REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Transkrypt

1 IV SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE GÓRAŻDŻE CEMENT S.A. Katedra Procesów Budowlanych Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej w Gliwicach GÓRAŻDŻE CEMENT HEIDELBERGCEMENT Group REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 22

2 KOMITET PROGRAMOWY Przewodniczący: prof. dr hab. inż. JANUSZ SZWABOWSKI Politechnika Śląska inż. ANDRZEJ BALCEREK Prezes Zarządu Prezes Zarządu Górażdże CEMENT S.A. Członkowie: mgr inż. ERNEST JELITO Dyrektor Generalny Górażdże CEMENT S.A. mgr inż. FELICJAN SOBCZYK Dyrektor Handlowy Górażdże CEMENT S.A. prof. dr hab. inż. JACEK ŚLIWIŃSKI Politechnika Krakowska dr inż. JACEK GOŁASZEWSKI Politechnika Śląska dr inż. ZBIGNIEW GIERGICZNY Górażdże CEMENT S.A. Sekretariat sympozjum: BARBARA PAJER Katedra Procesów Budowlanych Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej ul. Akademicka 5, 44-1 Gliwice tel. (-32) fax (-32) Skład komputerowy: mgr inż. TOMASZ PONIKIEWSKI ANDRZEJ WARDĘGA 2

3 SPIS TREŚCI REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU I sesja Przewodniczący sesji - prof. dr hab. inż. Janusz Szwabowski Politechnika Śląska 1. Popiół lotny aktywnym składnikiem cementu - str. 5 - dr inż. Zbigniew Giergiczny, Górażdże CEMENT S.A. 2. Wpływ rodzaju cementu na właściwości betonów wzorcowych - str mgr inż. Marcin Sokołowski, mgr inż. Tomasz Pużak, Górażdże CEMENT S.A. 3. Produkcja prefabrykatów betonowych w technologii ASCC i SCC - str mgr inż. Wojciech Świerczyński, ADDIMENT Polska II sesja Przewodniczący sesji - dr inż. Zbigniew Giergiczny Górażdże CEMENT S.A. 1. Badania skurczu betonu z superplastyfikatorem - str prof. dr hab. inż. Józef Jasiczak, Politechnika Poznańska 2. Doświadczenia z praktycznego projektowania składu betonów samozagęszczalnych - str prof. dr hab. inż. Jacek Śliwiński, Politechnika Krakowska 3. Reologia samozagęszczalnych mieszanek betonowych - str prof. dr hab. inż. Janusz Szwabowski, Politechnika Śląska 4. Wpływ cementu i superplastyfikatora na właściwości reologiczne zapraw - str dr inż. Jacek Gołaszewski, Politechnika Śląska 5. Konsystencja mieszanki betonowej a jej parametry reologiczne - str mgr inż. Maciej Urban, Politechnika Krakowska 3

4 4

5 IV SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 2 2 Zbigniew Giergiczny1 POPIÓŁ LOTNY AKTYWNYM SKŁADNIKIEM CEMENTU 1. Wprowadzenie Jednym z kierunków obniżenia energochłonności przemysłu materiałów budowlanych jest szerokie stosowanie w ich produkcji aktywnych dodatków mineralnych. Szczególnego znaczenia w krajach, energetyka których oparta jest na spalaniu pyłu węglowego, nabiera wykorzystanie aktywności pucolanowej i hydraulicznej popiołów lotnych - stałego produktu mineralnego powstałego po procesie spalania węgli( brunatnych i kamiennych). Stosowanie dodatków mineralnych w technologii cementu jest powszechne i od wielu dziesiątek lat praktykowane. Działanie takie daje efekt ekonomiczny i ekologiczny. Zakres dostępnych dodatków mineralnych w ostatnich latach uległ rozszerzeniu o nowe rodzaje surowców i odpadów tj.: pył krzemionkowy, popioły lotne wysokowapniowe i popioły lotne uzyskiwane w trakcie suchego odsiarczania spalin. Tendencje te znalazły swoje potwierdzenie w pracach normalizacyjnych wielu krajów, gdzie dopuszcza się stosowanie szeregu dodatków mineralnych, a nawet dopuszczalne jest ich mieszanie. W niniejszym artykule przeanalizowano właściwości fizykochemiczne popiołów lotnych powstałych w trakcie spalania różnych węgli, także w połączeniu z suchą metodą odsiarczania spalin. W przypadku popiołu lotnego krzemionkowego, oceniono jego wpływ na kształtowanie się właściwości użytkowych kompozytów cementowo-popiołowych, istotnych dla praktycznego stosowania takich spoiw w budownictwie, górnictwie i inżynierii budowlanej. 2. Popioły lotne rodzaje i właściwości Popioły lotne, stanowiące uciążliwy odpad produkcyjny zakładów energetycznych, są jednocześnie surowcem o cennych właściwościach, umożliwiających szerokie ich wykorzystanie w różnych gałęziach gospodarki, między innymi w przemyśle materiałów budowlanych. Popioły lotne powstają przy spalaniu węgla kamiennego lub brunatnego w paleniskach pyłowych. Węgiel przeznaczony do spalania jest wcześniej mielony na pył o różnej granulacji zależnie od gatunku węgla. Węgiel kamienny spala się najekonomiczniej wówczas, gdy 95% cząstek ma wymiary poniżej 2 µm. Węgiel brunatny wymaga nieco grubszego przemiału: cząstek poniżej 2 µm od 78 do 9%. Właściwości popiołów, a tym samym ich zastosowanie, zależą od szeregu czynników, z których najważniejszymi są [1]: - geochemiczne pochodzenie spalanego paliwa węglowego, - wartość opałowa i wilgotność paliwa, - sposób rozdrobnienia paliwa, - konstrukcja paleniska, - sposób wychwytywania popiołów ze strumienia spalin, - sposób odprowadzania popiołów i warunki ich przechowywania. 1 dr inż., Górażdże Cement S.A. 5

6 W ostatnich latach połączono proces spalania z procesem redukcji emisji siarki do atmosfery. W trakcie tych skojarzonych procesów powstają odpady w postaci suchej, które także mogą być interesującym materiałem do wykorzystania w różnych dziedzinach gospodarki. W niniejszym artykule zwrócono uwagę na dwa takie odpady, a mianowicie: popioły lotne powstałe w trakcie suchego odsiarczania spalin w paleniskach konwencjonalnych i popioły lotne powstałe w trakcie fluidalnego spalania. Wszystkie wyżej wymienione czynniki wpływają na skład chemiczny i mineralny popiołów, jak i na ich cechy fizyczne. Są różnego rodzaju klasyfikacje popiołów lotnych, podstawą których jest zazwyczaj skład chemiczny i mineralny. Autorzy podzieli analizowane materiały na popioły lotne krzemionkowe (niskowapienne) oraz zawierające podwyższoną zawartość związków wapnia (popioły lotne waqpienne). Popioły krzemionkowe są to popioły otrzymywane głównie w trakcie spalania węgli kamiennych. Ich skład chemiczny zbliżony jest na ogół do składu wyprażonego łupka karbońskiego, stanowiącego główny składnik niepalny węgli kamiennych. Stąd też różnice w składach chemicznych tej grupy popiołów lotnych nie są zbyt duże. W tabeli 1 podano przykładowy skład chemiczny tego rodzaju popiołu lotnego. Rodzaj składnika SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO w tym CaO wolne MgO SO3 NaO2 + K2O Tabela 1. Skład chemiczny popiołów lotnych Skład chemiczny wybranych krajowych popiołów lotnych, % wag. Popiół krzemionkowy Popiół wapniowy Popiół z suchego odsiarczania Popiół z fluidalnego spalania Popioły lotne z węgli kamiennych, otrzymywane są przy wysokich temperaturach spalania ( C), i charakteryzują się dużą ilością substancji bezpostaciowej. Dlatego, w popiołach tych zawartość aktywnego SiO2, a więc krzemionki reagującej w normalnych warunkach z Ca(OH)2 jest stosunkowo wysoka i może przekraczać 25%. Rzutuje to na dobrą aktywność pucolanową krzemionkowych popiołów lotnych. Poza fazą szklistą stwierdza się obecność w tego rodzaju popiołach składników krystalicznych takich jak: kwarc, mulit, magnetyt, hematyt [2], [3]. Dyfraktogram popiołu przedstawiono na rys. 1. 6

7 Rys. 1. Dyfraktogram popiołu lotnego krzemionkowego Przeanalizowany przez autora skład chemiczny poszczególnych frakcji ziarnowych pokazał na jego nie dużą zmienność w stosunku do próbki macierzystej odebranej spod elektrofiltru (tabela 2). Natomiast wykonane badanie składu mineralnego pozwala wnioskować, że frakcja drobna ( 2 m.) zawiera mniej składników krystalicznych (więcej fazy szklistej) w stosunku do ziaren grubych (>6 m.), co widać w zmianie intensywności pików dyfrakcyjnych na dyfraktogramach (rys.2). Tabela 2. Skład chemiczny frakcji ziarnowych popiołu lotnego krzemionkowego Rozmiar Zawartość głównego składnika [% wag.] Str.praż. SiO Al2O3 Fe2O3 CaO SO3 MgO Na2O 2 frakcji [ m] Wyjściowa 2,9 5,8 23,9 8,6 3,6.8 2,8,8 2,9 5,1 27,1 6,8 3,5 1, 2,4 1, 2 2,4 49,8 25,4 8,5 3,9.8 2,9 1, 2 4 2,8 51,3 22,5 8,3 3,.6 2,7,9 4 6 > ,9 22,1 12,1 3,2,7 2,9,7 K2O 2,9 3,2 2,7 2,6 2,5 Praktycznie właściwość tą można wykorzystać odbierając popiół selektywnie z poszczególnych sekcji elektrofiltru. Im dalsza odległość sekcji elektrofiltru od paleniska kotła tym drobniejszy możemy odebrać popiół lotny, dowodem czego jest jego wyższa powierzchnia właściwa (tabela 3). Tabela 3. Powierzchnia właściwa popiołu selektywnie odebranego Sekcja elektrofiltru Powierzchnia właściwa popiołu lotnego [m2/kg] I 219,6 II 22,5 III 285,4 7

8 Rys. 3. Dyfraktogram popiołu lotnego krzemionkowego (frakcje) Rys.2. Dyfrakrogramy frakcji ziarnowych popiołu lotnego krzemionkowego Do niepożądanych składników popiołu lotnego jako dodatku mineralnego stosowanego w produkcji spoiw mineralnych należy zaliczyć: związki siarki, zawartość nie spalonego węgla, zawartość wolnego wapna, a także zdaniem niektórych autorów [2] zawartość związków żelaza. Obecność dużej ilości żelaza w postaci hematytu lub magnetytu może negatywnie wpływać na przebieg reakcji pucolanowej. Związki te powstają na powierzchni ziaren popiołu i utrudniają dostęp do fazy szklistej popiołu. Wysoka zawartość nie spalonego węgla zwiększa wodożądność popiołu i zmniejsza mrozoodporność zapraw i betonu z jego udziałem. Kolor popiołu zależy także od zawartości węgla, im jego zawartość wyższa tym ciemniejszy kolor. Obecność niezwiązanego tlenku wapniowego jest charakterystyczna dla popiołów z wysoką zawartością związków wapnia. Zbyt wysoka zawartość CaO wolnego może prowadzić do nierównomiernej zmiany objętości przy twardnieniu cementu. Efektem mogą być zmiany destrukcyjne w betonie. Podobne negatywne skutki może wywołać zbyt wysoka zawartość w popiele lotnym niezwiązanego MgO. Wytyczne i normy niektórych krajów ograniczają także zawartość alkaliów w przeliczeniu na Na2Oeq. W przypadku kiedy stosujemy kruszywo reaktywne zawartość Na2Oeq nie powinna być wyższa niż 1,5% [3], [4]. Negatywnie na aktywność pucolanową wpływa w popiele zbyt wysoka zawartość wilgoci i dlatego normy ograniczają jej zawartość do 1 3%. Prowadzone od wielu lat badania oraz wyniki z zastosowań praktycznych świadczą, że krzemianowe popioły lotne mogą być z powodzeniem stosowane jako pucolanowe dodatki mineralne w produkcji spoiw o szerokim zastosowaniu (budownictwo, górnictwo, drogownictwo) [3], [4]. 8

9 Wapniowe popioły lotne. Przykładowy skład chemiczny popiołów lotnych wapniowych z krajowych siłowni przedstawiono w tabeli 1. W przypadku gdy przemysłowe popioły lotne zawierają od 1 do 4% CaO i część tego popiołu bierze udział w reakcji pucolanowej to wówczas odpady te są materiałami samocementującymi. W takim przypadku popiołów nie można traktować jak typowych pucolan w klasycznym pojęciu tego terminu. Bardziej miarodajne jest nazywanie tych popiołów materiałami aktywnymi hydraulicznie Podstawowymi wskaźnikami aktywności hydraulicznej są [5], [6]: - moduł zasadowości, - wysoka zawartość wolnego wapna (ph 12-13) - wysoka powierzchnia właściwa, - wytrzymałość na ściskanie tworzywa popiołowego po 28 dniach twardnienia wyższa od 1 MPa. Czas wiązania wysokowapniowych popiołów lotnych wynosi od kilku minut do kilkunastu godzin. Otrzymany kamień popiołowy może mieć znaczne wytrzymałości na ściskanie rzędu 2 3 MPa. Popioły lotne wapniowe z palenisk konwencjonalnych mają bardziej złożony skład mineralny w porównaniu z popiołami lotnymi krzemionkowymi. Dotyczy to także fazy szklistej której skład chemiczny w jakimś stopniu zbliżony jest do składu fazy szklistej w żużlu hutniczym [4]. Podstawowymi składnikami krystalicznymi wapniowych popiołów lotnych są: anhydryt, glinian trójwapniowy, siarczano-glinian czterowapniowy, gelenit, anortyt, kwarc, CaO wolne[4], [5],[6]. Cechą charakterystyczną tego rodzaju popiołu jest duża zmienność składu chemicznego i mineralnego w zależności od rozmiaru ziaren. W tabeli 4 pokazano skład chemiczny poszczególnych frakcji popiołu lotnego, a na rys.3 odpowiadające im dyfraktogramy. Ziarna bardzo drobne i drobne są bogatsze w związki wapnia, stąd refleksy na dyfraktogramach od takich składników krystalicznych jak: anhydryt, wolne wapno i anortyt mają znaczną intensywność (rys. 3), natomiast w ziarnach grubszych (4-6 m, > 6 m) dominującym składnikiem krystalicznym jest kwarc. Tabela 4. Skład chemiczny frakcji ziarnowych popiołu lotnego wapniowego Rozmiar Zawartość głównego składnika [% wag.] frakcji [ m] Str.praż. SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO CaO SO3 MgO Na2O K2O wolne Wyjściowa > 6 3,9 3,7 4,2 2,6 3,3 44,4 19,2 35,2 45,4 59,2 16,4 11,5 16,1 17,7 19,7 6,6 6,6 7,4 7,6 5,3 22,1 43, 31,2 22,6 9,6 2,4 7,2 5,6 3,4,8 4,6 12,8 4,9 2,3 1, 1,,8 1,4 1,5,4,1,2,1,1,1,5,6,4,4,4 Zbliżone w składzie chemicznym do wapniowych popiołów lotnych są popioły otrzymane w trakcie suchego odsiarczania spalin i fluidalnego spalania paliw. Oczywiście inny będzie skład mineralny który uzależniony od warunków termicznych panujących w trakcie spalania. Skład chemiczny tych popiołów pokazano w tabeli 1. Wykorzystanie popiołów z suchej metody odsiarczania w produkcji cementu i spoiw budowlanych jest trudne ze względu na dużą zmienność składu chemicznego i mineralnego odpadów. Czynnikiem ograniczającym zastosowanie tego rodzaju popiołów lotnych w przemyśle materiałów budowlanych jest przede wszystkim wysoka zawartość niezwiązanego CaO, który hydratyzując powoduje zwiększenie objętości o ok. 2-22%. Jeśli proces ten zachodzi w stwardniałym tworzywie, betonie lub zaprawie prowadzi to do obniżenia jakości a nawet destrukcji wyrobów. W celu eliminacji destrukcyjnego wpływu CaO na gotowe wyroby, 9

10 popiół powinno poddać się wstępnej obróbce polegającej na gaszeniu wapna np. w połączeniu z mieleniem [7]. Rys. 3. Dyfraktogram popiołu lotnego wapiennego (frakcje) Popioły lotne powstające w procesie fluidalnego spalania różnią się zasadniczo od popiołów powstających podczas spalania węgla w kotłach konwencjonalnych. Podstawową cechą procesu spalania węgla w złożu fluidalnym jest to, że przebiega: w dość niskiej temperaturze (85 C), w której nie powstają tlenki azotu, w obecności sorbentu (wapień lub dolomit), następuje wiązanie tlenków siarki. Ten rodzaj popiołów różni od poprzednio omówionych przede wszystkim składem fazowym. Podczas spalania węgla w złożu fluidalnym do temperatury 9 C składniki mineralne paliwa są poddawane następującym przemianom: do temperatury 3 C z minerałów ilastych uwalnia się swobodnie związana woda, powyżej 5 C zawierające wodę krystalizacyjną minerały ilaste rozkładają się tworząc amorficzny glinokrzemian o względnie dużej powierzchni właściwej (metakaolin). Od temperatury 75 C rozkłada się kamień wapienny dając tlenek wapnia, który absorbuje uwolniony podczas spalania paliwa SO2. Skutkiem tego, że paliwo w złożu fluidalnym pozostaje długo w nadmiarze tlenu tworzy się anhydryt. Przy tak niskich, nie przekraczających na ogół 9oC, temperaturach spalania faza szklista tworzy się w znikomych ilościach, a powstający tlenek wapnia nie jest martwo palony i nie powinien powodować zmian objętości przy hydratacji [8], [9], [1]. 1

11 3. Popiół lotny składnikiem cementu Norma europejska EN dopuszcza do stosowania w produkcji cementu, jako jego Głównego składnika, popioły lotne spełniające następujące wymagania: 1. popiół lotny krzemionkowy: udział reaktywnego CaO powinien wynosić mniej niż 1%; zawartość reaktywnego SiO2 powinna wynosić nie mniej niż 25%; zawartość strat prażenia (nie spalonego węgla) poniżej 5,%, 2. popiół lotny wapienny; udział reaktywnego CaO powinien wynosić nie mniej niż 1%; zawartość reaktywnego SiO2 powinna wynosić nie mniej niż 25%; zawartość strat prażenia (nie spalonego węgla) poniżej 5,%.Jeśli zawartość reaktywnego CaO jest wyższa niż 15% to popiół powinien wykazywać wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach powyżej 1, N/mm2 oraz mieszanina 3% masy zmielonego popiołu i 7% wzorcowego cementu powinna wykazywać stałość objętości ( 1mm określona metodą Le Chatelliera). W tabeli 5 przedstawiono rodzaje cementu których jednym z głównych składników może być popiół lotny krzemionkowy (oznaczony w normie symbolem V) lub popiół lotny wapienny (oznaczony w normie symbolem W). Tabela 5. Popioły lotne składnik cementu wg PN-EN Rodzaj cementu Cement portlandzki popiołowy Cement portlandzki żużlowo-popiołowy Cement portlandzki Wieloskładnikowy Cement pucolanowy Cement wieloskładnikowy Oznaczenie cementu CEM II/A V CEM II/B V CEM II/A SV CEM II/B SV CEM II/A-M CEM II/B-M CEM IV/A CEM IV/B CEM V/A CEM V/B Dopuszczalna, maksymalna zawartość dodatku mineralnego, % Właściwości cementu zawierającego krzemionkowy popiół lotny (V) Popiół lotny krzemionkowy (V) jest najbardziej poznanym i najczęściej stosowanym dodatkiem mineralnym w produkcji cementu, betonu towarowego oraz różnego rodzaju mieszanek spoiwowych o specjalistycznym zastosowaniu. Górażdże Cement S.A. posiada w swojej ofercie cement Wprowadzenie popiołu lotnego do składu cementu powoduje wydłużenie jego czasów wiązania w porównaniu z cementem portlandzkim. Na rys.4 pokazano czasy wiązania cementu zawierającego 25% popiołu (CEM II/B-V). Skala wydłużenia zwiększa się z wraz ilością dodanego popiołu lotnego. Należy zaznaczyć, że czas wiązania zmienia się w zależności od temperatury; ulega dalszemu wydłużeniu w niższych temperaturach zewnętrznych, natomiast ulega skróceniu w wyższych temperaturach, co pokazano w tabeli 6 na przykładzie zaczynu popiołowego o stosunku wody do popiołu równym.4 (zawartość popiołu 2%). 11

12 Czas, min 3 25 cement cement+25%popiołu 18 5 początek koniec Rys. 4. Czas wiązania cementu portlandzkiego i cementu portlandzkiego popiołowego CEM II/B-V 32,5R ( 25% popiołu, (w/c=.27) Tabela 6. Wpływ temperatury otoczenia na czas wiązania cementu zawierającego 2% popiołu lotnego (w/c=.4) Temperatura Czas wiązania Początek Koniec 5oC 15 godzin 3 min 19 godzin 5 min 1oC 1 godzin 5 min 14 godzin min 15oC 8 godzin 3 min 1 godzin 3 min 2oC 6godzin 25 min 8 godzin 15 min 3oC 3godziny 4 min 4 godziny 45 min 5oC 2 godziny 2 min 2 godziny 5 min 8oC 1 godzina 2 min 1 godzina 45 min Cechą charakterystyczną cementów zawierających popiół jest dosyć wolna dynamika narastania wytrzymałości w początkowym okresie twardnienia. Wiąże się to ze stosunkowo wolnym przebiegiem reakcji pucolanowej w początkowym okresie hydratacji i jej wpływem na właściwości mechaniczne zapraw i betonów. Natomiast w dłuższym okresie dojrzewania, wytrzymałość cementu z popiołem osiąga wartości znacznie przewyższające wytrzymałość na ściskanie cementu portlandzkiego (rys. 5). 12

13 7 cement Wytrzymałość, MPa 6 cement+25%popiołu , ,3 55,5 25,8 23,9 1 52,4 46,7 42,3 57,4 14,1 2 dni 7 dni 28 dni 9 dni 18 dni Rys. 5. Wytrzymałość na ściskanie cementu portlandzkiego popiołowego CEM II/B-V 32,5R w porównaniu z wytrzymałością cementu portlandzkiego CEM I Wolnemu przyrostowi wytrzymałości na ściskanie cementu popiołowego w okresie początkowym towarzyszy umiarkowana kinetyka wydzielania ciepła podczas procesów wiązania i twardnienia (rys.6). W przypadku wykonywania obiektów betonowych o dużej powierzchni lub masywów betonowych zastosowanie cementu popiołowego pozwala ograniczyć ryzyko powstania naprężeń termicznych, których efektem zazwyczaj są spękania i rysy obniżające trwałość konstrukcji. Do właściwości, istotnych dla użytkownika cementu z dodatkiem popiołów lotnych, należy zaliczyć także wysoką odporność na korozyjne oddziaływanie środowisk chemicznych, wysoką wodoszczelność i ograniczony skurcz. Na rysunku 7 pokazano skurcz zaprawy z cementu popiołowego w porównaniu ze skurczem zapraw wykonanych na cemencie portlandzkim Ciepło, J/g 3 Cement CEM I 32,5R 25 2 Cement CEM II/B-V 32,5R Czas, dni Rys. 6. Ciepło hydratacji cementu 13

14 ,45,4 Skurcz mm/mb,35,3 Cement CEM I 32,5R,25,2,15 Cement CEM II/B-V 32,5R,1, Czas, dni Rys. 7. Skurcz zapraw wykonanych przy użyciu cementu portlandzkiego i cementu zawierającego 25% popiołu lotnego krzemionkowego O podwyższonej odporności na agresję chemiczną cementu z dodatkiem popiołu lotnego decydują tym przede wszystkim następujące czynniki [11],[12],13]: - ograniczenie zawartości faz klinkierowych podatnych na korozję tj. glinianu trójwapniowego w składzie cementu, co wiąże się ze zmniejszeniem udziału klinkieru w składzie cementu na rzecz popiołu lotnego (> 25,%), - zmniejszenie zawartości Ca(OH)2 w stwardniałej matrycy spoiwowej, - zmiana mikrostruktury stwardniałego zaczynu cementowego w wyniku przebiegu reakcji pucolanowej popiołu lotnego (tabela 4), - doszczelnienie struktury przez produkty reakcji pucolanowej i niezhydratyzowane cząstki popiołu lotnego. W wyniku przebiegu reakcji pomiędzy aktywnymi składnikami popiołu lotnego (przede wszystkim reaktywnego SiO2), a wodorotlenkiem wapnia ciągłemu zmniejszeniu ulega jego ilość w stwardniałym zaczynie. Głównym produktem tej reakcji są przede wszystkim uwodnione krzemiany wapnia w postaci żelowej (faza CSH). Ponieważ wodorotlenek wapnia jest składnikiem zaczynu najbardziej podatnym na reakcje z czynnikami agresywnymi, obniża się możliwość korozji ługującej i ogólnokwasowej skierowanej na Ca(OH)2. Pogląd o obniżeniu się ph w związku z mniejszą zawartością Ca(OH)2 w stwardniałym zaczynie, a co może być powodem np. korozji stali zbrojeniowej w betonie, jest nieuzasadniony. Tworzywa wykonane z cementów popiołowych są bowiem, mało przepuszczalne. Duża szczelność zapraw i betonów spowodowana jest przede wszystkim inną mikrostrukturą stwardniałej matrycy cementowej. Przebieg reakcji pucolanowej powoduje powstawanie dodatkowej ilości produktów (faza CSH, uwodnione gliniany wapniowe) wypełniających pory. Jeśli nawet porowatość całkowita zaczynu z cementu popiołowego jest zbliżona lub większa od porowatości całkowitej stwardniałego zaczynu z cementu portlandzkiego, to rozmiar porów jest mniejszy (tabela 6) [12]. Wprowadzenie popiołu lotnego do składu cementu powoduje powstanie większej ilości porów o bardzo małej średnicy (pory żelowe). Taki układ porowatości znacznie utrudnia wnikanie cieczy (jonów) agresywnych w głąb struktury stwardniałego zaczynu cementowego, efektem czego jest blisko sześciokrotnie niższa szybkość dyfuzji jonów chlorkowych w głąb stwardniałego tworzywa betonowego (tabela 7). 14

