Badania nad odtworzeniem składu betonów

Transkrypt

1 SZYMURA Teresa 1 Badania nad odtworzeniem składu betonów WSTĘP Materiały wykonane na bazie cementu, do których należą zaprawy oraz betony, powstają w wyniku wiązania oraz twardnienia odpowiednio sporządzonej mieszanki, której podstawowymi składnikami są połączone we właściwych proporcjach cement, woda zarobowa oraz kruszywo. Spoiwo cementowe oraz właściwy dobór pozostałych składników, kształtują cechy użytkowe tych materiałów, w tym trwałość i bezpieczeństwo użytkowania. Pomimo, że materiały sporządzane z cementów są bardzo popularne i wiedza na temat technologii ich wytwarzania jest ogromna, to jednak zdarzają się przypadki, że produkty końcowe nie posiadają założonych przy projektowaniu właściwości wytrzymałościowych lub ulegają nieoczekiwanej korozji. Właśnie w takich przypadkach konieczne jest odtworzenie zastosowanego składu mieszanki, z której powstał wadliwy materiał. Potrzeba przeprowadzenia takich analiz jest zatem konieczna przy kontroli jakości wykonanych materiałów, w rzeczoznawstwie podczas opracowywaniu ekspertyz ale również w konserwatorstwie w celu określenia składu pierwotnego materiału podczas rekonstrukcji obiektów zabytkowych. Analiza taka nie należy do łatwych zadań, ponieważ badane materiały nie są jednorodne. Postępy odtwarzania składu zależą od wiedzy na temat rodzaju i pochodzenia użytych substratów oraz technologii wykonania z nich gotowych produktów. W niniejszej pracy prace badawcze nad odtwarzaniem składu surowcowego, polegało na zaprojektowaniu i wykonaniu w warunkach laboratoryjnych betonów cementowych. Następnie wykonano analizy chemicznej substratów i produktów w celu określenia składu chemicznego wybranych tlenków np. CaO, SiO 2, Fe 2 O 3, Al 2 O 3, SO 3. Zastosowano rachunek matematyczny, polegający na opracowaniu wielu układów równań bilansu materiałowego dla poszczególnych makroskładników, które będąc w substratach, znalazły się jako ich suma w produktach. Niewiadomymi w równaniach były składniki substratowe (cement, piasek, kruszywo grube). Jedynie dodana woda nie była bilansowana, ze względu na odparowanie jej części podczas dojrzewania betonów. Obliczenia wykonywano z pomocą programów komputerowych a wyniki obliczeń były porównywane z danymi rzeczywistymi. Próby odtworzenia rzeczywistego składu surowcowego dokonano dla betonów, na bazie cementu portlandzkiego oraz cementu o podwyższonej zawartości glinu i gipsu, w technice budowlanej, zwanym ekspansywnym. 1 CHARAKTERYSTYKA BADANYCH MATERIAŁÓW: SUBSTRATÓW I PRODUKTÓW Przedmiotem badań były materiały mineralne, substraty i wykonane z nich dwa rodzaje betonów (oznaczone 1 i 2). Betony różniły się spoiwem hydraulicznym w pierwszym był cement portlandzki (1), w drugim - cement portlandzki z dodatkami ekspansywnymi (2) również proporcjami dodawanych substratów (cement : piasek : kruszywo lekkie : woda zarobowa). Skład chemiczny cementu, a także innych materiałów budowlanych wyznaczano na podstawie analizy chemicznej metodami klasycznymi wg obowiązujących norm i metodami instrumentalnymi z zastosowaniem nowoczesnych technik obliczeniowych, które w literaturze określa się jako chemometria[3]. 1 dr inż. Wydział Budownictwa i Architektury, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 40, Lublin. Tel , t.szymura@pollub.pl 10540

