Fapte de cenușă zburătoare pentru inginerii de autostrăzi

Capitolul 3 - Cenușă zburătoare în beton de ciment Portland

Introducere

Utilizarea cenușii zburătoare în betonul de ciment portland (PCC) are multe beneficii și îmbunătățește performanța betonului atât în ​​stare proaspătă, cât și în stare întărită. Utilizarea cenușii zburătoare în beton îmbunătățește lucrabilitatea betonului plastic, precum și rezistența și durabilitatea betonului întărit. Utilizarea cenușii zburătoare este, de asemenea, rentabilă. Când se adaugă cenușă zburătoare în beton, cantitatea de ciment portland poate fi redusă.

zburătoare

Beneficii pentru betonul proaspăt. În general, cenușa zburătoare beneficiază de beton proaspăt, reducând necesarul de apă de amestecare și îmbunătățind comportamentul de curgere a pastei. Beneficiile rezultate sunt următoarele:

    Lucrabilitate îmbunătățită. Particulele sferice de cenușă zburătoare acționează ca rulmenți cu bile miniaturale în amestecul de beton, oferind astfel un efect lubrifiant. Același efect îmbunătățește, de asemenea, pompabilitatea betonului prin reducerea pierderilor de frecare în timpul procesului de pompare și a finisabilității la lucru plat.

Figura 3-1: Cenușa zburătoare îmbunătățește lucrabilitatea betonului de trotuar.

Scăderea cererii de apă. Înlocuirea cimentului cu cenușă zburătoare reduce necesarul de apă pentru o anumită scădere. Când cenușa zburătoare este utilizată la aproximativ 20% din totalul cimentului, cererea de apă este redusă cu aproximativ 10%. Conținutul mai mare de cenușă zburătoare va produce reduceri mai mari de apă. Cererea scăzută de apă are un efect redus sau deloc asupra contracției/crăparii uscării. Se știe că unele cenușe zburătoare reduc contracția de uscare în anumite situații.

Căldură redusă de hidratare. Înlocuirea cimentului cu aceeași cantitate de cenușă zburătoare poate reduce căldura de hidratare a betonului. Această reducere a căldurii de hidratare nu sacrifică câștigul de rezistență pe termen lung sau durabilitatea. Căldura redusă de hidratare reduce problemele de creștere a căldurii în plasamentele de beton în masă.

Beneficii pentru betonul întărit. Unul dintre principalele beneficii ale cenușii zburătoare este reacția sa cu varul și alcalii disponibili în beton, producând compuși cimentari suplimentari. Următoarele ecuații ilustrează reacția pozzolanică a cenușii zburătoare cu var pentru a produce liant suplimentar de silicat de calciu (C-S-H):

(hidratare)
Reacția cimentului:C3S +H → C-S-H + CaOH
Reacție pozolanică:CaOH +S → C-S-H
silice din constituenții de cenușă
  • Creșterea puterii ultime. Liantul suplimentar produs de reacția cenușii zburătoare cu varul disponibil permite betonului de cenușă zburătoare să continue să câștige rezistență în timp. Amestecurile concepute pentru a produce rezistență echivalentă la vârste mici (mai puțin de 90 de zile) vor depăși în cele din urmă rezistența amestecurilor drepte de beton de ciment (a se vedea Figura 3-2).

Figura 3-2: Creșterea tipică a rezistenței betonului de cenușă zburătoare.

  • Permeabilitate redusă. Scăderea conținutului de apă combinată cu producerea de compuși cimentici suplimentari reduce interconectivitatea porilor betonului, scăzând astfel permeabilitatea. Permeabilitatea redusă are ca rezultat îmbunătățirea durabilității pe termen lung și a rezistenței la diferite forme de deteriorare (a se vedea Figura 3-3)

Figura 3-3: Permeabilitatea betonului de cenușă zburătoare.