15 Tabela. 7. Wpływ popiołu lotnego w składzie cementu na porowatość zaczynu cementowego i szybkość dyfuzji jonów chlorkowych. Spoiwo Zawartość porów Średni rozmiar Szybkość dyfuzji (mm3/g) porów (1-1 m) jonów Cl- (1-9cm/s) Cement portlandzki: 1 % ,5 Cement portlandzki: 7 % ,1 popiół lotny: 3 % Wysoką odporność cementów popiołowych na agresję chemiczną potwierdzają wyniki badań trwałości zapraw przechowywanych w roztworze siarczanu sodu N2SO4 (badania wykonywane zgodnie z procedurą badawczą zawartą w normie EN [14]). Zwykle czynnikiem destrukcyjnym niszczącym strukturę stwardniałego zaczynu jest w przypadku agresji siarczanowej, powstanie faz wywołującym silną ekspansję tj. gipsu CaSO4 2H2O i etryngitu 3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O. Na rys. 8 przedstawiono ekspansję zapraw wykonanych z różnych rodzajów cementu (cement z dodatkiem granulowanego żużla wielkopiecowego i popiołu lotnego krzemionkowego). Zaprawa z cementu zawierającego 25% popiołu lotnego niskowapniowego praktycznie nie wykazuje w tym środowisku ekspansji. Pozwala to na zakwalifikowanie tego rodzaju cementu do grupy cementów odpornych na siarczany [15]. 2,4 destrukc ja Wydłużenie, % 2 1,6 cement cement+3% żużel 1,2 cement+6%żużel cement+25%popiół,8 destrukc ja, Czas, tygodnie Rys. 8. Ekspansja zapraw wykonanych przy użyciu różnych cementów w warunkach korozji siarczanowej Cementy z wysoką zawartością dodatków mineralnych mogą być wykorzystane przy wykonywaniu zapraw lub zaczynów do uszczelniania górotworu solnego. Rysunek 9 ilustruje proces narastania wytrzymałości zapraw wykonanych z cementu portlandzkiego i popiołowego (zawartość popiołu 3%). Zaprawy zarobiono nasyconym roztworem NaCl i przechowywano w tym roztworze. W całym okresie badań (2 lat) cement popiołowy zawierający 3% popiołu lotnego charakteryzował się ciągłym przyrostem wytrzymałości na ściskanie, osiągając poziom wytrzymałości powyżej 4 MPa po 2 latach twardnienia, natomiast zaprawa na cemencie portlandzkim CEM I, po początkowym okresie szybkiego przyrostu wytrzymałości na ściskanie (do 9 dni), w dalszych terminach badań wykazuje drastyczny spadek. Na powierzchni badanych 15

16 próbek pojawiły się spękania związane z tworzeniem się produktów wywołujących ekspansję, której efektem końcowym jest pełna destrukcja tworzywa. 5. PODSUMOWANIE Popioły lotne, jako produkt uboczny, są interesującym dodatkiem mineralnym, który powinien być w szerokim zakresie wykorzystywany w praktyce przemysłowej. Opracowując metodę gospodarczego wykorzystania popiołów lotnych w produkcji spoiw mineralnych należy brać pod uwagę ich skład chemiczny, mineralny oraz jego zmienność. W niektórych przypadkach (popioły wysokowapniowe) należy je traktować jako półprodukty wymagające wcześniejszych zabiegów technologicznych: uśrednienie, przemiał, przemiał z dogaszaniem niezwiązanego tlenku wapniowego. Stosunkowo łatwe w zastosowaniu są popioły lotne krzemionkowe ze spalania węgla kamiennego. Wprowadzenie ich do składu cementu modyfikuje szereg jego właściwości. Jedną z najistotniejszych cech jakościowych tych cementów jest wysoka odporność na korozyjne działanie środowisk agresywnych chemicznie. Poprzez wprowadzenie do składu tych cementów popiołu lotnego zmniejsza się udział glinianów wapniowych w składzie cementu i wodorotlenku wapniowego w stwardniałych kompozytach cementowych składników w największym stopniu narażonych na korozyjne działanie środowiska Wytrzymałość, M Pa 4 cement portlandzki cement portlandzki z dodatkiem 3% popiołu lotnego dni 7 dni 28 dni 9 dni 18 dni 72 dni Rys. 9. Wytrzymałość na ściskanie zapraw wykonanych przy użyciu cementu z dodatkiem i bez dodatku popiołu lotnego, twardniejących w roztworze NaCl W wyniku reakcji zachodzącej pomiędzy aktywnymi składnikami dodatków mineralnych, a wodorotlenkiem wapniowym z hydratacji faz krzemianowych cementu, tworzy się dodatkowa ilość uwodnionych krzemianów wapnia (faza CSH) w postaci żelowej. Faza CSH przyczynia się do powstania bardzo zwartej mikrostruktury z dużą ilością porów żelowych i niewielką ilością porów kapilarnych, które są w głównej mierze odpowiedzialne za migrację jonów agresywnych w głąb kompozytu cementowego. Reasumując, należy stwierdzić, że spoiwa cementowe zawierające popiół lotny mogą być efektywnym spoiwem wykorzystywanym w robotach górniczych, hydrotechnice i budowie obiektów narażonych na agresję chemiczną (oczyszczalnie ścieków, oczyszczalnie wód przemysłowych, budowa składowisk odpadów). 16

17 Literatura Bastian S.: Betony konstrukcyjne z popiołem lotnym. Arkady 198. Praca zbiorowa. Kierunki i możliwości stosowania popiołów lotnych w Polsce. Warszawa Kurdowski W.: Chemia cementu, PWN 1991r. Ramachandran V.S.: Concrete admixtures handbook. Properties, Science and Technology. Noyes Publications, 1984, 571 s. Giergiczny Z., Weryńska A.: Wpływ rozdrobnienia popiołu lotnego z węgla brunatnego na własności wytrzymałościowe spoiw cementowo-popiołowych. XXXIII Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB Gliwice, Krynica 1987, t. 4. Galabina A.E.: Awtoklawnyje stroitelnyje materiały iz otchodov TES. Stroizdat. Leningrad Grzeszczyk S., Giergiczny Z.: Właściwości i kierunki wykorzystania popiołów lotnych z suchego odsiarczania spalin. XLI Konferencja Naukowa KILIW PAN i Komitetu Nauki PZITB Krynica 1995, Kraków-Krynica 1995r. Brandstetr J., Drottner J.: Composites based on solid residues of fluized bed combustions and other by-products. Fifth CANMET/ACI International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Conrete. Milwaukee, Caldarone M.A., Gruber: Reactivity Metakaolin for High Performance Concrete. Fifth CANMET/ACI International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Conrete. Milwaukee, Brylicki W., Giergiczny Z., Lysek N.: Ocena odpadów z kotłów fluidalnych elektrowni MOABIT - Niemcy. Materiały III Ogólnopolskiej Konferencji NaukowoTechnicznej Sorbenty do odsiarczania spalin, Kamień Śląski 1996r. Kurdowski W.; Dodatki mineralne do cementu a trwałość betonu. Monografia 16. Politechnika Krakowska, 199, s Bapat J.D.; Performance of cement concrete with mineral admixtures. Advances in Cement Research. 21, Vol. 13, No 4, pp Torii K., Sasatani T., Kawamura M.; Chloride penetration into concrete incorporating mineral admixtures in marine environment. 6th CANMET/ACI Int. Conf. Fly ash, silica fume, slag and natural pozzolans in Concrete. Bangkok, Thailand, 1998, vol. 2, pp ENV Determination of the resistance of cements to attack by sulphate solution or by sea water. Chłądzyński S., Garbacik A.; Investigations of the sulphate resistance of Portland cement clinker phases. Kurdowski symposium Science of cement and concrete. Kraków, 21. FLY ASH AS AN ACTIVE COMPONENT OF CEMENT In the arcticle the basic properties of fly ashes that are available in Poland were analyzed. Special attention was drawn to the properties of cement containing low calcium fly ash. 17

18 18

19 IV SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 2 2 Marcin Sokołowski1 Tomasz Pużak2 WPŁYW RODZAJU CEMENTU NA CECHY UŻYTKOWE BETONÓW WZORCOWYCH 1. Wstęp Aktualnie, w ofercie handlowej Górażdże Cement S.A. dostępne są następujące rodzaje cementu: cement portlandzki CEM I: cement portlandzki CEM I 32,5R, cement portlandzki CEM I 42,5R, cement portlandzki CEM I 52,5R, cement portlandzki mieszany CEM II: cement portlandzki popiołowy CEM II/B-V 32,5R, cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 32,5R cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 42,5 cement hutniczy CEM III: cement hutniczy CEM III/A 32,5NA. Wymienione cementy różnią się składem i właściwościami, które wpływają na cechy użytkowe zapraw i betonów. Znajomość efektów technologicznych stosowania poszczególnych rodzajów cementu, w dużej mierze decyduje o prawidłowym wykonaniu elementu lub konstrukcji, a także pozwala na optymalizację kosztów produkcji lub budowy. W celu przybliżenia użytkownikom cementu, powyższego zagadnienia w artykule opisano najistotniejsze właściwości cementów oferowanych przez Górażdże Cement S.A. oraz przedstawiono wyniki badań cech betonów wzorcowych, wykonanych przy użyciu wymienionych cementów. Przez beton wzorcowy należy rozumieć, beton o stałej zawartości poszczególnych składników, stałym wskaźniku w/c oraz jednakowym uziarnieniu kruszywa. 2. Właściwości cementu istotne w praktycznym stosowaniu Właściwości cementu można podzielić na normowe oraz nie posiadające uregulowań normowych. Wpływ wybranych właściwości normowych cementu na cechy betonu, był przedmiotem badań cech użytkowych betonów wzorcowych, które opisano w dalszej części artykułu. Do właściwości nie objętych normą, których znajomość jest istotna w praktycznym stosowaniu, można zaliczyć: ciepło hydratacji cementu oraz wpływ rodzaju cementu na skurcz betonu. 1 2 mgr inż. Górażdże Cement S.A. mgr inż. Górażdże Cement S.A. 19

20 Ciepło hydratacji cementu Ciepło hydratacji cementu jest uzależnione od składu mineralnego cementu, jego klasy oraz zawartości dodatku (np. popiół lotny lub żużel wielkopiecowy), co pokazano na rysunku 1 na przykładzie cementów oferowanych przez Górażdże Cement S.A. 45 CEM I 52,5R Ciepło uwodnienia, J/g 4 CEM I 42,5R 35 3 CEM I 32,5R 25 2 CEM II/B-S 42, CEM II/B-S 32,5R 5 CEM II/B-V 32,5R Czas, dni CEM III/A 32,5NA Rys. 1. Ciepło hydratacji cementów oferowanych przez Górażdże Cement S.A. [4] Znajomość ciepła hydratacji cementu jest istotna szczególnie w przypadku wykonywania dużych masywów betonowych. Powstające naprężenia termiczne wskutek różnicy temperatur (gradientu temperatur) pomiędzy rdzeniem betonu a jego powierzchnią, mogą być powodem spękań i zarysowań, obniżających trwałość betonu. Z tego powodu istotne są działania, które mają na celu zmniejszenie gradientu temperatur. Do powszechnie stosowanych rozwiązań należy użycie cementów o niskim cieple hydratacji, do których zalicza się cement hutniczy CEM III/A 32,5NA [2]. Przykładem wykorzystania cementu hutniczego CEM III/A 32,5NA ze względu na niskie ciepło hydratacji, są fundamenty podpór mostu. Alternatywne rozwiązanie zakładające użycie cementu portlandzkiego CEM I 42,5 wymagało dodatkowo skomplikowanego systemu chłodzenia formowanego fundamentu w celu obniżenia gradientu temperatur i tym samym wartości naprężeń termicznych. Analiza wyników pomiarów temperatury w fundamencie wykonanym przy użyciu cementu CEM III/A wykazała wartość gradientu Gt max = 12,25 [oc/m] nie przekraczającą wartości dopuszczalnej 2 [oc/m] i gwarantującą eliminację uszkodzeń termicznych w betonie. Natomiast przy zastosowaniu cementu portlandzkiego CEM I 42,5 MSR NA uzyskano gradient 75,2 [ C/m], który jest blisko czterokrotnie większy od przyjętego w założeniach 2, [ C/m]. Taka wysoka wartość gradientu temperatury wskazuje na duże zagrożenie uszkodzeń termicznych betonu [3]. Jak wynika z powyższego przykładu stosowanie cementów portlandzkich CEM I do betonów masywnych nie jest zalecane. Natomiast tego rodzaju cementy z powodzeniem wykorzystuje się w przypadku robót prowadzonych w warunkach zimowych. Wysokie ciepło hydratacji i duża dynamika przyrostu wytrzymałości cementów portlandzkich CEM I, pozwala w stosunkowo krótkim czasie osiągnąć wytrzymałość betonu, która zapewnia odporność na działanie mrozu. 2

21 Skurcz, mm/mb Wpływ rodzaju cementu na skurcz betonu Skurcz betonu jest zagadnieniem, ważnym z punktu widzenia trwałości betonu. Spękania betonu wskutek skurczu znacznie pogarszają jego szczelność, co ułatwia dostęp wody i substancji agresywnych do wnętrza betonu. Skurcz, charakterystyczny dla cementu, oznaczany jest na zaprawie normowej. Nie jest to jednak cecha normowa cementu wg wymagań PN-B Na rysunku 2 pokazano skurcz zapraw wykonanych przy użyciu cementów oferowanych przez Górażdże Cement S.A. Największym skurczem charakteryzują się zaprawy bazujące na cementach portlandzkich CEM I, a najmniejszym wykonane przy użyciu cementu CEM III/A. Z pewnym przybliżeniem zależności te są słuszne dla betonu. Ze względu jednak na fakt, że o wielkości skurczu betonu decydują głównie inne czynniki jak: wskaźnik wodno cementowy, ilość cementu w składzie betonu i skład ziarnowy kruszywa (zwłaszcza ilość piasku), należy przede wszystkim właściwie dobrać składniki mieszanki betonowej. Możliwie mała ilość wody i ograniczona zawartość cementu w mieszance betonowej, stosowanie cementów klasy 32,5, zwierających dodatki mineralne (CEM II i CEM III) pozwolą na produkcję betonów o niskim skurczu. Ponadto w celu eliminacji spękań skurczowych konieczna jest również właściwa pielęgnacja świeżego betonu (nie dopuszczenie do przesuszenia powierzchni betonu), a także odpowiednie rozmieszczenie szczelin dylatacyjnych, w przypadku wykonywania dużych powierzchni (posadzki, nawierzchnie dróg i placów).,6 CEM I 52,5R,5 CEM I 42,5R,4 CEM I 32,5R CEM II/B-S 42,5,3 CEM II/B-S 32,5R,2 CEM II/B-V 32,5R,1 CEM III/A 32,5 NA Czas, dni Rys. 2. Skurcz zapraw wykonanych przy użyciu cementów z Górażdże Cement S.A. [4] Do właściwości normowych cementu, które są zawarte normie PN-B-1971 Cement. Cement powszechnego użytku, należą: - stałość objętości - początek i koniec wiązania - wytrzymałość na ściskanie: wczesna i normowa (po 28 dniach). Właściwości cementów z Górażdże Cement S.A., zastosowanych w badaniach betonów wzorcowych, przedstawiono w tabeli 1. 21

22 Tabela 1. Właściwości fizyczne i mechaniczne oraz skład chemiczny cementów Górażdże Cement S.A. Właściwość Wytrzymałość Na ściskanie CEM I 32,5R 2 dni 7 dni 28 dni 23,2 49,1 Rodzaj cementu CEM I CEM CEM 52,5R II/B-S II/B-S 42,5 32,5R 28,4 37,3 2,2 15,2 Nie wymagana przez normę PN-B ,2 59,3 55,3 48,7 CEM I 42,5R [N/mm2] Początek wiązania [min] Koniec wiązania [ h, min] Stałość objętości [mm] Siarczany jako SO3 [% ] Straty prażenia [%] Cz. nierozpuszczalne [%] 189 4h 21, 2,8 2, 3, h 41, 3, 1,7 3, h 1, 3,2 1,6 1,8 Chlorki [%],8,8,7 CEM II/B-V 32,5R 14,1 4, h 15 3 h 5 5 h 2,3,4, 2,9 2,8 3,1 Nie wymagane przez normę,36 PN-B-1971,38,9 CEM III/A 32,5NA 8,2 25,3 49, h 19,4 2,9,6 1,7,54 Do kierunków powszechnego wykorzystania cementu w budownictwie należy niewątpliwie produkcja betonu, przeznaczonego do wykonywania elementów i konstrukcji w różnych obszarach budownictwa. Z tego względu celem prezentowanych poniżej badań było określenie wpływu rodzaju cementu na konsystencję mieszanki betonowej oraz przyrost wytrzymałości na ściskanie betonu. 3. Wpływ rodzaju cementu (CEM I, CEM II, CEM III) na cechy użytkowe betonów wzorcowych Skład wzorcowych mieszanek betonowych Badania wykonano na betonach wzorcowych, w których zmiennym składnikiem był rodzaj użytego cementu. Wzorcowe mieszanki betonowe zostały zaprojektowane dla trzech wartości wskaźnika w/c:,45, 5, 65. W przypadku mieszanki o wskaźniku w/c=,45 dodatkowo zastosowano domieszkę upłynniającą ADDIMENT FM 38, w celu zwiększenia ciekłości tej mieszanki do poziomu uzyskiwanego przy wskaźniku w/c =,65. W przypadku wszystkich mieszanek zastosowano kruszywo naturalne, jednakowego pochodzenia, o uziarnieniu /16 mm i identycznym udziale poszczególnych frakcji. Punkt piaskowy dobranego stosu okruchowego kruszywa wynosił 34 %. W tabeli 2 pokazano składy mieszanek wzorcowych, natomiast na rysunku 3 przyjętą krzywą uziarnienia kruszywa. 22

23 Tabela 2. Skład wzorcowych mieszanek betonowych Składnik Cement (CEM I, CEM II, CEM III) Piasek -2 mm Żwir 2-8 mm Żwir 8-16 mm Woda Superplastyfikator FM 38 Ilość, kg na 1m3 w/c=,45 W/c=,5 W/c=, , % m.c normowe krzywe graniczne krzywa mieszanki wzorcowej 8 Przesiew, % ,125,25, Wymiar oczka sita #, mm Rys. 3. Krzywa uziarnienia mieszanki kruszywowej Wyniki badań cech użytkowych betonów wzorcowych Konsystencja mieszanki betonowej Oznaczenie konsystencji mieszanek betonowych wykonano metodą stożka opadowego zgodnie z wymaganiami normy PN-88/B 625 Beton zwykły oraz przez pomiar rozpływu placka zgodnie z normą DIN 145. Uzyskane wyniki przedstawiono w tabelach 3 i 4. 23

24 Tabela 3. Konsystencja mieszanek wzorcowych (wg metody stożka opadowego) Rodzaj użytego Cementu CEM I 32,5R CEM I 42,5R CEM I 52,5R CEM II/B-V 32,5R CEM II/B-S 32,5R CEM II/B-S 42,5 CEM III/A 32,5NA w/c =,45 (FM 38) Opad stożka, mm w/c =, w/c =, Tabela 4. Konsystencja mieszanek wzorcowych (pomiar rozpływu placka) Rodzaj użytego Cementu CEM I 32,5R CEM I 42,5R CEM I 52,5R CEM II/B-V 32,5R CEM II/B-S 32,5R CEM II/B-S 42,5 CEM III/A 32,5NA w/c =,45 (FM 38) Rozpływ placka, cm w/c =, w/c =, Prezentowane wyniki wykazują niewielki wpływ użytego cementu na konsystencję mieszanki betonowej. Praktycznie niezależnie od rodzaju wprowadzonego cementu, mieszanki o w/c =,45 z domieszką superplastyfikatora oraz o w/c =,65, wykazały konsystencję ciekłą, natomiast mieszanki o w/c =,5 konsystencję gęstoplastyczną. Należy jednak stwierdzić, że większy opad stożka osiągnięto przy stosowaniu cementów CEM II i CEM III, natomiast rozpływ placka stosując cement CEM II/B-V 32,5R. Wytrzymałość na ściskanie betonu Badania wytrzymałości na ściskanie betonów wzorcowych przeprowadzono na próbach kostkowych 15 x 15 x 15 cm zgodnie z metodyką podaną w normie PN-88/B-625 Beton zwykły. Uzyskane wyniki badań po 2, 7 i 28 dniach dojrzewania pokazano w tabeli 5. 24

25 Tabela 5. Wytrzymałość na ściskanie betonów wzorcowych Wytrzymałość na ściskanie po upływie 2, 7 i 28 dni [MPa], dla różnych wartości wskaźnika w/c w/c =,45 W/c =,5 w/c =,65 2 dni 7 dni 28 dni 2 dni 7 dni 28 dni 2 dni 7 dni 28 dni CEM I 32,5R 29,7 51,1 63, 15,6 35,5 51,7 1,5 26,6 39,9 CEM I 42,5R 34,5 58,1 7,2 24,6 41, 58,7 18,1 3,1 45,3 CEM I 52,5R 41,2 6,8 72,9 34,1 48,6 61,3 21, 39,1 49,5 CEM II/B-V 32,5R 18,3 39,6 55,7 14,1 3,3 48,7 6, 17,4 29,7 CEM II/B-S 32,5R 18,8 41, 57,2 14,8 33,7 49,3 6,8 17,8 3,4 CEM II/B-S 42,5 29,5 49,3 63,2 21,9 41,9 59,6 15,1 29,5 42,1 CEM III/A 32,5NA 11,6 38,1 59,9 8,5 26,7 51,3 4,5 17,6 31,2 Rodzaj użytego cementu Przedstawione wyniki badań wykazały duży wpływ zastosowanego rodzaju cementu na wytrzymałość betonu. W przypadku wytrzymałości wczesnej zdecydowanie najwyższe wartości uzyskały betony wykonane przy użyciu cementów portlandzkich CEM I oraz cementu portlandzkiego żużlowego CEM II/B-S 42,5, co pokazano na rysunku 4. Na rysunku 5 dla porównania przedstawiono wytrzymałość na ściskanie po 2 dniach cementów (określoną dla zapraw normowych). 4,5 8,5 CEM III/A 32,5NA 11,6 6 CEM II/B-V 32,5R 14,1 6,8 CEM II/B-S 32,5R 18,3 14,8 18,8 15,1 CEM II/B-S 42,5 1,5 CEM I 32,5R 21,9 15,6 24,6 34,1 CEM I 52,5R w/c =,45 34,5 21 w/c =,5 29,7 18,1 CEM I 42,5R w/c =,65 29, , Wytrzymałość, MPa Rys. 4. Wytrzymałość na ściskanie betonu po 2 dniach w zależności od zastosowanego rodzaju cementu 25

26 CEM III/A 32,5NA 8,2 14,1 CEM II/B-V 32,5R CEM II/B-S 32,5R 15,2 CEM II/B-S 42,5 2,2 CEM I 32,5R 23,2 CEM I 42,5R 28,4 37,3 CEM I 52,5R Wytrzymałość, M Pa Rys. 5. Wytrzymałość na ściskanie cementu po 2 dniach (zaprawa) Wyniki badania wytrzymałości po 28 dniach, wykazały, że znacznej redukcji ulegają różnice pomiędzy poziomem wytrzymałości betonów wykonanych przy użyciu poszczególnych rodzajów cementu. Pokazane na rysunkach 6 i 7 wyniki badań zapraw normowych i betonów wzorcowych wykonanych z cementów klasy 32,5 potwierdzają, że dla potrzeb produkcji betonu towarowego o wymaganej klasie (określanej po upływie co najmniej 28 dni) można z powodzeniem stosować cementy CEM II i CEM III. Ponadto proces dalszego wzrostu wytrzymałości betonu po upływie dłuższych okresów czasu: 9, 18, 365 dniach, jest bardziej widoczny w przypadku stosowania cementów CEM II i CEM III [1]. Zależność tą w przypadku zapraw normowych przedstawia rysunek 8. Również realizacje obiektów budowlanych potwierdzają przyrost wytrzymałości eksploatowanych betonów, wykonanych z cementów CEM II i CEM III, nawet po upływie wielu lat (tabela 6). CEM III/A 32,5NA 49,3 CEM II/B-V 32,5R 4,2 CEM II/B-S 32,5R 48,7 49,1 CEM I 32,5R Wytrzymałość, MPa Rys. 6. Wytrzymałość na ściskanie cementu po 28 dniach (zaprawa) 26

27 31,2 CEM III/A 32,5NA 51,3 29,7 CEM II/B-V 32,5R 59,9 48,7 w/c =,65 55,7 3,4 w/c =,5 49,3 CEM II/B-S 32,5R 57,2 w/c =,45 39,9 51,7 CEM I 32,5R Wytrzymałość, MPa Rys. 7. Wytrzymałość na ściskanie betonów po 28 dniach dojrzewania wykonanych przy użyciu cementów CEM I i CEM II klasy 32,5 7 Wytrzymałość, MPa 6 5 CEM CEM CEM CEM I 32,5R II/B-S 32,5R IIB-V 32,5R III/A 32,5NA dni 7 dni 28 dni 9 dni 18 dni 365 dni Rys. 8. Przyrost wytrzymałości zapraw wykonanych przy użyciu cementów CEM I 32,5R, i CEM II/B-S 32,5R, CEM II/B-V 32,5R oraz CEM III/A 32,5NA. Tabela 6. Wytrzymałość betonu wykonanego z cementu hutniczego CEM III/A 32,5 NA Budowla Wiek Wytrzymałość Wiek Wytrzymałość Przyrost betonu na ściskanie Betonu wytrzymałości na ściskanie [dni] [MPa] [lata] [%] [MPa] Oczyszczalnia Wieża chłodnicza Zapora wodna Śluza Śluza odwadniająca

28 Badanie wytrzymałości 28-dniowej betonów wzorcowych, pozwala również stwierdzić wpływ klasy cementu na klasę betonu. Jak wykazały wyniki badań, stosując cementy klas 42,5 i 52,5 można z powodzeniem wykonywać betony klas B 5 a nawet wyższych, natomiast użycie cementów klasy 32,5 pozwala osiągnąć klasę B 4. Takie parametry są możliwe do uzyskania w przypadku niskich wartości wskaźnika w/c (w tym przypadku,45 i,5). Na rysunku 6 przedstawiono zależność pomiędzy wartością wskaźnika w/c i poziomem wytrzymałości po 28 dniach. Wytrzymałość, MPa 75 7 CEM I 52,5R 65 CEM I 42,5R 6 CEM I 32,5R 55 CEM II/B-S 42, CEM III/A 32,5NA 4 CEM II/B-S 32,5R 35 CEM II/B-V 32,5R 3 25 w/c =,45 w/c =,5 w/c =,65 Rys. 7. Zależności pomiędzy wskaźnikiem w/c a wytrzymałością na ściskanie betonu po 28 dniach dojrzewania Zwiększanie ilości wody w mieszance betonowej przy niezmiennej zawartości cementu powoduje znaczny spadek wytrzymałości betonu. Znajomość tego faktu jest istotna, gdyż w praktyce często występują przypadki nadmiernego, niekontrolowanego dozowania wody w celu poprawy ciekłości mieszanki. W świetle prezentowanych badań należy mieć na uwadze, że takie działanie może w konsekwencji obniżyć klasę wykonanego betonu w stosunku do projektowanego i wpłynąć negatywnie na bezpieczeństwo i trwałość konstrukcji. Na podstawie uzyskanych wyników można również stwierdzić, że bardziej podatne na spadki wytrzymałości wskutek zwiększenia wartości wskaźnika w/c są betony wykonane przy użyciu cementów CEM II i CEM III (rysunek 6). Aby w pełni wykorzystać parametry wytrzymałościowe tego rodzaju cementów do produkcji betonów klas B 3 - B 4, należy dążyć do obniżenia wskaźnika w/c (nie przekraczać wartości,5), a pożądaną konsystencję uzyskiwać stosując plastyfikatory i superplastyfikatory (patrz tabela 3 i 4). 28

