การพัฒนาสูตรผสมปูนซีเมนต์ปอร ...ป จจ...

การพัฒนาสูตรผสมปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ร่วมกับเอฟจีดียิปซัมและวัสดุปอซโซลาน

ดร. สุภาพร วนัสมนาย ปรเมศวร์ ฉินทสงเคราะห์นางสาว วณานุรัตน์ ศรีจ าพนัธ์ุ

ศูนยเ์ทคโนโลยโีลหะและวสัดุแห่งชาติส านกังานพฒันาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยแีห่งชาติ

การผลิต ORDINARY PORTLAND CEMENT (OPC)มีปัญหาอะไร?

ใชพ้ลงังานในการผลิตสูง(1800 กิโลจูล ต่อ OPC 1 กิโลกรัม)

CaCO3 CaO + CO2

ปลดปล่อย CO2 ปริมาณมาก (CO2 1 กิโลกรัม ต่อ OPC 1 กิโลกรัม)

5% ของการปลดปล่อย CO2 ทั้งหมดในโลกมาจากอุตสาหกรรมการผลิตปูนซีเมนต์

หินปูน (CaCO3)หินดินดาน

ดินลูกรัง ทราย

Raw Meal

ปูนเมด็

OPC

เผา 1450°C

บดผสม

บด + เติมยปิซมั 5-6%

heat

OPC ผสมวัสดุปอซโซลาน (สารประกอบ Aluminosilicates )- ปอซโซลานธรรมชาติ เช่น หินภู เขาไฟ , หิน Opaline, หินตะกอน (Chert), แร่

ดินเบา (Diatomite), ดินขาวแปร (Metakaolin)ปัญหา : ต้องใช้ปูนขาว สารละลายด่าง เพื่อ เ ร่งการแข็งตัว ต้องบ่มท่ีอุณหภูมิสูง

- ปอซโซลานสังเคราะห์ เช่น เถ้าลอย (Coal f ly ash) ตะกรันถลุงเหล็ก (Blast furnace slag) ซิลิกาฟูม (Silica fume)

ปัญหา : คุณภาพไม่คงท่ี ปริมาณไม่เพียงพอ (ราคาแพง ส าหรับซิลิกาฟูม)

ปูนซีเมนต์ท่ีมี Belite (2CaO.SiO2)สูงปัญหา : ลด CO2 ได้เล็กน้อยจากการเผาหินปูนน้อยลง แต่อาจเพิ่ม CO2 จากการ

เผาผลาญเช้ือเพลิงเป็นพลังงานในการบด แข็งตัวช้า สังเคราะห์ได้ผลิตภัณฑ์ปริมาณน้อย

ปูนซีเมนต์ที่ เป็นมิตรต่อส่ิงแวดล้อม

ปัจจุบันเติมยิปซัม 5-6 wt% เพื่อหน่วงการแข็งตัวของ C3A ใน OPC อยู่แล้ว

CaSO4.2H2O CaSO4.0.5H2O + 1.5H2O

ยิปซัมจะถูกเผาไล่น ้าให้เป็นปูนปลาสเตอร์ เ ม่ือใช้งานจึงเติมน ้า เพื่อเปล่ียนกลับเป็นยิปซัม และหล่อข้ึนรูปในขณะเหลว

ใช้แพร่หลายในแม่พิมพ์สุขภัณฑ์ ฝ้า เพดาน งานหล่อ การตกผลึกของยิปซัมจ านวนมาก ท าให้เ กิดโครงข่ายท่ีซับซ้อน แข็งแรง เกิดได้อย่างรวดเร็วท่ีอุณหภูมิห้องและไม่ปลดปล่อย CO2

“Green” material ลดการปลดปล่อย CO2 และประหยัดพลังงาน

ยิปซัม:

<180 ºC

ปูนปลาสเตอร์ยปิซมั

CaSO4.2H2O

FGD ยิปซัม

Flue-gas desulfurization (FGD) เป็นการแยกก๊าซ SO2 ออกจากก๊าซเสีย ท่ีเกิดจากการเผาไหม้ถ่านหินท่ีมีก ามะถันปนอยู่

