WŁAŚCIWOŚCI TERMICZNE TWARDNIEJĄCYCH BETONÓW Z WIELOSKŁADNIKOWYCH CEMENTÓW Z DODATKIEM POPIOŁU LOTNEGO WAPIENNEGO Z ELEKTROWNI BEŁCHATÓW

Transkrypt

1 Andrzej Ossowski Mariusz Dąbrowski Michał A. Glinicki Zbigniew Ranachowski Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN Warszawa WŁAŚCIWOŚCI TERMICZNE TWARDNIEJĄCYCH BETONÓW Z WIELOSKŁADNIKOWYCH CEMENTÓW Z DODATKIEM POPIOŁU LOTNEGO WAPIENNEGO Z ELEKTROWNI BEŁCHATÓW STRESZCZENIE Do wykonania masywnych elementów konstrukcji betonowych stosuje się na ogół cementy specjalne o obniŝonym cieple hydratacji, aby uniknąć powstawania pęknięć wywołanych termicznie. Badania podjęte w ramach Projektu POIG, obejmujące innowacyjne spoiwa cementowe z udziałem popiołu lotnego wapiennego, dotyczyły m.in. wyznaczenia zakresu zastosowań nowych spoiw, w tym przydatności do wykonania elementów masywnych. W pracy przedstawiono wyniki badania właściwości termicznych twardniejących betonów wykonanych z wieloskładnikowych cementów z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego z Elektrowni Bełchatów. Badania doświadczalne przeprowadzono stosując oryginalną metodę wyznaczania parametrów termicznych twardniejących betonów w jednowymiarowych formach umoŝliwiających swobodny przepływ ciepła w jednym kierunku. Zakres badań objął betony z dwoma rodzajami kruszywa i z następującymi cementami: CEM II/A- W, CEM II/B-W, CEM II/B-M (S-W), CEM II/B-M (V-W), CEM V/ A (S-W) oraz CEM I. Opracowana metoda określania parametrów termicznych twardniejących betonów umoŝliwiła zaobserwowanie systematycznych róŝnic związanych z rodzajem stosowanego cementu i rodzajem kruszywa w betonie. 1

2 1. WPROWADZENIE Zastosowanie popiołów lotnych jako dodatków do betonu lub jako składników głównych cementów wieloskładnikowych jest znanym sposobem obniŝenia temperatury twardniejących masywnych elementów betonowych [1].W odróŝnieniu od popiołów lotnych krzemionkowych [2], efekty stosowania popiołów lotnych wapiennych w cemencie lub w betonie nie są dotąd dobrze rozpoznane. Badania podjęte w ramach Projektu POIG [3, 4], obejmujące innowacyjne spoiwa cementowe z udziałem popiołu lotnego wapiennego, dotyczą m.in. wyznaczenia zakresu zastosowań nowych spoiw, w tym przydatności do wykonania elementów masywnych. Znane z literatury dane dotyczące wpływu popiołów lotnych wapiennych (W) dotyczą co najwyŝej ciepła hydratacji samego spoiwa i są niejednoznaczne. W pracy przedstawiono wyniki badania właściwości termicznych twardniejących betonów wykonanych z wieloskładnikowych cementów z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego z Elektrowni Bełchatów. 2. OPIS BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH 2.1. Skład mieszanek betonowych Do badań wykorzystane zostały nowe cementy z dodatkiem popiołów (wapiennego i krzemionkowego) oraz ŜuŜla wielkopiecowego, opracowane w ICMB O/Kraków [5]. Cement portlandzki CEM I stanowił odniesienie dla pozostałych cementów CEM II/A-W, CEM II/B-W, CEM II/B-M(S-W), CEM II/B-M (V-W), CEM V/A(S-W), w których zastosowano dodatek popiołu lotnego wapiennego z Elektrowni Bełchatów i ewentualnie równieŝ dodatek popiołu krzemionkowego lub ŜuŜla wielkopiecowego. W opracowanych cementach, oprócz klinkieru portlandzkiego, zastosowano składniki główne podane w Tablicy 1. Wykorzystując powyŝsze cementy zaprojektowano dwie serie mieszanek betonowych T i W, w których zastosowano odpowiednio kruszywo granodiorytowe i kruszywo wapienne. Zawartość piasku 0-2 mm oraz odpowiednich frakcji kruszywa (2 8 mm i 8 16 mm) była zbliŝona w obu seriach, natomiast wszystkie mieszanki zawierały identyczną ilość cementu (400 kg/m 3 ) oraz wody (200 kg/m 3 ), czyli miały identyczny stosunek w/c = 0,5. Obecność domieszki upłynniającej Glenium SKY 591 (w ilości 7,2 kg/m 3 ) w mieszance VA(S-W) była podyktowana potrzebą osiągnięcia zbliŝonej konsystencji mieszanki betonowej zwierającej stosunkowo duŝą ilość dodatków mielonego granulowanego ŜuŜla 2

