DIAGNOSTYKA MIKROSTRUKTURY PORÓW W BETONIE WBUDOWANYM W KONSTRUKCJE I NAWIERZCHNIE

Transkrypt

1 doc. dr hab. inż. Michał A. Glinicki, dr inż. Marek Zieliński Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk ul. Świętokrzyska 21, Warszawa DIAGNOSTYKA MIKROSTRUKTURY PORÓW W BETONIE WBUDOWANYM W KONSTRUKCJE I NAWIERZCHNIE Diagnostics of pore microstructure in concrete built into structures and pavements Streszczenie Przedstawiono wyniki badań diagnostycznych przeprowadzonych na kilkunastu nowowybudowanych obiektach inżynierskich i odcinkach nawierzchni dróg z betonu. Badania dotyczyły mikrostruktury porów powietrznych w próbkach betonu pobranych z konstrukcji po ich wykonaniu. Zastosowana metoda wizualizacji mikrostruktury betonu polegała na mikroskopowej obserwacji zgładów wykonanych z próbek-odwiertów z konstrukcji oraz identyfikacji porów i pomiarze ich wielkości i rozmieszczenia przy wykorzystaniu cyfrowej analizy obrazu. Przeprowadzone badania pozwoliły wykryć nieprawidłowości struktury porów powietrznych w betonie, takich jak niedostateczna lub nadmierna zawartość porów powietrznych, niekorzystny rozkład średnic porów, niewłaściwe rozmieszczenie porów, opisane wysokimi wartościami wskaźnika rozmieszczenia > 0,20mm. W innych przypadkach diagnozowanych konstrukcji betonowych uzyskano wyniki świadczące o prawidłowej strukturze porów powietrznych, uzyskano świadectwo dobrej jednorodności i wysokiej jakości wykonania elementów z betonu. Abstract The paper presents results of diagnostic tests performed on several new engineering structures and concrete pavements. The microstructure of air voids was examined on concrete specimens cored from erected structures. The applied method of the visualization of the microstructure of concrete consisted in microscopic observation of polished sections and the measurement of air void sizes and their distribution using a digital image analysis. The examinations permitted to identify irregularities of pore microstructure in concrete, e.g. insufficient or exaggerated contents of air voids, low specific surface of voids, inappropriate distribution of air voids determined by high values of spacing factor > 0.20mm. In several cases of evaluated concrete structures the tests proved the adequate microstructure of air voids, a good homogeneity of concrete and a high quality of production of concrete elements. 1

