Właściwe stosowanie dodatków mineralnych jest korzystne zarówno ze względu na właściwości mieszanki betonowej, jak i stwardniałego betonu, a także ze względu na zagospodarowanie ubocznych produktów z energetyki i hutnictwa oraz efekty ekonomiczne.
W składzie współczesnego betonu, obok cementu, kruszywa i wody, obecne są także domieszki i dodatki. Są to pełnowartościowe składniki betonu, bardzo użyteczne z punktu widzenia praktyki budowlanej, pod warunkiem prawidłowego ich zastosowania. Według definicji zawartej w normie PN-EN 206:2016 [1] dodatek to drobnoziarnisty nieorganiczny składnik betonu stosowany w celu poprawy pewnych właściwości lub uzyskania właściwości specjalnych. Dodawany jest zazwyczaj w ilości powyżej 5% masy cementu. Dodatki mogą w znaczący sposób modyfikować właściwości zarówno mieszanki betonowej, jak i stwardniałego betonu.
Norma PN-EN 206:2016 [1] wyróżnia dwa rodzaje dodatków do betonu (rys. 1):
– typu I – dodatki prawie obojętne, najczęściej są to pigmenty stosowane do barwienia betonu lub kruszywo wypełniające, np. mączka wapienna;
– typu II – dodatki o właściwościach pucolanowych lub utajonych właściwościach hydraulicznych.
Dodatki typu I i II można uwzględnić w składzie betonu w ramach zawartości cementu oraz wielkości współczynnika w/c. Przydatność i ilość dodatków do betonu powinna być oceniana i dobrana w trakcie projektowania składu betonu, na etapie badań wstępnych.
W prezentowanej pracy skupiono uwagę na charakterystyce, stosowanych w technologii betonu normowych dodatków typu II oraz zasadach ich stosowania w składzie betonu, ze szczególną uwagą na stosowanie popiołu lotnego – najpowszechniej stosowanego w kraju dodatku typu II.
Rys. 1 Rodzaje dodatków do betonu
Charakterystyka dodatków typu II stosowanych w składzie betonu
Zakres normy PN-EN 206:2016 [1] obejmuje trzy rodzaje dodatków typu II do betonu (rys. 1):
– popiół lotny (najczęściej stosowany w kraju),
– pył krzemionkowy,
– zmielony granulowany żużel wielkopiecowy.
>>> Domieszki do betonu – kompatybilność z cementem i innymi domieszkami
>>> Domieszki do betonów w praktyce budowlanej
Popiół lotny jako dodatek typu II w składzie betonu
Popioły lotne jako składnik główny cementu i dodatek do betonu są stosowane, w Polsce i na świecie, od kilkudziesięciu lat. O ich szerokim zastosowaniu w budownictwie decyduje przede wszystkim duża miałkość (zbliżona do cementu), skład chemiczny i fazowy, zbliżony do mineralnych surowców ilastych, oraz aktywność, szczególnie aktywność pucolanowa. Popiół lotny jest dziś nieodzownym składnikiem betonu w licznych rozwiązaniach technologicznych, m.in. w produkcji betonu zwykłego, betonu masywnego, betonu hydrotechnicznego oraz betonów nowej generacji. Odpowiednio stosowany ma pozytywny wpływ na właściwości zarówno mieszanki betonowej, jak i stwardniałego betonu. Umożliwia wytwarzanie wysokojakościowego, trwałego betonu w sposób ekonomiczny i proekologiczny.
Norma PN-EN 450-1:2012 [2] definiuje popiół lotny jako drobno uziarniony pył, składający się głównie z kulistych, zeszkliwionych ziaren, otrzymywany przy spalaniu pyłu węglowego, przy udziale lub bez udziału materiałów współspalanych, wykazujący właściwości pucolanowe i zawierający przede wszystkim SiO2 i Al2O3, oraz określa wymagania, jakie musi spełniać popiół lotny jako składnik betonu (tab. 1 i 2). Jest to o tyle istotne, że w literaturze krajowej bardzo często można spotkać porównania różnych rodzajów popiołów, uzyskiwanych w innych procesach termicznych, które nie spełniają wymagań stawianych w definicji [2], np. dotyczących obecności fazy szklistej czy sferycznej postaci ziaren. Tego rodzaju popioły nie powinny być stosowane w składzie betonu.
