Widok Tom 68 Nr 2 (2016)

1. Introduction

Technological processes in cement manufacturing are generally involved in the emission of mineral dust. In the beginning of 90-ties, the dust emission in Poland was ap-proximately as high as 5 kg per one ton of cement. In 2005 it has been reduced up to 0,135 kg/t of cement; in 2006 and 2007 – ca. 0,130 kg/t each year. In 2008 the total annual dust emission from the process was 1337 t; it means that the amount of dust emitted per 1 ton of cement was 79 g. The average emission of dust from cement kiln installations was lower: ca. 65 g per 1 t of cement clinker. The emission is subjected to the European Community Integrated Program of Pollution Control.

Different types of dust are generated in cement industry. Some amount of them is delivered in raw materials and fuel processing. The dust from a clinker kiln is collected in the kiln de-dusting system or separated by the by-pass gas installation. The latter one delivers the cement by-pass dust (CBPD), being the subject of this contribution.

www.ptcer.pl/mccm

1. Wprowadzenie

Procesy technologiczne produkcji cementu związane są ze znaczną emisją pyłów mineralnych. Na początku lat 90-tych emisja pyłów wynosiła ok. 5 kg na tonę cementu, w roku 2005 – 0,135 kg na tonę cementu, w roku 2006 i 2007 – ok. 0,130 kg na tonę cementu. W 2008 r. procesowa, rocz-na emisja pyłów wyniosła 1337 ton; stanowi to emisję rocz-na po-ziomie 79 gramów pyłu na tonę wyprodukowanego w Polsce cementu; emisja pyłów z instalacji piecowych była mniejsza i wynosiła około 65 gramów na tonę klinkieru. Emisja pyłów i gazów z instalacji objęta jest tzw. dyrektywą IPPC, obej-mującą zintegrowane zapobieganie zanieczyszczeniom i ich kontrolę.

W przemyśle cementowym generowane są różne rodza-je pyłów. Pyły powstają w trakcie homogenizacji surowców i przygotowania paliwa. Pyły z pieców do wypalania klinkieru pochodzą z instalacji odpylających pieca i z instalacji bocz-nikowania gazów, oznaczane skrótem z języka angielskiego CBPD (cement by-pass dust).

W

N

-W

*, M

J

, B

T

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków *e-mail: wiesia@uci.agh.edu.pl

Kinetics of cement hydration in the presence of

some additives and admixtures

Abstract

The mixtures of portland cement with by-pass cement kiln dust (CBPD) were investigated. The rate of heat evolution on the hydration of this mixture, as well as the chemical shrinkage, rheological properties and strength development were examined. The substitution of low amount of cement (up to 10%) by the kiln dust does not affect practically the properties of cement based composites with respect to setting or hardening. At higher amount of kiln dust the hydration process is accelerated because of the presence of well soluble compo-nents, however, the “dissolution” effect is also observed. The experiments with some carbonate waste material have been maintained with the aim to reduce the effect of soluble, aggressive salts that accelerate the hydration from one side, but contribute to the corrosion process from another one.

Keywords: By-pass dust, Cement, Hydration, Heat of hydration, Hardening

KINETYKA HYDRATACJI CEMENTU W OBECNOŚCI WYBRANYCH DODATKÓW I DOMIESZEK

W pracy przeprowadzono badania porównawcze hydratacji mieszanek spoiwowych zawierających, oprócz cementu portlandzkiego, różne ilości pyłu z odpylania gazów bocznikowanych z instalacji pieca obrotowego do produkcji klinkieru. Wykonano pomiary kaloryme-tryczne ilustrujące kinetykę hydratacji, badanie wytrzymałości na ściskanie zapraw i zaczynów, badanie skurczu chemicznego, badania właściwości reologicznych zaczynów cementowych i mikrostruktury. Spodziewano się potwierdzenia działania pyłu jako substytutu ce-mentu lub nawet jako środka przyśpieszającego twardnienie. Przeprowadzone badania wykazują, że pył wprowadzony w niewielkich ilości jako zamiennik cementu (do 10% masy spoiwa) nie zmienia praktycznie podstawowych cech użytkowych zapraw cementowych (wiązanie, wytrzymałość). Większe ilości pyłu, poza przyśpieszeniem wydzielania ciepła jako miary postępu hydratacji cementu, zmienia-ją właściwości materiału, co jest skutkiem obecności składników rozpuszczalnych, oddziałuzmienia-jących na hydratację minerałów klinkierowych. Nie jest też bez znaczenia obecność cząstek pyłu o innym składzie, jak również efekt ”rozcieńczenia” materiałem o słabej aktywności. W pracy podjęto też próbę uzupełnienia dodatku pyłu materiałem węglanowym, co pozwoliłoby zredukować i związać zawartość skład-ników szkodliwych.

