chemical composition of fly ash

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Some Thoughts on The Chemical Compositions of Fly Ash ICAR’s 17th Annual Symposium The University of Texas At Austin Lianxiang Du, Ph.D., PE Department of Civil, Construction & Environmental Engineering The University of Alabama At Birmingham Elizabeth Lukefahr, PE Texas Department of Transportation

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Fly Ash Chmeical composition and uses

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Page 1: Chemical Composition of Fly Ash

Some Thoughts on The Chemical Compositions of Fly AshICAR’s 17th Annual Symposium

The University of Texas At Austin

Lianxiang Du, Ph.D., PEDepartment of Civil, Construction & Environmental Engineering

The University of Alabama At Birmingham

Elizabeth Lukefahr, PETexas Department of Transportation

Page 2: Chemical Composition of Fly Ash

Presentation Outline

• Introduction

• Fly ash classifications

• TxDOT database on fly ash 

• Variations of chemical composition of fly ash

• Some thoughts on fly ash classification based on chemical compositions

• Summary

Page 3: Chemical Composition of Fly Ash

Introduction• Fly ash origin

• Challenges for sustainable development and green construction

• Brief history of use of fly ash in concrete

http://geoserver.cee.wisc.edu/fauga/_borders/right.4.jpg

Page 4: Chemical Composition of Fly Ash

Origin of Fly Ash

• Power plants

• Burning of feed coal particles

• Light residue captured from the gaseous effluent

• Heavy residue forms bottom ash

http://showmethehoney.files.wordpress.com/2008/08/coal‐power‐plant.jpg

Page 5: Chemical Composition of Fly Ash

Challenges/Headaches• 50% of electricity in US generated is from coal (http://www.pewclimate.org/global‐warming‐basics/coalfacts.cfm)– 1,128.0 million short tons in 2007 (DOE report)– 32 million short tons of fly ash in 2007 (only 44% used)– Remaining fly ash stored (ponded)

• Challenges/headaches– Fly ash contains heavy metals– Coal ash spill highlights concerns about storage and handling

– Future Clean Air measures mayfurther complicate fly as chemistry

• Our understanding on fly ash is limited

Kingston Fossil Plant in Roane County, Tennessee, 12/22/2008

Page 6: Chemical Composition of Fly Ash

Brief History of Use of Fly Ash in Concrete

• Earliest proponents ‐ power companies– Dated back prior to 1932

• Raymond E. Davis et al at UC Berkeley should be credited (1937)– 15 fly ashes, 81 cements, and about 5,000 specimens

– Important conclusions still valid today• Finer particle size than portland cement

• Longer set time with fly ash inclusion (Class F)

• Fly ash replacement up to 50%

• Limiting LOI

• Lower hydration heat

• Better durability against sodium sulfate

Page 7: Chemical Composition of Fly Ash

Chemical Composition Information

• Similar to what I have today for fly ash

Davis et al 1937

Page 8: Chemical Composition of Fly Ash

Fly Ash Classifications• How to describe a fly ash?

– ASTM C 618• Class F (%): SiO2+Al2O3+Fe2O3 > 70

• Class C (%): SiO2+Al2O3+Fe2O3 < 70

• What else information used? 

– Canadian specification CSA A 23.5• Type F (  ≤8 ± 1% CaO), 

• Type CI (>8% and  20 ± 2%) 

• Type CH (>20% CaO)

• Category approach:  behave similarly when in the same category

• Is this approach reasonable?

Page 9: Chemical Composition of Fly Ash

TxDOT Database on Fly Ash

• Reliable chemical compositions of a total of 5,599 fly ashes (85 < Sum of oxide < 105)

• From 1992 to 2008

• Fly ashes from 50 power plants inside and outside Texas

• Class F fly ashes: 1,608  & Class C :3,991

• Alkali contents recorded from 2002 with 2,087 fly ashes

Page 10: Chemical Composition of Fly Ash

Presentation Outline

• Introduction

• Fly ash classifications

• TxDOT database on fly ash 

• Variations of chemical composition of fly ash

• Some thoughts on fly ash classification based on chemical compositions

• Summary

Page 11: Chemical Composition of Fly Ash

Variations of Chemical Compositions of Fly Ash with Time

• Composition changes of fly ashes in one single power plant (Class C)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Oxide

 Con

tents (%)

Time Lapse (months)

SiO2+Al2O3+Fe2O3

CaO

SO3

Page 12: Chemical Composition of Fly Ash

Simple Statistics(not all information)• Class C fly ash

• Class F fly ash

Variable Number Mean (%) Standard Deviation (%)

Coefficient of Variation (%)

Median (%)

Minimum (%)

Maximum (%)

SiO2 4016 33.74 2.84 8.42 33.49 21.89 46.16Al2O3 4016 18.88 1.52 8.05 18.93 13.23 24.11Fe2O3 4016 5.85 0.94 16.07 5.91 0.70 11.55Total 4016 58.47 3.90 6.67 58.48 43.07 69.66CaO 4016 26.44 2.13 8.06 26.59 13.96 35.08

