WPŁYW DODATKU ŻUŻLA WIELKOPIECOWEGO NA STRUKTURĘ I MROZOODPORNOŚĆ BETONU

Transkrypt

1 WPŁYW DODATKU ŻUŻLA WIELKOPIECOWEGO NA STRUKTURĘ I MROZOODPORNOŚĆ BETONU WAWRZEŃCZYK Jerzy SZYMCZYK Marek WILCZYŃSKA Monika SZABLA Gerard Zakład Materiałów Budowlanych, Politechnika Świętokrzyska WBiIŚ, Politechnika Świętokrzyska, Student V roku WBiIŚ, Politechnika Świętokrzyska ABSTRACT The paper presents the analysis of relations between concrete mix composition (water-binder ratio, water-cement ratio, blast furnace slag content) and properties of hardened concrete (compressive strength, absorption, resistance for internal cracking and scaling during cyclic freezing in air and wather) in context of PN-EN standard. STRESZCZENIE W referacie przedstawiono analizę wpływu czynników związanych ze składem mieszanki betonowej (wskaźników W/S i W/C, ilości dodatku żużla wielkopiecowego) na właściwości stwardniałego betonu (wytrzymałość, nasiąkliwość, odporność mrozową na wewnętrzne pękanie i powierzchniowe łuszczenie) w kontekście normy PN-EN.. WPROWADZENIE Głównym celem opracowania normy EN- [] było wprowadzenie takich rozwiązań, które zagwarantowałyby trwałość konstrukcji betonowych pracujących w różnych warunkach eksploatacyjnych. Doświadczenia poprzednich lat wskazują bowiem, że pomimo istotnego postępu w technologii betonu trwałość konstrukcji betonowych była dalece niewystarczająca. Zasadnicze znaczenie ma tu wprowadzenie klas ekspozycji betonu związanych z oddziaływaniem środowiska. Norma PN-EN- [] podaje zasady projektowania betonu z cementem portlandzkim CEM I,- określa bowiem zalecane wartości graniczne dla składu oraz właściwości betonu konieczne, aby beton w konstrukcji pracującej w danym środowisku spełniał wymagania jakościowe w założonym czasie użytkowania wynoszącym lat. Ponadto norma określa sposób określania tzw. wartości k- parametru pozwalającego na uwzględnienie zdolności wiążących popiołu lotnego i pyłu krzemionkowego, co bierze się pod uwagę przy obliczaniu skorygowanej wartości współczynnika W/C oraz ustalaniu minimalnej zawartości cementu w spoiwie (możliwość zmniejszenia ilości cementu). Natomiast wpływ dodatku żużla wielkopiecowego w normie [] został potraktowany bardzo ogólnikowo, a krajowe uzupełnienia [] podają ogólne zalecenia odnośnie możliwości stosowania różnych rodzajów cementów w zależności od klasy ekspozycji.

