Dr inż. Piotr Freidenberg, mgr inż. Elżbieta Freidenberg, Politechnika Szczecińska. jedynie przy jednym z etapów remontu zapory w Porąbce [8].

Transkrypt

1 Wpływ popiołów lotnych na wybrane właściwości betonów podwodnych Dr inż. Piotr Freidenberg, mgr inż. Elżbieta Freidenberg, Politechnika Szczecińska 32. Wprowadzenie Zastosowanie technologii betonu samozagęszczalnego w połączeniu z nowoczesnymi domieszkami zwiększającymi lepkość umożliwiło powstanie betonu podwodnego samozagęszczalnego nowego materiału pozwalającego na wykonanie konstrukcji betonowej pod wodą bez konieczności zagęszczania mieszanki i przy ograniczeniu strat wypłukania w trakcie betonowania do minimum. Technologia betonowania podwodnego (ang. Underwater concrete UWC) umożliwiła realizację takich obiektów, jak tamy, śluzy, zapory, fundamenty mostów oraz naprawę istniejących konstrukcji []. Prekursorem powstania nowoczesnych betonów podwodnych są Niemcy, gdzie w 989 roku wynaleziono domieszkę chemiczną, która zwiększała lepkość betonu w kontakcie z wodą i zapobiegała jego segregacji [2, 3]. Betony podwodne są szeroko stosowane w Japonii, a ich rozwój związany jest z dynamicznym rozwojem technologii betonów samozagęszczalnych oraz rynku domieszek chemicznych do betonu [4]. Drugim regionem, w którym obserwuje się już od wielu lat dynamiczny rozwój technologii betonowania podwodnego są Stany Zjednoczone [, 6, 7, 8]. W Europie betony podwodne znalazły duże zastosowanie w takich krajach jak Niemcy [2, 3] oraz kraje skandynawskie. W Polsce, samozagęszczalne betony podwodne zastosowano jedynie przy jednym z etapów remontu zapory w Porąbce [8]. Zastosowanie betonów samozagęszczalnych w technologii betonowania podwodnego jest zagadnieniem nowym, a wprowadzenie na rynek nowych domieszek kompleksowych, spowodowało dość dynamiczny rozwój zastosowania betonów SCC w technologii betonowania podwodnego. Betony podwodne, w tym również betony podwodne samozagęszczalne, wymagają stosowania domieszek zwiększających lepkość tzw. domieszek antyrozpływowych, w literaturze określanych również jako domieszki typu AWA (ang. antiwashout admixture) []. Ich zadaniem jest zwiększenie lepkości mieszanki betonowej, tak, aby nie ulegała ona segregacji, a przede wszystkim wypłukiwaniu w trakcie betonowania pod wodą, oraz zapewniała odporność na działania erozyjne dojrzewającego w konstrukcji betonu [6, 7]. Pomiędzy kryteriami jakie powinny spełniać mieszanki UWC według wymagań japońskich [4], amerykańskich [7] czy niemieckich [3] występują wyraźne różnice. Kryteria te oparte są w głównej mierze na jednoparametrycznych testach urabialności mieszanek betonowych, takich jak: oznaczanie konsystencji metodą stożka Abramsa, czas przepływu mieszanki przez lejek V-funnel, badanie samozagęszczalności za pomocą aparatu L-box czy przepływu przez zbrojenie pierścieniem J-ring. Wymienione metody badawcze są uznawane za podstawowe testy stosowane do badania betonów samozagęszczalnych [9]. Dla samozagęszczalnych betonów podwodnych wartości graniczne tych testów wykazują w wielu przypadkach znaczne różnice w porównaniu z betonami SCC wykonywanymi w środowisku powietrzno-suchym [, 4,, 6]. Istotnym zagadnieniem przy projektowaniu mieszanek UWC jest ograniczenie odporności mieszanki betonowej na wypłukanie i erozję podczas betonowania i dojrzewania betonu. Zależności pomiędzy wielkością strat wypłukania a takimi parametrami mieszanki, jak: w/c, zawartość procentowa domieszki AWA, wpływ dodatków mineralnych (popioły lotne, żużel wielkopiecowy, mączka wapienna) oraz wskaźnik f uw /f air dla betonu są niezwykle cennymi wytycznymi dla technologów przy projektowaniu składu mieszanek. W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu popiołów lotnych na właściwości betonów podwodnych. Dodatek popiołów lotnych pozwala uzyskać lepszą urabialność mieszanki betonowej oraz poprawia trwałość betonu. Ważnym czynnikiem zastosowania popiołów jest aspekt ekonomiczny. Zastosowanie tego dodatku może prowadzić do zastąpienia części cementu tańszym materiałem, co jest niezwykle istotne w realizacji betonowych konstrukcji masywnych. 2. Charakterystyka materiałów stosowanych w badaniach Badania przeprowadzono na pię ciu mieszankach betonowych PRZEGLĄD BUDOWLANY / 27