2 1.1 Cementy Obecnie w budownictwie najczęściej stosowany jest cement portlandzki. Jego skład chemiczny przedstawiono w tablicy 1. Tab. 1. Główne składniki cementów portlandzkich wg L. Czarneckiego [2] Lp. Składnik chemiczny Składnik fazowy tlenkowy zawartość [%] mineralogiczny zawartość [%] 1. CaO alit C 3 S SiO belit C 2 S Al 2 O celit C 3 A Fe 2 O brownmilleryt C 4 AF SO gips CSH W cemencie portlandzkim można rozróżnić cztery fazy mineralogiczne: alit C 3 S - bierze udział w kształtowaniu początkowej wytrzymałości mechanicznej, od tego minerału zależy również wytrzymałość długotrwała, belit C 2 S czyli krzemian dwuwapniowy 2CaO SiO 2, wiąże wolniej niż C 3 S i wpływa na wytrzymałość końcową betonu, glinian trójwapniowy (celit) reaguje z wodą najszybciej, brownmilleryt C 4 AF jeden spośród ferrytów, wiąże wodę wolniej niż celit. Cement ekspansywny na potrzeby badawcze wytworzono z klinkieru cementu portlandzkiego, cementu glinowego i gipsu. Po odpowiednim dobraniu ilościowym składników dokonano wspólnego ich przemiału zgodnie z recepturą autorską [4]. Skład chemiczny cementu ekspansywnego podano w tabeli 2. Tab. 2. Główne składniki cementów ekspansywnych wg Króla [4] Lp. Składnik chemiczny Składnik fazowy tlenkowy zawartość [%] mineralogiczny zawartość [%] 1. CaO alit C 3 S SiO belit C 2 S 20-23,5 3. Al 2 O celit C 3 A 19-22,5 4. Fe 2 O 3 2,5-3 brownmilleryt C 4 AF SO węglan wapnia C 9-11,5 1.2 Kruszywa do betonów Skład chemiczny wybranych kruszyw jest uzależniony od ich pochodzenia. Objętość kruszywa w betonie zwykle wynosi od 60 do 75%. Od kruszywa zależy wiele istotnych cech betonu, przede wszystkim wytrzymałość na ściskanie, przewodność cieplna, gęstość objętościowa, a także odporność na czynniki oddziaływujące w czasie eksploatacji. Generalnie kruszywa stosowane w betonie powinny cechować się niezmiennością cech fizycznych, jednorodnością uziarnienia, a także nie powinny zawierać składników szkodliwych, negatywnie wpływających na cechy techniczne betonu. W budownictwie używa się kruszywa ze skał o dużej wytrzymałości (np. granit, bazalt, porfir) do produkcji betonu o znacznej wytrzymałości na ściskanie i ścieranie lub kruszywa ze skał o niższej wytrzymałości (np. wapień, dolomit), stosowane do produkcji niektórych wyrobów betonowych (takich, które nie są mocno obciążone); kruszywa specjalne, ze skał o dużej gęstości (powyżej 2600 kg/m 3 ) stosowane do ciężkich betonów osłonowych. W pracy używano kruszywa lekkiego z Sobolewa (dolomitowy kamień łamany), znajdującego się w magazynach Politechniki Lubelskiej

3 Badania chemiczne kruszyw wykonywano wg PN-EN Badania chemicznych właściwości kruszyw. Analiza chemiczna". Uwzględniając bardzo ważne kryteria ekobilansowe wykorzystania surowców budowlanych, bardzo ważne jest stosowanie kruszyw z recyklingu. Kraje Unii Europejskiej posługują się własnymi wytycznymi wykorzystania recyklingowych kruszyw. Klasyfikację kruszyw recyklingowych podają wytyczne RILEM (International Union of Testing and Research Laboratories for Materials and Structures). 