ANA HRANILOVIĆ TRUBIĆ, SRĐAN UZELAC Institut građevinarstva Hrvatske, Zagreb ana.hranilovic@igh.hr , srdjan.uzelac@igh.hr
UPORABLJIVOST CEMENATA PROIZVEDENIH NA EKOLOŠKI PRIHVATLJIV NAČIN Sažetak Svijest o potrebi redukcije emisije stakleničkih plinova u atmosferi u građevinskoj industriji rezultirala je ekološki sve prihvatljivijom proizvodnjom cementa. Poznato je, naime da se u procesu proizvodnje oslobađa više od pola količine CO2 po toni proizvedenog cementa. Zamjenom djela klinkera mineralnim dodacima (šljaka visokih peći) udio emisije CO2 značajno se smanjuje te su se na tržištu pojavile nove vrste cemenata kao rezultat potrebe održivog razvoja. Istovremeno na prostoru EU liberalizira se zajedničko tržište zemalja članica. Zbog principa harmoniziranja (ujednačavanja normi na cjelokupnom i raznolikom prostoru, isti proizvod sa potvrđenom sukladnošću nema istu uporabljivost u svim uvjetima. Uporabljivost cementa treba dokazati u lokalnim klimatskim uvjetima kako bi se sačuvala korist ekološki prihvatljive proizvodnje. Da je tome tako, pokazujemo provedenim ispitivanjima otpornosti betona na smrzavanje spravljenog sa dvije vrste cementa sa različitom količinom udjela šljake.
Ključne riječi: beton, cement, odmrzavanje, okoliš, pore, smrzavanje 1.
UVOD
Čovjeka između ostalog određuje njegova dvojaka funkcija. On istovremeno stvara tj. proizvodi u cilju ostvarenja druge funkcije, a to je potrošnja. Danas je više nego očito da je ravnoteža između te dvije funkcije ozbiljno poremećena. Dostupni resursi našeg planeta nažalost su ograničeni za razliku od potrošnje koja po osobnom mišljenju autora ne poznaje granice. Osim toga porast stanovništva po nekim predviđanjima [1], na 11 milijardi krajem stoljeća te već sada nagli razvoj mnogoljudnih zemalja Dalekog Istoka dodatno će povećati pritisak na resurse planete. Pozitivan efekt globalizacije je svakako sve više opće prihvaćen stav da se „danas“ ne smije sve potrošiti i da nitko ne može sam opstati. Svijest o neophodnosti pažljivog korištenja (trošenja) neobnovljivih resursa rezultira kulturom održivog razvoja koja se suprostavlja danas prevladavajućem kapitalističkom načinu proizvodnje u kojem je profit glavni cilj i koji je po svojoj prirodi suprotan logici umjerene potrošnje i mogućem obnavljanju resursa, o čemu svjedoči trgovanje emisijama CO2 između razvijenih i nerazvijenih zemalja. Ovaj rad se bavi ljudskom aktivnošću koja uvažava principe održivog razvoja pa se tako u građevinskoj industriji značajno može reducirati emisija CO2 u atmosferi tijekom tehnološkog postupka proizvodnje cementa. Tijekom proizvodnje cementa emisija CO2 u atmosferi proizlazi iz reakcije dekarbonatizacije kalcij karbonata CaCO3 iz sirovine (CaCO3=CaO+CO2) i reakcije izgaranja goriva u procesu pečenja u rotacijskoj peći. Tako količina ugljičnog dioksida oslobođenog tijekom proizvodnje cementa je cca 0,7 tona po toni proizvoda [2]. Jedan od načina ekološki prihvatljive proizvodnje je korištenje mineralnih
