Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad
VLIV PUCOLÁNOVÝCH PŘÍMĚSÍ NA VLASTNOSTI SAMOZHUTNITELNÉHO BETONU Pavel Roubíček1), Jaroslava Koťátková2), Monika Čáchová3), Dana Koňáková3), Pavel Reiterman4), Martin Keppert4), Eva Vejmelková4), Stefania Grzeszczyk5), Petr Konvalinka4), Robert Černý4) 1)
České lupkové závody a.s., Pecínov 1171, 271 01, Nové Strašecí
2)
ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Experimentální centrum, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, ČR
3)
ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra materiálového inženýrství a chemie, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, ČR
4)
ČVUT v Praze, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, Třinecká 1024, 273 43 Buštěhrad, ČR 5) TU Opole, Fakulta stavební, Katowicka 48, 45061 Opole, Polsko
ANOTACE Prezentovaný článek shrnuje dosažené výsledky základních fyzikálních vlastností, mechanických vlastností, transportu kapalné vody a vodní páry samozhutnitelného betonu obsahujícího různé typy pucolánových příměsí. Vybranými příměsmi byly jemně mletý vápenec, popílek a metakaolin. Série byla doplněna směsí bez příměsi, která sloužila jako referenční. Nejlepších výsledků z hlediska studovaných vlastností bylo dosaženo pro beton s metakaolinem.
SUMMARY The presented article is focused on reached results of basic physical properties, mechanical characteristics, and liquid as well as vapour water transport parameters of self-compacting concrete which contain differing pozzolanic admixtures. Selected admixtures were fine ground limestone, fly ash and metakaolin. Studied pozzolanic concretes were extended by a mixture without any pozzolana. That one serves as the reference material. Concrete with metakaolin admixture achieved best results (from the point of view of the studied properties).
ÚVOD Samozhutnitelný beton (SCC) se vyznačuje svou schopností téci a jak název napovídá jeho samozhutněním bez nutnosti použití vibračních nebo jiných zařízení, což velmi usnadňuje ukládání betonu přímo na stavbě. Při návrhu směsi takového betonu je ale nutné dodržet některá pravidla. Mezi ně patří i vyšší množství jemných podílů suché směsi, které upravují viskozitu a zabraňují krvácení čerstvého betonu. Některé pucolánové materiály, které se používají jako příměs do betonu, obsahují právě jemné částice vhodné pro tento účel. Kromě toho se účastní hydratace pojiva, čímž zlepšují vývin dlouhodobých pevností. Současně používané materiály, které doplňují jemné podíly v samozhutnitelných betonech, jsou například popílek, vápencový prach, skleněný prach, křemenná moučka a mikrosilika [1]. Metakaolin nebyl doposud, vzhledem k jeho vysoké ceně, tak používanou příměsí do SCC, ale
249
jeho vynikající vliv na trvanlivost a mechanické vlastnosti betonu z něho činí velice perspektivní materiál pro budoucí výrobu samozhutnitelných betonů [2].
MATERIÁLY Návrh každé ze studovaných směsí byl proveden s cílem, aby byly splněny požadavky kladené na samozhutnitelný beton, a proto, jak lze vidět v Tabulce 1, se jednotlivé poměry složek ve směsích nepatrně liší. V tomto experimentu byl jako hlavní pojivová složka použit cement CEM I 32,5, který byl poté částečně nahrazen (kromě referenční směsi SCC-Ref) třemi různými pucolánovými příměsmi - jemně mletým vápencem (SCC-L), popílkem (SCC-FA) a metakaolinem (SCC-M). Chemické složení všech pojivových složek je dáno v Tabulce 2. Poměr hrubých frakcí kameniva a písku byl určen s ohledem na zajištění dobré granulometrie směsi. Vodní součinitel a množství plastifikátoru se mění v závislosti na typu použité příměsi, jeho měrném povrchu a dalších charakteristikách. Tab. 1 Chemické složení pojivových složek Sloučenina SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO SO3 Na2O K 2O
CEM I 32,5 18,2 2,9 5,6 63,7 1,2 2,3 0,2 0,5
metakaolin 54,4 1,3 34,9 1,2 0,4 0,2 2,7
popílek 52,77 7,32 24,98 3,42 2,73 0,34 2,93
vápenec 1,5 0,38 0,4 53,76 0,71 0,065 -
EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM Základní fyzikální vlastnosti Objemová hmotnost [kg m-3], hustota matrice [kg m-3] a otevřená pórovitost [%] byly měřeny prostřednictvím metody vakuové nasákavosti. Každý vzorek byl nejprve vysušen, dokud neunikla všechna odpařitelná voda, a zaznamenala se jeho hmotnost v suchém stavu. Poté se umístil do exsikátoru zaplněného destilovanou vodou, odkud byl odsán vzduch, a v tomto stavu se ponechal minimálně 24 hodin pro úplnou saturaci vzorku. Opět byla zaznamenána jeho váha – v saturovaném stavu na vzduchu a pod vodou. S použitím Archimedova zákona pak byly vypočítány výše zmíněné parametry [3]. Mechanické vlastnosti Zkouška pevnosti v tlaku byla provedena podle normy ČSN EN 12390-3 [4] za pomoci zatěžovacího lisu EU 40. Tlaková pevnost se určila po 7, 28 a 90 dnech od výroby vzorků pro možnost zhodnocení vývinu pevnosti v čase. Transport kapalné vody Jako parametry charakterizující transport kapalné vody byly stanoveny absorpční koeficient A [kg m-2s-1/2] a součinitel vlhkostní vodivosti κ [m2 s-1]. Vzorky byly izolovány nátěrem z vodonepropustného materiálu na všech bočních stranách tak, aby byl zajištěn pouze jednosměrný transport vody skrz materiál, a ponořeny 1 - 2 mm pod hladinu vody. Automatická váha zaznamenávala přírůstky hmotnosti v předem stanovených časových intervalech. Z
250
generovaných dat byla zjištěna závislost kumulativního obsahu vody na odmocnině z času. Z této závislosti se pak určil absorpční koeficient a následně součinitel vlhkostní vodivosti [5]. Transport vodní páry Pomocí zkušebních metod „wet-cup“ a „dry-cup“ byly určeny parametry charakterizující transport vodní páry – součinitel difúze vodní páry D [m2 s-1] a faktor difuzního odporu µ [-]. Vzorky byly uloženy do speciálních nádob s vodou a silikagelem pro „wet-cup“, respektive „dry-cup“ metodu. Vzorky byly umístěny do klimatické komory s přednastavenými parametry prostředí (teplota a relativní vlhkost) a byla zaznamenávána jejich váha pravidelně až do ustálení jejích úbytků, resp. přírůstků. Transport vlhkosti materiálem byl realizován rozdílem parciálních tlaků pod a nad vzorkem, které byly díky přednastaveným podmínkám zkoušky známy a s jejichž pomocí se poté stanovily určované parametry. Zkouška byla provedena podle postupu normy ČSN 72 7031 [6].
EXPERIMENTÁLNÍ VÝSLEDKY Základní fyzikální vlastnosti Tabulka 2 poskytuje hodnoty základních fyzikálních charakteristik, tj. objemovou hmotnost ρ, hustotu matrice ρmat a otevřenou pórovitost ψ0. Jak lze vidět, metakaolin se ze všech pucolánů choval ve směsi nejlépe. Hodnota otevřené pórovitosti betonu s metakaolinem byla nejnižší ze všech, což předpovídá nízkou permeabilitu a dobrou životnost betonu. Směs s mikromletým vápencem dosáhla hodnoty velmi podobné referenční směsi, přičemž její objemová hmotnost byla až o 6 % nižší. Je nutné zmínit, že vodní součinitel směsi s vápencem (SCC-L) byl daleko vyšší než v případě SCC-Ref a celkové množství pojiva o 10 % vyšší. „Popílkový beton“ (SCC-FA) vykázal nejvyšší hodnotu otevřené pórovitosti i přesto, že jeho vodní součinitel byl nižší a celkový obsah pojiva vyšší než v případě „vápencového betonu“ SCC-L. Tab. 2 Základní fyzikální vlastnosti studovaných směsí ρ
ρmat
ψ0
[kg m-3]
[kg m-3]
[%]
SCC-Ref
2410
2720
11,0
SCC-M
2312
2550
9,3
SCC-L SCC-FA
2260 2161
2542 2492
11,1 13,3
Směs
Mechanické vlastnosti Výsledky zkoušky pevnosti v tlaku jsou k vidění na Obrázku 1. V případě referenčního betonu a betonu s metakaolinem byl největší nárůst pevnosti zaznamenán během prvních 28 dnů, zatímco beton s popílkem vykázal značný nárůst během 1. – 3. měsíce od výroby vzorků. Nejvyšších hodnot bylo dosaženo u betonu s metakaolinem, což koresponduje s hodnotami otevřené pórovitosti. „Vápencový“ a „popílkový beton“ dosáhly nižších hodnot než referenční směs, přičemž rozdíl mezi nimi nebyl výrazný vzhledem k rozdílům dosaženým v hodnotách otevřené pórovitosti.
