Vliv průmyslových odpadů na vlastnosti samozhutnitelných betonů

Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební Studentská vědecká a odborná činnost Akademický rok 2005/2006 Vliv průmyslových odpadů na vlastnosti samozhutnitelných betonů Jméno a příjmení studenta : Ročník, obor : Vedoucí práce : Ústav : Tomáš Tenzer 5M Doc. Ing. Rudolf Hela, Csc. Ústav technologie stavebních hmot a dílců

1. ANOTACE... 3 2. ÚVOD... 4 3. TEORETICKÁ ČÁST... 5 3.1. Vlastnosti samozhutnitelných betonů... 5 3.1.2. Vlastnosti čerstvého SCC...5 3.2. Metody zkoušení čerstvého SCC... 6 3.2.1. Zkouška rozlitím obráceného kužele...6 3.2.2. Zkouška L-box...7 3.2.3. Zkouška Orimet s přidáním zkoušky J-Ring...8 3.3. Vlastnosti ztvrdlého SCC... 9 3.3.1. Pevnost v tlaku...9 3.3.2. Pevnost v tahu ohybem...9 3.3.3. Statický a dynamický modul pružnosti...9 3.4. Odpady, jejich produkce a využití v betonu... 10 3.4.1. Produkce odpadu v České republice...10 3.4.2. Využití druhotných surovin jako příměsí do betonu...10 3.5. Použitý materiál... 11 3.5.1. Charakteristika použitých druhotných surovin...11 4. CÍL PRÁCE... 13 5. METODIKA PRÁCE... 14 6. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST... 15 6.1. Receptura s popílkem Dětmarovice (R1)... 15 6.2. Receptura s popílkem Chvaletice (R2)... 16 6.3. Receptura s jemně mletou struskou Štramberk (R3)... 17 6.4. Receptura s odpraškem Želešice (R4)... 18 6.5. Receptura s odpraškem Předklášteří (R5)... 19 6.6. Srovnání jednotlivých receptur... 20 6.6.1. Porovnání vlastnosí čerstvého betonu... 20 6.6.2. Srovnání mechanických vlastností ztvrdlého betonu... 21 6.6.3. Srovnání dynamického modulu pružnosti ztvrdlého betonu... 22 6.6.4. Ekonomické vyhodnocení receptur... 23 7. ZÁVĚR... 24 8. LITERATURA... 24 9. PŘÍLOHY... - 26-2

1. ANOTACE Práce se zabývá vlivem druhotných odpadních surovin jako jsou popílky, jemně mletá struska a kamenné odprašky použitých ve formě příměsi do betonu na vlastnosti čerstvého i ztvrdlého samozhutnitelného betonu. Vyhodnocuje příměsi z hlediska reologie betonu, pevností, kvality povrchu a celkové ceny směsi. 3

2. ÚVOD Samozhutňující beton (dále jen SCC - self-compacting concrete) je nová kategorie vysokohodnotných betonů. Je to vícesložkový kompozitní silikátový systém s takovou mírou pohyblivosti a tekutosti v čerstvém stavu, že po uložení do formy svou vlastní tíhou a působením gravitačního zrychlení vyplní i hustě armované profily a dosáhne požadované hutnosti bez dodávání další vnější zhutňovací energie. Výsledkem je pak rychlejší a ekonomicky méně náročný výrobní proces. SCC byl vyvinut v Japonsku před 15 lety prof. Okamurou na Kochi University of Technology a prof. Ozawou na University of Tokio. K prvním praktickým aplikacím došlo koncem osmdesátých let a prudký rozvoj tohoto typu betonu začal počátkem let devadesátých s nástupem superplastifikačních přísad. Jeho největší použití je při výstavbě mostů, tunelů, nádrží, budov, začíná se však prosazovat i v prefabrikaci. Další země, kde se rozvíjí v posledních letech výroba SCC jsou Kanada, Holandsko, Island, Norsko, Švédsko, Švýcarsko, Francie a také Česká republika. Hlavními důvody pro vývoj SCC bylo nahrazení kvalifikovaných pracovníků provádějících hutnění, snížení nepříznivých environmentálních vlivů na lidský organismus a vyřazení vibrátorů z procesu betonáže. Vedlejším přínosem betonu je zvýšená životnost forem i bednění nejen na stavbě ale především v prefabrikaci. SCC má také oproti běžnému betonu lepší pohledové vlastnosti díky hladkému povrchu. Další výhodou SCC oproti běžnému betonu je odolnější povrch. Tato vlastnost je požadována u konstrukcí podzemních stěn, vrtaných pilotů, opěrných zdí či průmyslových podlah, tedy konstrukcí u kterých předpokládáme kontakt s agresivním prostředím. Z ekonomického hlediska jsou vstupní suroviny pro SCC dražší než suroviny pro standardní beton. Požadavky na kamenivo a cement (především jeho množství) jsou vyšší a nutnost užití kvalitních superplastifikátorů v poměrně velkém množství cenu betonu zvyšuje. Cena vstupních surovin se dá částečně snížit použitím portlandských směsných cementů a především průmyslových odpadů jako jsou elektrárenský popílek, jemně mletá struska či kamenné odprašky (dále jen filler) ve formě příměsí. Vynaložené prostředky se však vrátí při betonáži, kdy není třeba užít vibrátorů a jejich případné obsluhy. Betonáž SCC je časově méně náročná a z hygienických důvodů také vhodnější než u běžných betonů, protože nám odpadá proces hutnění a díky tzv. tiché betonáži můžeme v obydlených oblastech pracovat i v noci. Využití průmyslových odpadů ať již ve formě cementu či příměsi však nejenom snižuje cenu betonu. V případě použití popílků a strusky se dá očekávat zvýšení pevností betonu vlivem jejich pucolánových vlastností, navíc struskové minerály zvyšují odolnost silikátového kompozitu proti agresivním vodám. SCC navíc vyžaduje velké množství jemných podílů a proto se použití těchto surovin přímo nabízí. V neposlední řadě je nutno brát v úvahu hledisko ekologické. 4

