Ověření k-hodnoty pomocí trvanlivosti
Tento článek se zabývá možností posouzení k-hodnoty elektrárenského popílku pomocí trvanlivosti. Pro cementové malty s náhradou 10, 20 a 30 % portlandského směsného cementu elektrárenským popílkem byly stanoveny pevnosti v tlaku, indexy účinnosti, hloubka průsaku talkovou vodou a hloubka karbonatace pro stáří 7, 28, 60 a 90 dní. Pro jednotlivé náhrady cementu byly pro dané stáří stanoveny k-hodnoty pomocí vztahu vodního součinitele a pevnosti v tlaku. Dle výsledků zkoušek trvanlivosti byly posouzeny stanovené k-hodnoty a byly určeny k-hodnoty, které jsou bezpečné pro použití elektrárenského popílku v agresivním prostředí XC a XD.
1. Úvod
Použití aktivních příměsí do betonu je v dnešní době žádoucí zejména kvůli snížení použití portlandského slínku, při jehož výrobě vzniká velké množství CO2, které následně uniká do atmosféry [1].
Elektrárenský popílek má vliv na vlastnosti čerstvého i ztvrdlého betonu. Například pevnost v tlaku betonu, ve kterém je část cementu nahrazena elektrárenským popílkem, je v počátečních stářích nižší než pevnost betonu bez popílku, ale v pozdějších stářích jsou pevnosti obou betonů téměř shodné. [2]. Z hlediska trvanlivosti má popílek mírně negativní vliv na mrazuvzdornost, ale má pozitivní vliv při rychlosti pronikání agresivních látek do betonu a následně korozi ocelové výztuže [3].
Použití aktivních příměsí do betonu v České republice řeší tzv. koncepce k-hodnoty dle normy ČSN EN 206+A2, kde je tato koncepce uvedena. Tato norma však neuvádí žádnou možnost stanovení k-hodnoty pro aktivní příměsi a samotná koncepce je zde popsána velmi obecně [4].
Vliv aktivních příměsí na vlastnosti betonu závisí na charakteru jednotlivých typů, době zrání betonu, vnějších podmínkách a dalších parametrech. Abychom vzali v úvahu všechny tyto vlivy už při návrhu betonu, koncepce k-hodnoty používá vztah mezi vodním součinitelem a pevností v tlaku. Pokud je splněna podmínka stejné pevnosti v tlaku, tak platí vztah (1) [5]:
(1)
kde je
- w0
- vodní součinitel betonu bez příměsi
- v
- obsah vody v betonu s příměsí v kg/m3
- c
- obsah cementu v betonu s příměsí v kg/m3
- p
- obsah příměsí v kg/m3
- k
- k-hodnota.
Postup na stanovení k-hodnoty je uveden v CEN/TR 16639. Tento dokument se však v České republice nepoužívá. Při použití této metodiky se namíchají betony s různými vodními součiniteli bez aktivní příměsi a s aktivní příměsí. K-hodnota se stanoví z porovnání závislostí pevnosti v tlaku na vodním součiniteli testovaných směsí. Výsledkem není stanovení jedné k-hodnoty pro danou aktivní příměs, ale soubor k-hodnot závislých na vodním součiniteli [6]. Tato metoda ale nezohledňuje vliv aktivní příměsi na trvanlivost betonu.
