Se stále rostoucím tlakem na ekologickou stránku výroby stavebních materiálů a současným důrazem na snižování nákladů jejich výroby se výrazně zvyšuje poptávka po moderních stavebních materiálech využívajících druhotné suroviny. Článek se zabývá možnostmi využití vhodných druhotných surovin k optimalizaci vyvíjeného vysokopevnostního podlahového potěru na polymercementové bázi.
Pro tyto potřeby byl využit vysokoteplotní popílek, uhelná škvára a skelný recyklát. Na vzorcích byl sledován vliv jemnosti mletí a míry substituce cementu jednotlivými druhotnými surovinami na fyzikálně-mechanické charakteristiky a na strukturu cementového kamene. Cílem bylo maximálně snížit množství cementu, při zachování či zlepšení vlastností výsledného kompozitu.
Úvodem
Hmoty na bázi cementového pojiva jsou v současné době nejpoužívanějšími stavebními materiály na trhu. Tento trend má spojitost s širokým spektrem uplatnění v rozdílných expozičních podmínkách a zároveň poměrně nízkými pořizovacími náklady ve srovnání s jinými stavebními materiály. Při výrobě cementu však vzniká velké množství tzv. skleníkových plynů, a proto je kladen stále větší důraz na nalezení alternativních materiálů, schopných cement alespoň částečně nahradit. Pod pojmem vysokopevnostní beton se chápe kompozit splňující pevnostní třídu v tlaku C 55/67 v případě obyčejných a těžkých betonů, u lehkých betonu musí splňovat alespoň pevnostní třídu LC 50/55. Jde o betony s nízkým množstvím záměsové vody (w = 0,20−0,35), vyznačující se vysokou pevností v tlaku, zvýšenou hutností a s tím spojenou zvýšenou odolností v chemicky agresivních prostředích [1, 2].
Vysokoteplotní elektrárenské popílky jsou nespalitelnými zbytky spalování práškového uhlí v kotlích tepelných elektráren při teplotách 1200––1700 °C. Vysokoteplotní popílky představují přibližně 80 % nespalitelných zbytků. Nejčastější způsob odstranění popílku ze spalin je pomocí elektrostatických odlučovačů. Kritéria kladená na popílky do betonu specifikuje norma ČSN EN 450 [1, 2, 3]. Chemickým složením jsou popílky podobné přírodním pucolánům a na rozdíl od cementů mají výrazně nižší podíl CaO. To je důvod, proč se popílky vyznačují pucolánovými vlastnostmi na rozdíl od hydraulicky působících cementů.
Granulometrie, chemické i mineralogické složení popílků jsou do určité míry proměnlivé. Závisí na druhu spalovaného uhlí, jemnosti mletí paliva, technologii spalování, teploty v kotli i způsobu odlučování ze spalin. Částice popílku jsou skelné kuličky o měrném povrchu 200−600 m²/kg. Měrná hmotnost popílku se v závislosti na typu a vlastnostech pohybuje v rozmezí 2100−2600 kg/m³ a sypná hmotnost 800−1100 kg/m³ [4], [5]. V. Boel zjistil, že přídavkem popílku do betonu dosáhneme lepší vnitřní struktury, dojde k vyplnění kapilár hydratačními produkty a vznikne hutnější struktura cementového kamene. To má za následek zvýšení pevností a zároveň odolnosti proti působení chemicky agresivních látek [6].
Škvára je anorganický odpad vznikající na roštech nebo v topeništích spalováním uhlí, hořlavých břidlic a jiných pevných paliv. Jedná se o odpadní surovinu vyznačující se velkou nehomogenitou a může obsahovat většího množství škodlivin. Obvykle bývá škvára hromaděna na haldách. Velký vliv má také stáří škváry a způsob jejího uložení. Před použitím škváry se doporučuje, aby byla uložena po dobu minimálně 6 měsíců na volných odvalech, kde dochází k vyluhování rozpustných solí, které v betonech způsobují tvorbu výkvětů. Dále zde dochází k oxidaci a vyluhování sloučenin síry. Sypná hmotnost by se u škvár volně sypaných (frakce 0−16 mm) měla pohybovat v rozmezí 400−850 kg/m³. Požadavkem na škváru jako příměs do betonu je vysoký obsah SiO2. Limitní je také maximální povolený obsah spalitelných látek 10 % [4, 7].
