WPŁYW POPIOŁU LOTNEGO WAPIENNEGO NA WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE MIESZANEK NA SPOIWACH CEMENTOWYCH

Transkrypt

1 Jacek Gołaszewski Tomasz Ponikiewski Aleksandra Kostrzanowska Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej w Gliwicach WPŁYW POPIOŁU LOTNEGO WAPIENNEGO NA WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE MIESZANEK NA SPOIWACH CEMENTOWYCH STRESZCZENIE W artykule omówiono podstawy kształtowania urabialności mieszanek w ujęciu reologicznym oraz przeanalizowano stan wiedzy w zakresie wpływu popiołów lotnych wapiennych na właściwości reologiczne mieszanek na spoiwie cementowym. Przedstawiono metodykę i wyniki badań wpływu metody produkcji cementów z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego, stopnia domielenia popiołu lotnego wapiennego oraz dodatku domieszek na właściwości reologiczne zapraw. 1. WPROWADZENIE Obecny stan wiedzy nie jest wystarczający do efektywnego kształtowania urabialności mieszanek z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego. Konieczne są dalsze badania, zwłaszcza uwzględniające wpływ zmiennych właściwości fizykochemicznych popiołu lotnego wapiennego i rodzaju cementu. Stwierdzono moŝliwość stosowania popiołu lotnego wapiennego jako zamiennik części cementu w betonie i składnika cementu [16]. Na podstawie wyników przedstawionych badań stwierdzono, ze stosowanie cementu z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego o największym stopniu przemiału pozwala na uzyskanie zapraw o najmniejszej granicy płynięcia i lepkości. 177

2 Kształtowanie urabialności mieszanki betonowej ma kluczowe znaczenie dla uzyskania betonu o wymaganych właściwościach technicznych. Zapewnienie mieszance wymaganej urabialności stanowi jeden z podstawowych problemów technologii betonu. W ujęciu reologicznym kształtowanie urabialności polega na dostosowaniu właściwości reologicznych mieszanki odpowiednim do metody technologicznej i warunków jej wykonania [1]. Podstawą do projektowania właściwości reologicznych mieszanki są zaleŝności między charakterystykami składu a jej parametrami reologicznymi. Identyfikacja tych zaleŝności wymaga zdefiniowania modelu reologicznego mieszanki, a następnie pomiaru zmian jego parametrów jako stałych materiałowych, w układzie czynników związanych z charakterystykami składników i składu mieszanki oraz warunkami jej wykonywania. Podstawy reologicznego ujęcia urabialności i jej projektowania szczegółowo omówiono w pracy [1]. Dodatki mineralne odgrywają bardzo waŝną rolę we współczesnej technologii betonu. Ich stosowanie pozwala bowiem na modyfikowanie właściwości betonu oraz uzyskanie znaczących korzyści ekonomicznych. Stanowi równieŝ waŝny element w realizacji strategii zrównowaŝonego rozwoju. Dodatki mineralne są dobierane ze względu na wymagania wytrzymałościowe i trwałościowe betonu. Ich obecność wpływa jednak znacząco takŝe na właściwości reologiczne mieszanki. Jako dodatki mineralne najczęściej stosowane są popioły lotne, zmielony granulowany ŜuŜel wielkopiecowy oraz pył krzemionkowy. Podstawowe efekty stosowania tych dodatków mineralnych przedstawiono szeroko w licznych opracowaniach [np. w 1 5]. Popioły lotne wapienne uzyskiwane są ze spalania węgla brunatnego w kotłach konwencjonalnych. Charakteryzują się one bardziej złoŝonym składem niŝ powszechnie wykorzystywane w technologii betonu popioły lotne krzemionkowe, uzyskiwane ze spalania węgla kamiennego. Popioły lotne wapienne moŝna traktować jako charakteryzujące się aktywnością pucolanowo-hydrauliczną. Zakres zmienności podstawowych parametrów składu popiołów lotnych wapiennych został szczegółowo przedstawiony w referacie [15]. Przemysłowe popioły lotne zawierają od 1 do 4% masy reaktywnego CaO, mają powierzchnię właściwą wg Blaina poniŝej 28 cm 2 /g oraz zawierają w sobie ziarenka niespalonego węgla, koncentrujące się zazwyczaj w grubszej frakcji popiołu [5]. Cechą charakterystyczną krajowych popiołów lotnych wapiennych jest równieŝ znaczna zmienność składu chemicznego i ziarnowego, wykazują one takŝe duŝą zmienność składu chemicznego w poszczególnych frakcjach ziarnowych [5]. 178

