UTILIZAREA REZIDUURILOR CALCAROASE ÎN

Transcription

1 Construcţii Utilizarea reziduurilor calcaroase în producerea betoanelor spumate şi caracteristicile acestora A. Izbînda UTILIZAREA REZIDUURILOR CALCAROASE ÎN PRODUCEREA BETOANELOR SPUMATE ŞI CARACTERISTICILE ACESTORA Anatolie IZBÎNDA Conf. univ. dr., Director ICŞC INCERCOM Î.S., Republica Moldova, Abstract. The making of complex researches of resistance and compact properties of concrete on the base of limestone offal that contains a huge pitch of concrete components on the base of nominal materials. They studied three types of concrete based on residue from crushing limestone: concrete on small particles as filler in concrete were used to crushing limestone residues career Micăuti; carbonate concrete, the coarse-grained aggregate as they used limestone gravel career low, and as small aggregate - residues from crushing limestone in the same career; cheramzit concrete on gravel and waste from crushing limestone. These studies reveal general rules of these properties of concrete according to their characteristic structure. Key words: strength and compaction properties; concrete cheramzit, small particles. Introducere Efectuarea cercetărilor complexe a proprietăţilor de rezistenţă şi de compactare a betoanelor pe bază de reziduuri calcaroase, conţine un diapazon mare de componente ale betoanelor pe baza materialelor nominalizate. Aceste cercetări au evidenţiat regulile generale ale acestor proprietăţi ai betoanelor în funcţie de caracteristica structurii lor. 1. Rezultate experimentale 1.1. Materii prime S-au studiat trei tipuri de betoane pe baza calcarelor: beton pe baza particulelor mărunte, în calitate de umplutură în beton s-au folosit reziduurile obţinute de la concasarea calcarelor din cariera Micăuţi; betoane de carbonat, în care în calitate de agregat măşcat se foloseşte pietriş de calcar din cariera Micăuţi, iar în calitate de agregat mărunt reziduurile de la concasarea calcarului din aceeaşi carieră; beton de cheramzit pe bază de prundiş de cheramzit şi reziduuri obţinute de la concasarea calcarelor. În toate betoanele s- a folosit ciment portland CEM I 42.5R din Rîbniţa. În calitate de material spumogen s-a utilizat o răşina lemnoasă saponificată, care se obţine în urma prelucrării lemnului şi prezintă o substanţă tensioactivă de suprafaţă. Răşina lemnoasă saponificată se mai utilizează în calitate de aditiv plastifiant la producerea betoanelor şi mortarelor. Aceasta prezintă o substanţă vâscoasă de o culoare gri închisă, iar la amestecarea cu apă, după un anumit regim, formează o spumă tehnică omogenă, destul de stabilă cu formă închisă a porilor, fiind folosită la producerea betoanelor spumate. 35

2 Urbanism. Arhitectură. Construcţii Vol. 2 Nr Calculul dozajului de beton În urma studiului efectuat s-a constatat că toate metodele existente nu pot fi adaptate la calculul dozajului betoanelor spumate pe baza deşeurilor industriale. În acest sens s-a elaborat o metodă nouă de calcul, care constă din următoarele etape: Calculul consumului de material liant, kg L = [ρb : Kc (1 + A/C)]*V; ρb densitatea proiectată a betonului, kg/m 3 ; Kc coeficient de calitate a agregatelor, kg; A/C raport apă ciment. Calculul consumului de agregat, kg A = L * C; L consum de liant, kg; C consum de ciment, kg. Calculul consumului de apă, l A = (L + A) * A/C; L consum de liant, kg; A consum de apă, l; A/C raport apă ciment. Calculul consumului de spumă tehnică S = 1 ρb : Kc(W + A/C); ρb densitatea proiectată a betonului, kg/m 3 ; Kc coeficient de calitate a agregatelor, kg; A/C raport apă ciment. W volumul absolut al 1 kg de amestec uscat. 