Sklo je pevná látka o vysokém obsahu amorfního SiO2. Jedná se o látku vznikající tuhnutím taveniny bez krystalizačních pochodů. Tvrdost skla na Mohsově stupnici tvrdosti je 5. Pojmem skelný recyklát je myšleno obalové sklo, zejména lahvové, vyráběné z 50 % z křemičitého písku, z 10 % z Na2CO3 (soda), z 12 % z CaCO3 (vápenec), z 18 % z drcených střepů odpadního skla a ze 4 % z ostatních látek. Použití odpadního skla (kontejnerového) ve výrobě skla nového skýtá snížení nákladů na suroviny, energie a opotřebení strojního zařízení. Avšak zdaleka ne všechno sklo je možné využít k recyklaci, což představuje značný ekologický problém po celém světě. Sodnovápenaté sklo tvoří prakticky 80 % veškerého skelného odpadu (63 % sklo bílé barvy). Z tohoto typu skla se vyrábějí např. láhve, sklenice, tabulové sklo atd. Jemně mleté sodnovápenaté sklo vykazuje vysokou pucolánovou aktivitu, kdy spotřebovává portlandit za vzniku CSH fází. Dle Zhenga je hraniční hodnotou velikosti částic 75 µm, pod tuto hranici má sklo již dostatečnou pucolánovou aktivitu. V případě použití skelného recyklátu je potřeba brát v potaz možný vznik alkalicko-křemičité reakce (AKR) mezi použitým sklem (zdrojem aktivního SiO2) a alkáliemi (nejčastěji obsažených v cementu). Lee zjistil, že limitní zrnitost skelné moučky, po jejímž dosažení nehrozí AKR, je 300 µm [8, 9].
Materiály
Jako základní hmota při našich výzkumech byla použita jedna z dílčích verzí podlahového potěru z právě probíhajícího vývoje. Suchá směs byla výrobcem dodána jako dvousložková (tabulka 1). První složku, dle informací dodaných výrobcem, představovalo pojivo, konkrétně portlandský cement CEM I 42,5 R. Druhou složkou byly speciální hmoty, které svým charakterem modifikují řadu vlastností, tedy plniva, sypké přísady, příměsi a vlákna. Počátek hydratace potěru byl doprovázen výrazným vývinem hydratačního tepla, což může mít za následek řadu negativních důsledků. Vzhledem ke skokovému nárůstu teploty v době nabývání prvotních pevností může docházet ke vzniku mikrotrhlin, které mají negativní vliv na fyzikálně-mechanické vlastnosti a trvanlivost výsledného stavebního díla.
Použitými druhotnými surovinami byl vysokoteplotní hnědouhelný elektrárenský popílek (VP), elektrárenská škvára (US) a skelný recyklát ze sodnovápenatého skla pocházejícího z kontrolované výroby (sklo). Škváru a sklo bylo nutně nejprve předupravit pomocí čelisťového drtiče na jednotnou frakci 0−4 mm a následně byly druhotné suroviny pomlety pomocí laboratorního kulového mlýna na tři specifické měrné povrchy: varianta A = 300 m²/kg (±50 m²/kg), B = 400 m²/kg
(±50 m²/kg) a C = 500 m²/kg (±50 m²/kg) – tabulka 2. U všech připravených druhotných surovin byla stanovena granulometrie pomocí laserové difrakční analýzy (tabulka 3).
Metodika experimentů
Zkušební receptury
Referenční hmota se 100% dávkou portlandského cementu byla modifikována substitucí části pojiva předpřipravenými druhotnými surovinami v míře 20 a 40 % ze hmotnosti pojiva. Pro potřeby výzkumu byla vypracována metodika homogenizace suchých směsí i metodika výroby a uložení zkušebních těles, která se zároveň nevylučuje s technickými listy dodaného potěru. Referenční i jednotlivé modifikované směsi o hmotnosti 20 kg byly míseny pomocí vertikálního šnekového homogenizátoru, přičemž pro zajištění dokonalého rozmíšení byla doba homogenizace 30 minut. Vodní součinitel pro referenční hmotu byl předepsán výrobcem na 0,17 kg vody/1 kg suché směsi se 100% dávkou cementu. Pro ostatní zkušební receptury byl stanoven optimální vodní součinitel pomocí zkoušky konzistence na střásacím stolku (ČSN EN 1015-3). Vodní součinitel byl volen tak, aby konzistence čerstvé hmoty byla vždy odpovídající referenční hmotě. Následně byla vyrobena normová zkušební tělesa 160x40x40 mm (obr. 1) a uložena v laboratorním prostředí pod PE fólii, přičemž byla pravidelně ošetřována vodou. Celkem byla vyrobena zkušební tělesa od osmnácti receptur.
