Popílek v cementových a betonových směsích: Charakteristika a využití

Popílek je jemný prášek, který je vedlejším produktem spalování práškového uhlí v elektrárnách na výrobu elektřiny. Získává se elektrostatickým nebo mechanickým odlučováním prachových částic z kouřových plynů topenišť otápěných práškovým uhlím. Popílek je svou podstatou křemičitý nebo vápenatý.

Charakteristika popílku

Křemičitý popílek je jemný prášek převážně sestávající z kulových částic s pucolánovými vlastnostmi. Sestává zejména z aktivního oxidu křemičitého (SiO2) a oxidu hlinitého (Al203). Ve zbytku je pak obsažen oxid železitý (Fe203) a jiné sloučeniny. Vápenatý popílek je jemný prášek, který má hydraulické a/nebo pucolánové vlastnosti. Sestává zejména z aktivního oxidu vápenatého (CaO), aktivního oxidu křemičitého (SiO2) a oxidu hlinitého (Al203). Ve zbytku je pak obsažen oxid železitý (Fe2O3) a jiné sloučeniny. Partikulární tuhá fáze popílku má granulometrii 0 až 1000 mm a sypnou hustotu 750 až 950 kg/m3. Jedná se o chemicky inertní materiál, složení převážně SiO2 a Al2O3, s obsahem nedopalu maximálně 1% hm.

Z pohledu legislativy je popílek do betonu deklarován dle norem ČSN EN 450-1 a ČSN EN 450-2, případně jako filer do betonu dle ČSN EN 12620+A1. Dle platné normy ČSN EN 206+A1 je možné popílkem nahrazovat určitou část cementu (použití k-hodnoty). Popílek je pucolán, látka obsahující hlinitý a křemičitý materiál, který za přítomnosti vody tvoří cement. Po smíchání s vápnem a vodou tvoří popílek sloučeninu podobnou portlandskému cementu. Díky tomu je popílek vhodný jako základní materiál ve směsném cementu, mozaikových dlaždicích a dutých blocích, mezi jinými stavebními materiály.

Složky popílku

Částice popílku jsou složeny z nejrůznějších krystalů, mají sklovitou fázi, vykazují dutiny nebo zpěnění. Ze složek, které mohou přispět k hydraulické aktivitě, to jsou metakaolinit (velký povrch, aktivní k vápennému hydrátu), brownmillerit, síran vápenatý, bazické strusky bohaté na Al2O3, hlinitany vápenaté, CaO, MgO, alkalické soli. Neaktivními složkami jsou zpravidla křemen, kysličníky železa, uhličitany. Aktivní složky jsou aktivovány k hydrataci vápennými složkami cementu. Typy reakcí aktivních složek, které mohou probíhat ve vodním prostředí je celá řada.

Použití popílku v betonu a stavebnictví

Používání příměsí do betonů lze z historických i současných zkušeností označit jako jednoznačně přínosné, u určitých typů konstrukcí dokonce nezbytné. 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).

Čtěte také: Kreativní průvodce betonových hub

Historické využití popílku

Pokud budeme hodnotit začátky používání elektrárenského popílku jako příměsi pro výrobu betonu, je třeba se vrátit do počátku rozvoje transportbetonu v České republice, přesněji v tehdejším Československu. V roce 1967, v rámci budování základny pro výstavbu metra na Rohanském ostrově v Praze, byla uvedena do provozu plně automatizovaná betonárna italské firmy CIFA s výkonem 60 m3/hod. Rozhodnutí vedení n.p. Vodní stavby využít v max. Koncem roku 1974 byla uvedena do provozu druhá servisní betonárna CIFA Modřany. Zavedení technologie transportbetonu znamenalo novou organizaci výroby, dopravy a ukládání čerstvého betonu. V praxi to znamenalo značné rozšíření výroby betonu velmi měkké a hlavně tekuté konzistence.

