background image

X L V I I I     K O N F E R E N C J A    N AU K O W A  

KOMITETU  INŻ YNIERII  LĄ DOWEJ  I  WODNEJ  PAN 

I  KOMITETU  NAUKI  PZITB 

Opole – Krynica

 

2002

 

 
 
 
 
 
 
Katarzyna PUSZKARIOWA

Graż yna GORZELAK

Wojciech DOMOSŁ AWSKI

3

  

 
 
 

OCENA AKTYWNOŚ CI PUCOLANOWEJ AKTYWOWANYCH 

POPIOŁ Ó W KONWENCJONALNYCH I SKUTECZNO Ś Ć ICH 

WYKORZYSTANIA DO PRODUKCJI BETONÓ W SPECJALNYCH 

 

 
 

1.  Wprowadzenie 

 
Popioły  lotne  ze  względu  na  ich  właściwości  mogą  stanowić   głó wny  składnik  spoiw 
budowlanych.  Moż na je  uważ ać    za doskonały  dodatek pucolanowy  przy  odpowiednim  
technologicznym  podejściu  odnośnie  wyboru,  wychodząc  z  ustalenia  jego  składu 
chemicznego, mineralogicznego i stopnia rozdrobnienia określonego przez powierzchnię 
właściwą [1 ]. 

Z  powodu  niewielkiej    zawartości  tlenkó w  wapnia  w  popiołach  uzyskanych  z  węgla 

kamiennego, zachodzi konieczność  aktywowania ich  właściwości wiąż ących przez  dodatek 
wapna lub gipsu. Uaktywnienie popiołó w lotnych dokonuje się  ró wnież  przez kró tkotrwałe 
przemielenie zwiększając ich powierzchnię właściwą [2 ]. 

Wprowadzenie  pucolany  do  cementó w    zmienia  szereg  ich  właściwości  uż ytkowych,  

a  mianowicie:  obniż a  ciepło  hydratacji,  zmniejsza  szybkość   narastania  wytrzymałości  
w  początkowym  okresie  twardnienia,  podwyż sza  wytrzymałości  zapraw  na  działanie 
czynnikó w agresywnych. 

Aktywność   pucolanowa  uzależ niona  jest  od  wielu  czynnikó w,  z  któ rych  najistotniej-

szymi  są  skład  chemiczny  pucolany,  skład  mineralogiczny,  powierzchnia  właściwa, 
odstępstwo od stanu ró wnowagi termodynamicznej pucolany [1].  

Określenie tych czynnikó w, między któ rymi  wyraźnie zaznaczają się wspó łzależ ności 

nie wystarcza do jednoznacznego zdefiniowania aktywności pucolanowej materiału i oceny 
zachowania się go w układzie „cement-woda”.   

Wykorzystanie dodatkó w pucolanowych do cementu lub betonu powinno być  zawsze 

poprzedzone  badaniami,  któ re  nie  tylko  pozwolą  określić   ich  aktywność   pucolanową  ale 
zapobiegają  powstawaniu  sytuacji,  w  któ rej  ma  miejsce  obniż enie  wytrzymałości  lub 
nadmierny skurcz otrzymanych materiałó w. 

                                                 

1

  Prof.dr hab.inż ., Wydział Budownictwa Politechniki Częstochowskiej 

2

  Dr inż ., Wydział Budownictwa Politechniki Częstochowskiej 

3

  Mgr inż , Elektrim-Megadex Warszawa 

background image

 

74 

2.  Metody oceny pucolanowości popiołów lotnych i celowość  ich wykorzystania  

przy produkcji materiałów budowlanych 

 
Do oceny pucolanowości wykorzystane są metody chemiczne i fizyczne. Metody chemiczne 
polegają  najczęściej  na  określeniu  ilości  i  szybkości  wiązania  Ca(OH)

2   

przez  materiał 

pucolanowy  [2  ]  lub  też   wyznaczeniu  ilości  SiO

i  Al

2

O

3

,  któ re  zostaną  wyługowane  z 

pucolany  w  określonych  warunkach.  Spośró d    metod  fizycznych  oceny  pucolanowości 
najczęściej  wykorzystywaną  metodą  jest  taka,  któ ra  polega  na  ustaleniu  wpływu  dodatkó w 
pucolanowych  na  uzyskaną  wytrzymałość   mechaniczną  zapraw  cementowych  przygoto-
wanych  z  ich  udziałem.  W  niniejszej  pracy  została  wykorzystana  metoda  oznaczenia 
pucolanowości popiołó w  lotnych wg instrukcji ITB [3].  

