Zastosowanie cementów hutniczych w betonach specjalnych The application of blustfurnace slag cements in special concretes

Transkrypt

1 Dr inż., Agnieszka Ślosarczyk Politechnika Poznańska, Instytut Konstrukcji Budowlanych Zastosowanie cementów hutniczych w betonach specjalnych The application of blustfurnace slag cements in special concretes Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań właściwości fizykomechanicznych betonów opartych na cemencie hutniczym, dojrzewających w obniżonej temperaturze oraz zawierających dodatek popiołów lotnych i włókien polipropylenowych. Wykazano, że betony poddane działaniu niskiej temperatury, na wczesnym etapie twardnienia, wykazywały niższe przyrosty wytrzymałości na ściskanie niż betony dojrzewające w temperaturze pokojowej. Po umieszczeniu próbek w wodzie w temperaturze pokojowej, w przypadku betonów poddanych działaniu obniżonej temperatury, obserwowano znacznie szybsze tempo przyrostu wytrzymałości na ściskanie. Po okresie 56 dni zarówno próbki referencyjne, jak i próbki po działaniu obniżonej temperatury wykazywały taki sam przyrost wytrzymałości, przy czym końcowa wytrzymałość betonu poddanego działaniu obniżonej temperatury była o 20 % niższa od wartości uzyskanej dla próbek referencyjnych. Betony z dodatkiem zarówno popiołów lotnych jak i włókien polipropylenowych wykazywały lepszą odporność na pękanie i ścieranie oraz niższy skurcz podczas wysychania w porównaniu z betonami modyfikowanymi samymi popiołami lotnymi. Abstract In this paper, the results of physicomechanical properties of concrete based on blustfurnace slag cement, hardening in a low temperature and containing the additives of fly ashes and polypropylene fibres, were presented. It was shown that concrete subjected to low temperature, at the early stage of hardening, indicated the lower increase of compressive strength than concrete hardening in room temperature. In the latter stage, when samples followed by the low temperature treatment were placed into water, the higher increment of compressive strength was observed. After 56 days of curing the reference samples as well as the samples subjected to low temperature showed the same increase of compressive strength. However, the total compressive strength of concrete treated with low temperature was about 20 % lower than corresponding value for reference concrete. The concretes with both fly ashes and polypropylene fibres indicated better resistance to cracking and abrasion, and lower drying shrinkage than those modified only with fly ashes.

2 1. Wprowadzenie Cementy hutnicze charakteryzują się stabilnymi przyrostami wytrzymałości, bardzo dobrą dynamiką narastania wytrzymałości w długich okresach dojrzewania, wysoką odpornością na korozję chemiczną oraz niskim ciepłem hydratacji [1-4]. Z uwagi na powyższe właściwości oprócz wykorzystania w produkcji typowych betonów towarowych, cementy hutnicze mogą znaleźć zastosowanie w konstrukcjach i elementach prefabrykowanych dojrzewających w podwyższonej temperaturze, konstrukcjach masywnych, betonach o podwyższonej odporności na agresję chemiczną [5], budownictwie hydrotechnicznym czy budownictwie komunikacyjnym [6-7]. Mankamentem betonów wykonanych z cementów hutniczych jest ich niska odporność na działanie obniżonych temperatur, co sprawia wiele problemów technologicznych na etapie wykonywania robót betonowych/budowlanych w okresie jesienno-zimowym. W pracy przedstawiono wyniki badań betonów specjalnych o podwyższonych parametrach fizykomechanicznych z wykorzystaniem cementu hutniczego CEM III A 42,5 N HSR/NA z przeznaczeniem w budownictwie mostowo-drogowym oraz w budownictwie hydrotechnicznym. Badano wpływ obniżonej temperatury na mikrostrukturę i parametry mechaniczne betonów oraz dodatkowo wpływ popiołów lotnych i włókien polipropylenowych na wybrane właściwości fizykomechaniczne betonów. 2. Część doświadczalna Do zaprojektowania składu mieszanek betonowych poddanych działaniu obniżonej temperatury wykorzystano następujące składniki: CEM III 42,5 N - HSR NA (Małogoszcz),, kruszywo naturalne - piasek 0/2, grys bazaltowy 2/8, grys bazaltowy 8/16, domieszka upłynniająca SKORBET (Lubanta), domieszka napowietrzająca BETOSTAT (Lubanta). Natomiast do betonów z dodatkiem włókien polipropylenowych zastosowano popiół lotny FLUBET oraz kruszywo naturalne żwir 2/8, żwir 8/16 (żwirownia w Dąbrowie koło Poznania). Wyniki podstawowych właściwości cementu CEM III A 42,5 N HSR/NA użytego do wykonania mieszanek betonowych przedstawiono w tabeli 1. Dodatek FLUBET jest aktywowanym popiołem lotnym pochodzącym ze spalania węgla kamiennego lub brunatnego w kotłach o spalaniu fluidalnym. FLUBET został dodany w miejsce cementu w ilości 20 % masy spoiwa, co w przypadku zastosowanego cementu hutniczego stanowiło maksymalną ilość zalecaną przez producenta. Parametry włókien polipropylenowych zestawiono w tabeli 2. Właściwy skład mieszanki kruszyw ustalono na podstawie badania poszczególnych rodzajów kruszyw metodą kolejnych przybliżeń do momentu uzyskania maksymalnej szczelności stosu okruchowego kruszywa. Receptury mieszanek betonowych oraz konsystencję oraz stopień napowietrzenia zestawiono w tabeli 3. Tabela 1 Parametry mechaniczne cementu Wytrzymałość na ściskanie, MPa 2 dni 7 dni 28 dni 56 dni CEM III A 42,5 N 9,1 25,8 46,0 50,2 Tabela 2 Wybrane właściwości włókien polipropylenowych Długość, mm Średnica, m Wytrzymałość na rozciąganie, MPa Wydłużenie, mm Włókna polipropylenowe PP >80%

