Nowa koncepcja kształtowania mrozoodporności betonu

Transkrypt

1 Zbigniew Giergiczny Albin Garbacik Wojciech Drożdż Tomasz Baran Nowa koncepcja kształtowania mrozoodporności betonu NEW CONCEPT OF CREATING OF CONCRETE FROST RESISTANCE Streszczenie W polskich warunkach klimatycznych mrozoodporność jest jedną z ważniejszych cech trwałościowych betonu. Istnieje szereg czynników technologiczno-materiałowych kształtujących tę właściwość betonu, jednak można przyjąć, że modyfikacja struktury porowatości matrycy cementowej poprzez wprowadzanie domieszek napowietrzających do mieszanki betonowej jest najbardziej skutecznym rozwiązaniem. W niniejszym artykule zaprezentowano innowacyjne podejście w tym zakresie ukierunkowane na produkcję cementów zawierających domieszkę napowietrzającą w swoim składzie. Tematyka ta jest przedmiotem realizowanego programu badawczego w ramach projektu NCBiR pt. Innowacyjne cementy napowietrzające beton. Przedmiotem badań są cementy portlandzkie CEM I i cementy z dodatkami mineralnymi CEM II CEM V, spełniające wymagania normy PN-EN 197-1:2012. Cementy z domieszkami napowietrzającymi produkowano w skali laboratoryjnej i półtechnicznej. Zakres wstępnych badań uwzględniał ocenę zdolności cementów do napowietrzania zaprawy oraz ich właściwości normowe według PN-EN 197-1:2012. W oparciu o uzyskane wyniki badań wykazano możliwość uzyskania cementów z domieszką napowietrzającą spełniających wymagania normowe stawiane cementom powszechnego użytku i zdolnych do efektywnego napowietrzenia zaprawy i mieszanki betonowej. Abstract In Polish climatic conditions frost resistance of concrete is one of its most important durability properties. There are many material and technological factors influencing on dr hab. inż. Zbigniew Giergiczny, prof. nzw. w Pol. Śl. Politechnika Śląska, Centrum Technologiczne BETOTECH w Dąbrowie Górniczej dr inż. Albin Garbacik, prof. ICiMB dr inż. Wojciech Drożdż Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych OSiMB Kraków dr inż. Tomasz Baran Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych OSiMB Kraków

2 Zbigniew Giergiczny, Albin Garbacik, Wojciech Drożdż, Tomasz Baran that property of concrete, however, it can be assumed that modification of structure of cement matrix porosity by introducing air-entraining admixtures into concrete mix is the most effective used solution. In the paper innovative way in that manner, based on the production of cements containing air-entraining admixture was presented. This subject is an objective of realized research within NCBiR project Innovative cements aerating concrete. Portland cements CEM I and composite cements CEM II CEM V according to PN-EN 197-1:2012 Standard are included in the research. Cements with addition of air-entraining admixtures were obtained at laboratory and semi-industrial scale. Scope of initial analysis included ability of cements to aerate mortar and their standard properties according to PN-EN 197-1:2012. Based on the performed investigations authors indicated possibility of obtaining cements with air-entraining admixture which meet the requirements for common cements and are able to aerate effectively mortar and concrete mix according to design assumptions. 2 DNI BETONU 2014