Przebieg  procesu  hydratacji  zaczynó w  cementowych  zawierających  w  swym  składzie 

popioły  lotne  o  ró ż nym  składzie  mineralogicznym  i  ró ż nym  stopniu  miałkości  dokonano 
przez  ustalenie  ilości  wodorotlenku  wapnia  z  wykorzystaniem  metod  fizyko-chemicznych.  
Skład fazowy zaczynó w cementowych oznaczono metodą dyfraktometrii rentgenowskiej. 

 

3.  Opis przeprowadzonych badań    

   

3.1.  Materiały wyjściowe 

 
Materiały  wyjściowe,  któ re  zostały  wykorzystane  to  popioły  lotne  o  ró ż nym  składzie 
chemicznym (tab. 1) i mineralogicznym (rys. 1) Elektrowni Chorzó w, Siekierki, Turó w  
i  Siersza. Jako  głó wne  składniki  mineralogiczne  wyż ej wymienionych  popiołó w  moż na 
wyró ż nić   fazę  szklistą  (zawierającą  glinokrzemiany  podobne  do  sylimanitu  w  stanie 
amorficznym),  mulit  oraz  kwarc.  Największą  ilością  mulitu  wśró d  podanych  popiołó w 
odznacza się popió ł El. Turó w. Wychodząc z analizy rentgenowskiej moż na uważ ać , ż e 
popió ł  Elektrowni  Siersza  zawiera  najmniej  mulitu  i  w  jego  składzie  przeważ a  faza 
szklista. 

    

Tablica 1. Skład chemiczny popiołó w lotnych 

Zawartość  tlenkó w, % 

 
Popioły lotne 

Elektrowni 

 

SiO

 

Al

2

O

 

CaO 

 

R

2

 

Fe

2

O

 

MgO 

 

Strata przy 

praż eniu,

Turó w 

50,96 

33,01 

1,45 

2,60 

6,83 

0,98 

2,21 

Siekierki 

52,3 

25,0 

3,39 

3,63 

8,1 

2,82 

2,61 

Chorzó w 

49,32 

19,85 

6,86 

4,52 

9,76 

2,86 

3,32 

Siersza 

51,0 

26,4 

4,76 

2,45 

6,06 

2,69 

3,14 

 
Do  badań  zastasowano  popioły  lotne  wyjściowe  oraz  popioły  aktywowane  przez 

ich zmielenie w młynie wibracyjnym  w czasie 10, 15 i 20 min. Wyniki pomiaru zmiany 
powierzchni  właściwej  wyż ej  wymienionych  popiołó w  umieszczono  w  tab.  2.  Analiza 
przedstawionych  wynikó w  pozwala  zaznaczyć ,  ż e  stopień  miałkości  zbadanych 
popiołó w jest uzależ niony od ich składu chemicznego i mineralogicznego (rys. 1, tab. 1). 
Wobec  powyż szego  ma  miejsce  fakt,  ż e  im  więcej  w  składzie  popiołu  fazy  mulitowej 
tym  mniejsza  jest  zdolność   do  zmielenia.  Badania  pucolanowości  popiołó w  lotnych 
wyjściowych  oraz  popiołó w  aktywowanych  przeprowadzono  na  cemencie  CEM  32,5 
Cementowni „Warta” . 

background image

 

75 

10

20

30

40

50

60

20

M

M

M

M

M,S

M,S

M,S

M,S M,S

M,S

S

S

S

S

S

S

S

S

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

1

2

3

4

 

 

Rys. 1. Dyfraktogramy popiołó w lotnych Elektrowni  
Turó w (1), Siekierki (2), Chorzó w (3), Siersza (4) 

*(S-sylimanit,  M-mulit, Q – kwarc) 

 

Tablica 2. Wpływ czasu mielenia popiołó w lotnych na stopień ich miałkości 

Powierzchnia właściwa wg Bleine’a (cm

2

/g)  

popiołó w lotnych Elektrowni  

 

Rodzaj   popiołu 

Turó w 

Siekierki 

Chorzó w 

Siersza 

Wyjściowy 

2732 

3210 

3463 

3589 

  Zmielony   
  w czasie  10 min 
                  15 min 
                  20 min 

 

3860 
4145 
4356 

 

4327 
4250 
4140 

 

4810 
4439 
3927 

 

4905 
4406 
4217 

  

