Druhotné zpracování materiálu Hutnické listy č.3/2008 druhotné zpracování materiálu Vysokopecní struska jako náhrada přírodního při výrobě betonu Ing. Petr Mlčoch, Ing. Rudolf Byrtus, TŘINECKÉ ŽELEZÁRNY, a. s., Průmyslová 1000, 739 61 Třinec Staré Město,Třinec Dr. Ing. Stanislav Bartusek, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba Ing. Peter Demeter, Ph.D., Prof. Ing. Lubomír Mihok, DrSc., Technická univerzita Košice, Slovenská republika Příspěvek prezentuje výsledky které byly získané při výzkumu použití výrobků z vysokopecní strusky při výrobě betonů pro aplikace v oblasti silničních komunikací. V první části jsou stručně charakterizovány materiály používané při výrobě betonu. Je charakterizována pevnost betonu a zkoušky, používané na definování této pevnosti. Zvlášť je popsán beton, používaný v silničním stavitelství, jeho jednotlivé druhy a požadované vlastnosti. Jsou popsány poloprovozní pokusy s výrobou betonu, kde jako náhrada přírodního byly použity výhradně frakce umělého hutného (UHK) o zrnitosti 0-4, 4-8 a 8-16 mm, vyrobeného z vysokopecní strusky. Jsou definována specifika použití vysokopecní strusky i ostatních materiálů v betonové směsi. Byl realizován rozsáhlý výzkum, týkající se podílu jednotlivých frakcí UHK z vysokopecní strusky, množství i druhů použitého cementu a potřebného množství vody. Na základě výsledků výzkumu byly specifikovány tři betonové směsi, které reprezentovaly beton s nejlepšími hodnotami pevnostních ukazatelů. Úvod Již v 16.ř století, kdy začala výroba surového železa v dřevouhelných vysokých pecích v Anglii a dalších zemích západní Evropy, nebyla vysokopecní struska brána jako odpad, ale jako materiál, vhodný pro jiné, další využití. Je známo, že mnohé cesty v Anglii, vybudované v 16. století a dalších, mají základ právě v drcené vysokopecní strusce. Člověk dostal do rukou materiál se složením a vlastnostmi velice se podobajícími přírodnímu kamenivu. Tento materiál měl na rozdíl od přírodního homogenní vlastnosti, protože vznikl z taveniny s homogenním charakterem, která vznikla v rámci vysokopecního procesu. Z hlediska chápání moderní metalurgie je nepřijatelné, aby se tento materiál, vhodný pro rozmanité způsoby dalšího použití, nevyužíval a pouze ukládal na skládkách. Dlouhodobé výzkumné úsilí hutních specialistů na celém světě, které začalo už v 19. století, mělo výsledek v různých způsobech zpracování a následného využívání vysokopecní strusky. Výroba cementu, výstavba dopravních komunikací a výroba lehčených stavebních materiálů představují jen některé z příkladů možných oblastí využití vysokopecní strusky [1,2]. Část vysokopecní strusky je v současnosti realizována jako umělé hutné kamenivo, což je materiál, který procesem pomalého ochlazování získal krystalickou strukturu. Umělé hutné kamenivo z vysokopecní strusky je akceptováno jako náhrada přírodního při výrobě betonu, tato akceptace však není zcela jednoznačná. Cílem práce, popsané v tomto příspěvku, bylo přesvědčit se a ověřit, že je možné vyrobit beton s vysokými hodnotami pevnostních ukazatelů, kdy jako výhradní náhrada přírodního bude použito právě umělého hutného z vysokopecní strusky [3]. Výroba a hodnocení betonu Na výrobu betonu byla využitá vysokopecní struska umělé hutné kamenivo (UHK), produkt Třineckých železáren. UHK se vyrábí pomalým ochlazováním tekuté vysokopecní strusky, přičemž vzniká krystalická hutná struska, která se následně drcením zpracovává na kamenivo požadovaných frakcí. Toto umělé hutné kamenivo, pokud má být použito pro stavební účely, musí mít předepsané chemické složení a nesmí podléhat rozpadu. Na výrobu betonu se nejčastěji používají frakce 0-4, 4 až 8 a 8-16 mm. Receptury jsou sestavovány z UHK (vysokopecní struska), cementu, vody a také z příslušných plastifikátorů. Plastifikátor se dávkuje v množství 0,8 % z hmotnosti cementu. Volba cementu je závislá na způsobu dalšího využívání betonu a požadavků na jeho vlastnosti. 60
