Vliv fluidního popílku na objemové změny betonu

Úvod

Vysokoteplotní úletový popílek je v současné době velice hojně využívanou příměsí pro výrobu betonových směsí. Jeho přídavkem do betonové směsi lze v jejím čerstvém stavu eliminovat např. riziko vzniku tzv. bleedingu [1] či rozvolnit průběh hydratační reakce [2], čehož je hojně využíváno zejména u masivních konstrukcí. Rychlý a velký vývin hydratačního tepla v betonové konstrukci zvyšuje riziko vzniku trhlin v konstrukci. Každou takovou trhlinou mohou do betonové konstrukce pronikat agresivní média, které mohou zkrátit životnost celého díla.

V důsledku stoupajících nákladů na dopravu, zvyšujících se cen energií, vysoké poptávce a zejména zavedení selektivní nekatalytické redukce oxidu dusíků (SNCR) a s tím spojený přechod na nízkoteplotní způsob spalování, dochází ke zvyšování ceny a zhoršení dostupnosti vysokoteplotního úletového popílku. Z toho důvodu je nutné hledat další, alternativní řešení. Jedním z nich by mohla být částečná náhrada vysokoteplotního úletového popílku popílkem fluidním.

Zrna fluidního popílku se vyznačují ovšem nevhodnou morfologií a v důsledku velkého měrného povrchu dochází k velmi výraznému navýšení hodnoty vodního součinitele. Zároveň se fluidní popílek vyznačuje nevhodným chemickým složením (zvýšený obsah reaktivního vápna a síry), což je příčinou, proč je prozatím použití fluidního popílku do betonové směsi jako aktivní příměsí zakázáno.

Hlavním cílem experimentu je ověření vlivu vysokoteplotního úletového popílku a popílku fluidního na pevnost betonu v tlaku do stáří 90 dnů a také na stanovení objemových změn betonu od čerstvého stavu do stáří 28 dnů. Předpokládá se, že reaktivní volné CaO obsažené ve fluidním popílku by mohlo vytvořit v cementovém kompozitu dobrý základ pro počátek a průběh pucolánové reakce samotného vysokoteplotního popílku, díky čemuž by mělo být dosaženo vyšších fyzikálně-mechanických parametrů betonové směsi. Při stanovení objemových změn je předpokládáno, že vlivem chemického složení fluidního popílku obsahujícího volné reaktivní vápno a sírany, by mohlo dojít ke vzniku primárního ettringitu a monosulfátu, což by částečně mohlo redukovat objemové změny betonu, zejména v jeho plastickém stavu.

Experimentální část

V rámci experimentální části byly navrženy celkem 3 betony pevnostní třídy C 30/37. Jedna receptura referenční (Ryb), obsahující pouze vysokoteplotní úletový popílek z černouhelné elektrárny Rybnik nacházející se v Polsku, nedaleko českých hranic. Ve druhé receptuře (Ryb_Zlin_60:40) bylo 40 % vysokoteplotního úletového popílku nahrazeno popílkem fluidním ze zlínských tepláren. Ve třetí betonové receptuře bylo v porovnání s referenční směsí nahrazeno 60 % vysokoteplotního úletového popílku popílkem fluidním, opět ze zlínských tepláren. Jako pojivo byl použit CEM I 42,5 R z produkce cementárny Mokrá nacházející se v České republice. Množství cementu bylo ve všech porovnávaných recepturách stejné. Jako plnivo byly použity 3 frakce z lomu Žabčice nacházející se v České republice. Konkrétně se jednalo o drobné těžené kamenivo (DTK) frakce 0–4 mm a hrubé těžené kamenivo (HTK) frakce 4–8 mm a 8–16 mm. Aby nedošlo k ovlivnění mechanických parametrů vlivem rozdílné skladby směsi kameniva, byla pro veškeré receptury navržena shodná křivka zrnitosti. Pro dosažení shodné konzistence všech receptur stanovené metodou sednutím kužele dle ČSN EN 12350-2 [3] s hodnotou cca 200–210 mm v čase 5 minut se množství záměsové vody v betonové směsi pohybovalo v rozmezí 168–185 l/m³ a množství superplastifikační přísady Mapei Dynamon SF 14S v rozmezí 2,4–3,0 kg/m³. Hodnota vodního součinitele byla vypočtena jako poměr hmotnosti vody k celkové hmotnosti cementu a příměsí bez ohledu na k-hodnotu dle ČSN EN 206+A2 [4]. Přesné složení jednotlivých betonových receptur je uvedeno v Tab. 1.

