Název projektu
Vliv popílku na alkalicky aktivované betony na bázi vysokopecní granulované strusky
Kód
SP2021/97
Předmět výzkumu
Rozbor problematiky:
Tento projekt se zabývá možnostmi využití druhotných surovin pro přípravu alkalicky aktivovaných hmot. V rámci experimentu budou použity především tyto suroviny: vysokopecní jemně mletá granulovaná struska a křemičitý popílek z elektrárny Ostrava – Třebovice po denitrifikaci metodou SNCR.
Vlastnosti popílků po denitrifikaci pro použití v betonech
Z hlediska ekologického má proces denitrifikace pozitivní vliv na kvalitu ovzduší v oblasti energetických podniků.
Pro snížení obsahu dusíku se používá nejčastěji močovina, případně roztok amoniaku, tyto látky na snížení obsahu dusíku pak jsou v kontaktu s úletovým popílkem a následkem toho popílky obsahují určité množství amonných soli. Tyto popílky v kontaktu s alkalickou látkou reagují a dochází k uvolnění amoniaku (1). [1, 2]
NH4(ag)+OH(ag)↔NH3(g)+H2O (1)
Amoniak obsažený v popílcích reaguje se sírou v popílku za vzniku síranu a hydrogensíranu amonného. Aby se zamezilo tvorbě těchto produktů, je potřeba snížit obsah SO3 ve spalinách. Vzhledem k obsahu síranu a hydrogensíranu amonného dochází ke snížení pH a výsledný popílek patří ke kyselým materiálům. To se projevuje především při reakci s CaO (neutralizace) za vzniku vody, soli a amoniaku, který se uvolňuje ihned po zamíchání. Uvolňování amoniaku má za následek silný zápach, uvádí se taktéž, že dochází k viditelnému úniku amoniaku při použití plastifikátoru na bázi polykarboxylátu [1]. Procesy denitrifikace mohou mít rovněž nepříznivý vliv na morfologii zrn popílku a následkem toho i na reologické vlastnosti betonové směsi. Dopad na pevnostní charakteristiky nebyl zatím plně prokázán.[2]
Směsné alkalicky aktivované materiály
U směsných alkalicky aktivovaných materiálů se přidáním popílku do strusky zvýší obsah oxidu hlinitého a oxidu křemičitého bez zvýšení obsahu vápníku. [3] Toto ovlivňuje mechanismus a rychlost tvorby gelu. V případě alkalicky aktivované strusky aktivované roztokem křemičitanu dominuje gelový typ C-A-S-H a v případě alkalicky aktivovaného popílku roztokem křemičitanu se tvoří gel typu N-A-S-H. [3, 4, 5, 6, 7] Koexistence těchto hydratačních produktů v důsledku zvýšené reaktivity směsných prekurzorů má pozitivní vliv na pojivovou matrici, která je hustší a méně porézní, než matrice jednotlivých systémů na bázi vysokopecní granulované strusky a popílku. U strusek s vyšším obsahem hořčíku kromě hlavního hydratačního produktu C-A-S-H gelu vzniká jako sekundární produkt dvojitě vrstvený hydroxid Mg-Al podobný hydrotalcitu. Se zvyšujícím obsahem hořčíku klesá začlenění Al do struktury C-A-S-H gelu, z důvodu tvoření hydrotalcitových forem. V rámci experimentů bylo pozorováno, že alkalicky aktivované betony vykazují vysoké autogenní smrštění, které je připisováno struktuře jemných pórů, vedoucí k vysokému napětí v tahu na rozhraní voda-vzduch. Vlivem vysychání může docházet k autogennímu smrštění i při vytvrzeném stavu. Autogenní smrštění a smrštění samovysycháním roste s vyšším obsahem strusky ve směsi. Výsledné autogenní a samovysychací smrštění bývá vyšší ve srovnání s betonem na bázi portlandského cementu kvůli zvýšenému objemu mezopórů.[7]
Vzhledem k tomu, že se v elektrárnách a teplárnách zavádějí procesy denitrifikace, je zapotřebí zjistit, jak budou popílky po procesu denitrifikace ovlivňovat chování betonu v čerstvém a zatvrdlém stavu. Dosavadní studie jsou zaměřené na použití popílku po denitrifikaci v tradičních betonech na bázi portlandského cementu. Cílem zamýšlených experimentů v tomto projektu je testování vlivu popílku v alternativních pojivech, jako jsou alkalicky aktivované materiály.