2 KONSTRUKCJE ELEMENTY MATERIAŁY Tabela. Skład [ Nr Cement Popiół lotny Pop.lotny/ cement [%] Woda [l/m 3 ] Piasek /2 mm Żwir 2/8 mm Żwir 8/6 mm Domieszka AWA klasy B2. Do wykonania mieszanek betonowych zastosowano cement portlandzki CEM I 32, R, kruszywo naturalne frakcjonowane o maksymalnym uziarnieniu do 6 mm, domieszkę do betonów podwodnych Rescont firmy MAPEI oraz popiół ] MPa [ Rys.. Wytrzymałość na ściskanie próbek betonowych MPa ] 4, 4 3, 3 2, 2, fc,air wytrzymałość na ściskanie metoda sucha fc,uw wytrzymałość na ściskanie metoda mokra fct,air wytrzymałość na rozciąganie metoda sucha fct,uw wytrzymałość na rozciąganie metoda mokra lotny pochodzący z Elektrowni Dolna Odra, o gęstości właściwej równej 2, g/cm 3 i stratach prażenia poniżej %. Projektowane mieszanki posiadały konsystencję na granicy ciekłej i półciekłej przy zachowaniu stałego wskaźnika wodno-spoiwowego w/s=,4. Przyjęte składy mieszanek podano w tabeli. W celu scharakteryzowania zmian właściwości mechanicznych wykonanych betonów, przeprowadzono kontrolę wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie na próbkach dojrzewających w środowisku powietrznym i wodnym. Próbki do badań wykonano w formach sześciennych o boku cm dwoma metodami: metodą suchą i metodą mokrą. W metodzie suchej próbki wykonano w formach w warunkach laboratoryjnych bez zagęszczenia mieszanki. Po rozformowaniu próbki były przechowywane w komorze klimatycznej w warunkach powietrzno- -suchych. W drugiej metodzie mokrej mieszanka betonowa wylewana była do form przez 2-cm warstwę wody. Po 48 godzinach próbki rozformowywano i umieszczono w pojemnikach z wodą o temperaturze 2+/ 2 C i zawartości NaCl 8. Po 28 dniach od momentu zaformowania próbki poddawano badaniom. Badanie na rozciąganie przeprowadzono tzw. metodą brazylijską przez rozłupywanie. Zbiorcze zestawienie wyników badań przedstawiono na rysunkach i 2., Rys. 2. Wytrzymałość na rozciąganie próbek betonowych PRZEGLĄD BUDOWLANY / Zakres i metodyka prowadzenia badań Program badań obejmował wykonanie dla projektowanych mieszanek i betonów następujących badań: 33

3 34 Rys. 3. Wielkość rozpływu stożka Abramska [s] Czas R ozp ł yw [cm ] oznaczenia nasiąkliwości wagowej, testu konsystencji metodą odwróconego stożka Abramsa, min. od zarobu 3 min. od zarobu 6 min. od zarobu Rys. 4. Czas potrzebny do uzyskania rozpływu mieszanki o średnicy cm C zas przep ł ywu [s ] Zawartość popiołów lotnych w mieszance [%masy cementu] Rys.. Czas wypływu z aparatu V-funnel min. od zarobu 3 min. od zarobu 6 min. od zarobu testu przepływu w aparacie V-funnel, testu urabialności w aparacie L-box. Oznaczenie nasiąkliwości wagowej przeprowadzono na kostkach sześciennych o boku cm, formowanych i przechowywanych w wodzie. Próbki po 28 dniach dojrzewania w wodzie były ważone z dokładnością do,2 g, a następnie suszone do stałej masy. Nasiąkliwość betonu określano z dokładnością do,%. Test konsystencji przeprowadzono metodą odwróconego stożka Abramska. Wynikiem badania była średnica, jaką utworzyła mieszanka betonowa po rozlaniu oraz pomiar czasu, jaki potrzebuje mieszanka na utworzenie okręgu o średnicy cm. Badanie konsystencji wykonano po upływie, 3 i 6 minut od momentu zarobienia mieszanki betonowej. Przy teście przepływu w aparacie V-funnel mierzono czas wypływu mieszanki betonowej. W teście urabialności L-box mierzono czas, po którym mieszanka osiągnie odległość 2 i 4 cm od zasuwy oraz wysokości mieszanki betonowej H i H2 w pojemniku. 