חומרי בניה/חומרי מליטה/חומרים פוצולנים/אפר פחם
אפר פחם הוא תוצר שריפת הפחם. בעבר הוא היווה חומר פסולת והיום הוא מהווה בעיקר חומר גלם בבניה ותשתית.
סוגי אפר
עריכה
אפר הפחם נוצר בתהליך שריפת הפחם בתחנות כח פחמיות. בתחנה, הפחם נטחן, ומוזן לתא בעירה המחובר לדוד קיטור. בתא הבעירה הפחם ניצת. חלקיקי האפר הגדולים יותר נופלים כבר בתא הבעירה, ונקראים אפר תחתית. אפר התחתית מכיל חלקיקים עד גודל של מספר מילימטרים. החלקיקים הקטנים יותר נקראים אפר מרחף. הם עוברים עם זרם האוויר החם דרך המשחן (שם הקיטור הרווי הופך לקיטור שחון),מחליפי החום (שם נוצר הקיטור הרווי) אל תאי השיקוע. בתחנות עתיקות, השיקוע נעשה בציקלון, שמפריד בעיקר חלקיקים גדולים (מעל 40 מיקרון). בתחנות מודרניות, השיקוע נעשה במשקעים אלקטרוסטטים. משקעים אלו מפרידים מזרם הגזים חלקיקי אפר קטנים עד כדי עשיריות מיקרון. כאשר מחוברים מספר משקעים בטור, ככול שמתרחקים מתא הבעירה, גודל החלקיקים המופרד הולך וקטן.
מסווגים את אפר הפחם גם לפי תכולת תחמוצת הסידן שבו, וזאת בעיקר לצורך שימוש כחומר פוצולני.
שימושים
עריכה
בעבר היו משליכים את אפר הפחם לים, או אוגרים אותו בערמות ללא שימוש ומהווה מפגע סביבתי. היום, אפר הפחם מהווה חומר גלם. מרבית השימוש של אפר הפחם הוא בבניה ותשתית.
בבטון וחומרי מליטה
עריכהאפר פחם משמש בבטון ומלטים על מנת להשיג אחד מהיתרונות הבאים:
- הפחתת כמות הצמנט, על-מנת להפחית את עלות הבטון
- הורדת חום הידרציה
- שיפור העבידות
- קבלת חוזק בטווח ארוך (מעבר לשלושה חודשים)
עבידות
עריכהלחלקיקים העגולים של אפר פחם דל סידן השפעה משמעותית על התכונות הראולוגיות של הבטון הטרי. ככול שאחוז החלקיקים הקטנים מ- 45 מיקרון גדול יותר, תוספת של אפר פחם מורידה את כמות המים הדרושה על-מנת להגיע לסומך נתון. חלקיקים גדולים מ- 45 מיקרון מגדילים את כמות המים הדרושה לסומך נתון.
פני השטח של אפר הפחם, ובעיקר תכולת פחם (נמדד על ידי פחת בשריפה - LOI), עשויים לספוח חומרים אורגנים. לכן יש לבדוק התאמה של מוספים מפחיתי מים לאפר פחם לפני השימוש. ככלל, צריכת מוספים, ובעיקר מוסף כולא אוויר גדולה ביותר בבטון המכיל אפר פחם.
שטח הפנים הגדול של אפר הפחם משפר את הלכידות של הבטון הטרי ומפחית הפרשת מים. לכן שימוש בכמויות גדולות של אפר פחם נפוץ ביותר בבטון מצטופף מעצמו, ובבטון בעל חוזק נמוך מבוקר.
הידרציה
עריכהאפר הפחם הוא חומר פוצולני, כלומר מתקשר בנוכחות סיד. אפר פחם בעל תכולת סידן גבוהה, יכול להיות חומר מליטה בפני עצמו. בדומה לחומרי מליטה אחרים, ככול שגודל הגרגר קטן יותר (שטח פנים סגולי גדול יותר), קצב התגובה גבוה יותר. לכן כחומר פוצולני משמש רק אפר הפחם המרחף. קצב ההידרציה של אפר הפחם נמוך, ובתנאים רגילים, ההידרציה שלו עורכת מספר חודשים. באשפרה בטמפרטורות גבוהות (מעל 70 מע"צ), אפר הפחם עובר הידרציה מהירה, כמעט ללא תלות בשטח הפנים הסגולי.