Literatura:
[1] Sklenářová, R. Studium využitelnosti popílků z procesu denitrifikace spalin, Brno 2016
[2] https://www.prumyslovaekologie.cz/info/pusobi-snizovani-emisnich-limitu-na-kvalitu-popilku-a-jejich-vyuziti-
[3] ISMAIL, Idawati, et all. Modification of phase evolution in alkali-activated blast furnace slag by the incorporation of fly ash. Cement and Concrete Composites. 2014, 45, Pages 125-135. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2013.09.006.
[4] X. Gao, Q.L. Yu, H.J.H. Brouwers, Properties of alkali activated slag–fly ash blends with limestone addition, Cement and Concrete Composites, Volume 59, May 2015, Pages 119-128, https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2015.01.007
[5] Jae Eun Oh, Paulo J.M.Monteiro and et al. The evolution of strength and crystalline phases for alkali-activated ground blast furnace slag and fly ash-based geopolymers. Cement and Concrete Research. 2010, (40), 189-196. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2009.10.010.
[6] N.Marjanović, M.Komljenović a et al. Physical–mechanical and microstructural properties of alkali-activated fly ash–blast furnace slag blends. Ceramics International. 2015, (41), 1421-1435. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.09.075.
[7] Humad, A. M., Kothari, A., Provis, J. L., & Cwirzen, A. (2019). The Effect of Blast Furnace Slag/Fly Ash Ratio on Setting, Strength, and Shrinkage of Alkali-Activated Pastes and Concretes. Frontiers in Materials, 6. doi:10.3389/fmats.2019.00009
Přehled použitých metod:
V rámci experimentu bude probíhat příprava alkalicky aktivovaných betonů na bázi vysokopecní granulované strusky s příměsí a bez příměsi křemičitého popílku po denitrifikaci metodou SNCR. Budou probíhat zkoušky čerstvé směsi rozlití, sednutí kužele a stanovení stupně zhutnitelnosti. Dále budou připravena tělesa o rozměrech 100x100x400 mm, na kterých bude probíhat stanovení pevností v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku. Rovněž budou připravena tělesa o rozměrech 150x300 mm, na kterých bude stanovena pevnost v tlaku, statický a dynamický modul pružnosti. Při přípravě těles bude čerstvá směs vložena do smršťovacího trámce, na kterém bude probíhat měření smrštění.
Zdůvodnění finančních prostředků:
Stipendium
- Ing. Lukáš Procházka, hlavní řešitel, návrh složení receptur a příprava vzorků, technická příprava experimentů v laboratoři a jejich provedení, vyhodnocení dat, příprava publikačních výstupů (70 000 Kč).
- Bc. Miroslav Vašina, spoluřešitel, pomoc při betonáži, zkoušení vzorků a zpracování výsledků (25 000 Kč).
- Ing. Zuzana Marcalíková, spoluřešitelka, pomoc s vyhodnocením dat a publikační činností (10 000 Kč).
Materiálové náklady
- Náklady pro výrobu zkušebních vzorků (vysokopecní granulovaná struska, popílek, alkalické aktivátory, stavební chemie, kamenivo) 4000 Kč
-Drobné spotřební nářadí (špachtle, stěrky, štětce) 400 Kč
-Plastové formy 5000 Kč
Služby
- 2000 Kč pro kalibraci zařízení v Laboratoři stavebních hmot FAST
- Časopis Ceramics - Silikáty (impaktovaný časopis) 15 000 Kč + 2000 Kč korektury
- Konference Betonářské dny 2021 7000 Kč
Harmonogram prací:
leden – červen: příprava surovin, návrh receptur, testování čerstvých směsí, příprava vzorků pro pevnostní charakteristiky, stanovení pevností na tělesech o rozměrech 100x100x400 mm (72 ks), stanovení válcové pevnosti v tlaku a statického a dynamického modulu pružnosti na tělesech 150x300 mm (72 ks), příprava smršťovacích trámců (6 ks).
