Možnosti stanovení k‑hodnoty pro elektrárenský popílek

Aktivní příměsi se používají do betonu jako náhrada cementu z několika důvodů. Mezi hlavní důvody patří např. zlepšení vlastností betonu jak v čerstvém, tak ve ztvrdlém stavu či snížení ceny betonu, protože se drahý cement částečně nahradí levnější druhotnou surovinou, jež po chemické reakci s vodou a portlanditem tvoří podobné sloučeniny jako cement při chemické reakci s vodou.

Při navrhování betonu s aktivními příměsmi se v ČR používá koncepce tzv. k-hodnoty, která je jen zběžně popsána v ČSN EN 206+A2 [1]. V této normě a v ČSN P 73 2404 [2] se uvádí také možnost použití tzv. koncepce ekvivalentních vlastností betonu nebo koncepce ekvivalentních kombinací, ovšem v ČR se v praxi tyto koncepce nepoužívají. k-hodnota se používá pro stanovení maximálního vodního součinitele a minimálního množství pojiva v betonu s aktivní příměsí s ohledem na jednotlivé stupně prostředí podle přílohy F.1. V [1] v článku 5.2.5.2. sice definice k-hodnoty je, avšak postup pro její stanovení pro jednotlivé typy příměsí a použitý typ cementu popsán není. Je zde pouze odkaz na CEN/TR 16639 [3], který se v ČR nepoužívá. Uvedené příklady k-hodnot pro aktivní příměsi jsou obecně stanovené s příliš vysokou bezpečností a lze je brát jako doporučení, které ovšem zdaleka není řešení ekonomické a nevyčerpává vazný potenciál dané aktivní příměsi. To byl hlavní důvod pro provedení experimentů, které se zabývaly jinými možnostmi a přístupy ke stanovení k-hodnoty pro konkrétní suroviny z konkrétního zdroje.

Index účinnosti I_u [%] je jednou z možností popisu vlivu aktivních příměsí (v tomto případě elektrárenského popílku) na pevnost v tlaku cementových malt. Vypočítá se podle vzorce:

                    I_u = ( f_c,a/f_c,ref )∙100 ,                                                           (1)

kde f_c,a je pevnost v tlaku cementové malty s příměsí [MPa] a f_c,ref pevnost v tlaku referen­ční cementové malty [MPa]. Díky tomu, že index účinnosti vystihuje poměr pevností v tlaku cementové malty s aktivní příměsí a pevností v tlaku cementové malty referenční, lze tento poměr teoreticky použít do koncepce výpočtu k-hodnoty.

Koncepce k-hodnoty je preskriptivní metoda založená na porovnání trvanlivosti (nebo pevnosti) referenčního betonu s cementem A a betonu, v němž je část cementu A nahrazena příměsí. Tato příměs je započítána jako funkce vodního součinitele a množství příměsi ve tvaru v/(c + k∙p) [2]. Koncepce k-hodnoty povoluje použití aktivních příměsí pokud [1]:

vztah pro výpočet vodního součinitele v/c je nahrazen vztahem v/(c + k ∙ p), kde v je množství vody [kg/​​m³], c množství cementu [kg/​​m³], p je množství příměsi [kg/​​m³] a k je k-hodnota, množství cementu s příměsí (c + k∙p) je větší než minimální množství cementu pro danou expoziční třídu [1].

Po nahrazení části cementu aktivní příměsí jsou za limitní hodnoty pevnosti v tlaku nebo trvanivosti považovány ty hodnoty, které odpovídají původnímu cementu bez použití aktivní příměsi [1].