3 Tabela 3 Skład mieszanek betonowych wykonanych z cementu CEM III A 42,5 N B1 B2 B3 B4 B5 Cement, kg Popiół lotny, kg Piasek 0/2, kg Grys 2/8, kg Grys 8/16, kg Żwir 2/8, kg Żwir 8/16, kg Woda, dm Skorbet, % m.c. 2 2,5 2,5 2,5 2,5 Betostat, % m.c. 0, Włókna polipropylenowe ,6 0,9 kg/m 3 Konsystencja, VeBe V2 V2 V1/V2 - - Napowietrzenie, % 4, Wyniki badań 3.1 Wpływ obniżonej temperatury we wczesnym okresie dojrzewania betonu na jego mikrostrukturę i właściwości mechaniczne Wyniki wytrzymałości na ściskanie dla betonu dojrzewającego w obniżonej temperaturze przedstawiono w tabeli 4 i na wykresie 1. Próbki po 24 h osiągnęły średnią wytrzymałość na ściskanie 6,3 MPa. Minimalną wytrzymałość 10 MPa, przy której beton wykonany z cementu hutniczego może ulec zamrożeniu została osiągnięta w ciągu kolejnych 12 godzin i po tym okresie próbki betonowe umieszczono w komorze w temperaturze 0 do -2 C na 21 dni. Próbki referencyjne przechowywano w wodzie w temperaturze 20 ± 2 C. Po 21 dniach próbki z komory umieszczono w wodzie, gdzie dojrzewały w temperaturze 20 ± 2 C przez kolejne 2 miesiące. Wyniki badań wytrzymałości na ściskanie wykonano po 7, 21, 28 i 90 dniach. Przy projektowaniu mieszanki betonowej zakładano klasę betonu na poziomie C50/60 oraz napowietrzenie powyżej 4 %, tak aby beton odpowiadał klasom ekspozycji XF i XD. Beton pielęgnowany w wodzie w temperaturze 20 ± 2 C po 7 dniach dojrzewania osiągnął ponad połowę oczekiwanej wytrzymałości, a po 28 dniach twardnienia uzyskał wytrzymałość 70 MPa, co odpowiadało klasie C55/67. W kolejnych dwóch miesiącach nie uzyskano znacznego wzrostu wytrzymałości na ściskanie, po 90 dniach beton charakteryzował się wytrzymałością bliską 80 MPa. Znacznie inaczej kształtowały się przyrosty betonu, który po osiągnięciu wytrzymałości 10 MPa został poddany działaniu obniżonej temperatury przez okres 21 dni. W tym przypadku obniżenie temperatury spowodowało znaczne zwolnienie przyrostu wytrzymałości. Wytrzymałości na ściskanie po 7 i 21 dniach były odpowiednio o 50 i prawie 60 % niższe od wartości uzyskanych dla betonu pielęgnowanego w temperaturze pokojowej. Po umieszczeniu próbek w wodzie w temperaturze pokojowej, w przypadku betonów poddanych działaniu obniżonej temperatury, obserwowano znacznie szybsze tempo przyrostu wytrzymałości, niż w tym samym okresie w przypadku referencyjnych próbek betonu. Po okresie 56 dni zarówno próbki referencyjne, jak i próbki po działaniu obniżonej temperatury wykazywały taki sam przyrost wytrzymałości, przy czym końcowa wytrzymałość betonu poddanego działaniu obniżonej temperatury była o 20 % niższa od wartości uzyskanej dla próbek referencyjnych. Przedstawione wyniki badań potwierdzają rezultaty innych badaczy [2, 7], według których betony wykonane na cemencie hutniczym z uwagi na niskie ciepło

