Instytut Badań Stosowanych Politechniki Warszawskiej Sp. z o.o. Centrum Inżynierii Minerałów Antropogenicznych OPTYMALIZACJA SKŁADU SPOIW GEOTECHNICZNYCH, ZAWIESIN TWARDNIEJĄCYCH I BETONÓW Z UDZIAŁEM ZMODYFIKOWANEGO POPIOŁU LOTNEGO ZE SPALANIA WĘGLA BRUNATNEGO RAPORT Z BADAŃ Zespół opracowujący: Prof. dr hab. inż. Zbigniew Kledyński Kierownik Zespołu Dr inż. Agnieszka Machowska Mgr inż. Łukasz Szarek Prof. nzw. dr hab. Małgorzata Wojtkowska Współpraca: Bogumił Myczka Warszawa, wrzesień 2015 r.
SPIS TREŚCI 1. Wstęp 3 2. Parametry popiołu 3 3. Spoiwa do uzdatniania gruntu 5 3.1. Początek czasu wiązania i stałość objętości 5 3.2. Właściwości mechaniczne po stwardnieniu 6 3.3 Wskaźnik aktywności popiołu 9 4. Zawiesiny twardniejące 10 4.1. Właściwości w stanie płynnym 11 4.1.2. Lepkość umowna 11 4.1.2. Odstój dobowy wody 11 4.1.3. Gęstość 12 4.2. Właściwości po stwardnieniu 13 4.2.1. Wytrzymałość na ściskanie 13 4.2.2. Przepuszczalność hydrauliczna 14 5. Beton 15 5.1. Właściwości mieszanki betonowej 15 5.1.1. Konsystencja i gęstość mieszanki 15 5.2. Właściwości stwardniałego betonu 17 6. Wnioski 19 7. Wykorzystane materiały 20 2
1. Wstęp Celem pracy było opracowanie receptur spoiw do uzdatniania gruntu, zawiesin twardniejących i mieszanek betonowych z udziałem popiołu lotnego ze spalania węgla brunatnego po procesie uzdatniania w formie wstępnej hydratacji. Zakres opracowania obejmował: opracowanie receptur spoiw do uzdatniania gruntu, zawiesin twardniejących i mieszanek betonowych, wykonanie badań laboratoryjnych opracowanych receptur, sporządzenie raportu z badań. 2. Parametry popiołu Popiół lotny będący przedmiotem badań pochodzi ze spalania węgla brunatnego w Elektrowni Bełchatów. Popiół został poddany wstępnej hydratacji w instalacji skonstruowanej do tego celu na Politechnice Częstochowskiej. Popiół dostarczony do badań zabezpieczono przed wpływem wilgoci poprzez zapakowanie w worek foliowy i umieszczenie w pudełku kartonowym. Popiół lotny wykazuje tendencję do zbrylania i przed wykonaniem zarobów był rozkruszany tak, aby uzyskać postać sypką. Zdjęcie 1. Popiół lotny z węgla brunatnego po wstępnej hydratacji 3
Popiół lotny poddano badaniu miałkości zgodnie z normą PN-EN 451-2 [7]. Wyniki przedstawiono w tablicy 1. Tablica 1. Miałkość popiołu lotnego po wstępnej hydratacji oznaczona wg PN-EN 451-2 [7] 1 badanie 2 badanie Miałkość [%] 50,24 52,48 48,72 51,51 Miałkość średnia [%] 49,48 52,00 Miałkość dopuszczalna dla popiołu kat. N [%] 45 Zmienność miałkości od deklarowanej [%] ± 15 Gęstość ziaren popiołu lotnego oznaczono wg PN-EN 1097-7 [8] w piknometrze. Wyniki przedstawiono w tablicy 2. Tablica 2. Gęstość ziaren popiołu lotnego wg PN-EN 1097-7 [8] Gęstość [kg/m 3 ] Gęstość średnia [kg/m 3 ] Próbka 1 2398 Próbka 2 2425 2402 Próbka 3 2384 Oznaczono zawartości siarczanu i chlorków wg PN-EN 196-2 [3] oraz fosforanów wg PN-EN 450-1 [6] w popiele. Wyniki podano w tablicy 3. Tablica 3. Zawartość siarczanu, chlorków oraz fosforanów wg [3] i [6] Oznaczenie Zawartość Zawartość dopuszczalna Siarczany SO 3 [% masy] 1,71 3,50 Chlorki [% masy] 0,05 0,10 Fosforany P 2 O 5 [mg/kg] 0,812 100 Spostrzeżenia, wnioski, rekomendacje: Analizując wyniki miałkości, zawartości siarczanów, chlorków i fosforanów można zauważyć, że spełniają one wymagania stawiane popiołom lotnym w normie PN-EN 450-1 [6]. 4