Příměsi do betonu mohou přispět ke zlepšení různých vlastností čerstvého i zatvrdlého betonu. Abychom při návrhu betonu mohli vzít v úvahu vliv vlastností aktivní příměsi, resp. její vliv na vlastnosti betonu, k-hodnota používá vztah efektivního vodního součinitele a pevnosti betonu. Tento princip byl rozvinut v roce 1967 [4]. Efektivní vodní součinitel se číselně rovná vodnímu součiniteli betonu pouze s cementem stejné pevnosti ve stejném čase jako uvažovaný beton s příměsí. Pro betony s příměsí je příměs v rovnici voda/​​cement uvažována jako náhrada části cementu, která je opatřena hodnotou k. Tento faktor k naznačuje podíl příměsi na vývoji pevnosti ve vztahu k cementu [5]:

                    w₀ = v/(c + k ∙ p) ,                                                               (2)

kde w₀ je vodní součinitel betonu bez příměsi [-], v obsah vody použité v betonu s příměsí [kg/​​m³], c obsah cementu v betonu s příměsí [kg/​​m³] a p obsah příměsi [kg/​​m³]. (obr. 1)

Předmětem experimentu bylo stanovení vlastností cementových malt s náhradou portlandského směsného cementu CEM II/A‑S 42,5 R popílkem MVM Mátrai Energia v množství 10, 20, 30 a 40 % hmotnosti cementu. Byly vyrobeny cementové malty se stejným vodním součinitelem, přičemž vodní součinitel byl brán jako poměr hmotnosti vody ku součtu hmotnosti cementu a elektrárenského popílku. Jako referenční malty byly použity malty vyrobené pouze s cementem CEM II/A‑S 42,5 R. Receptury jsou uvedeny v tab. 1. 

Tab. 1 Receptury cementových malt s náhradou portlandského směsného cementu popílkem MVM Mátrai Energia 

U cementu i elektrárenského popílku byl stanoven měrný povrch (Blaine) a u cementu také měrná hmotnost v souladu s ČSN EN 196 – 6 [6]. Na všech vzorcích byla sledována konzistence podle ČSN EN 1015 – 3 [7], na ztvrdlých cementových maltách pak pevnosti v tlaku a tahu za ohybu podle ČSN EN 196 – 1 [8]. Index účinnosti byl stanoven podle ČSN EN 450 – 1 [9]. Zrání vzorků probíhalo ve vodním uložení. Stanovení k-hodnoty bylo provedeno na základě vztahu vodního součinitele cementových malt a pevnosti v tlaku podle následujícího vzorce:

                    f_c = K∙(1/(v/c) – a) ,                                                          (3)

kde f_c je pevnost v tlaku referenčního betonu [MPa], K koeficient závislý na referenčním cementu [MPa], c množství cementu v referenčním betonu [kg/​​m³], v množství vody v referenčním betonu [kg/​​m³] a a koeficient závislý na stáří a ošetřování betonu [-].

Tato rovnice je odvozena z Nevillova vztahu vodního součinitele a pevnosti v tlaku [10]. Díky tomu, že vychází z pevnosti betonu v tlaku, lze k-hodnoty stanovené pomocí této rovnice použít pouze pro návrh betonů, které nejsou zatěžovány agresivním prostředím, mrazem, chemickými rozmrazovacími látkami atd. Aby bylo možné k-hodnotu použít pro návrh betonů určených pro zmiňovaná prostředí, bylo by potřeba beton s aktivní příměsí na odolnost proti danému agresivnímu prostředí testovat.

V první části experimentálních prací byly stanoveny fyzikální vlastnosti použitého cementu a popílku: měrný povrch cementu byl 4 170 cm²/​​g a popílku 5 490 cm²/​​g, měrná hmotnost cementu byla 3,05 g/​​cm³ a popílku 2,24 g/​​cm³.

Graf na obr. 2 ukazuje vliv množství elektrárenského popílku na konzistenci čerstvých malt stanovenou podle ČSN EN 1015 – 3. Je vidět, že se zvyšující se náhradou cementu elektrárenským popílkem se rozlití cementové malty zhoršuje až na téměř 65 % rozlití cementové malty referenční.