29 3. Podsumowanie Przedstawione w artykule właściwości cementu i betonu, wskazują, że rodzaj stosowanego cementu jest jednym z głównych czynników decydujących o efektywnym wykonaniu betonu o pożądanych właściwościach. Podsumowując wyniki badań betonów wzorcowych można podać następujące wnioski: konsystencja mieszanek betonowych jest praktycznie tego samego rzędu dla wszystkich użytych cementów. Jednakże przy stosowaniu cementów CEM II i CEM III zanotowano większy opad stożka i rozpływ placka, co również wiąże się z poprawą urabialności mieszanek betonowych; szybszy przyrost wytrzymałości wczesnej betonu jest widoczny przy stosowaniu cementów portlandzkich CEM I i cementu portlandzkiego żużlowego CEM II/B-S 42,5R; po upływie 28 dni poziom wytrzymałości betonów wykonanych na cemencie CEM II i CEM III praktycznie się wyrównuje w stosunku do cementu CEM I tej samej klasy. Pozwala to w pełni wykorzystać cementy CEM II i CEM III do produkcji betonów, gdzie wymaganym parametrem jest klasa betonu, określana po 28 dniach; zwiększenie wartości wskaźnika w/c skutkuje znacznym obniżeniem wytrzymałości betonu, przy w/c >,5 zależność ta jest bardziej widoczna w przypadku betonów wykonanych przy użyciu cementów CEM II i CEM III. Mając na uwadze wpływ rodzaju cementu na cechy użytkowe betonu należy również pamiętać, że warunkiem uzyskania betonu o pożądanych właściwościach jest prawidłowy dobór jego składu oraz czynności związane z produkcją, transportem i wbudowaniem mieszanki betonowej oraz pielęgnacja świeżego betonu. Literatura Deja J., Kopia B. Właściwości betonu z cementem hutniczym, Polski Cement, Kraków, Giergiczny Z. Dobór cementu do określonych zastosowań w budownictwie i robotach inżynieryjnych, Materiały Konferencyjne Sympozjum Cementy w budownictwie, robotach wiertniczo-inżynieryjnych oraz hydrotechnice, Piła, 21. Materiały konferencyjne Beton na progu nowego milenium, Polski Cement, Kraków, 2. Wyniki badań ciepła hydratacji i skurczu cementów oferowanych przez Górażdże Cement S.A. Badania wykonane przez IMMB w Opolu O/Kraków, Kraków,

30 3

31 IV SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 2 2 Wojciech Świerczyński1 PRODUKCJA PREFABRYKATÓW BETONOWYCH W TECHNOLOGII ASCC I SCC 1. Wstęp Zakłady prefabrykacji elementów żelbetowych chcąc sprostać wymogą projektowym, technologicznym, a także ekonomicznym zmuszone zostały do wprowadzania nowych technologii betonowych. Dotychczasowe mankamenty i wady prefabrykatów zostały usunięte a racjonalizacja ich stosowania doprowadziła do wzrostu zainteresowania nimi przez projektantów, inwestorów i firmy wykonawcze. W chwili obecnej można nawet mówić o powrocie prefabrykacji szczególnie w budownictwie przemysłowym oraz użyteczności publicznej. Fot.1. Prefabrykowane schody żelbetowe Inwestorzy i projektanci wymagają od producenta wyrobu o wysokich parametrach trwałości, wysokiej estetyce aż do betonów architektonicznych, w jednostkowej produkcji, 1 ADDIMENT Polska sp. z o.o., ul. K. Łowińskiego 4, Kraków. Biuro Poznań poznan@addiment.com.pl 31

32 skomplikowanym kształcie, dużych gabarytach, na dodatek dostarczonego szybko na plac budowy. Oczekiwana jest ponadto możliwość takiego systemu montażu tych elementów, który pozwoli na łatwy demontaż elementu w przypadku rozbudowy czy rozbiórki obiektu. Wymogi opłacalności produkcji powodują konieczność odejścia od procesów naparzania, tym bardziej, że w większości zakładów prefabrykacji betonowej wykorzystywano tradycyjne kotłownie opalane węglem, a zatem drogie i uciążliwe w eksploatacji. Wszystkie te uwarunkowania powodują, że konieczne jest stosowanie betonów coraz to wyższych klas oraz projektowanie betonów o bardzo niskich wskaźnikach w/c. Beton o takich parametrach produkowany w tradycyjnych technologiach jest niezmiernie trudny do ułożenia w prefabrykacie, a co zatem idzie do uzyskania oczekiwanych a wyżej opisanych efektów. Pojawienie się nowych technologii betonu takich jak technologia betonów samozagęszczalnych ( SCC Self Compacting Concrete ) oraz betonów prawie samozagęszczalnych ( ASCC Almost Self Compacting Concrete) oraz nowej generacji superplastyfikatorów (upłynniaczy) znakomicie ułatwiło technologię produkcji prefabrykatów w jakości gwarantującej dotrzymanie wymaganych parametrów technicznych. Przykłady wykorzystania tych technologii do produkcji elementów prefabrykowanych, a także wnioski wynikające z procesu produkcji są tematem niniejszego opracowania. 2. Beton prawie samozagęszczalny ASCC Beton prawie samozagęszczalny ASCC ( Almost Self Compacting Concrete) powinien posiadać bardzo wysoką ciekłość ( fot. 1 ), ale do odpowietrzenia i zagęszczenia wymaga wzbudzenia i wibracji tradycyjnymi technikami (wibrator wgłębny, przyczepny czy wibracja całym stołem formierskim). Czas wibracji jest zdecydowanie krótszy niż w betonach tradycyjnych, często na poziomie 5 7 sekund. Ze względu na mniej skomplikowany proces projektowania oraz łatwiejszą produkcję i wbudowanie betonu w stosunku do betonów w technologii SCC, technologia ASCC jest zalecana do wdrożenia w zakładach prefabrykacji, które dotychczas produkowały betony tradycyjne. Ponadto jako bardzo istotne jest to, że betony te spełniają wymogi dotychczas obowiązujących norm czego nie możemy powiedzieć o betonach wykonanych w technologii samozagęszczalnej (SCC). Nieodłącznym składnikiem tej technologii są domieszki nowej generacji, w tym wypadku upłynniacze oparte na bazie polikarboxylenoeteru czyli na bazie polimerowej. Mieszanka betonowa, którą możemy zakwalifikować jako prawie samozagęszczalną musi posiadać konsystencję ciekłą ( opad stożka cm ) bez skłonności do segregacji czy też wydzielania wody. Konsystencja ta winna utrzymywać się wystarczająco długo aby umożliwić właściwe zapełnienie formy. Beton z przeznaczeniem na prefabrykaty musi zapewnić uzyskanie wymaganych parametrów wytrzymałościowych, szczególnie w zakresie wytrzymałości wczesnych określanych w okresach kilkugodzinnych, maksymalnie do 18 godzin, a także wytrzymałości 28 dniowych. Ponadto beton musi uzyskać wszystkie inne parametry jakie przed nim stawia projektant ( trwałość, wodoszczelność, mrozoodporność, nasiąkliwość, odporność na działanie czynników agresywnych itp. ). Proces projektowania betonu przebiega tak jak dla betonów tradycyjnych zarówno co do metod projektowych jak i do doboru składników betonu z wyjątkiem konieczności umiejętnego dobrania upłynniacza nowej generacji. Uzyskanie dobrego wyniku produkcyjnego czyli betonu posiadającego wymagane cechy w stanie świeżym i stwardniałym wymaga w procesie produkcji zachowania szeregu dodatkowych wymagań. Niektóre z nich to: bardzo dokładne dozowanie składników betonu szczególna kontrola ilości wprowadzanej wody do betonu ( dozowana bezpośrednio, 32

33 woda z domieszki, woda zawarta w kruszywach ) czystość i jednorodność dostarczanych partii kruszyw, szczególnie piasku odpowiednio długi czas mieszania w mieszalniku betoniarki konieczny do pełnej aktywizacji domieszki upłynniającej doboru właściwych parametrów pomp dozujących upłynniacz z uwagi na jego lepkość zakazu rozcieńczania upłynniaczy nowych generacji z uwagi na utratę stabilizacji ich składu ciągłej kontroli dostarczanych dodatków mineralnych ciągłego dozoru laboratoryjnego przeszkolonego zespołu produkującego i układającego beton. W efekcie zapewnienia powyższych wymagań otrzymujemy bardzo dobrej jakości beton, o ciekłej konsystencji, wymagający bardzo ograniczonego zagęszczania, z szybkim przyrostem wytrzymałości wczesnej, a po rozformowaniu uzyskując dobrej jakości powierzchnię zewnętrzną betonu. 3. Produkcja prefabrykowanych dźwigarów strunobetonowych z zastosowaniem technologii betonu ASCC Jeden z największych w kraju producent prefabrykowanych elementów żelbetowych firma PEKABEX S.A. w Poznaniu otrzymała zamówienie na wykonanie serii dźwigarów strunobetonowych z betonu klasy B 6. Wymagana ze względu na zwolnienie strun sprężających wytrzymałość wczesna betonu dla rozformowania elementu i obcięcia strun wynosiła 4 MPa. Dotychczasowa stosowana technologia produkcji w zakładzie umożliwiała uzyskanie takiej wytrzymałości w ciągu godzin. Termin realizacji zamówienia wymagał skrócenia procesu produkcyjnego aż do uzyskania cyklu produkcyjnego 24 godziny. Zatem zwolnienie strun możliwe przy 4 MPa musiało nastąpić po ok. 18 godzinach. Technologiczne wyposażenie zakładu produkcyjnego jest bardzo nowoczesne (za wyjątkiem betonowni), zakład posiada własne laboratorium budowlane i dobrze wyszkoloną załogę. Umożliwiło to podjęcie decyzji o wykonaniu tych elementów w technologii ASCC. Dodatkowym wymogiem było nie podniesienie kosztu produkcji betonu Wymagane parametry mieszanki betonowej Dwa parametry betonu a zatem klasa betonu B 6 oraz poziom wytrzymałości wczesnej po 18 godzinach zostały określone jako warunki niezbędne i konieczne. Jako warunki dodatkowe określono: uzyskanie bardzo wysokiej płynności betonu, określonej opadem stożka na poziomie ok. 22 cm z uwagi na duże zagęszczenie prętów zbrojeniowych oraz strun sprężających foto 1. beton winien prawie samoczynnie wypełnić formę czas przerabialności mieszanki betonowej bez utraty konsystencji musiał wynosić min. 6 minut beton winien łatwo poddać się zagęszczeniu przy użyciu wyłącznie wibratorów wgłębnych powierzchnia betonu po rozformowaniu winna być betonem architektonicznym. Stosowanie jakichkolwiek szpachli czy wyprawek było całkowicie zakazane przez zamawiającego. 33

34 Fot.1. Pomiar konsystencji mieszanki betonowej ASCC na stanowisku formowania Z powyższych względów zakład prefabrykacji zdecydował się na zastosowanie technologii ASCC we współpracy producentem domieszek chemicznych do betonu. Opracowaniu receptury betonu i technologii produkcji podjęli się inżynierowie Robert Czołgosz [3,4,5] i Przemysław Grabarczyk [5] Składniki mieszanki betonowej Ze względu na to, że receptura betonu stanowi chronioną technologię produkcji producenta nie może zostać tutaj przedstawiona. Do wykonania mieszanki betonowej w wyniku przeprowadzonych prób i badań wybrano następujące materiały: kruszywa przyjęto dostępne kruszywa stosowane w dotychczasowej produkcji piasek 2 mm przebadany w całej partii potrzebnej do produkcji frakcjonowane grysy granitowe 2-8 i 8-16 mm dodatkowo płukane przez producenta cement portlandzki CEM I 52,5 R z Górażdże Cement woda wodociągowa przy czym wskaźnik w/c przyjęto na poziomie,33 upłynniacz ( superplastyfikator ) nowej generacji ADDIMENT FM 34 ( baza chemiczna poliwęgloxylenoeter), obecnie jest stosowany superplastyfikator ADDIMENT FM Technologia produkcji masy betonowej oraz kontrola procesu produkcji Zaprojektowana mieszanka betonowa może spełniać wszystkie wymagane parametry tylko w przypadku bardzo dokładnego dozowania każdego składnika. Szczególnie ważna jest kontrola ilości wprowadzanej do mieszanki wody poprzez bieżącą kontrolę wilgotności kruszyw. Zakłócenia w dozowaniu prawidłowej, zgodnej z recepturą ilości wody mogą zmienić wielkość wskaźnika w/c, a co zatem idzie wpłynąć negatywnie na narastanie wczesnej wytrzymałości betonu i zakłócić cały cykl produkcyjny prefabrykatów. Podobnie dozowanie domieszki upłynniającej także musi przebiegać pod ścisłą kontrolą, gdyż przedozowanie może spowodować zmianę planowanej konsystencji, w następstwie segregację składników i wydzielenie wody z mieszanki betonowej. Ponadto urządzenia dozujące muszą posiadać odpowiednie pompy, które są w sposób kontrolowany podawać 34

35 superplastyfikator o dużej lepkości jakimi są nowej generacji upłynniacze. Niedozwolone jest rozcieńczenie domieszki wodą ( w celu zmniejszenia jej lepkości ), gdyż spowodujemy zakłócenie stabilizacji mieszaniny i silne zakłócenie jej działania. Brak ścisłej kontroli konsystencji mieszanki był zauważalny na powierzchni rozformowanego elementu w postaci zacieków, smug, kawern i problemów z uzyskaniem wymaganej wytrzymałości na rozformowanie w czasie wymaganym technologią produkcji co 24 godziny nowy element. Czas mieszania betonu w mieszalniku został wydłużony do 4 minut, po to aby w pełni uaktywnić superplastyfikator i zagwarantować stałość konsystencji poszczególnych szarży produkcyjnych betonu. Fot.2. Układanie mieszanki betonowej w formie Kontrolę konsystencji betonu prowadzono dla każdego zarobu z mieszalnika na betonowni oraz wyrywkowo przed wbudowaniem mieszanki betonowej. Produkcja betonu oraz jego wbudowywanie odbywało się początkowo pod ścisłym nadzorem autorów technologii. Po opanowaniu produkcji kontrola ścisła dotyczyła produkcji mieszanki betonowej oraz kontroli parametrów wytrzymałościowych betonu dla momentu odcięcia strun i rozformowania. Kontrolowany był także proces pielęgnacji betonu w gotowym wyrobie. 35

36 3.4. Uzyskane wyniki Fot. 3. Widok gotowego dźwigara strunobetonowego jako najważniejszy wynik uważane jest terminowe wykonanie zamówienia niemożliwe do wykonania wg starych technologii opartych o superplastyfikatory melaminowonaftalenowe. uzyskano bardziej niż zadawalające efekty estetyczne betonu poprzez uzyskanie powierzchni elementów prefabrykowanych odpowiadające betonowi architektonicznemu. koszty produkcji betonu ASCC nie okazały się wyższe niż betonu tradycyjnego podniesiono kwalifikacje załogi oraz nadzoru technicznego poprzez stosowne szkolenia teoretyczne i próby w skali półtechnicznej uzyskano wymagane parametry wytrzymałości betonu na ściskanie, które przedstawia tabela. Tab.1. LP Data pobrania: Średnia z wyników badań sklerometrycznych na gotowym elemencie po 18 h [MPa] 4,4 4,1 42,4 4,6 39,4 4,3 41,5 39,9 41,3 4, Średnia Średnia wytrzymałość wytrzymałość na na ściskanie po ściskanie po 18 h 7 dniach [MPa] 36,1 37,3 37,1 37,3 35,8 36,7 37,2 36,3 37,2 36,6 [MPa] 67,2 65,9 68,4 65,9 65,5 66,6 67,2 66,1 67,2 65,7 Średnia wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach [MPa] 74,7 75,6 77,3 76,4 79, 8, 79,5 76,4 81,1 77,9

37 Fot.4. Powierzchnia boczna wykonanego elementu 3.5. Pielęgnacja elementów prefabrykowanych W okresie produkcji półprzemysłowej na elementach zaczęły się pojawiać drobne, niewielkie ryski, które po dokładnych oględzinach zostały zakwalifikowane jako rysy skurczowe. Przyczyną ich powstania była z jednej strony duża ilość cementu CEM I 52,5 R z uwagi na wysokie ciepło jego hydratacji a z drugiej strony znaczne odparowanie wody z powierzchni elementu. Z problemem uporano się poprzez zapewnienie właściwej pielęgnacji. Cały element wraz z urządzeniem formującym został okryty nawilżoną włókniną oraz owinięty folią. Zabieg okazał się wystarczający i rysy nie pojawiały się w całym cyklu produkcji przemysłowej. Po rozformowaniu elementów pielęgnacja prowadzona była nadal aż do trzeciego dnia składowania elementów na placu składowym prefabrykatów. 4. Beton samozagęszczalny - SCC Beton samozagęszczalny SCC ( Self Compacting Concrete) jest kolejnym krokiem do uzyskania mieszanki betonowej o parametrach w pełni niezależnych od jakości zagęszczania. Beton SCC charakteryzuje się nowymi, odmiennymi w stosunku do betonu tradycyjnego właściwościami w zakresie odpowietrzania i zagęszczania pod wpływem grawitacji, samorozlewności oraz długim okresem utrzymywania konsystencji. 37

38 Fot.5. Pomiar konsystencji betonu samozagęszczalnego Fot.6. Pomiar konsystencji betonu samozagęszczalnego Technologie betonów SCC są nie tylko w Polsce technologiami nowymi, ale dodatkowo brak jest zapisów normowych dla ich konstruowania i stosowania. Dlatego też technologie te są wprowadzane ostrożnie a najczęściej w sytuacjach gdzie tradycyjne technologie nie dają oczekiwanego rezultatu. 38

39 Podstawą do skonstruowania takiej mieszanki jest odpowiednio duża zawartość bardzo drobnych cząstek i specjalnej domieszki chemicznej a także posiadanie własnej technologii transportu i układania tego typu betonów. Betony SCC konstruuje się na zwykłych cementach, przy czym ich zastosowanie jest szczególnie efektywne przy niskich wartościach wskaźnika w/c rzędu ok.,3. Umożliwia to wykonywanie betonów klasy B 5 i wyżej, których wczesna wytrzymałość szybko narasta. Betony te charakteryzują się bardzo dobrą urabialnością i znakomitą płynnością. Betony SCC znajdują zastosowanie przede wszystkim tam, gdzie zagęszczenie tradycyjną metodą poprzez wibrowanie jest uciążliwe lub wręcz niemożliwe ze względu np. na dużą ilość gęsto ułożonego zbrojenia lub braku dostępu do elementu betonowanego. Ze względu na znakomite zagęszczenie mieszanki betonowej betony SCC charakteryzują się gładką powierzchnią zewnętrzną z bardzo ograniczoną tendencją do występowania pęcherzy powietrza. Cecha ta nie zwalnia od stosowania właściwych środków antyadhezyjnych, przede wszystkim takich, które nie pozostają na powierzchni betonu ani nie zmieniają barwy betonu. Cecha ta wykorzystywana jest dla technologii betonów architektonicznych. Projektowanie mieszanek betonów samozagęszczalnych odbywa się zupełnie na innych zasadach niż betonów tradycyjnych. Najkorzystniej jest w procesie projektowania, z uwagi na jego empiryczność, posługiwać się wspomagającym programem komputerowym. Programy takie posiadają czołowi producenci domieszek chemicznych. Przykłady konstrukcji betonów SCC opisanych poniżej były wykonywane w oparciu o taki program. Podobnie jak w przypadku betonów w technologii ASCC tak i w technologii SCC wymagana jest bardzo duża dokładność w dozowaniu wszystkich składników mieszanki betonowej. Spełnienie wszystkich stawianych wymagań nastręcza bardzo wiele trudności i uzyskanie właściwej receptury betonu jest dopiero połową sukcesu. Trzeba tutaj raczej mówić o opanowaniu przez wykonawcę i producenta masy betonowej technologii betonu samozagęszczalnego, obejmującej całokształt działań począwszy od produkcji mieszanki poprzez transport na miejsce wbudowania, wbudowanie betonu oraz wykończenie jego powierzchni wraz z konieczną pielęgnacją. Technologie te są najczęściej pilnie strzeżoną tajemnicą firm produkujących beton lub firm wykonawczych. 5. Zastosowanie technologii SCC do produkcji prefabrykatów Technologia betonu SCC znalazła w naszej praktyce, a pewnie także w Polsce po raz pierwszy zastosowanie w produkcji elementów prefabrykowanych przez firmę PEKABEX S.A. Firma podjęła się wykonania prefabrykowanej elewacji budynku Roma Center w Warszawie jako barwnych, betonowych elementów zawieszanej elewacji. Grubość paneli elewacyjnych wynosiła 7-8 cm, klasa betonu B 45, barwienie strukturalne, jednolite dla całej elewacji w dwóch odcieniach. Próby wykonywane w tradycyjnych technologiach były kompletnie nie udane i nie przyjmowane przez zamawiającego. W tej sytuacji przystąpiono do prób z betonem SCC, które to doprowadziły do skutecznego wykonania zamówienia Skład mieszanki betonowej Do wykonania mieszanki betonowej użyto następujących składników: kruszywa piasek 2 mm dostępny, używany przez producenta prefabrykatów w normalnej produkcji piaski kwarcowe suszone, frakcjonowane o uziarnieniu,1 1,6 mm suszone żwirki filtracyjne o uziarnieniu 3, 5, mm 39

40 mączka kwarcowa cement CEM I 52,5 R i CEM I 42,5 R z Górażdże Cement dodatki mikrokrzemionka w ilości 5-6 % do wagi cementu woda wodociągowa domieszki do betonu superplastyfikator nowej generacji na bazie poliwęgloxyloeteru ADDIMENT FM 38 wskaźnik w/c w przedziale,38, Technologia produkcji Produkcja elementów odbywała się na wydzielonym stanowisku produkcyjnym wyposażonym w indywidualnie konstruowane stoły prefabrykacyjne oraz własne stanowisko produkcji betonu. Wszystkie składniki były dokładnie dozowane pod ścisłym nadzorem technologa i laboratorium, włącznie z kontrolą temperatury powietrza i temperatury masy betonowej i płyty stołu. Blat stołu został pokryty arkuszami tworzywa sztucznego specjalnie dobranego w celu wyeliminowania środków antyadhezyjnych. Technologia ta stanowi tajemnicę firmową producenta elementów, przez co więcej szczegółów nie zostało podanych. Fot.7. Stanowisko formowania elementów żelbetowych z betonu SCC 5.3. Uzyskane wyniki Zastosowana technologia betonu SCC przyniosła dobre wyniki przede wszystkim umożliwiając wykonanie zamówienia w jakości spełniającej wymagania architekta. 4

41 Fot.8. Elewacja budynku biurowego Roma Office Centre w Warszawie wykonana z użyciem dwuwarstwowych paneli elewacyjnych, wykonanych z betonu SCC. Wyeliminowanie wibrowania elementów zapewniło jednolitą barwę elementów bez cieni siatki zbrojeniowej na fakturowanej części panelu. Beton uzyskał następujące parametry wytrzymałości na ściskanie: wytrzymałość po 24 godzinach: 2 27 MPa ( w zależności od w/c) w temperaturze 2 C wytrzymałości po 28 dniach: MPa 5.4. Pielęgnacja elementów Pielęgnację elementów prowadzono przy użyciu mokrej włókniny nakładanej na beton w sposób całkowicie obejmujący element. Dobre rezultaty uzyskiwano także stosując natrysk mikrowosku na świeży beton a następnie poprzez okrycie wilgotną włókniną. 6. Wnioski Zastosowanie technologii ASCC i SCC w opisanych przykładach produkcji elementów prefabrykowanych pozwoliło rozwiązać skomplikowane problemy technologiczne, organizacyjne i produkcyjne z dobrym rezultatem. Uzyskane efekty wymagały od autorów receptur i technologów wiele pracy zarówno teoretycznej jak i wykonania wielu prób. W efekcie uzyskano jednak niewątpliwy sukces. Technologie te mają przed sobą szeroki rozwój, choć w przypadku betonów SCC konieczne są regulacje normowe. Konieczne są prace naukowe nad określaniem pewnych cech tych betonów. Szczególnie pilne są badania w zakresie określenia skurczu betonów SCC, czy tempa narastania dynamicznego modułu sprężystości dla stosowania tych technologii w prefabrykacji elementów sprężonych. Z uwarunkowań tych zdawaliśmy sobie sprawę rezygnując np. z technologii SCC w produkcji dźwigarów strunobetonowych, belek czy elementów stropowych. 41