  • Durabilitate îmbunătățită. Scăderea varului liber și creșterea rezultată a compușilor cimentați, combinată cu reducerea permeabilității sporesc durabilitatea betonului. Acest lucru oferă mai multe beneficii:
    • Rezistență îmbunătățită la ASR. Cenușa zburătoare reacționează cu alcalii disponibili în beton, ceea ce le face mai puțin disponibili pentru a reacționa cu anumite minerale de silice conținute în agregate.
    • Îmbunătățirea rezistenței la atacul cu sulfat. Cenușa zburătoare induce trei fenomene care îmbunătățesc rezistența la sulfat:
      • Cenușa zburătoare consumă varul liber, făcând indisponibilă reacția cu sulfatul
      • Permeabilitatea redusă previne pătrunderea sulfatului în beton
      • Înlocuirea cimentului reduce cantitatea de aluminați reactivi disponibili
    • Rezistență îmbunătățită la coroziune. Reducerea permeabilității crește rezistența la coroziune.

    Figura 3-4: Betonul de cenușă zburătoare este utilizat în aplicații cu expunere severă
    precum punțile și digurile podului Sunshine Skyway din Tampa Bay.

    Cerințe de proiectare și specificații pentru amestec

    Procedurile de proporționare a amestecurilor de beton de cenușă zburătoare (FAC) diferă în mod necesar ușor de cele pentru PCC convenționale. Liniile directoare de bază pentru selectarea proporțiilor concrete sunt conținute în Manualul de practică a betonului al Institutului American al Betonului (ACI), Secțiunea 211.1. Agențiile de autostrăzi folosesc în general variații ale acestei proceduri, dar conceptele de bază recomandate de ACI sunt larg recunoscute și acceptate. Există foarte puține proporții în ACI 232.2.

    Cenușa zburătoare este utilizată pentru a reduce costurile și pentru a îmbunătăți performanțele PCC. De obicei, 15 la 30 la sută din cimentul portland este înlocuit cu cenușă zburătoare, cu procente chiar mai mari utilizate pentru plasarea în masă a betonului. Cimentul îndepărtat este înlocuit cu o greutate echivalentă sau mai mare de cenușă zburătoare. Raportul de substituție a cenușii zburătoare la cimentul portland este de obicei 1: 1 până la 1,5: 1.

    Ar trebui evaluat un design de amestec cu procente variate de cenușă zburătoare. Curbele timp versus rezistență pot fi reprezentate grafic pentru fiecare condiție. Pentru a îndeplini cerințele specificațiilor, se dezvoltă curbe pentru diferite rapoarte de înlocuire și se selectează raportul procentual de înlocuire optim. Un proiect de amestec ar trebui realizat folosind materialele de construcție propuse. Se recomandă ca betonul de cenușă zburătoare să fie testat să încorporeze materiale locale în evaluarea performanței.

    Factori de ciment. Deoarece adăugarea de cenușă zburătoare contribuie la materialul cimentos total disponibil într-un amestec, factorul minim de ciment (ciment portland) utilizat în PCC poate fi redus în mod eficient pentru FAC. ACI recunoaște această contribuție și recomandă utilizarea unui raport apă/(ciment plus pozzolan) pentru FAC în locul raportului convențional apă/ciment utilizat în PCC.

    Particulele de cenușă zburătoare reacționează cu var liber în matricea de ciment pentru a produce material cimentar suplimentar și, astfel, pentru a crește rezistența pe termen lung.

    Proprietăți de cenușă zburătoare

    Fineţe. Finetea cenușii zburătoare este importantă deoarece afectează rata activității pozzolanice și lucrabilitatea betonului. Specificațiile necesită minimum 66% din trecerea sitei de 0,044 mm (nr. 325).

    Gravitație specifică. Deși greutatea specifică nu afectează direct calitatea betonului, are valoare în identificarea modificărilor în alte caracteristici ale cenușii zburătoare. Ar trebui verificat în mod regulat ca măsură de control al calității și corelat cu alte caracteristici ale cenușii zburătoare care pot fi fluctuante.

    Compoziție chimică. Componentele reactive de aluminosilicat și aluminosilicat de calciu ale cenușii zburătoare sunt reprezentate în mod obișnuit în nomenclaturile lor de oxid, cum ar fi dioxidul de siliciu, oxidul de aluminiu și oxidul de calciu. Variabilitatea compoziției chimice este verificată în mod regulat ca măsură de control al calității. Componentele aluminosilicate reacționează cu hidroxidul de calciu pentru a produce materiale cimentare suplimentare. Cenușa zburătoare tinde să contribuie la rezistența betonului într-un ritm mai rapid atunci când aceste componente sunt prezente în fracțiuni mai fine ale cenușii zburătoare.

