Beton előállítása kőzetszemcsék újrahasznosításával

Átírás

1 EGYÉB HULLADÉKOK 6.5 Beton előállítása kőzetszemcsék újrahasznosításával Tárgyszavak: betongyártás; kőzetszemcse; újrahasznosítás; mechanikai jellemzők. Minden építési tevékenység során hulladék is keletkezik. Az érvényben levő hulladéktörvény minden olyan keletkező terméket és anyagot, amelyek nem a tulajdonképpeni tevékenység eredményei, a hulladékokhoz sorolja. Ez a hulladék két részre oszlik: lehet lerakásra kerülő és lehet hasznosítható hulladék. A hulladéktörvényben a törvényhozó a képződő ásványi anyagok lehetőleg értelmes hasznosítását követeli meg. Jelentős mennyiségű hulladék kerül újrahasznosításra az út-, közútépítésben, valamint a földmunkákban. Ezeken a területeken azonban az ásványi anyagok hasznosítható mennyisége korlátozott, mivel ipari melléktermékeket is hasznosítanak ezeken a létesítményeken. A törvényhozó szándékainak megfelelő hasznosítási lehetőség az ásványi törmelék felhasználása adalékként a beton DIN 1045 szerinti előállításakor. Kutatási program keretén belül tisztázták, milyen peremfeltételek mellett van lehetőség az újrahasznosítandó anyagok betongyártási adalékként való felhasználására. Beton Méretezés Amennyiben újrahasznosítható kőzetszemcsét használunk fel adalékként a DIN szabvány szerint előállított betonhoz, ennek tulajdonságai olyanok legyenek, hogy ugyanolyan előírások szerint lehessen méretezni, mint a normál vagy nehéz kőzetszemcsézetű betonból készült építőelemek esetében. Ebben az esetben betonszerkezetek tervezésekor és méretezésekor ugyanúgy lehet eljárni, mint normálbeton felhasználásakor. Eleve feltételezik, hogy a teljes adalékmennyiséget úgy korlátozzák, hogy biztosítsák a betontól elvárt tulajdonságok ugyanakkora szórását, mint amilyenre méretezés szempontjából, a normál kőzetszemcsézetű beton esetében számítani lehet.

2 Amennyiben a teljes adalék visszaforgatott kőzetszemcsézetből áll, a normál adalékszemcsézetű betontól való eltérés hatását a tulajdonságokra figyelembe kell venni. Ezt azzal lehet elérni, hogy a betont könnyűbetonra érvényes szabályok szerint méretezik. Belsőépítészeti szerkezeti elemek esetében, az X0 és XC1 minőségek céljaira korlátlanul felhasználhatók. Amennyiben a visszaforgatott kőzetszemcsékre vonatkozó (1. táblázat) mennyiségi előírásokat betartjuk, a méretezés a DIN 1045 szerint történhet. 1. táblázat A betonadalékban maximálisan megengedhető, visszaforgatott kőzetszemcsézet részaránya, amennyiben a betonelemet a normális kőzetszemcsézetű adalék felhasználásának esetére érvényes szabályok szerint méretezik Alkalmazási területek, külső igénybevételi osztályozás szerint Korlátozások 1. W0 esetén: beton C25/30-ig beton C30/37-ig 2. WF esetén: csak, ha eredete nem ismert vagy szakvéleményezés alapján 3. Az alábbi esetekben: fagy vegyi hatással szembeni ellenállás ellenállás víz behatolásával szemben X0 XC1, XC2, XC3, XC4 XF1, XF3 XA1 Betontörmelék és -homok 2 mm, %(V/V) A frissbeton előállítása és tulajdonságai A beton előállításakor a visszaforgatott kőzetszemcsézet vízfelszívó képességét kétféleképpen lehet figyelembe venni: előállítás állandó víztartalommal és előállítás állandó konzisztenciával. A tömeg szerinti bemérésnél mindkét esetben figyelembe kell venni az adalék víztartalmát. A beton előállítása állandó víztartalommal Ebben az esetben az előállítás a betonkeverőben állandó adalékvízmennyiséggel történik. Ezt a mennyiséget az első ellenőrzés során állapítják meg. A keverési folyamat végén elérendő konzisztenciára vannak tekintettel. Az adalékvíz-mennyiség számításakor figyelembe kell venni, hogy a szem-

