THE EFFECT OF AIR ENTRAINING ADMIXTURES AND CEMENT TYPES ON THE PROPERTIES OF FRESH MORTAR

Transkrypt

1 WOJCIECH PIASTA 1 JULIA MARCZEWSKA 2 Kielce University of Technology 1 e-mil: wpist@tu.kielce.pl 2 e-mil: jmrczewsk@tu.kielce.pl THE EFFECT OF AIR ENTRAINING ADMIXTURES AND CEMENT TYPES ON THE PROPERTIES OF FRESH MORTAR A s t r c t In order to explin the effect of ir entrining dmixture (AEA) nd the type of cement on the properties of fresh mortr, the following tests were crried: ulk density, flow nd ir content of 10 ir entrined mortrs nd 10 non ir entrined mortrs mde of ordinry Portlnd cement (OPC) nd lended Portlnd cements: lst furnce slg (BSF) limestone powder (LP), fly sh - limestone, fly sh (FA) nd (BFS) cement. It hs een found tht the modern nionic AEAs from the group of lkyl sulftes re much more efficient nd ctive thn trditionl ones i.e. sodium iette. It is difficult to entrin ir into mortrs with cement of vrious types to the sme content of ir. This requires to crry out numer of tests to determine the pproprite mounts of AEA. The ir entrinment of LP cement mortr does not significntly chnge its flow. The ir entrinment of BSF nd FA cement mortrs increses their workility. The lowest content of ir ws stted in non-ir-entrined mortrs with FA cement, the highest ir content ws oserved in BFS cement mortrs. According to the results the ulk density of mortrs is inversely proportionl to the mount of ir entrined. Keywords: ir entrinment, minerl dmixtures, ir content, ulk density, flow. 1. Introduction The optiml (economicl nd efficient) wy to improve frost resistnce of concrete nd mortr is ir entrinment. The most effective ir content in concrete mixes contining ggregte grins of dimeter d mx = 16 mm is 5-6% (ccording to PN-EN 206-1, the minimum vlue is 4%). However, the mount of ir in the mortr is not specified [9]. The ir content in the frost resistnt mortr my e ssumed to e equl to out 10% (twice s much s in concrete), s the content volume of mortr in concrete mix is out 50%. AEAs molecules in the solution help entrin ir ules nd stilize them in the fresh concrete. The AEAs re surfce ctive. They decrese surfce tension t wter nd ir (or vpour) interfce. The structure of ir entrining surfctnt molecules is very prticulr. They hve their hydrophilic hed nd hydrophoic til (chin). Most of the modern AEAs re nionic ecuse of the stility of ir voids entrined [2]. The nionic surfctnts include: n-lkylcroxyltes (n-rcoo - ), n-lkylsulfontes (n-rso 3- ) nd n-lkylsulftes (n-rso 4- ), with hydrocron chin lengths etween C 7 nd C 12. The two min fetures of the AEAs re their composition nd size of hydrophoic chin nd the nture nd size of their hydrophilic hed group ffecting surfce ctivity nd their soluility in cement pste solution. Mximum ir entrinment is otined with surfctnts of intermedite chin length ecuse their surfce ctivity nd soluility vry in opposite directions. The hydrophilic hed group increses the ir entrinment in the order croxylte sulfonte sulphte in line with the respective soluility of surfctnts [7]. A numer of other nionic AEAs exist in the mrket, including solule slts (usully sodium) of wood resins, wood rosins, steric cid, tll oil ftty cid, s well s, sodium iette nd lignosulfonic cid [1]. Anlyzing the literture [5] in the rnge of concrete technology, it cn e seen tht the ir entrinment increses dimeter of flow nd reduces ulk density. The effect of AEAs on the properties of fresh mortrs nd concrete mixes is different prticulrly when they contin minerl dmixtures [3, 4, 12]. Becuse of the high inconvenience in ir entrinment of lended 11

