za gradbeništvo in geodezijo
DIPLOMSKA NALOGA
UNIVERZITETNI ŠTUDIJSKI PROGRAM PRVE STOPNJE GRADBENIŠTVO
Ljubljana, 2021
Hrbtna stran: 2021
LUKA KONDIĆ
VPLIV ČRNE JEKLARSKE ŽLINDRE NA LASTNOSTI MASIVNIH BETONOV
KONDIĆ LUKA
Kandidat/-ka:
Mentor/-ica: Predsednik komisije:
Somentor/-ica:
Član komisije:
Ljubljana, _____________
Diplomska naloga št.:
Graduation thesis No.:
LUKA KONDIĆ
VPLIV ČRNE JEKLARSKE ŽLINDRE NA LASTNOSTI MASIVNIH BETONOV
INFULENCE OF BLACK STEEL SLAG ON THE PROPERTIES OF MASSIVE CONCRETE
prof. dr. Violeta Bokan-Bosiljkov
III STRAN ZA POPRAVKE
Stran z napako Vrstica z napako Namesto Naj bo
IV
»Ta stran je namenoma prazna.«
V BIBLIOGRAFSKO-DOKUMENTACIJSKA STRAN Z IZVLEČKOM
UDK: 691.3(043.2) Avtor: Luka Kondić
Mentorica: prof. dr. Violeta Bokan-Bosiljkov, univ. dipl. inž. grad.
Naslov: Vpliv črne jeklarske žlindre na lastnosti masivnih betonov Tip dokumenta: diplomska naloga-univerzitetni študij
Obseg in oprema: 61 str., 20 pregl., 13 sl., 6 graf., 6 en.
Ključne besede: črna jeklarska žlindra, masivni betoni, vplivi agregata iz črne jeklarske žlindre
Izvleček:
Črna jeklarska žlindra je stranski produkt pri proizvodnji jekla, ki ob primerni predelavi kaže velik potencial za nadaljnjo uporabo v betonskih kompozitih. V sklopu diplomske naloge smo opravljali preiskave na agregatu iz črne jeklarske žlindre in na betonskih kompozitih, ki smo jim odvzeli del naravnega agregata in ga nadomestili prav z agregatom iz črne jeklarske žlindre. Zamešali smo tudi referenčno betonsko mešanico, ki je vsebovala samo naravni agregat, tako da smo lahko v nadaljevanju rezultate med seboj primerjali in jih analizirali. Vse preiskave smo opravili v prostorih Konstrukcijsko- prometnega laboratorija Fakultete za gradbeništvo in geodezijo Univerze v Ljubljani.
VI
»Ta stran je namenoma prazna.«
VII BIBLIOGRAPHIC-DOCUMENTALISTIC INFORMATION AND ABSTRACT
UDC: 691.3(043.2) Author: Luka Kondić
Supervisor: assoc. prof. Violeta Bokan-Bosiljkov, Ph.D.
Title: Influence of black steel slag on the properties of massive concretes Document type: graduation thesis – university studies
Scope and tools: 61 p., 20 tab., 13 fig., 6 sch., 6 eq.
Key words: black steel slag, massive concretes, influence of black steel slag aggregate
Abstract:
Black steel slag is a by-product in steel production industry, which when it is properly processed, shows great potential for further use in concrete composites. As a part of diploma thesis, we performed investigations on black steel slag and concrete composites, from which we removed part of the natural aggregate and replaced it with black steel slag aggregate. We also prepare the reference mixture, which contained only natural aggregate, so that we were able to compare properties and analyze influence of the black steel slag aggregate on the concrete performance. All investigations were performed in the premises of the Faculty of civil and geodetic engineering of University of Ljubljana.
VIII
»Ta stran je namenoma prazna.«
IX ZAHVALA
Iskreno se zahvaljujem mentorici prof. dr. Violeti Bokan-Bosiljkov in gospodu Franciju Čeponu za pomoč pri izdelavi diplomske naloge.
Ob tem bi se rad zahvalil tudi staršema, ki sta me podpirala vsa študijska leta.
X
»Ta stran je namenoma prazna.«
XI KAZALO VSEBINE
STRAN ZA POPRAVKE ... III BIBLIOGRAFSKO-DOKUMENTACIJSKA STRAN Z IZVLEČKOM ... V BIBLIOGRAPHIC-DOCUMENTALISTIC INFORMATION AND ABSTRACT ... VII ZAHVALA ...IX
1 UVOD ... 21
1.1 Uvod v problematiko ... 21
1.2 Namen diplomske naloge ... 21
2 ŽLINDRA ... 22
2.1 Zgodovina ... 22
2.2 Pravni status žlindre ... 22
2.2.1 Uredba o odpadkih, Uradni list RS, št. 37/15, 69/15 in 129/20... 23
2.2.1.1 Vsebina in namen ... 23
2.2.1.2 Odpadek, stranski proizvod in prenehanje statusa odpadka ... 23
2.2.1.2.1 Stranski proizvod ... 24
2.2.1.2.2 Odpadek... 24
2.2.1.2.3 Pogoji za prenehanje statusa odpadka ... 24
2.3 Metalurška žlindra ... 25
2.3.1 Delitev metalurških žlinder ... 25
2.3.2 Jeklarska žlindra ... 25
2.3.2.1 Jeklarska žlindra iz elektroobločnih peči ... 25
2.3.2.1.1 Vrste ... 26
2.3.1.1.2 Pridobivanje in nastanek ... 26
2.3.1.1.3 Ohlajanje ... 28
2.3.1.1.4 Lastnosti ... 28
2.3.1.1.5 Predelava v agregat ... 28
2.3.3 Uporaba in količine pridelave ... 29
3 AGREGAT ... 30
3.1 Zgodovina ... 30
3.2 Definicija ... 31
3.3 Uporaba ... 31
3.3.1 Vloga agregata v betonskih kompozitih... 31
3.4 Klasifikacija ... 33
3.4.1 Izvor ... 33
3.4.1.1 Naravni agregati ... 33
3.4.1.2 Umetni agregati ... 33
XII
3.4.1.2.1.1 Lastnosti ... 33
3.4.1.2.1.2 Kemična sestava ... 34
3.3.1.2.1.3 Mineralna sestava... 34
3.3.1.2.1.4 Mehansko-fizikalne lastnosti... 35
3.3.1.2.1.5 Uporaba v konstrukcijski industriji ... 35
3.3.1.2.1.5.1 Konstrukcijski beton ... 35
3.3.1.2.1.6 Nadzor kakovosti ... 36
4 MASIVNI BETON ... 37
4.1 Definicija ... 37
4.2 Problematika... 37
4 EKSPERIMENTALNO DELO ... 38
4.1 Uvod ... 38
4.2 Namen preiskav ... 38
4.3 Preiskave črne jeklarske žlindre ... 38
4.3.1 Vlažnost ... 38
4.3.2 Vpijanje vode ... 39
4.4 Preiskave betonskih kompozitov ... 40
4.4.1 Vgrajeni materiali ... 40
4.4.1.1 Naravni agregat... 40
4.4.1.2 Cement... 40
4.4.1.3 Voda ... 40
4.4.1.4 Žlindrin agregat ... 40
4.4.1.5 Dodatki ... 40
4.4.2 Recepture mešanic betonskih kompozitov ... 40
4.4.2.1 MB-2 ... 41
4.4.2.2 MB-6 ... 41
4.4.2.3 MB-8 ... 41
4.4.3 Priprava kompozitov... 42
4.4.4 Preiskave kompozitov ... 42
4.4.4.1 Preiskave svežega betona ... 42
4.4.4.1.1 Preiskava konsistence – metoda s posedom ... 42
4.4.4.1.2 Prostorninska masa svežega betona ... 43
4.4.4.3 Preiskave strjenega betona ... 43
4.4.4.3.1 Negovanje preizkušancev ... 43
4.4.4.3.2 Gostota strjenega preizkušanca ... 44
4.4.4.3.3 Tlačna trdnost ... 44
XIII
4.4.4.3.4 Sekantni modul elastičnosti ... 45
4.4.4.3.5 Dinamični modul elastičnosti ... 46
5 REZULTATI IN ANALIZA ... 47
5.1 Preiskave črne jeklarske žlindre ... 47
5.1.1 Vlažnost ... 47
5.1.2 Vpijanje vode ... 47
5.2 Preiskave kompozitov ... 48
5.2.1 Preiskave svežega betona ... 48
5.2.1.1 Metoda s posedom ... 48
5.2.1.2 Prostorninska masa svežega betona ... 49
5.2.3 Preiskave strjenega betona ... 50
5.2.3.1 Gostota strjenega betona ... 50
5.2.3.2 Tlačne trdnosti preizkušancev ... 51
5.2.3.3 Statični in dinamični modul elastičnosti ... 54
6 ZAKLJUČEK... 57
7 VIRI ... 59
XIV
»Ta stran je namenoma prazna.«
XV KAZALO SLIK
Slika 1: Črna jeklarska žlindra [4] ... 26
Slika 2: Proizvodni proces pridobivanja jekla po metodi »elektroobločne peči« [29] ... 26
Slika 3: Elektroobločna peč [4] ... 27
Slika 4: Postopek predelave surove žlindre v agregat [29] ... 29
Slika 5: Količine proizvodnje posameznih vrst jeklarske žlindre [10]. ... 29
Slika 6: Področja uporabe jeklarske žlindre [10]. ... 30
Slika 7: Prostorninski delež sestavin v svežem betonu [14]. ... 31
Slika 8: Prostorninski delež sestavin v strjenem betonu [14]. ... 32
Slika 9: Vzorec črne jeklarske žlindre [lastni vir, 2021] ... 39
Slika 10: Priprava sestavin za suho mešanje [lastni vir, 2020] ... 42
Slika 11: Porušitev preizkušanca z agregatom iz črne jeklarske žlindre [lastni vir, 2020] ... 45
Slika 12: Porušitev preizkušanca brez agregata iz črne jeklarske žlindre [lastni vir, 2020] ... 45
Slika 13: Preiskave sekatnega modula elastičnosti [lastni vir, 2020] ... 46
XVI
»Ta stran je namenoma prazna.«
XVII KAZALO GRAFIKONOV
Grafikon 1: Prostorninska masa svežega betona ... 49
Grafikon 2: Gostota strjenega betona ... 51
Grafikon 3: Tlačne trdnosti kompozitov... 52