3 Zmienność składu popiołu lotnego wapiennego stanowi dodatkowe powaŝne utrudnienie przy kształtowaniu urabialności mieszanek z jego dodatkiem. Jednym z warunków szerszego wykorzystania popiołu lotnego wapiennego jako dodatku do cementu i betonu jest rozwiązanie problemu kształtowania urabialności mieszanek w jego obecności. W tym celu konieczne są przede wszystkim systematyczne badania, które pozwolą określić wpływ ilości i właściwości popiołu lotnego wapiennego na reologię i urabialność mieszanki betonowej w układzie zmiennych czynników technologicznych oraz analizy zmierzające do oceny efektywności działania domieszek chemicznych w obecności popiołu lotnego wapiennego. Dane literaturowe świadczą o tym, ze obecnie takich kompleksowych badań brakuje. Dostępne są jedynie nieliczne wyniki [2, 4 11], przy czym zwykle pochodzą one z badań prowadzonych w wąskim zakresie. Na ich podstawie moŝna jedynie stwierdzić, ze wprowadzenie popiołu lotnego wapiennego prowadzi do zwiększenia granicy płynięcia i lepkości plastycznej, a w konsekwencji znaczącego pogorszenia urabialności mieszanki. Jest ono tym większe, im większa jest ilość wprowadzonego popiołu. Większa zawartość CaO w składzie popiołu powoduje wzrost granicy płynięcia, co przyczynia się do pogorszenia właściwości reologicznych mieszanki [7]. W celu uzyskania określonej granicy płynięcia konieczne jest dodawanie wyraźnie większej ilości superplastyfikatora wprowadzenie 3% popiołu lotnego wymusza ponad dwukrotne zwiększenie ilości dodanego superplastyfikatora [9]. Obecność duŝej ilości niespalonego węgla w popiele lotnym wapiennym wpływa równieŝ na zmniejszenie efektywności działania domieszek, utrudniając nie tylko upłynnienie, ale przede wszystkim efektywne napowietrzenie mieszanki betonowej [1]. Dostępne dane wskazują przy tym, ze znacznie lepsze rezultaty moŝna uzyskać w przypadku stosowania zmielonego popiołu lotnego wapiennego lub popiołu lotnego jako dodatku do cementu (cementy popiołowe W) [4]. WodoŜądność takich cementów, podobnie jak zmielonego popiołu wapiennego, jest bowiem duŝo mniejsza niŝ popiołu bezpośrednio odebranego z elektrowni. MoŜe być ona porównywalna lub nawet mniejsza niŝ cementów CEM I lub cementów z dodatkiem popiołu krzemionkowego [4]. Pozwala to sądzić, ze w takim przypadku niekorzystny wpływ wprowadzenia popiołu lotnego wapiennego na reologię mieszanek będzie mniejszy. Reasumując, moŝna stwierdzić, ze obecny stan wiedzy nie jest wystarczający do efektywnego kształtowania urabialności mieszanek z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego. Konieczne są dalsze badania dotyczące wpływu popiołu lotnego wapiennego na właściwości reologiczne mieszanek, zwłaszcza uwzględniające zmienność właściwości fizykochemicznych popiołów lotnych wapiennych i cementów z ich udziałem. 179