|
Tab. 1 Wymagania w zakresie składu chemicznego popiołu lotnego wg PN-EN 450-1 [2]
1) Popiół lotny, w którym zawartość wolnego CaO jest większa niż 1,5% masy, może być akceptowany pod warunkiem zachowania stałości objętości – próba Le Chateliera <10 mm wg metodyki podanej w normie PN-EN 450-1. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Norma PN-EN 450-1:2012 [2] wprowadza pojęcie kategoryzacji popiołu lotnego w zależności od zawartości strat prażenia (niespalonego węgla) – tab. 1 (kategoria A, B lub C), oraz miałkości – tab. 2 (kategoria N i S). Właściwości te mają decydujące znacznie o jakości popiołu lotnego i betonu z jego udziałem.
Wysoka zawartość niespalonego węgla (straty prażenia) w popiele lotnym zwiększa jego wodożądność (tab. 3), co może skutkować pogorszeniem mrozoodporności zapraw i betonu z jego udziałem. Podwyższona wodożądność wynika z różnego pokroju ziaren popiołu (rys. 2). W popiołach o niskiej zawartości strat prażenia dominują ziarna sferyczne, z wysoką zawartością fazy szklistej, natomiast w popiołach o wysokiej zawartości strat prażenia widoczne są ziarna koksiku o rozwiniętej, porowatej powierzchni. Stosowanie popiołów lotnych z wysoką zawartością niespalonego węgla przyczynia się do zmniejszenia skuteczności działania domieszek chemicznych, szczególnie środków napowietrzających, plastyfikatorów i superplastyfikatorów (tab. 4) [3].
Rys. 2 Ziarna popiołów lotnych z różną zawartością strat prażenia (niespalonego węgla)
|
Tab. 3 Właściwości wybranych popiołów lotnych
|
Również kolor popiołu lotnego zależy od zawartości niespalonego węgla, im jego zawartość jest wyższa, tym popiół ma ciemniejszy kolor, co jest sprzeczne z rozpowszechnionym poglądem, że ciemny kolor jest oznaką dobrych właściwości mechanicznych zaprawy lub betonu.
W przypadku stosowania popiołu lotnego z wysoką zawartością strat prażenia można zaobserwować także wypływanie ziaren niespalonego węgla (koksiku) na powierzchnię betonu.
Wpływa to w sposób niekorzystny na wygląd powierzchni betonu, co więcej może utrudniać proces powierzchniowego utwardzania betonu z wykorzystaniem odpowiednich posypek, np. przy wykonywaniu posadzek z utwardzaniem powierzchni. Dlatego też, wykonując posadzki przemysłowe, należy zwracać szczególną uwagę na jakość stosowanego popiołu lotnego lub znacznie ograniczyć jego zawartość w składzie mieszanki betonowej.
Rys. 3 Wpływ uziarnienia popiołu lotnego na ilość wody zarobowej w betonie przy stałej konsystencji [4]
Popioły drobne (o bardzo niskiej pozostałości na sicie 45 pm) charakteryzują się mniejszą zawartością faz krystalicznych i większą zawartością fazy bezpostaciowej (szklistej) w stosunku do popiołów o wyższej pozostałości na sicie 45 pm (tab. 3). Stosowanie popiołu lotnego może znacząco wpłynąć na ilość wody zarobowej w mieszance betonowej. Przy dobrej jakości popiele lotnym możliwe jest zmniejszenie ilości wody w mieszance nawet do 25% (rys. 3) i jest to zależne przede wszystkim od składu ziarnowego popiołu lotnego oraz jego ilości w składzie betonu [4]. Popioły lotne krzemionkowe dzięki kulistemu kształtowi ziaren (rys. 2a) wydatnie poprawiają urabialność mieszanki betonowej, co jest bardzo istotne zwłaszcza w przypadku betonów pompowanych (łatwiejsze podawanie betonu wydłuży żywotność pomp i innych urządzeń transportujących). Mieszanka betonowa zawierająca popioły lotne jest spoista i wykazuje mniejszą tendencję do wydzielania mleczka cementowego.
