รายงาน

เรื่อง เถ้าถ่านหิน

เสนอ

ผศ.ดร. เรืองรุชด์ิ ชิระโรจน์

จัดท าโดย

นางสาวจิณณพัตร วงค์อ ามาตร 55010320052 ระบบพิเศษ นายอนุวัตน์ เกษเกษร 56010370000 ระบบ ต่อเน่ือง

รายงานน้ีเป็นส่วนหน่ึงของวิชาเทคโนโลยีคอนกรีต ( 0301414 ) ภาคเรียนที่ 2 ปีการศีกษา 2557 คณะวิศวกรรมศาสตร์

มหาวิทยาลัยมหาสารคาม

เถ้าถ่านหิน

เถ้าถ่านหินหรือเถา้ลอย (fly ash) เกิดจากการเผาถ่าน เพือ่ผลิตกระแสไฟฟ้า เถ้าถ่านหินจะถูกพัด

ออกมาตามลมร้อนเพื่อออกไปสูป่ลอ่งควัน จากนั้นตัวดักจบั จะรวบรวมเถ้าถ่านหินเพื่อเก็บไว้ในไซโลตอ่ไป การผลิตกระแสไฟฟ้าที่โรงงานไฟฟ้าพลังงาน ความร้อนที่อ าเภอแม่เมาะ จังหวัดล าปาง ของการไฟฟ้า

ฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทยใช้ถ่านหินลิกไนต์เป็นเช้ือเพลิง กากที่เหลือจากการเผาถ่านหินประกอบด้วยเถ้าถ่านหินประมาณร้อยละ 20 และประมาณว่ามีเถ้าถ่านหินลิกไนต์ที่ได้จากการเผาถ่านหินเฉพาะที่แม่เมาะถึงปีละ ประมาณ 3 ล้านตัน

การใช้เถา้ถ่านหินในประเทศไทย

การก่อสร้างเขื่อนปากมูล เมือ่ปี พ.ศ. 2537 ซึ่งใช้คอนกรีตบดอัด (Roller Compacted Concrete) โดยมีส่วนผสมของซเีมนต์ 58 กิโลกรมั และเถ้าลอย 134 กิโลกรมั/คอนกรีต 1 ลูกบาศก์เมตร มีการใช้เถ้าถ่านหินจากโรงไฟฟ้าแมเ่มาะไปทั้งสิ้น 6,450 ตัน

เขื่อนคลองท่าด่าน เป็นเ ข่ือนคอนกรีตบดอัดที่ใหญ่ที่สุดในโลก มีปริมาตรคอนกรีตบดอัด

ถึง 5,470,000 ลูกบาศก์เมตร สูง 93 เมตร ยาว 2,720 เมตร ขนาดความจุ 224 ล้านลูกบาศก์เมตร การก่อสร้างผสมผสานระหว่างวิศวกรรมงานคอนกรีตกับวิศวกรรมงานดิน มีการน าเอาเถ้าลอยลิกไนท์ ที่ได้จากเหมืองแม่เมาะ อ าเภอแม่เมาะ จังหวัดล าปาง มาใช้ให้เกิดประโยชน์

ในหนึ่งวันจะมีรถขนเถ้าถ่านหินออกจากโรงไฟฟ้า มากกว่า 150 คัน หรือประมาณ 4,000-5,000 ตัน ทั้งนี้ข้ึนอยู่กบัว่าเถ้าถ่านหินที่ออกมาจากเตามปีรมิาณมากนอ้ยเพียงใด โดยรถที่เข้ามารับเถ้าลอยนั้นจะต้องเป็นรถที่มีการป้องกันอย่างมิดชิดก่อนทีจ่ะขนออกไป

ราคาของเถ้าลอยจ าหน่ายที่โรงไฟฟ้าแมเ่มาะ ตันละ 70 บาท ถ้ารวมค่าขนส่งและการจัดการราคาเถ้า

ลอยจะอยู่ทีป่ระมาณ 1,000 บาท/ตัน ในขณะที่ซีเมนต์ปกติจะจ าหน่ายในราคาประมาณ 2,000 บาท/ตัน