42 Nadmienić należy, że technologie ASCC i SCC wymagają posiadania : nowoczesnych wytwórni betonu dobrze wyszkolonej obsługi betonowni wysokiej jakości stosowanych materiałów współpracy z dobrym laboratorium budowlanym technologii transportu, deskowań, układania, wykańczania powierzchni świeżego betonu oraz jego pielęgnacji przez firmę wykonawczą Pod względem ekonomicznym technologie ASCC okazują się konkurencyjne w stosunku do technik tradycyjnych przede wszystkim z powodu stosunkowo łatwego układania betonu o niskim wskaźniku w/c, przy przewozie betonu nawet na większe odległości czy przy betonowaniu betonem o wyższej temperaturze w okresie letnim. Technologie SCC są technologiami trudnymi a przez to stosunkowo kosztownymi. W przyszłości dla ograniczenia hałasu mogą być wprowadzane do zakładów prefabrykacji. Efekty ekonomiczne polegające na oszczędności robocizny ( eliminacja wibrowania ) nie wydają się być w najbliższym czasie czynnikiem ważnym w naszym kraju ( niski koszt robocizny ). 7. Referencje betonów zrealizowanych w technologiach ASCC i SCC w Polsce z udziałem domieszek ADDIMENT prefabrykacja w firmie PEKABEX S.A. ASCC, SCC prefabrykacja w firmie PROBET DASAG sp. z o.o. - ASCC płyta fundamentowa Bussiness Center Katowice ASCC -ASCC płyta fundamentowa Centrum Finansowe na Pl. Andersa w Poznaniu - ASCC płyta fundamentowa Galeria Dominikańska we Wrocławiu ASCC ściany ogniowe Fabryka WV w Poznaniu SCC tory wodowania statków Pochylnia Wulkan w Szczecinie SCC płyta fundamentowa Elektrownia Pątnów ASCC płyta fundamentowa Centrum Biurowego ul. Bługarska w Poznaniu ASCC Literatura 1. H. Okamura, M. Ouchi, Self-compacting cocrete. Development, present use and future. Materiały konferencyjne z I Międzynarodowego Sympozjum Beton samozagęszczalny, Sztokholm M. Maeda, K. Yamada, Evaulation on the practicability of SCC. Materiały konferencyjne z I Międzynarodowego Sympozjum Beton samozagęszczalny, Sztokholm R. Czołgosz, W.Świerczyński, Domieszki nowej generacji dla prefabrykacji betonowej, materiały konferencyjne z sympozjum naukowo-technicznego Tendencje rozwojowe prefabrykacji betonowej, Poznań R. Czołgosz, W. Świerczyński, Beton SCC i ASCC w prefabrykacji, Materiały Budowlane 11/2 5. R. Czołgosz, Przemysław Grabarczyk, Beton w prefabrykacji od mieszanek tradycyjnych do betonów samozagęszczalnych 6. J. Mierzwa, Domieszki stosowane przy wytwarzaniu betonu i ich wpływ na jego właściwości w konstrukcji, XVII Ogólnopolska Konferencja Warsztat pracy projektanta konstrukcji. Ustroń ADDIMENT FlissmittelNeumeremGeneracion 2. Heidelberg ADDIMENT,2 42

43 IV SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 2 2 Józef Jasiczak1 SKURCZ BETONU MODYFIKOWANEGO DODATKAMI I DOMIESZKAMI CHEMICZNYMI 1. Wprowadzenie Skurcz betonu cementowego zwykłego jest zjawiskiem powszechnie znanym, dobrze udokumentowanym naukowo, jednakże z licznymi hipotezami i wątpliwościami dotyczącymi szczegółów opisywanych procesów. Wprowadzenie dodatków mineralnych i domieszek chemicznych do betonu wywołało kolejne dyskusje na temat skurczu betonu i znacznie poszerzyło zakres stawianych pytań i obszar badań. Klasyczna teoria skurczu betonu zwykłego została przedstawiona przez W. Kurdowskiego [4] następująco. Reakcja cementu z wodą powoduje ogólne zmniejszenie objętości mieszaniny. Zmiany objętości nazywamy skurczem chemicznym lub kontrakcją, a wiążą się one z mniejszą objętością wody w fazach uwodnionych od jej objętości w fazie ciekłej. Skurcz ten występuje przed i w czasie wiązania opisywany jest jako tzw. pierwszy skurcz i występująca po nim ekspansja. W okresie początkowej reakcji zaczynu z wodą wyróżnia się także tzw. skurcz plastyczny związany z odparowywaniem wody z powierzchniowych warstw betonu. Proces ten może prowadzić do powstawania rys. Następny (drugi) skurcz zachodzi już w okresie twardnienia i klasyfikowany jest jako skurcz twardnienia lub autowysychanie. Jest on bowiem związany z powstaniem w zaczynie porów, wypełnionych powietrzem, co prowadzi do zmniejszenia ciśnienia cząstkowego pary wodnej, a wiec do autoosuszania. Pierwszy skurcz, który zbiega się z wiązaniem zaczynu, jest znacznie mniejszy od skurczu plastycznego, związanego z wysychaniem. natomiast drugi skurcz, skurcz twardnienia, może prowadzić do mikrospękań w betonie. Zachodzi on bowiem po związaniu zaczynu, gdy ma on pewną wytrzymałość, a przekroczenie naprężeń krytycznych w materiale powoduje zarysowanie [4]. Na wartość skurczu zhydratyzowanego zaczynu cementowego wpływa wprost stosunek w/c, ponieważ określa on ilość wody odparowywalnej w zaczynie oraz szybkość, z jaką woda może się przemieszczać w kierunku powierzchni próbki [5]. 1 Prof. dr hab. inż., Politechnika Poznańska, Instytut Konstrukcji Budowlanych, ul. Piotrowo 5, Poznań 43

44 J.J. Brooks [1] wykazał, że skurcz zhydratyzowanego zaczynu cementowego jest wprost proporcjonalny do stosunku w/c w zakresie wartości,2,6. Przy wyższych wartościach tego stosunku dodatkowa woda usuwana jest podczas wysychania bez efektów skurczowych [1]. Skurcz betonu zależny jest także od receptur mieszanek betonowych i warunków środowiskowych (skurcz odwracalny i nieodwracalny), jednakże opisane wcześniej zjawiska maja dla wartości skurczu podstawowe znaczenie. W ostatnich latach zainteresowanie zjawiskami skurczu betonu zdecydowanie wzrosło. Wynika to przede wszystkim z rozwoju w ostatnich 1 latach technologii posadzek przemysłowych a także z modyfikacji właściwości betonu dodatkami i domieszkami chemicznymi. Autor niniejszego opracowania pośrednio lub bezpośrednio uczestniczy w pracach badanych nad skurczem betonu. Ciekawsze wyniki badań, spostrzeżenia i pytania prezentowane są w niniejszym referacie. 2. Skurcz betonowych posadzek przemysłowych pomiary laboratoryjne i na wykonanych obiektach W latach przeprowadzono w Magnel Laboratory for Concrete Research of Ghent University (Belgia) obszerne badania dotyczące posadzek przemysłowych wykonywanych na gruncie. Autor referatu przebywał w 1999 i 21 roku w Magnel Laboratory i zapoznał się z uzyskanymi wynikami badań, które opublikowane zostały także m.in. w pracy [2]. Z obszernej dokumentacji badań autor wybrał te wyniki, które pokazują efekty modyfikacji właściwości betonu domieszkami chemicznymi oraz uzależniają skurcz od warunków środowiskowych. Do badań użyto 5 rodzajów mieszanek betonowych (oznaczenia C1 do C5) oraz jednego cementu CEM III/A 42,5 LA w ilościach 32 kg (C1, C2), 375 kg (C3 i C4) oraz 35 kg (C5). Do mieszanek C2, C4 i C5 dodano superplastyfikatory w ilości 1,5% m.c. Z betonów wykonano 1 płyt betonowych o wymiarach 4,5 4,5 m i grubościach,15 m (płyty zbrojono siatką z 6 o okach,15,15 m) oraz,13 m (dwie ostatnie płyty ze zbrojeniem rozproszonym 5/1 mm w ilości 3 kg/m3). Pomiarów skurczu betonu dokonywano na próbkach o wymiarze,15,15,6 m oraz bezpośrednio na 1 płytach. Dla wszystkich rodzajów betonu (C1 C5) próbki podzielono na dwie grupy: część z nich pielęgnowano przez ponad 2 lata w komorze klimatycznej o stałych parametrach (2 C, 6% wilgotności względnej), część składowano na płytach betonowych - na próbki oddziaływało otoczenie kształtowane przez zmienne warunki pogodowe. Wyniki pomiarów skurczu dla próbek i płyt przedstawiono na rys. 1, 2 i 3. Rysunek 1 przedstawia laboratoryjne wyniki pomiarów skurczu. Wykres jest zgodny z oczekiwaniami: skurcz systematycznie rośnie i przyjmuje wartości: po 3 dniach - mm/m, po 28 dniach -,3 mm/m, po 3 dniach -,5 mm/m, w późniejszym okresie -,5,6 mm/m. Skurcz dla wszystkich rodzajów betonu kształtował się podobnie stąd zaznaczono tylko skurcz średni. Te same próbki wystawione na bezpośrednie oddziaływanie warunków atmosferycznych wykazywały znacznie niższe wartości skurczu (przedział +,1 mm/m do -,2 mm/m) a rozbieżności między betonem C1 (32 kg cementu, bez domieszki) a C4 (375 kg cementu, superplastyfikator) były zdecydowanie większe (najczęściej,15 mm/m na korzyść betonu C1). Podobnie do wykresów z rys. 2 kształtował się średni skurcz betonowych płyt. Najmniejszy skurcz (a nawet ekspansję) wykonywała płyta z betonu C1 (32 kg cementu, bez domieszki, zbrojenie z siatki stalowej), największy skurcz, przekraczającej,3 mm/m płyta z betonu C4 (375 kg cementu, z superplastyfikatorem, zbrojenie z siatki stalowej). Pośrednie wartości skurczu przyjmowały płyty zawierające 35 kg cementu i zbrojenie rozproszone. 44

45 Rys. 1. Skurcz próbek z laboratorium [2] Rys. 2. Skurcz próbek przetrzymywanych na otwartej przestrzeni. Dolny wykres dotyczy betonu C1, górny C4 [2] 45

46 Rys. 3 Skurcz płyt betonowych. Dolny wykres ( SL1) dotyczy betonu C1, górny (SL6) dotyczy betonu C4 [2] 3. Skurcz zapraw cementopochodnych i cementowych z dodatkiem superplastyfikatora Beton cementowy modyfikowany dodatkami mineralnymi i domieszkami chemicznymi podlega także zjawiskom skurczowym. Wprowadzenie do betonu dodatkowych składników komplikuje i tak bardzo złożony proces skurczu. Zdają sobie z tego sprawę producenci współczesnych materiałów budowlanych i formy wykonawcze, w związku z czym lista pytań się ciągle poszerza. Prowadzone w Zespole kierowanym przez autora niniejszego opracowania badania starają się na takie pytania odpowiadać Skurcz zapraw do spoinowania budowlanych okładzin ceramicznych Do oznaczeń wartości skurczu wybrano 6 obecnie dostępnych na rysunku gotowych zapraw fugowych produkowanych z cementu CEM I 42,5 oraz zaprawę cementową, normową, wykonaną także z CEM I 42,5. Do gotowych zapraw fugowych producenci, obok cementu, dodają mineralne wypełniacze, dodatki uszlachetniające, modyfikatory polimerowe. Rozróżnia się spoiny zwykłe (zaprawy 2 do 5) oraz elastyczne (zaprawy 6 i 7). Pomiarów skurczu dokonywano aparatem Graf-Kaufmana bezpośrednio po rozformowaniu próbek oraz po 3, 7, 14, 21, 28 i 35 dniach. Na rysunkach 4 i 5 podano średnie wartości skurczu (średnia z 3 wyników) zapraw fugowych oraz skurcz zwykłej zaprawy cementowej [7]. 46

47 -,7 Skurcz liniowy [mm/m] -,6 -,5 -,4 -,3 -,2 -, Okres dojrzewania [dni] Z. Cement Z. Mod. 3 Z. Mod. 1 Z. Mod. 4 Z. Mod. 2 Rys. 4 Skurcz liniowy zwykłej zaprawy cementowej i zapraw modyfikowanych -,7 -,6 Skurcz liniowy [mm/m] -,5 -,4 -,3 -,2 -, ,1,2 Okres dojrzewania [dni] Z. Cement Z. Flex.1 Z. Flex. 2 Rys. 5 Skurcz liniowy zaprawy cementowej i zapraw modyfikowanych typu flex 47

48 Nie wnikając w przyczyny ograniczenia wielkości skurczu zapraw fugowych należy zauważyć, iż istnieją znaczne możliwości kształtowania jego wielkości. Zwykłe zaprawy fugowe (zaprawy 2 i 3) wykazują skurcz podobny do zapraw cementowych, zaprawy typu flex elastyczne, z modyfikacją polimerową (zaprawy 6 i 7) wykazują skurcz zdecydowanie mniejszy Skurcz zapraw cementowych modyfikowanych domieszkami chemicznymi Wpływ domieszek chemicznych na skurcz betonu opisywany jest przez wielu autorów, jednakże żaden z nich nie wyjaśnił w sposób jednoznaczny badanego zjawiska. Spotyka się dwa skrajne poglądy. A.M. Neville [5] sugeruje, iż dodanie do mieszanki betonowej superplastyfikatorów powoduje wzrost skurczu o 1% do 2%, ale jednocześnie zastrzega się, zmiany w tak wąskim zakresie są zbyt małe, aby uznać je za wiarygodne. Jens Engstrand (Szwecja) przedstawił na kongresie Con Chem w Düsseldorfie w 1997 roku pogląd, że superplastyfikatory z grupy SRA (shrinkage, reducing admixture) redukują skurcz nawet o 4% [3]. W podanych wynikach badań skurcz betonu z SRA wynosił jednakże,5,6 mm/m (wartości uznane za górną granicę skurczu cementu), a betonu zwykłego aż,95 mm/m. Skurcz taki wykazują betony o w/c >,7, podczas gdy obecnie główne zainteresowanie budzą betony o w/c =,3,5. Trudno więc powyższe wyniki uznać za reprezentatywne dla betonów współczesnych. Dla celów poznawczych wykonano pod kierunkiem autora [6] badania zapraw cementowych z CEM I 42,5 NA modyfikowanych pięcioma rodzajami domieszek chemicznych z grupy Chryzo. Wykonano zaprawy normowe oraz zaprawy z domieszkami D1 (lignosulfoniany), D2 (polimelaminy), D3 (polinaftaleiny), D4 (terarder), D5 (domieszka napowietrzająca). Chcąc określić efektywność działania domieszki przyjęto we wszystkich przypadkach stałą ilość wody zarobowej. Pomiarów skurczu aparatem Graf-Kaufmana dokonywano po rozformowaniu beleczek oraz po 3, 7, 14, 21, 28 i 35 dniach. Wyniki oznaczeń porównano na rys. 6. Wymagają one następującego komentarza. Zaprawa z cementu portlandzkiego CEM I 42,5 NA wykazuje skurcz,58 mm/m, co jest zgodne z oczekiwaniami producenta cementu (sk < -,6 mm/m). Zaprawy modyfikowane domieszkami chemicznymi początkowo wykazują ekspansję (w przypadku próbki CP+D1 ekspansja wynosi +,246 mm/m), a po upływie 7 dni skurcz. W przypadku zaprawy CP+D1 skurcz między 7 a 21 dniem wzrósł z +,246 mm/m do,456 mm/m, a więc wyniósł,72 mm/m. W pozostałych przypadkach przyrost skurczu między 7 a późniejszym terminem badań wyniósł odpowiednio: dla D2,227 mm/m, dla D3,35 mm/m, dla D4,36 mm/m, dla D5,479 mm/m. Można więc ogólnie powiedzieć, że dodanie domieszki chemicznej (w tym konkretnym przypadku) spowodowało opóźnienie wystąpienia skurczu (zjawiska powierzchniowo-czynne, działanie dyspergujące, opóźnienie hydratacji, napowietrzanie itp.), a niekiedy znaczne jego ograniczenie. 48

49 -,7 -,6 Skurcz liniowy [mm/m] -,5 -,4 -,3 -,2 -,1,1,2,3 3 Z. Cem 7 Z. C+D Okres dojrzewania [Dni] Z. C+D2 Z. C+D3 28 Z. C+D4 Z. C+D5 6 Skurcz liniowy zaprawy cementowej zwykłej i zapraw modyfikowanych domieszkami chemicznymi 35 Rys.

50 4. Propozycje dalszych badań Analizując przedstawione w niniejszym referacie wyniki badań skurczu można stwierdzić, iż zjawisko jest rzeczywiście skomplikowane, a do wyjaśnienia procesów zachodzących w modyfikowanych betonach cementowych potrzeba dalszych działań. Dostrzegając naukowy i aplikacyjny charakter badanego zjawiska przystąpiono w jednostce autora do skompletowania nowoczesnej aparatury pomiarowej. Zrezygnowano z czytników metrycznych na rzecz czujników potencjometrycznych mierzących precyzyjnie napięcie prądu przepływającego w sposób ciągły przez czujnik umieszczony w betonie. W skład zestawu pomiarowego, obok czujników wchodzi multimetr, multipleksery z obudową, kalibrator i oprogramowanie. Zestaw zabezpiecza potrzeby w zakresie pomiarów długoczasowych przy użyciu czujników przemieszczeń z możliwością zaawansowanej obróbki zebranych w komputerze danych pomiarowych. Zmiana długości próbki powoduje zmianę parametrów prądu elektrycznego, które po kalibracji przetwarzane są automatycznie na jednostki długości. Pomiar za pomocą tak skonstruowanych czujników ma wiele zalet. Przede wszystkim możliwy jest pomiar skurczu betonu po zarobieniu składników mieszanki z wodą. Możliwe są więc pomiary skurczu chemicznego, plastycznego i skurczu zhydratyzowanego zaczynu. Odczyt skurczu może być dokonywany co 2 sekundy, a wyniki są rejestrowane numerycznie. Wadą zestawu pomiarowego jest niezwykła czułość na zmiany temperatury otoczenia i wilgotności względnej powietrza. Z tego powodu próbki betonowe muszą być przez cały okres pomiarowy umieszczone w komorze klimatycznej w stałej temperaturze i wilgotności względnej. Chcąc wyeliminować zmiany skurczu na grubości przekroju przyjęto próbki o wysokości 2 mm i wymiarach rzutu 25 1 mm. Baza pomiarowa wynosi 19 mm. Przedmiotem badań jest beton na kruszywie do 8 mm o różnych klasach wytrzymałościowych. Badania obejmują betony zwykłe i modyfikowane superplastyfikatorami, ze stałą i zredukowana ilością wody. Przykładowe wykresy skurczu pokazano na rysunkach 7 i 8. 2,5 Skurcz liniowy [-mm/m] 2, 1,5 1,,5, -, Czas [godz.] bez superplastyfikatora z superplastyfikatorem Rys. 7 Porównanie skurczu betonu zwykłego i z superplastyfikatorem (2oC, 85% wilg. wzgl.). 1

51 ,5,3 Skurcz liniowy [-mm/m],1 -,1 -,3 -,5 -,7 -,9 -,11 -,13 -,15,,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 1,6 Czas [godz.] bez superplastyfikatora z superplastyfikatorem Rys. 8 Powiększenie początkowej części wykresu 7 okres ekspansji, przedział czasu -1,6 godz. 5. Wnioski Przedstawione w referacie wyniki badań skurczu betonu mają służyć prezentacji poglądów na ten temat głoszonych przez różne ośrodki badawcze. Praktyka wykazuje, iż obok podręcznikowych ujęć tego zagadnienia można się liczyć z różnymi zachowaniami betonu pozostawionego w naturalnym środowisku. Za istotne uznaje się spostrzeżenie, iż skurcz betonu przechowywanego w warunkach laboratoryjnych (badania z Ghent) może być znacznie większy od betonu dojrzewającego w warunkach naturalnych. W drugim przypadku występuje skurcz nieodwracalny i odwracalny skurcz odwracalny jest na tyle duży, iż w sposób trwały ogranicza skurcz laboratoryjny. Wielu autorów podaje (m. In. A.M. Neville), iż dodatki mineralne mogą ograniczać skurcz. Powstaje jednakże pytanie o koszt takiej modyfikacji. Zgodzić należy się z poglądem o wpływie domieszek chemicznych na wielkość skurczu. Ze względu na charakter oddziaływań domieszek na świeżą mieszankę betonową można oczekiwać spowolnienia zjawiska skurczu w początkowym okresie twardnienia, ale także i w okresie późniejszym, gdy kamień cementowy ma wyższe wytrzymałości i nie jest tak podatny na wzrost naprężeń ściskających jak kamień młody. Pełniejszemu wyjaśnieniu zjawisk skurczowych sprzyja na pewno precyzyjna aparatura pomiarowa, pozwalająca na ocenę zjawisk bezpośrednio po zmieszaniu składników betonu z wodą. Pierwsze próby wykonywania takich pomiarów stwarzają perspektywy przeprowadzenia znaczących badań dla wyjaśnienia opisywanych zjawisk. 51

52 Literatura [1] Brooks J.J.: Influence on mix proportions, plasticiers and superplasticizers on creep and drying shrinkage of concrete. Magazin of Concrete Research. 41. No 148 (1989). [2] De Pauw P., De Schutter G., Taerwe L.: Concrete slabs on grade: behavior under environmental conditions. International Conference: Creep, Shrinkage and Durability Mechanics of Concrete and other Quasi Brittle Materials. Elsevier Science Ltd. 21 p [3] Engstrand J.: Shrinkage reducing admixture for cementations compositions. Con Chem International Conference. Düsseldorf [4] Kurdowski W.: Chemia cementu. PWN, Warszawa [5] Neville A.M.: Właściwości betonu. Cement Polski. Kraków 2. [6] Szkudelska A., Boczkowska L.: Upłynnianie plastyfikatorami i superplastyfikatorami mieszanek betonowych. Praca magisterska napisana pod kierunkiem J. Jasiczaka. Maszynopis. Politechnika poznańska [7] Wdowczyk E., Trębaczkiewicz J.: Badanie składu ilościowego i jakościowego mas fugujących, przeznaczonych do spoinowania budowlanych okładzin ceramicznych, na ich wybrane właściwości fizyko-mechaniczne. Praca magisterska napisana pod kierunkiem K. Zielińskiego. Maszynopis. Politechnika poznańska 21. SHRINKAGE OF CONCRETE MODIFIED BY ADDITIVES AND CHEMICAL ADMIXTURES Summary Problems with concrete shrinkage are described in literature by many authors. New, own and foreign, results are presented in this paper. Author discuss laboratory and field experiments in this mutter. Influences additives, admixtures and different climatic conditions in value shrinkage are analyzed. Praca wykonana w ramach tematu /2 BW.

53 IV SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 2 2 Jacek Śliwiński1 Robert Czołgosz2 SPOSTRZEŻENIA Z PRAKTYCZNEGO PROJEKTOWANIA SKŁADU BETONÓW SAMOZAGĘSZCZALNYCH (SCC) 1. Wprowadzenie Betony samozagęszczalne, należące do grupy betonów zwanych coraz częściej autotechnologicznymi lub samoobsługowymi, stanowią przykład daleko idącej i wieloaspektowej modyfikacji tradycyjnego cementowego betonu zwykłego. Głównie rozwojowi chemii budowlanej, a szczególnie nowoczesnych domieszek reologicznych, zawdzięczamy możliwość pogodzenia dwóch, jeszcze do niedawna wydających się niemożliwymi do pogodzenia parametrów mieszanki betonowej: niskiego wskaźnika wodnocementowego oraz jej ciekłej konsystencji i szczegól-nie korzystnej urabialności. W przypadku betonów SCC wszystko to okazało się możliwe, i to przy równoczesnym spełnieniu wymaganej zdolności mieszanki do samoistnego odpowietrzania i braku segregacji składników. W większości krajowych publikacji dotyczących technologii betonów SCC znacznie chętniej prezentowane są ich niewątpliwie korzystne właściwości i wynikające z nich udogodnienia podczas realizacji konstrukcji lub wykonywania elementów [5,6,8], niż nieco ciemniejsza ich strona związana z problemami z jakimi niewątpliwie muszą się spotkać technolog- projektant oraz producent mieszanki betonowej. W referacie przedstawiono kilka najistotniejszych spostrzeżeń, jakie poczyniono podczas projektowania składu mieszanek betonowych SCC, w tym także mieszanek wykonanych z udziałem dwóch rodzajów cementów portlandzkich z dodatkami mineralnymi (CEM II/B-S 42,5 i CEM II/B-V 32,5) oraz z cementu hutniczego CEM III/A 32,5 NA. Wybór tych właśnie rodzajów cementu związany był z prowadzonymi szerszymi badaniami właściwości wykonanych z nich betonów nowej generacji. 2. Główne przyczyny podwyższonego stopnia trudności projektowania składu betonów SCC Z punktu widzenia projektowania składu betony SCC stawiają przed projektantem znacznie większe wymagania i stwarzają znacznie więcej problemów praktycznych niż betony tradycyjne. Wynika to z co najmniej trzech przedstawionych dalej powodów. 1 prof. dr hab. inż., Wydział Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej, ul.warszawska 24, Kraków, jsliwins@imikb.wil.pk.edu.pl 2 mgr inż., Addiment Polska Sp. z o.o. Biuro Poznań, ul.szarych Szeregów 23; Poznań poznan@addiment.com.pl 53