4 W prezentowanym artykule przedstawiono metodykę i wyniki badań właściwości reologicznych zapraw z cementów z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego o róŝnym stopniu przemiału. Dodatkowo zweryfikowano wpływ ilości popiołu lotnego wapiennego na właściwości reologiczne zapraw z cementu CEM I. 2. WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE MIESZANEK NA SPOIWIE CEMENTOWYM I ICH POMIAR Mieszanka na spoiwie cementowym jest to mieszanina cementu, kruszywa i wody wraz z ewentualnymi dodatkami mineralnymi i domieszkami chemicznymi, przed rozpoczęciem wiązania cementu. Określenie to obejmuje zarówno świeŝą zaprawę, jak i mieszankę betonową. Z licznych badań rozpatrujących właściwości mieszanki w aspekcie urabialności wynika, Ŝe zachowuje się ona pod obciąŝeniem jak lepkoplastyczne ciało Binghama [1]. Właściwości reologiczne mieszanki, traktowanej jako ciało Binghama, opisuje wystarczająco dokładnie równanie reologiczne (1) γ τ = τ + ηpl, Pa, (1) gdzie: τ napręŝenie styczne w mieszance od obciąŝenia, Pa τ o granica płynięcia mieszanki, Pa η pl lepkość plastyczna mieszanki, Pa s γ = dt dγ prędkość odkształcenia postaciowego mieszanki Granica płynięcia i lepkość plastyczna, zwane parametrami reologicznymi, są stałymi materiałowymi, charakteryzującymi właściwości reologiczne mieszanki. Z chwilą gdy napręŝenia przekroczą granicę płynięcia, nastąpi płynięcie mieszanki z prędkością proporcjonalną do lepkości plastycznej. Im mniejsza będzie lepkość plastyczna mieszanki, tym większa będzie prędkość jej płynięcia przy danym obciąŝeniu. Ze względu na urabialność mieszanki, parametrem o zasadniczym znaczeniu jest granica płynięcia. Znaczenie technologiczne lepkości plastycznej w przypadku mieszanek zagęszczanych wibracyjnie jest mniejsze, jednak w odniesieniu do mieszanek samozagęszczalnych o ich urabialności decydują zarówno granica płynięcia, jak i lepkość plastyczna. Bardziej szczegółowo zagadnienia reologii omówiono m.in. w pracy [1]. 18

5 Pomiar parametrów reologicznych mieszanek najlepiej wykonywać za pomocą reometrów. Pomiary te wymagają jednak warunków laboratoryjnych, wysoko wykwalifikowanej obsługi, a ponadto reometry są kosztowne. Najpopularniejsze reometry do zapraw i mieszanek betonowych oraz omówienie teoretycznych i technicznych zasad pomiaru parametrów reologicznych mieszanek przedstawiono w opracowaniu [1]. W praktyce technologicznej stosuje się specjalnie zaprojektowane testy, symulujące szczególne warunki występujące przy układaniu mieszanki samozagęszczalnej. Normowe, według PN-EN 6-1, testy konsystencji, a takŝe inne powszechnie obecnie stosowane testy technologiczne (równieŝ te odnoszące się do badania zapraw) oraz ich korelacje z parametrami reologicznymi zestawiono w pracy [12]. Odpowiednio dobierając testy techniczne, moŝna uzyskać informacje na temat właściwości reologicznych mieszanki. NaleŜy przy tym pamiętać, ze mierzone w testach opadu i rozpływu wartości są pewną funkcją granicy płynięcia i lepkości plastycznej mieszanki. Określenie lepkości plastycznej za pomocą testów wypływu i rozpływu jest moŝliwe tylko w przypadku mieszanek bardzo ciekłych, charakteryzujących się małą granica płynięcia. Reologiczne podobieństwo zaprawy i mieszanki betonowej otwiera moŝliwość wykorzystania w badaniach poznawczych i praktycznych zapraw jako modelu mieszanki betonowej. Czasochłonne i materiałochłonne badania reologiczne wpływu róŝnych czynników składu wykonywane na mieszankach betonowych mogą być w takim przypadku zastąpione przez znacznie łatwiejsze badania zapraw. W pracach [12 13] wykazano, Ŝe ze względu na dobrą zgodność charakteru wpływu podstawowych czynników składu na reologię zapraw i mieszanek, wyniki uzyskane na zaprawach mogą być wykorzystane do przewidywania kierunków i wielkości zmian właściwości reologicznych mieszanek betonowych. Dotyczy to szczególnie wpływu dodatków i domieszek. 3. PLAN I ZAKRES BADAŃ W badaniach określono wpływu metody produkcji cementów z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego, stopnia domielenia popiołu lotnego wapiennego na właściwości reologiczne zapraw. Dodatkowo określono wpływ czasu przemiału zastosowanego popiołu lotnego wapiennego oraz zawartości róŝnych domieszek na parametry reologiczne zapraw z ich dodatkiem. Zastosowano w badaniach superplastyfikatory na bazie eteru polikarboksylanowego. Badania zrealizowano z wykorzystaniem trzech partii popiołów lotnych wapiennych pobranych ze zbiornika retencyjnego Elektrowni Bełchatów. 181

