WPŁYW SKŁADU MIESZANKI I WYJŚCIOWEGO ZAWILGOCENIA KRUSZYWA LEKKIEGO NA SORPCYJNOŚĆ KAPILARNĄ BETONU POPIOŁOPORYTOWEGO

Transkrypt

1 CZASOPISMO INŻYNIERII LĄDOWEJ, ŚRODOWISKA I ARCHITEKTURY JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING, ENVIRONMENT AND ARCHITECTURE JCEEA, t. XXXIII, z. 63 (4/16), październik-grudzień 2016, s Halina GARBALIŃSKA 1 Beata MARCINIAK 2 WPŁYW SKŁADU MIESZANKI I WYJŚCIOWEGO ZAWILGOCENIA KRUSZYWA LEKKIEGO NA SORPCYJNOŚĆ KAPILARNĄ BETONU POPIOŁOPORYTOWEGO Przedmiotem referatu jest ocena wpływu stosunku objętości zaprawy do objętości kruszywa, jak również wyjściowej wilgotności kruszywa porowatego na sorpcyjność kapilarną betonu popiołoporytowego. Przeprowadzono badania podciągania kapilarnego w odniesieniu do grupy betonów lekkich, o różnych recepturach, ale wykonanych na bazie tych samych składników. Przetestowano łącznie sześć receptur mieszanki betonowej, zróżnicowanych stopniem wstępnego nasycenia kruszywa oraz stosunkiem objętościowym zaprawy do kruszywa. Czynności badawcze przeprowadzono na próbkach o wymiarach 40 x 40 x 160 mm. Doświadczenie polegało na ustawieniu próbek w kuwecie z wodą oraz dokładnym ważeniu próbek, zgodnie z harmonogramem, przez 15 dni. Po wykonaniu badań podciągania kapilarnego, zebrano dane i sporządzono wykresy, które przedstawiają stosunek masy wody podciąganej kapilarnie do jednostki powierzchni materiału w funkcji pierwiastka z czasu. Sporządzone wykresy pozwoliły na wyznaczenie współczynnika sorpcji A dla każdej badanej próbki. Analiza badań wilgotnościowych polegała na porównaniu betonów lekkich o jednakowym stosunku objętościowym zaprawy do kruszywa i różnym wstępnym zawilgoceniu kruszywa Pollytag oraz betonów lekkich o różnym stosunku objętościowym zaprawy do kruszywa i jednakowym wstępnym zawilgoceniu kruszywa Pollytag. Przeprowadzone badania wykazały, że betony wykonane na kruszywie suchym charakteryzowały się wyraźnie najmniejszym współczynnikiem sorpcji. Betony, do produkcji których wykorzystano kruszywo całkowicie nasączone lub powierzchniowo-suche, osiągnęły znacznie większy współczynnik sorpcji. Betony wykonane z użyciem większej ilości zaprawy wykazały znacznie większą zdolność podciągania wody, niż betony wykonane z mniejszej ilości zaprawy. Wyniki zrealizowanych badań wskazują, że im bardziej wilgotne kruszywo, tym wyższy otrzymuje się współczynnik sorpcji A, który będzie dodatkowo wzrastał wraz ze wzrostem ilość zaprawy cementowej wprowadzonej do mieszanki betonowej. 1 Autor do korespondencji/ corresponding author: Halina Garbalińska, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Budownictwa i Architektury, Al. Piastów 50, Szczecin, tel , Halina.Garbalińska@zut.edu.pl 2 Beata Marciniak, Studentka S2, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, al. Piastów 50, Szczecin, , marciniak_beata@zut.edu.pl

