Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Vliv částečné náhrady cementu zeolitem v provzdušněných betonech

Zeolity jsou přírodní suroviny, které obsahují vlastní zeolitické minerály, doprovázené řadou dalších složek, jako jsou živce, slídy, křemen a další. Tyto suroviny obsahují složky, které reagují s hydroxidem vápenatým. Mohly by tedy být považovány za vhodné aktivní příměsi do betonů, jako částečná náhrada cementu. V některých případech již není použití zeolitů jako aktivní příměsi do betonu efektivní, beton nedosahuje požadované vlastnosti a ekonomicky není beton zvýhodněn. Příspěvek je zaměřen na vlastnosti betonů s dvěma různými druhy přírodních zeolitů, které se liší mineralogickým složením, strukturou a granulometrií.

Úvod

Zeolity jsou přírodní suroviny, které obsahují vlastní zeolitické minerály, doprovázené řadou dalších složek, jako jsou živce, slídy, křemen a další. Tyto suroviny obsahují složky, které reagují s hydroxidem vápenatým, tedy by mohly být považovány za vhodné aktivní příměsi do betonů, jako částečná náhrada cementu. Reaktivita zeolitů s hydroxidem vápenatým je závislá na mnoha faktorech: struktuře zeolitů [1], mineralogickém složením, obsahu amorfní fáze [2], granulometrii a velikosti povrchu. Reaktivita zeolitů pak úzce souvisí s možností náhrady portlandského cementu v betonech. V publikovaných pracích je náhrada cementu přírodním zeolitem uváděna do 20 % [3, 4], vyšší dávky vedou k požadavku na velké množství záměsové vody, kterou pro dosažení potřebné konzistence betonu nelze snížit ani použitím velkých dávek plastifikačních přísad [5]. V těchto případech již není použití zeolitů jako aktivní příměsi do betonu efektivní, beton nedosahuje požadované vlastnosti a ekonomicky není beton zvýhodněn.

Příspěvek je zaměřen na vlastnosti betonů s dvěma různými druhy přírodních zeolitů, které se liší mineralogickým složením, strukturou a granulometrií.

Použité suroviny a metodika zkoušek

Obr. 1 Vzhled vzorku zeolitu Z200
Obr. 1 Vzhled vzorku zeolitu Z200
Obr. 2 Vzhled vzorku zeolitu Z2
Obr. 2 Vzhled vzorku zeolitu Z2

K výrobě betonů byl použit portlandský cement CEM I 42,5 R (Českomoravský cement a.s., Mokrá), kamenivo DTK 0–4 mm (Písek Žabčice, spol. s r. o.), kamenivo HDK 4–8 mm a 8–16 mm (Českomoravský štěrk, a.s. – kamenolom Olbramovice), plastifikační přísada SIKA Viscocrete 1035 a provzdušňovací přísada SIKA LPS-V. U čerstvého betonu byla stanovena konzistence metodou sednutí kužele dle ČSN EN 12350-2 a obsah vzduchu tlakovou metodou v souladu s ČSN EN 12350-7.

Tab. 1 Mineralogické složení zeolitů a jejich pucolánová aktivita
SložkaJednotkaZ200Z2
Klinoptilolit%44,57,4
Mordenit%4,8
Křemen%3,54,3
Cristobalit %9,211,7
Albite%2,67,5
Illit + slída%5,67,3
Ortoklas%4,1
Kaolinit%3,2
Sanidin%7,2
Amorfní fáze%34,542,5
Pucolánová aktivitamg Ca(OH)2 / 1 g zeolitu742,5705,0
Tab. 2 Granulometrie zeolitů
Zastoupení částicVelikost částic Z200
[µm]
Velikost částic Z2
[µm]
D102,9859,270
D5033,03131,721
D90163,123103,267

Cement byl v betonu částečně nahrazen v množství 7,5; 15; 22,5 a 30 % přírodními zeolity (Z200) a (Z2). Vzhled vzorků zeolitů je na obr. 1 a 2. Vzorek Z200 má členitý povrch zrn, zatímco vzorek Z má povrch zrn hladký. Mineralogické složení zeolitů a jejich pucolánová aktivita jsou uvedeny v tabulce 1. Pucolánová aktivita byla stanovena upraveným Chapelleho testem, spočívajícím v reakci zeolitu s hydroxidem vápenatým po dobu 24 hodin v tlakové nádobce při teplotě 93 °C. Nezreagovaný hydroxid vápenatý byl stanoven sacharátovou metodou. Pucolánová aktivita je vyjádřena v mg Ca(OH)2, který zreagoval s 1 g zeolitu.

