Wpływ dodatku popiołu lotnego krzemionkowego z różną zaw. częsci palnych na wł. cementu.pdf

Albin Garbacik

Tomasz Baran

Wpływ dodatku popiołu lotnego

krzemionkowego z różną zawartością części

palnych na właściwości cementu

Influence of sIlIceous fly ash contaInIng dIfferent unburned

carbon resIdue on cement propertIes

Streszczenie

W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości cementów z dodatkiem popiołu

lotnego krzemionkowego V o różnej zawartości węgla. Zbadano wpływ jakości popiołu

na właściwości reologiczne cementu, czas wiązania, wytrzymałość, mrozoodporność

i kompatybilność cementu z domieszkami. Przeprowadzone badania potwierdziły, że

duża zawartość węgla negatywnie wpływa na jakość cementu, w tym na cechy użytkowe

kształtujące właściwości mieszanki betonowej i trwałość betonu.

Abstract

In the paper investigation of cements with siliceous fly ash constituent were described.

Influence of fly ash containing different unburned carbon residue on cement proper-

ties; reological parameters, setting time, strength and freeze resistance were analyzed.

It was confirmed that large content of unburned carbon residue in fly ash have got

negative influence effect on cement quality including performance properties of the fresh

concrete mixture and the concrete durability.

dr inż. Albin Garbacik – Instytut Szkła, Ceramiki, Materiałów Ogniotrwałych i Budowlanych w Warszawie,

Oddział Mineralnych Materiałów Budowlanych w Krakowie

dr inż. Tomasz Baran – Instytut Szkła, Ceramiki, Materiałów Ogniotrwałych i Budowlanych w Warszawie,

Oddział Mineralnych Materiałów Budowlanych w Krakowie

Albin Garbacik, Tomasz Baran

Wprowadzenie

Zawartość części palnych w popiele lotnym krzemionkowym, dodatku pucolanowym do

cementu i aktywnym dodatku typu II do betonu, ma, jak podkreśla obszerna literatura

przedmiotu, istotny wpływ na właściwości cementu oraz cechy użytkowe betonu, kształtu-

jące trwałość konstrukcji betonowych. Problem nadmiernej zawartości węgla w popiołach

nabiera znaczenia w świetle nowych zapisów norm określających wymagania dla popiołu

lotnego krzemionkowego jako składnika cementu i betonu.

Norma PN-EN 450-1 [1] określająca wymagania dotyczące właściwości popiołu

lotnego krzemionkowego stosowanego jako dodatek typu II przy produkcji betonu wy-

mienia kategorie A, B i C popiołu, w których zawartość części palnych może wynosić

odpowiednio do 5%, 7% i 9%. Taki zapis normy PN-EN 450-1 został wprowadzony do

normy cementowej PN-EN 197-1 [2] w poprawce A3 [3]. Do czasu wprowadzenie tej

poprawki do produkcji cementu można było stosować popioły zawierające do 5% węgla

za dopuszczeniem do 7%. Po wprowadzeniu poprawki A3 formalnie można do produkcji

cementu stosować popioły lotne zawierające nawet do 9% węgla.

Nowe wymagania w normie cementowej PN-EN 197-1 [2, 3], dopuszczające zawartość

części palnych w popiołach do produkcji cementu nawet do 9 %, budzą kontrowersje.

W opinii odbiorców stosowanie do cementów dodatku popiołu o zawartości węgla wy-

raźnie powyżej 5% może prowadzi do niekorzystnych zmian właściwości użytkowych

cementu wpływających na trwałość betonu w konstrukcjach budowlanych. Odpowiednio

bardzo duża skala produkcji cementów popiołowych w kraju realizowana jest wyłącznie

z wykorzystaniem popiołów lotnych krzemionkowych V zawierających do 5% części

palnych.

Formalne możliwości stosowania do produkcji cementów popiołów o wyższej zawar-

tości węgla, co niewątpliwie poszerza bazę pozyskiwania tego materiału, powinny być

jednakże uzasadnione pozytywnymi wynikami badań cech użytkowych cementów z takim

dodatkiem. W artykule przedstawiono badania właściwości cementów portlandzkich po-

piołowych CEM II/B-M(V-S) oraz CEM II/B-V, zawierających dodatek popiołu lotnego

krzemionkowego o różnej zawartości części palnych: 1,5; 3,8; 5,5; 6,4 i 9,8%. Zbadano

również betony wykonane z tych cementów, porównując wyniki z cementem wzorcowym

CEM I bez dodatków. Badania ukierunkowano na właściwości reologiczne, warunki

wiązania, wytrzymałość oraz mrozoodporność cementu i/lub betonów. Potwierdzono

zależność negatywnego oddziaływania dużych zawartości części palnych w dodatku

popiołu do cementu na jego właściwości z uwagi na cechy reologiczne i mrozoodporność.

Dodatek domieszek chemicznych napowietrzających i uplastyczniających nie poprawia

do końca tych zależności.