2 1. Wprowadzenie Warunkiem koniecznym trwałości betonu napowietrzonego w środowisku agresji mrozu i środków odladzających (XF) jest właściwa mikrostruktura porów powietrznych. Poprzez właściwe rozmieszczenie [1] rozumie się równomierną przestrzenną dystrybucję rozłącznych, drobnych pęcherzyków powietrza, które są rozmieszczone dostatecznie blisko siebie, tak aby działały jako komory kompensujące naprężenia, powstające wskutek przyrostu objętości wody w kapilarach w wyniku zamrożenia. Powszechnie stosowanym i skutecznym sposobem kształtowania mikrostruktury porów jest stosowanie domieszek napowietrzających, chociaż znane są też inne koncepcje kształtowania mikrostruktury, np. [2], [3]. W wyniku wprowadzenia normy PN-EN :2000, pojawiło się standardowe narzędzie badawcze, umożliwiające ocenę parametrów struktury porów powietrznych w wbudowanym betonie. Niestety, w uchwalonej w 2004 roku normie PN-B-06265, stanowiącej krajowe uzupełnienia normy PN-EN 206-1: 2003, nie znalazły się postulowane uzupełnienia wymagań na beton w klasie środowiska XF, [4]. Natomiast w nowych normach uzupełniających normę EN w innych krajach europejskich, znalazły się określenia mikrostruktury porów powietrznych, wymaganej do zapewnienia trwałości w środowisku XF na podstawie wskaźnika rozmieszczenia porów, zawartości powietrza i zawartości mikroporów poniżej 0,3mm w stwardniałym betonie. A zatem znane są dokumenty odniesienia pozwalające właściwą mikrostrukturę porów określić parametrami ilościowymi. Diagnostyczne badania mikrostruktury porów -jak dotąd- były prowadzone przy ocenie stanu technicznego konstrukcji, aby identyfikować przyczyny degradacji betonu. W pracy [5] przedstawiono badania obiektów mostowych w stanie Michigan, USA, wskazując na podstawie mikrostruktury porów (niejednorodność rozmieszczenia porów, znaczące wypełnienie porów produktami hydratacji oraz zbyt duże rozmiary porów) przyczyny przedwczesnych zarysowań, odprysków oraz złuszczeń powierzchniowych betonu. Badania mikrostruktury porów według PN-EN podjęto w Polsce niedawno, głównie w celu sprawdzenia zgodności rozmieszczenia porów z wymaganiami, a także w celu eliminacji nieprawidłowości technologicznych na etapie budowy obiektów z betonu. Celem referatu jest przedstawienie wyników badań przeprowadzonych na kilku niedawno wybudowanych obiektach inżynierskich i odcinkach nawierzchni dróg z betonu. 2. Metoda diagnostyki Badania prowadzono na próbkach-odwiertach walcowych o średnicy ok. 100mm, pobieranych z elementów konstrukcyjnych nawierzchni lub obiektów inżynierskich. Z odwiertów wycinano prostopadłościenne próbki o grubości około 20mm. Powierzchnia cięcia odpowiadała płaszczyźnie równoległej do pobocznicy walca, tj. była zgodna z kierunkiem wiercenia. Wymiary próbek w planie wynosiły na ogół 100x100mm. Przygotowanie zgładów betonowych do badania mikrostruktury porów wykonano według normy PN-EN Stosowano zestaw urządzeń do polerowania powierzchni betonu przy użyciu proszków ściernych z węgliku krzemu SiC. Sposób kontrastowania powierzchni betonu i metodę pomiaru opisano w [6]. Obserwacje porów na zgładach betonowych prowadzono przy użyciu mikroskopu optycznego Nikon. Określenie parametrów mikrostruktury porów powietrznych wykonano przy pomocy komputerowego systemu automatycznej analizy obrazu (Rys.1). Określone według PN-EN parametry oznaczono następująco: L - wskaźnik rozmieszczenia porów, α - powierzchnia właściwa systemu porów powietrznych, A - całkowita zawartość powietrza w stwardniałym betonie, - zawartość mikroporów o średnicy poniżej 300 µm, A 300 2

3 Wskaźnik rozmieszczenia porów zdefiniowany przez T.C.Powersa jest związany z maksymalną odległością dowolnego punktu w zaczynie cementowym do brzegu najbliższego pora. Rys.1 Widok stanowiska do automatycznej analizy obrazu 3. Wyniki badań Badania diagnostyczne mikrostruktury betonu zostały przeprowadzone na kilkunastu obiektach, takich jak wiadukty drogowe, most, odcinki nawierzchni dróg i parkingi samochodowe. Zasadniczą przyczyną podjęcia badań diagnostycznych była niedostateczna odporność na cykliczne zamrażanie i odmrażanie stwierdzona na normowych próbkach betonu pobieranych podczas badań kontrolnych. Innym zasadniczym powodem była intencja sprawdzenia zgodności z wymaganiami specyfikacji [7]. Wyniki pomiaru parametrów mikrostruktury według normy przedstawiono syntetycznie w Tablicy 1. Obiekty zostały uszeregowane według wzrastającej powierzchni właściwej układu porów, tj. według zmniejszających się średnic porów. W przypadku pierwszych pięciu obiektów wymiary porów charakteryzowała powierzchnia właściwa w zakresie 9-23 mm -1 określająca duże pory powietrzne, stwierdzone zarówno przy nadmiernej porowatości (A>12%), jak też w przypadku marginalnego działania domieszki napowietrzającej (A < 2%). W wymienionych pięciu przypadkach wysoki wskaźnik rozmieszczenia i śladowa zawartość mikroporów świadczą jednoznacznie o braku drobnych porów wpływających pozytywnie na mrozoodporność betonu. W pozostałych wymienionych przypadkach uzyskano świadectwo dobrej jednorodności rozmieszczenia porów i ich właściwych rozmiarów. Z przeprowadzonych badań diagnostycznych nawierzchni na drodze krajowej: wynika, że wskaźnik rozmieszczenia porów w betonie zawierał się w granicach od 0,11 do 0,15mm, natomiast powierzchnia właściwa porów wynosiła od 35 do 53 mm-1. Parametry struktury porów powietrznych w próbkach betonu wykonanego na etapie projektowania mieszanki, jak też betonu wbudowanego w nawierzchnię spełniały wymagania specyfikacji [7]. Jak stwierdzono, parametry struktury porów powietrznych betonu wbudowanego w nawierzchnię nie odbiegały zasadniczo od parametrów określonych na etapie projektowania mieszanki: w ciągu kilku miesięcy prowadzenia prac betonowych wskaźnik rozmieszczenia porów powietrznych w stwardniałym betonie utrzymywał się w granicach 0,11-0,16mm. Świadczy to o wysokiej jakości produkcji mieszanki betonowej i wykonania nawierzchni. 3