3. Spoiwa do uzdatniania gruntów Badanie przydatności popiołu lotnego do produkcji spoiw do uzdatniania gruntów wykonano na zaprawach w formie beleczek o wymiarach 40x40x160 mm o składzie zgodnym ze składem zaprawy normowej wg PN-EN 196-1 [2]: - woda: 225 g, - spoiwo: 450 g, - piasek normowy CEN: 1350 g. Spoiwo zaprojektowano jako mieszaninę cementu CEM I 32,5R i popiołu lotnego po wstępnej hydratacji w różnych stopniach dozowania składników. Skład spoiw przedstawiono w tablicy 4. Po zmieszaniu składników formowano próbki zaprawy w postaci beleczek o wymiarach 40x40x160 mm i zagęszczano ją na wstrząsarce zgodnie z ww. normą. Tablica 4. Skład receptur zaprawy ze spoiwem cementowo-popiołowym 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 9a 9b Cement [g] 450 405 360 315 270 225 180 135 90 45 45 45 Popiół [g] 0 45 90 135 180 225 270 315 360 405 405 405 w/s 0,50 0,55 0,57 0,60 0,65 Zaprawy wg receptur 1-6 wykonano przy stałym wskaźniku wodno-spoiwowym równym 0,5. Podczas mieszania obserwowano, w miarę wzrostu dozowania popiołu w zaprawach, obniżanie ich urabialności. W przypadku receptur 8, 9, 9a i 9b zwiększono dozowanie wody, aby umożliwić wykonanie zapraw bez dodatku domieszek upłynniających. 3.1. Początek czasu wiązania i stałość objętości W celu określenia początku czasu wiązania i stałości objętości wykonano zaczyny cementowo-popiołowo-wodne o konsystencji normowej wg PN-EN 196-3 [4]. Spoiwo (cement i popiół) dozowano zgodnie z danymi w tablicy 4 dla receptur 1-9. Wyniki badań przedstawiono w tablicy 5. 5
Tablica 5. Konsystencja normowa, początek czasu wiązania i stałość objętości receptur zaczynów 1-9 Receptura Zaw. popiołu w spoiwie [%] Ilość wody [g] Ilość spoiwa [g] w/s Konsyst. normowa [mm] Początek czasu wiązania [min] Stałość obj. [mm] 0 0 122,8 461,5 0,266 5,0 209 1,32 1 10 97,0 341,8 0,284 4,5 245 0,85 2 20 102,0 347,3 0,294 5,0 260 0,30 3 30 100,0 315,0 0,317 6,0 295 0,24 4 40 103,5 295,8 0,350 6,0 363 0,84 5 50 100,0 261,2 0,383 8,0 405 0,20 6 60 105,2 271,1 0,388 5,0 403 0,20 7 70 100,0 244,2 0,410 7,0 441 0,14 8 80 100,0 224,5 0,445 5,0 509 0,94 9 90 100,0 213,7 0,468 7,0 675 2,05 Wartość dopuszczalna wg PN-EN 450-1 6±2 470* 10 *2,25 razy dłużej niż czas początku wiązania zaczynu wykonanego z samego cementu porównawczego Spostrzeżenia, wnioski, rekomendacje: Analizując wyniki początku czasu wiązania zaczynów wg receptur 1-9 można zauważyć, że wymagania normy PN-EN 450-1 [6] są spełnione dla receptur 1-7 włącznie. 3.2. Właściwości mechaniczne zapraw Próbki zapraw w formie beleczek przechowywano do czasu badania w wannach z wodą wodociągową o temp. 20±1 C. Po upływie terminu dojrzewania (7 i 28 dni) próbki wyjęto z wody, osuszono, zmierzono i zważono. Następnie poddano je badaniu wytrzymałości na zginanie i ściskanie. Wyniki badania wytrzymałości przedstawiono w tablicy 6 i na rys. 1 i 2. 6
