Zastosowanie cementów hutniczych w prefabrykacji na przykładzie produkcji betonowych elementów ochrony falochronu
Using blast-fUrnace cement in prefabrication exemplified by the prodUction of concrete elements protecting a
breakwater
Streszczenie
Okolice portu w Świnoujściu są obecnie wielkim placem budowy, jest to związane z inwe- stycjami w ramach projektu Gazoportu. Jedną z bardzo ważnych inwestycji jest budowa Falochronu Osłonowego dla portu zewnętrznego będącego jedną z najdłuższych tego typu konstrukcji w Europie. Będzie on zabezpieczał i chronił statki dostarczające skroplony gaz do Terminala LNG. Ochrona falochronu zaprojektowane w celu wytłumienia energii fal morskich będzie wykonywana z narzutu kamieni łamanych o różnych uziarnieniach oraz z betonowych prefabrykatów – Xblock. \r\nMasywne Xblocki przypominają duże „klocki lego” w kształcie litery X, których kształt, ciężar i wymiary zostały zaprojektowane i opa- tentowane przez firmę Delta Marine Consultants (DMC). Dla potrzeb osłony falochrony produkowane są w 3 wymiarach oraz dwóch klasach gęstości objętościowych. Układane są na narzucie kamiennym i stanowią bezpośrednią osłonę falochronu przed falowaniem i atakami morza. Wymagania ze względu na klasę oddziaływania środowiska morskiego wymusiły zastosowanie w betonach na wspomniane elementy cementów hutniczych.
Dodatkowo ze względu na konieczność szybkiej rotacji unikatowych form, koniecznym było zapewnienie szybkiego przyrostu wytrzymałości wczesnej. Prezentowany referat przedstawia opis całego procesu produkcji i badań kwalifikujących, jakie zostały wyko- nane w celu optymalnego doboru receptur oraz uzyskane wyniki będące dowodem, że dzięki zastosowaniu nowatorskich rozwiązań możliwe jest użycie cementów hutniczych do szybkiej prefabrykacji, będącej synonimem rozwoju technologii na miarę XXI wieku.
Jacek Maciejski Konrad Grzesiak
Jacek Maciejski – Cemex Polska Sp. z o.o.
Konrad Grzesiak – Cemex Polska Sp. z o.o.
The vicinity of the Świnoujście harbour is now a huge construction site as a result of developments forming part of the “Gazoport” LNG Terminal. One very important devel- opment is the construction of the Shielding Breakwater for the external harbour, which is one of the longest structures of this type in Europe. It will protect ships delivering liquefied natural gas to the LNG Terminal. The shielding of the breakwater, designed to dampen the energy of sea waves will be built by depositing breakstone of various grain sizes and concrete prefabricates – Xblock. The massive Xblocks resemble large X-shaped Lego bricks whose shape, weight and dimensions were designed and patented by Delta Marine Consultants (DMC). For the purpose of shielding the breakwater they are pro- duced in 3 sizes and two classes of volumetric densities. They are placed on the piled stones and form a direct shield of the breakwater against the waves and sea attack. The requirements resulting from the class of marine environment action necessitated the use of blast-furnace cements for these elements. In addition, due to the need to quickly rotate the unique formwork, it was necessary to ensure a rapid early strength development. The paper describes the entire process of production and the qualification tests conducted to select the best mix recipe as well as the results obtained, which prove that the application of innovative solutions enables blast-furnace cement to be used for rapid prefabrication which is synonymous with developing a 21st century technology.
Zastosowanie cementów hutniczych w prefabrykacji ...
3
DNI BETONU 2012
1. Wstęp
Czynnik ekonomiczny oraz małe powierzchnie zapleczy budowy, na których realizowane są inwestycje coraz częściej wpływają na wybór elementów betonowych prefabrykowa- nych, ale produkowanych w wytwórni betonowych umiejscowionych w obrębie inwesty- cji, a nie w zakładach prefabrykacji. Stawia to przed producentami betonu towarowego kolejne wyzwania dotyczące dostosowania systemu produkcji, użytych materiałów jak również konieczność modelownia cech betonu, aby bezpiecznie go dostarczyć w miejsce produkcji prefabrykatów i wbudować w optymalnym czasie.