Pył krzemionkowy jako dodatek typu II do betonu
Pył krzemionkowy jest produktem ubocznym powstałym w procesie wytwarzania krzemu metalicznego lub jego stopów. Wykazuje charakter amorficzny i występuje w postaci sfer (pustych kuleczek) o średnicach mniejszych niż 10-6 m. Stosowany w produkcji betonu powinien spełniać wymagania określone w normie PN-EN 13263-1+A1:2010 [5] – tab. 5. Może być dostarczany jako materiał sypki, odebrany z elektrofiltrów (filtrów), po obróbce mającej na celu zwiększenie gęstości nasypowej (aglomeracja ziaren) lub jako zawiesina. Ze względu na bardzo rozwiniętą powierzchnię właściwą (duża wodożądność i trudność w równomiernym rozprowadzeniu w całej objętości mieszanki betonowej) jest zazwyczaj stosowany łącznie z domieszką uplastyczniającą (z dodatkiem plastyfikatora) i/lub domieszką upłynniającą (z dodatkiem superplastyfikatora).
Podstawowy, fizyczny mechanizm oddziaływania pyłów krzemionkowych dodanych do betonu to przede wszystkim uszczelnienie mikrostruktury. Charakteryzujące się wysokim stopniem rozdrobnienia pyły krzemionkowe wypełniają przestrzenie między ziarnami cementu podobnie jak w przypadku cząstek cementu, które uszczelniają pustki między ziarnami piasku oraz w przypadku piasku uszczelniającego stos okruchowy kruszywa grubego.
Tab. 5 Wymagania jakościowe dla pyłu krzemionkowego wg [5]
|
Właściwość |
Wymagania |
|
| Powierzchnia właściwa |
Od 15 do 35 m2/g |
|
| Strata prażenia |
≤ 4,0% |
|
| SiO2 |
Kat. 1 ≥ 85,0% |
Kat. 2 ≥ 80,0% |
| Krzem pierwiastkowy, Si |
≤ 0,4% |
|
| Cl– |
≤ 0,3% |
|
| SO3 |
≤ 3,0% |
|
|
CaOwolne |
≤ 1,0% |
|
| Wskaźnik aktywności pucolanowej po 28 dniach (90% cementu CEM I 42,5 i 10% pyłu krzemionkowego) |
≥ 100% |
|
Chemiczna reaktywność pyłu krzemionkowego wynika z dużej aktywności pucolanowej (duża powierzchnia właściwa, wysoka zawartość SiO2 w postaci amorficznej). Przy czym główny efekt aktywności pucolanowej daje się obserwować między 3 a 28 dniem dojrzewania. Skutkuje on uszczelnieniem i wzmocnieniem strefy kontaktowej między stwardniałym zaczynem cementowym a ziarnami kruszywa, wzrostem wytrzymałości na ściskanie, niską przepuszczalnością gazów i cieczy oraz wysoką odpornością na agresywne oddziaływanie środowiska. Z tego względu pył krzemionkowy jest niezbędnym składnikiem betonów wysokowartościowych (BWW) odpornych na korozję chemiczną, np. wody morskiej [6].
Zmielony granulowany żużel wielkopiecowy jako dodatek typu II do betonu
Granulowany żużel wielkopiecowy otrzymuje się przez gwałtowne chłodzenie płynnego żużla o odpowiednim składzie, powstającego jako produkt uboczny przy wytapianiu rudy żelaza w wielkim piecu. Granulowany żużel wielkopiecowy powinien zawierać co najmniej 2/3 masy żużla zeszklonego oraz wykazywać właściwości hydrauliczne przy odpowiedniej aktywacji [7]. Szczegółowe wymagania dotyczące składu chemicznego i właściwości fizycznych dla mielonego granulowanego żużla wielkopiecowego stosowanego jako dodatek do betonu zawarte są w normie PN-EN 15167-1:2007 [7] – tab. 6 i 7. Według definicji [7] zmielony granulowany żużel wielkopiecowy powinien się składać co najmniej w 2/3 masy z sumy tlenku wapnia (CaO), tlenku magnezu (MgO) i dwutlenku krzemu (SiO2). Pozostałość powinna zawierać tlenek glinu (Al2O3) z niewielkimi ilościami innych związków, stosunek masy (CaO+MgO)/SiO2 powinien zaś wynosić nie mniej niż 1,0.
