8. Wiązanie i twardnienie zapraw zawierających popioły fluidalne
8.3. Określenie wpływu dodatku popiołu fluidalnego na właściwości betonu
Różnego rodzaju popioły z energetyki, takie jak popioły krzemionko-we, krzemionkowo-wapienne, fluidalne o właściwościach pucolanowych i/lub utajonych właściwościach hydraulicznych znajdują zastosowanie w niektórych krajach Europy w produkcji betonu na podstawie prze-pisów lokalnych zweryfikowanych doświadczeń. Jak już wspomniano w rozdziale 5.2, popiół lotny fluidalny nie spełnia wymagań normy PN- -EN 450-1: Popiół lotny do betonu, odnoszącej się do popiołów jako poten-cjalnych składników mieszanki betonowej. Już w samej definicji zawarte są sformułowania, które popiół fluidalny wykluczają. Według definicji nor-mowej popiół lotny jest to drobnoziarnisty pył składający się głównie z ku-listych, zeszkliwionych ziaren, otrzymany przy spalaniu pyłu węglowe-go, przy udziale lub bez udziału materiałów współspalanych, wykazujący właściwości pucolanowe i zawierający przede wszystkim SiO2 i Al2O3.
Według znowelizowanej normy PN-EN 450-1: 2012 popiół lotny może być poddany obróbce, np. przez separację, rozdrabnianie, mieszanie. Po-piół poddany obróbce powinien odpowiadać podanej definicji. Jak już wy-kazano w badaniach procesu hydratacji zaczynów popiołowych, popioły fluidalne charakteryzują się zarówno właściwościami pucolanowymi, jak i hydraulicznymi. Co więcej, dzięki występowaniu w nich bardzo aktyw-nej fazy glinianowo-krzemianowej o dużej rozwiniętej powierzchni mogą stanowić dodatek pucolanowy do betonu.
Szukając odpowiedzi na pytanie, czy popiół fluidalny w formie prze-tworzonej lub nie może znaleźć zastosowanie w produkcji betonu, posta-nowiono posłużyć się przede wszystkim wynikami badań prowadzonymi w ramach Projektu Badawczo-Rozwojowego „Betony na cementach z po-piołem lotnym z kotłów fluidalnych” [3]. W monografii pt. Zastosowanie popiołów lotnych z kotłów fluidalnych, zrealizowanej przy udziale znanych w kraju specjalistów i naukowców, ujmującej wyniki badań prowadzo-nych w ramach tego projektu, omówiono zagadnienia związane z zasto-sowaniem popiołów fluidalnych zarówno w cemencie, jak i w betonie.
W pracy tej przedstawiono właściwości popiołów fluidalnych uzyskiwa-nych w elektrowniach krajowych. Określono wpływ dodatku popiołów fluidalnych na właściwości betonu, zwracając uwagę przede wszystkim na trwałość. Zaprezentowano metody projektowania i oceny betonu z do-datkiem popiołów fluidalnych oraz ustalono maksymalny udział popiołu fluidalnego w betonie. Praca ta stanowi materiał nie tylko poszerzający wiedzę w zakresie stosowania dodatków mineralnych do betonu, lecz jednocześnie pełnić może funkcję przewodnika ułatwiającego bezpieczne stosowanie popiołów fluidalnych [3].
W świetle wyników badań autorów monografii [3] mieszanki betono-we, w których spoiwo zawiera obok cementu popioły fluidalne nie odbie-gają co do właściwości od wykonanych z cementu bez dodatku, a dobór domieszek chemicznych pozwala na znaczne zredukowanie wodożądno-ści. Dodatek popiołów fluidalnych nie wpływa również na nasiąkliwość – poziom nasiąkliwości betonu z popiołami fluidalnymi, podobnie jak i betonu referencyjnego, zamyka się w granicach 4–6%. Nie stwierdzono jednoznacznego wpływu dodatku popiołu fluidalnego na przepuszczal-ność wody. Betony stwardniałe zawierające popioły fluidalne charaktery-zują się podobnymi właściwościami wytrzymałościowymi jak betony nie-zawierające popiołów, z tendencją do wzrostu wytrzymałości w okresach twardnienia na korzyść betonów zawierających popioły fluidalne. W ba-daniach prowadzonych przez autorów monografii dużą uwagę skupiono na trwałość betonu. Przeprowadzono badania korozji chemicznej zapraw i betonów z popiołami fluidalnymi. Zbadano wpływ dodatku popiołów fluidalnych na odporność betonu na agresję mrozową i działanie środków
odladzających. Ustalono, że betony zawierające popioły fluidalne charak-teryzują się obniżoną mrozoodpornością. Zmniejszona jest również od-porność na karbonatyzację. Za zadowalającą można uznać przyczepność do zbrojenia stalowego i niemetalicznego.
