Eksperyment I – Odpad perlitu ekspandowanego, jako składnik cementów powszechnego użytku
13.2. Wymywalność alkaliów
Rysunek 58 Mikrostruktura zaprawy z e e tu CEM %, dojrzewają a d i w wodzie w °C; a - ziarna perlitu rów o ier ie rozłożo e w atry y e e towej; - blaszkowate ziarna perlitu, punkt 1 i 2
13.2. Wymywalność alkaliów
Z uwagi na fakt, e perlit zawiera stosunkowo du o alkaliów (ok. 8% sumy Na2Oi K2O) zbadano wymywalno ć jonów alkalicznych z rozdrobnionego zaczynu zawierającego cement
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 7 28 Wy tr zy ałość a z gi a ie [M P a]
Czas dojrzewania [dni] M/CEM I M/CEM 5% M/CEM 20% M/CEM 35%
a) b)
1 294 CEM I 42,5R i 20% perlitu jako substytutu cementu, a wyniki badań porównano do zaczynu referencyjnego z samym cementem. Wykresy na rysunku 59 przedstawiają stę enia jonów Na+
i K+, które uwolniły się z zaczynów w trakcie wytrząsania ich w wodzie destylowanej, po ró nych czasach.
Rysunek 59 Wy ywal ość jo ów alkaliów dla dwó h frak ji za zy u z e e tu refere yj ego (C) oraz zaczynu z cementem z 20% mielonego odpadu perlitowego (C+perlit)
Jak mo na było przypuszczać, wymywalno ć jonów alkalicznych z frakcji o drobniejszym uziarnieniu poni ej 0,125 µm, jest większa od wymywalno ci z frakcji o uziarnieniu 4÷8 mm. Ilo ć wymytych jonów dla obu rodzajów zaczynów jest uzale niona od czasu mieszania. Stę enie potasu, uwalniającego się z zaczynu, jest ok. 6 razy wy sze od stę enia sodu. To znaczy, e w badanym cemencie rozpuszczalne związki potasu dominują nad związkami sodu, ze względu na większą ilo ć potasu w klinkierze.
Wymywalno ć K+ z zaczynu modyfikowanego perlitem jest mniejsza dla obu badanych frakcji. W przypadku frakcji 0÷0,125mm stę enie jonów potasu jest mniejsze o 20% natomiast dla frakcji 4÷8mm o 25%. To oznacza, e obecno ć perlitu jako substytutu klinkieru w cemencie spowoduje zmniejszenie stę enie jonów potasu w fazie ciekłej. Mo na przypuszczać, e wymywalno ć jonów potasu z perlitu jest niewielka, bąd są one czę ciowo immobilizowane w produktach C-S-H, C-A-S-H. Badania wskazują na zwiększenie stę enia jonów Na+ w roztworze dla zaczynów z cementem modyfikowanym perlitem. W przypadku zaczynu z perlitem, ró nica dla obu frakcji wynosi ok. 70% względem zaczynu normowego.
W związku z tym, e obecno ć mielonego odpadowego perlitu ekspandowanego powoduje zmniejszenie wymywalno ci potasu oraz zwiększenie wymywalno ci sodu, utrudniona jest ocena końcowego, łącznego wpływu perlitu na wymywalno ć jonów alkalicznych. Z tego względu zdecydowano się przedstawić uzyskane wyniki badań wymywalno ci jonów metali alkalicznych jako ekwiwalentu Na+ (rys. 60 ). Do wyliczeń posłu ono się następującym wzorem: 𝑎𝑒𝑞+ = 𝐶 𝑎+ 𝑎 𝐾 ∙ 𝐶𝐾 Gdzie: 𝐶 𝑎, 𝐶𝐾– stę enia jonów Na+ i K+ [mg/l] 𝑎, 𝐾 – masa molowa Na i K 0 100 200 300 400 500 600 6 12 24 Stę że ie jo ów Na + [mg /l ]
Czas iesza ia roztworów [h] C+perlit<125mm C+perlit 4-8mm C <0,125 mm C 4-8mm 0 100 200 300 400 500 600 6 12 24 Stę że ie jo ów K +[mg /l ]
Czas iesza ia roztworów [h] C+perlit<125mm C+perlit 4-8mm C <0,125 mm C 4-8mm
95
Rysunek 60 Wy ywal ość jo ów alkaliów dla dwó h frak ji za zy u z e e tu refere yj ego C oraz za zy u z e e te z % ielo ego odpadu perlitowego C+perlit ; stęże ie przeli zo e a ekwiwalent jo ów sodowy h
Analiza danych wskazuje, e ilo ć jonów alkalicznych, uwolnionych podczas badania wymywalno ci, dla zaczynu referencyjnego z cementem portlandzkim oraz dla zaczynu z 20% substytucji cementu perlitem, jest zbli ona. To oznacza, e wprowadzenie do zaczynu dodatkowych ilo ci sodu oraz potasu wraz z perlitem nie zmienia znacząco łącznej ilo ci jonów przechodzących do fazy ciekłej. Jest to informacja pozytywna, gdy oznacza, e z punktu widzenia składu fazy ciekłej obecno ć perlitu nie powinna wpływać na takie zjawiska jak trwało ć kruszywa czy stabilno ć ettringitu w podwy szonych temperaturach.
