Ověření k-hodnoty pomocí trvanlivosti

1. Úvod

Použití aktivních příměsí do betonu je v dnešní době žádoucí zejména kvůli snížení použití portlandského slínku, při jehož výrobě vzniká velké množství CO₂, které následně uniká do atmosféry [1].

Elektrárenský popílek má vliv na vlastnosti čerstvého i ztvrdlého betonu. Například pevnost v tlaku betonu, ve kterém je část cementu nahrazena elektrárenským popílkem, je v počátečních stářích nižší než pevnost betonu bez popílku, ale v pozdějších stářích jsou pevnosti obou betonů téměř shodné. [2]. Z hlediska trvanlivosti má popílek mírně negativní vliv na mrazuvzdornost, ale má pozitivní vliv při rychlosti pronikání agresivních látek do betonu a následně korozi ocelové výztuže [3].

Použití aktivních příměsí do betonu v České republice řeší tzv. koncepce k-hodnoty dle normy ČSN EN 206+A2, kde je tato koncepce uvedena. Tato norma však neuvádí žádnou možnost stanovení k-hodnoty pro aktivní příměsi a samotná koncepce je zde popsána velmi obecně [4].

Vliv aktivních příměsí na vlastnosti betonu závisí na charakteru jednotlivých typů, době zrání betonu, vnějších podmínkách a dalších parametrech. Abychom vzali v úvahu všechny tyto vlivy už při návrhu betonu, koncepce k-hodnoty používá vztah mezi vodním součinitelem a pevností v tlaku. Pokud je splněna podmínka stejné pevnosti v tlaku, tak platí vztah (1) [5]:

(1)

kde je

w₀

vodní součinitel betonu bez příměsi

v

obsah vody v betonu s příměsí v kg/m³

c

obsah cementu v betonu s příměsí v kg/m³

p

obsah příměsí v kg/m³

k

k-hodnota.

Postup na stanovení k-hodnoty je uveden v CEN/TR 16639. Tento dokument se však v České republice nepoužívá. Při použití této metodiky se namíchají betony s různými vodními součiniteli bez aktivní příměsi a s aktivní příměsí. K-hodnota se stanoví z porovnání závislostí pevnosti v tlaku na vodním součiniteli testovaných směsí. Výsledkem není stanovení jedné k-hodnoty pro danou aktivní příměs, ale soubor k-hodnot závislých na vodním součiniteli [6]. Tato metoda ale nezohledňuje vliv aktivní příměsi na trvanlivost betonu.

2. Metodika provedených experimentů

V rámci experimentální práce byl použit cement CEM II/A-M 42,5 R a vysokoteplotní elektrárenský popílek Opatovice. Byly namíchány cementové malty s náhradami 0, 10, 20 a 30 % cementu elektrárenským popílkem Opatovice. V cementových maltách byl použit konstantní vodní součinitel 0,5 a množství cementu bylo použito stejné jako v EN 196-1: Metody zkoušení cementu – část 1: Stanovení pevnosti. Kamenivo bylo složeno ze tří frakcí tak, aby jeho křivka zrnitosti co nejvíce odpovídala křivce zrnitosti normalizovaného písku podle EN 196-1. Na cementových maltách byla zkoušena ve stáří 7, 28, 60 a 90 dní pevnost v tlaku dle EN 196-1, stanovení hloubky karbonatace dle EN 13295 a odolnost proti průsaku tlakovou vodou dle EN 12390 – 8. Receptury jsou uvedeny v Tab. 1.

Pomocí stanovených pevností v tlaku byla na základě vztahu vodního součinitele a pevnosti v tlaku stanovena k-hodnota. Vztah vodního součinitele a pevnosti v tlaku je popsán vzorcem (2) [7].

(2)

kde je

f_c

pevnost v tlaku v MPa

K

koeficient závislý na referenčním cementu v MPa

c

množství cementu v betonu v kg/m³

v

množství vody v betonu v kg/m³

a

koeficient závislý na stáří betonu.

