Ocena wpływu składu zapraw na ich wybrane właściwości. Impact assessment the mortars composition on their selected properties.

Transkrypt

1 Dr inż. Małgorzata Lenart Politechnika Krakowska Ocena wpływu składu zapraw na ich wybrane właściwości. Impact assessment the mortars composition on their selected properties. Streszczenie Trwałość realizowanych konstrukcji jest wciąż aktualnym problemem, dotyczy to zwłaszcza konstrukcji murowych. Współczesne europejskie normy przedmiotowe dotyczące zapraw murarskich są bardzo ogólnikowe i pozostawiają niedosyt w zakresie uściślenia wymagań jakie powinny spełniać zaprawy, aby zapewnić trwałość murów w określonych warunkach eksploatacji. W artykule przedstawiono wyniki badań zapraw o różnorodnym składzie. Pod uwagę wzięto zaprawy cementowe, cementowo - wapienne, odmian od A do G (zgodnie z klasyfikacją zawartą w normie PN-B-10104:2005) oraz zaprawy cementowe odmiany A i B modyfikowane domieszkami. W referacie przedstawiono wyniki badań obejmujące swoim zasięgiem określenie właściwości świeżej zaprawy (zawartość powietrza, gęstość objętościową oraz rozpływ) oraz oznaczenie parametrów stwardniałej zaprawy (wytrzymałości na zginanie i ściskanie, współczynnika absorpcji wody wywołanej podciąganiem kapilarnym w stwardniałej zaprawie oraz oznaczenie przyczepności zapraw do elementów ceramicznych), jak również wpływ domieszek na wyżej wymienione właściwości zapraw. Abstract Durability of the structure is still a problem, particularly in masonry. Contemporary European standards of masonry mortar are vague and leave insufficiency for the specification of the requirements that should be fulfill by masonry mortar to ensure durability of walls in certain performance conditions. In the article, there are the results of test for various composition mortars. There were considered cement and cement - limestone mortars, variant from A to G (according to classification given in standard PN-B-10104:2005) and cement mortars, variant A and B, modified by selected admixtures. In the paper, the results of test which include the determination of properties of fresh mortar such as air content, density or consistency (by flow table) as well as properties of hardened mortar such as bending and compressive strength, adhesive strength of hardened mortars to ceramic elements and water absorption coefficient are presented. There are also considered the influence of selected admixtures on mortars properties mention above.

2 1. Wprowadzenie. Budownictwo murowe na terenach Polski zaistniało już pod koniec X wieku. Konstrukcje te realizowano początkowo z kamienia, następnie z cegły, łącząc je zaprawami wapiennymi a później czasami glinianymi, często stosując różne dodatki do zapraw [1]. Współcześnie obserwuje się powrót do wznoszenia obiektów budowlanych murowych, oczywiście zmianie uległy i materiały konstrukcyjne ścian (np. cegły i pustaki ceramiczne, pustaki żużlowe, betonowe) jak również zaprawy łączące te elementy murowe i to zarówno pod względem właściwości fizycznych jak i chemicznych. Dynamiczny rozwój przemysłu chemicznego w zakresie chemii budowlanej w ostatnich kilkunastu latach umożliwił produkcję zapraw o zmienionych właściwościach w stosunku do tych uznawanych za tradycyjne. Niestety równocześnie zaobserwowano w niektórych obiektach spadek trwałości tych murów. Dodatkowo, projektanci konstrukcji nie zawsze przykładają należytą uwagę do doboru parametrów i właściwości zaprawy do przyjętych rozwiązań materiałowych elementów murowych 2. Wymagania i właściwości normowe dla zapraw. Niestety również normy europejskie nie ułatwiają zadania. Norma PN-EN 998-2:2004 Wymagania dotyczące zapraw do murów. Część 2: Zaprawa murarska określająca wymagania jakie powinna spełniać zaprawa pozostawia pełen niedosyt w tym zakresie, ponieważ nie zawiera ona dostatecznych wytycznych dotyczących zasad stosowania zapraw do odpowiednich elementów murowych, które to zasady zagwarantowałyby osiągnięcie zadawalającej trwałości konstrukcji murowej w danych warunkach eksploatacji [2].Zgodnie z PN-EN 998-2:2004 dla świeżej zaprawy powinny zostać określone następujące właściwości: Czas zachowania właściwości roboczych, Zawartość chlorków, Zawartość powietrza, Proporcje składników, z kolei dla stwardniałej zaprawy: Wytrzymałość na ściskanie, Wytrzymałość spoiny początkowa charakterystyczna wytrzymałość spoiny na ścinanie (deklarowana na podstawie badań lub na podstawie wartości tabelarycznych), Absorpcja wody, Przepuszczalność pary wodnej, Gęstość (stwardniałej zaprawy w stanie suchym), Współczynnik przewodzenia ciepła, Trwałość (tj. odporność na zamrażanie i rozmrażanie powinna być oceniana i deklarowana na podstawie uznanych przepisów w miejscu przewidzianego zastosowania zaprawy). Ponadto norma przewiduje określenie dodatkowych wymagań dla zapraw do cienkich spoin takich jak ograniczenie frakcji kruszywa do 2 mm oraz oznaczenie czasu korekty. Norma ta nie podaje wymaganych wartości ani poziomów wartości dla poszczególnych właściwości zaprawy (za wyjątkiem klas wytrzymałości na ściskanie). Producent deklaruje te wartości na swoją wyłączną odpowiedzialność i to do kupującego (projektanta) należy zadanie oceny czy deklarowane poziomy właściwości zaprawy będą wystarczające przy zastosowanym, szczegółowym rozwiązaniu materiałowo konstrukcyjnym. Sytuację nieco polepsza polska norma PN-B-10104:2005 Wymagania dotyczące zapraw murarskich ogólnego przeznaczenia. Zaprawy o określonym składzie materiałowym, wytwarzane na miejscu budowy, która podaje wymagane poziomy właściwości zarówno dla świeżej jak i stwardniałej zaprawy.

3 3. Badania własne. Zrealizowany program badawczy miał na celu określenie wpływu składu zapraw na ich wybrane właściwości. Pod uwagę wzięto zaprawy cementowe, cementowo - wapienne odmian od A do G oraz zaprawy odmian A i B modyfikowanych: domieszką napowietrzająco plastykującą (N) dodawaną na poziomie 0,3% m.c. oraz polimerami: lateksem styrenowo butadienowym (SBR) i polialkoholem winylowym (PVL). dozowanymi na poziomie 5% m.c. Do badań zastosowano cement CEM I 32,5 R, wapno hydratyzowane CL 80-S oraz piasek drobny frakcji 0/2 mm. W trakcie badań oznaczono cechy zarówno świeżej jak i stwardniałej zaprawy. Dla świeżej zaprawy określono: zawartość powietrza zgodnie z normą PN-EN :2000, gęstość objętościową zgodnie z PN-EN :2000 oraz konsystencji zaprawy zgodnie z PN-EN :2000, natomiast dla stwardniałej zaprawy oznaczono: wytrzymałość na ściskanie i zginanie zgodnie z PN-EN :2000, przyczepność do wytypowanego standardowego podłoża ceramicznego (jako cechę wpływającą również na trwałość murów) zgodnie z PN-EN :2002, współczynnik absorpcji wody zgodnie z PN-EN :2003. W tablicy 1 przedstawiono składy badanych zapraw, natomiast w tablicy 2 wyniki oznaczonych właściwości świeżych zapraw cementowych, cementowo-wapiennych oraz cementowych modyfikowanych domieszkami tj. zawartości powietrza, konsystencji zaprawy określonej metodą rozpływu oraz gęstości objętościowej. Tabl.1 Składy badanych zapraw cementowych, cementowo-wapiennych oraz cementowych modyfikowanych domieszkami. odmiana %obj. c:p (c:w:p) % masowo skład [kg/m 3 ] C Wp P C Wp P W gęstość [kg/m 3 ] A 1:2 27,9-72, B 1:3 20,5-79, C 1:4 16,2-83, D 1:0,25:3 20,0 2,5 77, E 1:0,5:4 15,6 3,9 80, F 1:1:6 10,8 5,4 83, G 1:2:9 7,3 7,3 85, Na podstawie pomierzonych właściwości świeżych zapraw (tablica 2) można zauważyć, że wraz ze wzrostem zawartości wapna w zaprawach cementowo - wapiennych maleje procentowa zawartość powietrza i osiąga ona poziom 3,0 4,0%. W badanych zaprawach cementowych niemodyfikowanych ilość powietrza waha się od 5,0 do 6,0%. Inaczej sytuacja przedstawia się w zaprawach cementowych modyfikowanych domieszkami. Domieszka napowietrzająco plastykująca (oznaczenie N) spowodowała zwiększenie rozpływu zapraw A i B z około 170 mm na około 210 mm, natomiast napowietrzenie zapraw wzrosło do około 15%. Domieszka polialkoholu winylowego (oznaczenie PVL) również zwiększyła zawartość powietrza w badanych zaprawach do poziomu około 14%, ale w nikłym stopniu (o ok. 10 mm) powiększyła ich rozpływ (do ok. 185 mm). Z kolei polimer na bazie lateksu styrenowo butadienowego (oznaczenie SBR) w niewielkim stopniu wpłynął na

4 zwiększenie zarówno zawartości powietrza w zaprawie (do około 6,0 7,0%), jak również rozpływu, który osiągnął wartość około 195 mm. Gęstość badanych zapraw wahała się od 1800 kg/m3 dla zapraw z domieszkami wywołującymi napowietrzenia do około 2000 kg/m3 dla zapraw cementowych. Tabl. 2 Wyniki pomierzonych właściwości świeżych zapraw cementowych, cementowowapiennych oraz cementowych modyfikowanych domieszkami. Oznaczenie Gęstość Rozpływ Zawartość powietrza objętościowa [mm] [%] [kg/m 3 ] A 175 5, B 170 5, C 174 5, D 182 4, E 170 3, F 172 3, G 182 3, A + N , B + N , A + SBR 195 6, B + SBR 197 6, A + PVL , B + PVL , Tabl. 3 Wyniki badań stwardniałych zapraw: wytrzymałości na zginanie i ściskanie, absorpcji kapilarnej oraz przyczepności. Wytrzymałość średnia [MPa] Oznaczenie zginanie ściskanie Średni współczynnik absorpcji wody [kg/m 2 min 0,5 ] Przyczepność [MPa] Model pęknięcia A 6,6 48,9 0,53 0,60 A 1 B 4,2 25,5 0,54 0,63 A C 3,2 11,6 0,62 0,72 A/K 2 D 3,8 16,5 0,64 0,90 A E 3,2 12,7 0,65 0,94 A F 1,7 5,3 1,20 0,89 A G 0,7 2,0 1,86 0,72 A/K A + N 5,3 28,2 0,03 0,63 A B + N 4,0 15,6 0,05 0,64 A A + SBR 7,0 37,2 0,27 0,77 A/K B + SBR 3,9 18,7 0,38 0,55 K A + PVL 6,5 33,3 0,16 0,55 A/K B + PVL 4,1 17,4 0,41 0,63 K 1 A pęknięcie adhezyjne tzn. pęknięcie na styku zaprawy z podłożem, przyczepność jest równa wynikowi badania. 2 K pęknięcie kohezyjne tzn. pęknięcie nastąpiło w warstwie zaprawy ewentualnie warstwie podłoża, przyczepność jest większa niż wynik badania.

5 Zależności wytrzymałości na zginanie i ściskanie zapraw cementowych niemodyfikowanych domieszkami oraz cementowo - wapiennych od współczynnika W/C przedstawiono graficznie na rysunku 1 i 2 oraz w tablicy 3. Zależności te bardzo dobrze opisuje model funkcji potęgowej o współczynniku R 2 wynoszącym 0,92. Zaprawy cementowo wapienne charakteryzują się mniejszą kruchością. Zginanie stanowi od 23 do 35% ściskania dla badanych zapraw cementowo wapiennych, podczas gdy dla zapraw cementowych jest to wartość od 13 do 27%. Rys. 1 Zależności wytrzymałości na zginanie zapraw cementowych niemodyfikowanych i cementowo-wapiennych w odniesieniu do współczynnika W/C. Rys. 2 Zależności wytrzymałości na ściskanie zapraw cementowych niemodyfikowanych i cementowo-wapiennych w odniesieniu do współczynnika W/C. Wykres 3 przedstawia poziomy wytrzymałości na zginanie zapraw modyfikowanych domieszką napowietrzająco plastyfikującą oraz modyfikowanych polimerami: lateksem styrenowo butadienowym i polialkoholem winylowym. Wytrzymałość na zginanie dla zapraw odmian A i B z modyfikatorami kształtuje się na zbliżonym poziomie w odniesieniu do zaprawy kontrolnej bez domieszki. Wyjątek stanowi zaprawa odmiany A modyfikowana domieszką napowietrzająco plastyfikującą, gdzie zaobserwowano spadek wytrzymałości o ok. 20 %. W przypadku wytrzymałości na ściskanie (wykres 4) zaobserwowano spadek tej wartości zarówno dla zapraw odmiany A jak i B. Dla zapraw odmiany A spadek ten wyniósł od ok. 40% dla zaprawy z domieszką napowietrzająco plastyfikującą do ok. 25% dla zaprawy z polimerem SBR. Analogiczne spadki zanotowano dla zapraw odmiany B (od ok.

6 40 % do ok. 27%). Zjawisko to może być spowodowane z jednej strony napowietrzeniem zapraw (w przypadku domieszki napowietrzająco plasyfikującej jak również polialkoholu winylowego) z drugiej strony spowolnieniem hydratacji cementu wywołanym pokryciem ziaren cementu błoną polimerową. Rys. 3 Wykres wytrzymałości na zginanie zapraw cementowych modyfikowanych domieszką napowietrzającą oraz dwoma rodzajami polimerów Rys. 4 Wykres wytrzymałości na ściskanie zapraw cementowych modyfikowanych domieszką napowietrzającą oraz dwoma rodzajami polimerów. Badanie absorpcji wody wykonano zgodnie z PN-EN :2003 i przedstawiono w tablicy 3, współczynniki absorpcji wody c obliczono z równania: c = 0,1 (M 90min M 10min ) [kg/m 2 min 0,5 ] (1) gdzie: M 90min oraz M 10 min oznaczają masę próbek odpowiednio po 90 i 10 minutach od rozpoczęcia nasycania wodą. Zaprawy cementowe charakteryzują się współczynnikiem absorpcji wody na poziomie 0,5 0,6 kg/m 2 min 0,5 natomiast zaprawy cementowo wapienne na poziomie od 0,6 dla zapraw odmiany D do 1,9 kg/m 2 min 0,5 dla odmiany G.

7 Dla wszystkich zapraw z domieszkami modyfikującymi odnotowano spadek wielkości tego parametru. Największy spadek odnotowano dla zapraw cementowych z domieszką napowietrzająco plastyfikującą (do poziomu c = 0,03 kg/m 2 min 0,5 dla zaprawy odmiany A). Jest to zrozumiałe, ponieważ domieszki tego typu powodują powstanie pęcherzyków powietrza przerywających sieć kapilar. Skutkiem tego jest zmniejszenie się podciągania kapilarnego wody. Dodatek polimerów: lateksu styrenowego butadienowego oraz polialkoholu winylowego do zaprawy odmiany A spowodował spadek wartości współczynnika absorpcji kapilarnej do poziomu 0,16 dla PVL oraz 0,27 dla SBR. W przypadku zapraw odmiany B z badanymi polimerami współczynnik absorpcji kapilarnej osiągną porównywalny poziom wynoszący około 0,4 kg/m 2 min 0,5. Badania przyczepności zapraw cementowych oraz cementowo wapiennych do podłoża ceramicznego nie dały jednoznacznych wyników. Nie zauważono standardowego spadku tej cechy wraz ze spadkiem wytrzymałości na ściskanie badanych zapraw jak ma to miejsce w przypadku podłoża betonowego [3]. Można zauważyć natomiast, że w przypadku zapraw cementowych, wraz ze wzrostem wskaźnika W/C łatwiejsza jest absorpcja wody przez materiał ceramiczny ponieważ jest większa dostępność wody wolnej w zaprawie. Im mniejsza zdolność zaprawy do utrzymania wody tym łatwiej materiał ceramiczny podłoża może podciągnąć kapilarnie wodę z zaprawy. W związku z tym nominalny wskaźnik W/C nie jest adekwatny do rzeczywistego. Średnia przyczepność badanych zapraw cementowych kształtowała się na poziomie 0,6 0,7 MPa. Z kolei zaprawy cementowo wapienne charakteryzują się większą więźliwością wody oraz jak już wspomniano mniejszą kruchością. Średnia przyczepność badanych zapraw cementowo wapiennych odmian D, E i F kształtował się na poziomie około 0,9 MPa, a dla odmiany G na poziomie 0,7 MPa. Przyczepność zapraw modyfikowanych domieszkami praktycznie nie uległa znaczącym zmianom, jedynie w przypadku lateksu styrenowo butadienowego dodanego do zaprawy odmiany A średnia przyczepność w niewielkiemu stopniu zwiększyła się i osiągnęła poziom 0,77 MPa. 5. Podsumowanie. Podsumowując przeprowadzony program badawczy można wysunąć następujące wnioski: w stadium świeżej zaprawy zastosowanie domieszki napowietrzająco plastyfikującej w ilości 0,3% m.c. oraz polialkoholu winylowego w ilości 5% m.c. powoduje wzrost napowietrzenia zaprawy cementowej do ok. 15%, rozpływ zapraw cementowych modyfikowanych domieszkami uległ zwiększeniu o ok. 10 mm dla domieszki PVL, o ok. 20 mm dla SBR oraz 40 mm dla domieszki napowietrzająco plastyfikującej, wytrzymałość na zginanie i ściskanie zapraw cementowych i cementowo wapiennych od współczynnika W/C dobrze opisuje model funkcji potęgowej, wytrzymałości na zginanie dla zapraw z domieszkami kształtuje się na poziomie zbliżonym do zaprawy kontrolnej, wyjątek stanowi zaprawa odmiany A modyfikowana domieszką napowietrzająco plastyfikującą, gdzie zaobserwowano spadek tej wielkości, wytrzymałość na ściskanie badanych zapraw z domieszkami zmniejszyła się zarówno dla zapraw odmiany A jak i B, zaprawy z domieszkami modyfikującymi wykazały się spadkiem współczynnika absorpcji kapilarnej w odniesieniu do zaprawy kontrolnej, badania przyczepności zapraw cementowych oraz cementowo wapiennych oraz cementowych modyfikowanych domieszkami do podłoża ceramicznego nie dały jednoznacznych wyników.

8 6. Literatura. [1] Z. Janowski: Konstrukcje ścienne, XVIII Ogólnopolska Konferencja Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Ustroń 2003, t. III s [2] R. Gajownik, L. Misiewicz: Elementy murowe i zaprawy murarskie, Materiały Budowlane, 4/2008. [3] Z. Pytel, A. Łagosz: Przyczepność różnych typów zapraw do powszechnie stosowanych materiałów ściennych, Materiały Budowlane, 5/2009. [4] R. Jarmontowicz: Wymagania norm na zaprawy murarskie, Materiały Budowlane, 4/2010. [5] Ch. Hall, W.D. Hoff: Rising damp: capillary rise dynamic in walls, Proc. R. Soc. A 8 August 2007 vol. 463 no p [6] PN-EN 998-2:2004 Wymagania dotyczące zapraw do murów. Część 2: Zaprawa murarska, PKN, Warszawa [7] PN-B-10104:2005 Wymagania dotyczące zapraw murarskich ogólnego przeznaczenia. Zaprawy o określonym składzie materiałowym, wytwarzane na miejscu budowy, PKN, Warszawa 2005.