3 Nowa koncepcja kształtowania mrozoodporności betonu 1. Wprowadzenie Beton narażony jest na ekstremalne oddziaływania środowiska, przede wszystkim na agresję chemiczną, oddziaływanie wilgoci i mrozu. Odpowiednie zaprojektowanie, wykonanie, zabudowanie oraz pielęgnacja zapewnia trwałość betonu w określonych warunkach jego eksploatacji [1]. Do obiektów budowlanych najbardziej narażonych na niszczące oddziaływanie środowiska należy zaliczyć mosty i wiadukty, betonowe nawierzchnie drogowe, chodniki i krawężniki drogowe, konstrukcje betonowe będące w kontakcie z wodą morską. Nieodporny na działanie mrozu beton jest bardzo często przyczyną wad i uszkodzeń konstrukcji budowlanych, których naprawa jest bardzo kosztowna i nie zawsze do końca skuteczna. Najczęściej występujące wady omówiono w monografii [2] z podaniem kosztów naprawy takich szkód, szacowanych na miliardy złotych. Obszerna literatura przedmiotu oraz praktyka dowiodły, że beton wykonany z udziałem cementu z wysoką zawartością dodatków mineralnych (CEM II, cement hutniczy CEM III i cement wieloskładnikowy CEM V), pomimo lepszej szczelności, może nie być mrozoodporny [3 9]. Według zaleceń Komitetu 201 Amerykańskiego Instytutu Betonu (ACI) [10] można zapewnić mrozoodporność betonu wykonanego z cementu z dodatkami mineralnymi, jednak pod warunkiem poprawnego napowietrzenia mieszanki betonowej. Problem ten uwzględnia norma betonowa PN-EN zalecając napowietrzanie mieszanki betonowej dla klas ekspozycji XF agresja spowodowana zamrażaniem/rozmrażaniem. Uzyskanie odpowiedniego napowietrzenia betonu z cementem o dużej zawartości dodatków mineralnych jest trudne i wymaga każdorazowego doboru ilości domieszki napowietrzającej w zależności od rodzaju i ilości dodatku mineralnego występującego w składzie cementu [1 3, 5, 10]. Możliwość napowietrzania mieszanki betonowej poprzez domieszkę wprowadzoną z cementem obejmują swoim zakresem normy amerykańskie dla cementów portlandzkich ASTM C150 [11] i cementów wieloskładnikowych ASTM C595 [12], uwzględniając w klasyfikacji cementów odmiany A dla cementów napowietrzających. Problematyka mrozoodporności betonów wykonanych z cementów zawierających dodatki mineralne została uwzględniona w programie badawczym Innowacyjne cementy napowietrzające beton, realizowanym w ramach Programu Badań Stosowanych finansowanego ze środków NCBiR przez Politechnikę Śląską oraz Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, oddział Kraków. Zasadniczym celem projektu jest opracowanie technologii produkcji innowacyjnych cementów napowietrzających beton, portlandzkich CEM I oraz wieloskładnikowych z wysoką zawartością dodatków mineralnych; CEM II, CEM III i CEM V. Założenia technologiczne produkcji odmian cementu napowietrzającego uwzględniają zastosowanie określonego rodzaju domieszki napowietrzającej w jego składzie, w optymalnej ilości zapewniającej spełnienie wymagań norm względem charakterystyki napowietrzenia betonu, tym samym jego pełną mrozoodporność. Założenia projektu obejmują dwie podstawowe grupy zagadnień: badania i prace w zakresie opracowania wytycznych technologicznych produkcji cementów oraz warunków aplikacji cementów napowietrzających w technologii betonu z uwagi na wymagania charakterystyki napowietrzenia betonów mrozoodpornych. W niniejszym artykule omówiono wyniki badań właściwości cementów napowietrzających otrzymanych w skali laboratoryjnej i półtechnicznej. DNI BETONU

4 Zbigniew Giergiczny, Albin Garbacik, Wojciech Drożdż, Tomasz Baran 2. Program badań Zgodnie z założeniami studium wykonalności program projektu obejmuje produkcję cementów napowietrzających dla różnych rozwiązań składu i technologii. Cementy objęte programem badań to: cement portlandzki CEM I, cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II, cement hutniczy CEM III i cement wieloskładnikowy CEM V. Wytwarzane był jako referencyjne bez domieszki napowietrzającej oraz z udziałem wytypowanych domieszek. Zakres badań uwzględniał sposób produkcji cementów napowietrzających w technologii mieszania uzyskanych wcześniej półproduktów i wspólnego przemiału wszystkich składników cementu. Rozwiązania takie uwzględniono w próbach laboratoryjnych i półtechnicznych produkcji cementów. Próby produkcji cementów napowietrzających obejmują przygotowanie cementów i kontrolę ich właściwości dla ustalonego stopnia napowietrzenia zaprawy normowej. Stopień ten zapewnia zawartość powietrza w mieszance betonowej na poziomie minimum 4%, zgodnie z wymaganiami normy PN-EN dla klas ekspozycji XF. Zakres badań i kontroli produkcji cementów obejmował: zawartość powietrza w zaprawie według normy PN-EN , wodożądność, początek i koniec czasu wiązania według normy PN-EN 196-3, konsystencję zaprawy (rozpływ na stoliku) według normy PN-EN , wytrzymałość na ściskanie według normy PN-EN 196-1, ciepło hydratacji według normy PN-EN 196-9, skład chemiczny według metodyki zawartej w normie ISO W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań uzyskane dla cementu portlandzkiego CEM I oraz cementu portlandzkiego popiołowego CEM II/B-V produkowane systemem wspólnego przemiału składników. Przeanalizowano podstawowe właściwości tych cementów, tj. stopień napowietrzenia, początek wiązania i wodożądność oraz wytrzymałość na ściskanie. 3. Wyniki badań i dyskusja Cementy odniesienia CEM I i CEM II/B-V bez domieszek zmielono odpowiednio do powierzchni właściwej 3500 cm 2 /g i 3700 cm 2 /g, zapewniającej uzyskanie klasy wytrzymałościowej 42,5R i 32,5R. Cement portlandzki popiołowy CEM II/B-V zawierał 30% popiołu lotnego krzemionkowego. Dodatek gipsu zapewniał zawartość SO 3 w cementach na poziomie 3,0±0,15% masy cementu. W programie produkcji cementów z domieszkami napowietrzającymi założono zwiększenie powierzchni właściwej o około 800 cm 2 /g w stosunku do cementów odniesienia. W cementach zastosowano dwa rodzaje proszkowych domieszek napowietrzających: złożoną mieszaninę soli kwasów organicznych (domieszka A); mieszaninę syntetycznych środków powierzchniowo czynnych (domieszka B). Ilość domieszki napowietrzającej do danego cementu, dobrano w oparciu o badania kontrolne zawartości powietrza w zaprawach normowych, zapewniających stopień napowietrzenia mieszanek betonowych na poziomie 4 6%. Wyniki badań kontrolnych napowietrzenia zapraw wykonanych z cementów CEM I i CEM II/B-V przedstawiono w tabeli 1. 4 DNI BETONU 2014