Ověření k-hodnoty pomocí trvanlivosti bylo provedeno pomocí požadavků „Koncepce ekvivalentních vlastností betonu“. V této koncepci jsou uvedené limitní hodnoty změny d jako rozdíl v % od referenčního betonu, který vede k zamítnutí používání příměsi typu II s pravděpodobností 90 % z pohledu aspektu trvanlivosti betonu. Změny vlastností d cementové malty s elektrárenským popílkem nesmí přesáhnout limit 30% zhoršení.

3. Dosažené výsledky

V následujících grafech Graf 1 až 5 jsou uvedeny naměřené výsledky experimentální práce a stanovené k-hodnoty a indexy účinnosti.

Graf 1: Pevnost v tlaku cementových malt

Graf 2: Index účinnosti elektrárenského popílku

Graf 3: Hloubka karbonatace cementových malt

Graf 4: Hloubka průsaku tlakovou vodou cementových malt

Graf 5: k-hodnota pro elektrárenský popílek

4. Posouzení k-hodnoty pomocí trvanlivosti

Aspekty trvanlivosti lze posoudit dle následujících zkoušek trvanlivosti [6]:

1. Odolnost proti karbonataci
2. Odolnost proti průniku chloridů
3. Odolnost proti zmrazování a rozmrazovaní
4. Odolnost proti účinkům mořské vody
5. Odolnost proti působení síranů

V České republice není ovšem dle ČSN P 74 2404 povoleno použití elektrárenského popílku do expozičních tříd XF2-XF4. Z tohoto důvodu a z důvodu absence výskytu mořské vody v České republice jsou zkoušky mrazuvzdornosti a odolnosti proti účinkům mořské vody nahrazeny stanovením hloubky průsaku tlakovou vodou [8].

Pro každý druh působení agresivního prostředí jsou nastaveny limity změn, od kterých se beton nesmí lišit od referenčního betonu. CEN/TR 16639 uvádí limitní hodnoty změny d jako rozdíl v procentech od referenčního betonu, který vede k zamítnutí používání příměsi II. druhu s pravděpodobností 90 %, z pohledu aspektu trvanlivosti. Změny vlastností d zkoušeného betonu s příměsí nesmí překročit 30 % [6].

5. Diskuse výsledků

Z Graf 1 a 2 je patrné, že pevnosti v tlaku a indexy účinnosti jsou s portlandským směsným cementem vysoké již ve stáří 7 dní. Dále můžeme vidět, že ve vyšších stářích dosahuje referenční receptura, ve které je méně aktivních příměsí, vyšších pevností než cementové malty s další náhradou cementu elektrárenským popílkem.

Hloubka karbonatace je nejvyšší ve stáří 7 dní. V Graf 3 můžeme vidět, že až do stáří 28 dní je nejnižší pro referenční cementovou maltu, ovšem v delších stářích dochází pouze k zanedbatelným rozdílům hloubky karbonatace pro všechny receptury.

U hloubky průsaku tlakovou vodou je ve stáří 7 a 28 dní průběh podobný jako u karbonatace. U referenční receptury je hloubka průsaku tlakovou vodou nižší než u cementových malt s přidaným elektrárenským popílkem. Ovšem ve stáří 60 a 90 dní je hloubka průsaku tlakovou vodou nižší pro cementové malty s elektrárenským popílkem.

K-hodnoty stanovené podle vzorce 2 odpovídají průběhu pevností v tlaku, nejvyšší k-hodnoty jsou pro cementové malty s náhradou popílku 10 % a nejnižší s náhradou 30 %. Dále v Graf 5 můžeme vidět, že rozdíl stanovených k-hodnot pro jednotlivé náhrady elektrárenského popílku se s delším stářím zvyšuje. Z hlediska splnění aspektu trvanlivosti pro hloubku karbonatace dochází ke splnění požadavků CEN/TR 16639 pro všechny náhrady ve stáří 60 a 90 dní. U hloubky průsaku tlakovou vodou jsou splněny tyto požadavky také pro všechny náhrady popílku ve stáří 60 a 90 dní i pro 30% náhradu cementu elektrárenským popílkem ve stáří 28 dní.