2 Rozpatrując zagadnienie odporności betonu na agresywne oddziaływanie zamrażaniarozmrażania bez/lub ze środkami odladzającymi (klasy ekspozycji XF..XF) norma [] dopuszcza do stosowania dodatki typu II, lecz nie jako zamiennik części cementu oraz bez możliwości uwzględniania tego dodatku przy obliczaniu współczynnika W/C. Dla betonów bez napowietrzenia zaleca się badania jego wartości użytkowych odpowiednią metodą... Dla klasy XF dopuszcza się stosowanie cementu CEM III/A klasy., albo.r z udziałem żużla wielkopiecowego w ilości do % wagowo (podobne zalecenia podaje ACI []). Stosowanie cementu hutniczego zawierającego duże ilości żużla (>% tzn. CEM III/B) dopuszcza się w przypadku konstrukcji w wodzie morskiej lub trasy najazdu sprzętu mobilnego, ale konieczne jest spełnienie dodatkowych warunków dotyczących składu betonu (W/C, C min, min. klasa wytrzymałości). W obu przypadkach nie dopuszcza się obecności porów powietrznych. Uzasadnienie takiego zalecenia można znaleźć m.in. w pracy [], gdzie autorzy stwierdzają, że napowietrzenie betonu z dużą zawartością żużla nie musi poprawiać odporności na oddziaływanie soli odladzających. Podkreślają natomiast znaczenie warunków pozwalających na osiągnięcie wysokiego stopnia hydratacji takiego spoiwa- jeśli stopień hydratacji α>% to beton z cementem hutniczym osiągnie podobną lub lepszą strukturę porów niż z cementem portlandzkim o α=9%. Stosowanie cementów hutniczych ma zasadnicze znaczenie techniczne i ekonomiczne w przypadku budowli hydrotechnicznych, mostowych czy zbiorników w oczyszczalniach ścieków, gdzie beton musi spełniać szereg wymagań odnośnie: przepuszczalności, ograniczonego wydzielania ciepła, odporności na czynniki chemiczne oraz mrozoodporności. Pozostaje otwarte pytanie jak projektować takie betony z uwzględnieniem zagadnień mrozoodporności dla różnych klas ekspozycji? W referacie przedstawiono fragment własnych badań, których celem była próba oceny wpływu stosunku woda-spoiwo oraz ilości dodatku żużla wielkopiecowego na kształtowanie właściwości fizycznych (nasiąkliwość, wytrzymałość) i mrozoodporności betonu.. OPIS BADAŃ Celem niniejszych badań było określenie wpływu ilości dodatku mielonego żużla wielkopiecowego oraz stosunku wodno-spoiwowego W/S na budowę strukturalna i właściwości betonu istotne dla jego mrozoodporności. Program badań obejmował wykonanie betonów z następującymi składnikami: - cement portlandzki CEM I.R, - dodatek mielonego żużla wielkopiecowego (gestość,8), - piasek naturalny Radwan - mm, - kruszywo grube dolomitowe frakcji -8, 8- mm, - superplastyfikator. Cement portlandzki (klinkier) oraz żużel pochodziły z jednej cementowni, gdzie stanowią surowce stosowane do produkcji cementu hutniczego. Uziarnienie stosu okruchowego kruszywa przedstawiono na rysunku. Składy betonów ustalono wykorzystując -punktowy dwuczynnikowy plan eksperymentu o symetrii obrotowej, który pozwala na określenie funkcji odpowiedzi w postaci wielomianu drugiego stopnia przy minimalnej możliwej liczbie doświadczeń.

3 Rys.. Wykres uziarnienia stosu okruchowego. Jako czynniki wejściowe przyjęto: X stosunek wody/spoiwa W/S, X stosunek dodatku mielonego żużla wielkopiecowego do cementu Dż/C. Macierz planowania dla obu czynników wyrażonych w wartościach zakodowanych oraz rzeczywistych przedstawiono w tabeli, zaś schemat planu na rysunku. Wartości kodowe wyznaczono według wzorów: X= (W/S,)/, X = (Dż/C )/ Na podstawie otrzymanych wyników oszacowano funkcje regresji ( wielomiany Dż/C II-stopnia) dla badanych cech: Y i = a + a *X + a *X +a *X*X +a *X*X+a *X*X Następnie wybrane funkcje opracowano w postaci wykresów warstwicowych. TABELA. Macierz planowania Nr Zmienne kodowe X X W/S Zmienne rzeczywiste Dż/C [%] +, +,8,,,, -, -,8, +,,, -,,, -, +,8, +, -,8, Rys.. Schemat planu -punktowego W/S 8

4 Składy mieszanek betonowych wyznaczono przyjmując: - stosunek W/S i skład spoiwa zgodny z założonym planem eksperymentu, - stałe uziarnienie kruszywa, - ilość zaczynu określono na podstawie badań wstępnych tak, aby konsystencja mieszanki betonowej była półciekła, ale bez objawów segregacji. Konsystencję korygowano dodając odpowiednią ilość domieszki plastyfikującej. Program badań obejmował między innymi: - wyznaczenie gęstości objętościowej, konsystencji oraz składu mieszanki betonowej, - określenie właściwości stwardniałych betonów: wytrzymałości na ściskanie (na kostkach o boku cm), nasiąkliwości, porowatości, zawartości powietrza oraz mrozoodporności próbek (belek 8x8x cm) zamrażanych w wodzie (metoda A) i w powietrzu (metoda B).. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Dla przyjętego zakresu zmienności badanych czynników: W/S=,, i D ż /C= % wyznaczono wartości stosunku wodno-cementowego, który wynosił W/C=,,8 (rys.8), a zawartość cementu odpowiednio C= kg/m (rys. 9). Wpływ czynników W/S i D ż /C na nasiąkliwość n w betonu przedstawiono na rysunku. Uzyskane wartości nasiąkliwości mieściły się w zakresie,9, %. Dodatek żużla miał stosunkowo mały wpływ na nasiąkliwość, przy czym wzrost ilości dodatku przy W/S<, wpływał korzystnie na zmniejszenie nasiąkliwości, a przy W/S>, nasiąkliwość wzrastała wraz ze zwiększeniem ilości dodatku żużla. Zawartość powietrza określona na próbkach stwardniałego betonu wynosiła,, %, co nie miało istotnego wpływu na skład i właściwości betonu. Wytrzymałość fcm'-8, MPa Czas, dni Rys.. Wyniki oznaczeń wytrzymałości betonu na ściskanie. 9