1.3 Woda zarobowa Woda zarobowa jest istotnym składnikiem betonu, gdyż umożliwia proces wiązania cementu oraz wpływa na konsystencję mieszanki betonowej. Tylko nieznaczna część wody wchodzi w reakcję chemiczną z cementem, większość jest niezbędna aby mieszanka posiadała właściwą konsystencję. Całkowita zawartość wody w mieszance betonowej to woda dodana oraz woda już zawarta w kruszywie i znajdująca się na jego powierzchni, a także woda w domieszkach i dodatkach zastosowanych w postaci zawiesin, jak również woda wynikająca z dodania lodu lub naparzania. Efektywna zawartość wody jest to różnica między całkowitą jej ilością w mieszance betonowej a ilością wody zaabsorbowaną przez kruszywo i cement, po uwzględnieniu wodożądności obu składników. Proporcje woda/cement (w/c) określa stosunek efektywnej zawartości wody do zawartości masy cementu w mieszance betonowej. O dopuszczeniu do stosowania w betonie wody innej niż pitna decydują jej właściwości chemiczne, które określa aktualna norma PN-EN 1008:2002. W tej pracy, użyto lubelską wodę wodociągową. 1.4 Beton Według normy PN-EN składniki zaprojektowanego betonu należy dobrać tak, żeby zostały spełnione określone wymagania fizyczne, a warunki dotyczące składu chemicznego zawarte w normie sprowadzały się jedynie do określenia dopuszczalnej zawartości chlorków w betonie. Wszystkie zjawiska oddziaływania wody na spoiwo cementowe, określa się jako procesy hydratacyjno-hydrolityczne. W efekcie powstaje faza oznaczana symbolem CSH, a stwardniały zaczyn określany jest jako niejednorodny układ żelowych, bezpostaciowych i krystalicznych produktów hydratacji minerałów cementu [6]. Poszczególne minerały zawarte w spoiwie cementowym różnią się przebiegiem hydratacji jak również udziałem w kształtowaniu odporności chemicznej oraz wytrzymałości mechanicznej stwardniałego zaczynu cementowego. Przemiany chemiczne i procesy fizyczne po zmieszaniu cementu z wodą zachodzą na powierzchni ziaren cementu jak też wskutek rozpuszczania się składników cementu i niektórych produktów reakcji w fazie ciekłej. Niektóre minerały klinkieru, jak gliniany i żelazogliniany wapnia rozpuszczają się kongruentnie i ulegają hydratacji: C 3 A + 6H C 3 AH 6 (hydrogarnet). W obecności gipsu, opóźniacza wiązania, w zależności od stosunku molowego CSH 2 /C 3 A, zachodzą reakcje w wyniku których powstaje ettryngit lub monosiarczan: C 3 A + 3C H H C 6 A 3 H 32 lub 2C 3 A + C 6 A 3 H H 4C 4 A H 12 Brownmilleryt w obecności gipsu tworzy analogiczne fazy ettryngitu lub monosiarczanu. Alit i belit rozpuszczają się inkongruentnie tj. z rozkładem, podlegając hydrolizie. Reakcje w sposób uproszczony można zapisać następująco: 2C 3 S + 6H C 3 S 2 H 3 + 3CH i 2C 2 S + 4H C 3 S 2 H 3 + CH Produktami tych przemian jest wodorotlenek wapnia (CH) oraz amorficzna substancja żelowa w uproszczeniu określana fazą CSH ( z ang. calcium silicate hydrate), o zmiennym składzie CaO/SiO 2, który zależy od stężenia jonów Ca 2+ w fazie ciekłej, czyli od stopnia nasycenia względem CH. Szacunkowy skład objętościowy poszczególnych faz zhydratyzowanego cementu jest następujący: 55-65% - żelowa faza CSH, 15-20% - kryształy CH 8-10% - kryształy ettryngitu i monosulfitu, ok. 15% - pory kapilarne powstałe po odparowaniu wody

4 Faza CSH stanowi główny składnik matrycy cementowej i jej zawartość wpływa na podstawowe właściwości betonów, a przede wszystkim na jego wytrzymałość i odporność na korozję. Faza ta ma postać głównie żelową o zmiennym składzie chemicznym i różnym stopniu krystaliczności. Powstaje z połączenia tetraedrów anionów ortokrzemianowych [SiO 4 ] 4-, które tworzą trimery, pentamery i dłuższe łańcuchy wollastonitowe. Faza ta posiada wręcz fenomenalne właściwości, dlatego jej budowa budzi ciągle żywe zainteresowanie i jest od dawna przedmiotem wielu badań i hipotez. Ilość wody w CSH zależy od wilgotności otoczenia, przy jej zmianach może być usuwana i powtórnie przyjmowana. Z