54 Projektowana mieszanka betonowa SCC musi być traktowana jako materiał składający się ze znacznie większej liczby komponentów niż trzy, jak może to mieć miejsce w najprostszym przypadku mieszanki betonu zwykłego. Jak podaje de Larrard [3], w niektórych przypadkach celowym jest traktowanie mieszanki SCC jako materiału składającego się z dziesięciu komponentów: trzech grup frakcji kruszywa, cementu, dodatków mineralnych w postaci pyłu lotnego i mielonego żużla wielkopiecowego, domieszek superplastyfikatora, środka napowietrzającego i środka zwiększającego lepkość oraz wody. Mieszanka betonowa SCC musi równocześnie spełniać znacznie większą ilość wymagań ustalanych według innych, bardziej ostrych kryteriów niż mieszanka betonu zwykłego. Na ilościowy i jakościowy efekt końcowy w postaci wynikowych właściwości mieszanki betonowej bardzo istotny wpływ ma nawet niewielka zmienność jakości i ilości któregokolwiek z komponentów. Najwyraźniej jest to widoczne na przykładzie bardzo różnej efektywności domieszek upłynniających w zależności od rodzaju (składu mineralogicznego) i stopnia zmielenia spoiwa cementowego oraz rodzaju stosowanego dodatku mineralnego. 3. Kompatybilność układu superplastyfikator - spoiwo i dodatek mineralny Jest rzeczą znaną, iż efektywność stosowanego superplastyfikatora (stopień upłynnienia, stabilność konsystencji i urabialności, etc.) zależy bardzo istotnie od składu mineralogicznego cementu (zwłaszcza od zawartości C3A oraz rozpuszczalnych alkaliów), stopnia jego rozdrobnienia, wartości w/c, od rodzaju drobnoziarnistego dodatku mineralnego, zawartości zaczynu w mieszance itp. [5,6,9,12]. Mieszanki o tak złożonym składzie jak betony SCC, są więc z natury bardzo wrażliwe na rodzaj i ilość dozowanej domieszki upłynniającej. Wrażliwość ta, polegająca na istnieniu dla danego jakościowego i ilościowego składu mieszanki tylko jednej, optymalnej zawartości domieszki, stanowi spory problem podczas doświadczalnego projektowania składu betonu. Problem ten sprowadza się do tego, że podanie domieszki w ilości nieco mniejszej niż wspomniane optimum powoduje uzyskanie mieszanki zbyt sztywnej, zaś niewielki jej nadmiar niemal natychmiastową segregację składników oraz brak zdolności mieszanki do utrzymywania wody. Przy niższych wartościach w/c przedozowanie domieszki powoduje ponadto bardzo wyraźny i dosyć gwałtowny wzrost lepkości. Przedstawione problemy występują niestety także, i to w znacznie większej skali, pod-czas przemysłowej produkcji mieszanki, o czym szerzej jest mowa w pkt.7. Najdrobniejsze zmiany w charakterystyce stosowanego cementu i dodatku mineralnego powodują bowiem, że skład musi zostać praktycznie od nowa zaprojektowany. Z wymienionymi problemami spotkali się autorzy podczas etapowego (kolejne przybliżenia składu zaczynu, zaprawy i mieszanki betonowej) projektowania składu betonu SCC z cementu CEM II/B-V 32,5 i popiołu lotnego. Stosowanie tego rodzaju cementu, dodatku mineralnego i superplastyfikatora na bazie eteru polikarboksylowego prawdopodobnie w kraju nie miało dotychczas miejsca. Analizowane składy zarówno zaczynu, zaprawy jak i mieszanki okazały się niezwykle wrażliwe na ilość domieszki upłynniającej. Wspomniana metoda, w publikacjach zwana japońską [12], pozwala na zweryfikowanie, czy układ składający się z przyjętego rodzaju cementu, dodatku mineralnego oraz superplastyfikatora jest zdolny do właściwej współpracy, innymi słowy, czy pozwala on na uzyskanie żądanych właściwości zaczynu, zaprawy i w końcu mieszanki betonowej. Warto zaznaczyć, że domieszki upłynniające najnowszej generacji są wrażliwe na niektóre dodatki dodawane do cementu w procesie mielenia. W niektórych przypadkach, po przeprowadzeniu wstępnych badań projektant bywa zmuszony dokonać zmian stosowanych składników. Bardzo przydatne podczas ustalania składu są wcześniejsze doświadczenia projektanta dotyczące zachowania się mieszanek SCC wykonanych z podobnego rodzaju cementu, podob-nego dodatku mineralnego oraz przy stosowaniu podobnej domieszki chemicznej. Posiadanie takiego doświadczenia znacznie ułatwia proces projektowania. W niektórych przypadkach moż-na je

55 ograniczyć jedynie do badań właściwości samej mieszanki betonowej o przyjętym orien-tacyjnie składzie, spełniającym warunek szczelności oraz znane z literatury przedmiotu ogólne wymagania dotyczące wskaźnika w/c, uziarnienia kruszywa, proporcji dodatku mineralnego do cementu oraz zawartości wody [11]. Projektowanie sprowadza się w takim przypadku do ustalenia optymalnej zawartości domieszki superplastyfikatora i dokonaniu ewentualnych, zazwyczaj drobnych korekt zawartości innych składników. W taki właśnie sposób autorzy zaprojektowali skład mieszanek SCC z cementów CEM II/B-S 42,5 i CEM III/A 32,5 NA. 4. Projektowana klasa i rzeczywista wytrzymałość betonu SCC W ogólnych zaleceniach dotyczących ilościowego składu mieszanek SCC [11] podaje się, aby wielkość wskaźnika wodno-cementowego nie przekraczała wartości,5. Zalecenie to wynika z dwóch powodów. Pierwszym z nich jest niezbędna dla uzyskania wymaganych właściwości mieszanki betonowej zawartość części pylastych <,125 mm, które stanowią cement, stosowany dodatek mineralny oraz najdrobniejsze frakcje kruszywa. Podkreślić należy, że dodatek ten posiada zazwyczaj właściwości wiążące, a więc stanowi dodatkową ilość spoiwa i wpływa na uzyskiwany poziom wytrzymałości. Drugim powodem jest zalecane ograniczenie ilości wody w mieszance betonowej do ok. 175 dm3/m3 [11]. Górne ograniczenie w/c, wymuszona zawartość cementu (zazwyczaj powyżej 3 kg/m3) oraz jego rzeczywista wytrzymałość, wynosząca dla krajowych cementów klasy 32,5 przeciętnie około 4 do 45 MPa, powodują praktyczną niemożność uzyskania betonu SCC o klasie niższej niż około B 35. Przykład słuszności tego stwierdzenia stanowić mogą wyniki badań podane w pracy [4], według których betony SCC założonych klas B 2, B25, B 3 i B 4 osiągnęły średnią 28dniową wytrzymałość na ściskanie odpowiednio: 37,2; 54,9; 46,5 i 71,8 MPa. Naddatek wytrzymałości wynosił więc szacunkowo od ponad 3 do ponad 8 %. Podobne są doświadczenia własne autorów. Próba zaprojektowania składu betonów SCC klasy B 25 z cementu CEM II/B-V 32,5 oraz CEM III/A 32,5 NA skończyła się uzyskaniem betonów, których rzeczywista 28.dniowa wytrzymałość na ściskanie wynosiła odpowiednio 56 i 42 MPa, czyli też znacznie więcej niż zakładano. Powodem powyższego był fakt, że maksymalna wartość w/c przy stosowanych rodzajach cementów, przy stosowanym popiele lotnym, kruszywie otoczakowym i superplastyfikatorze na bazie eteru polikarboksylowego wynosiła,46. Próby jego podwyższenia połączone z korektą zawartości superplastyfikatora nie dały pozytywnych rezultatów. Przy nieco tylko wyższym w/c mieszanka stawała się niezdolną do utrzymania zwiększonej zawartości wody i podatna na segregację. W przeciwieństwie do betonów klasy B 25, zaprojektowane przez autorów składy betonów SCC o założonej klasie B 5 pozwoliły na uzyskanie betonów o średniej wytrzymałości niemal w pełni zgodnej z klasą B 5, przy równoczesnym zachowaniu wymaganych cech mieszanki. Wartość wskaźnika w/c wynosiła jednak w tym przypadku tylko,4. Powyższe spostrzeżenia potwierdzają pogląd, iż skład mieszanek SCC, od których wymagamy wytrzymałości na poziomie niższych i średnich klas (do około B 35) jest zdeterminowany przede wszystkim żądanymi właściwościami mieszanki. Wytrzymałość betonu musi być w związku z tym traktowana jako cecha wtórna. W efekcie, w licznych przypadkach betonów SCC należy się spodziewać występowania sporego nadmiaru wytrzymałości rzeczywistej w stosunku do zakładanej. Wysnuć stąd można dosyć paradoksalny wniosek, że łatwiejszym zadaniem może się okazać projektowanie składu betonu SCC, który równocześnie ma być betonem wysokowartościowym BWW. 55

56 5. Reprezentatywność zarobu doświadczalnego i dokładność dozowania składników Podczas doświadczalnego projektowania składu mieszanki betonowej weryfikację jego poprawności przeprowadza się na zarobach laboratoryjnych, o objętości kilkadziesiąt razy mniejszej niż objętość zarobów roboczych. Uwaga ta oraz omawiany tu problem dotyczą zarówno betonów zwykłych, jak i betonów BWW oraz SCC, z tym że niektóre jego aspekty uwidaczniają się zdecydowanie wyraźniej w przypadku tych ostatnich. Specyfika betonów SCC polega między innymi na tym, że właściwości mieszanki betonowej dosyć mocno zależą od czasu i warunków mieszania. Ponieważ warunki mieszania są ściśle związane z objętością zarobu i zastosowanym systemem mieszania, w celu zbliżenia tych warunków podczas mieszania zarobów próbnych do warunków rzeczywistych zalecać należy, aby objętość zarobów próbnych była możliwie duża, zaś system mieszania podobny jak w mieszarce, w której wykonywane będą zaroby robocze. Jeżeli spełnienie tego nie jest możliwe koniecznym staje się dodatkowa weryfikacja właściwości mieszanki pochodzącej z zarobu roboczego. Najczęściej objętość próbnego zarobu wynosi około 5 dm3. Po zakończeniu projektowania ostateczny skład mieszanki podaje się w odniesieniu do 1 m3 lub objętości zarobu roboczego, odpowiednio multiplikując skład zarobu doświadczalnego. Tak więc wszelkie ewentualne niedokładności w pomiarze masy składników zarobu próbnego mogą po zwielokrotnieniu istotnie zniekształcić skład roboczy. W celu wyeliminowania tego niekorzystnego efektu dokładność dozowania składników zarobów próbnych powinna być odpowiednio skorelowana z podanymi w normach EN 26-1:2 [13] i EN 4551:1992 [14] wymaganiami dotyczącymi dokładności dozowania składników podczas przemysłowej produkcji mieszanki. 6. Programy komputerowe w projektowaniu składu betonów SCC W projektowaniu składu betonów nowej generacji, a więc betonów BWW i SCC mogą być stosowane jedynie programy wyposażone w odpowiednio rozbudowany algorytm, umożliwiający uwzględnienie w składzie tych betonów wszystkich typowych dla nich składników i ich charakterystyk oraz wpływu zawartości komponentów na wszystkie interesujące nas właściwości mieszanki betonowej i betonu stwardniałego. Większość programów spełniających te wymagania to programy symulacyjne zwane też wirtualnymi laboratoriami [1]. Jednym z przykładów tej niezbyt licznej grupy programów jest program Betonlab opisany bardziej szczegółowo w pracy [1] oraz jego najnowsza i bardziej rozbudowana wersja BetonlabPro. Obydwa te programy zostały opracowane we Francji przez zespół pod kierunkiem F. de Larrard a. Wykorzystanym w tym programie analitycznym i doświadczalnym zależnościom poświęcona jest obszerna praca [3]. Cechą charakterystyczną programów stanowiących rodzaj elektronicznego laboratorium, w tym także obydwu wymienionych wyżej programów jest to, iż po zadeklarowaniu jakościowego i ilościowego składu mieszanki betonowej projektant uzyskuje obszerne informacje dotyczące właściwości tej mieszanki oraz właściwości wykonanego z niej betonu stwardniałego. Obydwie wersje programu Betonlab, a także inne programy tej grupy, umożliwiają jedynie wstępne zaprojektowanie składu mieszanki. Wspomniana wcześniej złożoność betonów SCC z oczywistych względów wymaga dodatkowej weryfikacji na drodze realnego doświadczenia. Szczególnie cenną zaletą wspomnianych programów komputerowych, oraz innych z tej grupy, jest możliwość ich wykorzystania do prześledzenia zmienności właściwości mieszanki betonowej oraz betonu stwardniałego, wywołanej jakościowymi i ilościowymi zmianami składu. Pozwala to na znaczne ograniczenie zakresu niezbędnych badań w laboratorium rzeczywistym.

57 7. Ważniejsze spostrzeżenia z przemysłowej produkcji betonów SCC Na wstępie podkreślić należy, że w przemysłowej produkcji betonów SCC właściwa receptura jest jedynie etapem w dochodzeniu do celu, jakim jest posiadanie przez danego producenta technologii betonu samozagęszczalnego. Ze względu na opisane wcześniej różnorodne trudności w uzyskaniu betonu SCC, celowym wydaje się zwrócenie uwagi na tzw. betony prawie zagęszczalne (ASCC - Almost Self Compacting Concretes) [1]. Są to mieszanki, których technologia jest nieco łatwiejsza do opanowania. Mieszanki ASCC są także bardzo mocno upłynnione za pomocą superplastyfikatorów najnowszej generacji. Od mieszanek SCC różnia się tym, że do ich całkowitego odpowietrzenia i zagęszczenia potrzebne jest wzbudzenie pole-gające na krótkotrwałym wibrowaniu. Skład tych mieszanek można ponadto zaprojektować sto-sując tradycyjne metody. Betony ASCC znalazły dosyć dużo praktycznych zastosowań w kraju, szczególnie w prefabrykacji, gdzie możliwość mocnego upłynniania betonów o niskich wartościach wskaźnika w/c ma istotne znaczenie. W kraju zastosowano je także do wykonania wielkogabarytowych fundamentów płytowych pod budynki biurowe oraz fundamentów pod turbozespół w jednej z elektrowni. Betonów w pełni SCC wykonuje się w kraju jak dotychczas niewiele. Jednorazowe ilości nie przekraczających zazwyczaj 1 do 2 m3. Tylko w jednym ze znanych autorom przypadków [4] partia betonu wynosiła ponad 1 m3. Sytuacja ta jest spowodowana przede wszystkim trudnościami z wdrożeniem technologii oraz kosztem jednostkowym samego materiału, zawsze znacznie wyższym od betonu zwykłego tej samej klasy. Argumenty dotyczące oszczędności robocizny, sprzętu, czy też korzyści ekologicznych niezbyt mocno jeszcze przemawiają do krajowych inwestorów i producentów. Podczas produkcji betonów samozagęszczalnych na skalę przemysłową szczególną uwagę należy zwrócić na dokładne dozowanie wszystkich składników ze szczególnym uwzględnieniem wody i domieszek. Każde, nawet pozornie niewielkie odstępstwo, praktycznie musi spowodować utratę wymaganych parametrów mieszanki betonowej, zbyt małą lub zbyt dużą jej ciekłość i niewystarczającą urabialność lub segregację składników, w tym utratę zdolności do utrzymywania wody. Niektórzy projektanci betonów SCC, w celu zmniejszenia wrażliwości produkowanej przemysłowo mieszanki na drobne niedokładności w dozowaniu składników, stosują dodatkowo domieszki stabilizujące. Zdaniem autorów ich stosowanie nie zawsze gwarantuje sukces, natomiast zawsze powoduje dodatkowe zwiększenie kosztów. Opisane trudności oraz konieczność ścisłego przestrzegania reżimów technologicznych powodują, iż betony SCC mogą być produkowane tylko w nowoczesnych węzłach betoniarskich o wysokim stopniu automatyzacji, wyposażonych w urządzenia do precyzyjnego dozowania składników, automatyczną kontrolę wilgotności kruszywa oraz w urządzenia dozujące domieszki. Nie mniej ważnym czynnikiem jest wysoka techniczna świadomość osób obsługujących węzeł betoniarski. Osoby te muszą w pełni zdawać sobie sprawę z tego, z jak technologicznie trudnym i wrażliwym na wszelkiego typu niedociągnięcia oraz zmiany materiałem mają do czynienia. Podczas produkcji betonu SCC nieodzowna jest stała kontrola laboratoryjna, polegająca na badaniu przynajmniej rozpływu mieszanki pochodzącej praktycznie z każdego pojedynczego zarobu. Przynajmniej raz dziennie powinno być przeprowadzone także badanie zawartości powietrza w mieszance. Konieczność ta wynika z faktu, iż niektóre domieszki upłynniające najnowszej generacji wykazują wyraźną tendencję do napowietrzania mieszanki. W przypadku betonów towarowych SCC należy koniecznie uwzględnić wpływ warunków transportu i czasu jego trwania na zmienność właściwości mieszanki betonowej. Mieszanka powinna być tak zaprojektowana, aby w chwili układania posiadała wymagany zespół cech. Należy przy tym unikać dodatkowego dozowania superplastyfikatora na miejscu budowy. Dozo- 57

58 wanie takie jest wprawdzie możliwe, ale jak uczy doświadczenie, w praktyce bardzo trudno jest oszacować niezbędną jej ilość. Jest rzeczą oczywistą, że przy zmianie jakości któregokolwiek ze stosowanych składników konieczna jest laboratoryjna kontrola wpływu tej zmiany na właściwości mieszanki. Oprócz konieczności zapewnienia stabilności charakterystyki cementu i dodatku, nie mniej ważną jest stabilność właściwości kruszywa, zwłaszcza jego uziarnienia, wilgotności i temperatury. Dla zapewnienia stabilności ostatnich dwóch cech kruszywo powinno być składowane w odowiednich warunkach, najlepiej w zamkniętych silosach. Przed rozpoczęciem produkcji należy ustalić sposób dozowania, a także sposób i czas mieszania. Podczas produkcji całej partii betonu SCC parametry te powinny być stałe. Należy tu zwrócić uwagę, iż mieszanki SCC zawierające domieszkę upłynniającą na bazie eterów polikarboksylowych wymagają dłuższego mieszania niż mieszanki zawierające domieszki tradycyjne. 8. Efekty dobrze i źle zaprojektowanego składu betonu SCC Kilka pokazanych niżej zdjęć ilustruje możliwości, jakie daje stosowanie poprawnie zaprojektowanego składu betonu SCC. Na jednym ze zdjęć, dla równowagi, pokazano także i to z czym można się spotkać w laboratorium (i oby tylko w laboratorium). Rys.1 Badanie rozpływu mieszanki SCC o poprawnie dobranym składzie Rys.2 Prefabrykowane elementy elewacyjne wykonane w technologii SCC (uwagę zwraca niezwykła gładkość ich powierzchni)

59 Rys.3 Takie przypadki też mogą się zdarzyć (podczas projektowania mieszanka okazała się zbyt ciekła i niezdolna do utrzymania wody) 9. Podsumowanie Projektowanie składu betonów samozagęszczanych jest zadaniem znacznie trudniejszym niż projektowanie składu betonów zwykłych. Główną tego przyczyną jest skomplikowany wieloskładnikowy układ, jaki stanowi w tym przypadku mieszanka betonowa oraz znacznie węższe zakresy wzajemnych relacji ilościowych poszczególnych składników, przy których posiada ona wymagane właściwości. Podczas procesu projektowania należy szczególną uwagę poświęcić takim zagadnieniom jak zgodność domieszki upłynniającej i rodzaju spoiwa oraz dodatku mineralnego, wielkość zarobu próbnego i dokładność dozowania jego składników. Przy projektowaniu betonów SCC niskich i średnich klas wytrzymałościowych należy mieć świadomość, że czynnikiem determinującym ten skład jest zespół pożądanych właściwości technologicznych mieszanki, a nie wytrzymałość betonu stwardniałego. Komponowanie składu betonów samozagęszczalnych mogą znacznie ułatwić programy komputerowe. Mogą to jednak być jedynie niektóre z istniejących programów komputerowych, odpowiednio dostosowanych do analizowania tak złożonych układów jak betony SCC. W przemysłowej produkcji betonów SCC spotykamy się w istocie z takimi samymi problemami jak te, które występują podczas projektowania ich składu. Wyjątkowo ostre wymagania stawiane mieszance betonowej oraz konieczna ich powtarzalność sprawiają, że tylko najlepiej wyposażone węzły betoniarskie są zdolne do podjęcia tej produkcji, która wymaga ponadto bardzo wysokiej jednorodności cech stosowanych składników. Wydaje się, że warunki niezbędne do produkcji tej grupy betonów powinny bardziej przypominać warunki laboratoryjne, niż warunki w jakich zazwyczaj produkowane są zwykłe betony średnich klas. Literatura [1] Czołgosz R., Świerczyński W.: Beton SCC i ASCC w prefabrykacji, Materiały Budowlane, 339, 11/2, [2] de Larrard F., Fau D.: Logiciel d aide à la formulation des bétons BETONLAB, Presses de l ENPC, Paris 1996 [3] de Larrard F.: Concrete mixture proportioning. A scientific approach, F&FN SPON, London, New York, 1999 [4] Gajewski R.: Betony wysokowartościowe, betony samozagęszczalne - przykłady realizacji, Materiały Konferencji Beton - nowoczesny materiał konstrukcyjny i architektoniczny, Polski Cement Sp. z o.o., RMC Readymix Beton, Rydzyna 21, rozdz.8. [5] Kucharska L.: Domieszki upłynniające do betonu, przykłady zastosowań, Materiały 59

60 Konferencji Beton na progu nowego millenium, Polski Cement, Kraków, 2, [6] Kucharska L.: Tradycyjne i współczesne domieszki do betonu zmniejszające ilość wody zarobowej, Cement-Wapno-Beton, 2/2, [7] Pogan K.: Samozagęszczający się beton - kolejny etap w rozwoju pięcioskładnikowego kompozytu, Przegląd Budowlany, 1/2, [8] Rajski O., Rowińska W., Wysokowski A.: Doświadczenia z zakresu technologii betonu samozagęszczalnego, Materiały VII Międzynarodowej Konferencji "Trwałe i bezpieczne nawierzchnie drogowe", IBDiM, Kielce, V.21, [9] Szwabowski J.: Reologia mieszanek na spoiwach cementowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999 [1] Śliwiński J.: Komputer w projektowaniu składu betonów cementowych, Materiały konferencji Beton na progu nowego milenium, Polski Cement i Stowarzyszenie Producentów Cementu i Wapna, X.2, [11] Tomosawa F., Masuda Y., Izumi I., Hakayawa M.: AIJ recommended practice for highfluidity concrete for building construcion, First Int. Rilem Symp. on SCC, Stockholm, 1999, Rilem Publ. S.A.R.L, [12] Urban M.: Metody projektowania betonów samozagęszczalnych, Materiały III Sympozjum Naukowo-Technicznego "Reologia w Technologii Betonu", Górażdże Cement, Politechnika Śląska, Addiment Polska w Krakowie, VI.21 r., [13] EN 26-1:2 Concrete - Part 1: Specification, performance, production and conformity [14] EN 4551:1992 Metrological aspects of non-automatic weighting instruments OBSERVATIONS CONNECTED WITH PRACTICAL MIX DESIGNING OF SELF-COMPACTING CONCRETES (SCC) Summary Problems of compatibility of superplasticizer - binder and mineral additive system, representativity of experimental batch as well as problem of conformity of assumed concrete class with true compression strength of SCC concretes are presented in this paper. Usefulness of computer programs for mix designing of SCC concretes and main difficulties connected with industrial production of these concretes is also briefly described.

61 IV SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 22 Janusz Szwabowski1 REOLOGIA SAMOZAGĘSZCZALNYCH MIESZANEK BETONOWYCH 1. Wprowadzenie Określenie beton samozagęszczalny (BSZ) jest polskim odpowiednikiem angielskiego terminu Self-Compacting Concrete (SCC). Jest ono stosowane w odniesieniu do betonu, którego skład i składniki dobierane są nie tylko ze względu na jego wytrzymałość i trwałość, ale przede wszystkim, ze względu na specyficzne właściwości reologiczne mieszanki, zapewniające formowanie betonu bez potrzeby jej zagęszczania. Przez formowanie betonu rozumie się zarówno formowanie struktury betonu jak i kształtu wykonywanego z niego elementu lub konstrukcji. Zatem określenie beton samozagęszczalny charakteryzuje właściwości mieszanki betonowej, która - oprócz zdolności do szczelnego wypełnienia formy (deskowania) i otulenia zbrojenia - posiada także zdolność do samoczynnego wydalenia niepożądanych pęcherzyków powietrza, z zachowaniem jednorodności struktury. Ta definicja zawiera w sobie trzy podstawowe wymagania stawiane urabialności mieszanki samozagęszczalnej, do których zwykle dochodzi jeszcze wymóg pompowalności. O urabialności mieszanki, w tym i mieszanki samozagęszczalnej, stanowią jej właściwości reologiczne. Te zaś, traktując mieszankę jako kompozyt złożony z matrycy (zaczyn) i wprowadzonych do niej cząstek (kruszywo), są konsekwencją właściwości reologicznych zaczynu oraz udziału objętościowego i cech kruszywa. Jak wiadomo, właściwości reologiczne zaczynu zależą od bardzo wielu czynników, takich jak: skład mineralogiczny i chemiczny cementu (C) oraz stopień jego przemiału, rodzaj i ilość dodatku (D), wskaźnik W/S (gdzie S=C+D) oraz rodzaj i dawka domieszek - głównie superplastyfikatora (SP) i domieszki napowietrzającej (A). Wpływ kruszywa zależy głównie od jego uziarnienia, kształtu, udziału objętościowego w mieszance i gęstości objętościowej ziaren. Chcąc określić właściwości reologiczne mieszanki samozagęszczalnej, spełniające wymienione wyżej wymagania jej urabialności, zacząć trzeba od krótkiego omówienia właściwości reologicznych mieszanki betonowej. 2. Właściwości reologiczne mieszanki betonowej Z analizy zachowania się mieszanki betonowej pod obciążeniem wynika, że jej właściwości reologiczne mogą być wystarczająco dokładnie aproksymowane modelem reologicznym ciała Binghama (rys. 1). Potwierdzają to wyniki wielu badań m.in.[1,2,3,4). Reologiczne równanie ciała Binghama ma postać: pl, Pa ( 1) gdzie: τ naprężenie styczne od obciążenia, Pa τo granica płynięcia, Pa 1 Prof. dr hab. inż., Katedra Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej, jski@polsl.gliwice.pl 61

62 ηpl lepkość plastyczna, Pa s = d - prędkość odkształcenia postaciowego (rys.2), s-1 dt τ Rys.2. Odkształcenie postaciowe γ Rys.1. Model Binghama. γ Dla o i warunku początkowego:, gdzie G moduł odkształcalności postaciowej G odkształcenie całkowite pod obciążeniem po czasie t jest: o t, G pl ( o) (2) odkształcenie ostateczne po odciążeniu w chwili t1: o ost t1. (3) pl Zgodnie z równaniem (1), lepkoplastyczne ciało Binghama jest ciałem o właściwościach nieliniowych. Wynika to ze skokowej zmiany właściwości reologicznych po osiągnięciu granicy płynięcia o (rys. 3). Opisany równaniem (1) materiał przeciwstawia się odkształceniu nie tylko dzięki swojej granicy płynięcia o, ale także dzięki lepkości plastycznej pl. Należy zwrócić uwagę, że element Saint Venanta (ozn. o) występujący w modelu Binghama oznacza, że granica płynięcia o jest wielkością stałą, niezależną od naprężeń normalnych do powierzchni ścinania. Z tego względu, biorąc pod uwagę zależność opisaną równaniem (4.1), zdaniem autora, model Binghama przyjmowany przez wielu badaczy w odniesieniu do mieszanki betonowej musi być zmodyfikowany. 1 ηpl τo τ γ Rys.3. Przebieg odkształcenia i płynięcia mieszanki betonowej pod obciążeniem τ (linią przerywaną oznaczono w sposób uproszczony odkształcenie dla τ < τo, które pozbawione jest znaczenia technologicznego).