4. Wyniki badań Otrzymane wyniki badań wytrzymałości na ściskanie (rys.) i rozciąganie (rys. 2) wykazują, że niezależnie od warunków w jakich dojrzewały próbki betonowe, mieszanki wykonane bez dodatku popiołu lotnego wykazywały największą wytrzymałość. Zwiększenie zawartości popiołu lotnego w mieszance betonowej (przy stałej wartości wskaźnika w/s) obniża wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie, niezależnie od warunków dojrzewania. Na podstawie wyników badań konsystencji (rys. 3 i 4) można zauważyć, że wraz ze wzrostem ilości popiołu lotnego w mieszance wielkość rozpływu stożka rośnie, a czas, jaki potrzebuje mieszanka betonowa na utworzenie okręgu o średnicy cm maleje. Wyniki badań mieszanek uzyskane w aparacie V-funnel (rys. ) wska- PRZEGLĄD BUDOWLANY / 27

4 KONSTRUKCJE ELEMENTY MATERIAŁY C zas przep ł ywu [s ] Rys. 6. Czas przepływu przez zbrojenie H2/H zują, że im mniej popiołu lotnego dodano do mieszanki, tym mniejszą dynamikę przepływu miała PRZEGLĄD BUDOWLANY / 27 odległość 2 cm odległość 4 cm Rys. 7. Wartości H2/H próbek betowych o różnej zawartości popiołu lotnego N asi ą k liw o ś ć wagowa [% ],9,8,7,6,,4,3,2, Rys. 8. Nasiąkliwość wagowa próbek betonowych o różnej zawartości popiołów lotnych mieszanka. Zwiększenie ilości popiołu lotnego powodowało zmniejszenie lepkości mieszanki betonowej, a tym samym skróciło czas przepływu. Badania urabialności mieszanek betonowych w aparacie L-box (rys. 6) wykazały, że mieszanki z różną procentową zawartością popiołu lotnego zachowywały się jak w przypadku badania V-funnel. Najkrótszy czas przepływu miała mieszanka z % zawartością popiołu w stosunku do cementu. Wraz ze wzrostem ilości dodawanego popiołu, wzrasta stosunek H2/H (rys. 7). Spowodowane jest to upłynniającymi właściwościami popiołów lotnych. Wyniki badań nasiąkliwości przedstawiono na rysunku 8.. Analiza wyników badań Możliwość zastosowania betonu podwodnego w konstrukcji z uwagi na wielkość obciążeń, określa wytrzymałość względna wyrażająca stosunek procentowy wytrzymałości betonu dojrzewającego pod wodą do wytrzymałości betonu dojrzewającego w warunkach powietrzno- -suchych. Zestawienia wytrzymałości względnej na ściskanie i rozciąganie dla badanych betonów przedstawiono w tabeli 2. Według zaleceń amerykańskich i kanadyjskich [7, 7] beton podwodny jest zaprojektowany prawidłowo, gdy wytrzymałość względna wynosi co najmniej 7%. Wymagania japońskie [4] są bardziej rygorystyczne dopuszczają wytrzymałość względną na ściskanie i rozciąganie minimum 8%. Dodatek popiołów lotnych spowodował obniżenie wytrzymałości względnej na ściskanie. Uzyskane wytrzymałości względne na ściskanie dla trzech pierwszych betonów kształtowały się powyżej 7%, co zgodnie z wymogami amerykańskimi [7] dopuszcza te betony do zastosowania w konstrukcjach podwodnych. Według zaleceń japońskich [4] rozpływ mieszanki UWC gwarantujący dobre wypełnienie szalunku powinien wynosić od 4 3

5 36 Tabela 2. Zawartość popiołu lotnego w mieszance [% masy cementu] do mm, a przy betonach samopoziomujących w granicach od do 6 mm. Wytyczne amerykańskie [7] określają wielkość rozpływu w granicach 3 mm. Uzyskane wielkości rozpływu spełniały powyższe zalecenia, niezależnie od czasu przeprowadzenia badania (, 3, 6 minut) od zarobienia mieszanki betonowej. Jednak żadna mieszanka nie uzyskała zalecanego czasu rozpływu o średnicy cm, który powinien wynosić od 2 do 8 sekund. Do określenia dynamiki przepływu mieszanki w urządzeniach podających, wykorzystywany jest test V-funnel. Zakłada się, że graniczny czas przepływu mieszanki betonowej powinien wynosić nie więcej niż 2 sekund [9]. Żadna z badanych mieszanek nie osiągnęła zakładanego czasu przepływu nawet z dodatkiem % popiołu