REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Transkrypt

1 X SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE Cement właściwości i zastosowanie GÓRAŻDŻE CEMENT S.A. Katedra Procesów Budowlanych Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej w Gliwicach GÓRAŻDŻE CEMENT HEIDELBERGCEMENT Group REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 2008

2 KOMITET PROGRAMOWY Przewodniczący: prof. dr hab. inż. JANUSZ SZWABOWSKI Politechnika Śląska inż. ANDRZEJ BALCEREK Prezes Zarządu, Dyrektor Generalny Górażdże CEMENT S.A. Członkowie: mgr inż. CZESŁAW NIERZWICKI Dyrektor Handlowy Górażdże CEMENT S.A. dr inż. JACEK GOŁASZEWSKI Politechnika Śląska dr inż. Maciej Urban Politechnika Krakowska dr hab. inż. ZBIGNIEW GIERGICZNY Górażdże CEMENT S.A. Sekretariat sympozjum: lic. EWA GRZYBOWSKA Katedra Procesów Budowlanych Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej ul. Akademicka 5, Gliwice tel. (0-32) fax (0-32)

3 SPIS TREŚCI REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU I sesja Przewodniczący sesji - prof. dr hab. inż. Janusz Szwabowski Politechnika Śląska 1. Właściwości stwardniałego betonu z dodatkiem popiołów lotnych z palenisk fluidalnych - str. 5 - dr hab. inż. Zbigniew Giergiczny, mgr inż. Tomasz Pużak, Górażdże Cement S.A. 2. TioCem cement z przyszłością - str mgr inż. Damian Dziuk, mgr inż. Marcin Sokołowski, Górażdże Cement S.A. 3. Wpływ zabiegów technologicznych na tempo narastania wytrzymałości na ściskanie betonu - str.25 - mgr inż. Artur Golda, mgr inż. Sebastian Kaszuba, Betotech Sp. z o.o. Dąbrowa Górnicza 4. Właściwości reologiczne kompozytów cementowych z dodatkiem polimerowego superabsorbera ograniczającym efekty samoosuszania - str mgr inż. Magdalena Piechówka, Politechnika Wrocławska 5. Kamień wapienny składnikiem cementu - str dr hab.inż. Zbigniew Giergiczny, mgr inż. Marcin Sokołowski, Górażdże Cement S.A. II sesja Przewodniczący sesji - dr hab.inż. Zbigniew Giergiczny Górażdże Cement S.A. 1. Lekkie betony samozagęszczalne ocena wpływu kompozycji kruszywa na właściwości - str dr inż. Maria Kaszyńska, Politechnika Szczecińska 2. Objętość zaprawy w mieszance betonowej a efekty działania superplastyfikatora - str dr hab. inż. Jacek Gołaszewski, Politechnika Śląska 3. Sposoby uzyskiwania krzywej płynięcia mieszanki betonowej z wyników badań reologicznych uzyskiwanych w reometrze - str dr inż. Maciej Urban, Politechnika Krakowska 3

4 4. Wpływ technologii wykonywania na właściwości konstrukcyjnych betonów lekkich - str dr inż. Lucyna Domagała, Politechnika Krakowska 5. Wpływ napowietrzenia na właściwości reologiczne samozagęszczalnej mieszanki betonowej - str mgr inż. Beata Łaźniewska-Piekarczyk, Politechnika Śląska 6. Wpływ sposobu wypełniania formy na dystrybucję włókien w fibrobetonie - str dr inż. Tomasz Ponikiewski, Politechnika Śląska 4

5 X SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 2008 Zbigniew Giergiczny 1 Tomasz Pużak 2 WŁAŚCIWOŚCI STWARDNIAŁEGO BETONU Z DODATKIEM POPIOŁÓW LOTNYCH Z PALENISK FLUIDALNYCH 1. Wprowadzenie Popioły lotne są podstawowym ubocznym produktem spalania pyłu z węgla kamiennego lub brunatnego w elektrowniach i elektrociepłowniach. Stanowią one cenny i pożądany na rynku surowiec dla przemysłu materiałów budowlanych, zwłaszcza dla producentów cementu i betonu. Ma to swoje odzwierciedlenie w obowiązujących normach, które precyzyjnie określają wymagania dla popiołu stosowanego jako dodatek do cementu lub betonu [1,2]. W ostatnich latach, oprócz typowych popiołów lotnych krzemionkowych powstałych w klasycznych paleniskach, powstają nowe rodzaje popiołów, które są mieszaniną produktów równoczesnego spalania węgla i procesu odsiarczania gazów (popioły połączone z produktami suchych metod odsiarczania spalin i popioły z palenisk fluidalnych). Są to materiały, które nie spełniają obowiązujących norm, ale jednocześnie są coraz częściej stosowane w budownictwie w oparciu o krajowe aprobaty techniczne [3,4]. Prezentowane w niniejszej pracy wyniki badań są kontynuacją programu badawczego, które część poświęcona wpływowi popiołów fluidalnych na właściwości mieszanki betonowej przedstawiono podczas IX Sympozjum Reologia w technologii betonu [5]. Prezentowany artykuł przedstawia wpływ dodatku popiołów fluidalnych, uzyskanego ze spalenia węgla brunatnego i kamiennego, na właściwości stwardniałego betonu. Jako matrycę porównawczą stosowano beton z dodatkiem normowego popiołu lotnego krzemionkowego (spełniający wymagania normy PN-EN [2]). 1 dr hab. inż., prof. nadzw. Politechniki Opolskiej; Górażdże Cement S.A.; zbigniew.giergiczny@gorazdze.pl 2 mgr inż., Górażdże Cement S.A.; tomasz.puzak@gorazdze.pl 5

6 2. Charakterystyka materiałów stosowanych w badaniach W tablicach 1 i 2 przedstawiono właściwości zastosowanych w badaniach popiołów lotnych. Tablica 1. Skład chemiczny popiołów lotnych Rodzaj popiołu SiO 2 Al 2 O 3 Zawartość, % mas. Fe 2 O 3 CaO MgO Na 2 O K 2 O Krzemionkowy 51,50 27,83 7,50 3,68 2,51 1,07 2,97 Fluidalny z węgla 37,97 29,82 4,63 14,16 1,83 Nie badano brunatnego Fluidalny z węgla kamiennego 46,83 24,53 8,65 5,85 2,17 1,42 2,40 Tablica 2. Właściwości popiołów lotnych wg PN-EN 450-1:2006 Rodzaj popiołu Aktywność Strata SO prażenia 3 CaO wolne Cl - pucolanowa [%] Miałkość Gęstość [%] [%] [%] Po 28 Po 90 [%] [g/cm 3 ] [%] dniach dniach Krzemionkowy 2,24 0,67 0,07 0,007 78,4 93,2 34,0 2,13 Fluidalny z węgla 2,26 3,94 1,59 0,025 92,3 95,0 34,0 2,66 brunatnego Fluidalny z węgla kamiennego 3,84 3,58 0,25 0,128 88,2 88,9 21,2 2,65 Popioły fluidalne różnią się zasadniczo od popiołów krzemionkowych powstających podczas spalania węgla w kotłach konwencjonalnych, które głównie składają się z kulistych, szklistych ziaren (rys.1a). Kształt ziaren popiołów fluidalnych zastosowanych w badaniach przedstawiono na rys. 1 b i c. Widoczne są nieregularne ziarna z rozwiniętą powierzchnią po dehydroksylacji minerałów ilastych. W popiołach fluidalnych, ze względu na niską temperaturę spalania, brak jest fazy szklistej [6]. a) b) c) Rys.1. Popiół lotny zastosowany do badań a) popiół lotny krzemionkowy (V); b) popiół fluidalny z węgla brunatnego (B) c) popiół fluidalny z węgla kamiennego (H) 6