6 Badania wykonano uwzględniając wpływ następujących czynników: dostawa/partia popiołu lotnego wapiennego (patrz tabela 1 i 2); rodzaj cementu (patrz tabela 3-4); dawka popiołu lotnego wapiennego jako ekwiwalent cementu: 1,, 3% m.c. rodzaj domieszki: SP I, SP II; plastyfikatory PL I, PL II; domieszka opóźniająca OP; ilość domieszki (% m.c.): SP I, SP II,7; 1,; 1,3; PL I, PL II,25;,5; OP,5; 1, Zgodnie z załoŝeniami przedstawionymi powyŝej, wyniki uzyskane dla zapraw są aktualne równieŝ dla mieszanek betonowych. 4. WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW I SKŁADY MIESZANEK Skład chemiczny, metody produkcji cementów oraz wybrane właściwości zastosowanych w badaniach cementów i popiołów lotnych wapiennych przedstawiono w tabelach 1-5. Skład zaprawy do badania właściwości reologicznych przedstawiono w tabeli 6. W partii A popiół domielony był przez 1 i 28 minut w młynku kulowym na róŝną wartość miałkości. W partii B popiół domielono przez 15 minut. W partii C popiół domielono przez minut do miałkości odmiany N. We wszystkich partiach dodatkowo wyodrębniono popiół w stanie dostawy, czyli bez przemiału, na rysunkach oznaczony jako bp. Tabela 1. Skład cementu i popiołu lotnego wapiennego oznaczonego metodą XRF Składnik SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO SO 3 Na 2 O K 2 O CaO w Cement 19,5 4,89 2,85 63,3 1,29 2,76,14,9 - CEM I 42,5R Popiół lotny 33,62 19,27 5,39 31,32 1,85 4,5 *,31,11 2,87 wapienny A Popiół lotny 35,41 21,86 6,11 25,58 1,49 4,22,16,13 1,24 wapienny B Popiół lotny 4,17 24,2 5,93 22,37 1,27 3,7 *,15, 1,46 ** wapienny C * oznaczono metodą analizy elementarnej; **metoda glikolowa 182

7 Tabela 2. Właściwości fizyczne popiołów - gęstość, miałkość, powierzchnia właściwa, masa objętościowa Popiół Gęstość, [g/cm 3 ] Miałkość - pozostałość na sicie 45µm [%] Powierzchnia właściwa wg Blaine'a, [cm 2 /g] Masa objętościowa, [kg/m 3 ] Partia A Bez przemiału 2,62 38, Mielenie 1 min 2,77 23, Mielenie 28 min 2,75 1, Partia B Bez przemiału 2,58 35, Mielenie 15 min 2,7 13, nb Partia C Bez przemiału 2,64 55, Mielenie min 2,71, 46 nb Tabela 3. Skład i metoda produkcji cementów - dostawa I i II SKŁADNIK Metoda mieszania składników CEM II/ B-W CEM II/ A-W CEM IV/ B-W Metoda wspólnego mielenia składników CEM CEM CEM II/ II/ IV/ A-W B-W B-W Cement Klinkier portlandzki ,1 67,7 49,2 Popiół lotny W ,3 29, 49,2 Popiół lotny V Gips * ,6 3,3 1,6 * dodatek gipsu wyznaczono dla stałej wartości SO 3 w cementach 3,15% 183

8 Tabela 4. Skład i metoda produkcji cementów - dostawa III SKŁADNIK Metoda wspólnego mielenia składników CEM II/A-M (V-W) CEM II/B-M (V-W) CEM IV/B (V-W) Metoda mieszania składników CEM CEM CEM II/A- II/B-M IV/B M (V- (V-W) (V-W) W) Cement Klinkier portlandzki 8,5 66,7 48, Popiół lotny W 7,1 14,3 24, 7, Popiół lotny V 7,1 14,3 24, 7, Gips* 5,3 4,7 3, * dodatek gipsu wyznaczono dla stałej wartości SO 3 w cementach 3,15% Tabela 5. Wybrane właściwości cementów Składnik/rodzaj cementu Gęstość g/cm 3 Powierzchnia cm 2 /g Zawartość SO 3 % CEM I 42,5R 3, ,92 Popiół "surowy" 2, ,5 CEM II/A-W 2, ,17 CEM II/B-W 2, ,45 CEM IV/B-W 2, ,73 Cementy wspólnie mielone CEM II/A-M (V-W) 3, ,82 CEM II/B-M (V-W) 2, ,16 CEM IV/B (V-W) 2, ,19 Cementy mieszane CEM II/A-M (V-W) 3, 396 3,6 CEM II/B-M (V-W) 2, ,77 CEM IV/B (V-W) 2,8 37 2,74 184