Tak produkowane i dostarczane na budowę prefabrykaty betonowe posiadają nie- zbędne certyfikaty, wymaganą projektową wytrzymałość betonu na ściskanie oraz inne parametry zależne od warunków pracy elementu
Podstawową cechą betonu do produkcji elementów prefabrykowanych jest szybki przyrost wczesnej wytrzymałości na ściskanie. Proces produkcji wymusza dokonywanie rozformowania wykonanego elementu w czasie krótszym niż 20 godzin. Wytrzymałość na ściskanie betonu w tym okresie powinna wynosić powyżej 15 MPa. Uzyskanie tak wysokiej wczesnej wytrzymałości na ściskanie powoduje, że produkcja betonu najczęściej opiera się na cementach portlandzkich lub rzadziej portlandzkich wieloskładnikowych.
Najpopularniejsze są następujące cementy: CEM I 42,5 R; CEM I 52,5 R; CEM II/B-S 42,5 N, CEM II/A-V 42,5R i CEM II/A-LL 52,5R.
Różnorodność stosowania elementów prefabrykowanych w różnych warunkach oddziaływania środowiskowego wymusiło niejako konieczność stosowania rozwiązań materiałowych przy użyciu cementów hutniczych, co na pierwszy rzut oka kłóci się z dotychczasowymi doświadczeniami przy prefabrykacji. W referacie przedstawiono możliwość użycia do produkcji takiego betonu cementu hutniczego. Zastosowanie go w prefabrykacji, będzie kolejnym krokiem w rozwoju technologii w XXI wieku.
2. XBloc® – prefabrykaty betonowe. Wymagania
Budowa nowego Falochronu w Świnoujściu przyczyniła się do poszukania rozwiązań mających na celu maksymalnego wytłumienia energii fal. Zaprojektowano narzut z ka- mienia łamanego o różnym uziarnieniu oraz elementów prefabrykowanych Xblocs (fot. 1).
Fot.1. Zabezpieczenie falochronu z narzutu kamiennego i Xblocs
4 DNI BETONU 2012
Projekt i doświadczenia firmy Delta Marine Consultants (DMC), przeprowadzane w celu optymalnego wykorzystania Xbloc do ochrony Falochronu przedstawiał w ST [6]
następujące wymagania dla betonu:
1. zawartość żużla w cemencie > 35 %, 2. wytrzymałości betonu na ściskanie C35/45, 3. wytrzymałości betonu na rozłupywanie > 4,0 MPa,
4. gęstość betonu >2350 kg/m3 (dla x-Bloc® o pojemności 1 i 5 m3), 5. gęstość betonu >2450 kg/m3 (dla x-Bloc® o pojemności 5 m3),
6. zawartość powietrza w mieszance betonowej w przedziale 4,0 ÷ 5,5 %.
Prefabrykaty betonowe x-bloc zgodnie z przedstawionym projektem nie zawierają zbrojenia w przeciwieństwie do powszechnie stosowanych gwiazdobloków.
Dodatkowym wymaganiem w stosunku do betonu jaki przedstawił wykonawca robót było uzyskanie wysokiej wczesnej wytrzymałości na ściskanie, aby móc rozformować formy z elementami w możliwie jak najszybszym czasie po zabetonowaniu. Ilość form oraz okres realizacji kontaktu spowodował konieczność opracowania receptur mieszanek betonowych, spełniających powyższe wymagania.
3. Właściwości cementu hutniczego CEM III/A 42,5 R-NA
W opracowaniu recept spełniających wymagania ST [6] zastosowano cement hutniczy, którego parametry przedstawiono w tab. 1
Właściwości Wymagania wg PN-EN 197-1 Wartość średnia
Początek czasu wiązania [min] ≥ 60 min 150
Koniec czasu wiązania [min] - 200
Wodożądność - 28,1
Wytrzymałość na ściskanie po 2 dniach [MPa] ≥ 20 24,0
Wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach [MPa] ≥ 42,5 ≤ 62,5 60,6
Stała objętość ≤ 20 0,4
Zawartość żużla [%] ≥ 35 41
Cement hutniczy CEM III/A 42,5 R-NA z dodatkiem granulowanego żużla wielko- piecowego (dodatek mineralny o właściwościach hydraulicznych) spełnia wymagania ST [6] oraz normy PN-B-19707 [4]. Cementy te posiadają szereg korzystniejszych wła- ściwości niż cementy portlandzkie tych samych klas wytrzymałości. Charakteryzują się dobrą urabialnością mieszanki betonowej i zachowaniem właściwości roboczych w czasie [5]. Cement CEM III/A 42,5 R-NA posiada wysoki przyrost wczesnej wytrzymałości na ściskanie, jak również w późniejszym okresie twardnienia oraz dodatkowo znakomitą odporność na korozję chemiczną i biologiczną.