Hutnické listy č.3/2008 Druhotné zpracování materiálu Vzorky betonové směsi se připravovaly v laboratoři v bubnové míchačce o objemu 250 l. Dávkování složek směsi probíhalo v pořadí: 1. kamenivo, 2. cement, 3. voda. Orientační dávka vody se po dobu míchání upravovala tak, aby byla dodržena požadovaná konzistence betonové směsi pro hodnotu sednutí komolého kužele Abrams 15 mm. Sednutí kužele se měnilo podle druhu vyráběného betonu. Plastifikátor byl dávkován v požadovaném množství, společně s vodou. Hodnocení betonových směsí a ztuhlého a vytvrzeného betonu je velmi důležité právě při navrhování nových druhů betonů. Hodnocení betonových směsí popisují normy a pro účely jejich hodnocení jsou používány různé druhy zkoušek. Jako příklad je možné uvést stanovení zpracovatelnosti betonové směsi, zkoušku sednutí kužele, atd. Mezi zkoušky ztuhlého a vytvrzeného betonu patří chemický rozbor, stanovení pevnosti v tlaku, tahu a v tahu s ohybem. Zkouška sednutí kužele je vhodná na stanovení změn konzistence betonu, které odpovídají výšce sednutí mezi 10 mm a 200 mm. Mimo oblasti těchto hodnot je měření výšky sednutí nevhodné a pro stanovení konzistence se pak používají jiné metody. V případě, že výška sednutí po jedné minutě po odformování se nadále mění, není tato zkouška vhodná na určení konzistence. Metoda není vhodná pro beton, u něhož je maximální velikost zrna větší jak 40 mm. Podstata zkoušky je v tom, že čerstvý beton se zhutní ve formě, která má tvar komolého kužele. Po odstranění tohoto komolého kužele je pak výška sednutí betonu mírou konzistence betonu [4]. Norma STN EN 12390-1 pro stanovení pevnosti ztuhlého vytvrzeného betonu specifikuje tvar, rozměry a dovolené odchylky vyrobených betonových zkušebních těles kostky, válce a hranolu a požadavky na formy pro jejich zhotovení [5]. Norma STN EN 12390-2 uvádí metody pro výrobu a ošetřování zkoušených těles pro zkoušky pevnosti. Zahrnuje přípravu a plnění forem, zhutňování betonu, zarovnání povrchu, způsoby ošetření a dopravy zkušebních těles [6]. Pevnost betonu Pevnost betonu je jeho nejdůležitější mechanickou vlastností a vyjadřuje odolnost betonu proti změně jeho tvaru a jeho porušení působením vnějšího zatížení. Závisí na mnohých výrobních činitelích, např. na kvalitě a vzájemném poměru jednotlivých složek v záměsi, na hutnosti a technologii výroby betonu a na teplotě okolního prostředí. Pevnost betonu v čase roste a přírůstek hodnoty pevnosti betonu za normálních podmínek je možno zaznamenat i po deseti rocích. Pevnost v tlaku f cc je nejdůležitější druh zkoušky pevnosti betonu a zkouší se na krychlích (krychelná pevnost), válcích (válcová pevnost) a hranolech (hranolová pevnost). Zkušební tělesa se záměrně získávají ve formách nebo se získají vývrtem z konstrukcí. Zkušebními tělesy základních rozměrů jsou krychle s hranou 150 mm a válce s průměrem základny 150 mm a výškou 300 mm. Hodnoty pevnosti v tlaku se pohybují od 5 do 60 MPa; nicméně při používání zvláštních technologií je možné dosáhnout i podstatně vyšších hodnot pevnosti [7]. Podle pevnosti se betony dělí do tříd. V současnosti se podle platné EN 206-1 beton dělí na 