Na obou použitých zeolitech byla dále stanovena granulometrie laserovým analyzátorem Mastersizer 2000E System EPA5011 (fy Malvern). Výsledky z měření velikosti částic jsou uvedeny v tabulce 2 a graficky je rozložení velikosti částic zeolitů znázorněno na obr. 3 a 4, kde je jasně patrný rozdíl obou zeolitů z pohledu rozložení velikosti částic.

Obr. 3 Granulometrie zeolitu Z200
Obr. 3 Granulometrie zeolitu Z200
Obr. 4 Granulometrie zeolitu Z2
Obr. 4 Granulometrie zeolitu Z2

Z jednotlivých receptur, uvedených v tabulce 3, byla vyrobena zkušební tělesa v potřebném počtu a rozměrech pro stanovení požadovaných vlastností. Všechna tělesa byla uložena do doby zkoušení ve vodní lázni při teplotě 20±2 °C v souladu s ČSN EN 12390-2. Na jednotlivých tělesech byla stanovena pevnost v tlaku po 7, 28 a 90 dnech podle ČSN EN 12390-3, modul pružnosti ve stáří 28 dnů dle ČSN ISO 6784. Dále byla stanovena hloubka průsaku tlakovou vodou po 28 dnech podle ČSN EN 12390-8, odolnost proti CHRL metodou A podle normy ČSN 73 1326 a mrazuvzdornost podle ČSN 73 1322.

Tab. 3 Složení betonů a vlastnosti v čerstvém stavu
Složení betonu na 1 m3REFZ-7,5Z-15Z-22,5Z-30Z2-7,5Z2-15Z2-22,5Z2-30
Cement [kg]389360331301272360331301272
Zeolit Z200 [kg]0295888117
Zeolit Z2 [kg]295888117
Kamenivo 0–4 mm [kg]889889889889889889889889889
Kamenivo 4–8 mm [kg]210210210210210210210210210
Kamenivo 8–16 mm [kg]679679679679679679679679679
Voda [kg]140155162168182190220250270
Plastifikátor [kg]4,004,004,004,004,004,004,004,005,00
Provzdušňovací přísada [kg]0,640,640,640,640,640,800,800,801,00
Konzistence sednutím kužele [mm]14014014010010060605040
Obsah vzduchu v čerstvém betonu [%]4,14,55,85,66,46,34,14,03,5

Výsledky a diskuse

Z pohledu mineralogického složení jsou v zeolitech kromě vlastních zeolitických minerálů obsaženy další složky, a to jak krystalické, tak i amorfní. Složení zeolitů se liší obsahem zeolitických minerálů, Z200 obsahuje pouze klinoptilolit v množství 44,5 %, zeolit Z2 má nízký obsah zeolitických minerálů – klinoptilolitu a mordenitu, a to 12,2 %. Zeolity se liší také obsahem amorfní fáze, Z2 má vyšší obsah o 8 %. Pucolánovou aktivitu má nevýrazně vyšší Z200, a to pravděpodobně v důsledku značně vyššího obsahu klinoptilolitu, přestože má nižší obsah amorfní fáze. Průběh reakce je pravděpodobně ovlivněn také charakterem povrchu zrn.

V důsledku rozdílných charakteristik obou zeolitů docházelo k významnému ovlivnění vlastností betonu, a to jak v čerstvém, tak i ztvrdlém stavu. V případě čerstvého betonu bylo velmi problematické s vyššími dávkami zeolitu dosáhnout potřebné konzistence, především se zeolitem Z2, kde je více jemných částic.

Obr. 5 Pevnost v tlaku po 7, 28 a 90 dnech
Obr. 5 Pevnost v tlaku po 7, 28 a 90 dnech

Pevnost betonu v tlaku byla stanovena společně s objemovou hmotností, a to po 7, 28 a 90 dnech. Z obr. 5 je vidět zvyšování pevností v čase, kdy v případě betonu se zeolitem Z200 bylo dosaženo výrazně vyšších pevností, než u betonu se zeolitem Z2. Zásadním důvodem, který vedl k nižším pevnostem z pohledu srovnání obou betonů, je především množství použité záměsové vody, které souvisí s granulometrií zeolitu. Odlišné rozložení velikosti částic a jejich procentuální zastoupení vede k rozdílnému měrnému povrchu materiálu, a tím i k rozdílné náročnosti na záměsovou vodu. V případě betonu se zeolitem Z2 bylo neúměrně navýšeno množství vody, aby bylo možné čerstvý beton zpracovat. K eliminaci tohoto efektu nevedlo ani navyšovaní plastifikační přísady.