wnikliwych badań wielu autorów wynika, że w żelowej substancji CSH w zależności od stosunku C/S powstają krystality włókniste, których struktura zbliżona jest do tobermorytu. Energia sieci krystalicznej tobermorytu wynosi kj/mol i jest 2,5 razy większa niż alitu a ponad 7 razy większa niż tlenku wapnia. Podstawą fazy CSH jest jednak dyspersja żelowa, w której siły kohezji sprawiają, że powstała struktura wykazuje zwartą konstrukcję i zachowuje elastyczność pod wpływem niewielkich naprężeń. W strukturach fazy CSH, występują inne makroskładniki, jak Al, S i Fe, które według wielu badaczy, podstawiają w tetraedrach Si. Również Mg może izomorficznie zastępować. Takie roztwory stałe i mieszaniny z fazą CAF i C A, dają wyjątkowe połączenia, wpływające na właściwości materiałów betonowych. [1, 6, 7, 9, 10]. Z upływem czasu, w środowisku wilgotnym, składniki stwardniałego zaczynu cementowego łączą się z CO 2 z powietrza. W ciągu roku ulega karbonatyzacji warstewka betonu o grubości 0,5 1 mm: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O, 4CaO Al 2 O 3 6 H 2 O + 4 CO 2 4 CaCO Al(OH) H 2 O, 3CaO Al 2 O 3 3 CaSO 4 32 H 2 O + 3 CO 2 3CaCO 3 + 2Al(OH) 3 + 3(CaSO 4 2H 2 O) + 23H 2 O, 3CaO 2SiO 2 3H 2 O + 3 CO 2 3CaCO SiO H 2 O. Cechą charakterystyczną dla cementu o właściwościach ekspansywnych jest zwiększanie objętości zaczynu w trakcie wiązania i twardnienia. Zjawisko to występuje w efekcie reakcji, np. pomiędzy glinianem wapniowym i zwiększoną zawartością gipsu. Powstaje większa ilość ettryngitu C 6 A S 3 H 32 niż w przypadku spoiwa na bazie cementu portlandzkiego. Pęcznienie nie powoduje niszczenia betonu, ponieważ proces ten w okresie wiązania i początkowego twardnienia postępuje powoli i równomiernie, gdy beton jest już spojony, a zarazem na tyle elastyczny, iż nie pęknie. Bilansując składniki chemiczne, należy uwzględnić, że podczas procesów wiązania, badane w tej pracy makroskładniki (Ca, Si, S, Al, Fe) wniesione w substratach z cementem, kruszywem i wodą pozostają w betonie. W wodzie stężenie tych składników jest trzy rzędy niższe niż w pozostałych substratach i są na poziomie błędu oznaczeń analitycznych w betonie, dlatego w równaniach bilansowych zostały pominięte. Zawartość wniesionego cementu, piasku i kruszywa grubego pozostaje niezmieniona w betonie. Natomiast ilość wody w betonie jest inna niż ilość wody zarobowej zaprojektowana dla mieszanki betonowej, zależy od wilgotności otoczenia i wieku betonu, dlatego nie została uwzględniona w obliczeniach bilansowych. Jej udział został obliczony jako dopełnienie do 100%. W starszych betonach należy uwzględnić jeszcze CO 2 z powietrza, który wchodzi do betonu w procesach karbonatyzacji. W tej pracy badania betonu prowadzono po 28 dniach dojrzewania, więc składnik ten nie wpływał znacząco na wyniki i został pominięty. 2 ZASTOSOWANIE METOD ANALIZY CHEMICZNEJ W BADANIACH MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH Badania składu chemicznego materiałów budowlanych w laboratoriach dokonuje się metodami klasycznymi i takie zaleca obowiązująca obecnie norma do oznaczania składników w cemencie, wodzie zarobowej i kruszywa. W laboratoriach chemii budowlanej dokonuje się również analiz metodami instrumentalnymi z wykorzystaniem nowoczesnego sprzętu i certyfikowanych wzorców. W normie PN-EN zawarty jest opis klasycznych metod analizy chemicznej w badaniach cementu. Przed analizą chemiczną należało odpowiednio przygotować próbki wg normy PN-EN