אפר הפחם מכיל סולפטים, שעשויים לעקב את ההידרציה של הטרי קלציום אלומינט בתערובת הבטון, בדומה לגבס.
חום ההידרציה של אפר פחם הוא כ- 15 עד 30 אחוז מחום ההידרציה של צמנט פורטלנד באותו משקל. לכן אפר פחם משמש להחלפת חלק מצמנט הפורטלנד ביציקות של גופים מסיביים.
חוזק
עריכהגורמים רבים משפיעים על התפתחות חוזק הבטון עם אפר פחם, וחוזקו הסופי, כגון: הרכב כימי, שטח פנים סגולי, ראקטיביות פוצולנית, טמפרטורה ותנאי אשפרה נוספים.
אפר פחם עשיר בסידן (20%-30% CaO, משקלי)הוא בעל תכונות מליטה זהות לצמנט פורטלנד, לכל צורך מעשי. ניתן להשתמש בו כתחליף לצמנט בכל יחס החלפה. אפר פחם עני בסידן (ידוע כסוג F) בעל קצב הידרציה נמוך בהרבה, ומביא את הבטון לחוזקים נמוכים יותר בגיל 28 כאשר יחס ההחלפה עם צמנט הוא 1:1.
שטח פנים סגולי של אפר הפחם משפיע על החוזק בשתי דרכים:
- הפחתת או הגדלת כמות המים הדרושה לעבידות.
- קצב ההידרציה.
תוצאות של מחקרים שונים בנוגע לקשר שבין שטח הפנים הסגולי לקצב התפתחות החוזק לא נתנו תוצאות אחידות. טחינה של אפר הפחם יחד עם הקלינקר ביצור הצמנט, לא פוגעת בתכונות הבטון יחסית לערבול של אפר הפחם עם צמנט. בבדיקות מקרוסקופיות, נמצא שחלקיקי אפר הפחם שומרים על צורתם העגולה, אבל צבירים של כדורי אפר פחם מפוררים בתהליך הטחינה, ומתקבל שיפור קל בעבידות, בעיקר באפר פחם עם גודל גרגרים גדול.
כאשר מאשפרים בטון מצמנט פורטלנד בטמפרטורות גבוהות מ- 30 מע"צ, החוזק מתפתח במהירות, על-חשבון חוזק מאוחר, שהולך ויורד ככול שהטמפרטורה גבוהה יותר. בבטון עם תכולה גבוהה של אפר פחם המצב שונה. ככול שטמפרטורת האשפרה גבוהה יותר, גם קצב התפתחות החוזק, וגם החוזק הסופי גבוהים יותר. ההשפעה של אשפרה בטמפרטורות גבוהות יותר (כ- 60 עד 80 מע"צ) כה משמעותית, עד כי היא מגמדת את חשיבותם של גורמים אחרים כגון: ראקטיביות פוצלנית ושטח פנים סגולי. מעבר לכך, אשפרה בחום בגיל צעיר משפיעה על קצב התפתחות החוזק לא רק בזמן בו הטמפרטורה גבוהה, אלא גם לאחר שהבטון התקרר.
קיים
עריכהקיים הוא היכולת של בטון, או מבנה בטון מזוין להמשיך ולשמור על תכונותיו (להתקיים) לאורך זמן. מכיוון שאפר פחם עובר הידרציה בקצב איטי יותר, בגיל מוקדם, או כאשר הבטון לא עבר אשפרה מספקת, בטון עם אפר פחם חדיר יותר לגורמים מזיקים. בגיל מאוחר יותר (בדרך כלל מעבר לשלושה חודשים) בטון המכיל אפר פחם אטום יותר מבטון זהה ללא אפר פחם. תכונה זו מגינה על מבני בטון מזוין כנגד קורזיה של הפלדה (עקב חדירת כלוריד). כמו כן, בטון המכיל אפר פחם עמיד יותר כנגד התקפת סולפטים, קורוזיה מיקרוביאלית וחומצות.
כחומר מילוי
עריכהאפר פחם מאיכות נמוכה, ובעיקר אפר תחתית משמשים כחומר מילוי בעבודות תשתית, כתחליף לחול. השימוש של אפר פחם כחומר מילוי בתשתיות יכול לצרוך כמות גדולה של אפר פחם, שאינו מתאים לשימושים אחרים, ולחסוך בכריית מחצבים.