14 tříd od B 5 do B 60, kde pojem třída betonu označuje kvalitu betonu podle krychelné pevnosti a číselná hodnota třídy vyjadřuje zaručenou krychelnou pevnost betonu R bg v MPa ve stáří betonu 28 dní. Charakteristickou krychelnou pevností betonu je pevnost v tlaku betonu zjištěná na krychli s hranou o délce 150 mm, která se dosahuje s hodnotou statistické jistoty 0,95 [8]. Pevnost v tahu při ohybu f cf se zjišťuje na hranolech o rozměrech 150/150/600 mm nebo 100/100/400 mm zatěžovaných ohybovým momentem, vyvolaným pomocí dvou osamělých břemen v třetině hranolu, podepřeného na obou koncích. Silniční beton pro cementobetonové povrchy vozovek Požadavky na silniční betony jsou obsaženy v normách STN 73 6123: 1996, STN ISO 4103: 1995 [9]. Beton musí být odolný vůči mrazu, rozpouštěcím solím, dynamickým účinkům a obrušování, s vysokou pevností v tahu při ohybu. Je vhodný na stavbu betonových vozovek. Na výrobu silničního betonu jsou v závislosti na místu výroby používány následující certifikované suroviny: - Přírodní hutné těžené kamenivo frakce 0-4, 4 až 8 a 8-16 mm. - Cement CEM I 42,5 N. - Plastifikační přísady Betofluid nebo Berament NE 1, provzdušňovací přísady Poralan nebo Berapor SI. Typy silničních betonů a způsoby jejich použití jsou v tab. 1 Požadavky na vlastnosti silničního betonu jsou v tab.2 Poloprovozní zkoušky s výrobou silničního betonu Vstupním požadavkem výzkumu bylo připravit silniční beton za pomocí náhrady přírodního umělým 61
Druhotné zpracování materiálu Hutnické listy č.3/2008 hutním kamenivem z vysokopecní strusky. Normy STN 73 6123: 1996, STN ISO 4103: 1995 udávají, jaký druh a frakce je potřebné použít. Také popisují, jaký druh cementu, plastifikačních a provzdušňovacích přísad je nutno použít. Norma určuje i hodnoty, které je nutné dosáhnout při hodnocení kvality daného betonu za daný čas a to 7, 28, 60 a 90 dní, např. pevnost betonu v tahu při ohybu, pevnost betonu v tlaku na zlomcích hranolů, konzistenci čerstvého betonu v tahu při ohybu atd. Tab. 1 Typy silničních betonů a způsoby jejich použití Tab. 1 Types of concretes for road engineering and ways of their use Značka Oblasti vhodného použití CB II Pro cementobetonové povrchy vozovek I. třídy a místních komunikací funkční třídy A2. Tento beton se vyrábí v konzistenci S1 a není tedy vhodný pro dopravu v automobilových domíchávačích CB III Pro cementobetonové povrchy vozovek II. a III. třídy a sběrné místní komunikace a parkoviště pro nákladní automobily. Vyrábí se v konzistenci S2. CB IV Pro cementobetonové povrchy vozovek místních komunikací, účelových komunikací a parkoviště pro osobní automobily. Vyrábí se v konzistenci S2. Tab. 2 Požadavky na vlastnosti silničního betonu Tab. 2 Demands for properties of concrete used for road engineering Požadavek dle STN EN Průměrná hodnota Pevnost betonu v tahu 4,0 4,15 při ohybu v N/mm 2 Pevnost betonu v tlaku na zlomcích hranolů v N/mm 2 Konzistence čerstvého betonu v tahu při ohybu v mm sednutí kužele Obsah vzduchu v čerstvém betonu S1 sednutí kužele 10 40 mm S2 sednutí kužele 50 90 mm S1 min. 10 max. 40 28,0 29,5 S2 40 90 S2 min. 60 max. 85 min. 5 5,6 Jak předepisuje norma, na výrobu silničních betonů se používá cement CEM I 42,5 N, vysokopevnostní portlandský cement. Pro porovnání byl na výrobu použit i cement CEM I 42,5 R, portlandský cement vysoké pevnostní třídy s vysokými počátečnými pevnostmi. Rozdíl mezi použitím cementu CEM 142,5 N a CEM 142,5 R podle našich výsledků po 7, 28, 60, a 90 dnech nebyl žádný. Poměr drobné a hrubé zrnitosti byl určen