5 Do powszechnie występujących, nowoczesnych technik pomiarowych, pozwalających na oznaczenie składu ilościowego pierwiastków chemicznych w materiałach należą metody spektrometrii atomowej. Fluorescencyjna spektroskopia rentgenowska (ang. X-ray fluorescence XRF) jest jedną z technik spektroskopii atomowych szeroko stosowaną w analizie jakościowej i ilościowej pierwiastków, wykorzystywana również w laboratoriach przy zakładach cementowych. Stosowana jest do badań materiałów budowlanych, dla których istnieją certyfikowane wzorce. Inny rodzaj stosowanych na świecie technik analizy chemicznej materiałów budowlanych to nowoczesna, ale bardzo kosztowna, technologia z wykorzystaniem skaningowych mikroskopów elektronowych, sprzężonych z automatycznym systemem do mikroanalizy pierwiastków. W tej pracy analizę chemiczną poszczególnych materiałów wykonywano wg obowiązujących norm europejskich, czyli metodami klasycznymi i jeżeli to było możliwe również metodą XRF. W przypadkach, które budziły wątpliwości stosowano interpolację wyników [11]. 3 BADANIA DOŚWIADCZALNE Celem badań było opracowanie sposobu, służącego do określenia wyjściowego składu surowcowego betonów, a także ocena jego dokładności poprzez porównanie obliczonych ilości substratów z rzeczywistymi, użytymi do wykonania produktów. Skład mieszanki betonowej obliczono metodą 3 równań wg Bukowskiego. Nasiąkliwość grubego kruszywa lekkiego określano, po 1 godzinie, za pomocą metody podanej w normie PN-EN :2002, stosując kruszywo w stanie wilgotności naturalnej. Prace laboratoryjne obejmowały: zaprojektowanie składu mieszanek betonowych, tak aby właściwości wytrzymałościowe dla obu betonów były porównywalne, wykonanie próbek betonów zgodnie z normą, przy użyciu w zaplanowanych proporcjach (po korekcji konsystencji), następujących składników substratowych: beton 1 cement portlandzki : piasek : kruszywo lekkie : woda = 15,00 : 25,50 : 52,00 :7,50, beton 2 cement ekspansywny, piasek, kruszywo lekkie, woda 25,00 : 25,00 : 40,00 : 10. Do celów badawczych, wykonano dwa rodzaje próbek: kostki o wymiarach 100x100x100 mm betonu zwykłego i betonu ekspansywnego. Próbki betonu zwykłego (oznaczonego1): Wykonano 30 próbek betonu w formach kubicznych o wymiarach 100x100x100 mm, z następujących składników: 12 kg cementu (cement portlandzki CEM I 32,5R z Cementowni Chełm) (15%), 20,4 kg piasku (piasek kwarcowy, drobny, suchy) (25,5%), 41,6 kg kruszywa grubego (żwir 2 8 mm, Sobolewo) (52%), 6 dm 3 wody (z wodociągu miejskiego) (7,5%). Próbki betonu ekspansywnego (2): Wykonano też 30 próbek kubicznych o wymiarach 100x100x100 mm, z następujących składników: 18 kg cementu ekspansywnego (z zapasów Politechniki Lubelskiej) (25%), 18 kg piasku (piasek kwarcowy, drobny, suchy) (25%), 28,8 kg kruszywa grubego (żwir 2 8 mm, Sobolewo) (40%), 7,2 dm 3 wody (z wodociągu miejskiego) (10%). Konsystencję mieszanki badano metodami normowymi wg PN-EN :200. Przygotowaną mieszankę betonową nałożono (z nadmiarem) do uprzednio przygotowanych form i zagęszczano na stole wibracyjnym. Z uwagi na postępujące zjawisko ekspansji i możliwość zniszczenia form, próbki betonu ekspansywnego rozformowano po upływie 12 godzin, natomiast pozostałe po upływie 24 godzin. Po rozformowaniu próbki przechowywano w warunkach laboratoryjnych na ruszcie nad wodą. Wykonanie badań 10544