ליצור אגרגטים קלים מלאכותיים
עריכהאפר פחם שימש ליצור אגרגטים קלים לראשונה בתקופת מלחמת העולם הראשונה. עקב המחסוק בפלדה, נבנו אוניות משא ומכליות מבטון קל מזוין.
קיימות מספר שיטות ליצור של אגרגט קל מאפר פחם, רובן מבוססות על סינטור של גרגרי האפר. אפר פחם ליצור של אגרגטים קלים יכול להיות בעל איכות נמוכה עבור שימושים אחרים, כלומר בעל תכולת שארית שריפה (LOI) גבוהה, פעילות פוצלנית נמוכה וגודל גרגר גדול.
תהליך היצור דומה לתהליך היצור של במבה ופריכיות, אבל הסינטור מתבצע בטמפרטורות גבוהות, מעל 1050 מע"צ. ראשית, מרטיבים את אפר הפחם. את האפר המורטב כובשים בלחץ לכדוריות. את הכדוריות מחממים במהירות לטמפרטורה גבוהה (במשך של שניות עד חצי דקה). המים שבכדורית הופכים לקיטור, מנפחים את הכדורית ויוצרים נקבים. בטמפרטורה הגבוהה, אפר הפחם מותך חלקית ומתקשה במבנה נקבובי, שהתקבל עקב הבועות שיצר הקיטור.
שיטה אחרת ליצור של אגרגטים קלים מאפר פחם משתמשת גם בפלסטיק שנאסף למחזור. בשיטה זו, הפלסטיק משמש כחומר הדבקה בין גרגרי האפר. לכן, הסינטור מתבצע בטמפרטורה נמוכה יותר, תוך כדי חיסכון ניכר באנרגיה. כמובן, שאגרגטים שמיוצרים בשיטה זו הם בעלי תכונות מכניות שונות, ויש להתיחס לכך כאשר משתמשים בהם ליצור בטון קל.
כמצע גידול בחקלאות
עריכההחלקים הגדולים של אפר התחתית משמשים כמצע גידול בחקלאות במקום טוף.
כחומר גלם בתעשייה
עריכהאפר פחם משמש כחומר גלם עיקרי ליצור אריחי קרמיקה דקורטיביים, אריכים בעלי עמידות גבוה בסביבות קשות, וליצירת אריחי בידוד תרמי ואקוסטי. כמו כן, אפר הפחם משמש כמרכיב ביצור יריעות בידוד אקוסטיות, וליצור אפודי מגן קרמים.
אפר הפחם בישראל
עריכהבישראל מיוצרים כמיליון טונות של אפר מרחף בשנה, וכ- 116 אלף טונות של אפר תחתית. מנהלת אפר הפחם היא הגוף האחראי על ניהול אפר הפחם, לרבות מימון מחקרים בנושא שימושים, הגנת הסביבה ובטיחות. כמעט כל האפר המרחף משמש ליצור צמנט ובטון. מרבית אפר התחתית משמש לעבודות סלילה ותשתית. כ- 10 עד 20 אלף טון מאפר התחתית משמשים כמצעי גידול בחקלאות.
בטיחות קרינה
עריכהאפר פחם מכיל כמות מזערית של אורניום. האורניום, בהתפרקותו פולט קרינת אלפא, שהיא למעשה גרעין של הליום (יון חיובי), והופך לראדון. קרינת אלפא נעצרת בקלות על ידי מוצקים (אפילו דף נייר), ובאוויר אינה מגיעה למרחק של יותר ממספר סנטימטרים. בדעיכה של האורניום נוצר ראדון שהוא גז רדיואקטיבי. מבנה הספרה החלולה של אפר הפחם גורם למחצית הגז הנפלט להשאר כלוא בתוך האפר ולא להשתחרר לסביבה. בבטון, תוצרי ההידרציה של אפר הפחם יוצרים בטון אטום שמפחית בצורה משמעותית את שפיעת הראדון לתוך מבנים. לכן, סך כל התרומה של אפר פחם לקרינה במבנים הינה זניחה, ואין כל סכנה בשימוש באפר פחם בבניה.
מקורות נוספים
עריכהמנהלת אפר הפחם
Supplementary Cementing Materials, V.M. Malhotra ed., 1987, Canadian Go. Pub. Centre pub.