Variable Number Mean (%)

Standard Deviation

(%)

Coefficient of Variation

(%)

Median (%)

Minimum (%)

Maximum (%)

SiO2 1608 55.28 5.51 9.97 55.05 37.95 68.37Al2O3 1608 22.09 3.03 13.72 21.79 14.34 31.11Fe2O3 1608 6.34 3.39 53.47 5.25 0.51 36.70Total 1608 83.70 5.93 7.08 83.20 70.13 99.48CaO 1608 8.76 4.22 48.17 9.03 0.39 24.96

Page 13: Chemical Composition of Fly Ash

Ternary Diagram on CaO and Oxide Contents

Type CH <-> Class C; Type F + Type CI <-> Class F

70% oxide sum

20% CaO

Page 14: Chemical Composition of Fly Ash

Variations of CaO of Fly Ashes with Time

Class F fly ashes

Class C fly ashes

Page 15: Chemical Composition of Fly Ash

Cumulative Percent of Oxide Contents

Page 16: Chemical Composition of Fly Ash

Correlations among Oxides

Page 17: Chemical Composition of Fly Ash

Linear Models on Oxide Contents

• Central question– How many oxide parameters are adequate to describe the fly ash?

• Other than Class C and Class F

– Minerals and glass contents not considered

• SAS® proc GLM (general linear model) was used to build linear models

Page 18: Chemical Composition of Fly Ash

Selected Models

• SiO2=68.9593‐0.1829*Al2O3‐1.0955*CaO‐1.2285*SO3, R2=0.9295

• Fe2O3=43.9908‐0.4625*SiO2‐0.5322*CaO‐0.4925*Al2O3+ 2.8485*K2O, R2=0.6883

• CaO=40.8001‐0.5724*SiO2‐0.4964*Fe2O3+ 1.4133*MgO, R2=0.9607

• Na2O  no fitting model found

• K2O=‐1.4304+0.03520*SiO2+0.08825*Fe2O3

, R2=0.7381

Page 19: Chemical Composition of Fly Ash

Disappointing Result• Only CaO or SiO2 can be reliably predicted by other oxides

• We need at least sevenoxide contents to describe the chemical composition

Page 20: Chemical Composition of Fly Ash

Presentation Outline

• Introduction

• Fly ash classifications

• TxDOT database on fly ash 

• Variations of chemical composition of fly ash

• Some thoughts on fly ash classification based on chemical compositions

Page 21: Chemical Composition of Fly Ash

Element Origins in Fly Ash

• About 2.8% element matters in feed coal ended in fly ash (based on data listed above)

• Most inorganic matters ended in fly ash and bottom ash

• Will the possible tracing of element sources in fly ash helpful for our understanding?– Using correlation models

Page 22: Chemical Composition of Fly Ash

Some Preliminary Observations

• Na2O  no fitting model found– Possibly not much contribution from minerals with regular compositions

– Indicate the major source is clay minerals

(Na+)

http://serc.carleton.edu/images/NAGTWorkshops/mineralogy/montmorillonite_structure.jpg

Page 23: Chemical Composition of Fly Ash

Potassium Oxide Model

• K2O=‐1.4304+0.03520*SiO2+0.08825*Fe2O3

R2=0.7381

• SiO2 term indicates K element from clay minerals

• Fe term indicates the replace of Si in clay minerals

• A surprise of the lack of Al2O3 term– K‐feldspar (KAlSi3O8) is possibly not a major source of K element

Page 24: Chemical Composition of Fly Ash

Iron Oxide Model

• Fe2O3=43.9908‐0.4625*SiO2‐0.5322*CaO‐0.4925*Al2O3+ 2.8485*K2O, R2=0.6883– If pyrite (FeS2) and gypsum (CaSO4) are considered as the main sulfur sources in feed coals, the element matter from pyrite must be lumped in bottom ash instead of fly ash.

– Or pyrite is not a main source for sulfate in fly ash.

Page 25: Chemical Composition of Fly Ash

K2O vs SiO2/Al2O3 Ratios

Page 26: Chemical Composition of Fly Ash

Na2O vs SiO2/Al2O3 Ratios

Page 27: Chemical Composition of Fly Ash

Summary

• Class F fly ashes have larger variations than Class C fly ashes.  Support a finer system than ASTM C 618

• At least seven oxide contents needed to fully describe fly ash

• Differences of Class C and Class F fly ashes are mainly in CaO and SiO2 contents

• Al2O3 and Fe2O3 contents are very much similar

• Careful about empirical correlations because of the variety of data

Page 28: Chemical Composition of Fly Ash

Further Research

• A better way to evaluate/rank/describle fly ash for use in concrete?

Page 29: Chemical Composition of Fly Ash

Questions?

Thank you!Lianxiang Du

205‐934‐8436

[email protected]