Zastosowanie piasku naturalnego do produkcji proekologicznych kompozytów cementowych

Powszechnie wiadomo, że uzyskanie pożądanych, wysokich parametrów możliwe jest dzięki odpowiedniemu doborowi ilościowemu i jakościowemu składu mieszanki betonowej. Oczywiste jest także, że beton wysokiej jakości należy wykonać ze składników o odpowiednich parametrach. Dotyczy to w szczególności także kruszywa.

Powszechnie stosowaną w technologii betonu praktyką jest komponowanie stosu okruchowego w postaci mieszanki kruszywa drobnego (najczęściej piasku) i kruszywa grubego - otoczakowego bądź łamanego, przy czym punkt piaskowy kształtuje się najczęściej na poziomie 20-50%.

W pracy [1] szacuje się, że około 90% grubych kruszyw znajduje się w południowej części Polski, 6% w centrum, a tylko 4% na północy. To powoduje, że na większości obszaru Polski występuje deficyt kruszywa grubego i musi być ono dostarczane z dalszych rejonów, zaś surowiec dostępny na miejscu jest często obniżonej jakości [np. wtrącenia ziaren słabych i nasiąkliwych (FOT. 1) oraz minerałów zawierających tlenki żelaza (FOT. 2)]. To istotnie ogranicza zastosowanie tego surowca w wielu przypadkach. Przykładem może być beton architektoniczny czy kostka brukowa [2].

Sposobem pozwalającym na zwiększenie ilości pozyskiwanego kruszywa grubego jest zastosowanie znanego z mineralurgii procesu hydroklasyfikacji ([3], [4] i in.). Technologia ta polega na wypłukiwaniu grubych frakcji ze złóż mieszanych (np. pospółki). W rezultacie powstaje znaczny nadmiar piasków, które, z uwagi na problemy z racjonalnym ich zagospodarowaniem, zyskują miano odpadu ([1], [5], [6] i in.).

Należy jednak w tym miejscu podkreślić, że pozyskany w ten sposób piasek nosi cechy kruszywa naturalnego, gdyż nie został on w żaden sposób przetworzony. Dlatego na potrzeby niniejszego artykułu, autorzy proponują zaliczyć piaski pochodzące z hydroklasyfikacji do kruszyw naturalnych.

Biorąc pod uwagę dysproporcje w wydobyciu kruszyw, racjonalnym rozwiązaniem może być zwiększenie udziału drobnego kruszywa bądź całkowita eliminacja frakcji grubych.

Znane są już zastosowania piaskobetonów ze zbrojeniem rozproszonym do produkcji podłóg przemysłowych i innych konstrukcji narażonych na znaczne oddziaływania statyczne i dynamiczne, jak nawierzchnie dróg, lotnisk itp. ([7], [8] i in.). Mogą to być zarówno włókna stalowe, jak i z tworzyw sztucznych, węglowe, szklane czy pochodzenia organicznego [8].

Istnieją także doniesienia naukowe wskazujące na pozytywny wpływ mikrokrzemionki m.in. na wytrzymałość i szczelność [9]. Prowadzone są także badania nad pracą tej grupy betonów w zginanych elementach konstrukcyjnych [10].

Celem niniejszego artykułu jest przegląd wybranych zastosowań piasków naturalnych do produkcji kompozytów drobnokruszywowych. Będą to w szczególności: proekologiczne betony lekkie, zaprawy naprawcze i specjalne oraz wyroby z betonu wibroprasowanego.

Istotne problemy

Z faktu zastosowania piasku jako jedynego kruszywa do mieszanki może wyniknąć szereg problemów technologicznych, ekonomicznych, a w tracie eksploatacji -użytkowych.

Piaski charakteryzują się większą jamistością od kompozycji z kruszywem grubym. To powoduje, że do wypełnienia przestrzeni międzyziarnowych potrzeba więcej zaczynu. Wiąże się to z większym zużyciem spoiwa, co istotnie podnosi koszty surowców, które zwykle nie zostaną zrekompensowane niższymi kosztami drobnoziarnistego kruszywa.

Częściowym rozwiązaniem może być wprowadzenie popiołu lotnego.

W przypadku tradycyjnych zaczynów stosowanych do betonu, tj. o typowych wartościach w/s oraz bez dodatku mikrokrzemionki, należy zdawać sobie sprawę z wszystkich konsekwencji kapilarno-porowatej struktury kamienia cementowego. Jest ona przyczyną zwiększonej nasiąkliwości, przesiąkliwości i obniżonej mrozoodporności.