3. TEORETICKÁ ČÁST 3.1. Vlastnosti samozhutnitelných betonů 3.1.1. Vlastnosti čerstvého SCC Základní vlastností SCC je jeho tekutost (flow ability). Ta způsobuje veškeré výhody tohoto betonu, tedy samoukládání, kompletní vyplnění forem i mezi výztuží a z toho plynoucí rychlost výroby, vysoké pevnosti díky dokonalému uložení směsi atd. Podmínkou je, aby hrubé kamenivo bylo stále udržováno ve vznosu a plavalo rovnoměrně v betonu aniž by docházelo k odlučování vody a segregace jednotlivých složek betonové směsi. Tato směs musí být také vyplněna jemnou frakcí kameniva, např. jemně mletou struskou, případně elektrárenským popílkem a samozřejmě vhodným použitím superplastifikátoru v kombinaci se záměsovou vodou. Čerstvý SCC má čtyři základní reologické vlastnosti: A. Pohyblivost: je schopnost betonu téct, tedy vyplnit všechny prostory uvnitř bednění vlivem své vlastní hmotnosti. Občas dělíme SCC na rychletekoucí a pomalutekoucí. B. Odolnost proti blokaci: schopnost betonu protékat vlivem své vlastní tíhy skrz těsné prostory jakými jsou např. mezery mezi výztuží, jednotlivé pruty výztuže obtéci a zase se plynule spojit. C. Odolnost proti sedimentaci a segregaci: SCC musí vyhovět požadavkům na pohyblivost a odolnost proti blokaci a zároveň jeho skladba během dopravy a ukládání do konstrukce musí zůstat jednotná. Vzhledem k tomu, že je beton složen z několika různých druhů frakcí kameniv a přitom si zachovává vysokou tekutost, může nastat nežádoucí vliv sedání velkých frakcí na dno a vytlačování jemných podílů k povrchu. Toto riziko nastává velmi často při špatném složení křivky zrnitosti a nebo při přidání velkého množství záměsové vody. D. Bleeding: Vysoce tekuté betony mají sklony k vytlačování vody na povrch a její odtékání a vylučování z betonu. Česky nazýváme tuto nežádoucí vlastnost odlučování vody. [2] 5

3.2. Metody zkoušení čerstvého SCC Přestože se už SCC začíná s úspěchem používat v konstrukcích, stále u něj dochází k intenzivním výzkumům a nejsou definovány normové zkoušky na zkoušení vlastností čerstvého SCC. Proto se vychází z doporučení směrnic či již odzkoušených metod. Následující metody nezahrnují všechny dosud známé a používané metody, ale byly vybrány pro jejich časté používání a tedy možnost konfrontace výsledků na ústavu THD VUT Brno. 3.2.1. Zkouška rozlitím obráceného kužele Rozlití kužele se používá na posouzení horizontálního toku SCC bez překážek. Základní vybavení je stejné jako pro zkoušku sednutí kužele, kužel je však obráceně a beton se nezhutňuje pomocí tyče. Po odstranění kužele se vzorek rozlije - měří se celkový průměr rozlitého koláče a čas, za který se beton roztekl na průměr 50 cm. Jedná se o jednoduchou a rychlou metodu, ke které je třeba pouze jednoho pracovníka. Často se používá na staveništi, třebaže je nutná vodorovná plocha a zkušební deska je dosti neskladná. Tato metoda dává dobrou představu o tekutosti betonu. Nelze z ní usuzovat na odolnost proti blokování, ale lze z ní posoudit odolnost proti segregaci a krvácení. Volný tok betonu bez jakýchkoliv překážek sice neodpovídá plně tomu, co se děje během betonáže, ale přesto je rozlití kužele v praxi nejpoužívanější metodou. Obr. 2.1. Upravená zkouška rozlitím kužele [2] Čím vyšší je hodnota rozlití, tím vyšší je schopnost betonu vyplnit bednění pouze účinkem své vlastní tíhy. Pro SCC se požaduje hodnota nejméně 650 mm. Další známkou tekutosti je čas, za který se beton rozlije na průměr 50 cm (T 50 ). Nižší čas značí vyšší tekutost. Vhodná hodnota T 50 je 0-1,5 sekundy (tento čas je však relativní, není totiž sjednocená doba zapnutí časoměru. Některé zdroje udávají počátek měření od nadzvednutí kužele, jiné od vytečení směsi z kužele, vždy se však měří do rozlití 50 cm). 6

V případě výrazné segregace zůstane většina nejvyšší frakce kameniva uprostřed koláče a na kraji bude pouze cementová malta. V případě menší segregace se kolem rozlitého koláče objeví prstenec malty bez hrubého kameniva. Pokud nedojde k žádnému z těchto aspektů, není to ještě zárukou, že segregace nenastane během dalšího časového úseku. Krvácení se projevuje prstencem vody na kraji koláče. Je nutno zkušenosti, zda-li se nejedná o vodu vytlačenou z povrchu zkušební desky. 3.2.2. Zkouška L-box Zkušební aparatura se skládá z vertikální a horizontální části, které jsou odděleny dvířky, před nimiž je umístěna výztuž. Vertikální část se naplní betonem a po otevření dvířek vtéká beton do horizontální části. Měří se čas, po který teče beton do vzdálenosti 400 mm (T 40 ) a na konec vodorovné části, tedy do vzdálenosti 600 mm (T 60 ). Poté se změří výška betonu na konci vodorovné sekce a výška zbývajícího betonu ve svislé sekci. Porovnáním těchto výšek zjistíme stupeň odporu, který klade výztuž procházejícímu betonu. Tímto testem lze hodnotit tekutost a odolnost proti blokaci; vizuálně lze zjistit vážnou segregaci. Není žádný důkaz o tom, jaký vliv na tekutost betonu má stěna aparatury a následný stěnový efekt. Pro poměrně obtížnou manipulaci se zkouška používá pouze v laboratořích. Obr. 2.2. Zkouška L-Box [2] 7