Tablica 6. Wytrzymałość zapraw na ściskanie i zginanie Receptura Liczba dni dojrzewania Gęstość [kg/m 3 ] Wytrz. na zginanie [MPa] Wytrz. na ściskanie [MPa] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 9a 9b 7 2290 6,00 28,04 28 2195 8,01 37,20 7 2386 6,05 31,81 28 2368 7,82 40,40 7 2348 5,30 25,25 28 2302 6,85 33,71 7 2275 3,34 15,55 28 2235 5,99 26,50 7 2240 3,30 12,70 28 2186 4,93 19,22 7 2239 2,19 9,10 28 2176 3,53 14,73 7 2164 1,53 6,63 28 2172 3,03 11,53 7 2165 1,03 3,09 28 2124 1,78 7,01 7 2135 0,61 1,95 28 2132 1,76 4,95 7 - - - 28 2082 0,75 3,83 7 - - - 28 2081 0,69 2,11 7 - - - 28 2077 0,65 1,86 7
10,0 Wytrzymałość na rozciąganie fm [MPa] 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0 28 56 84 112 Czas dojrzewania [dni] Rec. 0 Rec. 1 Rec. 2 Rec. 3 Rec. 4 Rec. 5 Rec. 6 Rec. 7 Rec. 8 Rec. 9 Rec. 9a Rec. 9b 50,0 Rysunek 1. Wykres wytrzymałości na zginanie zapraw w czasie dojrzewania Wytrzymałość na ściskanie fc [MPa] 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0 28 56 84 112 Czas dojrzewania [dni] Rec. 0 Rec. 1 Rec. 2 Rec. 3 Rec. 4 Rec. 5 Rec. 6 Rec. 7 Rec. 8 Rec. 9 Rec. 9a Rec. 9b Rysunek 2. Wykres wytrzymałości na ściskanie zapraw w czasie dojrzewania 8
Spostrzeżenia, wnioski, rekomendacje: Wszystkie receptury zapraw wykazują przyrost wytrzymałości na zginanie i ściskanie w czasie dojrzewania. W miarę wzrostu dozowania popiołu w składzie zaprawy można zaobserwować obniżenie wytrzymałości mechanicznej. W przypadku receptury 1 (z 10%-ową ilością popiołu w spoiwie) można zaobserwować równorzędną wytrzymałość na zginanie i większą wytrzymałość na ściskanie w porównaniu do próbek referencyjnych wykonanych jedynie z cementu portlandzkiego. Receptura nr 3 wyróżnia się większym względnym przyrostem wytrzymałości mechanicznej w stosunku do pozostałych receptur. Próbki wykonane wg receptury 9, 9a i 9b nie nadawały się do badania we wczesnym terminie twardnienia (po 7 dniach dojrzewania), gdyż były kruche i rozsypywały się podczas przenoszenia (zdj. 2). Zdjęcie 2. Próbki zaprawy wg receptury 9, 9a i 9b w wannie z wodą (widoczne uszkodzenia próbek powstałe podczas wyjmowania z wody) 3.3. Wskaźnik aktywności W celu oznaczenia wskaźnika aktywności popiołu wykonano próbki zapraw w formie beleczek z 25%-ową zawartością popiołu w spoiwie wg receptury: 9
woda: 225 g, popiół: 112,5 g, cement: 337,5 g, piasek normowy CEN: 1350 g, oraz próbki zaprawy referencyjnej ze spoiwem w postaci cementu portlandzkiego CEM I 32,5R. Próbki zapraw po stwardnieniu umieszczono w wannach z wodą o temp. 20±1 C. Po upływie 28 dni dojrzewania próbki poddano badaniu wytrzymałości na ściskanie. Wyniki przedstawiono w tablicy 7. Tablica 7. Wskaźnik aktywności popiołu lotnego po wstępnej hydratacji po 28 dniach dojrzewania próbek wg PN-EN 196-1 [2] i PN-EN 450-1 [6] Próbka Gęstość [kg/m 3 ] Wytrz. na ściskanie [MPa] W0/1 2312 46,95 W0/2 2355 52,19 W0/3 2387 49,69 WA/1 2261 35,06 WA/2 2229 33,99 WA/3 2216 32,62 Średnia wytrz. na ściskanie [MPa] 49,61 33,89 Wskaźnik aktywności [%] 68,3 Wartość minimalna [%] 75,0 Spostrzeżenia, wnioski, rekomendacje: Analiza wyników badania wskaźnika aktywności popiołu po wstępnej hydratacji wskazuje, że należałoby podjąć próby zwiększenia jego aktywności. Wartość wskaźnika nie jest znacząco niższa od wartości granicznej zawartej w normie PN-EN 450-1 [6], co pozwala domniemywać, że istnieje możliwość jego poprawy poprzez usprawnienie instalacji, w której przeprowadzono wstępną hydratację popiołu lotnego. 4. Zawiesiny twardniejące Do sporządzenia zawiesin twardniejących wykorzystano następujące materiały: - woda wodociągowa o temp. 20±1 C., - bentonit sodowy, - cement CEM I 32,5R, - popiół lotny konwencjonalny z węgla brunatnego z EC Bełchatów. 10
