Analiza literatury [109,250,252,253,254,255,256], przegląd norm branżowych [257,258,259,260,261], wyniki badań podstawowych właściwości popiołów z KOŚ (rozdział 6) oraz obserwacje i wnioski z badań dla technologii górniczych (rozdział 7) pozwalają stwierdzić, że badane materiały nie posiadają właściwości wiążących. Popioły z KOŚ o kodzie 19 01 14 charakteryzują się uziarnieniem przypominającym drobną frakcję piaskową. Potwierdzają to także wnioski innych autorów [262,263]. Wynika to m.in. z porywania części złoża fluidalnego oraz z charakteru spalanego odpadu, który zawiera frakcję piaskową spływającą do oczyszczalni ścieków wraz z wodami opadowymi z placów i ulic. Ich rozwinięta powierzchnia właściwa powoduje zwiększenie wodożądności mieszanki oraz pogorszenie urabialności [263].
W technologii produkcji betonu popioły zazwyczaj stosuje się jako dodatek typu II [114]. W przypadku popiołów z KOŚ znacząco przekroczona jest określona w normie PN-EN 450-1 [257] zawartość P2O5 dopuszczona dla dodatków do cementu. Maksymalna dopuszczalna zawartość w popiołach dodawanych do cementu wynosi do 5%, a badane popioły cechują się zawartością zawsze powyżej tej wartości z maksymalną przekraczającą 38% dla próbki popiołów z instalacji w Gdyni (tabela 16). Wpływ związków fosforu na przebieg procesów wiązania opisano w rozdziale 7.4. Ich obecność widoczna jest także przy współspalaniu KOŚ z pyłem węglowym. Zauważalną zmianą w składzie chemicznym takich popiołów jest głównie zmiana zawartości fosforu. Fakt ten powoduje według autorki [264] opóźnienia w narastaniu wytrzymałości betonów. Pokrywające się wnioski wysunięto z badań w ramach niniejszej pracy. W krajach skandynawskich prowadzi się badania i wdrożenia w zakresie odzyskiwania związków fosforu z KOŚ po termicznym przekształceniu [183,265]. Popiół po wyekstrahowaniu fosforu staje się materiałem przydatnym w technologii produkcji betonu [265].
Przy projektowaniu betonów zwraca się uwagę na co najmniej trzy warunki: wytrzymałość, konsystencję i szczelność [255]. Zazwyczaj dąży się do obniżenia wartości wskaźnika w/c przy jednoczesnym udoskonalaniu konsystencji ułatwiającej transport i układanie mieszanek. Im niższa jego wartość, tym wyższa wytrzymałość betonu [266,267]. Dodawanie wodożądnego materiału (popiół z KOŚ), w którym woda
nie ulega związaniu, zwiększy wskaźnik w/c, a w konsekwencji będzie to wymagało dodatkowego udziału cementu lub plastyfikatora. Przy zachowaniu wcześniejszej proporcji wywoła negatywne skutki w postaci obniżenia mrozoodporności, szczelności oraz zwiększenia zdolności do podciągania kapilarnego ‒ ogólnie nasiąkliwości. Jest to efektem tego, iż każda ilość wody ponad ilość związaną chemicznie prowadzi do wzrostu porowatości [268]. W związku z przytoczonymi argumentami o możliwych zakłóceniach w procesie wiązania oraz obserwacjach i wnioskach z badań czasu wiązania/tężenia i właściwości wytrzymałościowych popiołów z KOŚ jako materiału do technologii górniczej stwierdzono brak zasadności poddawania badaniom wpływu dodatku popiołów z KOŚ na właściwości betonów i zapraw. Wnioski, na podstawie których stwierdzono obniżenie wartości wytrzymałości oraz urabialności betonów przygotowanych z udziałem popiołów z KOŚ, potwierdzają badania prowadzone w 2015 r. w SGGW [268], które wykonano z udziałem popiołów ze spalania komunalnych osadów ściekowych w oczyszczalni ścieków „Czajka” w Warszawie (w niniejszej pracy popiół W-1). Popiół dodawano w ilości 15 i 20% masy cementu, zastępując tym jego część. W drugim przypadku popiół stanowił dodatek do stałej masy mieszanki. Wielkość dodatku stanowiła 15 i 20% masy użytego cementu. Stwierdzono, że w obydwu przypadkach udział popiołu zmienił konsystencję mieszanki [268]. Autorzy przytoczonych wyżej badań wskazują na potrzebę dodania większej ilości wody celem uzyskania konsystencji normowej. W zakresie wytrzymałości na ściskanie, zastąpienie części cementu popiołami z KOŚ obniżyło właściwości wytrzymałościowe w stosunku do mieszanki wzorcowej [268]. Z doświadczeń w badaniach dla technologii górniczych (rozdział 7) należy zaznaczyć, iż badane popioły są trudno urabialnym materiałem oraz nie mają właściwości wiążących. Zastosowanie materiału jako dodatku do cementu zostało odrzucono nie tylko ze względu na ponadnormową zawartość fosforu, ale także z powodu niespełniania oczekiwań normy [257] dotyczących minimalnej zawartość SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 na poziomie 70%. Jak widać w tabeli 31, wśród badanych popiołów tylko popiół W-1 znalazł się w zakresie wielkości normowej [109].