The by-pass gas installation has an important function in cement technology. Due to the partial evacuation of gas, the control of internal circulation of chlorine, sulfur and alkalis is possible. These components produce liquid phase (eutec-tics) which evaporates easily and condensate in cool parts of the installation. As a consequence, they contribute to the formation of deposits inside the narrow channels in the heat exchanger system. This effect has been observed more and more easily since the combustion of so-called alternative fuels was extensively put into practice. Then the by-pass system is installed and a part of outlet gases is evacuated from the kiln. The dust being rich in alkalis, chlorides and sulphur components is separated as a by-product.

The cement by-pass dust, which is produced as a re-sult of calcination and composed of very fi ne particles (on the level of 10-6 _{m), is not homogeneous, as the} che-mical or phase composition and grain size composition is concerned. The properties can be related to the type of raw materials, fuel and parameters of kiln processes. The following components can be found: silvine (KCl), halite (NaCl), free lime (CaOw), anhydrite (CaSO4), calci-te (CaCO3), quartz (SiO2) and clinker minerals (larnite). The annual output of dust in the world is evaluated for ca. 30 mln t.

The applicability of binders based upon cement and cement dust mixtures added as a cement substitute, and the usage of cement dust in some technologies were proved in several reports [1-4]. The dust cannot be used entirely in the cement/concrete production because of the presence of chlorine; this component is undesirable for many reasons and its ratio is limited as 0,10% by mass of cement materials. The mixtures with low dust percentage (usually up to 5%) show almost the same compressive strength as reference materials. Therefore the by-pass cement dust ratio in cement is limited, however, the mi-xtures with the dust could be potentially used locally in road building or in manufacture of low strength concretes. Because of the corrosive action of chlorine these con-cretes should not be reinforced by steel reinforcement. There are some other fi elds where the binders with by--pass dust could be taken into account, for example the production of concrete pavement plates. A high alkali content brings about the alkali-silica reaction risk when the active aggregate is used. Then the harmful effects, such as swelling and subsequent cracking of a cement matrix is observed, leading to the destruction of material. Therefore, the by-pass dusts are not useful as compo-nents of high class/high performance concretes, but they are taken into account as components of binding mixtures in geotechnology [5-6].

Summarizing, one should take in mind that the by-past dust emission, necessary from the cement technology (kiln process) point of view, is a challenge because of the further waste disposal problem. These dusts should be utilized in a possible rational way. They reveal basic and pozzolanic character and they can be components of the mixtures for road building, in geotechnology, as soil stabilizers, acidity controlling agents, and stabilizers of municipal wastes. There are also technologies of alkali salts recovery [4].

Instalacja bocznikowania gazów pełni bardzo ważną funkcję z punktu widzenia technologii klinkieru, polegającą na kontrolowaniu obiegu chloru, siarki i alkaliów. Składniki te tworzą tzw. obiegi wewnętrzne w piecu i są przyczyną na-rostów materiału w kanałach instalacji wymienników ciepła z uwagi na dużą lotność tworzących się niskotopliwych eu-tektyk i ich resublimację w strefach o niższych temperaturach. Jeżeli nagromadzenie składników lotnych jest nieuniknione (zjawisko to nasiliło się przy intensywnym stosowaniu paliw alternatywnych), montuje się instalację „bocznikowania”, służącą do wydobywania części gazów spalinowych z wlotu pieca. Produktem ubocznym tego procesu jest pył zwierający sporo alkaliów, chlorków i związków siarki.