Laboratorní zkoušky
Pevnost v tlaku je nejvýznamnější materiálová charakteristika cementových kompozitů. Výroba zkušebních těles a jejich zkoušení odpovídaly normě ČSN EN 13892-2, tedy normě určené ke zkoušení potěrových systémů. Zkouška pevnosti v tlaku byla provedena na zkušebních trámcích o rozměrech 160x40x40 mm.
Vnitřní struktura zkušebních těles byla studována pomocí rentgenového tomografu. Jedná se o metodu založenou na prozařování vzorku z nejrůznějších úhlů v jedné rovině, čímž vznikne zpravidla několik set projekcí. Ty jsou následně zrekonstruovány a výstupem je plošný řez zkoumaným objektem. Na základě vyhodnocení pevností stanovených u jednotlivých zkušebních receptur byly vybrány tři reprezentativní receptury pro studium vnitřní struktury cementového kamene.
Zkoušky in situ
Vodotěsnost povrchových vrstev byla stanovena v souladu s normou ČSN 32 7528. Podstatou zkoušky vodotěsnosti povrchové úpravy stavební konstrukce je změření množství vody, které nasáklo do povrchu zkoušené konstrukce během stanovené doby. Stanovení pevnosti v tlaku bylo provedeno na odebraných vývrtech, tedy dle normy ČSN EN 13892-2.
Přídržnost potěru k podkladu je základní zkouškou pro podlahové konstrukce. Zkouška byla prováděna v souladu s ČSN EN 13892-8. Přídržnost se stanovuje jako namáhání v tahu vynaložené přímým zatížením kolmým k povrchu přidržované plochy. Zkoušená plocha je vymezena buďto vyvrtanou, anebo vyřezanou plochou přes všechny vrstvy podlahového systému, až na podkladní vrstvu.
Vyhodnocení experimentálního testování
Fyzikálně-mechanické charakteristiky
Na obr. 2 jsou graficky vyjádřeny výsledky krátkodobých pevností v tlaku po 3 dnech zrání. Referenční potěr se vyznačoval velice rychlým nárůstem pevností a již po 72 hodinách dosahoval více než 50 N/mm². U většiny receptur s druhotnými surovinami se projevilo nižší množství cementu a nabyly nižších pevností. Výjimkou byly receptury 20 % VP 450 a 40 % Sklo 300, u nichž se předpokládalo, že bylo dosaženo hutnější struktury, což vedlo k větší výdrži v tlaku.
Z výsledků měření po 28 dnech zrání (obr. 3) je zjevné, že použitím všech tří druhotných surovin bylo možné zachovat či zlepšit pevnost v tlaku zkušebních těles. Projevila se tak pucolanita jednotlivých příměsí. U jednotlivých druhotných surovin se však lišila optimální míra substituce cementu i jemnost mletí příměsi. V případě použití mletého popílku bylo nejlepších výsledků dosaženo u receptury s vyšší dávkou poměrně hrubého popílku s měrným povrchem 300 m²/kg,
kdy došlo k navýšení pevnosti o 10 %. Podobných výsledků bylo dosaženo i v případě využití mletého skla, kdy došlo k navýšení pevnosti až o 12 %. Naopak u receptur s mletou škvárou nebyl přínos natolik výrazný. Ale nejvyšších pevností bylo opět dosaženo při využití druhotné suroviny upravené na nejnižší měrný povrch 300 m²/kg.
Vzhledem k pucolánové aktivitě použitých příměsí byly stanoveny také dlouhodobé pevnosti po 90 dnech zrání (obr. 4). Potenciál pucolanity se nejvýrazněji projevil u skelného recyklátu a vysokoteplotního popílku. V případě popílku bylo nejvyšších pevností dosaženo u receptury 40 % VP 300, kdy došlo k nárůstu pevnosti o 19 % oproti referenční receptuře. Ještě vyšší pevnosti v tlaku bylo dosaženo při využití mletého skla, konkrétně u receptury 40 % Sklo 300 došlo k nárůstu pevnosti o 26 %.
