Beton cementowy o podwyższonej trwałości na oddziaływanie obniżonych temperatur

Transkrypt

1 Małgorzata Linek 1 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach Beton cementowy o podwyższonej trwałości na oddziaływanie obniżonych temperatur Wprowadzenie Pojęcie logistyki ogólnie utożsamiane jest z procesem planowania i realizowania uzasadnionego ekonomicznie przepływu zróżnicowanych produktów, materiałów, czy gotowych już wyrobów w terenie pomiędzy punktem początkowym a końcowym. W kontekście działań logistycznych, związanych z przemieszczaniem ładunków w przestrzeni nieodzownym elementem składowym staje się więc transport. Z uwagi na możliwość dowożenia ładunków bezpośrednio na miejsce przeznaczenia oraz dobrze rozwiniętą sieć drogową na terenie Polski często wykorzystywane są kołowe środki transportu. Efektywność transportu kołowego w dużej mierze uzależniona jest od stanu technicznego nawierzchni. W kontekście nawierzchni wykonanych z betonu cementowego czynnikami wpływającymi na trwałość konstrukcji [8, 11] jest dobór odpowiednich komponentów mieszanki betonowej. Czynnikiem determinującym jest również prawidłowe wykonanie mieszanki betonowej, jej pielęgnacja i prowadzone zabiegi utrzymaniowe. Wyznacznikiem trwałości jest czas, po upływie którego beton w konstrukcji osiąga stan graniczny [7]. Wysoka trwałość utożsamiana z odpornością w czasie [7] nawierzchni na oddziaływanie czynników atmosferycznych i ruchowych [8, 11], ponadto czynników fizycznych, fizyczno-chemicznych i chemicznych [7], możliwość aplikacji surowców regionalnych w procesie wytwarzania mieszanki betonowej, jak również możliwość ponownego wykorzystania materiałów w procesie recyklingu to tylko niektóre z niewątpliwych zalet nawierzchni betonowych podawane m. in. przez autorów [8, 11], które przyczyniają się do stałego zwiększania udziału nawierzchni betonowych w sieci drogowej. Ciągły rozwój technologii budowy konstrukcji nawierzchni drogowych z betonu cementowego, dostępność specjalistycznego sprzętu, a przede wszystkim niskie koszty ponoszone w czasie wydłużonej eksploatacji przyczyniają się do podejmowania decyzji o budowie nawierzchni w technologii betonu cementowego. Przegląd literatury Odporność betonu cementowego na oddziaływanie obniżonych temperatur Beton cementowy przeznaczony do budowy konstrukcji nawierzchni drogowych powinien być zgodny z obowiązującymi normami, m. in. [14, 19]. Jednym z podstawowych wymagań jest projektowanie betonu na trwałość. W kontekście nawierzchni z betonu cementowego trwałość utożsamiana jest ze zdolnością konstrukcji do przenoszenia obciążeń w założonym okresie eksploatacji. Jednym z czynników decydującym o trwałości betonu jest jego odporność na oddziaływanie zamrażania i rozmrażania. W kontekście nawierzchni komunikacyjnych uwzględnić należy dodatkowo agresywne oddziaływanie środków odladzających służących do zwalczania śliskości nawierzchni w okresie zimowym, które w zróżnicowanym stopniu mogą wpływać na obniżenie trwałości betonu. Klasyfikacja normowa wyróżnia cztery przypadki zróżnicowane stopniem oddziaływania warunków otoczenia (próbki umiarkowanie nasycone wodą bez środków odladzających, umiarkowanie nasycone wodą ze środkami odladzającymi, silnie nasycone wodą bez środków odladzających, silnie nasycone wodą ze środkami odladzającymi lub wodą morską). Oczywistym jest, że mrozoodporność betonu cementowego uzależniona jest od składu mieszanki betonowej i kształtującej się w konsekwencji struktury wewnętrznej stwardniałego betonu [1, 3], a szczególnie napowietrzenia [6]. 1 Linek Małgorzata, Kielce University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Department of Transportation Engineering, Kielce, POLAND, linekm@tu.kielce.pl 9404