2. Metodika provedených experimentů
V rámci experimentální práce byl použit cement CEM II/A-M 42,5 R a vysokoteplotní elektrárenský popílek Opatovice. Byly namíchány cementové malty s náhradami 0, 10, 20 a 30 % cementu elektrárenským popílkem Opatovice. V cementových maltách byl použit konstantní vodní součinitel 0,5 a množství cementu bylo použito stejné jako v EN 196-1: Metody zkoušení cementu – část 1: Stanovení pevnosti. Kamenivo bylo složeno ze tří frakcí tak, aby jeho křivka zrnitosti co nejvíce odpovídala křivce zrnitosti normalizovaného písku podle EN 196-1. Na cementových maltách byla zkoušena ve stáří 7, 28, 60 a 90 dní pevnost v tlaku dle EN 196-1, stanovení hloubky karbonatace dle EN 13295 a odolnost proti průsaku tlakovou vodou dle EN 12390 – 8. Receptury jsou uvedeny v Tab. 1.
| Receptura [m3] | REF | P10 | P20 | P30 |
|---|---|---|---|---|
| CEM II/A-M | 511 | 460 | 409 | 358 |
| Voda | 254 | 254 | 254 | 254 |
| Popílek | 51 | 102 | 153 | |
| Písek 0,1–0,6 | 443 | 443 | 443 | 443 |
| Písek 0,6–1,2 | 517 | 517 | 517 | 517 |
| Písek 1–4 | 572 | 572 | 572 | 572 |
Pomocí stanovených pevností v tlaku byla na základě vztahu vodního součinitele a pevnosti v tlaku stanovena k-hodnota. Vztah vodního součinitele a pevnosti v tlaku je popsán vzorcem (2) [7].
(2)
kde je
- fc
- pevnost v tlaku v MPa
- K
- koeficient závislý na referenčním cementu v MPa
- c
- množství cementu v betonu v kg/m3
- v
- množství vody v betonu v kg/m3
- a
- koeficient závislý na stáří betonu.
Ověření k-hodnoty pomocí trvanlivosti bylo provedeno pomocí požadavků „Koncepce ekvivalentních vlastností betonu“. V této koncepci jsou uvedené limitní hodnoty změny d jako rozdíl v % od referenčního betonu, který vede k zamítnutí používání příměsi typu II s pravděpodobností 90 % z pohledu aspektu trvanlivosti betonu. Změny vlastností d cementové malty s elektrárenským popílkem nesmí přesáhnout limit 30% zhoršení.
3. Dosažené výsledky
V následujících grafech Graf 1 až 5 jsou uvedeny naměřené výsledky experimentální práce a stanovené k-hodnoty a indexy účinnosti.
Graf 1: Pevnost v tlaku cementových malt
Graf 2: Index účinnosti elektrárenského popílku
Graf 3: Hloubka karbonatace cementových malt
Graf 4: Hloubka průsaku tlakovou vodou cementových malt
Graf 5: k-hodnota pro elektrárenský popílek
4. Posouzení k-hodnoty pomocí trvanlivosti
Aspekty trvanlivosti lze posoudit dle následujících zkoušek trvanlivosti [6]:
- Odolnost proti karbonataci
- Odolnost proti průniku chloridů
- Odolnost proti zmrazování a rozmrazovaní
- Odolnost proti účinkům mořské vody
- Odolnost proti působení síranů
V České republice není ovšem dle ČSN P 74 2404 povoleno použití elektrárenského popílku do expozičních tříd XF2-XF4. Z tohoto důvodu a z důvodu absence výskytu mořské vody v České republice jsou zkoušky mrazuvzdornosti a odolnosti proti účinkům mořské vody nahrazeny stanovením hloubky průsaku tlakovou vodou [8].
Pro každý druh působení agresivního prostředí jsou nastaveny limity změn, od kterých se beton nesmí lišit od referenčního betonu. CEN/TR 16639 uvádí limitní hodnoty změny d jako rozdíl v procentech od referenčního betonu, který vede k zamítnutí používání příměsi II. druhu s pravděpodobností 90 %, z pohledu aspektu trvanlivosti. Změny vlastností d zkoušeného betonu s příměsí nesmí překročit 30 % [6].