3.2.  Przeprowadzone badania 

 
Zgodnie z wybraną metodą oznaczenia pucolanowości popiołó w lotnych dokonano zamiany 
25%  cementu  portlandzkiego  (CEM  32,5  R)  –  popiołem  wyjściowym  lub  aktywowanym 
(poprzez  przemiał  w  młynie  wibracyjnym  odpowiednio  przez  10,  15  i  20  min).  Zostały 
przygotowane zaprawy normowe cementowo-popiołowo-piaskowe z wykorzystaniem piasku 
normowego  zgodnie  z  normą  PN-88/B-11000.  Z  otrzymanych  mieszanek  przygotowano 
pró bki  w  kształcie  beleczek  o  wymiarach  4x4x16  cm,  któ re  dojrzewały  przez  1  dzień  w 
warunkach  naturalnych,  a  następnie  zostały  umieszczone  w  kąpieli  wodnej.  Po  28  i  90 
dniach sprawdzono ich wytrzymałości na ściskanie.  

Wskaźnik aktywności pucolanowej wg wyż ej podanej metody [3] został obliczony jako 

procentowy  stosunek  wytrzymałości  na  ściskanie  beleczek  z  zaprawy  normowej 

background image

 

76 

wykonanych  przy  uż yciu  mieszaniny  75%  wagowo  cementu  portlandzkiego  i  25%  popiołu 
lotnego  konwencjonalnego  do  wytrzymałości  badanych  w  tym  samym  czasie  normowych 
beleczek  przygotowanych  z  samego  cementu  portlandzkiego  (jako  pró bki  poró wnawczej). 
Wg  danych  [3]  wskaźnik  aktywności  pró bek  zapraw  normowych  po  28  dniach  powinien 
osiągnąć  co najmniej 75%, a po 90 dniach nie mniej niż  85% aktywności, któ ra odpowiada 
zaprawie  normowej,  ż eby  moż na  było  uważ ać   wykorzystywany  popió ł  jako  dodatek 
pucolanowy w produkcji betonu wg PN-EN-450.  

Wyniki oznaczenia wskaźnika pucolanowości przebadanych pró bek z udziałem wyż ej 

wymienionych popiołó w umieszczono na rys. 2. 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

      

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 2. Zmiany wskaźnika  pucolanowości w zależ ności od rodzaju wykorzystanego 
popiołu wyjściowego (0 min) lub zmielonego 10, 15 i 20 min z Elektrowni Turó w (I),  
   Siekierki (II),Chorzó w (III) i Siersza (IV) po 28 (A) i po 90 dniach twardnienia (B) 

 

Analiza  otrzymanych  wynikó w  wykazuje,  ż e  uzyskana  aktywność   pucolanowa  jest 

największa w przypadku wykorzystania popiołó w Elektrowni Chorzó w i Siersza, przy czym 

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

W

sk

ni

k

 p

uc

ol

an

ow

ci

, %

I                         II                         III                         IV

0 min.

10 min.

15 min.

20 min.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

W

sk

n

ik

 p

u

co

la

n

o

w

o

śc

i,

 %

I                         II                         III                         IV

0 min.

10 min.

15 min.

20 min.

background image

 

77 

wykorzystanie  tych  samych  popiołó w  ale  aktywowanych  prowadzi  do  zwiększenia 
wskaźnika pucolanowości odpowiednio o 16,3 i 23 % (po 28 dniach twardnienia) 

Wyniki  badań  wskaźnika  pucolanowości  zostały  potwierdzone  przez  wyniki  badań 

fizyko-chemicznych,  przeprowadzonych  na  zaczynach  otrzymanych  na  bazie  cementu 
portlandzkiego  CEM  32,5  R  i  dodatku  popiołu  z  Elektrowni  Chorzó w  (25%  popiołu 
wyjściowego lub popiołu zmielonego w młynie wibracyjnym 15 min).  

Dyfraktogramy pró bek zaczynó w bez dodatku i z dodatkiem popiołu wyjściowego lub 

popiołu zmielonego w młynie wibracyjnym (15 min) zostały umieszczone na rys. 3. 

