Nehezen kezelhető adalékanyagok felhasználása a betongyártásban
A Mapei adalékszerei hozzájárulnak a fenntartható beton előállításához új, nagy kihívást jelentő nyersanyagok felhasználásával
Ahogy a jó minőségű természetes adalékanyagok egyre szűkösebben állnak rendelkezésre, a betongyártóknak alkalmazkodniuk kell az alternatív nyersanyagokhoz, például olyan új adalékanyagokhoz, amelyek magasabb vízigénnyel rendelkeznek, ami hatással van a fenntarthatóságra. A Mapei Re-Con AGG adalékszerek segítenek a beton vízigényének csökkentésében, amelyet számos új, nagyobb vízigényt jelentő nyersanyag okoz.
Ez az első cikk egy olyan sorozatból, amely arra fókuszál, hogyan lehet megfelelni a betongyártásban jelentkező új kihívásoknak, különösen az eltérő forrásból származó durva- és finom adalékanyagok esetében. A Mapei betonadalékszerei évtizedek óta segítik ügyfeleinket abban, hogy a kívánt bedolgozhatóságú és konzisztencia (roskadás) eltarthatóságú betont állíthassanak elő anélkül, hogy vizet vagy cementet kellene hozzáadni. A cementadagolás lehető legalacsonyabb szinten tartása a legjobb módja a beton szén-dioxid-lábnyomának csökkentésére. Amikor a nyersanyagok vízigénye megnő, az negatívan hat a beton fenntarthatósági szempontjaira.
A legújabb Re-Con AGG adalékszer-család hatékony segítséget nyújt a megnövekedett vízigényű, új típusú nyersanyagok kezelése terén. Más Mapei betonadalékszerekkel, például a Mapecube szilárdságfokozókkal kombinálva a mai kihívások költséghatékony módon kezelhetők. Vizsgáljuk meg, hogyan változott az adalékanyag-piac az elmúlt évtizedben, és hogyan lehet a fenntartható betongyártás útján maradni még akkor is, ha a nyersanyaghelyzet nehezebbé válik.
Számos területen a kiváló minőségű homok már nem érhető el helyben, ezért a beton gyártók egyre inkább rákényszerülnek arra, hogy agyagos szennyeződéseket tartalmazó természetes homokot, mesterséges homokot és újrahasznosított adalékanyagokat használjanak.
A kimerüléstől az innovációig: az adalékanyag-források átalakulása
A beton iránti globális kereslet folyamatosan növekszik, amit az urbanizáció, az infrastruktúra-fejlesztés és a népességnövekedés hajt. Ennek következtében fokozatosan kimerülnek a kiváló minőségű természetes homok- és kavicsforrások, amelyek hagyományosan glaciofluviális (jégkorszaki üledékes) üledékekből származtak, természetesen lekerekített, tiszta szemcsékkel és kedvező szemcseeloszlással.
A modern betonkeverék-tervezés nagyrészt tiszta, egységes alakú és egyenletes szemcseméret-eloszlású természetes adalékanyagokra alapozva fejlődött és lett optimalizálva. Történelmileg a beton adalékanyagokra és cementre vonatkozó ipari szabványok is ezt az örökséget tükrözik: ezek főként idealizált, tiszta természetes homokokra épülnek, alacsony finomszem tartalommal és minimális változékonysággal. A cement- és vízadagolás, a bedolgozhatósági feltételezések és a tartóssági célkitűzések mind ezen referenciaanyagok figyelembevételével kerültek meghatározásra.
A mai anyagellátási lánc valósága azonban változóban van. Sok régióban ezek az ideális homokok már nem érhetők el helyben, vagy kitermelésüket környezetvédelmi előírások korlátozzák. Ennek eredményeként az iparági szabványok és a hagyományos keveréktervek alkalmazása nehézségekbe ütközik, mivel a betongyártók egyre inkább kénytelenek a következőkhöz fordulni:
- Természetes homokok agyagtartalmú bevonattal, amelyeket korábban elutasítottak, de most szükségből használnak. Bizonyos típusú agyagok – például a duzzadó agyagok – rendkívül magas vízigénnyel rendelkezhetnek.