Obr. 6 Průsak tlakovou vodou po 28 dnech
Obr. 6 Průsak tlakovou vodou po 28 dnech

V případě betonu se zeolitem Z200 je vidět výraznější zvýšení pevností po 90 dnech, což potvrzjuje předpoklad, že lze zeolitem nahradit část portlandského cementu. V případě betonu se zeolitem Z200 (v grafu ozn. Z) se, při nahrazení 7,5 až 22,5 % cementu zeolitem, pevnost v tlaku po 90 dnech blížila referenčnímu vzorku, v němž byl použit pouze portlandský cement. V případě betonu se zeolitem Z2 jsou pevnosti v tlaku nižší v důsledku vyššího množství záměsové vody, která ve vyšších dávkách vede ke snížení pevností v tlaku v důsledku vzniklých kapilárních pórů. Tomuto napovídají také výsledky ze zkoušky průsaku tlakovou vodou, které jsou znázorněny na obrázku 6.

Obr. 7 Modul pružnosti po 28 dnech
Obr. 7 Modul pružnosti po 28 dnech

Beton se zeolitem Z2 má výrazně vyšší průsaky tlakové vody, než je tomu u betonů se zeolitem Z200. Naopak velmi nízkých průsaků bylo dosaženo u betonů se zeolitem Z200 při nahrazení cementu v množství 7,5 až 22,5 %, kde jsou nižší průsaky tlakové vody než u referenčního vzorku a jsou pod hranicí 20 mm. Zde lze poukázat na pozitivní vliv zeolitu jako příměsi do betonu, protože vede k zlepšení vodotěsnosti betonu. To má pozitivní vliv i v oblasti trvanlivosti, kdy je zabráněno vnikání agresivních látek do betonu při transportu vlhkosti.

Dále byl stanoven statický modul pružnosti, který u betonů klesal s roustoucí náhradou cementu zeolitem. Velmi dobrých výsledků bylo dosaženo i s dávkou zeolitu Z200 do 15 %, kdy byly hodnoty modulů pružnosti nad hranicí 30 GPa. Stanovené moduly pružnosti po 28 dnech jsou znázorněny v grafu na obrázku 7.

Obr. 8 Odpad betonu při zkoušce CHRL po 28 dnech
Obr. 8 Odpad betonu při zkoušce CHRL po 28 dnech

Vyrobené betony s příměsí obou zeolitů byly podrobeny také zkoušce odolnosti betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek (CHRL) metodou A dle ČSN 73 1326. Výsledky zkoušky CHRL jsou znázorněny v grafu na obrázku 8, kde jsou zachyceny jednotlivé odpady po 25 zmrazovacích cyklech, celkem bylo provedeno 100 zmrazovacích cyklů. Všechny betony se zeolitem Z200 i beton referenční vyhověly hranici odpadu 1000 g‧m−2. Betony se zeolitem Z2 vyhověly této hranici odpadu pouze při náhradě 7,5 % cementu. Ve vyšších dávkách byly odpady vysoké a došlo až k rozpadu povrchu betonu zatěžovaného zmrazovacími cykly. Tento jev je opět přisuzován velkému množství záměsové vody v případě betonů se zeolitem Z2.

Obr. 9 Koeficient mrazuvzdornosti
Obr. 9 Koeficient mrazuvzdornosti

Posledním sledovaným parametrem analyzovaných betonů, bylo stanovení koeficientu mrazuvzdornosti. Při pohledu na graf na obrázku 9 je vidět, že všechny betony se zeolitem Z200 vyhověly požadavku mrazuvzdornosti (koeficent mrazuvzornosti > 0,75) při 100 zmrazovacích cyklech, kde nepatrný pokles byl u betonu, kde bylo nahrazeno 22,5 % cementu. V případě betonů se zolitem Z2 nevyhověly požadavku na mrazuvzdornost betony s náhradou cementu 15 % a 30 %, kdy došlo k částečnému rozpadu zkušebních těles.

 

Závěr

Na základě stanovených vlastností použitých zeolitů a sledování jejich vlivu na vlastnosti betonů, v nichž byla část cementu nahrazována zeolitem, lze považovat zeolit za příměs vhodnou do betonu. V mnoha ohledech má pozitivní vliv na sledované vlastnosti, jako je úspora cementu, zlepšení vodotěsnosti a nedochází ani k výraznému snižování mechanických vlastností. Jak se ukázalo z výše prezentovaných výsledků, velmi pozitivní vliv byl zaznamenán v případě použití zeolitu Z200, který výrazně nezvyšoval potřebné množství záměsové vody pro dosažení požadované zpracovatelnosti. Betony se zeolitem Z2, kde bylo při výrobě zkušebních těles nutné podstatně zvýšit množství záměsové vody, vykázaly horší vlastnosti v porovnání s referenčním vzorkem. Důvodem rozdílných vlastností betonů o shodném složení lze spatřovat především v rozdílné granulometrii zeolitů. Vyšší zastoupení menších částic v zeolitu Z2 vedlo k požadavku na zvýšení záměsové vody, které i přes použití plastifikačních přísad nebylo možno snížit na přijatelnou hranici. Vzhledem k mineralogickému složení a hodnotě pucolánové aktivity zeolitu Z2 lze předpokládat, že při optimalizaci křivky zrnitosti bude i tento zeolit vhodnou aktivní příměsí částečně nahrazující cement v betonu.