 

 
 
 
 
 
 

 

II 

 
 
 
 
 
 
 
 

III 

 
 
 
 
 
 
 

 
 

 

Rys.  3.  Dyfraktogramy  pró bek  zaczynó w  bez  dodatku  (I)  i  z  dodatkiem  popiołu 
wyjściowego  El.  Chorzó w  (II)  oraz  popiołu  zmielonego  w  młynie  wibracyjnym  
                                    15 min (III) po 1 i 90 dniach twardnienia  
CH - portlandyt Ca(OH)

2

, C - węglan wapnia, CSH - hydrokrzemian wapnia, E - ettryngit  

 
Poró wnanie  intensywności  pikó w  poszczegó lnych  dyfraktogramó w  dotyczących 

wodorotlenku  wapnia  Ca(OH)

pozwala  stwierdzić ,  ż e  wprowadzenie  jako  dodatku 

pucolanowego popiołu zmielonego w młynie wibracyjnym w czasie 15 min prowadzi do 
najskuteczniejszego  obniż enia  ilości  wolnego  wodorotlenku  wapnia  w  składzie 

10

20

30

40

2 0

9 0d n

9 0d n

9 0d n

1 d n

1 d n

1 d n

C S H

C SH

C SH

C SH

C

C

C H

C H

C

C H

C H

C H

C H

C H

CH

C H

C

C

E

E

E

C H

C H

A ,B

A ,B

B ,A

B ,A

C

C H

background image

 

78 

produktó w  hydratacji  i  powoduje  utworzenie  podwyż szonej  ilości  hydrokrzemianó w 
wapnia CSH. 

Skuteczność   wprowadzenia  popiołó w  aktywowanych  jako  dodatkó w  pucolanowych  

zostaje zachowana nie tylko w  przypadku ich wykorzystania w zaczynach i zaprawach ale 
takż e i w mieszankach betonowych.  

Jak wynika ze wstępnych badań wprowadzenie do składu mieszanki betonowej popiołu 

wyjściowego  zwykle  prowadzi  do  obniż enia  wytrzymałości  pró bek  betonowych  po  28 
dniach około 10%, a wprowadzenie popiołu aktywowanego powoduje wzrost wytrzymałości 
po tym samym czasie około 25%. 
 

4.  Wnioski 

 

1.  Ustalono, ż e istnieje zależ ność  między składem mineralogicznym popiołu a zdolnością  

jego do zmielenia, a mianowicie: im więcej fazy krystalicznej mulitowej tym mniejszy 
stopień zmielenia w poró wnywalnych warunkach. 

2.  Wyniki badań eksperymentalnych wykazały, ż e istnieje zależ ność  między  aktywnością   

pucolanową  popiołó w  a  stopniem  ich  zmielenia.  Została  zaobserwowana  tendencja,  ż e 
im  większy  jest  stopień  zmielenia  (większa  powierzchnia  właściwa)  i  mniej  fazy 
krystalicznej  zawiera  popió ł  w  swym  składzie  tym  większa  jest  jego  aktywność  
pucolanowa w szczegó lności we wczesnych czasach twardnienia. 

3.  Wykorzystanie  metod  fizyko-chemicznych  potwierdziło  skuteczność   działania  jako  

dodatku  pucolanowego  popiołó w  lotnych  aktywowanych.  Wprowadzenie  tychż e 
popiołó w powoduje zwiększenie skuteczności wiązania portlandytu idącego w kierunku 
utworzenia hydrokrzemianó w wapnia (w poró wnaniu z analogicznymi procesami, któ re 
mają miejsce przy wprowadzeniu popiołu wyjściowego). 

4.   Skuteczność   wprowadzenia  popiołó w  aktywowanych  jako  dodatkó w  pucolanowych   

zostaje zachowana nie tylko w  przypadku ich wykorzystania w zaczynach i zaprawach 
ale takż e i w  mieszankach betonowych.   

 

Literatura 

 
[1]  MAŁ OLEPSZY  J.,  DEJA  J.,  BRYLICKI  W.,  GOWLICKI  M.,  Technologia  betonu  –  

Metody badań . Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, Krakó w, 2000. 

[2]  NEVILLE A. M., Właściwości betonu, Krakó w, 2000. 
[3]  Instrukcja ITB 328. Stosowanie popiołó w lotnych do betonó w kruszywowych, Warszawa, 

1994 lub norma PN-EN 450. 

 

 

POZZOLANIC ACTIVITY ESTIMATION OF ACTIVATED 

CONVENCIONAL ASHES AND ADVENTAGE EFFICIENCY  

IN SPECIAL CONCRETE PRODUCTION 

 

Summary 

 

In the paper pozzolanic activity of various chemical and composition volatile ashes as well 
as various grade of their activity after their grinding in a vibration mill was exemined. It was 
found  that  efficiency  of  introducing  of  volatile  ashes  as  pozzolanic  fixtures  into  pastes, 
mortars  or  other  concrete  mixtures  was  higher  when  ashes  had  been  milled  and  had  lower 
quantity cristal phase.