Pył uławiany z instalacji bocznikowania gazów, generowa-ny w procesie kalcynacji, jest drobnoziarnistym materiałem, składającym się z cząstek o mikronowej wielkości. Pył nie jest jednorodny ani pod względem składu chemicznego, ani pod względem składu fazowego czy uziarnienia. Jego wła-ściwości (np. skład chemiczny) wynikają z rodzaju stosowa-nych surowców, paliw i parametrów pracy pieca. W składzie fazowym wyróżnić można sylwin (KCl), halit (NaCl), wolne wapno (CaOw), anhydryt (CaSO4), kalcyt (CaCO3), kwarc (SiO2) i składniki klinkierowe (larnit). Szacuje się, że na świe-cie powstaje około 30 mln ton pyłu rocznie.

Przydatność spoiw na bazie cementu oraz pyłu, stano-wiącego jego częściowy substytut, wykazano w wielu publi-kacjach [1-4]. Pyły nie mogą być w całości kierowane do pro-dukcji cementu, co wiąże się przede wszystkim z obecnością związków chloru (zawartość chloru wprowadzanego przez te związki jest z wielu względów niepożądana, a jego udział ograniczony do 0,10% we wszystkich materiałach cemen-towych). Mieszaniny o niewielkim udziale procentowym pyłu (tj. do 5%) osiągają prawie równe wartości wytrzymałości na ściskanie, jak w przypadku mieszaniny kontrolnej. Wyniki badań potwierdzają tezę, iż pył może być stosowany w ogra-niczonym zakresie jako substytut cementu i z powodzeniem może być wykorzystywany do produkcji nawierzchni dro-gowych (dróg lokalnych) i betonu o niskiej wytrzymałości. Obecność chlorków czyni jednakże mieszanki cementowe z udziałem pyłu nieprzydatnymi w technologii betonów zbro-jonych z uwagi na działanie korozyjne chloru. Niemniej jed-nak istnieje potencjał wykorzystania pyłów w innego rodzaju aplikacjach, np. do produkcji płyt chodnikowych. Z kolei wy-soka zawartość alkaliów w pyłach może wywołać w betonie ich reakcję z krzemionką, a reakcja alkaliów z niektórymi składnikami kruszywa staje się przyczyną spękań i prowadzi do destrukcji. Pyły, ze względów omówionych powyżej, nie nadają się do produkcji betonów wysokich klas (tzw. be-tonów wysokowartościowych), ale można je stosować np. w geotechnice [5-6].

Reasumując, emisja pyłu z bocznikowania gazów, cho-ciaż konieczna ze względów technologicznych, stanowi poważny problem z uwagi na konieczność utylizacji, czy raczej racjonalnego zagospodarowania odseparowanego materiału. Pył, z uwagi na zasadowy charakter, może być brany pod uwagę jako składnik pucolanowy mieszanek na nawierzchnie drogowe i w geotechnice, jako stabilizator gleb, regulator kwasowości gruntów czy stabilizator odpa-dów. Opracowano również technologie pozyskiwania z pyłu soli alkaliów [4].

In the presented study by-pass dust from a rotary cement kiln was used as an admixture (≤5%) or an additive (≥5%) to cement. Effects of the by-pass dust on kinetics of hydration and some practical properties of cement pastes and mortars were investigated.

2. Experimental

2.1. Materials

Standard Portland cement CEM I 42,5R and by-pass cement kiln dust were used of chemical composition given in Tables 1 and 2. The phase components of the dust were potassium chloride (silvine), belite and free lime, as it has been found by XRD. The XRD analysis revealed that the belite phase was practically the only component of the dust after extraction with water; it means that potassium chloride and CaO dissolved in water.

The six cement-dust mixtures were produced. The by-pass cement kiln dust was added as a cement replacement in the following amounts: 5%, 7.5%, 10%, 15%, 20% and 30%. The cement sample with no dust was used every time as a reference one (sample 0%).

2.2. Methods

The heat evolution was measured with help of a differen-tial microcalorimeter. The samples were prepared as pastes produced at a water to cement ratio of 0.4 in the mixture. The chemical shrinkage was determined according to the ASTM C 1608-07 standard (Fig. 1). The decreasing height of water in a capillary, being a consequence of water absorp-tion by the hydrating paste, refl ects the so-called chemical shrinkage. The method was a little modifi ed; the diameter and height of polystyrene containers were not exactly the same as recommended in the standard. The experiments were performed at a water to cement ratio (w/c) of 0.4. The fl ow curves of cement pastes were obtained basing on the measurements with the help of a Rheotest-2 rotation visco-meter at increasing and decreasing share rates. From the fl ow curves plotted as τr = f(Dr) the yield stress and plastic viscosity of pastes were determined.