Snímkování RTG tomografem
Vzhledem k výše zmíněným výsledkům byly pro studium vnitřní struktury vybrány vzorky receptur s vyšší mírou substituce cementu druhotnými surovinami o nejnižších jemnostech mletí, tedy: 40 % VP 300, 40 % US 298 a 40 % Sklo 300.
Ve struktuře referenčního potěru vzniklo velké množství smršťovacích trhlinek, což bylo prokázáno pomocí snímkování zkušebních těles tomografem. Potvrdila se tak obava, že vzhledem k vysokým hydratačním teplotám vyvíjeným při počátku tuhnutí potěru dochází k narušení celistvosti cementového kamene (obr. 5). Z obr. 6 je zjevné, že částečná náhrada cementu popílkem měla zanedbatelný vliv na strukturu cementového kamene.
Snímek struktury zkušebního tělesa s obsahem škváry (obr. 7) prokazuje omezený přínos škváry, kdy do značné míry došlo k eliminaci vývinu smršťovacích trhlinek. Studiem struktury snímků těles obsahujících příměs mletého sodnovápenatého skla (obr. 8) byl prokázán pozitivní vliv na hutnost a celistvost cementového kamene. Mletý skelný recyklát se tedy projevil jako vhodná alternativní surovina pro tento materiál.
Aplikace potěru v poloprovozních podmínkách
Optimalizovaná receptura podlahového potěru (40 % Sklo 300) byla otestována i v kompletním podlahovém systému na zkušební ploše. Jednalo se o podlahovou desku o ploše větší než 25 m², která byla provedena jako 10 cm vysoká betonová deska z betonu třídy C 25/30 s ocelovou výztužnou sítí se čtvercovými oky. Podlahová deska byla realizována a ošetřována dle výrobcem daných parametrů a zohledněny byly i zkušenosti z laboratorního testování.
Na předpřipravený podklad byl postupně aplikován cementový adhezní můstek, dále samotný podlahový potěr a jako poslední byl na povrch čerstvě uloženého potěru rovnoměrně nanesen metalický vsyp v dávce 3 kg/m³. Vsyp byl pomocí strojních hladiček s jedním (obr. 9) a dvěma disky zapracován po povrchové vrstvy a stal se tak pevnou zušlechťující součástí podlahového potěru.
S ohledem na vysoký vývin hydratačního tepla, které je spojeno s intenzivní hydratací cementu, bylo nutné povrch ošetřovat kropením vodou po první minimálně 3 hodiny, následně byla podlahová konstrukce zakryta plachtou a pravidelně kontrolována. Podlahový systém byl po dobu 6 měsíců vystaven expozici v podmínkách manipulační plochy. Po 6 měsících byly provedeny stěžejní zkoušky in situ (obr. 10) pro podlahové systémy (tabulka 4).
Všechny výsledky byly vyhovující a optimalizovaný podlahový potěr se osvědčil i v izolovaných poloprovozních podmínkách. Vodotěsnost vyhověla parametrům kladeným na vsypové podlahy. Dosažené pevnosti v tlaku byly vyhovující a odpovídají hodnotám stanoveným na zkušebních vzorcích vyrobených v laboratorním prostředí. Přídržnost jednotlivých vrstev byla dle předpokladu vyšší, než bylo možné stanovit, jelikož k odtržení vždy docházelo v materiálu podkladního betonu.
Závěr
Referenční potěr dosahuje vysokých pevností hlavně díky vysokému obsahu rychle tuhnoucího portlandského cementu. To vede k vysokým pevnostem v tlaku již po několika dnech, což je u potěru vzhledem k obvyklému tlaku na rychlost provádění stavebních prací žádaná vlastnost. Zároveň potěr díky rychlému nárůstu pevností vyžaduje velice důkladné ošetřování, jelikož je náchylnější na vznik smršťovacích trhlin ve struktuře cementového kamene. Použitím pucolánově aktivních druhotných surovin jako částečné náhrady pojiva byl prokázán jejich pozitivní vliv na určité zklidnění počátečních hydratačních procesů. Počáteční nárůst pevností byl zpomalen, ale rychlá pochůznost podlahy byla zachována.