- A zúzott (gyártott) homokokat kőzetek robbantásával és zúzásával állítják elő, ezek gyakran szögletes szemcséjűek és sok vízigényes finom frakciót tartalmaznak. Gránitalapú zúzott homokok elterjedtek Észak-Európában és Amerikában. Ez a kőzettípus nagy mennyiségben tartalmazhat szabad csillámot. A csillám egy ásványcsoport, amely lemezes kristályszerkezettel rendelkezik, így nagyon nagy fajlagos felülettel bír, ami magas vízigényt eredményez. A zúzott homokkal járó megnövekedett vízigény másik lehetséges oka a magas Zéta-potenciál. Ha a gyártott homokot túl hamar használják fel betonban a gyártás után, a negatív ionos felületi töltések (Zéta-potenciál) a beton gyors konzisztenciavesztését okozhatják.
- Az újrahasznosított adalékanyagokat építési és bontási hulladékból nyerik, összetételük és porozitásuk változó. A Mapei Re-Con Zero és Re-Con Dry Washing megoldásaival az újrahasznosított adalékanyagok visszaszállított betonból és mixergépkocsik maradékbetonjából származnak, és így elérhetővé válnak a beton előállítói számára. Az újrahasznosított adalékanyagok megnövekedett porozitása jól ismert kihívást jelent a vízigény szempontjából.
Ezek az alternatív anyagok gyakran magasabb finomrész-tartalommal, szabálytalan szemalakkal és kiszámíthatatlan felületi kémiával rendelkeznek – ezek a tényezők közvetlenül befolyásolják a bedolgozhatóságot és a vízigényt.
Ugyanakkor az iparágra egyre nagyobb nyomás nehezedik, hogy csökkentse a beton szén-dioxid-lábnyomát, különösen a betonkeverék cement- és víztartalmának mérséklésével. Ez egyértelmű ellentmondást teremt: többet várunk el a betontól, kevesebből, miközben korábban soha nem látott gyengébb minőségű alapanyagokkal dolgozunk.
Ennek a változásnak a megértése és a hozzá való alkalmazkodás alapvető fontosságú – nemcsak a teljesítmény fenntartása, hanem a fenntarthatóbb és erőforrás-hatékonyabb építési gyakorlatok elősegítése érdekében is. Ebben játszik kulcsszerepet az adalékszer-technológia, és e cikksorozat néhány alapvető adalékanyag-tulajdonságot vizsgál majd, amelyek befolyásolják a beton víz- és cementpépigényét.
Az 1. részben a szemalak, a szemcseméret-eloszlás és a szemcsefelület szerkezetének hatását vizsgáljuk a betonkeverék tervezése során szükséges teljes cementpép mennyiségére.
A 2. rész a zúzott (gyártott) homokra és azokra a kihívásokra összpontosít, amelyeket ez jelenthet a fenntartható betonelőállítás szempontjából.
A 3. részben a porózus anyagok – például az agyásványok vagy az újrahasznosított adalékanyag (RCA) – negatív hatásait részletezzük.
Végül a 4. rész bemutatja, hogyan segíthet a Mapei teljes adalékszer-programja a beton gyártóinak abban, hogy az 1–3. részben ismertetett kihívásokat leküzdve a kívánt friss beton tulajdonságokat elérjék anélkül, hogy több vizet vagy cementet kellene felhasználniuk.
1. rész. A szemalak, a szemcseméreteloszlás és a felületi textúra hatása a cementpép igényre a betonkeverék tervezésében.