2 142 H. Garbalińska, B. Marciniak 1. Wprowadzenie Słowa kluczowe: beton lekki, podciąganie kapilarne, współczynnik sorpcji kapilarnej, wilgotność kruszywa Betony lekkie znajdują coraz szersze zastosowanie w budownictwie. Przy ich projektowaniu staramy się z jednej strony sprostać wymaganiom wytrzymałościowym, a z drugiej strony zagwarantować podwyższoną izolacyjność cieplną. Tym sposobem wykonane z betonów lekkich elementy wykazują odpowiednią nośność, pozwalając równocześnie odciążać konstrukcje oraz lepiej chronić budynki przed stratami energii. Niestety wszystkie te walory mogą ulec znacznemu pogorszeniu, lub wręcz zniweczeniu, w sytuacji gdy dojdzie do znacznego zawilgocenia elementów budowlanych wykonanych z betonów lekkich, charakteryzujących się wysoką porowatością. Zawilgocony beton lekki wykazuje istotny spadek wytrzymałości, wyrażony w tzw. współczynniku rozmiękania. Dochodzi do znacznego zwiększenia masy i przeciążeń konstrukcji, jak również do istotnego pogorszenia izolacyjności cieplnej, gdy woda zastąpi zawarte w porach powietrze. W dalszej perspektywie czasowej zawilgocenie przekłada się negatywnie także na trwałość wskutek korozji biologicznej i chemicznej oraz działania mrozu. Jednym z najbardziej efektywnych mechanizmów, wprowadzających wodę w dużej ilości do wnętrza materiału, jest podciąganie kapilarne [1]. Zjawisko to ma miejsce wówczas, gdy materiał narażony jest na kontakt z ciekłą wodą, tj. w sytuacji pojawienia się wody opadowej, wystąpienia kondensacji na powierzchni i w obrębie przegrody oraz działania wód gruntowych i powodziowych. Porowata struktura betonów lekkich powoduje, że niestety odznaczają się one dość wysoką zdolnością do rozprzestrzeniania ciekłej wody. Parametrem, który opisuje przebieg tego zjawiska w danym materiale jest jego współczynnik sorpcji A, [2]. Aby ocenić, w jakim stopniu możemy wpływać na przebieg procesu podciągania kapilarnego, przeprowadzono w ramach pracy [3] badania testujące, którymi objęto grupę betonów lekkich wykonanych na kruszywie popiołoporytowym. Testowano, na ile (poprzez wzajemne proporcje między składnikami oraz sposób przygotowania kruszywa grubego) można ograniczyć rozprzestrzenianie się zawilgocenia w obrębie testowanych betonów. Dążono do ustalenia pożądanego kierunku modyfikacji, skutkujących minimalizacją wartości współczynnika sorpcji kapilarnej A, będącego miarą intensywności tego procesu. 2. Przebieg badań W pracy [3] opracowano 6 receptur betonów lekkich, które następnie poddane zostały badaniom testowym z uwagi na parametry wilgotnościowe, ale także m.in. z uwagi na ich wytrzymałość na zginanie i ściskanie.

3 Wpływ składu mieszanki i wyjściowego zawilgocenia kruszywa Przy projektowaniu poszczególnych mieszanek przyjęto następujące (jednakowe w przypadku każdej receptury) założenia wyjściowe: ten sam rodzaj cementu CEM I 42,5 R; kruszywo grube Pollytag tej samej frakcji z przedziału 4 8 mm; piasek kwarcowy o uziarnieniu 0 2 mm; stały stosunek piasku kwarcowego do cementu równy 1,2; stały wskaźnik wodno-cementowy równy 0,55. Ze względu na problem dużej nasiąkliwości kruszyw lekkich oraz ich wpływu na urabialność i końcowe parametry otrzymanego betonu, zastosowano zabieg wstępnego namaczania kruszywa grubego przed wykonaniem mieszanki. Pollytag dozowano do mieszanek w trzech różnych stanach zawilgocenia: N całkowicie nasączonym, PS powierzchniowo-suchym, S suchym. Biorąc pod uwagę fakt, że o parametrach betonu lekkiego decyduje zarówno zastosowane kruszywo grube, jaki i sposób wypełnienia zaprawą wolnych przestrzeni między jego ziarnami, zdecydowano się przyjąć dwa stosunki objętościowe zaprawy cementowej do lekkiego kruszywa grubego, wynoszące 70/30 oraz 60/40. Ustalone ostatecznie składy poszczególnych mieszanek betonowych zestawiono w Tabeli 1. Tabela 1. Składy mieszanek betonowych Table 1. Compositions of concrete mixes Receptura Składniki mieszanki betonowej [g/dm 3 ] Piasek Woda Cement Kruszywo lekkie Pollytag 4 8 mm 70/30 N 670,53 271,77 538,46 499,93 70/30 PS 670,53 271,77 538,46 516,32 70/30 S 670,53 271,77 538,46 612,44 60/40 N 574,74 232,95 461,54 666,56 60/40 PS 574,74 232,95 461,54 612,44 60/40 S 574,74 232,95 461,54 516,32 W ramach pracy [3] przeprowadzono szereg badań wstępnych dotyczących poszczególnych składników, tj. cementu, kruszywa drobnego oraz grubego. W szczególności wyznaczono nasiąkliwość i gęstość ziaren kruszywa lekkiego Pollytag. Obydwa oznaczenia przeprowadzono w trakcie jednego badania, które wykonano metodą piknometryczną. Gęstość ziaren kruszywa lekkiego wyniosła 1,29 Mg/m 3, natomiast nasiąkliwość ziaren wyniosła odpowiednio:

4 144 H. Garbalińska, B. Marciniak po 5 min W5 = 16,0 %; po 60 min W60 = 16,4 %; po 24 h W24 = 21,4 %; po 48 h W48 = 22,5 %. Wyznaczono w pomiarach, że średnia gęstość nasypowa suchego kruszywa Pollytag w stanie luźnym wynosiła 0,682 Mg/m 3, natomiast średnia gęstość objętościowa zagęszczonego kruszywa lekkiego Pollytag w stanie naturalnym osiągnęła wartość 0,747 Mg/m 3. Wykonano również oznaczenie jamistości Pollytagu, która oceniona została na 47,13 %. Do badań podciągania kapilarnego przeznaczono 24 próbki o wymiarach 40 x 40 x 160 mm, po 4 próbki z każdej receptury. Wszystkie próbki bezpośrednio przez rozpoczęciem pomiarów zostały wysuszone w suszarce do stałej masy. Temperatura suszenia wynosiła 70ºC. Została ona dobrana tak, aby uniknąć ewentualnego porysowania struktury wewnętrznej próbek w wyniku wprowadzenia zbyt wysokiej temperatury. Proces suszenia trwał 9 dni. Próbki były ważone co 24 godziny na wadze laboratoryjnej. Każdorazowo wyłączano suszarkę i czekano, aż temperatura wewnątrz urządzenia zrówna się z temperaturą panującą w pomieszczeniu, aby zbyt gwałtowana zmiana temperatur nie wpłynęła destrukcyjnie na suszone próbki. Następnie, po ostygnięciu, przeprowadzano ich ważenie. Z uwagi na zastosowane kruszywo lekkie nie było możliwości uzyskania idealnych wymiarów poprzecznych (40 x 40 mm) przygotowywanych próbek, gdyż każdorazowo dochodziło do pewnego spulchnienia mieszanki w trakcie jej zaformowywania. Dlatego przed przystąpieniem do dalszych badań wszystkie wykonane próbki zostały zmierzone po krawędziach, w celu wyznaczenia ich faktycznych powierzchni ssania F i ich faktycznych objętości V. Wyniki przeprowadzonej inwentaryzacji zostały uwzględnione w późniejszych obliczeniach. Przed rozpoczęciem badań podciągania kapilarnego wszystkie próbki ponownie zważono. Następnie w określonej kolejności i określonym tempie lokowano je w kuwetach wypełnionych wodą destylowaną. Próbki stawiano pionowo na podkładach stabilizujących, z wypustkami, zapewniającymi ich punktowe podparcie. Każda próbka zanurzona była w wodzie na głębokość około 2 mm. W trakcie eksperymentu wodę regularnie uzupełniano, aby jej poziom nie ulegał zmianie (rys. 1).

