X L V I I I K O N F E R E N C J A N AU K O W A

KOMITETU INŻ YNIERII LĄ DOWEJ I WODNEJ PAN

I KOMITETU NAUKI PZITB

Opole – Krynica

2002

Katarzyna PUSZKARIOWA

1

Graż yna GORZELAK

2

Wojciech DOMOSŁ AWSKI

3

OCENA AKTYWNOŚ CI PUCOLANOWEJ AKTYWOWANYCH

POPIOŁ Ó W KONWENCJONALNYCH I SKUTECZNO Ś Ć ICH

WYKORZYSTANIA DO PRODUKCJI BETONÓ W SPECJALNYCH

1. Wprowadzenie

Popioły lotne ze względu na ich właściwości mogą stanowić głó wny składnik spoiw
budowlanych. Moż na je uważ ać za doskonały dodatek pucolanowy przy odpowiednim
technologicznym podejściu odnośnie wyboru, wychodząc z ustalenia jego składu
chemicznego, mineralogicznego i stopnia rozdrobnienia określonego przez powierzchnię
właściwą [1 ].

Z powodu niewielkiej zawartości tlenkó w wapnia w popiołach uzyskanych z węgla

kamiennego, zachodzi konieczność aktywowania ich właściwości wiąż ących przez dodatek
wapna lub gipsu. Uaktywnienie popiołó w lotnych dokonuje się ró wnież przez kró tkotrwałe
przemielenie zwiększając ich powierzchnię właściwą [2 ].

Wprowadzenie pucolany do cementó w zmienia szereg ich właściwości uż ytkowych,

a mianowicie: obniż a ciepło hydratacji, zmniejsza szybkość narastania wytrzymałości
w początkowym okresie twardnienia, podwyż sza wytrzymałości zapraw na działanie
czynnikó w agresywnych.

Aktywność pucolanowa uzależ niona jest od wielu czynnikó w, z któ rych najistotniej-

szymi są skład chemiczny pucolany, skład mineralogiczny, powierzchnia właściwa,
odstępstwo od stanu ró wnowagi termodynamicznej pucolany [1].

Określenie tych czynnikó w, między któ rymi wyraźnie zaznaczają się wspó łzależ ności

nie wystarcza do jednoznacznego zdefiniowania aktywności pucolanowej materiału i oceny
zachowania się go w układzie „cement-woda”.

Wykorzystanie dodatkó w pucolanowych do cementu lub betonu powinno być zawsze

poprzedzone badaniami, któ re nie tylko pozwolą określić ich aktywność pucolanową ale
zapobiegają powstawaniu sytuacji, w któ rej ma miejsce obniż enie wytrzymałości lub
nadmierny skurcz otrzymanych materiałó w.

1

Prof.dr hab.inż ., Wydział Budownictwa Politechniki Częstochowskiej

2

Dr inż ., Wydział Budownictwa Politechniki Częstochowskiej

3

Mgr inż , Elektrim-Megadex Warszawa

74

2. Metody oceny pucolanowości popiołów lotnych i celowość ich wykorzystania

przy produkcji materiałów budowlanych

Do oceny pucolanowości wykorzystane są metody chemiczne i fizyczne. Metody chemiczne
polegają najczęściej na określeniu ilości i szybkości wiązania Ca(OH)

2

przez materiał

pucolanowy [2 ] lub też wyznaczeniu ilości SiO

2

i Al

2

O

3

, któ re zostaną wyługowane z

pucolany w określonych warunkach. Spośró d metod fizycznych oceny pucolanowości
najczęściej wykorzystywaną metodą jest taka, któ ra polega na ustaleniu wpływu dodatkó w
pucolanowych na uzyskaną wytrzymałość mechaniczną zapraw cementowych przygoto-
wanych z ich udziałem. W niniejszej pracy została wykorzystana metoda oznaczenia
pucolanowości popiołó w lotnych wg instrukcji ITB [3].