7 Do przygotowania mieszanek betonowych użyto cementu portlandzkiego CEM I 42,5R o właściwościach przedstawionych w tablicy 3 i 4 oraz piasku (0 2mm) i kruszyw żwirowych frakcji 2 8 mm i 8 16 mm. Tablica 3. Właściwości fizyczne i mechaniczne cementu CEM I 42,5R Właściwość Zmiany objętości, Le Chatelier Wymagania wg PN-EN mm Wynik badań laboratorium zakładowego 0,2 mm Początek czasu wiązania 60 min 170 min Wytrzymałość na ściskanie po 2 dniach Wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach Właściwość 20 MPa 42,5 MPa 62,5 MPa Tablica 4. Skład chemiczny cementu CEM I 42,5R Wymagania wg PN- EN ,2 MPa 50,5 MPa Wynik badań laboratorium zakładowego Strata prażenia 5,0 % 3,45 % Pozostałość nierozpuszczalna 5,0 % 0,73 % Zawartość siarczanów (SO 3 ) 4,0 % 2,7 % Zawartość chlorków (Cl - ) 0,10 % 0,048 % 3. Skład mieszanek betonowych Skład badanych mieszanek betonowych pokazano w tablicy 5. Popiół lotny dodawano w ilości 20% i 33% w stosunku do masy cementu. W prowadzonych pracach badawczych popioły oznaczono jako: V popiół lotny krzemionkowy, B popiół fluidalny z węgla brunatnego, H popiół fluidalny z węgla kamiennego. Cement oznaczono symbolem C I. Ilość spoiwa w poszczególnych mieszankach obliczano zgodnie z zasadami określonymi w normie PN-EN [10] z uwzględnieniem wartości k równej 0,2 oraz 0,4 (s = c+k p [kg]; gdzie s- ilość spoiwa w kg, c ilość cementu w kg, p ilość popiołu w kg). Stosunek wodno-spoiwowy (w/s) dla wszystkich mieszanek wynosił 0,5. Ilość superplastyfikatora dobierano tak, aby uzyskać opad stożka na poziomie cm (beton pompowalny). W przypadku nie uzyskania zakładanej konsystencji zwiększano ilość superplastyfikatora do maksymalnej dawki zalecanej przez producenta (2% masy cementu), a następnie, jeśli działanie to nie przynosiło zakładanego efektu, zwiększano ilości wody zarobowej aż do uzyskania zakładanej konsystencji. 7

8 Tablica 5. Skład mieszanek betonowych Symbol Wartość Zawartość składnika, [kg/m 3 ] mieszanki k Cement Popiół Piasek Żwir 2-8 Żwir 8-16 SP Woda C I ,6 160 I/20-1 (V,B,H) 0, ,7 160 I/20-2 (V,B,H) 0, ,6 160 I/33-1 (V,B,H) 0, ,6 160 I/33-2 (V,B,H) 0, ,6 160 SP - superplastyfikator; I- CEM I 42,5R; 20; 33 procentowy udział popiołu lotnego w składzie mieszanki, V- popiół lotny krzemionkowy, B popiół fluidalny z węgla brunatnego, H popiół fluidalny z węgla kamiennego Właściwości mieszanki betonowej, zawierającej dodatek popiołu lotnego krzemionkowego oraz popiołu fluidalnego, zostały przedstawione w na IX Sympozjum Reologia w technologii betonu [5]. 4. Wpływ dodatku popiołów na właściwości stwardniałego betonu Zakres badań stwardniałego betonu obejmował oznaczenie: wytrzymałości na ściskanie po 2, 7, 28 i 180 dniach twardnienia według procedury podanej w normie PN-EN [8], głębokości penetracji wody pod ciśnieniem według normy PN-EN [9], nasiąkliwości według normy PN-B/ [7], mrozoodporności betonu według normy PN-B/ [7] dla stopnia mrozoodporności F 150 i F 300, wpływu pielęgnacji wczesnej na wytrzymałość na ściskanie betonu. Wyniki przeprowadzonych badań przedstawiono w tablicach 6-9 oraz na rys

9 Symbol mieszanki Tablica 6. Wytrzymałość na ściskanie betonu f ck,cube Wytrzymałość na ściskanie po 2 dniach, [f ck,cube, MPa] Wytrzymałość na ściskanie po 7 dniach, [f ck,cube, MPa] Wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach, [f ck,cube, MPa] Wytrzymałość na ściskanie po 180 dniach, [f ck,cube, MPa] C I 30,4 49,5 58,7 70,1 I/20-1 V 21,8 44,4 56,8 74,7 I/20-2 V 28,2 45,1 57,1 75,9 I/33-1 V 21,8 40,3 52,7 76,2 I/33-2 V 26,3 44,3 56,3 78,8 I/20-1 B 37,5 55,3 65,7 90,1 I/20-2 B 27,7 51,2 62,7 86,6 I/33-1 B 33,5 56,5 68,8 88,2 I/33-2 B 33,2 57,6 72,1 91,5 I/20-1 H 34,2 58,1 73,0 85,5 I/20-2 H 31,9 54,1 71,6 81,8 I/33-1 H 20,5 38,1 67,1 67,3 I/33-2 H 15,6 33,2 58,9 59,3 Tablica. 7. Głębokość penetracji wody pod ciśnieniem oraz nasiąkliwość betonu Symbol Głębokość penetracji Nasiąkliwość mieszanki wody [mm] [%] C I 40 4,4 I/20-1 V 28 3,9 I/20-2 V 24 3,9 I/33-1 V 16 3,6 I/33-2 V 12 3,8 I/20-1 B 11 5,8 I/20-2 B 9 5,8 I/33-1 B 3 5,7 I/33-2 B 2 6,1 I/20-1 H 33 5,8 I/20-2 H 34 5,8 I/33-1 H 45 7,3 I/33-2 H 48 7,8 9

10 a) C I b) I/20-1 B Rys. 2. Głębokość penetracji wody pod ciśnieniem: a) betonu bez dodatku popiołu lotnego b) betonu z dodatkiem popiołu fluidalnego z węgla brunatnego Tablica 8. Wyniki badań mrozoodporności betonu dla stopnia F 150 Symbol Wytrzymałość na ściskanie, MPa Spadek Spadek masy mieszanki Mrożone wytrzymałości [%] [%] Świadki F 150 C I 58,0 63,6 8,8 0,1 I/20-1 V 45,5 67,8 32,9 0,3 I/20-2 V 38,2 67,7 43,5 0,4 I/33-1 V rozpad 76,5 rozpad rozpad I/33-2 V rozpad 78,6 rozpad rozpad I/20-1 B 79,1 81,4 2,8 0,2 I/20-2 B 70,8 75,7 6,5 0,3 I/33-1 B 70,8 82,2 13,8 0,1 I/33-2 B 77,3 80,9 4,4 0,1 I/20-1 H 73,1 78,8 7,2 0,3 I/20-2 H 70,1 73,7 4,9 0,3 I/33-1 H 39,9 60,2 33,7 0,6 I/33-2 H 32,4 52,4 38,1 0,8 10