63 Opór ścinania, stawiany obciążeniu przez skoncentrowany układ grubodyspersyjny jakim jest mieszanka betonowa, jest sumarycznym efektem oporów spójności i tarcia wewnętrznego oraz oporu lepkiego [5], czyli: c (4) Relacja wzajemna tych trzech rodzajów oporu zależy od składu mieszanki. Dla mieszanek z dużą ilością zaczynu (ciekłych) dominuje opór lepki. Natomiast dla mieszanek ubogich w zaczyn (wilgotnych i gęstoplastycznych) przeważa opór tarciowy. Pierwsze dwie składowe oporu ścinania można zapisać następująco: c c tg H c tg tg (5) gdzie: Hc ciśnienie spójności, σ naprężenie normalne, tg φ współczynnik tarcia wewnętrznego. Wykorzystując sformułowaną przez Terzaghiego koncepcję rozdziału ciśnienia - wywołanego obciążeniem w trójfazowym kładzie grubodyspersyjnym na ciśnienie przejmowane przez szkielet ziarnowy (ciśnienie efektywne) i ciśnienie przejmowane przez wodę (ciśnienie porowe, inaczej neutralne) można przyjąć, że naprężenie normalne w płaszczyźnie ścinania w mieszance betonowej rozkłada się na: naprężenie ef w szkielecie utworzonym z ziaren kruszywa (efektywne) i naprężenia n w wypełniającej pory między ziarnowe fazie płynnej (neutralne). Naprężenie neutralne nie wywiera żadnego działania na szkielet ziaren kruszywa. Na wielkość tarcia wewnętrznego wpływa jedynie naprężenie efektywne, czyli naprężenie normalne na stykach ziaren Rys.4.Model reologiczny kruszywa w płaszczyźnie ścinania. mieszanki betonowej W konsekwencji wyrażenie (5) przyjmuje postać: c H c tg ef tg, (6) gdzie: ef = n. Wyrażenie (Hctg ) przedstawia sobą wytrzymałość na ścinanie mieszanki betonowej w warunkach braku naprężeń normalnych do powierzchni ścinania, czyli odpowiada granicy płynięcia o w klasycznym modelu Binghama. Ponieważ opór lepki jest: pl, (7) to wyrażenie na całkowity opór ścinania stawiany prze mieszankę obciążeniu τ przyjmie postać: H c ef tg pl. (8) Efektywne naprężenie normalne zależy od koncentracji objętościowej zdyspergowanej fazy stałej (kruszywa) i ilości fazy ciekłej (zaczynu) oraz gazowej (powietrza) w mieszance betonowej. Jeśli rozpatrywać jednostkową objętość mieszanki betonowej, to w płaszczyźnie jej ścinania wyróżnić można powierzchnię zajmowaną przez ziarna kruszywa Sk oraz powierzchnię 63

64 zajmowaną przez pory Sp, wypełnione zaczynem lub powietrzem. Przyjmując, że stosunek objętości porów do objętości mieszanki równy jest vpm, mamy: Sp = 1 vpm, Sk = 1(1 vpm). Wtedy naprężenie normalne na powierzchni ścinania S k S p 1 v pm v pm (9) Pierwszy człon prawej strony wyrażenia (9) jest efektywnym naprężeniem normalnym ef. Przekształcając równanie (9) otrzymujemy ef 1 v pm v pm. (1) Ostatecznie reologiczne równanie mieszanki betonowej przybierze postać: H v pm tg pl, (11) lub równoważną c v pm tg pl, w której wyrażenie (12) c v pm tg o jest granicznym oporem ścinania (granicą płynięcia) mieszanki. Równanie (12) jest uogólnieniem równania Coulomba i równania Binghama, ujmującym osobliwości zachowania się mieszanki betonowej pod obciążeniem, wynikające z możliwości zróżnicowania jej struktury. W konsekwencji modelem reologicznym mieszanki betonowej nie może być klasyczny model ciała Binghama, lecz jego modyfikacja, przedstawiona na rys. 4. W przypadku gdy będzie: o c v pm tg, (13) mieszanka betonowa doznawać będzie jedynie skończonych i ograniczonych odkształceń, równych:. (14) G Natomiast gdy o c v pm tg, (15) nastąpi lepkie płynięcie mieszanki, przy czym całkowite odkształcenie w chwili t będzie: c v pm tg t. G pl (16) Dopóki naprężenia styczne τ od obciążenia ciężarem własnym będą w mieszance mniejsze od jej granicy płynięcia τo to będzie ona zachowywać się jak ciało stałe. Oznacza to, że jej odkształcenie postaciowe będzie wtedy skończone co do wielkości i ograniczone w czasie. Z chwilą gdy naprężenia styczne przekroczą granicę płynności, nastąpi płynięcie mieszanki z prędkością proporcjonalną do wielkości tych naprężeń. Współczynnikiem proporcjonalności

65 jest tzw. płynność mieszanki, czyli odwrotność jej lepkości plastycznej ηpl. Oznacza to, że im mniejsza będzie lepkość plastyczna mieszanki tym większa będzie prędkość jej płynięcia. Omawiane zachowanie się mieszanki pod obciążeniem, z uwzględnieniem jego nieciągłości wynikającej ze skokowej zmiany w granicy płynięcia, uwidacznia rys.3. Pamiętać jednak należy, że płynięciu mieszanki nie może towarzyszyć segregacja. 3. Wpływ podstawowych składników betonu na właściwości reologiczne mieszanki Opór mieszanki, stawiany odkształceniu i płynięciu postaciowemu, określony jest granicą płynięcia i lepkością plastyczną. Stąd wpływ składu i struktury mieszanki, a także wpływ domieszek i dodatków (rozdz. 8) omawiany jest w aspekcie zmian tych dwóch parametrów reologicznych. Zależą one od: właściwości kruszywa, właściwości zaczynu cementowego, względnych proporcji składników, stanu struktury mieszanki, czasu jaki upłynął od zmieszania składników, obecności i natury domieszek i dodatków. Dotychczasowy dorobek technologii betonu w aspekcie urabialności mieszanki pozwala na ogólne rozpoznanie wpływu wymienionych czynników na zachowanie się mieszanki pod obciążeniem. Mając do czynienie z konkretnymi składnikami betonu ich rzeczywisty wpływ na właściwości reologiczne można określić albo dokładnie metodami reometrii, albo w sposób przybliżony technologicznymi testami konsystencji i urabialności [5]. Wspomnieć tu należy, że w reometrii mieszanek i zapraw zamiast granicy płynięcia τo i lepkości plastycznej ηpl często posługujemy się odpowiadającymi im parametrami g i h. W odniesieniu do właściwości kruszywa wiadomo, że im bardziej sferyczny kształt ziaren tym mniejszy opór ścinania mieszanki. Bardzo istotny wpływ ma uziarnienie kruszywa. Im bardziej jest ono nieciągłe i im drobniejsze tym opór ścinania większy. Istnieje pewna optymalna wartość udziału piasku w kruszywie, przy której opór ścinania w danej mieszance jest najmniejszy (rys.5). Rys.5. Wpływ rodzaju kruszywa i zawartości w nim piasku na granicę płynięcia g i lepkość plastyczną h mieszanki [5]. Rys.6.Wpływ rodzaju i ilości cementu na granicę płynięcia g i lepkość plastyczną h mieszanki [5] Wpływ zaczynu cementowego na właściwości reologiczne mieszanki jest znacznie mniej istotny niż wpływ właściwości kruszywa. Zaczyn jako matryca kompozytu, jakim jest mieszanka, wpływa na jej zachowanie się głównie poprzez wielkość udziału objętościowego w mieszance oraz przez stosunek masy wody do masy cementu w zaczynie. Jest to kwestia proporcji udziału składników w mieszance. Wpływ udziału zaczynu w mieszance na jej opór 65

66 ścinania może być dwojaki. Dopóki wypełnienie jam kruszywa zaczynem w nie zagęszczonej mieszance nie jest całkowite, wzrost objętości zaczynu powoduje wzrost oporu ścinania. Po przepełnieniu, opór ścinania maleje. Wpływ rodzaju cementu objawia się głównie przez jego wodożądność, zależną od powierzchni właściwej i składu mineralogicznego. Cement o większej powierzchni właściwej, ze względu na większą wodożądność, zwiększa opór ścinania zaczynu. Przykładem są dane podane w tab.1. Cementy 1 i 2 z wyjątkiem zawartości alkaliów nie różnią się istotnie od siebie i wartości g i h są sobie bliskie. Cement 3 ma podobną miałkość jak cementy 1 i 2 lecz większą zawartość C3A i alkaliów i daje najwyższą wartość g i najniższą h. Cement 4, o zauważalnie większej miałkości i bardzo małej zawartości C3A, oraz umiarkowanej zawartości alkaliów, daje najniższą wartość g i najwyższą h. Te dane wykazują, że miałkość cementu i zawartość C3A mają istotny wpływ na parametry reologiczne mieszanki. Jest to rezultat zwiększonej wodożądności cementu o większej powierzchni właściwej co w przypadku stałej ilości wody w mieszance wywołuje wzrost jego spójności kapilarnej. Tab. 1.Wpływ różnych cementów na parametry reologiczne mieszanki [2] (reometr MKII, skład mieszanki: c = 285 kg/m3, w = 185 kg/m3, K = 193 kg/m3) Cement C3S 65,9 59,8 53,7 67,8 C2S 7,3 8,5 18,2 5,6 C3A 7,1 8,6 11,6 1,2 C4AF 1, 11,2 6,7 15,1 Alkalia,86,38,55,44 Powierzchnia właściwa (m2/kg) g (Nm) 4,17 4,69 5,15 3,45 h (Nms) 1,69 1,6 1,23 1,83 Czynniki te, oraz zawartość alkaliów, wpływają również istotnie na efekty upłynnienia superplastyfikatorami. Wzrost zawartości wody w zaczynie zmniejsza opór ścinania, lecz jeśli jest nadmierny prowadzi do segregacji składników. Wpływa on jednak na obniżenie wytrzymałości i trwałości stwardniałego betonu. Wiadomo również, że z upływem czasu opór ścinania mieszanki rośnie stopniowo, co objawia się utratą urabialności. Wpływ dodatków i domieszek bardzo istotnie zależy od ich natury, udziału w mieszance oraz składu betonu i cech składników. Dlatego też wszelkie uogólnienia w tym względzie nie są wskazane. Natomiast zmiany struktury zaczynu polegające na peptyzacji, czyli zwiększeniu zdyspergowaniu ziaren cementu w wodzie (wywołane np. domieszką superplastyfikatora), powodują zmniejszenie oporów ścinania mieszanki. Dodatki uszczelniające strukturę zaczynu oraz wykazujące właściwości pucolanowe lub hydrauliczne, ze względu na ich wodożądność, ogólnie rzecz biorąc, zwiększają opór mieszanki stawiany odkształceniu postaciowemu. Niekiedy jednak mamy do czynienia ze zjawiskiem odwrotnym. Możliwy wpływ różnych czynników składu na zmiany parametrów reologicznych mieszanki przy modyfikacji jej składu co jest charakterystyczne dla mieszanek samozagęszczalnych pokazano na rys.7.

67 τo więcej piasku w frakcji -8 zamiana frakcji -8 na na kruszywo łamane -8 domieszka zwiększająca lepkość więcej wody mniej cementu więcej żwiru więcej superplastyfikatora mniej mikrowypełniacza ηpl Rys. 7. Zmiany parametrów reologicznych mieszanki w wyniku modyfikacji jej składu [6]. Powyższe sformułowania można traktować tylko jako bardzo ogólne przesłanki kształtowania właściwości reologicznych mieszanki. Obecnie, w okresie szybkiego rozwoju technologii betonu, szczególnie w odniesieniu do betonów specjalnych a w szczególności BSZ i BWW jedyną miarodajną podstawą przewidywania lub projektowania właściwości reologicznych mieszanki są dane i zależności z badań reologicznych, prowadzonych metodami reometrycznymi. Uwzględnienie danych doświadczalnych, uzyskanych testami technologicznymi, stwarza bardzo poważne trudności, wynikające z faktu, że są one testami jednopunktowymi czyli fizycznie niejednoznacznymi, co wykazano w [2,5]. 4. Wymagania urabialności samozagęszczalnej mieszanki betonowej Wymagania te dotyczą właściwości reologicznych mieszanki, stabilności struktury mieszanki oraz maksymalnej wielkości ziaren kruszywa, co pokazano na rys.8. Właściwości reologiczne mieszanki muszą zapewniać formowanie betonu w warunkach swobodnego, grawitacyjnego jej płynięcia. Odpowiednie właściwości reologiczne to wysoka płynność mieszanki i zdolność do samozagęszczenia poprzez odpowietrzenie się. Płynność mieszanki powinna być taka, by zapewniała łatwe, szybkie i szczelne wypełnienie formy (deskowania), bez względu na ilość i układ zbrojenia, zaś niepożądane pęcherzyki powietrza, wprowadzone do mieszanki podczas mieszania jej składników w betoniarce, powinny - w krótkim czasie po ułożeniu mieszanki - zostać z niej wydalone na zasadzie wyporu hydrostatycznego. Zatem samozagęszczalna mieszanka betonowa - oprócz zdolności do szczelnego wypełnienia formy (deskowania) i otulenia zbrojenia musi także posiadać zdolność do samorzutnego wydalenia niepożądanych pęcherzyków powietrza, z zachowaniem jednorodności struktury. Stabilność struktury mieszanki betonowej, przy zapewnieniu jej odpowiednich właściwości reologicznych, jest drugim, istotnym wymaganiem urabialności betonu samozagęszczalnego. Przez stabilność mieszanki betonowej w przypadku betonu samozagęszczalnego rozumie się jej odporność na segregację wewnętrzną. Odporność na tę segregację oznacza brak zarówno sedymentacji ziaren kruszywa w mieszance jak i wydzielania się z niej wody. 67

68 Charakterystyki mierzone Właściwości mieszanki Urabialność mieszanki Granica płynięcia τ, lub - (S, H2/H1) Lepkość ηpl, lub (T5) Segregacja Δρ/Δγ lub (ΔNz, max / Δh) Max. ziarna kruszywa lub (H2/H1) Odpowiednia płynność Stabilność Reologia mieszanki i zaczynu Samo -zagęszczalność Zdolność penetracji przez zbrojenie Rys.8. Właściwości samozagęszczalnej mieszanki betonowej stanowiące o jej urabialności - w nawiasach podano charakterystyki określane testami technologicznymi, gdzie: S rozpływ stożka Abramsa, T5 czas osiągnięcia rozpływu o średnicy 5 cm, ΔNz,max /Δh gradient liczby ziaren max. wielkości po wysokości w betonie, H1 i H2 wysokości mieszanki w próbie L box. Ze względu na właściwości reologiczne (czyli bez uwzględniania stanu jej struktury) mieszanka samozagęszczalna musi charakteryzować się niską granicą płynięcia τo, warunkującą jej płynięcie pod obciążeniem ciężarem własnym, oraz taką lepkością plastyczną, która zapewnia jej wymaganą płynność, umożliwiającą odpowiednio szybkie i szczelne wypełnienie formy mieszanką. Zdolność do penetracji przez zbrojenie oznacza łatwość przepływu mieszanki pomiędzy prętami zbrojenia, bez utraty jednorodności. Utrata jednorodności w tym przypadku polega na zróżnicowaniu koncentracji ziaren kruszywa po obu stronach warstwy prętów zbrojeniowych na kierunku przepływu mieszanki. Zjawisko to nazywane jest blokowaniem przepływu (dużych ziaren kruszywa) przez zbrojenie. 5. Reologiczne kryteria urabialności mieszanki samozagęszczalnej Wymaganie odpowiedniej płynności mieszanki, zapewniające jej swobodne, grawitacyjne płynięcie, będzie spełnione jeśli granica płynięcia mieszanki będzie bardzo niska. Dopóki naprężenia styczne w mieszance od obciążenia ciężarem własnym będą mniejsze od jej granicy płynięcia to mieszanka zachowywać się będzie jak ciało stałe. Oznacza to, że jej odkształcenie postaciowe będzie skończone co do wielkości i ograniczone w czasie. Wynika stąd, że warunkiem wystąpienia płynięcia mieszanki, umożliwiającego wypełnienie formy (deskowania) wraz z samopoziomowaniem powierzchni, jest uzyskanie takiej wartości granicy płynięcia która będzie istotnie mniejsza od naprężeń stycznych w mieszance, wywołanych jej ciężarem własnym. Czyli

69 >1 (17) Rozpływanie się mieszanki pod ciśnieniem słupa mieszanki będzie więc zachodziło, gdy 1 m g h 2 (18) gdzie: ρm gęstość objętościowa mieszanki, kg/m3 g przyśpieszenie ziemskie, m/s2 h wysokość słupa mieszanki (inaczej różnica jej poziomów), m i ustaje gdy h h 2 m g (19) Tak więc, im niższa będzie granica płynięcia τo, tym mniejsza będzie wysokość słupa mieszanki wywołująca jej rozpływ i tym lepsze spoziomowanie jej powierzchni w formie(deskowaniu). Oczywiście, najkorzystniejszym technologicznie będzie przypadek, kiedy granica płynności mieszanki będzie równa lub bliska zeru, co objawia się całkowitym rozpływem stożka. Uzyskanie tak niskiej granicy płynięcia jest szczególnie istotne dla mieszanek z kruszywem lekkim, ze względu na ich mniejszą gęstość objętościową. Z zależności (13) wynika, że spełnienie warunku (18) dla mieszanki samozagęszczalnej możliwe jest gdy spójność i tarcie wewnętrzne w mieszance będą bardzo małe lub w ogóle nie wystąpią. W tym ostatnim - zupełnie skrajnym - przypadku, mieszanka samozagęszczalna będzie się zachowywać jak ciecz newtonowska o wysokiej lepkości, a jej równanie reologiczne przybierze postać pl, (2) Wtedy, płynięcie mieszanki wystąpi pod każdym, nawet dowolnie małym obciążeniem τ. Zilustrujmy warunek (18) praktycznym przykładem. Zakładając, że wysokość słupa mieszanki czyli dopuszczalna różnica poziomów mieszanki na powierzchni formowanego elementu h=.5 cm, zaś gęstość mieszanki równa jest 22 kg/m3, obliczona z warunku (18) wymagana wartość granicy płynięcia mieszanki będzie τo = 98,1 Pa Oznacza to, że taka wartość granicy płynięcia umożliwia osiągnięcie założonej różnicy poziomów powierzchni mieszanki. Jeśli τo będzie mniejsze, to i ta różnica poziomów będzie mniejsza. Oczywiście, ważny jest równie czas wypełnienia formy, który zależy od prędkości płynięcia mieszanki. Prędkość ta, odpowiadająca prędkości jej lepkiego odkształcenia postaciowego, będzie odwrotnie proporcjonalna do lepkości plastycznej mieszanki, co staje się widoczne po przekształceniu równania (1) do postaci, s-1 (21) pl Naprężenia τ pochodzą tylko od ciężaru własnego słupa mieszanki, który zmienia się ze zmianą różnicy jej poziomów od początkowej w chwili rozpoczęcia napełniania formy, do końcowej określonej warunkiem (19). Z warunku (21) wynika, że lepkość plastyczna mieszanki powinna być możliwie mała, aby umożliwić jak najkrótszy czas wypełnienia formy mieszanką. Niestety, postulat ten stoi w sprzeczności z warunkiem wynikającym z wymagania stabilności mieszanki. 69

70 Lepkość mieszanki nie może być mniejsza od wymaganej ze względu na stabilność mieszanki (brak sedymentacji kruszywa). Lepkość tę można określić z warunku samorzutnego wystąpienia takiej segregacji, podanego w pracy [5] w postaci zależności (22) i (23). Sedymentacja nie wystąpi gdy będzie spełniony warunek ( k z )d k g A (22) gdzie: ρk gęstość kruszywa, kg/m3 ρz gęstość zaczynu, kg/m3 dk wielkość ziarna kruszywa, m A - stała kształtu ziarna (dla ziaren kulistych A=18), W ostatnio opublikowanych badaniach zjawiska segregacji [8], polegającej na osiadaniu kruszywa w mieszance podano, że kruszywo nie będzie samorzutnie sedymentować jeśli będzie spełniony sformułowany w pracy [9] warunek 3 o Y, (23) 2 R ( k z )g gdzie Y - bezwymiarowy parametr granicy płynięcia będący stosunkiem opadu stożka Abramsa do wysokości tego stożka, τo granica płynięcia mieszanki, MPa R promień kuli opisanej na ziarnie kruszywa, m ρk gęstość kruszywa, kg/m3 ρz gęstość zaczynu, kg/m3 g przyśpieszenie ziemskie, m/s2 Z przeprowadzonych w pracy [8] badań eksperymentalnych, weryfikujących zasadność warunku (9) wynika, że przy gęstości kruszywa 265 kg/m3 i gęstości mieszanki 224 kg/m3, o granicy płynięcia równej 74 MPa, ziarna kruszywa o średnicy mniejszej niż 5 mm nie będą samorzutnie sedymentować w mieszance. Ponieważ rozpływ mieszanek samozagęszczalnych przekracza znacznie 5 cm zatem opad stożka w takim przypadku będzie znacznie większy niż obserwowano w cytowanych w pracy [8] badaniach, miarodajność warunku (23) w odniesieniu do mieszanek samozagęszczalnych wymaga weryfikacji doświadczalnej. W praktyce warunek (22) jest trudny lub niemożliwy do spełnienia ze względu na warunek (18). Wtedy należy tak zwiększyć lepkość mieszanki, ograniczając w ten sposób prędkość sedymentacji największych ziaren kruszywa, by wywołana tym segregacja - w czasie upływającym do rozpoczęcia wiązania - nie była zauważalna. Prędkość sedymentacji kruszywa można określić wyrażeniem vs ( k z )d 2k g oz, A pl (24) Jak wynika z tej zależności, dla określonej zaczynu prędkość sedymentacji kruszywa maleje wraz z zmniejszaniem się wielkości jego ziaren oraz różnicy gęstości kruszywa i zaczynu. Odpowiedź na pytanie w jaki sposób można zwiększyć lepkość zaczynu? nasuwa rys.7. Samorzutne wydalanie powietrza przez mieszankę, jako warunek jej samozagęszczenia, polega na wypływie pęcherzyków powietrza pod wpływem siły wyporu, której wielkość określa wyrażenie

71 Fw ( m p )gvz, (25) gdzie: ρp gęstość powietrza, kg/m3 Vz objętość ziarna, m3 Wypływ pęcherzyków powietrza nastąpi gdy ( m p )d 2p g o, (26) Prędkość wypływu pęcherzyków powietrza z mieszanki będzie v ( m p ) d 2p g o 18 pl, (27) Zwróćmy uwagę, że siła wyporu rośnie z wzrostem objętości pęcherzyka powietrza, zaś prędkość jego wypływu rośnie proporcjonalnie do kwadratu jego średnicy a odwrotnie proporcjonalnie do lepkości mieszanki. Zwiększając zatem lepkość mieszanki wydłużamy czas potrzebny do wydalenia z niej pęcherzyków powietrza, co ze względów technologicznych nie jest korzystne. Ale mając na uwadze wszystkie postulaty dotyczące wymaganej lepkości mieszanki., wynikające z warunków (21),(22),(24),(26),(27), spełnić je można tylko na drodze wielokryterialnej optymalizacji składu mieszanki ze względu na jej i zaczynu lepkość. Pomocne w tym względzie są wskazówki wynikające z rys.7. Z wzoru (27) wynika, że dla określonej lepkości zaczynu tylko część powietrza uwięzionego w mieszance (duże pęcherzyki) może zostać z niego wydalona dzięki sile wyporu. Dzięki temu, napowietrzenie mieszanki w wyniku zastosowania domieszki napowietrzającej, dzięki bardzo małej wielkości wytworzonych pęcherzyków, praktycznie nie ulegnie zmianie. Ale całkowita zawartość powietrza w mieszance zwykle będzie większa, co należy uwzględnić, określając dawkę domieszki napowietrzającej. Zaś samorzutny wyciek wody z mieszanki (ang. bleeding) pojawi się wówczas gdy ciśnienie hydrostatyczne wody w mieszance będzie większe od ciśnienia w kapilarach mieszanki, jeśli nie zachodzi sedymentacja kruszywa. Zatem, by zapobiec wyciekaniu wody z mieszanki powinien być wtedy spełniony warunek w g h pk (27) gdzie ρw gęstość wody, kg/m3 pk ciśnienie kapilarne, MPa Przedstawione wymagania i reologiczne kryteria urabialności mieszanki samozagęszczalnej w przypadku podawania jej pompą należy uzupełnić o wymóg pompowalności. Spełnienie tego wymogu w przypadku rozważanych mieszanek jest stosunkowo łatwe i nie będzie tutaj prezentowane. Wiążąc powyższe kryteria reologiczne urabialności z równaniami mikroreologicznymi, określającymi wartości parametrów reologicznych τo i ηpl mieszanki betonowej z zmiennymi jej składu i charakterystyk składników, można uzyskać analityczne warunki projektowania składu mieszanki samozagęszczalnej, ze względu na wymogi jej urabialności. Jeśli te związki będą miały charakter modeli regresyjnych, to w przypadku stosowania ich do predykcji parametrów reologicznych mieszanki, to parametry te należy doświadczalnie zweryfikować w warunkach laboratoryjnych testem reometrycznym. Natomiast na placu budowy, a także w sytuacji braku możliwości wykonania testu reometrycznego, można w tym celu posłużyć się stosowanymi testami technologicznymi [6], czyli próbami rozpływu stożka i przepływu w aparacie L-box.W przypadku istotnych różnic należy dokonać korekty składu mieszanki. 71