Poděkování

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.

Literatura

  • [1] Caputo. D., Liguori, B., Colella, C. Some advances in understanding the pozzolanic activity of zeolites: The effect of zeolite structure. Cement & Concrete Composite, Vol. 30, 2008, 455–462.
  • [2] Türkmenoglu, A. G., Tankut, A. Use of tuffs from central Turkey as admixture in pozzolanic cements. Assessment of their petrographical properties. Cement and Concrete Research, Vol. 32, 2002, 629–637.
  • [3] Perraki, T., Kontori, E., Tsivilis, S., Kakali, G. The effect of zeolite on the properties and hydration of blended cements. Cement & Concrete Composites, Vol. 32, 2010, 128–133.
  • [4] Poo, C. S., Lam, L., Kou, S. C., Lin, Z. S. A study on the hydration rate of natural zeolite blended cement pastes. Construction and Building Materials, Vol. 13, 1999, 427–432.
  • [5] Sedlmajer, M., Ondráček, M., Rovnaníková, P. Vlastnosti betonu s využitím přírodního zeolitu. Stavební obzor, č. 1, 2013, 6–9.
 
Komentář recenzenta doc. Ing. Jiří Dohnálek, CSc., autorizovaný inženýr a soudní znalec

Příspěvek popisuje poměrně obsáhlý experimentální program, který ověřuje možnosti a limity náhrady cementu jako pojiva přírodními zeolity. Zeolity jsou hlinitokřemičitany ze skupiny tektosilikátů a jejich světová těžba se ročně uvádí na úrovni cca 3 milionů tun. Významná část těžby se realizuje v Číně, dále pak v Japonsku, Spojených státech, Turecku a Jižní Koreji.
Použití zeolitů souvisí s jejich specifickou strukturou zejména průchozími kanálky v krystalech o průměru několika desetin mikrometrů. Zeolity se proto používají mimo jiné jako molekulová síta při likvidaci radioaktivních odpadů, jsou součást hnojiv v zemědělství, při čištění vzduchu a současně jako přísada do betonu, resp. cementu. V této souvislosti by bylo nepochybně pro čtenáře zajímavé uvést, z jaké lokality oba použité zeolity pocházejí.
Samotný experimentální program je logicky zformulovaný a profesionálně provedený. Podstatné je, že se kromě standardních mechanických vlastností betonu soustředil i na další podstatné funkční vlastnosti, jako je modul pružnosti, vodotěsnost a zejména pak mrazuvzdornost betonu. Ta byla stanovena podle obou dnes používaných norem, tedy jak ČSN 73 1326, tak ČSN 73 1322.
Užitečnou informací pro čtenáře je, že měrný povrch příměsi, resp. granulometrie, může podstatně ovlivňovat použitelnost příměsi v betonové směsi. Jak ukázalo porovnání, bylo nezbytné u zeolitu Z 2 zvýšit podstatně dávku záměsové vody, aby bylo dosaženo přijatelné zpracovatelnosti betonové směsi, což vedlo ke zvýšení vodního součinitele a obecně ke zhoršení většiny materiálových parametrů.
Samotné výsledky jsou velmi cenné, protože kvantitativně umožňují posoudit limity substituce cementu touto příměsí. Podobně jako v případě popílku, jak ukázaly experimenty v minulých desetiletích, leží horní hranice substituce na úrovni cca 20 %.
Přesto i tato náhrada je pro průmyslové využití zajímavá, protože umožňuje byť částečně snížit energetickou náročnost výroby směsného/kompozitního cementu a nepřímo tak snížit i emise skleníkových plynů.
Za účelné pro další experimenty bych považoval ověření dlouhodobého vývoje vlastností v horizontu 180 až 365 dnů a dále pak ověření objemových změn – smrštění betonu s příměsí zeolitů.

English Synopsis
Effect of partial replacement of cementitious material zeolite in aerated concretes

The article deals with the properties of concrete with two natural zeolites as a the supplementary cementitious material. The determined parameters bring the findings of basic mechanical propeties and frost resistance of aerated concretes with zeolites. The results of properties of concrete with two different kind of zeolite are compared to reference concrete without zeolite. Concrete with zeolite Z2 showed worse properties due to finer particles.

 
 
Reklama