Wet Type FGD มีประสิทธิภาพในการจับก๊าซ SO2 95%

ใช้น ้าผสมน ้าหินปูน (CaCO3) เป็นตัวดูดซับ ท าให้เกิดยิปซัม

CaCO3 + 2H2O + 0.5 O2 + SO2 CaSO4.2H2O + CO2

FGD ยปิซมั

ประมาณ 1.5 ล้านตันต่อปี ก่อปัญหาในการจัดเก็บและก าจัด สูตรเคมี CaSO4.2H2O เหมือนกับยิปซัมธรรมชาติ แต่มีสีน ้าตาลอ่อนเพราะมีเหล็ก (Fe)และไทเทเนียม (Ti) เ จือปนอยู่

แข็งตัวเร็วกว่ายิปซัมธรรมชาติ มีเ น้ือน่ิมและละลายน ้า ง่าย ไม่เหมาะต่อการใช้งานนอกอาคาร เช่นเดียวกับยิปซัมธรรมชาติ

FGD ยิปซัม

พัฒนาสูตรผสมปูนซีเมนต์ท่ีมีเอฟจีดียิปซัมเป็นองค์ประกอบ มีความแข็งแรงเพียงพอ (ASTM C150) ทนทานในสภาวะเปียกช้ืน มีเอฟจีดียิปซัมผสมในเน้ือปูนไม่น้อยกว่า 10%

เปรียบเทียบต้นทุนของผงปูนท่ีพัฒนาจากโครงการวิจัยน้ีกับปูนซีเมนต์ทั่วไป

เป็นการพัฒนาสัดส่วนสูตรผสม เพื่อให้ผลิตได้ปริมาณมาก ด้วยกลวิธีการผสมท่ีไม่ซับซ้อนและไม่ต้องลงทุนเพ่ิมสูง ไม่ใช่การสังเคราะห์ทางเคมี

วัตถุประสงค์โครงการ

สารประกอบหลกัใน OPC: C2S, C3S, C3A, C4AFC2S, C3S + H C-S-H + CH

S (จากเถา้ลอย) + CH + H C-S-HC3A + CSH2 + H C6AS3H32

ยปิซมั Ettringite

สมมติฐานในการด าเนินงานวิจัย

สมมติฐาน : S จากเถ้าลอยเพิ่มปริมาณ C-S-H: C-S-H ล้อมรอบผลึกยิปซัม ยิปซัมจึงละลายน ้าได้น้อยลง: C-S-H ล้อมรอบผลึกยิปซัม จึงเกิด Delayed Ettringite น้อยลง

ลดต้นทุนวัตถุดิบโดยใช้ปริมาณเอฟจีดียิปซัมทดแทนปูนซีเมนต์ให้สูงท่ีสุด และใช้เถ้าลอยเป็นวัสดุปอซโซลาน

C = CaO S = SiO2 A = Al2O3

F = Fe2O3 S = SO3 H = H2O

C-S-H = C3S2H8= (CaO)3(SiO2)2(H2O)8

แนวทางการด าเนินงานวิจัย

ASTM C150Setting time: 45-375 minCompressive strength:

7 d = 19 MPa (Required)28 d = 28 MPa (Optional)

I. ในรูป Paste (ผงปูน + น ้า) ศึกษาแนวโนม้ความสมัพนัธ์ของส่วนผสมใน

เบ้ืองตน้ เพื่อก าหนดช่วงปริมาณ FGDP ใหแ้คบลง

II. ในรูป Paste (ผงปูน + น ้า) ปรับสูตรผสมในช่วง FGDP ท่ีสนใจ ศึกษาการใช้สารผสมเพิ่มอ่ืน หากจ าเป็น เพื่อใหส้ามารถใช้

ปริมาณ FGDP ไดม้ากท่ีสุด

III. ในรูป Mortar (ผงปูน + น ้า + ทราย) ปรับสูตรผสมเพิ่มเติม โดยการใชส้ารลดน ้าเพื่อให้สามารถเปรียบเทียบค่าความแขง็แรงกบัมาตรฐาน

