VLASTNOSTI BEZSLÍNKOVÝCH KOMPOZITŮ PO VYSOKOTEPLOTNÍM NAMÁHÁNÍ

Transkript

1 P. Rovnaník, P. Rovnaníková, P. Bayer, Fakulta stavební, VUT v Brně, Žižkova 17, Brno, tel: , fax: , rovnanik.p@fce.vutbr.cz VLASTNOSTI BEZSLÍNKOVÝCH KOMPOZITŮ PO VYSOKOTEPLOTNÍM NAMÁHÁNÍ Portland cement concrete is the most common and widespread material for constructions. However, its undesirable fast degradation, when exposed to very high temperature, connected with compressive strength decrease, cracking and spalling limits the utilization of concrete in constructions endangered by fire. This paper deals with the properties of alkali activated aluminosilicate materials and a possibility their utilization as fire protection. These materials are more resistant against high temperatures, especially against shock loading, than Portland cement concretes. In the experiments we examined and compared the behaviour and properties of concrete specimens made from Portland cement and alkali activated slag after treatment at the temperatures from 200 to 1200 C. The influence of aggregates, comparing quartz sand and electrical porcelain, was also examined. Úvod Beton na bázi Portlandského cementu je jedním z nejpoužívanějších stavebních materiálů současnosti. Jedná se o slínkový kompozit, jehož vynikající mechanické vlastnosti jej předurčují pro využití jako nosného konstrukčního materiálu. Také z hlediska protipožární ochrany jej lze považovat za materiál s vysokým bezpečnostním faktorem, neboť je nehořlavý a ani k hoření nijak nepřispívá. Nicméně při vystavení vysokým teplotám nebo ohni dochází k nežádoucí rychlé degradaci, dramatickému poklesu pevností, tvorbě trhlin, případně odprýskávání povrchových vrstev betonu, což omezuje jeho použití pro konstrukce vystavené vysokým teplotám nebo požáru. Tento jev je nebezpečný především u podzemních konstrukcí. Pokud dojde ke vzniku požáru, nárůst teploty může být velice rychlý a ve velmi krátké době (3 10 minut) může dosáhnout až 1200 C [1]. Jednou z možností, jak se vyhnout tomuto problému, je zvýšení protipožární odolnosti betonu, např. změnou složení betonové směsi. Druhou možností je pak použití bezslínkových kompozitních materiálů na bázi alkalicky aktivovaných aluminosilikátů (AAS), které vykazují vyšší odolnost vůči působení vysokých teplot. 164

2 Pojiva na bázi AAS byla vyvinuta již v 60. letech prof. Gluchovským na Ukrajině, kde byla použita pro konstrukci stok pro odpadní vody [2]. V 70. letech se začal tvorbě a studiu vlastností materiálů na bázi alkalicky aktivovaných aluminosilikátů věnovat prof. Davidovits, od něhož pochází název geopolymer [3]. Jedná se o dvousložková pojiva, kde jednou ze složek je aluminosilikát (např. granulovaná vysokopecní struska, metakaolin) a druhou složkou je alkalický aktivátor ve formě alkalických hydroxidů, uhličitanů nebo křemičitanů (vodní sklo). Vlastnosti kompozitů namáhaných vysokými teplotami závisí také na vlastnostech a stabilitě použitého kameniva. Kamenivo obsahující křemen nebo křemenný písek vykazuje objemovou nestálost při zahřívání na vysoké teploty v důsledku modifikačních přeměn křemene při 573 C (α-křemen β-křemen) a 870 C (β-křemen β-trydimit). Mnohem vhodnější je proto využití buď uměle vyrobených materiálů, které se připravují při vysokých teplotách (např. porcelán, keramika), nebo tepelně transformovaných přírodních materiálů (např. vermikulit). Materiály Pro studium vlastností bezslínkových kompozitů po vysokoteplotním namáhání byla vybrána alkalicky aktivovaná vysokopecní granulovaná struska (AAS). Vlastnosti materiálu byly studovány na vzorcích malt o rozměrech mm. AAS materiál byl připraven z jemně mleté vysokopecní strusky (Kotouč, s r.o., Štramberk) s měrným povrchem 380 m 2 /kg a modulem zásaditosti M z = 1,07, která byla aktivována sušeným silikátem sodným Portil A (Henkel AG) se silikátovým modulem M s = 1,89. Po zatvrdnutí byly všechny vzorky uchovávány po dobu 28 dní ve vodní lázni. Pro srovnání vlastností byly připraveny také vzorky malt z Portlandského cementu (PC). Pro zjištění vlivu kameniva na vlastnosti zahřívaného kompozitu byly srovnávány 3 typy kameniva: křemenný písek, elektroporcelán a vermikulit. Kamenivo bylo složeno ze 3 frakcí; buď elektroporcelánu o velikosti zrn 0-1, 1-3, 3-6 mm, popřípadě jeho směs s vermikulitem v objemovém poměru 70/30, nebo zkušebního křemenného písku v poměru frakcí 1:1:1. Složení jednotlivých směsí je uvedeno v tabulce 1. Experimentální metody Pro zjištění vlastností kompozitů po vystavení vysokým teplotám byly připravené vzorky zahřívány v elektrické peci v rozmezí teplot 200 až 1200 C s 1 h výdrží při dané teplotě, a to ve dvou režimech: 165