    Conținutul de trioxid de sulf este limitat la cinci procente, deoarece s-a demonstrat că cantități mai mari cresc expansiunea barei de mortar.

    Alcalii disponibili în majoritatea cenușii sunt mai mici decât limita de specificație de 1,5%. Conținutul mai mare decât acesta poate contribui la probleme de expansiune a agregatului alcalin.

    Conținut de carbon. LOI este o măsurare a carbonului nebunat rămas în cenușă. Poate varia până la cinci procente pentru AASHTO și șase procente pentru ASTM. Carbonul nears poate absorbi amestecurile de antrenare a aerului (AEA) și poate crește necesarul de apă. De asemenea, o parte din carbonul din cenușa zburătoare poate fi încapsulat în sticlă sau altfel poate fi mai puțin activ și, prin urmare, nu afectează amestecul. În schimb, unele cenușă zburătoare cu valori LOI scăzute pot avea un tip de carbon cu o suprafață foarte mare, ceea ce va crește dozele de AEA. Variațiile LOI pot contribui la fluctuațiile conținutului de aer și necesită o monitorizare mai atentă pe teren a aerului antrenat în beton. Mai mult, dacă cenușa zburătoare are un conținut foarte ridicat de carbon, particulele de carbon pot pluti în partea de sus în timpul procesului de finisare a betonului și pot produce dungi de suprafață de culoare închisă.

    Alți constituenți

    Agregate. Ca și în cazul oricărui amestec de beton, sunt necesare eșantionări și testări adecvate pentru a se asigura că agregatele utilizate în proiectarea amestecului sunt de bună calitate și sunt reprezentative pentru materialele care vor fi utilizate în proiect. Agregatele care conțin silice reactivă pot fi utilizate în FAC.

    Ciment. Cenușa zburătoare poate fi utilizată eficient în combinație cu toate tipurile de cimenturi: ciment portland, ciment performant și cimenturi amestecate. Cu toate acestea, trebuie să se acorde o atenție deosebită atunci când se utilizează cenușă zburătoare cu rezistență timpurie ridicată sau cimenturi pozzolanice. Proiectarea și testarea corespunzătoare a amestecului trebuie efectuate pentru a evalua impactul cenușii zburătoare, pe lângă performanța betonului cu rezistență timpurie ridicată. Cimenturile amestecate sau pozzolanice conțin deja cenușă zburătoare sau alt pozzolan. Înlocuirea suplimentară a cimentului ar afecta dezvoltarea timpurie a rezistenței. Caracteristicile cimentului variază, la fel ca și cenușa zburătoare și nu toate combinațiile produc un beton bun. Cimentul portland selectat ar trebui testat și aprobat pe propriul merit, precum și evaluat în combinație cu cenușa zburătoare specifică care urmează să fie utilizată.

    Amestecuri de antrenare a aerului (AEA). Cu cât este mai mare conținutul de carbon din cenușa zburătoare, cu atât este mai dificil să controlezi conținutul de aer. Mai mult, dacă conținutul de carbon variază, conținutul de aer trebuie monitorizat îndeaproape și ratele de dozare ale amestecului trebuie modificate pentru a asigura niveluri adecvate de antrenare a aerului.

    Întârzieri. Adăugarea de cenușă zburătoare nu ar trebui să modifice semnificativ eficacitatea unui agent de întârziere chimică. Unele cenușe zburătoare pot întârzia timpul setat și pot reduce necesitatea unui întârziat.

    Reductoare de apă. Betonul de cenușă zburătoare necesită în mod normal mai puțină apă, dar poate fi îmbunătățit în continuare cu utilizarea unui amestec de reducere a apei. Eficacitatea acestor amestecuri poate varia cu adăugarea de cenușă zburătoare.

