3. Założenia i program projektu

Główne założenia techniczne projektu obejmują ocenę wpływu popiołów lotnych wapiennych dodanych do klinkieru podczas produkcji cementu oraz dodatku tych popiołów jako dodatek typu II do betonów konstrukcyjnych na ich właściwości mechaniczne, a zwłaszcza na trwałość.
W szczególności zostanie określona ilość popiołu lotnego wapiennego, jaką można stosować bez pogorszenia właściwości betonów oraz do jakich konstrukcji betony z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego można stosować.
W związku z tym w ramach projektu przewidziano następujące podstawowe działania:

  • badania i ocena zakresu zmian jakości popiołów lotnych wapiennych, stanowią one podstawę do określenia możliwości stabilizacji
    i modyfikacji właściwości popiołów lotnych wapiennych poprzez aktywację fizykochemiczną materiału,
  • określenie rozwiązań waloryzacji popiołów lotnych wapiennych do produkcji cementu i betonu,
  • produkcja i badania właściwości cementów z dodatkiem popiołów lotnych wapiennych dla szerokiego zakresu rodzajów cementów z tym składnikiem, ujętych w normie PN - EN 197 - 1 dla cementów powszechnego użytku,
  • badania mieszanek betonowych i betonów z cementów z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego i z popiołem lotnym wapiennym jako dodatek typu II,
  • badania trwałości betonów jw. na agresywne oddziaływanie środowiska w zakresie uwzględniającym wszystkie klasy ekspozycji określone w normie PN - EN 206-1,
  • badania w celu określenia i sprawdzenia możliwości wykorzystania popiołów lotnych wapiennych w betonach nowej generacji: wysokowartościowych i samozagęszczalnych,
  • uzupełniające badania mikrostruktury i zjawisk procesów twardnienia betonów prowadzone w aspekcie oceny oddziaływania na nie popiołów lotnych wapiennych,
  • podanie wytycznych technologicznych produkcji cementów wieloskładnikowych z udziałem popiołów lotnych wapiennych z wytypowaniem optymalnych rodzajów cementów, z uwagi na warunki techniczne i efektywność produkcji i możliwości stosowania do betonu,
  • podanie wytycznych technologicznych stosowania popiołu lotnego wapiennego W, jako aktywnego dodatku typu II do betonu
    z opracowaniem dokumentacji technicznej mającej na celu nowelizację norm, które będą uwzględniały popioły lotne wapienne jako dodatek aktywny typu II do betonu.

W ogólnym programie badawczym wyróżniono cztery etapy jego realizacji.
Etap I - Badania zmienności jakości popiołów lotnych wapiennych. Obejmuje on bardzo intensywny monitoring właściwości tego rodzaju popiołów lotnych pobieranych w wytypowanych zespołach elektrowni. Zakres badań pobieranych prób uwzględnia podstawowe właściwości popiołu, z uwagi na uwarunkowania technologii produkcji cementu i betonu. Będą to oznaczenia: uziarnienia, strat prażenia, zawartości reaktywnego wapna i krzemionki oraz tlenków kształtujących właściwości hydrauliczno - pucolanowe popiołów: Al2O3, CaO, SO3
i SiO2. Monitoring składu fazowego obejmować będzie oznaczenia zawartości anhydrytu, wolnego wapna, kwarcu, peryklazu, a także fazy szklistej oraz części palnych. Wymienione badania uzupełnione będą oznaczeniami w zakresie właściwości wymienianych w normie
PN - EN 197 - 1 dla popiołów lotnych wapiennych, oznaczeniami promieniotwórczości naturalnej oraz badaniami koncentracji metali ciężkich i ich wymywalności. Badane będą próbki jednostkowe pobrane w ramach monitoringu zmienności jakości popiołu oraz partie popiołu przeznaczone do realizacji zadań związanych z produkcją cementów i betonów z popiołem wapiennym.
Etap II - Badania aktywności pucolanowo - hydraulicznej popiołów i próby ich uzdatniania. Zakres badań uwzględnia analizę zależności aktywności popiołów lotnych wapiennych od zmian składu chemicznego i fazowego oraz stopnia rozdrobnienia. Założono, że w trakcie tego etapu określone zostaną możliwości poprawy aktywności pucolanowo - hydraulicznej popiołu lotnego wapiennego poprzez różne metody jego aktywacji. Zakres badań uwzględni pomiary porównawcze aktywności pucolanowo - hydraulicznych popiołów lotnych wapiennych
o zróżnicowanym składzie chemicznym i fazowym (zawartość Al2O3 oraz proporcje tlenków kształtujących właściwości hydrauliczne popiołu,
tj. Al2O3, SO3 (z anhydrytu), zawartość reaktywnego wapna i krzemionki oraz różniących się stopniem rozdrobnienia (2 różne stopnie miałkości). Wymagany stopień miałkości zostanie uzyskany przez: mielenie lub przez separację odpowiedniej frakcji.