Przebieg procesu hydratacji zaczynó w cementowych zawierających w swym składzie

popioły lotne o ró ż nym składzie mineralogicznym i ró ż nym stopniu miałkości dokonano
przez ustalenie ilości wodorotlenku wapnia z wykorzystaniem metod fizyko-chemicznych.
Skład fazowy zaczynó w cementowych oznaczono metodą dyfraktometrii rentgenowskiej.

3. Opis przeprowadzonych badań

3.1. Materiały wyjściowe

Materiały wyjściowe, któ re zostały wykorzystane to popioły lotne o ró ż nym składzie
chemicznym (tab. 1) i mineralogicznym (rys. 1) Elektrowni Chorzó w, Siekierki, Turó w
i Siersza. Jako głó wne składniki mineralogiczne wyż ej wymienionych popiołó w moż na
wyró ż nić fazę szklistą (zawierającą glinokrzemiany podobne do sylimanitu w stanie
amorficznym), mulit oraz kwarc. Największą ilością mulitu wśró d podanych popiołó w
odznacza się popió ł El. Turó w. Wychodząc z analizy rentgenowskiej moż na uważ ać , ż e
popió ł Elektrowni Siersza zawiera najmniej mulitu i w jego składzie przeważ a faza
szklista.

Tablica 1. Skład chemiczny popiołó w lotnych

Zawartość tlenkó w, %

Popioły lotne

Elektrowni

SiO

2

Al

2

O

3

CaO

R

2

O

Fe

2

O

3

MgO

Strata przy

praż eniu,

%

Turó w

50,96

33,01

1,45

2,60

6,83

0,98

2,21

Siekierki

52,3

25,0

3,39

3,63

8,1

2,82

2,61

Chorzó w

49,32

19,85

6,86

4,52

9,76

2,86

3,32

Siersza

51,0

26,4

4,76

2,45

6,06

2,69

3,14

Do badań zastasowano popioły lotne wyjściowe oraz popioły aktywowane przez

ich zmielenie w młynie wibracyjnym w czasie 10, 15 i 20 min. Wyniki pomiaru zmiany
powierzchni właściwej wyż ej wymienionych popiołó w umieszczono w tab. 2. Analiza
przedstawionych wynikó w pozwala zaznaczyć , ż e stopień miałkości zbadanych
popiołó w jest uzależ niony od ich składu chemicznego i mineralogicznego (rys. 1, tab. 1).
Wobec powyż szego ma miejsce fakt, ż e im więcej w składzie popiołu fazy mulitowej
tym mniejsza jest zdolność do zmielenia. Badania pucolanowości popiołó w lotnych
wyjściowych oraz popiołó w aktywowanych przeprowadzono na cemencie CEM 32,5
Cementowni „Warta” .

75

10

20

30

40

50

60

20

M

M

M

M

M,S

M,S

M,S

M,S M,S

M,S

S

S

S

S

S

S

S

S

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

1

2

3

4

Rys. 1. Dyfraktogramy popiołó w lotnych Elektrowni
Turó w (1), Siekierki (2), Chorzó w (3), Siersza (4)

*(S-sylimanit, M-mulit, Q – kwarc)

Tablica 2. Wpływ czasu mielenia popiołó w lotnych na stopień ich miałkości

Powierzchnia właściwa wg Bleine’a (cm

2

/g)