Uzyskane wyniki pokazują równie ró nice w wymywalno ci jonów z perlitu i cementu. Zamiana 20% cementu perlitem spowodowała zmniejszenie ilo ci wymytego potasu, co oznacza, e potas z perlitu wymywa się trudniej ni z klinkieru. Wynika to najprawdopodobniej z tego, e w perlicie potas występuje jako składnik wię by szkła, natomiast w klinkierze jako stosunkowo dobrze rozpuszczalny siarczan, ewentualnie składnik roztworów stałych w fazach klinkierowych. Odwrotną prawidłowo ć zanotowano dla sodu, poniewa wymywalno ć z perlitu jest większa ni z klinkieru, co z kolei oznacza, e sód przechodzi z perlitu do roztworu łatwiej ni potas.
13.3. Podsumowanie
Wyniki do wiadczeń eksperymentu I wykazały, e zmielony odpad z produkcji perlitu ekspandowanego mo e stanowić składnik cementów portlandzkich. Powoduje on zmniejszenie wytrzymało ci wczesnej, w związku z efektem rozcieńczenia, ale jednocze nie zwiększenie wytrzymało ci zapraw po 28 dniach twardnienia. Dodatek 20% odpadowego perlitu do cementu portlandzkiego nie powoduje znacznego wzrostu wodo ądno ci cementu. Jednak ju 35% substytucji cementu zwiększa wodo ądno ć o ok. 25%, co mo e wymagać stosowania superplastyfikatora w celu uzyskania bardziej płynnej konsystencji. Perlit opó nia wiązanie cementu w rozumieniu normy PN-EN 196-3. Efekt ten ro nie wraz ze zwiększeniem jego zawarto ci w cemencie. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 6 12 24 E kwi wal e n t N a+ [ mg /l ]
Czas iesza ia roztworów [h]
C+perlit<125mm C+perlit 4-8mm C <0,125 mm C 4-8mm
96 Badany w pracy mielony odpad perlitowy bierze czynny udział w hydratacji cementu ju w początkowym etapie, między 10 a 24 godziną. Potwierdza to widoczny dodatkowy efekt egzotermiczny obserwowany na krzywej kalorymetrycznej. Zamiana czę ci cementu odpadowym perlitem w ilo ci do 20%, w przeliczeniu na masę całego spoiwa, powoduje wzrost ilo ci wydzielanego ciepła hydratacji.. Biorąc pod uwagę efekt rozcieńczenia, po przeliczeniu ilo ci wydzielonego ciepła na masę cementu w spoiwie, obserwowany jest wzrost ilo ci wydzielonego ciepła dla wszystkich badanych cementów zawierających w swym składzie perlit, w porównaniu do cementu referencyjnego bez dodatku.
Cementy, w których zastąpiono 5% i 20% spoiwa mielonym perlitem ekspandowanym spełniają wymagania normy PN-EN 197-1, dla klasy wytrzymało ci 42,5R. Szczególnie w przypadku 20% dodatku jest to wynik bardzo korzystny. Na podstawie badań w eksperymencie I mo na stwierdzić równie , e wszystkie cementy zawierające dodatek mielonego perlitu spełniają wymagania normy PN-EN 197-1- dotyczące czasu wiązania. Chcąc przypisać mielony perlit do jednego ze składników nieklinkierowych cementów objętych normą PN-EN 197-1 mo na sklasyfikować perlit jako kalcynowaną pucolanę naturalną, oznaczoną literą Q (pucolanę przemysłową). Geneza produkcji jest zgodna, poniewa skała perlitowa jest naturalnie występującym w przyrodzie szkłem wulkanicznym, które poddano wysokotemperaturowej obróbce cieplnej – kalcynacji, w celu uzyskania perlitu ekspandowanego. Ponadto wymagany normowo udział aktywnego SiO2powy ej 25% dla tego typu materiałów, równie został spełniony, gdy perlit zawiera ok. 55% sumy aktywnych tlenków SiO2 i Al2O3 (wyniki badań aktywno ci pucolanowej metodą ASTM C C379-65T przedstawiono w eksperymencie III).
Wprowadzenie perlitu jako składnika cementu zmniejsza wymywalno ć jonów potasu z zaczynu o ok. 20%. Jednocze nie stwierdzono wzrost stę enia jonów Na+względem cementu referencyjnego. Stę enie jonów alkalicznych przeliczone na ekwiwalent jonów Na+
jednoznacznie wskazuje, e odpad perlitowy nie stanowi ryzyka związanego z korozją alkaliczną. W normie PN-EN 450-1 okre lającej wymagania składu chemicznego dla popiołów lotnych przedstawiono komentarz „Generalnie uważa się, że tylko niewielka część Na2O zawarta w popiele uczestniczy w alkalicznej reakcji krzemionki”. Popiół lotny to w głównej mierze faza szklista, dlatego uwa a się, e jony alkaliczne występują w tego typu materiałach, jako unieruchomione w wię bie szkła modyfikatory. Perlit równie stanowi fazę szklistą, w związku z tym mo na to zdanie odnie ć równie do zawarto ci alkaliów w jego składzie.
97