จากปริมาณการน าเถ้าลอยมาใช้ดังกลา่ว ท าให้ประเทศไทยเป็นอันดับท่ีหนึ่งในโลก เมื่อเทียบสัดส่วนปริมาณการน ากลบัมาใช้ต่อปริมาณการผลิตในปี พ.ศ. 2544

1. ศักยภาพของการน าเถ้าถ่านหินมาใช้ประโยชน์ การใช้เถ้าถ่านหินในงานก่อสร้างไม่ใช่เรื่องใหม่ มีรายงานเกี่ยวกับการน าเถ้าถ่านหินมาใช้แทน

ปูนซีเมนต์โดย Davis และคณะ น ามาใช้ประโยชน์ เช่น ในการขยายสนามบินที่เมือง Newark ในรัฐนิวเจอร์ซี สหรัฐอเมริกา ได้มีการน าเถ้าถ่านหินผสมกับปูนขาว ปูนซีเมนต์ และหินคลุก เพื่อใช้ในงานรองพื้นทางส าหรับทางว่ิงของสนามบิน โครงการนี้ใช้เถ้าถ่านหินถึง 1.6 ล้านลูกบาศก์เมตร ซึ่งสามารถประหยัดค่าก่อสร้างเนื่องจากการใช้เถ้าถ่านหินสูงถึง 21 ล้านเหรียญสหรัฐอเมริกา

เถ้าถ่านหิน นยิมน าไปใช้ในงานคอนกรีตมากกว่าในงานชนิดอ่ืนด้วยเหตุผล 2 ประการ คือ ประการแรก พบว่าเถ้าถ่านหินมีออกไซด์ของธาตุซิลิกา อลูมินา และเหล็ก ซึ่งออกไซด์ของธาตุเหล่าน้ีสามารถท าปฏิกิริยาปอซโซลานได้ดีและเพิ่มก าลังอัดคอนกรีตให้สูงข้ึน โดยเฉพาะเมื่อใช้เถ้าถ่านหินที่มีคุณภาพดีและในปริมาณที่เหมาะสม ประการท่ีสอง เนื่องจากเถ้าถ่านหินมีอนุภาคที่ค่อนข้างเล็กและส่วนใหญ่เป็นเม็ดกลมเมื่อผสมในคอนกรีตเถ้าถ่านหินจะเข้าไปอุดช่องว่าเล็กๆระหว่างปูนซีเมนต์และหินหรือทรายท าให้คอนกรีตแน่นข้ึน และลักษณะทรงกลมของเถ้าถ่านหินจะช่วยท าให้คอนกรีตมีการลื่นไหลได้ดีข้ึนท าให้การสูบส่งคอนกรี ตหรือเทคอนกรีตลงในแบบท าได้สะดวกและง่ายข้ึน

2 . คุณสมบัติของเถ้าถ่านหิน

2.1 คุณสมบัติทางกายภาพ ถ่านหินที่บดละเอียดผ่านการเผาไหม้จะสันดาปและหลอมละลายเมื่อเผาที่อุณหภูมิสูงเถ้าถ่านหิน

ขนาดเล็กสามารถลอยตามอากาศร้อนไปได้ เถ้าถ่านหินขนาดเล็กจะผ่านการเผาไหม้ที่สมบูรณ์กว่าจึงมีทรง

กลมและผิวเรียบ เถ้าถ่านหินขนาดใหญ่จะมีรูปร่างที่ไม่แน่นอน ผิวขรุขระ และมีรูเล็กๆ ที่ผิวและอาจมีปริมาณ

ของคาร์บอน (carbon) สูง อนุภาคเถ้าถ่านหินมีขนาดต้ังแต่เล็กกว่า 1 ไมครอน ความละเอียดของเถ้าถ่านหิน

จากโรงไฟฟ้าที่แม่เมาะซึ่งทดสอบโดยวิธีของเบลนมีความละเอียดอยู่ในช่วง 2,500 ถึง 3,500 ซม2/ก

2.2 องค์ประกอบทางเคม ีองค์ประกอบหลักทางเคมีของเถ้าถ่านหินคือ

- SiO2

- Al2O3

- และ Fe2O3

อัตราส่วนของออกไซด์ทัง้ 3 ชนิด จะข้ึนอยู่กับ ชนิดของถ่านหิน อุณหภูมิ และสภาพแวดล้อมขณะเผา ด้วยเหตุน้ี ASTM C618 จึงแบ่งเถ้าถ่านหินออกเป็น 2 ประเภท คือ Class F Class C