Badania wykonane dla cementów CEM III/A wykazały wysoką odporność korozyjną na działanie rozpuszczonych soli w środowisku morskim [1]. Prefabrykaty betonowe będą
Zastosowanie cementów hutniczych w prefabrykacji ...
5
DNI BETONU 2012
pracować w warunkach przemiennego zraszania i osuszania – klasa ekspozycji XS3 [3].
W takim przypadku element prefabrykowany jest poddawany zdecydowanie ostrzejszym warunkom pracy niż stale zanurzony w wodzie [2].
4. Domieszki chemiczne
Wobec powyższych wymagań mieszanki betonowej kluczowy stał się w procesie projek- towania dobór odpowiednich domieszek chemicznych.
Zdecydowano, iż aby zapewnić odpowiednią wytrzymałość betonu szczególnie w warunkach obniżonych temperatur domieszka Glenium ACE 430 zapewni uzyskanie wysokiej wytrzymałości początkowej zwłaszcza, że elementy dojrzewały na zewnątrz w okresie listopad – marzec.
Domieszka Glenium ACE 430 jest produktem innowacyjnym w dziedzinie superpla- styfikatorów opartych na eterach polikarboksylanowych. Struktura molekularna nowej generacji ułatwia hydratację, pozwala na bardzo szybką adsorpcję molekuł na cząsteczkach cementu i powoduje nadzwyczaj skuteczny efekt dyspersji (stabilizacja elektrostatyczna).
Towarzyszące reakcji hydratacji wydzielanie ciepła zostaje skutecznie wykorzystane, co w efekcie prowadzi do wyraźnie szybszego przyrostu wytrzymałości początkowej betonu.
Molekuły tych upłynniaczy składają się z ujemnie naładowanego łańcucha głównego, który adsorbuje się na ziarnie cementu, i elektrostatycznie obojętnych łańcuchów pobocz- nych, skierowanych prostopadle do powierzchni adsorpcji [fot.2.].
Fot. 2 Przemieszczenie łańcuchów molekuł
Łańcuchy te są ruchome. Poprzez swój ruch rotacyjny zapełniają określony obszar.
Poprzez co ziarna cementu nie mogą się do siebie zbliżyć. Nazywamy to przestrzennym sferycznym odpychaniem.
W przypadku tradycyjnych upłynniaczy istnieje ścisła zależność między ilością po- wstających produktów hydratacji a utratą urabialności mieszanki betonowej. Im więcej produktów hydratacji w czasie tym spadek konsystencji też jest większy.
Utrata konsystencji została wyeliminowana poprzez kombinację elektrostatycznego oraz sferycznego odpychania. Również poprzez modyfikację gęstości molekularnej po- limerów można zmieniać szybkość adsorpcji cząsteczek upłynniacza, a co za tym idzie, również zmieniać czas urabialności.
6 DNI BETONU 2012
Fot. 3. Elektrostatyczne + sferyczne odpychanie + opóźniona adsorpcja
Kolejną bardzo ważną cechą zapewniającą wymagania, co do jakości x-Bloc był ele- ment napowietrzenia mieszanki i taki dobór jakości domieszki napowietrzającej, która da odpowiednią ilość mikroporów powietrznych, przy zachowaniu stałego napowietrzenia rzędu 4 – 5,5 %. Parametr napowietrzenia był bardzo ważny z uwagi na fakt, iż miał decydujący wpływ na gęstość mieszanki, a przez to i na cały element.
Zdecydowano się na zastosowanie domieszki napowietrzającej naturalnej Mischöll LP70, która daje bardzo dużą ilość mikroporów powietrznych poniżej 300 µm, co gwa- rantuje zapewnienie mrozoodporności betonu.
Przebadany i stworzony układ domieszek pozwolił na stworzenie receptury, która sprawdziła się podczas produkcji. Stabilna domieszka napowietrzająca zapewniała od- powiednią zawartość powietrza w mieszance betonowej, a ultranowoczesny superpla- styfikator na bazie eterów polikarboksylanowych zapewniał odpowiednie utrzymanie konsystencji podczas wbudowywania mieszanki w element oraz dawał szybkie przyrosty wytrzymałości początkowej.
5. Badania wstępne mieszanki betonowej
Po opracowaniu recept mieszanki betonowej z użyciem powyższych składników (cement i domieszki) wykonano próby laboratoryjne mające na celu osiągnięcie powyżej wymie- nionych parametrów. Trudności, jakie zostały napotkane wynikały z konieczności speł- nienia 3 warunków: dla świeżej mieszanki betonowej (konsystencja, zawartość powietrza i gęstość) i dla stwardniałego betonu (gęstość, wytrzymałość na: ściskanie i rozłupywanie).