Składniki dozowano w podanej kolejności i mieszano mieszadłem wolnoobrotowym z zachowaniem czasu mieszania: woda + bentonit 3 min, dodano cement 1,5 min, dodano popiół 1,5 min. Zaprojektowane receptury przedstawiono w tablicy 8. Tablica 8. Receptury zawiesiny twardniejącej Receptura 1 2 3 Woda [kg] 1000 1000 1000 Bentonit [kg] 40 50 40 Cement [kg] 150 200 300 Popiół [kg] 400 500 700 w/s 1,82 1,43 1,00 w/c 6,67 5,00 3,33 c/p 0,38 0,40 0,43 4.1. Właściwości w stanie płynnym Projektowane zawiesiny twardniejące powinny charakteryzować się odpowiednimi właściwościami technologicznymi, tj. gęstością objętościową, lepkością umowną, odstojem dobowym wody, które umożliwiają wbudowanie zawiesiny w grunt oraz zapewniają stabilność wykonywanej konstrukcji, np. przesłony przeciwfiltracyjnej. 4.1.1. Lepkość umowna Lepkość umowna jest parametrem ważnym ze względów technologicznych (transport zawiesiny) oraz ze względu na podatność na wnikanie w pory gruntu oraz wypieranie. Badania lepkości umownej zawiesiny wykonuje się zgodnie z PN-EN 1538 [9] przy użyciu wiskozymetru wypływowego lejka Marsha. Dokonuje się pomiaru czasu wypływu (w sek.) 1000 ml (z objętości 1500 ml) zawiesiny umieszczonej w lejku. 4.1.2. Odstój dobowy wody Odstój dobowy wody jest parametrem istotnym z punktu widzenia stabilności zawiesiny twardniejącej i jej skłonności do segregacji. Pomiar odstoju dobowego wody polega na określeniu (w % obj.) ilości wody wydzielonej samoistnie z zawiesiny po upływie doby od wlania jej do cylindra o pojemności 1000 ml i pozostawienia w bezruchu [10]. 11
4.1.3. Gęstość objętościowa Pomiar gęstości objętościowej zawiesiny twardniejącej w stanie płynnym dokonywany jest przy użyciu wagi ramiennej Baroida. Przed badaniem naczynie należy zwilżyć wodą, a następnie pojemnik wypełnić zawiesiną i przykryć nakrywką z otworem wypływowym. Nakrywkę umieszcza się we właściwym położeniu, co umożliwia wypłynięcie nadmiaru zawiesiny i usunięcie jej z powierzchni naczynia. Ramię wagi umieszcza się w łożysku podstawy i równoważy zawartość naczynia do momentu, aż zajmie ono położenie poziome. Gęstość objętościową zawiesiny twardniejącej odczytuje się ze skali na ramieniu wagi, w miejscu wskazanym przez krawędź ciężarka. Uzyskane wartości wymienionych parametrów wraz z wartościami rekomendowanymi [1] podano w tablicy 9. Tablica 9. Wartości rekomendowane parametrów technologicznych zawiesin twardniejących wg [1] Receptura Lepkość umowna [s] Gęstość objętościowa [g/cm 3 ] Odstój dobowy wody [%] 1 38 1,29 17 2 49 1,35 5 3 104 1,45 3 Wartości zalecane wg [1] 34-50 1,15-1,60 4 Spostrzeżenia, wnioski, rekomendacje: Analizując otrzymane wyniki lepkości umownej można zauważyć, że receptury 1 i 2 spełniają stawiane wymagania wynikające z konieczności transportu zawiesiny rurociągami w miejsce wbudowania w przesłonę. Receptura 3 wykazuje zbyt dużą lepkość (wynikającą z wysokiej zawartości spoiwa), która uniemożliwiałaby lub znacząco utrudniała tego rodzaju transport zawiesiny. W przypadku gęstości objętościowej wszystkie receptury spełniają wymagania stawiane ze względu na konieczność stabilizacji ścian wykopu. Wymagania dotyczące ograniczenia odstoju dobowego wody z zawiesiny, wynikające z minimalizacji kosztów wykonania przesłony przeciwfiltracyjnej, spełnia receptura 3. Jednak w przypadku receptury 2 zwiększenie dozowania bentonitu do 50 kg umożliwi obniżenie wartości odstoju dobowego wody. 12