3.2.3. Zkouška Orimet s přidáním zkoušky J-Ring Orimet byl vyvinut na univerzitě v Paisley jako metoda měření vysoce tekutých čerstvých betonů na staveništi. Zkouška je založena na principu úsťového reometru. Orimet tvoří vertikální tubus s vyměnitelným ústím a uzavírací dvířka. Ústí má obvykle průměr 80 mm, ale lze jej vyměnit za průměry 70 90 mm. J-Ring je prstenec s výztuží, který leží pod Orimetem. Tyto dvě zkoušky se velmi vhodně doplňují. Samotná zkouška spočívá v naplnění Orimetu betonem a měření času výtoku. Za optimální se považuje čas do 6 sekund. Jakmile se beton přestane pohybovat, změří se výška betonu uvnitř a vně J-Ringu. Tento test je schopen simulovat tečení čerstvého betonu během ukládání na staveništi. Je to rychlá zkouška a vybavení je jednoduché se snadnou údržbou. Jedinou nevýhodou je neskladnost jednotlivých komponent. Obr. 2.3. Orimet v kombinaci s J-Ringem [2] 8

3.3. Vlastnosti ztvrdlého SCC Zkoušení mechanických vlastností samozhutnitelných betonů u nás probíhá dle CSN EN norem, ačkoli SCC není zatím zahrnuto v ČSN EN 206 a stále nebyla přeložena směrnice pro SCC do českého jazyka. 3.3.1. Pevnost v tlaku SCC s obdobným vodním součinitelem bude mít díky použití plastifikačních přísad na bázi polykarboxylátů či akrylátů vyšší pevnost v porovnání s tradičním vibrovaným betonem. Nárůst pevnosti je u SCC stejný nebo mírně rychlejší než beton referenční. [3] Zkoušení pevnosti v tlaku se provádí dle ČSN EN 12390-3 Zkoušení ztvrdlého betonu - Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles. 3.3.2. Pevnost v tahu ohybem SCC se může dodávat v každé předepsané třídě betonu a pro danou třídu a stáří betonu bude odpovídat pevnost v tahu nebo bude mírně vyšší, což způsobuje lepší uložení cementové pasty (cement + jemné částice + voda), nižší porozita a rovnoměrnější rozdělení pórů v přechodové zóně mezi kamenivem a cementovou matricí. Zkoušení pevnosti v tahu ohybem se provádí dle ČSN EN 12390-5 Zkoušení ztvrdlého betonu - Část 5: Pevnost v tahu ohybem zkušebních těles 3.3.3. Statický a dynamický modul pružnosti Modul pružnosti ( E hodnota, poměr mezi napětím a deformací) se používá ve výpočtech průhybů v pružnosti a často funguje jako kontrolní ukazatel při návrhu desek a předpjatých prvků. Největší částí v objemu betonu je kamenivo a jelikož výsledný modul pružnosti sestává z modulů jednotlivých komponent, má proto největší vliv na výslednou hodnotu modulu pružnosti. V porovnání SCC a tradičního vibrovaného betonu má však samozhutnitelný beton výrazně větší množství cementového tmele, z čehož vyplývají určité rozdíly v E hodnotě, která u SCC bývá nižší než u běžného betonu. [3] Samotné zkoušení dynamického modulu pomocí ultrazvukové metody funguje navíc pro SCC jako kontrola sedimentace betonu. Při zkoušení se vyhodnocují časy průchodu impulzu vzorkem ve třech různých výškách vzorku. Pokud by SCC výrazně sedimentoval, časy naměřené v horní části vzorku by byly výrazně vyšší než časy na spodní části vzorku. Pokud k segregaci nedochází, měly by být rychlosti šíření impuzů (v µs) přibližně stejné. Zkoušení dynamického modulu pružnosti se provádí dle ČSN 73 1371 nebo dle ČSN 73 1372 9

3.4. Odpady, jejich produkce a využití v betonu 3.4.1. Produkce odpadu v České republice Ve smyslu zákona č. 185 / 2001 Sb., o odpadech s účinností od 1.1. 2002 je odpad každá movitá věc, které se osoba zbavuje nebo má úmysl či povinnost se jí zbavit a přísluší do některé ze skupin odpadu uvedených v příloze k tomuto zákonu. Každý producent je povinen předcházet vzniku odpadu, snižovat jejich množství a nebezpečné vlastnosti, využívat produkované odpady především ve vlastním provozu, případně je nabízet k využití jiným firmám. Teprve nevyužité odpady mohou být odstraněny (zneškodněny). Produkce odpadu v ČR je poměrně vysoká, podle evidence bylo v roce 2003 vyprodukováno 25 miliónu tun odpadu. Proto je velmi žádoucí jejich materiálové využití pro některé klasické nebo zcela nové výrobky ve stavebnictví a samozřejmě i v dalších průmyslových odvětvích. Materiálové využití odpadu je podle 11 zákona č.185 / 2001 Sb., preferovanou metodou likvidace odpadu. [5] Materiálovým využitím odpadu se rozumí náhrada prvotních surovin látkami získaných z odpadu, které lze považovat za druhotné suroviny, nebo využití látkových vlastností odpadu k původnímu účelu nebo k jiným účelům, s výjimkou bezprostředního získávání energie. Jednou z možností materiálového využití vybraných druhů odpadu je jejich využití ve stavebnictví, kde se využívají například pro výrobu stavebních hmot a dílců. S úspěchem lze zpracovávat například elektrárenské popílky, granulované vysokopecní a ocelárenské strusky, křemičité úlety a další. Poměrně značnou nevýhodou je skutečnost, že tyto látky mají často proměnlivé chemické a fázové složení, což negativně ovlivňuje možnosti jejich využití. 3.4.2. Využití druhotných surovin jako příměsí do betonu Pro výrobu betonu lze využívat suroviny jak z prvotních, tak i z druhotných zdrojů. U druhotných surovin je důležité jejich zhodnocení jak z hlediska jejich vlivu na úspory prvotních nerostných zdrojů, tak z hlediska vlivu na úspory energie, která je vkládána do úpravy prvotních surovin a jejich dalšího zpracování. V ČR dosud nejsou v optimální míře zavedeny technologické postupy šetřící zejména zdroje nerostných a stavebních surovin a energií vloženou do jejich těžby a úpravy. Také třídění domácího odpadu nedosahuje potřebných kvalit. Velké rezervy ČR oproti EU též představuje žádoucí využití druhotných surovin, v tomto případě zejména recyklace stavebních materiálu. Rozdíl je dán především nízkou cenou za uložení odpadu ve srovnání s náklady na recyklaci. Dosud nebyla provedena dostatečně účinná legislativní opatření pro nápravu tohoto stavu. [6] 10