dodataka (šljaka visokih peći) kao zamjenskog dijela cementa čime se značajno smanjuje emisija stakleničkih plinova u atmosferi. Svi takvi cementi nisu jednako uporabljivi i u svim uvjetima. Pogrešan odabir cementa može rezultirati - smanjenom otpornošću betona na smrzavanje, naročito u prisutstvu soli - ubrzanom korozijom armature, što sve smanjuje vijek trajanja konstrukcije te se potrebom za sanaciju i dodatnim održavanjem poništava pozitivan efekt ekološki prihvatljive proizvodnje. Istovremeno se u našoj zemlji usvajanjem i primjenom EU normi koje su kompromis zemalja unije, koja obuhvaća raznolik prostor (klima, građevinsko nasljeđe, tradicija, kultura, itd) na putu približavanja EU odvija i zamjena dosadašnje građevinske regulative s priznatim tehničkim propisima (PBAB 11/87) novom (TPBK 101/05). U starom sustavu (PBAB) materijali su morali imati dokazanu (propisanu) kvalitetu, a u novom koji je uređen novim tehničkim propisom (TPBK) građevinski proizvodi moraju imati dokazanu sukladnost (nekoj normi itd). Na liberaliziranom tržištu između mnogo proizvoda potvrđene sukladnosti (tj. ispunjavanja zahtjeva javnog interesa) samo početnim ispitivanjima može se utvrditi koji je proizvod uporabljiv u konkretnim uvjetima. Istovjetan ili sličan cement može se uporabiti za različite konstrukcije, s različitim načinima primjene i s bitno različitim zahtjevima za njegovo ponašanje s obzirom na klimatske uvjete [8]. Tome u prilog govore istraživanja provedena u Institutu građevinarstva Hrvatske u Zavodu za betonske i zidane konstrukcije. Ispitivan je utjecaj cementa s mineralnim dodacima prema HRN EN 197-1:2005 na trajnosna svojstva betona, izložena agresivnom djelovanju okoliša razreda XF (smrzavanje). 2.
ISPITIVANJE
2.1. Mehanizam djelovanja smrzavanja Kod svih objekata izloženih atmosferskim utjecajima od velike je važnosti upotreba betona otpornih na djelovanje smrzavanja i kombinirano djelovanje smrzavanja i odmrzavanja. Njihova otpornost trebala bi biti utvrđena kroz prethodna ispitivanja. Osim osnovnog povoda razaranja betona povećanjem volumena za 9% prijelazom vode u led, mehanizam nastanka oštećenja prilikom smrzavanja i odmrzavanja bez ili u prisustvu soli, objašnjava se kritičnim stupnjem zasićenja poroznog materijala, hidrauličkim i osmotskim pritiskom u porama (kristalizacijskim tlakom), različitim toplinskim rastezanjem komponenti betona te kemijskim djelovanjem soli za odmrzavanje. Otporni betoni u praksi trebaju biti pripremljeni sa odgovarajućim sustavom uvučenih zračnih pora, što nižim vodocementnim faktorom, agregatom niske potrebe za vodom, koeficijenta toplinskog rastezanja kompatibilnog koeficijentu toplinskog rastezanja cementnog kamena, pravilno ugrađeni i njegovani, sa što većim postotkom izvršene hidratacije prije izlaganja smrzavanju [3]. Sustav pora koji povećava postojanost prema smrzavanju postiže se dodatkom betonu (aeranta) koji pri miješanju izaziva stvaranje zračnih mjehurića ravnomjerno raspoređenih u masi betona koji omogućavaju vodi da ih ispuni tijekom tečenja zbog započetog procesa smrzavanja te tako djeluju kao amortizeri tlaka. Međusobna prosječna udaljenost takvih mjehurića (tj. razmak između kraja jednog i početka drugog) trebala bi biti od 0,10 do 0,20 mm [7].
2.2. Eksperiment i analiza rezultata U ranijim radovima [4] utvrđeno je da naši cementi s malim udjelom šljake (do 20%) ne utječu negativno na otpornost betona na smrzavanje već istu i nešto poboljšavaju. Ovo istraživanje dodatno je prošireno sa cementom CEM III kako bi se utvrdio utjecaj povećanog udjela šljake (68%) na tu otpornost (Tablica 1.). U prvoj fazi ispitivanja određena je optimalna struktura mikropora („AVA metodom“) (Slika 1.) koja je jedan od preduvjeta otpornosti betona na djelovanje smrzavanja i odmrzavanja [5]. Struktura mikropora određena na svježem betonu dodatno je provjerena mikroskopskom analizom na očvrsnulom betonu (HRN EN 480-11:2005) (Slika 2., 3.).