| Stáří [dny] | Výsledek | Rozdíl [%] | Změna [d] | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ref | 10 | 20 | 30 | 10 | 20 | 30 | 10 | 20 | 30 | |
| 7 | 5,42 | 6,17 | 9,00 | 8,25 | 0,75 | 3,58 | 2,833 | 13,8 | 66,2 | 52,3 |
| 28 | 2,02 | 3,12 | 3,01 | 2,75 | 1,1 | 0,99 | 0,73 | 54,5 | 49,0 | 36,1 |
| 60 | 1,08 | 1,33 | 1,25 | 0,83 | 0,25 | 0,17 | −0,25 | 23,1 | 15,4 | −23,1 |
| 90 | 0,75 | 0,17 | 0,92 | 1,75 | −0,58 | −0,8 | 0,00 | −33,14 | −47,62 | 0,00 |
| Stáří [dny] | Výsledek | Rozdíl [%] | Změna [d] | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ref | 10 | 20 | 30 | 10 | 20 | 30 | 10 | 20 | 30 | |
| 7 | 20 | 18 | 20 | 21 | −2 | 0 | 1 | −10,0 | 0,0 | 5,0 |
| 28 | 11 | 16 | 19 | 13 | 5 | 8 | 2 | 45,5 | 72,7 | 18,2 |
| 60 | 14 | 11 | 10 | 9 | −2,5 | −4 | −4,5 | −18,5 | −25,9 | −33,3 |
| 90 | 11 | 6 | 6 | 7 | −5 | −5 | −4 | −45,5 | −45,5 | −36,4 |
5. Diskuse výsledků
Z Graf 1 a 2 je patrné, že pevnosti v tlaku a indexy účinnosti jsou s portlandským směsným cementem vysoké již ve stáří 7 dní. Dále můžeme vidět, že ve vyšších stářích dosahuje referenční receptura, ve které je méně aktivních příměsí, vyšších pevností než cementové malty s další náhradou cementu elektrárenským popílkem.
Hloubka karbonatace je nejvyšší ve stáří 7 dní. V Graf 3 můžeme vidět, že až do stáří 28 dní je nejnižší pro referenční cementovou maltu, ovšem v delších stářích dochází pouze k zanedbatelným rozdílům hloubky karbonatace pro všechny receptury.
U hloubky průsaku tlakovou vodou je ve stáří 7 a 28 dní průběh podobný jako u karbonatace. U referenční receptury je hloubka průsaku tlakovou vodou nižší než u cementových malt s přidaným elektrárenským popílkem. Ovšem ve stáří 60 a 90 dní je hloubka průsaku tlakovou vodou nižší pro cementové malty s elektrárenským popílkem.
K-hodnoty stanovené podle vzorce 2 odpovídají průběhu pevností v tlaku, nejvyšší k-hodnoty jsou pro cementové malty s náhradou popílku 10 % a nejnižší s náhradou 30 %. Dále v Graf 5 můžeme vidět, že rozdíl stanovených k-hodnot pro jednotlivé náhrady elektrárenského popílku se s delším stářím zvyšuje. Z hlediska splnění aspektu trvanlivosti pro hloubku karbonatace dochází ke splnění požadavků CEN/TR 16639 pro všechny náhrady ve stáří 60 a 90 dní. U hloubky průsaku tlakovou vodou jsou splněny tyto požadavky také pro všechny náhrady popílku ve stáří 60 a 90 dní i pro 30% náhradu cementu elektrárenským popílkem ve stáří 28 dní.
6. Závěr
Cílem experimentální části bylo stanovení k-hodnoty pro elektrárenský popílek v náhradě 10, 20 a 30 % směsného portlandského cementu a její ověření pomocí aspektu trvanlivosti.
Dle dosažených výsledků pevnosti v tlaku můžeme vidět, že se směsným cementem nedochází k tak výraznému poklesu pevností v tlaku a indexů účinnosti ve stáří 7 a 28 dní jako při použití cementu CEM I.