Graf na obr. 3 zobrazuje pevnost v tlaku cementových malt. Ve všech zkoušených stářích můžeme vidět, že se zvyšující se náhradou elektrárenským popílkem se pevnost v tlaku snižuje. K nejvyššímu poklesu dochází ve stáří 7 dní. Cementová malta se 40% náhradou cementu elektrárenským popílkem dosahuje pouze 50 % pevnosti v tlaku referenční cementové malty. Pro následující stáří byl pokles pevností v tlaku menší, resp. na 65 % pevnosti v tlaku referenčních vzorků, a to pro malty se 40% náhradou cementu popílkem. To je způsobeno pomalejší pucolánovou reakcí popílku.

Index účinnosti je poměr pevnosti v tlaku malty s částečnou náhradou cementu elektrárenským popílkem a pevnosti v tlaku referenční malty. Z tohoto důvodu průběh indexů účinnosti odpovídá průběhům pevností v tlaku. (obr. 4)

Stanovené k-hodnoty mají obdobný průběh jako pevnosti v tlaku. Nejvyšší k-hodnoty jsou pro 10% náhradu cementu elektrárenským popílkem a s vyšší náhradou cementu popílkem se snižují. Ovšem v tomto případě se nejedná o tak velký pokles jako u pevností v tlaku. (obr. 5)

V grafu na obr. 6 jsou uvedeny lineární závislosti k-hodnoty na množství náhrady cementu elektrárenským popílkem ve stáří 7, 28 a 90 dní. Tyto závislosti umožňují dopočítání mezilehlých hodnot pro jiné než zde použité náhrady cementu daným popílkem. Všechny uvedené závislosti mají koeficient determinace vyšší než 0,95, z čehož lze usoudit, že se jedná o velmi přesné hodnoty.

Cílem této práce bylo stanovení k-hodnoty a indexu účinnosti pro elektrárenský popílek při náhradě 10, 20, 30 a 40 % cementu CEM II/A‑S 42,5 R.

Po stanovení fyzikálních vlastností cementu a elektrárenského popílku byly namíchány cementové malty s náhradou cementu elektrárenským popílkem. Konzistence čerstvých malt se s vyšším množstvím popílku snižovaly. Příčinou může být vysoký měrný povrch elektrárenského popílku a jeho vyšší vodonáročnost na ovlhčení povrchu zrn.

Nejvyšších pevností v tlaku dosahovaly referenční cementové malty bez elektrárenského popílku. S přidáním popílku se pevnosti v tlaku snižovaly až na hodnotu 50 % ve stáří 7 dní v případě 40% náhrady popílkem a na hodnotu 65 % ve stáří 28 a 90 dní s uvedenou náhradou. Tomu odpovídají i stanovené indexy účinnosti. Pokud budeme uvažovat normové požadavky na index účinnosti podle ČSN EN 450 – 1 [9], tak lze říci, že optimální náhrada cementu je v tomto případě 30 % a méně. Maximální povolené množství popílku v kombinaci s cementem CEM II je podle ČSN EN 206+A2 pouze 25 % [1].

Závěrem byly stanoveny k-hodnoty na základě vztahu vodního součinitele a pevnosti v tlaku. Uvedené k-hodnoty dosahují vyšších hodnot než doporučená k-hodnota uvedená v ČSN EN 206+A2, která je rovna 0,4 pro elektrárenský popílek v kombinaci s cementem CEM II v maximální náhradě 25 %. Podle dosažených k-hodnot uvedených v grafu na obr. 5 lze odvodit, že stanovené k-hodnoty jsou vyšší než tato doporučená hodnota již ve stáří 7 dní a se zvyšujícím se stářím vzorků nadále rostou. Při použití vyšší k-hodnoty při výpočtu ekvivalentního množství pojiva a vodního součinitele v návrhu betonu můžeme dosáhnout toho, že ekvivalentní množství pojiva v betonu bude vyšší, tím pádem se sníží i vodní součinitel betonové směsi, díky čemuž by se mohlo použít vyšší množství elektrárenského popílku pro jednotlivé expoziční třídy. Ovšem tento fakt a stanovené k-hodnoty je nadále potřeba ověřit dalšími zkouškami trvanlivosti pro jednotlivé stupně agresivity prostředí. Následně by se měla zpracovat metodika stanovení k-hodnoty pro různé typy příměsí.