4.2. Właściwości po stwardnieniu W celu określenia właściwości w czasie dojrzewania zawiesiny twardniejącej wykonano następujące próbki: do badania wytrzymałości na sciskanie próbki formowano w stalowych formach walcowych o wymiarach d=h=80 mm, do badania przepuszczalności hydraulicznej próbki formowano w walcowych formach z PCV o wymiarach d=75 mm i h=80 mm. Do momentu związania próbki były przechowywane w formach pod okryciem z folii, w pomieszczeniu laboratoryjnym. Po 2 3 dniach próbki były wyjmowane z form stalowych i zanurzane w wodzie wodociągowej o temp. 20±1 C, w której dojrzewały do momentu badania. Próbki formowane w formach z tworzywa sztucznego (PCV) i przeznaczone do badań przepuszczalności hydraulicznej nie były wyjmowane z form, ale umieszczane w wodzie i tak przechowywane do momentu badania. 4.2.1. Wytrzymałość na ściskanie Wytrzymałość na ściskanie jednoosiowe określano na próbkach walcowych z form stalowych zgodnie z PN-EN 12390-2 [11]. Po wyjęciu próbki z wanny z wodą pozostawiano ją na kilka minut w celu osuszenia. Następnie powierzchnia górna (i w niektórych przypadkach dolna, jeżeli była nierówna) była wyrównywana za pomocą gipsu. Zabieg ten miał na celu dokładne dopasowanie powierzchni badanej próbki do maszyny wytrzymałościowej. Badanie wytrzymałości na ściskanie jednoosiowe odbywało się w maszynie wytrzymałościowej typu ZD 20. Ściskanie próbki odbywało się z przyrostem naprężeń 0,0026 0,0020 MPa/s, aż do momentu zniszczenia próbki. W celu zapewnienia powtarzalności wyników do badania wykorzystywano po 3 próbki w serii. Wyniki wytrzymałości zawarto w tablicy 10. 13
Tablica 10. Wytrzymałość na ściskanie zawiesiny twardniejącej po 28 dniach dojrzewania Próbka Gęstość [kg/m 3 ] Wytrz. na ściskanie [MPa] 1/1 1,332 0,34 1/2 1,342 0,38 1/3 1,303 0,35 2/1 1,402 0,56 2/2 1,389 0,59 2/3 1,351 0,54 3/1 1,456 1,23 3/2 1,497 1,36 3/3 1,465 1,12 Średnia wytrz. na ściskanie [MPa] 0,36 0,57 1,24 Wartość minimalna wg [1] [MPa] > 0,50 Spostrzeżenia,wnioski, rekomendacje: Zawiesiny twardniejące wykonane wg receptury 2 i 3 spełniają wymagania dot. wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach dojrzewania. 4.2.2. Przepuszczalność hydrauliczna Badanie przepuszczalności hydraulicznej zawiesin twardniejących wykonano w specjalistycznej aparaturze pomiarowej, opracowanej w Zakładzie Budownictwa Wodnego i Hydrauliki PW. Wykorzystano metodę zmiennego gradientu (spadku) hydraulicznego. Działanie na badaną próbkę medium filtrującego, jakim była woda wodociągowa, odbywało się w sposób grawitacyjny. Wyniki badania przedstawiono w tablicy 11. Tablica 11. Przepuszczalność hydrauliczna zawiesin twardniejących po 28 dniach dojrzewania Próbka Przepuszczalność hydrauliczna k 10 [m/s] Średnia przepuszcz. hydr. k 10 [m/s] Wartość maksymalna wg [1] [m/s] 1/2 2,29 10-7 2,43 10-7 1/1 3,08 10-7 1/3 1,91 10-7 2/2 1,09 10-7 1,25 10-7 2/1 2,09 10-7 2/3 5,68 10-8 3/1-3/2 7,57 10-8 6,64 10-8 3/3 5,70 10-8 10-8 14