Etap III - Badania cementów z dodatkiem popiołów lotnych wapiennych. Program uwzględnia badania szerokiej grupy cementów
z różnym udziałem popiołu lotnego wapiennego: cementy portlandzkie wapienne, cementy portlandzkie wieloskładnikowe i cementy pucolanowe (ogółem przewiduje się badania ponad 30 cementów). Zakres badań cementów obejmować będzie wszystkie cechy charakterystyczne objęte normą PN - EN 197 - 1 oraz szereg dodatkowych właściwości mogących kształtować cechy betonu. Badania właściwości normowych cementów dotyczyć będą m. in.: oznaczeń zawartości chlorków, siarczanów, części nierozpuszczalnych, strat prażenia, wodożądności, czasu wiązania, stałości objętości, wytrzymałości na zginanie i ściskanie z uwzględnieniem wytrzymałości normowych oraz badań długoterminowych po 56, 91, 182, 364 i 728 dniach twardnienia. Dla celów poznawczych przebiegu procesów hydratacji i twardnienia cementów z popiołem lotnym wapiennym prowadzone będą badania składu fazowego produktów hydratacji w zaczynach cementowych. Dodatkowe badania cementów uwzględnią pomiary: konsystencji zapraw i utratę plastyczności w czasie, skurczu, ciepła hydratacji, retencji wody, dojrzewania w obniżonej temperaturze 8°C, podwyższonej temperaturze 38°C oraz w warunkach obróbki niskoprężnej 80°C.
Przedstawiony program badań cementów z popiołem lotnym wapiennym zakłada badania dla laboratoryjnych i półtechnicznych warunków produkcji (dla wybranych cementów).
Etap IV - Badania betonów. Etap badań betonów z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego uwzględnia badania typowych betonów konstrukcyjnych oraz badania betonów nowej generacji. Będą one wykonane dla betonów z cementów zawierających popiół lotny wapienny jako jeden ze składników głównych oraz dla betonów z dodatkiem popiołu lotnego jako dodatku typu II. Badane będą właściwości mieszanki betonowej (w tym szczególnie efektywności działania różnych domieszek w obecności dodatku popiołu lotnego wapiennego) oraz właściwości betonu, w tym m. in.: wytrzymałość na ściskanie ze szczególnym uwzględnieniem wytrzymałości krótko i długoterminowej (co najmniej po 180 dniach), wytrzymałość na zginanie, nasiąkliwość i wodoprzepuszczalność, mrozoodporność określaną metodą objętościową i powierzchniową, skurcz plastyczny i przy wysychaniu. Ponadto wykonane zostaną badania trwałości, w zakresie uwzględniającym szerokie spektrum środowisk agresywnych i rodzajów korozji betonu (uwzględniając specyfikę składu popiołu lotnego, a zwłaszcza dużą zawartość wapna i siarczanów).
Z powodu podwyższonej zawartości wolnego wapna należy przeciwdziałać przyspieszonej utracie płynności mieszanki betonowej
i w konsekwencji pojawianiu się defektów i nieciągłości mikrostruktury, obszarów o podwyższonej porowatości kapilarnej. Z tego samego powodu należy przewidywać zwiększone wydzielanie ciepła podczas hydratacji i przeciwdziałać konsekwencjom polegającym na pojawianiu się spękań w elementach konstrukcyjnych z betonu takich, w których szybkie odprowadzanie ciepła jest ograniczone (elementy masywne). Wysoka zawartość siarczanów powoduje zagrożenia wewnętrzną korozją siarczanową, ujawniającą się opóźnionym tworzeniem ettringitu i mikrorys wskutek reakcji ekspansywnej oraz degradacją systemu porów powietrznych poprzez ich częściowe wypełnienie. Bardzo ważnym etapem prac dotyczących trwałości betonu z popiołem lotnym wapiennym będą badania mikrostruktury stwardniałego betonu poddanego różnym oddziaływaniom korozyjnym.
Ważnym elementem programu badawczego będzie również monitorowanie zmian właściwości betonu w różnych warunkach wilgotności
i temperatury otoczenia. Pomiary obejmować będą też rozkłady temperatur w masywnych elementach betonowych i monitorowanie spękań wywołanych ciepłem hydratacji. Uzyskane wyniki posłużą do identyfikacji parametrów modelu komputerowego i uogólnienienia wniosków, co do przydatności cementu z popiołem wapiennym w zastosowaniu do konstrukcji betonowych.
Program badań betonów nowej generacji, obejmuje przede wszystkim betony wysokowartościowe i samozagęszczalne z cementów dodatkiem popiołów lotnych wapiennych i z dodatkiem odpowiednio przygotowanych popiołów lotnych wapiennych. Badania będą uwzględniać specjalne rozwiązania dotyczące z jednej strony sposobów projektowania i wykonawstwa mieszanki, z drugiej strony, monitoringu procesu twardnienia betonu między innymi poprzez analizę mikrostruktury, składu cieczy porowej, rozkładu porów i innych.