W badaniach, którym poświęcony jest ten artykuł, okre-ślono wpływ pyłów z instalacji bocznikowania gazów odlo-towych z pieca obrotowego do wypalania klinkieru cementu portlandzkiego, zastosowanych w charakterze domieszki (≤ 5%) lub dodatku do cementu (≥ 5%), na kinetykę hydra-tacji oraz wybrane właściwości zaczynów i zapraw.

2. Część doświadczalna

2.1. Materiały

W pracy zastosowano cement portlandzki CEM I 42,5R i pył z instalacji bocznikowania gazów odlotowych; skład chemiczny podano w Tabelach 1 i 2. Skład fazowy pyłu, określony metodą dyfraktometryczną, wykazywał obecność chlorku potasu (sylwin), belitu i niezwiązanego tlenku wap-nia (tzw. wolnego wapna). Wykonano również analizę pyłu, z którego wodą wyekstrahowano chlorek potasu i tlenek wapnia; w materiale stałym pozostała praktycznie tylko faza belitowa – składnik klinkieru,.

Do badań każdorazowo sporządzano 6 mieszanek spo-iw, których skład modyfi kowano następującą ilością pyłu: 5%, 7,5%, 10%, 15%, 20% i 30%. Jako materiał porów-nawczy posłużyła próbka bez dodatku pyłu – 0% (próba kontrolna).

2.2. Metody badań

Pomiary ciepła hydratacji przeprowadzono w mikrokalo-rymetrze różnicowym. Próbki do badań kalorymetrycznych przygotowywano w postaci zaczynów o współczynniku wod-no-spoiwowym wynoszącym 0,4. Pomiaru skurczu chemicz-nego dokonano zgodnie z zaleceniami normy amerykańskiej ASTM C 1608-07. Metoda ta opiera się na obserwacji zmian poziomu wody w kapilarze umieszczonej nad pojemnikiem z zaczynem (w/c = 0,4) (Rys. 1). Miarą skurczu chemicznego jest stopniowe zmniejszanie wysokości słupa wody, spowo-dowane jej pochłanianiem przez hydratyzujący zaczyn. Wy-konanie pomiaru nieco zmodyfi kowano: zastosowano pojem-niki polistyrenowe o zbliżonej średnicy i wysokości. Badania przeprowadzono na zaczynach cementowych sporządzanych przy w/c = 0,4. Krzywe płynięcia zaczynów cementowych wyznaczono przy pomocy urządzenia Reotest-2 przy wzra-stających i malejących szybkościach ścinania w pełnym za-Tabela 2.Skład chemiczny pyłu.

Table 2. Chemical composition of by-pass kiln dust.

Składnik / Component CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 Cl K2O Na2O

Przedziały zawartości / Content ranges [% mas.] 59,2-63,2 18,4-20,9 4,18-4,83 2,01-2,50 1,12-1,67 1,45-3,85 1,13-3,37 2,61-6,78 0,17-0,35 Tabela 1.Skład chemiczny cementu.

Table 1. Chemical composition of cement.

Składnik / Component SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 SO3 Cl

The pastes and mortars (produced according to the PN--EN 196-1 standard) with by-pass kiln dust were subjected to the compressive strength measurements. The samples were formed as small cylinders with 46 mm height and 33 mm diameter.

Some hardened samples were examined under the scan-ning electron microscope with energy dispersion microana-lyser, giving the possibility of phase identifi cation from che-mical composition.