Warte zainteresowania są uwagi dotyczące możliwości kształtowania, za pomocą popiołów fluidalnych, odporności zapraw i betonów na koro-zję chlorkową i siarczanową.
W oparciu o wyniki kompleksowych badań wykonanych w ramach projektu ustalone zostały wytyczne wprowadzenia popiołów fluidalnych do betonu. Wytyczne te mają na celu zapewnienie trwałości betonu z po-piołami fluidalnymi w przeciętnych warunkach eksploatacji. Ustalone kryteria odnoszą się nie do popiołu fluidalnego jako składnia betonu, lecz do spoiwa, w którym cement portlandzki został częściowo zastąpiony po-piołem fluidalnym.
Na obecnym etapie badań ograniczenie wprowadzonego do betonu popiołu fluidalnego w ilości 30% w stosunku do masy cementu jest słusz-ne, głównie ze względu na dużą wodożądność i konieczność doboru wła-ściwego plastyfikatora, na co autorzy monografii zwracają uwagę.
Dyskutując kwestie limitowanego poziomu zawartości SO3 w popio-łach fluidalnych i w spoiwie, warto ponownie przytoczyć cytowane już wyniki badań Ayrinhaca [35], tym razem odnoszące się do próbek betonu twardniejącego w wodzie. Na rycinie 64 zobrazowano opracowany przez tego autora wykres przedstawiający zmiany liniowe betonów z popiołem fluidalnym i bez popiołu w funkcji zawartości SO3.
zawartość SO3 w cementach wieloskładnikowych
zmiany liniowe [mm/m] 56 dni
90 dni
cement wzorcowy bez dodatku popiołów
Ryc. 64. Pęcznienie betonu w wodzie – zmiany liniowe w zależności od zawartości SO3 w cemencie zawierającym popiół fluidalny [35]
Podobnie jak to ma miejsce w przypadku zapraw, SO3 jest parametrem silnie oddziałującym na tworzenie się ettringitu w twardniejącym betonie, a tym samym na zmiany objętości betonu w wodzie. Według przedstawio-nych na rycinie 64 wyników zawartość SO3 w spoiwie wywołuje zmiany liniowe; są one nie większe niż 500 µm/m betonu, co jest według autora wartością dopuszczalną z punktu widzenia zastosowań w budownictwie.
Dla zwiększenia bezpieczeństwa stosowania takiego spoiwa korzystne jest jednak wykorzystanie cementu o możliwie małej zawartości C3A.
Przykłady zmian destrukcyjnych wywołanych tworzeniem się ettringi-tu przy wysokiej zawartości SO3 w spoiwie z dodatkiem popiołu fluidal-nego przedstawiają ryciny 65 i 66.
kryształy e•ringitu 1,4 mm
kryształy e•ringitu
Ryc. 65. Obserwacje mikroskopowe destrukcyjnych zmian w betonie przy użyciu spoiwa o wysokiej zawartości SO3 (10%) [35]
Ź r ó d ł o: Badania własne
Ryc. 66. Ettringit utworzony na granicy faz zaczyn cementowy –kruszywo w betonie o wysokiej zawartości SO3
Zastosowanie mikroskopu elektronowego w połączeniu z punktową analizą rentgenowską w mikroobszarach pozwoliło na identyfikację fazy wykrystalizowanej na granicy kruszywo–zaczyn cementowy (ryc. 67).
kruszywo krzemionkowe
zaczyn cementowy granica faz
kruszywo–zaczyn –pasmo e•ringitu
Ryc. 67. Morfologia i skład chemiczny w mikroobszarach faz krystalizujących wokół ziarna kruszywa w betonie [35]
Kolejnym czynnikiem, który może mieć wpływ na tworzenie się i wzrost kryształów ettringitu w betonie zawierającym popiół fluidalny jest kruszywo. Obserwacje przeprowadzone przez Ayrinhaca przy wyko-rzystaniu mikroskopu elektronowego wyraźnie wskazują, że ettringit ma tendencję do krystalizacji na granicy faz kruszywo–zaczyn cementowy, na co zwrócili uwagę również inni badacze [52–53].
Według doświadczeń własnych wynikających z badań mikroskopo-wych obejmujących mikroobszary stwardniałych próbek betonu z dodat-kiem popiołu fluidalnego obecność ettringitu stwierdzono nawet w be-tonie twardniejącym 2 lata. W świetle badań z zastosowaniem elektro-nowej mikroskopii skaningowej po 1 roku twardnienia struktura betonu
zawierającego popioły fluidalne w strefach kontaktowych wskazuje na dobrą przyczepność zaczynu do kruszywa. Jednak gdzieniegdzie w bliżu ziaren kruszywa pojawiają się niewielkie rysy, które świadczą o po-wstających w betonie naprężeniach (ryc. 68). W obserwowanych próbkach stwierdzono obecność ettringitu, występującego w formie cienkich igiełek (ryc. 69).