Grafikon 4: Tlačne trdnosti kompozitov... 53
Grafikon 5: Statični modul elastičnosti v odvisnosti od časa... 55
Grafikon 6: Dinamični modul elastičnosti ... 56
XVIII
»Ta stran je namenoma prazna.«
XIX KAZALO PREGLEDNIC
Preglednica 1: Kemična sestava oksidov v črni jeklarski žlindri [4]. ... 34
Preglednica 2: Prednosti in slabosti agregata iz črne jeklarske žlindre za konstrukcijske namene [7] . 36 Preglednica 3: Prostorninski deleži agregata v mešanici MB-2 ... 41
Preglednica 4: Prostorninski deleži agregata v mešanici MB-6 ... 41
Preglednica 5: Prostorninski deleži agregata v mešanici MB-8 ... 41
Preglednica 6: Vlažnost žlindrinega agregata, vgrajenega v mešanico MB-8 ... 47
Preglednica 7: Vlažnost žlindrinega agregata, vgrajenega v mešanico MB-6 ... 47
Preglednica 8: Vpijanje vode žlindrinega agregata, vgrajenega v mešanico MB-8 ... 47
Preglednica 9: Vpijanje vode žlindrinega agregata, vgrajenega v mešanico MB-6 ... 47
Preglednica 10: Rezultati meritev konsistence sveže betonske mešanice ... 48
Preglednica 11: Rezultati meritev prostorninske mase svežega betona ... 49
Preglednica 12: Rezultati meritev prostorninske mase betona pri času t = 1 dan ... 50
Preglednica 13: Rezultati meritev prostorninske mase betona pri času t = 7 dni ... 50
Preglednica 14: Rezultati meritev prostorninske mase betona pri času t = 24 dni ... 50
Preglednica 15: Rezultati meritev tlačnih trdnosti betona pri času t = 1 dan ... 52
Preglednica 16: Rezultati meritev tlačnih trdnosti betona pri času t =7 dni ... 52
Preglednica 17: Rezultati meritev tlačnih trdnosti betona pri času t = 28 dni ... 52
Preglednica 18: Rezultati meritev modulov elastičnosti betona pri času t = 1 dan ... 54
Preglednica 19: Rezultati meritev modulov elastičnosti betona pri času t = 7 dni ... 54
Preglednica 20: Rezultati meritev modulov elastičnosti betona pri času t = 28 dni ... 55
20
»Ta stran je namenoma prazna.«
21 1 UVOD
1.1 Uvod v problematiko
Današnji vse hitrejši razvoj gospodarstva in naraščanje človekovih potreb zahtevata vse večje izkoriščanje naravnih virov in s tem degradiranje okolja. Da bi naravne vire ohranili tudi za naslednje generacije in jim zapustili minimalno degradirano okolje, moramo z njimi gospodariti racionalno in poskušati najti alternativne vire, ki bi jih lahko nadomestili. To še posebej velja za področje gradbeništva, kjer porabimo velike količine naravnih agregatov, ki veljajo že vrsto let za osnovno surovino v graditeljstvu. Na drugi strani imamo industrijo, ki proizvaja velike količine industrijskih stranskih produktov, kot del proizvodnega procesa in se jim ni mogoče izogniti, ob tem pa so še negospodarni, saj zahtevajo ustrezno predelavo in deponiranje. Stranski produkti različnih industrij, če so ustrezno obdelani, lahko predstavljajo sekundarne surovine za gradbeništvo. Črna jeklarska žlindra sodi v skupino sekundarnih surovin, ki v gradbeništvu kažejo velik potencial za alternativo naravnim agregatom. Če nam znanje o žlindri in njenih lastnostih dopušča, bi lahko ta ob ustrezni predelavi prevzela sedanjo vlogo naravnih surovin v graditeljstvu in s tem stopnjo recikliranja dvignila na višjo raven.
1.2 Namen diplomske naloge
Namen diplomske naloge je bil ugotoviti, kakšen vpliv ima črna jeklarska žlindra na lastnosti masivnih betonov. V okviru diplomske naloge smo na Fakulteti za gradbeništvo in geodezijo v Ljubljani izvedli preiskave v Konstrukcijsko-prometnem laboratoriju (KPL), kjer smo preiskovali agregat iz črne jeklarske žlindre, lastnosti svežega betona in pa mehanske lastnosti strjenega betona pri različnih starostih. Preiskave smo izvajali na betonih, ki smo jim 50-odstotni delež naravnega agregata odvzeli in ga zamenjali z agregatom iz črne jeklarske žlindre. Da bi lahko rezultate ustrezno primerjali, smo zamešali tudi referenčno mešanico enake sestave, ki je vsebovala samo naravni agregat. Vse mešanice smo projektirali z enakim vodo-cementnim razmerjem in z enako vrsto hidravličnega veziva.
22
2.1 Zgodovina
Žlindra sama je stara toliko, kot je stara proizvodnja železa, ki se je začela približno 2000 let pr. n. št.
Prve raziskave o uporabi žlindre pripadajo grškemu filozofu Aristotelu, ki je približno 300 let pr. n. št.
izjavil, da bi jo lahko uporabljali za potrebe medicine. V naslednjih stoletjih so žlindro uporabljali predvsem za izdelavo topovskih krogel, pristaniških objektov in cest [1].
Nova era na področju uporabe žlindre se je začela leta 1862, ko je raziskovalec Emil Langen odkril cementne lastnosti mlete granulirane plavžne žlindre v stiku z vodo in njeno latentno hidravlično aktivnost, a kjub temu so bili rezultati raziskav tako zelo raztreseni, da žlindra vse do 20. stoletja ni prešla v široko uporabo. To potrjuje tudi dejstvo, da je bila večina preiskav na tem področju narejenih pred kratkim [1].
Prvi poskusi uporabe metalurške žlindre na slovenskih tleh segajo v sedemdeseta in osemdeseta leta prejšnjega stoletja. Takrat so uporabljali predvsem žlindro iz Siemens-Martinove peči, ki je služila predvsem za izdelavo vezanih in nevezanih nosilnih plasti vozišč ter nasipov pod objekti. Zaradi pomanjkanja znanja o lastnostih in obdelavi so uporabo hitro opustili, saj je žlindra sčasoma postala dimenzijsko nestabilna, kar je povzročilo poškodbe na cestiščih in objektih. Vse dokler strokovnjaki niso prišli do zaključkov o pravilni uporabi žlindre v gradbeništvu, je ta veljala za odpadek, s katerim jo številni enačijo še danes [2].
Okoljska ozaveščenost, koncept trajnostnega razvoja in seveda potreba po recikliranju stranskih proizvodov so vodili v hiter razvoj znanja o mogočih aplikacijah žlindre. V zadnjih stotih letih so rezultati raziskav pokazali, da ima žlindra največje možnosti za uporabo na področju agregatov za nasipe ter kot dodatek pri proizvodnji cementa in betona [1].
2.2 Pravni status žlindre
Pravni status žlindre po več kot petindvajsetih letih razglabljanj še vedno ni povsem jasno določen.
Ključna vprašanja in dileme med državami članicami EU potekajo o tem, ali je žlindra odpadek ali stranski proizvod in kdaj odpadek postane uporaben proizvod. Države članice EU še vedno različno klasificirajo žlindro kljub EU Direktivi o ravnanju z odpadki 2008/98/ES, ki jasno definira, kaj je stranski proizvod in kdaj odpadek postane uporaben proizvod [3].
23 EU Direktiva o ravnanju z odpadki 2008/98/ES, ki je v slovenski pravni red prenesena z Uredbo o odpadkih, predstavlja področje nastajanja in ravnanja z odpadki oz. varovanje okolja. Direktiva v prvi vrsti spodbuja preprečevanje nastajanja odpadkov in določa petstopenjsko hierarhijo glede ravnanja z odpadki [4].
Pristop Evropske komisije k reševanju problema z odpadki in zmanjševanju njihovega vpliva na okolje temelji na [4]:
➢ spodbujanju trga sekundarnih materialov in
➢ alternativnih materialov ter
➢ uporabi recikliranih materialov.
Doseganje zgoraj navedenih smernic omogoča Uredba EU o gradbenih proizvodih (Uredba EU št.
305/2011), ki od 9. marca 2011 ob razveljavitvi Direktive o gradbenih proizvodih CPD 89/106/EEC kot bistveno novo zahtevo za gradbene objekte navaja trajnostno rabo naravnih virov, ki vključuje [4]:
➢ ponovno uporabo ali možnost recikliranja gradbenih objektov,
➢ ponovno uporabo ali možnost recikliranja gradbenega materiala in delov po zrušenju,
➢ trajnost gradbenih objektov ter uporabo okoljsko združljivih surovin in sekundarnih materialov v gradbenih objektih.