Spostrzeżenia, wnioski, rekomendacje: Analizując wyniki przepuszczalności zawiesin po 28 dniach dojrzewania można zauważyć, że tylko receptura 3 spełnia stawiane zawiesinom wymagania. W przypadku receptur 1 i 2 należałoby zwiększyć dozowanie cementu w celu obniżenia wartości przepuszczalności hydraulicznej. 5. Beton Wykonano trzy receptury mieszanki betonowej z udziałem popiołu po wstępnej hydratacji oraz recepture referencyjną bez udziału popiołu. Do wykonania mieszanki wykorzystano: wodę wodociągową, cement CEM I 32,5R, popiół lotny po wstępnej hydratacji, piasek 0-2 mm, kruszywo żwirowe 2-16 mm. Receptury mieszanki zaprojektowano zgodnie z wymaganiami PN-EN 206-1 dla betonu klasy C20/25 o w/c=0,5 i wartości współczynnika k=0,2. Skład receptur podano w tablicy 12. Tablica 12. Skład receptur mieszanek betonowych Receptura 0 1 2 3 Woda [kg/m 3 ] 150 150 150 150 Cement [kg/m 3 ] 300 270 240 210 Popiół [kg/m 3 ] 0 30 60 90 k0/2 [kg/m 3 ] 780 780 780 780 k2/8 [kg/m 3 ] 585 585 585 585 k8/16 [kg/m 3 ] 585 585 585 585 w/s 0,5 0,5 0,5 0,5 5.1. Właściwości mieszanki betonowej 5.1.1. Konsystencja i gęstość mieszanki Mieszankę betonową wykonaną wg ww. receptur poddano badaniom konsystencji zgodnie z PN-EN 206-1 [5] następującymi metodami: 15
opadku stożka, VeBe, stolika rozpływowego. Podczas mieszania, w miarę zwiększania dozowania popiołu w mieszance, obserwowano zmniejszanie się urabialności. Wyniki badania konsystencji i gęstości mieszanek wg receptur 1-3 podano w tablicy 13. Tablica 13. Wyniki badania konsystencji mieszanki betonowej Receptura 0 1 2 3 Klasa konsystencji opad stożka [mm] 2 5 1 3 - Vebe [s] 13 11 15 14 V2 stolik rozpływ. [cm] 40x40 35x40 37,5x34 39x38 F2 gęstość [kg/m3] 2398 2396 2388 2368 receptura 1 receptura 2 receptura 3 Zdjęcie 3. Opad stożka mieszanki betonowej wg receptury 1-3 receptura 1 receptura 2 receptura 3 Zdjęcie 4. Badanie konsystencji mieszanki betonowej metodą stolika rozpływowego 16
Spostrzeżenia, wnioski, rekomendacje: Wyniki badania konsystencji mieszanki metodą VeBe i stolika rozpływowego pozwalają zaklasyfikować mieszankę betonową wszystkich receptur do klasy V2 i odpowiednio F2. Podczas badania na stoliku rozpływowym stwierdzono, że mieszanka jest sucha i rozsypuje się, zamiast rozpływać (zdj. 4). Badanie metodą opadu stożka (zdj. 3) potwierdza ten fakt, gdyż otrzymane wyniki są poza zakresem podanym w normie PN-EN 206-1 [5] (klasa S1: opad stożka 10-40mm). 5.2. Właściwości stwardniałego betonu Wykonaną mieszanką betonową napełniono formy sześcienne o boku 10cm. Po stwardnieniu próbki rozformowano i umieszczono w wannach z wodą o temp. 20±1 C, w której dojrzewały do momentu badania. Badanie wytrzymałości na ściskanie wykonano po 7 i 28 dniach dojrzewania próbek. Wyniki podano w tablicy 14 i na rys. 3. Tablica 14. Właściwości próbek betonowych po stwardnieniu Receptura 0 1 2 3 Liczba dni dojrzewania Gęstość [kg/m 3 ] Wytrz. na ściskanie [MPa] 7 2380 33,72 7 2364 32,69 28 2366 38,32 28 2387 39,65 7 2417 33,72 7 2386 32,69 28 2401 38,32 28 2399 39,65 7 2375 28,60 7 2358 28,57 28 2361 33,30 28 2385 36,90 7 2390 21,54 7 2408 21,60 28 2358 27,45 28 2345 26,91 Średnia wytrz. na ściskanie [MPa] 33,20 38,99 37,50 41,20 28,59 35,10 21,57 27,18 17