3 wielkopiecowego i popiołu lotnego wapiennego. Skład mieszanek betonowych serii T i W z cementów wieloskładnikowych zawierających popiół lotny wapienny z Elektrowni Bełchatów podany jest w Tablicach 2 i 3. Tabela 1. Zawartość procentowa pozaklinkierowych składników głównych w opracowanych cementach CEM II i CEM V Pozaklinkierowe składniki główne cementu CEM I CEM II/ B-W Zawartość [%] CEM CEM V/ II/ A(S-W) B-M (S-W) CE M II/ A-W CEM II/ B-M (V-W) Popiół lotny wapienny W [%] Popiół lotny krzemionkowy V [%] Mielony granulowany ŜuŜel wielkopiecowy S [%] Metoda pomiarów właściwości termicznych Podczas monitorowania temperatury w twardniejącym masywnym elemencie betonowym oceny ryzyka powstawania spękań dokonuje się na ogół na podstawie maksymalnej temperatury oraz maksymalnego gradientu temperatury, wyznaczanego jako iloraz róŝnicy temperatury i odległości między punktami pomiarowymi, np. [6]. Aby odwzorować warunki termiczne wewnątrz masywu betonowego zbudowano formę walcową o odpowiedniej izolacji termicznej, pokazaną na Rys.1. Powierzchnia boczna oraz dolna podstawa walca została osłonięta izolacją termiczną, co wymuszało jednowymiarowy przepływ ciepła w kierunku nieizolowanej górnej powierzchni walca. Rozkład temperatury wewnątrz walca był oznaczony za pomocą czterech punktowych czujników temperatury, współpracujących z urządzeniem rejestrującym dane pomiarowe. Czujniki były rozmieszczone wzdłuŝ osi symetrii walca w odległościach 5, 20, 35 i 50 cm od spodu próbki walcowej. Ostatni czujnik mierzył temperaturę w pobliŝu swobodnej (nieizolowanej) powierzchni próbki. Czterokanałowa rejestracja temperatury był prowadzona przez 72 godziny z dziesięciosekundowym okresem próbkowania; dane w formie cyfrowej zapisano na dysku komputera. 3

4 Tabela 2. Zawartość składników w mieszankach betonowych serii T. Składniki mieszanki betonowej T50_I T50_ IIB(W) Zawartość składników w [kg/m 3 ] w mieszance o oznaczeniu T50_ IIB(S-W) T50_ VA(S-W) T50_ IIA(W) T50_ IIB(V-W) zawartość CEM II/ CEM II/ Cement CEM CEM II/ CEM V/ CEM II/ rodzaj B-M B-M I B-W A(S-W) A-W (S-W) (V-W) Piasek 0 2 mm Kruszywo grube 2 8 mm, grys granodiorytowy Kruszywo grube 8 16 mm, grys granodiorytowy Woda Tabela 3. Zawartość składników w mieszankach betonowych serii W. Składniki mieszanki betonowej Cement Zawartość składników w [kg/m 3 ] w mieszance o oznaczeniu I IIB(W) IIB(S-W) VA(S-W) IIA(W) IIB(V-W) zawartość rodzaj CEM I CEM II/ B-W CEM II/ B-M (S-W) CEM V/ A(S-W) CEM II/ A-W CEM II/ B-M (V-W) Piasek 0 2 mm Kruszywo grube 2 8 mm, wapienny Kruszywo grube 8 16 mm, grys wapienny Woda Domieszka upłynniająca Glenium SKY