6 Wykonane próbki betonów po stwardnieniu, poddano serii badań wytrzymałościowych. Połowa próbek została poddana próbom wytrzymałościowym po 7 dniach, a druga część po 28 dniach. Badania chemiczne prowadziły do oznaczenia zawartości podstawowych pierwiastków w substratach (cementy, woda zarobowa, piasek i kruszywo) i produktach czyli betonach, wykonanych z tych surowców po 28 dniach wiązania. Badania analityczne wszystkich składników surowcowych i betonu wykonano, opierając się na metodach klasycznych wg obowiązującej normy, natomiast analizę cementów wykonano obu metodami, albowiem tylko dla nich były dostępne wzorce kalibracyjne. Oznaczano następujące składniki CaO, SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, SO 3 oraz dodatkowo określono ilość węglanów w kruszywie. Wszystkie próbki rozdrabniano w kruszarce laboratoryjnej i przesiewano na sicie. Badania analizy ilościowej przeprowadzono metodami klasycznymi, zgodnymi z aktualnymi normami (PN-EN 206-1:2006) oraz technikami fluorescencji rentgenowskiej XRF z wykorzystaniem spektrometru fluorescencji rentgenowskiej Philips, model PW Techniki analizy chemicznej dotyczące badania cementu mają status normowych metod wzorcowych lub alternatywnych. Niektóre metody instrumentalne mogą być zastosowane alternatywnie, jednak tylko w przypadku, gdy wykorzystywane są w nich certyfikowane wzorce kalibracyjne. Badania z wykorzystywaniem fluorescencji rentgenowskiej (technik XRF) w analizie chemicznej materiałów budowlanych, aczkolwiek dokładne i szybkie, jednak wymagają stosowania niezbędnych do kalibracji certyfikowanych wzorców i obecnie nie pozwalają na wyznaczanie składu chemicznego próbek środowiskowych, jak kruszyw czy betonów. Badania chemiczne materiałów budowlanych z wykorzystywaniem technik klasycznych zgodnych z normą PN-EN 206-1:2006 charakteryzują się niższą dokładnością, są bardzo czasochłonne ale pozwoliły na określenie składu chemicznego nie tylko cementów, ale po odpowiednim przygotowaniu próbek, również kruszyw i betonów. Ich dokładność zależała przede wszystkim od rodzaju przeprowadzonej analizy oznaczanego składnika, wykorzystanych odczynników oraz staranności przygotowania próbek. Wymagały użycia wielu drogich odczynników, które mogły być ponadto źródłami zanieczyszczeń. Z przeprowadzonych badań wynikało, że najbardziej niedokładny wynik we wszystkich próbkach, uzyskano podczas oznaczania metodą klasyczną tlenku glinowego. Z tego powodu przeprowadzono dodatkowe obliczenia, posługując się interpolacją wyników stężeń poszczególnych materiałów, wyznaczonych metodami klasycznej analizy chemicznej i XRF. 4 WYNIKI BADAŃ 4.1 Wyniki badań wytrzymałościowych Wyniki badań wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie betonu na spoiwie cementu portlandzkiego i betonu o cechach ekspansywnych przedstawiono na rysunku 1 i 2. Rys. 1. Wytrzymałość na ściskanie badanych betonów 10545

7 Rys. 2. Wytrzymałość na rozciąganie badanych betonów 4.2 Wyniki badań chemicznych Na rysunkach 3 do 6 przedstawiono skład mineralogiczny i tlenkowy badanych spoiw cementowych, natomiast na rysunku 7 skład chemiczny wszystkich badanych materiałów, zarówno substratów jak wytworzonych produktów z cementu portlandzkiego i z cementu o cechach ekspansywnych. Podsumowane składniki, oznaczone w tej pracy, wskazują, iż w skład materiałów wchodzą także inne związki, co jest oczywiste. Zwłaszcza kruszywo grube - żwir posiadał okruchy skał węglanowych. Ubytek masy próbki kruszywa, podczas prażenia wynosił ok. 20%, i uzupełniał bilans chemiczny kruszywa. W składzie chemicznym betonów w składnikach pozostałych również uwzględniona jest związana woda zarobowa. Rys. 3. Skład mineralogiczny badanego cementu portlandzkiego, obliczony metodą Boguea 10546

