skład  chemiczny  zbliżony  do  ilastych 
surowców naturalnych oraz aktywność pucolanowa. 
Ze  względu  na  miałkość  popiół  lotny  krzemionkowy  klasyfikuje  się  na  kategorię 
N  kategorię N i S [6]. Popiół lotny krzemionkowy o miałkości kategorii N to materiał, 
którego  pozostałość  na  sicie  0,045  mm  mieści  się  w  przedziale  12–40%  masy.  Popiół 
lotny  krzemionkowy  o  miałkości  kategorii  S  to  materiał,  którego  pozostałość  na  sicie 
0,045 mm nie może przekraczać 12%. Popiół lotny krzemionkowy o miałkości kategorii 
N jest wykorzystywany na bardzo szeroką skalę do produkcji cementów portlandzkich 
popiołowych, cementów pucolanowych oraz cementów wieloskładnikowych oraz jako 
dodatek typu II do betonu. Popiół lotny krzemionkowy o miałkości kategorii S otrzymy-
wany w wyniku separacji grubych frakcji, jako jednej z kilku metod uzdatniania popiołu 
lotnego wg normy PN EN 450-1 nie jest obecnie wykorzystywany w Polsce. Popiół ten jest 
wykorzystywany w innych krajach do produkcji betonów wysokowytrzymałościowych 
(BWW) i samozagęszczalnych (SCC) [7, 8].
W niniejszym artykule badano wpływ cementów portlandzkich CEM I, na warto-
ści wskaźników aktywności K28 i K90 popiołów lotnych krzemionkowych o miałkości 
kategorii S. Do badań zastosowano 7 próbek cementu portlandzkiego CEM I z różnych 
cementowni, zróżnicowanych z uwagi na skład fazowy i chemiczny; głównie zawartość 
glinianu trójwapniowego oraz potasu i sodu. Z pośród zastosowanych cementów jeden 
nie spełniał wymagań normy PN-EN 450-1 jako cement porównawczy. Badano wskaźniki 
aktywności K28 i K90 9 próbek popiołu lotnego krzemionkowego o miałkości kategorii 
S, uzyskane poprzez separację popiołów o miałkości kategorii N, pozyskanych różnych 
zakładów energetyki zawodowej. Wykonano podstawowe badania materiałów. Dla próbek 
cementu CEM I wykonano podstawowe badania właściwości zgodnie z wymaganiami 
normy PN-EN 197-1 [9]. Próbki popiołów lotnych krzemionkowych zbadano, z uwagi 
na przydatności popiołu lotnego do cementu i betonu. 
2. Materiały i metody badawcze
Do badań pozyskano 9 próbek popiołu lotnego krzemionkowego o miałkości kategorii N 
z różnych zakładów energetyki zawodowej. Składy chemiczne popiołów lotnych krzemion-
kowego o miałkości kategorii N podano w artykule pt. „Zmienność wskaźników aktywno-
ści popiołów lotnych krzemionkowych spowodowana użyciem cementów portlandzkich 
od różnych wytwórców”, który jest także zamieszczony w materiałach konferencyjnych 
DNI BETONU 2018
537
Tomasz Baran, Piotr Francuz, Mikołaj Ostrowski, Anna Skawińska
Dni Betonu 2018. Z popiołów tych przygotowano popioły lotne krzemionkowe o miałkości 
kategorii  S,  poprzez  wyseparowanie  na  drodze  odsiania  (odrzucenia)  grubych  frakcji. 
Składy chemiczne popiołów oraz ich miałkość, tj. pozostałość na sicie 0,045 mm, podano 
w tabeli 1. Pozostałe właściwości popiołów, odniesione do wymagań normy PN-EN 450-1 
przedstawiono w tabeli 2. Z popiołów tych wykonano badania wskaźników aktywności 
K28 i K90 stosując 7 próbek cementów porównawczych CEM I o klasie wytrzymałości 
42,5, z różnych cementowni. Skład chemiczny i fazowy cementów podano w tabeli 3. 