Zpočátku bylo nutné věnovat značnou pozornost hladkému průběhu výroby, dopravy a především bezporuchovému čerpání při ukládání čerstvého betonu. Naopak byla opomenuta skutečnost, že se řada problémů řešila zvýšenou dávkou vody a samozřejmě i cementu. Při velkém nárůstu výroby pro ukládku čerstvého betonu pomocí čerpadel se objevil problém používání kvalitnějších betonů, než bylo stanoveno v projektu, a to pouze z důvodu umožnění hladkého čerpání, a tím snížení pracnosti a zrychlení průběhu betonáže (vysoké dávky cementu). Velmi brzy se také objevil požadavek na výrobu betonů nižších tříd a tzv. výplňových betonů (s požadavky na minimální pevnosti) pro ukládání pomocí čerpadel. Tyto požadavky samozřejmě otevíraly úvahy o potřebě použití příměsi popílku.

Problémy spojené s použitím, k těmto účelům vhodné příměsi (elektrárenského popílku), byly vyřešeny velice rychle, což umožnilo nejen úpravu určitého množství cementu a drobného kameniva, ale i podstatné zlepšení vlastností čerstvého betonu (homogenita, odolnost proti rozměšování při výrobě tekuté konzistence). Další technologií, kde byl použit popílek jako příměs do betonu, bylo provádění podzemních (milánských) stěn. Je třeba ještě dodat, že v té době byl velmi omezený výběr přísad do betonu. Jednalo se o odpadové lignosulfonany. Od roku 1969 byl na betonárně CIFA - Rohanský ostrov používán Plastifikátor S. Po zastavení výroby byl používán Ralentol, později Ligoplast. Proto se ve značném rozsahu výroby začal používat popílek jako spolupůsobící plastifikační přísada.

Současné aplikace a výzkum

V současné době není použití popílku na betonárnách nijak výjimečné, obecně lze říci, že je popílek používán všude tam, kde jen to možnosti výrobny čerstvého betonu dovolují. 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. 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, 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].

Čtěte také: komplexní přehled o transportu cementu

Výhody použití popílku

Při použití v betonových směsích zlepšuje popílek pevnost a segregaci betonu a usnadňuje čerpání. Popílek lze použít jako základní materiál v mnoha výrobcích na bázi cementu, jako je litý beton, betonové bloky a cihly. Přidáním popílku do betonu se ušetří hodně cementu a jemného kameniva, sníží se spotřeba vody; zlepšuje zpracovatelnost betonové směsi; zlepšuje čerpatelnost betonu; snižuje dotvarování betonu; hydratační teplo a tepelná roztažnost; zlepšuje nepropustnost betonu; zvyšuje modifikaci betonu. Popílek třídy C poskytuje jedinečné samotvrdnoucí vlastnosti a snižuje propustnost, což je zvláště užitečné v předpjatém betonu a dalších aplikacích, kde jsou vyžadovány vysoké počáteční pevnosti, a také při stabilizaci půdy.

Výhodou využití popílků spočívá zejména v jejich pucolánových vlastnostech, které vedou k delšímu průběhu růstu mechanických veličin, snižují křehnutí materiálu a smršťování materiálu. Je certifikován ve smyslu ČSN EN 450 Popílek do betonu. Pro další způsoby využití jsou technické parametry popílku stanoveny podnikovými normami. Roční produkce popílku činí přibližně 260 000 tun.

Stanovení k-hodnoty a indexu účinnosti pro elektrárenský popílek

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. 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.

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. Konzistence čerstvých malt se s vyšším množstvím popílku snižovaly. 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. Stanovené 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 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.

Čtěte také: Analýza cementu: Mangan a chemické složení

Tabulka: Vliv náhrady cementu popílkem na pevnost v tlaku cementových malt

Následující tabulka ilustruje, jak se mění pevnost v tlaku cementových malt v závislosti na procentu náhrady cementu elektrárenským popílkem v různých stáří.

Jak je patrné z tabulky, 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.

tags: #popilek #cementu #alpiq

Oblíbené příspěvky:

• Průvodce výběrem lepidla pro sádrové obklady
• Elegantní břidlicová deska
• Návod: Pokládka podložky pod plovoucí podlahu
• Vlastnosti a využití mrazuvzdorné dlažby
• Spodní frézka na dřevo: příslušenství