2. Studiul caracteristicilor principale ale betoanelor pe baza deşeurilor calcaroase. Interpretări S-a stabilit, că la concentraţia petrei de ciment ( c ) şi raportul apă - ciment (W) egale, cea mai mare valoare a rezistenţei Rc o au betoanele de carbonat, o rezistenţă mai mică o are betonul pe baza reziduurilor mărunte de calcar, iar cea mai mică rezistenţă o are betonul de cheramzit. Betonul de carbonat are o rezistenţă mai mare, deoarece are o porozitate mai mică în zona de contact dintre piatra de ciment şi agregat, şi datorită creşterii rezistenţei mecanice a granulelor calcaroase datorită îmbibării porilor de la suprafaţa cu pastă de ciment, care după întărire măreşte rezistenţa Rc. Rezistenţa la încovoiere s-a dovedit a fi mai mare la betoanele pe baza calcarelor. Acest lucru se explică printr-o aderare mai bună în beton dintre piatra de ciment şi agregat datorită capacităţii mai mari de reacţie din partea reziduurilor mărunt concasate, decât de la pietrişul de calcar cu fracţia mm. S-a observat creşterea Rti/Rc la betoanele studiate, pe baza reziduurilor de calcar (aceasta a variat în limitele 0,15-0,20), când la betoanele grele ordinare această mărime constituie 0,05-0,10. De aici rezultă concluzia, că betoanele pe baza calcarelor pot fi recomandate pentru utilizare în elementele de construcţii, supuse sarcinilor de încovoiere (grinzi, planşeuri etc.). Pentru utilizarea betoanelor, pe baza calcarului, la scară industrială este necesară efectuarea unui studiu profund a proprietăţilor specifice ale betoanelor. 36

3 Construcţii Practica construcţiilor a arătat că gelivitatea este o proprietate importantă, ce determină termenul de exploatare şi durabilitatea construcţiilor. S-a studiat şi comparat gelivitatea betoanelor pe baza reziduurilor de concasare a calcarelor cu gelivitatea betonului greu simplu pe baza pietrişului de granit. Cum s-a menţionat, o concluzie obiectivă privind superioritatea după proprietăţi ai unui sau a altui beton poate fi făcută la o comparare a betoanelor cu caracteristici de structură similare: concentraţia petrei de ciment ( c ) şi raportul apă ciment (W). Această metodă de comparare s-a folosit în experimentul dat. S-a observat că la folosirea amestecurilor vâscoase de beton (W = 0,24) gelivitatea betonului pe bază de pietriş de granit este mai mare decât gelivitatea betoanelor pe baza calcarului, iar la W = 0,34 0,44 (amestecuri vâscoase şi plastice de beton, cel mai des folosite în producerea articolelor de beton şi beton armat) betonul pe baza reziduurilor obţinute de la concasarea calcarului depăşeşte după gelivitate betonul pe baza pietrişului de granit. Pentru explicarea acestei funcţii s-a studiat porozitatea diferenţială a betoanelor pentru comparaţie şi s-a folosit metoda de saturare a probelor de beton cu apă în trei etape, ce oferă posibilitatea de a diferenţia porozitatea betoanelor, din punct de vedere al gelivităţii, în trei grupe: - pasivă, ce nu influenţează asupra gelivităţii; - periculoasă, ce influenţează negativ asupra gelivităţii; - de rezervă, ce influenţează pozitiv asupra gelivităţii, datorită efectului de amortizare. Utilizarea reziduurilor calcaroase în producerea betoanelor spumate şi caracteristicile acestora A. Izbînda În toate probele de beton studiate, înainte de încercarea acestora, au fost evidenţiate trei tipuri de pori. S-a stabilit, că volumul porilor de tipul doi, în betoanele pe baza reziduurilor calcaroase obţinute de la concasare, la W = 0,24 este mai mare, ca în betonul pe baza granitului, iar la W = 0,34 0,44 mai mic, ceea ce explică gelivitatea ridicată a betoanelor pe baza reziduurilor calcaroase obţinute de la concasare, preparate din amestecuri