3.5. Použitý materiál Portlandský směsný cement Aby se využilo všech možností k recyklaci průmyslových odpadů, byl použit CEM II A-S od Cementárny Mokrá s maximálním přídavkem vysokopecní strusky 20%. Typ A-S se vyznačuje objemovou stálostí, odolností vůči agresivnímu prostředí a stálostí fyzikálních a chemických vlastností. Především odolnost proti agresivnímu prostředí zvyšuje C 4 AF, tzv. Brownmillerit. Běžné minerály v portlandském slínku jsou v menším zastoupení, především C 3 S a C 2 S, takže beton z portlandského struskového cementu se vykazuje menšími pevnostmi. Kamenivo Bylo použito těžené kamenivo frakce 0-4 mm z lokality Spytihněv, těžené kamenivo frakce 4-8 mm z téže lokality a drcené kamenivo frakce 8-16 mm z lokality Želešice. 3.5.1. Charakteristika použitých druhotných surovin Elektrárenský popílek Popílek odpovídá druhu odpadu 10 01 02 - Popílek ze spalování uhlí podle vyhlášky MŽP č.381 / 2001 katalog odpadu. Popílek je podle ČSN 72 20 60 nerostný zbytek po spalování tuhých paliv v jemně mletém stavu. Při klasickém spalování je dosahováno teploty 1400-1600 C, takže elektrárenské popílky vedle beta - křemene a dalších fází obsahují v jistém množství mullit (3AI 2 0 3.SiO 2 ) a zpravidla více než 50% sklovité fáze. Částice popílku, které vznikly z taveniny dostatečně tekuté, mají tvar kuliček zpravidla o průměru 0,001-0,1 mm, čemuž odpovídá specifický povrch dle Blaina 200-300 m2 / kg. Kuličky se nachází buď ve stavu plném či dutém, jsou průhledné i neprůhledné. Jejich sklovina je barvy našedlé nebo nažloutlé. Měrná hmotnost se pohybuje mezi 2040-2670 kg / m 3 v závislosti na obsahu Fe 2 O 3 v popílku. Sypná hmotnost ve volně sypaném stavu se pohybuje mezi 500-910 kg / m 3 a v setřeseném stavu 720 1320 kg / m 3. Dosti důležité je také dodržení limitní hranice obsahu radioaktivních nuklidů < 150 Bq / kg a přítomnosti toxických látek a těžkých kovů ve vodních výluzích. Popílky dále většinou obsahují do 2,5% spalitelných látek, jejichž obsah závisí na druhu spalovacího agregátu, kvalitě a jemnosti mletí uhlí. [4] 11

Reakce popílku v cementovém systému Reakce SiO 2 a Al 2 O 3 s Ca(OH) 2 za vzniku kalciumsilikátových a kalciumaluminátových hydratačních produktů se nazývá pucolánovou reakcí. Pucolány jsou látky, které samy o sobě nemají pojivé vlastnosti hydraulického pojiva, ale získávají je po smíchání s portlandským cementem nebo Ca(OH) 2 a vodou za vzniku hydratačních produktů. Aktivita pucolánové reakce je závislá především na obsahu SiO 2 a příměsí. [5] Při hodnocení pucolánové aktivity popílku je nutno brát v potaz nejen schopnost vázat Ca(OH) 2, ale i časový průběh reakce mezi popílkem a hydroxidem vápenatým. Pucolánová reakce se projevuje při podmínkách normálního zrání a zvyšuje výsledné pevnosti cementového kompozitu již po 7 dnech. Vysokopecní struska - mletá Vysokopecní struska odpovídá druhu odpadu 10 01 01 - Škvára, struska a kotelní prach. Vysokopecní struska se ve stavebním průmyslu nejčastěji používá jako příměs do portlandského cementu, jednak jako náhrada jistého množství portlandského cementu, která ušetří nezanedbatelné množství energie, jednak jako přísada kladně ovlivňující některé vlastnosti cementu. Vysokopecní struska je latentně hydraulická látka, vznikající rychlým ochlazovánímvhodně složené tekoucí taveniny zásadité strusky, která odpadá jako vedlejší zplodina při výrobě surového železa ve vysoké peci. Je-li tavenina strusky rychle zchlazena vodou, zabrání se její krystalizaci, takže se stabilizuje její sklovitý charakter. Rychlé ochlazení má udržet strusku ve skelném stavu, neboť hlavně taková má při vhodném složení latentně hydraulické vlastnosti. Je schopna v alkalickém prostředí reagovat za přítomnosti síranu na hydráty podobným způsobem jako portlandský slínek. Rychlým zchlazením struskové taveniny vodou vzniká produkt vzhledu hrubého písku, který má bezprostředně po granulaci 30 % vody. Toto množství se během skladování sníží, při mletí strusky do cementu je nutno počítat s určitou vlhkostí. [1] Reakce strusky v cementovém systému Hydratace portlandského cementu s přídavkem strusky je velmi složitý proces, neboť probíhá jak vlastní hydratace minerálu s vodou, tak postupný vznik latentních hydraulických vlastností strusky. V prvním časovém údobí reaguje alit s vodou a v důsledku hydrolýzy vzniká vláknitá forma C-S-H gelu za současného vzniku portlanditu - Ca(OH)2. Vzhledem k přítomnosti strusky se snižuje koncentrace portlanditu, který reaguje s jejími částicemi. V souvislosti s touto skutečností se uvedená hydrosilikátová fáze postupně přeměňuje v méně bazické složky jako C-S-H I a C-S-H II. Snížení obsahu Ca(OH)2 je pozitivní z hlediska odolnosti vůči kyselinám. Kamenné odprašky Kamenné odprašky jsou jemné podíly kameniva, které vznikají v kamenolomech při drcení hornin. Jsou zachycovány v odlučovačích (většinou v suchých mechanických cyklonech) a hromadí se v lomech jako odpad. Tyto jemné částice mají průměr 0,0005-0,1 mm, čemuž odpovídá specifický povrch dle Blaina 200-350 m 2 / kg. Mají proměnlivou zrnitost a ostrohranná zrna a velmi velký měrný povrch, zvyšují tedy nutnou dávku záměsové vody. Jejich vlastnosti jsou vesměs stejné jako výchozí kamenivo, ale například pevnost bývá u těchto jemných podílů nižší. 12