2.2.1 Uredba o odpadkih, Uradni list RS, št. 37/15, 69/15 in 129/20 2.2.1.1 Vsebina in namen
Uredba o odpadkih z namenom varstva okolja in varovanja človekovega zdravja določa pravila ravnanja in druge pogoje za preprečevanje ali zmanjšanje škodljivih vplivov nastajanja odpadkov in ravnanja z njimi ter zmanjševanje celotnega vpliva uporabe naravnih virov in izboljšanje učinkovitosti uporabe naravnih virov v skladu z Direktivo 2008/98/ES [5].
2.2.1.2 Odpadek, stranski proizvod in prenehanje statusa odpadka
7. člen Uredbe o odpadkih navaja, da je ostanek proizvodnje predmet ali snov, ki nastane pri proizvodnem procesu, katerega glavni namen ni proizvodnja te snovi. Navaja tudi to, da snov ali predmet ni ostanek proizvodnje, če bi proizvajalec lahko proizvedel glavni proizvod brez proizvodnje te snovi ali predmeta. V nadaljevanju 7. člena navaja pogoje, ki zgoraj omenjeni ostanek proizvodnje opredelijo kot odpadek ali stranski proizvod [5].
24
Ostanek proizvodnje je stranski proizvod, če [5]:
➢ je zagotovljena nadaljnja uporaba ostanka proizvodnje,
➢ je ostanek proizvodnje mogoče uporabiti brez kakršne koli nadaljnje obdelave, razen običajnih industrijskih postopkov,
➢ je ostanek proizvodnje del proizvodnega procesa in se proizvaja v njegovem sklopu,
➢ ostanek proizvodnje izpolnjuje zahteve, določene za njegovo uporabo s predpisi, ki urejajo proizvode, varstvo okolja in varovanje človekovega zdravja, njegova nadaljnja uporaba pa ne vpliva škodljivo na okolje in človekovo zdravje.
2.2.1.2.2 Odpadek
Ostanek proizvodnje je odpadek, če [5]:
➢ zgoraj omenjeni pogoji, ki veljajo za stranski proizvod, niso izpolnjeni,
➢ predpisi za ta ostanek proizvodnje določajo obvezno predelavo ali odstranjevanje ali pa prepovedujejo njegovo nadaljnjo uporabo,
➢ niso izpolnjene zahteve iz predpisov, ki urejajo proizvode, varstvo okolja in varovanje človekovega zdravja za mogočo uporabo tega ostanka proizvodnje,
➢ je vpliv ostanka proizvodnje na okolje večji od vpliva snovi ali predmeta, ki ga želimo z ostankom proizvodnje nadomestiti.
2.2.1.2.3 Pogoji za prenehanje statusa odpadka
Odpadek izgubi status odpadka, ko je recikliran ali drugače predelan in če veljajo naslednji pogoji [5]:
➢ predelano snov ali predmet moramo nujno uporabiti za specifične namene,
➢ za predelano snov ali predmet obstaja trg ali povpraševanje, razen če jo predelovalec uporabi sam,
➢ predelana nova snov ali predmet izpolnjuje tehnične zahteve za specifične namene in zadosti predpisom, ki se uporabljajo za proizvode,
➢ uporaba predelane snovi ne vpliva škodljivo na okolje in zdravje ljudi.
25 2.3 Metalurška žlindra
Metalurška žlindra je trden ostanek proizvodnje pri procesu pridobivanja kovin po različnih metalurških postopkih, v katerih se med procesom samega pridobivanja kovin nabirajo nečistoče, ki so v kovinah nezaželene in jih zato iz procesa izločamo [4].
2.3.1 Delitev metalurških žlinder Delitev žlindre glede na njen izvor [4]:
➢ žlindra, ki nastane pri proizvodnji barvnih kovin (Cu, Pb, Zn, Al),
➢ žlindra, ki nastane pri proizvodnji železovih zlitin (železo in jeklo).
Večina današnje žlindre izvira iz proizvodnje kovin in jo lahko ločimo še glede na vrsto kovine, ki nastaja v proizvodnem procesu, in sicer [7]:
➢ železarska (GBS žlindra, ABS žlindra) in
➢ jeklarska žlindra (BOS žlindra, EAF-C žlindra, EAF-S žlindra, SMS žlindra).
Železarska žlindra nastaja pri taljenju in redukciji železove rude v plavžu in jo običajno imenujemo tudi plavžna žlindra [6].
Med jeklarsko žlindro uvrščamo tisto, ki nastaja pri proizvodnji jekla v konverterskih ali elektroobločnih pečeh. Če surovo jeklo podvržemo še nadaljnjim metalurškim postopkom, nastaja v tem primeru t. i.
sekundarna metalurška žlindra [9].
Poznamo tri vrste jeklarske žlindre, in sicer [4]:
➢ žlindra iz elektroobločnih peči (EAF C in EAF S),
➢ žlindra iz konverterskih peči (BOS) in
➢ žlindra iz procesov sekundarne metalurgije (SMS).
V nadaljevanju diplomske naloge se posvetim jeklarski žlindri iz elektroobločnih peči, ki jo proizvajamo v Sloveniji, namreč preiskave sem opravljal na agregatih iz EAF-C žlindre oz. t. i. črne jeklarske žlindre.
2.3.2 Jeklarska žlindra
2.3.2.1 Jeklarska žlindra iz elektroobločnih peči
Jeklarska žlindra iz elektroobločnih peči nastaja v elektroobločnih pečeh pri proizvodnem procesu pridobivanja surovega jekla, pri katerem velja za osnovno surovino odpadno jeklo (natančneje razrezano železo in pločevina), ki mu dodajamo apno, kisik in ogljik [2].
26
Slika 1: Črna jeklarska žlindra [4]
2.3.2.1.1 Vrste
V elektroobločnih pečeh lahko nastajata dve vrsti žlindre, ki se med seboj razlikujeta v kemijskih, fizikalnih in mineraloških lastnostih. V primeru proizvodnje nelegiranih oz. navadnih ogljikovih jekel nastaja t. i. črna jeklarska žlindra (EAF-C), ki velja za eno od najbolj perspektivnih vrst žlindre za nadaljnjo uporabo v graditeljstvu. V primeru proizvodnje nerjavnih visoko legiranih jekel pa nastaja bela jeklarska (EAF-S) ali sekundarna metalurška žlindra (SMS) [2].
2.3.1.1.2 Pridobivanje in nastanek
Slika 2: Proizvodni proces pridobivanja jekla po metodi »elektroobločne peči« [29]
27 Proces pridobivanja jeklarske žlindre (t. i. EAF-C in EAF-S) poteka skupaj s proizvodnjo jekla v elektroobločni peči, ki odpadno jeklo tali in nam omogoča njegovo 100-odstotno recikliranje.
Pretaljevanje se začne s polnitvijo peči z jeklenim odpadkom in primikom grafitnih elektrod, ki ga s pomočjo električne energije talijo. V peči se generirata električni oblok in toplota, kar povzroči dvig temperature na 1600 stopinj Celzija in s tem prehod jekla v tekoče agregatno stanje. Na vrhu taline se zaradi manjše prostorninske mase oblikuje plast žlindre, ki jo iz samega procesa izločimo, talino pa po sekundarnih metalurških postopkih po želji še naprej obdelujemo [2].
Slika 3: Elektroobločna peč [4]
Plast žlindre, nastala na vrhu taline, vsebuje nečistoče, kot so fosfor, aluminij, mangan in silicij, ki jih prvotno vsebuje odpadno jeklo ter jih zaradi neugodnega vpliva na mehanske lastnosti končnega izdelka iz postopka izločamo. Da bi se plast žlindre lahko oblikovala, je treba izvesti rafiniranje s pomočjo kisika, ki ga vbrizgavamo v talino in s tem omogočimo oksidacijo nečistoče. Med postopkom rafiniranja jeklu dodajamo tudi apno, ki skupaj z nečistočami ustvari plast žlindre, ta pa se dvigne na površje taline.
Po končanem rafiniranju, ko jeklo doseže željeno kemično sestavo, se talina in žlindra ločeno izločita iz postopka [7].
Poleg glavne vloge, ki je aborbcija nečistoč, ima žlindra tudi druge funkcije pri procesu rafiniranja jekla.
Ena od teh sta zaščita elektrod in ognjevzdržnih materialov pred toplotnim sevanjem pa tudi zaščita staljenega jekla pred ponovno oksidacijo, tako da deluje kot toplotni izolator ter poskrbi za toplotno učinkovitost elektroobločne peči [7].
28
Po končanem postopku taljenja v elektroobločni peči je treba žlindro deponirati in ustrezno ohlajati.
Prva faza ohlajanja se začne takoj po izlitju žlindre pod elektroobločno peč, kjer jo s pomočjo bagrov premešajo in naložijo na tovornjak. Da bi žlindra dobila ustrezno mikrostrukturo in da bi se nestabilni minerali (CaO – apno, MgO – magenzijev oksid) stabilizirali, je treba zagotoviti njeno počasno ohlajanje, ki je ključnega pomena za zagotavljanje kakovosti žlindrinega agregata. V ta namen žlindro odpeljemo na deponijo, kjer poteka druga faza nadzorovanega ohlajanja, tako da žlindro izpostavimo 15-dnevnemu vlaženju z vodo, prelaganju in ohlajanju na zraku. Za doseganje ustrezne prostorninske stabilnosti pa je treba izvesti še dodatno 30-dnevno ohlajanje in vlaženje žlindre [4].
