M O Ż L IW O Ś Ć N A P O W IE T R Z E N IA B E T O N U P R Z E Z Z A S T O S O W A N IE M I K R O S F E R

Transkrypt

1 Z E SZ Y T Y NAUKOW E POLITECHNIKI ŚLĄ SK IEJ Seria: BUDOW NICTW O z Nr kol Agnieszka MOLENDOW SKA* Politechnika Świętokrzyska M O Ż L IW O Ś Ć N A P O W IE T R Z E N IA B E T O N U P R Z E Z Z A S T O S O W A N IE M I K R O S F E R Streszczenie. Zasadniczym problemem przy stosowaniu domieszek napowietrzających jest uzyskanie odpowiedniej struktury porów powietrznych w betonie przy ustabilizowanej ilości powietrza. Jest ona bowiem uzależniona od wielu czynników. Problem ten można rozwiązać, jeżeli do betonu zamiast domieszki napowietrzającej wprowadzone zostaną kuliste cząstki o znanych rozmiarach, zwane mikrosferami. W referacie przedstawione zostały wyniki oznaczeń parametrów struktury porów powietrznych oraz wytrzymałości kilku serii betonów napowietrzonych przez zastosowanie mikrosfer popiołowych oraz polimerowych. P O S S IB IL IT Y O F A IR -E N T R A IN IN G O F C O N C R E T E S TH RO U G H TH E U S E O F M IC R O S P H E R E S Sum m ary. The fundamental problem during to use tradicional air-entraining agent is to get the suitable air-void structure in concrete with stable quantity o f air. Technology o f air-entraining makes a lot o f difficulties because o f many factors influencing the quality o f air-pores structure. This problem is posible to solution if instead o f air-entraining agent microspheres will be used. The paper presents the results o f microscopic examinations o f air-pores structure and compressive strength in several series o f air-entrained concretes made with microspheres. 1. W p ro w ad zen ie Mrozoodporną strukturę zaczynu cementowego można ukształtować, wprowadzając odpowiednią ilość pęcherzyków powietrza lub sferycznych cząstek innych materiałów [3]. Opiekun naukowy: Dr hab. inż. Jerzy W awrzeńczyk, prof. Politechniki Świętokrzyskiej.

2 186 A. M olendow ska Chociaż zasady stosowania domieszek napowietrzających są znane od wielu lat, nadal zdarzają się niepowodzenia technologiczne. Istnieje wiele czynników, które wpływają no to, że struktura porów powietrznych w betonach napowietrzonych nie jest stabilna [8]. Europejska norma EN [5] wprowadza podział na klasy środowiska XF1-KXF4, dotyczące mrozoodporności betonu. Dla klas X F2, X F 3, X F 4 norma zaleca wprowadzenie do mieszanki betonowej minimum 4% powietrza. Uzupełnienia normy EN w innych krajach europejskich (normy austriackie, duńskie) [8, 9], zawierają dodatkowe wymagania odnośnie minimalnej zawartości mikroporów o średnicach do 300 pm (A 300) oraz maksymalnej wartości wskaźnika rozmieszczenia porów powietrznych L. Badania mikrostruktury porów powietrznych stanowią pośrednią metodę oceny mrozoodporności betonu, w której przyjmuje się założenie, że jeżeli wartość rozstawu pęcherzyków L jest mniejsza od pewnej krytycznej wartości, to beton jest mrozoodporny. Zawartość powietrza w betonie oraz rozstaw pęcherzyków powietrznych mogą być zależne od wielu czynników, takich jak : konsystencja mieszanki i W/C, ilość i rodzaj cementu, dodatki mineralne, domieszki chemiczne, układanie mieszanki betonowej, zagęszczanie mieszanki betonowej, temperatura mieszanki czy czas mieszania [ 1,2,3 ], Problemów tych można uniknąć przez wprowadzenie do betonu kulistych cząstek o określonych rozmiarach. Techniki napowietrzania oparte na stosowaniu pustych kuleczek, zwanych mikrosferami, pozwalają uzyskać obiecujące rezultaty [4], Wprowadzając mniejszą objętość mikrosfer, można uzyskać taką samą trwałość mrozową (rozstaw pęcherzyków Z,) ja k w przypadku stosowania tradycyjnej domieszki napowietrzającej. Mniejsza ilość wprowadzonego powietrza powoduje mniejsze spadki wytrzymałości [!] W referacie zostały przedstawione wyniki badań betonów napowietrzonych przez zastosowanie mikrosfer popiołowych o uziamieniu do 300 pm oraz mikrosfer polimerowych o uziamieniu do 80 pm.

