SNÍŽENÍ NÁKLADŮ NA VÝROBU PREFABRIKÁTŮ POUŽITÍM MODERNÍ PŘÍSADY URYCHLUJÍCÍ TVRDNUTÍ Vladislav Trefil Přísada urychlující tvrdnutí X-SEED obsahuje anorganické nanočástice ve formě hydrátu křemičitanu vápenatého, které se přidávají do betonu. Tyto částice se chovají jako zárodečná jádra krystalizace a urychlují proces tvrdnutí betonu bez nutnosti používat další tepelné zpracování. Jedná se o patent společnosti BASF v rámci přísad do betonu. Rychlý nárůst počátečních počátečních pevností je nejvíce patrný při nižších teplotách. X-SEED snižuje emise uhlíku a spotřebu energie a zdrojů spojených s výrobou prefabrikovaných betonových prvků. 1 Úvod Závazkem stavebnictví obecně a výrobců betonu obzvláště je úspěšně splnit čtyři hlavní výzvy, které jsou pro udržitelný vývoj stavebnictví zásadní: - zefektivnění procesů, - snížení spotřeby energie - optimalizace využívaných materiálů - splnění nároků na vysokou kvalitu V současném konkurenčním prostředí, a zvláště v obdobích slabého makroekonomického vývoje, je hlavní starostí tohoto odvětví vyvážit nároky tohoto závazku a co nejlepší efektivitu vynaložených nákladů. A tak urychlené tvrdnutí betonu v počáteční fázi je proto způsobem, který může v případě potřeby pořízení další bednící techniky šetřit čas a peníze. Rychlý vývoj počáteční pevnosti má pro výrobce prefabrikátů klíčovou důležitost. Ve výrobním procesu s přísným řízením kvality, patří mezi kritické ekonomické aspekty možnost rychlého využití forem a vysoká, nepřetržitá produkce s co nejmenšími nároky na náklady. Pro nejlepší složení směsi se tak stává požadavek pro rychlý vývoj počáteční pevnosti hlavním předpokladem. U prefabrikovaných výrobků se používá hlavně CEM I 52.5 či CEM I 42,5, přičemž evropský cementářský trh má tendenci používat více cementy se sníženým obsahem slínku. Aby bylo možné splnit všechny tyto požadavky, které jsou navíc protichůdné, je nyní k dispozici nové řešení v podobě konceptu Crystal Speed Hardening, založeném na moderní technologii urychlení tvrdnutí betonu. 2 Působení v betonové směsi 2.1 Koncept Koncept Crystal Speed Hardening umožňuje zajistit plynulejší výrobu betonu díky jedinečné technologii nového urychlovače tvrdnutí X-SEED. Rychlý nárůstu tvrdnutí při 1
všech teplotních úrovních, jenž byl dosud naprosto nemyslitelný, je nyní možné dosáhnout během počáteční fáze (6-12 hodin) díky mohutné krystalické reakci, která je schopná podpořit finální vlastnosti konkrétního betonu. 2.2 Mechanismus působení Od padesátých let minulého století je známo, že přidání jemně rozemletého ztvrdlého cementového tmele dokáže zrychlit průběh hydratace, ale ačkoliv se podobné podpůrné procesy v např. chemickém průmyslu využívají, v betonářském průmyslu nebylo možné tento postup využít. Naproti tomu tento proces funguje velmi dobře s nanotechnologicky složenými C-S-H fázemi. Během standardního procesu hydratace cementu reagují hlavní fáze slínku C 3 S a C 2 S s vodou a vytvářejí krystaly kalciumhydrosilikáty (Calcium Silicate Hydrate CSH). Nukleace krystalů CSH je exotermickou reakcí, která probíhá na povrchu cementových zrn a pro svůj další vývoj vyžaduje překonání určitých aktivačních bariér. Obr. 1 Vývoj hydratačního tepla v závislosti na době hydratace (s X-SEED, tradiční urychlovací přísada, bez urychlovací přísady) Díky přísadě X-SEED je nyní možné rozpustit extrémně jemné, synteticky vyrobené krystaly CSH v připravené suspenzi přísady a využít je jako nukleační materiál v roztoku mezi cementovými zrny. Aktivní krystaly CSH tak mohou růst prakticky bez jakýchkoli energetických bariér. Tato metoda se označuje jako nukleace krystalů. Bylo zjištěno, že krystaly vykazují růstové chování přednostně mezi sebou vzájemně, a nikoli na povrchu cementových zrn. Proto je růst struktury krystalů mnohem rychlejší a lze tak současně pozorovat dřívější tvrdnutí a rychlejší vývoj počáteční pevnosti. Finální hydratovaná cementová pasta nevykazuje žádné mikrostrukturální změny v porovnání se standardním hydratovaným cementem. Hustota krystalů CSH může ve skutečnosti zlepšit kvalitu vytvořené cementové pasty a nabídnout přínosy s ohledem na delší trvanlivost. 2