Ź r ó d ł o: Badania własne.
Ryc. 68. Mikroskopowy obraz stwardniałego betonu zawierającego popiół fluidalny po 1 roku twardnienia. Widoczne w strukturze betonu rysy
spowodowane są występującymi naprężeniami
Ź r ó d ł o: Badania własne.
Ryc. 69. Mikroskopowy obraz stwardniałego betonu zawierającego popiół fluidalny po 1 roku twardnienia. W strukturze betonu pomiędzy ziarnami wodorotlenku
wapniowego widoczne są igiełkowe formy ettringitu
Wyniki badań wytrzymałościowych uzyskanych w warunkach labora-toryjnych dla opracowanych receptur betonu z dodatkiem popiołów flu-idalnych nie wykazują spadku wytrzymałości betonu w badanym okresie twardnienia, który mógłby świadczyć o istotnym zagrożeniu trwałości betonu, spowodowanym obecnością popiołów fluidalnych. Widoczna jest raczej tendencja korzystnego wpływu dodatku popiołów fluidalnych na rozwój wytrzymałości betonu. Należy zaznaczyć jednak, że już na etapie przygotowania prób do badań napotkano na trudności związane z nega-tywnym wpływem popiołów fluidalnych na reologię betonu. Dlatego ko-nieczne było zastosowania plastyfikatora dla uzyskania zamierzonej kon-systencji i odpowiedniej urabialności betonu.
Przedstawione w pracy wyniki badań betonu z dodatkiem popiołu flu-idalnego dotyczą zarówno popiołów fluidalnych ze spalania węgla ka-miennego, jak i brunatnego, ujmują również popioły o nazwie handlowej flubet, przetworzone wstępnie poprzez dezintegrację cząstek. Wykonano
2 serie mieszanek betonowych, stosując różne rodzaje cementów i kruszy-wa oraz zróżnicokruszy-wane ilości dodatku popiołu fluidalnego. W betonie po-równawczym spoiwo stanowił cement niezawierający popiołu. Stosowa-no 350 kg spoiwa na 1 m3 mieszanki betonu. Współczynnik w/c wynosił 0,5, a ilość zastosowanej domieszki uplastyczniającej – 0,4% w stosunku do masy spoiwa.
Badania wpływu dodatku popiołu fluidalnego na właściwości betonu przeprowadzono wykorzystując metody i procedury badawcze zawarte w normach:
• PN-EN 206-1 – Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność;
• PN-EN 12350-2 – Badania mieszanki betonowej. Część 2: Badanie konsystencji metodą opadu stożka;
• PN-EN 12390-3 – Badania betonu. Część 2: Wykonywanie i pielęgna-cja próbek do badań wytrzymałościowych;
• PN-EN 12390-3 – Badania betonu. Część 3: Wytrzymałość na ściska-nie próbek do badania.
W serii I jako spoiwo stosowano cement CEM II/B-S 32,5 R.
Spoiwo mieszanki betonowej A (beton porównawczy) spoiwo: CEM II/B-S 32,5 R bez dodatku popiołu fluidalnego, zawartość cementu w mieszance – 350 kg/m3.
Spoiwo mieszanki betonowej B
spoiwo: CEM II/B-S 32,5 R, popiół fluidalny w proporcji: 80% cementu i 20% popiołu fluidalnego,
zawartość cementu w mieszance – 280 kg/m3,
zawartość popiołu fluidalnego w mieszance – 70 kg/m3. Spoiwo mieszanki betonowej C
spoiwo: CEM II/B-S 32,5 R, popiół fluidalny w proporcji: 90% cementu i 10% popiołu fluidalnego,
zawartość cementu w mieszance – 315 kg/m3,
zawartość popiołu fluidalnego w mieszance – 35 kg/m3.
W tabelach 16 i 17 przedstawiono wyniki badań konsystencji i wytrzy-małości.
T a b e l a 16
beton z dodatkiem popiołu fluidalnego (20% w stosunku do masy cementu)
i z plastyfikatorem
60 S2
C
beton z dodatkiem popiołu fluidalnego (10% w stosunku do masy cementu) i z plastyfikatorem
150 S3
Ź r ó d ł o: Badania własne.