3 M ożliw ość napow ietrzenia betonu przez B a d a n ia w łasne 2.1. Cel i zakres badań Przedmiotem badań było 8 serii betonów napowietrzonych przez zastosowanie mikrosfer popiołowych oraz mikrosfer polimerowych. Celem badań było wyznaczenie: charakterystyk porowatości: - A - całkowita zawartość powietrza [%], - A30o- zawartość mikroporów o średnicy do 300 pm [%], - a - powierzchnia właściwa porów powietrznych [mm"1], - L - wskaźnik rozmieszczenia [mm], wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach dojrzewania [MPa], Zaprojektowano 8 mieszanek betonowych o podobnym składzie wyjściowym oraz zmiennej zawartości mikrosfer. Są to betony o bardzo dobrej urabialności (rozpływ wynoszący ponad 60 cm), o stosunku W/S w granicach 0,4 KO,45 i klasie wytrzymałości na ściskanie C 16/20+C 25/30. Do wykonania betonów użyto następujących składników: - cement CEM Il/B -V 32,5 R, - popiół lotny, - kruszywo grube - wapień frakcji 2+4, 4+8, 8+16 mm, - piasek naturalny 0+2 mm, - mikrosfery produkowane z popiołu lotnego, frakcji pm, (M S-A, M S-B), - mikrosfery polimerowe, frakcji 0+80 pm, (M S-P), - superplastyfikator polikarboksylanowy. Informacje o składach mieszanek betonowych przedstawiono w tabeli 1. Badania wytrzymałości betonu na ściskanie przeprowadzono na kostkach o boku 10 cm, a badania struktury porów powietrznych wykonano na dwóch próbkach zgładach (o wymiarach 120x100x25 mm), które wycięto z większych elementów. Badane powierzchnie zgładów zostały wyszlifowane na mokro z użyciem proszków szlifierskich. Następnie powierzchnie te zabarwiono na czarno, a wszystkie pory zostały wypełnione białą pastą cynkową. Powierzchnie próbek zeskanowano przy rozdzielczości 4800 dpi. Automatyczną analizę obrazu przeprowadzono z wykorzystaniem programu SigmaScan Pro. W badaniach stosowano metodę zliczania cięciw, zgodnie z normą PN-EN [6].

