WODOSZCZELNOŚĆ PIASKOBETONÓW MODYFIKOWANYCH MIKROKRZEMIONKĄ I ZBROJENIEM ROZPOROSZONYM

Transkrypt

1 Zdzisław PIĄTEK Jacek KATZER Politechnika Koszalińska WODOSZCZELNOŚĆ PIASKOBETONÓW MODYFIKOWANYCH MIKROKRZEMIONKĄ I ZBROJENIEM ROZPOROSZONYM Piaskobeton nie poddany żadnym zabiegom technologicznym charakteryzuje się w porównaniu do betonu zwykłego wysoką jamistością i porowatością, a przy samej produkcji dużą cementochłonnością. Taki stan rzeczy powoduje małą mrozoodporność i wodoszczelność piaskobetonów w porównaniu do betonów żwirowych, a co za tym idzie znacznie ogranicza możliwości jego stosowania [8]. Dotychczasowe próby modyfikacji piaskobetonu nie dały w pełni zadowalających wyników. Olbrzymie zasoby piasków w Polsce północnej, a w szczególności na Pomorzy Środkowym gdzie udokumentowane złoża piasków i pospółek zapiaszczonych wynoszą około 100 mln. ton, skłaniają do dalszych poszukiwań optymalnej drogi zagospodarowania tego surowca [6]. 1. PROGRAM BADAŃ Mając na uwadze powyższe fakty autorzy opracowali program badań piaskobetonów modyfikowanych jednocześnie nowym dodatkiem jakim jest mikrokrzemionka, oraz znanym od lat, ale niechętnie jeszcze ciągle w Polsce stosowanym zbrojeniem rozproszonym i superplastyfikatorem. Badania te prowadzono z myślą o rozpoznaniu możliwości wykonania piaskobetonów wysokowodoszczelnych na bazie piasków Pomorza Środkowego. Piaskobeton wykonywano w oparciu o piasek z odsiewek, czyli tak zwany piasek odpadowy. Piasek ten odsiany w trakcie procesu hydroklasyfikacji posiada mniejsze wskaźniki zmienności uziarnienia, o wiele mniejszą ilość substancji ilastych i większą zawartość minerałów i skał krystalicznych niż pospółka z której go odsiano czy piasek zwykły wydobywany w tej samej kopalni. Jest on również pozbawiony zanieczyszczeń chemicznych i biologicznych [6]. W programie badań przewidziano wykonanie 30 zarobów, po 18

2 próbek 15*15*15cm każdy, w których zastępowano odpowiednio od 0% do 25% cementu mikrokrzemionką (MK) w postaci suchego pyłu oraz dodawano od 0% do 2% zbrojenia rozproszonego (ZB) produkcji krajowej [3]. Ze względu na fakt, że zarówno obecność mikrokrzemionki jak i zbrojenia rozproszonego z osobna w mieszance betonowej bardzo zagęszcza jej konsystencję wszystkie zaroby modyfikowano superplastyfikatorem w ilości 1,8% co pozwoliło utrzymać konsystencję wszystkich zarobów na poziomie konsystencji plastycznej K-3. Program badań obejmował badanie cech świeżej mieszanki betonowej jak i betonu po 28 dniach dojrzewania. 2. UZYSKANE WYNIKI Ze względu na obszerność całości materiału badawczego autorzy przedstawią w niniejszym referacie tylko wyniki badań cech piaskobetonu mających bezpośredni związek z jego wodoszczelnością czyli: zawartość powietrza w świeżej mieszance betonowej badanej metodą ciśnieniową, nasiąkliwość wagową, wodoszczelność oraz stosunek wytrzymałości na rozciąganie badanej poprzez rozłupywanie do wytrzymałość na ściskanie. Wyniki badania zawartości powietrza w świeżej mieszance betonowej przedstawiono na rys.1. Rys.1. Zawartość powietrza Vp w świeżej mieszance piaskobetonowej Fig.1. Air content Vp in the fine aggregate concrete mix