Cel, zakres i materiały do badań

Celem badań było ustalenie oddziaływania na właściwości cementu dodatku krzemion-

kowego popiołu lotnego V zawierającego dużą ilość niespalonego węgla. Zakres badań

obejmował następujące oznaczenia:

badania normowe cementów,

–

badania właściwości betonów,

–

badania modelowe właściwości reologicznych cementów.

DNI BETONU 2008

–

Wpływ dodatku popiołu lotnego krzemionkowego z różną zawartością części palnych ...

Przedmiotem badań były cementy z dodatkiem popiołu lotnego krzemionkowego

V o różnej zawartości części palnych zmieniających się od 1,5 do 9,8%.

Badania wykonano dla cementów przemysłowych i laboratoryjnych zawierających

różną ilość popiołu lotnego krzemionkowego V.

Badano:

laboratoryjny cement portlandzki wieloskładnikowy popiołowo-żużlowy CEM II/B-M

–

(V-S), zawierający dodatek 25% popiołu lotnego krzemionkowego V i 10% granulo-

wanego żużla wielkopiecowego S,

przemysłowy cement portlandzki popiołowy CEM II/B-V, zawierający 28% popiołu

–

lotnego krzemionkowego V,

laboratoryjny cement portlandzki popiołowy CEM II/B-V, zawierający 30% popiołu

lotnego krzemionkowego V.

Cement CEM II/B-M (V-S) produkowano w normowym okresowym młynku ku-

lowym, poprzez wspólny przemiał składników w proporcji: klinkier portlandzki 65%,

popiół lotny V 20%, żużel S 10% i reagips 5%.

Cement przemysłowy CEM II/B-V stanowiły próby pobrane w okresie doświadczal-

nej produkcji cementów z dużą ilością popiołu krzemionkowego V. Cementy zawierały

około 28% popiołu krzemionkowego V.

Laboratoryjny cement portlandzki popiołowy CEM II/B-V uzyskano przez mieszanie

cementu przemysłowego CEM I 42,5N z dodatkiem 30% popiołu lotnego krzemionko-

wego V.

Do produkcji wymienionych cementów stosowano w każdej serii klinkier portlandzki

o zbliżonym składzie fazowym i zawierający: 58% C 3 S, 18% C 2 S, 10% C 3 A i 9% C 4 AF,

0,75% Na 2 O ek. . Do badań wykorzystano suche popioły lotne krzemionkowe różniące się

zawartością części palnych, pobrane z czterech różnych elektrowni z procesu spalania

węgla kamiennego w kotłach pyłowych. Właściwości popiołów zastosowanych do badań

podano w tablicy 1.

Tablica 1. Właściwości popiołów lotnych do badań

Nr próbki

popiołu

Zakład

pobrania

Strata prażenia*

[% masy]

Zawartość

części palnych**

[% masy]

Skład fazo-

wy wg RTG

Części nieroz-

puszczalne*

[% masy]

1 EL I 1,5

1,5

80,9

EL II

3,9

3,8

kwarc, mu-

lit, hematyt

78,6

6,7

6,4

74,9

4 EL III 10,1

9,8

70,2

5 EL IV 5,6

5,5

76,6

*PN-EN 196-2, **PN-ISO 10694

Wyniki badań

3.1. Właściwości cementów

Wyniki oznaczeń wodożądności, czasu wiązania, stałości objętości, konsystencji oraz

wytrzymałości cementów laboratoryjnych i przemysłowych zawierających różne ilości

popiołu lotnego krzemionkowego V o zmiennej zawartości części palnych zestawiono

DNI BETONU 2008

–

Albin Garbacik, Tomasz Baran

w tablicy 2. Badania wykonano zgodnie z normą PN-EN 196-2. Wpływ jakości popiołu

na konsystencję zapraw normowych (urabialność) badano wg PN-EN 1015-3. Oznaczenia

przy użyciu stolika potrząsalnego obejmowały zmiany konsystencji zaprawy do jednej

godziny od zarobienia. Wyniki takich pomiarów zestawiono w tablicy 3.

Tablica 2. Właściwości normowe cementów

Wytrzymałość.

na ściskanie

[MPa] po dniach

[cm 2 /g] pocz. koniec [mm] [%] [cm] 2 28 90

CEM I bez popiołu 3690 2 25 3 25 1 26,0 17,8 28,4 51,7 56,1

Cement

CEM II/B-M

(V-S)

laboratoryjny

Rodzaj popio-

łu w cemen-

cie - strata

prażenia

Pow.

