Samozagęszczalne kompozyty ciężkie o matrycy cementowej

Transkrypt

1 Jan Antoni Rubin Patrycja Miera Tomasz Gmerek Samozagęszczalne kompozyty ciężkie o matrycy cementowej COMPOSITES HEAVY ON SELF COMPACTING CEMENT MATRIX Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań wstępnych nad możliwością wykonywania kompozytów ciężkich o matrycy cementowej z odpadów hutniczych ( żużel ISP i zendra). Badania obejmowały określenie wpływu zastosowanych kruszyw ciężkich o frakcji 0 4 mm, na wybrane cechy techniczne samozagęszczalnych mieszanek kompozytowych oraz wzmiankowanych kompozytów. Abstract The results of preliminary studies on the possibility of performing a matrix composites heavy cement mill waste ( slag ISP & scale). The studies included the effect of aggregates used heavy fraction of 0 4 mm, on some technical features of self-compacting mixtures mentioned composites and composites. dr inż. Jan Antoni Rubin Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa, Gliwice dr inż. Patrycja Miera Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa, Gliwice mgr inż. Tomasz Gmerek Politechnika Śląska, Centrum Kształcenia Inżynierów, Rybnik

2 Jan Antoni Rubin, Patrycja Miera, Tomasz Gmerek 1. Wprowadzenie W Katedrze Inżynierii Materiałów i Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej od wielu lat prowadzone są badania nad możliwością wykorzystania odpadów poprzemysłowych w szeroko pojętym budownictwie. Wspomniane prace badawcze dotyczą odpadów z przemysłu energetycznego, hutniczego oraz wydobywczego. Między innymi prowadzono prace doświadczalne nad możliwością kształtowania betonów ciężkich na bazie odpadu poprodukcyjnego ( żużel ISP z Huty Cynku), przy użyciu technologii zagęszczania wibracyjnego [1] oraz technologii wibroprasowania [2]. Były również prowadzone badania w skali półtechnicznej dotyczące betonów specjalnych osłonowych przed promieniowaniem przenikliwym, wykonywanych na bazie odpadów hutniczych ( żużel ISP i zendra) [3]. Praktycznie rzecz biorąc z lepszym lub z gorszym skutkiem, wszystkie materiały budowlane mogą być użyte do kształtowania ekranów osłonowych przed wyżej wymienionych promieniowaniem przenikliwym. Promieniowanie takie np. gamma, przechodząc przez materiał o dowolnym składzie mineralogicznym oraz o dowolnej gęstości jądrowej oddziałuje z atomami składowymi, w wyniku czego zachodzi zjawisko rozproszenia i pochłaniania tegoż promieniowania [4]. We współczesnej technice jądrowej znajdują zastosowanie w tej roli przede wszystkim zaprawy i betony ciężkie o matrycy cementowej. Są to kompozyty o gęstości objętościowej powyżej 2,60 kg/dm 3. Omawiane kompozyty wykonuje się przy użyciu kruszyw ciężkich tak naturalnych jak i antropogennych (sztucznych) [4]: kruszywa ciężkie pochodzenia naturalnego: kruszywa barytowe, bazaltowe, hematytowe, limonitowe, magnetytowe, serpentynitowe, itd.; kruszywa ciężkie pochodzenia antropogennego: zgorzelina (zendra czarna), złom stalowy i żeliwny, żużle hutnicze (np. cynkowo-ołowiowe, w tym również żużel ISP), itp. Betony ciężkie o gęstości objętościowej zawierającej się w przedziale 3,00 5,00 kg/dm 3 zwane są czasami betonami super ciężkimi (kształtuje się je przy użyciu np. śrutu żeliwnego, ścinków oraz opiłków stalowych, itp.). W polskich realiach, jako tzw. osłony bierne w pracowniach radiologicznych i rentgenowskich usytuowanych w szpitalach lub ośrodkach zdrowia, znajdują zastosowanie przede wszystkim takie kompozyty ciężkie, jak barytobetony i tynki barytowe [5]: Inne zastosowanie omawianych kompozytów cementowych ciężkich (oprócz elementów osłonowych, przed różnego typu promieniowaniem przenikliwym), to m.in.: elementy obciążeniowe dźwigów, podnośników, itp.; elementy wałów przeciwpowodziowych; obciążenia balastowe okrętów i statków; płyty denne deszczowych studzienek kanalizacyjnych (instalacje kanalizacyjne wykonywane z tworzyw sztucznych); płyty denne skarbców bankowych; przeciwwagi w sprzęcie AGD (w pralkach); substytut obciążników żeliwnych oraz stalowych (np. odciągi trakcyjne na liniach kolejowych). 2 DNI BETONU 2012