4. CÍL PRÁCE Odpadní suroviny vznikají v průmyslu mnoha technologickými procesy. Ve stavebnictví jsou odpady ve velké míře produkovány a většinou velmi problematicky skladovány. Jedním z nejlepších způsobů řešení této problematiky je recyklace. Recyklace průmyslových odpadů šetří suroviny a energetické zdroje, přispívá ke zlepšení životního prostředí a vzhledem k nízké ceně odpadů má i pozitivní vliv na cenu stavby. V této práci byly sledovány změny vlastností samozhutnitelného betonu v závislosti na použití různých průmyslových odpadů ve formě příměsí za použití směsného cementu obsahujícího 30% strusky. Odpadní materiály použité jako příměsi byly kamenné odprašky, vysokopecní popílky a jemně mletá vysokopecní struska. Cílem práce bylo zjistit, zda nově navržené receptury SCC splňují požadavky kladené na samozhutnitelný beton a zda aplikace vybraných surovin přispívá ke zlepšení výsledných vlastností SCC. 13

5. METODIKA PRÁCE Z dostupných surovin vhodných pro výrobu SCC byla navržena receptura, ze které bylo namícháno 5 záměsí: každá s jinou příměsí. Na těchto záměsech byly poté sledovány požadované reologické a fyzikálně-mechanické vlastnosti. Na základě těchto naměřených hodnot a jejich vzájemného porovnání byly učiněny závěry, jaký vliv mají jednotlivé průmyslové odpady na vlastnosti betonu. Návrh receptury zhotovení čerstvého betonu pokud směs ČB nevyhoví zkoušení reologických vlastností ČB výroba zkušebních těles uložení ve vodním prostředí po 7 dnech po 28 dnech po 7, 14 a 21 dnech stanovení pevnosti v tlaku stanovení pevnosti v tahu stanovení E - modulu vyhodnocení zkoušek Obr 3.1. Postup experimentálních prací 14

6. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 6.1. Receptura s popílkem Dětmarovice (R1) receptura R1 informace k receptuře složky SCC Výrobce materiálu ρ množ. [kg/m3] [kg/t]*[l] dávka poznámka Cem II A -S 42,5 N Českomoravský cement, Cementárna Mokrá 3100 400 Přírodní kamenivo těžené 0-4 Cemex, Kamenolom Spytihněv 2600 890 55% Přírodní kamenivo těžené 4-8 Cemex, Kamenolom Spytihněv 2600 200 12% Přírodní kamenivo drcené 8-16 Lomy s.r.o., Kamenolom 2950 520 33% Želešice Voda vodovod Brno 1000 *180 0,45 vodní součinitel Popílek ČEZ a.s., Elektrárna Dětmarovice 2500 140 Dynamon SX Mapei 1 100 *5,6 1,40% z hmot. cementu Vzduch 2% betonu Tab 1.1. Složení záměsi R1 kužel L - box Orimet + J - ring čas měření rozlití T 50 T 40 T 60 H1/H2 T blokace [min] [mm] [s] [s] [s] - [s] [mm] 15 710x710 0,9 3,2 7,3 0,94 5,00 žádná 90 700x690 1,1 3,8 8 0,9 5,5 3 objemová hmotnost čerstvého betonu 100 min 2370 objemová hmotnost ztvrdlého betonu 28 dní 2350 Tab 1.2. Vlastnosti čerstvého betonu záměsi R1 vlastnost doba měření 7 dní 28 dní pevnost v tlaku 57,14 71,0 pevnost v tahu za ohybu 8,9 Tab 1.3. Vlastností čerstvého betonu záměsi R1 dynamický modul pružnosti doba m a b l t 1 t 2 t 3 t ν L ρ E bu [dny] [g] [mm] [mm] [mm] [µs] [µs] [µs] [µs] [m/s] [kg/m 3 ] [GPa] 7,0 9626,0 102,5 101,0 400,0 88,9 88,4 87,8 88,367 4,527 2324,559 47,63 14,0 9630,0 102,5 101,0 400,0 86,6 85,9 85,6 86,033 4,649 2325,525 50,27 21,0 9634,0 102,5 101,0 400,0 86,0 85,4 84,6 85,333 4,688 2326,491 51,12 28,0 9634,0 102,5 101,0 400,0 85,8 85,2 84,1 85,033 4,704 2326,491 51,48 Tab 1.4. E modul ultrazvukovou rezonanční metodou záměsi R1 15

6.2. Receptura s popílkem Chvaletice (R2) receptura R2 informace k receptuře složky SCC výrobce materiálu ρ [kg/m3] Cem II A -S 42,5 N Českomoravský cement, Cementárna Mokrá množ. [kg/t]*[l] 3100 400 Přírodní kamenivo těžené 0-4 Cemex, Kamenolom Spytihněv 2600 890 0,55 Přírodní kamenivo těžené 4-8 Cemex, Kamenolom Spytihněv 2600 200 0,12 Přírodní kamenivo drcené 8-16 Lomy s.r.o., Kamenolom Želešice 2950 520 0,33 Voda vodovod Brno 1000 *193 0,483 Popílek ČEZ a.s., Elektrárna Chvaletice 2500 140 Dynamon SX Mapei 1100 *5,6 0,014 Vzduch 0,02 Tab 2.1. Složení záměsi R2 dávka poznámka vodní součinitel z hmot. cementu betonu kužel L - box Orimet + J - ring čas měření rozlití T 50 T 40 T 60 H1/H2 T blokace [min] [mm] [s] [s] [s] - [s] [mm] 15 720x710 1 3,4 7,4 0,96 5,5 2 90 700x700 1 3,6 8,1 0,9 5,5 5 objemová hmotnost čerstvého betonu 100 min 2360 objemová hmotnost ztvrdlého betonu 28 dní 2340 Tab 2.2. Vlastnosti čerstvého betonu záměsi R2 vlastnost doba měření 7 dní 28 dní pevnost v tlaku 56,09 67,0 pevnost v tahu za ohybu 8,3 Tab 2.3. Vlastnosti čerstvého betonu záměsi R2 Dynamický modul pružnosti doba M a b l t 1 t 2 t 3 t ν L ρ E bu [dny] [kg] [mm] [mm] [mm] [µs] [µs] [µs] [µs] [m/s] [kg/m 3 ] [GPa] 7,0 9520,0 100,2 100,5 400,0 90,6 90,0 88,6 89,733 4,458 2363,432 46,96 14,0 9524,0 100,2 100,5 400,0 88,4 87,3 86,4 87,367 4,578 2364,425 49,56 21,0 9530,0 100,2 100,5 400,0 87,2 86,5 85,7 86,467 4,626 2365,915 50,63 28,0 9530,0 100,2 100,5 400,0 86,8 86,0 85,2 86,000 4,651 2365,915 51,18 Tab 2.4. E modul ultrazvukovou rezonanční metodou záměsi R2 16