Tab. 6 Wymagania w zakresie składu chemicznego żużla wg [7]
|
Właściwość |
Wymagania |
| Zawartość tlenku magnezu (MgO) |
≤ 18,0% |
| Zawartość siarczku (S2-) |
≤ 2,0% |
| Zawartość siarczanu (SO3) |
≤ 2,5% |
| Strata prażenia z korektą dotyczącą utleniania siarczków |
≤ 3,0% |
| Zawartość chlorków*) |
≤ 0,10% |
| Zawartość wilgoci |
≤ 1,0% |
|
*) Mielony granulowany żużel wielkopiecowy może zawierać więcej niż 0,10% chlorków, ale w tym przypadku maksymalna zawartość chlorków powinna być podana na opakowaniu lub w dokumentach handlowych i nie może być ona przekroczona. |
|
Tab. 7 Wymagania dotyczące właściwości fizycznych wg [7]
|
Właściwość |
Wymagania |
|
Powierzchnia właściwa |
≥ 275 m2/kg |
| Początek wiązania zaczynu (50% mielonego granulowanego żużla wielkopiecowego i 50% cementu porównawczego CEM I) |
Nie może być dłuższy niż podwójna wartość otrzymana dla cementu porównawczego |
| Wskaźnik aktywności: po 7 dniach
po 28 dniach |
≥ 45% ≥ 70% |
Norma [7] podkreśla, że mielony granulowany żużel wielkopiecowy nie może zawierać dodatkowych składników z wyjątkiem środków ułatwiających mielenie, których całkowita zawartość nie powinna przekraczać 1,0%, a zawartość składników organicznych w tych środkach nie powinna przekraczać 0,2% masy żużla. Środki te nie mogą ponadto powodować korozji zbrojenia, wpływać negatywnie na właściwości żużla lub właściwości betonu, zaprawy czy zaczynu z jego udziałem.
Istotnym czynnikiem oceny jakościowej mielonego granulowanego żużla wielkopiecowego jest wskaźnik aktywności. Określany jest jako stosunek procentowy wytrzymałości na ściskanie zaprawy normowej, wykonanej z użyciem mieszaniny składającej się z 50% masy zmielonego granulowanego żużla wielkopiecowego i 50% masy cementu porównawczego (spoiwo), do wytrzymałości na ściskanie zaprawy normowej wykonanej z cementu porównawczego (cement portlandzki CEM I). Wytrzymałość na ściskanie należy oznaczać przy współczynniku woda/spoiwo i woda/cement równym 0,5.
Na aktywność mielonego granulowanego żużla wielkopiecowego znaczący wpływ ma stopień przemiału (powierzchnia właściwa) – rys. 4 [8].
Rys. 4 Wytrzymałość na ściskanie cementów z 50-proc. dodatkiem granulowanego żużla wielkopiecowego o powierzchni właściwej 3800, 4500 i 6000 cm2/g
Norma [7] zwraca uwagę na fakt, że wyniki badań wskaźnika aktywności nie dają bezpośrednich informacji o wpływie dodatku mielonego żużla wielkopiecowego na wytrzymałość (właściwości) betonu, o czym trzeba pamiętać przy projektowaniu mieszanki betonowej z udziałem mielonego granulowanego żużla wielkopiecowego.