W celu realizacji założeń badawczych projektu wydzielono następujące szczegółowe zadania badawcze:
Zadanie 1. Stan wiedzy i techniki wykorzystania popiołów lotnych w produkcji mineralnych materiałów budowlanych. Rezultatem zadania jest raport opisujący istniejący stan wiedzy w zakresie wykorzystania wapniowych popiołów lotnych w produkcji mineralnych materiałów budowlanych.
Zadanie 2. Monitorowanie właściwości fizyko - chemicznych popiołów lotnych wapiennych W z energetyki zawodowej. Rezultatem zadania jest raport opisujący zmienność jakości popiołów i ich przydatności z uwagi na wymagania technologii cementu i betonu (czytaj Raport).
Zadanie 3. Ocena aktywności pucolanowo - hydraulicznej popiołów lotnych w funkcji zmienności składu chemicznego i mineralnego oraz rozdrobnienia. Rezultatem zadania będzie raport opisujący możliwości i warunki kształtowania właściwości pucolanowo - hydraulicznych popiołów lotnych wapiennych
Zadanie 4. Badanie cementów powszechnego użytku, zawierających popiół lotny wapienny i określenie ich właściwości fizycznych, chemicznych i mechanicznych (skala laboratoryjna). Rezultatem zadania będzie raport określający warunki rozszerzenia bazy dodatków mineralnych w Polsce do produkcji cementu o popioły lotne wapienne.
Zadanie 5. Produkcja i badanie cementów powszechnego użytku, zawierających popiół lotny wapienny i określenie ich właściwości fizycznych, chemicznych i mechanicznych (skala półtechniczna). Rezultatem tego zadania będą wyprodukowane w skali półtechnicznej partie cementu
z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego.
Zadanie 6. Badanie właściwości mieszanki betonowej wykonanej w oparciu o cementy wyprodukowane w skali półtechnicznej. Rezultatem tego zadania będzie raport charakteryzujący właściwości mieszanki betonowej z cementów z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego oraz z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego jako dodatek typu II.
Zadanie 7. Badanie właściwości stwardniałego betonu zawierającego cement z popiołem lotnym wapiennym. Rezultatem tego zadania będzie raport charakteryzujący wpływ cementów powszechnego użytku zawierających popiół lotny wapienny na właściwości betonu.
Zadanie 8. Badania nad możliwością zastosowania popiołu lotnego wapiennego jako dodatku typu II w składzie betonu zwykłego. Rezultatem tego zadania będzie raport charakteryzujący wpływ popiół lotny wapiennego jako dodatku typu II na właściwości betonu.
Zadanie 9. Badanie korozji chemicznej betonów i zapraw cementowych. Rezultatem tego zadania będzie raport określający cechy trwałości cementów i betonów z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego, z uwagi na klasy ekspozycji środowiska wg normy PN - EN 206 - 1
Zadanie 10. Badania nad możliwością zastosowania nowych rodzajów cementów w technologii betonów nowej generacji. Rezultatem tego zadania będzie raport określający efekty zastosowania popiołów lotnych wapiennych w betonach samozagęszczalnych i wysokowartościowych.
Zadanie 11. Ocena szczelności betonu w warunkach wymuszonej migracji mediów. Rezultatem tego zadania będzie raport określający trwałość betonu w środowisku oddziaływania mrozu i zmiennych warunków termiczno - wilgotnościowych.
Zadanie 12. Ocena trwałości betonu w środowisku oddziaływania mrozu i zmiennych warunków cieplno - wilgotnościowych. Rezultatem tego zadania będą raporty określające mechanizmy oddziaływania popiołów lotnych na efektywność napowietrzania betonu, mikrostrukturę porów powietrznych w betonie z cementami z dodatkiem popiołów wapiennych i popiołem wapiennym stosowanym jako dodatek typu II oraz odporność betonu na agresywne oddziaływanie temperatury, wilgoci i środków odladzających oraz jej związków z właściwościami zaczynu cementowego.
Zadanie 13. Monitorowanie zagrożenia powstania pęknięć w elementach masywnych. Rezultatem tego zadania będzie system numeryczny symulacji procesów twardnienia betonu w elementach masywnych, techniki identyfikacji procesu transportu ciepła i rozwoju spękań
w twardniejących elementach betonowych oraz raport techniczny na temat efektów wydzielania ciepła przy hydratacji cementu zawierającego popiół wapienny.
Zadanie 14. Opracowanie wytycznych technicznych stosowania cementów powszechnego użytku z udziałem popiołu lotnego wapiennego oraz stosowania tego rodzaju popiołów jako dodatku typu II do betonów. Efektem tego zadania będą wytyczne techniczne stosowania cementów powszechnego użytku z udziałem popiołu lotnego wapiennego oraz stosowania takich popiołów jako dodatku typu II do betonu.
Zadania badawcze rozpoczęto w styczniu 2010 roku, a będą realizowane do czerwca 2013. Jak już wspomniano wcześniej efekty końcowe projektu zostaną udostępnione za pośrednictwem stron internetowych w formie publikacji po jego zakończeniu.