• -เถ้าลอย Class F ได้จากการเผาถ่านหินประเภท แอนทราไซด์ หรือ บิทูมินสั

-เถ้าลอย Class C ได้จากการเผาถ่านหินประเภท ซัมบิทูมินัส หรือ ลิกไนต ์

2.3 ปฏิกิริยาปอซโซลานของเถ้าถา่นหิน ความสามารถของเถ้าถ่านหิน ในการรวมตัวกับแคลเซียมไฮดรอกไซด์เพื่อท าปฏิกิริยาปอซโซลาน จะ

ข้ึนอยู่กับความละเอียดของเถ้าถ่านหิน คือ เถ้าถ่านหินที่มีความละเอียดมากปฏิกิริยาจะเกิดข้ึนได้เร็วกว่าเถ้าถ่านหินที่มีความละเอียดน้อยกว่า และในท านองเดียวกันเถ้าถ่านหินที่มีปริมาณร้อยละของคาร์บอนต่ าก็จะมีการพัฒนาก าลังได้ไวเช่นกัน ความว่องไวในการท าปฏิกิริยาปอซโซลานสามารถวัดได้โดยใช้ค่าดัชนีก าลัง (Strength Activity Index)

Class F Class C

โดย A = ก าลังอัดของมอร์ต้าที่แทนที่ปูนซีเมนต์ด้วยเถ้าถ่านหนิร้อยละ 20 B = ก าลังอัดของมอร์ต้าร์มาตรฐานที่ไมม่ีเถ้าถ่านหิน ASTM C618 ได้ก าหนดว่า ดัชนีก าลังของเถ้าถ่านหินทั้ง Class F และ Class C ไม่ควรต่ ากว่าร้อยละ 75 ของมอร์ตาร์มาตรฐานที่อายุ 28 วัน

3. คุณสมบัติของซีเมนต์ผสมเถ้าถ่านหิน 3.1 ความต้องการน้ า

เถ้าถ่านหินมีลักษณะเป็นเม็ดกลมและมีผิวเรียบท าให้ส่วนผสมท างานได้ง่ายข้ึนและต้องการน้ าลดลงเมื่อก าหนดให้มีความสามารถในการเทเท่ากัน เถ้าถ่านหินนอกจากสามารถลดปริมาณน้ าแล้ว ในหลายกรณีพบว่ายังเพิ่มความสามารถในการท างานของมอร์ตาร์และคอนกรีตได้โดยคงปริมาณน้ าไว้ค่าการไหลแผ่ของมอร์ตาร์ท าจากปูนซีเมนต์ผสมเถ้าถ่านหินแม่เมาะร้อยละ 0, 20 และ 40 ที่มีอัตราส่วนน้ าต่อวัสดุประสานเท่ากับ 0.45 มีค่าเท่ากับ ร้อยละ 125,135 และ 145 ตามล าดับ

3.2 ระยะเวลาก่อตัว โดยทั่วไประยะการกอ่ตัวของเพสต์ผสมเถ้าถ่านหินจะเพิม่ขึ้นเล็กน้อยเนื่องจากการแทนที่ด้วยเถ้าถ่านหินท าใหป้รมิาณปูนซเีมนต์ปอร์ตแลนด์ลดลง เถ้าถ่านหินที่ละเอียดมีแนวโน้มท าใหก้ารกอ่ตัวเร็วข้ึนและในทางกลบักันเถ้าถ่านหินที่หยาบมีแนวโน้มท าให้การก่อตัวช้าลง เถ้าถ่านหินที่มีปริมาณ SO3 สูงจะมีเวลาการก่อตัวเพิ่มข้ึนมากได้

3.3 การเยิ้มน้ า การผสมเถ้าถ่านหินท าใหป้รมิาตรวัสดุประสานเพิ่มข้ึนเนื่องจากเถ้าถ่านหินมีความถ่วงจ าเพาะต่ ากว่า

