Studium vlastností popílku vznikajícího jako vedlejší produkt při výrobě cementotřískových desek

V závěru článku jsou diskutovány a komparovány dosažené výsledky laboratorních analýz s důrazem na úvahy návrhu modifikace složení stávajících receptur cementotřískových desek a možný vliv na finální parametry těchto prvků.

1. Úvod

Cementotřískové desky představují ve stavebnictví poměrně známý stavební materiál, resp. prvek, jenž zaujímá v tomto oboru své nezastupitelné místo. S ohledem na parametry těchto desek lze uvažovat širokou škálu aplikací, což je také patrné z nabízeného sortimentu tuzemského výrobce. Jednou z možných aplikací jsou i nášlapné vrstvy nejrůznějších typů podlah. Obdobně jako v případě produkce jiných, nejen stavebních, materiálů existuje několik variant, jak optimalizovat stávající výrobní technologii. Využití nejrůznějších typů druhotných surovin, které by při jejich nezužitkování s největší pravděpodobností zatěžovaly životní prostředí jako odpady, je poměrně známé. V tomto ohledu se nabízí velmi výhodná možnost zefektivnění výroby cementotřískových desek. Při produkci těchto desek totiž vzniká značné množství vedlejších produktů, jež prozatím, kdy nejsou využívány, představují odpad. Jedním z nich je i popílek, který vzniká v kotli sloužícího pro vytápění části výrobní linky, kde dochází ohřevu cementotřískových desek. Jako palivo do tohoto kotle jsou využívány dřevní štěpky o minimální výhřevnosti 10,5 MJ/kg při maximálním obsahu nespalitelných látek 0,4 %. Tento popílek v současnosti nenalézá dalšího uplatnění, což může vést jednak k zatěžování životního prostředí a dále pak také finančním nákladům, které musí vynaložit producent tohoto popela. Lze předpokládat, že s uvážením používaného paliva v elektrárnách, teplárnách a kotli výrobce cementotřískových desek budou patrné jisté diference vlastností daných popílků. Probíhající výzkum některých asijských vědců však poukazuje např. na výhodné využívání popílku, který má svůj původ ve spalování slupek rýžových zrn, kdy bylo docíleno velmi dobrých parametrů vysokohodnotných betonů při přídavku tohoto popílku. Stojí tedy za úvahu, zda by při náhradě části pojiva popílkem, případně jako jemnozrnné příměsi nedošlo k přílišnému poklesu některých parametrů cementotřískových desek.

2. Analýza parametrů vstupních surovin a jejich vyhodnocení

Z hlediska následujícího návrhu vhodných receptur je v první řadě nutné patřičně analyzovat všechny podstatné parametry zkoumaného popílku. Dále je vhodné provést komparaci dosažených výsledků s některými vybranými dvěma zástupci elektrárnami a teplárnami produkovaných popílků. S těmito již probíhá výzkum týkající se náhrady části pojivové složky cementotřískových desek a jsou k dispozici dílčí výsledky některých základních parametrů cementotřískových desek modifikovaného složení. Jako podstatné lze shledat zejména fyzikálně mechanické analytické metody pro posouzení fázového složení a kvantifikaci jednotlivých chemických složek. Pro aplikaci popílku do dané směsi je také třeba znát velikost částic a zastoupení všech frakcí, stejně jako měrnou hmotnost a měrný povrch. Pro komparaci parametrů popílků z různých způsobů spalování byli vybráni následující zástupci včetně popílku z výrobny cementotřískových desek:

• popílek – elektrárenský – dále ozn. EL,
• popílek – teplárenský – dále ozn. TE,
• popílek z kotle ve výrobně CIDEM – ze spalování dřevěných štěpků – dále ozn. CI.

U všech typů popílků byly provedeny následující analýzy a laboratorní stanovení:

• měrná hmotnost,
• měrný povrch,
• pH ve výluhu,
• granulometrické složení,
• chemické složení,
• kvalitativně fázové složení – RTG difrakční analýza,
• kvantitativně některé fázové složky – diferenční termická analýza (dále v textu DTA).

V následující tabulce (viz Tab. 1) jsou uvedeny výsledky stanovení chemického složení, měrné hmotnosti, měrného povrchu a pH ve výluhu.

Z výsledků chemické analýzy plyne, že popílky se vyznačují rozdílným složením, kdy popílek CI obsahuje nejnižší množství SiO₂ a naopak nejvyšší podíl CaO. Zvýšená hodnota byla zaznamenána také v případě K₂O. Podstatná je také hodnota ztráty žíháním, kdy se popílek CI se vyznačuje zvýšenou hodnotou tohoto parametru, avšak ne nejvyšší ze souboru analyzovaných vzorků popílků. Měrné hmotnosti a výsledky pH jsou srovnatelné pro všechny analyzované typy popílků. Rozdíly lze zpozorovat v měrném povrchu, kdy popílek CI dosahuje nejnižší hodnoty, což je také potvrzeno níže granulometrickým rozborem.

Následující graf (viz Obr. 1) uvádí komparaci výsledných křivek zrnitosti analyzovaných popílků s využitím metody na principu laserové difrakce.

Obr. 1: Grafická komparace zrnitosti analyzovaných popílků

Křivky zrnitosti na Obr. 1 poukazují na přítomnost větších částic v popílku CI, což je s největší pravděpodobností zapříčiněno způsobem spalování a použitým palivem. V porovnání s ostatními analyzovanými popílky se jedná o poměrně markantní diference tohoto parametru. Pro další využití při výrobě cementotřískových desek lze zvážit případné zařazení dalšího kroku, a to vhodné úpravy frakčního rozmezí tohoto popílku – mlecí proces.