3 Zawartość powietrza w badanych zarobach piaskobetonowych kształtowała się poniżej 4%, a dla większości zarobów wynosiła od 2,5% do 3%. Tylko zaroby modyfikowane niewielką ilością mikrokrzemionki oraz włókien stalowych charakteryzowały się zawartością powietrza większą od 3%. Wraz ze wzrostem dodatku mikrokrzemionki spadła zawartość powietrza w świeżej mieszance betonowej. Wielkość dodatku włókien stalowych nie miała znaczącego wpływu na omawianą cechę dla zarobów o dodatku mikrokrzemionki większym od 5%. Trzeba tutaj zaznaczyć, że zaroby o zawartości 20-25% MK i 1,5-2% ZB pomimo plastycznej konsystencji były w ogóle nie urabialne i nie wykonano z nich żadnych próbek. Rys.2. Kruchość R kr / R ks kompozytu piaskobetonowego Fig.2. Brittleness R kr / R ks of the fine aggregate concrete Wyniki badań wytrzymałości na ściskanie R ks oraz wytrzymałości na rozciąganie R kr przedstawiono jako kruchość kompozytu piaskobetonowego R kr / R ks na rys.2.wytrzymałość na ściskanie kompozytu piaskobetonowego wynosiła od 19,7 MPa dla zarobu porównawczego bez dodatku MK i ZB do 36 MPa dla zarobów o zawartości dodatków 20%MK i 1% ZB. Wytrzymałość na rozciąganie wynosiła od 2,6 MPa dla zarobu porównawczego do 3,6 MPa dla zarobu o maksymalnej 2% zawartości włókien stalowych. Zaroby modyfikowane tylko i wyłącznie mikrokrzemionką miały mniejsze wytrzymałość na rozciąganie od zarobu porównawczego. Kształt powierzchni R kr / R ks wyraźnie wskazu-

4 je, że na cechy wytrzymałośćiowe kompozytu piaskobetonowego zdecydowany wpływ miała wilekość dodatku włókien stalowych. Dodatek mikrokrzemionki w ilości 5% spowodował spadek kruchości R kr / R ks do wielkości 0,1. Dalsze zwiększanie dodatku mikrokrzemionki do 25% nie spowodowało jednak dalszego spadku wskaźnika R kr / R ks i utrzymał się on na poziomie 0,1. Rys.3. Nasiąkliwość wagowa N wk kompozytu piaskobetonowego Fig.3. Gravimetrical absorbability N wk of the fine aggregate concrete Na rys.3 zobrazowano wyniki badania nasiąkliwości wagowej kompozytu piaskobetonowego. Zarób porównawczy bez dodatku MK i ZB miał największą ze wszystkich badanych zarobów nasiąkliwość wynoszącą 5,5%. Wraz ze wzrostem dodatku mikrokrzemionki nasiąkliwość gwałtownie spada aby ustabilizować się na poziomie poniżej 1,5%. Dodatek samych włókien stalowych spowodował obniżenie nasiąkliwości do 3% przy maksymalnym 2% ich dodatku. Nasiąkliwość zarobów modyfikowanych zarówno mikrokrzemionką jak i włóknami stalowymi kształtowała się na poziomie 1%. Na uwagę zasługuje fakt, że dodatek tylko i wyłącznie 5% MK spowodował spadek badanej cechy do 1,5%. Dalsze zwiększanie dodatku MK do 25% włącznie wpłynęło na zmniejszenie nasiąkliwości zaledwie o 0,5%. Ostatnią omawianą cechą w tym referacie jest wodoszczelność, wyniki badania której zobrazowano na rys.4. Wodoszczelność piaskobetonu badano na urządzeniu skon-

5 struowanym w ITB, pozwalającym na badanie próbek pod ciśnieniem od 0,2 MPa do 1,2 MPa. Badania prowadzono pod stałym ciśnieniem 1,2 MPa w ciągu 72 godzin. Po tym czasie próbki rozłupywano i mierzono głębokość wniknięcia wody. Wyniki przedstawiono za pomocą współczynnika prędkości przepływu k V [7] obliczonego według zależności (1). k V =x 2 max/(2 h i t i ) (1) gdzie: x max - maksymalna głębokość penetracji wody w metrach, h i - ciśnienie wody w metrach H 2 O, t i - czas trwania ciśnienia h i w sekundach Rys.4. Wodoszczelność kompozytu piaskobetonowego k V m/s Fig.4. Waterproofness of the fine aggragate concrete k V m/s Wyrażenie wodoszczelności za pomocą współczynnika k V pozwala na porównywanie wodoszczelności próbek, przez które w trakcie badania przesączyła się woda i tych, które pozostały do końca badania szczelne. Można również porównać wodoszczelność próbek badanych w różny sposób. Wodoszczelność zarobu porównawczego, wyrażona za pomocą współczynnika k V wynosząca 230*10-12 m/s odpowiada stopniowi wodoszczelności W-14 według PN-88/B Współczynnik k V = 150, 100 i 50*10-12 m/s odpowiada hipotetycznym stopniom wodoszczelności W-18, W-22 oraz W-32 wyznaczonym według zasady opisanej w normie. Modyfikacja piaskobetonu samym zbrojeniem rozproszonym pozwoliła uzyskać szczelność rzędu 103*10-12 m/s czyli W-20. Modyfikacja zarobu tylko i wyłącznie