ได้

ASTM C109Fixed water: w/c = 0.485Fixed flow: water to get 1105Both cases sand/cement = 2.75

I. การศึกษาสูตรผสมเบื้องต้น

ทดสอบในรูป Paste (ผง + น ้า) ศึกษาแนวโนม้ความสมัพนัธ์

เบ้ืองตน้เพื่อก าหนดช่วงปริมาณFGDP ใหแ้คบลง

ตวัแปรควบคุม FA: OPC = 2/3 Retarder C = 0.3% of FGDP น ้า : binders = 0.6

(binders = FGDP + OPC)

Formular Setting time Compressive strength (MPa)

FGDP-OPC-FA (min) A7 A28 A91 W7 W28 W91100-0-0 70 3.57 3.46 3.43 3.29 3.50 4.3590-6-4 94 5.28 6.58 5.84 5.26 6.04 6.2985-9-6 76 6.20 6.98 8.17 5.71 6.70 6.5780-12-8 69 7.60 7.98 11.18 6.82 7.40 9.2475-15-10 70 6.37 9.22 11.58 6.27 8.41 9.9070-18-12 64 8.20 11.31 14.27 7.13 9.81 13.1865-21-14 56 8.31 11.75 15.16 7.45 11.49 12.9460-24-16 52 9.31 12.44 16.20 8.94 11.36 14.5255-27-18 47 9.36 13.95 17.19 8.83 13.39 17.2050-30-20 47 9.43 15.15 20.19 8.58 14.15 18.1745-33-22 44 10.07 15.15 21.00 8.80 14.78 19.2040-36-24 40 11.14 15.95 22.96 10.76 15.00 21.3035-39-26 37 10.65 16.39 25.85 9.48 16.38 22.6830-42-28 31 11.83 17.99 24.67 11.73 16.62 24.0025-45-30 24 12.12 21.70 29.91 11.30 19.14 26.8120-48-32 23 13.42 20.00 29.73 12.44 20.80 26.3215-51-34 16 12.09 21.95 27.94 13.08 20.58 29.8910-54-36 16 14.43 22.70 34.64 13.06 21.21 33.710-100-0 >420 17.80 26.17 33.35 17.77 26.44 34.17

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100

Comp

ressi

ve st

reng

th (M

Pa)

%FGDP

A7

W7

A28

W28

I. ผลการศึกษาสูตรผสมเบื้องต้น ความแข็งแรงเทียบกับมาตรฐาน

ASTM C150: 19 MPa ท่ี 7 ว ัน , 28 MPa ท่ี 28 ว ัน Compressive strength: Mortar (ผงปูน + น ้า + ทราย) > Paste (ผงปูน + น ้า) คณะกรรมการฯ ต้องการให้พัฒนาความแข็งแรงของสูตรท่ีมี FGDP A-D%

28d Mortar

7d Mortar

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

Setti

ng ti

me (M

in)

%FGDP

I. ผลการศึกษาสูตรผสมเบื้องต้นระยะเวลาในการแข็งตัวเทียบกับมาตรฐาน

ASTM C150: Init ial setting t ime = 45-375 นาที ช่วง FGDP = A-D% ต้องหน่วง sett ing t ime ให้นานข้ึน

Minimum setting time: 45 min

II. ปรับสูตรผสมในช่วง FGDP 20-40% คัดเลือกสารหน่วงการแข็งตัว

w/b = 0.6, (b = FGDP+OPC) for all

FGDP-OPC-FA RetarderAmount

(% of binders)

Initial set (min)

10-54-36

- - 8

C0.05 16

0.16 44

G

0.05 11

0.16 21

0.28 45

0.31 65

ตอ้งใช ้G มากกวา่ C เกือบ 2 เท่า G ท าใหก้ารแขง็ตวัไม่สม ่าเสมอ ผวิหนา้มีเน้ือน่ิม หลุดติดแบบหล่อเป็นชั้นบางๆ เหมือนสบู่

Chemical Quantity (kg) Price (Baht)