3 postupné zahřívání vzorku na danou teplotu rychlostí 3 C/min. šokové zahřívání, kdy byl vzorek vložen do pece vyhřáté na teplotu 1000 nebo 1200 C V případě kompozitů z Portlandského cementu bylo nutné vzorky nejprve vysušit při 105 C do konstantní hmotnosti, abychom předešli odprýskávání povrchové vrstvy, případně jejich celkové explozivní destrukci. Po tepelném namáhání vzorků byly zjišťovány jejich mechanické vlastnosti a mikrostruktura byla studována pomocí rtuťové porozimetrie (Micromeritics Poresizer 9300) a skenovací elektronové mikroskopie (JEOL U 3). Zjištěné údaje byly poté porovnány s vlastnostmi tepelně nezatěžovaných vzorků. Tabulka 1 Složení směsí jednotlivých kompozitů Složka Poměr složek směsi, kg AAS-NP AAS-EP AAS-EV PC-NP PC-EP Struska Portlandský cement Portil A Písek Elektroprcelán Vermikulit 44 Voda Mikrostruktura Zahřívání hydraulických pojiv na vysoké teploty je provázeno především změnami mikrostruktury. U slínkového materiálu dochází nejprve při teplotách C k uvolnění fyzikálně vázané vody. Nad teplotou 300 C pak nastává postupná dehydratace a rozklad CSH gelů, což vede ke zvýšení celkové porozity a snížení pevností (obr. 1). Obr. 1 Změny v mikrostruktuře PC pojiva po tepelném namáhání. 166

4 Obr. 2 Změny v mikrostruktuře AS pojiva po tepelném namáhání Kumulativní objem pórů, cm 3 /g C 200 C 400 C 600 C 800 C 1000 C 1200 C AAS pojivo má počáteční průběh tepelného rozkladu obdobný až do teploty 800 C. Snímky z elektronového mikroskopu však ukazují, že jeho mikrostruktura je zcela odlišná. AAS pojivo má na rozdíl od PC pojiva při 800 C amorfní Průměr pórů, mm Obr. 3 Kumulativní objem pórů AAS pojiva v závislosti na teplotě namáhání houbovitou strukturu s velkými póry (obr. 2). Nad touto teplotou pak dochází k tvorbě nové krystalické fáze, akermanitu, což má za následek výrazný nárůst pevností. Kumulativní objem pórů, cm 3 /g C 200 C 400 C 600 C 800 C 1000 C 1200 C Změny v pórové struktuře obou pojiv ukazují grafy kumulativního objemu pórů pro různé teploty (obr. 3 a 4). Slínkové pojivo obsahuje především malé póry o průměru pod 1 µm. Při dehydrataci jsou tak stěny pórů vystaveny obrovskému tlaku přehřáté 0.00 páry, a to může mít za následek vznik Průměr pórů, mm trhlin, odprýskávání povrchových vrstev betonu (tzv. spalling) nebo Obr. 4 Kumulativní objem pórů PC pojiva v závislosti na teplotě namáhání. dokonce explozivní destrukci celého materiálu. Při teplotách od 600 C postupně narůstá objem a velikost pórů a při teplotě 1200 C jsou ve struktuře pouze póry o velikosti >1 µm. Tepelně 167