W kraju doświadczenia w stosowaniu zmielonego granulowanego żużla wielkopiecowego jako dodatku typu II do betonu są niewielkie. Granulowany żużel wielkopiecowy jest natomiast powszechnie stosowany jako składnik główny współczesnych cementów portlandzkich żużlowych CEM II/A, B-S i cementów hutniczych CEM III /A, B. Cementy te posiadają wiele korzystniejszych właściwości niż cementy portlandzkie CEM I. Do istotnych dla praktyki budowlanej właściwości cementów żużlowych zaliczyć należy:
– niskie ciepło hydratacji,
– wysoką odporność na działanie czynników korozyjnych,
– przyrost wytrzymałości w późniejszych okresach twardnienia (powyżej 28 dni),
– dobrą urabialność mieszanki betonowej i zachowanie właściwości roboczych w długim okresie,
– uzyskiwanie bardzo korzystnych cech wytrzymałościowych po zastosowaniu niskociśnieniowej obróbki cieplnej [9].
Tab. 8 Zasady stosowania dodatków do betonu zgodnie z koncepcją współczynnika k [1]
| Rodzaj dodatku typu II |
Współczynnik k |
Maksymalna zawartość dodatku |
Uwagi |
| Pył krzemionkowy |
2,0 |
pył/cement ≤ 11% masowo |
Ilość cementu nie powinna być zmniejszona o więcej niż 30 kg/m3 w stosunku do min. zawartości cementu w danej klasie ekspozycji |
|
1,0 (w/c < 0,45 w klasach ekspozycji XA, XF) |
|||
| Popiół lotny krzemionkowy |
0,4 |
popiół lotny/cement ≤ 33% masowo |
dotyczy cementu CEM I |
|
popiół lotny/cement ≤ 25% masowo |
dotyczy cementu CEM II/A |
||
| Granulowany żużel wielkopiecowy |
0,6 |
żużel/cement ≤ 1,0 masowo (zał. L PN-EN 206 [1]) |
dotyczy cementów CEM I i CEM II/A |
Zasady stosowania dodatków typu II w składzie betonu
Wraz z aktualizacją normy PN-EN 206+A1:2016 [1] dopuszczone zostały trzy możliwe koncepcje uwzględnienia dodatków typu II w składzie betonu:
– koncepcja współczynnika k,
– koncepcja równoważnych właściwości użytkowych betonu,
– koncepcja kombinacji równoważnych właściwości użytkowych.
Koncepcja współczynnika k
Zasada stosowania koncepcji współczynnika k polega na porównaniu właściwości (głównie wytrzymałości) betonu referencyjnego (na cemencie portlandzkim CEM I) z betonem, w którym część cementu zastąpiona została dodatkiem. Kryterium porównawczym jest trwałość i/lub wytrzymałość betonu.
Koncepcja współczynnika k pozwala na uwzględnienie dodatków typu II:
– przez zastąpienie terminu „współczynnik woda/cement (w/c)” współczynnikiem woda/(cement + k x dodatek),
– przez spełnienie warunku minimalnej zawartości cementu (cement + k x dodatek) wymaganej w klasie ekspozycji [1, 10].
Do określenia ilości dodatku w składzie betonu zaleca się stosowanie wielkości współczynnika k i ilości dodatku według reguł podanych w tab. 8 w normie [1].
Koncepcja równoważnych właściwości użytkowych betonu
Koncepcja ta opiera się na założeniu, że jeżeli właściwości betonu o modyfikowanym składzie odpowiadają właściwościom betonu referencyjnego (najczęściej na cemencie portlandzkim CEM I), to możliwe jest dopuszczenie zmian wymagań odnośnie do minimalnej zawartości cementu oraz maksymalnego współczynnika w/c, ze względu na zastosowanie specjalnych rodzajów cementów lub dodatków, których pochodzenie oraz charakterystyki są dokładnie określone i udokumentowane. Koncepcję tę można stosować wyłącznie w przypadku użycia cementów zgodnych z normą PN-EN 197-1:2012 [11]. Schematycznie koncepcję równoważnych właściwości użytkowych przedstawiono na rys. 5.
Rys. 5 Schemat działania w ramach koncepcji równoważnych właściwości użytkowych
Koncepcja kombinacji równoważnych właściwości użytkowych
Koncepcja zakłada dopuszczenie możliwości zastosowania kombinacji cementu zgodnego z normą PN-EN 197-1 [11] i dodatku (lub dodatków) o ustalonej przydatności, które w całości mogą być uwzględnione w ramach wymagań dotyczących maksymalnego współczynnika w/c i minimalnej zawartości cementu, określonych w odniesieniu do betonu ze względu na warunki oddziaływania środowiska (klasę ekspozycji). Schemat postępowania przy stosowaniu koncepcji kombinacji równoważnych właściwości użytkowych przedstawiono na rys. 6.