Skomponowano skład mieszanki betonowej o następujących gęstościach:
– 2350 kg/m3 - na kruszywie gnejsowym o gęstości 2,70 kg/dm3 – 2450 kg/m3 - na kruszywie diabazowym o gęstości 3,10 kg/dm3.
Uzyskując pozytywne wyniki badań laboratoryjnych dla powyższych mieszanek betonowych rozpoczęto wykonywanie prób przemysłowych wraz z zaformowaniem próbnego elementu. Miały one na celu sprawdzenie poprawności przyjętych założeń recepturowych, wykonanych badań polowych oraz na określenie możliwie szybkiego czasu potrzebnego do rozszalowania elementu betonowego. Jednocześnie wykonawca robót prowadził monitoring temperatur w celu kontroli momentu, w którym zostanie osiągnięta maksymalna temperatura zabetonowanego elementu (fot. 4). Miało to na celu
Zastosowanie cementów hutniczych w prefabrykacji ...
7
DNI BETONU 2012
zapewnienie właściwej pielęgnacji przed wystąpieniem skurczu termicznego, który po- jawia się przy gradiencie temperatur powyżej 20º C.
Fot. 4. Rozmieszczenie czujników pomiaru temperatury
Wykonane próby przemysłowe pozwoliły na wyeliminowanie błędów, jakie wystą- piły podczas produkcji, transportu, rozładunku oraz wbudowaniu mieszanki betonowej (sposób i częstotliwość wibrowania). Zminimalizowanie występujących błędów pozwoliło producentowi mieszanki betonowej i wykonawcy robót na uzyskanie wymaganych przez klienta parametrów stwardniałego betonu.
6. Produkcja przemysłowa
Opierając się na pozytywnych wynikach badań laboratoryjnych i przemysłowych oraz akceptacji recept przez firmę DMC na przełomie sierpnia i września rozpoczęto produkcję elementów Xbloc. Planowane największe obciążenie produkcyjne przewidywane było na okres jesienno-zimowy. Prefabrykaty wykonywane i przechowywane były i są w warun- kach naturalnych (na świeżym powietrzu) [fot.5].
Fot. 5. Betonowanie x-bloc – październik 2011
8 DNI BETONU 2012
Specyficzny charakter prefabrykacji powoduje, że od dostawcy betonu i wykonawcy robót wymagane jest przestrzeganie ścisłego reżimu technologicznego. Zwiększona została częstotliwość kontroli laboratoryjnej produkowanego betonu (badanie konsystencji, gę- stości i napowietrzenia) oraz pobór próbek do badań wytrzymałości na ściskanie, w tym celu stworzono specjalny plan kontroli parametrów mieszanki betonowej ze ścisłym określeniem kryteriów akceptacji poszczególnych wartości pomiarów. Szczególnie ważne są badania wytrzymałości na ściskanie po jednym dniu (R1), a dokładniej po 24h. Wyniki te pozwalały technologowi na dokonywanie korekt recepty, a kierownictwu wykonawcy robót na podjęcie decyzji odnośnie rozszalowania Xbloc.
7. Wyniki badań
Osiągnięte podczas produkcji przemysłowej wyniki badań potwierdzają prawidłowy dobór surowców oraz właściwy poziom kontroli. Średnie miesięczne wyniki badań świe- żej mieszanki betonowej (konsystencja, zawartość powietrza) oraz gęstość stwardniałego betonu przedstawiają tabele 1 i 2.
Tabela 1. Beton o gęstości 2350 kg/m3
Miesiąc Zawartość powietrza Konsystencja Gęstość stwardniałego betonu
[%] [mm] [kg/m3]
Listopad 4,6 165 2,44
Grudzień 4,6 175 2,42
Styczeń 4,8 170 2,41
Luty 4,6 175 2,41
Marzec 4,5 150 2,41
Tabela 2. Beton o gęstości 2450 kg/m3
Miesiąc Zawartość powietrza Konsystencja Gęstość stwardniałego betonu
[%] [mm] [kg/m3]
Listopad 4,9 155 2,54
Grudzień 4,6 155 2,51
Styczeń 4,6 160 2,52
Luty 4,7 165 2,52
Marzec 4,6 140 2,53
Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono rozkład przyrostu wytrzymałości betonu w czasie, w różnych temperaturach twardnienia.
Zastosowanie cementów hutniczych w prefabrykacji ...