popiołó w lotnych Elektrowni

Rodzaj popiołu

Turó w

Siekierki

Chorzó w

Siersza

Wyjściowy

2732

3210

3463

3589

Zmielony
w czasie 10 min
15 min
20 min

3860
4145
4356

4327
4250
4140

4810
4439
3927

4905
4406
4217

3.2. Przeprowadzone badania

Zgodnie z wybraną metodą oznaczenia pucolanowości popiołó w lotnych dokonano zamiany
25% cementu portlandzkiego (CEM 32,5 R) – popiołem wyjściowym lub aktywowanym
(poprzez przemiał w młynie wibracyjnym odpowiednio przez 10, 15 i 20 min). Zostały
przygotowane zaprawy normowe cementowo-popiołowo-piaskowe z wykorzystaniem piasku
normowego zgodnie z normą PN-88/B-11000. Z otrzymanych mieszanek przygotowano
pró bki w kształcie beleczek o wymiarach 4x4x16 cm, któ re dojrzewały przez 1 dzień w
warunkach naturalnych, a następnie zostały umieszczone w kąpieli wodnej. Po 28 i 90
dniach sprawdzono ich wytrzymałości na ściskanie.

Wskaźnik aktywności pucolanowej wg wyż ej podanej metody [3] został obliczony jako

procentowy stosunek wytrzymałości na ściskanie beleczek z zaprawy normowej

76

wykonanych przy uż yciu mieszaniny 75% wagowo cementu portlandzkiego i 25% popiołu
lotnego konwencjonalnego do wytrzymałości badanych w tym samym czasie normowych
beleczek przygotowanych z samego cementu portlandzkiego (jako pró bki poró wnawczej).
Wg danych [3] wskaźnik aktywności pró bek zapraw normowych po 28 dniach powinien
osiągnąć co najmniej 75%, a po 90 dniach nie mniej niż 85% aktywności, któ ra odpowiada
zaprawie normowej, ż eby moż na było uważ ać wykorzystywany popió ł jako dodatek
pucolanowy w produkcji betonu wg PN-EN-450.

Wyniki oznaczenia wskaźnika pucolanowości przebadanych pró bek z udziałem wyż ej

wymienionych popiołó w umieszczono na rys. 2.

A

B

Rys. 2. Zmiany wskaźnika pucolanowości w zależ ności od rodzaju wykorzystanego
popiołu wyjściowego (0 min) lub zmielonego 10, 15 i 20 min z Elektrowni Turó w (I),
Siekierki (II),Chorzó w (III) i Siersza (IV) po 28 (A) i po 90 dniach twardnienia (B)

Analiza otrzymanych wynikó w wykazuje, ż e uzyskana aktywność pucolanowa jest

największa w przypadku wykorzystania popiołó w Elektrowni Chorzó w i Siersza, przy czym

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

W

sk

aź

ni

k

p

uc

ol

an

ow

oś

ci

, %

I II III IV

0 min.

10 min.

15 min.

20 min.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

W

sk

aź

n

ik

p

u

co

la

n

o

w

o

śc

i,

%

I II III IV

0 min.

10 min.

15 min.

20 min.

77

wykorzystanie tych samych popiołó w ale aktywowanych prowadzi do zwiększenia
wskaźnika pucolanowości odpowiednio o 16,3 i 23 % (po 28 dniach twardnienia)

Wyniki badań wskaźnika pucolanowości zostały potwierdzone przez wyniki badań

fizyko-chemicznych, przeprowadzonych na zaczynach otrzymanych na bazie cementu
portlandzkiego CEM 32,5 R i dodatku popiołu z Elektrowni Chorzó w (25% popiołu
wyjściowego lub popiołu zmielonego w młynie wibracyjnym 15 min).

Dyfraktogramy pró bek zaczynó w bez dodatku i z dodatkiem popiołu wyjściowego lub

popiołu zmielonego w młynie wibracyjnym (15 min) zostały umieszczone na rys. 3.