3 csék felületét (becslés szerint) milyen mennyiségű víz nedvesíthette. Tekintettel a termelési idő alatti víztartalom-változásra, a friss beton szilárdulása a feldolgozás időpontjáig eltérő lesz. A konzisztenciának ezt a változását ebben az időpontban egy folyósítóanyag hozzáadásával visszafordítják, így a beton a kívánt konzisztenciával fog rendelkezni. A folyósítóanyag adagolási mennyiségét az első ellenőrzés eredményeit figyelembe véve egy adagolási utasításból lehet meghatározni. A szükséges folyósítóközeg-mennyiség függ az építési munkahelyre érkező beton konzisztenciája és a bedolgozandó betontól megkívánt konzisztencia különbségétől. Beton előállítása állandó konzisztenciával A konzisztencia alapján irányított beton-előállítás esetében a keverési folyamat végén az anyag az előírt konzisztenciával rendelkezik. A keverési folyamathoz szükséges adalékvíz-mennyiség figyelembe veszi a keverőeszköz működés közben felvett teljesítményét. A konzisztencia és a teljesítményfelvétel közötti összefüggést az első ellenőrzés keretein belül kell meghatározni. Csupán az adalék tömeg szerinti bemérésekor veszik számszerűen figyelembe az adalék magjának és felületének eltérő víztartalmát. Az 1. típusú visszaforgatott kőzetszemcsézet felhasználásakor azért van lehetőség ilyen eljárásra, mert számos mérés bizonyította, szoros összefüggés van a konzisztencia és a víztartalom között. Ennek oka, hogy az adalék viszonylag gyorsan felszívja a vizet. Ez a körülmény azt is lehetővé teszi, hogy a keverési folyamat végén a konzisztencia beállításakor a beton szilárdulását úgy kompenzálják, hogy a beton bedolgozásának időpontjában létrejöjjön a kívánt konzisztencia. Az első ellenőrzés során kell meghatározni az adalék vízszívása és a konzisztenciaváltozás közötti összefüggést. Ettől függetlenül folyósítóanyag hozzáadásával végrehajtható a konzisztencia korrekciója. A szilárd beton tulajdonságai A különböző kőzetszemcsézettségű betonok nyomószilárdságának alakulását mutatja be az 1. ábra. Szitasor felhasználásával állítottak elő olyan betonokat, amelyekben az adalék 4/8 és 8/16 szemcseméretcsoporthoz tartozott. Normális kőzetszemcsézetű betont és téglatörmeléket tartalmazó anyag került felhasználásra. A 0/4 szemcseméretcsoport minden beton esetében normál kőzetszemcsézetű volt. Az 1. típusú adalékkal készült beton szakítószilárdságának a nyomószilárdsághoz való viszonya a normálbetonnál ismert határok között van. A 15 cm élhosszúságú kockákon meghatározott hasadási szakítószilárdság ugyanolyan függvénnyel határozható meg a nyomószilárdságból, mint amelyik a normál kőzetszemcsézettségű adalékkal készült beton esetére érvényes.

4 1,2 relatív nyomószilárdság 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 normál adalék 1. típus: betonzúzalék/betonhomok 2. típus: építményzúzalék/építményhomok 3. típus: falazatzúzalék/falazathomok vegyes zúzalék/homok 0, idő, nap 1. ábra A DIN szerinti 1, 2, 3 és 4 szállítmánytípusokhoz tartozó betonok nyomószilárdságának alakulása normál és reciklált hulladék mint adalék felhasználása esetén rugalmassági modulus (N/mm 2 ) 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 f ct(sz) = k f c, cube 2/3 1. típusú adalék 2., 3. típusú adalék w/z = 0,55 CEM I 32,5 R idő = 28 napos 150 mm élű kocka nyomószilárdság (N/mm 2 ) 2. A DIN szerinti 1, 2 és 3 típusokhoz tartozó, reciklált hulladékkal mint adalékkal előállított betonok hasadási szakítószilárdsága a nyomószilárdság függvényében Azoknak a betonoknak, amelyeknek az adalékanyaga fokozott mennyiségű téglatörmeléket tartalmazott (2. és 3. típusú), a nyomószilárdsága változatlan, viszont a szakítószilárdság enyhén csökken. A szakítószilárdságnak ez a csökkenése azzal magyarázható, hogy kisebb az adalék nyers sűrűsége és

