POTĚROVÉ BETONY S VEDLEJŠÍM ENERGETICKÝM PRODUKTEM ELEKTRÁRENSKÝM POPÍLKEM A JEJICH ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI

Transkript

1 Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad POTĚROVÉ BETONY S VEDLEJŠÍM ENERGETICKÝM PRODUKTEM ELEKTRÁRENSKÝM POPÍLKEM A JEJICH ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI Ondřej Zobal 1; 2), Ondřej Holčapek 1; 3), Pavel Reiterman1; 3) 1) Materiály a konstrukce budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad 2) Katedra mechaniky, Fakulta stavební, ČVUT, Praha 6 3) Experimentální centrum, Fakulta stavební, ČVUT, Praha 6 ANOTACE Použití vedlejších energetických produktů nebo odpadních materiálů do stavebních materiálů je velmi aktuální téma. Tento přístup přináší pozitivní ekologický i ekonomický efekt. Tento příspěvek se věnuje použití elektrárenského popílku do potěrového betonu. Je zde uvedeno pět různých směsí. Byla zjištěna konzistence a určeny mechanické vlastnosti pevnost v tahu za ohybu a pevnost v tlaku. SUMMARY Using of secondary energy products or waste materials into building materials is a very topical subject. This approach provides a positive ecological and economic effect. This paper looks at the use of fly ash in concrete screed. There are five different mixtures. The consistency has been detected and identified mechanical properties - tensile strength of bending and compressive strength. ÚVOD Pokud budeme nahrazovat slínek popílkem v množství větším než 50 %, tak dochází k ušetření minimálně 16 % finančních nákladů a podstatné úspoře emisí CO2 [1]. Využití popílku do cementu a betonu je věc známá již řadu let. Běžně se využívá substituce popílkem okolo 20 % hmotnosti slínku. V poslední době však existuje snaha nahrazovat větší množství slínku (pro obsah popílku v betonu alespoň 50 % se používá název High Volume Fly Ash Concrete HVFA Concrete [2]). Takto vysoká substituce má již značný vliv na výsledné vlastnosti těchto směsí. Aplikace popílku u masivních betonových konstrukcí pozitivně ovlivňuje nárůst hydratačního tepla, tak jak tomu bylo například při výstavbě přehradního tělesa VD Orlík [3]. Snížení ceny, menší množství trhlin od smrštění při vysychání a při dotvarování jsou další pozitivní vlivy. Naopak negativní vliv má popílek na počátek tuhnutí směsi a na rychlost nárůstu pevnosti [4, 5]. Kromě ekonomické výhody má popílek i pozitivní ekologický dopad ušetření cementu a snížení obsahu CO2 ve vzduchu [6, 7]. Tento příspěvek se věnuje cementovým potěrům s různým obsahem popílku (0 až 50 %) a jeho vlastnostem v čerstvém i zatvrdlém stavu. MĚŘENÍ A VYHODNOCENÍ V Tab. 1 je uvedeno složení jednotlivých směsí, jejich podíl vody vůči pojivu a průměrné objemové hmotnosti. Pro potřeby měření bylo vyrobeno pět směsí referenční CS-FA-0 bez popílku a následně směsi s označením CS-FA-x s různým podílem popílku (12,5; 25; 37,5 a 50 %). Při výrobě směsí byl použit běžný portlandský cement CEM I 42,5 R, normový popílek do betonu dle ČSN EN [8] a kamenivo frakce 0,4 až 8 mm. Podíl vody a pojiva (cement + popílek) měl vždy hodnotu 0,55. Ze směsí byly vyrobeny zkušební vzorky tvaru trámců a 359

2 s rozměry 100 x 100 x 40 mm. Zkušební vzorky byly před mechanickými zkouškami uloženy v laboratorních podmínkách při 21 C po dobu 28 dní. Tab. 1 Charakteristika zkušebních směsí a jejich průměrná objemová hmotnost Označení směsi Podíl složek pojiva [%] Podíl voda/pojivo Stáří Objemová hmotnost [-] Cement Popílek [-] [dny] [kg/m 3 ] CS-FA-0 100,0 0,0 0, CS-FA-12,5 87,5 12,5 0, CS-FA-25 75,0 25,0 0, CS-FA-37,5 62,5 37,5 0, CS-FA-50 50,0 50,0 0, Na čerstvých směsích byla ověřena konzistence. Míchání probíhalo mechanicky jednotným způsobem v přístroji AUTOMIX po dobu 4 minut dle normy ČSN EN [8]. Měření konzistence rozlivem probíhalo podle stejné normy. Byl vytvořen potřebný tvar a po 15 klepnutích byla změřena výsledná šířka a výška rozlivu. Jako referenční směs sloužila směs bez popílku (viz Obr. 1 a 2). Obr. 1 Cementový potěr bez popílku připravený na zkoušku konzistence rozlivem Obr. 2 Cementový potěr bez popílku po zkoušce konzistence rozlivem Průměrná šířka rozlivu cementového potěru bez popílku byla 13,5 cm a výška 2,7 cm. Pokud další směsi nedosáhly stejných rozměrů, tak byla přidána do směsi voda. Přidat vodu bylo potřeba u směsi s 12,5 a 25 % popílku. Směs s 50 % popílkem naopak vykazovala větší rozliv. Výsledky jsou shrnuty v Tab. 2. Rozdíly ve zpracovatelnosti jsou minimální. Dokonce se ukazuje, že při substituci 50 % slínku popílkem lze množství záměsové vody snížit. Zkouška pevnosti v tlaku a pevnosti v tahu za ohybu byla provedena v souladu normy ČSN EN [9]. Měření proběhla na univerzálním zatěžovacím stroji (viz Obr. 3 a 4). Pro zkoušku pevnosti v tahu za ohybu bylo k dispozici 6 těles od každé směsi, dohromady tedy 30 zkušebních vzorků. Po ukončení zkoušky tříbodovým ohybem byla na rozlomených částech provedena zkouška v prostém tlaku. Pro určení pevnosti v tlaku tedy bylo k dispozici 360