4 Tablica 1 Zestawienie wyników diagnostyki mikrostruktury porów powietrznych w stwardniałym betonie w dostarczonych próbkach- odwiertach Lp. Rodzaj obiektu L [mm] 1 Nawierzchnia parkingu α [mm -1 ] A [%] A 300 [%] 0,20 9,6 12,73 1,24 0,18 9,0 14,97 0,94 2 Wiadukt drogowy 0,41 14,6 3,28 0,48 0,47 18,8 1,33 0,22 3 Nawierzchnia drogowa 0,19 17,3 7,78 1,32 0,18 21,4 6,61 1,62 4 Nawierzchnia parkingu 0,31 19,9 2,99 0,73 0,29 22,3 2,66 0,81 5 Wiadukt drogowy 0,40 22,5 1,30 0,33 0,29 30,2 1,38 0,57 6 Nawierzchnia parkingu 0,15 25,2 6,70 2,10 0,09 34,6 8,23 3,96 7 Most 0,15 33,8 4,52 2,31 8 Nawierzchnia drogowa 0,11 34,5 6,45 2,47 0,11 28,3 7,81 3,09 0,11 30,0 6,97 2,85 9 Nawierzchnia drogi krajowej 10 Nawierzchnia autostrady 0,12 32,2 6,42 3,30 0,11 35,0 6,75 3,40 0,12 46,0 3,66 1,81 0,12 40,8 4,49 2,32 0,12 47,9 3,29 1,80 0,12 49,9 3,09 1,81 0,16 38,3 2,66 1,94 0,12 47,0 3,48 2,12 0,13 43,0 3,24 1,93 0,09 58,2 3,63 2,07 0,11 49,3 3,61 2,00 0,10 53,3 3,70 2,07 0,11 47,4 3,95 1,82 0,15 36,2 3,8 2,63 0,19 27,7 4,1 2,31 0,14 46,2 2,9 2,20 0,13 41,1 3,9 2,89 4

5 Rys.2. Widok rozmieszczenia porów powietrza na fragmentach powierzchni próbek betonu: α = 30,4 mm-1, A=3,99%, A 300 =1,97%, L = 0,17 mm α = 32,5 mm-1, A=4,61%, A 300 =2,99%, L = 0, 15 mm Rys.3. Widok rozmieszczenia porów powietrza na fragmentach powierzchni próbek betonu: a) α = 28,0 mm-1, A=3,06%, A 300 =1,10%, L = 0,22 mm (*) b) α = 38,4 mm-1, A=2,54%, A 300 =1,17%, L = 0,27 mm (*) (*)wynik oznaczenia automatycznego obarczony błędami wynikającymi z nieregularnego kształtu porów Na mikrofotografiach pokazanych na Rys. 2 widoczne są: ziarna kruszywa grubego-bardzo ciemno-szare; ziarna piasku owalne, kolor od jasnego do ciemnego szarego, pory powietrzne kolor biały, okrągłe. Zilustrowany na mikrofotografiach obraz rozmieszczenia i wielkości porów odpowiada pożądanym parametrom mikrostruktury z uwagi na trwałość w środowisku XF. 5