S pravilnim ohlajanjem poskrbimo, da se v žlindri ustvari struktura, ki je enaka porfirski strukturi magmatskih kamnin, kar omogoča odlične mehanske lastnosti žlindrinega agregata, kot na primer visoko žilavost in dolgoročno hrapavost [4].
Doseganje prostorninske stabilnosti je zelo pomembno, saj žlindra vsebuje kalcijev oksid (CaO), zaradi apnenca, ki je predhodno med procesom pretaljevanja dodan k odpadnemu jeklu. Kalcijev oksid ali tudi živo apno v stiku z vlago preide v hidroksid, ki ima večjo prostornino kot CaO, kar pa lahko povzroči nabrekanje agregata ter posledično poškodbe na objektih in cestiščih. [8].
2.3.1.1.4 Lastnosti
Surova jeklarska žlindra iz elektroobločne peči je navadno grudaste oblike sive ali črne barve.
Površinska tekstura je hrapava in porozna s premerom por med 0,01–10 µm. Je zelo podobna agregatu z velikostjo med 5–40 mm, ki ga pogostokrat uporabjajo za gradbene namene. Znano je, da ima žlindra iz različnih krajev sveta različen videz in lastnosti, ki so odvisne od proizvajalca, vrste odpadnega jekla, peči in postopka rafiniranja [7].
Vodovpojnost in gostota sta prav tako odvisni od porekla žlindre ter se gibljeta med 0,5–4 % in med 2,8–3,9 g/cm3. Vodovpojnost velja za eno od ključnih lastnosti EAF žlindre in predstavlja sposobnost prodiranja tekočine v material [7].
2.3.1.1.5 Predelava v agregat
Po končani drugi fazi staranja potuje žlindra na linijo za drobljenje in magnetno separacijo, kjer poteka proces predelave surove žlindre v agregat. Postopek poteka v naslednjem vrstem redu [8]:
1. doziranje,
2. magnetno separiranje,
3. dvostopenjsko drobljenje in večstopenjsko sejanje agregata v različne frakcije.
Opazimo lahko, da je postopek predelave črne jeklarske žlindre v agregat zelo podoben tistemu pri naravnih agregatih, le z eno ključno razliko, in sicer žlindra potuje skozi proces magnetne separacije z namenom izločitve kovinskih delcev, ki so v agregatu nezaželeni [8].
29
Slika 4: Postopek predelave surove žlindre v agregat [29]
2.3.3 Uporaba in količine pridelave
Metalurška žlindra je lahko ob ustrezni predelavi uspešno uporabljena v različne namene. Kar 87 % metalurške žlindre, proizvedene v Evropi, uporabijo za gradbene namene, kar kaže na to, da je žlindra zelo uporaben, ekološki in ekonomičen gradbeni proizvod [9].
Podatki o količini proizvedene jeklarske žlindre v letu 2018 kažejo, da je je bilo v Evropi proizvedene kar 15,7 milijonov ton, od tega dobre štiri milijone ton črne jeklarske žlindre [10].
Slika 5: Količine proizvodnje posameznih vrst jeklarske žlindre [10].
30
➢ proizvodnja žlindrinega cementa in dodatek k betonu,
➢ gradnja voziščnih konstrukcij,
➢ metalurgija,
➢ hidrotehnika in
➢ poljedeljstvo.
Slika 6: Področja uporabe jeklarske žlindre [10].
Zgornja slika prikazuje deleže uporabe jeklarske žlindre na različnih področjih v Evropi leta 2018.
Opazimo lahko, da prevladuje uporaba žlindre v voziščnih konstrukcijah, kar pomeni, da se večina jeklarskih žlinder uporablja kot agregat za potrebe gradbeništva [10].
3 AGREGAT
3.1 Zgodovina
Agregati so bili na Zemlji že pred pojavom človeka, vse od začetka pa so izpostavljeni različnim zunanjim vplivom. Prvi beton so uporabljali že v starem Egiptu, in sicer kot malto, ki je povezovala večje kamne, ki so bili glavni gradbeni material pri gradnji piramid. S prihodom Rimljanov pa je vlogo glavnega gradbenega materiala prevzel beton, ki še dandanes velja za najpomembnejši gradbeni material. Rimljani so bili namreč odlični inženirji, ki so z betonom in kamnom gradili skoraj vse, od mostov pa do cest in ti svojo vlogo uspešno opravljajo še danes. Prav izum betona, katerega ostanke različnih oblik lahko najdemo v starodavnih objektih po vsem svetu, v skoraj vsaki državi sveta, je poskrbel za veliko povpraševanje po agregatu [11].
31 3.2 Definicija
Agregat je grob, kamnu podoben inerten material, sestavljen iz več različno velikih delcev velikosti od 0,1 do 50 mm. Sestavljen je lahko iz gramoza, lomljenca, peska, recikliranega betona, žlindre ali sintetičnega agregata. Gre za grobo ali drobno zrnat material, ki ga uporabljajo predvsem skupaj s hidravličnim vezivom za proizvodnjo betona ali malte. [12].
3.3 Uporaba
Področja uporabe agregata so [12]:
➢ nasipni material v voziščnih konstrukcijah,
➢ nasipni material v zgornjem ustroju železniške proge,
➢ prevladujoči material v betonskih kompozitih,
➢ polnilo, material za nasipavanje ter material za dreniranje in filtriranje
3.3.1 Vloga agregata v betonskih kompozitih
Beton je v ožjem pomenu keramični kompozitni material, pri katerem ima mineralni agregat vlogo polnila v matrici iz cementnega kamna. Cementni kamen strjenega betona nastane pri procesu hidratacije in strjevanja cementne paste, ki jo sestavljajo voda, vezivo, tj. cement in dodatki, s katerimi lahko spreminjamo lastnosti betona [13].
Sestava betonskega kompozita [13]:
➢ mineralni agregat,
➢ voda,
➢ cement,
➢ zračne pore (odprte in/ali zaprte).
Slika 7: Prostorninski delež sestavin v svežem betonu [14].
32
Slika 8: Prostorninski delež sestavin v strjenem betonu [14].
Beton je homogen material, v katerem mineralni agregat predstavlja nosilni skelet in glede na prostornino tudi prevladujočo sestavino. Zato so posledično tudi lastnosti svežega in strjenega betona močno odvisne od lastnosti mineralnega agregata [14].
Osnovne naloge agregata v betonskem kompozitu [14]:
➢ S svojimi zrni tvori skelet, ki betonskemu kompozitu povečuje trdnost, togost, odpornost proti obrabi in modul elastičnosti,
➢ povečuje prostornino betona in s tem poceni njegovo proizvodnjo ter
➢ zagotavlja njegovo dimenzijsko stabilnost.
Lastnosti agregata, ki vplivajo na lastnosti betonskega kompozita [14]:
➢ mineralna-petrografska sestava agregata vpliva na mehanske karakteristike in trajnost strjenega betona,
➢ zrnavostna sestava vpliva na obdelavnost svežega betona ter na gostoto in ekonomičnost,
➢ oblika in tekstura zrn vplivata na obdelavnost svežega betona ter sprijemnost cementnega kamna in agregata v strjenem betonu.
Kot smo že zgoraj omenili, je ena od glavnih nalog agregata, da v betonu s svojimi zrni tvori skelet, in sicer ga tvorijo groba agregatna zrna, ki so zelo toga in posledično ob obremenitvi betona prevzamejo največji delež obremenitve, ki se po kompozitu razporedi v razmerju togosti. Preostali del obremenitve prevzame cementi kamen [14].
Drugi ključni akter, ki ima vpliv na lastnosti in kakovost betona, poleg agregata, je kakovost cementne paste, ki je odvisna od cementa, vode in dodatkov. Parameter, ki ima največji vpliv na lastnosti betonskega kompozita, je v/c količnik, ki predstavlja razmerje med količino vode in cementa. Optimalno izrabo cementa v betonu lahko dosežemo z v/c količnikom 0,38, ko so vsa zrna cementa hidratizirana in je delež kapilarnih por minimalen, količina cementne paste pa zagotavlja, da je vsako od zrn agregata obvito s cementno pasto in da so vsi prostori med zrni agregata zapolnjeni s cementno pasto. V splošnem velja, da je v/c količnik obratno sorazmeren kakovosti betona ob pogoju enake vgradljivosti [13].
33 3.4 Klasifikacija
Agregate lahko klasificiramo na več načinov, in sicer glede na izvor, velikost, obliko in težo oz. gostoto [15].
3.4.1 Izvor
Agregati, ki jih vgrajujemo v konstrukcije, so običajno pridobljeni iz narave in pred vgradnjo primerno obdelani. Poznamo pa tudi agregate, ki so nastali indirektno in niso naravnega izvora [15].
Delitev agregatov glede na izvor [15]:
➢ naravni in
➢ umetni agregati.
3.4.1.1 Naravni agregati
Naravni so mineralni agregati, ki so pridobljeni z naravnih nahajališč peska in gramoza. Peščeni in gramozni agregati veljajo za najbolj razširjene in cenovno ugodne, ker jih ni treba dodatno rezati in drobiti. Drugi najbolj razširjeni mineralni agregati so pridobljeni v kamnolomih, ki jih je treba za nadaljnjo uporabo mehansko predelati [15].