3 dohromady 60 zkušebních vzorků. Všechny hodnoty byly statisticky vyhodnoceny a směrodatná odchylka nepřesáhla limitních 5 %. Tab. 2 Hodnoty podílu vody a pojiva a průměrné rozměry rozlivu po zkoušce konzistence Označení směsi Stáří w/b rozliv w/b - nové rozliv - nový [-] [min] [-] průměr [cm] výška [cm] [-] průměr [cm] výška [cm] CS-FA-0 5 0,55 13,5 2, CS-FA-12,5 5 0,55 13,0 3,0 0,56 13,5 2,8 CS-FA ,55 12,5 3,3 0,57 13,5 2,6 CS-FA-37,5 5 0,55 13,5 2, CS-FA ,55 14,0 2, Obr. 3 Zkušební vzorek z cementového potěru připravený na zkoušku pevnosti v tahu za ohybu Obr. 4 Zkušební vzorek z cementového potěru připravený na zkoušku pevnosti v tlaku Pevnost v tahu za ohybu referenční směsi bez popílku má hodnotu 7,7 MPa. Když bylo nahrazeno 12,5 % slínku, na pevnost to vliv nemělo. Pokud bylo nahrazeno 25, 37,5 a 50 % slínku popílkem, pevnost v tahu za ohybu poklesla, konkrétně o 16, 24 a 36 % oproti referenční hodnotě. Tento úbytek pevnosti ovšem v čase díky pozitivnímu efektu popílku na vývoj trhlin může zmizet a pevnost v tahu za ohybu být naopak vyšší než u čistého cementu. Výsledky jsou znázorněny na Obr

4 Obr. 5 Průměrná pevnost v tahu za ohybu cementového potěru s různým obsahem popílku po 28 dnech Na Obr. 6 je znázorněn vývoj pevnosti v tlaku v závislosti na obsahu popílku ve směsi po 28 dnech. Je vidět že 12,5 % substituce slínku popílkem má opět minimální vliv na pevnost cementového potěru. S vyšší substitucí dochází k výraznějšímu poklesu hodnot pevnosti. Pokud je nahrazeno 50 % slínku, je výsledná pevnost méně než poloviční oproti referenční směsi. Obr. 6 Průměrná pevnost v tlaku cementového potěru s různým obsahem popílku po 28 dnech ZÁVĚR Použití vyššího množství popílku do cementu a betonu má své opodstatnění. Provedená měření na cementových potěrech s obsahem popílku 0 až 50 % dokazují, že konzistence a zpracování by problém být neměl. Mechanické vlastnosti po 28 dnech dosahují u vyšších náhrad výrazně nižších hodnot. Ovšem je známo, že pevnosti betonů s popílkem v čase rostou. Důkazem je provedená analýza betonu z tělesa VD Orlík po 50 letech v provozu, kde byl cement z téměř 30 % nahrazen popílkem [10]. A i cementové potěry s pevností v tlaku alespoň 20 MPa po 28 dnech jistě mohou najít své uplatnění. LITERATURA [1] Zobal O., Padevět P., Šmilauer V. Economic calculation of binder in concrete with a higher content of fly ash, Advanced Materials Research 1054 (2014)

5 [2] Malhotra V. M., Ramezanianpoour S. A. Fly Ash in Concrete, 2.ed., 1994, CANMET, ISBN [3] Keil J. et al. Výstavba vodního díla Orlík sborník statí, Národní podnik vodní stavby, 1966 [4] McCarthy M. J., Dhir R. K. Development of high volume fly ash cements for use in concrete construction, Fuel 84, , [5] Neville A. M. Properties of concrete. New York, ISBN , [6] Polozhyi K., Siddique J. A., Reiterman P. Low cost cement floor screed, Materials Science Forum 824 (2015) [7] Holčapek O., Reiterman P., Konvalinka P. Fracture characteristics of refractory composites containing metakaolin and ceramic fibres, Advances in mechanical engineering 7/3 (2015) 1-9. [8] ČSN EN A1, Fly ash for concrete Part 1: Definition, specifications and conformity criteria, Prague, [9] ČSN EN A1, Methods of testing cement - Part 1: Determination of strength, Prague, [10] Zobal O. et al. Analýza betonu z tělesa přehrady Orlík po padesáti letech, Beton TKS 02/2014, pp PODĚKOVÁNÍ Tento článek vznikl za podpory Fakulty stavební ČVUT v Praze projekt TAČR č. TE a za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/ Univerzitní Centrum energeticky efektivních budov. 363