Stosowanie dodatków typu II w składzie betonu, zgodnie z koncepcją równoważnych właściwości użytkowych i koncepcją kombinacji równoważnych właściwości, możliwe jest tylko dla dodatków o określonej przydatności, których pochodzenie i charakterystyki są określone (europejska ocena techniczna, przepisy obowiązujące w miejscu stosowania) przy równoczesnym stosowaniu cementów zgodnych z normą europejską PN-EN 197-1 [11]. Szczegółowe informacje dotyczące zasad stosowania koncepcji równoważnych właściwości użytkowych i koncepcji kombinacji równoważnych właściwości dostępne są w raporcie CEN/TR 16639 [12].
W większości krajów członkowskich Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego CEN stosuje się koncepcję współczynnika k.
Rys. 6 Schemat postępowania w ramach koncepcji kombinacji równoważnych właściwości
Podsumowanie
Dodatki są cennym i pożądanym składnikiem betonu. Zalicza się do nich przede wszystkim popioły lotne i pył krzemionkowy. Jako składniki zapraw i betonu dodatki powinny spełniać wymagania normowe oraz być stosowane według zasad zawartych w odpowiednich normach [1, 10]. Właściwe stosowanie dodatków mineralnych jest korzystne zarówno ze względu na właściwości mieszanki betonowej (konsystencja, urabialność), jak i stwardniałego betonu, a także ze względu na środowisko naturalne – zagospodarowanie ubocznych produktów z energetyki i hutnictwa, oraz efekty ekonomiczne. Odejście od zasad normowych (obniżanie minimalnej ilości cementu, stosowanie zbyt dużej ilości dodatków, głównie popiołu lotnego, o niskiej jakości) skutkuje pogorszeniem właściwości i obniżeniem jakości stwardniałego betonu (niska mrozoodporność, większa podatność na karbonatyzację itp.).
prof. dr hab. inż. Zbigniew Giergiczny
Politechnika Śląska w Gliwicach
Górażdże Cement S.A.
dr inż. Katarzyna Synowiec
Górażdże Cement S.A
Literatura
- PN-EN 206+A1:2016 Beton. Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
- PN-EN 450-1:2012 Popiół lotny do betonu. Część 1: Definicje, specyfikacje i kryteria zgodności.
- Z. Giergiczny, Popiół lotny w składzie cementu i betonu, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2013.
- K.A. Lindon, Sear, Properties and use of coal fly ash, A vaiuabie industrial by-product, London, Thomas Telford Ltd, 2001.
- PN-EN 13263-1+A1:2010 Pył krzemionkowy do betonu. Część 1: Definicje, wymagania i kryteria zgodności.
- W. Nocuń-Wczelik, Pył krzemionkowy – właściwości i zastosowanie w betonie, Wydawnictwo Polski Cement, Kraków 2005.
- PN-EN 15167-1:2007 Mielony granulowany żużel wielkopiecowy do stosowania w betonie, zaprawie i zaczynie. Część 1: Definicje, specyfikacje i kryteria zgodności.
- M. Ostrowski, Rola popiołu lotnego i granulowanego żużla wielkopiecowego w kształtowaniu właściwości mieszanki betonowej i stwardniałego betonu o niskiej zawartości klinkieru portlandzkiego, praca doktorska, Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej, Gliwice 2017.
- Z. Giergiczny, Współczesne cementy żużlowe w budownictwie, XVI Konferencja „Reologia w technologii betonu”, Bełchatów 2015.
- prPN-B-06265:2016 Krajowe uzupełnienie PN-EN 206 Beton. Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
- PN-EN 197-1:2012 Cement. Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku.
- CEN/TR 16639 Use of k-value concept, equivalent concrete performance concept and equivalent performance of combinations concept CEN, Brussels 2014.
