Jump to ContentJump to Main Navigation
Show Summary Details
In This Section

Archives of Civil Engineering

The Journal of Polish Academy of Sciences

4 Issues per year


SCImago Journal Rank (SJR): 0.251
Source Normalized Impact per Paper (SNIP): 0.521

Open Access
Online
ISSN
1230-2945
See all formats and pricing
In This Section

Feasibility Of Making Concrete Using Lignite Coal Bottom Ash As Fine Aggregate

Wykorzystanie popiołu dennego ze spalania węgla brunatnego jako kruszywa drobnego do betonu

T. S. Thandavamoorthy
  • Prof., PhD., Adhiparasakthi Engineering College, Department of Civil Engineering, Melmaruvathur 603319, India
  • Email:
Published Online: 2015-10-26 | DOI: https://doi.org/10.1515/ace-2015-0022

Abstract

Concrete is generally produced using materials such as crushed stone and river sand to the extent of about 80-90% combined with cement and water. These materials are quarried from natural sources. Their depletion will cause strain on the environment. To prevent this, bottom ash produced at thermal power plants by burning of coal has been utilized in this investigation into making concrete. The experimental investigation presents the development of concrete containing lignite coal bottom ash as fine aggregate in various percentages of 25, 50, and 100. Compressive, split tensile, and flexural strength as part of mechanical properties; acid, sulphate attack, and sustainability under elevated temperature as part of durability properties, were determined. These properties were compared with that of normal concrete. It was concluded from this investigation that bottom ash to an extent of 25% can be substituted in place of river sand in the production of concrete.

Streszczenie

Beton jest popularnym materiałem budowlanym przygotowywanym przy użyciu lokalnie dostępnych materiałów, takich jak tłuczeń kamienny, piasek i woda. Cement natomiast jest fabrycznie produkowanym składnikiem łączącym wszystkie te materiały. Materiały są dostosowane do wymagań, dobrze wymieszane i umieszczone w formie szalunkowej. Po około 18 do 24 godzin, usuwa się formę szalunkową, a beton pozostawia się do stwardnienia, jednocześnie pielęgnując go poprzez polewanie wodą przez około 28 dni lub aż do dnia badania. W miarę wydobywania tłucznia kamiennego oraz piasku z naturalnych źródeł, wykorzystywanie tych materiałów na dużą skalę nie tylko wyczerpuje źródła, ale również negatywnie wpływa na środowisko. Zbadanie alternatyw dla tych materiałów okazuje się być tym bardziej konieczne. Obecnie działalność człowieka generuje duże ilości odpadów przemysłowych, rolniczych, itp. Jednym z takich odpadów przemysłowych jest popiół denny otrzymywany z elektrowni cieplnych po spalaniu węgla w procesie wytwarzania energii elektrycznej. Struktura popiołu dennego uznaje się za podobną do piasku rzecznego, używanego jako drobne kruszywo do wytwarzaniu betonu. Charakterystyka popiołu dennego nie wszędzie wygląda tak samo, ponieważ właściwości węgla również zmieniają się w zależności od miejsca. Popiół denny z węgla brunatnego uzyskano z elektrociepłowni Neyveli Thermal Power Plant w Indiach i wykorzystano w badaniu eksperymentalnym, jako drobne kruszywo do przygotowania betonu. Popiół denny został użyty w celu zastąpienia piasku rzecznego według wskaźnika 25%, 50% i 100%. Określono właściwości fizyczne i chemiczne popiołu dennego.