pomocí Fullerovy křivky. Takto byl určen procentuální poměr jednotlivých frakcí UHK. Jako bylo použito 100 % umělého hutného s frakcemi 0-4, 4-8 a 8-16 mm z vysokopecní strusky. Mikrostruktura vzorku, zrnitosti 4-8 mm, je na obr.1. Obr.1 Mikrostruktura vzorku, zrnitosti 4-8 mm Fig. 1 Microstructure of blast furnace gravel piece, grain size 4-8 mm Z obrázku je patrná plná krystalizace analyzovaného vzorku UHK z vysokopecní strusky s výrazně vyvinutými částicemi pravděpodobně na bázi vápenatých křemičitanů. Jako záměsová voda při výrobě betonu a jako ošetřovací voda při jeho tuhnutí a tvrdnutí byla použita pitná voda. Jako superplastifikátor byl použit Stachement 2000 a jako provzdušňovací přísada Microporan. Množství přidávané do betonu určuje výrobce těchto přísad podle daného výrobku, a to Microporan 0,3-0,41 na 1 m 3. Stacheman 2000 0,5 % z podílu cementu. Vlastní výroba betonu Množství směsi (umělého hutného, cementu, vody) vložené do mísicího zařízení bylo přibližně 95 kg, z čehož vzniklo cca 35 litrů betonu. Toto množství betonu bylo dostačující na výrobu požadovaného množství zkušebních tělísek: 3 hranoly o rozměrech 100x100x400 mm a 3 krychle o rozměrech 150x150x150 mm. Navážené množství a cementu se přidalo do míchačky a nechalo se promíchat po dobu jedné minuty. Po promísení bylo do směsi přidáno požadované množství vody, plastifikační a provzdušňovací přísady. Celá směs pak byla promíchávána ještě po dobu dalších 30 minut. Po promíchání byla odebrán zkušební vzorek na určení sednutí kužele (S2 50-90 mm). Po dosažení požadovaného sednutí byly naplněny zkušební formy a vzorky betonu se nechaly ztuhnout. Ve formě tuhl beton po dobu 24 hodin a po jeho vyjmutí z formy byl ponořen do vody. Vzorky betonu tuhly ve vodě až do doby, dokud nebylo potřebné provést další zkoušku, a to po 7, 28, 60, 90 dnech, obr. 2,3,4,5. Obrázky mikrostruktur dokumentují, že hlavní složkou v UHK z vysokopecní strusky, vytvářejícím matrici, je vápenatý křemičitan, pravděpodobně na bázi monovápenatého křemičitanu. Při pozornějším zkoumání této matrice je vidět, že se skládá ze dvou složek podobného složení. 62
Hutnické listy č.3/2008 Druhotné zpracování materiálu Obr. 2 Zkušební vzorky betonu krychle po vyjmutí z forem Fig. 2 Test specimen cubes, after de-moulding Obr. 5 Vzhled povrchu lomu hranolu po zkoušce pevnosti v ohybu Fig. 5 Fracture surface of the prism after bending strength test Tab. 3 Podíl jednotlivých frakcí UHK z VP strusky, použitých v rámci zkoušek Tab. 3 Ratios of blast furnace gravel size fractions, used in tests 0 4 mm 4 8 mm 8 16 mm [%] 53,5 15,5 31 63,5 12 24,5 63,5 12 13,5 75 8,5 9 80 7 15 70 10 20 85 5 20 60 10 22 80 7 13 Obr. 3 Vzhled povrchu lomu krychle po zkoušce pevnosti v tlaku Fig. 3 Fracture surface of cube after compression strength test Na následujících obrázcích 6 a 7 jsou prezentovány mikrostruktury, zjištěné u vzorků, odebraných z betonu, vyrobeného ze směsi 2. Zrna jsou vázány cementem- šedou vazební složkou na zobrazení mikrostruktury. Jednotlivé poměry frakcí pro zkušební směsi jsou uvedeny v následující tabulce 3. Obr. 4 Hranol po zkoušce pevnosti v ohybu Fig. 4 Prism after bending strength test Mikrostruktura betonu, odebraného z krychle, dokumentuje i přítomnost další složky ve formě tmavých jemných jehlic. Jejich složení by bylo možno zjistit na základě rentgenové difrakční analýzy, pokud by jejich množství bylo dostatečné vzhledem k citlivosti metody. V matrici se sporadicky vyskytují i jemně světlé oxidické částice RO fáze. Používané množství cementu