5 Wpływ składu mieszanki i wyjściowego zawilgocenia kruszywa Rys. 1. Ustawienie próbek przy badaniu podciągania kapilarnego Fig. 1. Positioning of samples at capillary suction tests Aby regularnie rejestrować zmieniającą się masę każdej próbki i przyrost masy zawilgoconego materiału w stosunku do masy wyjściowe, użyto wagi laboratoryjnej o dokładności 0,01 g. Ważenie kolejnych próbek odbywało się w określonych odstępach czasowych. Schemat ważenia dopasowano do tempa przebiegu procesu podciągania kapilarnego w początkowym stadium próbki szybko chłonęły wodę, a wraz z upływem czasu proces ten stawał się coraz wolniejszy. Szczegółowy opis badań przedstawiono w pracy [3]. 3. Analiza wyników badań podciągania kapilarnego Po zakończeniu badań podciągania kapilarnego w odniesieniu do wszystkich testowanych próbek, sporządzono zestawienia tabelaryczne, a następnie wykresy, które przedstawiają stosunek masy wody podciąganej kapilarnie do jednostki powierzchni materiału w funkcji pierwiastka z czasu, tj. m t/f = f( t). Wykresy ilustrujące przebieg całego procesu podciągania kapilarnego wody pozwoliły na przeprowadzenie analizy porównawczej w odniesieniu do wszystkich badanych betonów. Analiza badań wilgotnościowych polegała na porównaniu: betonów lekkich o jednakowym stosunku objętościowym zaprawy do kruszywa i różnym wstępnym zawilgoceniu kruszywa Pollytag; betonów lekkich o różnym stosunku objętościowym zaprawy do kruszywa i jednakowym wstępnym zawilgoceniu kruszywa Pollytag.

6 146 H. Garbalińska, B. Marciniak Sporządzone wykresy pozwoliły na wyznaczenie współczynnika sorpcji A dla każdej badanej próbki, wg wzoru [2]: mt A = (1) F t gdzie: A współczynnik sorpcji, [kg/(m 2 h 1/2 )]; m t przyrost masy badanej próbki, [kg]; F powierzchnia ssania, [m 2 ]; t przyrost pierwiastka z czasu, [h 1/2 ]. W pracy [3] zebrano szczegółowe dane uzyskane w przeprowadzonych badaniach. Średnie współczynników sorpcji A w przypadku sześciu testowanych receptur osiągnęły następujące wartości: 70/30 N A = 3,163 kg/(m 2 h 1/2 ); 70/30 PS A = 2,938 kg/(m 2 h 1/2 ); 70/30 S A = 2,151 kg/(m 2 h 1/2 ); 60/40 N A = 3,030 kg/(m 2 h 1/2 ); 60/40 PS A = 2,610 kg/(m 2 h 1/2 ); 60/40 N A = = 1,751 kg/(m 2 h 1/2 ). Każda z podanych wartości współczynnika A stanowi średnią arytmetyczną, wyznaczoną na podstawie wyników uzyskanych dla czterech próbek składowych, wykonanych według danej receptury. Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono uśrednione zależności m t/f = f( t) dla betonów lekkich o jednakowym stosunku objętościowym zaprawy do kruszywa i o różnym wstępnym zawilgoceniu kruszywa Pollytag. Rys. 2. Zestawienie uśrednionych zależności mt/f = f( t) dla betonów lekkich o stosunku objętościowym zaprawy do kruszywa 70/30 i różnym wstępnym zawilgoceniu kruszywa Pollytag Fig. 2. Summary diagram of averaged functional relationship mt/f = f( t) for light concretes featuring mortar to aggregate volumetric ratio of 70/30 and having different initial moistness of Pollytag aggregate

7 Wpływ składu mieszanki i wyjściowego zawilgocenia kruszywa Rys. 3. Zestawienie uśrednionych zależności mt/f = f( t) dla betonów lekkich o stosunku objętościowym zaprawy do kruszywa 60/40 i różnym wstępnym zawilgoceniu kruszywa Pollytag Fig. 3. Summary diagram of averaged functional relationship mt/f = f( t) for light concretes featuring mortar to aggregate volumetric ratio of 60/40 and having different initial moistness of Pollytag aggregate Na rysunkach 4 6 przedstawiono uśrednione zależności m t/f = f( t) dla betonów lekkich o różnym stosunku objętościowym zaprawy do kruszywa i jednakowym wstępnym zawilgoceniu kruszywa Pollytag. Rys. 4. Zestawienie uśrednionych zależności mt/f = f( t) dla betonów lekkich na kruszywie Pollytag w stanie nasączonym i o różnym stosunku objętościowym zaprawy do kruszywa Fig. 4. Summary diagram of averaged functional relationship mt/f = f( t) for light concretes with entirely soaked Pollytag aggregate, and featuring different mortar to aggregate volumetric ratio