2 Wojciech Pist, Juli Mrczewsk cement mortrs nd concretes it hs een proposed to replce AEAs with polymer microspheres [11]. However, the ppliction of microspheres is expensive. In the pper, the results of studies of fresh ir entrined mortr nd non ir entrined cement mortrs mde with ten different cements re presented. 2. Experimentl The studies were crried out to determine the effect of the following fctors: efficiency of the two AEAs (AEAs type nd mount), ir content nd type of cement on the properties of fresh mortrs. The tested mortr properties were: ir content, flow nd ulk density Mterils A study of ir entrined nd non ir entrined mortrs of the rtio w/c = 0.55 ws crried out. The following types of cement were used: ordinry Portlnd cement CEM I 42.5 R, nd lended Portlnd cements: slg nd limestone CEM II/AM (S-LL) 52.5 N, fly sh nd limestone CEM II/BM (V-LL) 32.5 R, fly sh (FA) CEM II/BV 32.5 R nd lst furnce slg (BFS) CEM III/A 32.5 N. The tests were lso done using the sme cements from nother cement plnts. The percentge of minerl dmixtures in cements used in the studies is shown in Tle 1. A totl of 20 ir entrined nd non ir entrined mortrs were cst with different cements, ssuming the ir content of 10% ± 1%. As the fine ggregte nturl qurtz snd ws used ( mm). Mortr composition is shown in Tle 2. Two nionic AEAs were pplied trditionl one, sodium iette nd modern one from the group of lkylsulftes. The AEAs pplied were some solutions of ir entrining compounds, ecuse it ws impossile to get pure ones. Therefore, the mounts of AEAs used should e tken into ccount in the reltive wy Methods The following fresh mortrs properties were tested: consistency of mortr ccording to PN-EN :2000 (method of flow) ulk density in ccordnce with PN-EN :2000 nd ir content in ccordnce with PN-EN :2000. It ws ssumed tht the ir content in ir entrined mortrs should e 10%. Becuse of the high inconvenience to mintin the ssumed ir content (10%) for ll mortrs, 1% error limit ws ccepted. The quntity of ir entrining dmixture for ech mix (Tle 2) ws experimentlly determined y numerous tests. During the test mortr temperture ws 20 ± 2 C. Tle 1. The composition of the cements used in the tests. Sign Cement type* Composition of the cement [%] Clinker Slg Limestone Dry fly sh A CEM I 42.5 R B CEM I 42.5 R C CEM I 42.5 R c D CEM II/AM (S-LL) 52.5 N E CEM II/BM (V-LL) 32.5 R F CEM II/BM (V-LL) 32.5 R G CEM II/BV 32.5 R H CEM II/BV 32.5 R I CEM III/A 32.5 N-LH/HSR/NA J CEM III/A 32.5 N-LH/HSR/NA *,, c - men different cement plnts Tle 2. The composition of mortr (g/tch). CEM I CEM II/AM (S-LL) CEM II/BM (V-LL) CEM II/BV CEM III/A Ingredients ne e ne e ne e ne e ne e Mss [g] Cement Snd w/c Wter Entrining dmixture ne non ir entrined mortr; e ir entrined mortr 12

3 THE EFFECT OF AIR ENTRAINING ADMIXTURES AND CEMENT TYPES ON THE PROPERTIES OF FRESH MORTAR In order to minimize the impct of uncontrolled vriles on the test results the mortrs smples were prepred mintining the sme technology (sme order of dded ingredients, mixing time, its intensity, temperture, contct time with the wter cement to strt mesuring). 