Hloubka karbonatace a hloubka průsaku tlakovou vodou je ve stáří 7 a 28 dní nejnižší pro referenční cementovou maltu. U hloubky karbonatace dochází v pozdějších stářích k zanedbatelnému rozdílu hloubek karbonatace a v případě hloubky průsaku tlakovou vodou dochází ke snížení hloubky průsaku.
V obou případech zkoušení aspektu trvanlivosti byly pro receptury P10, P20 a P30 splněny aspekty trvanlivosti ve stáří 60 a 90 dní.
Pomocí dosažených výsledků lze usoudit, že stanovené k-hodnoty jsou vhodné pro návrh cementových malt pro expoziční třídy XC a XD. Pro širší použití v praxi je vhodné stanovené k-hodnoty ještě ověřit pomocí laboratorních zkoušek na betonu, ve kterém je část cementu nahrazena elektrárenským popílkem pro prostředí použití.
7. Zdroje
- [LI, Chen, Xian Zheng GONG, Su Ping CUI, Zhi Hong WANG, Yan ZHENG a Bi Chuan CHI. CO2 Emissions due to Cement Manufacture. Materials Science Forum [online]. 2011, 685, 181-187 [cit. 2022-11-04]. ISSN 1662-9752.
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.685.181 - CHOUSIDIS, N., E. RAKANTA, I. IOANNOU a G. BATIS. Mechanical properties and durability performance of reinforced concrete containing fly ash. Construction and Building Materials [online]. 2015, 101, 810-817 [cit. 2021-7-27]. ISSN 09500618. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.10.127
- HALSTEAD, Woodrow J. USE OF FLY ASH IN CONCRETE. Washington, D.C.: Transportation Research Board, 1986. ISBN 978-0-309-04401-1.
- ČSN EN 206+A2. Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. Praha: Centrum technické normalizace, 2021.
- TEPLÝ, Břetislav, Markéta CHROMÁ, Pavla ROVNANÍKOVÁ a Alfred STRAUSS. Probabilistic Modelling and the k-Value Concept. Key Engineering Materials [online]. 2014, 635, 198-203 [cit. 2022-11-04].
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.635.198. ISSN 1662-9795. Dostupné z:
https://www.scientific.net/KEM.635.198 - CEN/TR 16639: 2014 Technická normalizačná informácia „Použitie koncepcie k-hodnoty, koncepcie ekvivalentných vlastností betónu a kombinovanej koncepcie ekvivalentných vlastností betónu“
- BADOGIANNIS, E., V.G. PAPADAKIS, E. CHANIOTAKIS a S. TSIVILIS. Exploitation of poor Greek kaolins: strength development of metakaolin concrete and evaluation by means of kvalue. Cement and Concrete Research [online]. 2004, 34(6), 1035-1041 [cit. 2023-09-29]. ISSN 00088846. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2003.11.014
- ČSN P 73 2404, Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda – Doplňující informace. Praha: Centrum technické normalizace, 2021.
Poděkování
Příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu: FAST-J-23-8236 Možnosti posouzení k hodnoty aktivních příměsí s ohledem na trvanlivost.
Předkládaný příspěvek pojednává o mimořádně aktuálním tématu, jakým je posuzování vlivu druhotných surovin či odpadů a jejich vliv na užitné vlastnosti betonu (cementu). Celosvětová snaha využít odpadní látky je zřejmá a logická. Nejedná se pouze o úsporu nákladů při jejich skládkování, ale i vlivu skládkování na krajinu a současně i aspekt využití těchto odpadů jako doplňkových látek nové produkce. Při výrobě betonu byl popílek po vysokopecní strusce jednou z prvních odpadních látek, která začala být v průmyslovém měřítku využívána, a to s vysokou četností od 80. let minulého století. Tato tendence je stále aktuální a je snahou popílky používat i při výrobě cementu jako substituci portlandského slínku (předpokládané odstavování uhelných elektráren však může do budoucna vyvolat jeho deficit). Dosud se převážně vliv druhotných surovin/odpadních látek studoval z hlediska jejich vlivu na fyzikálně mechanické vlastnosti betonu. Stranou pozornosti zůstával významný aspekt, a to je jejich vliv na trvanlivost betonu v různých typech expozičního prostředí.