6 Niektóre diagnozowane obiekty nie zostały wymienione w Tablicy 1 z powodu patologicznego kształtu zaobserwowanych porów. Na Rys. 3 widoczne są: ziarna kruszywa grubego-bardzo ciemno-szare; ziarna piasku owalne, kolor od jasnego do ciemnego szarego, pustki powietrzne kolor biały, nieregularne. Mikrofotografie powierzchni próbek, ilustrują charakterystyczne pory o kształcie nieregularnym, diametralnie odbiegającym od kształtu kolistego, który jest charakterystyczny dla porów powstałych w wyniku działania domieszek napowietrzających. Taki obraz porowatości oraz porowatość ziaren żwiru wpływa na znaczne podwyższenie niepewności oznaczenia parametrów struktury porów. Obserwacje mikroskopowe powierzchni tych zgładów betonowych wykazały, że typowe okrągłe pory powietrzne występują nielicznie, natomiast licznie występują pustki o kształcie nieregularnym, tworzące prawdopodobnie system połączony, a także pory w otoczeniu ziaren kruszywa (pod ziarnami). Konsekwencje takiego obrazu mikrostruktury porów trzeba postrzegać dwojako: - pomimo stosowania procedury eliminacji artefaktów z obrazu, znaczny udział porów nieregularnych wpływał na wyniki automatycznej analizy porów powietrznych i w konsekwencji określone ilościowe parametry mikrostruktury porów (A 300, α,) są obarczone błędami, tj. zawartość mikroporów A 300 jest określona z nadmiarem, a wskaźnik rozmieszczenia (zdefiniowany jedynie w przypadku porów o kształcie kulistym) jest określony z niedomiarem, - w odróżnieniu od pozytywnej roli pęcherzyków powietrza, wynikających z działania domieszki napowietrzającej, zaobserwowany układ nieregularnych i częściowo połączonych porów należy skojarzyć z podwyższeniem przepuszczalności betonu dla mediów ciekłych i gazowych oraz obniżeniem trwałości betonu w środowisku agresji mrozu i środków odladzających. Wyniki tych obserwacji mikroskopowych wskazują, więc na występowanie lokalnych niejednorodności struktury zaczynu cementowego w formie obszarów o podwyższonej porowatości, niezwiązanej z działaniem domieszek napowietrzających. 4. Wnioski Diagnostyka mikrostruktury porów powietrznych w betonach konstrukcyjnych i nawierzchniowych pozwala na eliminację nieprawidłowości technologicznych, a także dostarcza danych do możliwej optymalizacji procesu napowietrzenia. Zastosowanie metody diagnostyki struktury porów przy projektowaniu i budowie kilku odcinków nawierzchni, parkingów i obiektów inżynierskich pozwoliło wykryć występowanie nieprawidłowości struktury porów w betonie, takich jak: - niedostateczna lub nadmierna zawartość powietrza, - niekorzystny rozkład średnic pęcherzyków powietrza: mało pęcherzyków o średnicach poniżej 300 µm, a nadmiar pęcherzyków o większych średnicach, aż do 4mm, - niewłaściwe rozmieszczenie pęcherzyków powietrza, opisane wysokimi wartościami wskaźnika rozmieszczenia porów powyżej 0,2mm. Niewłaściwą strukturę porów powietrznych w betonie uzyskano pomimo zastosowania środków napowietrzających spełniających wymagania normowe. W innych przypadkach diagnozowanych betonów uzyskano wyniki świadczące o właściwej strukturze napowietrzenia betonów, uzyskano świadectwo dobrej jednorodności, wysokiej jakości produkcji mieszanki betonowej i wykonania elementów z betonu. 6

7 5. Literatura [1] M.A.Glinicki, Właściwe i patologiczne napowietrzanie betonów, Budownictwo- Technologie-Architektura, nr 2/2004, [2] M.Gunter, T.Bier, H.Hilsdorf, Effect of curing and type of cement on the resistance of concrete to freezing in deicing salt solutions, Concrete durability, ACI SP , 1987, [3] D. Jóźwiak- Niedźwiedzka, Zapobieganie łuszczeniu powierzchni betonowych przy użyciu nawilżonego kruszywa lekkiego. Cz. I-stan wiedzy, DROGI i MOSTY, nr 2/2006, [4] M.A.Glinicki, Europejskie wymagania na beton napowietrzony w klasie środowiska XF, Drogownictwo, nr 3/ 2005, [5] L. Delem, T. Van Dam, K. R. Peterson, L. Sutter, Evaluation of Premature Deterioration of Concrete Bridge Barriers by Petrographic Examination, 83rd Annual Meeting, Transportation Research Board, Washington, 2004, 19p. [6] D.Załocha, J.Kasperkiewicz, Zastosowanie ilościowej analizy obrazu do oceny struktury porów w betonie napowietrzanym, DROGI i MOSTY, nr 2/2002, [7] Ogólne Specyfikacje Techniczne D Nawierzchnia betonowa, Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad, Warszawa Praca częściowo wykonana w ramach Projektu Badawczego T07E