4 188 A. M olendow ska Seria Podstawowe informacje o składach mieszanek betonowych Czynnik napowietrz S [kg/m3] W /S M S [kg/m3] pb ]kg/m3] Tabela 1 Rozpływ [cm] B I M S-A 404 0,41 13, ,0 B 2 M S-A 396 0,44 26, ,0 B3 M S-B 399 0,42 13, ,0 B4 M S-B 398 0,43 26, ,0 B5 M S-P 406 0,45 0, ,0 B 6 M S-P 420 0,45 2, ,0 B7 M S-P 422 0,44 3, ,0 B 8 M S-P 419 0,44 5, ,0 Oznaczenia: MS-A(B) - mikrosfery z popiołów lotnych, MS-P - mikrosfery polimerowe. 3. W y n ik i bad ań i ich an aliza W tabeli 2 przedstawiono wyniki badań struktury porów powietrznych oraz wytrzymałości. Na rys. 1 pokazano zależność pomiędzy rozstawem pęcherzyków powietrza L a całkowitą ilością powietrza w stwardniałym betonie (A). Zależność rozstawu pęcherzyków powietrza L od zawartości mikroporów A300 (porów o średnicy do 300 prn) przedstawiono na rys. 2. Dodatkowo na wykresie zamieszczono podobną zależność uzyskaną dla betonów z tradycyjną domieszką napowietrzającą [10]. Z rys. 2 wynika, że uzyskanie poprawnego napowietrzenia, charakteryzującego się rozstawem pęcherzyków powietrza L < 0,25 mm (dla warunków umiarkowanych środowiska wg [7]), wymaga, aby zawartość mikroporów A30o wynosiła powyżej 1,7%. Poniżej tej granicy, przy podobnej ilości mikroporów, zastosowanie mikrosfer pozwala uzyskać korzystniejszą strukturę, ponieważ wartości wskaźnika rozmieszczenia L są mniejsze. W yniki badań stwardniałych betonów Seria A [% ] A3oo [% ] A3oo/A ]% ] a [inin-1] L [mm] Tabela 2 fen, [M Pa] B I 4,70 1, ,76 0,27 48,5 B2 4,59 1, ,87 0,28 43,6 B3 4,92 1, ,22 0,24 47,2 B 4 6,55 2, ,55 0,19 42,1 B5 5,83 3, ,43 0,13 41,3

5 M ożliw ość napow ietrzenia betonu przez. 189 cd. tabeli 2 B6 6,26 2, ,92 0,18 33,4 B 7 3,80 2, ,48 0,16 36,5 B 8 8,03 3, ,26 0,15 31,2 Zawartość powietrza A [%] Rys. 1. Zależność pomiędzy rozstawem pęcherzyków powietrza ( F ) a zaw artością powietrza w stwardniałym betonie (A ) Fig. 1. Relation between spacing factor ( F ) and air content in hardened concrete (A ) Zawartość mikroporów A300 [%] Rys. 2. Zależność pomiędzy rozstawem pęcherzyków powietrza (/.) a zaw artością mikroporów (A300) Fig. 2. Relation between spacing factor ( F ) and contents o f micropores (A 30o)

6 190 A. M olendow ska Rys. 3. Rozkład liczby cięciw zarejestrowanych w poszczególnych klasach Fig. 3. Distribution the number o f chords registered in particular range Dla betonów B 1+B 4, wykonanych z mikrosferami popiołowymi, uzyskano całkowitą zawartość powietrza (A) w granicach 4,60+6,55%, przy zawartości mikroporów A300 w przedziale 1,38+2,68% oraz wartości wskaźnika rozmieszczenia L = 0,19+0,28 mm. Zadowalającą strukturę uzyskano dla serii B3 i B 4, przy zwiększonej ilości powietrza. Dla mikrosfer popiołowych typu A, przy zawartości powietrza 4,59 i 4,70%, uzyskano L powyżej 0,25 mm. Do betonu B5 zastosowano mikrosfery polimerowe w postaci suchej, natomiast w betonach B 6, B 7, B 8 zastosowano mikrosfery w postaci wilgotnej. Podczas stosowania mikrosfer polimerowych w stanie suchym występują problemy z dozowaniem, ponieważ ze względu na małą gęstość objętościową m ają one tendencję do pylenia, konieczne jest więc dozowanie ich w stanie wilgotnym. We wszystkich przypadkach stosowania drobniejszych mikrosfer polimerowych uzyskano L < 0,20 mm (wartość zalecana przez ACI [7] dla trudnych warunków środowiska). Zwiększona dawka mikrosfer pozwala uzyskać większą ilość powietrza (A), ale nie znajduje to odzwierciedlenia w rozstawie pęcherzyków powietrza L. W betonie B 8 dodatek mikrosfer był ponaddwukrotnie większy niż w betonie B 6, a wskaźnik rozmieszczenia zmniejszył się tylko o 0,03. Na rys. 3 przedstawiono rozkład liczby cięciw zarejestrowanych w poszczególnych klasach. Największą objętość drobnych porów o średnicy do 300 pm uzyskano dla betonu B 8, ale przy całkowitej zawartości powietrza ponad 8%. Z obserwacji