3. Test results nd discussion When the modern (n-lkylsulfte) AEA ws pplied in the mount of the content of ir in the fresh mortrs ws from 7% to 16.5% (Fig. 1). In ccordnce with producer s terms of use, the modern AEA should e pplied in the mount elow 1 of cement mss. The iggest vrince of ir content ws determined in the mortr mde of high content FA cement. As it is seen in Figure 1 the modern AEA is very efficient. However, it should e pplied in FA cement mortrs in the mount of 1.4. However, when the trditionl AEA ws pplied the growth of ir content ws low. In spite of n increse in AEA mount over 6 of cement mss n increse in ir entrined content in the mortr did not occur. The so-clled ir entrinment sturtion ws oserved, which is cused y criticl micelle concentrtion (CMC); nd the higher CMC, the lower surfce ctivity of the surfctnt [7]. The use of such ig mount of AEA is not llowed ecuse of the possile chnges in setting of cement nd hrdening of cement pste. To compre efficiencies of oth AEAs chnges in the ir contents in Portlnd cement fresh mortrs were oserved when the AEAs were pplied. As is illustrted in Figure 2, much igger nd more dynmic increse in ir contents ws stted when the AEA of modern type ws pplied. Also it ws quite convenient to chieve high mount of ir entrined in FA nd BSF lended cement mortrs, though it ws impossile to do using trditionl AEA. Tle 3 presents the results of the properties of the fresh mortrs. Tle 3. The test results of the fresh mortr. Fig. 1. The ir content in vrious fresh cement mortrs s dependence of modern AEA pplied Fig. 2. The ir contents in fresh mortrs s dependence of type nd AEAs mount pplied The efficiency of trditionl AEA is very low, prticulrly in the comprison to efficiency of the modern AEA (Fig. 2). When the mount of trditionl AEA ws pplied in ccordnce with producer s terms of use i.e. 2 the contents of ir in the ir entrined nd non ir entrined fresh mortrs were the sme. Figure 2 shows upwrd trend of ir content in the fresh mortrs ginst the mount of oth AEAs. Cement type CEM I CEM I CEM I CEM II/AM (S-LL) CEM II/BM (V-LL) CEM II/BM (V-LL) CEM II/BV CEM II/BV CEM III/A CEM III/A Cement plnt c ne/e Spreding [mm] Density [kg/m 3 ] Air content [%] ne e ne e ne e ne e ne e ne e ne e ne e ne e ne e Bsed on the results of the study (Fig. 3) it cn e seen tht with the increse in the mount of sh in non ir entrined mortrs the percentge of ir decreses nd using FA cement reches level of 2.8 to 3.4%. In the studied non ir entrined mortrs ir volume rnges from 2.8 to 4.9% nd tkes the highest 13

4 Wojciech Pist, Juli Mrczewsk vlue for the mortr with the lst furnce slg nd limestone powder lended cement. Fig. 3. Air content in non-ir-entrined nd ir-entrined mortr cement The ir entrinment cused insignificnt increse in flow of mortrs of cement contining LP (Fig. 4). The ir entrinment of the mortr with the FA cement significntly improved their workility (Fig. 4). The ir entrinment of mortrs with Portlnd, slg nd fly sh cement in similr degree improves their workility. Fig. 4. The dimeter of flow of non ir-entrined nd ir-entrined cement mortr Density of non ir entrined mortr vries from 2182 to 2259 kg/m 3 while ir entrined cement mortr from 1976 to 2121 kg/m 3 (Fig. 5). This confirms the reltionship tht the ulk density of the mortr is inversely proportionl to the mount of ir. The FA cement mortr hd the lowest ulk density (2182 km/m 3 ) mong non ir entrined mortrs. The highest ulk density hs een determined for mortrs with Portlnd cement oth non ir entrined nd ir entrined, which is consistent with the highest density of CEM I. Fig. 5. Density non ir-entrined nd ir-entrined cement mortr 4. Conclusions 1. The modern nionic AEAs from the group of lkylsulftes re much more efficient nd ctive thn trditionl ones e.g. sodium iette. 2. It hs to e done using numerous tests to entrin the sme mount of ir into mortrs with different cements. 3. The mount of the fly sh in the non ir entrined mortr decreses the content of ir in mortr. 