3. Results

The results of calorimetric measurements are presented in Fig. 2 as a series of heat evolution curves dQ/dt = f(t). As one can see the heat evolution process is not specially altered when some part of cement is replaced by an addition of by-pass kiln dust. One can observe an accelerating effect of the dust itself and the action of soluble component present in the dust, particularly at 7,5% cement replacement. Obvio-usly, at higher additive content the so-called induction period becomes elongated, as well as the height of the main heat evolution peak reduces, however, it is well visible barely at

Rys. 4. Szybkość wydzielania ciepła w funkcji czasu podczas hy-dratacji mieszanin cementowo-pyłowo-dolomitowych (w/c = 0,4). Fig. 4. Rate of heat evolution vs. time in mixtures of cement, by-pass kiln dust and dolomite (w/c = 0.4).

kresie pomiarowym w postaci wykresu τr = f(Dr). Posługując się krzywymi płynięcia określono wartości granicy płynięcia. Pomiar naprężenia stycznego przy stałej szybkości ścinania Dr = 4,5 s

-1 _{umożliwia wyznaczenie lepkości badanego} za-czynu cementowego.

Badaniami wytrzymałości na ściskanie objęto zaprawy normowe (PN-EN 196-1) i zaczyny z cementów z dodatkiem pyłu (w/c = 0,50). Próbki do badań uformowano w postaci cylindrów o wysokości 46 mm i średnicy 33 mm.

Niektóre próbki zaczynów badano za pomocą elektronowe-go mikroskopu skaninelektronowe-gowym wyposażoneelektronowe-go w mikroanaliza-tor, pozwalający na identyfi kację składu chemicznego.

3. Wyniki badań

Wyniki badań kalorymetrycznych, w postaci serii krzywych dQ/dt = f(t), przedstawiono na Rys. 2. Badania mikrokalory-metryczne wykazały niewielką zmianę w przebiegu krzywych szybkości wydzielania ciepła dla zaczynów, których skład modyfi kowano pyłem z instalacji bocznikowania gazów. Można zauważyć efekt przyśpieszenia wydzielania ciepła, równoznaczny z przyśpieszeniem hydratacji przy niewielkim udziale pyłu, szczególnie wyraźny przy zastąpieniu pyłem 7,5% cementu (stymulujące działanie soli rozpuszczalnych i drobinek pyłu jako sztucznych zarodków produktów

hydra-Rys. 1. Pomiaru skurczu chemicznego. Fig. 1. Chemical shrinkage mesurement.

Rys. 3. Skurcz chemiczny w funkcji czasu podczas hydratacji mieszanin cementowo-pyłowych (w/c = 0,4).

Fig. 3. Chemical shrinkage vs. time in mixtures of cement and by-pass kiln dust (w/c = 0.4).

Rys. 2. Szybkość wydzielania ciepła w funkcji czasu podczas hy-dratacji mieszanin cementowo–pyłowych (w/c = 0,4).

Fig. 2. Rate of heat evolution vs. time in mixtures of cement and by-pass kiln dust (w/c = 0.4).

20% and 30% substitution. In this case the dilution effect of more active cement by an additive takes place; the soluble components from the dust interact with the lower amount of alite and belite from cement. The total amount of heat evo-lved decreases with percentage of the dust relating to the reference sample (the area under the dQ/dt curve refl ects the total Q value).

The results of chemical shrinkage determination are given in Fig. 3. The chemical shrinkage of the samples doped with by-pass kiln dust is altered as compared to the reference sample. The shrinkage increases at low percentage of this relatively active additive, when some hydrated products are formed with the dust component. However, at reduced ce-ment content in the paste the shrinkage is limited by lower amount of cement derived hydration products. Therefore the signifi cant shrinkage growth is observed at 20% dust content but at 30% level – the shortage of cement derived phases is pronounced.

The results of rheological measurements are presented together with the compressive strength data in Table 3. As one can see the rheological parameters of pastes do not alter specially with the percentage of additive. One can conclude that the very early products formed at cement re-placement by the dust reveal similar rheological properties. It seems that the yield stress becomes slightly higher while the viscosity is almost the same.

The pastes exhibit reduction of compressive strength, proportional to the by-pass kiln dust ratio. However, the compressive strength of mortars, prepared at the standard cement mixture to sand ratio of 1:3 is reduced markedly as the substitution of cement is higher than 7.5%. This is the consequence of weaker binding matrix, with lower percentage of neat cement. Therefore the by-pass dust ratio not higher than ca. 10% seems to be adequate and recommended.

The experiments dealing with the by-pass kiln dust are continued by the addition of dolomite which can play a role of inert fi ller, with no harmful soluble components. The re-sults of calorimetric measurements, presented in Fig. 4, are promising.