2 Najistotniejszym czynnikiem wpływającym na mrozoodporność betonu są charakterystyki porów powietrznych (wymiary, ilość i rozmieszczenie). Pory o niewielkich rozmiarach i zlokalizowane w mniejszych odległościach gwarantują powstawanie niższego ciśnienia podczas zamarzania wody [1]. Prawidłowo rozmieszczoną strukturę sieci porów powietrznych, wg [2, 3, 9] tworzą dostatecznie blisko siebie równomiernie rozmieszczone, drobne pęcherzyki powietrza. Zgodnie z wytycznymi [13] zawartość porów o średnicach mniejszych od 0,3mm powinna być wyższa od 1,5%, a wskaźnik rozmieszczenia porów powinien być nie większy niż 0,25mm dla betonów w klasie ekspozycji XF3 i nie większy niż 0,20mm dla betonów w klasie ekspozycji XF4. Istotnym czynnikiem jest również sposób i intensywność działania czynników zewnętrznych [1], a szczególnie prędkość zachodzących zmian temperatury [6], wypełnienie porów wodą czy wysychanie porów [1]. Stosowanie domieszek napowietrzających jest koniecznym warunkiem otrzymania betonu odpornego na zamrażanie [9] i łuszczenie, spowodowane działaniem soli odladzających [1, 5]. Niska wartość współczynnika w/c [7] i związana z tym mała objętość porów kapilarnych wpływa na obniżenie penetracji soli [1]. Wg [6] przy niskim stosunku w/c nie tworzy się porowata strefa przejściowa wokół kruszywa, a dodatkowo obniża się zawartość wody w porach kapilarnych, która jest szczególnie niebezpieczna dla betonów zamarzających w obniżonych temperaturach. Również właściwości reologiczne zaczynu (np. wg modelu Binghama lepkość plastyczna i granica płynięcia[5]) wpływają na parametry stwardniałego betonu. Wpływ właściwości reologicznych wzrasta z udziałem zaczynu w mieszance cementowej. Ocena odporności betonu na oddziaływanie obniżonych temperatur w kontekście betonów nawierzchniowych utożsamiana jest z jego mrozoodpornością. Jednakże beton w początkowym okresie dojrzewania na destrukcję mrozową może być narażony w różnych etapach, np. jeszcze przed rozpoczęciem procesu wiązania, już po rozpoczęciu wiązania, ale przed jego zakończeniem albo po uzyskaniu przez beton wytrzymałości minimalnej [12]. Zamarzanie kompozytu cementowego, w jednym z w/w okresów, zawsze wpływa niekorzystnie na strukturę i porowatość stwardniałego betonu. Zamarzająca woda, potrzebna do prawidłowego i pełnego przebiegu procesu wiązania, ogranicza, a nawet uniemożliwia przebieg reakcji chemicznych [3, 12]. Zamarzając tworzy ona kryształy i zwiększa swoją objętość, co przyczynia się do powstawania spękań i rys obniżających parametry mechaniczne stwardniałego betonu[2, 3]. Istotne znaczenie w kontekście odporności betonu na oddziaływanie obniżonych temperatur ma również tekstura kruszywa i jego porowatość kapilarna (wymiary porów, rozmieszczenie pustek powietrznych wewnątrz ziaren kruszywa oraz pory znajdujące się w warstwie