    Practici de construcție

    Amestecurile de beton de cenușă zburătoare pot fi dezvoltate pentru a efectua în esență același lucru ca și amestecurile PCC cu diferențe minore. Când amestecați și plasați orice FAC, pot fi de dorit unele modificări minore în funcționarea pe teren. Următoarele reguli generale vor fi utile:

    Operațiuni de instalații. Cenușa zburătoare necesită un siloz separat etanș, sigilat sau coș de susținere pentru depozitare. Aveți grijă și marcați în mod clar conducta de încărcare a cenușii zburătoare pentru a proteja împotriva contaminării încrucișate atunci când se fac livrări. Dacă nu se poate furniza un coș de susținere separat, poate fi divizat silozul de ciment. Dacă este disponibil, utilizați un separator cu pereți dubli pentru a preveni contaminarea încrucișată. Datorită formei sale sferice a particulelor, cenușa zburătoare uscată este mai curgătoare decât cimentul portland uscat. Unghiul de repaus al cenușii zburătoare este de obicei mai mic decât cel al cimentului.

    Ca și în cazul oricărui amestec de beton, timpul și condițiile de amestecare sunt esențiale pentru producerea betonului de calitate. Creșterea volumului de pastă și prelucrarea betonului (efectul rulmenților cu bile) asociate cu utilizarea cenușii zburătoare îmbunătățesc de obicei eficiența amestecului.

    Practici de teren. Începând cu prima livrare de beton la șantier, fiecare sarcină trebuie verificată pentru aerul antrenat până când personalul proiectului este sigur că se obține un conținut de aer consistent. După aceea, testarea periodică ar trebui să continue pentru a asigura coerența. Betonul trebuie așezat cât mai repede posibil pentru a minimiza pierderile de aer antrenate prin agitație prelungită. Ar trebui urmate practicile normale de consolidare. Vibrațiile excesive trebuie evitate pentru a reduce la minimum pierderea conținutului de aer în loc.

    Caracteristicile de lucrabilitate ale mixului FAC permit amplasarea acestuia cu ușurință. Mulți antreprenori raportează o netezime îmbunătățită a trotuarelor FAC față de cele construite cu PCC convențional. FAC conține mai multă pastă decât PCC convențional, ceea ce este benefic pentru finisare. Dezvoltarea mai lentă a rezistenței timpurii a FAC poate duce, de asemenea, la o retenție mai lungă a umezelii.

    Figura 3-5: Finisarea betonului frasin

    Depanare. Utilizatorii pentru prima dată de cenușă zburătoare în beton ar trebui să evalueze performanța amestecurilor propuse înainte de construcție. Toate ingredientele din beton trebuie testate și evaluate pentru a dezvolta designul amestecului dorit.

    Conținut de aer. Finetea cenușii zburătoare și fiabilitatea îmbunătățită a FAC fac în mod natural mai dificilă dezvoltarea și păstrarea aerului antrenat. De asemenea, carbonul rezidual ne-ars din cenușă adsorbe o parte din agentul de antrenare a aerului și face mai dificilă dezvoltarea conținutului de aer dorit. Cenușa cu conținut ridicat de carbon necesită în mod natural conținut mai mare de AEA. Asigurarea calității și testarea controlului calității cenușii la sursă trebuie să asigure că cenușa zburătoare utilizată menține un conținut uniform de carbon (LOI) pentru a preveni fluctuațiile inacceptabile ale aerului antrenat. Noile tehnologii și proceduri pentru a aborda carbonul ars în cenușa zburătoare sunt descrise în capitolul 10.

    Reduceți forța timpurie. Amestecurile de beton de cenușă zburătoare duc de obicei la rezistențe mai mici la vârste mici. Câștigul de rezistență mai lent poate necesita consolidarea formelor pentru a atenua sarcinile hidraulice. Trebuie remarcat faptul că eliminarea formularului și deschiderea către trafic pot fi întârziate din cauza creșterii mai lente a rezistenței. Punctele tari mai mici pot fi depășite folosind acceleratoare.

    Limitări sezoniere. Programarea construcțiilor ar trebui să permită FAC să câștige o densitate și o rezistență adecvate pentru a rezista aplicațiilor de dezghețare și ciclului de îngheț-dezgheț înainte de lunile de iarnă. Câștigul de forță al FAC este minim în lunile mai reci. Deși reacțiile pozzolanice sunt semnificativ diminuate sub 4,4 grade C (40 grade F), câștigul de rezistență poate continua la o rată mai lentă rezultată din hidratarea continuă a cimentului. Amestecurile chimice pot fi utilizate pentru a compensa limitele sezoniere.