5 Rys. 1. Stanowisko z formą walcową do termicznych badań próbek betonowych Zarejestrowane przebiegi temperatury w twardniejącym betonie w funkcji czasu na róŝnych głębokościach w osi próbki walcowej były podstawą do oceny właściwości termicznych betonów. Wybrano charakterystyczne punkty wykresów temperatury, wyznaczając następujące parametry w miejscu odległym 5cm od spodu formy: maksymalna temperatura T max i czas jej wystąpienia t max maksymalna temperatura osiągnięta podczas twardnienia oraz (odpowiednio) czas osiągnięcia tej temperatury licząc od chwili rozpoczęcia procesu, maksymalna szybkość wzrostu temperatury T & max = (dt/dt) max określona jako iloraz róŝnicy temperatury w okresie jej wzrostu do czasu trwania tego okresu, Wyznaczono teŝ gradienty temperatury: maksymalny maxt iloraz maksymalnej róŝnicy temperatury zmierzonej w punktach odległych o 35 i 50 cm od spodu formy do odległości między tymi punktami. średni T iloraz maksymalnej róŝnicy temperatury (zmierzonej w punkcie odległym 5 cm od spodu formy i w punkcie przy górnej powierzchni próbki) do odległości między tymi punktami. 5

6 Wybrane parametry nie są całkiem od siebie niezaleŝne, ich wartości zaleŝą równieŝ od warunków, w których zachodzi proces twardnienia. W tym wypadku parametry te odpowiadają warunkom panującym we wnętrzu twardniejącego elementu masywnego o rozmiarach przekraczających 1m. 3. WYNIKI POMIARÓW PARAMETRÓW TERMICZNYCH W TWARDNIEJĄCYM BETONIE Przykładowe rezultaty pomiarów temperatury w betonie twardniejącym w formie walcowej przedstawiono na rys. 2-3 w postaci wykresów temperatury w 4 punktach pomiarowych w czasie w przypadku próbek wykonanych z mieszanek betonowych o składzie podanym w Tablicach 2 i 3. Rys. 2. Wykres temperatury w czasie w twardniejących betonach T50 I oraz W50 I. 6

7 Rys. 3. Wykres temperatury w czasie w twardniejących betonach T50 IIB W oraz W50 IIB W. Odczytując z wykresów współrzędne charakterystycznych punktów wyznaczono wspomniane wcześniej parametry termiczne i podano je w Tablicach 4 i 5. Tablica 4. Parametry termiczne twardniejących betonów serii T. Parametr termiczny Oznaczenie mieszanki betonowej T50_I T50_ T50_ T50_ T50_ IIB(W) IIB(S-W) VA(S-W) IIA(W) t max [h] 11 12, ,5 14,5 15 T max [ o C] 42,5 37,5 39, T & [ o C/h] 2 1,6 1,2 0,5 1,5 1,3 max T50_ IIB(V-W) T max [ o C/m] T [ 0 C/m]

8 Tabela 5. Parametry termiczne mieszanek betonowych serii W. Parametr termiczny I IIB(W) Oznaczenie mieszanki betonowej IIB(S-W) VA(S-W) IIA(W) IIB(V-W) t max [h] T max [ o C] 39 36, , ,5 T & [ o C/h] 1,7 1 0,8 0,3 1 0,7 max [ o C/m] maxt T [ 0 C/m] ANALIZA WYNIKÓW Przyjmując temperaturę maksymalną oraz gradient temperatury za najwaŝniejsze wyznaczniki zagroŝenia termicznego elementu masywnego w czasie twardnienia betonu, na Rys. 4 i 5 przedstawiono efekty zawartości dodatku popiołu lotnego wapiennego. Temperatura maksymalna obniŝa się wraz ze wzrostem dodatku popiołu lotnego wapiennego do cementu, przy czym efekt ten jest wyraźniejszy w przypadku betonów z kruszywem granodiorytowym. Pozytywny efekt obserwuje się takŝe, gdy stosowane są jednocześnie dodatki ŜuŜla i popiołu lotnego wapiennego. Z danych zawartych w Tablicach 4 i 5 wynika równieŝ, Ŝe dodatek 15% popiołu lotnego krzemionkowego lub ŜuŜla do cementu zawierającego 15% popiołu lotnego wapiennego powoduje obniŝenie temperatury maksymalnej o 1-2 C i obniŝenie maksymalnego gradientu temperatury o wartość od kilku do kilkunastu o C/m. Maksymalny gradient temperatury dotyczy tylko warstwy przy powierzchni betonu, natomiast gradient średni charakteryzuje zmiany temperatury do głębokości 50 cm od powierzchni. 8