113
Tabela 31. Zawartość tlenków Al2O3 + Fe2O3 + SiO2 w popiołach z KOŚ, %
Źródło: opracowanie własne
Badający [268,269] wpływ dodatku popiołów z KOŚ (zarówno z technologii rusztowej jak i fluidalnej) potwierdzają przytoczone wyżej wnioski, iż jest to materiał znacznie różny od popiołów z energetyki stosowanych do cementów i mieszanek betonowych. Potwierdzają także opóźniający wpływ popiołów z KOŚ na proces wiązania i twardnienia kompozytów cementowych [269]. Norma PN-EN 450-1:2012 [257] wskazuje także na konieczność badania wytrzymałości mechanicznej zaprawy oznaczanej na beleczkach normowych. Mając doświadczenie z zachowaniem materiału na walcach 80/80 mm, uznano, że materiał w przypadku badań na prostopadłościanach będzie także znacząco obniżał wytrzymałość betonu. Za wartość dodaną uznać można możliwość dalszego transportu mieszanek czy usprawnienie prac betonowych w przypadku stosowania znaczących ilości betonu oraz w upalne dni. Potwierdzenie tej pozytywnej cechy dodatku popiołu z KOŚ byłoby jednak możliwe po przeprowadzeniu szczegółowych badań nad strukturą otrzymanych betonów, gdyż opóźniający wiązanie Ca3(PO4)2 obniża też wytrzymałość wczesną [205,268]. Może także powodować powstawanie zmian w strukturze betonów, które będą uwidaczniały się z czasem eksploatacji elementów [268,270]. Porównując właściwości opisywanych w literaturze popiołów stosowanych jako dodatek poprawiający urabialność i wpływający na dokładniejsze odpowietrzenie betonów z właściwościami podstawowymi i zaobserwowanymi dla popiołów z KOŚ, trudno dopatrywać się analogii pozwalającej na użycie będących przedmiotem niniejszej pracy materiałów jako dodatku typu II [268,270,271,272]. W rozdziale 7 opisano zachowywanie się popiołów w kontakcie z wodą, cementem oraz popiołami z fluidalnego spalania węgla kamiennego. Trudność w przelaniu z naczynia do naczynia hydromieszaniny w kilkanaście sekund po zaprzestaniu mieszania uznano za fakt świadczący o braku potrzeby stosowania metod opadu stożka, Vebe czy stolika rozpływowego w celu potwierdzenia braku właściwości
lp. Forma tlenkowa KRA-1 K-1 W-1 G-1 G-2 L-1 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Al2O3 4,77 4,96 31,90 10,08 13,75 4,18 2 Fe2O3 6,00 2,18 5,32 2,05 1,98 2,51 3 SiO2 54,90 43,20 33,60 30,00 21,00 34,50 4 65,67 50,33 70,82 42,13 36,73 41,20
mogących wpłynąć na poprawę urabialności mieszanki [113,268]. Ponadto popioły z KOŚ wymagają użycia większej niż popioły z energetyki ilości wody do uzyskania zakładanej konsystencji. Następnie woda ta nie bierze w całości udziału w hydratacji. Pozostająca woda wolna nie jest pożądanym składnikiem betonów i zapraw [108,109,267].
W związku z odrzuceniem możliwości użycia popiołu z KOŚ jako dodatku do betonu postanowiono rozważyć użycie badanych materiałów jako składnika stosu okruchowego. Aby stworzyć w betonie szczelny stos okruchowy należy dodać odpowiednie proporcje kruszywa grubego i piasku, które zapewnią możliwie niskie zapotrzebowanie na zaczyn cementowy [267]. Udział frakcji 0–2 mm ma znaczenie w uzyskaniu szczelności mieszanki oraz wpływa na jej urabialność. Zawartość klasy ziarnowej <0,125 mm stanowi w stosie okruchowym sumę spoiwa i kruszywa. Krzywe graniczne wg PN-EN 206 nie dają wiele miejsca na zastosowanie popiołów z KOŚ, jednakże wpływ rodzaju kruszywa na właściwości betonu można ostatecznie stwierdzić tylko po sporządzeniu mieszanki [111,273].