72 6. Technologiczne sposoby zapewniania stabilności mieszanki samozagęszczalnej Stabilność mieszanki jest najtrudniejszą do spełnienia obok samoodpowietrzenia składową urabialności mieszanki samozagęszczalnej. Stabilność mieszanki zapobiega anizotropii betonu oraz osłabieniu przyczepności zaczynu do kruszywa i zbrojenia. Zapewnienia mieszance odpowiedniej stabilności jest szczególnie istotne kiedy betonuje się elementy o wysokim zagęszczeniu zbrojenia. W dotychczasowej praktyce technologicznej betonu samozagęszczalnego stabilność mieszanki uzyskiwana może być w trojaki sposób: 1. Stosowanie wysokiej zawartości frakcji pylastych przy ograniczeniu udziału objętościowego frakcji żwirowych do max. 5%, przy jednoczesnym zmniejszeniu zawartości wody w celu ograniczenia ilości wody wolnej. Typowe dla tego przypadku betony samozagęszczalne charakteryzują się W/C+Mp =.3.35 oraz zawartością frakcji pyłowych drobniejszych niż 8 μm od 5 do 6 kg/m3, w co wchodzi zarówno cement jak i mikrowypełniacze typu: mączka wapienna, popiół lotny, mikrokrzemionka. Zastępują one część cementu i ograniczają ciepło hydratacji i wytrzymałość betonu. W rezultacie uzyskuje się niską wartość granicy płynięcia i wysoką lepkość mieszanki. Tak mała zawartość wody w mieszance powoduje jednak konieczność stosowania relatywnie wysokich dawek superplastyfikatora. 2. Przyjmowanie wartości W/C+D, wynikającej z wymaganej wytrzymałości i trwałości betonu, z jednoczesnym stosowaniem domieszki podwyższającej lepkość zaczynu. Kombinacja wysokiego udziału frakcji pyłowych (45-6 kg/m3) i zawartości wody w ilości kg/m3 pozwala zwiększyć objętość zaczynu i zredukować udział frakcji żwirowych, co polepsza odkształcalność mieszanki i zmniejsza ryzyko blokowania przepływu przez zbrojenie. 3. Stosowanie niskiej zawartości wody i małych dawek domieszki podwyższającej lepkość zaczynu. Rola tej domieszki sprowadza się głównie do zapobiegania samorzutnemu wyciekowi wody z mieszanki i zapewnienia jej spoistości, podczas gdy niskie W/C+Mp zapewnia wymaganą jej lepkość. Porównanie powyższych sposobów, przeprowadzone w pracy [7] oparte na wynikach badań technologicznych mieszanek wykazało, że najkorzystniejszy jest drugi sposób uzyskiwania stabilnej mieszanki.- i to zarówno z technicznego jak i ekonomicznego punktu widzenia. Stosowanie domieszek podnoszących lepkość zaczynu (VEA Viscosity Enhancing Agent) rozszerza się ze względu na łatwość i prostotę technologiczną spełnienia w ten sposób warunku stabilności mieszanki, tak istotnego w przypadku betonu samozagęszczalnego. 7. Przykłady badań właściwości reologicznych mieszanek samozagęszczalnych reologicznym testem urabialności reometrem ROD 1. Badania przeprowadzono dla dwóch mieszanek samozagęszczalnych na cementach CEM II BV i CEM III A, o składach podanych w tab.2. Jako czynniki stałe przyjęto: temperaturę 2oC uziarnienie kruszywa W badaniach skoncentrowano się na określeniu parametrów reologicznych mieszanek betonowych, określając ponadto: gęstość mieszanki betonowej i zawartość powietrza w mieszance betonowej. Mieszanki betonowe przygotowywano zgodnie z procedurą mieszania stosowaną przy projektowaniu receptur SCC, dozując domieszkę upłynniającą razem z wodą zarobową. Pomiar właściwości reologicznych wykonano z wykorzystaniem reometrycznego testu urabialności (RTU). Zasady i metodyka RTU zostały szczegółowo omówione m.in.. w [5,1]. RTU wykonano za pomocą reometru ROD 1, którego konstrukcję i procedurę pomiarową

73 szczegółowo omówiono w [5]. Parametry reologiczne - granicę płynięcia i lepkość plastyczną wyznaczano po 2 i 6 min od zakończenia mieszania. Pomiary krzywych płynięcia wykonywano dla malejących prędkości obrotowych sondy (od 6 do 1 obr/min) Czas trwania pomiaru wynosił 3 min. Po zakończeniu RTU (po 6 min) określano gęstość mieszanki betonowej i zawartość powietrza w mieszance betonowej. Badania gęstości, zawartości powietrza w mieszance betonowej wykonywano zgodnie z odpowiednimi normami: PN 88/B625 oraz PN EN 48. Wyniki badań przedstawiono w tabl. 2 oraz na rysunkach 9,1,11. Wyniki te, w postaci wykresów, zestawiono na poszczególnych rysunkach w sposób umożliwiający uwidocznienie wpływu wskaźnika W/C, dawki superplastyfikatora (SP) oraz rodzaju cementu na granicę płynięcia i lepkość plastyczna mieszanki samozagęszczalnej, w badanym zakresie zmienności jej składu. Oczywiście, wyprowadzane na tej podstawie wnioski, byłyby same w sobie mało miarodajne, gdyby nie fakt, że są one zgodne jakościowo z wynikami wcześniejszych, szerokich badań J. Gołaszewskiego i autora, dotyczących wpływu W/C, rodzaju i składu cementu, rodzaju i dawki superplastyfikatora, dodatków, temperatury mieszanki oraz czasu na właściwości reologiczne mieszanki betonowej m.in. [1,11,12,13]. Tablica 2. Składy i wyniki badań samozagęszczalnych. mieszanek betonowych Receptura Składniki [kg/m3] 1 2 Typ cementu/ Cement CEM II B-V CEM III A Piasek Dziergowice Żwir Żwir Popiół elektrowniany 2 18 SP FM34 [%C] (po korekcie) 1,6% 1,95% Korekta SP,9%,7% Woda W/(C+CSF),46,4 Wyniki badań g po 2 min [Nm] 2,3 g po 6 min [Nm] 2,99 h po 2 min [Nmmin],11 h po 6 min [Nmmin],19 Gęstość [kg/m3] 2,16 zawartość powietrza [% obj] 6, 1,85 3,19,217,194 2,23 4,7 73

74 1 po 2 min,3 po 2 min Lepkość plastyczna [Nm m in] Granica płynięcia [Nm] po 6 min po 6 min,2,1 W/C=,46 SP=1,18% W/C=,46 SP=1,18% W/C=,4 SP=1,95% W/C=,4 SP=1,95% Rys.9. Wpływ W/C i dawki SP na właściwości reologiczne mieszanki betonowej SCC.,3 Granica płynięcia [Nm] po 2 min 8 po 6 min Lepkość plastyczna [Nm m in] 1 po 2 min po 6 min,2,1 CEM II BV, SP=1,6% CEM II BV, SP=1,6% CEM III A, SP=1,18% CEM III A, SP=1,18% Rys. 1. Wpływ rodzaju cementu na właściwości reologiczne mieszanki betonowej SCC o W/C =,4.,3 Granica płynięcia [Nm] po 2 min 8 po 6 min Lepkość plastycz na [Nm m in] 1 po 2 min po 6 min,2,1 CEM II BV, SP=1,6% CEM III A, SP=1,18% CEM II BV, SP=1,6% CEM III A, SP=1,18% Rys. 11. Wpływ rodzaju cementu na właściwości reologiczne mieszanki betonowej SCC o W/C =,46.

75 Pokazane na rys.9 wykresy, prezentujące uśredniony (z kilku mieszanek na różnych cementach) wpływ W/C i SP, wskazują, że zmniejszenie W/C przy zwiększeniu dawki superplastyfikatora pozwala na zachowanie bez zmian granicy płynięcia i lepkości plastycznej mieszanki, czyli jej właściwości reologicznych. Zwiększania dawki SP prowadzi do redukcji granicy płynięcia (upłynnienia) przy jednoczesnym wzroście lepkości mieszanki (zmniejszenia prędkości rozpływu). Dla zastosowanego SP (w przedziale użytych dawek), w ciągu 6 min. nie obserwuje się zmian parametrów reologicznych mieszanki, czyli utraty jej urabialności. Zróżnicowanie wpływu cementów CEM II B-V i CEM III A uwidacznia się głównie w lepszej kompatybilności CEM III A z zastosowanym SP, co objawia się mniejszą dawką SP potrzebną do uzyskania takiej samej granicy płynięcia, przy znacznie mniejszej lepkości. Mniejsza też jest niż w przypadku CEM II B-V - utrata urabialności po 6 min. Wzrost W/C z.4 do.46 powoduje zwiększenie lepkości mieszanki na cemencie CEM III A i większą utratę urabialności mieszanki z CEM II B-V po 6 min. Podsumowanie Projektowanie i wykonywanie betonów samozagęszczalnych w oparciu o dotychczasowe doświadczenia i testy technologiczne powinno być uzupełnione podejściem reologicznym. Podejście to, wyjaśniając charakter zjawisk zachodzących podczas formowania betonu samozagęszczalnego, umożliwia fizyczne ujęcie wymagań i kryteriów jego urabialności. Zaś reologiczny test urabialności (RTU), oraz oparta na jego wynikach analiza reologiczna urabialności samozagęszczalnej mieszanki betonowej, pozwalają nie tylko na fizykalny opis procesu formowania kształtu i struktury betonu samozagęszczalnego, ale także na dobór odpowiednich do wymagań jej właściwości reologicznych. Ponadto, co ważne, RTU umożliwia uzyskanie miarodajnych, jednoznacznych fizycznie informacji o wpływie czynników składu mieszanki oraz dodatków i domieszek na jej właściwości reologiczne, stanowiące o jej urabialności. Literatura: 1. Szwabowski J.: O reologii masy betonowej. Cz.I, O właściwościach reologicznych masy betonowej. Archiwum Inżynierii Lądowej, t.xxi, z.4, Tattersall G.H., Banfill P.F.: The Rheology of Fresh Concrete. Pitman, London, Morinaga S.: Pumpability of Concrete and Pumping Pressure in Pipelines, Proc. RILEM Seminar Fresh Concrete, vol.3, Leeds, Wallevik O.H., Gjørv O.E.: Practical Description of the Rheology of Fresh Concrete. Report BML 963, NTH Trondheim, Szwabowski J.: Reologia mieszanek na spoiwach cementowych. Wyd. Pol. Śl., Gliwice, Emborg M.:Rheology Tests for Self Compacting Concrete. RILEM Symposium on Self Compacting Concrete, Stockholm, Khayat K.H., Hu C., Monty H.: Stability of Self Consolidating Concrete, Advantages and Potential Applications. ProcInt. Conf. Selfcompacting Concrete, Stockholm, Petrou M.F., Baolin Wan et al.: Influence of Mortar Rheology on Aggregate Setlement. ACI Journal/July-August Beris A.N. et al.: Creeping Motion of a Sphere through a Bingham Plastic. Journal of Fluid Mechanics,158, Szwabowski J., Gołaszewski J.: Badanie efektywności działania domieszek uplastyczniających i upłynniających reometrycznym testem urabialności. KNTPB Beton i Prefabrykacja, Jadwisin 2 75

76 11. Gołaszewski J., Szwabowski J.: The Influence of Temperature on Rheological Behaviour of Superplasticized Fresh Concrete, The 3 rd International Conference Building Materials and Testing 21 Štrbské Pleso, Slovak Republic r., ss Gołaszewski J., Szwabowski J.: Rheological behaviour of fresh cement mortars containing superplasticizers of new generation. Kurdowski Symposium pt. Science of cement and concrete, Kraków 2-21.VI.21, ss Gołaszewski J., Szwabowski J.: Influence of superplasticizers on setting times. International Conference Modern Building Materials, Structures and Techniques Vilnius, Lithuania, r., ss

77 IV SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 2 2 Jacek GOŁASZEWSKI1 WPŁYW CEMENTU I SUPERPLASTYFIKATORA NA WŁAŚCIWOŚCI ZAPRAW 1. Wprowadzenie Betony wysokowartościowe (BWW) oraz samozagęszczalne (SCC) są obecnie coraz powszechniej stosowane w konstrukcjach inżynierskich, zapewniając ich wysoką trwałość i niezawodność w trakcie eksploatacji oraz pozwalając na uzyskanie znaczących korzyści ekonomicznych. [1] Ich cechą charakterystyczną jest niski poziom wskaźnika W/C, dodatek superplastyfikatorów (SP) zapewniający uzyskanie odpowiedniej urabialności przy niskim W/C, oraz dodatek domieszek chemicznych i dodatków mineralnych modyfikujących właściwości betonu. Dobranie odpowiednich składników BWW i SCC jest zagadnieniem znacznie bardziej skomplikowanym i istotnym niż w przypadku betonów zwykłych. Kluczowe znaczenie ma przy tym dobranie kompatybilnego reologicznie układu cement SP, gdyż w praktyce to on właśnie decyduje właściwościach reologicznych mieszanki betonowej i warunkuje kształtowanie urabialności BWW i SCC. [1, 2] Wybór ten, uwzględniający wszelkie aspekty i wymagania stawiane BWW i SCC powinien być dokonywany jako pierwszy krok procesu ich projektowania. Racjonalny wybór optymalnego w danych warunkach układu cement SP wymaga rozpoznania złożonego wpływu cementu i SP na właściwości reologiczne mieszanek. Miarodajnych informacji w tym zakresie mogą dostarczyć tylko badania wykonane reometrycznym testem urabialności (RTU). Badania takie wykonywane są, ze względu na podobną naturę zjawisk zachodzących w świeżej zaprawie i mieszance betonowej, z wykorzystaniem zapraw normowych (wg PN-EN 196-1, modyfikowanych za względu na W/C i stosowane dodatki i domieszki). [3-6] Wykonywanie RTU z wykorzystaniem zapraw normowych pozwala, w odniesieniu do badań mieszanek betonowych, na znaczące zredukowanie kosztu badań, oraz wyeliminowanie niekontrolowanego wpływu zmian uziarnienie. W referacie przedstawiono badania wpływu składu mineralogicznego i chemicznego cementu oraz stopnia jego przemiału na właściwości reologiczne zapraw modyfikowanych różnymi SP. Określone w ramach tych badań związki pomiędzy parametrami reologicznymi zapraw, a właściwościami cementu i SP mogą być wykorzystane przy doborze rodzaju cementu i rodzaju SP oraz przy kształtowaniu urabialności betonów BWW i SCC usprawniając i upraszczając proces ich projektowania. 1 Dr inż. Politechnika Śląska 77

78 2. Założenia i metodyka badania. Jak wskazuje analiza badań mechanizmu działania SP, kompatybilność układu cement SP zależy od [1, 2]: składu chemicznego i mineralogicznego cementu, a przede wszystkim ilości C3A, ilości Na2Oeq i ilości SO3; rodzaju siarczanu wapnia CaSO4 xh2o; stopnia przemiału cementu; składu chemicznego superplastyfikatora, budowy polimeru i masy cząsteczkowej; sposobu dozowania superplastyfikatora. Na kompatybilność układu cement SP wpływają również inne czynniki z których największe znaczenie mają temperatura oraz obecność innych domieszek chemicznych i dodatków mineralnych. W przeprowadzonych badaniach reologicznej kompatybilności układu cement - SP uwzględniono wpływ następujących zmiennych czynników: skład mineralogiczny i chemiczny cementu (skład klinkierów wg tablicy 1): C3A, 3 poziomy 2%; 7%; 12%; Na2Oeq 3 poziomy,3%;,7%; 1,1%; SO3 3 poziomy 2,5%; 3,%; 3,5% rodzaj SP 6 różnych superplastyfikatorów wg tablicy 2. powierzchnia właściwa cementu 3 poziomy 32; 37; 42 cm2/g wskaźnik W/C 2 poziomy,55;,45; ilość domieszki 3 poziomy 1%; 2% i 3% Jako czynniki stałe w badaniach przyjęto: ilość cementu, rodzaj i uziarnienie kruszywa (zaprawa normowa wg PN-EN 196-1), rodzaj siarczanu wapniowego (cementy przygotowane na zamówienie w IMMB identycznym rodzaju siarczanów), procedurę dozowania superplastyfikatora (SNF i SMF z,5 min opóźnienia, PC, PE1, PE2, PE3 razem z wodą zarobową) i temperaturę 2oC. Tablica 1. Skład chemiczny klinkierów z których przygotowano badane cementy. Klinkier SiO2 22,4 23,3 21,2 2,3 CaO 66,7 66,6 66,3 65,9 Składniki [%] Al2O3 Fe2O3 4,2 5,5 4,7 3,5 6,4 2,8 3,1 6,7 MgO,8,9 2,7 1,6 SO3,31,12,1,64 C3S 59,6 51,5 58,9 57,9 Skład fazowy [%] C2S C3A C4AF 19,3 2,1 16,6 27,8 6,8 1,5 16,4 12,2 8,5 14,5 12,1 9,5 MN,9,86,91,92 Moduły MK 2,3 2,87 2,3 2,9 MG,78 1,35 2,28 2,1 Tablica 2. Właściwości badanych domieszek upłynniających. Domieszka SMF SNF PC PE1 PE2 PE3 Składnik bazowy wg informacji producenta sulfonowana żywica formaldehydowo-melaminowa sulfonowana żywica formaldehydowo-naftalenowa polimer polikarboksylowy eter polikarboksylowy eter polikarboksylowy eter polikarboksylowy Gęstość [g/cm3] 1,9 1,2 1,6 1,9 1,5 1,5 Stężenie [%] 36% 26% 4% - Próbki zapraw przygotowano w warunkach zgodnych z PN EN 48-1:1999. Reometryczny test urabialności wykonano za pomocą reometru Viskomat PC (rys. 1). Zasady i metodykę RTU omówiono szczegółowo w [5, 6]. Procedurę pomiarową, symulującą proces transportu mieszanki betonowej przedstawiono na rys. 1. Ponieważ pomiar prowadzony przy

79 Prędkość obrotow a [1/m in] Czas [m in] Rys. 1. Reometr Viskomat PC oraz procedura pomiaru właściwości reologicznych stałej prędkości obrotowej sondy nie pozwala na wyznaczenia parametrów reologicznych granicy płynięcia i lepkości plastycznej - dla ich określenia po 1 i 6 min wykonywano pomiary krzywych płynięcia dla malejących prędkości obrotowych sondy od 12 do 2 obr/min (czas trwania pomiaru 6 s). 3. Wpływ powierzchni właściwej i składu cementu na właściwości zapraw cementowych. Wyznaczone w badaniach uogólnione zależności parametrów reologicznych zapraw o W/C =,55 bez dodatku superplastyfikatora od składu mineralogicznego cementu i jego powierzchni właściwej przedstawiono na rys 2-6. Wyniki badań wskazują, że właściwości reologiczne zapraw cementowych po 1 min zależą głównie od ilości C3A w cemencie, powierzchni właściwej cementu i interakcji tych dwóch czynników. Wpływ ilości alkaliów właściwą cementu jest wyraźnie mniejszy i ma istotne znaczenie przede wszystkim w przypadku cementów o dużej ilości C3A. W badanym zakresie zmienności generalnie nie stwierdzono natomiast istotnego wpływu ilości SO3. Wielkość g po 1 min zapraw zależy przede wszystkim od ilości C3A w cemencie. Jej wzrost powoduje zawsze zwiększenie wielkości g. Zakres wzrostu wielkości g zależy od powierzchni właściwej cementu i ilości alkaliów. Najmniejszy wpływ ilości C3A obserwowano dla cementów o powierzchni właściwej 37cm2/g i ilości alkaliów,3%. Wzrost powierzchni w zakresie od 32 do 37 cm2/g powoduje generalnie nieznaczne obniżenie wielkości g, a zdecydowanie najwyższe wielkości g uzyskiwano dla zapraw z cementami o powierzchni właściwej 42 cm2/g. W przypadku cementów o niskiej zawartości C3A wpływ powierzchni właściwej można uznać za nieistotny. Wpływ ilości alkaliów na wielkość g zapraw nie jest jednoznaczny i ujawnia się przede wszystkim w przypadku cementów o dużej ilości C3A. Uogólniając uzyskane wyniki można jednak zauważyć tendencję do spadku g ze wzrostem ilości alkaliów w przypadku stosowania cementów o ilości C3A 2 i 7%, natomiast dla zapraw z cementami o dużej ilości C3A najniższe g uzyskiwano przy ilości alkaliów,7%. Wpływ składu cementu na wielkość h zapraw cementowych po 1 min jest niejednoznaczny i generalnie w porównaniu do wpływu na wielkość g niewielki. Zależności przedstawione na rys. 3 i 5 wskazują, że decydujące znaczenie dla wielkości h zapraw ma powierzchnia właściwa cementu jej wzrost powoduje tendencję do spadku wielkości h. Wielkość h zapraw cementowych jest również zależna od ilości C3A i alkaliów i w niewielkim stopniu od ilości SO3. Szybka utrata urabialności zapraw z cementami o 12% C3A uniemożliwiła pomiar parametrów reologicznych po 6 min dla zapraw o powierzchniach właściwych 37 i 42 cm2/g. 79

80 cm2/g 37 cm2/g cm2/g 9 g [Nm m ] g [Nm m ] cm2/g 3 37 cm2/g 42 cm2/g Ilość C3A [%] 1 15 Ilość C3A [%] a b Rys. 2. Wpływ powierzchni właściwej i ilości C3A na g zapraw cementowych o W/C =,55. a g po 1 min; b- g po 6 min. Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 3 lub 9 pomiarów dla ilości Na2Oeq =,3;,7; 1,1% i ilości SO3 = 2,5; 3; 3,5%, słupki błędu odpowiadają maksymalnej i minimalnej wielkości g.,5,5 32 cm2/g,4 37 cm2/g,4 42 cm2/g h [Nm m min] h [Nm m m in] 32 cm2/g 37 cm2/g,3,2,1 42 cm2/g,3,2,1 5 1 Ilość C3A [%] a Ilość C3A [%] b Rys. 3. Wpływ powierzchni właściwej i ilości C3A na h zapraw cementowych o W/C =,55. a h po 1 min; b- h po 6 min. Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 3 lub 9 pomiarów dla ilości Na2Oeq =,3;,7; 1,1% i ilości SO3 = 2,5; 3; 3,5%,słupki błędu odpowiadają maksymalnej i minimalnej wielkości h. Na rys. 6 przedstawiono więc wpływ powierzchni właściwej na tempo zmian parametrów reologicznych w czasie tylko dla zapraw z cementów o ilości C3A 2 i 7%. Stwierdzono, że w przypadku stosowania cementów o powierzchni właściwej 42 cm2/g tempo wzrostu wartości g zapraw jest wyraźnie większe niż dla cementów o niższym stopniu przemiału. Tempo wzrostu wielkości g dla cementów o powierzchni 32 i 37 cm2/g jest zbliżone, jednak nieznacznie mniejsze tempo wzrostu g obserwowano dla cementów o powierzchni właściwej 37cm2/g. Tempo zmian wielkości h, generalnie bardzo niewielkie, maleje wraz ze wzrostem powierzchni właściwej. Wpływ składu cementu na tempo zmian parametrów reologicznych zapraw z cementem o powierzchni właściwej 32 cm2/g przedstawiono na rys 7 i 8. Zdecydowanie największy wpływ na tempo zmian parametrów reologicznych ma ilość C3A. Wzrost ilości C3A wyraźnie przyspiesza wzrost wielkości g, oraz zmniejsza tempo wzrostu wielkości h. Wpływ ilości alkaliów i SO3 na tempo wzrostu wielkości g jest generalnie nieznaczny, ale tempo zmian wielkości h wyraźnie maleje przy dużej ilości alkaliów i rośnie wraz ze wzrostem ilości SO3.

81 15 15,3% Na2Oeq,7% Na2Oeq g [Nm m ] g [Nm m ] 1,1% Na2Oeq ,3% Na2Oeq,7% Na2Oeq 1,1% Na2Oeq Ilość C3A [%] 1 15 Ilość C3A [%] a b Rys. 4. Wpływ ilości Na2Oeq i ilości C3A na g zapraw cementowych o W/C =,55. a g po 1 min; b- g po 6 min. Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 3 lub 9 pomiarów dla powierzchni właściwej 32, 37, 42 cm2/g i ilości SO3 = 2,5; 3; 3,5%,słupki błędu odpowiadają maksymalnej i minimalnej wielkości g.,3% Na2Oeq,5,7% Na2Oeq 1,1% Na2Oeq,3,7% Na2Oeq,4 h [Nm m min] h [Nm m m in],4,3% Na2Oeq,5,2,1 1,1% Na2Oeq,3,2, Ilość C3A [%] Ilość C3A [%] a b Rys. 5. Wpływ ilości Na2Oeq i ilości C3A na h zapraw cementowych o W/C =,55. a h po 1 min; b- h po 6 min. Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 3 lub 9 pomiarów dla powierzchni właściwej 32, 37, 42 cm2/g i ilości SO3 = 2,5; 3; 3,5%,słupki błędu odpowiadają maksymalnej i minimalnej wielkości h. 1,2 1,5 Tem po z m ian h [Nm m m in/m in*e-3] Tem po z m ian g [Nm m /m in] W/C=,55 W/C=,55; SP 1% W/C=,45; SP 3% 1,8,6,4,2 W/C=,55 W/C=,55; SP 1% W/C=,45; SP 3% 1, ,5-1 -1, Pow ierzchnia w łaściw a C [cm 2/g] -2,5 Pow ierz chnia w łaściw a C [cm 2/g] Rys. 6. Wpływ powierzchni właściwej cementu na tempo zmian g i h w czasie zapraw o W/C =,55 bez dodatku SP, zapraw o W/C =,55 z dodatkiem 1% SP PE1 oraz zapraw o W/C =,45 z dodatkiem 3% SP PE1. 81

82

83 1,2 1,2 1,2 W/C=,55; SP 1% W/C=,45; SP 3% 1,8,6,4,2 W/C=,55 Tem po z m ian g [Nm m /m in] W/C=,55 Tem po zm ian g [Nm m /m in] Tem po z m ian g [Nm m /m in] W/C=,55 W/C=,55; SP 1% W/C=,45; SP 3% 1,8,6,4,2 7 12,8,6,4,2 2 W/C=,55; SP 1% W/C=,45; SP 3% 1,3 Ilość C3A [%],7 1,1 2,5 Ilość Na2Oeq [%] 3 3,5 Ilość SO3 [%] 1,5 -,5-1 -1,5 W/C=,55-2 W/C=,55; SP 1% W/C=,45; SP 3% 1,5 1,5 -,5-1 -1,5 W/C=,55-2 W/C=,55; SP 1% -2,5 7 Ilość C3A [%] 1,5 1,5 -,5-1 -1,5 W/C=,55-2 W/C=,55; SP 1% W/C=,45; SP 3% -2,5 2 Tem po z m ian h [Nm m m in/m in*e-3] 1,5 Tem po z m ian h [Nm m m in/m in*e-3] Tem po z m ian h [Nm m m in/m in*e-3] Rys. 7. Wpływ ilości C3A, Na2Oeq i SO3 w cemencie o powierzchni właściwej 32 cm2/g na tempo zmian g w czasie zapraw o W/C =,55 bez SP, zapraw o W/C =,55 z 1% SP PE1 oraz zapraw o W/C =,45 z 3% SP 12 W/C=,45; SP 3% -2,5,3,7 Ilość Na2Oeq [%] 1,1 2,5 3 3,5 Ilość SO3 [%] Rys. 8. Wpływ ilości C3A, Na2Oeq i SO3 w cemencie o powierzchni właściwej 32 cm2/g na tempo zmian h w czasie zapraw o W/C =,55 bez SP, zapraw o W/C =,55 z 1% SP PE1 oraz zapraw o W/C =,45 z 3% SP PE1 83