Slika 1. Uređaj za analizu zračnih pora na svježem betonu
Slika 2. Uređaj za analizu zračnih pora na očvrsnulom betonu
Tablica 1. Mineraloški sastav cementa Sastav portland cementni klinker (%) zgura visoke peći (%)
CEM II/A-S 42,5R 80-94 6-20
Sadržaj zraka (%): Specifična površina (mm-1): Faktor razmaka (mm)
CEM III/B 32,5N-SR/LH 20-34 66-80
6,30 24,46 0,172
Slika 3. Prikaz rezultata ispitivanja dobivenih mikroskopskom analizom
Tablica 2. Sastav betona (cement CEM III/B 32,5N-SR/LH) i rezultati ispitivanja Mješavina Tip cementa Cement (kg/m3) w/c Agregat-frakcije (mm) Aerant (%) Slump (mm) Pore (%) Zapreminska masa (kg/m3) Tlačna čvrstoća (MPa) „AVA metoda“ HRN EN 480-11:2005 HRN CEN/TS 12390-9:2006
1 CEM III 300 0,50 0-4, 8-32 11,5 1,5 2,42 45,8
2 CEM III 300 0,52 0-4, 8-32 9,5 1,9 2,34 36,5
3 CEM III 300 0,50 0-4, 8-32 0,15 5,0 4,5 2,29 31,4
4 CEM III 300 0,50 0-4, 8-32 0,2 8,5 5,4 2,25 29,1
Neotporan Neotporan Neotporan
Neotporan Neotporan Neotporan
Neotporan Otporan Neotporan
Neotporan Otporan Neotporan
5 CEM III 300 0,52 0-4, 8-32 0,15 10,0 4,8 2,29 32,0 Neotporan Otporan Neotporan
6 CEM III 300 0,52 0-4, 8-32 0,2 13,0 5,3 2,26 31,1 Otporan Otporan Neotporan
Tablica 3. Sastav betona (cement CEM II/A-S 42,5R) i rezultati ispitivanja Mješavina Tip cementa Cement (kg/m3) w/c Agregat-frakcije (mm) Aerant (%) Slump (mm) Pore (%) Zapreminska masa (kg/m3) Tlačna čvrstoća (MPa) „AVA metoda“ HRN EN 480-11:2005 HRN CEN/TS 12390-9:2006
7 CEM II 300 0,50 0-4, 8-32 15,0 1,4 2,37 36,7
8 CEM II 300 0,52 0-4, 8-32 3,5 1,7 2,37 35,4
9 CEM II 300 0,50 0-4, 8-32 0,15 12,0 5,6 2,29 38,5
10 CEM II 300 0,50 0-4, 8-32 0,2 14,0 6,0 2,28 36,6
Neotporan Neotporan Neotporan
Neotporan Neotporan Neotporan
Otporan Otporan Otporan
Otporan Otporan Otporan
11 CEM II 300 0,52 0-4, 8-32 0,15 12,5 5,7 2,27 33,9 Otporan Otporan Otporan
12 CEM II 300 0,52 0-4, 8-32 0,2 15,0 6,0 2,24 32,5 Otporan Otporan Otporan
Analiza rezultata ispitivanja - referentni betoni bez zaštitnog djelovanja aeranta i potrebne strukture mikropora (faktor razmaka) nisu zadovoljili niti jedan kriterij na djelovanje smrzavanja i odmrzavanja bez obzira na vrstu upotrebljenog cementa - betoni spravljeni s cementom CEM II uz optimalno aeriranje zadovoljili su kriterij otpornosti HRN CEN/TS 12390-9:2006 (Tablica 3.) - niti optimalni sadržaj mikropora sa povoljnim faktorom razmaka nije osigurao otpornost betona na djelovanje smrzavanja i odmrzavanja sa tipom cementa III (udjela šljake 68%) (Tablica 2.) 3. ZAKLJUČAK Pri odabiru cemenata s visokim udjelom mineralnih dodataka potrebno je prethodno provjeriti njihovu otpornost na agresivno djelovanje okoliša.