11 Tablica 9. Wyniki badań mrozoodporności betonu dla stopnia F 300 Symbol Wytrzymałość na ściskanie, MPa Spadek Spadek masy mieszanki Mrożone wytrzymałości [%] [%] Świadki F 300 C I 46,0 63,6 27,7 0,1 I/20-1 V rozpad 69,8 rozpad rozpad I/20-2 V rozpad 68,7 rozpad rozpad I/33-1 V rozpad 78,5 rozpad rozpad I/33-2 V rozpad 79,8 rozpad rozpad I/20-1 B 68,6 85,7 19,9 0,2 I/20-2 B 73,5 84,9 13,4 0,3 I/33-1 B 67,1 90,9 26,2 0,2 I/33-2 B 62,3 82,3 24,3 0,2 I/20-1 H 69,1 77,5 10,8 0,4 I/20-2 H 64,7 76,5 15,5 0,4 I/33-1 H 18,9 62,2 69,6 0,8 I/33-2 H 12,4 55,4 77,6 0,9 Przeprowadzono także ocenę wpływu pielęgnacji wczesnej betonu na właściwości stwardniałego betonu. Badania przeprowadzono wg wewnętrznej procedury laboratoryjnej, zgodnie z którą, próbki betonowe po zaformowaniu i zagęszczeniu wystawione były na bezpośrednie oddziaływanie warunków atmosferycznych (średnia temperatura w pierwszych dwóch dniach badania wynosiła w nocy t n = 0 o C, w dzień t d = 8 o C). Próbki świadki dojrzewały w warunkach laboratoryjnych zgodnie z wymaganiami normy PN-EN [11]. Po upływie 2 dni zarówno próbki świadki, jak i próbki wystawione na oddziaływanie niekorzystnych warunków atmosferycznych poddano badaniom wytrzymałości na ściskanie (rys. 3, 4 i 5). Wytrzymałośc na ściskanie, MPa ,4 18,3 próbka dojrzewająca w laboratorium próbka dojrzewająca na zewnątrz (brak pielęgnacji) 21,8 28,2 21,8 26,3 13,2 14,4 7,4 8,9 CI I/20-1 V I/20-2 V I/33-1 V I/33-2 V Symbol mieszanki Rys. 3 Wpływ pielęgnacji na beton z popiołem lotnym krzemionkowym (V) średnia wytrzymałość na ściskanie po 2 dniach twardnienia f ck,cube 11

12 Wytrzymałośc na ściskanie, MPa próbka dojrzewajaca w laboratorium próbka dojrzewająca na zewnątrz (brak pielęgnacji) 30,4 18,3 37,5 27,5 27,7 19,8 33,5 24,4 33,2 16,8 CI I/20-1 B I/20-2 B I/33-1 B I/33-2 B Symbol mieszanki Rys. 4 Wpływ pielęgnacji na beton z popiołem lotnym fluidalnym z węgla brunatnego (B) średnia wytrzymałość na ściskanie po 2 dniach twardnienia f ck,cube Wytrzymałośc na ściskanie, MPa próbka dojrzewajaca w laboratorium próbka dojrzewająca na zewnątrz (brak pielęgnacji) 30,4 34,2 31,9 18,3 21,2 17,3 20,5 7,9 15,6 6,6 CI I/20-1 H I/20-2 H I/33-1 H I/33-2 H Symbol mieszanki Rys. 5. Wpływ pielęgnacji na beton z popiołem lotnym fluidalnym z węgla kamiennego (H) średnia wytrzymałość na ściskanie po 2 dniach twardnienia f ck,cube 12

13 5. Omówienie wyników badań Popiół lotny jako składnik betonu modyfikuje zarówno właściwości mieszanki betonowej, jak i stwardniałego betonu. Wpływ popiołu na właściwości betonu zależy od jego składu chemicznego i fazowego popiołu, a także od rodzaju instalacji, z jakiej pochodzi (warunki otrzymywania) [5,6]. Wytrzymałość wczesna na ściskanie betonu (po 2 i 7 dniach dojrzewania) zawierającego dodatek popiołu lotnego krzemionkowego (V) jest niższa niż betonu kontrolnego, wykonanego bez dodatków mineralnych (tablica 6). Wielkość spadku wytrzymałości jest zależna od ilości wprowadzonego popiołu lotnego. Wynika to z aktywności pucolanowej popiołu lotnego krzemionkowego, która to w temperaturze pokojowej jest stosunkowo mała i jej pozytywny wpływ na właściwości betonu i kompozytów cementowych jest zauważalny dopiero po dłuższym okresie twardnienia (28 dni i dłużej). W praktyce zwiększenie aktywności spoiw zawierających popioły lotne krzemionkowe uzyskuje się poprzez dodatkowy przemiał, obróbkę cieplna lub aktywacje chemiczną [6]. Analizując wyniki badań wytrzymałości na ściskanie (tablica 6) widać znaczące przyrosty wytrzymałości pomiędzy 28 a 180 dniem twardnienia. Zdaniem autorów, w przypadku wprowadzenia dużej ilości popiołu lotnego krzemionkowego do składu betonu (20% masy cementu i więcej) korzystniej jest oceniać jego właściwości nie po okresie normowym (28 dni), ale po dłuższych okresach twardnienia (56, 90 dni) [12]. Dotyczy to zwłaszcza budowy obiektów hydrotechnicznych, betonów masywnych, obiektów oczyszczalni ścieków itp. Wymaga to jednak uzgodnień i zapisów już na etapie przygotowania specyfikacji technicznej budowanego obiektu. Dodatek popiołów fluidalnych, zarówno ze spalania węgla brunatnego (B) jak i kamiennego (H) znacząco poprawia wytrzymałość wczesną betonu. Najwyższe przyrosty wytrzymałości wczesnej zaobserwowano w przypadku popiołu fluidalnego ze spalania węgla brunatnego (tablica 6). W przypadku popiołu fluidalnego z węgla kamiennego stwierdzono, iż dodatek jego powyżej 20% w stosunku do masy cementu jest nieefektywny i w rezultacie powoduje znaczne spadki wytrzymałości na ściskanie. Wytrzymałości na ściskanie w okresie normowym (28 dni) i w długich okresach twardnienia (180 dni) są wyższe niż w przypadku betonów bez dodatku popiołu i z dodatkiem popiołu lotnego krzemionkowego, spełniającego wymagania normy PN-EN Uzyskano także zadowalające wyniki głębokości penetracji wody pod ciśnieniem. Wszystkie betony charakteryzowały się głębokością penetracji poniżej 50 mm. Najlepszy rezultat uzyskano przy dodatku 33% popiołu fluidalnego z węgla brunatnego; najgorszy na betonie z dodatkiem 33% popiołu fluidalnego z węgla kamiennego (tablica 7). Najniższą nasiąkliwością charakteryzowały się betony bez dodatku popiołu oraz z dodatkiem popiołu lotnego krzemionkowego. Dodatek, zarówno popiołu fluidalnego z węgla brunatnego jak i z kamiennego, zwiększał nasiąkliwość betonu, przy czym przy stosowaniu popiołu fluidalnego wyniki były znacznie gorsze. Najwyższą nasiąkliwością charakteryzowały się betony z dodatkiem 33% popiołu fluidalnego z węgla kamiennego (od 5,8% do 7,8%; tablica 7). Badania mrozoodporności przeprowadzono dla stopnia mrozoodporności F 150 i F300 zgodnie z wymaganiami PN-B-88/06250 [12]. Badanie mrozoodporności rozpoczynano po 28 dniach dojrzewania próbek, przechowywanych zgodnie z wymaganiami PN-EN [16]. 13