5 Nowa koncepcja kształtowania mrozoodporności betonu Tabela 1. Zawartość powietrza w zaprawach normowych Cement Zawartość powietrza w zaprawie normowej [%] CEM I bez domieszki 5,0 CEM I z domieszką A 11,5 CEM I z domieszką B 11,7 CEM II/B-V bez domieszki 6,5 CEM II/B-V z domieszką A 10,2 CEM II/B-V z domieszką B 9,4 Na rysunkach 1 8 przedstawiono wyniki oznaczeń początku czasu wiązania, wodożądności oraz wytrzymałości na ściskanie po 2 i 28 dniach dla cementów portlandzkich CEM I oraz dla cementów portlandzkich popiołowych CEM II/B-V. Rys. 1. Początek czasu wiązania cementu portlandzkiego CEM I Rys. 2. Początek czasu wiązania cementu portlandzkiego popiołowego CEM II/B-V DNI BETONU

6 Zbigniew Giergiczny, Albin Garbacik, Wojciech Drożdż, Tomasz Baran W oparciu o uzyskane wyniki badań czasu wiązania można stwierdzić, że cementy z domieszką napowietrzającą wykazują wydłużony początek czasu wiązania od 30 do 45 minut. Rodzaj zastosowanej domieszki napowietrzającej także wpływa na szybkość wiązania badanego cementu (rys. 1, 2). Analizując przedstawione wyniki należy uwzględnić fakt, że cementy z domieszkami napowietrzającymi charakteryzują się niższą wodożądnością wymaganą do osiągnięcia konsystencji normowej zaczynu cementowego (rys. 3, 4). Taki wpływ domieszek napowietrzających na kinetykę wiązania cementu nie powinien stanowić problemów w ocenie zgodności cementów przemysłowych. Rys. 3. Wodożądność cementu portlandzkiego CEM I Rys. 4. Wodożądność cementu portlandzkiego popiołowego CEM II/B-V Histogramy przedstawione na rysunkach 5 8 pokazują wpływ domieszki napowietrzającej na wytrzymałość wczesną i normową badanych cementów. Oddziaływanie domieszki jest zdecydowanie różne dla obydwu badanych cementów. Zastosowanie domieszki napowietrzającej w cemencie prowadzi do obniżenia wytrzymałości zaprawy normowej (czego należało oczekiwać). Dla cementu portlandzkiego CEM I wzrost zawartości powietrza w zaprawie z 5% do około 12% spowodował spadek 2-dniowej 6 DNI BETONU 2014

7 Nowa koncepcja kształtowania mrozoodporności betonu wytrzymałości cementów o około 20% w porównaniu do cementu bez domieszki napowietrzającej (rys. 5). Dla cementu portlandzkiego popiołowego CEM II/B-V, zawierającego 30% popiołu lotnego krzemionkowego, spadek ten był większy i wyniósł 40 50% (rys. 6). W przypadku wytrzymałości 28-dniowej spadek wytrzymałości cementów napowietrzających CEM I i CEM II/B-V był podobny i wynosił około 25% w odniesieniu do cementów wzorcowych. Należy podkreślić brak istotnego wpływu rodzaju zastosowanej domieszki napowietrzającej na poziom obniżenia wytrzymałości badanych cementów. Rys. 5. Wytrzymałość na ściskanie po 2 dniach twardnienia cementu portlandzkiego CEM I Rys. 6. Wytrzymałość na ściskanie po 2 dniach twardnienia cementu portlandzkiego popiołowego CEM II/B-V DNI BETONU