V následující tabulce (viz Tab. 2) jsou uvedeny minerály, resp. fázové složení popílků identifikované RTG difrakční analýzou.

Výsledky fázového složení poukazují na diference mezi jednotlivými vzorky. Tyto diference mají svůj původ především v rozdílném způsobu spalování a konkrétního použitého typu paliva. Je patrné, že popílek CI neobsahuje žádné minerály, jejichž přítomnost je charakteristická pro živce či nerostné suroviny obsahující ionty železa. Z hlediska uplatnění popílku CI v matrici cementotřískových desek je jeví jako vhodné a velmi zajímavé stanovení množství identifikované amorfní fáze. Kvantifikace amorfní fáze částečně vypovídá o případné pucolánové aktivitě popílků. V tomto ohledu bude však třeba provést ještě soubor dalších analýz.

V závěrečné části analyzování popílků uvažovaných pro modifikaci stávajícího složení receptur cementotřískových desek byla provedena diferenční termická analýza, která slouží především pro kvantifikaci některých základních fázových složek. Výsledky této analýzy jsou uvedeny na následujících obrázcích (viz Obr. 2, 3 a 4).

Obr. 2: Grafické vyhodnocení diferenční termické analýzy – vzorek TE

Obr. 3: Grafické vyhodnocení diferenční termické analýzy – vzorek EL

Obr. 4: Grafické vyhodnocení diferenčně termické analýzy – vzorek CI

Z difraktogramů na Obr. 2, 3 a 4 jsou patrné rozdíly v chování zkoumaných popílků za zvýšených teplot a dále také k jakým chemickým pochodům dochází za těchto zvýšených teplot. Podstatná je zejména kvantifikace hmotnostních úbytků v daném teplotním rozmezí. Např. v případě popílku EL lze zpozorovat nízké množství biotitu a organických látek. Popílek CI je charakterizován jediným výrazným hmotnostním úbytkem v rozmezí teplot 650 °C až 850 °C doprovázeného endoprodlevou. Pro exaktní identifikaci, resp. přiřazení korektní chemické reakce k výše uvedené endoprodlevě bude třeba přistoupit k provedení ještě dalších upřesňujících analytických metod. Naopak v intervalu cca 250 °C až 500 °C lze zpozorovat výraznou exoprodlevu, tj. pravděpodobně vyhořívání zbytků paliva, jehož původ může spočívat v nedokonalém spalovacím systému, kdy na povrchu popílku by mohlo docházet ke spékání této vrstvy, čímž by mohlo být zamezeno dokonalému termickému rozkladu ještě nerozložené hmoty paliva obsaženého uvnitř daného zrna. Výše uvedený teplotní interval je charakteristický pro termický rozklad některých druhů dřevin.

3. Závěr

Záměrem výzkumu prezentovaného v tomto článku bylo analyzování vedlejšího produktu – popílku (prozatím odpadu, který nenalézá dalšího využití) vznikajícího při výrobě cementotřískových desek. Tento popílek vzniká ze spalování dřevěných štěpků v kotli, který zajišťuje proteplování cementotřískových desek během jejich zrání. Důvodem prováděných analýz byla především možnost modifikace složení stávajících receptur cementotřískových desek právě tímto popílkem. Komparace byla provedena s popílky, které jsou již laboratorně testovány v matrici cementotřískových desek (s předchozími dílčími výsledky pozitivního rázu). Bylo zjištěno, že z hlediska chemického i fázového složení se jedná o odlišný popílek, než jsou právě dva výše zmíněné. Popílek CI se vyznačuje nižším obsahem SiO₂, Al₂O₃ a naopak zvýšeným množstvím CaO v porovnání s TE a EL. V této souvislosti je podstatná skutečnost obsahu amorfní fáze s kvantifikací množství amorfního SiO₂ v této prvotní fázi zkoumána nebyla. V případě, že by se však potvrdila přítomnost amorfního (a následně aktivního) SiO₂ mohlo by se teoreticky v kombinaci s vyšším množstvím CaO jednat o latentně hydraulickou látku. S ohledem na měrnou hmotnost a pH lze konstatovat, že nedochází k výraznějším diferencím. Podstatné je také granulometrické složení, které bude pravděpodobně třeba vhodně upravit tak, aby tento popílek bylo možné aplikovat buď jako příměs či parciálně substituční složku pojiva cementotřískových desek. Pro další fáze výzkumu lze doporučit provedení testů objasňujících případnou aktivitu během hydratačních procesů probíhajících při zrání matrice cementotřískových desek, tj. stanovení indexu účinnosti, pucolánové aktivity, příp. aktivního SiO₂ a množství amorfní fáze. Pokud budou dosahovány výsledky pozitivního rázu, bylo by možné uvažovat parciální substituci pojiva cementotřískových desek. V opačném případě se jeví jako vhodné zužitkování popílku spíše jako jemnozrnné příměsi bez výraznějšího projevu při hydratačních reakcích cementové matrice.

Tento výsledek byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu v rámci projektu FR-TI3/595 „Inovace složení směsi pro výrobu cementotřískové desky“.

Literatura

• [1] BRANDŠTETR, J; ŠAUMAN, Z. Teorie struktury stavebních látek. Ediční středisko VUT Brno, 1979. 258 s.
• [2] Soroushian, P.; Hassan, M. Evaluation of cement-bonded strawboard against alternative cement-based siding products. Construction and Building Materials [online]. Elsevier, March 2012. Volume 34, p. 77–82. [vid. 12. dubna 2012]. ISSN 0950–0618. Dostupné z: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061812000888