14 Najlepsze wyniki mrozoodporności dla stopnia F 150 uzyskano w przypadku popiołu fluidalnego ze spalania węgla brunatnego (tablica 8). Zarówno, dodatek 20%, jak i 33% tego rodzaju popiołu fluidalnego w stosunku do masy cementu nie wpłynął niekorzystnie na tę właściwość stwardniałego betonu. W przypadku dodatku popiołu fluidalnego z węgla kamiennego beton z zawartością 20% popiołu w stosunku do masy cementu spełniał wymagania normowe, natomiast maksymalne dozowanie popiołu (33% w stosunku do masy cementu) spowodowało przekroczenie normowej granicy spadku wytrzymałości. W przypadku popiołu lotnego krzemionkowego betony, zarówno z dodatkiem 20 jak i 33% popiołu w stosunku do masy cementu, nie spełniały wymagań normy PN-B/ [7] (rozpad badanych próbek), co potwierdziło wcześniejsze badania zespołu [12]. W przypadku badania dla stopnia mrozoodporności F 300 wszystkie próbki wykonane z betonu zawierającego popiół lotny krzemionkowy uległy zniszczeniu. Natomiast wymagania normy PN-B/ [12] spełniły betony zawierające 20% dodatku popiołów fluidalnych - zarówno z węgla brunatnego jak i kamiennego. Zwiększenie dodatku popiołów fluidalnych do 33 % w stosunku do masy cementu spowodowało znaczne spadki wytrzymałości mrożonych próbek, zwłaszcza zawierających popiół fluidalny z węgla kamiennego (tablica 9). Zdaniem autorów ocena mrozoodporności betonu po 28 dniach dojrzewania poprzez wyznaczenie spadku wytrzymałości zamrażanych próbek może budzić kontrowersje w przypadku stosowania nie tylko dodatków mineralnych do betonu, ale także w przypadku stosowania cementów zawierających dodatki mineralne (CEM II, CEM III, CEM IV, CEM V). Zarówno sama metoda jak i rozpoczęcie badań po okresie normowym (28 dni) nie oddaje w pełni odporności betonu na działanie mrozu, a z praktyki budowlanej wynika fakt, że stosowanie tej metody powoduje szereg rozbieżności w ocenie mrozoodporności betonów oraz sporów pomiędzy producentem betonu, laboratorium nadzorującym i wykonawcą [12]. Zdaniem autorów najlepszym sposobem poprawy mrozoodporności betonu jest napowietrzenie świeżej mieszanki betonowej na poziomie 4-6% oraz obniżenie wartości wskaźnika wodno spoiwowego (zmiana mikrostruktury betonu domieszkami uplastyczniającymi). Prace nad tym zagadnieniem są obecnie kontynuowane przez autorów referatu. Osiągnięcie projektowanych właściwości betonu jest w dużej mierze uzależnione również od prawidłowego procesu jego pielęgnacji we wczesnym okresie twardnienia. Właściwie przeprowadzone pielęgnacja zapobiega skurczowi wysychania i ogranicza ilość mikrospękań na powierzchni betonu. Dotyczy to zwłaszcza betonów wykonanych z cementów z dodatkami mineralnymi oraz betonu zawierającego dodatki mineralne. Wyniki przeprowadzonych badań (rys. 3-5) potwierdziły negatywny wpływ braku pielęgnacji wilgotnościowej oraz działanie niskich temperatur na wczesną wytrzymałość betonu. Znaczące spadki wytrzymałości były zauważalne we wszystkich przypadkach, niezależnie od rodzaju zastosowanego popiołu lotnego, przy czym największe spadki stwierdzono w przypadku stosowania popiołu lotnego krzemionkowego oraz dodatku 33% popiołu fluidalnego z węgla kamiennego. Uzyskane wyniki badań potwierdzają konieczność starannej i wydłużonej pielęgnacji wilgotnościowej betonu zawierającego dodatki mineralne. 14

15 6. Podsumowanie Popioły lotne wpływają znacząco na właściwości stwardniałego betonu. Wpływ ten zależy jest od rodzaju i ilości wprowadzonego popiołu do składu betonu. Betony z popiołem lotnym krzemionkowym (V) charakteryzują się niższą wytrzymałością początkową, a pozytywny wpływ dodatku dobrej jakości popiołu krzemionkowego na właściwości betonu uwidacznia się dopiero po dłuższych okresach twardnienia. W przypadku betonów mrozoodpornych zalecane jest właściwe napowietrzenie mieszanki betonowej oraz rozpoczęcie badań po jak najdłuższym okresie dojrzewania betonu (56 dni i dłużej) [12]. Popioły fluidalne z węgla brunatnego (B) poprawiają większość parametrów stwardniałego betonu. W procesie produkcji betonu należy jednak pamiętać o ścisłej kontroli jakości i zapewnieniu stabilnych właściwości tego rodzaju popiołu lotnego. Należy także mieć na uwadze negatywny wpływ dodatku popiołu fluidalnego na właściwości reologiczne mieszanki betonowej [5]. Z tego też powodu popioły te mogą być efektywnie wykorzystywane, zdaniem autorów, tylko w ograniczonym segmencie budownictwa - wykonywanie podbudów, produkcja spoiw mieszanych do osuszania gruntu, produkcja betonów wibroprasowaneych o niskim wskaźniku w/c. Popioły fluidalne z węgla kamiennego (H) wpływają na stwardniały beton podobnie jak popioły fluidalne z węgla brunatnego, przy czym zdaniem autorów graniczną wartością stosowania tego dodatku do składu betonu jest 20% w stosunku do masy cementu. Wprowadzenie popiołu fluidalnego z węgla kamiennego w ilości powyżej 20% masy cementu bardzo negatywnie wpływa na wszystkie parametry wytrzymałościowe i trwałościowe betonu. Konieczność wykonywanie mieszanek o wyższej ciekłości (beton pompowany, zwłaszcza o długim czasie przerobu) zdaniem autorów praktycznie eliminuje popioły fluidalne jako efektywny dodatek do betonu [5]. Literatura [1] PN-EN 197-1:2002 Cement- Część1. Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku [2] PN-EN 450-1:2006 Popiół lotny do betonu. Część 1: Definicje, specyfikacje i kryteria zgodności [3] Zestaw wyrobów do modyfikacji betonu: dodatek Flubet I domieszka Betostat. Aprobata Techniczna ITB AT /2001. Warszawa, [4] Zestaw materiałów i dodatek FLUBET i domieszka BETOSTAT do modyfikacji betonu stabilizacji kruszyw cementem. Aprobata Techniczna IBDiM Nr AT/ Warszawa [5] Giergiczny Z., Pużak T. Wpływ popiołu lotnego na właściwości świeżego betonu IX Sympozjum Naukowo Techniczne, Reologia w technologii betonu, Gliwice, czerwiec 20007, pp [6] Giergiczny Z. Rola popiołów lotnych wapniowych i krzemionkowych w kształtowaniu właściwości współczesnych spoiw budowlanych i tworzyw cementowych. Politechnika Krakowska, seria: Monografie 325, Kraków 2006 [7] PN-B/ Beton zwykły [8] PN-EN Badania betonu. Wytrzymałość na ściskanie próbek do badania 15

16 [9] PN-EN Badania betonu. Głębokość penetracji wody pod ciśnieniem [10] PN-EN Beton. Część 1. Skład, wymagania i kryteria zgodności [11] PN-EN Badania betonu. Wykonywanie i pielęgnacja próbek do badań wytrzymałościowych [12] Giergiczny Z., Sokołowski M., Mrozoodporność betonu na cementach z dodatkami mineralnymi. VII Sympozjum Naukowo Techniczne, Reologia w technologii betonu, Gliwice, czerwiec 2006, pp PROPERTIES OF HARDENED CONCRETE WITH ADDITIVES OF FLUIDAL FLY ASHES Summary Fly ash is commonly used as mineral additive in concrete composition. In this paper authors describe use of different types of fly ashes for concrete with the portland cement CEM I 42,5R. Hardened concrete based on this cement with addition of different types of fly ash were characterized in this paper. 16