Agregate, pridobljene v kamnolomih, lahko delimo še glede na izvor kamnine, iz katerih so pridobljeni, in sicer [15]:
➢ naravni agregati iz magmatskih,
➢ naravni agregati iz sedimentnih in
➢ naravni agregati iz metamorfnih kamnin.
3.4.1.2 Umetni agregati
Umetni agregati so mineralnega izvora, pripravljeni v industrijskem procesu pod vplivom toplotnih in/ali drugačnih sprememb in se zaradi tehničnih ali finančih razlogov ne vračajo nazaj v proizvodnjo [16].
3.4.1.2.1 Agregati iz črne jeklarske žlindre
Agregati iz črne jeklarske žlindre so umetni agregati mineralnega izvora, ki so pripravljeni v industrijskem procesu pod vplivom toplotnih in/ali drugačnih sprememb [4].
3.4.1.2.1.1 Lastnosti
Agregati iz črne jeklarske žlindre veljajo za zelo trdne, kompaktne in porozne agregate, ki se lahko po svojih lastnostih kosajo tudi z najkakovostnejšimi naravnimi agregati iz magmatskih kamnin. Imajo namreč zelo podobno mikrostrukturo kot magmatske kamnine, v določenih primerih uporabe pa kažejo celo boljše mehanske lastnosti od nje. Agregati iz črne jeklarske žlindre so si glede fizikalnih, kemijskih in mineraloških lastnosti med seboj zelo podobni, manjše razlike med lastnostmi pa nastajajo predvsem zaradi variacij proizvodnega procesa, načina ravnanja s tekočo žlindro, postopka staranja in načina predelave v agregat [25].
34
V splošnem je jeklarska žlindra sestavljena iz CaO, MgO, SiO2 in FeO oksidov, ki so prevladujoči in predstavljajo 88–90 % sestave. Delež vsakega posebej niha ter je odvisen od vhodne surovine – odpadnega jekla, vrste jekla, ki ga proizvajamo, in stanja peči [17].
V črni jeklarski žlindri glede na maso prevladujeta predvsem železova (FeO in Fe2O3) in kalcijev oksid (CaO), sledijo jim še magnezijev (MgO), silicijev (SiO2) in aluminijev (Al2O3) oksid. Deleži glavnih oksidov v črni jeklarski žlindri so prikazani v spodnji preglednici [4].
Preglednica 1: Kemična sestava oksidov v črni jeklarski žlindri [4].
Komponenta Delež (%)
FeO 30–40
CaO 20–35
Fe2O3 6–9
Al2O3 5–7
SiO2 5–12
MgO 4–12
Kemijska sestava variira od proizvajalca do proizvajalca ter zavisi od sestave odpadnega jekla, njegove proizvodnje in ognjevzdržne obloge v elektroobločni peči. Znano je, da ima vsaka kemična sestava žlindre različne lastnosti, ki močno vplivajo na njeno namembnost oz. nadaljnjo uporabo. Različnost v kemijski sestavi je ena od glavnih težav pri učinkovitosti recikliranja žlindre v nove industrijske izdelke [7].
3.3.1.2.1.3 Mineralna sestava
V črni jeklarski žlindri iz elektroobločnih peči prevladujejo naslednji minerali [4]:
➢ wustit (FeO),
➢ dikalcijev silikat ali belit (Ca2SiO4),
➢ trikalcijev silikat ali alit (Ca3SiO5),
➢ dikalcijev ferit ali brownmillerit (Ca2Fe2O5).
V manjših količinah jim sledijo še kromit (FeCrO4 ali MgCrO4), mayenit (Ca12Al14O33), gehlenit (Ca2Al2SiO7), apno (CaO) in periklaz (MgO) [4].
35 3.3.1.2.1.4 Mehansko-fizikalne lastnosti
Agregat iz črne jeklarske žlindre je trden, žilav in neenakomerno makroporozen. S svojimi lastnostmi spada med najbolj potencialne alternativne agregate za uporabo v konstrukcijske namene, kot so voziščne konstrukcije in proizvodnja betonskih kompozitov. Ključne lastnosti agregata iz črne jeklarske žlindre za uporabo v gradbeništvu, še posebej za vključevanje v asfaltne zmesi, so [4]:
➢ odpornost proti drobljenju,
➢ odpornost proti zmrzovanju/tajanju,
➢ odpornost proti obrabi,
➢ odpornost proti zaglajevanju in
➢ visoka adhezijska afiniteta do bitumna.
V primerjavi z najkakovostnejšimi agregati iz magmatskih kamnin imajo agregati iz črne jeklarske žlindre zelo podobne mehansko-fizikalne lastnosti. Manjše razlike se pojavijo le pri vpijanju vode in specifični teži, saj je žlindra bolj porozna in v povprečju za dvajset odstotkov težja od agregata iz magmatskih kamnin [4].
3.3.1.2.1.5 Uporaba v konstrukcijski industriji
V zadnjem obdobju je bilo narejenih veliko raziskav na temo uporabe agregatov iz odpadne elektroobločne žlindre za potrebe gradbeništva. V številnih študijah so se med najbolj optimalnimi izkazali agregati žlindre iz elektroobločnih peči, med katere uvrščamo tudi agregate iz črne jeklarske žlindre. Po navedbah Hosseini et al. je jeklarska žlindra najpogosteje reciklirana v agregate, ki so namenjeni vgradnji v betonske kompozite in v voziščne konstrukcije [7].
3.3.1.2.1.5.1 Konstrukcijski beton
Več različnih raziskovalcev je v preteklosti prišlo na idejo, da bi agregate iz elektroobločne žlindre uporabili pri proizvodnji konstrukcijskega betona. Tako sta Pellegrino in Gado dokazala, da imajo betonski kompoziti z agregati iz EAF žlindre primerljiv elastični modul in tlačno trdnost kot tradicionalni betonski kompoziti iz naravnega agregata. Ugotovila sta tudi, da ima takšen beton tudi pomanjkljivosti, kot so slabša prostorninska stabilnost in nižja obstojnost v zahtevnejših pogojih. Ta problem sta leta 2011 začeli preučevati tudi Ducman in Mladenovič, ki sta betonski kompozit z agregatom iz EAF žlindre izpostavili temperaturam med 700 in 800 stopinj Celzija ter ugotovili, da se pri takšni temperaturi mehanske lastnosti betona začnejo slabšati zaradi fazne transformacije, ki naj bi povzročila ekspanzijo in razpoke v materialu. Kot rešitev sta predlagali toplotno obdelavo in staranje žlindre pred vgradnjo v betonski kompozit [7].
Nato so leta 2013 Pellegrino et al. začeli raziskovanje mineralne sestave EAF žlindre z namenom izboljšanja obstojnosti oz. prostorninske stabilnosti betonskega kompozita, v katerega je ta vgrajena.
Prišel je do ugotovitve, da ima EAF žlindra omejene hidrirane proste okside, ki slabo vplivajo na trajnost betona [7].
36
uporabili namesto agregata iz naravnega granita. Ugotovili so, da je agregat iz EAF žlindre zmanjšal tako začetni kot končni čas vezanja betona, pri tem pa je bilo treba za želeno vgradljivost uporabiti več vode kot v betonskem kompozitu z naravnim granitnim agregatom. Izkazalo se je, da ima strjeni kompozit iz EAF žlindre tudi večjo tlačno in upogibno trdnost. Raziskavo so zaključili s trditvijo, da je reckliranje EAF žlindre v grobi agregat smiselno, saj ta prispeva k optimalnim mehanskim lastnostim strjenega betona [7].
V preglednici, so navedene prednosti in slabosti agregata iz črne jeklarske žlindre, za konstrukcijske namene [preglednica 2].
Preglednica 2: Prednosti in slabosti agregata iz črne jeklarske žlindre za konstrukcijske namene [7]
Prednosti Slabosti
Agregat za potrebe konstrukcijske
industrije
Tlačna trdnost in modul elastičnosti betona z agregatom iz EAF žlindre sta primerljiva s
tradicionalnim betonom iz naravnega agregata. Poleg tega je beton iz EAF žlindre
cenejši za izdelavo.
Beton z agregatom iz EAF žlindre je prostorninsko nestabilen in manj
trajen v ekstremnih pogojih.
Beton iz EAF žlindre ima 11 % višji absorpcijski koeficient.
Beton z agregatom iz EAF žlindre je bolj občutljiv na ponavljajoče se
cikle vlaženja in sušenja.
Asfaltni beton z agregatom iz EAF žlindre je bolj trajen.
EAF žlindra je v splošnem bolj porozna in ima lastnost višje absorpcije vode kot konvencionalni
materiali, ki jih uporabljajo v cestogradnji.
Vrednost modula elastičnosti in dinamičnega modula lezenja EAF žlindre lahko ob
pravilnem staranju žlindre zraste.
3.3.1.2.1.6 Nadzor kakovosti
Da bi omogočili varno uporabo agregata, ki med drugim velja tudi za gradbeni proizvod, mora proizvajalec veliko pozornosti nameniti stalnemu nadzoru kakovosti po sistemu 2+, ki ga zakonodaja (CD/89/106/EEC) predpisuje za tiste namene uporabe, pri katerih so zahteve za varnost visoke. Nadzor kakovosti po sistemu 2+ zahteva, da ima proizvajalec Certifikat kontrole proizvodnje ter za vsak posamezni proizvod Izjavo o skladnosti in Oznako CE [4].