Obr. 2 Schematický pohled na krystaly CSH v roztoku cementu a vody 1 Obr. 3 Schematický Kryoskopický snímek X-SEED pořízený elektronovým mikroskopem (CryoSEM): Aktivní krystaly rostoucí mezi cementovými zrny 3 Přínos konceptu CRYSTAL SPEED HARDENING 3.1 Zrychlení procesu výroby Nejdůležitějším přínosem tohoto inovativního konceptu pro celkovou výkonnost a vlastnosti je rychlý nárůst pevnosti v počáteční fázi hydratace, a to při nízkých, běžných i vysokých teplotách tvrdnutí betonu. Zvýšená produktivita se přímo promítá do efektivity nákladů. Možnost rychle zvýšit kapacitu je požadována obzvláště v případech, kdy je nutno splnit neočekávané zakázky o velkém objemu. Díky přísadě X-SEED není pro splnění tohoto cíle potřeba instalovat žádná přídavná zařízení. Optimalizace výkonu výroby je však potřeba i obdobích nízké poptávky nebo krize. X-SEED nabízí rychlejší procesy a zvýšený objem výroby i při nastavení na běžnou výrobu. Lze naplánovat lepší využití forem a usnadnit tak práci s menším počtem forem nebo častěji využívat stávající formy. 3
Obr. 4 Vývoj počátečních pevností v závislosti na době hydratace (s X-SEED, tradiční urychlovací přísada, bez urychlovací přísady) 3.2 Snížení spotřeby energie Proteplování pro dosažení vyšší počáteční pevnosti je metoda velmi náročná na spotřebu energie a náklady především v zimním období nebo v případě, že je nutné pro uspokojení vysoké poptávky trhu používat více výrobních cyklů. Uplatnění přímého nebo nepřímého tepla na beton je navíc nezbytné velmi pečlivě řídit, aby se minimalizovalo riziko snížení jeho trvanlivosti (vnitřní pnutí, pozdní tvorba ettringitu). X-SEED umožňuje úplně eliminovat nebo snížit proteplování, čímž šetří prostředky na instalaci zařízení pro proteplování a přispívá ke snížení emisí CO2. Obr. 5 Vývoj počát. pevností v závislosti na době hydratace v různých teplotách prostředí 4
3.3 Možnost použití cementů s nižším obsahem slínku Směsné cementy a použití příměsí (Supplementary Cementitious Materials SCM) jsou důležitým nástrojem při optimalizaci složení směsí s cílem dosáhnout konkrétních požadavků na výkonnost výroby a vlastnosti betonu. Je však typickým rysem, že právě jejich použití je na úkor vývoje počáteční pevnosti potřebné pro výrobu prefabrikovaných betonových produktů a je nutné jej kompenzovat větším množstvím použitých pojivových materiálů. X-SEED umožňuje dosáhnout potřebné optimalizace konkrétních pojiv, aniž by došlo ke ztrátě vlastností betonu v počáteční fázi vývoje pevnosti nebo změnám charakteristik betonové směsi nebo čerstvého betonu. Tento účinek má kvantifikovatelný pozitivní dopad na finální pevnost betonu a přispívá ke snížení emisí CO2 výrobního závodu. Optimálního složení směsi se dosahuje pomocí nejmodernějších pravidel v oblasti technologie betonu a díky využití přísady X-SEED. Obr. 6 Vývoj počátečních pevností v závislosti druhu cementu 3.4 Zvýšení kvality Přísada X-SEED posiluje vzájemnou vazbu mezi jednotlivými částicemi jako důsledek sil vznikajících při tvorbě krystalů z aktivních CSH. Tento jev má pozitivní vliv na vlastnosti betonu týkající se jeho smršťování a tvorby trhlin, jakož