17 X SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 2008 Damian Dziuk 1 Marcin Sokołowski 2 TIOCEM CEMENT Z PRZYSZŁOŚCIĄ 1. Wprowadzenie Beton jest powszechnie stosowanym materiałem konstrukcyjnym, który jednocześnie w efektywny sposób kształtuje wizerunek współczesnej architektury. Możliwości projektowania praktycznie dowolnych form oraz walory estetyczne i trwałość decydują o wyborze betonu do wykonywania budynków, budowli inżynierskich i obiektów infrastruktury drogowej, a także innych elementów istotnie kształtujących otaczający nas krajobraz. Jednakże nie tylko estetyka i trwałość obiektów budowlanych uzasadniają stosowanie betonu. Ważnym argumentem za stosowaniem tego materiału kompozytowego są także jego właściwości aktywnie wspomagające ochronę środowiska naturalnego. Przykładem takiego nowoczesnego produktu umożliwiającego ekologiczne wykorzystanie betonu jest opracowany przez grupę Heidelberg Cement cement o nazwie TioCem. Wprowadzony do składu tego cementu nanometryczny dwutlenek tytanu TiO 2 posiada właściwości fotokatalityczne, które umożliwiają redukcję szkodliwych zanieczyszczeń obecnych w powietrzu otaczającym elementy i konstrukcje betonowe. Są to bardzo istotne właściwości, ponieważ ciągle wzrasta stężenie zanieczyszczeń gazowych w otaczającym nas środowisku powodowanych rozwojem motoryzacji i przemysłu. Przekraczane są dopuszczalne normy dopuszczalnych zawartości NO x, SO 2 i innych. W konsekwencji mieszkańcy dużych aglomeracji narażeni są na problemy z oddychaniem i postępujące choroby płuc. Zastosowanie cementu TioCem gwarantuje również usuwanie zanieczyszczeń organicznych pokrywających betonowe powierzchnie budynków i konstrukcji inżynierskich. Wykonane z użyciem cementu TioCem betony mają właściwości samoczyszczące się; szczególnie istotna cecha w przypadku wykonywania reprezentacyjnych obiektów o wysokich walorach estetycznych z betonu białego lub barwionego. 1 Mgr inż., Górażdże Cement S.A.; damian.dziuk@gorazdze.pl 2 Mgr inż. Górażdże Cement S.A.; marcin.sokolowski@gorazdze.pl 17

18 W prezentowanej pracy przedstawiono i omówiono właściwości fotokatalityczne cementu TioCem oraz wskazano możliwe kierunki jego efektywnego wykorzystania w budownictwie. 2. Właściwości fotokatalityczne cementu TioCem Jak wspomniano we wprowadzeniu usuwanie szkodliwych związków z powietrza oraz samooczyszczanie się betonowych powierzchni obiektów budowlanych jest efektem fotokatalitycznych właściwości cementu TioCem, a ściślej, zawartego w jego składzie nanometrycznego dwutlenku tytanu TiO 2. Dwutlenek tytanu TiO 2 jest związkiem powszechnie stosowanym w wielu gałęziach przemysłu. Szczególne znaczenie dla większości zastosowań ma jego barwa, stanowiąca wzorzec koloru białego (biel tytanowa). Z tego powodu TiO 2 jest cennym surowcem w produkcji pigmentów, farb, tworzyw sztucznych, papieru, barwnych atramentów, a także ze względu na nietoksyczne oddziaływanie, do wytwarzania kosmetyków i produktów farmaceutycznych. Omawiając właściwości fotokatalityczne dwutlenku tytanu, należy podkreślić, są one obserwowane tylko w przypadku stosowania nanokrystalicznego dwutlenku tytanu (1 nm = 1/ mm) w odmianie polimorficznej anatazu, gdy jest on poddany działaniu fali świetlnej o długości < 410 nm, typowej dla promieniowania słonecznego UV. Poddany oddziaływaniu promieniowania UV nanokrystaliczny dwutlenek tytanu, ulega aktywacji. W dalszej fazie tego procesu, w obecności wody opadowej na powierzchni betonu zawierającego TiO 2 tworzą się rodniki wodorotlenowe OH - oraz jony tlenowe O 2 -, które posiadają silne właściwości utleniające. W efekcie zostaje przyspieszony naturalny proces utleniania, wzmagając w ten sposób szybki rozpad szkodliwych związków, które znajdują się w powietrzu otaczającym obiekt budowlany oraz zanieczyszczających powierzchnię betonu [1]. Istotnym jest również fakt, że dwutlenek tytanu, jako fotokatalizator, nie ulega zużyciu podczas zachodzących reakcji, więc przedstawione wcześniej procesy są długotrwałe i stale odnawialne. Właściwości fotokatalityczne cementu TioCem zostały potwierdzone za pomocą testu z użyciem organicznej substancji - rodaminy B [2], którą pokryto powierzchnię próbek betonowych, które następnie poddano naświetlaniu promieniowaniem UV. Po upływie 24 godzin naświetlania, w przypadku betonu wykonanego z udziałem cementu TioCem, odnotowano całkowite utlenienie rodaminy i w efekcie otrzymano oczyszczoną powierzchnię próbki betonowej (fot. 1). 18

19 Fot. 1. Właściwości fotokatalityczne cementu TioCem test efektywności fotokatalitycznej z zastosowaniem rodaminy-b i promieniowania UV 2. Redukcja zanieczyszczeń powietrza przez aktywne powierzchnie betonu wykonane z użyciem cementu TioCem Fotokatalitycznie aktywne powierzchnie betonu wykonanego z użyciem cementu TioCem wykazują działanie redukujące w przypadku szkodliwych tlenków azotu NO x, obecnych w spalinach emitowanych przez silniki pojazdów. Redukcja tlenków NO x zawartych w powietrzu jest istotnym zagadnieniem ekologicznym ponieważ intensywny ruch samochodowy zwiększając koncentrację tlenków azotu, wzmaga powstawanie ozonu, który jako główny składnik miejskiego smogu negatywnie wpływa na zdrowie człowieka. Zastosowanie cementu TioCem pozwala zredukować szkodliwe tlenki azotu NO x na drodze procesów fotochemicznych i utlenienia, do nieszkodliwych jonów azotanowych NO 3 - [3]. Zachodzące procesy można opisać reakcjami: NO + 2OH - NO 2 + H 2 O - utlenienie tlenku azotu NO do dwutlenku azotu NO 2 NO 2 + OH - NO H + - redukcja dwutlenku azotu NO 2 do jonów azotanowych NO 3 - oraz NO x + O 2 - NO redukcja tlenków azotu NO x do jonów azotanowych NO 3 - W końcowej fazie tego procesu jony azotanowe tworzą na powierzchni betonu kwas azotowy, który następnie w wyniku reakcji ze składnikami zaczynu cementowego (głównie wodorotlenkiem wapnia) tworzy rozpuszczalne sole (azotany), które są spłukiwane przez opady atmosferyczne. Schematycznie redukcję tlenków azotu NO x przez fotokatalitycznie aktywne powierzchnie betonu przedstawia rys

20 Rys. 1. Schemat redukcji tlenków azotu NO x przez aktywne fotokatalitycznie powierzchnie betonu zawierające cement TioCem Redukcję tlenków azotu NO x zawartych w powietrzu potwierdzono wynikami badań wykonanymi w laboratorium Heidelberg Technology Center w Leimen, w których badaniom poddano beton wykonany z użyciem cementu TioCem i typowego cementu powszechnego użytku. Spowodowano przepływ powietrza zawierającego tlenki azotu po Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego do redukcji tlenków azotu NO x powierzchni próbek betonu, przy jednoczesnym ich naświetlaniu promieniowaniem UV o różnej intensywności (UV int. = 900 i 1800 µw/cm 3 ) schemat przeprowadzonego eksperymentu przedstawiono na rys. 2. Przeprowadzone pomiary pokazały spadek zawartości tlenków NO x w przypadku betonu z użyciem cementu TioCem i poddanego promieniowaniu UV. Z kolei typowy beton na cemencie powszechnego użytku nie wykazał właściwości redukujących. 20

21 Stwierdzono także, że redukcja tlenków azotu w przypadku betonu na cemencie TioCem była tym większa im bardziej intensywne promieniowanie UV zostało zastosowane (rys. 3). Rys. 3. Redukcja zawartości tlenków azotu NO x w powietrzu - beton wykonane z użyciem standardowego cementu i cementu TioCem Przeprowadzone zostały także badania porównawcze redukcji NO x na nawierzchni wykonanej z kostki brukowej bazującej na cemencie z dodatkiem nanometrycznego TiO 2 oraz na typowej nawierzchni asfaltowej. W obydwu technologiach wykonano nawierzchnię ulicy Via Borgo Palazzo w Bergamo (Włochy) i przeprowadzono 10 dniowy pomiar zawartości tlenków NO x w powietrzu przy ciągłym intensywnym ruchu samochodowym. Wyniki pomiarów przedstawiono na rys. 4, pokazują one blisko 45 % spadek koncentracji tlenków NO x powietrzu w przypadku stosowania aktywnej fotokatalitycznie kostki brukowej [4] Rys. 4. Pomiary koncentracji tlenków azotu NO x w powietrzu porównanie nawierzchni z kostki brukowej wykonanej z użyciem cementu TioCem i nawierzchni asfaltowej [4] 21

22 3. Betony samoczyszczące się Zastosowanie cementu TioCem nadaje powierzchniom betonowym również właściwości samoczyszczące, ponieważ w zachodzących procesach utleniane są nie tylko szkodliwe związki zawarte w powietrzu, ale także zabrudzenia organiczne pokrywające z upływem czasu obiekty budowlane. W efekcie degradacji ulegają niemal wszystkie substancje organiczne mogące znaleźć się na powierzchni betonu, np. aerozole, tłuszcze, oleje, pyły, ptasie odchody, itp [5]. Samooczyszczanie się powierzchni betonu zawierającego cement TioCem wynika z superhydrofilowych właściwości powierzchni zawierającej nanokrystaliczny dwutlenku tytanu. Pod wpływem promieniowania UV kąt zwilżania powierzchni TiO 2 maleje niemal do zera. W efekcie woda na powierzchni z dwutlenkiem tytanu nie tworzy kropel, a powierzchnia betonu zostaje równomiernie pokryta cienkim filmem wodnym, tworzącym płaszczyznę poślizgu dla usuwania zanieczyszczeń [5]. Schematycznie proces ten przedstawiono na rys. 5. Technologia betonów samoczyszczących się zawierających cement z dodatkiem dwutlenku tytanu jest stosowana w obiektach o szczególnej formie architektonicznej. Do budowli wykonanych z wykorzystaniem fotokatalitycznych powierzchni samoczyszczących się należą kościół Dives in Miserycordia w Rzymie, budynek dyrekcji lotniska Roissy-Charles de Gaulle w Paryż, komenda policji w Bordeaux, apartamentowiec Commodore w Ostendzie oraz siedziba dyrekcji Maroko Cement w Casablance. Rys. 5. Samooczyszczanie się powierzchni betonu zawierającego cement TioCem 4. Kierunki stosowania cementu TioCem Właściwości fizyczne i mechaniczne cementu TioCem są zgodne z wymaganiami normy EN Cement Część 1. Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku, stąd zasady jego stosowania w produkcji betonu i elementów 22

23 prefabrykowanych są identyczne jak w przypadku cementów powszechnego użytku. W tablicy 1 pokazano podstawowe właściwości cementu TioCem otrzymanego w skali przemysłowej. Ze względu na to, że fotokatalityczne działanie cementu TioCem wymaga światła słonecznego, wystarczy stosować go w powierzchniowych warstwach betonu, np. do warstwy fakturowej kostki brukowej lub prefabrykatów elewacyjnych (rachunek ekonomiczny). Właściwość Tablica 1. Podstawowe właściwości cementu TioCem Wyniki badań cementu TioCem Wymagania wg PN-EN dla cementu klasy 42,5R Początek czasu wiązania 140 minut 60 minut Koniec czasu wiązania 190 minut Brak wymagania Wytrzymałość po 2 dniach 29,0 MPa 20,0 MPa Wytrzymałość po 28 dniach 60,0 MPa 42,5 MPa 62,5 MPa Zastosowanie cementu TioCem jest szczególnie zalecane w obiektach i konstrukcjach budowlanych eksploatowanych w obszarach intensywnego ruchu samochodowego. Z tego też względu jest to efektywne spoiwo przy wykonywaniu nawierzchni drogowych w tunelach i elementów obudowy ciągów komunikacyjnych oraz w wykonawstwie elewacji i dachów budynków, a w szczególności do: wykonywania betonowych nawierzchni drogowych (lotniska, autostrady); napraw nawierzchni drogowych (technologia whitetopping); produkcji kostki brukowej w technologii dwuwarstwowej (do wykonania warstwy fakturowej); produkcji ekranów akustycznych i ochronnych w budownictwie drogowym; produkcji drogowych barier bezpieczeństwa wykonywania okładzin ścian tuneli; produkcji elementów fasadowych; produkcji dachówki cementowej. 5. Podsumowanie Problemy związane z ochroną środowiska, a także trwałość i estetyka obiektów budowlanych, często są inspiracją dla poszukiwania nowoczesnych materiałów i wdrażaniu nowych technologii. Jednym z rozwiązań technologicznych tak zdefiniowanego problemu jest cement TioCem. Zawarty w składzie cementu nanometryczny dwutlenek tytanu TiO 2 umożliwia wykonywanie aktywnych fotokatalitycznie powierzchni betonowych, redukujących zanieczyszczenia gazowe zawarte w powietrzu oraz posiadających właściwości samoczyszczące. Cement TioCem jest produkowany zgodnie z technologią TX Active, definiującej wymagania, jakie muszą spełniać materiały budowlane posiadające właściwości fotokatalityczne. Gwarantuje to, że producenci stosujący cement TioCem wytwarzają również materiały i elementy o potwierdzonych właściwościach fotokatalitycznych. 23

24 Literatura [1] Bolte G., Photocatalysis in cement-bonded materials, Cement International, 3/2005 Vol. 3 [2] Stephan D., Wilhelm P., Schmidt M., Photocatalytic degradation of rhodamine B on building materials influence of substrate and environment, International RILEM Symposium, Florence, October 2007 [3] Dalton J.S., Janes P.A., Jones N.G., Nicholson J.A., Hallam K.R., Allen G.C., Photocatalytic oxidation of NO x gases using TiO 2 : a surface spectroscopic approach, Environmaental Pollution,, Issue 2/2002, Vol. 120 [4] Guerrini G.L., Peccati E., Photocatalytic cementitious roads for depollution, International RILEM Symposium, Florence, October 2007 [5] Gawlicki M., Inteligentny SCC, Budownictwo, technologie, architektura, nr 4/2005 Polski Cement, Kraków 2005 TIOCEM CEMENT FOR FUTURE Summary Ecological aspects as well as durability and aesthetics of building construction have been presenting as important issues to look for new building materials and technologies. The innovative product cement TioCem offered by HeidelbergCement Group is one of the technological solution of defined problem. Because of content of titanium dioxide TiO 2 this high-tech cement has photocatalytic properties which guarantee reduction of pollutants in the air and self cleaning concrete surfaces. Cement TioCem fulfills requirements of the TX Active technology which are respected in whole Europe for confirmation of photocatalytic properties of building materials. Photocatalytic properties of TioCem and effects of its activity and as well as directions of use are presented in the paper. 24

25 X SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 2008 Artur Golda 1 Sebastian Kaszuba 2 WPŁYW ZABIEGÓW TECHNOLOGICZNYCH NA TEMPO NARASTANIA WYTRZYMAŁOŚCI NA ŚCISKANIE BETONU 1. Wprowadzenie Współczesny przemysł produkcji materiałów budowlanych stawia coraz wyższe wymagania dotyczące czasu uzyskania przez beton projektowanych właściwości. Skrócenie czasu wiązania i/lub twardnienia betonu (cementu) możliwe jest w wyniku przeprowadzenia odpowiedniej obróbki termicznej zabudowanego betonu lub stosowania odpowiednio dobranych domieszek chemicznych. Niezwykle istotnym aspektem stosowania zabiegów technologicznych jest uwzględnienie ich wpływu na końcowe właściwości mechaniczne oraz trwałość gotowego wyrobu. Zwiększenie tempa narastania wytrzymałości początkowej betonu oraz skrócenie czasu przejścia mieszanki betonowej w stwardniały beton znacząco wpływa na wzrost porowatości matrycy cementowej, co pociąga za sobą niebezpieczeństwo obniżenia szczelności matrycy cementowej oraz trwałości betonu [1] (rys. 1). Dzieje się tak głównie z powodu szybkości powstawania produktów hydratacji cementu i ich form krystalicznych. Rachunek ekonomiczny związany z efektywnym wykorzystaniem form czy szalunków, a konkretnie dążenie do minimalizacji czasu przebywania betonu w szalunkach czy formach, powoduje wśród producentów betonu towarowego coraz większe zainteresowanie domieszkami przyśpieszającymi twardnienie betonu oraz technologiami pozwalającymi na skrócenie tego czasu. Zdecydowanie prężną branżą działającą w tym kierunku jest branża domieszek chemicznych, gdzie w ostatnich latach dokonał się niemal przeskok epokowy. Obecnie dostępne domieszki chemiczne umożliwiają częściową lub całkowitą rezygnacje z obróbki cieplnej młodego betonu, oraz znaczne ograniczenie kosztów i stopnia skomplikowania linii technologicznej. Niemniej jednak stosowanie domieszek chemicznych winno być poparte gruntowną analizą i przebadaniem układu domieszka 1 Mgr inż., Betotech Sp. z o.o., artur.golda@betotech.pl 2 Mgr inż., Betotech Sp. z o.o., sebastian.kaszuba@betotech.pl 25

26 Rys. 1. Obraz mikrostruktury betonu dojrzewającego w różnych temperaturach (ciemne pola odpowiadają występującym pustkom) [1] cement - cel stosowania. Niekiedy bardzo subtelne różnice czy czynniki pomijane w rozważaniach nie pozwolą osiągnąć zakładanego celu. Bardzo często pomijanym aspektem podczas stosowania wymienionych domieszek jest konieczność uwzględnienia ich obecności w recepturze mieszanki betonowej już na etapie projektu. Domieszki te, podobnie jak inne fizyczno chemiczne metody zwiększania tempa hydratacji cementu, wpływają na końcowe właściwości betonu. Wpływ ten znacznie wzrasta wraz ze podniesieniem temperatury dojrzewania betonu tzn. wraz z ilością dodatkowej energii dostarczanej w postaci ciepła. Dlatego nie można rozpatrywać działania domieszki w oderwaniu od warunków w jakich będzie ona działać na beton. Szybka hydratacja początkowa cementu przyczynia się do powstania słabszej mikrostruktury betonu. Powodem tego jest brak dostatecznej ilości czasu dla dyfuzji jonów poza warstwę produktów hydratacji otaczającą ziarna cementu, co prowadzi do koncentracji produktów reakcji w niewielkiej odległości od hydratyzujących ziaren cementu. Są one większe i bardzo szybko blokują dostęp wody do ziaren cementu co powoduje końcowo mniejszy stopień rozpuszczenia ziaren cementu i powstania hydratów o strukturze nie zapewniającej dobrej szczelności. Oczywiście to tylko jeden z elementów negatywnych skutków do jakich może doprowadzić nieumiejętne stosowanie domieszki chemicznej w powiązaniu z dodatkowymi zabiegami technologicznymi. 26

27 2. Technologiczne metody przyśpieszania dojrzewania betonu 2.1. Fizyczne metody przyśpieszonego dojrzewania Fizyczne metody przyśpieszonego dojrzewania betonu polegają na dostarczaniu energii w postaci ciepła intensyfikującego wczesne etapy hydratacji spoiwa. Wśród najbardziej rozpowszechnionych metod należy wymienić: a) autoklawizację, b) niskoprężne naparzanie. c) elektronagrzew. Pierwsze dwie wymienione metody stosowane są w zakładach prefabrykacji gdzie bardzo istotnym elementem jest szybkość rotacji form oraz stopień wykorzystania linii formujących. Niskoprężne naparzanie polega na pielęgnacji wczesnej betonu (tuż po zaformowaniu mieszanki betonowej) za pomocą pary wodnej, której temperatura nie przekracza 100 o C. Ponieważ nasycona para wodna zapewnia odpowiednie warunki wilgotnościowe dojrzewania betonu, proces ten nie wymaga dodatkowego zabezpieczenia przed utratą wilgoci. Pielęgnację przy parze niskoprężnej stosuje się zazwyczaj w specjalnych komorach i tunelach dostosowanych do linii produkcyjnych danego zakładu. Ze względu na stosunkowo nieskomplikowaną aparaturę oraz dużą wszechstronność proces ten jest chętnie wykorzystywany przez producentów prefabrykatów wielkowymiarowych: stropy typu filigran, prefabrykowane słupy. Bardzo ważnym czynnikiem determinującym właściwości stwardniałego betonu jest odpowiedni dobór temperatury pielęgnacji. Zgodnie z danymi dostępnymi w literaturze zależność ta przedstawia się następująco im wyższa temperaturę pielęgnacji zastosujemy tym wyższą osiągniemy wytrzymałość początkową oraz niższą wytrzymałość końcową (rys. 2). Rys. 2. Wytrzymałość betonu pielęgnowanego w różnych temperaturach [2] 27

28 Autoklawizacja polega na pielęgnacji betonu parą o ciśnieniu przekraczającym ciśnienie atmosferyczne. Optymalną temperaturą obróbki termicznej tej metody jest temperatura 177 o C co odpowiada ciśnieniu pary wodnej wynoszącym 0,8 MPa powyżej ciśnienia atmosferycznego. Tego typu warunki wymagają zastosowania zaawansowanych komór ciśnieniowych wyposażonych w dodatkowych dopływ mokrej pary wodnej, która ma za zadanie zapewnienie odpowiedniej ilości wilgoci dla betonu. Specyficzne warunki pielęgnacji sprawiają, iż produkty hydratacji powstające po procesie autoklawizacji różnią się od produktów hydratacji spoiwa w warunkach naturalnych. Produkty tworzą stosunkowo duże formy w większości krystaliczne. Pociąga to za sobą zmiany we właściwościach stwardniałego zaczynu: niższy skurcz, zwiększenie odporności na korozję siarczanową, zwiększenie kruchości betonu. Istotnym czynnikiem determinującym skuteczności procesu jest dobór odpowiedniej charakterystyki temperaturowej procesu ogrzewania, co zapobiegnie potencjalnym zakłóceniom procesu wiązania i twardnienia. Opisywany sposób pielęgnacji stosowany jest w zakładach produkujących małogabarytowe elementy: beton komórkowy, cegła wapienno piaskowa. Ze względu na konstrukcję komór, urządzenia tego typu dostosowane są zazwyczaj do jednego typu wyrobu. Metoda elektronagrzewu stosowana jest często w budownictwie ogólnym. Polega ona na podgrzaniu betonu za pomocą prądu elektrycznego płynącego przez świeży beton pomiędzy elektrodami zewnętrznymi lub poprzez zbrojenie konstrukcyjne. Metoda ta wiąże się z niebezpieczeństwem nierównomiernego podgrzania objętości betonu, co może wywołać powstanie miejscowych krytycznych naprężeń termicznych objawiających się powstawaniem rys w strukturze i na powierzchni betonu Domieszki chemiczne Fizyczne metody przyśpieszonego dojrzewania są coraz częściej, częściowo lub całkowicie, zastępowane poprzez stosowanie odpowiednio dobranych kompozycji domieszek chemicznych. Domieszki chemiczne zwiększające rozwój wytrzymałości betonu można podzielić na dwie grupy: a) upłynniacze najnowszej generacji b) domieszki przyśpieszające twardnienie Domieszki upłynniające najnowszej generacji, oparte na bazie polimerów polikarboksylowych, umożliwiają zwiększenie wytrzymałości wczesnej betonu wskutek redukcji ilości wody (niższy współczynnik w/c). Prowadzi to zarówno do wzrostu wytrzymałości, jak również trwałości matrycy cementowej. Zmniejszenie wskaźnika wodno - spoiwowego wpływa w znaczący sposób na wytrzymałość na ściskanie betonu w pierwszych 24 godzinach dojrzewania. Często ze względu na konieczność zwolnienia linii lub zwiększenia szybkości rotacji form jest to okres zbyt długi i potrzebne jest zastosowanie dodatkowych zabiegów technologicznych. Domieszki przyśpieszające twardnienie powszechnie używane są w celu skrócenia okresu pielęgnacji betonu w warunkach obniżonych temperatur oraz ograniczenia czasu potrzebnego na uzyskanie przez beton warunkowej mrozoodporności. Coraz częściej znajdują także zastosowanie w specjalistycznych mieszankach betonowych dla zakładów prefabrykacji zapewniając znaczne zwiększenie możliwości produkcyjnych. Doświadczenia praktyczne związane z procesem przyspieszania dojrzewania betonu w prefabrykacji betonowej są przedmiotem części doświadczalnej niniejszej pracy. 28

29 3. Część doświadczalna 3.1. Materiały stosowane w badaniach Cement. W badaniach stosowano cement portlandzki CEM I 42,5R spełniający wymagania normy PN-EN 197-1:2002 Cement Część 1:Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku. Domieszki chemiczne. Do sporządzenia mieszanek betonowych wykorzystano domieszkę upłynniającą najnowszej generacji na bazie eterów polikarboksylowych oraz domieszkę przyśpieszającą twardnienie zawierającą azotan (V) wapnia. Zarówno domieszka upłynniająca, jak i przyśpieszająca twardnienie spełniały wymagania normy PN-EN 934-2:2002 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu Część 2 Domieszki do betonu Definicje, wymagania, zgodność, znakowanie, etykietowanie. Kruszywa. Kruszywa zastosowane w niniejszej pracy odpowiadały wymaganiom normy PN-EN 12620:2004 Kruszywo do betonu. Wyniki badań właściwości geometrycznych oraz fizycznych kruszyw zestawiono w tablicy 1. Tablica 1. Właściwości kruszyw stosowanych w badaniach Właściwość Kruszywo naturalne frakcja 0/2 frakcja 2/8 frakcja 8/16 Kategoria uziarnienia G f 85 G c 85/20 G c 85/20 Kategoria zawartości pyłów <0,063mm f 3 f 1,5 f 1,5 Wskaźnik płaskości - Fl 15 Fl 15 Mrozoodporność - F 1 F Skład mieszanek betonowych i zakres ich badań W tablicy 2 podano skład zaprojektowanych mieszanek betonowych, dla których oznaczono konsystencję według metodyki podanej w normie PN-EN :2001 Badanie mieszanki betonowej Część 5: Badanie konsystencji metodą stolika rozpływowego. Opierając się na praktycznych doświadczeniach zaprojektowano cztery receptury mieszanek betonowych o różnych wskaźnikach w/c i zmiennej zawartości domieszki przyśpieszającej twardnienie. Stwardniały beton o został poddany badaniom mającym na celu określenie wytrzymałości na ściskanie po 16, 24, 36 godzinach oraz po 28 i 56 dniach dojrzewania zgodnie z PN-EN :2002 Badania betonu Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badania. Dojrzewanie próbek było prowadzone w warunkach niskoprężnego naparzania w temperaturze 85 o C przez 12 godzin, a następnie próbki dojrzewały w wodzie w temperaturze 20 o C aż do terminu badania (dojrzewanie przyśpieszone). Natomiast druga część próbek, po 36 godzinach dojrzewania w temperaturze 20 c C i wilgotności 65%, 29

30 umieszczona została w wodzie w temperaturze 20 c C aż do terminu badania (dojrzewanie naturalne). Tablica 2. Skład mieszanek betonowych Oznaczenie mieszanki laboratoryjnej Zawartość cementu CEM I 42,5 R [kg/m 3 ] Zawartość wody [kg/m 3 ] Kruszywo [kg/m 3 ] Warunki dojrzewania Superplastyfikator[% m.c.] Domieszka przyśpieszająca [% m.c.] 0,45* pn naturalne 0,6 1,5 0,45 p p przyśpiesz. 0,6 1,5 0,45 n n naturalne 0,6 0 0,45 n p przyśpiesz. 0,6 0 0,35 p n naturalne 0,85 1,5 0,35 p p przyśpiesz. 0,85 1,5 0,35 n n naturalne 0,85 0 0,35 n p przyśpiesz. 0,85 0 * - wielkość współczynnika w/c 3.3. Wyniki badań i ich omówienie Konsystencja mieszanek betonowych określona za pomocą stolika rozpływowego odpowiadała stopniowi konsystencji F 5 (PN-EN Beton Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność). Wyniki badań wytrzymałości na ściskanie betonu zostały zestawione w tablicy 3 oraz na rys. 2 i 3. Uzyskane wyniki badań wytrzymałości na ściskanie wykazują znaczne różnice spowodowane zastosowaniem dwóch znacznie różniących się od siebie wartości w/c. Zastosowanie domieszki przyśpieszającej proces wiązania i twardnienia spowodowało wzrost wytrzymałości wczesnej w porównaniu z betonami w składzie których znajdował się tylko superplastyfikator. Użycie domieszki przyśpieszającej twardnienie betonu wraz z naparzaniem okazało się być jedynie nieznacznie bardziej efektywne niż zastosowanie samego naparzania. Wpływ przyśpieszonego wczesnego dojrzewania na wytrzymałość końcową jest znaczny szczególnie w przypadku połączenia naparzania z domieszką przyśpieszającą twardnienie. Betony dojrzewające w warunkach naturalnych posiadały do 20% wyższe wyniki wytrzymałości na ściskanie po 56 dniach dojrzewania. 30