červenec - září: vyhodnocení výsledků, publikační činnost.
říjen – listopad: doplňkové zkoušky
Zdůvodnění zapojení do projektu
Ing. Procházka, hlavní řešitel (v rámci bakalářské i magisterské práce řešení alkalicky aktivovaných hmot na bázi vysokopecní granulované strusky, v rámci projektu TAČR ZETA řešení využívání popílků po denitrifikaci v alkalicky aktivovaných materiálech. Disertační práce je zaměřena na využití popílku po denitrifikaci metodou SNCR v alkalicky aktivovaných materiálech).
Bc. Miroslav Vašina, student (státnice leden 2021, podaná přihláška na doktorské studium), v rámci BP příprava cementových trámečků s využitím popílků po denitrifikaci metodou SNCR pro využití v ternárních pojivech a v rámci DP sledování omezení ASR u betonu pomocí bariér.
Ing. Zuzana Marcalíková, spoluřešitelka, v rámci disertační práce příprava drátkobetonů a řešení stavu napětí a deformace v interakci se zemním prostředím.
Předchozí dosažené výsledky
L. Procházka, J. Boháčová, "The Role of Alkalis in Hydraulic Mixtures", Materials Science Forum, Vol. 955, pp. 62-67, 2019
L. Procházka, M. Pešata, J. Boháčová, Verification of the Use of Slag Aggregate of the Heap Koněv into Concrete, Solid State Phenomena, Vol. 296, pp. 47-56, 2019
L. Procházka, J. Boháčová, "The Effect of Fibers on the Basic Physical-Mechanical Properties of the Alkali-Activated Systems", Solid State Phenomena, Vol. 296, pp. 118-124, 2019
L. Procházka, J. Boháčová, "Possibilities of Processing of Slag Aggregate from Heap Koněv", Solid State Phenomena, Vol. 292, pp. 79-84, 2019
M. Pešata, L. Procházka, J. Boháčová, J. Daňková. Damage of Industrial Reinforced Concrete Chimneys Caused by High Temperatures, Key Engineering Materials, Vol. 808, pp. 153-158, 2019
M. Pešata, L. Procházka, J. Boháčová, J. Daňková. Preliminary Construction-Technical Survey of the Underpass at Hlučínská Street in Ostrava - Přívoz, Key Engineering Materials, Vol. 808, pp. 33-38, 2019
Z. Marcalíková, L. Procházka, M. Pešata, V. Bílek, R. Čajka. Mechanical properties of concrete with small fibre for numerical modelling. Bristol: IOP Publishing, 2019
Z. Marcalíkoková, L. Procházka, M. Pešata, J. Boháčová, R. Čajka. Comparison of material properties of steel fiber reinforced concrete with two types of steel fiber. Materials Science and Engineering, Vol. 549 012039, 2019
Procházka, L., & Vojvodíková, B. (2020). Evaluation of some Specific Effects of Pavement Kerbs Containing Cement Kiln Dust on Soil and Lawns - The First Experimental Phase. Key Engineering Materials, 838, 23–30. doi:10.4028/www.scientific.net/kem.838.23
Procházka, L., & Mec, P. (2020). Possibility of using fly ash after denitrification by SNCR as admixture in alkali-activated materials. Materials Today: Proceedings. doi:10.1016/j.matpr.2020.04.594
Rok zahájení
2021
Rok ukončení
2021
Poskytovatel
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Kategorie
SGS
Typ
Specifický výzkum VŠB-TUO
Řešitel