V případě zrychlené tzv. karbonatace může být velmi záhy ohrožena výztuž ztrátou pasivace vlivem alkalického prostředí, kterým se beton v počátečních fázích vyznačuje. Autoři ověřují a v příspěvku popisují metodiku vycházející ze zahraničních předpisů, která umožňuje posoudit tzv. k-hodnotu z hlediska:
- rychlost karbonatace,
- odolnosti proti průniku chloridů,
- odolnost proti působení síranů,
- odolnost vůči kombinovanému účinku mrazu a posypových solí.
V popisované práci byly kromě základních mechanických vlastností (pevnost v tahu za ohybu, pevnost v tlaku) ověřeny dva zásadní parametry z hlediska specifikace prostředí XC a XD podle ČSN EN 206+A2. Zjišťována byla hloubka karbonatace předepsanou metodikou a dále pak vodotěsnost. Získané výsledky tedy umožňují hodnotit vliv substituce cementu popílkem v množství 10, 20 a 30 % jak z hlediska mechanických vlastností, tak z hlediska rychlosti karbonatace, resp. velikosti kapilárního pórového systému, charakterizovaného nepřímo zkouškou vodotěsnosti.
Práce dokládá, že dosavadní užití popílku v množství až do 30 % náhrady cementu je akceptovatelné, a to jak z hlediska zachování mechanických vlastností, tak i z hlediska zachování trvanlivosti.
Práci považuji za mimořádně přínosnou vzhledem k pokračujícímu tlaku na substituci portlandského slínku v cementech, a to jak přidáváním jemně mletého vápence, odprašků z různých výrob, např. vápna, sopečných mletých vyvřelin apod.
Tyto látky budou mít podle zdroje různou latentní hydraulicitu a budou různým způsobem ovlivňovat jak mechanické vlastnosti betonu, tak zejména jeho „alkalickou rezervu“, tedy obsah aktivních alkálií. Ty mají zásadní vliv kromě hutností/porozitou maltového tmele na schopnost betonu dlouhodobě pasivovat výztuž a garantovat tak dlouhodobou životnost železobetonové konstrukce. Zajistit do budoucna dostatečný obsah aktivních alkálií při použití cementu s nízkým obsahem portlandského slínku bude do budoucna zásadní otázkou pro navrhování zejména inženýrských konstrukcí s požadovanou životnosti 100 let resp. delší.
Použití předložené metodiky tedy bude velmi aktuální.
Bylo by velmi zajímavé doplnit do publikace i informace o objemové hmotnosti jednotlivých receptur a do budoucna se vždy zajímat i o sumární obsah alkálií v použité směsi. Ten bude ovlivňován jak přísadou latentního hydraulicitu (např. popílku), tak skladbou samotného cementu, který již popílek, případně jinou nealkalickou příměs může obsahovat.
Článek doporučuji beze změn k publikaci jako mimořádně inspirativní pro aktuální vývoj v oblasti cementářství, pro který bude typický výrazný nárůst směsnosti cementů i masivní náhrada fosilních paliv při výpalu portlandského slínku nejrůznějšími a velmi proměnlivými odpadními látkami.
This article deals with the possibility of assessing the k-value of power plant fly ash using durability. For cement mortars with replacement of 10, 20 and 30 % of Portland blended cement with fly ash, compressive strengths, efficiency indices, depth of talc water seepage and depth of carbonation were determined for ages of 7, 28, 60 and 90 days. For individual cement substitutes, k-values were determined for a given age using the relationship between water coefficient and compressive strength. According to the results of the hardness tests, the determined k-values were assessed and the k-values that are safe for the use of power plant fly ash in the aggressive environment XC and XD were determined.