5 nezatěžované AAS pojivo obsahuje pouze velké póry (>1 µm), a proto nepodléhá destrukci ani při šokovém zahřívání zcela mokrých vzorků. V rozmezí teplot C dochází ke vzniku velmi malých pórů, které jsou způsobeny postupným rozkladem CSH gelů. Při teplotách nad 600 C se velikost těchto pórů, a tedy i celkový objem pórů zvyšuje, což je patrné i na snímcích z mikroskopu. Při 1200 C dojde již k tak velkému zvětšení velikosti pórů, že se celkový objem pórů zdánlivě zmenší. Mechanické vlastnosti Změny mikrostruktury při tepelném zatěžování pojiv se přímo odráží na mechanických vlastnostech. Na obr. 5 můžeme vidět závislost pevnosti v tlaku, resp. v tahu za ohybu, na teplotě pro AAS a PC pojiva. Z obou grafů vyplývá, že u bezslínkových kompozitů dochází k postupnému poklesu pevností až do teploty 800 C a poté dochází k nárůstu v důsledku tvorby krystalické fáze, akermanitu. Při 1200 C pak dochází ke vzniku keramické vazby, což má za následek extrémní nárůst pevností. U slínkového pojiva dochází v rozmezí teplot C prakticky k lineárnímu poklesu pevností. Při 1200 C je patrné mírné zvýšení, které je způsobeno tvorbou nových krystalických fází, ale ve srovnání s AAS pojivem je tento nárůst zanedbatelný. Při srovnání absolutních hodnot pevností obou pojiv, PC pojivo vykazuje vyšší pevnosti v rozmezí teplot C. Při vyšších teplotách, které mohou být dosaženy například při požáru v podzemních konstrukcích, však jeho pevnosti dosahují pouze 60% (1000 C), resp. 25% (1200 C), pevností AAS pojiva. Bylo také zjištěno, že mechanické vlastnosti kompozitů vystavených šokovému zahřívání se prakticky neliší od vlastností postupně zahřívaných vzorků. Pevnost v tlaku, MPa AAS PC Pevnost v ttahu za ohybu, MPa AAS PC Teplota, C Teplota, C Obr. 5 Závislost pevností v tlaku a v tahu za ohybu pro AAS EP a PC EP kompozity. 168