ปูนซีเมนต์และท าให้การเยิม้น้ าของเพสต์และมอร์ต้ารล์ดลง การเยิม้น้ าของคอนกรีตต่ ากว่าเพสต์และมอร์ต้าร์เนื่องจากมปีรมิาณเพสต์ต่ ากว่า คอนกรีตผสมเถ้าถ่านหินจะมีการเยิ้มน้ าลดลงเช่นกัน แต่ก็มีรายงานเช่นกันว่าเถ้าถ่านหิน 6 จาก 11 ชนิด ที่ทดสอบเพิ่มการเยิ้มน้ า เมือ่ผสมเถ้าถ่านหินที่อัตราส่วนน้ าต่อวัสดุประสาน เท่ากันโดยไมล่ดน้ าเพิม่ขึ้นได้ การผสมเถ้าถ่านหินแทนปูนซีเมนต์ยังท าใหส้่วนผสมเกาตัวกันได้ดีเป็นผลให้โอกาสในการเกิดการแยกตัว (Segregation) ของคอนกรีตน้อยลงด้วย

ปริมาตรน้ าเยิม้ (10-3 มิลลลิิตรต่อตารางมิลลิเมตร)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

คอนกรีตธรรมดา 30 MPa

ผสมเถ้าถ่านหิน 25% 30 MPa

คอนกรีตธรรมดา 50 MPa

ผสมเถ้าถ่านหิน 25 % 50 MPa

3.4 โพรง การใช้เถ้าถ่านหินแทนที่ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ท าให้ขนาดและโครงสร้างของโพรงเปลี่ยนไป ปฏิกิริยา

ในช่วงต้นข้ึนอยู่กับปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ การใส่เถ้าถ่านหินท าให้ปริมาณของปูนซีเมนต์ ปอร์ตแลนด์และปฏิกิริยาไฮเดรช่ันในช่วงต้นลดลง เป็นผลให้โพรงของเพสต์มีมากข้ึนเมื่อเทียบกับเพสต์ของปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ แต่ทั้งนี้การกระจายตัวของโพรงจะดีข้ึนเพราะเถ้าถ่านหินมีลักษณะอนุภาคกลมท าให้สามารถกระจายตัวได้ดีในซีเมนต์เพสต์ และท าให้ขนาดเฉลี่ยของโพรงเล็กลงเมื่อปริมาณเถ้าถ่านหิน มากขึ้น

โพรงท้ังหมด (%)

4. การใช้เถ้าถ่านหินในงานคอนกรีต

4.1 การใช้เถา้ถ่านหินในงานคอนกรีตท่ัวไป การใช้เถ้าถ่านหินในงานคอนกรีตสามารถใช่เพื่อเพิ่มปริมาณวัสดุประสานหรือใช้แทนที่ปูนซีเมนต์บางส่วน เนื่องจากเถ้าถ่านหินมีทรงกลมจึงท าให้ส่วนผสมคอนกรีตมีความสามารถเทได้ดีข้ึน และต้องการน้ าลดลง การใช้เถ้าถ่านหินแทนที่ปูนซีเมนต์บางส่วนท าให้ก าลังอัดที่อายุเริ่มต้นของคอนกรีตต่ ากว่าคอนกรีตที่ไม่มีเถ้าถ่านหิน แต่จะมีก าลังอัดสูงกว่าเมื่อมีอายุมากขึ้น นอกจากนี้การบ่มคอนกรีตที่มีเถ้าถ่านหินก็มีความส าคัญมากกว่าคอนกรีตธรรมดา เพราะคอนกรีตที่ผสมเถ้าถ่านหินต้องอาศัยด่างที่ได้จากปฏิกิริยาไฮเดรชันและต้องการความช้ืนในการท าปฏิกิริยาปอซโซลาน ACI 232:2R [15] แนะน าว่าควรใช้เถ้าถ่านหิน Class F หรือ Class C ในปริมาณร้อยละ 15 ถึง 35 โดยน้ าหนัก

0

10

20

30

40

7 วนั 28 วนั 60 วนั 90 วนั

ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ (OPC)

เถ้าถ่านหิน 20% (OFA20)

เถ้าถ่านหิน 40% (OFA40)