C 0.5 3,500

2.5 10,900

G0.5 4,000

2.5 9,900

ราคาของ Glucose และ Citric ไม่ต่างกนัมาก

ตัวแปรต้น ปริมาณ FGDP = A, B, C, D% สัดส่วน FA ต่อ OPC: X, Y, Z สัดส่วนน ้าต่อ binders: 0.5, 0.6 เม่ือ binders = (FGDP+OPC) วิธีบ่มช้ินงาน: ในน ้า (W) และ ในกล่องช้ืน (A) เป็นเวลา 7, 28, และ 91 วนั

ตัวแปรควบคุม สารหน่วงการแข็งตัว C: 0.3% โดยน ้าหนักของ binders

ส่ิงที่ทดสอบ ระยะเวลาในการแข็งตัว ความแข็งแรงกดท่ีอายุและวิธีบ่มต่างๆ

II. ปรับสูตรผสมในช่วง FGDP 20-40%

II. ระยะเวลาในการแข็งตัว

การตรึง C ไวท่ี้ 0.3% สามารถยดื setting time ใหอ้ยูใ่นช่วง 45-375 นาทีไดใ้นทุกสูตรผสม สูตรท่ีมี OPC มาก สามารถยดืไดถึ้งเกือบ 2 ช.ม. Setting time แปรตามปริมาณน ้ า และสดัส่วน OPC ในระบบ แนวโนม้อิทธิพลของ FGDP ต่อ setting time ไม่ชดัเจน

0

20

40

60

80

100

120

140

w/b=0.6 w/b= 0.5

Setti

ng ti

me (M

in)FA/OPC

FGDP

X

Y

Z

A% B% A% D% C% B% D% C%

0

10

20

30

40

50

60

A7 W7 A7 W7 A7 W7 A7 W7 A7 W7 A7 W7 A7 W7 A7 W7

w/b=0.6 w/b=0.5

Comp

ressi

vestr

ength

(MPa

)

II. ความแข็งแรงที่อายุ 7 วัน

น ้าเป็นตวัแปรท่ีส่งผลต่อความแขง็แรงมากท่ีสุด ความแขง็แรงเพ่ิมข้ึนตาม FA/OPC (Filler effect, Pozzolanic effect เพ่ิมข้ึนตาม FA) FGDP เพ่ิมข้ึน ความแขง็แรงลดลง (OPC ลดลง) ความแขง็แรงเม่ือบ่มในน ้ าต ่ากวา่ในอากาศเพียงเลก็นอ้ย

25.12

FA/OPC

FGDP

X

YZ

A% B% A% D% C% B% D% C%

0

10

20

30

40

50

60

A28 W28 A28 W28 A28 W28 A28 W28 A28 W28 A28 W28 A28 W28 A28 W28

w/b=0.6 w/b=0.5

Comp

ressi

vestr

ength

(MPa

)

II. ความแข็งแรงที่อายุ 28 วัน

38.57

น ้าเป็นตวัแปรท่ีส่งผลต่อความแขง็แรงมากท่ีสุด ความแขง็แรงเพ่ิมข้ึนตาม FA/OPC (Filler effect, Pozzolanic effect เพ่ิมข้ึนตาม FA) FGDP เพ่ิมข้ึน ความแขง็แรงลดลง (OPC ลดลง) ความแขง็แรงเม่ือบ่มในน ้ าต ่ากวา่ในอากาศเพียงเลก็นอ้ย

FA/OPC

FGDP

X

Y

Z

A% B% A% D% C% B% D% C%

0

10

20

30

40

50

60

A91 W91 A91 W91 A91 W91 A91 W91 A91 W91 A91 W91 A91 W91 A91 W91

w/b=0.6 w/b=0.5

Comp

ressi

veSt

reng

th(M

Pa)