Obr. 1 Fluidní popílek Zlín (vlevo), stanovení konzistence čerstvého betonu metodou sednutí kužele dle ČSN EN 12350-2 [3]

Obr. 2: Snímek ze SEM vysokoteplotního popílku Rybnik (vlevo) a fluidního popílku Zlín (vpravo)

Před výrobou betonových směsí byl pro všechny použité pojivový složky stanoven jejich měrný povrch pomocí automatického Blainova přístroje. Výsledky obsahuje Tab. 2. Morfologie zrna vysokoteplotního úletového popílku a popílku fluidního je zachycena za použití skenovacího elektonového mikroskopu (SEM) na Obr. 2. Zrna vysokoteplotního úletového popílku mají téměř pravidelný kulovitý tvar, kdežto u zrn popílku fluidního lze pozorovat jejich značnou nepravidelnost a pórovitost. Tato skutečnost má přímý dopad na zvýšenou vodonáročnost fluidních popílků a měla by být příčinou zvyšujícího obsahu záměsové vody ve vyrobených betonových směsích společně s přibývajícím množstvím fluidního popílku.

Stanovení pevnosti betonu v tlaku

Z každé betonové receptury byla vyrobena zkušební tělesa tvaru krychle o hraně 150 mm, na kterých byla ve stáří 7 a 28 dní stanovena objemová hmotnost ztvrdlého betonu dle ČSN EN 12390-7 [5] a pevnost betonu v tlaku dle ČSN EN 12390-3 [6]. Fyzikálně-mechanické parametry jednotlivých receptur jsou znázorněny v Grafu 1. Uváděné fyzikálně-mechanické parametry jsou vždy průměrnou hodnotou pevnosti betonu v tlaku stanovenou na 5 zkušebních tělesech uložených ve vodním prostředí dle ČSN EN 12390-2 [7].

Graf 1: Pevnost betonu v tlaku po 7, 28 a 90 dnech zrání

Jak znázorňuje Graf 1, nejnižší pevnost betonu v tlaku po 7 dnech (40,6 MPa) a 28 dnech (52,6 MPa) normového zrání vykazovala dle očekávání betonová směs obsahující pouze vysokoteplotní úletový popílek. Vysokoteplotní úletový popílek je charakteristický tím, že rozvolňuje průběh hydratační reakce, což způsobuje nižší fyzikálně-mechanické parametry v kratším časovém horizontu. S přibývající dobou zrání (60 dní a déle) dochází ovšem vlivem pucolánové reakce k dalšímu vytvrzování cementového kompozitu a s přibývajícím časem zrání by mělo docházet k nejvyššímu navýšení fyzikálně-mechanických parametrů z porovnávaných betonových záměsí.

Z Grafu 1 je také patrné, že s přibývajícím množstvím fluidního popílku v betonové směsi dochází k navýšení fyzikálně-mechanických parametrů betonových směsí po 7 i 28 dnech zrání. A to i přes to, že v daných recepturách docházelo společně s postupným navyšováním fluidního popílku v betonové směsi zároveň k navýšení záměsové vody i superplastifikační přísady, aby bylo dosaženo shodné konzistence čerstvého betonu.

Nejvyšší pevnost betonu v tlaku po 7 dnech (44,5 MPa) i 28 dnech (55,2 MPa) dnech zrání vykazuje betonová směs Ryb_Zlin_40:60. Po 90 dnech normového zrání vykazovaly porovnávané betonové směsi téměř totožné fyzikálně-mechanické parametry, což lze považovat za velmi cenný přínos. Těchto parametrů bylo dosaženo i přesto, že betonová záměs Ryb_Zlin_40:60 obsahovala o 17 kg/m³ vyšší dávku záměsové vody a o 0,6 kg/m³ více superplastifikační přísady v porovnání s recepturou referenční, bez obsahu fluidního popílku. Zvýšené množství těchto dvou vstupních složek je dáno vysokou vodonáročností fluidního popílku, která je úzce spjata s nevhodnou morfologií těchto zrn. Je predikováno, že příčinou vyšších pevností betonu v tlaku by mohlo být obsažené reaktivní volné CaO ve fluidním popílku, které vlivem hydratačních procesů vytváří v cementovém kompozitu dobrý základ pro počátek a průběh pucolánové reakce samotného vysokoteplotního popílku, díky čemuž je dosaženo vyšších fyzikálně-mechanických parametrům betonové směsi.