plastice şi mai puţin vâscoase. S-a observat că dilatarea termică maximă a betoanelor, pe baza reziduurilor de calcar concasat şi pe bază de la calcar şi piatră de ciment, încercate la îngheţ practic este egală. Acest lucru indică asupra compatibilităţii termice a reziduurilor obţinute de la concasare şi a petrei de ciment şi, deci, se poate prognoza cu siguranţă gelivitatea sporită a betoanelor pe baza reziduurilor calcaroase obţinute de la concasare. De asemenea s-a stabilit, că impermeabilitatea betoanelor pe baza reziduurilor calcaroase de la concasare a fost mai mare ca impermeabilitatea betoanelor pe baza pietrişului de granit. Acest lucru se explică prin faptul că reziduurile calcaroase, obţinute de la concasare, absorb excesul de apă, care se formează în zona contactului dintre piatra de ciment şi agregat, contribuind astfel la micşorarea cantităţii şi volumului capilarelor, de provenienţă sedimentară căile principale de infiltrare a apei prin beton. S-a observat că calitatea porilor intercomunicanţi în betonul pe bază de reziduuri calcaroase obţinute de la concasare este mai bună decât în betoanele pe baza pietrişului de granit, primul beton având porii în masa mai 37

4 Urbanism. Arhitectură. Construcţii Vol. 2 Nr mărunţi. Astfel, de exemplu, la W = 0,34, porii cei mai mărunţi, cu diametrul de 1 mkm în betoanele cu granit, au un volum de 20 %, iar pe baza reziduurilor de la concasarea 35 %. Diametrele porilor în betoanele cu pietriş de granit sunt considerabil mari, prin care se infiltrează cu uşurinţă apa. De exemplu, diametrele maxime ai acestor pori în betoanele cu pietriş de granit cu acelaşi W = 0,34 constituie 28 mkm, iar în betoanele pe baza reziduurilor calcaroase obţinute de la concasare sunt practic de două ori mai mici 16 mkm. Această analiză a porozităţii betoanelor, preparate pe baza reziduurilor calcaroase, explică superioritatea acestora faţă de betoanele tradiţionale cu pietriş de granit din punct de vedere al impermeabilităţii. În legătura cu faptul că apele naturale ale Moldovei sunt puternic mineralizate (concentraţia ionilor de sulfat ajunge până la 2000 mg la litru), cercetarea rezistenţei sulfatice a betoanelor prezintă o problemă foarte actuală. De aceea s-a studiat această rezistenţa a betoanelor pe baza reziduurilor de calcar concasat. S-a observat o creştere a rezistenţei sulfatice a betoanelor cu reziduuri calcaroase de la concasare şi a betonului pe baza pietrişului de granit. Concluzia este neobişnuită, dacă luăm în considerare faptul, că odată cu creşterea C în beton, firesc creşte şi volumul de hidroaluminat de calciu precum şi volumul general al porilor, de unde rezultă creşterea cantităţii mediului agresiv (a ionilor de SO 4), care au pătruns în beton. Unicul rezultat pozitiv de la creşterea conţinutului de C este micşorarea volumului porilor din zona de contact dintre piatra de ciment şi agregat. Probabil, că această micşorare ca efect pozitiv predomină şi de aceea asigură o creştere a rezistenţei sulfatice a betoanelor. În afară de aceasta, s-a stabilit, că rezistenţa sulfatică a betoanelor cu reziduuri calcaroase, obţinute de la concasare, este mai mare decât rezistenţa sulfatică a betoanelor cu granit. Acest lucru se explică prin diferenţa cantităţii şi calităţii porilor în zona de contact în betoanele studiate. În betoanele pe baza reziduurilor de la concasarea calcarelor, cum s-a menţionat în cadrul studierii gelivităţii şi impermeabilităţii, porozitatea zonei de contact este mai mică şi mai măruntă, decât la betoanele cu granit. De aceea betoanele pe baza reziduurilor, obţinute de la concasarea calcarelor, pot fi folosiţi pentru executarea construcţiilor