8 148 H. Garbalińska, B. Marciniak Rys. 5. Zestawienie uśrednionych zależności mt/f = f( t) dla betonów lekkich na kruszywie Pollytag w stanie powietrzno-suchym i o różnym stosunku objętościowym zaprawy do kruszywa Fig. 5. Summary diagram of averaged functional relationship mt/f = f( t) for light concretes with dry on surface Pollytag aggregate, and featuring different mortar to aggregate volumetric ratio Rys. 6. Zestawienie uśrednionych zależności mt/f = f( t) dla betonów lekkich na kruszywie Pollytag w stanie suchym i o różnym stosunku objętościowym zaprawy do kruszywa Fig. 6. Summary diagram of averaged functional relationship mt/f = f( t) for light concretes with dry Pollytag aggregate, and featuring different mortar to aggregate volumetric ratio

9 Wpływ składu mieszanki i wyjściowego zawilgocenia kruszywa Podsumowanie Badania wykazały, że wstępne zawilgocenie porowatego kruszywa stosowanego do produkcji betonów lekkich jest istotnym czynnikiem decydującym o przebiegu procesu podciągania kapilarnego. Betony wykonane na kruszywie suchym charakteryzowały się wyraźnie najmniejszym współczynnikiem sorpcji. Betony, do produkcji których wykorzystano kruszywo całkowicie nasączone lub powierzchniowo-suche, osiągnęły znacznie większe współczynniki sorpcji. Wyniki badań wykazały również, że stosunek objętościowy zaprawy do kruszywa, podobnie jak wstępne zawilgocenie kruszywa, ma istotny wpływ na przebieg procesu podciągania kapilarnego. Betony wykonane z większej ilości zaprawy, czyli te o stosunku objętościowym zaprawy do kruszywa 70/30, wykazały znacznie większą zdolność podciągania wody, niż betony wykonane z użyciem mniejszej ilości zaprawy o stosunku objętościowym 60/40. Literatura [1] Alsabry A.: Transport wilgoci w przegrodach budowlanych z materiałów kapilarnoporowatych, Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego, Zielona Góra [2] Garbalińska H.: Izotermiczne współczynniki transportu wilgoci porowatego materiału budowlanego, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin [3] Marciniak B.: Badania i analiza wybranych właściwości betonów lekkich wykonanych na kruszywie Pollytag, Praca dyplomowa inżynierska realizowana pod kierunkiem H. Garbalińskiej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, czerwiec INFLUENCE OF MIX COMPOSITION AND INITIAL MOISTNESS OF LIGHT AGGREGATE ON CAPILLARY SORPTION OF LYTTAG CONCRETE S u m m a r y The paper aims at assessing the influence of mortar to aggregate volumetric ratio, as well as it attempts to estimate the impact of initial moistness of porous aggregate on capillary sorption of lyttag concrete. The research tested capillary action referring to a group of light concretes of different formulas but prepared from the same ingredients. In total, six formulas of concrete mixes have been tested, with various levels of initial saturation of the aggregate and various volumetric mortar to aggregate ratios. The research procedures were conducted on samples of 40 x 40 x 160 mm size. The experiment involved positioning the samples in a dish filled with water and weighing the samples according to the timetable for period of 15 days. After the completion of the research on capillary sorption, the final data was collected and the figures were drawn which present proportion of capillary water mass to the area unit of the material in time root function. The presented figures allowed to determine sorption coefficient A for each of the samples researched. Analysis of moisture tests involved a comparison of light concretes featuring the same mortar to aggregate volumetric ratio and different initial moistness of Pollytag aggregate. The tests also included light

10 150 H. Garbalińska, B. Marciniak concretes with different mortar to aggregate volumetric ratios and featuring the same initial moistness of Pollytag aggregate. The research conducted proved that concretes made with dry aggregate featured the lowest sorption coefficient. Concrete which were produced with entirely soaked or dry on surface aggregate showed considerably higher sorption coefficient. Concretes made with application of bigger amount of mortar featured much higher ability to perform capillary action than concretes made from smaller amount of mortar. The results of the research indicate that the moister the aggregate is, the higher sorption coefficient A is obtained and the coefficient will be growing incrementally following the amount of cement mortar applied into the concrete mix. Keywords: lightweight concrete, capillarity, sorption coefficient, moisture of aggregate DOI: /rb Przesłano do redakcji: r. Przyjęto do druku: r.