4 Wytrzymałość na ściskanie. Mpa hydratacji charakteryzują się wolnym przyrostem wytrzymałości w początkowej fazie dojrzewania. Dodatkowe obniżenie temperatury w początkowym okresie narastania wytrzymałości rzutuje na spadek wytrzymałości betonu w późniejszym okresie. Na rys. 2 przedstawiono obrazy mikrostruktury betonów w zależności od warunków pielęgnacji. Po 21 dniach obserwowano znaczne rozluźnienie mikrostruktury zaczynu cementowego w porównaniu do betonów pielęgnowanych w temperaturze pokojowej. Po umieszczeniu próbek w wodzie, po 90 dniach nastąpiło zagęszczenie mikrostruktury zaczynu cementowego. Obrazy mikrostruktury badanych betonów odpowiadają tendencji przyrostu wytrzymałości na ściskanie i wzrostowi ciężaru objętościowego betonu (tabela 4). Tabela 4 Parametry betonu w zależności od warunków pielęgnacji Średnia wytrzymałość na ściskanie, MPa Woda 20 C Ciężar objętościowy, kg/m 3 Do 21 dnia komora (0 do -2 C) Ciężar objętościowy, kg/m 3 (M) po 1 dniu 6,3 2, dni 39,5 2,602 19,6 2, dni 62,7 2,613 24,3 2, dni 70,5 2,622 41,9 2, dni 79,4 2,645 62,3 2, Czas dojrzewania, dni w wodzie 1-21 (komora 0 do -2 C) Rys. 1. Średnia wytrzymałość na ściskanie w czasie w zależności od warunków dojrzewania betonu

5 Po 21 dniach (woda 20 C) Po 21 dniach (komora 0 do -2 C) Po 90 dniach (woda 20 C) Rys. 2. Mikrostruktura betonów po 21 dniach w wodzie i w komorze w temperaturze 0 do -2 C oraz po 90 dniach dojrzewania 3.2 Wpływ dodatku popiołu lotnego i włókien polipropylenowych na właściwości fizykomechaniczne betonu W drugiej części pracy przedstawiono wyniki badań nad wpływem dodatku popiołu lotnego fluidalnego i włókien polipropylenowych na właściwości fizykomechaniczne betonu. W założeniach projektowych założono klasę wytrzymałości na poziomie C30/37. Betony te projektowane były z uwzględnieniem klas ekspozycji XA i XM na kruszywie otoczakowym z przeznaczeniem jako betony o podwyższonej szczelności, ścieralności i odporności chemicznej. Wyniki badań przedstawiono w tabeli 6 oraz na rys. 3. Z uwagi na to, że jako

6 spoiwo cementowe zastosowano cement o niskim cieple hydratacji oraz dodatek popiołów lotnych wszystkie badania przeprowadzono po 56 dniach wiązania. Tabela 6 Parametry fizykomechaniczne betonów z dodatkiem popiołów lotnych i włókien polipropylenowych Właściwość B2 B3 B4 (+0,6 % PP) B5 (+0,9 % PP) Wytrzymałość na ściskanie 56 dni, MPa 34,3 40,5 37,2 40,8 Wytrzymałość na zginanie, MPa 5,7 5,1 5,1 4,9 Energia przy maksymalnym 5,1 4,6 4,9 5,9 wydłużeniu, J Skurcz podczas wysychania, mm/m 1,15 1,23 0,64 0,09 Ubytek masy po ścieraniu, % 2,68 3,17 1,43 1,23 Maksymalne ciśnienie utrzymane przez 1,2 1,2 1,2 1,2 ostatnie 24 h, MPa Średnia głębokość przenikania wody, mm Ścieralność - ubytek masy, % Skurcz, mm/m Energia przy max. wydłużeniu, J 5,9 5,1 4,6 4,9 2,68 3,17 1,15 1,23 1,43 0,64 1,23 0,09 B2 B3 B4 B5 Rys. 3. Porównanie wybranych parametrów w zależności od składu betonu W badaniach wykazano, że zastąpienie cementu CEM III 42,5 N popiołem lotnym (FLUBET) w zalecanej ilości do 20 % m.c. poprawiło wytrzymałość na ściskanie betonu po 56 dniach