lotnego. Przy badaniu samozagęszczalności i ich zdolności do samopoziomowania w aparacie L-box, tylko mieszanki z dodatkiem 4 i % popiołu lotnego osiągnęły zalecane wartości H2/H w przedziale od,8 do, [9]. Wyniki badania nasiąkliwości wagowej wskazują, że dodatek popiołów lotnych do mieszanek betonowych ma nieznaczny wpływ na wielkość nasiąkliwości betonu. Otrzymane wyniki nie przekraczały dopuszczalnych wartości dla danego typu betonu. Przy dodatku 3% popiołów f c,uw /f c,air [%] f ct,uw /f ct,air [%] lotnych w mieszance betonowej zaobserwowano spadek nasiąkliwości betonu. 6. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że dodatek popiołu lotnego (przy stałej wartości wskaźnika w/s) zmniejsza lepkość mieszanki betonowej, poprawiając jej właściwości samozagęszczalne. Jednakże dodatek popiołów lotnych powyżej 3% masy cementu powoduje znaczy spadek wytrzymałości betonu na ściskanie, co dyskwalifikuje zastosowanie takiego betonu w konstrukcjach podwodnych. Wyniki badań rozpływu i samozagęszczalności wskazują, że istnieje możliwość stosowania tych mieszanek przy betonowaniu podwodnym do wykonywania elementów konstrukcyjnych z małą ilością zbrojenia. Poprawny dobór składników betonu podwodnego powinien opierać się na przyjęciu założeń odnośnie klasy wytrzymałości, przeznaczenia betonu, warunków eksploatacji konstrukcji, konsystencji i właściwości reologicznych mieszanki związanej z przewidywaną technologią betonowania. BIBLIOGRAFIA [] McLeish A., Underwater concreting and repair. Halsted Press. New York, 994 [2] Tegelaar R., Giesbrecht P., Unterwasserbeton. Bohrpfahlbeton. Verlag Bau+Technik GmbH, Dusseldorf, 998 [3] Hildebrandt H., Stapel J., Wooge M., Unterwasserbeton mit Stahlfasern. Beton, 996, Nr, s [4] JSCE, Japan Society of Civil Engineers, Recommendations for Design and Construction of Anti-Washout Under-water Concrete, Concrete Library of JSCE, Vol. 9, 992 [] Khayat K. H., Effect of antiwashout admixtures on fresh concrete properties. ACI Materials Journal, 99, Nr 3, s [6] Sonebi M., Khayat K. H., Effect of mixture composition on relative strength of highly flowable underwater concrete. ACI Materials Journal, 2, Nr 3, s [7] Yao S. X., Berner D. E., Gerwick B. C., Assessment of Underwater Concrete Technologies for In-the-Wet Construction of Navigation Structures. Tech. Rep. INP-SL-, U.S. Army Corps of Engineers, 999 [8] Tracz T., Kańka S., Radło W., Betonowanie podwodne betonem samozagęszczalnym jako jeden z etapów remontu zapory w Porąbce. Konferencja Dni Betonu. Tradycja i Nowoczesność, Polski Cement, Kraków 26, s [9] EFNARC, Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete, May 2, s. 47 [] Testing SCC Growth Contract No G6RD-CT-2-8 Summary Report X, 24 [] CRD C9-89A: Test Method for Determining the Resistance of Freshly- Mixed Concrete to Washing out Water. U.S. Army Experiment Station, Vicksburg 989 [2] Sonebi M., Factorial design modeling of mix proportion parameters of underwater composite cements grouts. Cement and Concrete Research, 2, Vol. 3, s. 3 6 [3] Khayat K. H., Assaad J., Relationship between washout resistance and rheological properties of high-performance underwater concrete. ACI Materials Journal, 23, Nr, s [4] Kaszyńska M., Nowak A. S., Effect of mixing tolerances on performance of self-consolidating concrete (SCC), 3rd PCI/FHWA International Symposium oh High Performance Concrete, Orlando 23, s. [] Lachemi M., at all: Self -consolidating concrete incorporating new viscosity modifying admixtures. Cement and Concrete Research, 24, Vol. 34, s [6] Horszczaruk E., Betony podwodne, Przegląd Budowlany 9/2, s. 2 2 [7] Sonebi M., Khayat K. H., Effect of Mixture composition on Relative Strength of Highly Flowable Underwater Concrete, ACI Materials Jornal, 2, V. 98, No. 3, May-June, s PRZEGLĄD BUDOWLANY / 27