3 2. Beton samozagęszczalny SCC Samozagęszczalne kompozyty ciężkie o matrycy cementowej Beton samozagęszczalny SCC (Self Compacting Concrete) powinien charakteryzować się według prac [6] [7] takimi parametrami technicznymi, jak: zdolnością do zagęszczenia i odpowietrzenia mieszanki betonowej pod własnym ciężarem, bez użycia wibratora; wysoce płynną konsystencją oraz sporą urabialnością mieszanki betonowej; brakiem segregacji składników i odpornością na tzw. bleeding, czyli samoistny wyciek wody z mieszanki betonowej; szczelnym wypełnieniem form i deskowań, nawet w obecności gęstego zbrojenia. Konsystencję mieszanki kompozytowej wyznacza się w tym przypadku metodą rozpływu swobodnego (Slump Flow SF [7], [8]), mierzonego za pomocą stożka Abramsa. Klasy konsystencji według tej metody zaprezentowano w tabeli 1. Tabela 1. Klasy konsystencji według rozpływu swobodnego SF [6] Cecha Metoda Klasa Średnica rozpływy, [mm] Rozpływ Stożek SF (Slump Flow) Abramsa SF SF Zakres badań W niniejszym opracowaniu przedstawiono wyniki badań wstępnych prowadzonych pod kątem możliwości kształtowania kompozytów specjalnych ciężkich samozagęszczalnych o matrycy cementowej. W badaniach została wykorzystana, jako główny składnik zendra hutnicza (frakcja 0 0,5 mm; frakcja 0,5 2 mm i frakcja 2 4 mm) oraz żużel ISP (frakcja 0,5 2 mm i frakcja 2 4 mm), jak również cementy portlandzkie powszechnego użytku (CEM I 42,5R i CEM V/A(S-V) 32,5R). Wspomniane kompozyty wykonywano przy zastosowaniu plastyfikatora do betonu Procon SPC 20 (FM), w którym substancją aktywną jest eter poliwęglanowy. Stos okruchowy zaprojektowano metodą iteracyjną, uzyskując zależność masową (dla zendry): (frakcja 0 0,5 mm) : (frakcja 0,5 2 mm) : (frakcja 2 4 mm) jak 1 : 2 : 4 Wzmiankowana zendra została wcześniej odolejona. Ilość spoiwa cementowego przyjęto jako 1 / 3 ilości kruszywa (masowo). Zaś wartość współczynnika wodno-cementowego (po wstępnych badaniach) ustalono na poziomie w/c = 0,50. Plastyfikator dozowano w ilości równej 1,5% masy cementu (wartość tę również ustalono po wstępnych badaniach). DNI BETONU

4 Jan Antoni Rubin, Patrycja Miera, Tomasz Gmerek 4. Wyniki badań mieszanek oraz kompozytów Konsystencję mieszanek kompozytowych określano metodą rozpływu swobodnego, zaś cechy techniczne wyznaczono po 7 i 28 dniach dojrzewania w kąpieli wodnej próbek kompozytowych walcowych (f = H = 8 cm) po trzy sztuki z każdego zarobu. Rys. 1. Krzywa granulometryczna zastosowanego stosu okruchowego [9] Tabela 2. Składy oraz wybrane cechy techniczne kompozytów samozagęszczalnych Lp. Składy / Cechy Symbole składów techniczne KC1 KC5a KC5b KC5c KC5d 1. kr. fr. 0 0,5 [mm] kr. fr. 0,5 2 [mm] kr. fr. 2 4 [mm] 2. CEM I [kg/1m 3 ] CEM V [kg/1m 3 ] SF [mm] g o [kg/dm 3 ] 2,86 2,79 2,71 2,83 2,58 6. n w [%] 3,91 4,43 4,89 3,96 4,48 7. f c [MPa]: po 7 dn. po 28 dn. 6,56 22,00 7,91 26,49 7,00 36,90 8,07 27,01 6,37 21,35 4 DNI BETONU 2012