The examples of hardened cement-dust pastes micro-structures, observed under SEM, are shown as Figs. 5 and 6. The aggregates of irregular C-S-H nodules and jagged, fl exible plates are visible (Fig. 5). In the pores there are the tacji). Oczywiście wzrost zawartości dodatku, kosztem ilości

cementu powoduje pewne wydłużenie okresu indukcji, a in-tensywność etapu przyspieszenia hydratacji też nieznacz-nie maleje, co wyraźnieznacz-nie zaznacza się w przypadku próbki zawierającej 20% i 30% pyłu cementowego. Występuje tu tzw. efekt rozcieńczenia mimo, że alkalia zawarte w pyle, przenikając do wody zarobowej, przyśpieszają hydratację podstawowych składników cementu, a mianowicie alitu i be-litu. Pył zmniejsza także sumaryczną ilość wydzielonego ciepła w porównaniu z próbką kontrolną (jej miarą jest pole powierzchni pod krzywą dQ/dt).

Wyniki pomiarów skurczu chemicznego przedstawiono na Rys. 3. Przebieg odkształceń skurczowych w przypadku zaczy-nów, których skład cementu modyfi kowano pyłem z instalacji bocznikowania gazów jest odmienny od próbki referencyjnej. Aktywny składnik mineralny, przy stopniowym ograniczaniu ilości cementu, jednocześnie zwiększa skurcz chemiczny, gdy powstają produkty uwodnione z udziałem pyłu, oraz ogranicza skurcz, gdy zmniejsza się ilość cementu i produktów hydratacji faz cementu. Tak więc znaczne zmiany skurczowe towarzyszą hydratacji spoiwa zawierającego 20% pyłu, ale już przy 30% pyłu daje o sobie znać niedostatek cementu.

Wyniki badań cech reologicznych i wytrzymałościowych przedstawiono w Tabeli 3. Jak można zauważyć parametry opisujące właściwości reologiczne badanych zaczynów nie zmieniają się w sposób znaczący wraz z ilością pyłu z in-stalacji bocznikowania gazów. Produkty substytucji pewnej ilości cementu pyłem zastępują w stadiach początkowych uwadniania produkty hydratacji cementu pod względem cech reologicznych. Wydaje się, że nieco wzrasta granica płynięcia, ale lepkość nie ulega zmianie.

Badania wytrzymałości na ściskanie zaczynów wykaza-ły postępujący jej spadek – proporcjonalny do udziału pyłu w spoiwie. Wytrzymałości zapraw o standardowym składzie (cement:piasek = 1:3) wykazały jednakże, że powyżej 7,5% substytucji cementu pyłem wytrzymałość zapraw spada, wskutek osłabienia matrycy cementowej przez niedostatek cementu. Rozsądną ilością pyłu jest udział w ilości nie więk-szej niż do 10% masy cementu.

Eksperymenty na spoiwach z dodatkiem pyłu z instalacji bocznikowania gazów kontynuowane są przez wprowadza-nie do mieszanin dodatku dolomitu, który może pełnić rolę inertnego wypełniacza, pozbawionego szkodliwych

składni-Tabela 3. Parametry reologiczne zaczynów i wytrzymałości na ściskanie zaczynów i zapraw. Table 3. Rheological parameters of pastes, and compressive strength of pastes and mortars.

Zawartość pyłu / CBPT content [% mas.] Granica płynięcia / Yield stress [Pa·s] Lepkość / Viscosity [mPa·s]

Wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach / Compressive strength after 28 days

[MPa]

Zaczyn / Paste Zaprawa / Mortar

0 34 12 45,3 44,1 5 30 11 43,8 42,8 7,5 37 12 40,1 38,7 10 33 11 42,3 31,6 15 36 9 40,0 28,6 20 37 12 38,3 27,8 30 35 12 31,2 25,8

hexagonal plates of calcium hydroxide and very thin, short C-S-H needles (Fig. 6). At high percentage of by-pass kiln dust the nodules of this additive, impregnated by C-S-H, are distinguishable in the compact mass of the paste (Fig. 6a). The structure of cement paste with the by-pass kiln dust is generally more dense.

a) b)

Rys. 5. Mikrostruktura zaczynu z 10% dodatkiem pyłu z bocznikowania gazów: a) widok ogólny, b) szczegóły mikrostruktury. Fig. 5. Microstructure of cement paste with 10% by-pass cement kiln dust: a) general view, b) microstructural details.

a) b)

Rys. 6. Mikrostruktura zaczynu z 30% dodatkiem pyłu z instalacji bocznikowania gazów: a) grudki pyłu zaimpregnowane fazą C-S-H, b) szczegóły morfologiczne fazy C-S-H.