ปูนซีเมนต์บวกกับเถ้าถ่านหิน การใช้เถ้าถ่านหินในปริมาณที่มากเกินไปจะท าให้คอนกรีตมีก าลังอัดที่ต่ าจนอาจใช้งานไม่ได้ ดังนั้นจึงควรค านึงถึงการใช้เถ้าถ่านหินเพื่อทดแทนปูนซีเมนต์บางส่วนเพราะท าให้คอนกรีตมีราคาถูกลง ขณะที่การพัฒนาก าลังอัดของคอนกรีตที่ใช้เถ้าถ่านหินมีค่าใกล้เคียงหรืออยู่ในระดับที่ยอมรับได้เมื่อเปรียบเทียบกับคอนกรีตที่ไม่ได้ผสมเถ้าถ่านหิน เถ้าถ่านหินนิยมใช้ในงานคอนกรีตหลาหรือคอนกรีตขนาดใหญ่เพื่อลดความร้อนจากปฏิกิริยาไฮเดรชัน ซึ่งมักใช้แทนที่ปูนซีเมนต์ค่อนข้างสูงโดยทั่วไปมักสูงกว่าร้อยละ 30 ข้ึนไป นอกจากนี้ยังนิยมใช้เถ้าถ่านหินเป็นส่วนผสมที่ส าคัญในการท าคอนกรีตบดอัด (Roller compacted concrete) ส าหรับก่อสร้างถนน หรือก่อสร้างเข่ือนคอนกรีตบดอัดที่ปากมูล เป็นต้น 4.2 การใช้เถ้าถา่นหินในงานคอนกรีตก าลังสูง

หลักการทั่วไปในการผลิตคอนกรีตก าลังสูง คือการลดปริมาณน้ าที่ใช้ในการผสมคอนกรีตลงให้มากที่สุดเท่าที่จะท าได้โดยไม่ท าให้คอนกรีตสุญเสียคุณสมบัติในด้านการเทหรือเกิดการแยกตัวปริมาณน้ าที่ใช้โดยทั่วไปมีค่าประมาณ 0.27 ถึง 0.50 โดยน้ าหนักของวัสดุประสาน การใช้ปริมาณน้ าที่ต่ ากว่า 0.35 โดยน้ าหนักวัสดุประสาน เมื่อน าไปใช้งานคอนกรีตโดยทั่วไปจะไม่สามารถผสมคอนกรีตได้เพราะคอนกรีตจะแห้งมาก นอกจากจะใช้สารเคมีผสมเพิ่มจ าพวกสารลดน้ าพิเศษหรือสารซูเปอร์พลาสติไซเซอร์เข้าช่วย ACI 363 ก าหนดให้คอรกรีตที่มีก าลังอักสูงกว่า 410 กก/ซม2 เมื่อทดสอบโดยใช้แท่งรูปทรงกระบอกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 นิ้ว สูง 12 นิ้ว ถือกันว่าเป็นคอนกรีตก าลังสูง นอกจากนี้ยังนิยมใช้สารผสมเพิ่มที่เป็นวัสดุปอซโวลานจ าพวก เถ้าถ่านหิน ซิลิกาฟูม และ เมทาเคาลิน เข้าช่วยด้วย ในรายงานเกี่ยวกับคอนกรีตก าลังสูงส าหับตึกระฟ้าในนครชิกาโกได้ระบุ ให้ใช้เถ้าถ่านหิน Class F

ในการผสมเพื่อท าคอนกรีตก าลังสูงเพราะปฏิกิริยาปอซโซลานจะเพิ่มก าลังอัดของคอนกรีตเมื่ออายุมากขึ้น และขนาดอนุภาคที่เล็กของเถ้าถ่านหินจะไปอุดช่องว่างที่มีอยู่ในคอนกรีตให้ลดลง เถ้าถ่านหินจากแม่เมาะสามารถน ามาผลิตคอนกรีตก าลังสูงและให้ก าลังอักที่อยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้ โดยประหยัดกว่าการใช้ซิลิกาฟูมควบแน่น นอกจากนี้การใช้เถ้าถ่านหินที่ละเอียดข้ึนจะช่วยพัฒนาก าลังอัดในช่วงอายุต้นของคอนกรีตก าลังสูงให้ดีข้ึนและก าลังอัดที่อายุมากข้ึนจะดีย่ิงข้ึนด้วย