4. Air entrinment of limestone cement mortr resulted in insignificnt increse in flow. 5. Dimeter of flow of fresh mortr is inversely proportionl to the mount of ir. 6. Air entrinment of mortr with Portlnd, lst furnce slg nd fly sh cement in similr degree improves their workility. References [1] Aitcin P. C.: Admixtures: Essentil Components of Modern Concrete. Cement Wpno Beton, 5/2006. [2] Du L., Follird K. J.: Mechnisms of ir entrinment in concrete. Cement nd Concrete Reserch, 35 (2005) [3] Giergiczny Z., Grcik A.: Synergic effect of nonclinkier constituents in portlnd composite cements. XII Sympozjum Nukowo-Techniczne Roelogi w Technologii Betonu, Gliwice [4] Giergiczny Z., Sokołowski M.: Limestone s component of composite cement. 3 rd Interntionl Symposium Non-trditionl cement nd concrete, Brno [5] Gołszewski J.: Influence of cement nd superplsticizer on rheologicl properies of mortrs. IV Sympozjum Nukowo-Techniczne Reologi w Technologii Betonu, Gliwice [6] Jrmontowicz R.: Stndrds requirements mortrs. Mteriły Budowlne, 4/

5 THE EFFECT OF AIR ENTRAINING ADMIXTURES AND CEMENT TYPES ON THE PROPERTIES OF FRESH MORTAR [7] Jolicoeur C., Cong To T., Son Nguyen T., Hill R., Pge M.: Mode of Action of Anionic Surfctnts for Air Entrinment in Cement Pstes w-w/o Fly Ash. World of Col Ash (WOCA) Conference, 2009 in Lexington, KY, USA. [8] PN-EN :2000, Methods of test for mortr for msonry. Determintion of consistence of fresh mortr (using the propgtion tle), PKN, Wrszw [9] PN-EN 998-2:2004, Specifiction for mortr for msonry. Prt 2: Msonry mortr, PKN, Wrszw [10] Rusin Z.: Technologi etonów mrozoodpornych. Polski Cement, Krków [11] Wwrzeńczyk J., Molendowsk A.: Struktur porów powietrznych mrozoodporność etonów npowietrzonych z pomocą mikrosfer. Cement Wpno Beton, 05/2011. [12] Zelić J., Krstulović R., Tklcec E., Krolo P.: The properties of Portlnd cement-limestone-silic fume mortrs. Cement nd Concrete Reserch, 30 (2000), Wojciech Pist Juli Mrczewsk Wpływ domieszki npowietrzjącej i rodzju cementu n włściwości świeżej zprwy 1. Wprowdzenie Optymlnym (oszczędnym i wydjnym) sposoem n poprwę mrozoodporności etonu i zprw jest jego npowietrzenie. Njskuteczniejszą zwrtością powietrz w miesznce etonowej zwierjącej zirn kruszyw o średnicy d mx = 16 mm jest 5-6% (wg PN-EN 206-1, minimln zwrtość wynosi 4%). Jednk norm [9] nie określ ilości powietrz w zprwch. Złożono, że zwrtość powietrz w zprwie powinn yć równ około 10% (dwukrotnie więcej niż w etonch), poniewż zwrtość ojętościow zprwy w miesznce etonowej wynosi około 50%. Domieszki npowietrzjące pomgją wprowdzić i ustilizowć powietrze w świeżym etonie lu zprwch. Domieszki npowietrzjące są to środki powierzchniowo czynne. Oniżją one npięcie powierzchniowe w miejscu łączeni się (kontktu) wody i powietrz (lu pry). Struktur cząsteczek npowietrzjących środków powierzchniowo czynnych jest rdzo szczególn. Mją one hydrofilową grupę i hydrofoowy łńcuch. Większość nowoczesnych domieszek npowietrzjących jest nionowych, poniewż zpewniją one stilność wprowdzonych porów powietrz [2]. Anionowe środki powierzchniowo czynne oejmują: n-lkilokroksylny (n-rcoo - ), n-lkilosulfoniny, (n-rso 3- ) i n-lkilosirczny (n-rso 4- ), przy długości łńcuch węglowodorowego między C 7 i C 12. Dwie główne cechy domieszek npowietrzjących, czyli skłd i wielkość ich łńcuch hydrofoowego orz rodzj i wielkość ich głównej grupy hydrofilowej wpływją odpowiednio n ich ktywność powierzchniową i rozpuszczlność w zczynie cementowym. Mksymlne npowietrzenie uzyskuje się przy stosowniu środków powierzchniowo czynnych z średnią długością