Proizvajalec izvaja nadzor kakovosti v skladu z zahtevami harmoniziranih standardov za mineralne agregate, ki veljajo na območju EU in Slovenije, ki jih je privzela v svoj pravni red (Direktiva o gradbenih proizvodih; CD 89/106/EEC). Standardi definirajo ključne parametre materiala, način določanja parametrov ter način predstavljanja in vrednotenja rezultatov [4].
37 Poznamo pet standardov, ki predpisujejo zahteve za agregat glede na namen uporabe, in sicer [4]:
➢ SIST EN 13043 – Agregati za bitumenske zmesi ter površinske prevleke za ceste, letališča in druge prometne površine,
➢ SIST EN 13242 – Agregati za nevezane in hidravlično vezane materiale za uporabo v inženirskih objektih in za gradnjo cest,
➢ SIST EN 12620 – Agregati za beton,
➢ SIST EN 13139 – Agregati za malto,
➢ SIST EN 13383 – Kamen za obloge pri vodnih zgradbah in drugih gradbenih delih ter
➢ SIST EN 13450 – Agregati za grede železniških prog.
Poleg preverjanja standardnih zahtev za lastnosti agregata je treba za žlindrin agregat dodatno izpolniti še dve zahtevi, ki se nanašata na prostorninsko stabilnost in kemično inertnost. Prostorninsko stabilnost preverjamo s parnim testom, pri katerem mora agregat iz črne jeklarske žlindre izpolnjevati zahteve iz standarda, ki prepoveduje vsebnost nestabilnih komponent, kot sta CaO-apno in MgO-magnezijev oksid. S kemijsko analizo izlužka iz žlindre preverjamo morebitno nevarnost sproščanja težkih kovin v okolje oz. okoljsko inertnost agregata. Analiza nam poda za vsako toksično komponento vrednost izlužka, ki mora biti manjša od predpisane mejne vrednosti v nacionalnem standardu (Uredba o odlagališčih odpadkov). Rezultati za črno jeklarsko žlindro, proizvedeno v slovenskih jeklarnah, kažejo, da ni nevarna za okolje in ga tudi ne obremenjuje [4].
4 MASIVNI BETON 4.1 Definicija
Masivni beton je beton, ki ga vgrajujemo v elemente večjih dimenzij v velikih količinah, praviloma v pasovih od 0,6 do 1 m. Prav zaradi teh karakteristik mora dosegati določene lastnosti, ki vplivajo na njegovo gospodarnost in tehnološko primernost [13].
4.2 Problematika
Kot smo že zgoraj omenili, se masivni beton v konstrukcijske elemente večjih dimenzij vgrajuje v velikih količinah, zato je sproščanje hidratacijske toplote, zaradi vezanja cementa, v okolico ovirano.
Posledica so lahko veliki temperaturni gradienti vzdolž betonskih elementov, ki povzročajo oblikovanje razpok in s tem poškodbe v betonu [13].
Pri vgrajevanju masivnega betona se z namenom zniževanja hidratacijske toplote poslužujemo naslednjih ukrepov [13]:
➢ zmanjšamo količino cementa v betonu (120–270 kg/m3),
➢ povečamo količino grobega agregata, saj ta hitreje odvaja toploto,
➢ uporabimo cement nizke hidratacijske toplote,
➢ uporabimo nadomestke cementa (žlindra, pucolani),
➢ znižamo začetno temperaturo betona,
38
➢ uporabimo jeklene opaže,
➢ negujemo beton s hladno vodo in zaščitimo površine pred zunanjimi vpliv in
➢ betoniramo v plasteh do 1,5 m.
4 EKSPERIMENTALNO DELO
4.1 Uvod
Eksperimentalni del diplomske naloge smo opravljali v Konstrukcijsko-prometnem laboratoriju Fakultete za gradbeništvo in geodezijo Univerze v Ljubljani. Prva faza preiskav je obsegala meritve vlažnosti in vpijanja vode agregata iz črne jeklarske žlindre.
V drugi fazi preiskav smo del naravnega agregata, ki se običajno nahaja v tradicionalnih vrstah betona, nadomestili z agregatom iz črne jeklarske žlindre in ga vgradili v betonske kompozite dveh različnih receptur. Nato smo pripravili še referenčno mešanico betona brez žlindrinega agregata, in sicer enake sestave. S standardnimi preizkusi smo preverjali sveže lastnosti in lastnosti strjenega betona različne starosti. Rezultate meritev vseh treh mešanic smo med seboj primerjali in analizirali.
4.2 Namen preiskav
Namen preiskav je bil ugotoviti, kakšen vpliv ima agregat iz črne jeklarske žlindre na lastnosti betonskega kompozita za masivne gradnje.
4.3 Preiskave črne jeklarske žlindre
Črna jeklarska žlindra, ki smo jo obravnavali v sklopu diplome, je bila izdelana v proizvodnem obratu SIJ Acroni d.o.o. Podjetje nam jo je dostavilo v več različnih frakcijah, tako da sejanje ni bilo potrebno.
4.3.1 Vlažnost Opis metode
Določanja vlažnosti žlindrinega agregata smo se lotili po metodi s sušenjem v prezračevalnem sušilniku, ki jo opisuje standard SIST EN 1097-5:2008 [18]. Vlažnost smo določali na preizkusnih vzorcih zrnavosti 0/2, 2/4, 8/11 in 0/22,4.
Sprva smo vzorec stehtali in ga nato sušili pri temperaturi (110±5)°C, vse dokler ni dosegel stalne mase.
Takrat smo ga ponovno stehtali in določili delež vode po spodnji enačbi (enačba 1). S sušenjem smo se znebili vse proste vode, ki se je nahajala na površini in v porah agregata. Vlažnost smo izračunali po spodnji enačbi (enačba 1)
Enačba 1
𝑤 = 100 ∗𝑀1− 𝑀3 𝑀3
39 Pri tem je:
M1 – masa vlažnega vzorca [g]
M3 – masa suhega vzorca [g]
w – vlažnost [%]
Slika 9: Vzorec črne jeklarske žlindre [lastni vir, 2021]
4.3.2 Vpijanje vode Opis metode
Vpijanje vode žlindrinega agregata smo določali v skladu s standardom SIST EN 1097-6:2013 [19], po metodi s piknometrom za zrna med 4 in 31,5 mm ter 0,063 in 4 mm. Po standardnem postopku smo s pomočjo piknometra izračunali maso vzorca agregata v notranje zasičenem površinsko suhem stanju in maso vzorca agregata sušenega v sušilnici do stalne mase. S pomočjo spodnje enačbe (enačba 2) smo izračunali vpijanje vode agregata.
Enačba 2
𝑊𝐴24= 100 ∗𝑀2− 𝑀3 𝑀3 Pri tem je:
M2 – masa notranje zasičenega in površinsko suhega agregata [g]
M3 – masa notranje suhega in površinsko suhega agregata [g]
WA24 – vpijanje vode [%]
40
V okviru diplomske naloge smo zamešali tri različne betonske mešanice, ki smo jih poimenovali MB- 2, MB-6 in MB-8. Vse tri mešanice so vsebovale enako hidravlično vezivo, in sicer žlindrin cement z oznako CEM III/B 32,5 N-LH/SR in enako projektirano vodo-cementno razmerje. MB-2 je bila naša referenčna mešanica, ki je edina vsebovala samo apnenčev naravni agregat. V mešanicah MB-6 in MB- 8 smo na mesto grobega naravnega agregata iz mešanice MB-2 vgradili agregat iz črne jeklarske žlindre, tako da je predstavljal 50-odstotni delež skupne prostornine agregata. Mešanici MB-6 in MB-8 sta se med seboj razlikovali v količini dodanega cementa in vode, in sicer je bila v mešanici MB-8 prostornina cementne paste višja za približno 2,5 % na račun prostornine agregata.
4.4.1 Vgrajeni materiali
4.4.1.1 Naravni agregat
V betonske kompozite smo vgrajevali apnenečev agregat različnih frakcij, in sicer 0/4, 4/8, 8/16, 16/32.
V kompozite smo vgrajevali apnenčev naravni in apnenčev drobljeni agregat frakcije 0/4.
4.4.1.2 Cement
Kot hidravlično vezivo v betonskih kompozitih smo uporabili cement z oznako CEM III/B 32,5 N- LH/SR.
Gre za žlindrin cement, čigar glavna sestavina je granulirana plavžna žlindra. Žlindrin cement ob vezanju razvija nizko hidratacijsko toploto, je bolj odporen proti delovanju sulfatov ter ima manjšo začetno trdnost kot Portland cement. Uporabljamo ga za potrebe masivnih in podmorskih gradenj [13].
4.4.1.3 Voda
Da bi v kompozitih lahko potekla hidratacija, smo vsaki mešanici dodali vodo iz javnega vodovoda.
4.4.1.4 Žlindrin agregat
V kompozite MB-6 in MB-8 smo vgradili agregat iz črne jeklarske žlindre frakcij 0/2, 2/4, 8/11, 0/22,4.
4.4.1.5 Dodatki
Za boljšo vgradljivost betona smo vsem trem mešanicam dodajali tudi superplastifikator Hiperplast 182.
4.4.2 Recepture mešanic betonskih kompozitov
Vse tri mešanice so bile projektirane z enakim vodo-cementnim razmerjem 0,47 in z ocenjeno prostornino por od 1,5 do 2 %. Ker so bile mešanice projektirane s predpostavko, da je agregat v z vodo zasičenem in površinsko suhem stanju, je bilo treba izračunati še vlažnost in vpijanje vode agregata, da bi lahko dobili pravo maso sestavin.