6. Závěr

Cílem experimentální části bylo stanovení k-hodnoty pro elektrárenský popílek v náhradě 10, 20 a 30 % směsného portlandského cementu a její ověření pomocí aspektu trvanlivosti.

Dle dosažených výsledků pevnosti v tlaku můžeme vidět, že se směsným cementem nedochází k tak výraznému poklesu pevností v tlaku a indexů účinnosti ve stáří 7 a 28 dní jako při použití cementu CEM I.

Hloubka karbonatace a hloubka průsaku tlakovou vodou je ve stáří 7 a 28 dní nejnižší pro referenční cementovou maltu. U hloubky karbonatace dochází v pozdějších stářích k zanedbatelnému rozdílu hloubek karbonatace a v případě hloubky průsaku tlakovou vodou dochází ke snížení hloubky průsaku.

V obou případech zkoušení aspektu trvanlivosti byly pro receptury P10, P20 a P30 splněny aspekty trvanlivosti ve stáří 60 a 90 dní.

Pomocí dosažených výsledků lze usoudit, že stanovené k-hodnoty jsou vhodné pro návrh cementových malt pro expoziční třídy XC a XD. Pro širší použití v praxi je vhodné stanovené k-hodnoty ještě ověřit pomocí laboratorních zkoušek na betonu, ve kterém je část cementu nahrazena elektrárenským popílkem pro prostředí použití.

7. Zdroje

1. [LI, Chen, Xian Zheng GONG, Su Ping CUI, Zhi Hong WANG, Yan ZHENG a Bi Chuan CHI. CO₂ Emissions due to Cement Manufacture. Materials Science Forum [online]. 2011, 685, 181-187 [cit. 2022-11-04]. ISSN 1662-9752.
   https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.685.181
2. CHOUSIDIS, N., E. RAKANTA, I. IOANNOU a G. BATIS. Mechanical properties and durability performance of reinforced concrete containing fly ash. Construction and Building Materials [online]. 2015, 101, 810-817 [cit. 2021-7-27]. ISSN 09500618. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.10.127
3. HALSTEAD, Woodrow J. USE OF FLY ASH IN CONCRETE. Washington, D.C.: Transportation Research Board, 1986. ISBN 978-0-309-04401-1.
4. ČSN EN 206+A2. Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. Praha: Centrum technické normalizace, 2021.
5. TEPLÝ, Břetislav, Markéta CHROMÁ, Pavla ROVNANÍKOVÁ a Alfred STRAUSS. Probabilistic Modelling and the k-Value Concept. Key Engineering Materials [online]. 2014, 635, 198-203 [cit. 2022-11-04].
   https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.635.198. ISSN 1662-9795. Dostupné z:
   https://www.scientific.net/KEM.635.198
6. CEN/TR 16639: 2014 Technická normalizačná informácia „Použitie koncepcie k-hodnoty, koncepcie ekvivalentných vlastností betónu a kombinovanej koncepcie ekvivalentných vlastností betónu“
7. BADOGIANNIS, E., V.G. PAPADAKIS, E. CHANIOTAKIS a S. TSIVILIS. Exploitation of poor Greek kaolins: strength development of metakaolin concrete and evaluation by means of kvalue. Cement and Concrete Research [online]. 2004, 34(6), 1035-1041 [cit. 2023-09-29]. ISSN 00088846. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2003.11.014
8. ČSN P 73 2404, Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda – Doplňující informace. Praha: Centrum technické normalizace, 2021.

Poděkování

Příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu: FAST-J-23-8236 Možnosti posouzení k hodnoty aktivních příměsí s ohledem na trvanlivost.