251
90 78.3
Pevnost v tlaku [MPa]
80 70
72 62.5
67.7
63.8
60
54.2 44.8
50 40
63
44.4
43.2
37.8
33.4
30 20 10 0 SCC-Ref
SCC-M 7 dní
SCC-L 28 dní
SCC-FA
90 dní
Obr. 1 Pevnost v tlaku studovaných směsí Transport kapalné vody Získané hodnoty absorpčního koeficientu i součinitele vlhkostní vodivosti potvrdily dobré chování betonu s metakaolinem. Absorpční koeficient je o 40 % nižší než v případě referenční směsi, ačkoli rozdíl v hodnotách otevřené pórovitosti nebyl tak výrazný. I „popílkový beton“ vykazoval nižší hodnoty než referenční beton. Oproti tomu „vápencový beton“ dosáhl poměrně vysokých hodnot. Pravděpodobně poměr kapilárních pórů k celkovému obsahu pórů byl značně vysoký, a tak umožňoval snadný prostup kapalné vody. Tab. 3 Transport kapalné vody studovaných směsí A
κ
[kg m-2s-1/2]
[m2 s-1]
SCC-Ref
0,0074
4,40E-09
SCC-M
0,0044
2,52E-09
SCC-L
0,0086
6,7E-09
SCC-FA
0,0052
1,6E-09
Směs
Transport vodní páry Dosažené výsledky parametrů charakterizující transport vodní páry jsou znázorněny na obrázcích 2 a 3. Nejméně propustným materiálem vůči vodní páře se ukázala být referenční směs, následovaná směsí s metakaolinem. „Popílkový beton“ vykazoval oproti výsledkům transportu kapalné vody největší schopnost transportu tohoto media vzhledem ke všem studovaným betonům. Příčinou byl vyšší podíl pórů o malé velikosti (0,01 – 0,1 µm) v porovnání s póry kapilárními (kolem 1 µm).
252
Součinitel difúze vodní páry [m2s-1]
4.0E-06
3.58E-06
3.5E-06 3.0E-06 2.5E-06
2.13E-06
2.0E-06 1.5E-06 1.0E-06
9.72E-07
1.02E-06
SCC-Ref
SCC-M
1.17E-06
1.17E-06
SCC-L
SCC-FA
1.53E-06
1.63E-06
SCC-Ref
SCC-M
5.0E-07 0.0E+00 5/50%
SCC-L
SCC-FA
97/50%
Obr. 2 Součinitel difúze vodní páry studovaných směsí
Faktor difuzního odporu [-]
30 25
23.7
22.5 19.5
20
19.5 15.0
15
14.1 10.8
10 6.5 5 0 SCC-Ref
SCC-M
SCC-L
SCC-FA
5/50%
SCC-Ref
SCC-M
SCC-L
SCC-FA
97/50%
Obr. 3 Faktor difúzního odporu studovaných směsí
ZÁVĚR V této práci byl porovnáván vliv tří různých pucolánových příměsí na vlastnosti samozhutnitelného betonu. Z hlediska vyšetřovaných vlastností se nejlépe chovala směs s metakaolinem, která dosáhla nejvyšších pevností v tlaku ve všech časových intervalech a zároveň velmi dobrých parametrů transportu kapalné vody i vodní páry vzhledem k ostatním studovaným betonům. „Vápencový“ a „popílkový beton“ dosáhly horších výsledků vzhledem
253
k referenční směsi především z hlediska mechanických vlastností. Na druhou stranu beton s příměsí popílku vykázal poměrně nízké hodnoty transportu kapalné vody indikující jeho vyšší trvanlivost.
LITERATURA [1] PERSSON B. A comparison between mechanical properties of self-compacting concrete and the corresponding properties of normal concrete. Cement and Concrete Research; 31: 193-198, 2001. [2]
VEJMELKOVÁ E., PAVLÍKOVÁ M., KEPPERT M., KERŠNER Z., ROVNANÍKOVÁ P., ONDRÁČEK M., SEDLMAJER M., ČERNÝ R. High performance concrete with Czech metakaolin: Experimental analysis of strength, toughness and durability characteristics. Construction and Building Materials;24: 1404-1411, 2010.
[3]
VEJMELKOVÁ E., PAVLÍKOVÁ M., KERŠNER Z., ROVNANÍKOVÁ P., ONDRÁČEK M., SEDLMAJER M., ČERNÝ R. High performance concrete containing lower slag amount: A complex view of mechanical and durability properties. Construction and Building Materials.; vol. 23, issue 6, pp. 2237-2245. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2008.11.018, 2009.
[4]
Testing of hardened concrete – Part 3: Compressive strength. Prague: Czech Standardization Institute; 2002. ČSN EN 12390-3
[5]
VEJMELKOVÁ E., PAVLÍKOVÁ M., JERMAN M., ČERNÝ R. Free water intake as means of material characterization, Building Physics, vol. 33, p. 29–44, 2009.
[6]
ČSN 72 7031: Determination of water vapour diffusion coefficient of building materials by method without temperature gradient, 2001.
PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.
254
VaVpI