Az egyik legfontosabb hatása annak, ha a természetes adalékanyagokról alternatívokra váltunk, az, hogy megváltozik a szemcsék térkitöltési hatékonysága. Minél jobban tud egy durva és finom adalékanyag keveréke szabadon beáramlani egy adott térfogatba, annál kisebb lesz a szemcsék közötti levegőtartalom. Ezt az üres levegőtartalmat hézagtérfogatnak nevezzük, és ha az adalékanyagot nem tömörítettük be a térfogatba, akkor ezt tömörítetlen hézagtérfogatnak hívjuk. Miért fontos ez, és milyen tényezők befolyásolják ezeknek a légzsákoknak (hézagoknak) a kialakulását egy adalékanyag-keverékben? Nézzük meg közelebbről.
Szemalak
Az első paraméter a szemcse alakja. Képzeld el, hogy van két ugyanolyan térfogatú üvegedényed, amelyeket szemcsékkel töltesz meg. Az egyiket nagyon lapos és megnyúlt alakú szemcsékkel, a másikat tökéletes gömbökkel. Az a befőttesüveg, amelyet tökéletes gömbökkel töltöttél meg, sokkal kevesebb folyadékot igényel majd ahhoz, hogy kitöltse a benne maradt légzsákokat, mint a másik edény.
1. és 2. kép. A szemalak hatása az hézagtartalomra, amelyet itt csavarok és golyók összehasonlításával szemléltetünk (MI által generált képek).
Képzelj el két, azonos térfogatú üvegedényt, amelyek közül az egyiket csavarokkal, a másikat üveggolyókkal töltöttek meg. Az üveggolyókat tartalmazó edény sokkal kevesebb folyadékot igényel ahhoz, hogy teljesen feltöltsük. Egy valódi betonkeverék-tervezési helyzetben – ahol a csavarok a zúzott homokot és adalékanyagot, az üveggolyók pedig a természetes homokot jelképezik – ez a különbség akár 50 liter cementpépet is jelenthet, amit csak azért kell hozzáadni, hogy elérjük a részecskék közötti hézagok teljes kitöltésének alapállapotát, vagyis az ún. telített beton állapotát. A szemalak hatással van arra is, hogy mennyi cementpépre lesz szükség ahhoz, hogy a beton könnyen pumpálható, bedolgozható és a felületképzés elvégezhető legyen. Erről bővebben a sorozat következő cikkeiben olvashatsz.
Szemcseméreteloszlás
A második paraméter, amely befolyásolja az adalékanyag-keverék hézagtérfogatát, a különböző szemcseméret-frakciók összetétele. Az olyan adalékanyag-keverék, amely különböző méretű szemcsék széles skáláját tartalmazza, kisebb hézagtérfogattal rendelkezik, mint az olyan keverék, amelyben a szemcsék túlnyomórészt hasonló méretűek. A kiváló minőségű lelőhelyekről származó természetes homok és kavics egyenletes szemcseméret-eloszlással bír. Minden, hézagot képező frakció esetében lesznek kisebb frakciókból származó szemcsék, amelyek kitöltik ezeket a hézagokat. Azonban, mint említettük, az ilyen jellegű, jó minőségű homokok természetes forrásai már kimerültek. Sok lelőhelyen már csak finomabb vagy durvább homok maradt az ideális szemeloszlásúhoz képest – gyakran egyszerűen azért, mert korábban félredobták, amikor még rendelkezésre állt jól osztályozott homok. Amikor a beton finom adalékanyagát gyengébb szemeloszlású természetes homokkal vagy mesterségesen előállított (zúzott) homokkal helyettesítjük, a homok természetes kitöltő képessége gyakran elveszik. Ez megnövekedett hézagtartalomhoz és nagyobb cementpép igényhez vezet, mivel a keletkezett hézagokat ki kell tölteni. Ennek következtében több cementpépre van szükség ahhoz, hogy teljesen kitöltött adalékanyag/pép rendszert kapjunk, amely szilárd betontömeget alkot, mindössze 1,5–2%-os légtartalommal. Ezt a kiindulási állapotot nevezhetjük telített beton keveréknek.