6 mikrokrzemionką pozwoliła osiągnąć wielkość 39*10-12 m/s czyli W-36. Na rys.4. wyraźnie widać, że dodatek zbrojenia pogarsza szczelność osiągniętą dzięki mikrokrzemionce gdy jej ilość nie przekracza 10%. Przy zwiększaniu ilości mikrokrzemionki szczelność kompozytu piaskobetonowego zwiększa się szczególnie w zarobach o dużej zawartości zbrojenia. Przy dodatku mikrokrzemionki większym od 15% wszystkie zaroby wykazują bardzo dużą szczelność, która stabilizuje się na poziomie 25-23*10-12 m/s, czyli odpowiednio W OMÓWIENIE WYNIKÓW Przedstawione powyżej wyniki stanowiące rozpoznanie możliwości uzyskania piaskobetonów wodoszczelnych i wysokowodoszczelnych na bazie piasku odpadowego modyfikowanych mikrokrzemionką i zbrojeniem rozproszonym potwierdzają przypuszczenia autorów, że można uzyskać piaskobeton o bardzo wysokich wybranych parametrach. Struktura piaskobetonu niemodyfikowanego jest bardziej porowata niż struktura betonu żwirowego. Wyniki badania zawartości powietrza w świeżej mieszance piaskobetonowej pozwalają pośrednio wnioskować o porowatości stwardniałego betonu. Należy przy tym mieć na uwadze fakt, że szczelność struktury stwardniałego betonu wynika nie tyle z ilości, co z charakteru porów. Pory przelotowe pogarszają wodoszczelność, a pory zamknięte, wytworzone najczęściej przez środki napowietrzające poprawiają wodoszczelność. Zarób porównawczy charakteryzował się prawie 4% zawartością powietrza w świeżej mieszance betonowej, co jest wielkością adekwatną dla betonów żwirowych modyfikowanych taką samą ilością superplastyfikatora [1]. Dodatek mikrokrzemionki bardzo uszczelnił mieszankę piaskobetonową, co pozwalało się spodziewać małej nasiąkliwości oraz wysokiej wodoszczelności. Wyniki badań wytrzymałościowych przedstawione w referacie za pomocą kruchości R kr / R ks przedstawionej na rys.2. są odzwierciedleniem wszystkich tendencji jakie mają miejsce w badanych zarobach. Z jednej strony mamy zbrojenie rozproszone, które w oczywisty sposób zwiększa wytrzymałość piaskobetonu, z drugiej strony mikrokrzemionkę, której wpływ na te cechy betonu ujawnia się dopiero po dłuższym czasie i w badaniach 28 dniowych nie jest jeszcze tak widoczny. Jednocześnie wszystkie zaroby były modyfikowa-

7 ne superplastyfikatorem, który obniża wytrzymałość na rozciąganie betonów modyfikowanych mikrokrzemionką nawet o 20% [2]. Wyniki badań wytrzymałości na ściskanie gdzie uzyskano znaczący wzrost tej cechy i osiągnięto wytrzymałości odpowiadające klasom betonu B35 przy zastosowaniu cementu portlandzkiego 35 bez dodatków w ilości 400 kg/m 3 dowodzą, że istnieją możliwości uzyskania jeszcze znacznie większych wytrzymałości piaskobetonów modyfikowanych mikrokrzemionką i zbrojeniem rozproszonym. Wodoszczelność piaskobetonów badano dotychczas sporadycznie wychodząc z założenia, że jego porowata struktura nie daje szans na osiągnięcie wysokich szczelności, a badane dotychczas na wodoszczelność nieliczne zaroby piaskobetonowe nie spełniały stawianych wymogów wodoszczelności.[8]. Wyniki badań wodoszczelności prezentowane na rys.4. udowadniają fakt, że przy starannie wykonanych zarobach, z piasku o bardzo dobrej jakości i przy użyciu mikrokrzemionki, zbrojenia rozproszonego i superplastyfikatora można uzyskać piaskobetony o wysokiej i bardzo wysokiej wodoszczelności. Wielkość przyrostu szczelności jest tu analogiczna jak w betonach żwirowych modyfikowanych samą mikrokrzemionką [2]. Ponad dziesięciokrotne zmniejszenie prędkości przepływu wody i uzyskanie wodoszczelności na poziomie W-44 należy uznać za wynik więcej niż zadowalający. Tak znaczący przyrost szczelność pozwala z optymizmem myśleć o stosowaniu w przyszłości piaskobetonu w elementach narażonych na silne oddziaływanie czynników atmosferycznych. Piaskobeton był dotychczas uważany za materiał niepełnowartościowy między innymi ze względy na dużą nasiąkliwość a co za tym idzie - małą mrozoodporność [8]. Otrzymanie w trakcie badań piaskobetonów o bardzo dużych wodoszczelnościach pozwala uważać ten problem za rozwiązany. Oczywiście kształt płaszczyzny obrazującej wodoszczelność zmusza do dokładnego zastanowienia się nad wyborem obszaru zarobów optymalnych szczególnie w zestawieniu z wynikami uzyskanymi przy badaniu innych cech. 4. WNIOSKI Przeprowadzone badania stanowiące rozpoznanie możliwości wykonania piaskobetonów wodoszczelnych na bazie piasku odpadowego, mikrokrzemionki i zbrojenia rozproszonego pozwalają stwierdzić że:

8 1. Stosowanie dodatku mikrokrzemionki i zbrojenia rozproszonego do piaskobetonów jest uzasadnione i pozwala na uzyskanie piaskobetonów o bardzo dużej wodoszczelności oraz małej nasiąkliwości przy jednoczesnym zwiększeniu wytrzymałości na ściskanie. 2. Na podstawie otrzymanych wyników za najbardziej optymalne zaroby można uznać betony o zawartości od 15 do 20% MK i od 1 do 1,5% ZB. 3. Ze względu na dużą reaktywność mikrokrzemionki w betonach żwirowych [2] oraz specyfikę piaskobetonu [4] omawiane kompozyty wymagają badań po 90 i 180 dniach dojrzewania oraz badań cech reologicznych 4. Krajowe surowce i dodatki pozwalają na produkcję pełnowartościowych piaskobetonów do konstrukcji budowlanych. 5. LITERATURA [1] Katzer J.: Szczelny beton z dodatkiem mikrokrzemionki modyfikowany superplastyfikatorem, Materiały Budowlane 11/96 [2] Katzer J.: Przyrost szczelności w czasie betonów mikrokrzemionkowych modyfikowanych superplastyfikatorem, Przegląd Budowlany 5/97 [3] Katzer J.: Krajowe włókna stalowe uszlachetniające beton, Warstwy 4/97 [4] Piątek Z., Kamyno R., Szyszko A.: Skurcz betonu piaskowego zbrojonego i niezbrojonego, XXIX Konf. KILiW PAN i KN PZITB, Krynica 1983 [5] Piątek Z.+ zespól: Zastosowanie piaskobetonów do prefabrykatów budowlanych produkowanych konwencjonalnie, Sprawozdanie z badań, Koszalin 1983, Zlecenie COBRPB Cebet w ramach PR-5 [6] Praca Zbiorowa: Beton piaskowy, Część I - Rozpoznanie bazy kruszyw piaskowych regionu koszalińskiego, Część II - Badanie cech kruszyw piaskowych, BPBBO Miastoprojekt, Koszalin 1979 [7] Śliwiński J.,Witek K.: Metody oceny parametrów charakteryzujących wodoszczelność betonu, Inżynieria i Budownictwo 10/94 [8] Zając B.: Wpływ parametrów wibrowania na podstawowe cechy piaskobetonu, Rozprawa Doktorska, Poznań - Bydgoszcz 1984 WATERPROOFNESS OF THE FINE AGGREGATE CONCRETE MODIFIED BY MICROSILICA AND STEEL FIBRE. (summary) This lecture describes the research on concrete based on fine aggregate modified by microsilica and steel fibres. The authors modified concrete by exchanging from 0 to 25% of cement for the microsilica and adding from 0 to 2 % of steel fibres. The received results of the research on the air content in the concrete mix, compression strength, tensile strength,

9 gravimetrical absorbability and waterproofness are presented on charts number 1,2,3,4. The authors managed to improve considerably compression strength, gravimetrical absorbability and waterproofness of the examined concrete mixes. For the most optimum concrete mixes the authors of this lecture consider the ones which contain from 15 to 20% of microsilica and from 1 to 1,5% of steel fibre.