5. การใช้เถ้าถ่านหินในการป้องกันการกัดกร่อน 5.1 การท าลายโดยสารซลัเฟต

เถ้าถ่านหินสามารถเพิ่มการต้านทานการกัดกร่อนของคอนกรีตจากซัลเฟตได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งเถ้าถ่านหิน Class F จะต้านทานการกัดกร่อนได้ดีกว่า Class C การต้านทานการกัดกร่อนเกิดจากปฏิกิริยาปอซโซลานได้เปลี่ยนรูปของ Ca(OH)2 ให้เป็น CSH ซึ่งเป็นสารประกอบที่ทนต่อการกัดกร่อนได้สูงกว่า Ca(OH)2 อย่างมาก การต้านทานการกัดกร่อนยังข้ึนกับ ความละเอียดของเถ้าถ่านหินด้วย ยิ่งละเอียดมากยิ่งช่วยมาก

5.2 การท าลายโดยกรด การใช้ถ่านหินแทนที่ปูนซีเมนต์สามารถลดการกัดกร่อนของกรดซัลฟูริกได้ คอนกรีตที่ผสมเถ้าถ่านหิน

จากแม่เมาะในปริมาณที่สูงกว่าร้อยละ 35 โดยน้ าหนักของวัตถุประสาน จะเพิ่มความต้านทานของการกัดกร่อนของกรดซัลฟูริกเข้มข้นร้อยละ 10 ได้สูงข้ึนกว่าคอนกรีตธรรมดาที่ไม่มีเถ้าถ่านหิน การสูญเสียน้ าหนักของมอร์ตารผ์สมเถถ่านหินแม่เมาะในกรดซัลฟูริก

5.3 การซึมผ่านของสารคลอไรด ์คลอไรด์ที่ซึมเข้าในคอนกรีตจะท าให้เหล็กเสริมเริ่มเกิดสนิม การใช้เถ้าถ่านหินสามารถลดปริมาณ

คลอไรด์ที่ซึมผ่านเข้าไปในคอนกรีตและการใช้เถ้าถ่านหินที่ละเอียดสามารถต้านทานการซึมผ่านของสารคลอไรด์ได้ดีข้ึนกว่าคอนกรีตที่ไม่มีส่วนผสมของเถ้าถ่านหิน

ปริมาณคลอไรด์ในคอนกรีตผสมเถ้าถา่นหิน

5.4 การเกิดคาร์บอเนชัน คาร์บอเนชัน(Carbonation) เป็นการที่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไปท าปฏิกริิยากับซีเมนต์เพสต์ที่

แข็งตัวแล้ว โดยท าปฏิกิริยากับแคลเซียมไฮดรอกไซด์ ท าใหเ้กิดความเป็นด่างของซเีมนตเ์พสต์ลดลงจาก pH 13 เหลือเพียง 8-9 และท าให้ฟลิ์มบางทีเ่คลอืบผิวเหล็กเสรมิถูกท าลายได้เช่นกัน การใช้เถ้าถ่านหินแมจ้ะลดปรมิาณแคลเซียมไฮดรอกไซด์ลงท าให้การเกิด คาร์บอเนชันเร็วข้ึน แต่การ

ใช้เถ้าถ่านหินท าให้คอนกรีตมีเนือ้แน่นข้ึน ทึบน้ ามากขึ้น ซึ่งจะสง่ผลใหก้ารเกิดคารบ์อเนชันลดลงเช่นกัน

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

1.25 2.5 7.5 12.5 17.5 22.5

คอนกรีตธรรมดา

คอนกรีตผสมเถ้าถ่านหิน

คอนกรีตผสมเถ้าถ่านหิน 30%

การเกิดคาร์บอเนชันในชิ้นส่วนคอนกรีตท่ีปริมาณ co2ร้อยละ 4

0

10

20

30

40

50

60

70

คอนกรตีธรรมดา คอนกรตีผสมเถ้าถา่นหิน 20%

บ่ม 1 วัน

บ่ม 7 วัน

บ่ม 28 วัน