Te problemy można ograniczyć poprzez zastosowanie pyłu krzemionkowego, który poza efektem uszczelnienia struktury korzystnie modyfikuje strefę przejściową zaczyn-kruszywo, co ostatecznie prowadzi m.in. do zwiększenia wytrzymałości [11].

Duży udział zaczynu to także większe odkształcenia skurczowe. Można je ograniczyć poprzez odpowiedni dobór spoiwa czy też właściwą pielęgnację.

Znany jest ponadto wpływ zbrojenia rozproszonego na ograniczenie odkształceń skurczowych kompozytów cementowo-kruszywowych [8], jednak w przypadku piaskobetonu jego zastosowanie w ilości od 0,5% do 2,5% objętości mieszanki jest nieefektywne, gdyż zbadane odkształcenia skurczowe są blisko dwukrotnie wyższe niż w przypadku betonu zwykłego[5].

W piaskobetonach znaczna ilość frakcji pylastych zwiększa wyraźnie wodożąność (konsystencję) stosu okruchowego. Podobny efekt pogorszenia urabialności przynosi zastosowanie włókien. Uwzględniając konieczność utrzymania stosunku w/s na odpowiednio niskim poziomie, niezbędne jest zatem użycie domieszki plastyfikatora lub superplastyfikatora.

Wprowadzenie zbrojenia rozproszonego, mikrowypełniacza i domieszek prowadzi do ograniczenia większości występujących problemów. Należy jednak mieć na uwadze, że użycie tych składników generuje zwiększenie kosztów produkcji. Zdaniem autorów nie przekreśla to piaskobetonu jako wartościowego i opłacalnego materiału konstrukcyjnego, jednak ich aplikacja powinna być poprzedzona rachunkiem kosztów produkcji oraz utrzymania i napraw. Jako główną zaletę wbudowywania piasków należy wskazać efekt proekologiczny, prowadzący do zrównoważonego zużycia kruszyw naturalnych.

Proekologiczne betony lekkie

Uwzględniając trendy badawcze w technologii betonu, można postawić tezę mówiącą, że lekkie kompozyty cementowe stanowią przyszłość konstrukcji betonowych. Mały ciężar objętościowy zmniejsza wyraźnie stałe obciążenia konstrukcji, a obecność lekkiego wypełniacza stanowi czynnik obniżający przewodność cieplną. Istnieją także badania naukowe opisujące pozytywny wpływ dodatku zbrojenia rozproszonego na wytrzymałość betonu lekkiego [12].

Przykładem proekologicznego, lekkiego kompozytu piaskowo-cementowego są piaskobetony z dodatkiem regranulatu EPS. Pilotażowe badania autorów opublikowane częściowo w pracy [13] pokazały potencjalną możliwość stosowania regranulatu w ilości od 20 do 50% objętości.

• Uzyskana przy stosunku w/s = 0,35 i spoiwie CEM I 42,5 R wytrzymałość zawierała się w granicach od 6,5 (dla EPS w ilości 50%) do 15,5 MPa (dla EPS w ilości 20%).
• Zbadana gęstość objętościowa wynosiła od 1160 (dla EPS w ilości 50%) do 1790 kg/m³ (dla EPS w ilości 20%).

Tak opracowana mieszanka, przy eksperymentalnie dobranym superlastyfikatorze, może być transportowana pneumatycznie i nie wymaga zagęszczania mechanicznego. Podane wyżej wytrzymałości, po zbadaniu innych istotnych właściwości, umożliwią zastosowanie tych kompozytów np. przy produkcji "ciepłych" bloczków ściennych dla budownictwa energooszczędnego i pasywnego (FOT. 3).

Wykorzystanie tak opracowanego tworzywa nosi znamiona produkcji zrównoważonej. Nie tylko bowiem unika się stosowania deficytowego kruszywa grubego, lecz wbudowuje się do konstrukcji trudny w utylizacji odpad regranulatu EPS. Może on pochodzić od producenta wyrobów budowlanych z EPS, z zakładów prefabrykacji czy też z recyklingu opakowań.

Piaskobetony z regranulatem EPS mają szansę zdobyć popularność w budownictwie. Nim się tak jednak stanie, istnieje potrzeba zbadania pozostałych, istotnych z punktu widzenia zastosowania właściwości.

Należy także podjąć prace zmierzające do opracowania metody projektowania składu tej grupy kompozytów. Te problemy będą jednym z kierunków przyszłych prac badawczych autorów.