i na nižší absorpci vody. Porovnáním dvou typů betonu se zráním betonu při 20 C při použití přísady X-SEED a při proteplování párou 60 C bylo zjištění zhoršení vlastností povrchu při celé řadě zkoušek (CHRL, nasákavost, difuze chloridů atd.) vlivem proteplení (1). Při současném použití s příměsí do betonu (SCM) je zvýšena odolnost betonu a prodloužena jeho celková životnost. Díky přísadě X-SEED má výrobce betonu k dispozici veškeré prostředky k lepšímu zajištění výroby betonu s vysokými nároky na kvalitu které mu současně pomohou optimalizovat každodenní výrobní náklady a plnit cíle pro udržitelnou výrobu. Specifikace pro vysoce kvalitní beton stále více zahrnují ekologické aspekty a vyžadují zajištění optimalizovaného tzv. ECO profilu (vyvážení ekologických přínosů 5
oproti ekonomickým nákladům po celou dobu životnosti). Pomocí Life cycle assessment lze zjistit dramatické zhoršení ve vlivu na životní prostředí v případě proteplovaného betonu oproti betonu s přísadou X-SEED (2). 4 Výroba předpjatých vazníků délky 20 m ze samozhutnitelného betonu 4.1 Návrh receptury Firma Prefa Praha a.s. se na divizi přísad BASF obrátila s požadavkem na zvýšení počátečních pevností z důvodů výroby zakázky do stanoveného termínu. Ekonomickou rozvahou bylo zjištěno, že betonová směs i s přidáním urychlovací přísady je výhodnější než pořízení další formovací techniky. Tím, že se místo na dvě směny mělo přejít na třísměnný provoz, bylo nutné zrychlit průběh počátečních pevností na 20 MPa po 8 hod i v zimním období. Současně bylo nutné udržet konzistenci po dobu jedné hodiny v rozsahu 750 780 mm slumpflow. Z důvodu komplikované výztuže bylo zvoleno použití samohutnícího betonu. Před výrobou byly provedeny testy náběhu počátečních pevností v laboratorních podmínkách. Betonová směs obsahovala CEM 52,5 I 490kg, superplastifikační přísadu GLENIUM ACE 446 6,7kg. Vodní součinitel byl v obou případech 0,43. Referenční záměs Záměs s X-SEED 4,5 % z váhy cementu Rozlití Scc ( mm ) 760 780 Pevnost v tlaku po 4 hod. ( Mpa ) 0 3 Pevnost v tlaku po 6,5 hod. ( Mpa ) 8 17 Pevnost v tlaku po 8,5 hod. ( Mpa ) 14 29 Pevnost v tlaku po 28d. ( Mpa ) 62 71 Tab. 1 Porovnání záměsí bez a s přísadou X-SEED 4.2 Výroba vazníků Výroba probíhala namícháním směsi do domíchávačů po 4 m3, následně byly vazníky plněny badií. Přesto, že betonová směs byla zhutněna pouze svou vahou, byly po odbednění zjištěny vynikající povrchy. 6
Obr. 7 Předpjatý vazník po odbednění Obr. 8 Povrch předpjatého vazníku viditelně bez závad 7
5 Závěr Mezi přednosti, které přísada X-SEED nabízí oproti srovnávacímu produktu, patří vynikající počáteční pevnost betonu a jeho hladší povrch. Přísada do betonu X-SEED společnosti BASF snižuje emise uhlíku a spotřebu energie a zdrojů spojených s výrobou prefabrikovaných betonových prvků. Tak zní výsledek Nano- Nachhaltigkeitscheck (zkoušky tzv. nanoudržitelnosti, čili potenciálu využití nanočástic pro zajištění udržitelnosti dopadů stavebních materiálů na životní prostředí), kterou vyvinul Öko-Institut ve Freiburgu (Institut pro aplikovanou ekologii). Společnost BASF provedla pilotní zkoušky ve spolupráci s Öko-Institutem, následně novou metodu testovala a analyzovala nový urychlovač vytvrzování X-SEED. (3) Literatura [1] Moro, S.(2011): Durability tests with X SEED 100, [2] DEKRA, (2011): Gap assessment and peer review of BASF Seebalance analysis, [3] Öko Institut Freiburg (2012): Nano Nachhaltigkeitscheck, Ing. Vladislav Trefil BASF Stavební hmoty ČR, s.r.o. F.V.Veselého 7 193 00 Praha 9 Horní Počernice Czech Republic +420 602 286 758 +420 226 212 071 vladislav.trefil@basf.com URL www.basf.cz 8