łńcuch węglowego, poniewż ich ktywność powierzchniow i rozpuszczlność zmieniją się w przeciwnych kierunkch. Główne grupy hydrofilowe zwiększją npowietrzenie w kolejności: kroksylnow sulfoninow sircznow zgodnie z odpowiednią rozpuszczlnością środków powierzchniowo czynnych [7]. N rynku istnieje kilk innych nionowych domieszek npowietrzjących, w tym: rozpuszczlne sole (przewżnie sodu) żywic drzewnych, klfonie z drewn, kws sterynowy, kws tłuszczowy oleju tlowego, tkże ietynin sodu i kws ligninosulfonowy [1]. Anlizując literturę [5] z zkresu technologii etonu możn zuwżyć, że npowietrzenie zwiększ średnicę rozpływu i zmniejsz gęstość ojętościową. Wpływ domieszek npowietrzjących n włściwości świeżych zprw i miesznek etonowych różni się w szczególności wtedy, gdy zwierją one dodtki minerlne [3], [4], [12]. Ze względu n dużą niedogodność w npowietrzeniu zprw i etonów z cementmi miesznymi, zproponowno zstąpienie domieszek npowietrzjących mikrosfermi polimerowymi [11]. Jednkże, zstosownie mikrosfer jest kosztowne. 15

6 Wojciech Pist, Juli Mrczewsk W prcy prezentowne są wyniki dń npowietrzonych i nienpowietrzonych świeżych zprw cementowych wykonnych z dziesięciu różnych cementów. 2. Bdni Bdni miły n celu określeni wpływu nstępujących czynników: sprwność dwóch domieszek npowietrzjących (rodzj orz ilość), zwrtość powietrz i rodzj cementu n włściwości świeżych zprw. Bdne yły nstępujące włściwości zprw: zwrtość powietrz, rozpływ i gęstość ojętościow Mteriły Bdni zostły przeprowdzone n zprwch npowietrzonych i nienpowietrzonych o stosunku w/c = 0,55. Zstosowno nstępujące rodzje cementów: cement portlndzki zwykły CEM I 42,5 R, i mieszne cementy portlndzkie: żużlowo-wpienny CEM II/ AM (S-LL) 52,5 N, popiołowo-wpienny CEM II/ BM (V-LL) 32,5 R, popiołowy CEM II/BV 32,5 R i hutniczy CEM III/A 32,5 N. Bdni zostły również wykonne przy użyciu tych smych cementów z innych cementowni. Procentową zwrtość dodtków minerlnych w stosownych podczs dń cementch przedstwiono w teli 1. W sumie wykonno 20 zprw z różnych cementów npowietrzonych i nienpowietrzonych, przy złożeniu zwrtości powietrz 10% ± 1%. Jko kruszywo drone użyto nturlnego pisku kwrcowego (0,0 2,0 mm). Skłd zprw przedstwiono w teli 2. Zstosowno dwie nionowe domieszki npowietrzjące trdycyjną ietynin sodu i nowoczesną jedną z grupy lkilosircznowych. Jko domieszki npowietrzjące stosowne yły roztwory związków npowietrzjących, poniewż niemożliwe yło zdoycie czystych związków. Dltego ilość zstosownych domieszek powinn yć rn pod uwgę w sposó względny Metody Zdno nstępujące włściwości świeżych zprw: konsystencj zprw zgodnie z PN-EN :2000 (metod rozpływu) gęstość ojętościow zgodnie z PN-EN :2000 orz zwrtość powietrz zgodnie z PN-EN :2000. Złożono, że zwrtość powietrz w npowietrzonych zprwch powinn wynosić 10%. Ze względu n dużą niedogodność uzyskni złożonej zwrtości powietrz (10%) dl wszystkich zprw, zostł przyjęt grnic łędu 1%. Ilość domieszki npowietrzjącej dl kżdej miesznki (tel 2) określono doświdczlnie poprzez liczne próy. Podczs dń tempertur zprw wynosił 20 ± 2 C. W celu zminimlizowni wpływu niekontrolownych zmiennych n wyniki dń zprw próki przygotowno przy zchowniu tej smej technologii (tk sm kolejność dodwnych skłdników, czs i intensywność mieszni, tempertur, czs kontktu cementu z wodą do rozpoczęci pomiru). 