6.3. Receptura s jemně mletou struskou Štramberk (R3) receptura R3 Cem II A -S 42,5 N informace k receptuře složky SCC výrobce materiálu ρ [kg/m3] Českomoravský cement, Cementárna Mokrá množ. [kg/t]*[l] 3100 400 Přírodní kamenivo těžené 0-4 Cemex, Kamenolom Spytihněv 2600 890 0,55 Přírodní kamenivo těžené 4-8 Cemex, Kamenolom Spytihněv 2600 200 0,12 Přírodní kamenivo drcené 8-16 Lomy s.r.o., Kamenolom Želešice 2950 520 0,33 Voda vodovod Brno 1000 *190 0,475 jemně mletá struska smš 4200 Kotouč Štramberk s.r.o. 2500 140 dávka poznámka vodní součinitel Dynamon SX Mapei 1100 *5,6 0,014 Vzduch 0,02 Tab 3.1. Složení záměsi R3 z hmot. cementu betonu čas měření kužel L - box Orimet + J - ring rozlití T 50 T 40 T 60 H1/H2 T blokace [min] [mm] [s] [s] [s] - [s] [mm] 15 730x730 1 3,3 7,16 1 4,5 žádná 90 700x690 1,3 4 8,1 0,9 6 6 objemová hmotnost čerstvého betonu 100 min 2410 objemová hmotnost ztvrdlého betonu 28 dní 2390 Tab 3.2. Vlastnosti čerstvého betonu záměsi R3 vlastnost doba měření 7 dní 28 dní pevnost v tlaku 69,12 82,0 pevnost v tahu za ohybu 10,1 Tab 3.3. Vlastnosti čerstvého betonu záměsi R3 Dynamický modul pružnosti doba M a b l t 1 t 2 t 3 t ν L ρ E bu [dny] [kg] [mm] [mm] [mm] [µs] [µs] [µs] [µs] [m/s] [kg/m 3 ] [GPa] 7,0 9883,0 100,6 100,4 399,6 89,6 87,3 86,5 87,800 4,551 2448,678 50,72 14,0 9888,0 100,6 100,4 399,6 87,2 85,0 84,6 85,600 4,668 2449,917 53,39 21,0 9991,0 100,6 100,4 399,6 86,0 84,6 83,5 84,700 4,718 2475,436 55,10 28,0 9991,0 100,6 100,4 399,6 85,7 84,1 83,0 84,267 4,742 2475,436 55,67 Tab 3.4. E modul ultrazvukovou rezonanční metodou záměsi R3 17

6.4. Receptura s odpraškem Želešice (R4) receptura R4 informace k receptuře složky SCC výrobce materiálu ρ množ. [kg/m3] [kg/t]*[l] dávka poznámka Cem II A -S 42,5 N Českomoravský cement, Cementárna Mokrá 3100 400 Přírodní kamenivo těžené 0-4 Cemex, Kamenolom Spytihněv 2600 890 0,55 Přírodní kamenivo těžené 4-8 Cemex, Kamenolom Spytihněv 2600 200 0,12 Přírodní kamenivo drcené 8-16 Lomy s.r.o., Kamenolom 2950 520 0,33 Želešice Voda vodovod Brno 1000 *200 0,5 vodní součinitel kamenný odprašek Lomy s.r.o., Kamenolom Želešice 2950 140 Dynamon SX Mapei 1100 *5,6 0,014 z hmot. cementu Vzduch 0,02 betonu Tab 4.1. Složení záměsi R4 kužel L - box Orimet + J - ring čas měření rozlití T 50 T 40 T 60 H1/H2 T blokace [min] [mm] [s] [s] [s] - [s] [mm] 15 700x700 1 1,9 4,3 0,9 3,5 7 90 670x680 1,3 3,3 7 0,85 6 15 objemová hmotnost čerstvého betonu 100 min 2370 objemová hmotnost ztvrdlého betonu 28 dní 2330 Tab 4.2. Vlastnosti čerstvého betonu záměsi R4 vlastnost doba měření 7 dní 28 dní pevnost v tlaku 50,48 63,0 pevnost v tahu za ohybu 7,4 Tab 4.3. Vlastnosti čerstvého betonu záměsi R4 Dynamický modul pružnosti doba m a b l t 1 t 2 t 3 t ν L ρ E bu [dny] [kg] [mm] [mm] [mm] [µs] [µs] [µs] [µs] [m/s] [kg/m 3 ] [GPa] 7,0 9370,0 99,0 98,5 399,6 93,4 92,2 92,9 92,833 4,304 2404,599 44,55 14,0 9372,0 99,0 98,5 399,6 89,4 89,6 89,9 89,633 4,458 2405,112 47,80 21,0 9375,0 99,0 98,5 399,6 88,6 88,9 88,5 88,667 4,507 2405,882 48,87 28,0 9376,0 99,0 98,5 399,6 88,1 88,4 88,1 88,200 4,531 2406,139 49,39 Tab 4.4. E modul ultrazvukovou rezonanční metodou záměsi R4 18