Dle získaných hodnot pevností betonu v tlaku jednotlivých směsí lze konstatovat, že veškeré receptury splňují požadovanou pevnostní třídu C30/37 již po 7 dnech zrání. S přihlédnutím na vykazované fyzikálně-mechanické parametry by při dalším navrhování betonových receptur mohlo dojít ke snížení obsahu cementu v betonové směsi, což by bylo výhodné nejen z hlediska ekonomického, ale také z hlediska ekologického i enviromentálního.

Stanovení objemových změn betonu

Obr. 3: Posuvné čelo a zahnutá kotva určená k zabetonování (vlevo) a měření objemových změn ve speciální formách (vpravo)

Stěžejní částí experimentu bylo stanovení objemových změn navržených a vyrobených betonových směsí. To probíhalo ihned od naplnění speciálních forem čerstvým betonem. Speciální nerezové formy mají průřez tvaru U o rozměrech 100 × 60 × 1000 mm a pochází z výroby německé firmy Schleibinger Geräte a jsou vyobrazeny na Obr. 3. Konstrukce formy je tvořena dvěma čely opatřenými zahnutými kotvami určených k zabetonování. Jedno čelo zkušební formy je pevné, druhé čelo posuvné a objemové změny betonu se projevují nuceným pohybem tohoto čela. Na posuvné čelo je připojen tenzometrický snímač, který za pomoci měřícího softwaru zaznamená změny délky každých 15 minut po celou dobu měření.

Naplněné zkušební formy byly po celou dobu měření umístěny v místnosti s konstantní relativní vlhkostí 50 % a konstantní teplotou okolního prostředí 20 °C. Tento zkušební postup je v souladu s rakouskou normou pro měření objemových změn betonu ÖNORM B 3329 [8]. Z každé betonové směsi byly naplněny 3 zkušební žlaby a uváděné výsledky v Grafu 2 jsou jejich průměrnou hodnotou.

Graf 2: Objemové změny jednotlivých betonových receptur

Jak znázorňuje Graf 2, nejnižší objemové změny po 28 dnech zrání vykazovala betonová směs obsahující pouze vysoteplotní úletový popílek – 1045,85 µm/m. Betonová směs obsahující 40 % fluidního popílku vykazovala smrštění betonu po 28 dnech zrání 1112,67 µm/m a betonová směs obsahující 60% náhradu vysokoteplotního popílku popílkem fluidním vykazovala po 28 dnech zrání smrštění 1226,50 µm/m.

Vysokoteplotní úletový popílek rozvoňuje vývin hydratačního tepla v betonu, což by mělo v konečném důsledku pozitivně ovlivnit velikost objemových změn. Jak bylo dokázáno v předchozím výzkumu na jednodušších systémech (cementových pastách) [9], s přibývajícím množstvím fluidního popílku v betonové směsi by mělo docházet k vyššímu a rychlejšímu vývinu hydratačních teplot, což by se mohlo v konečném důsledku negativně projevit právě na objemových změnách cementového kompozitu. Ovšem je nutné mít na paměti, že v porovnávaných betonových recepturách docházelo s přibývajícím fluidním popílkem ke zvýšení dávky nejen superplastifikační přísady, ale také záměsové vody. A právě to může být i jedna z příčin, proč se s přibývajícím množstvím fluidního popílku v betonové směsi zvyšovalo i smrštění cementového kompozitu [10].

Původní predikce objemových změn byla ovšem opačná. Vzhledem k chemickému složení fluidního popílku se předpokládalo, že díky obsahu volného vápna a síranů, bude v čerstvém, plastickém betonu, docházet k tvorbě novotvarů ve formě primárního ettringitu a monosulfátu. To by v konečném důsledku mohlo pozitivně ovlivnit právě objemové změny betonu. Tato myšlenka se ovšem potvrdit nedokázala.