kontaktowej pomiędzy kruszywem a zaczynem cementowym). Materiały badawcze W składzie nawierzchniowych betonów cementowych zgodnie z [14, 19] wyróżnić można cement, kruszywa (udział w mieszance ok % ), domieszki i dodatki. Analizie na potrzeby niniejszego opracowania poddano betony cementowe przeznaczone na nawierzchnie drogowe. Krzywe uziarnienia zaprojektowanych mieszanek betonowych, wpisujące się w zalecany zakres uziarnienia wyznaczony przez katalogowe krzywe graniczne [2], przedstawiono w formie graficznej na rysunku 1. Składy materiałowe analizowanych mieszanek betonowych (tabela 1) obejmowały każdorazowo cement portlandzki czystoklinkierowy - CEM I 42,5 oraz zróżnicowane materiały kamienne. W składzie mieszanki BC-1, BC-2 i BC-3 jako kruszywo grube zastosowano grys granitowy, natomiast w składzie mieszanki BC- 4 uwzględniono alternatywnie grys kwarcytowy. Mieszanki zróżnicowano ponadto rodzajem kruszywa drobnego, w postaci piasku płukanego I (mieszanki: BC-1 i BC-2) oraz piasku II (mieszanki: BC-3 i BC- 4). Zróżnicowane właściwości fizyczne i mechaniczne zastosowanych kruszyw sugerowały ich wpływ na parametry stwardniałego betonu w ocenie odporności na oddziaływanie obniżonych temperatur. Wszystkie analizowane mieszanki betonowe poddano zgodnie z wymaganiami obowiązujących norm [16, 17, 18] ocenie podstawowych parametrów, tj. gęstość, oznaczenie konsystencji oraz zawartości powietrza (tabela 2). 9405

3 przesiew [%] Krzyw a normow a dolna BC-1 BC-2 BC-3 BC-4 Krzyw a normow a górna 0,25 0, ,5 wymiar oczka sita [mm] Rys. 1. Krzywe uziarnienia zaprojektowanych mieszanek betonowych BC-1, BC-2, BC-3 i BC-4 - uziarnienie kruszywa 0-31,5mm Tabela 1. Składy ziarnowe mieszanek betonowych BC-1, BC-2, BC-3 i BC-4 Materiał składowy Skład ziarnowy [kg/m 3 ] BC-1 BC-2 BC-3 BC-4 CEM I 42,5 [kg] 370 Kruszywo grube [kg] Kruszywo drobne [kg] Woda [kg] 140 Domieszka napowietrzająca [kg] 1,74 Plastyfikator [kg] 0,63 Dodatek [kg] Tabela 2. Parametry mieszanek betonowych BC-1, BC-2, BC-3 i BC-4 Parametry mieszanki BC-1 BC-2 BC-3 BC-4 Gęstość [kg/m 3 ], wg PN-EN : Klasa konsystencji, wg PN-EN :2001 V2 V2 V2 V2 Zawartość powietrza [%], wg PN-EN :2001 4,6 4,9 4,5 4,7 Stosunek w/c 0,378 W składzie mieszanki BC-2 część kruszywa drobnego (10,5%) zastąpiono dodatkiem ceramicznym, którego skład i obraz mikrostruktury przedstawiono na rysunku 2. Wśród szczególnych parametrów zaproponowanego dodatku należy wyróżnić jego wysoką wytrzymałość i odporność na oddziaływanie zmiennych warunków temperatury. Spodziewano się więc, iż dodatek może wpłynąć na zwiększenie odporności betonu na działanie obniżonych temperatur. 9406

4 Rys. 2. Skład chemiczny, makrostruktura i mikrostruktura dodatku do betonu BC-2 Zastosowane metody badawcze Ocenę odporności betonu cementowego w kontekście działania obniżonych temperatur, przeznaczonego na nawierzchnie, wykonano ze zróżnicowaniem na dwie grupy klasyfikacyjne. Zakres i metody badawcze w poszczególnych grupach rozróżniono pod kątem długości i sposobu oddziaływania obniżonych temperatur. Betony pierwszej grupy (BC-1, BC-2, BC-3 i BC-4) dojrzewały przez okres 14, 21, 28 i 365 dni w zróżnicowanych temperaturach z zakresu od +20 C (warunki normowe) do -20 C, z krokiem co 10 C. W ramach oceny betonów odnoszono wartości