Dla celów badawczych odsiano z piasku 0/2 ziarna o wielkości poniżej 0,125 mm celem zastąpienia tej frakcji popiołem z KOŚ. Odsiana frakcja nie była tożsama składem granulometrycznym z popiołem W-1. Zachowano jedynie granicę 0,125 mm jako kryterium oddzielenia frakcji piasku. Tym sposobem zamieniono 45% piasku. Tak przygotowaną frakcję 0/2 zastosowano w stosie okruchowym wraz z frakcjami 4/8, 8/16, 16/31,5. Zastosowany cement to CEM II A-S 52,5N. Za próbę wzorcową oznaczoną jako P1 przyjęto mieszankę wykonaną w węźle betoniarskim firmy Th-beton w Krakowie dla klasy betonu C20/25. Dla próby z udziałem popiołu W-1 oznaczonej jako P2 wykonano mieszankę według identycznych proporcji z zastosowaniem betoniarki. Obie mieszanki umieszczono w formach sześciennych o wymiarze 150 mm i zagęszczono przez wytrząsanie. Po 28 dniach sezonowania kostki poddano ściskaniu. Tabela 32 prezentuje otrzymane wyniki, z których można wnioskować, że zmiana składu kruszywa wpłynęła na osłabienie właściwości wytrzymałościowych, jednakże zachowano z naddatkiem wartość minimalną, tj. 25 MPa.
115
Tabela 32. Wytrzymałość na ściskanie próbek sześciennych po 28 dniach dla betonu C20/25 lp. P1 [MPa] P2 [MPa] 1 2 3 1 35,2 28,90 2 37,2 31,30 3 37,8 29,50 4 37,2 29,50 5 35,4 34,40 6 36,8 32,00 7 Średnia z prób 8 36,6 30,93
Źródło: opracowanie własne
Piasek jest głównym składnikiem zapraw budowlanych. Wykonano cementową zaprawę normową o zawartości: 2,5kg cementu (CEM I 42,5); 7,5 kg piasku 0/2; 1,25 kg wody. Przygotowaną zaprawę umieszczono w formach walcowych. Dla porównania wpływu popiołu W-1 użyto piasku, w którym frakcję poniżej 0,125 mm zastąpiono popiołem. Do uzyskania urabialnej konsystencji potrzebowano użyć 1,55 kg wody. Próbki także umieszczono w formach walcowych. Czas wiązania badano aparatem Vicata opisanym w rozdziale 7.2.6. Zaprawa z udziałem popiołu z KOŚ rozpoczynała wiązanie około 4 godz. później od zaprawy wzorcowej. W przypadku prac murarskich opóźniony czas początku wiązania może zostać uznany za pozytywne oddziaływanie, eliminujące presję wyznaczaną przez czas przydatności zaprawy do użycia. Po 180 dniach walce poddano jednoosiowemu ściskaniu w prasie hydraulicznej w laboratorium KIŚiPS (tabela 33).
Tabela 33. Wytrzymałość na ściskanie próbek zaprawy, MPa
LP. Zaprawa normowa Zaprawa z udziałem W-1
1 2 3 1 7,33 2,49 2 7,82 2,13 3 7,93 1,43 4 7,91 1,49 5 10,40 1,99 6 Średnia wartość 7 8,28 1,91
Widoczne jest ponad 4-krotne osłabienie wytrzymałości na ściskanie zaprawy, w której kruszywie zastąpiono 45% ziaren drobnych piasku popiołem z KOŚ.
Badanie wytrzymałości dla próbek betonów i zapraw było sposobem na potwierdzenie wniosków wynikających z obszernej literatury tematu produkcji i zastosowania materiałów budowlanych [109,228,249,269,274], iż charakter popiołów z KOŚ nie rekomenduje tego materiału jako poprawiającego właściwości wiążące materiałów budowlanych. Zalet tego materiału można upatrywać w próbie przygotowania dodatków opóźniających wiązanie opartych na fosforanach. Ponadto jak wskazują autorzy [275] popioły te mogą stanowić dodatek mineralny w asfaltach użytkowanych w wysokich temperaturach. Zastosowanie takie nie wymaga jednak procesów wiązania takich jak w technologii betonu.
117