9 Rys. 4. ZaleŜność temperatury maksymalnej w betonie od zawartości popiołu lotnego wapiennego w cemencie (seria T, seria W). Średni gradient temperatury we wszystkich próbkach nie przekroczył wartości 23 C/m. W próbkach wykonanych z betonów z kruszywem granodiorytowym średnie gradienty temperatury są przewaŝnie nieco wyŝsze od tych w próbkach z betonów z kruszywem wapiennym. Zastosowanie niewielkiej ilości popiołu lotnego wapiennego, do 15%, nie wywiera znaczącego wpływu na średni gradient temperatury. Wyraźne obniŝenie wartości średniego gradientu jest widoczne w niektórych próbkach betonów zawierających większą ilość popiołu lotnego wapiennego lub jednoczesny dodatek popiołu lotnego wapiennego oraz ŜuŜla wielkopiecowego. Największe obniŝenie wartości gradientu średniego (z 20 do 7 C/m) jest widoczne w betonie na bazie CEM V/A (S-W) oraz kruszywa wapiennego. W przypadku betonu na bazie CEM II/B W z kruszywem wapiennym nie widać obniŝenia średniego gradientu temperatury. Redukcja średniego gradientu z 20 do 13 C/m widoczna jest wskutek zastosowania CEM II/B W wraz z kruszywem granodiorytowym. Zgodnie z oczekiwaniami wyniki badań wskazują na opóźnienie momentu wystąpienia maksymalnej temperatury podczas twardnienia betonu wskutek częściowego zastąpienia klinkieru portlandzkiego w cemencie. Efekt opóźnienia jest w róŝnym stopniu uzaleŝniony od zawartości popiołu lotnego wapiennego. Dodatek popiołu wapiennego poniŝej ok.15% znacząco opóźnia wystąpienie maksimum temperatury, natomiast zwiększanie zawartości popiołu do 30%, ujawnia tendencję odwrotną. Jakościowy charakter tego efektu nie zaleŝy do rodzaju kruszywa zawartego w mieszance betonowej, z tym Ŝe w przypadku kruszywa wapiennego 9

10 odpowiedni parametr t max osiąga wartości od 1 do 4 godzin wyŝsze w porównaniu do betonu z kruszywem granodiorytowym. Zwiększanie zawartości sumy dodatków powoduje zwiększenie wartości parametru t max zaleŝność jest monotoniczna. Rys. 5. ZaleŜność średniego gradientu temperatury w betonie od zawartości popiołu lotnego wapiennego w cemencie (seria T, seria W). Analiza wyników wykazała, Ŝe temperatura maksymalna we wnętrzu badanego elementu betonowego rośnie w przybliŝeniu liniowo wraz ze zwiększaniem się tempa wzrostu temperatury, co ujmuje następująca zaleŝność empiryczna: T max 0 0 [ C] 28 C + 7.5[ h] T& max 0 [ C / h] pozwalająca prognozować maksymalną temperaturę osiąganą w twardniejącym elemencie masywnym na podstawie zmierzonego tempa wzrostu temperatury. Zaobserwowana zaleŝność jest niezaleŝna od rodzaju kruszywa i rodzaju cementu. Najprostszym objaśnieniem tej zaleŝności jest wypływ ciepła do otoczenia, który zaleŝy przede wszystkim od geometrii układu i dyfuzyjności cieplnej materiału. Mniejsze tempo wydzielania się ciepła i dłuŝszy czas narastania temperatury powoduje, Ŝe więcej ciepła opuszcza element masywny zanim zostanie osiągniętą maksymalna temperatura, która z tego właśnie powodu będzie na ogół niŝsza. Relatywnie większe tempo 10