7 M ożliw ość napowietrzenia betonu przez. 191 wykresów wynika, że najkorzystniejszą strukturę posiadają betony B5 i B7 wykonane z mikrosferami polimerowymi. Wartość współczynnika L wynosi 0,13 mm dla betonu B5 i 0,16 mm dla betonu B7, a zawartość mikroporów stanowi odpowiednio 52% i 62% ogólnej zawartości powietrza. W przypadku betonu B7, korzystną strukturę porów powietrznych uzyskano przy ogólnej zawartości powietrza wynoszącej 3,8%. Obserwowany jest wzrost udziału grubych porów, spowodowany niedostateczną ciekłością mieszanki betonowej. 4. Uwagi końcow e W referacie przedstawiono wyniki badań wstępnych z zastosowaniem mikrosfer do napowietrzania betonu. Przedmiotem badań były betony o dobrej urabialności, o W/S = 0,41 0,45 i wytrzymałości C l 6/20 = C25/30. Zastosowanie mikrosfer polimerowych, w porównaniu z tradycyjną domieszką napowietrzającą, pozwala uzyskać lepsze rezultaty. Przy takiej samej zawartości mikroporów uzyskuje się mniejsze wartości wskaźnika rozmieszczenia L. Znaczna zawartość wapiennego kruszywa łamanego spowodowała, że wystąpiły trudności z samoczynnym odpowietrzeniem mieszanki betonowej. Konieczna jest zmiana technologii, mająca na celu minimalizację ogólnej zawartości powietrza i wyeliminowanie grubych porów przez zwiększenie ciekłości mieszanki lub/i zmianę uziamienia kruszywa. Uważam, że zastosowanie mikrosfer przy odpowiednio dobranej kompozycji składników i ciekłości mieszanki betonowej daje możliwość poprawnego napowietrzenia betonu (dobra mrozoodporność, gdy L < 0,20 mm) przy ogólnej zawartości powietrza poniżej 2%, co w przypadku betonów napowietrzanych tradycyjnie jest niemożliwe. Jest to szczególnie ważne na przykład w przypadku betonów wysokiej wytrzymałości, gdzie uzyskanie 2% zawartości powietrza zamiast 6% pozwala dodatkowo uzyskać wzrost wytrzymałość o 15=20%. Planuje się kontynuowanie badań struktury porowatości betonów napowietrzanych z zastosowaniem mikrosfer wraz z równoległą ich oceną mrozoodporności metodami bezpośredniego zamrażania próbek w wodzie (odporność betonu na wewnętrzne pękanie i powierzchniowe łuszczenie).

8 192 A. M olendow ska B IB L IO G R A F IA 1. Neville A.M.: Właściwości betonu. Wyd. IV, Polski Cement, Kraków Wawrzeńczyk J.: Diagnostyka mrozoodporności betonu cementowego. Monografia nr 32, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce Rusin Z.: Technologia betonów mrozoodpomych. Polski Cement, Kraków Ozyildirim C., Sprinkel M.M.: Durability o f concrete containing hollow plastic microspheres. ACI Journal, Vol. 79, No. 4, p PN-EN 206-1:2003 Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność. 6. PN-EN :1998 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Metody badań. Oznaczanie charakterystyki porów powietrznych w stwardniałym betonie. 7. ACI Committee 201: Guide to Durable Concrete. ACI Journal, Vol. 74, Glinicki M.A.: Metody ilościowej i jakościow ej oceny napowietrzenia betonu. II Sympozjum Naukowo-Techniczne pt. Trwałość betonu, Górażdże Cement, Kraków Glinicki M.A.: Europejskie wymagania na beton napowietrzony w klasie środowiska X F. Drogownictwo, nr 3/2005, s Wawrzeńczyk J., Molendowska A., Juszczak T.: Wpływ charakterystyk porowatości na mrozoodporność oraz wytrzymałość betonów napowietrzonych. Ochrona przed korozją, nr 5s/A/2008, s Recenzent: Prof, dr hab. inż. Janusz Szwabowski