8 Zbigniew Giergiczny, Albin Garbacik, Wojciech Drożdż, Tomasz Baran Rys. 7. Wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach twardnienia cementu portlandzkiego CEM I Rys. 8. Wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach twardnienia cementu portlandzkiego popiołowego CEM II/B-V Uwzględniając zasady klasyfikacji cementów powszechnego użytku, ujęte w normie cementowej PN-EN 197-1:2012, uzyskane wyniki wytrzymałości cementów z domieszką napowietrzającą, tak z uwagi na wytrzymałość wczesną, jak i po 28 dniach twardnienia klasyfikują cementy napowietrzające o klasę wytrzymałości niższą w stosunku do cementów odniesienia. Z uwagi na wytrzymałość na ściskanie, normową po 28 dniach twardnienia, cement portlandzki CEM I spełniający wymagania klasy 52,5R, z domieszką napowietrzającą uzyskuje klasę 42,5N. Zależność ta dotyczy również cementu CEM II/B-V. Cement bez domieszki spełnia wymagania klasy 32,5R. Dodatek domieszki napowietrzającej w ilości gwarantującej wymagany stopień napowietrzenia zaprawy normowej prowadzi do obniżenia wytrzymałości po 28 dniach twardnienia i spełnia wymagania klasy 22,5. 8 DNI BETONU 2014

9 Nowa koncepcja kształtowania mrozoodporności betonu 4. Podsumowanie Przeprowadzone próby i badania wykazały możliwość produkcji innowacyjnych cementów napowietrzających. W oparciu o wyniki badań wybranych właściwości normowych cementów napowietrzających można stwierdzić, że spełniają one wymagania stawiane cementom powszechnego użytku, wykazując specjalne właściwości napowietrzania mieszanki betonowej. Wprowadzenie domieszki napowietrzającej do składu cementu skutkuje obniżeniem wytrzymałości na ściskanie zaprawy normowej, co w praktyce, przy zachowaniu obowiązujących dla cementów powszechnego użytku procedur badania, może oznaczać zmianę klas wytrzymałości cementów napowietrzających. Fakt ten musi być brany pod uwagę w procesie produkcji i ocenie właściwości użytkowych cementów napowietrzających. Program badawczy realizowany w ramach Projektu NCBiR nr PBS1/A2/4/2012 pt. Innowacyjne cementy napowietrzające beton. Literatura [1] Neville A.: Właściwości betonu. V edycja. Wydawnictwo Polski Cement, Kraków, 2012, 931 [2] Rusin Z.: Technologia betonów mrozoodpornych. Wydawnictwo Polski Cement, Kraków, 2002, 182 [3] Glinicki M.A.: Trwałość betonu w nawierzchniach drogowych. Wpływ mikrostruktury, projektowanie materiało we, diagnostyka. Wydawnictwo Instytutu Badawczego Dróg i Mostów, Warszawa, 2011, 286 [4] Kjellsen K., Atlassi E.: Pore structure of cement silica fume system Presence of hollow-shell pores. Cement and Concrete Research, Vol. 29, 1999, pp [5] Chłądzyński S., Garbacik A.: Cementy wieloskładnikowe w budownictwie. Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków, 2008, 125 [6] Jasiczak J., Mikołajczyk P.: Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami. Przegląd tendencji krajowych i zagranicznych. Politechnika Poznańska, Poznań, 1997 [7] Persson B.: Internal frost resistance and salt frost scaling of self-compacting concrete. Cement and Concrete Research, Vol. 33, 2003, pp [8] Wawrzeńczyk J.: Diagnostyka mrozoodporności betonu cementowego. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach, Kielce, 2002 [9] Giergiczny Z.: Popiół lotny w składzie cementu i betonu. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2013, 189 [10] Guide to durable concrete. Reported by ACI Committee 201, ACI Journal, Vol. 74, No. 12, 1979, pp [11] ASTM C Standard Specification for Portland Cement [12] ASTM C Standard Specification for Blended Hydraulic Cements DNI BETONU