Tento článek se zabývá možnou kombinací vysokoteplotního úletového popílku s popílkem fluidním. Cílem této práce je ověřit vliv kombinace těchto dvou vedlejších energetických produktů nejen na fyzikálně-mechanické parametry betonu, ale zejména na jeho objemové změny. Získané výsledky ukazují, že přídavkem fluidního popílku do betonové směsi je dosaženo vyšších fyzikálně-mechanických parametrů betonové směsi. A to i přes vyšší obsah záměsové vody. Přídavkem fluidního popílku do betonu nastal nepatrný nárůst objemových změn betonu.
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 či rozvolnit průběh hydratační reakce, čehož je hojně využíváno zejména u masivních konstrukcí. Rychlý a velký vývin hydratačního tepla v betonové konstrukci zvyšuje riziko vzniku trhlin v konstrukci.
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. Zrna fluidního popílku se vyznačují ovšem nevhodnou morfologií a v důsledku velkého měrného povrchu dochází k velmi výraznému navýšení hodnoty vodního součinitele.
Cíle a design experimentu
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.
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. 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 mokré cementárny Mokrá. Jako plnivo byly použity 3 frakce z lomu Žabčice. 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 sednutí kužele dle ČSN EN 12350-2 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. Před výrobou betonových směsí byl pro všechny použité pojivové složky stanoven jejich měrný povrch pomocí Blainova přístroje.
Morfologie a vlastnosti popílků ve směsi
Morfologie zrna vysokoteplotního úletového popílku a popílku fluidního je zachycena SEM. Zrna vysokoteplotního úletového popílku mají téměř pravidelný kulovitý tvar, zatímco zrna popílku fluidního vykazují značnou nepravidelnost a pórovitost.
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 a pevnost v tlaku.
Fyzi/m mechanické parametry jednotlivých receptur ukazují, že nejnižší pevnost betonu v tlaku po 7 dnech a 28 dnech byl dle očekávání u směsi obsahující pouze vysokoteplotní úletový popílek. S nárůstem obsahu fluidního popílku v betonové směsi dochází k navýšení fyzikálně-mechanických parametrů po 7 i 28 dnech zrání. Nejvyšší pevnost po 7 dnech i 28 dnech vykazuje směs Ryb_Zlin_40:60. Po 90 dnech normového zrání byly parametry téměř totožné napříč recepturami.
Zvýšené množství záměsové vody a superplastifikační přísady je nutné kvůli vysoké vodonáročnosti fluidního popílku; bez navýšení by zpracovatelnost mohla být lepší, ale výsledná pevnost by mohla být vyšší. Dlouhodobě lze předpokládat, že i při neměněné konzistenci by pevnost v tlaku byla po 7, 28 i 90 dnech vyšší.
Objemové změny a jejich měření
Předmětem měření byla objemová změna betonu od čerstvého stavu do 28 dnů. Speciální nerezové formy s U-čelem umožnily kontinuální sledování objemových změn. Forma má dvě čela opatřená zahnutými kotvami, z nichž jedno je pevné a druhé posuvné; objemové změny se projevují nuceným pohybem posuvného čela.
Graf ukazuje, že nejnižší objemové změny po 28 dnech zrání vykazovala směs obsahující pouze vysokoteplotní úletový popílek. Vysokoteplotní popílek rozvolňuje průběh hydratačního tepla, což by mělo pozitivně ovlivnit objemové změny. Dřívější jednodušší systémy naznačovaly, že s vyšším podílem fluidního popílku roste vývoj hydratačních teplot a mohl by negativně ovlivnit objemové změny, avšak skutečnost ukazuje složitější obraz.
Při porovnání receptur se ukazuje, že s přibývajícím množstvím fluidního popílku dochází k navýšení objemových změn. Přitom došlo ke zvýšení záměsové vody a superplastifikátorů, což může ovlivňovat měření. Předpoklady o možném pozitivním vlivu volného vápna a síranů nebyly potvrzeny.
Praktické implikace a závěry
Ze získaných výsledků lze konstatovat, že s přibýváním fluidního popílku dochází k nárůstu pevnosti v tlaku po 7, 28 i 90 dnech. Využití kombinace fluidního a úletového popílku tedy nevedlo k poklesu pevnosti a dlouhodobé devadesátidenní pevnosti jsou srovnatelné s referenční směsí.
Při zhodnocení objemových změn je nutné mít na paměti, že vyšší dávky vody a superplastifikátorů mohou zkreslit výsledky; bez jejich navýšení by konzistence byla nižší a zlepší se zpracovatelnost, avšak objemové změny by mohly být jiné. Další výzkum by měl sledovat kolísání chemického/mineralogického složení a měrného povrchu fluidních popílku pro zajištění komerčního využití.
V souvislosti s narůstajícími cenami energií a tlakem na udržitelnost je tato studie důležitá jako část possible náhrady vysokoteplotního úletového popílku popílkem fluidním. Přínos spočívá v možnosti snížení spotřeby cementu a možnosti využití odpadních surovin.
Tabulky a odkazy
Tab. 2: Měrný povrch popílků; Obr. 2: SEM morfologie zrn; Obr. 3: Schéma zkušebního formy.
Tab. vodní součinitel = voda / (cement + k × příměs).