50,0 45,0 Wytrzymałość na ściskanie fc [MPa] 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 Rec. 1 Rec. 2 Rec. 3 Rec. 0 5,0 0 28 56 84 112 Czas dojrzewania [dni] Rysunek 3. Wytrzymałość na ściskanie próbek betonowych z udziałem popiołu lotnego w czasie dojrzewania Zdjęcie 5. Próbka betonu po badaniu wytrzymałości na ściskanie 18
Spostrzeżenia, wnioski, rekomendacje: Podczas badania wytrzymałoci na ściskanie uzyskano właściwe formy zniszczenia próbek, tj. w postaci dwóch połączonych stożków (zdj. 5). Podczas obserwacji próbek zauważono, że nie następowało wyłuskanie kruszywa z matrycy cementowo-popiołowej co świadczy o dobrej jej przyczepności do kruszywa. Analizując wyniki badania betonu w czasie dojrzewania można zaobserwować, że próbki zawierające 10% popiołu w spoiwie (rec. 1) wykazują większe wartości wytrzymałości niż próbki referencyjne (rec. 0). W przypadku wszystkich receptur betonu można odnotować przyrost wytrzymałości w czasie dojrzewania. Receptura 3 zawiera większą niż zalecana w normie PN-EN 206-1 [5] ilość popiołu w spoiwie (30% mas. cementu) dla cementu danej klasy wytrzymałości i wykazuje wzrost wytrzymałości w czasie. 6. Wnioski Wstępna ocena uzyskanych wyników badań wskazuje, że popiół lotny ze spalania węgla brunatnego poddany procesowi uzdatniania poprzez wstępną hydratację może znaleźć swoje zastosowanie we wszystkich trzech badanych polach: jako spoiwo do uzdatniania gruntu, w zawiesinie twardniejącej do formowania przesłon przeciwfiltracyjnych oraz do produkcji betonu. W przypadku wysokiego udziału popiołu w spoiwie (ok. 90%) należy liczyć się ze znacznie spowolnionym procesem hydratacji, a w związku z tym wydłużonym okresem twardnienia takiego spoiwa. Zawiesiny twardniejące opracowane na bazie tego popiołu spełniają typowe wymagania stawiane przesłonom stosowanym w budowie lub modernizacji wałów przeciwpowodziowych. Beton z udziałem popiołu lotnego po wstępnej hydratacji prezentuje właściwości zgodne z wymaganiami normy PN-EN 206-1 [5]. Jednak w celu poprawy urabialności mieszanki należałoby zastosować domieszkę uplastyczniającą lub upłynniającą. 19
7. Wykorzystane materiały [1] Kledyński Z., Rafalski L. Zawiesiny twardniejące. Wyd. PAN KILiW IPPT, Warszawa 2009. [2] PN-EN 196-1: Metody badania cementu. Część 1: Oznaczanie wytrzymałości. [3] PN-EN 196-2: Metody badania cementu. Część 2: Analiza chemiczna cementu. [4] PN-EN 196-3: Metody badania cementu. Część 3: Oznaczenie czasów wiązania i stałości objętości. [5] PN-EN 206-1: Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja I zgodność. [6] PN-EN 450-1: Popiół lotny do betonu. Część 1: Definicje, specyfikacje i kryteria zgodności. [7] PN-EN 451-2: Metoda badania popiołu lotnego. Oznaczanie miałkości przez przesiewanie na mokro. [8] PN-EN 1097-7: Badania mechanicznych i fizycznych właściwości kruszyw. Część 7: Oznaczanie gęstości wypełniacza. Metoda piknometryczna. [9] PN-EN 1538: Wykonawstwo specjalnych robót geotechnicznych. Ściany szczelinowe. [10] PN-85/G-02320: Wiertnictwo. Cementy i zaczyny cementowe do cementowania w otworach wiertniczych. [11] PN-EN 12390-2: Badania betonu. Część 2: Wykonywanie i pielęgnacja próbek do badań wytrzymałościowych. 20