5 ennek megfelelően a szemcseszilárdság is kisebb lesz. A 2. ábra tüneti fel az f ct(sz) hasadási szakítószilárdság és az f c,cube nyomószilárdság közötti összefüggést a visszaforgatott kőzetszemcsézettel adalékolt beton esetében. Amennyiben a hasadási szakítószilárdság és a kockán mért nyomószilárdság közötti összefüggést az f ct(sz) = k f c,cube 2/3 kapcsolattal fejezzük ki, akkor az 1. típusú adalékkal készült betonok nagyjából összevethetők a normál kőzetszemcsézettségű betonok adataival, viszont a 2. és 3. típusú adalék felhasználása esetében a hasadási szakítószilárdság jellege a k = 0,15 0,27 értékekkel jellemezhető görbéket követi. A beton rugalmassági modulusa a szemcsék nyers sűrűségével, ill. a szemcsék rugalmassági modulusával arányosan csökken. Ha például betontörmelékből származó visszaforgatott kőzetszemcsézetet használunk fel a beton előállításához, akkor egyébként azonos körülmények között, a rugalmassági modulus kisebb, mint normál kőzetszemcsézettségű adalék felhasználása esetében. Amennyiben a normális kőzetszemcsézettségű adalékot teljesen visszaforgatott kőzetszemcsézettségű anyaggal váltjuk fel, a csökkenés elérheti a 15 30%-ot. A téglatörmelékből származó adalékanyagot tartalmazó betonok rugalmassági modulusa 50%-ig csökkenhet (3. ábra) reciklált, 1. típusú adalék reciklált, 3. típusú adalék recilált, 1/3 típusú adalék az 1. és 3. típusú visszatáplált adalék részaránya a 4/16 adalékban, %(m/m) 3. ábra A DIN szerint 1 és 3 típusú, a 4/16 szemcsemérethez tartozó visszatáplált adalékanyag részarányának hatása a rugalmassági modulusra Amennyiben egy építőelem merevsége a méretezésnél különleges szerepet játszik, meg kell határozni a tényleges rugalmassági modulust, és annak értékét figyelembe kell venni.

6 Normális kőzetszemcsézettségű adalékkal készült betonok esetében az alapanyag hatása elsősorban a kúszási tulajdonságokon érvényesül. Ebben az alakváltozásban az adalékanyag, kis kúszási képessége következtében, egyébként azonos körülmények között, csak alárendelt szerepet tölt be. A visszaforgatott kőzetszemcsézettel készült betonok esetében már nem érvényesül ez az előfeltétel. A visszaforgatott kőzetszemcsézet esetleges heterogén összetétele következtében a régi cementkő-alapanyag alkotói is jelen lehetnek, és a kúszási képességet növelhetik. A kísérletek azt mutatják, hogy a visszatáplált kőzetszemcsézetű adalékot tartalmazó beton kúszási alakváltozása szélsőséges esetekben akár 40%-kal is nagyobb lehet, mint a normális szemcsézetet tartalmazó betonét (4. ábra). Ha betonadalékként betontörmelék-homokot használunk, a kúszási alakváltozás meg is kétszereződhet fajlagos kúszás, N/mm normál adalék reciklált, 1. típusú adalék reciklált, 3. típusú adalék terhelési időtartam, nap 4. ábra A normál, 16 mm szemcseméretű és a DIN szerinti 1 és 4 típusú, 4/16 szemcseméretű, reciklált adalékok hatása a betonok kúszási tulajdonságaira Ipari betongyártás Állandó vízadagolásos technológia Üzemi jellegű feltételek között 460 m 3 beton állítottak elő. A B35 szilárdsági osztályozású betont egy vállalati székház építéséhez használták fel.

7 A keverőberendezésbe adagolt vízmennyiség állandóan 170 kg/m 3 volt. Kapacitív módszerrel határozták meg a felületi nedvességtartalmat, és azt az adagolásnál figyelembe vették. További nedvesség-ellenőrzést nem végeztek. Az állandó vízadagolás módszere esetében a visszaforgatott anyagrészecskék változó nedvességtartalma következtében a friss beton végső konzisztenciája és szilárdulási viselkedése ingadozóan változott. A beton bedolgozásához szükséges konzisztencia elérése érdekében a már említetteknek megfelelően, folyósítóanyagot adagoltak. A szükséges folyósítóanyag-mennyiség az építési munkahelyre beérkező beton konzisztenciájától függ, ami viszont ennél a módszernél erősen ingadozó érték (5. ábra) nyomószilárdság, N/mm a keverőberendezésen mért nyomószilárdság (t = 10 perc) az építési munkahelyen mért nyomószilárdság (t=60 perc) folyósítóanyag-adalék folyósítóanyag-mennyiség, ml/kg cement a kockaminták sorszáma 5. ábra A nyomószilárdság és a folyósítóanyag mennyisége 26 független minta esetén Mivel a teljes termelési idő alatt az adalék összetétele és szárazsűrűsége állandó minőségű volt (2,40 kg/dm 3 ), arra lehet következtetni, hogy a beton nyomószilárdságának szórása elsősorban a betonadalék-szemcsék belső nedvességtartalmára vezethető vissza. Ennek következtében a cementhabarcs hatékony víztartalma befolyásolja a konzisztenciát, amelyik egy adott

8 időpontban megmérve, az elérhető nyomószilárdság közvetlen mértéke lehet, amit a 6. ábrán látható, egyértelmű korreláció is igazol. nyomószilárdság, N/mm 2 szórás a folyósítóanyag adagolása előtt, t = 30 perc (cm) 6. ábra A 30 perc utáni nyomószilárdság és a szórás közötti összefüggés A szórásnégyzet nagysága a számítás szerint s a = 5,5 cm. Betonozási naponként és 25 m 3 betononként három kockából álló sorozatokat állítottak elő. A próbatestek élhosszúsága 150 mm volt. A mintákat közvetlenül a keverés után (t = 10 perc) a transzportbeton-berendezésről és az építési munkahelyen a folyósítóanyag adagolása, ill. az átkeverés után (t = 60 perc) vették. Az összesen 26 független kockasorozat értékelése a 7. ábrán feltüntetett gyakorisági eloszlást eredményezte. Bár a víz- és az adalékadagolásnál nem vették figyelembe a szemcsék belső nedvességtartalmát, a mérési eredmények átlagos szórásnégyzete mindössze 3,0 N/mm 2 4,2 N/mm 2 volt. Állandó frissbeton-konzisztencia A frissbeton konzisztenciája és nyomószilárdsága közötti összefüggés teszi indokolttá a konzisztencia alapján irányított előállítást. Az állandó szilárdulás biztosítása érdekében, a betonozás megkezdése előtt, a visszaforgatott adalékot permetezéssel nedvesítették, amikor az időjárási viszonyok azt szük-

9 ségessé tették. Ezzel a rendszabállyal kiküszöbölhető a visszaforgatott kőzetszemcsézet vízfelvétele által előidézett szilárdulás. relatív gyakoriság 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 x M = 45,0 N/mm 2 s = 4,2 N/mm 2 a keverőberendezésnél, t = 10 perc az építési munkahelyen, t = 60 perc x M = 46,5 N/mm 2 s = 3,0 N/mm 2 0,04 0,02 0, nyomószilárdság, N/mm 2 7. ábra A nyomószilárdság eloszlása (félüzemi kísérlet) A kívánt konzisztencia elérése érdekében a termelési folyamat alatt a teljes adalékmennyiség saját nedvességtartalmát figyelembe véve történik a víz adagolása. A visszaforgatott anyag előzetes nedvesítése alapján állandó szilárdulásra lehetett számítani ( a = perc). A konzisztencia alapján irányított gyártási folyamat, beleértve a visszaforgatott adalék előnedvesítését is, azt a célt szolgálta, hogy az építési munkahelyre érkező beton konzisztenciájának szórása kisebb legyen, és ezáltal jobban be lehessen állítani a konzisztenciát korrigáló folyósítóközeg adagolási mennyiségét, ugyanakkor csökkenteni lehessen a beton nyomószilárdságának szórását. Egy lakóépület építéséhez a vasbetonra vonatkozó előírásoknak megfelelő, 12 E m 3 betont használtak fel. A beton összetétele az akkor még érvényes, a visszaforgatott adalékokkal előállított anyagra vonatkozó előírásoknak felelt meg. A szabályzatnak megfelelően a beszállított adalékanyagot hetente ellenőrizték anyagösszetétel, nyers szemcsesűrűség és vízfelvétel szempontjából. A 8/16 szemcseméretű frakció anyagösszetételére való tekintettel (betontör-