5 Odkształcenie dl, mm Zamrażanie w powietrzu - Liczba cykli Rys.. Zmiana odkształceń próbek zamrażanych w powietrzu. Zmiana masy próbek, g Zamrażanie w powietrzu Liczba cykli Rys.. Zmiana masy próbek zamrażanych w powietrzu. Wytrzymałość betonu na ściskanie po 8 dniach dojrzewania wynosiła,, MPa (rys. ). Przyrost wytrzymałości betonu w czasie dojrzewania przedstawiono na rysunku. Z analizy wykresu wynika, że dominujący wpływ na wytrzymałość miał stosunek W/S, przy czym najwyższą wytrzymałość po 8 dniach uzyskano dla W/S=,9 i D ż /C= %. Po dniach wartości te wynosiły odpowiednioi W/S=, i D ż /C= %. Przebieg niszczenia betonu w wyniku cyklicznego zamrażania-rozmrażania próbek oceniano na podstawie pomiarów zmiany masy oraz wymiarów podłużnych (do momentu pisania referatu wykonano 9 cykle mrożenia). Badania mrozoodporności wykonano dwoma metodami: zamrażanie w powietrzu (analogicznie jak w metodzie zwykłej według PN-88/B-) miało ma celu określenie odporności betonu na występowanie wewnętrznych uszkodzeń; zaś zamrażanie w wodzie (próbki umieszczone w metalowych pojemnikach, cały czas powierzchnia próbek otoczona jest warstewką wody lub lodu) pozwala ocenić odporność betonu na wewnętrzne spękania i jednocześnie na

6 powierzchniowe łuszczenie (metoda zbliżona do ASTM CA). Wyniki pomiarów zmian masy i odkształceń przedstawiono na rysunkach. Odkształcenie dl, mm - Zamrażanie w wodzie - Liczba cykli Rys.. Zmiany odkształceń próbek zamrażanych w wodzie. Zmiana masy próbek, g Zamrażanie w wodzie - Liczba cykli Rys.. Zmiany masy próbek zamrażanych w wodzie. Wyniki badań mrozoodporności wyznaczonej poprzez zamrażanie próbek w powietrzu przedstawiono na rysunkach i. Stopniowy wzrost masy i wymiarów próbek w miarę zwiększania liczby cykli zmrażania-rozmrażania wskazuje na postępujący proces destrukcji wewnętrznej betonu - pojawiające się mikrospękania powodują wzrost odkształceń, a wchłanianiu dodatkowej ilości wody towarzyszy wzrost masy próbek. Żadnych zmian nie wykazały tylko betony nr i, a największe uszkodzenia wystąpiły w betonach serii,,.

7 Stosunek wodnocementowy W/C W/C =.+.*x+.*y Zawartość cementu C=-.*x-.*y+8.*x*y.8. Dodatek żużla, % m.c Dodatek żużla, % m.c Stosunek woda/spoiwo..... Stosunek woda/spoiwo Rys.8. Rys. 9. Nasiąkliwość n w, % n w =+.8*x-.*x*x+.*x*y Wytrzymałość na ściskanie fcm-8' [MPa] fcm8=8.-.8*x-.9*x*x-.9*y*y-.*x*y. Dodatek żużla, % m.c... Dodatek żużla, % m.c Stosunek woda/spoiwo..... Stosunek Woda/Spoiwo W/S Rys.. Rys.. Obserwując zachowanie się próbek zamrażanych w wodzie (rys. i ) stwierdzić można, że część próbek uległa jednoczesnemu niszczeniu wewnętrznemu (wzrost odkształceń) oraz powierzchniowemu łuszczeniu- początkowo powstała siatka mikrospękań, pobrana woda spowodowała wzrost masy próbek, ale dalsze zamrażanie doprowadziło do odspojenia fragmentów zaprawy od powierzchni powodując spadek masy próbek. Całkowitemu zniszczeniu uległy betony nr,, ; beton nr został już częściowo uszkodzony o czym świadczy stały przyrost odkształceń i ubytek masy. Za całkowicie mrozoodporne można uznać tylko betony serii, i.