6.5. Receptura s odpraškem Předklášteří (R5) receptura R5 informace k receptuře složky SCC výrobce materiálu ρ množ. [kg/m3] [kg/t]*[l] dávka poznámka Cem II A -S 42,5 N Českomoravský cement, Cementárna Mokrá 3100 400 Přírodní kamenivo těžené 0-4 Cemex, Kamenolom Spytihněv 2600 890 0,55 Přírodní kamenivo těžené 4-8 Cemex, Kamenolom Spytihněv 2600 200 0,12 Přírodní kamenivo drcené 8-16 Lomy s.r.o., Kamenolom 2950 520 0,33 Želešice Voda vodovod Brno 1000 *196 0,49 vodní součinitel kamenný odprašek Lomy s.r.o., Kamenolom Předklášteří 2630 140 Dynamon SX Mapei 1100 *5,6 0,014 z hmot. cementu Vzduch 0,02 betonu Tab 5.1. Složení záměsi R5 kužel L - box Orimet + J - ring čas měření rozlití T 50 T 40 T 60 H1/H2 T blokace [min] [mm] [s] [s] [s] - [s] [mm] 15 700x700 1 2,83 6,8 1 3,3 lok. 3-16 90 670x670 1,4 4,1 8,8 0,87 5,9 15 objemová hmotnost čerstvého betonu 100 min 2420 objemová hmotnost ztvrdlého betonu 28 dní 2390 Tab 5.2. Vlastnosti čerstvého betonu záměsi R5 vlastnost doba měření 7 dní 28 dní pevnost v tlaku 48,62 61,0 pevnost v tahu za ohybu 7,4 Tab 5.3. Vlastnosti čerstvého betonu záměsi R5 Dynamický modul pružnosti doba m a b l t 1 t 2 t 3 t ν L ρ E bu [dny] [kg] [mm] [mm] [mm] [µs] [µs] [µs] [µs] [m/s] [kg/m 3 ] [GPa] 7,0 9533,0 100,1 98,5 400,0 91,1 90,1 90,5 90,567 4,417 2417,126 47,15 14,0 9536,0 100,1 98,5 400,0 88,5 87,3 88,0 87,933 4,549 2417,887 50,03 21,0 9537,0 100,1 98,5 400,0 87,5 86,3 86,6 86,800 4,608 2418,140 51,35 28,0 9537,0 100,1 98,5 400,0 87,0 85,8 86,0 86,000 4,651 2418,140 52,31 Tab 5.4. E modul ultrazvukovou metodou záměsi R5 19

6.6. Srovnání jednotlivých receptur 6.6.1. Porovnání vlastností čerstvého betonu příměs měřené hodnoty voda [ l ] Dynamon SX [% na cem.] kužel Orimet + J - ring L - box rozlití [mm] T [s] blokace [mm] T40 [s] T60 [s] H1/H2 [mm] ρ čerstvého betonu [kg/m3] popílek Chvaletice 193,00 1,40 710x710 5,50 2,00 3,40 7,54 0,94 2360 popílek Dětmarovice 180,00 1,40 710x710 5,00 žádná 3,2 7,4 0,96 2370 jemně mletá struska 190,00 1,40 730x730 4,50 žádná 3,3 7,16 1 2410 filler Želešice 200,00 1,40 700x700 3,50 7,00 1,9 4,3 0,9 2370 filler lokální, 196,00 1,40 700x700 3,30 Předklášteří 8-16 2,83 6,8 1 2420 Tab. 6. Porovnání vlastností čerstvého betonu u záměsí R1 R5 Všechny receptury byly navrženy tak, aby odpovídaly požadavkům na čerstvý SCC, tedy rozlití kužele minimálně 650 mm, čas průchodu Orimetem do 6s s minimální blokací při průchodu J ringem koeficientem samonivelace u L boxu, který by neměl být menší než 0,85. Aby bylo možno srovnávat požadavky na množství záměsové vody, bylo u všech receptur navrženo stejné množství superplastifikátoru Dynamon SX, a to 1,4 % na dávku cementu. Jak uvádí tab. 6., nejvíce vody vyžadovala receptura R4 s fillerem Želešice a R5 s fillerem Předklášteří. Toto způsobil především velký měrný povrch odprašků, který byl největší ze všech porovnávaných surovin. Také se zde projevila špatná kvalita povrchu zrn fillerů. Naopak nejmenší nároky na množství záměsové vody vyžadovala R2 s popílkem Dětmarovice, u kterého se projevil kulový tvar zrn a také jejich velikost. Popílky měly z použitých odpadů nejnižší měrný povrch. 20

6.6.2. Srovnání mechanických vlastností ztvrdlého betonu pevnosti porovnání pevností v tlaku [dny] R1 R2 R3 R4 R5 7 57,0 56,0 69,0 50,5 48,5 28 71,0 67,0 82,0 63,0 61,0 Tab. 7. Porovnání pevností v tlaku zkoušených receptur Pevnosti v tlaku 100 80 [N/mm2] 60 40 20 7denní 28denní 0 1 2 3 4 5 receptury R1 - R5 Graf 1. Pevnosti v tlaku Pevnosti v tahu za ohybu [N/mm2] 12 10 8 6 4 8,86 8,26 10,09 7,37 7,36 28 denní pevnosti 2 0 1 2 3 4 5 receptury R1 - R5 Graf 2. Pevnosti v tahu za ohybu Při pevnostních zkouškách, tedy pevnosti v tlaku a pevnosti v tahu za ohybu vykázala nejlepší vlastnosti R3 s jemně mletou struskou. U receptur R1, R2 a R3 se projevily pucolánové vlastnosti, ke kterým u R3 přispěla poměrně vysoká pevnost mleté strusky samotné. Receptury R4 a R5 ovšem po 28 dnech dosáhly pevností nad 60 MPa, což je způsobeno poměrně vysokým obsahem cementu, ačkoli se jedná o CEM II. Pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku byly u všech receptur v přibližně stejném poměru. 21

6.6.3. Srovnání dynamického modulu pružnosti ztvrdlého betonu Dny receptura R1 R2 R3 R4 R5 7 47,63 46,96 50,72 44,55 47,15 14 50,27 49,56 53,39 47,80 50,03 21 51,11 50,63 55,10 48,87 51,35 28 51,48 51,18 55,67 49,39 52,31 Tab. 8. Porovnání dynamických modulů pružnosti Dynamický modul pružnosti [KN/mm2] 57 55 53 51 49 47 45 43 7 14 21 28 čas [dny] R1 R2 R3 R4 R5 Graf 3. Porovnání E modulu ultrazvukovou rezonanční metodou záměsí R1-R5 Nejlepší modul pružnosti zjišťovaný ultrazvukovou rezonanční metodou opět vykázala receptura R3 s jemně mletou struskou. Naopak nejhorší E modul má receptura R4 s odpraškem Želešice. Všechny receptury vykazují podobný průběh nárůstu E modulu v prvních osmadvaceti dnech betonu. Pouze R1 a R2 mají od dvacátéhoprvního dne do dvacátéhoosmého dne měření nepatrně nižší nárůst než zbylé tři receptury. 22