bylo cca 15 % z celkového množství směsi. Minimálně potřebné množství vody použité do směsi záviselo na vstupní vlhkosti. Hlavním parametrem pro správné množství vody použité do směsi bylo sednutí kužele S 2 50 až 90 mm (rozdíl 1:20 mm). První návrhy složení směsí nepřinesly uspokojivé hodnoty vlastností vyrobeného betonu, ten byl vhodný jen pro méně náročné aplikace. Až dalším navrhováním a zkoušením se dospělo ke složení směsí, které přinesly beton s pevnostními hodnotami, vhodnými pro náročné silniční aplikace. V následující tabulce 4 jsou uvedeny výsledky standardního hodnocení betonů, u kterých byly dosaženy nejlepší hodnoty pevnostních vlastností. Jak je vidět z výsledků testů, dalším zráním betonu už nedošlo k výrazným změnám pevnostních vlastností. Hodnoty pevnostních vlastností narůstaly hlavně prvních 60 dnů od výroby betonu. 63
Druhotné zpracování materiálu Hutnické listy č.3/2008 Obr. 6 Mikrostruktura vzorku betonu, odebraného z krychle Fig. 6 Microstructure of concrete sample taken from cube Tab. 4 Výsledky standardního hodnocení pevnosti betonů Tab. 4 Results of standardised evaluation of concrete strengths Tlak [MPa] / dny Ohyb [MPa] / dny Směs 28 60 90 28 60 90 1 11,5 13 17 2,8 2,6 3,3 2 19,5 23,5 22,5 3,9 4,2 3,8 3 12,3 15,5 16 3 3,2 2,8 Návrh složení směsí na výrobu silničního betonu Množství drobného a hrubého bylo určeno pomocí Fullerovy křivky. Množství vody bylo odečteno z tabulky 5. Celkové množství cementu bylo vypočítáno pomocí množství vody a vodního součinitele (v/c). Na základě takto získaných údajů bylo definováno složení směsí č.1 2 a 3 pro výrobu betonů. Složení bylo přepočítáno pro výrobu 1 m 3 betonu. V návrhu složení jsou udány množství jednotlivých frakcí UHK z vysokopecní strusky (0-4 mm, 4-8 mm, 8-16 mm), množství cementu, množství vody (vypočítané a upravené podle požadované vlhkosti ), množství přídavků Stacheman a Microporan. Konkrétní složení směsí jsou předmětem know-how Třineckých železáren a v článku nejsou uváděny. Zpracovatelnost navržených betonových směsí se neliší od klasických směsí vyrobených s použitím přírodního. Zásadní rozdíl je v množství použité vody, kdy nasákavost UHK z vysokopecní strusky vyžaduje větší množství vody. Tab. 5 Závislost optimálního množství a záměsové vody na maximální velikosti zrna D Tab. 5 Relation of optimal amount of little gravel and batch water on maximum grain size D of gravel Maximální velikost zrna D Těžené kamenivo % drobného v celkovém množství v absolutním objemu Množství záměsové vody na 1 m 3 betonové směsi Drcené kamenivo % drobného v celkovém množství v absolutním objemu 8 61 218 62 234 16 48,5 194 53,5 210 22 43 183 48,5 199 32 38 171 44 187 63 31,5 153 36,5 168 125 27,5 136 32,5 151 Množství záměsové vody na 1 m 3 betonové směsi Konečnou kontrolu na dostatečné množství přidané vody závisí i na původní vlhkosti používaného. Jak je patrné z hodnot pevnostních vlastností betonů, vyrobených ze tří navržených směsí, betony jsou vhodné pro aplikace při stavbě cest. Využití směsí č. 1 a 3 je při stavbě komunikací typu podnikových a místních cest. Hodnoty pevnostních vlastností betonu vyrobeného ze směsi č.2 splňují nároky pro jeho použití pro náročnější aplikace, tedy při stavbě komunikací typu cest I a II. třídy. Je samozřejmé, že konečné rozhodnutí o použití zvoleného druhu navrženého betonu je možné provést až po ověření zvoleného betonu v průběhu jeho delšího používání přímo v terénu. Obr. 7 Mikrostruktura vzorku betonu, odebraného z hranolu Fig. 7 Microstructure of concrete sample taken from prism Závěr Předložená práce prezentuje výsledky získané při výzkumu použití výrobků z vysokopecní strusky při výrobě betonů pro aplikace vozovek. Práce je zaměřena na výrobu klasických silničních betonů, kdy v betonové směsi bylo nahrazeno klasické přírodní kamenivo umělým hutním kamenivem z vysokopecní strusky o frakcích 0-4, 4-8, 8-16 mm. byl proveden rozsáhlý výzkum, týkající se podílu jednotlivých frakcí 64