maksymalnych sił niszczących [15], uzyskane w badaniach mechanicznych, dla betonów przechowywanych w poszczególnych temperaturach (+10 C, 0 C, -10 C, 20 C) do wartości uzyskanych dla betonu przechowywanego w warunkach normowych (+20 C). Betony drugiej grupy (BC-1, BC-2, BC-3 i BC-4) dojrzewały przez okres 28 dni w warunkach normowych wg [20] (temperatura 20 C i wilgotność >95%), a następnie zostały przeznaczone do oceny mrozoodporności wewnętrznej i zewnętrznej odpowiednio wg [19] i [21]. Wyniki badań Na etapie badań laboratoryjnych ocenie poddano cechę wytrzymałość na ściskanie betonów BC-1, BC2, BC-3 i BC-4 zgrupowanych w serii pierwszej (rysunek 3). Przyrost badanej cechy był zróżnicowany oraz ściśle zależny od składu okruchowego mieszanek betonowych i okresu pielęgnacji. Najwyższą wartość wytrzymałości na ściskanie wśród betonów dojrzewających przez okres 14 dni charakteryzował się beton BC-2 wykonany na bazie kruszywa granitowego, piasku płukanego 1 oraz zaproponowanego dodatku. Najniższą średnią wartość wytrzymałości uzyskał beton BC-3 wykonany na bazie kruszywa granitowego i piasku 2. Podobne tendencje stwierdzono również dla betonów pielęgnowanych przez 21 i 28 dni. Najwyższą wartość analizowanej cechy stwierdzono dla betonu BC-2 po 28 dniach pielęgnacji (80,3MPa). Rys. 3. Zależność cechy wytrzymałość na ściskanie betonów BC1 - BC4 od długości okresu pielęgnacji. 9407

5 Ocenę wpływu temperatury z okresu dojrzewania na odporność betonów na działanie obniżonych temperatur przedstawiono na rysunku 4. Stwierdzono istotny wpływ temperatury na parametry mechaniczne stwardniałego betonu. We wszystkich analizowanych przypadkach najwyższe wartości wytrzymałości uzyskał beton BC-2. W przypadku obniżenia temperatury dojrzewania o 20 C względem warunków normowych, do temperatury 0 C, spadek wytrzymałości dla betonu BC-2 był najniższy, rzędu 14%. W przypadku pozostałych betonów zanotowano obniżenie wytrzymałości odpowiednio o 24% i 27% dla betonu BC-3, BC-1 i BC-4. Analiza badanej cechy w przypadku betonów dojrzewających w temperaturze -20 C wykazała spadek wytrzymałości o 29% dla betonu BC-2, blisko 47% dla betonu BC-1, 48% dla BC-3 i o % dla BC-4. Wytrzymłość na ściskanie, [MPa] BC-1 BC-2 BC-3 BC-4 temperatura dojrzewania, [ C] Rys. 4. Zależność cechy wytrzymałość na ściskanie od temperatury w czasie pielęgnacji. Ocenę wpływu wydłużonej pielęgnacji (365 dni) w obniżonej temperaturze na parametry betonów przedstawiono na rysunku 5. Wydłużona pielęgnacja w temperaturze -20 C wpływa niekorzystnie na parametry stwardniałego betonu. Stwierdzono spadek wytrzymałości dla betonu BC-1 średnio o 6,1MPa, co stanowi ok 17% względem wytrzymałości betonu dojrzewającego przez 28 dni. Dla betonu BC-2 zanotowano spadek w kontekście betonu dojrzewającego przez 28 dni na poziomie niecałych 6%, do średniej wartości 53,1MPa. Wytrzymałość na ściskanie, [MPa] czas pielęgnacji, [dni] BC-1 BC-2 Rys. 5. Zależność cechy wytrzymałość na ściskanie betonów BC1, BC2 przechowywanych w temperaturze -20 C od czasu pielęgnacji. Betony serii drugiej przeznaczono do oceny mrozoodporności metodą bezpośrednią wg [21] po 28 dniach dojrzewania w warunkach normowych. Wszystkie z analizowanych betonów spełniły wymagania mrozoodporności wg [13] dla betonów przeznaczonych na nawierzchnie drogowe. Stwierdzono najwyższy spadek wytrzymałości (11,9%) po 150 cyklach mrozoodporności dla betonu BC-1. Najniższy spadek zanotowano dla betonu BC-2, wyniósł on 7,1%. Na podstawie uzyskanych wyników badań stwierdzono, 9408