6.6.4. Ekonomické vyhodnocení receptur materiál ceny v kč/t*[kč/l] množství materiálu v t betonu cena materiálu v t betonu receptura cena materiálu receptur cena bez DPH včetně DPH Kč/t CEM ll A-S 42,5 N 2210 2629,9 400 1051,96 Spytihněv 0-4 200 238 890 211,82 Spytihněv 4-8 220 261,8 200 52,36 Želešice 8-16 230 273,7 520 142,324 Voda * 0,02 0,025 200 5 Dynamon SX * 50 59,5 5,6 333,2 popílek Dětmarovice 15 17,9 140 2,506 R1 1799,17 popílek Chvaletice 26 30,9 140 4,326 R2 1800,99 Štramberk struska 420 1210 1439,9 140 201,586 R3 1998,25 filler Želešice 30 35,9 140 5,026 R4 1801,69 filler Předklášteří 30 35,9 140 5,026 R5 1801,69 Tab. 9. Cenové srovnání receptur Při porovnání ceny materiálu potřebného na jednu tunu betonu vyšly všechny receptury až na R3 velmi podobně. U R3 se projevilo dvousetkorunové navýšení způsobené poměrně vysokou cenou jemně mleté strusky. Cenu také snižuje použití CEM II oproti čistému portlandskému cementu. Skutečná cena výsledného betonu však bude ovlivněna mnoha vlivy. Například chvaletický popílek udává jinou cenu v letním období (uvedená) a levnější v období zimním. Dále se dá předpokládat, že u popílků a strusky stoupne cena za dopravu materiálu, zatímco kamenolomy jsou mnohem hustěji rozprostřeny po celé ČR a doprava nebude tak nákladná. Navíc odprašky po navlhnutí můžeme opět použít po důkladném vysušení, zatímco popílek, ale především struska po navlhnutí či nasátí vlhkosti ze vzduchu se stane nepoužitelná do betonu. Proto u R1-R3 bude třeba počítat s výdaji na zajištění suchého materiálu, ať již formou pravidelné dodávky menšího množství materiálu nebo formou kvalitního uložení. 23

7. ZÁVĚR Cílem této práce bylo ověřit vliv průmyslových odpadů na vlastnosti hutného samozhutnitelného betonu. Zkouškami bylo prokázáno, že vybrané vedlejší materiály ovlivňují vlastnosti čerstvého betonu a je třeba odzkoušení každé receptury před jejím použitím. Pokud je však návrh receptury kvalitně proveden, bude výsledný SCC vykazovat stejně kvalitní vlastnosti v čerstvém stavu jako SCC z prvotních surovin. Mechanické vlastnosti vykázaly zkoušené receptury velmi dobré, především receptura s jemně mletou struskou dosáhla velmi vysokých pevností jak po sedmi tak po osmadvaceti dnech. Objemové hmotnosti příliš neovlivnily, všechny receptury se pohybují do 2450 kg/m 3. V současné době pracuji na studiu trvanlivosti těchto materiálů vůči agresivnímu prostředí a i zde lze očekávat dobré výsledky, opět hlavně od receptury s jemně mletou struskou. Z ekologického hlediska jsou tyto SCC vhodným řešením k recyklaci průmyslového odpadu a je to bezpochyby cesta, jakou by jsme se měli v příštích letech ubírat a pokračovat v dnes již dosažených výzkumech a trendech. Z ekonomického hlediska se tyto receptury také vyplatí. Oproti běžnému SCC, především v západoevropských zemích, kde je používáno jako plnivo mikrosilika je beton s využitím směsného cementu a příměsí ve formě filleru či popílku mnohem levnější. Při porovnání zkoušených receptur se nejlevněji jeví receptury s odprašky. Ačkoli cena popílků samotných je levnější, jak již bylo napsáno, jejich cena se navýší dopravou z větších vzdáleností a formou uložení. Receptura s jemně mletou struskou je nejdražší a její cena se navýší stejně jak receptury s popílky. Při zohlednění všech faktorů můžeme konstatovat, že SCC s využitím průmyslových odpadů obstál ve všech zkoušených vlastnostech a nic nebrání jeho použití v praxi. Vzhledem k vlastnostem SCC bych doporučil tyto receptury na silně armované konstrukce se složitými tvary, především pak receptury R1-R3 na běžným betonem složitě proveditelné nosné konstrukce. Receptury s odprašky bych pro jejich nejnižší cenu doporučil na konstrukce, kde sice běžný beton neobstojí například z důvodu nutné vibrace, ale kde zase není tak velký požadavek na pevnosti. Všechny receptury by také bylo možno využít v prefabrikaci, kde by se projevil především ekonomický dopad šetrnosti SCC k bednění. 24

8. LITERATURA : [1] - Informační centrum stavebních hmot s využitím odpadů, http://waste.fce [2] Ševčík, M., Diplomová práce - Trvanlivost provzdušněných samozutnitelných betonů, Brno 2005 [3] - Európske smernice pre samozhutniteľný beton, EPS, 2005 [4] - Šauman, Z. Maltoviny I, PC DIR spol.sro., Brno 1990 [5] Bydžovský, J., Možnosti zpracování odpadu v sanačních materiálech, Sdružení pro sanace betonových konstrukcí - sborník přednášek 2002 [6] Tauber, V., Diplomová práce - Materiály pro sanace železobetonových konstrukcí s obsahem druhotných surovin, Brno 2005 25

Tomáš Tenzer 9. PŘÍLOHA Obr 9.1. Vodní uložení trámců Obr 9.2. Uložení kostek zkoušených receptur 100x100x400 pro zkoušení E modulů v kapalném agresivním prostředí Obr 9.3. Zkouška dynamického modulu Obr 9.4. Zbytek trámce po provedení pružnosti ultrazvukovou metodou zkoušek pevnost v tahu za ohybu a pevnost přístrojem Tico, v popředí červená v tlaku. kalibrační trubice Obr 9.6. Použitá míchačka Brio HMB - 75 Obr 9.5. Zkouška pevnosti v tlaku 26