II. ความแข็งแรงที่อายุ 91 วัน

48.08

น ้าเป็นตวัแปรท่ีส่งผลต่อความแขง็แรงมากท่ีสุด ความแขง็แรงเพ่ิมข้ึนตาม FA/OPC (Filler effect, Pozzolanic effect เพ่ิมข้ึนตาม FA) FGDP เพ่ิมข้ึน ความแขง็แรงลดลง (OPC ลดลง) ความแขง็แรงเม่ือบ่มในน ้ าต ่ากวา่ในอากาศเพียงเลก็นอ้ย

FA/OPC

FGDP

X

YZ

A% B% A% D% C% B% D% C%

FA/OPC

เพื่อน าค่าความแข็งแรงกดไปเทียบกับท่ีก าหนดไว้ในมาตรฐาน ASTM C150

มาตรฐาน ASTM C109 for OPC: Fixed water (sand/cement=2.75, water/cement=0.485)

non OPC: Fixed flow (sand/cement= 2.75, water to get flow=1105)

III. ปรับสูตรผสมในรูป Mortar

หนืดเกินไป ข้ึนรูปไม่ได ้!!!

เพิ่มสารลดน ้า (SP) ตรึง sand/binders = 2.75, w/b = 0.485, to get flow = 1105

FGDP = A% และ D%, FA/OPC= X และ Y, Retarder C = 0.3% binders

III. เพิ่มสารลดน า้ (SP)

FGDP% (FA/OPC) SP (% binders) Flow

A% (X) 1 ขน้มาก

2.5 102

2.6 108

2.7 111

D% (Y) 3.5 85

4 99

4.1 106

4.2 108

4.3 109

III. ค่าความแข็งแรงกด Mortar

ASTM C150: 7d Compressive strength = 19 MPa (Required) 28d Compressive strength = 28 MPa (Optional)

FGDP% (FA/OPC)

SP(%binders)

FlowCompressive Strength (MPa)

A7 W7 A28 W28 A91 W91

A%(X) 2.6 108 37.50 33.03 50.33 47.20 59.79 57.01

2.7 111 35.33 32.22 55.75 52.61 60.76 56.27

D%(Y) 4.1 106 23.81 21.72 37.59 34.80 45.77 43.88

4.2 108 23.25 21.64 37.95 36.45 46.51 45.73

4.3 109 22.51 20.50 39.43 35.29 49.83 48.20

III. เปรียบเทียบกับ Mortar ปูน OPC ชนิดต่างๆ

OPC TypeCompressive Strength (MPa)

A7 W7 A28 W28 A91 W91

I 8. 8. 9. 9 .88 .8 .88III 7. 8 9. 7.19 .77 . . V .17 . 7 7.9 1. 9 9.19 7 . 8

OPC Fixed flow (1105)

Our formulaeFixed flow (1105)

FGDP% (FA/OPC)

SP(%binders)

Compressive Strength (MPa)

A7 W7 A28 W28 A91 W91

A%(X) 2.6 37.50 33.03 50.33 47.20 59.79 57.01

D%(Y) 4.1 23.81 21.72 37.59 34.80 45.77 43.88

III. เปรียบเทียบราคาผงปูน (LAB SCALE)

วสัดุ ราคา (บาท กก) ราคา (บาท ลบ.ม.)

ปูน OPC ชนิดที่ 1 3 -

ผงปูน (A-X1-X2) 1.4 -

Mortar (A-X1-X2)SP/binders = 2.6%

1.67 3,753

Mortar OPC Fixed water 1.85 4,173

Mortar OPC Fixed flow 1.81 4,003

SUMMARY

สูตรท่ีน าไปประยุกต์ใช้ได้คือ

FGDP-OPC-FA = A-X1-X2 , retarder C = 0.3% binders, SP= 2.6%

ต้นทุน 1.67 บาท/กก. ข้ึนกับค่าพลังงานในการเผา FGDG เป็นส าคัญ

การบ่มในน ้าไม่ท าให้ค่าความแข็งแรงลดลงมากนักเพราะ C-S-H

และ Ettringite ท่ี เกิดข้ึนได้ครอบคลุมผลึกยิปซัมไว้ ความแข็งแรงท่ี

ได้มาจากทั้ ง C-S-H และ Ettringite

.

QUESTIONS?

THANK YOU.