Tabela 1. Składy chemiczne popiołów lotnych krzemionkowych o miałkości kategorii S
Oznaczenie 
LOI
popiołu
Popiół 1S 
Popiół 2S
Popiół 3S
Popiół 4S
Popiół 5S
Popiół 6S
Popiół 7S
Popiół 8S
Popiół 9S
1,96
3,73
4,79
5,04
6,31
4,48
5,41
6,79
9,30
Składnik
SiO
2
52,7
50,2
49,8
48,4
50,7
50,8
48,5
48,4
46,8
Al
2
O
3
Fe
2
O
3
28,4
28,9
27,9
27,8
28,5
27,2
28,3
27,7
26,2
5,34
6,05
5,30
5,34
4,42
5,58
5,12
5,60
5,01
CaO
2,69
2,94
3,51
3,70
2,12
3,10
3,56
3,42
3,82
MgO
Na
2
O
2,23
2,02
1,86
2,63
1,71
2,52
2,15
2,18
2,71
1,06
1,42
1,24
1,33
0,78
1,17
2,56
1,05
1,30
K
2
O
3,40
2,95
3,10
3,41
3,09
3,25
2,70
2,93
3,04
SO
3
0,40
0,05
0,05
0,10
0,02
0,13
0,05
0,09
0,05
% masy
1,0
1,5
1,0
3,0
1,5
2,0
2,0
2,5
1,0
Miałkość
Tabela 2. Właściwości popiołów lotnych krzemionkowych o miałkości kategorii S 
Właściwość
Strata prażenia:
Zawartość chlorków (Cl )
Zawartość siarczanów (SO )
3
-
Wymagania 
wg PN EN 450-1
 9 %
 0,10 %
 3,0 %
 1,5 %
 10 %
Uzyskane wyniki
< 9,3 % (1 próbka 9S)
< 0,04 %
≤ 0,4 %
< 0,3 %
< 4,0 % (całkowite)
Zawartość wolnego wapna 
Zawartość reaktywnego tlenku 
wapnia, 
Miałkość:
odmiana N
odmiana S
Wodożądność w stosunku do 
cementu porównawczego – 
tylko dla odmiany S
Wskaźniki aktywności:
 K28
 K90
< 12 % masy
< 3,0 % masy
< 95 %
Po 28 dniach ≥ 75%
Po 90 dniach ≥ 85%
< 94 %
W tabelach 4-10
538
DNI BETONU 2018
Wpływ cementu portlandzkiego na wskaźniki aktywności...
Tabela 3. Skład chemiczny cementów porównawczych CEM I
Oznaczenie cementu
Składnik
Str. Praż.
SiO
2
Al
2
O
3
Fe
2
O
3
CaO
MgO
SO
3
Na
2
O
K
2
O
Na
2
O
e
C
3
S
C
2
S
C
3
A
C
4
AF
Cement 1
3,04
19,83
4,37
3,36
64,19
0,60
2,89
0,21
0,51
0,55
68
4
6
10
Cement 2 Cement 3 Cement 4 Cement 5 Cement 6 Cement 7
% masy
3,13
19,71
4,60
3,54
62,14
2,33
3,05
0,09
0,89
0,68
59
11
6
11
4,85
19,34
5,26
2,28
62,56
1,59
2,75
0,12
0,68
0,57
61
8
10
7
4,75
19,26
5,14
2,75
61,91
1,36
3,11
0,14
0,83
0,69
58
10
9
8
3,28
19,89
4,73
2,26
63,17
1,78
3,31
0,13
0,82
0,67
62
9
9
7
1,23
20,82
4,41
5,34
63,31
0,93
2,57
0,33
0,25
0,50
55
17
3
16
3,07
19,80
4,39
3,38
64,15
0,59
2,29
0,20
0,51
0,55
68
4
6
10
Skład fazowy obliczony wzorami Bogue’a, % masowy [10]
3. Wyniki badań i dyskusja
Zgodnie z normą PN-EN 450-1 „Popiół lotny do betonu”, z materiałów zamieszczonych 
w tabelach 1 i 3, wykonano mieszanki zawierające 25% popiołu i 75% cementu. Mieszanki 
do badań o ww. proporcji popiołu i cementu homogenizowano, w pojemnikach plastiko-
wych wypełnionych korkami gumowymi, na mieszadle rolkowym przez ok. 30 minut. 
W sumie wykonano 63 mieszanki, dla których oznaczono wytrzymałość na ściskanie po 
28 i 90 dniach hydratacji. Wskaźniki aktywności K28 i K90 popiołów obliczono poprzez 
porównanie wyników wytrzymałości badanych mieszanek z wytrzymałością odpowied-
niego  cementu  porównawczego  CEM  I,  po  odpowiednim  czasie,  tj.  28  lub  90  dniach 
hydratacji.  Wyniki  obliczeń  wskaźników  aktywności  K28  i  K90  wszystkich  popiołów 
lotnych krzemionkowych, dla poszczególnych cementów porównawczych zamieszczono 
w tabelach 4–10. Natomiast na rysunkach 1 i 2  przedstawiono wartości wskaźników ak-
tywności dla wybranego jednego popiołu lotnego krzemionkowego o miałkości kategorii 
S i wszystkich badanych cementów porównawczych. 
DNI BETONU 2018
539

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin