POLSKA AKADEMIA NAUK INSTYTUT PODSTAWOWYCH PROBLEMÓW TECHNIKI

Transkrypt

1 POLSKA AKADEMIA NAUK INSTYTUT PODSTAWOWYCH PROBLEMÓW TECHNIKI PROJEKT BADAWCZY ROZWOJOWY NR. R BETONY NA CEMENTACH Z POPIOŁEM LOTNYM Z KOTŁÓW FLUIDALNYCH SPRAWOZDANIE MERYTORYCZNE Koordynatorzy Projektu: prof. dr hab. inż. Janusz Kasperkiewicz prof. dr hab. inż. Andrzej M. Brandt z zespołem z IPPT PAN Współautorzy Projektu: Prof. dr hab. inż. Lech Czarnecki z zespołem, Politechnika Warszawska Prof. dr hab. inż. Jan Małolepszy z zespołem, Akademia Górniczo-Hutnicza Prof. dr hab. inż. Wojciech Radomski z zespołem, Politechnika Warszawska Prof. dr hab. inż. Jacek Śliwiński z zespołem, Politechnika Krakowska Prof. dr hab. inż. Adam Zybura z zespołem, Politechnika Śląska Warszawa, kwiecień 2010

2 2

3 SPIS TREŚCI Załącznik Nr 1B, Harmonogram wykonania Projektu Badawczego, Plan 5 Osoby uczestniczące w realizacji Projektu 7 Wprowadzenie 9 Zadanie 1. Sprawdzenie jednorodności popiołów fluidalnych do eksperymentów. 11 Akwizycja i przekazanie zasobów do badań Zadanie 2. Zorganizowanie stanowiska pomiaru przenikalności chlorków w 17 warunkach agresji mrozu i środków odladzających, opracowanie standardowej procedury pomiaru Zadanie 3. Opracowanie metod projektowania betonu z dodatkiem popiołów 22 fluidalnych wraz z oceną właściwości świeżej mieszanki oraz betonu stwardniałego, ustalenie maksymalnej ilości popiołów z kotłów fluidalnych, jaką można dodać do betonu ze względu na jego trwałość Zadanie 4. Określenie ilościowego wpływu dodatku popiołów fluidalnych na korozję 38 siarczanową i chlorkową betonu. Opracowanie sposobów ograniczania destrukcji spowodowanej korozją chlorkową i siarczanową Zadanie 5. Badania wpływu dodatku popiołów fluidalnych na dynamikę 45 karbonatyzacji betonu Zadanie 6. Zbadanie przyczepności zbrojenia stalowego oraz zbrojenia z taśm 48 i prętów niemetalicznych do betonów konstrukcyjnych z dodatkiem popiołów fluidalnych Zadanie 7. Zbadanie wpływu dodatku do betonu w postaci popiołów fluidalnych 52 na korozję konwencjonalnego zbrojenia stalowego Zadanie 8. Zbadanie wpływu dodatku popiołów fluidalnych na odporność betonu 57 na przenikanie chlorków, na odporność betonu na agresję mrozu i środków odladzających, badanie stabilności mikrostruktury i właściwości mechanicznych betonów w środowiskach o zmiennej wilgotności Zadanie 9. Opracowanie podstaw kształtowania właściwej struktury porów 75 powietrznych w betonach z dodatkami Zadanie 10. Utworzenie i analiza baz danych ilościowych i jakościowych, celem 80 umożliwienia automatycznego prognozowanie trwałości betonów Zadanie 11. Opracowania zaleceń i metodyki wnioskowania o trwałości betonów 88 z dodatkiem popiołów z kotłów fluidalnych na podstawie niepełnych lub ograniczonych informacji oraz wytycznych odnośnie do projektowania betonów na trwałość w określonych środowiskach agresywnych Spis wykorzystanych norm i zaleceń 100 Uwagi 1. W kolejnych częściach niniejszego Sprawozdania podano podstawowe informacje, dotyczące poszczególnych tematów, streszczenie uzyskanych wyników i proponowane wnioski. Pominięto szczegółowe analizy stanu wiedzy, które zostały wykonane we wszystkich zadaniach i poprzedzały podejmowanie badań. Pominięto także szczegóły przeprowadzonych badań i wyniki pomiarów, pozostawiając tylko zasadnicze ich części. Wszystkie pominięte w Sprawozdaniu informacje, a w szczególności wyniki badań, pomiarów i obserwacji, są dostępne w sprawozdaniach z wykonania poszczególnych zadań, przechowywanych w IPPT PAN. Część wyników wykorzystano także w publikacjach, których dane bibliograficzne są zestawione na końcu niniejszego Sprawozdania. 2. Numery tabel i rysunków wybranych do tego Sprawozdaniu zachowano z oryginalnych sprawozdań z poszczególnych zadań, wykonanych w Projekcie. 3

4 4

5 ZAŁĄCZNIK Nr 1B HARMONOGRAM WYKONANIA PROJEKTU BADAWCZEGO PLAN ZADAŃ Lp. Nazwa i opis zadania Termin realizacji (liczba miesięcy zawarcia umowy) Przewidwane koszty (zł) Sprawdzenie jednorodności popiołów fluidalnych do eksperymentów. Akwizycja i przekazanie zasobów do badań 2 Zorganizowanie stanowiska pomiaru przenikalności chlorków w warunkach agresję mrozu i środków odladzających, opracowanie standardowej procedury pomiaru 3 Opracowanie metod projektowania betonu z dodatkiem popiołów fluidalnych wraz z oceną właściwości świeżej mieszanki oraz betonu stwardniałego, ustalenie maksymalnej ilości popiołów z kotłów fluidalnych, jaką można dodać do betonu ze względu na jego trwałość 4 Określenie ilościowego wpływu dodatku popiołów fluidalnych na korozję siarczanową i chlorkową betonu. Opracowanie sposobów ograniczania destrukcji spowodowanej korozją chlorkową i siarczanową 5 Badania wpływu dodatku popiołów fluidalnych na dynamikę karbonatyzacji betonu 6 Zbadanie przyczepności zbrojenia stalowego oraz zbrojenia z taśm i prętów niemetalicznych do betonów konstrukcyjnych z dodatkiem popiołów fluidalnych 7 Zbadanie wpływu dodatku do betonu w postaci popiołów fluidalnych na korozję konwencjonalnego zbrojenia stalowego 8 Zbadanie wpływu dodatku popiołów fluidalnych na odporność betonu na przenikanie chlorków, na odporność betonu na agresję mrozu i środków odladzających, badanie stabilności mikrostruktury i właściwości mechanicznych betonów w środowiskach o zmiennej wilgotności 9 Opracowanie podstaw kształtowania właściwej struktury porów powietrznych w betonach z dodatkami 10 Utworzenie i analiza baz danych ilościowych i jakościowych, celem umożliwienia automatycznego prognozowania trwałości betonów 11 Opracowanie zaleceń i metodyki wnioskowania o trwałości betonów z dodatkiem popiołów z kotłów fluidalnych na podstawie niepełnych lub ograniczonych informacji oraz wytycznych odnośnie do projektowania betonów na trwałość w określonych środowiskach agresywnych Razem Rozpoczęcie: 13 września 2006 r. Zakończenie: 12 marca 2010 r. 5

6 6

7 Osoby uczestniczące w realizacji Projektu z IPPT: Prof. dr hab. inż. Andrzej M. Brandt Doc. dr hab. inż. Michał A. Glinicki, Dr inż. Daria Jóźwiak-Niedźwiedzka Prof. dr hab. inż. Janusz Kasperkiewicz Mgr inż. Danuta Kowalska Doc. dr inż. Róża Krzywobłocka-Laurów Dr inż. Agnieszka Litorowicz Dr hab. Maria Marks Mgr inż. Grzegorz Nowowiejski Techn. Maciej Sobczak Mgr inż. Jolanta Wołowicz Dr inż. Marek Zieliński z Politechniki Warszawskiej: Prof. dr hab. inż. Lech Czarnecki Mgr inż. Przemysław Mossakowski Prof. dr hab. inż. Wojciech Radomski Dr inż. Piotr Woyciechowski z Politechniki Śląskiej: Mgr inż. Katarzyna Domagała, Prof. dr hab. inż. Adam Zybura z Politechniki Krakowskiej: Mgr inż. Stanisław Kańka Prof. dr hab. inż. Jacek Śliwiński Dr inż. Tomasz Tracz z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie: dr hab. inż. Jan Deja, prof. AGH Spec. Ryszard Jazowy Mgr inż. Łukasz Kołodziej Mgr inż. Helena Łaciak Dr inż. Artur Łagosz Prof. dr hab. inż. Jan Małolepszy Dr inż. Radosław Mróz Dr inż. Wojciech Roszczynialski Mgr inż. Barbara Trybalska Dr inż. Krystyna Wodnicka 7

8 8

9 Wprowadzenie Niniejsze Sprawozdanie obejmuje opis wyników badań, przeprowadzonych w ramach Projektu. Ze względu na konieczność ograniczenia objętości Sprawozdania, pominięto analizy stanu wiedzy i techniki w poszczególnych tematach, a także zestawienia wykorzystanych publikacji. Ograniczono także znacznie wszelkie uzasadnienia podejmowanych prac, opisy alternatywnych metod i tp. Całość wykonanych prac jest przedstawiona w sprawozdaniach z wykonania poszczególnych Zadań, z których pełne raporty są przechowywane w IPPT PAN. Wyniki poszczególnych badań i analiz zostały także ogłoszone w postaci publikacji i referatów, przygotowanych przez osoby i zespoły, uczestniczące w realizacji Projektu. Przygotowywane jest także opracowanie w postaci monografii, w które zamieszczone będą w uporządkowanej postaci opisy przeprowadzonych studiów i badań, oraz uzyskane wyniki, wraz ze wszystkimi wnioskami. Monografia powinna umożliwić wszystkim zainteresowanym zapoznanie się z całością wykonanego Projektu w celu wykorzystania tych wyników w praktyce. Jest intencją współautorów Projektu, aby uzyskane wyniki były jak najszerzej wykorzystane w przemyśle. Celem przygotowywanej monografii jest także ułatwienie innym osobom i zespołom podjęcie dalszych prac badawczych i wdrożeniowym. 9

10 10

11 Zadanie 1 Sprawdzenie jednorodności popiołów fluidalnych do eksperymentów. Akwizycja i przekazanie zasobów do badań Właściwości fizyko-chemiczne popiołów fluidalnych z E Turów i EC Katowice W celu scharakteryzowania właściwości fizykochemicznych popiołów, użytych do oceny możliwości wprowadzenia ich do betonów w roli dodatków mineralnych, przeprowadzono badania składu chemicznego, pucolanowości, składu fazowego oraz stopnia rozdrobnienia przez pomiar powierzchni właściwej metodą BET, oraz rozkładu ziarnowego. W przypadku analizy chemicznej i pucolanowości wykorzystano metodyki oceny zawarte w odpowiednich normach. Ocenę składu fazowego wykonano w oparciu o wyniki analizy dyfraktograficznej (XRD), analizy termicznej DTA/TG/DTG, jak również wyniki uzyskane z oceny składu chemicznego. Ponadto, popioły poddano obserwacji z wykorzystaniem elektronowego mikroskopu skaningowego (analiza SEM, EDS). Wyniki tych badań pokazane są w Tabelach , oraz na rys Tabela 1.1. Wyniki analizy chemicznej zastosowanych popiołów fluidalnych Składnik Procent masy danego składnika, % Popiół Turów (T) dostawa r. Popiół Katowice (K) dostawa r. Straty prażenia, 1000 o C/1h 2,73 3,40 SiO 2 36,47 47,18 Fe 2 O 3 4,40 6,80 Al 2 O 3 28,40 25,62 TiO 2 3,84 1,08 CaO 15,95 8,54 MgO 1,65 0,15 SO 3 3,80 3,62 Na 2 O 1,64 1,18 K 2 O 0,62 2,36 Suma: 99,50 99,93 Tabela 1.2. Zawartość wolnego tlenku wapnia w popiołach lotnych. Składnik Procent masy w badanym popiele, % Popiół Turów (T) dostawa r. Popiół Katowice (K) dostawa r. CaO w 4,75 3,40 Cl - 0,03 0,10 11

12 Tabela 1.3. Aktywność pucolanowa oznaczona metodą ASTM. Składnik Aktywność pucolanowa popiołów, % Popiół Turów (T) dostawa r. Popiół Katowice (K) dostawa r. SiO 2 19,37 21,50 Al 2 O 3 13,00 14,80 Fe 2 O 3 0,00 0,00 SUMA: 32,37 36,30 Tabela 1.4. Szacowany skład fazowy popiołów ze spalania w kotle fluidalnym. Stwierdzona faza Udział danej fazy w masie popiołu lotnego, % Popiół Turów (T) Popiół Katowice (K) dostawa r. dostawa r. SiO 2 1,5 15,0 CaSO 4 6,5 6,2 CaO 4,7 3,4 CaCO 3 4,5 1,6 nie spalony węgiel Brak 1,7 fazy bezpostaciowe, związane z rozkładem minerałów ilastych typu metakaolinitu 82,7 72,1 Tabela 1.5. Wyniki oznaczeń parametrów fizycznych badanych popiołów ze spalania w kotłach fluidalnych. Oznaczona cecha fizyczna Wyniki oznaczeń popiołów: Turów (T) dostawa r. Katowice (K) dostawa r. Gęstość właściwa, g/cm 3 2,75 2,68 Powierzchnia BET, m 2 /g 12,1 13,5 Mediana wielkości ziarna D udziału objętościowego, µm Moda wielkości ziarna D udziału objętościowego, µm Wodożądność zaczynu wodnopopiołowego o normowej konsystencji wyrażona wskaźnikiem W/S 37,3 31,6 14,3 22,0 0,746 0,732 12

13 A C Q - kwarc A - anhydryt K - kalcyt C - CaO 500 C Intensywność, Q Q K C K K A Q Q A K Q Q Q Q theta Rys Analiza XRD popiołu lotnego Turów (T) A Q Q - kwarc A - anhydryt K - kalcyt C - CaO 400 Q intensywność, K Q Q, K A Q C Q A K Q K Q C Q Q Q theta Rys Analiza XRD popiołu lotnego Katowice (K). Pozostałe wyniki badania popiołów oraz wyniki badań zaczynów z popiołami i wpływu popiołów na cechy świeżych zapraw normowych przedstawiono sprawozdaniu z Zadania 1. Na tej podstawie stwierdzono, że wprowadzenie 15 i 20% popiołów wywołuje zmianę konsystencji zaprawy normowej, mierzoną średnicą rozpływu zaprawy na stoliku rozpływu. Przy wprowadzeniu 30% popiołu koniecznym było, aby uzyskać zapraw o konsystencji po- 13

14 zwalającej na ich techniczne wykorzystanie, wprowadzenie domieszek o charakterze upłynniającym. W dalszych badaniach wykazano, że wprowadzenie popiołów fluidalnych w ilościach do 20% masy spoiwa (do 25% masy cementu CEM I 32,5R) pozwala na uzyskanie spoiwa, które z punktu widzenia cech wytrzymałościowych dałoby się klasyfikować jako spoiwo o klasę wyżej niż klasa cementu wyjściowego, czyli potencjalnej klasy 42,5, przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości wczesnej f c (cechy wytrzymałościowe zapraw są odpowiednikiem cementu z oznaczeniem R ), wyniki pokazano w Tabeli 1.6. Wzrost cech wytrzymałościowych zapraw między 90 a 360 dniem twardnienia próbek, zawierających dodatek różnych ilości popiołów z E Turów, w okresie tym praktycznie nie przekraczał 10%. W przypadku zastosowania popiołów z EC Katowice w omawianym okresie przyrost wytrzymałości jest widoczny jedynie w przypadku użycia 15% popiołu, podczas gdy wyższy jego udział wskazuje na zatrzymanie wzrostu cech wytrzymałościowych, praktycznie analogicznie do wyników charakterystycznych dla samego cementu CEM I 32,5R. Tendencja zmian cech wytrzymałościowych pomiędzy 360 i 720 dniem twardnienia jest niewielka; stwierdzono kilkuprocentowy wzrost wytrzymałości. Nie zaobserwowano się żadnych negatywnych zjawisk, mogących być następstwem chemicznych właściwości popiołów. Badania cech wytrzymałościowych przeprowadzono według procedury, podanej w normie PN-EN 196-1:2006. Sprawdzenie jednorodności popiołów fluidalnych do eksperymentów. Projekt obejmował zastosowanie dwóch popiołów lotnych, powstających w instalacjach energetycznych podczas fluidalnego spalania węgla brunatnego i węgla kamiennego. Wybrano dwa źródła popiołów: Elektrownię Turów oraz Elektrociepłownię Katowice, uznając je za reprezentatywne dla dwóch typów paliwa. Sprawdzenie jednorodności popiołów lotnych z fluidalnego spalania polegało na monitorowaniu składu chemicznego i właściwości fizycznych na podstawie badań próbek pobieranych raz na kwartał. Zbadano następujące partie popiołów fluidalnych: I - otrzymana Turów oraz Katowice, II (Turów) oraz (Katowice), III (Turów) oraz (Katowice), Tabela 1.6. Tabela 1.6. Wytrzymałość na zginanie i ściskanie zapraw normowych zawierających różne ilości popiołów lotnych. Skład spoiwa w zaprawie normowej (S:W:P=1:0,5:3) Cement CEM I 32,5R Wytrzymałość na zginanie // ściskanie zapraw po czasie dojrzewania, MPa 2 dni 7 dni 28 dni 90 dni 180 dni 360 dni 720 dni 6,2 // 7,6 // 8,6 // 8,6 // 8,5 // 8,7 // 8,3 // 27,8 37,5 41,4 52,0 48,0 53,5 55,8 85% - CEM I 32,5R 15% - popiół Turów (T) 80% - CEM I 32,5R 20% - popiół Turów (T) 70% - CEM I 32,5R 30% - popiół Turów (T) 1,5% - Glenium SKY591(BASF) 0,9% - Liquol BV18 (BASF) 5,6 // 27,4 6,3 // 29,0 4,9 // 19,2 7,7 // 41,4 8,3 // 44,9 7,9 // 40,5 8,5 // 50,6 8,6 // 53,5 10,2 // 52,0 8,3 // 52,6 9,6 // 56,8 9,9 // 60,3 8,5 // 56,3 9,6 // 56,8 9,9 // 61,2 9,1 // 58,3 9,3 // 59,9 9,5 // 65,0 9,6 // 60,6 9,3 // 62,7 9,4 // 65,5 85% - CEM I 32,5R 15% - popiół Katowice (K) 6,4 // 28,8 8,9 // 48,0 9,4 // 55,2 9,5 // 58,0 9,2 // 59,9 9,1 // 63,6 9,4 // 66,8 14

15 80% - CEM I 32,5R 20% - popiół Katowice (K) 70% - CEM I 32,5R 30% - popiół Katowice (K) 0,5% - Glenium SKY591(BASF) 0,9% - Liquol BV18 (BASF) 6,8 // 29,0 5,1 // 19,3 8,8 // 48,3 7,8 // 41,0 9,5 // 58,0 9,6 // 51,2 9,4 // 60,6 9,1 // 55,9 10,1 // 61,9 9,9 // 58,1 10,2 // 62,1 9,6 // 54,1 9,6 // 64,9 9,3 // 57,2 Podstawowe oznaczenie pucolanowości popiołów wykonano według normy ASTM C Metoda polega na oznaczeniu ilości SiO 2, Al 2 O 3 i Fe 2 O 3, która przechodzi w warunkach oznaczenia do roztworu, potencjalnie stanowiąc aktywny składnik, który może brać udział w reakcjach z jonami np. wapnia, obecnymi w fazie ciekłej zaczynu cementowego. Wyniki oznaczenia pokazują, że aktywność pucolanowa badanych popiołów jest bardzo zróżnicowana i to zarówno w odniesieniu do popiołu z Turowa, jak i z Katowic. Pucolanowość popiołów fluidalnych poddano także oznaczeniu zgodnie z procedurą zawartą w normie PN-EN 450-2:2006, na podstawie wytrzymałości zaprawy normowej. Uzyskane wyniki badań w tym zakresie wskazują wysoką pucolanowość popiołów fluidalnych, niemniej jednak, podobnie jak wykazały badania metodą chemiczną wg normy ASTM, zmienność pucolanowości jest duża w przypadku obu źródeł popiołów. Ocenę składu fazowego popiołów lotnych dokonano na podstawie analizy dyfraktograficznej, wykonanej w aparacie firmy Philips, termicznej - wykonanej w aparacie Derywatograph typ OD system Paulik-Paulik-Erdeg oraz wyników analizy chemicznej. Oceny zawartości anhydrytu w popiołach dokonano korzystając z wyników analizy chemicznej zawartości SO 3. Zawartość CaO jako fazy samodzielnej jest tożsama z oznaczoną zawartością wolnego wapna, przy założeniu, że nie występuje wodorotlenek wapnia. Ilość węglanu wapnia została określona drogą analizy termicznej efekt endotermiczny związany z ubytkiem masy badanej próbki w zakresie temperatur o C, natomiast ilość niespalonego węgla określono w oparciu o efekt egzotermiczny i towarzyszący mu ubytek masy próbki w zakresie temperatury o C (w tym zakresie temperatury następuje spalenie węgla). Wykorzystano także oznaczenie składu ilościowego metodą Rietvelda, a następnie po analizie chemicznej określono zawartość kwarcu. Stwierdzono zmienność powierzchni ocenianej metodą BET, szczególnie dużą w przypadku popiołu Turów, dla którego uzyskano skrajne wyniki 5,7 i 12,1 m 2 /g. Ze stosunkowo dużą zmiennością powierzchni popiołów Turów wiążą się także duże zmiany w udziale nieprzereagowanego sorbentu, wykazane zawartością CaO w (4,7 10,0 %) i CaCO 3 (4,5 8,9 %). Zmienność tych parametrów w przypadku popiołu Katowice jest niewielka. Badania składu chemicznego popiołów wykazują, że zawartość SO 3 nie przekracza 6%, co sprawia, że przy planowanym poziomie dozowania do masy spoiwa nie zostanie przekroczony poziom 3,5% jego masy. Zestawienie wyników badań chemicznych popiołów fluidalnych z E Turów, pozyskanych jeszcze przed rozpoczęciem realizacji niniejszego programu badawczego, wskazuje na wyższą średnią zawartość SO 3 w tym odpadzie we wcześniejszym okresie, niż w okresie prowadzenia dwuletniego monitoringu. Jedynie próbka T7, uzyskuje poziom zawartości SO 3 charakterystyczny dla omawianego w tym rozdziale okresu, co uwiarygodnia zmienność popiołów w zakresie tego parametru. Wyniki te oraz wyniki badań dotyczące monitorowania odpadów wskazują na wysoką zmienność parametrów istotnych w technologii betonu, stąd popiół potencjalnie zastosowany do betonu musiałby być odpowiednio przygotowywany poprzez uśrednianie dużych partii i ich homogenizację. Wartości wolnego CaO w tym badaniu wykraczały nawet poza zakres, jaki uzyskano prowadząc monitoring w okresie 2 lat, co powoduje, że zakres zmienności parametru rozszerza się od 1,6% do 10,0%. 15

16 Badania te wskazują także na możliwość pojawienia się wyższych strat prażenia w popiołach z Turowa, którym mogą towarzyszyć większe ilości niespalonego węgla lub zwiększona zawartość CaCO 3. Odpowiednie ilości popiołów z obu źródeł pobrano i przekazano do wykorzystania przy wykonywaniu próbek do badań we wszystkich Zadaniach. 16

17 Zadanie 2. Zorganizowanie stanowiska pomiaru przenikalności chlorków w warunkach agresji mrozu i środków odladzających, opracowanie standardowej procedury pomiaru Znane są rozmaite metody określania odporności betonu na przenikanie chlorków, mianowicie: - według Normy AASHTO1259; - według Normy ASTM C-1202; - metodę migracji elektrycznej (wzór Nernsta-Plancka); - według NT Build 492; a także metody dyfuzyjne. Do badań wybrano przyspieszoną metodę migracji chlorków według NT Build 492, która polega na określeniu współczynnika migracji chlorków przy nieustalonym ich przepływie. Betonowe próbki, wcześniej odpowiednio przygotowane, umieszcza się w komorze pomiarowej między miedzianymi elektrodami, rys Elektroda połączona z ujemnym biegunem źródła prądu umieszczona jest w części komory wypełnionej 10% roztworem NaCl, elektroda połączona z dodatnim biegunem w części wypełnionej 0,3 mol/dm 3 roztworem NaOH. Próbki poddaje się przepływowi prądu o napięciu w zakresie od 10 do 60 V, które jest dobierane według wytycznych normowych. Pojedynczy pomiar trwa od 24 do 96 godzin, rys Wartość współczynnika migracji chlorków wyznacza się na podstawie wielkości przyłożonego napięcia, temperatury anolitu mierzonej na początku i końcu badania oraz głębokości, na jaką wniknęły jony chlorkowe, mierzonej na osiowo rozłupanej próbce. Do zorganizowania stanowiska pomiaru przenikalności chlorków niezbędne było przygotowanie/zakupienie i odpowiednie połączenie następującej aparatury: komór pomiarowych z miedzianymi elektrodami; multimetru; zasilacza laboratoryjnego; pompy próżniowej wraz z odpowiednimi pojemnikami. Zgodnie z metodą według NT Build 492 przygotowano trzy niezależne stanowiska do badania współczynnika migracji chlorków. Na podstawie przeprowadzonych badań wstępnych, po otrzymaniu zadowalającej powtarzalności oraz odtwarzalności wyników (mieszczących się w przedziale normowym), opracowano standardową procedurę pomiaru współczynnika migracji chlorków przy nieustalonym ich przepływie. Po zakończeniu badania próbkę należy rozłupać na dwie części, w celu określenia głębokości wniknięcia chlorków. Powierzchnię przełamu spryskuje się roztworem azotanu srebra (0,1 M AgNO 3 ). W wyniku reakcji azotanu srebra z chlorkami, które przeniknęły do wnętrza próbki, zmienia się zabarwienie spryskanej powierzchni betonu w miejscu ich występowania (następuje wytrącenie chlorku srebra o jasnym zabarwieniu), rys Należy wykonać siedem pomiarów szerokości zabarwionego obszaru zaczynając od środka próbki i przesuwając się o 10 mm w kierunku obu brzegów próbki, rys Wynik badania stanowi wartość średnią z siedmiu pomiarów. 17

18 komora z katolitem 10% roztwór NaCl komora z anolitem 0,3 molowy roztwór NaOH próbka przygotowana do badania Rys Aparatura do przeprowadzenia badania migracji chlorków w betonie Rys Przyrządy pomiarowe, multimetr M4650 i zasilacz laboratoryjny DF1760SL3A 18

19 Nierozpuszczalny AgCl Rys Widok przykładowej próbki rozłupanej po badaniu migracji chlorków i spryskanej roztworem AgNO 3 Rys Sposób przeprowadzenia pomiaru głębokości wniknięcia chlorków w beton odpowiadający wymaganiom NT Build 492 (L wysokość próbki walcowej ok. 50 mm) Zmierzona głębokość penetracji służy do określenia współczynnika migracji jonów chlorkowych w stanie nieustalonym według wzoru: D nssm tu: = RT zfe x α x t, E = U L 2, α = 2 RT zfe erf 1 2cd 1 c 0 D nssm współczynnik migracji w stanie nieustalonym (non-steady-state migration coefficient) [m 2 /s], z wartościowość jonu, w przypadku chloru z = 1, F stała Faradaya, F = 9,648٠ 10 4 [J/(V mol)], U napięcie prądu [V], R stała gazowa, R = 8,314 [J/(K mol)], T średnia wartość początkowej i końcowej temperatury w cieczy anodowej [K], L grubość próbki [m], x średnia wartość głębokości penetracji [m], 19

20 t czas trwania testu [s], erf 1 odwrotność funkcji błędu, c d koncentracja chlorków, przy której następuje zmiana barwy, c d 0,07 M, c 0 koncentracja chlorków w cieczy katodowej, c 0 2 M , 07 Jeśli erf 1 = 1, 28, to powyższy wzór przyjmie postać: 2 0,0239(273 + T ) L (273 + T ) Lx D nssm = x 0,0238, ( U 2) t U 2 tu: D nssm współczynnik migracji w stanie nieustalonym, x10-12 [m 2 /s], U wartość użytego napięcia [V], T średnia wartość początkowej i końcowej temperatury w cieczy anodowej [ C], L grubość próbki [mm], x średnia wartość głębokości penetracji [mm], t czas trwania testu [h]. Na podstawie drugiego prawa Ficka (model nieustalonego przepływu strumienia chlorków) i głębokości wnikania chlorków określa się współczynnik migracji chlorków w betonie - D nssm.. Kryteria oceny współczynnika migracji chlorków w beton nie są jeszcze ujęte w normach. Tang zaproponował kryteria oceny odporności betonu na przenikanie chlorków przedstawione w Tabeli 2.1 na podstawie badań współczynnika migracji chlorków w betonie 28- dniowym, prowadzonych według przyspieszonej metody opracowanej przez niego w pracy doktorskiej. Tabela 2.1. Ocena odporności betonu na wnikanie chlorków Współczynnik migracji po 28 dniach Odporność na wnikanie chlorków < 2 x m 2 /s Bardzo dobra 2 8 x m 2 /s Dobra 8 16 x m 2 /s Dopuszczalna > 16 x m 2 /s Niedopuszczalna Pomiar wnikania chlorków we wczesnym wieku, np. po 28 dniach dojrzewania, potrzebny jest do oceny jakości wbudowanego betonu, natomiast w późniejszym okresie użytkowania konstrukcji jest parametrem diagnostycznym świadczącym o stanie technicznym betonu w konstrukcji. Sprzęt badawczy Przygotowanie stanowiska do badania przenikalności chlorków przez beton wymagało zakupu, uruchomienia i sprawdzenia następujących urządzeń: o multimetr M4650 (mikroamperomierz) 3 szt. rys. 2.3; o zasilacz laboratoryjny DF1760SL3A 3 szt., rys. 2.3; o celki pomiarowe z wbudowaną siatką - 6 szt., rys. 2.2; o termometr elektroniczny 1 szt. Ponadto badanie odporności betonu na wnikanie chlorków wymaga użycia pompy próżniowej w celu nasączenia próbek roztworem Ca(OH) 2, rys. 2.4 i maszyny wytrzymałościowej w celu 20

21 rozłupania próbek po badaniu w celkach pomiarowych, a także sprzętów znajdujących się w typowym laboratorium badawczym. Rys Wypełnianie roztworem Ca(OH) 2 pojemnika z próbkami przetrzymywanymi w próżni Procedura badawcza Na podstawie przeprowadzonych badań wstępnych napisano procedurę laboratoryjną nr: LabP-06-PPO-IPPT Instrukcja badania migracji jonów chlorkowych w betonie wg NT BUILD

22 Zadanie 3. Opracowanie metod projektowania betonu z dodatkiem popiołów fluidalnych wraz z oceną właściwości świeżej mieszanki oraz betonu stwardniałego, ustalenie maksymalnej ilości popiołów z kotłów fluidalnych, jaką można dodać do betonu ze względu na jego trwałość. Zakres badań Przygotowanie metody projektowania betonów konstrukcyjnych przy wykorzystaniu popiołów fluidalnych, opisanych w Zadaniu 1 jako składnika spoiwa, objęło następujące prace: - dobranie i sprawdzenie jakości składników; - określenie wpływu popiołów na podstawowe właściwości betonów przez wykonanie próbek i przeprowadzenie niezbędnych badań; - zaproponowanie i sprawdzenie metody projektowania betonów konstrukcyjnych. Na podstawie obecnego stanu wiedzy rozpatrzono modyfikację klasycznego równania Bolomey a i innych znanych od blisko 100 lat zależności wytrzymałości betonu od jego składu, a następnie przestawiono własną koncepcję polegającą na sformułowaniu zależności typu f c = f(w/s; pf/s), stanowiącej wynik aproksymacji wyników badań otrzymanych na drodze doświadczalnej. Zależność ta ma jednak ograniczony zakres ważności, wynikający z przyjętych zakresów zmienności analizowanych czynników. Niezależnie od tego, na podstawie zależności podanej przez Atişa 1, określono wartości współczynnika efektywności k popiołów fluidalnych z węgla kamiennego i brunatnego przy różnych okresach dojrzewania. Celem tych prac było określenie wpływu rodzaju i zawartości dwóch popiołów fluidalnych z węgla kamiennego z elektrociepłowni EC Katowice i z węgla brunatnego z Elektrowni Turów w spoiwie cementowo-popiołowym na wybrane właściwości mieszanek i betonów stwardniałych. Celem był także udział w ocenie przydatności tych popiołów jako mineralnego dodatku do betonów cementowych. Zakres przeprowadzonych badań i analiz obejmował: - badania składników wytypowanych do wykonania doświadczalnych badań betonów, - opracowanie receptur mieszanek referencyjnych i mieszanek z dodatkiem analizowanych popiołów fluidalnych, w tym wybór rodzaju i ilości domieszek upłynniających i napowietrzających, - ocenę właściwości mieszanek betonowych i betonów stwardniałych, - opracowanie metody projektowania składu betonu z dodatkiem popiołów fluidalnych, wykorzystującej doświadczalnie ustalone zależności 28 i 90 dniowej wytrzymałości betonu na ściskanie od zawartości popiołu fluidalnego w spoiwie oraz od wskaźnika wodnospoiwowego. W pierwszych miesiącach realizacji Projektu wykonano próbki i elementy do badań w Zadaniu 3 i dla wszystkich pozostałych zespołów. Miało to na celu ujednolicenie materiału badawczego i umożliwienie porównywania wyników. Przekazano komplety próbek następującym zespołom: Zadania 2 i 8a (zespół IPPT) Zadanie 4 (zespół prof. J. Małolepszego) Zadanie 5 (zespół prof. L. Czarneckiego) Zadanie 7 (zespół prof. A. Zybury) Zadanie 8c (zespół IPPT) Zadanie 8b (zespół IPPT) Zadanie 9 (zespół IPPT) 75 walców 100/200 mm 48 kostek 100 mm 60 belek 100x100x400 mm 15 kostek 100 mm, 12 belek 50x100x600 mm 90 belek 100x100x500 mm 120 kostek 100 mm I 30 kostek mm 15 kostek 100 mm 1 Atiş C.D. Strength properties of high-volume fly ash roller compacted and workable concrete and influence of curing conditions. Cement & Concrete Research, 35, 2005,

23 Ponadto przygotowano także 90 kostek 150 mm (po 6 z betonów każdej serii) do badania wodoszczelności. Przyjęte założenia i ustalenia W zakresie rodzajów stosowanych składników przyjęto: - cement portlandzki CEM I 32,5R z cementowni Małogoszcz, - kruszywo w postaci dobrej jakości piasku 0/2 mm i żwiru 2/8 i 8/16 mm; - popioły lotne fluidalne z Elektrociepłowni Katowice (K) i ElektrowniTurów (T), - woda z sieci wodociągowej, - plastyfikator, superplastyfikator i środek napowietrzający stosownie do potrzeb. W zakresie składu betonów referencyjnych, traktowanych jako trzy zwykłe betony konstrukcyjne, przyjęto: - beton A0 o stosunku w/c = 0,55; nie napowietrzony, o zawartości cementu C = 320 kg/m 3 ; (beton zwykły spełniający wymagania normowe dla klas ekspozycji: XC3, XD2, XF1, XA1), - beton B0 o stosunku w/c = 0,45 nienapowietrzony, o zawartości cementu C = 360 kg/m 3 ; (beton spełniający wymagania normowe klas ekspozycji: XC4, XD3, XF1, XA1), - beton C0 o stosunku w/c = 0,45 napowietrzony, o zawartości cementu c = 380 kg/m 3 ; (beton mostowy, spełniający wymagania normowe klas: XC4, XD3, XF4). Konsystencja mieszanek betonowych powinna charakteryzować się opadem stożka Abramsa w granicach 100 do 150 mm. Co do udziału popiołów fluidalnych w spoiwie - przyjęto analizować betony, w których zawartość popiołów wynosi 15 i 30% masy spoiwa. Przyjęto nastepujące warunki dojrzewania: w czasie pierwszych dwóch dób po zaformowaniu próbki przechowywane będą w warunkach uniemożliwiających odparowanie wody, po czym przez kolejne dni, aż do chwili badania próbki przechowywane będą w temperaturze ok. 20 o C i w wilgotności względnej powietrza > 90% (nad wodą). W przypadku badań po dłuższym okresie dojrzewania, od 28 dnia próbki przechowywane będą w warunkach laboratoryjnych (temperatura ok. 20 o C, wilgotność względna ok. 60%). Przyjęto następujący sposób oznaczania analizowanych betonów: - A0 beton referencyjny o stosunku w/c = 0,55 bez dodatku popiołu fluidalnego, - B0 beton referencyjny o stosunku w/c = 0,45 bez dodatku popiołu fluidalnego, - C0 beton referencyjny o stosunku w/c = 0,45, napowietrzony, bez dodatku popiołu fluidalnego, - A15K, A30K, A15T, A30T betony o stosunku w/s = 0,55; z dodatkiem popiołu fluidalnego odpowiednio z węgla kamiennego z Katowic (K) lub brunatnego z Turowa (T) w ilości 15 lub 30% masy spoiwa; - B15K, B30K, B15T, B30T betony o stosunku w/s = 0,45; z dodatkiem popiołu fluidalnego odpowiednio z węgla kamiennego (K) lub brunatnego (T) w ilości 15 lub 30% masy spoiwa; - C15K, C30K, C15T, C30T betony o stosunku w/s = 0,45; napowietrzone; z dodatkiem popiołu fluidalnego odpowiednio z węgla kamiennego (K) lub brunatnego (T) w ilości 15 lub 30% masy spoiwa. Składniki badanych mieszanek betonowych Wszystkie próbki i elementy do badań wykonano z cementu CEM I 32,5R Małogoszcz. Badania dostarczonej próbki tego cementu przeprowadziło laboratorium Lafarge Cement S.A. Kompletna charakterystyka fluidalnych popiołów lotnych pochodzących ze spalania węgla kamiennego (Katowice; K) i z węgla brunatnego (Turów; T) znajduje się w sprawozdaniu z Zadania 4. Do wykonania betonów użyto naturalne kruszywa rzeczne w postaci piasku i żwirów ze złoża Niwka położonego w okolicach Tarnowa. Kruszywa, z których komponowano mie- 23

24 szankę kruszyw do badanych betonów, to piasek 0/2 mm, żwir 2/8 mm i żwir 8/16 mm. Dodatkowo sprawdzono mrozoodporność obydwu stosowanych frakcji kruszywa żwirowego. Wszystkie wyniki badania cementu i kruszywa są podane w sprawozdaniu z Zadania 3. Komponowanie mieszanki kruszyw stosowanej do wykonania betonów Komponowanie całego stosu okruchowego stosowanego do wykonania betonów analizowanych w projekcie przeprowadzono za pomocą programu komputerowego Beton v.3.1 firmy BUTORG we Wrocławiu. Program ten pozwala na ustalenie najkorzystniejszych proporcji składników kruszywa na podstawie położenia łącznej krzywej przesiewu w obszarze dobrego uziarnienia. Dodatkowo doświadczalnie zbadano także jamistość skomponowanego kruszywa. W wyniku przeprowadzonych analiz i badań laboratoryjnych mieszankę kruszywową do betonów postanowiono komponować stosując następujące proporcje zmieszania kruszyw składowych: - piasek 0/2 mm 32%, - żwir 2/8 mm 38%, - żwir 8/16 mm 30%. Uziarnienie kruszywa przedstawiono w Tabeli 3.1. Mieszanka kruszywowa charakteryzowała się punktem piaskowym 33,8% oraz zawartością nadziarna (> 16 mm) ok. 3%. Jej określona doświadczalnie jamistość wynosiła 24,8 % obj. Tabela 3.1. Udział frakcji w mieszance kruszywowej Kruszywo Zawartość Sito [mm] / odsiew [%] [%] 0,125 0,25 0, ,5 Piasek 0/2 mm 32 0,4 2,2 14,2 11,6 2,5 0,9 0,1 0,1 0,0 Żwir 2/8 mm 38 0,2 0,1 0,0 0,2 1,5 7,5 20,2 8,2 0,0 Żwir 8/16 mm 30 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,3 1,4 24,6 2,9 Razem mieszanka 100 0,7 3,2 17,6 29,6 33,8 42,4 64,2 97,1 100,0 Analizowane domieszki i ich wybór Jako główne kryteria wyboru zestawu domieszek przyjęto: - uzyskanie mieszanki o konsystencji charakteryzującej się opadem stożka Abramsa w granicach od 100 do 150 mm, przy dodatkowym ograniczeniu do dawek podawanych przez producenta jako maksymalnych; - uzyskanie napowietrzenia na poziomie ok. 6% obj. przy dodatkowym warunku braku potrzeby przekraczania dawek podawanych przez producenta jako maksymalnych; - stabilności konsystencji i stopnia napowietrzenia w czasie minimum 60 min od wymieszania składników z wodą. Łącznie badaniom poddano 7 superplastyfikatorów i 4 domieszki napowietrzające produkowane przez cztery wiodące na krajowym rynku firmy: CHRYSO, SCHOMBURG, SIKA (Addiment) i BASF (Woermann). W efekcie przeprowadzonych badań i obserwacji zachowania się mieszanek, do wykonywania betonów stanowiących przedmiot projektu wytypowano domieszki, które pozwoliły na spełnienie w/w kryteria. Okazały się nimi domieszki produkowane przez firmę BASF, mianowicie: - plastyfikator Liquol BV 18 i superplastyfikator Glenium SKY 591, - domieszkę napowietrzającą Mischöl LP

25 Projektowanie składu betonów Skład betonów referencyjnych zaprojektowano obliczając ilość wody w = c w/c. Następnie z równania szczelności mieszanki betonowej obliczono ilość kruszywa, które w dalszym ciągu rozdzielono na piasek i dwie frakcje k = V k ρ k = ( V c - V w ) ρ k = ( c/ρ c - w) ρ k gdzie: V k, V c, V w - objętościowe udziały kruszywa, cementu i wody w mieszance [dm 3 /m 3 ], ρ k, ρ c - gęstość odpowiednio kruszywa (2,60 kg/dm 3 ) i cementu (3,1 kg/dm 3 ). Ilości wybranych domieszek, niezbędne aby uzyskac zakładane właściwości każdej z mieszanek betonowych, ustalono doświadczalnie. Zaprojektowany skład betonów referencyjnych podano w Tabeli 3.2. Tabela 3.2 Skład betonów referencyjnych Zawartość w betonie Składnik A0 B0 C0 kg/m 3 dm 3 /m 3 kg/m 3 dm 3 /m 3 kg/m 3 dm 3 /m 3 Cement CEM I 32,5R Woda Kruszywo, w tym: - piasek 0/2 mm - żwir 2/8 mm, - żwir 8/16 mm plastyfikator BV 18 2,9 3,2 3,4 2,4 2,7 (0,9%) (0,9%) (0,9%) 2,9 - superplastyfikator SKY 591 1,0 4,3 2,7 0,9 4,1 (0,3%) (1,2%) (0,7%) 2,5 - środek napowietrzający LP ,4 (0,1%) 0,4 w/c 0,55 0,45 0,45 zawartość zaczynu 1/ [dm 3 /m 3 ] zawartość zaprawy 2/ [dm 3 /m 3 ] / w objętości zaczynu uwzględniono objętość domieszek 2/ w objętości zaprawy uwzględniono rzeczywistą zawartość piasku w kruszywie (33,8% m.), na którą składa się piasek i frakcje piaskowe w żwirach Projektowanie betonów z dodatkiem popiołów fluidalnych K i T Zawartość SO 3 w przyjętym do stosowania cemencie CEM I 32,5 R Małogoszcz wynosi ok. 3%, zawartość SO 3 w popiołach może sięgać 4,5%, zaś łączna zawartość SO 3 w spoiwie nie powinna przekraczać 3,5%. Wobec tego maksymalna zawartość popiołu fluidalnego w spoiwie nie powinna być większa od 33%. Wyniki wstępnych prób laboratoryjnych wykazały, że przy 40% zawartości popiołu fluidalnego uzyskanie mieszanki urabialnej i nadającej się do praktycznych zastosowań (transport pompowy) jest bardzo trudne w warunkach laboratoryjnych, a w praktyce budowlanej może się okazać niemożliwe. Wobec tego przyjęto, że maksymalna ilość popiołów fluidalnych, dodawanych jako część spoiwa wynosi 30%. Do dalszych badań przyjęto betony, wykonane ze spoiw, w którym zawartość popiołów fluidalnych wynosi 15 i 30% masy. Projektowanie betonów, w których spoiwo składało się w części (85 i 70% m.) z cementu CEM I 32,5 R Małogoszcz i w części (15 i 30% m.) z popiołu fluidalnego Katowice lub Turów, polegało na ustaleniu składu spoiwa mieszanego w ilościach jak w betonach referencyjnych 320, 360 i 380 kg/m 3 (odpowiednio w betonach serii A, B i C) oraz doborze ilości do- 25

26 mieszek upłynniających (betony serii A i B) oraz domieszek upłynniających i środka napowietrzającego (beton serii C). Projektowano betony doświadczalnie: po zestawieniu i wymieszaniu składników (cement, popiół, kruszywo i woda), na kolejnych zarobach sprawdzano efekt działania różnych ilości domieszek i kończono, gdy mieszanka betonowa osiągała wymagane właściwości. Mieszanie odbywało się w mieszarce laboratoryjnej w sposób zbliżony do stosowanego w przemysłowej produkcji mieszanki. Zaprojektowane składy poszczególnych serii podano w Tabelach Podane w nawiasach zawartości domieszek odniesiono do masy spoiwa. Tabela 3.3. Skład betonów serii A Zawartość w betonie Składnik A15K A30K A15T A30T kg/m 3 dm 3 /m 3 kg/m 3 dm 3 /m 3 kg/m 3 dm 3 /m 3 kg/m 3 dm 3 /m 3 Cement CEM I 32,5R Popiół fluidalny Katowice (K) lub Turów (T) Woda Kruszywo, w tym: - piasek 0/2 mm - żwir 2/8 mm, - żwir 8/16 mm plastyfikator BV 18 2,9 2,9 2,9 2,9 2,4 2,4 2,4 (0,9%) (0,9%) (0,9%) (0,9%) 2,4 - superplastyfikator SKY 591 1,6 2,1 2,6 3,5 1,5 2,0 2,4 (0,5%) (0,65%) (0,8%) (1,1%) 3,3 - środek napowietrzający LP w/c 0,55 0,55 0,55 0,55 zawartość zaczynu 1/ [dm 3 /m 3 ] zawartość zaprawy 2/ [dm 3 /m 3 ] / w objętości zaczynu uwzględniono objętość domieszek 2/ w objętości zaprawy uwzględniono rzeczywistą zawartość piasku w kruszywie (33,8% m.), na którą składa się piasek i frakcje piaskowe w żwirach Tabela 3.4. Skład betonów serii B Zawartość w betonie Składnik B15K B30K B15T B30T kg/m 3 dm 3 /m 3 kg/m 3 dm 3 /m 3 kg/m 3 dm 3 /m 3 kg/m 3 dm 3 /m 3 Cement CEM I 32,5R Popiół fluidalny Katowice (K) lub Turów (T) Woda Kruszywo, w tym: - piasek 0/2 mm - żwir 2/8 mm, - żwir 8/16 mm plastyfikator BV 18 3,2 3,2 3,2 3,2 2,7 2,7 2,7 (0,9%) (0,9%) (0,9%) (0,9%) 2,7 - superplastyfikator SKY 591 3,2 3,2 4,7 5,6 3,1 3,1 4,4 (0,9%) (0,9%) (1,3%) (1,55%) 5,3 - środek napowietrzający LP w/c 0,45 0,45 0,45 0,45 zawartość zaczynu 1/ [dm 3 /m 3 ] zawartość zaprawy 2/ [dm 3 /m 3 ] / w objętości zaczynu uwzględniono objętość domieszek 2/ w objętości zaprawy uwzględniono rzeczywistą zawartość piasku w kruszywie (33,8% m.), na którą składa się piasek i frakcje piaskowe w żwirach 26

27 Tabela 3.5. Skład betonów serii C Zawartość w betonie Składnik C15K C30K C15T C30T kg/m 3 dm 3 /m 3 Kg/m 3 dm 3 /m 3 kg/m 3 dm 3 /m 3 kg/m 3 dm 3 /m 3 Cement CEM I 32,5R Popiół fluidalny Katowice (K) lub Turów (T) Woda Kruszywo, w tym: - piasek 0/2 mm - żwir 2/8 mm, - żwir 8/16 mm plastyfikator BV 18 3,4 3,4 3,4 3,4 2,9 2,9 2,9 (0,9%) (0,9%) (0,9%) (0,9%) 2,9 - superplastyfikator SKY 591 2,5 3,4 3,8 4,8 2,3 3,2 3,6 (0,65%) (0,9%) (1,0%) (1,25%) 4,5 - środek napowietrzający LP 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 75 (0,15%) (0,15%) (0,15%) (0,15%) 0,6 w/c 0,45 0,45 0,45 0,45 zawartość zaczynu 1/ [dm 3 /m 3 ] zawartość zaprawy 2/ [dm 3 /m 3 ] / w objętości zaczynu uwzględniono objętość domieszek 2/ w objętości zaprawy uwzględniono rzeczywistą zawartość piasku w kruszywie (33,8% m.), na którą składa się piasek i frakcje piaskowe w żwirach Badania właściwości mieszanek betonowych Badania mieszanek, przeprowadzone według obowiązujących norm, objęły następujące ich właściwości (Tabela 3.6): - konsystencję ocenianą metodą opadu stożka i metodą stolika rozpływowego; - zawartość powietrza; - gęstość mieszanek po zagęszczeniu; - temperaturę otoczenia i temperaturę mieszanki po 15 minutach od zakończenia mieszania. Mieszanka (beton) Tabela 3.6. Właściwości mieszanek betonowych (wartości średnie z 3 pomiarów) Data wykonania próbek Konsystencja Zawartość po- Gęstość oto- mieszanki Temperatura [ o C] opad rozpływ wietrza [kg/dm 3 ] cze- nia czenia (15 min. od zakoń- [mm] [mm] [% obj.] mieszania) A x380 2,3 2,31 18,5 19,8 A15K x400 2,5 2,30 16,4 19,3 A30K x390 1,9 2,32 22,8 26,4 A15T x435 1,3 2,33 23,6 27,1 A30T x410 1,3 2,35 22,5 27,0 B x370 2,1 2,37 23,8 24,7 B15K x410 1,8 2,36 23,8 26,5 B30K x340 1,3 2,34 22,4 25,8 B15T x390 1,6 2,35 20,1 25,2 B30T x465 1,6 2,31 24,6 26,2 C x375 6,2 2,24 16,1 18,7 C15K x380 6,8 2,21 18,8 22,5 C30K x400 5,8 2,23 15,1 18,0 C15T x405 6,6 2,22 18,3 20,8 C30T x405 6,2 2,23 24,1 26,8 27

28 Badania betonów stwardniałych i ich wyniki Badania betonów stwardniałych obejmowały następujące ich właściwości: - rozwój wytrzymałości w stanie jednoosiowego ściskania w czasie po 3, 7, 28, 90, 180 i 360 dniach; - rozwój wytrzymałości w stanie rozciągania przy rozłupywaniu; - charakterystyka kruchości (relacja f t /f c ); - odkształcalność (zależność σ-ε) przy jednokierunkowym, osiowym ściskaniu; - moduł sprężystości po 90 dniach; - gęstość pozorna po 28 i 90 dniach dojrzewania; - nasiąkliwość wodą po 28 i 90 dniach; - przepuszczalność dla wody po 90 dniach; - badania mikroporowatości zapraw wyizolowanych z betonów (porozymetria rtęciowa). Wszystkie próbki z 15 analizowanych betonów (3 betony referencyjne i 12 betonów ze spoiwem mieszanym cementowo-popiołowym) wykonywano w większości przypadków w jednym dniu. Próbki kostkowe 150 mm oraz walcowe 150/300 mm formowano w formach z tworzywa sztucznego, przystosowanych do rozformowywania pneumatycznego; zagęszczano je na stole wibracyjnym. Wyniki badań właściwości betonów stwardniałych przedstawiono w Tabelach ; są to wartości średnie z 6. pomiarów. Tabela 3.7. Wyniki badań stwardniałych betonów serii A w zakresie gęstości, wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie oraz nasiąkliwości Beton wiek [dni] gęstość [kg/dm 3 ] wytrzymałość [MPa] rozciąganie na przy rozłupywaniu ściskanie f c f t kruchość f t /f c [%] nasiąkliwość wodą [%m.] 3 2,280 24,4 1,8 7,4-7 2,279 36,0 2,6 7,2-14 2,268 38,7 3,1 8,0 - A0 28 2,283 46,7 3,5 7,5 5,9 90 2,273 52,1 3,8 7,3 5, ,260 56,3 4,5 8, ,262 59,2 4,6 7,8-3 2,271 21,1 1,8 8,5-7 2,267 27,6 2,8 10,1-14 2,287 42,6 3,2 7,5 - A15K 28 2,273 43,6 3,4 7,8 6,2 90 2,264 52,1 3,9 7,5 5, ,258 53,8 4,2 7, ,259 60,3 4,2 7,0-3 2,276 20,0 1,8 9,0-7 2,276 35,4 2,9 8,2-14 2,279 42,8 3,4 7,9 - A30K 28 2,282 50,0 3,7 7,4 5,9 90 2,282 53,6 3,9 7,3 5, ,267 60,4 4,9 8, ,257 62,5 4,9 7,7 - A15T 3 2,287 29,2 2,3 7,9-28

29 A30T 7 2,284 36,0 2,9 8,0-14 2,293 43,4 3,6 8,3-28 2,299 50,8 3,7 7,3 5,7 90 2,279 56,5 4,5 8,0 5, ,281 67,0 5,0 7, ,271 71,0 5,0 7,0-3 2,289 20,8 2,3 11,0-7 2,287 36,0 2,9 8,0-14 2,276 46,0 3,5 7,6-28 2,279 49,4 3,7 7,5 5,6 90 2,280 55,3 3,8 6,9 5, ,283 62,3 5,0 8, ,280 66,3 4,9 7,4 - Tabela 3.8. Wyniki badań stwardniałych betonów serii B w zakresie gęstości, wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie oraz nasiąkliwości beton B0 B15K B30K B15T wiek [dni] gęstość [kg/dm 3 ] wytrzymałość [MPa] na ściskanie rozciąganie przy rozłu- kruchość f t /f c [%] nasiąkliwość wodą [%m.] f c pywaniu f t 3 2,300 38,5 3,0 7,8-7 2,303 47,4 3,8 8,0-14 2,310 52,3 4,1 7,8-28 2,310 55,0 4,7 8,5 5,0 90 2,285 70,0 5,1 7,3 4, ,292 71,8 5,2 7, ,281 73,9 5,2 7,0-3 2,287 35,2 2,8 7,9-7 2,293 45,4 3,3 7,3-14 2,288 51,2 3,9 7,6-28 2,290 56,2 4,4 7,8 4,8 90 2,286 64,3 4,6 7,1 4, ,295 65,5 4,6 7, ,291 69,9 4,8 6,9-3 2,278 26,0 2,3 8,8-7 2,278 40,1 3,1 7,7-14 2,285 48,6 3,4 7,0-28 2,281 51,6 3,9 7,5 5,0 90 2,281 61,0 4,4 7,2 4, ,289 62,5 4,6 7, ,282 67,2 4,7 7,0-3 2,276 33,3 2,6 7,9-7 2,289 49,3 3,3 6,7-14 2,290 54,9 3,9 7,1-28 2,283 60,3 4,5 7,5 4,7 90 2,280 70,4 5,5 7,8 4, ,289 71,8 5,6 7, ,284 73,8 5,6 7,6-29

30 B30T 3 2,279 34,3 2,8 8,2-7 2,279 44,4 3,5 7,9-14 2,283 52,8 3,8 7,2-28 2,276 58,7 4,4 7,5 4,2 90 2,282 66,3 4,6 6,9 4, ,285 69,4 4,8 6, ,278 72,0 4,8 6,6 - Tabela 3.9 Wyniki badań stwardniałych betonów serii C w zakresie gęstości, wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie oraz nasiąkliwości beton C0 C15K C30K C15T C30T wiek [dni] gęstość [kg/dm 3 ] wytrzymałość [MPa] na ściskanie f c rozciąganieprzy rozłupywaniu f t kruchość f t /f c [%] nasiąkliwość wodą [%m.] 3 2,241 31,2 2,1 6,7-7 2,243 40,1 2,9 7,2-14 2,223 45,6 3,2 7,0-28 2,229 46,3 3,4 7,3 5,2 90 2,206 49,8 3,9 7,8 5, ,207 54,1 4,3 7, ,195 54,8 4,2 7,7-3 2,202 24,1 2,3 9,5-7 2,213 33,0 2,8 8,5-14 2,205 41,6 3,3 7,9-28 2,214 47,2 3,8 8,0 5,9 90 2,200 48,4 4,0 8,3 5, ,202 49,3 4,2 8, ,200 57,3 4,2 7,3-3 2,201 19,0 1,8 9,5-7 2,203 31,3 2,5 8,0-14 2,201 40,7 3,2 7,9-28 2,203 46,8 4,1 8,8 6,3 90 2,208 56,4 4,6 8,1 5, ,200 59,7 4,7 7, ,190 64,8 4,8 7,4-3 2,200 23,1 2,3 9,9-7 2,203 35,6 2,9 8,1-14 2,200 41,1 3,3 8,0-28 2,215 45,3 3,7 8,2 6,2 90 2,206 50,1 3,9 7,8 5, ,207 53,1 4,0 7, ,203 60,9 4,2 6,9-3 2,178 15,4 1,5 9,7-7 2,192 24,7 2,1 8,5-14 2,191 33,0 2,6 7,9-28 2,191 46,3 3,5 7,5 6,4 90 2,198 47,7 3,8 8,0 5, ,200 49,1 3,8 7,7-30

31 360 2,197 49,9 3,9 7,8 - Odkształcalność doraźna w warunkach jednoosiowego ściskania Odkształcalność analizowanych betonów określana była po 90 dniach dojrzewania na próbkach walcowych 150/300 mm. Próbki obciążano w legalizowanej maszynie wytrzymałościowej EDU 400 o nośności 4000kN Pomiaru odkształceń podłużnych i poprzecznych dokonywano za pomocą trzech tensometrów elektrooporowych przyklejanych na powierzchni próbek wzdłuż trzech tworzących oraz trzech klejonych na jej obwodzie w środku wysokości. Moduł sprężystości podłużnej E i współczynnik Poissona ν Na podstawie wyznaczonych zależności odkształceń podłużnych od naprężeń określono wartości modułów sprężystości podłużnej oraz współczynnik Poissona, charakteryzujące każdy z analizowanych betonów po 90 dniach dojrzewania. Wartość modułu sprężystości obliczano jako: Wartość współczynnika Poissona obliczano jako: Wartości modułu sprężystości i współczynnika Poissona wszystkich analizowanych betonów zestawiono w Tabeli Tabela Wyniki badania modułu sprężystości i współczynnika Poissona betonów po 90 dniach dojrzewania Beton Moduł sprężystości podłużnej E [GPa] Współczynnik Poissona v [-] A0 24,85 0,151 A15K 26,81 0,163 A15T 26,67 0,144 A30K 27,44 0,170 A30T 27,93 0,167 B0 28,47 0,175 B15K 28,88 0,142 B15T 28,91 0,171 B30K 26,78 0,185 B30T 27,36 0,175 C0 25,87 0,169 C15K 25,17 0,178 C15T 25,61 0,165 C30K 27,80 0,170 C30T 25,68 0,176 Przepuszczalność wody Wyniki badania przepuszczalności zestawiono w Tabeli 3.11; są to wartości średnie z trzech pomiarów. 31

32 Tabela Wyniki badania głębokości penetracji wody Głębokość Beton penetracji [mm] A0 40 A15K 36 A15T 29 A30K 33 A30T 35 B0 18 B15K 20 B15T 20 B30K 27 B30T 22 C0 40 C15K 22 C15T 19 C30K 18 C30T 32 Badania mikroporowatości zapraw wyizolowanych z betonów Badania przeprowadzono na zaprawach wyizolowanych z nienapowietrzanych betonów serii A i B wykonanych z udziałem popiołów fluidalnych z węgla kamiennego i brunatnego. Wyniki szczegółowe przedstawiono w sprawozdaniu z Zadania 3. Analiza wyników badań W przypadku wszystkich analizowanych betonów, referencyjnych i zawierających popioły fluidalne, uzyskano założoną konsystencję lub nieco bardziej ciekłą. Opad stożka mieścił się w granicach od 100 do 140 mm, z wyjątkiem 4 przypadków mieszanek (A15T, A30T, B0 i B30T), których konsystencja była nieco bardziej ciekła. Najbardziej kłopotliwe było osiągnięcie założonej konsystencji i urabialności w przypadku większych zawartości popiołu fluidalnego (30%), zwłaszcza zaś popiołu fluidalnego z węgla brunatnego. Utrzymanie stabilności tej cechy podczas przemysłowej produkcji mieszanek z popiołami fluidalnymi może być jednym z ważniejszych problemów technologicznych. W mieszankach serii A i B (bez domieszki napowietrzającej) kontrolowana zawartość powietrza utrzymywała się niemal zawsze na poziomie 2% obj. W kilku przypadkach była ona nieco większa, lecz nigdy nie przekraczała wartości 2,5% obj. Mieszanki z domieszką napowietrzającą charakteryzowały się założoną zawartością powietrza, mieszczącą się w granicach od 5,8 do 6,8% obj. Podobnie jak w przypadku konsystencji, utrzymanie stabilnego stopnia napowietrzenia mieszanek z dodatkiem popiołów fluidalnych wymaga starannego doboru zestawu domieszek i szczególnej dbałości przy wykonywaniu mieszanki. W warunkach, w jakich wykonywano poszczególne zaroby (objętość zarobu oraz temperatura otoczenia) mieszanka betonowa miała zawsze temperaturę wyższą od temperatury otoczenia. Różnice wynosiły od 0,9 do 2,6 o C w przypadku mieszanek referencyjnych i od 2,5 do 5,1 o C w przypadku mieszanek z dodatkiem popiołów. Wyraźnie większe różnice temperatury zarejestrowano w przypadku stosowania popiołu fluidalnego z węgla brunatnego. 32

33 Podczas przemysłowej produkcji mieszanki, kiedy wykonuje się zaroby o objętości >1 m 3, problem samonagrzewu mieszanki może wystąpować znaczniej ostrzej. Właściwości betonów stwardniałych Pomiary gęstości pozornej betonów serii A, B i C i jej zmiany w czasie dojrzewania wykazały iż ta cecha jest bardzo stabilna i praktycznie niezależna od rodzaju i zawartości dodanego popiołu fluidalnego. W równie niewielkim stopniu zależy ona od czasu dojrzewania. W przypadku betonów serii A (w/c=0,55) wynosi średnio około 2280 kg/m 3, a w przypadku betonów serii B (w/c=0,45) około 2290 kg/m 3. Gęstość betonów serii C (napowietrzonych) jest proporcjonalnie mniejsza i wynosi średnio około 2200 kg/m 3. Najwyższe wytrzymałości na ściskanie w niemal wszystkich przypadkach betonów serii A i B, - i to po wszystkich analizowanych czasach dojrzewania - osiągnęły betony z 15% zawartością popiołu fluidalnego z węgla brunatnego. Wytrzymałości poszczególnych betonów serii A i B nie różnicują się w sposób bardzo istotny w przypadku wytrzymałości po 28 i 90 dniach dojrzewania. Największe odstępstwa, i to in plus, od wytrzymałości betonów referencyjnych wykazały wytrzymałości po dłuższych okresach dojrzewania. I tak, f c180 i f c360 betonu A15T i C30K były o blisko 20% większe od wytrzymałości betonów referencyjnych A0 i C0. Jak widać z tych wyników, najwyższe wytrzymałości uzyskiwane były w większości przez betony, w którym cement zastępowano w 15 % m. popiołem fluidalnym z węgla brunatnego. W przypadku wszystkich betonów serii A (w/s = 0,55) rozwój ich wytrzymałości do 28 dni był dosyć podobny, zaś jego intensywność większa lub równa wykazywanej przez beton A0 wykonany z samego cementu. Podobna jest także ich intensywność przyrostu wytrzymałości między 28 i 90 dniem dojrzewania, przy czym betony z dodatkiem popiołu z węgla brunatnego wykazują wytrzymałości wyższe od pozostałych. Jakościowo i ilościowo podobny rozwój wytrzymałości wykazały betony z samego cementu (A0) i z 15% dodatkiem popiołu fluidalnego z węgla kamiennego (A15K). Największą intensywność wzrostu wytrzymałości w okresie między 90 i 180 dniem dojrzewania wykazuje beton A15T z dodatkiem popiołu z węgla brunatnego. Z oczywistych względów betony serii B (w/s = 0,45) wykazują wyższe wytrzymałości, niż betony serii A (w/s = 0,55). Zróżnicowanie wytrzymałości 28 dniowej betonów tej serii jest nieco większe, niż serii A. Wszystkie betony cechuje intensywny wzrost wytrzymałości w okresie między 28 i 90 dniem dojrzewania. W okresie między 90 i 360 dniem dojrzewania wzrost wytrzymałości jest już niewielki, z tym, że najwyższe i podobne wytrzymałości w tym okresie posiadają beton referencyjny B0 i beton B15T, w którym 15% spoiwa zastąpiono popiołem fluidalnym z węgla brunatnego. W przeciwieństwie do betonów serii A, wytrzymałości 90, 180 i 360 dniowe betonów serii B są mniejsze lub co najwyżej równe (beton B15T) wytrzymałości betonu referencyjnego B0, w którym spoiwem jest sam cement. Można stąd wnioskować, że wyższa wartość wskaźnika w/s (większa ilość wody zarobowej) sprzyja lepszemu wykorzystaniu popiołów, zwłaszcza po dłuższym czasie dojrzewania. Zarejestrowany rozwój wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu ma bardzo podobny przebieg, jak w przypadku wytrzymałości na ściskanie. Najwyższą wytrzymałość na rozciąganie wykazały każdorazowo betony z dodatkiem popiołu (A15T, B15T i C30K). Można więc podejrzewać, że dodatek popiołów fluidalnych oddziałuje pozytywnie na jakość strefy stykowej, podobnie jak ocenili to w przypadku konwencjonalnych popiołów lotnych Kuroda i inni 2. Stosunek wytrzymałości na rozciąganie do wytrzymałości na ściskanie, charakteryzujący wszystkie badane betony w wieku od 3 do 360 dni, mieści się w granicach od około 2 Increase of bond strength at interfacial transition zone by the use of fly ash, Cement and Concrete Research 30 (2000)

34 0,08 do około 0,11. Średnia wartość f t /f c charakteryzująca wszystkie analizowane betony (w tym także i referencyjne) wynosi 0,077 przy współczynniku zmienności równym 9%. Obydwie wytrzymałości całego zbioru betonów serii A i B wystarczająco dokładnie opisuje liniowa zależność: f t = 0, ,064 f c Wyniki badań nie wskazują, aby w rozpatrywanym zakresie rodzaj i zawartość popiołu fluidalnego miały istotny wpływ na relację między obydwoma rodzajami wytrzymałości. Przebieg krzywych σ-ε oraz wartości charakteryzujące graniczne odkształcenia podłużne i poprzeczne są w przypadku wszystkich analizowanych betonów bardzo podobne. Podobieństwo to występuje zarówno w przypadku porównywania odkształcalności betonów danej serii, jak i wszystkich betonów łącznie. Nie stwierdzono wpływu popiołów fluidalnych w spoiwie na te wielkości. W przypadku każdej z serii (A, B i C), krzywe σ-ε charakteryzujące odkształcalność betonów z dodatkiem pyłów są niemal identyczne jak w przypadku betonów referencyjnych. Całą populację badanych betonów charakteryzują graniczne odkształcenia podłużne wynoszące około 2500 µm/m i odkształcenia poprzeczne wynoszące około 1000 µm/m. W przypadku betonów serii A (w/s = 0,55) dodatek obydwu rodzajów popiołów fluidalnych wywołuje niewielki (od 8 do 12%) wzrost modułu sprężystości, czemu towarzyszy podobnie niewielki wzrost współczynnika Poissona (Tabela 3.7). W przypadku betonów serii B i C (Tabele 3.8 i 3.9) o niższym współczynniku w/s = 0,45 można uznać, iż wpływ dodatku popiołów fluidalnych jest pomijalnie mały. Wszystkie analizowane betony charakteryzują się nasiąkliwością masową w granicach od 4 do 6%. Przy średniej gęstości pozornej betonów stwardniałych wynoszącej około 2280 kg/m 3, odpowiada to nasiąkliwości objętościowej (a więc w przybliżeniu całkowitej zawartości porów otwartych) od około 9 do około 14 % obj. Jak można się było spodziewać nasiąkliwość betonów serii A, charakteryzujących się wyższym wskaźnikiem wodno-spoiwowym (w/s = 0,55), jest nieco większa. Nasiąkliwość wszystkich badanych betonów mieści się w granicach charakterystycznych dla zwykłych betonów cementowych. Mimo, iż stwierdzone zróżnicowanie nasiąkliwości spowodowane ilościowo różnym dodatkiem obydwu rodzajów popiołów fluidalnych nie jest duże, widać, że wprawdzie słaby, ale korzystny wpływ obecności popiołu ujawnia się po dłuższym okresie dojrzewania. Głębokość penetracji wody wszystkich analizowanych betonów zawierała się w granicach od 18 do 40 mm. Pod tym względem betony te są dosyć podobne i wszystkie spełniają wymagania 50 mm w większości norm, dotyczących elementów betonowych. Betony o wyższym wskaźniku wodno-spoiwowym (seria A, w/s = 0,55) wykazały, co jest oczywiste, generalnie mniejszą szczelność wobec wody, niż betony serii B (w/s = 0,45). Wyniki wskazują ponadto, że w przypadku betonu o większym wskaźniku wodnospoiwowym (seria A) dodatek obydwu popiołów powoduje niewielkie obniżenie przepuszczalności oraz niewielkie jej podwyższenie w przypadku betonu o niższym w/s (seria B). Świadczyć to może, że wyższe w/s (większa wyjściowa zawartość wody w mieszance) sprzyja lepszemu wykorzystaniu dodatku popiołów fluidalnych w tworzeniu szczelniejszej budowy zaczynu spoiwowego. Niestety nie potwierdzają tego wyniki badania nasiąkliwości, która przy wyższym w/s (betony A) jest nieco wyższa; znane są zastrzeżenia metodyczne dotyczące określlenia nasiąkliwości. Przeprowadzona analiza kumulacyjnych krzywych mikroporowatości wykazała, iż w badanych zaprawach bez dodatku popiołu fluidalnego, całkowita zawartość porów o wymiarach identyfikowanych metodą porozymetrii rtęciowej różnicuje się niewiele i wydaje się być niezależna od wskaźnika wodno-spoiwowego. Wynosi ona około 10% obj. 34

35 W przypadku betonu o wyższym wskaźniku w/s (betony A), dodatek popiołu z węgla kamiennego wywołuje wyraźne zwiększenie zawartości mikroporów (do około 14%). Efektu takiego nie stwierdzono w przypadku dodatku popiołu z węgla brunatnego. W przypadku betonu o niższym w/s (beton B), dodatek popiołu z węgla kamiennego powoduje wzrost porowatości (do około 14%), ale tylko gdy dodawany jest on w większej ilości. Dodatkowo, w takim przypadku wyraźnie większa jest zawartość porów w zakresie od 100 do 1000 nm. Dodatek popiołu z węgla brunatnego w betonie o mniejszym w/s wywołuje wzrost mikroporowatości (do około 12 lub 14%). Opracowanie metody projektowania składu betonu z dodatkiem popiołu fluidalnego W sprawozdaniu z Zadania 3 objaśniono i sprawdzono metodę projektowania betonów konstrukcyjnych z częścią cementu zastąpioną przez popiół fluidalny. Ze względu na zakres przeprowadzonych badań, służących między innymi do opracowania przedstawianej metody projektowania, pokazane postępowanie jest aktualne przy stosowaniu dodatku popiołu fluidalnego w ilości nieprzekraczającej 30% spoiwa i przy założeniu nie stosowania domieszki napowietrzającej. Przebieg projektowania składu betonu napowietrzonego za pomocą odpowiedniej domieszki jest identyczny. Ponieważ napowietrzenie powoduje obniżenie wytrzymałości na ściskanie f c, na etapie specyfikowania wymaganej wytrzymałości f c28 lub f c90 konieczne jest uwzględnienie tego faktu. Konieczne jest odpowiednie zwiększenie projektowanej wytrzymałości f c28 lub f c90. Szczegółowe wskazówki zamieszczono w sprawozdaniu z Zadania 3. Przystępując do zaproponowanego sposobu projektowania składu betonu z dodatkiem analizowanych w projekcie popiołów fluidalnych, w przypadku jego przewidywanego napowietrzania, zakładaną projektowaną wytrzymałość na ściskanie zaleca się zwiększyć proporcjonalnie do przewidywanej zawartości wprowadzonego powietrza. W świetle wyników badań wytrzymałości na ściskanie betonów serii B i C, wydaje się, że zarówno ze względów bezpieczeństwa jak i ekonomicznych, wystarczające jest przyjęcie spadku wytrzymałości od 4 do 5% na każdy 1% objętości wprowadzonych porów powietrznych. Próba oceny współczynnika efektywności k analizowanych popiołów Określenia współczynnika k dokonano w oparciu o wyniki badań betonów serii A i B. Wykorzystano w tym celu wspomnianą poprzednio koncepcję podaną przez Atişa, a wartości współczynnika k obliczono z zależności: w której: f(t) bc, f(t) bp - wytrzymałość na ściskanie betonu odpowiednio z samego cementu (betony A0 i B0) i betonu z cementu i popiołu (pozostałe betony serii A i B) [MPa], c, p - zawartość w betonie odpowiednio cementu i popiołu [kg/m 3 ], Do obliczeń wykorzystano informacje dotyczące zawartości cementu i popiołu w poszczególnych betonach oraz wyniki badań ich wytrzymałości na ściskanie po różnych okresach dojrzewania. Obliczone wartości współczynnika k zestawiono w Tabeli Przedstawione wyniki analizy zmierzającej do oceny współczynnika k, dokonanej według koncepcji Atişa, wskazują na bardzo duże wahania jego wartości. Wahania te związane są zarówno ze zmianą czasu dojrzewania, jak i ze zmianą rozpatrywanych w projekcie zmiennych parametrów charakteryzujących skład badanych betonów, a mianowicie: z wartością wskaźnika w/s i z zawartością popiołu fluidalnego. Ponieważ obliczone w opisany sposób wartości współczynników k, okazują się zależne od wskaźnika w/s i udziału popiołu w spoiwie, współczynnika tego nie można uznać za w pełni charakteryzujący efektywność popiołu jako składnika spoiwa. 35

36 Tabela Wartości współczynników k odpowiadające różnym czasom dojrzewania Analizowany beton k 3 k 7 k 14 k 28 k 90 k 180 k 360 A15K 0,23-0,32 1,57 0,62 1,00 0,75 1,11 A30K 0,58 0,96 1,25 1,16 1,07 1,17 1,13 A15T 2,12 1,00 1,69 1,50 1,48 2,08 2,13 A30T 0,66 1,00 1,44 1,13 1,14 1,25 1,28 B15K 0,51 0,76 0,88 1,12 0,54 0,50 0,69 B30K 0,24 0,64 0,84 0,86 0,70 0,70 0,79 B15T 0,23 1,23 1,28 1,55 1,03 1,00 0,99 B30T 0,75 0,85 1,02 1,16 0,88 0,92 0,94 Podsumowanie i wnioski Wykonywanie mieszanek betonowych z dodatkiem popiołów fluidalnych w ilości do 30% masy spoiwa wymaga szczególnej staranności, zwłaszcza w przypadku, gdy popiół dodawany jest w większych ilościach. Najważniejszym problemem jest podwyższona wodożądność popiołów fluidalnych. W związku z tym bardzo ważnym jest staranny dobór rodzaju i ilości domieszek superplastyfikatora i/lub domieszki napowietrzającej. O ile podobny problem występuje także w przypadku mieszanek bez dodatków mineralnych, to przy stosowaniu popiołów fluidalnych występuje w znacznie ostrzejszej postaci. Problemem, który należy brać pod uwagę jest możliwość nadmiernego samonagrzewu mieszanki zawierającej dodatek popiołu fluidalnego. Wytrzymałość na ściskanie betonów o podobnym wskaźniku w/s i zawierających różne ilości obydwu rodzajów popiołów fluidalnych nie różnicuje się w sposób bardzo istotny. Największe odstępstwa in plus od wytrzymałości betonów referencyjnych (około + 20%) wykazały wytrzymałości po dłuższych okresach dojrzewania. W przypadku betonów o wyższym wskaźniku w/s = 0,55 niemal wszystkie zawierające popiół fluidalny miały po 28, 90, 180 i 360 dniach wytrzymałość większą niż beton referencyjny wykonany z samym cementem. Odwrotna sytuacja miała miejsce w przypadku betonów o mniejszym w/s = 0,45. W tym przypadku wytrzymałość betonów zawierających popiół była zawsze mniejsza od wytrzymałości betonu referencyjnego. Może to świadczyć, iż wyższa wartość wskaźnika w/s (większa ilość wody zarobowej) sprzyja lepszemu wykorzystaniu popiołów, zwłaszcza po dłuższym czasie dojrzewania. Rozwój wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu ma bardzo podobny przebieg, jak w przypadku wytrzymałości na ściskanie. Najwyższą wytrzymałość na rozciąganie wykazały każdorazowo betony z dodatkiem popiołu, co świadczy o jego słabym, ale pozytywnym wpływie na tę cechę. Stosunek f t /f c w przypadku wszystkich betonów (bez i z różnym dodatkiem obydwu rozpatrywanych popiołów fluidalnych) po różnym czasie dojrzewania mieści się w granicach od około 0,08 do około 0,11. Średnia wartość f t /f c charakteryzująca wszystkie analizowane betony (także referencyjne) wynosi 0,077 przy współczynniku zmienności równym 9%. Rodzaj popiołu ani ilość w jakiej jest dodawany nie miają wpływu na relację f t /f c. Zależność wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu do wytrzymałości na ściskanie dla całego zbioru betonów nienapowietrzonych wystarczająco dokładnie opisuje liniowa zależność: f t = 0, ,064 f c W świetle wyników badań, ani obecność obydwu rodzajów popiołów fluidalnych, ani ilość w jakiej są one dozowane, nie wykazują wpływu na odkształcalność betonu przy ściskaniu. Przebieg krzywych σ-ε, moduł sprężystości podłużnej oraz współczynnik Poissona są niemal identyczne w przypadku betonu z samym cementem, co w przypadku betonów z popiołem 36

37 fluidalnym. Nie stwierdzono wpływu zarówno rodzaju, jak i ilości dozowanego popiołu na odkształcalność betonów przy jednoosiowym ściskaniu. Dodatek popiołów fluidalnych nie wpływa ani na wartość ani na jednorodność tej cechy. Wynika to między innymi ze sposobu projektowania składu betonów z tym dodatkiem, w czasie którego różnicę gęstości cementu i popiołu kompensowano odpowiednio zwiększoną zawartością kruszywa. Porowatość całkowita betonów referencyjnych i betonów z dodatkiem popiołów fluidalnych, oszacowana na podstawie ich nasiąkliwości objętościowej, wynosi od około 9 do 14% obj. Podobnie jak w przypadku gęstości pozornej, nie stwierdzono istotniejszego wpływu obecności popiołów fluidalnych na tę cechę. W przypadku mikroporowatości zapraw wyizolowanych z badanych betonów, określanej metodą porozymetrii rtęciowej, widoczny (lecz niejednoznaczny) jest wpływ obecności popiołu na jej zwiększenie. Zawartość mikroporów mieści się w zakresie od około 10 do około 14 % obj., a więc na poziomie niemal identycznym jak podana wyżej całkowita zawartość porów otwartych w betonach. Przy dużej zawartości popiołu fluidalnego z węgla kamiennego możliwe jest znaczniejsze podwyższenie mikroporowatości zaprawy w betonie. Nasiąkliwość masowa wszystkich badanych betonów, wynosząca od 4 do 6%, jest typowa dla betonów zwykłych o podobnym wskaźniku w/c i wykonanych z podobnego kruszywa. Stwierdzone zróżnicowanie nasiąkliwości spowodowane ilościowo różnym dodatkiem obydwu rodzajów popiołów fluidalnych nie jest duże. Widać jednak, że wprawdzie słaby, ale korzystny wpływ obecności popiołu ujawnia się po dłuższym okresie dojrzewania. Warto także zauważyć, że nasiąkliwość betonów z dodatkiem popiołów fluidalnych jest prawie zawsze nieco mniejsza niż betonu porównawczego wykonanego z samego cementu. Wpływ dodatku popiołów fluidalnych na przepuszczalność wody nie jest jednoznaczny. W przypadku betonu o większym wskaźniku wodno-spoiwowym (seria A) dodatek obydwu popiołów powoduje niewielkie obniżenie przepuszczalności oraz niewielkie jej podwyższenie w przypadku betonu o niższym w/s (seria B). Świadczyć to może, że wyższe w/s (większa wyjściowa zawartość wody w mieszance) sprzyja lepszemu wykorzystaniu dodatku popiołów fluidalnych w tworzeniu szczelniejszej budowy zaczynu spoiwowego. Niestety nie potwierdzają tego wyniki badania nasiąkliwości, która przy wyższym w/s (betony A) jest nieco wyższa. Projektowanie składu betonu z dodatkiem popiołów fluidalnych Projektowanie składu betonów z dodatkiem popiołów fluidalnych powinno być prowadzone wyłącznie metodami doświadczalnymi. Do projektowania niezbędne są informacje o składzie chemicznym i fazowym stosowanego popiołu. W projektowaniu można wykorzystać podane zależności lub oceniony na poziomie jedności współczynnik efektywności rozpatrywanych popiołów fluidalnych. Wymaga to jednak dodatkowych badań weryfikacyjnych. Podczas doświadczalnego projektowania składu mieszanki betonowej zaleca się wykonywanie zarobów o możliwie objętości, np. powyżej 50 l. 37

38 Zadanie 4 Określenie ilościowego wpływu dodatku popiołów fluidalnych na korozję siarczanową i chlorkową betonu. Opracowanie sposobów ograniczania destrukcji spowodowanej korozją chlorkową i siarczanową. Ocena wpływu popiołów na trwałość zapraw normowych w środowisku chlorkowym Do badań trwałości korozyjnej zapraw zawierających popioły w środowisku chlorkowym przygotowano próbki o wymiarach 25x25x100 mm. Próbki te po 28 dniach twardnienia w wodzie w temp. 20 o C dzielono na części, z których jedna pozostawała w wodzie, a druga była umieszczana w pojemniku z przygotowanym roztworem korozyjnym. Roztworem korozyjnym użytym do badań był roztwór odzwierciedlający udział soli chlorków i siarczanów w wodzie morskiej po 10-cio krotnym zatężeniu, charakterystyczny w zjawiskach korozyjnych zachodzących w budowlach nadmorskich. Zestawienie uzyskanych wyników badań przedstawione w Tabelach 4.1 i 4.2, odpowiednio w przypadkach z zamianą 15, 20 i 30% cementu na popiół z E Turów i EL Katowice. Również wartości tzw. współczynnika odporności korozyjnej, rozumianej jako iloraz wytrzymałości na ściskanie zaprawy przechowywanej w środowisku korozyjnym w stosunku do wytrzymałości na ściskanie zaprawy przechowywanej w wodzie, także w przypadku zastosowania obu popiołów fluidalnych, posłużyły do opracowania wniosków. Czas ekspozycji w przypadku wszystkich próbek jest liczony począwszy od uzyskania przez zaprawy wieku 28 dni i rozdzielenia dojrzewających zapraw na dwa środowiska. Oddzielnie badano współczynniki odporności korozyjnej, wyznaczone na podstawie wyników badania wytrzymałości na zginanie. Wyniki badań, a szczególnie określone wartości współczynnika trwałości po 720 dniach, wskazują na wystąpienie negatywnego wpływu popiołów fluidalnych na trwałość zapraw w środowisku chlorkowym. W zaprawach zawierających 15 i 20 % popiołu Turów oraz 15 i 20% popiołu Katowice obserwuje się stosunkowo dużą utratę wytrzymałości na ściskanie nawet o 20 procent większą niż w przypadku zaprawy przygotowanej w oparciu o sam cement portlandzki, jako spoiwo (spadki wytrzymałości na ściskanie zapraw w stosunku do tożsamych próbek przechowywanych w wodzie dochodzą nawet do 45%). Wartości współczynników trwałości zapraw zawierających 30% popiołu Turów oraz 30% popiołu Katowice są zbliżone do wartości współczynnika zaprawy wykonanej na CEM I 32,5R, choć niższe o kilka punktów procentowych w przypadku popiołu Katowice. Podobne relacje zaznaczają się także analizując wskaźniki odporności wyznaczone w oparciu o wyniki oznaczeń wytrzymałości na zginanie, choć w tym przypadku interpretacja jest trudniejsza z uwagi na obserwowany wzrost wytrzymałości na zginanie zapraw po pierwszych kilkumiesięcznych okresach przechowywania w środowisku chlorkowym. Podsumowując powyższe, zbliżoną lub wyższą od zaprawy cementowej trwałość można uzyskać jedynie po zastąpieniu 30% masy cementu popiołem fluidalnym. Z uwagi na wysoką wodożądność popiołów wymaga to stosowania domieszek upłynniających o wysokiej efektywności działania oraz kompatybilności z właściwościami popiołów. 38

39 Tabela 4.1. Wytrzymałość na zginanie i ściskanie zapraw o różnej zawartości popiołów fluidalnych z E Turów, przechowywanych w środowisku chlorkowym i w wodzie. Skład spoiwa w zaprawie normowej (S:W:P=1:0,5:3) i środowisko ekspozycji Cement CEM I 32,5R woda Cement CEM I 32,5R środowisko chlorkowe 85% - CEM I 32,5R 15% - popiół Turów (T) woda 85% - CEM I 32,5R 15% - popiół Turów (T) środowisko chlorkowe 80% - CEM I 32,5R 20% - popiół Turów (T) woda 80% - CEM I 32,5R 20% - popiół Turów (T) środowisko chlorkowe 70% - CEM I 32,5R 30% - popiół Turów (T) 1,5% - Glenium SKY591(BASF) 0,9% - Liquol BV18 (BASF) woda 70% - CEM I 32,5R 30% - popiół Turów (T) 1,5% - Glenium SKY591(BASF) 0,9% - Liquol BV18 (BASF) środowisko chlorkowe Wytrzymałość na zginanie // ściskanie zapraw* po czasie ekspozycji: MPa 90 dni 180 dni 360 dni 720 dni 11,2 // 57,0 9,3 // 59,4 10,8 // 60,2 10,9 // 60,5 11,0 // 47,2 10,1 // 46,6 11,0 // 48,3 9,2 // 45,2 10,6 // 63,3 10,3 // 60,2 11,8 // 64,0 10,1 // 65,6 10,7 // 51,6 11,2 // 50,1 11,2 // 42,2 9,0 // 40,6 11,3 // 60,6 10,9 // 66,7 10,6 // 67,3 9,6 // 68,5 11,1 // 46,9 11,4 // 43,7 10,9 // 38,5 6,7 // 40,5 11,2 // 66,5 11,1 // 65,1 11,7 // 68,0 11,0 // 69,7 13,1 // 52,6 14,2 // 53,2 14,7 // 59,4 11,4 // 54,2 39

40 Tabela 4.2. Wytrzymałość na zginanie i ściskanie zapraw o różnej zawartości popiołów fluidalnych z EC Katowice, przechowywanych w środowisku chlorkowym i w wodzie. Skład spoiwa w zaprawie normowej (S:W:P=1:0,5:3) i środowisko ekspozycji Cement CEM I 32,5R woda Cement CEM I 32,5R środowisko chlorkowe 85% - CEM I 32,5R 15% - popiół Katowice (K) woda 85% - CEM I 32,5R 15% - popiół Katowice (K) środowisko chlorkowe 80% - CEM I 32,5R 20% - popiół Katowice (K) woda 80% - CEM I 32,5R 20% - popiół Katowice (K) środowisko chlorkowe 70% - CEM I 32,5R 30% - popiół Katowice (K) 0,5% - Glenium SKY591(BASF) 0,9% - Liquol BV18 (BASF) woda 70% - CEM I 32,5R 30% - popiół Katowice (K) 0,5% - Glenium SKY591(BASF) 0,9% - Liquol BV18 (BASF) środowisko chlorkowe Wytrzymałość na zginanie // ściskanie zapraw* po czasie ekspozycji:, MPa 90 dni 180 dni 360 dni 720 dni 11,2 // 57,0 9,3 // 59,4 10,8 // 60,2 10,9 // 60,5 11,0 // 47,2 10,1 // 46,6 11,0 // 48,3 9,2 // 45,2 11,0 // 61,4 10,5 // 61,9 11,3 // 62,2 10,4 // 66,0 14,1 // 63,0 12,7 // 54,8 13,2 // 49,1 7,3 // 36,2 12,0 // 66,3 11,1 // 67,0 11,0 // 66,7 11,1 // 65,7 14,0 // 65,5 13,8 // 53,1 11,7 // 51,9 7,8 // 41,1 11,4 // 62,3 11,2 // 64,3 11,5 // 67,7 10,7 // 64,9 16,3 // 54,2 13,1 // 57,2 12,9 // 52,0 12,0 // 45,9 40

41 Obserwacje mikroskopowe SEM-EDS próbek zapraw przechowywanych w środowisku chlorkowym przez okres 360 i 720 dni Próbki do badań mikroskopowych pobrano z fragmentów zapraw po badaniu cech wytrzymałościowych. Do badań tych wytypowano próbki po 360 dniach ekspozycji w środowisku chlorkowym. Pobierano fragmenty próbek z warstw przypowierzchniowych beleczek do głębokości ok. 5 mm. Obrazy morfologii próbek są zamieszczone w sprawozdaniu z Zadania 4. Analogicznie, po okresie 2 lat przeprowadzono obserwacje SEM-EDS w próbkach z popiołem EL Katowice w związku z uzyskaniem stosunkowo istotnych różnic w trwałości, ocenianej pomiarami cech wytrzymałościowych. Uzyskane wyniki obserwacji SEM/EDS dla próbek po 360 dniach przechowywania w środowisku chlorkowym pokazują, że oddziaływanie tego typu środowiska prowadzi do powstawania typowych produktów korozji zapraw cementowych. Obserwowane w badaniach porównawczych spadki cech wytrzymałościowych zapraw poddanych oddziaływaniu środowiska chlorkowego po 1 roku ekspozycji można wiązać ogólnie ze zmianami składu fazowego. Związek ten o wiele wyraźniej prezentują wyniki analizy SEM-EDS wybranych próbek po 2 latach ekspozycji, prezentowane w sprawozdaniu z Zadania 4. Wyniki badań cech wytrzymałościowych zapraw zawierających popioły fluidalne (w omawianym przypadku dotyczy popiołu Katowice) wskazują najmniejszy korozyjny wpływ środowiska chlorkowego na zaprawę wykonaną z cementu referencyjnego. Udział w zaprawie popiołu fluidalnego w ilości 15% był przyczyną uzyskania zaprawy o niskiej trwałości największych stratach cech wytrzymałościowych w stosunku do próbek przechowywanych w wodzie. Na poziomie mikrostrukturalnym towarzyszy temu wysoki udział soli Friedela, fazy C-S-H bogatej w chlorki oraz obecność brucytu, wypełniającego przynajmniej wewnętrzne pory o charakterze pęcherzykowatym. Zwiększenie udziału popiołu fluidalnego Katowice do poziomu 30% masy spoiwa podnosi trwałość zaprawy. W mikrostrukturze badanych próbek objawia się to obecnością płytek heksagonalnych soli Friedela, przy czym nie stwierdzano obecności brucytu jak w próbkach z ilością popiołu fluidalnego o połowę mniejszą. Mikroporowatość zapraw przechowywanych w środowisku chlorkowym Po zakończeniu badań korozyjnych, z próbek przechowywanych w środowisku chlorkowym oraz próbek przechowywanych przez okres badania w wodzie, pobrano materiał do oceny mikroporowatości. Badania porowatości wykonano w porozymetrze rtęciowym na próbkach wysuszonych do stałej masy. Materiałem do badań była zatem zaprawa o niewielkiej objętości (kilku cm 3 ). Wyniki badań wskazują na wzrost porowatości w zakresie porów kapilarnych próbek poddanych oddziaływaniu środowiska chlorkowego, tym większy im większy spadek cech wytrzymałościowych zaobserwowano w stosunku do próbek odniesienia przechowywanych w wodzie. Różnice w rozkładzie porów są największe w przypadku próbki zawierającej 15% popiołu fluidalnego. Ocena wpływu popiołów fluidalnych na dyfuzję jonów chlorkowych w zaprawach normowych Do oznaczenia wpływu popiołów fluidalnych na dyfuzję chlorków sporządzono zgodnie z normą PN-EN 196-1:2006 zaprawy normowe, w których zastępowano 15 i 30 % cementu określonym popiołem fluidalnym. Do badań użyto popiołów fluidalnych Katowice (K) i Turów (T) z pierwszej dostawy w ramach projektu oraz dwa popioły fluidalne Turów z wcześniej przeprowadzonych prób, tzn. w okresie przygotowania do podjęcia Projektu (popioły oznaczone symbolem W1 i W6 ). W oznaczeniach próbek, liczba usytuowana za oznaczeniem rodzaju popiołu oznacza procentowy udział tego dodatku w spoiwie zaprawy normowej. 41

42 Do badań użyto cementu CEM I 32,5 R z cementowni Małogoszcz. Badania prowadzono kilkoma metodami, a szczegółowe wyniki podane są w Sprawozdaniu. Podsumowanie badań dyfuzji jonów chlorkowych Uzyskane w toku prowadzonych dyfuzji jonów chlorkowych w zaprawach pozwalają na wyciągnięcie następujących wniosków: - dodatek popiołu zmniejsza współczynnik dyfuzji jonów chlorkowych; - większa ilość dodatku zmniejsza współczynnik dyfuzji jonów chlorkowych; - zwiększenie ilości popiołu z 15% do 30% powoduje, że współczynnik dyfuzji chlorków przez takie próbki jest około czterokrotnie mniejszy niż współczynnik dyfuzji dla próbek bez popiołu; - większy dodatek popiołu powoduje także poważne zmniejszenie wzrostu współczynnika dyfuzji w czasie w porównaniu do próbek zawierających 0% i 15% popiołu; - obecność popiołów fluidalnych w składzie spoiwa w przewidywalnych warunkach oddziaływania środowiska chlorkowego nie tylko nie pogarszają warunków ochronnych stali zbrojeniowej przed korozją, a wręcz warunki te polepszają. Ocena wpływu popiołów fluidalnych na trwałość zapraw w środowisku siarczanowym Badania odporności zapraw normowych zawierających popioły w ilości 15, 20 i 30% na oddziaływanie środowiska siarczanowego, zostały przeprowadzone z zastosowaniem dwóch środowisk siarczanowych: Na 2 SO 4 i MgSO 4 o stężeniu SO 4 2- = 16,0 g/l. Do badań wykorzystano metodykę opisaną w normie PN-B-19707:2003. Przykładowe zależnoci pokazane są na rys.4.1 i 4.2, a szczegółowe wyniki badań w sprawozdaniu z Zadania 4. Rys Względne zmiany liniowe zapraw cementowych zawierających podstawienia popiołem fluidalnym z elektrowni Turów, przechowywanych w środowisku Na 2 SO 4. Rys Względne zmiany liniowe zapraw cementowych zawierających podstawienia popiołem fluidalnym z elektrowni Katowice, przechowywanych w środowisku Na 2 SO 4. 42

43 Oddziaływanie środowiska siarczanowego na stwardniałe zaprawy - wykonane z udziałem popiołów fluidalnych, prowadzi do powstawania ettringitu jako produktu korozji faz glinianowych. W przypadku oddziaływania na zaprawy siarczanu magnezu obserwuje się także obecność gipsu oraz brucytu. Obserwacje mikroskopowe pozwalają także na wykazanie, że jednym z głównych produktów korozji w środowisku siarczanowym jest thaumazyt, który powstaje w niskiej temperaturze, w jakich prowadzone były powyższe badania. Widoczna obecność produktów korozji siarczanowej zasadniczo we wszystkich rodzajach próbek poddanych badaniom wskazuje, że obserwowane spadki cech wytrzymałościowych szczególnie wytrzymałości na zginanie, oraz w mniejszym stopniu zmiany objętościowe zapraw, mają jednoznaczny związek z ograniczoną trwałością spoiw zawierających dodatki popiołów fluidalnych. Ponieważ test w temperaturze 5 o C nie należy do standardowych, a pokazuje pewne zależności, których wykazywanie nie jest wymagane żadnymi normami krajowymi czy europejskimi, dlatego też wyniki tych badań, choć przydatne z naukowego punktu widzenia, nie muszą mieć konsekwencji w ocenie trwałości spoiwa cementowego zawierającego dodatek popiołów fluidalnych. Wyniki analiz XRD próbek przechowywanych w temp. 5 o C Celem potwierdzenia wyników obserwacji mikroskopowych wraz z analizą rentgenograficzną w mikroobszarach wykonano analizy rentgenograficzne XRD wyselekcjonowanych próbek zapraw cementowych dojrzewających w roztworach korozyjnych. Wyniki analiz XRD przedstawiono w sprawozdaniu z Zadania 4. W oznaczeniu składu fazowego wykorzystano do pomiaru promieniowanie CuK α, przy parametrach lampy rentgenowskiej 45kV/40mA. Impulsy zliczano trybem krokowym z krokiem 0,02, w zakresie kątów ugięcia 5 60 o (2θ CuK α ). Próbki poddawane były analizie w postaci proszkowej o wymaganym rozdrobnieniu (1-3 µm). Do interpretacji uzyskanych wyników wykorzystano bazę danych JCPDS-ICDD (Joint Committee on Powder Diffraction Standards International Center for Diffraction Data) oraz tablice mineralogiczne. Na podstawie przeprowadzonej analizy rentgenograficznej wybranych fragmentów próbek zapraw zidentyfikowano we wszystkich badanych materiałach występowanie głównych refleksów charakterystycznych dla kwarcu (2θ = 26,64; 20,86; 50,14), kalcytu (29,41; 48,52; 39,42) oraz pików charakterystycznych dla ettringitu (9,14; 15,81; 22,90) i thaumazytu (9,24; 16,04; 23,49). Intensywność pików charakterystycznych dla kwarcu była znacznie większa dla próbek zapraw z dodatkiem popiołów fluidalnych niezależnie od rodzaju zastosowanego popiołu. Równocześnie we wszystkich próbkach badanych zapraw dojrzewających w roztworze siarczanu magnezu stwierdzono dużą intensywność pików przypisywanych gipsowi (11,59; 20,72; 29,11). Natomiast w próbkach zapraw dojrzewających w roztworze siarczanu sodu intensywność pików charakterystycznych dla gipsu jest znacznie mniejsza, bądź też gipsu nie stwierdzono (cement referencyjny CEM I). W próbkach tych dominującymi produktami korozji siarczanowej były ettringit oraz thaumazyt. Jednocześnie we wszystkich analizowanych próbkach będących skorodowanymi fragmentami zapraw nie stwierdzono obecności innych faz mineralnych, typowych dla produktów hydratacji cementów, czy też innych niż gips, ettringit i thaumazyt produktów korozji siarczanowej. Nie zaobserwowano także charakterystycznego dla skrytokrystalicznych form uwodnionych krzemianów wapnia typu C-S-H podniesienia tła rentgenogramów. Zasadniczo wyniki analizy rentgenograficznej potwierdzają przeprowadzone obserwacje mikroskopowe SEM-EDS. 43

44 Dodatkowy przemiał popiołów Dodatkowe badania popiołów fluidalnych, ze względu na wpływ aktywacji mechanicznej na ich właściwości, były prowadzone przy każdej partii otrzymywanego popiołu do badań monitoringowych (Tabela 4.3). Oznaczano właściwości popiołów oraz wykonanych z nich zapraw normowych; szczegółowe zestawienie wyników podane jest w sprawozdaniu z Zadania 4. Badania wykazały, że dodatkowy przemiał popiołów fluidalnych, niezależnie od źródła pochodzenia popiołu, nie wpływa na poprawę ich cech w żadnym istotnym technologicznie kierunku. Tabela 4.3. Wyniki oznaczeń parametrów fizycznych badanych popiołów ze spalania w kotłach fluidalnych przed i po obróbce mechanicznej. Oznaczona cecha fizyczna Popiół Turów (T) dostawa r. Przed obróbką mechaniczną Wyniki oznaczeń dla popiołów: Po zmieleniu Popiół Katowice (K) dostawa r. Przed obróbką mechaniczną Gęstość właściwa, g/cm 3 2,75 2,68 Po zmieleniu Powierzchnia BET, m 2 /g 12,1 12,7 13,5 15,1 Mediana wielkości ziarna dla udziału objętościowego,µm Moda wielkości ziarna D dla udziału objętościowego, µm 37,3 25,2 31,6 20,7 14,3 16,9 22,0 11,8 44

45 Zadanie 5 Badania wpływu dodatku popiołów fluidalnych na dynamikę karbonatyzacji betonu Zgodnie z harmonogramem realizacji Projektu przewidziano badanie przebiegu karbonatyzacji 10. składów betonu wg Tabeli 5.1 Tabela 5.1. Zestawienie składów wytypowanych do badań karbonatyzacji Seria w/s Popiół Bez popiołu Popiół Turów (z węgla brunatnego) Popiół Katowice (z węgla kamiennego) 15% m.s. 30% m.s. 15% m.s. 30% m.s. Oznaczenie składu B 0,45 B0 B15T B30T B15K B30K A 0,55 A0 A15T A30T A15K A30K Badanie karbonatyzacji prowadzono na próbkach 100x100x400 mm, zgodnie z procedurą podaną w PN-EN 13295:2004, przy czym badano dwa poziomy karbonatyzacji w każdym z terminów: przy pomocy testu fenoloftaleinowego (ph = 8,3) i przy pomocy testu thymoftaleinowo-fenoloftaleinowego (ph = 9,6). Ujęcie statystyczne programu badań spełnia warunki analizy wariancyjnej przy klasyfikacji podwójnej - 3 obiekty badane (zawartość popiołu 0, 15 i 30%) na dwóch poziomach czynnika strukturalnego (w/s = 0,45 i 0,55). Badania wykonane zostało metodą przyspieszoną w komorze karbonatyzacyjnej. Wyniki badań pokazane są w Tabelach 5.2 i 5.3. Zestawienie i interpretacja wyników pomiarów głębokości karbonatyzacji w terminie do 90 dni ekspozycji pozwoliły na estymację krzywych karbonatyzacji i analizę różnic wielkości karbonatyzacji spowodowanych wprowadzeniem różnej zawartości i jakości popiołów fluidalnych do betonów. Tabela 5.2. Wyniki uśrednione badania przebiegu karbonatyzacji próbek serii A (w/c=0,55) Oznaczenie składu A0 A15K A30K A15T A30T Poziom ph Zasięg frontu karbonatyzacji w mm, badany po ekspozycji w środowisku CO 2 przez 0 dni 14 dni 28 dni 56 dni 90 dni 150 dni 180 dni 8, ,0 6,0 8,5 8,0 8,0 9, ,5 7,0 9,5 9,0 9,0 8,3 0 4,5 5,0 10,5 11,5 12,0 13,0 9,6 0 4,5 7,5 11,5 12,5 12,0 12,5 8,3 0 5,0 8,5 9,0 12,0 15,0 17,0 9,6 0 5,5 9,0 13,0 12,5 15,5 17,0 8,3 0 3,5 5,0 9,0 9,5 12,5 14,0 9,6 0 3,5 5,0 9,0 9,5 12,5 13,0 8,3 0 3,0 5,0 7,0 11,5 10,5 13,0 9,6 0 3,5 6,5 10,0 12,0 12,0 13,0 45

46 Tablica 5.3. Wyniki uśrednione badania przebiegu karbonatyzacji próbek serii B (w/c=0,45) Oznaczenie składu Głębokość frontu karbonatyzacji w mm, po ekspozycji w środowisku CO 2 przez Poziom ph 0 dni 14 dni 28 dni 56 dni 90 dni 150 dni 180 dni B0 B15K B30K B15T B30T 8, ,5 0,8 0,9 9, ,7 2,4 3,4 8, , , ,2 1,8 2,8 8, ,6 5,8 7,7 9,6 0 3,9 5,4 6,4 8,2 8, , , ,8 2,8 3,5 8,3 0 1,8 4,2 6,0 6,6 9,6 0 2,8 4,5 6,3 6,8 Awaria komory Przyjęto jako podstawe aproksymacji wyników II prawo Ficka, opisujące szybkość dyfuzji. Model przebiegu karbonatyzacji (krzywa hiperboliczna), którego słuszności w przypadku badanych betonów dowiedziono uprzednio, przyjął postać: h = a(w/c) + b(cp) + c(t - 0,5 ) tu: h głębokość karbonatyzacji, w/c wskaźnik wodno-cementowy, cp czas pielęgnacji w dniach, t czas ekspozycji w latach, a, b, c współczynniki wagowe, charakteryzujące istotność wpływu w/c, czasu pielęgnacji i czasu ekspozycji na głębokość karbonatyzacji, przy czym wpływ czasu pielęgnacji jest najmniejszy spośród uwzględnionych czynników. Ustalono także, że parametry równania (a, b, c) w zasadniczy sposób zależą od charakterystyki spoiwa, związanej z obecnością dodatków mineralnych. Tabela 5.4. Głębokości karbonatyzacji zmierzone po 90 dniach i wyznaczone wartości asymptot Granica Głębokość karbonatyzacji, mm ph A0 A15K A30K A15T A30T B0 B15K B30K B15T B30T Wartość zmierzona po 90 dniach ph=8,3 ph=9,6 8,5 11,5 12,5 9,5 11,5 0,9 1,0 7,0 1,0 6,6 Wyznaczona wartość asymptoty 13,0 16,1 15,1 13,8 14,0 1,5 1,8 10,4 1,8 9,4 Wartość zmierzona po 90 dniach 9,5 12,5 12,5 9,5 12,0 3,4 2,8 8,4 3,5 6,8 Wyznaczona wartość asymptoty 15,0 17,9 18,0 13,9 16,5 5,3 4,3 10,4 5,7 9,4 Dodatkowo po 90 i 180 dniach zbadano także głębokość karbonatyzacji próbek wyeksponowanych w warunkach naturalnego środowiska przemysłowo-miejskiego. Wynik testu feno- 46

47 loftaleinowego (ph 8,3) po 90 i po 180 dniach był dla wszystkich próbek zerowy (nie stwierdzono karbonatyzacji) zaś wynik testu tymolo-fenoloftaleinowego (ph 9,6) wykazał głębokości karbonatyzacji od 0 do 1 mm po 90 dniach i od 0,5 do 1 mm po 180 dniach. Zgodnie z przewidywaniami stwierdzono więc, że w okresie 90 dni w środowisku o naturalnym stężeniu CO 2 proces karbonatyzacji jest zaledwie zainicjowany, zwłaszcza w odniesieniu do letniej pory roku, kiedy to stężenie CO 2 jest najniższe. W miejscu ekspozycji w miesiącach letnich mierzono stężenie CO 2 na poziomie 0,028-0,030% a w miesiącach zimowych na poziomie 0,036-0,039%. We wnioskach z badań stwierdzono, popioły fluidalne z Katowic i Turowa w jednakowym stopniu przyspieszają przebieg i zwiększają głębokość karbonatyzacji betonu, przy czym równie istotny jest wpływ zmiany wskaźnika w/s z 0,45 na 0,55 jak i zwiększenie zawartości popiołu z 15 do 30%. Wpływ badanych popiołów fluidalnych na przebieg karbonatyzacji jest podobny jak wpływ popiołów tradycyjnych. Maksymalna głębokość (asymptota) karbonatyzacji betonu z popiołami fluidalnymi, nie przekroczyła wartości 20 mm, stanowiącej wg PN-B03264:2002, minimalny wymiar grubości otuliny zbrojenia w środowiskach zagrożonych karbonatyzacją (XC2-XC4). W przypadku w/s = 0,55 i dodatku popiołów, maksymalne głębokości karbonatyzacji niebezpiecznie zbliżają się do wartości minimalnej grubości otuliny. Przebieg karbonatyzacji betonów z popiołami fluidalnymi z Katowic i Turowa, można opisywać modelem hiperbolicznym w postaci h = a + b/t -0,5, a czas badania do 90 dni w normowych warunkach przyspieszonych pozwala uzyskać zadowalającą dokładność inżynierską szacowania maksymalnej głębokości karbonatyzacji. 47

48 Zadanie 6 Zbadanie przyczepności zbrojenia stalowego oraz zbrojenia z taśm i prętów niemetalicznych do betonów konstrukcyjnych z dodatkiem popiołów fluidalnych Cele badania Celem badań doświadczalnych w Zadaniu była odpowiedź na następujące pytania: - jaka jest rzeczywista wartość przyczepności do badanych betonów prętów stalowych, i prętów niemetalicznych kompozytowych w zależności od ich średnicy oraz ukształtowania powierzchni w przeprowadzonych badaniach porównawczych między próbkami wykonanymi bez dodatku popiołu i z dodatkiem; - jaki jest rzeczywisty wpływ dodatku popiołów fluidalnych, ich rodzaju i ilości na przyczepność; - czy dodatek do betonu w postaci popiołów fluidalnych wpływa na przyczepność skleiny do elementu żelbetowego wzmocnionego taśmą kompozytową CFRP; - czy dodatek popiołów fluidalnych wpływa na mechanizm zniszczenia elementu żelbetowego wzmocnionego taśmą kompozytową CFRP W badaniach wykorzystano betony serii A i B, zaprojektowane w ramach Zadania 3, z których wykonano specjalne próbki i belki, które podlegały wzmocnieniu. Badano przyczepność prętów stalowych gładkich i użebrowanych o średnicach 8, 12 i 16 mm, kompozytowych prętów użebrowanych również o średnicach 8, 12 i 16 mm oraz taśm kompozytowych. Materiały i próbki Jako zbrojenie stalowe wykorzystano dwa gatunki stali: - stal St0S-b na pręty gładkie o średnicach 8, 12 i 16 mm, - stal BSt 500 na pręty żebrowane o średnicach 8, 12 i 16 mm. Do zbrojenia belek zginanych wykorzystano stal S235JR, z której wykonano strzemionka oraz pręty podłużne o średnicy 6 mm, powierzchnia zbrojenia była gładka. Zbrojenie niemetaliczne wykonano z prętów typu GFRP firmy Schock o nazwie własnej Combar, które są ogólnodostępne w Polsce i Europie. Pręty te są wykonywane w procesie pultruzji (przeciąganie włókien przez żywicę z jednoczesnym formowaniem pręta pod wpływem temperatury i ciśnienia) z włókna szklanego oraz żywic polimerowych. Producent podaje, iż do ich produkcji używa włókien o średnicy 20 µm. W badaniach używano pręty o średnicach 8, 12 i 16 mm, żebrowanych pierścieniowo. Pręty te charakteryzują się dużą wytrzymałością na rozciąganie wzdłuż włókien, niską wytrzymałością na ściskanie oraz niską wytrzymałością na ścinanie. Właściwości te wynikają z anizotropii kompozytu. Pręty były zabetonowane w próbkach betonowych. Do wzmocnienia belek żelbetowych zastosowano taśmy niemetaliczne firmy Sika o oznaczeniu CarboDur S512/80. Wykonane są w procesie pultruzji z włókien węglowych typu S, których zawartość objętościowa wynosi 68%, a umieszczone są w matrycy z żywicy epoksydowej. Badania wyrywania prętów z próbek betonowych Na rys. 6.1 pokazano schemat wyciągania pręta z próbki betonowej. Ze względu na niemożność określenia rozkładu naprężeń przyczepności prętów do betonu w momencie zerwania, analizę wyników przeprowadzono korzystając z wartości sił, mierzonych bezpośrednio podczas badania, a nie obliczanych wartości tych naprężeń 48

49 Rys. 6.1 Schemat formy i próbki z prętem wyciąganym Badania przeprowadzono według zaleceń RILEM 7-II-128, RC6: Bond Test for Reinforcing Steel. 1. Pull-Out Test. RILEM technical recommendations for the testing and use of construction materials, E & FN Spon, U.K. 1994, pp , w maszynie wytrzymałościowej Instron 8802 przy użyciu program Bluehill 2. W wyniku uzyskiwano wykres siła-przemieszczenie oraz wartości sił wyrywających., które są zestawione w Tabelach 6.1 i 6.2. Tabela 6.1. Zestawienie minimalnych wartości sił wyrywających, [kn]. Średnice prętów ϕ 8 mm ϕ12 mm ϕ16 mm Rodzaj prętów Udział popiołu fluidalnego w spoiwie 0 15% T 30% T 15% K 30% K Stalowe gładkie 3,20 4,80 4,78 5,60 0,89 Stalowe żebrowane 7,18 9,79 11,04 8,57 3,03 Kompozytowe żebrowane 5,37 9,60 3,99 5,10 5,26 Stalowe gładkie 8,37 11,58 10,55 13,02 9,18 Stalowe żebrowane 17,78 24,31 38,1 22,00 15,6 Kompozytowe żebrowane 15,51 25,77 16,3 12,05 10,75 Stalowe gładkie 12,53 19,10 17,37 23,11 16,98 Stalowe żebrowane 15,25 20,71 28,80 21,43 14,79 Kompozytowe żebrowane 31,27 34,57 32,97 24,30 23,40 Tabela 6.2. Zestawienie średnich wartości sił wyrywających [kn]. Średnice prętów ϕ 8 mm ϕ12 mm ϕ16 mm Rodzaj prętów Udział popiołu fluidalnego w spoiwie 0 15% T 30% T 15% K 30% K Stalowe gładkie 3,82 5,27 5,25 6,83 2,47 Stalowe żebrowane 7,68 13,55 14,95 10,59 5,16 Kompozytowe żebrowane 5,86 10,35 7,43 6,69 5,88 Stalowe gładkie 9,54 12,56 12,71 14,34 12,48 Stalowe żebrowane 22,04 27,58 43,20 25,53 18,30 Kompozytowe żebrowane 17,71 26,41 17,66 13,28 13,21 Stalowe gładkie 13,86 20,40 20,04 23,24 18,05 Stalowe żebrowane 18,09 27,34 35,90 22,13 16,90 Kompozytowe żebrowane 33,03 36,47 40,96 28,86 28,43 49

50 Wnioski na podstawie analizy uzyskanych wyników badań są następujące. 1. W przypadku stosowania konwencjonalnych stalowych prętów zbrojeniowych przyczepność do betonów z dodatkiem 15% i 30% popiołu fluidalnego z Turowa oraz betonu z dodatkiem 15% popiołu fluidalnego z Katowic niż do betonów bez dodatków popiołów fluidalnych. Natomiast przy użyciu betonu z 30% zawartością popiołu fluidalnego z Katowic wartości sił wyrywających były wyraźnie niższe. 2. W przypadku zbrojenia konstrukcji prętami kompozytowymi, jedynym betonem z dodatkiem popiołu fluidalnego, który wykazał lepszą przyczepność niż beton referencyjny jest beton z popiołem z Turoszowa w ilości 15% w masie spoiwa. Badania wzmacnianych belek Badania przyczepności zbrojenia w postaci taśm niemetalicznych zostały wykonane na elementach belkowych zginanych, do których przyklejono zbrojenie w postaci taśm z CFRP. Określenie czy przyczepność taśm do elementów betonowych z dodatkiem z popiołów fluidalnych jest wystarczająca uzyskano przez porównanie z belkami referencyjnymi. Sprawdzono przy tym, że nie dochodzi do zniszczenia przyczepności między skleiną i elementem betonowym. Schematem statycznym była belka swobodnie podparta o rozpiętości 85cm, obciążona siłą skupioną w środku rozpiętości. Belki były oparte na trawersie umieszczonej w uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej INSTRON Mierzonymi parametrami w poszczególnych próbach były: siła obciążająca, przemieszczenie szczęk i ugięcie belki w środku rozpiętości. Dodatkowo wykonano badania przyczepności otuliny betonowej metodą pull-off w elementach z dodatkiem z popiołów fluidalnych przed badaniem. Wyniki badania belek wzmacnianych i pull-off pokazane są w Tabelach 6.3 i 6.4. Tabela 6.3. Wyniki maksymalnych sił obciążających oraz odpowiadających im przemieszczeń względnych {SPIDER} przekroju środkowego belki. Nr Zawartość i Wzmocnie- Pull-off Ugięcie Siła N [kn] belki rodzaj popiołu nie taśmą u [mm] 01 0% 14,74 1) 0, % 14,17 1) 0, % ,32 2) 2, % ,64 2) 2, % Katowice b. d. b. d % Katowice ,46 2) 2, % Katowice ,29 2) 3, % Turów b. d. b. d % Turów ,16 2) 2, % Turów Tabela 6.4. Zestawienie wyników badań pull-off. /P/ f bd /P/ f bd Średnia f Belka Beton bd [N/mm 2 ] [N/mm 2 ] [N/mm 2 ] 03 A0 4,3 4,8 4,6 04 A0 3,1 3,1 06 A30K 4,1 3,1 3,6 07 A30K 3,1 4,8 3,9 09 A30T 5,1 3,8 4,5 10 A30T 3,1 6,4 4,7 Uwagi do Tabeli 6.3: 1) siła odpowiadająca zarysowaniu belki nie wzmocnionej taśmą, 2) siła odpowiadająca zniszczeniu belki wzmocnionej taśmą bez wcześniejszego zarysowania. 50

51 Wyniki badań prowadzą do następujących wniosków. a) Dodatek popiołów fluidalnych nie miał wpływu na przyczepność do betonu taśm z kompozytu polimerowego zbrojonych włóknami węglowymi, a właściwie na przyczepność do kleju. b) Uzyskane nośności belek wzmocnionych taśmami z CFRP wykonanych z betonów z dodatkiem popiołów fluidalnych z Katowic i Turowa w zawartości 30 % w masie spoiwa, były nieznacznie większe niż belek wykonanych bez dodatku popiołu i potwierdzały zalety stosowania takiego rodzaju wzmocnienia. Ten rodzaj wzmocnienia może być stosowany w przypadku konstrukcji wykonanych z betonów z popiołami fluidalnymi. c) Identyczne odkształcenia oraz formy zniszczenia belek wzmocnionych taśmami z CFRP bez dodatku popiołu i z dodatkiem potwierdziły brak wpływu popiołu na sposób pracy belek w aspekcie wytrzymałościowym. d) Przeprowadzone badania pull-off oraz zginania belek potwierdzają, że wystarczającym kryterium do zastosowania wzmocnienia z taśm na konstrukcjach wykonanych z betonów z dodatkiem popiołów z Turowa i Katowic (max 30% w masie spoiwa) jest właściwa wytrzymałość oraz stan powierzchni betonu. 51

52 Zadanie 7 Zbadanie wpływu dodatku do betonu w postaci popiołów fluidalnych na korozję konwencjonalnego zbrojenia stalowego Cel i zakres badań ochronnych właściwości betonu Na podstawie analizy dostępnych publikacji stwierdzono, że większość badań właściwości ochronnych i postępu korozji zbrojenia dotyczy betonu z dodatkiem różnych popiołów lotnych z kotłów pyłowych. Natomiast niewiele jest informacji o tych cechach w wypadku zastosowania w betonie dodatku w postaci popiołu ze spalania węglaw kotłach fluidalnych. Dokonano również przeglądu metod badania korozji zbrojenia stalowego w betonie z podziałem na trzy zasadnicze części: materiałowe, bezpośrednie i elektrochemiczne. Przyjęto także ustalenia normowe (polskie i amerykańskie), dotyczące metod szacowania postępu procesów korozyjnych stali zbrojeniowej w konstrukcjach żelbetowych. Na podstawie analizy stanu wiedzy podjęto badania, które mają na celu określenie zdolności betonów z dodatkiem popiołów z kotłów fluidalnych do pasywowania powierzchni stali zbrojeniowej. Celem badań było więc sprawdzenie, czy zamiana w mieszance betonowej części cementu na popiół, powstały ze spalania węgla w kotłach fluidalnych elektrowni, nie powoduje pogorszenia ochronnych właściwości betonu względem stalowego zbrojenia. Badania przeprowadzono na stali zbrojeniowej gatunku BST500S modelując ochronne oddziaływanie betonu zatężonymi wyciągami wodnymi. Roztwory modelowe odzwierciedlały warunki występujące w betonie nie poddawanym agresywnym wpływom środowiska. W badaniach beton zawierał popiół z węgla brunatnego stosowanego w El Turów oraz popiół z węgla kamiennego używanego w EC Katowice. Zastosowano popiół w dwóch proporcjach 15% i 30% masy cementu, natomiast stosunek wody do spoiwa (łącznie cementu i popiołu) był stały i wynosił w/s = 0,55. Określono także ochronne właściwości napowietrzanego betonu zawierającego 15% dodatek popiołu z El Turów o wskaźniku w/s = 0,45. Uzyskane wyniki odniesiono do wartości oszacowanych z pomiarów betonu referencyjnego o wskaźniku w/c = 0,55 wykonanego bez dodatków. W badaniach uwzględniono łącznie 6 rodzajów betonu. Były to badania elektrochemiczne i zostały przeprowadzone metodą polaryzacyjną w układzie trójelektrodowym. Do badań tych przygotowano 15 sześciennych elementów betonowych o boku 100 mm (w 5 seriach po 3 sztuki); były to próbki z serii A, B i C przy wybranych zawartościach popiołów fluidalnych. Kostki ze stwardniałego betonu zostały rozdrobnione w kruszarce i po usunięciu ziaren grubszego kruszywa zmielone w moździerzu. W kolejnym etapie zmielony beton przepuszczono przez sito o oczkach 0,25 mm otrzymując z każdej próbki około 200 g materiału niezbędnego do sporządzenia roztworów. Badania były przeprowadzone metodą polaryzacji liniowej, która umożliwia bezpośrednie określenie szybkości procesu korozyjnego za pośrednictwem pomiarów gęstości prądu korozyjnego. Modelową ciecz porową otrzymano metodą zatężania wyciągów wodnych z łącznie 18 betonowych kostek o wymiarach cm, które po zgnieceniu w maszynie wytrzymałościowej rozdrobniono. Uformowano 6 serii próbek, po 3 kostki w każdej serii. Poszczególne serie próbek wykonano z mieszanek betonowych utworzonych według odmiennych receptur, różnicując zawartość popiołu oraz ilość i rodzaj domieszek. Analizę wyznaczonych krzywych polaryzacji przeprowadzono na podstawie wartości gęstości prądu korozyjnego i kor oraz potencjału korozyjnego E kor, które były wynikiem ekstrapolacji prostoliniowych odcinków krzywych polaryzacji, wyrażonych w logarytmicznej skali gęstości prądu. Odcięta punktu przecięcia się obu prostoliniowych odcinków wyznaczała logarytm wartości gęstości prądu korozyjnego i kor, natomiast rzędna odpowiadała wartości potencjału korozyjnego E kor. Ponadto na podstawie przebiegu krzywych polaryzacyjnych, graficznie ustalono wartości gęstości prądu pasywacji i P oraz potencjały pasywacji E P i przebicia E D. 52

53 Zbiorcze zestawienie wyników badań elektrochemicznych oraz pomiarów ph roztworów modelowych przedstawiono w Tabeli 7.1. Tabela 7.1 Zestawienie wyników badań potencjodynamicznych roztworów modelowych z betonu bez dodatku popiołu i roztworów modelowych z betonów z dodatkiem popiołów z El Turów i EC Katowice Beton Próbka ph Potencjał [mv] Gęstość prądu [µa/cm 2 ] A0 A15K A30K A15T A30T C15T E R (E kor ) E P E D i P i kor 1 12,53-262,19-46,43 611,56 0,27 0, ,49-280,45-37,93 612,24 0,26 0, ,50-271,43-31,10 615,32 0,27 0, ,41-284,21-26,56 613,29 0,26 0, ,35-268,08-22,27 615,03 0,27 0, ,41-251,78-00,74 611,72 0,27 0, ,53-284,86-41,97 610,21 0,27 0, ,52-272,22-42,84 614,86 0,27 0, ,53-271,50-37,29 616,11 0,27 0, ,42-311,46-29,47 598,96 0,27 0, ,42-186,01 53,17 618,49 0,26 0, ,42-245,33 56,35 624,56 0,26 0, ,38-274,26-28,36 615,51 0,27 0, ,51-270,63-33,75 612,13 0,27 0, ,46-260,71-30,34 613,65 0,27 0, ,42-259,41-21,18 618,20 0,27 0, ,50-259,80-25,29 615,78 0,27 0, ,49-253,24-15,74 615,32 0,27 0,07 Na podstawie przeprowadzonych badań elektrochemicznych i analizy uzyskanych wyników można stwierdzić, że zastosowanie popiołów ze spalania węgla kamiennego i brunatnego w kotłach fluidalnych jako zamiennika części cementu w betonie A15K, A30K i A15T, A30T oraz w betonie napowietrzonym C15T nie pogorszyło właściwości ochronnych w porównaniu z betonem referencyjnym A0 bez dodatków. Nawet 30% zamiana masy cementu na popiół pozwoliła na uzyskanie wartości gęstości prądu korozyjnego znacznie niższych od wartości uznawanych za graniczne, które wskazywałyby na niebezpieczeństwo wystąpienia korozji. Przeprowadzając analizę przebiegu krzywych polaryzacji wyznaczonych na elementach próbnych z betonów A30K, A30T i A0, określono wartości gęstości prądu korozyjnego oraz potencjału korozyjnego, charakteryzujące stan elektrochemiczny powierzchni stali zbrojeniowej. Podejmując próbę zastosowania popiołu ze spalania węgla w kotłach fluidalnych jako zamiennika części cementu do betonów konstrukcyjnych, przeprowadzono ocenę ochronnych właściwości względem zbrojenia betonu zawierającego taki popiół z węgla kamiennego z Katowic oraz z węgla brunatnego z Turowa. Badania wykonano metodą potencjodynamiczną w roztworach modelowych, a następnie według wskazań normy uzyskane wyniki porównano 53

54 z rezultatami otrzymanymi na próbkach z betonu referencyjnego bez dodatków oraz wartościami kryterialnymi. Na podstawie przebiegu krzywych polaryzacji odpowiadających betonom A15K i A15T oraz A30K i A30T zawierających 15% i 30% popiołu z elektrowni Katowice i Turów, a także napowietrzonemu betonowi C15T z 15% popiołu z elektrowni Turów określono podstawowe parametry charakteryzujące ich zdolność do pasywowania powierzchni stali zbrojeniowej. Gęstość prądu korozyjnego obejmowała przedział od wartości najmniejszej i kor = 0,06 µa/cm 2 otrzymanej w roztworze z betonu z 15% dodatkiem popiołu (A15K-3) do wartości największej i kor = 0,19 µa/cm 2 uzyskanej w cieczy modelowej z betonu referencyjnego (A0-1). Wartości te były znacznie mniejsze od powszechnie uznawanej granicy i kor < 1,00 µa/cm 2 wskazującej niewystępowanie zagrożenia korozją stali zbrojeniowej. Najmniejszą wartość gęstości prądu pasywacji równą i P = 0,26 µa/cm 2 oszacowano w wyciągach wodnych zarówno z betonu referencyjnego, jak i betonu zawierającego 15% dodatek popiołu próbki A0-2, A15K-1, A15T-2 i A15T-3. W pozostałych roztworach gęstość prądu pasywacji wynosiła i P = 0,27 µa/cm 2. Podobnie i ten parametr świadczył o prawidłowych właściwościach ochronnych wszystkich analizowanych betonów. Najbardziej powtarzalnymi wartościami, zbliżonymi do poziomu odniesienia, charakteryzowały się potencjał stacjonarny E kor oraz potencjał przebicia E D, spełniające w każdym wypadku kolejne kryteria E kor (Ag/AgCl) > -378,5 mv, E D (Ag/AgCl) > 428,5 mv właściwego zabezpieczenia stali zbrojeniowej przed korozją. O dobrej zdolności poszczególnych betonów do pasywowania powierzchni stali zbrojeniowej świadczyły również wartości ph = 12,35 12,53 pomierzone w poszczególnych roztworach modelowych. Wartości te znacznie przekraczały ph = 11,8 uznawane jako wartość graniczna, poniżej której następuje depasywacja stali. Porównując uzyskane wyniki w zatężonych wyciągach wodnych z betonów modyfikowanych dodatkami A15K, A15T, A30K, A30T i C15T oraz z betonu referencyjnego A0, a także uwzględniając dodatkowe kryteria ujmujące graniczne wartości parametrów elektrochemicznych można wnioskować, że zastosowanie popiołów ze spalania fluidalnego jako zamiennika części cementu oraz domieszki napowietrzającej nie pogorszyło ochronnych właściwości betonu w stosunku do stali. Bez znaczenia okazał się również rodzaj węgla, z którego otrzymano popiół. Wyniki uzyskane w roztworach modelowych wykonanych z betonu zawierającego dodatek popiołu z węgla kamiennego były porównywalne z wartościami oszacowanymi w roztworach odwzorowujących ciecz porową betonu z tym samym procentowym dodatkiem popiołu ze spalania węgla brunatnego. Beton zawierający 15% i 30% popiołów ze spalania węgla w kotłach fluidalnych w stosunku do masy cementu oraz 15% popiołu i domieszkę napowietrzającą prawidłowo zabezpieczył wkładki zbrojeniowe przed korozją. Badania postępu korozji zbrojenia w obciążonych i zarysowanych elementach próbnych Podjęto również badania postępu korozji zbrojenia w obciążonych elementach zarysowanych, wykonanych z betonu z dodatkiem popiołu z kotłów fluidalnych. Badania miały na celu określenie przebiegu procesów korozyjnych zachodzących na prętach zbrojeniowych umieszczonych w obciążonych i zarysowanych elementach próbnych wykonanych z betonów, w których część masy cementu zastąpiono popiołami ze spalania fluidalnego. Pomiary przeprowadzono w warunkach zbliżonych do rzeczywistych występujących w konstrukcji, na którą oddziałują chlorki. Badano elementy zbrojone stalą gatunku BST500S wywołując korozję cyklicznym zwilżaniem w 3% roztworze chlorku sodu. W elementach próbnych zastosowano beton zawierający popiół z elektrowni Turów powstały w procesie fluidalnego spalania węgla brunatnego oraz popiół z fluidalnego spalania węgla kamiennego w EC Katowice. W betonach popiołem 54

55 zastąpiono 30% masy cementu, natomiast stosunek wody do spoiwa (łącznie cementu i popiołu) wynosił w/s = 0,55. Uzyskane wyniki odniesiono do wartości oszacowanych z pomiarów wykonanych na próbkach z betonu referencyjnego o wskaźniku w/c = 0,55, wykonanego bez dodatków. Uwzględniono łącznie 3 rodzaje betonu, przy czym każdy z nich reprezentowały 4 elementy próbne. Badania przeprowadzono metodą polaryzacji liniowej, w układzie trójelektrodowym, określając szybkość procesu korozyjnego pomiarami gęstości prądu korozyjnego. Pomiary wykonywano co kilka tygodni w wywołanej obciążeniem rysie oraz w wybranych miejscach niezarysowanych, znajdujących się w osi zbrojenia. Punkty pomiarowe usytuowano w taki sposób, aby uzyskane rozkłady gęstości prądu korozyjnego obejmowały swoim zakresem całą długość wkładki zbrojeniowej wytężonej w zróżnicowany sposób. W tym celu przygotowano 12 beleczek o wymiarach 50x100x600 mm zbrojonych jednym żebrowanym prętem o średnicy 6 mm. Betonowe beleczki (w 3 seriach po 4 sztuki) wykonano z betonu o w/c= 0,55 bez dodatku popiołu fluidalnego oraz z popiołem fluidalnym o zawartości 30% zarówno z Katowic jak i z Turowa. Beleczki obciążano siłą skupioną w schemacie belki wolnopodpartej. Siłę obciążającą kontrolowaną siłomierzem zwiększano do momentu pojawienia się na powierzchni elementu rysy o rozwartości 0,05 mm. Postęp korozji zbrojenia był monitorowany przez zwilżanie roztworem chlorku sodu. Przeprowadzając analizę przebiegu krzywych polaryzacji wyznaczonych na elementach próbnych z betonów A30K, A30T i A0, określono wartości gęstości prądu korozyjnego oraz potencjału korozyjnego, charakteryzujące stan elektrochemiczny powierzchni stali zbrojeniowej. Wartości parametrów elektrochemicznych uzyskanych w próbkach z betonów z dodatkiem popiołów fluidalnych A30K i A30T odniesiono do wartości otrzymanych z pomiarów polaryzacyjnych zbrojenia elementów wykonanych z betonu referencyjnego A0 bez dodatków. Wyniki badań polaryzacyjnych zbrojenia elementów betonowych zależą od wielu czynników: temperatura i wilgotność otoczenia, rezystywność betonu otuliny, porowatość betonu. Z tego powodu ich interpretacja może być obarczona pewnym błędem. W trakcie prowadzonych badań krzywe polaryzacyjne opisujące stan elektrochemiczny zbrojenia umieszczonego w elementach z betonu referencyjnego A0 charakteryzowały się łagodnym i płynnym przebiegiem. W przypadku elementów z betonów zawierających dodatek popiołów z kotłów fluidalnych uzyskiwane krzywe miały zaburzony przebieg wskutek gorszej przewodności elektrycznej. Z tego powodu nie wszystkie wyznaczone krzywe pozwalały na oszacowanie wartości gęstości prądu korozyjnego i potencjału korozyjnego. Wartości parametrów elektrochemicznych, wyznaczone podczas pierwszego pomiaru polaryzacyjnego, pozwalały stwierdzić, że wszystkie analizowane betony A30K, A30T i A0, cechowały się zbliżonymi własnościami i początkowo stanowiły dobrą ochronę wkładek zbrojeniowych. Ekspozycja w 3% roztworze chlorku sodu zainicjowała rozwój korozji zbrojenia elementów z betonu referencyjnego bez dodatków A0. W tych próbkach szybkość zachodzących procesów była zdecydowanie większa w porównaniu z reakcjami występującymi w elementach z betonów A30K i A30T, w których 30% masy cementu zastąpiono popiołami ze spalania w kotłach fluidalnych węgla kamiennego i brunatnego. Zależność ta uwidoczniła się już w czwartym cyklu badań. Podczas kolejnych pomiarów różnica wartości gęstości prądu korozyjnego, wyznaczonego w elementach z betonu referencyjnego i betonów z dodatkiem popiołów ze spalania fluidalnego, stawała się coraz wyraźniejsza. Ponadto po zakończeniu etapu inicjacji korozji w elementach z betonu referencyjnego A0 nadal obserwowano wzrost wartości gęstości prądu korozyjnego świadczący o dalszym rozwoju procesów elektrochemicznych zachodzących na powierzchni stali zbrojeniowej. Można sądzić, że oddziaływanie chlorków w znaczący sposób uszkodziło warstwę pasywną, a alkalia w betonie i wypełniająca jego pory ciecz nie były w stanie zredukować tego zjawiska. 55

56 W elementach próbnych z betonów A30K i A30T, w których część masy cementu zastąpiono popiołami, przez cały okres badań nie nastąpiła depasywacja zbrojenia. Ciecz porowa zawierająca rozpuszczalne składniki zarówno cementu, jak i popiołu z fluidalnego spalania węgla kamiennego i brunatnego działała korzystniej na powierzchnię stali zbrojeniowej niż ciecz porowa powstała tylko z cementu portlandzkiego. Można przypuszczać, że w betonie z dodatkiem popiołu następowało blokowanie dostępu jonów chlorkowych do powierzchni warstewki pasywnej lub zmniejszenie stężenia jonów chlorkowych na skutek wzmożonego ich wiązania w matrycy cementowej. Porównując ze sobą poszczególne wartości gęstości prądu korozyjnego można stwierdzić, że zamiana 30% masy cementu na popiół fluidalny pozytywnie wpłynęła na zabezpieczenie przeciwkorozyjne stali zbrojeniowej. Rodzaj węgla z jakiego otrzymano popiół okazał się mało istotnym czynnikiem procesu. Wyniki badań uzyskane na próbkach wykonanych z betonu z dodatkiem popiołu z węgla kamiennego A30K były zbliżone do wartości otrzymanych na elementach próbnych z betonu zawierającego popiół z węgla brunatnego A30T. Wartości gęstości prądu korozyjnego, określone w elementach wykonanych z betonów, w których część masy cementu zastąpiono popiołami były znacznie niższe od wartości uznawanych w publikacjach za wskazujące na rozwój procesów korozyjnych. Wartości potencjału korozyjnego, po zakończeniu etapu wzbudzania korozji działaniem chlorków ustabilizowały się na poziomie wyższym od granicznej wartości wskazującej zgodnie z normą ASTM na prawdopodobieństwo wystąpienia korozji, lub nieznacznie niższym. Na podstawie otrzymanych wyników można wnioskować, że zastosowanie popiołów ze spalania fluidalnego, jako zamiennika części cementu, wywarło korzystny wpływ na właściwości ochronne betonu modyfikowanego w porównaniu z betonem referencyjnym. O polepszeniu właściwości ochronnych świadczyły mniejsze wartości gęstości prądu korozyjnego oraz przesunięcie potencjału korozyjnego w kierunku dodatnim względem wartości otrzymanych w elementach z betonu referencyjnego. Do badań rozwoju korozji zbrojenia wytypowano beton A30K i A30T charakteryzujący się największą zawartością popiołu z kotłów fluidalnych oraz najwyższym wskaźnikiem w/s = 0,55. Przyjęto, że zastosowanie 30% popiołu oraz największa porowatość kapilarna wynikająca z dużej wartości wskaźnika w/s mogą powodować najniekorzystniejsze warunki ochrony zbrojenia przed korozją wywołaną chlorkami. Badań szybkości korozji zbrojenia nie przeprowadzono na elementach z betonu oznaczonego symbolem B i C, w którym stosowano te same ilości popiołów ze spalania fluidalnego 15% i 30%, oraz niższy wskaźnik w/s = 0,45. Beton C był dodatkowo napowietrzany. Można przypuszczać, że wobec pozytywnych wyników uzyskanych na elementach próbnych z betonu serii A, także lepiej od betonów referencyjnych powinny chronić zbrojenie pozostałe betony z dodatkiem popiołów z kotłów fluidalnych serii B i C. Zastosowanie wskaźnika w/s o niższej wartości wpływa bowiem na wzrost szczelności struktury tych betonów, a ponadto napowietrzenie powoduje ograniczenie podciągania kapilarnego. Z tych powodów można sądzić, że betony serii B i C powinny być mniej podatne na wnikanie chlorków od betonu serii A. 56

57 Zadanie 8 Zbadanie wpływu dodatku popiołów fluidalnych na odporność betonu na przenikanie chlorków, na odporność betonu na agresję mrozu i środków odladzających, badanie stabilności mikrostruktury i właściwości mechanicznych betonów w środowiskach o zmiennej wilgotności Zadanie 8a. Zbadanie wpływu dodatku popiołów fluidalnych na odporność betonu na przenikanie chlorków Przenikanie chlorków przez beton Konstrukcje żelbetowe narażone są na działanie chlorków zawartych w wodzie morskiej, zasolonych wodach śródlądowych oraz środkach stosowanych do odladzania jezdni. Proces korozji chlorkowej rozpoczyna się skurczem żelu cementowego, wywołanym przez jego zagęszczanie pod wpływem ciśnienia osmotycznego. Powoduje to powstawanie w zaczynie mikrospękań, które mogą stać się drogami szybkiej migracji jonów chlorkowych do wnętrza zaczynu. Wskutek wnikania jonów chlorkowych następują zmiany w strukturze betonu, zaczyna się proces korozji stali zbrojeniowej oraz pojawiają się pęknięcia spowodowane wzrostem objętości skorodowanych prętów zbrojenia. Transport chlorków przez beton może odbywać się według różnych mechanizmów, np. może odbywać się w wyniku różnicy ciśnień (przepuszczalność), różnicy stężeń (dyfuzja), czy sorpcji (podciąganie kapilarne), jednak głównym z nich jest dyfuzja. Zmiany zachodzące w strukturze betonu, uszkodzenia zarówno betonu jak i stali, zależą od jakości betonu. Wpływ popiołów lotnych fluidalnych na przenikanie chlorków Badanie przeprowadzono metodą według NT Build 492, szczegółowo opisaną w sprawozdaniu z Zadania 2 na próbkach wykonanych z betonów serii B i C, opisanych w Zadaniu 3. Wyniki badania współczynnika migracji chlorków w stanie nieustalonym po 28, 90, 180, 360 i 720 dniach w próbkach serii B i C pokazano na rys Współczynnik migracji chlorków oznaczano na trzech próbkach z każdej z serii betonowej. Rys. 8.1 Współczynnik migracji chlorków badany po 28, 90, 180, 360 i 720 dniach, seria B, w/s = 0,45, popiół fluidalny z Katowic 57

58 Rys. 8.2 Współczynnik migracji chlorków badany po 28, 90, 180, 360 i 720 dniach, seria B, w/s = 0,45, popiół fluidalny z Turowa Rys Współczynnik migracji chlorków badany po 28, 90, 180, 360 i 720 dniach, seria C, w/s = 0,45, beton napowietrzony, popiół fluidalny z Katowic Rys Współczynnik migracji chlorków badany po 28, 90, 180, 360 i 720 dniach, seria C, w/s = 0,45, beton napowietrzony, popiół fluidalny z Turowa 58

59 Największe wartości współczynnika migracji chlorków wykazały betony bez popiołu fluidalnego nienapowietrzone i napowietrzone (zaledwie dopuszczalna odporność na wnikanie chlorków). W betonach serii B widoczne jest zmniejszanie się D nssm w miarę postępu hydratacji 28 dni i 90 dni. W większości badanych betonów różnice między wynikami badania po 90 i 180 dniach są niewielkie, mniejsze niż odchylenie standardowe. Betony serii B z popiołem z Turowa wykazały mniejsze wartości współczynnika migracji chlorków w porównaniu do betonów z popiołem z Katowic, zarówno przy 15% jak i 30% zastąpieniu cementu przez popiół fluidalny. W betonach napowietrzonych - seria C, lepszą odporność na wnikanie jonów chlorkowych wykazały betony z popiołem z Katowic niż z Turowa. Różnice w wartościach D nssm między betonami z 15% i 30% zawartością popiołu fluidalnego z Katowic są niewielkie. Beton referencyjy oraz betony z popiołem z Katowic wykazują systematyczne zmniejszenie współczynnika migracji chlorków wraz z wydłużeniem okresu dojrzewania. Natomiast w betonach z popiołem z Turowa tylko po 180 dniach z zastąpieniem 30% cementu stwierdzono mniejszy współczynnik migracji chlorków niż w betonie z 15% popiołu fluidalnego. W napowietrzonych betonach z popiołem różnice między współczynnikiem migracji chlorków badanym po 28 i 90 dniach są większe niż w betonach bez środka napowietrzającego. Wniosek o uszczelnieniu struktury betonu W nienapowietrzonych betonach współczynnik migracji chlorków przy nieustalonym ich przypływie zmniejsza się w miarę wzrostu zawartości popiołu fluidalnego obu rodzajów. Betony z zastąpieniem cementu przez popiół fluidalny z Katowic, (zarówno seria nienapowietrzona B jak i napowietrzona C) wykazały zwiększenie odporności na wnikanie jonów chlorkowych przy zwiększaniu zawartości popiołu oraz w miarę postępu procesu hydratacji. Z przeprowadzonych badań wynika, że wzrost zawartości popiołu fluidalnego powoduje zmniejszenie współczynnika migracji chlorków, prawdopodobnie z uwagi na duży udział fazy C-S-H, powodującej skuteczne uszczelnienie struktury betonu i przerwanie ciągłości kapilar. 59

60 Zadanie 8b Zbadanie wpływu dodatku popiołów fluidalnych na odporność betonu na agresję mrozu i środków odladzających Mechanizmy powstawania zniszczeń mrozowych Z uwagi na przyczyny powstawania uszkodzeń oraz na sposób badania, przyjęto odróżniać dwa rodzaje mrozoodporności betonu, odnoszone do dominującego mechanizmu niszczenia: mrozoodporność wewnętrzną (mrozoodporność - frost resistance) oraz odporność na powierzchniowe łuszczenie (scaling resistance). Wewnętrzne pękanie Istnieje kilka hipotez odnoszących się do mechanizmów mrozowego niszczenia betonu w konstrukcjach narażonych na oddziaływanie czynników zewnętrznych. Ponieważ mechanizm ciśnienia osmotycznego w połączeniu z mechanizmem ciśnienia hydraulicznego lub z prostszym mechanizmem tzw. zamkniętego pojemnika tłumaczy ogólnie zjawisko niszczenia wewnętrznej struktury betonu spowodowane zamrażaniem i rozmrażaniem betonu, to takie uproszczone mechanizmy przyjmowane są jako podstawa zaleceń i norm, dotyczących ochrony konstrukcji przed zniszczeniem pod działaniem mrozu. Powierzchniowe łuszczenie Podczas zamarzania wody na powierzchni betonu często dochodzi do uszkodzenia zwanego łuszczeniem (scaling), przy czym: 1. małe stężenie soli (0,1%); w wyniku tworzenia się lodu, powstające naprężenia rozciągające nie przewyższają wytrzymałości na rozciąganie lodu, tak więc pękanie nie występuje; 2. średnie stężenie soli (2% - 4%) pessimum concentration; w wyniku tworzenia się lodu powstają naprężenia rozciągające, które przewyższają wartością wytrzymałość na rozciąganie lodu i następuje pękanie lodu, które wyzwala łuszczenie powierzchni betonowej; 3. duże stężenie soli (10% - 20%); w tym przypadku warstwa lodu jest zbyt miękka aby wywołać wystarczająco duże naprężenie, łuszczenie nie występuje. Dlatego wybór metody badawczej ma podstawowe znaczenie z uwagi na przydatność otrzymywanych wyników i ich późniejszą analizę. Przyjęcie ostrzejszych warunków badania betonu stawia większe wymagania w stosunku do jakości składu i struktury, ale z drugiej strony wzrasta prawdopodobieństwo, że konstrukcja będzie trwała przez przewidziany okres eksploatacji i będzie wymagała mniejszych kosztów napraw. Badanie odporności betonu z popiołem na agresję mrozu i środków odladzających Po przeanalizowaniu różnych metod, z uwagi na powszechność stosowania, doświadczenie w korzystaniu z metody badawczej oraz na możliwość porównania wyników badań z innymi laboratoriami do dalszych badań postanowiono w Projekcie wybrać dwie metody: zwykła wg PN-88/B mrozoodporność betonów z popiołem fluidalnym oraz CEN/TS odporność na powierzchniowe łuszczenie betonów z popiołem fluidalnym, ta norma jest wzorowana na metodzie Borås w szwedzkiej normie SS Mieszanki do badań betonu na odporność na powierzchniowe łuszczenie oraz mrozoodporności są opisane w sprawozdaniu z Zadania 3. Badano próbki z betonu serii C, napowietrzone, o w/s = 0,45. Badanie odporności na powierzchniowe łuszczenie Do badań odporności betonu na powierzchniowe łuszczenie zastosowano normę PKN- CEN/TS :2007 slab test. Badanie to polega na polega na określeniu masy złuszczo- 60

61 nego materiału z górnej powierzchni próbki po 7, 14, 28, 42 i 56 cyklach zamrażania i odmrażania w obecności 3% roztworu NaCl. 1 powierzchnia wylewana 2 badana powierzchnia wymiary podano w mm Rys Kierunek cięcia i właściwa powierzchnia próbki do badania Po 21 dniach dojrzewania cztery próbki sześcienne o boku 150 mm przygotowuje się do badania. Z sześcianów wycina się prostopadle do powierzchni wylewanej właściwe próbki do badania o wymiarach 150 x 150 x 50(±2) mm (rys.8.5) i następnie umieszcza się je w komorze klimatycznej. Po kolejnych czterech dniach na wszystkie powierzchnie próbek z wyjątkiem powierzchni poddanej na działanie mrozu nakleja się folię gumową i za pomocą silikonu uszczelnia się brzeg badanej powierzchni z folią gumową. Brzeg folii gumowej wystaje na wysokość 20±1 mm ponad powierzchnię poddaną na działanie mrozu. Próbki ponownie umieszcza się w komorze klimatycznej. Następnie w 28 dniu dojrzewania betonu i przez kolejne 3 dni na badanej powierzchni próbki znajduje się destylowana woda. Przed wlaniem właściwego 3% roztworu NaCl, niebadane boki próbki izoluje się za pomocą styropianu o grubości 20±1 mm. Tak przygotowane próbki, przykryte folia plastikową w wieku 31 dni poddaje się cyklom zamrażania i rozmrażania, rys powierzchnia badana 5. uszczelnienie folia gumowa 2. pomiar temp. cieczy mrożącej termopara 6. zakładka 3. folia plastikowa 7. izolacja termiczna styropian 4. warstwa 3% NaCl 8. uszczelnienie silikon Rys Schematyczny rysunek próbki przygotowanej do badania wg metody slab test Jeden cykl trwa 1 dobę i obejmuje: zamrażanie od +20 C do 4 C w czasie 4,5 godziny; 5,3 C /h, zamrażanie od 4 C do 18 C w czasie 7,5 godz.; 1,9 C /h, stała temperatura 18 C przez 4 godz., rozmrażanie od 18 C do +20 C w czasie 8 godz.; 4,8 C /h. 61