9 Tabela 6. Skład zapraw do badania właściwości reologicznych Składnik Masa [g] Cement 45, Woda 247,5 Piasek normowy 1 35, w / c,55 5. METODA POMIARU WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNYCH ZAPRAW Parametry reologiczne zapraw wyznaczono za pomocą reometru Viskomat NT opisanego szczegółowo w [1]. W testach reometrycznych równanie modelu Binghama (1) stosuje się w umownej postaci: gdzie: M = g + N h (2) g (Nmm) i h (Nmms) są parametrami odpowiadającymi granicy płynięcia i lepkości plastycznej. Dzięki odpowiedniej kalibracji reometru wartości parametrów g i h moŝna wyrazić w jednostkach fizycznych. W pracy [14] podano, Ŝe dla aparatu o identycznym układzie pomiarowym granica płynięcia τ o = 7,91 g, a lepkość plastyczna η pl =,78 h. Sposób pomiaru parametrów reologicznych przedstawiono na rysunku 1. Prędkość obrotowa sondy zmieniała się w przedziale od 1 do 1 obr./min. Wyniki przedstawiono dla prędkości malejących. Parametry reologiczne zapraw określano co 3 min, w okresie 1 min od zakończenia mieszania. Zaprawy były przygotowywane i przechowywane pomiędzy pomiarami tak, aby ich temperatura przez cały czas pomiaru wynosiła C. Temperatura zaprawy w trakcie pomiaru była utrzymywana na zadanym poziomie poprzez zastosowanie automatycznego układu termostatującego. Zaprawy do badania właściwości reologicznych przygotowywano zgodnie z normą PN-EN

10 Rys. 1. Przebieg procedury pomiarowej aparatem Viskomat NT (zdjęcie na górze) 186

11 6. WYNIKI BADAŃ Wprowadzenie popiołu lotnego wapiennego w miejsce części cementu pogarsza urabialność zapraw, powodując wzrost obu parametrów reologicznych, tym większy, im większa jest ilość popiołu w zaprawie (rys. 2). Zaprawy zawierające popiół charakteryzują się równieŝ szybszym wzrostem granicy płynięcia g w czasie, a w konsekwencji szybszą utratą urabialności. Kierunek zmian lepkości plastycznej h w czasie równieŝ zaleŝy od ilości dodanego popiołu; przy większej jego ilości lepkość plastyczna h zapraw maleje z upływem czasu. 1 Granica płynięcia, [g,nmm] CEM I,9 CEM I +,1 PLW,8 CEM I +,2 PLW,7 CEM I +,3 PLW Lepkość plastyczna [h,nmms] CEM I,9 CEM I +,1 PLW,8 CEM I +,2 PLW,7 CEM I +,3 PLW Rys. 2. Wpływ czasu na właściwości reologiczne zapraw z cementu CEM I z dodatkiem zmiennej ilości popiołu lotnego wapiennego niemielonego. 187

12 Wprowadzenie popiołu lotnego wapiennego w miejsce części cementu pogarsza urabialność zapraw, powodując wzrost obu parametrów reologicznych, szczególnie w przypadku zastosowania popiołu bez domielenia (rys. 3-5). WydłuŜenie czasu domielenia popiołu wpływa na poprawę urabialności, przez obniŝenie parametrów reologicznych. Jest to jednak zaleŝne równieŝ od partii dostarczonego popiołu. W przypadku partii popiołu B niemoŝliwy był pomiar parametrów reologicznych partii popiołu bez przemiału z racji niskiej urabialności. Zaprawy z dodatkiem popiołów z partii A charakteryzowały się najmniejszym przyrostem granicy płynięcia względem zaprawy świadka I. 1 Granica płynięcia, [g,nmm] Lepkość plastyczna [h,nmms] Świadek I PLW A bp PLW A 1' PLW A 28' Świadek I PLW A bp PLW A 1' PLW A 28' Rys. 3. Wpływ czasu na właściwości reologiczne zapraw z cementu CEM I z dodatkiem % popiołu lotnego wapiennego partia A 188