8 Rys. 4. Skład mineralogiczny badanego cementu ekspansywnego, obliczony metodą Boguea Rys. 5. Skład chemiczny badanego cementu portlandzkiego w % Rys. 6. Skład chemiczny badanego cementu ekspansywnego w % 10547

9 Rys. 7. Skład chemiczny badanych materiałów, substratów i produktów W celu określenia składu surowcowego betonów, korzystano z uzyskanych wyników składu tlenkowego makroskładników w surowcach i produktach (rysunek 7). Sporządzano bilanse materiałowe dla wszystkich makroskładników, przygotowano wiele kombinacji układów po trzy równania z trzema niewiadomymi (zawartości cementu, piasku i żwiru). W obliczeniach korzystano z aparatu matematycznego, w tym wyznaczników macierzy, wyniki uzyskiwano posługując się programem komputerowym. Wyniki końcowe określone zostały jako średnia arytmetyczna wszystkich możliwych rozwiązań, spełniających warunki brzegowe. Na rysunku 8 i 9 przedstawiono graficznie uzyskane rezultaty; uzyskane w badaniach wyniki składu obu betonów, z uwzględnieniem składu rzeczywistego. Rys. 8. Porównanie wartości składu betonu, wykonanego z cementu portlandzkiego, obliczonych i rzeczywistych 10548

10 Rys. 9. Porównanie wartości składu betonu o cechach ekspansywnych, obliczonych z rzeczywistymi PODSUMOWANIE I WNIOSKI Wytrzymałość betonu zwykłego i ekspansywnego na ściskanie i na rozciąganie tylko nieznacznie się różniły. Beton ekspansywny jest betonem o wyjątkowych właściwościach i reakcje wiązania mają inny przebieg niż w betonie zwykłym. Przyrost wytrzymałości po 7 dniach w stosunku do wytrzymałości 28-dniowej był większy dla betonu ekspansywnego niż betonu zwykłego o kilka %, zarówno w przypadku wytrzymałości na ściskanie jak i na rozciąganie (rysunek 1 i 2). Skład tlenkowy i mineralogiczny obliczony metodą Boguea dla obu cementów mieścił się w granicach określonych przez obowiązujące normy jak też prognozy autorskie (rysunek 3-6). Sposób odtwarzania składu substratowego betonów, zastosowany w niniejszej pracy, charakteryzuje się wysoką rzetelnością (rysunek 8 i 9). W celu zwiększenia jego dokładności, należałoby jedynie zminimalizować źródła błędnych rozwiązań dla układów równań bilansowych. Najważniejsze są skuteczne metody analizy chemicznej, umożliwiające najbardziej dokładne określenie składu chemicznego poszczególnych materiałów. Wyniki analizy badanych materiałów metodami wg normy PN-EN i metodą XRF są do siebie bardzo zbliżone, a ich rozrzut nie przekracza kilku %. W każdym przypadku bardzo ważne było odpowiednie przygotowanie próbek do analizy, zwłaszcza ich homogenizacja. Przy odtwarzaniu składu substratowego zarówno dla betonów jak i dla zapraw największe rozbieżności były w przypadku składnika pozostałe +woda. Wiadomo, że woda substratowa nie bilansuje się w gotowym produkcie. Jest to w rzeczywistości suma wody uczestniczącej w procesie wiązania, wody pozostającej w porach, wody odparowanej, wody dostarczanej w czasie dojrzewania betonu. Pojawia się także nowy składnik w produkcie - dwutlenek węgla związany podczas procesu karbonatyzacji. Szacunkowa ilość poszczególnych substratów obliczona w tej pracy jest bliska rzeczywistemu składowi w przypadku badanych betonów zwykłych i ekspansywnych. Aby