Diskuse

Dle získaných výsledků lze konstatovat, že s přibývajícím množstvím fluidního popílku v betonové směsi dochází k nárůstu pevnosti betonu v tlaku po 7, 28 i 90 dnech zrání. A to i přes fakt, že s přibývajícím množstvím fluidního popílku v betonové směsi bylo nutné z důvodu dosažení stejného stupně zpracovatelnosti, zvýšit dávku nejen záměsové vody, ale také superplastifikační přísady. Dá se předpokládat, že v případě, kdyby se nenavýšila dávka záměsové vody a superplastifikační přísady, získala by se při stanovení konzistence metodou sednutí kužele významně nižší hodnota, což by mohlo v důsledku znamenat zhoršenou zpracovatelnost a ukládku betonu do konstrukce. Zároveň se dá ovšem předpokládat, že by pevnost betonu v tlaku tohoto betonu byla po 7, 28 i 90 dnech zrání vyšší než nyní. Fluidní popílek obsahuje volné reaktivní CaO, které může napomoci k chemické reakci v cementovém kompozitu a tvorbě novotvarů při počátečním vytvrzování.

Při stanovení objemových změn porovnávaných betonových receptur bylo předpokládáno, že vlivem chemického složení fluidního popílku obsahujícího volné reaktivní vápno a sírany, dojde ke vzniku primárního ettringitu a monosulfátu. To by mohlo částečně eliminovat objemové změny betonu. Tato predikce ovšem potvrzena nebyla. S přibývajícím množstvím fluidního popílku v betonové směsi docházelo i k navýšení objemových změn. Je možno se domnívat, že příčinou zvyšování smrštění cementového kompozitu je zejména zvyšování dávky záměsové vody pro potřebu zajistit shodnou konzistenci betonových směsí, což dle uvedených výzkumů negativně ovlivnilo objemové změny.

Závěr

Zejména v současné době, kdy se trh s komoditami potýká s neustálým zvyšování cen potřebných pro výrobu betonu či jejich akutním nedostatkem a zvyšujícími se náklady na výrobu, je nutno hledat další možná alternativní řešení. Tento experiment se zabývá možnou částečnou náhradou vysokoteplotního úletového popílku popílkem fluidním a zkoumá výsledný vliv této kombinace na fyzikálně-mechanické parametry ztvrdlého betonu – konkrétně na pevnost betonu v tlaku a jeho objemové změny od čerstvého betonu do požadovaného stáří.

Tento provedený experiment je součástí studie možné částečné náhrady vysokoteplotního úletového popílku popílkem fluidním. Pro další možnosti pozitivního přínosu vzájemné kombinace příměsí, například odolnost vůči CHRL či agresivním mediím je nutné provést další množství experimentů a stanovit přesný vliv a možnosti vzájemné kombinace těchto dvou aktivních příměsí.

Poděkování

Příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu: FAST-J-22-7979 Posouzení kombinace vysokoteplotního úletového popílku s popílkem fluidním na objemové změny betonu.

Literatura

1. NAZARI, G., YAMANAKA, S., DATE, S. Evaluation of Fresh Properties and Rheology of Mortar Using Carbon-Free Fly Ash and Normal Fly Ash. Materials Science Forum, 2020, vol. 1005, pages 76-81.
   https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1005.76. ISSN 1662-9752.
2. LIGUO, Ma a Zhang YUNSHENG. Study on the effect of fly ash or silica fume to hydration heat of cement. Advanced Materials Research [online]. 2011, (250–253), 4001–4004.
   https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.250-253.4001. ISSN 1662-8985.
3. ČSN EN 12350-2. Zkoušení čerstvého betonu – Část 2: Zkouška sednutím. Praha, ÚNMZ, 2020.
4. ČSN EN 206+A2. Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. Praha, ÚNMZ, 2021.
5. ČSN EN 12390-7. Zkoušení ztvrdlého betonu: Část 7: Objemová hmotnost ztvrdlého betonu. Opr.1. Praha: ÚNMZ, 2019.
6. ČSN EN 12390-3. Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles. Praha, ÚNMZ, 2020.
7. ČSN EN 12390-2. Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 2: Výroba a ošetřování zkušebních těles pro zkoušky pevnosti. Praha: ÚNMZ, 2020.
8. OENORM B 3329:2009-06-01. Vergussmörtel – Anforderungen und Prüfmethoden. 2009.
9. MERUŇKA, M., ŤAŽKÁ, L. and HELA, R. Determination of the evolution of hydration temperature when combining high-temperature fly ash and fluidized bed combustion fly ash. AIP Conference Proceedings. 2322. 020009 (2021). 10.1063/5.0041965.
10. JASICZAK, Józef, Paweł SZYMAŃSKI a Piotr NOWOTARSKI. Impact Of Moisture Conditions On Early Shrinkage Of Ordinary Concrete With Changing W/C Ratio. Archives of Civil Engineering [online]. 2014, 2014, (60), 241-256. https://doi.org/10.2478/ace-2014-0016.