3. Wyniki dń i dyskusj W przypdku zstosowni nowoczesnej domieszki npowietrzjącej (z grupy związków lkilosircznowych) w ilości 0,72 1,6 zwrtość powietrz w świeżej zprwie wynosił od 7% do 16,5% (rys. 1). Zgodnie z zlecenimi producent domieszkę tę nleży stosowć w ilości poniżej 1 msy cementu. Njwiększe zróżnicownie zwrtości powietrz zostło określone w zprwch z cementem o wysokiej zwrtości popiołów lotnych. Nowoczesne domieszki są rdzo wydjne, co widć n rysunku 1. Nowoczesne domieszki npowietrzjące w zprwch cementowych zwierjących popiół lotny nleży stosowć w wysokości 1,4. Wydjność klsycznych (trdycyjnych) domieszek jest rdzo nisk, w porównniu do wydjności domieszek nowoczesnych (rys. 2). Gdy ilość trdycyjnej domieszki ył stosown zgodnie z zlecenimi producent (tj. 2 msy cementu) zwrtość powietrz w npowietrzonych i nienpowietrzonych świeżych zprwch ył tk sm. Rysunek 2 przedstwi tendencję wzrostu zwrtości powietrz w świeżej zprwie przy wzroście ilości ou domieszek. Jednkże, gdy zstosowno trdycyjną domieszkę wzrost zwrtości powietrz ył niski. Pomimo wzrostu ilości domieszki pond 6 msy cementu nie wystąpił wzrost zwrtości powietrz w zprwie. Zoserwowno tzw. nsycenie świeżej zprwy powietrzem, które jest spowodowne przez krytyczne stężenie micelrne (CMC) domieszki. Im wyższe jest CMC, tym niższ jest ktywność powierzchniowo-czynn środk powierzchniowo czynnego [7]. Zstosownie tk dużej ilości domieszki jest niedozwolone ze względu n ewentulne zminy w wiązniu i twrdnieniu zprwy cementowej. Ay porównć efektywność ou domieszek oserwowno zminy zwrtości powietrz w świeżych zprwch z cementem portlndzkim i przy zstosowniu różnych domieszek. Jk pokzno n rysunku 2 zncznie większy i rdziej dynmiczny 16

7 THE EFFECT OF AIR ENTRAINING ADMIXTURES AND CEMENT TYPES ON THE PROPERTIES OF FRESH MORTAR wzrost zwrtości powietrz stwierdzono, kiedy zostł zstosown domieszk z grupy związków lkilosircznowych. Tkże npowietrzenie do złożonego poziomu powietrz zprw z cementem popiołowym i hutniczym yło stosunkowo łtwe do osiągnięci stosując nowoczesną domieszkę, co yło niemożliwe z pomocą domieszki trdycyjnej. Tel 3 przedstwi wyniki włściwości świeżych zprw. N podstwie wyników dń (rys. 3) możn zuwżyć, że wrz ze wzrostem ilości popiołu w nienpowietrzonych zprwch zmniejsz się zwrtość procentow powietrz i przy użyciu cementu CEM II/B-V osiąg poziom od 2,8 do 3,4%. W dnych zprwch nienpowietrzonych ojętość powietrz wh się od 2,8 do 4,9% i m njwiększą wrtość dl zprwy z cementem hutniczym i żużlowo-wpiennym. Npowietrzenie zprw z cementem wpiennym spowodowło nieznczny wzrost rozpływu (rys. 4). Po npowietrzeniu zprw z cementem popiołowym zncznie poprwił się ich urilność. Npowietrzenie zprw z cementem portlndzkim, hutniczym i popiołowym w podonym stopniu poprwi ich urilność. Gęstość ojętościow zprw nienpowietrzonych wh się od 2182 do 2259 kg/m 3, ntomist dl zprw npowietrzonych od 1976 do 2121 kg/m 3 (rys. 5). Potwierdz to, że stosunek gęstości ojętościowej zprw do ilości powietrz jest odwrotnie proporcjonlny. Zprw z cementem popiołowym mił njniższą gęstość ojętościową (2182 kg/m 3 ) wśród zprw nienpowietrzonych. Njwiększą gęstość ojętościową znotowno dl zprw z cementem portlndzkim zrówno nienpowietrzonym, jk i npowietrzonym. 4. Wnioski 1. Nowoczesne nionowe domieszki z grupy związków lkilosircznowych są o wiele rdziej skuteczne i ktywne niż trdycyjne, np. ietynin sodu. 2. Nleży wykonć wiele pró w celu uzyskni tej smej ilości powietrz w zprwch z różnymi cementmi. 3. Wzrost ilości popiołu w nienpowietrzonych zprwch zmniejsz zwrtość powietrz w zprwie. 4. Npowietrzenie zprwy z cementmi wpiennymi spowodowło nieznczne zwiększenie rozpływu. 5. Średnic rozpływu świeżej zprwy jest odwrotnie proporcjonln do zwrtości powietrz. 6. Npowietrzenie zprwy z cementem portlndzkim, hutniczym i popiołowym w podonym stopniu poprwi ich urilność. 17