Kako broj mogućih proizvoda u cementnoj industriji zbog potreba održivog razvoja neprestano raste, uporabljivost treba dokazati za primjenu u konkretnim uvjetima, ispitivanjem svojstava betona (plinopropusnost, vodonepropusnost, karbonatizacija, itd.) s ciljem očuvanja pozitivnih učinaka ekološki prihvatljive proizvodnje. Pravilna procjena djelovanja okoliša na beton i važnost početnih ispitivanja i dokazivanja uporabljivosti građevinskih materijala u lokalnim prilikama je bitan zbog zadovoljenja trajnosti konstrukcije, zbog racionalne i opravdane upotrebe građevinskih materijala te posljedično smanjenje emisije CO2, a sve u skladu s preporukama EU da se udio obnovljivih izvora poveća na 20% od ukupne potrošnje energije do 2020. LITERATURA [1] Rosković, R., Bjegović D.: Role of mineral additions in reducing CO2 emission, Cement and Concrete Research 35 (2005) 974-978 [2] Radić J.: Prvi hrvatski dani betona, zbornik radova, SECON HDGK d.o.o., Cavtat, 2005 [3] Hranilović A., Uzelac S.: Metode ispitivanja otpornosti betona na smrzavanje, Građevinar 57 (2005) 5, 327332 [4] Janeva, D., Beslać, J., Sekulić, D., Mavar K.: The influence of hydraulic additions to cement on frost and de-icing salt resistance of concrete, Frost Resistance of Concrete, Proceedings of the International RILEM Workshop, Essen, Germany, 2002, 343-350 [5] Uzelac, S., Hranilović Trubić, A., Šustić I., Projektiranje sastava betona visoke otpornosti na smrzavanje, Građevinar 59 (2007) 1, 1-5 [6] Hranilović Trubić, A.: Otpornost betona na djelovanje mraza i soli, Građevinski fakultet, Sveučilište u Zagrebu, magistarski rad, 2006, 1-169 [7] Bjegović, D., Mikulić, D., Ukrainczyk, V. Theoretical Aspect and Methods of Testing Concrete Resistance to Freezing and Deicing Chemicals, Proceedings of Katarine and Bryant Mather International Conference on Concrete Durability, Atlanta, USA, April 27 - May 1, 1987, Vol.1, pp. 947-972 [8] Kamenić, N.: Strukture i svojstva cementnih kompozita, Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije, Sveučilište u Zagrebu, doktorska disertacija, 2006, 1-151
SERVICEABILITY OF CEMENT PRODUCED IN AN ECOLOGICALLY FRIENDLY MANNER Summary Awareness of the need for reduction of greenhouse gas emissions in the construction industry has resulted in increasingly environmentally friendly cement production. It is already well known that more than half of the CO2 quantity per tonne of manufactured cement is released in the production process. If mineral additives (slag from a blast furnace) are substituted for part of the clinker, the CO2 emission is significantly reduced. This has given rise to the appearance of new cement types on the market, resulting from the need for sustainable development. At the same time, the common market of the EU member countries is in the process of liberalization. Due to the harmonization principle (making standards uniform across a wide and diverse area), the same product with certified conformity does not have the same serviceability in all conditions. Serviceability of cement should be approved in local conditions with the aim of preserving the effects of environmentally friendly production. This is proved in the performance of tests of concrete resistance to freezing, the concrete being mixed with two types of cement and with different slag proportions. Key words: concrete, cement, thawing, environment, pores, freezing