Właści-

Czas

wiązania

[h min ]

H 2 O LeCh Roz-

pływ

1,5 3620 3 35 4 55 1 25,5 22,0 17,9 47,8 62,3

4,3 3680 3 35 4 25 0 27,0 21,5 17,0 49,1 67,7

6,9 3660 3 55 5 35 0 28,4 20,9 17,2 48,8 67,8

10,1 3660 4 05 6 15 1 30,4 19,4 17,9 44,2 56,8

Cement

CEM II/B-V

przemysłowy

4,3 3900 3 20 4 15 0 26,5 20,5 17,8 45,6 63,6

6,9 3850 3 55 4 55 0 28,5 19,5 16,1 46,1 59,8

Tablica 3. Wpływ zawartości węgla w popiele na konsystencję zapraw cementowych

Rodzaj cementu

Rodzaj popiołu

strata prażenia

[% masy]

Konsystencja zaprawy po upływie minut

20 40 60

rozpływ zaprawy [cm]

CEM I

bez popiołu

19,1

100%

18,0

94%

17,1

89,5%

16,6

87%

1,52

22,0

100%*

21,1

96%

20,1

91%

19,2

87%

Cement wielo-

składnikowy CEM

II/B-M (V-S)

4,25

21,5

100%*

20,8

96%

19,6

91%

18,0

83%

6,86

20,9

100%*

19,3

92%

17,7

85%

16,5

79%

10,12

19,4

100%*

15,6

80%

14,1

73%

12,9

66%

* 100 % konsystencja zaprawy po zarobieniu

3.2. Właściwości betonu

Porównano właściwości betonów zaprojektowanych i wykonanych z cementów labo-

ratoryjnych CEM II/B-M (V-S), zawierających 20% popiołu lotnego krzemionkowego

V o wartości części palnych 3,8, 6,4 i 9,8% oraz cementu przemysłowego CEM II/B-V

zawierającego 28% popiołu V o zawartości węgla 3,8 i 6,4%. Dla porównania zbadano

beton z cementu CEM I. Badano mieszankę betonową o udziale składników na m 3

mieszanki: cement 320 kg, piasek 641 kg, kruszywo żwirowe 2-8 mm 592 kg, kruszywo

żwirowe 8-16 mm, 648 kg, W-C 0,55 (176 l), domieszka napowietrzająca 0,3% w stosunku

do cementu, dodatek plastyfikatora LSNa 0,8%.

DNI BETONU 2008

Rodzaj

cementu

Wpływ dodatku popiołu lotnego krzemionkowego z różną zawartością części palnych ...

Zbadano wytrzymałość i mrozoodporność betonów zgodnie z PN-88/B-06250

„Beton zwykły.” dla 100 cykli zamrażania i odmrażania (F 100). Wyniki zestawiono

w tablicach 4-5.

Tablica 4. Wytrzymałość betonu

Rodzaj cementu

Rodzaj popiołu

w cemencie -

zawartość części

palnych

Wytrzymałość na ściskanie [MPa] po dniach

2 7 28 90

CEM I bez dodatku 23,6 38,2 46,4 52,6

CEM II/B-M

(V-S)

3,8

16,4 31,3 40,3 54,1

6,4

15,8 29,9 38,8 51,1

9,8

12,6 26,9 33,7 42,8

CEM I bez dodatku

nb 35,5 44,8 51,9

CEM II/B-V

3,8

nb 28,6 37,9 50,6

6,4

nb 27,1 35,8 49,7

Tablica 5. Mrozoodporność betonu

Cement

Rodzaj po-

piołu

w cemencie -

zawartość

części pal-

nych

Domieszka

napowie-

trzająca

Zawar-

tość

powie-

trza w

mieszan-

Stopień mrozoodporności betonów, F 100

wytrzymałość na

ściskanie Uby-

tek

masy

R 2 po 100

cyklach

Spadek

wytrzy-

małości

MPa % %

2,7 57,7 52,8 0,22 8,49

6,4 2,1 55,9 48,9 0,17 12,50

9,8 2,4 48,6 37,42 0,21 23,00

3,8 0,3 %* 6,2 48,9 46,8 0,49 2,10

6,4 0,3 %* 5,3 50,5 46,0 0,32 5,70

9,8 0,3 %* 4,7 37,3 32,4 0,86 13,2

CEM I -

3,8

bez do-

mieszki

CEM

II/B-M

(V-S)

bez do-

mieszki

1,8 58,5 56,5 0 2,57

3,8 1,7 54,7 50,8 0 7,62

6,4 1,7 50,1 41,0 0 18,2

6,4 0,3 %* 5,2 46,4 45,1 0,2 2,8

* % w stosunku do masy cementu

3.3. Badania modelowe właściwości reologicznych cementów

Pomiary reologiczne przeprowadzono za pomocą wiskozymetru rotacyjnego o cylindrach

współosiowych o nazwie fabrycznej RotoVisco1, w temperaturze 20 ± 1 o C. Badania zre-

alizowano na zaczynach cementowych dla rosnących i malejących szybkości ścinania

w zakresie od 0 do 150 [1/s]. Wartość lepkości i granicy płynięcia wyznaczano przyjmując

model Binghama. Krzywe płynięcia zdejmowano po 10, 20, 30, 60, 90, 120 minutach od

chwili zmieszania cementu z wodą. Badania reologiczne wykonano dla zaczynów ce-

mentowych sporządzonych z cementu wzorcowego CEM I oraz z cementu CEM II/B-V

DNI BETONU 2008

R 1 niezam-

rażane

CEM

II/B-V

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: