Тротуари

Факти про летючу золу для інженерів шосе

Розділ 3 - Зола в цементному бетоні Портленда

Вступ

Застосування летючої золи у портландцементному бетоні (ПХК) має багато переваг та покращує експлуатаційні якості бетону як у свіжому, так і у затверділому стані. Використання золи в бетоні покращує працездатність пластикового бетону, а також міцність і довговічність затверділого бетону. Використання золи-золи також є економічно вигідним. При додаванні золи до бетону кількість портландцементу може бути зменшена.

цементному

Переваги свіжого бетону. Як правило, летюча зола приносить користь свіжому бетону за рахунок зменшення потреби у змішуванні води та покращення поведінки пасти. Отримані переваги такі:

    Покращена працездатність. Частинки сферичної золи сферичної форми виконують роль мініатюрних кулькових підшипників всередині бетонної суміші, забезпечуючи тим самим мастильний ефект. Цей самий ефект також покращує прокачуваність бетону за рахунок зменшення втрат на тертя в процесі накачування та плоскодобутості.

Малюнок 3-1: Зола, що політає, покращує технологічність дорожнього бетону.

Зниження потреби у воді. Заміна цементу летючою золою зменшує потребу у воді для даного спаду. Коли летюча зола використовується приблизно на 20 відсотків від загальної кількості цементу, потреба у воді зменшується приблизно на 10 відсотків. Більш високий вміст золи призводить до вищих скорочень води. Зниження потреби у воді майже не впливає на усадку/розтріскування сушіння. Відомо, що частина летючої золи зменшує усадку при висиханні в певних ситуаціях.

Знижена теплота гідратації. Заміна цементу такою ж кількістю летючої золи може зменшити тепло гідратації бетону. Це зменшення тепла гідратації не погіршує довгострокового збільшення міцності та довговічності. Знижена теплота гідратації зменшує проблеми підвищення температури в бетонних масивах.

Переваги затверділого бетону. Однією з головних переваг золи є її реакція з наявним вапном та лугом у бетоні, утворюючи додаткові цементуючі сполуки. Наступні рівняння ілюструють пуццоланову реакцію золи, що вилітає, з вапном з утворенням додаткового в'яжучого речовини силікату кальцію (C-S-H):

(зволоження)
Цементна реакція:C3S +H → C-S-H + CaOH
Реакція Пуццолана:CaOH +S → C-S-H
кремнезем з зольних компонентів
  • Підвищена гранична міцність. Додаткове сполучне речовина, що утворюється в результаті реакції летючої золи з наявним вапном, дозволяє золі бетону продовжувати набирати міцність з часом. Суміші, призначені для отримання еквівалентної міцності в ранньому віці (менше 90 днів), в кінцевому рахунку перевершать міцність прямих цементно-бетонних сумішей (див. Рисунок 3-2).

Рисунок 3-2: Типовий приріст міцності зольного бетону.

  • Знижена проникність. Зменшення вмісту води у поєднанні з виробництвом додаткових цементуючих сполук зменшує порову взаємозв'язок бетону, тим самим зменшуючи проникність. Знижена проникність призводить до поліпшення довгострокової довговічності та стійкості до різних форм погіршення стану (див. Рисунок 3-3)

Рисунок 3-3: Проникність зольного бетону.

  • Покращена довговічність. Зменшення вільного вапна і, як наслідок, збільшення цементних сполук у поєднанні зі зменшенням проникності підвищують міцність бетону. Це дає кілька переваг:
    • Покращена стійкість до ASR. Зола реагує з наявними в бетоні лугами, що робить їх менш доступними для реакції з деякими мінералами кремнезему, що містяться в заповнювачах.
    • Покращена стійкість до сульфатної атаки. Летюча зола викликає три явища, що покращують стійкість до сульфатів:
      • Летюча зола споживає вільне вапно, що робить його недоступним для реакції з сульфатом
      • Знижена проникність запобігає проникненню сульфату в бетон
      • Заміна цементу зменшує кількість реактивних алюмінатів
    • Покращена стійкість до корозії. Зниження проникності збільшує стійкість до корозії.

    Рисунок 3-4: Золотий бетон застосовується в умовах сильної експозиції
    такі як палуби та пристані мосту Саншайн Скайвей в затоці Тампа.

    Вимоги до дизайну та специфікації суміші

    Процедури дозування сумішей зольного бетону (FAC) обов'язково дещо відрізняються від процедур для звичайних PCC. Основні вказівки щодо вибору пропорцій бетону містяться в Посібнику з практики бетону Американського інституту бетону (ACI), розділ 211.1. Агенції автомобільних доріг зазвичай використовують варіації цієї процедури, але основні концепції, рекомендовані ACI, широко визнані та прийняті. Про пропорціонування в ACI 232.2 дуже мало.

    Летюча зола використовується для зниження вартості та поліпшення продуктивності PCC. Як правило, від 15 до 30 відсотків портландцементу замінюється золою, а ще більший відсоток використовується для масового розміщення бетону. Вилученому цементу замінюють еквівалентну або більшу вагу золи. Співвідношення заміщення летючої золи до портландцементу зазвичай становить 1: 1 - 1,5: 1.

    Структуру суміші слід оцінювати з різними відсотками летючої золи. Криві часу та сили можна побудувати для кожної умови. Щоб відповідати вимогам специфікації, розробляються криві для різних коефіцієнтів заміщення та вибирається оптимальний коефіцієнт заміщення. Структуру суміші слід виконати із застосуванням запропонованих будівельних матеріалів. Рекомендується, щоб випробовуваний зольний бетон включав місцеві матеріали в оцінку експлуатаційних характеристик.

    Фактори цементу. Оскільки додавання зольної золи вносить загальний вміст цементуючого матеріалу, що є в суміші, мінімальний коефіцієнт цементу (портландцемент), що використовується в ПХК, може ефективно зменшити для FAC. ACI визнає цей внесок і рекомендує використовувати коефіцієнт вода/(цемент плюс пуццолан) для FAC замість звичайного співвідношення вода/цемент, що використовується в PCC.

    Частинки летючої золи реагують із вільним вапном у цементній матриці, утворюючи додатковий цементуючий матеріал і, таким чином, збільшуючи довготривалу міцність.

    Властивості летючої золи

    Витонченість. Тонкість летючої золи важлива, оскільки вона впливає на швидкість пуццоланової активності та працездатність бетону. Технічні характеристики вимагають мінімум 66 відсотків пропускання сита 0,044 мм (№ 325).

    Питома вага. Хоча питома вага безпосередньо не впливає на якість бетону, він має значення для виявлення змін інших характеристик золи. Його слід регулярно перевіряти як засіб контролю якості та співвідносити з іншими характеристиками летючої золи, які можуть коливатися.

    Хімічний склад. Реакційноздатні алюмосилікатні та кальцієво-алюмосилікатні компоненти золи, що летять, зазвичай представлені в їх оксидних номенклатурах, таких як діоксид кремнію, оксид алюмінію та оксид кальцію. Мінливість хімічного складу регулярно перевіряється як засіб контролю якості. Алюмосилікатні компоненти реагують з гідроксидом кальцію, утворюючи додаткові цементуючі матеріали. Летюча зола, як правило, сприяє підвищенню міцності бетону швидше, коли ці компоненти присутні в більш дрібних фракціях золи.

    Вміст триоксиду сірки обмежений до п’яти відсотків, оскільки, як було показано, більші кількості збільшують розширення бруску розчину.

    Доступні луги в більшості попелу менше межі специфікації 1,5 відсотка. Вміст, що перевищує цей, може сприяти проблемам розширення лужно-заповнювального матеріалу.

    Вміст вуглецю. LOI - це вимірювання незгорілого вуглецю, що залишається в золі. Він може становити до п’яти відсотків на AASHTO та шести відсотків на ASTM. Незгорілий вуглець може поглинати захоплюючі повітря домішки (АЕА) і збільшувати потребу у воді. Крім того, частина вуглецю в золі, що летить, може бути вкладена в скло або іншим чином бути менш активною і, отже, не впливати на суміш. І навпаки, деякі летючі золи з низькими значеннями LOI можуть мати тип вуглецю з дуже великою поверхнею, що збільшить дозування AEA. Варіації LOI можуть сприяти коливанням вмісту повітря і вимагати більш ретельного моніторингу польового захоплення повітря в бетоні. Крім того, якщо летюча зола має дуже високий вміст вуглецю, частинки вуглецю можуть спливти до верху в процесі обробки бетону і можуть утворити темні кольорові смуги на поверхні.

    Інші складові

    Агрегати. Як і у випадку з будь-якою бетонною сумішшю, необхідні відповідні відбір проб та випробування, щоб гарантувати, що заповнювачі, що використовуються в конструкції суміші, є якісними та є репрезентативними для матеріалів, які будуть використані в проекті. Агрегати, що містять реакційноздатний діоксид кремнію, можуть бути використані в FAC.

    Цемент. Летучу золу можна ефективно використовувати в поєднанні з усіма типами цементів: портландцементом, цементом, що працює, та цементними сумішами. Однак слід бути особливо обережним при використанні золи з високою ранньою міцністю або пуццоланових цементів. Повинні бути проведені відповідні розробки суміші та випробування, щоб оцінити вплив додавання золи на ефективність бетону з ранньою міцністю. Змішані або пуццоланові цементи вже містять золу або інший пуццолан. Додаткова заміна цементу вплине на ранній розвиток міцності. Характеристики цементу різняться, як і зола, що летить, і не всі комбінації дають хороший бетон. Обраний портландцемент повинен бути випробуваний та затверджений на власній основі, а також оцінений у поєднанні з конкретною золою, що застосовуватиметься.

    Добавки, що захоплюють повітря (AEA). Чим вище вміст вуглецю в золі, тим складніше контролювати вміст повітря. Крім того, якщо вміст вуглецю змінюється, необхідно ретельно стежити за вмістом повітря та змінювати норми дозування, щоб забезпечити належні рівні захоплення повітря.

    Уповільнювачі. Додавання летючої золи не повинно помітно змінювати ефективність хімічного сповільнювача. Деякий зольний зол може затримати час схоплювання та зменшити потребу в сповільнювачі.

    Редуктори води. Золотий бетон, як правило, вимагає менше води, але його можна вдосконалити за допомогою водовідновлюючої добавки. Ефективність цих домішок може змінюватися залежно від додавання золи.

    Будівельні практики

    Летучі зольні бетонні суміші можуть бути розроблені для роботи по суті так само, як суміші PCC з незначними відмінностями. При змішуванні та розміщенні будь-якого FAC можуть бути бажаними деякі незначні зміни в експлуатації на місцях. Корисними будуть наступні загальні принципові правила:

    Експлуатація заводу. Летуча зола вимагає окремого водонепроникного, герметичного силосу або контейнера для зберігання. Будьте обережні та чітко позначте завантажувальну трубу для золи, щоб захистити її від перехресного забруднення під час доставки. Якщо окремого контейнера для зберігання не вдається надати, можливо, можна розділити силос для цементу. Якщо є, використовуйте двостінні перегородки, щоб запобігти перехресне забруднення. Завдяки кулястої формі частинок суха зола є більш сипучою, ніж сухий портландцемент. Кут усадки летючої золи, як правило, менший, ніж у цементу.

    Як і у випадку з будь-якою бетонною сумішшю, час і умови перемішування є критичними для отримання якісного бетону. Збільшення об’єму пасти та оброблюваності бетону (ефект кулькових підшипників), пов’язане із застосуванням золи, як правило, покращує ефективність змішування.

    Польові практики. Починаючи з першої доставки бетону до місця роботи, кожне навантаження слід перевіряти на наявність захопленого повітря, доки співробітники проекту не будуть впевнені, що отримано постійний вміст повітря. Після цього слід продовжувати періодичне тестування для забезпечення узгодженості. Бетон слід класти якомога швидше, щоб мінімізувати захоплені втрати повітря тривалим перемішуванням. Слід дотримуватися звичайної практики консолідації. Слід уникати надмірної вібрації, щоб мінімізувати втрати вмісту повітря на місці.

    Характеристики працездатності суміші FAC дозволяють легко розміщувати її. Багато підрядників повідомляють про покращену гладкість покриттів FAC порівняно з конструкціями, виготовленими із звичайних PCC. FAC містить більше пасти, ніж звичайний PCC, що благотворно впливає на обробку. Повільніший на початку розвиток міцності FAC також може призвести до більш тривалого утримання вологи.

    Малюнок 3-5: Обробка зольного бетону

    Вирішення проблем. Користувачі золи, що вперше бетонують, повинні оцінити ефективність пропонованих сумішей до початку будівництва. Всі бетонні інгредієнти повинні бути протестовані та оцінені для розробки бажаного дизайну суміші.

    Вміст повітря. Тонкість летючої золи та покращена оброблюваність FAC ускладнюють природну розробку та утримання захопленого повітря. Крім того, залишковий незгорілий вугілля в золі адсорбує частину агента, що захоплює повітря, і ускладнює розробку бажаного вмісту повітря. Попіл із більшим вмістом вуглецю, природно, вимагає вищого вмісту AEA. Забезпечення якості та випробування контролю якості золи у джерела повинні забезпечити, щоб використовувана летюча зола підтримувала рівномірний вміст вуглецю (LOI), щоб запобігти неприпустимим коливанням повітря, що потрапляє. Нові технології та процедури щодо усунення незгорілого вуглецю в зольній золі описані в главі 10.

    Зниження ранньої міцності. Золоті бетонні суміші, як правило, призводять до зниження міцності в ранньому віці. Повільне збільшення міцності може вимагати посилення форм для пом'якшення гідравлічних навантажень. Слід зазначити, що вилучення форми та відкриття для руху можуть затримуватися через повільніші збільшення міцності. Більш низькі сили на початку можна подолати за допомогою прискорювачів.

    Сезонні обмеження. Планування будівництва повинно давати час для КДК набути адекватної щільності та міцності, щоб протистояти застосуванням антиобледеніння та циклічного заморожування та відлиги до зимових місяців. Збільшення сили FAC мінімальне протягом холодних місяців. Хоча пуццоланові реакції значно зменшуються нижче 4,4 градусів С (40 градусів за Фаренгейтом), збільшення міцності може тривати повільніше внаслідок тривалої гідратації цементу. Хімічні домішки можна використовувати для встановлення сезонних обмежень.