Fig. 6. Microstructure of cement paste with 30% by-pass cement kiln dust: a) dust pellets impregnated with C-S-H phase, b) morphological details of C-S-H phase.

ków rozpuszczalnych. Przykładowe wyniki badań kaloryme-trycznych pokazano na Rys. 4.

Wybrane obrazy mikrostruktury (SEM) pokazano na Rys. 5 i 6. Można zauważyć skupienia nieregularnych czą-stek fazy C-S-H, w postaci grudek i postrzępionych, pofa-lowanych płytek. W porach zaczynu występują też płytko-we formy wodorotlenku wapnia (Rys. 6) i bardzo drobne igły fazy C-S-H. Przy dużej ilości dodatku można wyróżnić w zwartej masie produktu grudki pyłu zaimpregnowane fazą C-S-H (Rys. 6a). Generalnie, struktura zaczynu z pyłem sta-je się bardziej upakowana.

4. Summary

The hydration of cement is affected by the by-pass kiln dust in many ways. The soluble salts have an impact, thro-ugh the liquid phase, on the dissolution of cement phases and precipitation of the products. The solid component of the dust plays a role of nucleating agent. The total effect depends on the dust ratio and the change of paste or mortar properties is not monotonic. At higher amount the reduction of basic cement content becomes signifi cant.

The standard properties are not specially altered at low percentage of the by-pass kiln dust. Therefore this additive can be used successfully in limited amount as a cement replacement in some applications – for example in the low strength concrete manufacturing or in geotech-nical works.

4. Podsumowanie

Wpływ pyłu z instalacji bocznikowania gazów na proces hydratacji jest wieloraki. Rozpuszczalne sole zmieniają skład fazy ciekłej, co może opóźnić wytrącanie produktów, a nie tylko rozpuszczanie składników cementu. Stały (trud-no rozpuszczalny) składnik pyłu ułatwia nukleację produk-tów hydratacji. Suma tych wpływów zależy od udziału pyłu, a zmiany właściwości zaczynów i zapraw nie mają charak-teru monotonicznego.

Niewielki dodatek pyłu (poniżej 10% mas.) w umiarkowa-ny sposób zmienia właściwości użytkowe zapraw cemen-towych (pył może być stosowany jako substytut cementu) i z powodzeniem może być wykorzystywany do produkcji betonu o niskiej wytrzymałości, czy w pracach geotechnicz-nych.

Literatura

[1] Abo-El-Enein, S. A., Hekal, E. E., Gabr, N. A., El-Barbary, M. I.: Blended Cements Containing Cement Kiln Dust, Silicates Industriels, 59, (1994), 9-10.

[2] Singh N. B., Bhattacharjee, K. N., Shukla, A. K.: Effect of al-kali bypass dust on the hydration of granulated blast furnace slag blended cement, Cement Concr. Res., 25, 4, (1995), 883-892.

[3] Taha, R. N. B., Al-Harthy, A., Qatan, A.: Use of Cement By-pass Dust as Filler in Asphalt Concrete Mixtures, J. Mater. Civ. Eng., 14, 4, (2002), 338-343.

[4] Adaska, W. S., Taubert, D. H.: Benefi cial Uses of Cement Kiln Dust, 2008 IEEE/PCA 50th Cement Industry Technical Conf., Miami, FL, (2008), 19-22.

[5] Stryczek, S., Gonet, A., Czapik, P.: Kształtowanie właściwości technologicznych zaczynów uszczelniających za pomocą pyłów cementowych, Wiertnictwo Nafta Gaz, 26, 1-2, (2009), 345-354.

[6] Coleman, N. J., Trice, C. J., Nicholson, J.: 11 Å tobermorite from cement bypass dust and waste container glass: A feasi-bility study., Int. J. Mineral Processing, 93, 1, (2009), 73-78.