11 wzrostu temperatury zaobserwowano w betonach z kruszywem granodiorytowym niŝ z kruszywem wapiennym. Najkorzystniejsze z uwagi na maksymalne tempo wzrostu temperatury okazały się cementy CEM V/A S-W, CEM II/B V-W oraz CEM II/B S-W, a najmniej korzystny oczywiście CEM I. 5. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badan moŝna sformułować następujące wnioski. 1. Opracowana metoda określania parametrów termicznych twardniejących betonów przeznaczonych na elementy masywne umoŝliwiła zaobserwowanie systematycznych róŝnic związanych z rodzajem stosowanego cementu i rodzajem kruszywa w betonie. Dotyczyło to zwłaszcza, T max i t max. T max 2. Zastosowanie popiołu lotnego wapiennego z Elektrowni Bełchatów, ewentualnie łącznie z popiołem lotnym krzemionkowym lub granulowanym mielonym ŜuŜlem wielkopiecowym, jako składnika głównego cementów wpływało na ogół pozytywnie na parametry termiczne twardniejących betonów. Czynnikiem znacząco wpływającym na obniŝenie zagroŝeń termicznych twardniejących betonów okazał się dodatek ŜuŜla wielkopiecowego w ilości 15-25% w cemencie. 3. Pod względem właściwości termicznych betony z kruszywem granodiorytowym okazały się mniej korzystne od betonów z kruszywem wapiennym. Informacje dodatkowe Praca była współfinansowana ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, nr. projektu; POIG /09. LITERATURA [1] KiernoŜycki W., Betonowe konstrukcje masywne. Teoria, wymiarowanie, realizacja. Polski Cement, Kraków 2003 [2] Chłądzyński S., Garbacik A., Cementy wieloskładnikowe w budownictwie. Polski Cement, Kraków 2008 [3] Knor G., Holnicki-Szulc J., Glinicki M.A., Determination of thermal properties of hardening concrete containing high calcium fly ash, 14 th Int. Conference on Structural Faults and Repair, Edinburgh 2012, CD-ROM 11

12 [4] Garbarcik A., Giergiczny A., Glinicki M.A., Gołaszewski J., ZałoŜenia Projektu Strukturalnego Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka Innowacyjne spoiwa cementowe i betony z wykorzystaniem popiołu lotnego wapiennego, Międzynarodowa Konf. Energia i Środowisko w Technologiach Materiałów Budowlanych, Ceramicznych Szklarskich i Ogniotrwałych, Wydawnictwo Instytut Śląski, Warszawa-Opole 2010, [5] Baran T., DroŜdŜ W., Pichniarczyk P., Zastosowanie popiołów lotnych wapiennych do produkcji cementu i betonu; Cement Wapno Beton, 1, 2012, [6] Witakowski P., Technologia budowy konstrukcji masywnych z betonu, XIII Konferencja Naukowa Metody Komputerowe w Projektowaniu i Analizie Konstrukcji Hydrotechnicznych Korbielów 2001 THERMAL PROPERTIES OF CONCRETES MADE OF BLENDED CEMENTS WITH ADDITION OF HIGH CALCIUM FLY ASH OF BEŁCHATÓW POWER PLANT ABSTRACT To avoid thermal cracking in large concrete constructions it is recommended to use special cements with low hydration heat. The novel cement binders made with addition of calcerous fly ashwere investigated to determine theirsuitability to use in massive concrete. The results of determination of thermal properties of hardening concretes made of cements blended with addition of calcerous fly ash frombełchatów Power Plant. The experimental work was performed using the original method of determination of thermal properties of hardening concretes based on the test made in one-dimensional mould enabling for undisturbed linear heat transfer process. The scope of the tests included application of two types of the coarse aggregates and the following blended cements: CEM II/A-W, CEM II/B-W, CEM II/B-M (S-W), CEM II/B-M (V-W), CEM V/ A (S-W) and CEM I. The new method of determination of the thermal properties of the concretes enabled an assessment of different temperature distribution related to different cements and different aggregates being the components of the investigated mixes. 12