aflate în contact cu apele de sol, puternic mineralizate, adică pentru elementele construcţiilor subterane. Complexul de cercetări efectuat privind proprietăţile betoanelor pe baza reziduurilor, obţinute de la concasarea calcarelor (gelivitatea, impermeabilitatea, rezistenţa sulfatică, rezistenţa la fisurare) a permis rezolvarea problemei influenţa acestor proprietăţi la stabilirea compoziţiei betoanelor. De asemenea s-au studiat formaţiunile noi formate de la interacţiunea CaCO 3 şi varului nestins, ce se degajă la hidratarea cimentului şi interacţiunea între CaCO3 şi componenţii portland cimentului. Un mare aport, în rezolvarea problemei interacţiunii dintre carbonatul de calciu şi unii componenţi ai cimentului, au adus savanţii ruşi (Budnikov, 1965; Kolbasov, 1990; Panteleev, 1989). S-au sintetizat minerale de ciment ce conţin aluminiu: aluminatul tricalcic 3CaO Al2O3 (C3A), tetraalumoferită 4CaO Al 2O 3 Fe 2O 3 (Ca4AF) în care s-au introdus diferite microîmpluturi calcaroase. Pentru 38

5 Construcţii comparare s-a introdus, de asemenea, şi agregat mărunt de cuarţ. Cu ajutorul analizei termice, roentghenografice şi petrografice s-a stabilit faptul că ( ) agregatul mărunt de calcar nu este un adaos inert. În procesul hidratării el intră în interacţiune chimică cu mineralele ce conţin aluminiu clincherului de portland ciment. În rezultatul acestei interacţiuni în produsele de hidratare apare o fază nouă, care pe baza constantelor optice şi roentghenostructurale a fost identificată ca carboaluminat de calciu 3CaO Al2O3 CaCO 3 11H 2O). Acelaşi compus a fost găsit şi de un şir de cercetători (Bessey şi Dilnot, 1949; Ferran, 1995; Carlson et al., 2003) în alte condiţii. Este caracteristic faptul că agregatul de cuarţ introdus, de aceiaşi dispersitate ca şi cel carbonatic, nu influenţează simţitor asupra hidratării C 3A şi C 4AF la întărirea betonului în condiţii normale. Modificarea componenţei de fază a noilor formaţiuni, ce apar la hidratarea mineralelor clincherului C 3A şi C 4AF în prezenţa agregatelor mărunte, este cauza schimbării calităţilor fizico mecanice ale lor. Probele din C 3A pur au o rezistenţă neînsemnată. Introducerea agregatelor mărunte de calcar sporesc de câteva ori rezistenţa acestui mineral. Acestea, în majoritatea cazurilor, măresc rezistenţa şi a C 4AF, în acelaşi timp agregatul mărunt de cuarţ micşorează rezistenţa. O rezistenţă mare se obţine şi la utilizarea agregatelor mărunte de calcar în combinaţie cu alte minerale ale clincherului de ciment. Bunăoară alitul cu agregat mărunt de calcar ne dă o rezistenţă de 2 ori mai mare, decât cu agregat de cuarţ. Rezultate ceva mai bune se obţin la utilizarea calcarului în combinaţie cu C2S. Pe baza acestor experimente s-a făcut concluzia privind Utilizarea reziduurilor calcaroase în producerea betoanelor spumate şi caracteristicile acestora A. Izbînda interacţiunea cristalochimică dintre CaCO 3 şi C 3S, ce se exprimă prin concreşterea acestor minerale ca rezultat al afinităţii lor chimice şi a parametrilor reţelelor cristaline. Astfel, agregatul de calcar, după indicatorii de rezistenţă, în amestecurile de ciment are o superioritate clară faţă de cuarţ. Betonul proaspăt preparat, pe baza pietrişului calcaros, prezintă un corp capilar poros, compus din agregatul poros şi amestecul de ciment. Granulele agregatului poros, ce au capacitatea de a absoarbe apa, o iau din amestecul de ciment, ca rezultat ultimul, după contact cu agregatul, se compactează. În procesul întăririi ulterioare apa, acumulată de granulele agregatului, din nou este cedată petrei de ciment, ce de asemenea influenţează pozitiv asupra formării rezistenţei betonului. La