Z dlouhodobého hlediska pevnost v tlaku pozitivně ovlivňovala pucolanita vybraných příměsí. S tímto souvisí také spojitost mezi jemností mletí druhotných surovin a dosaženými pevnostmi v tlaku. Příliš vysoký měrný povrch příměsí má za následek jejich vyšší reaktivitu, a tak méně přispívají ke zklidnění hydratace pojiva. Nejméně vhodná byla mletá uhelná škvára, důvodem je nejnižší pucolanita příměsi. Tělesa s obsahem vysokoteplotního popílku dosahovala výborných pevností, ale neprojevil se vliv popílku na vnitřní strukturu potěru. Jako vhodný pro tuto aplikaci se jeví skelný recyklát namletý na měrný povrch 300 m²/kg, a to i při náhradě 40 % cementu. U této receptury bylo dosaženo nejvyšší pevnosti v tlaku i nejhutnější struktury cementového kamene.
Tato optimalizovaná receptura byla otestována také v celém podlahovém systému v poloprovozních podmínkách. Na podlaze byly provedeny základní zkoušky pro podlahové systémy a na základě dosažených výsledků je možné konstatovat, že optimalizace podlahového potěru byla úspěšná a výsledkem je podlahový potěr s požadovanými užitnými vlastnostmi.
Poděkování
Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.
PETR FIGALA, VÍT ČERNÝ, ROSTISLAV DROCHYTKA
foto archiv autora
Literatura:
1) AÏTCIN, P-C. Vysokohodnotný beton. Praha: ČKAIT, 2005. ISBN 80-867-6939-9.
2) HELA, R. Technologie betonu. Modul M01. Brno: VUT v Brně, 2007.
3) GOLEWSKI, G. L. Improvement of fracture toughness of green concrete as a result of addition of coal fly ash. Characterization of fly ash microstructure. Elsevier. 2017, 12. ISBN 10.1016/j.matchar.2017.11.008.
4) PYTLÍK, P. Technologie betonu. 2. vyd. Brno: VUTIUM, 2000. ISBN 80-214-1647-5.
5) DE SCHUTTER, G. Samozhutnitelný beton. Praha: Česká betonářská společnost ČSSI, 2008. ISBN 978-808-7158-128.
6) BOEL, V. Microstructure of Self-compacting Concrete in Relation with Gas Permeability and Durability Aspocts. Doctoral thesis. Ghent University, 2006
7) DROCHYTKA R. a P. MATULOVÁ. Lehké stavební látky. Brno:Modul M01, 2006.
8) SHI, C. a K. ZHENG. A review on the use of waste glasses in the production of cement and concrete. Resources, Conservation and Recycling. 2007, vol. 52, s. 234–247.
9) LEE, H., A. HANIF, M. USMAN, J. SIM a H. OH. Performance evaluation of concrete incorporating glass powder and glass sludge wastes as supplementary cementing material. Journal of Cleaner Production. 2018, 170, 683–693 DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.09.133.
Ing. Petr Figala (*1992)
je studentem doktorského studia na FAST VUT v Brně, Ústavu stavebních hmot a dílců. Jeho diplomová práce byla zaměřena na vývoj vysokopevnostního kompozitu se zaměřením na maximální využití optimalizovaných druhotných surovin. Jeho současné zaměření se dále orientuje na možnosti využití druhotných surovin v chemicky namáhaných materiálech.
Ing. Vít Černý, Ph.D., (*1981)
absolvoval obor Fyzikální a stavebně materiálové inženýrství na Fakultě stavební VUT v Brně, kde v současné době působí jako odborný asistent a výzkumný pracovník na Ústavu stavebních hmot a dílců. Jeho odborným zaměřením je využitelnost druhotných surovin ve stavebních materiálech, zejména cementových kompozitech, umělém kamenivu nebo v pórobetonu.
Prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc., MBA, (*1958)
absolvoval Fakultu stavební VUT v Brně, kde v současné době působí jako profesor a vedoucí Ústavu stavebních hmot a dílců. Jeho odborným zaměřením jsou stavební hmoty, pórobeton, polymery ve stavebnictví, koroze, degradace a trvanlivost stavebních materiálů, sanace betonů, povrchové úpravy staveb, oceňování nemovitostí a podniků.