Klasyfikacja popiołu dennego powstała na skutek przeprowadzonego badania i została porównana z klasyfikacją piasku rzecznego. Maksymalny rozmiar kruszywa łamanego wynosił 20 mm. Maksymalna wielkość drobnego kruszywa wynosiła 10 mm. Mieszanka w proporcji 1:1.32: 2.88 przy stosunku woda/cement wynoszącym 0,45 była stosowana w celu wytworzenia betonu. Wykorzystując ten beton, próbki kontrolne zostały odlane zagęszczając beton za pomocą pręta do ubijania (sztychowania). Po utwardzeniu, próbki były badane pod kątem ścisku, wytrzymałości na rozszczepianie i zgięcia. Zaprezentowano wytrzymałość na ściskanie zarówno normalnego betonu, jak i betonu z popiołu dennego. Wytrzymałość betonu normalnego wyniosła 31,9 MPa. Kryteria akceptacji zalecane przez IS: 456 dla 25 MPa klasy betonu to 31,6 MPa. W związku z tym, normalny beton przeszedł kryteria akceptacji. Wytrzymałość na ściskanie betonu zawierającego 25% popiołu dennego wyniosła 48 MPa, czyli 50,47% wyższa niż w przypadku normalnego betonu.

Wraz z wyższymi wartościami procentowymi popiołu dennego poziom wytrzymałości spadł, jednak nadal jest on wyższy niż w przypadku normalnego betonu. Przedstawione zostały również wyniki wytrzymałości na rozszczepianie i rozciąganie różnych typów betonu. Wytrzymałość na rozszczepianie i rozciąganie normalnego betonu wyniosła 3 MPa. Odpowiednia wartość dla 25% betonu z popiołu dennego wyniosła 3,45 MPa. Wartość ta jest 15% wyższa niż w przypadku normalnego betonu. Dla innych wartości procentowych zamiennika, wartości były niższe niż w przypadku normalnego betonu. Wytrzymałość na rozszczepianie i rozciąganie osiągnęła wartość szczytową na poziomie zastępczym 25%. Wytrzymałość na zginanie betonu z popiołu dennego na poziomie 25% osiągnęła najwyższą wytrzymałość 7,51 MPa wobec wartości 6,5 MPa w przypadku normalnego betonu. Wartość ta jest 15,54% większa niż wartość normalnego betonu. Oba rodzaje próbek betonu były również badane w celu oceny ich odporności na działanie kwasu, siarczanu i podwyższonej temperatury. Zaprezentowano wyniki testu płynności zarówno w przypadku normalnego betonu, jak i betonu z popiołu dennego. W związku z tym, ubytek masy w przypadku normalnego betonu w ciągu 30 dni wyniósł 4,25% w porównaniu z 2,74% dla betonu z popiołu dennego w przypadku 25% zamiennika. Wartość ta jest 35,53% niższa niż w przypadku normalnego betonu. Oczywiste jest, że odporność na działanie kwasu w przypadku betonu zawierającego 25% popiołu dennego jest lepsza od zwykłego betonu. Odpowiednie wartości dla 60 dni ekspozycji wynoszą 2,12% i 3,16%, odpowiednio dla normalnego betonu oraz betonu zawierającego 25% popiołu dennego. W związku z tym, dla dłuższej ekspozycji w kwaśnym środowisku, utrata masy w przypadku betonu z popiołu dennego była wyższa o 49% w porównaniu z normalnym betonem.

Podane są wyniki działania siarczanu, uzyskane w badaniu eksperymentalnym na obu typach betonu w ciągu 30 i 60 dni. W związku z tym, przez 30 dni, normalny beton oraz beton z popiołu dennego w przypadku 25% zamiennika charakteryzują te same wartości procentowe utraty masy, które wynoszą 0,59. W przypadku 50% popiołu dennego, utrata masy wzrosła do 0,97%, a dla 100% wyniosła 2,65%, a więc 4,5 razy większa niż w normalnym betonie. Podczas 60-dniowej ekspozycji, utrata masy normalnego betonu była najwyższa, a z dodatkiem popiołu dennego zmniejszyła się i osiągnęła najniższą wartość w przypadku 25% poziomu zastępczego. Po 28 dniach pielęgnacji, trzy kostki różnych rodzajów betonu: normalnego, a także betonu z popiołu dennego o procentowych wartościach tego zamiennika wynoszących 25%, 50% i 100% były trzymane w piecu w temperaturze 250 ºC, nieprzerwanie przez około 120 godzin. Nie zaobserwowano żadnych uszkodzeń. Stwierdzono, że beton z popiołu dennego spełnił wszystkie kryteria normalnego betonu i dlatego jest traktowany na równi z piaskiem rzecznym. W związku z tym, zaleca się, aby popiół denny, podobnie jak piasek rzeczny, był stosowany do produkcji cementu oraz w budownictwie.