13 1 Granica płynięcia, [g,nmm] Lepkość plastyczna [h,nmms] Świadek PLW B bp PLW B 15' Świadek PLW B bp PLW B 15' Rys. 4. Wpływ czasu na właściwości reologiczne zapraw z cementu CEM I z dodatkiem % popiołu lotnego wapiennego partia B 189

14 Lepkość plastyczna [h,nmms] Granica płynięcia, [g,nmm] Świadek PLW C bp PLW C ' Świadek PLW C bp PLW C ' Rys. 5. Wpływ czasu na właściwości reologiczne zapraw z cementu CEM I z dodatkiem % popiołu lotnego wapiennego partia C Wyniki badań przedstawione na rysunkach 6 7 wykazują, Ŝe rodzaj i ilość zastosowanego superplastyfikatora SP I znacząco wpływa na właściwości reologiczne zapraw z dodatkiem % popiołu lotnego wapiennego. W przypadku pierwszego superplastyfikatora SP juŝ niewielka jego dawka powodowała znaczą poprawę urabialności poprzez obniŝenie granicy płynięcia przy zbliŝonej wartości lepkości plastycznej. Wraz ze wzrostem dawki SP wartość granicy płynięcia zmniejszała się nieznacznie oraz nadal obniŝała się wartość lepkości plastycznej. 19

15 Granica płynięcia, [g,n mm] Lepkość plastyczna [h,nmms] ,,7 1, 1,3,,7 1, 1,3 Rys. 6. Wpływ zmiennej zawartości superplastyfikatora SP I na właściwości reologiczne zapraw z cementu CEM I z dodatkiem % popiołu lotnego wapiennego partia A mielonego po 1 min 191

16 1 Granica płynięcia, [g,nmm] ,,7 1, 1,3 Lepkość plastyczna [h,nmms] ,,7 1, 1,3 Rys. 7. Wpływ zmiennej zawartości superplastyfikatora SP II na właściwości reologiczne zapraw z cementu CEM I z dodatkiem % popiołu lotnego wapiennego partia A mielonego po 1 min W przypadku drugiego zastosowanego superplastyfikatora wpływ wzrastającej jego dawki był mniejszy, szczególnie na granicę płynięcia zaprawy z jego dodatkiem. Lepkość plastyczna była wyŝsza względem zaprawy świadka w całym przedziale dawki SP II. Na rysunku 8 przedstawiono wyniki badań wpływu zmiennej zawartości plastyfikatora (PL I) oraz (PL II) na właściwości reologiczne zapraw z cementu CEM I z dodatkiem % popiołu lotnego wapiennego partia A mielonego po 1 min. Z wykresów wynika, Ŝe dodatek plastyfikatorów wpływa na obniŝenie parametrów reologicznych g i h. Dodatek plastyfikator PL II w większym zakresie wpływa na obniŝenie wartości parametrów reologicznych. 192

17 W przypadku plastyfikatora PL I obserwujemy przyrost granicy płynięcia w czasie, natomiast w przypadku plastyfikatora PL II jest on niewielki. Lepkość plastyczna w przypadku zastosowania obu plastyfikatorów nie zmienia się wraz z upływającym czasem. Na tej podstawie moŝna stwierdzić, iŝ dawka oraz rodzaj plastyfikatora wpływa na poprawę parametrów reologicznych, a więc takŝe urabialności zapraw z cementem oraz dodatkiem popiołu lotnego wapiennego. Granica płynięcia, [g,nmm] % PL % PLW PL I,25% PL I,5% PL II,25% PL II,5% Lepkość plastyczna [h,nmms] % PL % PLW PL I,25% PL I,5% PL II,25% PL II,5% Rys. 8. Wpływ zmiennej zawartości plastyfikatora (PL I) oraz (PL II) na właściwości reologiczne zapraw z cementu CEM I z dodatkiem % popiołu lotnego wapiennego partia A mielonego po 1 min (zaprawa świadek bez domieszki i popiołu lotnego wapiennego) 193