Zaprawy naprawcze i specjalne

Beton jest relatywnie tanim materiałem konstrukcyjnym, jednak w przypadku uszkodzenia jego naprawa bądź wymiana jest zazwyczaj kosztowna [14]. To z jednej strony stwarza konieczność stawiania betonom stale rosnących wymagań, z drugiej zaś - generuje potrzebę stosowania różnorodnych metod naprawczych.

Podczas doboru materiału do napraw należy się kierować przede wszystkim zasadą kompatybilności [14]. Należy zatem preparat naprawczy dobrać tak, aby jego parametry korespondowały z właściwościami naprawianego elementu.

W wielu przypadkach przydatne okazują się zaprawy naprawcze, np. do wypełnień, wykonywania powłok, odbudowy kształtu i funkcji elementu czy też przeprowadzania iniekcji ([15] i in.).

Odmianą zaprawy o specjalnym przeznaczeniu jest mieszanka do betonowania dwuetapowego.

• Beton układany dwuetapowo charakteryzuje się szeregiem korzystnych właściwości, wynikających ze specyficznego ukształtowania struktury. Dochodzi bowiem do bezpośrednich kontaktów pomiędzy ziarnami kruszywa grubego, co jest rezultatem suchego ułożenia ziaren w miejscu betonowania (etap pierwszy).
• W drugim etapie podawana jest zaprawa, która wypełnia przestrzenie międzyziarnowe. Efektem jest wyraźnie mniejszy skurcz spowodowany wysychaniem i wyższy moduł sprężystości ([16], [17]).

Zaprawa może być pompowana od dołu bądź podawana grawitacyjnie. Ilość kruszywa grubego na ogół jest na poziomie zbliżonym lub nawet nieco wyższym od tej w betonach układanych tradycyjnie. Nie prowadzi to zatem do ograniczenia zużycia piasku, lecz przynosi inne korzyści proekologiczne, jak:

• brak konieczności mechanicznego zagęszczania,
• mniejszą ilość składników do wymieszania (tylko zaprawa),
• możliwość pneumatycznego podawania zaprawy.

Większy udział kruszywa grubego obniża zaś zawartość cementu, ogranicza ciepło hydratacji i zmniejsza podatność na działanie wilgoci i mrozu. Dzięki tym zaletom betony te znajdują zastosowanie przy betonowaniu pod wodą, do wykonywania obudów reaktorów (betony ciężkie) czy do przeprowadzania napraw konstrukcji betonowych i murowych ([16], [17], [18]).

Wyroby z betonu wibroprasowanego

Wyroby z betonu wibroprasowanego znalazły powszechne zastosowanie w produkcji kostki brukowej i tzw. galanterii betonowej. Ich produkcja odbywa się przy użyciu mieszanki o niskiej urabialności, co wymaga doboru efektywnej metody zagęszczania i zastosowania skutecznej domieszki poprawiającej parametry reologiczne.

Elementy te są poddawane tzw. natychmiastowemu rozformowaniu, co często prowadzi do wystąpienia licznych defektów [2]. Gotowym wyrobom stawia się wysokie wymagania w zakresie trwałości i estetyki.

• Norma [19] podaje m.in. wymagania wytrzymałościowe (wytrzymałość przy rozłupywaniu min. 3,6 MPa) oraz odnośnie do nasiąkliwości (wartość średnia maks. 5,0%).
• Wprowadzenie podwyższonego do ok. 45–55% punktu piaskowego znacznie podnosi estetykę wyrobu (jakość powierzchni licowej, zatarcie i gładkość powierzchni bocznej).
• Górne ograniczenie wynika ze zużycia cementu (ok. 320–360 kg/m³ cementu CEM II B-V 42,5 dla p.p. 55%) oraz z potrzeby ograniczenia nasiąkliwości.

W praktyce stosuje się często tzw. technologię betonowania dwuwarstwowego, wykonując warstwę licową (gr. ok. 10–20 mm) z mieszanki piaskobetonowej. To zapewnia szczególnie wysoką estetykę powierzchni licowej.

Ponadto coraz powszechniej stosowane są nawierzchnie aktywne środowiskowo, wykonywane z cementu z dodatkiem nanokrystalicznego dwutlenku tytanu. Pełni on rolę fotokatalizatora w przemianiach znajdujących się w powietrzu zanieczyszczeń, przede wszystkim związków NOx, do substancji nieszkodliwych i przyswajalnych przez rośliny [20]. Tego typu rozwiązania w sposób szczególny wpisują się w proekologiczne trendy w budownictwie.

Wnioski

Uwzględniając zapotrzebowanie na kruszywa budowlane, należy stwierdzić, że północna i centralna część Polski to obszary o niekorzystnych dysproporcjach złóż naturalnych. Fakt ten skłania do poszukiwań nowych rozwiązań materiałowych, wykorzystujących piaski jako główne kruszywo do tworzyw cementowych.