10 melék és természetes adalék 95%) a határértékeket szigorúan betartották, ami az állandóan nagy nyers szemcsesűrűség formájában is érvényesült. Az egymással ellentétes irányú adatsorok ismét bizonyították a nyers szemcsesűrűség és a vízfelvétel közötti összefüggést. A szilárdulás értéke 10 perc és 45 perc között eléggé állandó ( a = 3 cm) marad (8. ábra). Az átlagos szórásnégyzet értéke s = 3,37 cm, ami részben természetes szórás: a kísérlet szakszerű elvégzésekor s = 1,50 2,00 értéket kaptak. 0,14 relatív gyakoriság 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 x M = 34 N/mm 2 s = 3,2 N/mm 2 x M = 37 N/mm 2 s = 3,4 N/mm 2 a = 3 cm a 45 a 10 0, szórás, cm 8. ábra Szórás eloszlása konzisztencia szerint irányított betonelőállítás esetén A frissbeton konzisztenciáját a keverés alatt optikailag egy keverőkamerával, mechanikailag a keverődob ellenállásának mérése révén (az ún. konzisztorméterrel) ellenőrzik. Ez lehetőséget nyújt arra, hogy amit eddig csupán a keverőmester tapasztalatai és képességei alapján lehetett kompenzálni, most már az eltérés objektív meghatározásával értékeljenek. A padozatlemez betonanyagának viszonylag kis szórása jórészt annak tudható be, hogy ebből nagy mennyiségű adagot igényeltek, és így a kívánt érték könnyebben volt beállítható. Ennél az M2 minőségnél lényegesen kisebb mennyiségben igényelték az M1 minőséget. Ezért ebben az esetben a keverőmesternek sokkal több nehézséget okoz több napon keresztül állandó minőségű keverék előállítása. Ennek ellenére az s = 3,80 N/mm 2 szórás a gyártás szempontjából biztonságos tartományban maradt.

11 Összefoglalás Azokat az építőelemeket, amelyeket visszaforgatott adalék felhasználásával, az irányelveknek megfelelően állítottak elő, a DIN 1045 szabvány szerint lehet méretezni. A visszaforgatott adalék kőzetszemcsézetét azonban csak természetes kőzetszemcsézettel együttesen szabad felhasználni. Egy tartószerkezet tervezője a méretezést a később ténylegesen felhasználásra kerülő adalék ismerete nélkül végezheti el. Amennyiben a visszaforgatott kőzetszemcsézetet felhasználó betont olyan szerkezet előállítására veszik igénybe, amelynél az alakváltozás különösen fontos szerepet játszik, a DIN 1045 szabvány által megkövetelt pontosabb alakváltozás-ellenőrzésre is szükség van. A visszaforgatott adalék nagyobb részarányban való felhasználásához további, a beton fagyállóságára és alkáliérzékenységére vonatkozó vizsgálatokra van szükség. Az építőipari hulladékból visszaforgatott adalékanyag felhasználásának bővítése a hulladéklerakó helyek iránti igényt fokozott mértékben csökkenti és a természeti erőforrásokkal való takarékossághoz is hozzájárul. (Dr. Barna Györgyné) Grübl, P.; Rühl, M.: Beton unter Verwendung von rezyklierter Gesteinskörnung. = Die Fachzeitschrift für Bau + Technik, 52. k. 5. sz p Topçu, B. į.; Uğurlu, A.: Effect of the use of mineral filler on the properties of concrete. = Cement and Concrete Research, sajtó alatt, elérhető online, febr. 1.