6 że korzystniejszymi parametrami cechował się beton BC-2 wykonany z zaprojektowanym dodatkiem. Dodatek ten przyczynił się do wyraźnego zwiększenia odporności betonu na oddziaływanie obniżonych temperatur, co w kontekście zastosowania do nawierzchni betonowych jest niezwykle istotne, gdyż może wydłużyć okres bezpiecznej eksploatacji nawierzchni Spadek wytrzymałości [%] Ubytek masy [%] BC-1 BC-2 BC-3 BC-4 Rys. 6. Ocena mrozoodporności betonów BC-1 - BC-4 w badaniu bezpośrednim po 150 cyklach Podsumowanie Przedstawione w opracowaniu wyniki badań dla zróżnicowanych betonów wykazały wpływ analizowanych parametrów na cechy mechaniczne stwardniałego betonu. Najkorzystniejsze charakterystyki uzyskano dla próbek betonu BC-2. W składzie tegoż betonu wykorzystano zaproponowany dodatek, który przyczynił się do zwiększenia odporności betonu na działanie obniżonych temperatur, co przejawia się w zdecydowanie wyższych wartościach parametrów wytrzymałościowych. Na podstawie analizy uzyskanych wyników z badań laboratoryjnych stwierdzono, że najlepszymi parametrami charakteryzuje się beton BC-2. Beton BC-2 charakteryzuje najwyższa wytrzymałość na ściskanie w założonym, normowym okresie pielęgnacji. Przyrost badanej cechy wynosi względem betonu BC-4-23%, BC-1-24% i BC-3-34%. Wyższą odporność betonu BC-2 na oddziaływanie obniżonych temperatur potwierdziły wyniki uzyskane dla betonów poddanych 150 cyklom mrozoodporności oraz przechowywanych w temperaturach do -20 C. Średnia wytrzymałość betonu BC-2 poddanego cyklom mrozoodporności wynosi 74MPa i jest wyższa o 27% dla betonu BC-4, o 32% dla betonu BC-1 i aż o 40% dla betonu BC-3. Pielęgnacja betonu BC-2 w warunkach najniższych temperatur (-20 C) wpłynęła na obniżenie jego wytrzymałości względem próbek przechowywanych w warunkach normowych o 40%, jednakże uzyskana średnia wytrzymałość tego betonu względem pozostałych przechowywanych w temperaturze -20 C jest wyższa o 68% w stosunku do betonu BC-1, o 84% do betonu BC-3 i o 91% względem betonu BC-4. Zastosowanie w stosie okruchowym zaproponowanego dodatku przyczynia się do zwiększenia odporności stwardniałego betonu narażonego na oddziaływanie obniżonych temperatur. Z uwagi na klimat panujący na terenie Polski oraz korzystne wyniki badań mechanicznych wydaje się być celowym, aby zaproponowany dodatek uwzględniać w stosie okruchowym mieszanek betonowych przeznaczonych na nawierzchnie komunikacyjne. Obserwacje przeprowadzone w Skaningowym Mikroskopie Elektronowym dodatkowo potwierdzają korzystny wpływ dodatku na strukturę wewnętrzną matrycy cementowej, a szczególnie budowę strefy kontaktowej pomiędzy ziarnami a matrycą cementową (mniejsza ilość mikrospękań, korzystniejsza charakterystyka porowatości), która ma znaczenie nadrzędne w kształtowaniu parametrów mechanicznych stwardniałego betonu. Zaproponowany dodatek uwzględniony w stosie okruchowym betonu przeznaczonego na nawierzchnie drogowe może przyczynić się do zwiększenia trwałości konstrukcji zapewniając jej wydłużony okres eksploatacji. 9409