7 wiązania, natomiast pogorszyło takie parametry betonu jak wytrzymałość na zginanie, odporność na ścieranie oraz skurcz podczas wysychania. Natomiast pozytywny wpływ na właściwości fizykochemiczne betonu otrzymano w przypadku dodania włókien polipropylenowych w ilości 0,6 i 0,9 kg/m 3. Łączne zastosowanie dodatku popiołów lotnych i włókien polipropylenowych poprawiło o ponad 50% odporność betonu na ścieranie oraz znacznie zredukowało skurcz betonu. Wyniki badań odpowiadają wynikom przedstawionym w pracy [8]. Wzrost odporności na zniszczenie abrazyjne obserwowano również w przypadku betonów modyfikowanych włóknami polipropylenowymi, w odróżnieniu od betonów z dodatkiem włókien stalowych. Ponadto przeprowadzone badania wykazały, że dodatek włókien polipropylenowych zwiększył odporność matrycy cementowej na pękanie, czemu odpowiadał wzrost energii zniszczenia przy maksymalnym wydłużeniu. Najlepsze parametry uzyskał beton wykonany według receptury B5 z 20 % dodatkiem popiołów lotnych i włóknami polipropylenowymi dodanymi w ilości 0,9 kg/m 3. Betony te charakteryzowały się również bardzo wysoką wodoszczelnością. 4. Wnioski Badania betonów o podwyższonych właściwościach fizykomechanicznych opartych na cemencie hutniczym CEM III 42,5 N wykazały, że: - niska temperatura (0 do -2 C) w początkowym okresie dojrzewania betonu z cementu hutniczego znacznie obniża jego wytrzymałość na ściskanie. Wytrzymałości zaczynają narastać po ponownej pielęgnacji w temperaturze pokojowej, przy czym końcowa wytrzymałość na ściskanie betonów poddanych działaniu obniżonej temperatury była o około 20 % niższa od wartości uzyskanej dla betonów referencyjnych. - łączne zastosowanie dodatku popiołów lotnych i włókien polipropylenowych poprawiło o ponad 50% odporność betonu na ścieranie oraz znacznie zredukowało skurcz betonu. Ponadto dodatek włókien polipropylenowych, zwłaszcza w ilości 0,9 kg/m 3 zwiększył odporność matrycy cementowej na pękanie, czemu odpowiadał wzrost energii zniszczenia przy maksymalnym wydłużeniu. Badania zostały wykonane w ramach stażu przemysłowego realizowanego w PIW Lubanta przy współudziale Poznańskiego Inkubatora Przedsiębiorczości.

8 5. Literatura [1] J. Bijen, Blast Furnace Slag for Durable Marine Structures. Cement.Stichting Beton Prisma, Hertogenbosh [2] J. Małolepszy, Właściwości betonu z zastosowaniem cementu hutniczego CEM III/A, Sympozjum Naukowo-Techniczne Beton w budowie obiektów hydrotechnicznych i oczyszczalni ścieków, Chorula 1998, s [3] A. Ślosarczyk, Zastosowanie cementów hutniczych i domieszek chemicznych w projektowaniu betonów specjalnych, Mosty, 1, 2012, s [4] A. M. Neville, Właściwości betonu. Polski Cement, Kraków [5] A. Łowińska-Kluge, Żużel pomiedziowy jako składnik kompozytów cementowych o zwiększonej trwałości, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [6] Z. Giergiczny, Cementy w ofercie handlowej Górażdże Cement S.A. Normalizacja, nowe produkty i właściwości, Sympozjum Naukowo-Techniczne Beton i jego składniki, Poznań 2003, s [7] O. Rajski, W. Rowińska, Zastosowanie cementów z dodatkiem granulowanych żużli wielkopiecowych (CEM II i CEM III) w budownictwie komunikacyjnym, Sympozjum Naukowo-Techniczne Beton i jego składniki. Normalizacja, właściwości i zastosowanie, Poznań 2003, s [8] E. Horszczaruk, J. Kasperkiewicz, W. Pichór, Mikrostruktura BWW narażonych na zniszczenie abrazyjne, 51 Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB, Gdańsk-Krynica 2005, s/