odpowiedzieć czy podobne relacje, zachodzące w innych przypadkach należałoby wykonać jeszcze wiele badań, posługując się różnymi substratami i różnymi ich proporcjami. Streszczenie Zaprezentowano badania prowadzące do odtworzenia składu substratowego betonów cementowych, z wykorzystaniem analizy chemicznej technikami klasycznymi i XRF. Badaniom poddano betony oparte na cemencie portlandzkim i cemencie o zwiększonej zawartości składników ekspansywnych, kruszywie drobnym (piasku) oraz grubym, lekkim. Badania wytrzymałościowe otrzymanych betonów wykazały właściwości podobne. Skład substratowy, w sposób szacunkowy obliczono na podstawie sposobu, który polegał na 10549

11 oznaczeniu w substratach i produktach składu tlenkowego z uwzględnieniem zawartości wapnia, glinu, krzemu, żelaza i siarki i chlorków; sporządzeniu bilansu materiałowego dla poszczególnych tlenków w substratach i produktach. Otrzymane dane pozwoliły na ułożenie układów równań dla składników betonu z trzema niewiadomymi (ilość cementu, piasku i kruszywa grubego). Rozwiązywano wszystkie możliwe kombinacje równań z wykorzystaniem programu komputerowego. Wyniki końcowe były średnią arytmetyczną wszystkich możliwych rozwiązań, spełniających warunki brzegowe. Zastosowany sposób odtwarzania składu okazał się bliski składu rzeczywistego (maksymalne różnice w granicach kilku procent). Chemical testing of concretes to the reconstitution of their substrate composition Abstract The paper presents results of research was to reconstitute of concrete mix on the basis of samples of hardened concrete. A classic chemical analysis as well as XRF techniques were used in the process. The object of research were samples of concretes made of fine aggregates (sand), coarse aggregates (lightweight aggregates), and Portland cement or cement with increased contents of expansive compounds. The mixes used to prepare samples were designed to obtain similar strength. Composition of substrates was estimated by defining and comparing oxide composition of substrates and products considering contents of calcium, silicon, iron, sulfur and chlorides. The results provided input for a system of linear equations with three unknown values: cement, sand, and coarse aggregate content. All possible combinations of equations were solved, and final result was an arithmetic mean of all results that fulfilled boundary conditions. The method proved to be reliable, as the results were close to the actual composition of tested concretes. BIBLIOGRAFIA 1. Bullard J. W., Jennings H. M., Livingston R. A., Nonat A., Scherer G. W., Schweitzer J. S., L. Scrivener K, Thomas J. J., Cement and Concrete Research, 41, no. 12, pp , Czarnecki L., Emmons P.H.: Naprawa i ochrona konstrukcji betonowych, Polski Cement Sp. z o.o., Kraków Jakubowska M., Kalarus D., Kot A., Kubiak W.: Ceramic Materials, 61, 1, 12-15, Król M., Tur W.: Beton ekspansywny, Arkady, Warszawa Kurdowski W.: Cement, Wapno, Beton, 4, Leśniewska I., Plassard C., Pochard I., Nonat A., 12 th ICCC, Session T , Montreal Nonat A.: Cement and Concrete Research 34, p (2004) 8. Normy: PN-EN 196-2, PN-EN 196-7, PN-EN , PN-EN : Richardson I.G., Cem. Concr. Res. 34, p (2004) 10. Richardson I.G., Cem. Concr. Res., Vol. 29, p (1999) 11. Szymura T.; Research into the Reproduction of Raw-Material Composition of Concrete and Mortars Based on Portland and Expansive Cements, Physicochemical Problems of Mineral Processing, 43,1,