7 Streszczenie W pracy omówiono czynniki wpływające na kształtowanie odporności betonu cementowego na oddziaływanie obniżonych temperatur. Przedstawiono wyniki badań uzyskane dla czterech serii betonów cementowych, zróżnicowanych składem materiałowym, pod kątem oceny ich odporności na oddziaływanie obniżonych temperatur. Zaproponowano dodatek w składzie mieszanki betonowej, mający korzystny wpływ na właściwości stwardniałego betonu. Słowa kluczowe: beton cementowy, beton nawierzchniowy CEMENT CONCRETE WITH INCREASED DURABILITY TO THE EFFECTS OF LOW TEM- PERATURES Abstract The paper discusses the factors that have influence on the forming of cement concrete resistance to the effects of low temperatures. The results of studies obtained for the four series of concrete cement, varying the composition of the material, in order to evaluate their resistance to the effects of low temperatures. It proposed to add in the composition of the concrete mixture having a beneficial effect on the properties of the hardened concrete. Keywords: cement concrete, surface concrete Literatura [1] Brandt A. M., Jóźwiak-Niedźwiedzka D.: Uszkodzenia powierzchni betonu spowodowane cyklicznym zamrażaniem i odmrażaniem. [2] Glinicki M. A.: Trwałość betonu w nawierzchniach drogowych, studia i materiały zeszyt 66, Warszawa, 2011 [3] Glinicki M. A.: Właściwe i patologiczne napowietrzanie betonu, Budownictwo-Technologie-Architektura, 2/2004, s [4] Komentarz do normy PN-EN 206-1, PKN i Polski Cement, Kraków, [5] Kurdowski W.: Chemia cementu i betonu, PWN, Warszawa, [6] Kurdowski W., Szeląg H., Bochenek A.: Czynniki wpływające na odporność betonu na działanie mrozu, XXVI Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane, [7] Mikoś J.: Kształtowanie trwałości betonu, Sympozjum Naukowo-Techniczne Reologia w technologii betonu, Gliwice, [8] Nita P.: udowa i utrzymanie nawierzchni lotniskowych, WKŁ, Warszawa, [9] Rusin Z.: Technologia betonów mrozoodpornych, Polski Cement, Kraków, [10] Szaj P.: Wpływ wybranych dodatków mineralnych na właściwości reologiczne zaczynów cementowych, Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej, studia i materiały nr 41, 134/2012, s

8 [11] Szydło A.: Nawierzchnie drogowe z betonu cementowego-teoria, wymiarowanie i realizacja, Polski Cement, Kraków, [12] Woyciechowski P., Chudan A.: Metody i środki pielęgnacji betonu w formach i "in situ", XVII Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Ustroń, [13] Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Sztywnych, [14] PN-EN 206-1: 2003 Beton - Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność. [15] PN-EN :2002 Badania betonu. Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badania. [16] PN-EN :2001 Badania mieszanki betonowej. Część 3: Badanie konsystencji metodą Vebe. [17] PN-EN :2001 Badania mieszanki betonowej. Część 6: Gęstość. [18] PN-EN :2001 Badania mieszanki betonowej. Część 7: Badanie zawartości powietrza. Metody ciśnieniowe. [19] PN-B-06265:2004 Krajowe uzupełnienia PN-EN 206-1:2003 Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność. [20] PN-EN : 2001 Badania betonu. Część 2: Wykonywanie i pielęgnacja próbek do badań wytrzymałościowych. [21] PN-EN :2007 Nawierzchnie betonowe, część 2: Wymagania funkcjonalne dla nawierzchni betonowych 9411