T a b e l a 17 Wytrzymałość na ściskanie betonu z dodatkiem popiołu fluidalnego
26,0 104,0 47,5 107,9 53,0 107,0
C
beton z dodatkiem 10% popiołu fluidalnego
i z plastyfikatorem
22,5 90,0 40,5 92,0 48,5 98,0
Ź r ó d ł o: Badania własne.
Wyniki badań wytrzymałościowych pokazują, że dodatek popiołu flu-idalnego w ilości do 20% nie pogarsza właściwości wytrzymałościowych betonu otrzymanego na bazie cementu CEM II/B-S 32,5 R przy jednocze-snym zastosowaniu domieszki plastyfikującej.
W późniejszych okresach twardnienia (po 28 i 90 dniach) wytrzyma-łość betonu z dodatkiem 20% popiołu fluidalnego i domieszki jest nieco wyższa niż dla betonu porównawczego.
0
beton porównawczy 20% popiołu 10% popiołu
Ź r ó d ł o: Badania własne.
Ryc. 70. Wytrzymałość betonu z dodatkiem popiołu fluidalnego
W serii II jako spoiwo stosowano cement CEM I 32,5 R.
Spoiwo mieszanki betonowej A (beton porównawczy) spoiwo: CEM I 32,5 R bez dodatku popiołu fluidalnego, zawartość cementu w mieszance – 350 kg/m3.
Spoiwo mieszanki betonowej B
spoiwo: CEM I 32,5 R, popiół fluidalny w proporcji: 80% cementu i 20%
popiołu fluidalnego,
zawartość cementu w mieszance – 280 kg/m3,
zawartość popiołu fluidalnego w mieszance – 70 kg/m3. Spoiwo mieszanki betonowej C
spoiwo: CEM I 32,5 R, popiół fluidalny przetworzony (flubet) w pro-porcji: 80% cementu i 20% popiołu,
zawartość cementu w mieszance – 280 kg/m3, zawartość popiołu w mieszance – 70 kg/m 3.
Wyniki badań konsystencji przedstawiono w tabeli 18.
T a b e l a 18
A beton porównawczy 40 S1
B beton z popiołem fluidalnym
i plastyfikatorem 60 S2
C
beton z popiołem fluidalnym przetworzonym
i plastyfikatorem
60 S2
Ź r ó d ł o: Badania własne.
T a b e l a 19
beton porównawczy 20% popiołu 20% popiołu fluidalnego przetworzonego
Ź r ó d ł o: Badania własne.
Ryc. 71. Wytrzymałość betonu z dodatkiem popiołu fluidalnego w porównaniu do betonu porównawczego
Wyniki badań wytrzymałościowych potwierdzają charakterystyczne właściwości popiołu fluidalnego, a mianowicie ich korzystny wpływ na kształtowanie wytrzymałości zapraw i betonów z ich udziałem. Trudno jest natomiast wyciągnąć jednoznaczne wnioski odnoszące się do oddzia-ływania popiołu przetworzonego (poddanego procesowi dezintegracji
cząstek). Wytrzymałości po 90 dniach twardnienia betonu z dodatkiem popiołu fluidalnego są praktycznie takie same dla betonu porównawcze-go, jak i dla betonu zawierającego badane popioły fluidalne. W początko-wym okresie twardnienia po 7 dniach, a następnie po 28 dniach zwracają uwagę różnice w rozwoju wytrzymałości. Tradycyjne podejście w przyję-tym programie badań punktów czasowych oznaczania wytrzymałości po 7, 28 i 90 dniach nie pozwala na stwierdzenie monotonicznego charakteru przyrostu wytrzymałości w czasie. Nawiązując do wyników badań pro-cesu hydratacji zaczynów zawierających popioły fluidalne, wydaje się ce-lowe kontynuowanie analiz ze szczególnym zwróceniem uwagi na okres pomiędzy 28 a 90 dniem oraz na trwałość betonu po znacznie dłuższym czasie. Taką konieczność potwierdzają wyniki badań mikroskopowych betonu zawierającego popiół fluidalny po roku dojrzewania.
Wyniki przedstawionych badań, zarówno własnych, jak i cytowanych, nie pozwalają w sposób jednoznaczny na określenie warunków zapew-niających trwałość betonu zawierającego popioły fluidalne, ponieważ procesy zachodzące w betonach wpływające na ich trwałość nie są dosta-tecznie rozpoznane.
Mimo licznych publikacji dokumentujących wyniki badań nad trwałością betonu zawierającego popiół fluidalny, procesy zachodzące w betonach wpływające na trwałość betonu nie są jeszcze dostatecznie poznane i wyjaśnione. Stąd konieczność kontynuowania badań w tym zakresie, przed podjęciem decyzji o dopuszczenie do stosowania popiołów fluidalnych w produkcji betonu.