18 Na rysunku 9 przedstawiono wpływ zmiennej zawartości domieszki opóźniającej (OP) na właściwości reologiczne zapraw z cementu CEM I z dodatkiem % popiołu lotnego wapiennego partia A mielonego po 1 min. Na podstawie wykresów moŝna stwierdzić wpływ domieszki opóźniającej na obniŝenie granicy płynięcia oraz na wzrost lepkości plastycznej. Granica płynięcia, [g,nmm] % OP % PLW OP,5% OP 1,% Granica płynięcia, [g,nmm] % OP % PLW OP,5% OP 1,% Rys. 9. Wpływ zmiennej zawartości domieszki opóźniającej (OP) na właściwości reologiczne zapraw z cementu CEM I z dodatkiem % popiołu lotnego wapiennego partia A mielonego po 1 min (zaprawa świadek bez domieszki i popiołu lotnego wapiennego) Na rysunkach 1 i 11 przedstawiono wpływ sposobu produkcji cementu i ilości popiołu lotnego wapiennego w składzie cementu na właściwości reologiczne zapraw. W przypadku cementów mieszanych (rys. 1) stwierdzono zbliŝone wartości granicy płynięcia dla wszystkich badanych 194

19 zapraw z tymi cementami, za wyjątkiem cementów CEM IV/B-W, CEM II/B-W oraz CEM II/A-W. Czyli wraz ze wzrostem w składzie cementu zawartości popiołu lotnego W, wzrasta granica płynięcia zapraw z tymi cementami. Natomiast dodawanie popiołu lotnego V powoduje zachowanie granicy płynięcia na poziomie zaprawy z cementem CEM I. Lepkość plastyczna zapraw dla wszystkich rozpatrywanych cementów wzrosła w odniesieniu do cementu CEM I. NajwyŜsze wartości osiągnęła w zaprawach z cementami CEM IV/B-W, CEM II/B-W oraz CEM II/A-W czyli zawierającymi popiół lotny W. Charakterystyczny jest spadek wartości lepkości plastycznej z upływem czasu dla zapraw z cementami CEM IV/B-W, CEM II/A-W. W przypadku cementów współmielonych (rys. 11) równieŝ stwierdzono zbliŝone wartości granicy płynięcia dla wszystkich badanych zapraw z tymi cementami, za wyjątkiem cementów CEM IV/B-W, CEM II/B-W oraz CEM II/A-W. Ponownie, wraz ze wzrostem zawartości w składzie cementu popiołu lotnego W, wzrastała granica płynięcia zapraw z tymi cementami. Dodawanie popiołu lotnego V do cementów współmielonych powoduje zachowanie granicy płynięcia na poziomie zaprawy z cementem CEM I. Lepkość plastyczna zapraw dla wszystkich rozpatrywanych cementów współmielonych wzrosła nieznacznie w odniesieniu do zapraw z cementu CEM I co jest cechą bardzo korzystną. 195

20 Granica płynięcia [g, Nmm] Lepk. plastyczna [h, Nmms] Czas, [min] Czas, [min] CEM I CEM II/A-W CEM II/B-W CEM IV/B-W CEM II/A(V-W) CEM II/B(V-W) CEM IV/B(V-W) CEM II/B(S-W) CEM II/B(LL-W) CEM I CEM II/A-W CEM II/B-W CEM IV/B-W CEM II/A(V-W) CEM II/B(V-W) CEM IV/B(V-W) CEM II/B(S-W) CEM II/B(LL-W) Rys. 1. Właściwości reologiczne zapraw z cementów mieszanych 196

21 Granica płynięcia [g, Nmm] Lepk. plastyczna [h, Nmms] Czas, [min] CEM I CEM II/A-W CEM II/B-W CEM IV/B-W CEM II/A(V-W) CEM II/B(V-W) CEM IV/B(V-W) CEM I CEM II/A-W CEM II/B-W CEM IV/B-W CEM II/A(V-W) CEM II/B(V-W) CEM IV/B(V-W) Czas, min Rys. 11. Właściwości reologiczne zapraw z cementów współmielonych 7. PODSUMOWANIE Badania wykazały niekorzystny wpływ popiołów lotnych wapiennych surowych (bez przemiału) dodawanych do mieszanki betonowej na jej właściwości reologiczne i urabialność. Aktywacja popiołów (ich przemiał) poprawia ich właściwości i są one pozytywne jako dodatek do składu betonu. Podobne, pozytywne właściwości występują równieŝ w przypadku cementów, szczególnie cementów wieloskładnikowych. Bez wątpienia problemem w wielu przypadkach jest utrata urabialności, nie dotyczy ona jednak cementów wieloskładnikowych. 197