6 Vliv druhu kameniva na mechanické vlastnosti kompozitů Druh použitého kameniva má výrazný vliv především na mechanické vlastnosti tepelně zatěžovaných aluminosilikátových kompozitů. Pro naše studium byly použity 3 druhy kameniva: křemenný písek, elektroporcelán a vermikulit. Vermikulit je velmi lehké porézní kamenivo s vysokou nasákavostí, proto z důvodu zpracovatelnosti směsi bylo nutné použít jeho směs s elektroporcelánem. Rozdíly v mechanických vlastnostech lze nejlépe prezentovat na pevnostech v tlaku a v tahu za ohybu pro nezahřívané materiály a materiály šokově zatěžované při teplotách 1000 a 1200 C (obr. 6) Pevnost v tlaku, MPa C 1000 C 1200 C Pevnost v tahu za ohybu, MPa C 1000 C 1200 C 0 AAS-NP AAS-EP AAS-EV PC-NP PC-EP 0 AAS-NP AAS-EP AAS-EV PC-NP PC-EP Obr. 6 Pevnosti v tlaku a v tahu za ohybu pro různé kompozity při 20, 1000 a 1200 C. Je patrné, že kompozity s elektroporcelánem vykazují vyšší pevnosti jak v tlaku tak v tahu za ohybu. Tento rozdíl je způsoben především odlišnou vazbou kameniva v matrici. Při 1200 C dochází u elektroporcelánu k roztavení povrchu v důsledku působení alkálií přítomných v AAS pojivu a vzniku pevné keramické vazby. Problémem však je, že u velmi jemných podílů elektroporcelánu dochází k jejich celkovému roztavení, což způsobí tíhovou deformaci takového AAS kompozitu (obr. 7). Kompozit s obsahem vermikulitu vykazuje obdobné vlastnosti, jen s tím rozdílem, že absolutní hodnoty pevností jsou nižší, díky lehké, porézní struktuře tohoto materiálu. Výrazný pokles pevností u kompozitů obsahujících křemen je způsoben modifikační přeměnou křemene při 573 a 870 C, doprovázené objemovými změnami. To také potvrzuje porovnání porozimetrických měření u kompozitů vystavených teplotám 600 C (obr. 8). 169

7 0.12 Kumulativní objem pórů, cm 3 /g AAS-NP AAS-EP Obr. 7 AAS-EP trámec po tepelném namáhání na 1200 C Průměr pórů, mm Obr. 8 Kumulativní objem pórů AAS kompozitů s křemenným pískem a elektroporcelánem po zahřívání na 600 C. Závěr Účelem této práce bylo připravit bezslínkové kompozity na bázi alkalicky aktivované strusky a srovnání jejich vlastností po tepelném namáhání s obdobnými kompozity na bázi Portlandského cementu. AAS pojiva mají podobné mechanické vlastnosti jako PC pojiva, jsou-li vystaveny teplotám do 800 C. Při teplotách nad 1000 C se však jejich pevnostní charakteristiky výrazně liší, protože na rozdíl od slínkových kompozitů, dochází u AAS kompozitů k výraznému nárůstu pevností, způsobených tvorbou nových krystalických fází. Díky odlišné porozitě také nedochází u bezslínkových kompozitů k odprýskávání a destrukci materiálu vlivem kapilárních tlaků při dehydrataci pojiva. Při srovnávání vlivu kameniva v kompozitech bylo zjištěno, že použití žáruvzdorného kameniva má pozitivní vliv na mechanické vlastnosti kompozitu po vystavení vysokým teplotám. Kamenivo obsahující křemen není pro tepelně namáhané konstrukce vhodné, neboť při zahřívání dochází k objemovým změnám, které v konečném důsledku vedou k výraznější degradaci kompozitního materiálu. Z hlediska odolnosti vůči působení vysokých teplot se jeví nejlépe kompozit na bázi alkalicky aktivované strusky s elektroporcelánem jako kamenivem. Tento materiál by mohl být použit například jako konstrukční materiál pro tepelně namáhané konstrukce nebo jako protipožární ochrana nosných betonových konstrukcí. Poděkování Tato publikace vznikla za podpory výzkumného projektu MSM

8 Literatura [1] HAACK, A. Fire protection concepts for traffic tunnels: latest developments and recent research activities. In Concrete for Transportation Infrastructure, Proceedings of the Int. Conf. Cement for Durable Concrete, Dundee: Eds. Dhir R.K., Mc Carthy M.J., Caliskan S., Thomas Telford, London, 2005, pp [2] BRANDŠTETR, J. Současný stav výzkumu a aplikací SA betonů v Sovětském Svazu. In Struskoalkalické betony. VÚ III-2-3/01.02.E1+E3, 1988, s [3] DAVIDOVITS, J. Chemistry of Geopolymeric Systems Terminology. In Proc. of the 2nd Int. Conf. on GÉOPOLYMÈRE 99, Saint Quentin,1999, pp