Przedstawione w niniejszym artykule rozwiązania mają szansę na zdobycie szerokiej popularności w budownictwie. Aspekt proekologiczny ich zastosowania wynika nie tylko z użycia piasków, lecz także z innych, przyjaznych dla środowiska właściwości.

Literatura

1. W. Głodkowska, J. Kobaka, J. Laskowska-Bury, "Wpływ włókien stalowych na kształtowanie właściwości kompozytu drobnokruszywowego. Materiały budowlane", Wydawnictwa Uczelniane UTP, Bydgoszcz 2013.
2. Ł. Mrozik, A. Kaczmarek, M. Doering, J. Gajewski, "Defekty wibroprasowanych elementów betonowych", "Materiały budowlane" 12/2014, s. 42-44.
3. E. Grzelak, "Klasyfikacja hydrauliczna drobnych cząstek i zawiesin", "Fizykochemiczne Problemy Mineralurgii" 26/1992, s. 25-32.
4. Z. Naziemiec, D. Saramak, "Zastosowanie krzywych rozdziału w ocenie procesów klasyfikacji produktów mineralnych", "Mining Science" 22/2015, s. 119-129.
5. W. Głodkowska, J. Laskowska-Bury, "Piaski odpadowe jako wartościowe kruszywo do wytwarzania fibrokompozytów", "Rocznik Ochrona Środowiska" t. 17/2015, s. 507-525.
6. J. Katzer, J. Kobaka, "Harnessing Waste Fine Aggregate for Sustainable Production of Concrete Precast Elements", "Annual Set The Environment Protection" t. 12/2010, s. 33-45.
7. W. Głodkowska, J. Kobaka, "Zastosowanie piasków odpadowych do wykonywania posadzek przemysłowych", "Rocznik Ochrona Środowiska" t. 11/1992, s. 193-206.
8. J. Karwowska, A. Łapko, "Przydatność stosowania nowoczesnych kompozytów fibrobetonowych w konstrukcjach budowlanych", "Budownictwo i Inżynieria Środowiska" 2/2011, s. 41-46.
9. J. Katzer, "Piaskobetony specjalne na bazie piasku odpadowego modyfikowane mikrokrzemionką i zbrojeniem rozproszonym. Zastosowania metod statystycznych w badaniach naukowych II", Statsoft, Kraków 2003.
10. J. Domski, "Long-term Study on Fibre Reinforced Fine Aggregate Concrete Beams Based on Waste Sand", "Annual Set The Environment Protection" t. 17/2015, s. 188-199.
11. W. Nocuń-Wczelik, "Pył krzemionkowy - właściwości i zastosowanie w betonie", Wydawnictwo Polski Cement, Kraków 2005.
12. B. Chen, J. Liu, "Contribution of hybrid fibers on the properties of the high-strength lightweight concrete having good workability", "Cement and Concrete Research" 35/2005, s. 913-917.
13. P. Piekarski, Ł. Mrozik, "Praktyczne możliwości produkcji i stosowania betonów lekkich z użyciem regranulatu EPS. Budownictwo zrównoważone", Wydawnictwa Uczelniane UTP, Bydgoszcz 2016
14. L. Czarnecki, "Beton: uszkodzenia i naprawy", "Materiały konferencyjne - Konferencja Beton na progu nowego milenium" 2000.
15. J.Y. Petit, E. Wirquin, B. Helnan-Moussa, "Effect of W/C and superplasticizer type on rheological parameters of SCC repair mortar for gravitational or light pressure injection”, "Cement and Concrete Composites" 33/2011, s. 1050-1056.
16. H.S. Abdelgader, A.A. Elgalhud, "Effect of grout proportions on strength of two-stage concreto", "Structural Concrete" t. 9, cz. 3/2008, s. 163-170.
17. M.F. Najjar, A.M. Soliman, M.L. Nehdi, "Critical overview of two-stage concrete: Properties and applications", "Construction and Building Materials" 62/2014, s. 47-58.
18. H.S. Abdelgader, "How to design concrete produced by a two-stage concreting method", "Cement and Concrete Research" 29/1999, s. 331-337.
19. PN-EN 1338:2005, "Betonowa kostka brukowa. Wymagania i metody badań".
20. M. Doering, Ł. Mrozik, "Aktywne środowiskowo nawierzchnie z betonowej kostki brukowej", "Materiały budowlane" 5/2015, s. 69-70.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!