אפר פחם הוא תוצר של שריפת פחם. אפר הפחם הנוצר משריפת פחם שוקל בין 4%-15% ממשקל הפחם בהתאם לסוג הפחם. בישראל, משקל אפר הפחם הוא כ-10% ממשקל הפחם שנשרף. אפר הפחם מורכב בעיקר מסיליקה, אלומינה, מגנזיום, וסידן. כן יש בו מעט תחמוצות ברזל ויסודות רעילים ויסודות רדיואקטיביים בשיעור נמוך.
בטיחות קרינה.
מכיוון שמתכות כבדות שנמצאות בפחם אינן נשרפות כלל, ריכוז המתכות הכבדות, כולל אלו הרדיואקטיביות, באפר הפחם גבוה פי 7-25 (בישראל, פי 10) מריכוזן בפחם. הדעות חלוקות לגבי מידת הסיכון באפר פחם. ברחבי העולם מקובל מאז שנת 2008 שרמות הקרינה המייננת מאפר פחם אינן מסוכנות והסוכנות להגנת הסביבה בארצות הברית קבעה בשנת 2014 שאין צורך במגבלות על שימוש באפר פחם. לעומת זאת, המשרד להגנת הסביבה בישראל הכריזה ביוני 2008 על אפר פחם כ"פסולת רדיואקטיבית" "עקב הקושי לבקר שימושים שנעשו באפר הפחם במוצרי בנייה ולפקח עליהם ועקב היעדר תקן מחייב". בשנת 2014 דרש הממונה על הקרינה שתנתן עדיפות לשימוש באפר פחם בייצור מלט על פני שימוש בו בייצור בטון. אולם בעקבות עתירה לבג"ץ של יצרני מלט, ההוראה בוטלה. בדיקות שנעשו בממ"דים בישראל מצאו שבטון הכולל אפר פחם על פי התקן של עד 150 ק"ג של אפר פחם למטר קוב בטון עומדות בתקנים של קרינה מותרת.
סוגי אפר.
אפר הפחם נוצר בתהליך שריפת הפחם בתחנות כוח 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.
בתחנות הכוח שקיימות בישראל, אפר מרחף נוצר כשזרם גזי הפליטה החמים שיוצא מהדוד עובר שיקוע לפני הארובה במשקעים אלקטרוסטטים. בחלק מתחנות הכוח בעולם, השיקוע נעשה בציקלון או במסנן שקים, אבל כאמור בתחנות מודרניות, השיקוע נעשה במשקעים אלקטרוסטטיים. משקעים אלו מפרידים מזרם הגזים חלקיקי אפר קטנים עד כדי עשרות מיקרון. כאשר מחוברים מספר משקעים בטור, ככל 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.
בעבר היו משליכים את אפר הפחם לים, או אוגרים אותו בערמות ללא שימוש מה שיכול לגרום מפגעים לאיכות האוויר (פליטת חלקיקים מערמות יבשות). היום, נוהגים להטמין או לייצא אפר פחם שאין לו שימוש. במדינות רבות מנוצל אפר הפחם כחומר גלם משני בתעשיית הבניה. עבור חלק מאפר התחתית, קיימים שימושים נוספים בתשתיות ובחקלאות.
בבטון וחומרי מליטה.
אפר פחם משמש בבטון ומלטים על מנת להשיג אחד מהיתרונות הבאים:
עבידות.
לחלקיקים העגולים של אפר פחם דל סידן השפעה משמעותית על התכונות הראולוגיות של הבטון הטרי. ככל 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 בשרפה - LOI), עשויים לספוח חומרים אורגניים. 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.
אפר הפחם הוא חומר פוצולני, כלומר מתקשר בנוכחות סיד. אפר פחם בעל תכולת סידן גבוהה, יכול להיות חומר מליטה בפני עצמו. בדומה לחומרי מליטה אחרים, ככל 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 אורכת 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.
גורמים 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:
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 ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר. בבטון עם תכולה גבוהה של אפר פחם המצב שונה. ככל 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.
קיים 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 קורוזיה של הפלדה (עקב חדירת כלוריד). כמו כן, בטון המכיל אפר פחם עמיד יותר כנגד התקפת סולפטים, קורוזיה מיקרוביאלית וחומצות.
כחומר מילוי.
אפר פחם, 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 מהטבע.
ליצור אגרגטים קלים מלאכותיים.
אפר פחם שימש ליצור אגרגטים קלים לראשונה בתקופת מלחמת העולם הראשונה. עקב המחסור 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 שרפה (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 להתייחס לכך כאשר משתמשים בהם ליצור בטון קל.
כמצע גידול בחקלאות.
לאחר ניפוי, החלקיקים הגדולים של אפר התחתית (בגודל מעל 2 מ"מ) יכולים לשמש כמצע גידול בחממות ובעציצים במקום טוף. המקטע הדק של אפר התחתית מתאים מצדו לשימוש כחומר ריפוד ברפתות במקום קש.
יישומים מיוחדים.
אפר פחם משמש כחומר גלם עיקרי ליצור אריחי קרמיקה דקורטיביים, אריחים 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.