Hutnické listy č.3/2008 Druhotné zpracování materiálu vysokopecního UHK, množství a druhu použitého cementu a potřebného množství vody. Na základě výsledků byly specifikovány tři betonové směsi, které vytvářely beton s nejlepšími hodnotami pevnostních vlastností, určenými pevností v tlaku (krychle) a pevností v tahu za ohybu (hranol). Beton vyrobený ze směsi č. 2 splňuje nároky na silniční beton pro silniční komunikace I. a II. třídy s tím, že pevnost v tahu za současného ohybu je mírně překročena, hodnoty pevnosti v tlaku jsou mírně nižší než normované. U dalších dvou směsí betony nedosahují úplně hodnot pevnosti, stanovené normou a jejich použití je v oblasti místních nebo vnitrozávodních komunikací. Normované hodnoty pevností betonů pro běžné stavební použití jsou dva až třikrát nižší než hodnoty pro silniční betony. V této oblasti použití betonů, vyrobených ze struskového štěrku, nejsou žádné problémy. Je betonů je potřebné jejich testování po delší dobu v skutečných podmínkách zátěže silniční dopravy. Dle jedné z receptur, sestavené pro výrobu betonu s výhradním využitím UHK z vysokopecní strusky, byla v TŽ realizována pokusná betonová plocha o rozloze cca 400 m2. Plocha je denně dynamicky zatěžována obousměrným provozem zhruba 400 nákladních vozidel a zhruba po jednoročním využívání vykazuje stále dobrou pevnost a odolnost proti opotřebování. Doposud nebyly řešeny otázky případné degradace vysokopecního UHK, i když se dotazy v odborné literatuře k uvedené problematice vyskytují. Rovněž i detailní údaje v přípravě receptur, jakož i další potřebné údaje a charakteristiky nejsou zde zcela vyčerpávajících způsobem rozvedeny. Je tomu tak proto, že uvedená problematika spadá do oblasti know-how podniku a bude dále publikována po přijetí opatření na ochranu vlastnických práv uvedeného podniku. Literatura [1] Bartusek S., Dobrovský Ľ.: Zkoušky výtěžnosti kovů z hutních strusek a základní rozbory struse. Technická zpráva projektu č. FI IM2/043.Podprojekt A12. VŠB-Technická univerzita Ostrava, prosinec 2006 [2] Mlčoch P.: Výzkum, návrh a verifikace progresivních technologií pro efektivnější zpracování strusek. VÚ, č. TTÚ 416/A12. Třinec, březen 2007 [3] Mihok Ľ a kol: Výskum vlastností betónov vyrobených s použitím štrku z vysokopecnej trosky. Záverečná správa č. P-102-0077/07, Košice, Oktober 2007 [4] STN EN 1250-2 (73 1312) Skúšanie čerstvého betónu Časť 2: Skúška sadnutím, 1999 [5] STN EN 12390-1 (73 1302) Skúšanie zatvrdnutého betónu Časť 1: Tvar, rozmery a iné požiadavky na skúšobné telesá, 2000 [6] STN EN 12390-2 (73 1302). Skúšanie zatvrdnutého betónu Časť 2: Výroba a príprava skúšobných telies na skúšky pevnosti, 2000.. i [7] http://fzki.umag.sk/02facultystructure/02departments/kki/0 1 Educatíon/maty:o/ 1 matyo/141 matyons-cvicenie 1. pdf [8] STN 73 2400 Zhotovovanie a kontrola betónových konštrukcií (01.01.1989) + zmena b- 10/1989, zrnem Č - 4/1991 a zmena 4-1/1993. [9] STN 736123: 1996, STN ISO 4103: 1995 XVIII. mezinárodní vědecká konference IRON AND STEELMAKING 24. - 26. 9. 2008 Hotel PETR BEZRUČ, Malenovice Česká Republika www.ironandsteel.eu 65