41 4.4.2.1 MB-2
Mešanica MB-2 je vsebovala samo apnenčev agregat, ki je zasedal približno 74 % prostornine mešanice, od tega je bilo približno 44 % drobnega in 30 % grobega agregata.
Preglednica 3: Prostorninski deleži agregata v mešanici MB-2
MB-2 naravni agregat 0–4 d 38 % 0–4 n 22 %
4–8 5 %
8–16 18 %
16–32 18 % Skupaj 100 % 4.4.2.2 MB-6
Mešanica MB-6 je vsebovala približno 36 % drobnega apnenčevega in približno 36 % žlindrinega agregata. Žlindrin in naravni agregat sta bila glede na prostornino v razmerju 1:1.
Preglednica 4: Prostorninski deleži agregata v mešanici MB-6
MB-6 naravni agregat 0–4 d 15 % 0–4 n 35 % žlindrin agregat 0–2 ž 15 %
2–4 ž 5 %
8–11 ž 5 % 0–22,4 ž 25 % Skupaj 100 % 4.4.2.3 MB-8
Mešanica MB-8 je vsebovala približno 35,5 % drobnega apnenčevega in 35,5 % žlindrinega agregata.
Žlindrin in naravni agregat sta bila prav tako glede na prostornino v razmerju 1:1. V primerjavi s kompozitom MB-6 je mešanica MB-8 vsebovala 2,5 % več cementne paste.
Preglednica 5: Prostorninski deleži agregata v mešanici MB-8
MB-8 naravni agregat 0–4 d 15 % 0–4 n 35 % Žlindrin agregat 0–2 ž 15 %
2–4 ž 5 %
8–11 ž 5 % 0–22,4 ž 25 % Skupaj 100 %
42
Potem ko smo izračunali prave recepture mešanic, smo vsako sestavino posebej stehtali in pripravili za mešanje. Z laboratorijskim mešalcem smo najprej suho zamešali agregat in cement ter nato dodali še vodo in superplastifikator. Suho mešanje je trajalo 30, mokro pa 180 sekund.
Slika 10: Priprava sestavin za suho mešanje [lastni vir, 2021]
4.4.4 Preiskave kompozitov 4.4.4.1 Preiskave svežega betona Opis metode
Vzorce za preiskave svežega betona smo odvzemali v skladu z SIST EN 12350-1:2009 [20]. Standard predpisuje, da je treba iz količine zamešanega betona, ki ga preizkušamo, odvzeti vsaj 1,5-krat večjo količino betona, kot jo potrebujemo za preiskavo svežih lastnosti betona, in ne manjše od 0,02 m3. 4.4.4.1.1 Preiskava konsistence – metoda s posedom
Opis metode
Konsistenco svežega betona smo določali po metodi s posedom, ki jo določa standard SIST EN 12350- 2:2009 [21]. Pravilno odvzeti vzorec smo v treh plasteh vgradili v konus, ki smo ga napolnili do vrha in z zidarsko žlico odstranili presežek betona. Vse plasti smo vgradili v treh enako visokih slojih ter jih s petidvajsetimi udarci s standardno kovinsko palico vsakega posebej kompaktirali. Po tridesetih sekundah smo konus previdno odstranili in odmerili višinsko razliko (Δh) od vrha konusa do vrha betonskega stožca.
43 4.4.4.1.2 Prostorninska masa svežega betona
Opis metode
Svež beton smo vzorčili v skladu s SIST EN 12350-1:2009 [20] in ga vgrajevali v standardizirane kalupe, ki jih določa SIST EN 12390-1:2012 [22]. Kalupe smo najprej premazali z opažnim oljem, nato pa v dveh slojih po standardiziranem postopku vgradili in kompaktirali vzorec. Kompaktiranje smo izvedli z vibracijsko iglo z minimalno frekvenco 120Hz, ki smo jo le za kratek čas potopili 20 mm globoko v vzorec z namenom, da bi se čim bolj približali vgradnji masivnega in ne vibriranega betona.
Prostorninsko maso svežega betona smo določali v skladu s standardom SIST EN 12350-6:2019 [23].
Takoj po vgradnji vzorca v standardizirani kalup je sledilo tehtanje mase kalupe skupaj z betonsko mešanico. Če mase kalupa nismo poznali, smo jo predhodno določili. Prostorninsko maso smo izračunali po spodnji enačbi (enačba 3).
Enačba 3
𝐷 =𝑚2− 𝑚1
𝑉 Pri tem je:
m1 – masa kalupa [kg]
m2 – masa kalupa z vzorcem [kg]
V – prostornina kalupa [m3] D – gostota preiskušanca [kg/m3]
4.4.4.3 Preiskave strjenega betona
Za potrebe preiskav strjenega betona smo za vsako mešanico pripravili vsaj šest standardiziranih kock dimenzij 15 cm x 15 cm x 15 cm in tri prizme dimenzij 10 cm x 10 cm x 40 cm, ki jih predpisuje standard SIST EN 12390-1:2012 [22]. Vzorec svežega betona smo odvzeli v skladu s SIST EN 12350-1:2009 [20] in ga vgradili v skladu s SIST EN 12390-2:2019 [24].
4.4.4.3.1 Negovanje preizkušancev
Vzorce, ki smo jih vgradili v kalupe, smo označili in negovali v skladu s SIST EN 12390-2:2019 [24].
Prvih 24 ur smo jih negovali s pomočjo navlaženega filca pri temperaturi okolja 20±2 stopinji Celzija, nato pa jih razkalupili in negovanje nadaljevali v vodi s temperaturo 20±2 ℃.
44
Opis metode
Gostoto strjenih preizkušancev smo določali po standardu SIST EN 12390-7:2019 [25]. Pred vsako preiskavo tlačnih trdnosti smo preizkušance stehtali in s kljunastim merilom izmerili vse tri dolžine njihovih stranic. Tako smo lahko izrazili prostornino preizkušanca in njegovo gostoto (enačba 4).
Enačba 4
𝐷 = 𝑚 𝑉 Pri tem je:
m – masa preizkušanca [kg]
V – prostornina preizkušanca [m3] D – gostota preizkušanca [kg/m3]
4.4.4.3.3 Tlačna trdnost Opis metode
Tlačno trdnost smo določali v skladu s SIST EN 12390-3:2019 [26] na standardiziranih kockah dimenzij 15 cm x 15 cm x 15 cm. Kocke so bile izdelane v skladu s SIST EN 12350-1:2009 [20], SIST EN 12390- 1 [22] in SIST EN 12390-2 [24]. S pomočjo preše smo za vsakega od preizkušancev izmerili porušno silo, ki je bila ključen podatek za izračun tlačne trdnosti. Pred vsakim preizkusom smo izmerili dimenzije preizkušanca in ga stehtali. S pomočjo spodnje enačbe smo izračunali tlačno trdnost kock pri starosti 1 dan ter 7 in 28 dni.
Enačba 5
𝑓𝑐 = 𝐹 𝐴𝑐
Pri čemer je:
F – porušna sila [N]
AC – površina prereza prezkušanca [mm2] fc – tlačna trdnost [MPa]
45
Slika 11: Porušitev preizkušanca z agregatom iz črne jeklarske žlindre [lastni vir, 2021]
Slika 12: Porušitev preizkušanca brez agregata iz črne jeklarske žlindre [lastni vir, 2021]
4.4.4.3.4 Sekantni modul elastičnosti Opis metode
Sekantni modul elastičnosti smo določali v skladu s SIST EN 12390-13:2021 [27] po metodi B, ki opisuje njegovo določanje v tlačno obremenjenih strjenih betonih. Meritve smo izvajali na standardiziranih prizmah dimenzij 10 cm x 10 cm x 40 cm, ki so bile narejene v skladu s standardom SIST EN 12390-1:2012 [22], SIST EN 12390-2:2019 [24] in SIST EN 12350-1:2009 [20]. Prizmo smo vstavili v prešo in jo osnotlačno obremenjevali v treh ciklih, med tem pa merili deformacije preizkušanca.
Sprva smo prizmo obremenili s predobremenitvijo σp,velikost 0,5 MPa, za manj kot dvajset sekund in ponastavili merilce deformaciji na vrednost 0. Nato smo obremenitev povečevali do napetosti σa, ki je bila enaka 1/3 fc, in za nekaj sekund preizkušanca izpostavili tej obremenitvi. Sledilo je razbremenjevanje do napetosti σb, ki ni bila manjša od 1/10 fc in ne večja od 1/20 fc ter preizkušanca izpostavili tej obremenitvni za manj kot dvajset sekund. Postopek smo trikrat ponovili in pri zadnjem, tretjem ciklu, izračunali stabiliziran sekantni modul elastičnosti EC,S po spodnji enačbi (enačba 6).