8 Porównania uzyskanych wyników badań mrozoodporności betonów z zaleceniami normy PN-EN dokonano na podstawie analizy wykresów warstwicowych. Na wykresach 8- wyróżniono warstwice: minimalnej wytrzymałości f cm = MPa (odpowiada klasie C/), maksymalnego stosunku W/C=., minimalnej zawartości cementu C=8 kg/m, a także maksymalnej nasiąkliwości wagowej n w = % (zalecanej dla betonów mostowych). Z analizy wykresów wynika, że wytrzymałość na ściskanie (i odpowiadający jej stosunek W/S) nie może stanowić kryterium mrozoodporności, podobnie jak nasiąkliwość wagowa. Za najistotniejszy czynnik wpływający na mrozoodporność należy uznać stosunek W/C. Projektując beton (bez napowietrzenia) z dodatkiem żużla należy dobierać proporcje składników w taki sposób, aby stosunek wodno-cementowy spełniał warunek (W/C) max.. Przy takim założeniu ilość dodatku żużla w stosunku do masy cementu silnie jest zależna od stosunku W/S, co pokazuje rys. 8. Przykładowo przy stosunku W/S=. można dodać około % żużla, a przy W/S=, dopuszczalna ilość żużla wynosi około %. Chcąc stosować większe ilości dodatku żużla lub gotowe cementy CEM III/A betony takie należy bezwarunkowo napowietrzać.. WNIOSKI Na podstawie uzyskanych wyników badań można stwierdzić, że dominujący wpływ na wytrzymałość betonu na ściskanie miał stosunek woda-spoiwo. Najwyższe wytrzymałości uzyskano przy W/S,,9 i dodatku żużla Dż/C % zależnie od wieku badanego betonu. Parametry takie jak wytrzymałość, nasiąkliwość czy stosunek W/S nie mogą stanowić podstawy do projektowania betonu spełniającego warunek mrozoodporności. Za najbardziej miarodajny parametr związany z mrozoodpornością należy uznać stosunek W/C. Ponadto ilość dodawanego żużla (przy założeniu, że beton ma być mrozoodporny bez napowietrzenia) zależy od stosunku W/S (klasy wytrzymałości). Dla zagwarantowania odpowiedniej mrozoodporności betonów wykonanych z większą ilością żużla lub z gotowym cementem CEM III/A (zwykle zawiera -% żużla) konieczne jest ich właściwe napowietrzone. Stwierdzenie to jest więc zbieżne z ogólnym zaleceniem normy PN-EN, aby w przypadku konstrukcji betonowych (bez uwzględniania rodzaju spoiwa) pracujących w warunkach odpowiadającym klasom ekspozycji XF..XF betony takie były napowietrzane.. LITERATURA. Norma PN-EN - Beton- Część : Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.. Norma PN-B- Krajowe uzupełnienia PN-EN - Beton- Część : Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.. ACI Committee - Ground Granulated Blast Furnace Slag as a Cementitious Constituent in Concrete. ACI Material Journal, V.8, No., 98, pp. -.

9 . Stark J., Ludwig H.M.- Freeze-Thaw and Freeze-Deicing Salt Resistane of Concretes Containing Cement Rich in Granulated Blast Furnace Slag. ACI Materials Journal, V.9, No., 99, pp. -. dr hab. inż., Jerzy Wawrzeńczyk Zakład Materiałów Budowlanych Politechniki Świętokrzyskiej, mgr inż., Marek Szymczyk asystent, pracownik WBiIŚ Politechniki Świętokrzyskiej Monika Wilczyńska Student V roku WBiIŚ Politechniki Świętokrzyskiej Gerard Szabla Student V roku WBiIŚ Politechniki Świętokrzyskiej