proiectarea compoziţiei betoanelor obişnuite ca o caracteristică de bază se ia raportul apă ciment, de care depinde rezistenţa betonului. Pentru betoanele uşoare, pe baza agregatelor poroase, raportul de apă - ciment este determinat în mod obişnuit convenţional, deoarece o parte importantă de apă din amestecul de beton se absoarbe de agregat. În acest caz la compararea betoanelor uşoare, pe baza diferitor agregate, este mai bine de folosit A/C real, egal cu: Ar = A Au, C C A - cantitatea de apă, introdusă în amestec; Au - cantitatea de apă, consumată la umectarea agregatului; C - cantitate de ciment. Însă este foarte greu de determinat raportul real de A/C, deoarece cantitatea de apă, consumată la umectarea 39

6 Urbanism. Arhitectură. Construcţii Vol. 2 Nr granulelor agregatului, depinde nu numai de propria umiditate, porozitate, dimensiunii fracţiei etc., dar şi de timpul ţinerii amestecului de beton înainte de punere în operă. Pe parcursul acestei perioade de timp se produce absorbţia de apă de către agregat şi raportul real de A/C se micşorează, provocând micşorarea lucrabilităţii amestecului. Acest fapt trebuie luat în considerare la prepararea betoanelor calcaroase, pentru ca acestea să aibă în momentul punerii în operă lucrabilitatea necesară, iar la proiectarea compoziţiei betoanelor de folosit raportul apă ciment convenţional. Rezistenţa betonului, în mare măsură, este determinată de rezistenţa iniţială a agregatului. În majoritatea cazurilor rezistenţa betoanelor, pe baza calcarelor de rezistenţă mică şi mijlocie, se obţine mai înaltă, iar pentru calcarele dure egală sau puţin mai mică decât rezistenţa agregatului de granit. Pe baza cercetărilor făcute de prof. M.A. Iakubovici (M.A. Iakubovici, 1998) s-a obţinut funcţia aproximativă dintre rezistenţa petrei agregatului (R1) şi a betonului (Rb): pentru calcarele cu R1 = 100 kg/cm 2 şi consum de ciment de kg/m 3 : Rb = (1,0 : 1,5) R1, şi pentru calcarele cu R1 200 kg/cm 2 : Rb = 0,6 R1, Pentru betoanele pe baza calcarelor cu o rezistenţă mică de marca 7 15: Rb = (2 : 4) R1. Concluzii Cercetările efectuate oferă posibilitatea de a obţine materiale de construcţii cu proprietăţi performante din punct de vedere a rezistenţelor mecanice, cât şi privind problema protecţiei şi conservării mediului ambiant. Betoanele pe baza calcarelor pot fi recomandate pentru utilizare în elementele de construcţii, supuse sarcinilor de încovoiere (grinzi, planşeuri etc.). Totodată este rezolvată problema materiei prime prin utilizarea materialelor autohtone şi deşeurilor industriale (deşeuri de la prelucrarea calcarului). BIBLIOGRAFIE Budnikov P. P. (1965), Himia i tehnologhia stroitelinâh materialov i keramiki, izdatelistvo Moskva, 267 pag. Kolbasov V. M. (1990) Tehnologhia viajuscih materialov, izdatelistvo Moskva, 314 pag. Panteleev A. S. (1989) O svoistvah carbonatnoi izvesti, Stroitelinâe materialâ 9: Bessey G. Dilnot S. (1949), The relation between strength and free water content of aerated concretes, Magazine of Concrete Research 1: Ferran G. G. (1995), Analysis of the factors which have an influence on the reduction of residuary strengths due to alkaline solution in the interstitial mortars of concretes with aluminous cement Assessment of the risk limits in the case of roof beams, Materiales de Construccion, 45(238): Carlson E., Nilsson M., Fernandez E., Planell J. A. (2003), An ultrasonic pulse-echo technique for monitoring the setting of CaSO4-based bone cement, Biomaterials 24(1): Yakubovici M. A. (1998), Beton i jelezobeton na racushecinicah i izvestnicah Ukrainâ, izdatelistvo Kiev, 208 pag. Primit: 25 august 2011 Acceptat în forma finală: 30 august