1. Wprowadzenie

Ostatnie lata przyniosły bardzo znaczący, wręcz skokowy rozwój technologii betonu. Konsekwencją tego było pojawienie się w budownictwie koncepcji technologicznych betonów nowej generacji, obejmujących m.in.:

  • beton wysokowartościowy o wysokiej trwałości w środowiskach agresywnych, projektowany na podstawie modeli mikrostrukturalnych i mechanicznych,
  • beton „przyjazny dla środowiska" - charakteryzowany niską energochłonnością produkcji, niskimi emisjami do atmosfery, umożliwiający zagospodarowanie odpadów przemysłowych bądź nawet immobilizację związków toksycznych zawartych w odpadach,
  • beton „przyjazny dla ludzi" - umożliwiający poprawę warunków pracy, eliminację prostych czynności na budowie, cichy, estetyczny.

Kluczową rolę we wszystkich tych koncepcjach odgrywają spoiwa cementowe, a jednym z najważniejszych kierunków ich rozwoju jest wykorzystanie dodatków mineralnych, dostępnych głównie jako uboczne produkty procesów przemysłowych.
Wykorzystanie dodatków mineralnych, obok poprawy właściwości betonu (zwłaszcza w aspekcie jego odporności na agresywne oddziaływanie środowiska) pozwala również na uzyskanie szeregu korzyści ekologicznych w postaci przede wszystkim: zmniejszenia emisji CO2, zaoszczędzenia zasobów surowców naturalnych, zmniejszenia zużycia energii zużywanej do produkcji cementu i betonu, efektywnego zagospodarowania odpadów skutkującego m. in. zmniejszeniem powierzchni składowisk i kosztu składowania odpadów przemysłowych. Tym samym wykorzystanie dodatków mineralnych w technologii betonu doskonale wpisuje się w strategię zrównoważonego rozwoju, która obecnie w dużym stopniu determinuje rozwój gospodarczy.
Najczęściej stosowanymi do spoiw cementowych i betonów dodatkami mineralnymi są popioły lotne krzemionkowe uzyskiwane ze spalania węgla kamiennego w paleniskach konwencjonalnych, zmielony granulowany żużel wielkopiecowych oraz pył krzemionkowy. W Polsce ponad 30% energii elektrycznej uzyskiwane jest jednak ze spalania węgla brunatnego w kotłach konwencjonalnych. W wyniku tego powstaje również około 4 mln Mg popiołów lotnych wapiennych. Ten rodzaj popiołów wyróżnia się bogatszym niż popioły lotne krzemionkowe składem chemicznym i mineralnym. Charakteryzują się wysoką zawartością wolnego wapna, wysoką zawartością związków siarki oraz znaczną zmiennością składu i uziarnienia w czasie, nawet z jednej elektrowni. Skład popiołu lotnego zapewnia właściwości pucolanowo - hydrauliczne. Jest on wymieniany w normie cementowej PN - EN 197 - 1 w grupie dodatków pucolanowych, stosowanych jako składnik do produkcji cementu. Właściwości popiołów lotnych wapiennych są również przedmiotem norm i specyfikacji technicznych dotyczących szeregu innych rozwiązań technologicznych produkcji materiałów budowlanych. Uwzględniając jednak zapisy normy PN-EN 206-1. „Beton Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność" w technologii betonów konstrukcyjnych mogą być stosowane wyłącznie popioły lotne krzemionkowe spełniające wymagania normy PN-EN 450 - 1 „Popiół lotny do betonu Część 1: Definicje, wymagania i kryteria zgodności" jako dodatku aktywnego typu II betonu. Norma ta nie wymienia popiołów lotnych wapiennych. Nie można jednak wykluczyć, że w wyniku prac badawczych prowadzonych nad stosowaniem takich popiołów lotnych sytuacja ta w przyszłości nie ulegnie zmianie.
W kraju popiół lotny wapienny praktycznie nie jest stosowany w technologii produkcji cementu i betonu. Jako podstawowe powody takiego stanu można wskazać:

  • wymienione wcześniej charakterystyki jego składu czyli wysoką zawartość wolnego wapna, wysoką zawartość związków siarki wywierające potencjalnie negatywny wpływ na właściwości betonu,
  • bardzo duże wahania jakości materiału, związane ze zmiennością składu chemicznego, fazowego i uziarnienia,
  • preferowanie wykorzystywania w przemyśle cementowym i technologii betonu wyłącznie popiołów krzemionkowych.

Należy zaznaczyć, że dotychczas ukazało się stosunkowo niewiele prac naukowo - badawczych na temat wykorzystania popiołów lotnych wapiennych do produkcji cementu i jako dodatku typu II do betonu. Skutkuje to bardzo ograniczoną dostępnością systematycznych wyników badań kompleksowo ujmujących efekty stosowania popiołów lotnych wapiennych w betonie, zwłaszcza w aspekcie trwałości i doświadczeń
z zastosowań praktycznych. Przeprowadzone szerokie studia literaturowe [1 - 37] oraz analiza istniejących dokumentów odniesienia (norm
i aprobat technicznych) pokazały, że materiał ten może być składnikiem głównym cementu (popiół lotny wapniowy W zdefiniowany w normie PN-EN 197-1:2002), dodatkiem typu II w składzie betonu (norma amerykańska ASTM C618, norma kanadyjska CAN/CSA-A23.5-98) oraz stanowić podstawowy składnik spoiw stosowanych w stabilizacji gruntów, wzmacniania podłoża i innych pracach związanych z budownictwem drogowym. W tym celu wymagane jest jednak przeprowadzenie pełnego cyklu badań mającego na celu opracowanie technologii produkcji cementu z zastosowaniem popiołu lotnego wapiennego jako składnika głównego cementu i określenie zakresu stosowania takich cementów
w budownictwie. Konieczne są również systematyczne badania mające na celu sprawdzenie możliwości i warunków efektywnego wykorzystania popiołów lotnych wapiennych jako dodatku do betonu.
Realizacji tego zadania podjęło się specjalnie w tym celu utworzone Konsorcjum „Smart Concrete" składające się z trzech instytucji: Politechniki Śląskiej będącej liderem Konsorcjum, Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych w Warszawie, oddział Szkła i Materiałów Budowlanych
w Krakowie oraz Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie. Instytucje te specjalizują się w badaniach badawczych
i aplikacyjnych oraz posiadają duże doświadczenie w realizacji innowacyjnych badań w zakresie technologii spoiw budowlanych i betonu, dysponują kadrą naukowo - badawczą o wysokich kwalifikacjach oraz specjalistycznym zapleczem badawczym. W 2009 roku Konsorcjum wystąpiło z wnioskiem o dofinansowanie projektu pt.: Innowacyjne spoiwa cementowe i betony z wykorzystaniem popiołu lotnego wapiennego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Priorytet 1: Badania i rozwój nowoczesnych technologii, Działanie 1.2: Strategiczne programy badań naukowych i prac rozwojowych. Wniosek ten został rekomendowany do finansowania pod koniec 2009 roku, a od 2010 roku rozpoczęła się realizacja zaplanowanych w jego ramach prac naukowo - badawczych. W referacie przedstawiono cele, zakres, założenia
i program badań projektu oraz przewidywane jego efekty.