I

II

III

Rys. 3. Dyfraktogramy pró bek zaczynó w bez dodatku (I) i z dodatkiem popiołu
wyjściowego El. Chorzó w (II) oraz popiołu zmielonego w młynie wibracyjnym
15 min (III) po 1 i 90 dniach twardnienia
CH - portlandyt Ca(OH)

2

, C - węglan wapnia, CSH - hydrokrzemian wapnia, E - ettryngit

Poró wnanie intensywności pikó w poszczegó lnych dyfraktogramó w dotyczących

wodorotlenku wapnia Ca(OH)

2

pozwala stwierdzić , ż e wprowadzenie jako dodatku

pucolanowego popiołu zmielonego w młynie wibracyjnym w czasie 15 min prowadzi do
najskuteczniejszego obniż enia ilości wolnego wodorotlenku wapnia w składzie

10

20

30

40

2 0

9 0d n

9 0d n

9 0d n

1 d n

1 d n

1 d n

C S H

C SH

C SH

C SH

C

C

C H

C H

C

C H

C H

C H

C H

C H

CH

C H

C

C

E

E

E

C H

C H

A ,B

A ,B

B ,A

B ,A

C

C H

78

produktó w hydratacji i powoduje utworzenie podwyż szonej ilości hydrokrzemianó w
wapnia CSH.

Skuteczność wprowadzenia popiołó w aktywowanych jako dodatkó w pucolanowych

zostaje zachowana nie tylko w przypadku ich wykorzystania w zaczynach i zaprawach ale
takż e i w mieszankach betonowych.

Jak wynika ze wstępnych badań wprowadzenie do składu mieszanki betonowej popiołu

wyjściowego zwykle prowadzi do obniż enia wytrzymałości pró bek betonowych po 28
dniach około 10%, a wprowadzenie popiołu aktywowanego powoduje wzrost wytrzymałości
po tym samym czasie około 25%.

4. Wnioski

1. Ustalono, ż e istnieje zależ ność między składem mineralogicznym popiołu a zdolnością

jego do zmielenia, a mianowicie: im więcej fazy krystalicznej mulitowej tym mniejszy
stopień zmielenia w poró wnywalnych warunkach.

2. Wyniki badań eksperymentalnych wykazały, ż e istnieje zależ ność między aktywnością

pucolanową popiołó w a stopniem ich zmielenia. Została zaobserwowana tendencja, ż e
im większy jest stopień zmielenia (większa powierzchnia właściwa) i mniej fazy
krystalicznej zawiera popió ł w swym składzie tym większa jest jego aktywność
pucolanowa w szczegó lności we wczesnych czasach twardnienia.

3. Wykorzystanie metod fizyko-chemicznych potwierdziło skuteczność działania jako

dodatku pucolanowego popiołó w lotnych aktywowanych. Wprowadzenie tychż e
popiołó w powoduje zwiększenie skuteczności wiązania portlandytu idącego w kierunku
utworzenia hydrokrzemianó w wapnia (w poró wnaniu z analogicznymi procesami, któ re
mają miejsce przy wprowadzeniu popiołu wyjściowego).

4. Skuteczność wprowadzenia popiołó w aktywowanych jako dodatkó w pucolanowych

zostaje zachowana nie tylko w przypadku ich wykorzystania w zaczynach i zaprawach
ale takż e i w mieszankach betonowych.

Literatura

[1] MAŁ OLEPSZY J., DEJA J., BRYLICKI W., GOWLICKI M., Technologia betonu –

Metody badań . Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, Krakó w, 2000.

[2] NEVILLE A. M., Właściwości betonu, Krakó w, 2000.
[3] Instrukcja ITB 328. Stosowanie popiołó w lotnych do betonó w kruszywowych, Warszawa,

1994 lub norma PN-EN 450.

POZZOLANIC ACTIVITY ESTIMATION OF ACTIVATED

CONVENCIONAL ASHES AND ADVENTAGE EFFICIENCY

IN SPECIAL CONCRETE PRODUCTION

Summary

In the paper pozzolanic activity of various chemical and composition volatile ashes as well
as various grade of their activity after their grinding in a vibration mill was exemined. It was
found that efficiency of introducing of volatile ashes as pozzolanic fixtures into pastes,
mortars or other concrete mixtures was higher when ashes had been milled and had lower
quantity cristal phase.