Keywords: Concrete; Bottom Ash; Fine Aggregate; Strength; Durability

Keywords: beton; popiół denny; kruszywo drobne; wytrzymałość; trwałość

References

  • 1. W. Zhang, J. M. Ingham, “Using recycled concrete aggregates in New Zealand ready-mixed concrete production”, Journal of Materials in Civil Engineering, ASCE, 22, 5, 443-450, 2010.

  • 2. P. Aggarwal, Y. Aggarwal, S.M., Gupta, “Effect of bottom ash as replacement of fine aggregates in concrete”, Asian Journal of Civil Engineering, 8, 1, 49-62, 2007.

  • 3. T. S. Thandavamoorthy, “Feasibility of making concrete from soil instead of river sand,” ICI Journal, 15, 1, 7-12, 2014.

  • 4. M. Singh, R. Siddique, “Effect of coal bottom ash as partial replacement of sand on properties of concrete:, Resources, Conservation and Recycling, 72, 20–32, 2013.

  • 5. Y. Bai, “Influence of furnace bottom ash as fine aggregate on strength and durability properties of concrete”, PHD thesis, Queen's University Belfast, Northern Ireland, 2004.

  • 6. M. Nisnevich, L. Sirotin, Y. Dvoskin Eshel, “Effect of moisture content of highly porous bottom ash on properties of concrete mixture and hardened concrete”, Magazine of Concrete Research, 53, 4, 283-288, 2001.

  • 7. N. Ghafoori, J. Bucholc, “Investigation of lignite-based bottom ash for structural concrete”, Journal of Materials in Civil Engineering, 8, 3, 128-137, 1996.

  • 8. IS 12269, Indian standard specification for 53 grade ordinary Portland cement, Bureau of Indian Standards, New Delhi, 10, 2013.

  • 9. IS: 383, Indian standard specifications for coarse and fine aggregate for natural concrete, Bureau of Indian Standards, New Delhi, 19, 1970.

  • 10. BS: 812 – Part 103, Methods of determination of particle size determination, British Standards Institution, London, 15, 1985.

  • 11. S 456, Indian Standard plain and reinforced concrete – code of practice, Bureau of Indian Standards, New Delhi, 100, 2000.

  • 12. BS: 8110 – Part 1 (1985), Structural use of concrete: code of practice for design and construction, British Standards Institution, London.

  • 13. IS: 1199, Indian standard method of sampling and analysis of concrete, Bureau of Indian Standards, New Delhi, 44, 1959.

  • 14. ASTM C 143, Standard test method for slump of hydraulic cement concrete, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA, 4, 1996.

  • 15. BS: 1881 – Part 103, Method for determination of compacting factor, British Standards Institution, London, 12, 1993.

  • 16. Pundit, “Manual of portable ultrasonic non destructive digital indicating tester,” C. N. S. Instruments, London, 1993.

  • 17. IS: 516, Indian standard methods of tests for strength of concrete, Bureau of Indian Standards, New Delhi, 24, 1959.

  • 18. BS: 1881 – Part 116, Method for determination of compressive strength of concrete cubes, British Standards Institution, London, 8, 1983.

  • 19. IS 5816 Indian standard splitting tensile strength of concrete - method of test, Bureau of Indian Standards, New Delhi, First Revision, 8, 1999.

  • 20. S. Türkel, B. Felekoğlu and S. Dulluҫ, “Influence of various acids on the physico–mechanical properties of pozzolanic cement mortars”, Sadhana, 32, 6, 683-691, 2007.

About the article

Received: 2015-04-26

Revised: 2015-06-28

Published Online: 2015-10-26

Published in Print: 2015-09-01



Citation Information: Archives of Civil Engineering, ISSN (Online) 1230-2945, DOI: https://doi.org/10.1515/ace-2015-0022. Export Citation

© 2015 Polish Academy of Sciences. This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 Public License. (CC BY 4.0)

Comments (0)

Please log in or register to comment.
Log in