9
DNI BETONU 2012
Rys. 1 Przyrost wytrzymałości betonu o gęstości 2350 kg/m3
Rys. 2. Przyrost wytrzymałości betonu o gęstości 2450 kg/m3
Na rysunku 3 przedstawiono zależność jaka została uzyskana na podstawie badań wytrzymałości na: ściskanie i rozłupywanie.
Rys. 3.
Ze względu na warunki w jakich dojrzewały elementy prefabrykowane Xbloc pobie- rane były odwierty rdzeniowe (∅ 100) [7], które poddawano badaniom wytrzymałości na ściskanie i rozłupywanie. Wykonano badanie w celu określenia uzyskanej wytrzyma-
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0
R8h R10h R12h R16h R20h R24h R30h R2 R3 R4 R5 R6 R7 R14 R21 R28 temp. pow. +7,9 st. C temp. pow. +1,5 st. C
70,3 66,5
64,8
74,3 73,8
67,9 66,0
5,1 4,7 4,7
5,2 5,4
4,9 4,7
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
17.01.12 24.01.12 24.02.12 15.03.12 22.03.12 14.04.12 20.04.12 Wytrzymałość na ściskanie R28 Wytrzymałość na rozłupywanie 0,0
10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0
R8h R10h R12h R16h R20h R24h R30h R2 R3 R4 R5 R6 R7 R14 R21 R28
Wytzrymałość na ściskanie [MP]
temp. betonu 10,3 st. C temp. betonu 16,4 st. C temp. betonu 22 st. C
10 DNI BETONU 2012
łości na ściskanie i rozłupywanie betonu, dojrzewającego w warunkach laboratoryjnych i w warunkach naturalnych. Wyniki przedstawiono w tabeli 3.
Tabela 3. Zestawienie wytrzymałości w warunkach: laboratoryjne – budowa próbka
15*15*15 odwiert próbka
15*15*15 odwiert
gęstość betonu 2350 2470
temp. pow. 9,8 7,9
temp. betonu 11,9 10,1
Wytrzymałość na ściskanie R28 64,8 68,6 71,2 74,8
Wytrzymałość na rozłupywanie 5,2 4,6 4,6 5,0
8. Podsumowanie
Niniejszy referat ma Państwu przybliżyć, że w trudnych warunkach budowy jak i at- mosferycznych możliwe jest wykonywanie prefabrykatów na cemencie hutniczym. Od- powiednie zaprojektowanie mieszanki betonowej z użyciem nowoczesnych domieszek chemicznych gwarantuje sukces całego przedsięwzięcia.
Dzisiaj ze spokojem możemy powiedzieć, że to trudne zadanie realizowano z pełnym sukcesem, jednakże wymagało to od nas i od wszystkich ludzi zaangażowanych w ten projekt dużo wysiłku i rygorystycznego przestrzegania reżimu technologicznego.
Przedstawione wyniki badań potwierdzają wysoką jakość i trwałość betonu produ- kowanego na cemencie hutniczym.
Jak wykazały badania, cement hutniczy CEM III/A 42,5 R-NA może być stosowany do produkcji elementów prefabrykowanych i betonów wysokowytrzymałościowych.
Literatura
[1] Chądzyński S., Grabacik A.’’Cementy wieloskładnikowe w budownictwie” Stowarzyszenie Produ- centów Cementu Kraków 2008.
[2] Neville A. M.”Właściwości betonu” Wydanie 4, Polski Cement, Kraków 2000.
[3] Norma PN-EN 206-1: 2003. „Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność”.
[4] Norma PN-B-19707 „Cement. Cement specjalny. Skład, wymagania i kryteria zgodności”.
[5] Giergiczny Z., Pużak T., Sokołowski M. Kaszuba S.”Cementy żużlowe CEM II, CEM III składnikiem trwałego betonu w budownictwie komunikacyjnym”, II Sympozium Naukowo-Techniczne: Beton w infrastrukturze wsi i miast, Poznań 2007.
[6] Specifications for Application of Xbloc®, Delta Marine Consultants, 14 June 2011.
[7] PN-EN 12390-1:2011/AC:2004 Badania betonu – Część 1: Kształt, wymiary i inne wymagania dotyczące próbek do badań I form.
[8] PN-EN 12390-7:2011 Badania betonu – Część 7: Gęstość betonu.
[9] Małolepszy J. „Cement Hutniczy CEM III/A 32,5 NA składnikiem betonu hydrotechnicznego i betonu w budowie oczyszczalni ścieków” Sympozjum Naukowo Techniczne: Cementy w budownictwie, robotach wiertniczo-inżynieryjnych oraz hydrotechnice, Piła 2001.
[10] Jamroży Z. „Beton i jego technologia” PWN Warszawa 2005.