46
𝐸𝐶,𝑆 = ∆𝜎
∆𝜀𝑆= 𝜎𝑎𝑚 − 𝜎𝑏𝑚 𝜀𝑎,3 − 𝜀𝑏,2 Pri tem je:
σa – zgornja obremenitev preizkušanca [MPa]
σb – spodnja obremenitev preizkušanca [MPa]
εa,3 – deformacija pri napetosti σa pri tretjem ciklu obremenjevanja εb,2 – deformacija pri napetosti σb pri drugem ciklu obremenjevanja Ec,s – stabiliziran sekantni modul elastičnosti [MPa]
Slika 13: Preiskave sekatnega modula elastičnosti [lastni vir, 2021]
4.4.4.3.5 Dinamični modul elastičnosti Opis metode
Dinamični modul elastičnosti smo določali v skladu s SIST EN 12504-4:2021 [28]. Meritve smo opravili s pomočjo naprave Pundit PL-200 proizvajalca Proceq, ki omogoča meritve vzdolžnega in strižnega ultrazvočnega valovanja. Pred začetkom meritev smo napravo kalibrirali ter nastavili na frekvenčno območje med 20kHz in 500 kHz. Nato smo natančno izmerili dolžino daljše stranice standardizirane prizme 10 cm x 10 cm x 40 cm, izračunali njeno gostoto in rezultate vnesli v napravo. Nato smo s pomočjo sond, ki smo jih namestili na ploskvi pravokotno na vzdolžno os prizme in s pomočjo programske opreme, izmerili čas in hitrost vzdolžnega in strižnega valovanja ter dinamični modul elastičnosti.
47 5 REZULTATI IN ANALIZA
5.1 Preiskave črne jeklarske žlindre
5.1.1 Vlažnost
Vlažnost žlindrinega agregata, vgrajenega v mešanico MB-8, je podana v preglednici [preglednica 6].
Preglednica 6: Vlažnost žlindrinega agregata, vgrajenega v mešanico MB-8
MB-8 žlindrin agregat
frakcija: 0/2 2/4 8/11 0/22,4
vlažnost w [%] 2,66 0,82 0,51 0,93
Vlažnost žlindrinega agregata, vgrajenega v mešanico MB-6, je podana v preglednici [preglednica 7].
Preglednica 7: Vlažnost žlindrinega agregata, vgrajenega v mešanico MB-6
MB-6 žlindrin agregat
frakcija: 0/2 2/4 8/11 0/22,4
vlažnost w [%] 6,8 1,3 1,1 1,2
5.1.2 Vpijanje vode
Vpijanje vode žlindrinega agregata, vgrajenega v mešanico MB-8, je podana v preglednici [preglednica 8].
Preglednica 8: Vpijanje vode žlindrinega agregata, vgrajenega v mešanico MB-8
MB-8 žlindrin agregat
frakcija: 0/2 2/4 8/11 0/22,4
vpijanje vode WA24 [%] 4,7 4,7 3,5 4,1
Vpijanje vode žlindrinega agregata, vgrajenega v mešanico MB-6, je podano v preglednici [preglednica 9].
Preglednica 9: Vpijanje vode žlindrinega agregata, vgrajenega v mešanico MB-6
MB-6 žlindrin agregat
frakcija: 0/2 2/4 8/11 0/22,4
vpijanje vode WA24 [%] 4,7 4,7 3,5 4,1
48
Iz rezultatov lahko razberemo, da je največ vode vsebovala frakcija 0/2 in da je ta frakcija tudi najbolj porozna, kar nam pove podatek o vpijanju vode, namreč ta frakcija žlindre je najbolj vodovpojna.
5.2 Preiskave kompozitov
5.2.1 Preiskave svežega betona
5.2.1.1 Metoda s posedom
V preglednici 10 so podane vrednosti rezulatov meritev konsistence svežih betonskih mešanic.
Preglednica 10: Rezultati meritev konsistence sveže betonske mešanice
datum
zamešanja Vzameš.bet.[l]
posed (t=0) [mm]
posed,avg
(t=0) [mm]
v/c,eff v/c Vpor
[%]
Tbetona
[°C]
Tzraka
[°C]
MB-2
2. 9. 2020 35 155
195 0,47 0,50
2 23,8 20,1
2. 9. 2020 40 205 2 23,1 20,1
28. 6. 2021 35 225 2 27,8 29,3
MB-6 8. 7. 2021 35 50 50 0,47 0,51 2 28,8 29,3
15. 7. 2021 35 50 0,47 0,51 2 26,3 26,6
MB-8
3.8. 2020 45 170
169
0,47 0,58 2 - 25
4.8. 2020 45 90 0,47 0,58 2 - 25
5.8. 2020 36 250 0,47 0,58 2 - 25
31. 3. 2021 25 165 0,47 0,54 2 - 25
Komentar:
Pri referenčni mešanci MB-2 lahko opazimo, da je posed pri enem od poskusov zunaj meje 210 mm, kar pomeni, da v tem primeru metoda s posedom ni primerna za določanje konsistence. Opazimo lahko, da ponovljivost rezultatov poseda za mešanico MB-2 ni dobra, saj smo dobili v istem dnevo zelo različni vrednosti poseda.
Če primerjamo mešanico MB-6 z referenčno mešanico MB-2, lahko hitro ugotovimo, da je konsistenca mešanice MB-6 pri enaki sobni temperaturi (29,3 °C) zelo drugačna, saj je posed bistveno nižji (50 mm).
To pomeni, da je beton MB-6 težje obdelaven, a istočasno manj izpostavljen segregaciji. Opazimo tudi, da pri dveh enakih mešanicah MB-6, pri temperaturni razliki 2,7 °C ne pride do spremembe v konsistenci mešanice.
Pri mešanici MB-8 lahko opazimo, da nastajajo pri enaki sobni temperaturi in pri enakem projektiranem vodo-cementnem razmerju zelo velika odstopanja med rezultati poseda. Nestalnost konsistence betona bi nam v primeru uporabe takšne mešanice v praksi predstavljala velik problem, saj bi jo morali neprestano preverjati.
49 Če primerjamo posede mešanic MB-8 in MB-2, lahko ugotovimo, da so konsistence primerljive tako glede vrednosti posedov, kot glede ponovljivosti meritev. V primerjavi z mešanico MB-6 je konsistenca mešanice MB-8 bolj tekoča. Zaključimo lahko, da povečanje količine cementa med sestavama MB-6 in MB-8 ugodno vpliva na vgradljivost betonske mešanice in potencialno omogoča črpanje betona, ki pri sestavi MB-6 ni možno.
5.2.1.2 Prostorninska masa svežega betona
V preglednici so podani rezultati meritev prostorninske mase svežega betona takoj po vgradnji v kalupe standardiziranih dimenzij 15 cm x 15 cm x 15 cm [preglednica 11].
Preglednica 11: Rezultati meritev prostorninske mase svežega betona
datum zamešanja
starost [dni]
mpreiskušanca,avg
[kg]
V [m3] D [kg/m3]
D,avg
[kg/m3]
MB-2 2.9.2020 0 8,27 0,003375 2450,55 2410
28.6.2021 8,01 0,003375 2373,66
MB-6 8.7.2021 8,84 0,003375 2620,25 2610
15.7.2021 8,77 0,003375 2598,03
MB-8 4.8.2020 8,75 0,003375 2592,44 2590
4.8.2020 8,75 0,003375 2591,48
Grafikon 1: Prostorninska masa svežega betona 2410
2610
2590
2300 2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650
prostorninska masa [kg/m^3]
Prostorninska masa svežega betona (t=0)
MB-2 MB-6 MB-8
50
Iz rezultatov lahko razberemo, da je prostorninska masa mešanic z žlindrinim agregatom večja v primerjavi s prostorninsko maso mešanice, ki vsebuje samo naravni agregat. To je v skladu s pričakovanji, saj ima agregat iz črne jeklarske žlindre večjo prostorninsko maso zrn v primerjavi z naravnim apnenčevim agregatom.
Če primerjamo mešanici MB-6 in MB-8, lahko ugotovimo, da je prostorninska masa mešanice MB-8 manjša na račun večje količine cementnega veziva in vode ter manjše količine žlindrinega in apnenčevega agregata v primerjavi z MB-6.
5.2.3 Preiskave strjenega betona
5.2.3.1 Gostota strjenega betona
V preglednicah 12 do 14 so podani rezultati meritev gostote strjenega betona pri različnih starostih.
Preglednica 12: Rezultati meritev prostorninske mase betona pri času t = 1 dan
datum zamešanja
starost [dni]
a [mm]
b [mm]
c [mm]
V [m^3] mpreizkušanca,avg
[kg]
D,avg
[kg/m^3]
MB-2 28. 6. 2021 1
150 150 150,5 0,003375 8,07 2390
MB-6 8. 7. 2021 150 150 150 0,003375 8,73 2590
MB-8 3. 8. 2020 149,4 150,3 150,7 0,003384 8,70 2570
Preglednica 13: Rezultati meritev prostorninske mase betona pri času t = 7 dni
Preglednica 14: Rezultati meritev prostorninske mase betona pri času t = 24 dni
datum zamešanja
starost [dni]
a [mm]
b [mm]
c [mm]
V [m3] mpreizkušanca,avg
[kg]
D,avg
[kg/m3] MB-2 29. 6. 2021
7
150 150 149 0,003353 7,93 2360
MB-6 15. 7. 2021 150 150 150 0,003375 8,77 2600
MB-8 3. 8. 2020 149,6 149,82 150,3 0,003370 8,77 2600
datum zamešanja
starost [dni]
a [mm]
b [mm]
c [mm]
V [m3] mpreizkušanca,avg
[kg]
D,avg
[kg/m3] MB-2 2. 9. 2020
28
150,2 150,21 150,37 0,003393 8,24 2430
MB-6 8. 7. 2021 150 150 150 0,003375 8,8 2600
MB-8 3. 8. 2020 150,7 149,75 149,75 0,003380 8,72 2580