5 Samozagęszczalne kompozyty ciężkie o matrycy cementowej fc, [MPa] KC1 KC5a KC5b KC5c KC5d Symbole składów: Rys. 2. Graficzna prezentacja wytrzymałości na ściskanie f c po 7 i 28 dniach dojrzewania w kąpieli wodnej, dla poszczególnych kompozytów o matrycy cementowej SF [mm] ,55 2,6 2,65 2,7 2,75 2,8 2,85 g o [kg/dm 3 ] Rys. 3. Graficzna analiza zależności rozpływu swobodnego mieszanki kompozytowej, w funkcji gęstości objętościowej kompozytu o matrycy cementowej kształtowanej z jednego rodzaju cementu: SF = 678,62 (g o ) 1261,70; współczynnik korelacji k = 0, Podsumowanie Klasy konsystencji według rozpływu swobodnego osiągnęły trzy mieszanki kompozytowe, spełniając jednocześnie kryterium gęstości objętościowej dla kompozytów ciężkich. Omawiane mieszanki kompozytowe charakteryzowały się zjawiskiem większej lub mniejszej segregacji składników szczególnie frakcji 2 4 mm oraz odpornością na tzw. bleeding. Uzyskano równocześnie interesującą zależność wraz ze wzrostem wartości rozpływu swobodnego, wzrasta w sposób widoczny gęstość objętościowa stwardniałych kompozytów. Zjawisko to należy tłumaczyć faktem, iż wraz ze wzrostem ciekłości mieszanki kompozytowej, wzrasta stopień upakowania składników kompozytu samozagęszczalnego o matrycy cementowej kształtowanej z jednego rodzaju cementu por- DNI BETONU

6 Jan Antoni Rubin, Patrycja Miera, Tomasz Gmerek tlandzkiego (przy w/c = constans). Także wytrzymałość na ściskanie rośnie w sposób istotny w funkcji czasu, mimo iż próbki można rozformowywać nie wcześniej niż po 48 godzinach od zaformowania szczególnie te zawierające w swoim składzie żużel ISP bogaty w związki cynku i ołowiu. Uzyskane wartości rozpływu mieszanek kompozytowych oraz wyniki wstępnych badań wybranych cech technicznych dla stwardniałych kompozytów o matrycy cementowej pozwalają stwierdzić, iż istnieje technologiczna możliwość kształtowania takowych samozagęszczalnych kompozytów ciężkich, kształtowanych m.in. przy użyciu odpadów poprzemysłowych. Dotyczy to szczególnie odpadów z przemysłu hutniczego. Należy jedynie rozwiązać pewne problemy technologiczne, polegające na właściwym doborze dodatków i domieszek, jak również każdorazowo zaprojektowaniu właściwego stosu okruchowego. Badania wykonano w ramach tzw. badań kierunkowych; symbol pracy BK-343/RB- 4/2011. Literatura [1] Rubin J.A. i inni: Możliwość kształtowania betonów ciężkich specjalnych przy wykorzystaniu wybranych odpadów przemysłowych. BK-288/RB-4/06. Politechnika Śląska; Katedra Procesów Budowlanych. Gliwice, 2006 r. [2] Rubin J.A.: Możliwość kształtowania wibroprasowanych kompozytów ciężkich specjalnych przy wykorzystaniu wybranych odpadów poprzemysłowych. BK-243/RB-4/08. Politechnika Śląska; Katedra Procesów Budowlanych. Gliwice, 2008 r. [3] Rubin J.A., Alwaeli M.: Kształtowanie betonów z zastosowaniem kruszyw ciężkich. XVI Konferencja Naukowo Techniczna JADWISIN 98. Serock, 1998 r. [4] Ablewicz Z., Dubrowski W.B.: Osłony przed promieniowaniem jonizującym. Arkady. Warszawa, 1986 r. [5] Saferna M., Kaszuba S.: Betony o właściwościach specjalnych. V Sympozjum Naukowo Techniczne Reologia w technologii betonu. Gliwice, 2003 r. [6] PN-EN 206-9: 2010 Beton. Część 9: Dodatkowe zasady dla betonu samozagęszczalnego SCC, jak również normy towarzyszące dotyczące badania mieszanki betonowej. [7] Gołaszewski J.: Technologia betonu samozagęszczalnego, a betonu zagęszczanego w sposób tradycyjny. Przegląd Budowlany, Nr 6/2009. [8] Cement, kruszywa, beton w ofercie Grupy Górażdże Rodzaje, Właściwości, Zastosowanie. Chorula, 2011 r. [9] Rubin J.A. i inni: Możliwość kształtowania samozagęszczalnych kompozytów ciężkich specjalnych przy wykorzystaniu wybranych odpadów poprzemysłowych. BK-343/RB-4/2011. Politechnika Śląska; Katedra Inżynierii Materiałów i Procesów Budowlanych. Gliwice, 2011 r. 6 DNI BETONU 2012