84

85 cm2/g 37 cm2/g cm2/g 9 g [Nm m ] g [Nm m ] 32 cm2/g 37 cm2/g cm2/g Ilość C3A [%] 1 15 Ilość C3A [%] a b Rys. 9. Wpływ powierzchni właściwej i ilości C3A na g zapraw cementowych o W/C =,55 z 1% SP PE1. a g po 1 min; b- g po 6 min. Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 3 lub 9 pomiarów dla ilości Na2Oeq =,3;,7; 1,1% i ilości SO3 = 2,5; 3; 3,5%, słupki błędu odpowiadają maksymalnej i minimalnej wielkości g.,5,5 32 cm2/g 37 cm2/g,4 42 cm2/g h [Nm m m in] h [Nm m m in] 32 cm2/g 37 cm2/g,4,3,2,1 42 cm2/g,3,2,1 5 1 Ilość C3A [%] Ilość C3A [%] a b Rys. 1. Wpływ powierzchni właściwej i ilości C3A na g zapraw cementowych o W/C =,55 z 1% SP PE1. a h po 1 min; b- h po 6 min. Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 3 lub 9 pomiarów dla ilości Na2Oeq =,3;,7; 1,1% i ilości SO3 = 2,5; 3; 3,5%, słupki błędu odpowiadają maksymalnej i minimalnej wielkości h. 4. Wpływ powierzchni właściwej i składu cementu na właściwości zapraw cementowych modyfikowanych superplastyfikatorem PE1. Wyznaczone w badaniach ogólne zależności parametrów reologicznych zapraw o W/C =,55 z 1% dodatkiem SP od składu mineralogicznego cementu i jego powierzchni właściwej przedstawiono na rys Porównując je z zależnościami uzyskanymi dla zapraw bez SP można stwierdzić ich jakościowe podobieństwo: czynnikiem o podstawowym znaczeniu dla właściwości reologicznych zapraw z SP jest, podobnie jak w przypadku zapraw bez SP, ilość C3A w cemencie. Ilość alkaliów i powierzchnia właściwa cementu ma zdecydowanie mniejszy wpływ na właściwości reologiczne zapraw z SP niż w przypadku zapraw bez tego dodatku. Podobnie jak w przypadku zapraw cementowych, właściwości reologiczne zapraw z SP nie zależą istotnie od ilości SO3. 83

86 15 15,3% Na2Oeq,7% Na2Oeq g [Nm m ] g [Nm m ] 1,1% Na2Oeq ,3% Na2Oeq,7% Na2Oeq 1,1% Na2Oeq Ilość C3A [%] Ilość C3A [%] a b Rys. 11. Wpływ ilości Na2Oeq i ilości C3A na g zapraw cementowych o W/C =,55 z 1% SP PE1. a g po 1 min; b- g po 6 min. Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 3 lub 9 pomiarów dla powierzchni właściwej 32, 37, 42 cm2/g i ilości SO3 = 2,5; 3; 3,5%,słupki błędu odpowiadają maks. i min. wielkości g.,3% Na2Oeq,5,7% Na2Oeq 1,1% Na2Oeq,3,7% Na2Oeq,4 h [Nm m m in] h [Nm m m in],4,3% Na2Oeq,5,2,1 1,1% Na2Oeq,3,2,1 5 1 Ilość C3A [%] a Ilość C3A [%] b Rys. 12. Wpływ ilości Na2Oeq i ilości C3A na h zapraw cementowych o W/C =,55 z 1% SP PE1. a h po 1 min; b- h po 6 min. Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 3 lub 9 pomiarów dla powierzchni właściwej 32, 37, 42 cm2/g i ilości SO3 = 2,5; 3; 3,5%,słupki błędu odpowiadają maks. i min. wielkości h. Wielkość g zapraw z SP po 1 min jest zależna od ilości C3A w cemencie im większa jego ilość, tym większa wielkość g zapraw. Zależność ta jest analogiczna jak dla zapraw bez SP, jednak wpływ zwiększonej ilości C3A w cemencie na wielkość g zapraw z SP jest mniejszy. Rys. 2 i 9 pokazują jak ważny dla kształtowania urabialności jest wybór cementu zaprawy z cementami o ilości C3A = 7 i 12% po dodaniu 1% SP PE1 mają wyższe g od zapraw z cementem o ilości C3A = 2% bez dodatku SP. Wielkość g zapraw z SP jest również zależna od ilości Na2Oeq. Wpływ alkaliów na wielkość g dotyczy przede wszystkim zapraw z cementami o dużej ilości C3A, a spadek ilości C3A powoduje że ich znaczenie zanika. Wielkość h po 1 min jest zapraw z dodatkiem SP PE1 jest mniejsza niż zapraw bez tego dodatku. Zmiany h w wyniku zmian składu chemicznego cementu nie wykazują jednoznacznych trendów, a ich zakres jest bardzo niewielki. Należy przy tym podkreślić, że niska wielkość h uzyskana dla zapraw z dodatkiem SP nie jest pożądana w kształtowaniu urabialności, gdyż stwarza warunki do wystąpienia segregacji i sedymentacji. Wpływ czasu na zmiany właściwości reologicznych zapraw z SP PE1 jest wyraźnie mniejszy niż w przypadku zapraw bez dodatku SP. Ilustrują to zależności przedstawione na 84

87 cm2/g 32 cm2/g 37 cm2/g 37 cm2/g cm2/g 9 g [Nm m ] g [Nm m ] cm2/g Ilość C3A [%] Ilość C3A [%] a b Rys. 13. Wpływ powierzchni właściwej i ilości C3A na g zapraw cementowych o W/C =,45 z 3% SP PE1. a g po 1 min; b- g po 6 min. Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 3 lub 9 pomiarów dla ilości Na2Oeq =,3;,7; 1,1% i ilości SO3 = 2,5; 3; 3,5%, słupki błędu odpowiadają maksymalnej i minimalnej wielkości g.,5,5 32 cm2/g 32 cm2/g 37 cm2/g 37 cm2/g,4 42 cm2/g h [Nm m min] h [Nm m m in],4,3,2,1 42 cm2/g,3,2,1 5 1 Ilość C3A [%] a Ilość C3A [%] b Rys. 14. Wpływ powierzchni właściwej i ilości C3A na h zapraw cementowych o W/C =,45 z 3% SP PE1. a h po 1 min; b- h po 6 min. Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 3 lub 9 pomiarów dla ilości Na2Oeq =,3;,7; 1,1% i ilości SO3 = 2,5; 3; 3,5%, słupki błędu odpowiadają maksymalnej i minimalnej wielkości g. rys. 7 i 8 dla zapraw z cementami o powierzchni właściwej 32 cm2/g. Wielkość g zapraw z SP wzrasta z upływem czasu, wykazując generalnie te same trendy w zależności od składu cementu jak zaprawy bez SP. Ujawnia się jedynie wyraźny trend spadku tempa wzrostu wielkości g zapraw z SP ze wzrostem ilości alkaliów efekt ten dla zapraw bez SP nie był tak jednoznaczny. Wielkość h zapraw z SP nieznacznie wzrasta w czasie, a największy wpływ na tempo tego wzrostu ma ilość alkaliów i ilość C3A. (przy małej ilości alkaliów i C3A wielkość h wzrasta najszybciej). Wyznaczone w badaniach ogólne zależności parametrów reologicznych zapraw o W/C =,45 z 3% SP PE1 od składu mineralogicznego cementu i jego powierzchni właściwej przedstawiono na rys Dodanie 3% SP PE1 do zaprawy cementowej o W/C =,45 powoduje silne jej upłynnienie i pozwala na uzyskanie wyraźnie niższych wielkości g niż w przypadku powyżej omawianych zapraw o W/C =,55 i dawce SP 1%. Charakterystyczna dla zapraw z SP i obniżonym W/C wysoka wielkość h powoduje jednak, że nawet w przypadku tak niskich wielkości g dla badanych zapraw nie wystąpiły zjawiska segregacji i sedymentacji. 85

88 15 15,3% Na2Oeq,3% Na2Oeq 12,7% Na2Oeq 12,7% Na2Oeq 1,1% Na2Oeq 9 g [Nm m ] g [Nm m ] 1,1% Na2Oeq Ilość C3A [%] Ilość C3A [%] a b,3% Na2Oeq,5,5,4,4,7% Na2Oeq,3 1,1% Na2Oeq h [Nm m m in] h [Nm m m in] Rys. 15. Wpływ ilości Na2Oeq i ilości C3A na g zapraw cementowych o W/C =,45 z 3% SP PE1. a g po 1 min; b- g po 6 min. Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 3 lub 9 pomiarów dla powierzchni właściwej 32, 37, 42 cm2/g i ilości SO3 = 2,5; 3; 3,5%,słupki błędu odpowiadają maks. i min. wielkości g.,3,3% Na2Oeq,2,7% Na2Oeq,1,2,1 1,1% Na2Oeq 5 1 Ilość C3A [%] a Ilość C3A [%] b Rys. 16. Wpływ ilości Na2Oeq i ilości C3A na h zapraw cementowych o W/C =,45 z 3% SP PE1. a h po 1 min; b- h po 6 min. Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 3 lub 9 pomiarów dla powierzchni właściwej 32, 37, 42 cm2/g i ilości SO3 = 2,5; 3; 3,5%,słupki błędu odpowiadają maks. i min. wielkości h. Powierzchnia właściwa cementu nie wpływa istotnie na wielkość g zapraw o W/C =,45 i dawce SP 3% po 1 min, jednak w przypadku zapraw z cementem o większej ilości C3A tempo wzrostu g w czasie wzrasta wraz ze wzrostem powierzchni właściwej cementu. Wielkość h zapraw maleje wraz ze wzrostem powierzchni właściwej, tempo zmian h jest najmniejsze dla zapraw z cementem o najmniejszej powierzchni właściwej. Składu cementu wpływa na właściwości reologiczne zapraw zależny od stopnia przemiału cementu. W przypadku zapraw z cementem o powierzchni właściwej 32 cm2/g wielkość g po 1 minutach jest w dużym stopniu niezależna od składu cementu. Wielkość h dla takich zapraw zależy przede wszystkim od ilości alkaliów i wzrasta wraz ze wzrostem ich ilości, podobnie jak to obserwowano dla zapraw bez domieszki. W przypadku zapraw z cementami o powierzchni właściwej 37 i 42 cm2/g ich właściwości reologiczne są wyraźnie silniej uwarunkowane składem cementu. Wielkość g zapraw po 1 min zależy od ilości C3A i alkaliów g wzrasta wraz ze wzrostem ilości C3A i ilości alkaliów w cemencie. Wielkość h zapraw po 1 min również zależy od ilości C3A i alkaliów wzrasta wraz ze wzrostem ilości C3A i maleje wraz ze wzrostem ilości alkaliów. 86

89 Tempo zmian g dla zapraw o W/C =,45 i dawce SP 3% jest zdecydowanie mniejsza niż zapraw bez SP i z dawką 1% SP lecz wyższym W/C. (rys. 7) Tempo wzrostu g zależy przy tym od ilości C3A w cemencie (im więcej tym prędkość zmian większa) ilości alkaliów w cemencie (im jest ich mniej tym tempo wzrostu mniejsze) oraz interakcji tych czynników. Wielkość h zapraw silnie maleje z upływem czasu, a zakres spadku h zależy od ilości C3A i alkaliów jest najmniejszy dla zapraw z cementami o 7% ilości C3A i o wysokiej ilości alkaliów (rys. 8). 5. Wpływ rodzaju superplastyfikatora na właściwości reologiczne zapraw z cementami o różnym składzie chemicznym i mineralogicznym Zależności przedstawione na rys potwierdzają, że efektywność działania SP typu SNF i SMF jest wyraźnie mniejsza od efektywności działania SP nowej generacji, w tym przypadku PE1. Wielkość g i h zapraw z SP SNF i SMF jest wyraźnie zależna od składu cementu: ilość C3A i alkaliów warunkują efektywność działania tych domieszek. Ilość siarczanów w badanym przedziale zmienności nie wpływa natomiast istotnie na właściwości reologiczne badanych zapraw. Wzrastająca ilość C3A w cemencie powoduje że wielkości g zapraw niezależnie od rodzaju SP wzrasta, przy czym wzrost ten jest znacznie silniejszy w zaprawach z SP SNF i SMF. Bardzo istotny wpływ wielkość g zapraw z SP SNF i SMF, a szczególnie z SNF, ma ilość alkaliów. Zależność wielkości g zapraw od ilości alkaliów ma charakter ekstremalny minimalne g występuje przy ilości alkaliów,7%. Wielkość h badanych zapraw z SP SNF i SMF jest, w przeciwieństwie do zapraw z SP PE1i, silnie zależna od składu cementu. Maksymalną wartością h charakteryzują się zaprawy z cementami o ilości C3A 7% i alkaliów,7%. Wyraźny spadek wielkości h przy ilości 12% C3A może być interpretowany istotną zmianą właściwości reologicznych zapraw i utratą przez nie cech ciała Binghama. Przy małej ilości C3A w cemencie SP SNF i SMF pozwalają na uzyskanie trwałego efektu upłynnienia przy pomijalnych zmianach wielkości g i h w czasie. Dla zapraw z cementami o ilości 7% C3A i z SP SNF i SMF tempo wzrostu wielkości g w czasie jest jednak bardzo duże wynosi ono odpowiednio,79 i,9 Nmm/min i jest większe od tempa wzrostu g zapraw z samym cementem (,6 Nmm/min) i zapraw z SP PE1 (,3 Nmm/min). Również ilość alkaliów istotnie wpływa na zmiany wielkości g w czasie - dla zapraw z cementami o ilości C3A 2 i 7% największym tempem wzrostu g charakteryzują się zaprawy z cementami o ilości alkaliów,3%, najmniejszym o ilości alkaliów 1,1%. Zmiany wielkości h w czasie zapraw z SP SNF i SMF wykazują niejednoznaczne trendy w zależności od składu cementu: np. nieznaczny wzrost przy C3A = 2%, spadek przy C3A = 7%. Zakres tych zmian jest jednak niewielki i tym samym nie ma większego wpływu na zmiany urabialności. Wpływ składu cementu na właściwości reologiczne zapraw modyfikowanych SP nowej generacji przedstawiono na rys Wielkości g i h tych zapraw, zależy istotnie od rodzaju SP oraz ilości C3A i ilości alkaliów w cemencie. Po 1 min dla zaprawy z SP PE2, PE3 i PC charakteryzują się tą samą wielkością g. Wielkość g zależy od ilości C3A i alkaliów g wzrasta wraz ze wzrostem ilości C3A i alkaliów. Wpływ alkaliów na wzrost wielkości g jest tym większy im wyższa jest ilość C3A w cemencie. SP PE1 wykazuje zdecydowanie słabsze działanie niż pozostałe badane SP. W tym przypadku również wpływ zwiększenia ilości C3A w cemencie na wzrost wielkości g zapraw jest znacząco większy. Zasadnicze znaczenie dla wielkości h po zakończeniu mieszania ma rozdaj SP - dla SP PE3 i PC, polimerów charakteryzujących się dużą długością łańcuchów głównego (PC) i bocznych (PE), wielkość h jest wyraźnie większa niż dla pozostałych. Wielkość h zależy również od ilości C3A i ilości alkaliów, a zakres tego wpływu zależy od rodzaju zastosowanego SP. 87

90 15,5 15 SNF SMF,5 PE1 SNF SNF 12 SMF,4 12 SMF,4 PE1,2 9 h [[Nmmm in] 6,3 g [[Nm m] 9 h [[Nmmm in] g [[Nmm ] PE1 6,3,2 3,1 3,1 SNF Ilość C3A [%] Ilość C3A [%] 12 Rys. 18. Wpływ ilości C3A na g i h po 1 min zapraw cementowych o W/C =,55 z 1 % (PE1), lub 2% SP wg tabl. 2. Pow. właściwa cementu 37 cm2/g Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 5 pomiarów dla różnych ilości Na2Oeq i SO3. 15,3 SNF SMF SNF SNF 12,4 1,1 SMF SMF PE1,4 PE1,2, Ilość C3A [%] 9 h [[Nm m m in] 6,3 g [[Nmm] 9 h [[Nmmmin] g [[Nmm],7 Ilość Na2Oeq [%],5 PE1 PE1 2,3 15 SNF SMF 1,1 PE1 Rys. 2. Wpływ ilości Na2Oeq na g i h po 1 min zapraw cementowych o W/C =,55 z 1% (PE1) lub 2% SP wg tabl. 2. Powierzchni właściwa cementu 37 cm2/g Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 5 pomiarów dla różnych ilości C3A i SO3.,5 12,7 Ilość Na2Oeq [%] SMF 7 Ilość C3A [%] 12 Rys. 19. Wpływ ilości C3A na g i h po 6 min zapraw cementowych o W/C =,55 z 1 % (PE1), lub 2% SP wg tabl. 2. Pow. właściwa cementu 37 cm2/g Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 5 pomiarów dla różnych ilości Na2Oeq i SO3.,2,1 2,3,3,7 Ilość Na2Oeq [%] 1,1,3,7 1,1 Ilość Na2Oeq [%] Rys. 21. Wpływ ilości Na2Oeq na g i h po 6 min zapraw cementowych o W/C =,55 z 1% (PE1) lub 2% SP wg tabl. 2. Powierzchni właściwa cementu 37 cm2/g Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 5 pomiarów dla różnych ilości C3A i SO3

91 15,5 15,5 PC PC PE1 12,4 PE2 PE1 12 3,2,1 PC PE Ilość C3A [%] 12,3 PE1 PE2,3,7 Ilość Na2Oeq [%] PE3 1,1 PC PC PE1 12 PE1 PE2 PE3,4 PE2 PE3 6,3,2, Ilość C3A [%] 12 Rys. 23. Wpływ ilości C3A na g i h po 6 min zapraw cementowych o W/C =,45 z 2% SP wg tabl. 2. Powierzchni właściwa cementu 37 cm2/g Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 5 pomiarów dla różnych ilości Na2Oeq i SO3.,2 2,3,1 3 7 Ilość C3A [%] h [[Nmm m in] 9 g [[Nm m ] h [[Nm mm in] g [[Nm m ] 1,1 PE2,5 PE3 PE3 2,7 Ilość Na2Oeq [%] PE1 Rys. 24. Wpływ ilości Na2Oeq na g i h po 1 min zapraw cementowych o W/C =,45 z 2% SP wg tabl. 2. Powierzchni właściwa cementu 37 cm2/g Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 5 pomiarów dla różnych ilości C3A i SO3.,4 PE2,1 15 PC,2 3 12,5 PC PE1 6,3 PC Rys. 22. Wpływ ilości C3A na g i h po 1 min zapraw cementowych o W/C =,45 z 2% SP wg tabl. 2. Powierzchni właściwa cementu 37 cm2/g Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 5 pomiarów dla różnych ilości Na2Oeq i SO PE1 PE3 Ilość C3A [%] h [[Nm mm in] 6,3 g [[Nm m ] h [[Nm mm in] g [[Nm m ] PE3 9 2,4 PE2 PE3,3,7 Ilość Na2Oeq [%] 1,1,3,7 1,1 Ilość Na2Oeq [%] Rys. 25. Wpływ ilości Na2Oeq na g i h po 6 min zapraw cementowych o W/C =,45 z 2% SP wg tabl. 2. Powierzchni właściwa cementu 37 cm2/g Każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 5 pomiarów dla różnych ilości C3A i SO3. 89

92 Tempo wzrostu wielkości g w czasie zapraw z badanymi SP zależy od ilości C3A i alkaliów w cemencie g z reguły wzrasta szybciej wraz ze wzrostem ilości C3A, a tempo wzrostu jest największe przy ilości alkaliów,7% (PC1, PE3) lub 1,1% (PE1i, PE1ii, PE2). Najmniejsze zmiany wielkości g obserwowano dla zapraw z cementami o ilości C3A = 2% i ilości alkaliów,3%. Rodzaj SP decyduje o ilościowym charakterze zmian g w czasie - zaprawy z SP PC i PE3 wykazują mniejsze tempo wzrostu g w czasie niż zaprawy z SP PE1 i PE2. Wielkość h zapraw z badanymi SP wykazuje tendencję do silnego spadku z upływem czasu. Tempo spadku wielkości h zależy od rodzaju SP, ilości C3A i alkaliów w cemencie i jest większe dla zapraw z SP PC i PE3 niż z PE1 i PE2. W przypadku zapraw z SP PE1 i PE2 tempo zmian h wzrasta wraz ze wzrostem ilości C3A, natomiast w przypadku zapraw z SP PC i PE3 minimalne tempo zmian występuje dla cementów z 7% C3A. Większa ilość alkaliów sprzyja szybszemu spadkowi wielkości h w czasie niezależnie od rodzaju SP. 6. Podsumowanie W referacie przedstawiono ogólny charakter wpływu składu i powierzchni właściwej cementu na właściwości reologiczne zapraw modyfikowanych różnymi SP. Przy projektowaniu betonu i kształtowaniu jego urabialności zależności te mogą ułatwić wstępną selekcję i wybór zestawu cementów i SP umożliwiających otrzymanie pożądanych właściwości reologicznych mieszanki. Właściwości reologiczne mieszanek zmieniają się jednak zależnie od rodzaju SP, powierzchni właściwej cementu, ilości C3A, Na2Oeq oraz co najistotniejsze interakcji między tymi czynnikami na tyle istotnie, że ostateczny wybór cementu i SP wymaga zawsze wykonania badań kontrolnych za pomocą reometrycznego testu urabialności. Ze względu na łatwiejsze kształtowanie urabialności i wpływ na efektywność działania SP należy dobierać cementy o możliwie niskim stopniu przemiału, ilości C3A nie przekraczającej 1-11%, optymalnej ilości Na2Oeq w przypadku SP PE i PC jak najniższej, w przypadku SP SNF i SMF ok.,7% oraz optymalnej ilości siarczanów ilość SO3 od 2,5 do 3,5% nie wpływa istotnie na właściwości reologiczne mieszanek. Literatura Aitcin P.-C.: High Performance Concrete. EF&N SPON Kucharska L.: Tradycyjne i współczesne domieszki do betonu zmniejszające ilość wody zarobowej. Cement, Wapno, Beton. 2/2 Proc. of the International RILEM Conference The Role of Admixtures in High Performance Concrete Edited by J.G. Cabrera and R. Rivera Villarreal, Mexico, Proceedings of the Sixth CANMET/ACI Internationale Conference Superplasticizers and Other Admixtures Edited by V.M. Malhorta, Nice, France, 2. Banfill P.F.G: The rheology of fresh mortar. Mag. of Concrete Research, Vol. 43, 1991 Szwabowski J.: Reologia mieszanek na spoiwach cementowych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1999 INFLUENCE OF CEMENT AND SUPERPLASTICIZER ON RHEOLOGICAL PROPERIES OF MORTARS Summary In the paper the results of an investigation of influence of cement chemical and mineralogical combination and specific surface on rheological properties of superplasticized mortars is presented and discussed.

93 IV SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 22 Maciej Urban1 KONSYSTENCJA MIESZANKI SAMOZAGĘSZCZALNEJ A JEJ PARAMETRY REOLOGICZNE 1. Wstęp. Betony samozagęszczalne (BSZ) (ang.: Self-Compacting Concrete SCC) są obecnie najbardziej dynamicznie rozwijaną dziedziną technologii betonu. Charakterystyczną cechą tych betonów jest wyeliminowanie procesów zagęszczania mieszanki w czasie układania. Podstawą cechą BSZ jest więc wysoka płynność mieszanki przy jednoczesnym braku segregacji składników, którą zapewnia się poprzez odpowiednie ukształtowanie jej lepkości. Wniosek z tego, że pod względem fizycznym najłatwiej jest opisać taką mieszankę przy wykorzystaniu modelu Binghama. Niestety w praktyce z reguły nie mamy możliwości skorzystania z metod reometrycznych służących do bezpośredniego określenia tych wielkości, a dysponujemy tylko mało dokładnymi tzw. testami konsystencji. W odniesieniu do betonów normalnej płynności (BNP) napisano już wiele prac, szczególnie nt. powiązania wysokości opadu stożka z granicą płynięcia [1,2,3,4 i wiele innych]. Bardzo niewiele jest natomiast doniesień o próbach powiązania testów konsystencji z parametrami reologicznymi mieszanek BSZ [5,6]. Stąd też przedmiotem niniejszego referatu uczyniono właśnie to zagadnienie. 2. Testy konsystencji dla BSZ Do określania konsystencji BSZ stosuje się najczęściej 4 metody badawcze: dwie do zapraw i dwie do mieszanek betonowych. Do zapraw wykorzystuje się standardowy stożek do zapraw oraz tzw. V-funnel - specjalny lejek wypływowy będący adaptacją lejka Marsha - rys. 1. Mierzonymi wielkościami są odpowiednio średnica rozpływu stożka d oraz czas wypływu zaprawy z lejka tm. Do mieszanek betonowych wykorzystuje się rozpływ stożka Abramsa i skrzynkę wypływową (tzw. L-box) - rys. 2. Bada się w tym przypadku dwa parametry dla stożka i 4 dla L-boxa. Dla stożka są to średnica rozpływu D oraz czas, po jakim zostanie osiągnięty rozpływ o średnicy 5 cm, a dla L-boxa są to czas po którym mieszanka osiągnie odległość 2 i 4 cm od przeszkody z prętów (odpowiednio: t2 i t4) oraz wysokości mieszanki po ustaniu przepływu w dwóch miejscach: przy przeszkodzie z prętów (H1) oraz na końcu skrzynki (H2). Szczegółowe wymiary stożka do zapraw i V-funnela znaleźć można w [5], a L-boxa w [6]. 1 dr inż. Politechnika Krakowska, Kraków, ul. Warszawska 24, mail: murban@imikb.wil.pk.edu.pl 91

94 Rys. 1. Sprzęt do pomiarów właściwości zapraw SCC (stożek i V-funnel) [7]. Rys. 2. Sprzęt do pomiarów właściwości mieszanki SCC (stożek i L-box) [7]. 3. Program badań Badania przeprowadzono w Zakładzie Technologii Betonu Politechniki Krakowskiej jako część większego programu, którego szczegóły można znaleźć w [8]. W niniejszym artykule przedstawiono z konieczności tylko jego skrót. Mieszanki BSZ wykonano zgodnie z regułami metod planowania doświadczeń dla 4 czynnikowego planu quasirotalnego o zmiennych: ilość zaczynu ( dm3/m3), W/(C+D) (.33.41), D/C (5 33 %), Pp (4 48%). Jako dodatku użyto popiołu lotnego, a superpalstyfikator dodawano w ilości zapewniającej spełnienie warunku samozagęszczalności. Zaprawy do mieszanek samozagęszczalnych (ZSZ) powstały jako etap pośredni przy wykonywaniu BSZ. Łącznie wykonano po 26 ZSZ i BSZ. Pomiary reologiczne przeprowadzono na zbudowanym w ZTB PK prototypowym reometrze rotacyjnym RMB-2 [4,8]. Ujemne wartości g dla BSZ i ZSZ na rys. 3-5 wynikają ze stałego przesunięcia zera w aparaturze pomiarowej oraz z faktu, że przyjęty model Binghama jest jedynie modelem przybliżonym [8].