Mesterséges intelligencia által generált kép: a jobb oldalon egy egyszemcseméretű, rosszul osztályozott adalékanyag, a bal oldalon pedig egy jól osztályozott anyag látható. A jól osztályozott anyagban kevesebb az üregtartalom, mivel a különböző méretű szemcsék kitöltik a hézagokat.
Felületi textúra
A harmadik paraméter az egyes szemcsék felületi textúrája. A jó minőségű természetes homokot a természet erőhatásai nagymértékben lecsiszolták az idők során, miközben jégrétegekben vagy folyók által szállítódott. Ennek eredményeként nagyon sima felület jön létre, amely javítja a szemcsék mozgását és tömörödését. Az ipari úton előállított homok esetében a gyártási folyamat sokkal erőteljesebb és rövidebb. A robbantás és a 2–3 lépcsős zúzás sokkal durvább felületet eredményez, ami a szemcsék közötti nagyobb mozgás béli akadályozás miatt csökkenti a folyékonyságot és a tömörödést.
MI által generált illusztráció a gyártott adalékanyag és a természetes adalékanyag felületi textúrájáról.
Ha összefoglaljuk a három fent említett paraméter – a szemalak, a szemcseméreteloszlás és a felületi textúra – hatását, jelentős különbséget tapasztalhatunk a cementpép igény tekintetében a betonkeverékek tervezése során.
Az olyan jól osztályozott, lekerekített természetes adalékanyagokon alapuló keverékek esetében – mint például a folyami vagy glaciofluviális (jégkorszaki üledékes) homok és kavics – az adalékanyagok közötti hézagtérfogat jellemzően körülbelül 38%. Ez hatékony tömörödést és mérsékelt cementpépigényt eredményez. Ezzel szemben, ha az adalékanyagváz szögletes, megnyúlt alakú vagy rosszul osztályozott anyagokat tartalmaz – például mesterséges homokot vagy zúzott durva adalékanyagot –, a hézagtérfogat jelentősen megnövekedhet – akár 43%-ra vagy még többre.
Ez az 5%-os növekedés elsőre csekélynek tűnhet, de a gyakorlatban jelentős következményekkel jár. Egy köbméter beton esetében a 38%-ról 43%-ra történő növekedés további 50 liter hézagtérfogatot jelent, amelyet cementpéppel kell kitölteni, hogy megőrizzük a hasonló bedolgozhatóságot és kohéziót.
Ez megnöveli az igényt a következőkre:
- Vízre, a megfelelő roskadás vagy terülés megtartása érdekében
- Cementre vagy II. típusú kiegészítő anyagokra, a megnövekedett cementpép-térfogat elérése érdekében
- Adalékszerekre, hogy optimalizáljuk a bedolgozhatóságot, a konzisztencia-eltarthatóságot és a diszpergálást az új körülmények között
Ráadásul mindez egy olyan időszakban történik, amikor a gyártók aktívan törekednek a cement- és víztartalom csökkentésére a fenntarthatósági és szénlábnyom-csökkentési célok elérése érdekében. Az eredmény egyre nagyobb szakadék a jelenleg elérhető nyersanyagok és a hagyományos betonkeverék-tervezés alapfeltevései között.
Ezért a hézagtérfogat változásának számszerűsítése és kezelése elengedhetetlen. Ez az első kulcsfontosságú lépés a keveréktervek adaptálásához és a megfelelő adalékszer-megoldások kiválasztásához a modern betontermelésben.
A következő cikkekben részletesebben is foglalkozunk majd e témakör kihívásaival és megoldásaival.
Olvasd el további cikkeinket is:
A RE-CON AGG olcsóbbá és egyszerűbbé teszi a fenntartható beton alapanyagok használatát