22 Zwraca uwagę większa lepkość zapraw z popiołem lotnym wapiennym, co moŝe być bardzo korzystne w przypadku betonów samozagęszczalnych. Uzyskane wyniki badań wykazują, Ŝe efektywne stosowanie popiołu lotnego wapiennego do betonu lub jako składnika cementu jest moŝliwe, zwłaszcza wtedy, gdy będzie on poddany aktywizacji przez przemiał. Generalnie stwierdzono róŝnice w efektach działania domieszek. Rodzaj i ilość zastosowanego superplastyfikatora znacząco poprawia właściwości reologiczne zapraw z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego. Zmiana lepkości plastycznej jest uzaleŝniona w większym stopniu od rodzaju zastosowanego superplastyfikatora. Z kolei dawka oraz rodzaj plastyfikatora równieŝ wpływa na poprawę parametrów reologicznych, a więc takŝe urabialności zapraw z cementem oraz dodatkiem popiołu lotnego wapiennego. W innych przypadkach rozwiązaniem moŝe być stosowanie domieszek opóźniających, które dobrze działają w obecności popiołów lotnych wapiennych. W przypadku cementów wieloskładnikowych z popiołem lotnym wapiennym właściwości reologiczne są zbliŝone do cementów CEM I, co wskazuje na preferencje stosowania popiołów lotnych wapiennych. Przedstawione wyniki badań własnych, ze względu na swój ograniczony zakres, nie pozwalają na sformułowanie ogólnych wniosków dotyczących wpływu popiołu lotnego wapiennego na właściwości reologiczne mieszanek. Wykazują one jednak, ze efektywne stosowanie popiołu lotnego wapiennego do betonu lub jako składnika cementu jest moŝliwe, zwłaszcza wtedy, gdy będzie on poddany aktywizacji, np. przez przemiał. Prowadzone są dalsze badania dotyczące wpływu popiołu lotnego wapiennego na właściwości reologiczne mieszanek uwzględniające takie czynniki, jak skład chemiczny, uziarnienie i ilość popiołu lotnego wapiennego, rodzaj i właściwości cementu oraz obecność róŝnych domieszek chemicznych*. LITERATURA [1] Szwabowski J., Reologia mieszanek na spoiwach cementowych, Gliwice [2] Ramachandran V.S., Concrete Admixtures Handbook. Properties, Science and Technology. 2 ed., Park Ridge [3] Aitcin P.-C., High Performance Concrete, London [4] Neville A.M., Właściwości betonu, Kraków. [5] Giergiczny Z., Rola popiołów lotnych wapniowych i krzemionkowych w kształtowaniu właściwości współczesnych spoiw budowlanych i tworzyw cementowych, Kraków

23 [6] Zhang Yamei, Sun Wei, Shang Li, Mechanical properties of high performance concrete made with high calcium high sulfate fly ash, Cement and Concrete Research 1997, Vol. 27, Issue 7, s [7] Grzeszczyk S., Lipowski G., Popioły lotne i ich wpływ na reologie i hydratacje cementów, Opole 2. [8] Tsimas S., Moutsatsou - Tsima A., High-calcium fly ash as the fourth constituent in concrete: problems, solutions and perspectives, Cement and Concrete Composites 5, Vol. 27, Issue 2, s [9] Yazici H., The effect of silica fume and high-volume Class C fly ash on mechanical properties, chloride penetration and freeze-thaw resistance of self-compacting concrete, Construction and Building Materials 8, Vol. 22, Issue 4, s [1] Sun Wei, Yan Handong, Zhan Binggen, Analysis of mechanism on waterreducing effect of fine ground slag, high-calcium fly ash, and low-calcium fly ash, Cement and Concrete Research 3, Vol. 33, Issue 8, s [11] Namagga C., Atadero R.A., Optimization of fly ash in concrete: High lime fly ash as a replacement for cement and filler material, w: 9 World of Coal Ash Conference (WOCA), Lexington 9, (1.4.1). [12] Gołaszewski J., Wpływ superplastyfikatorów na właściwości reologiczne mieszanek na spoiwach cementowych w układzie zmiennych czynników technologicznych, Gliwice 6. [13] Gołaszewski J., Correlation Between Rheology of Superplasticized Fresh Mortars and Fresh Concretes, w: 9th CANMET/ACI Conference Superplasticizers and other admixtures for concrete, ed. V.M. Malhotra, ACI SP 262, Spain 9, s [14] Banfill P.F.G., The rheology of fresh cement and concrete a review, w: Proceedings of 11th International Cement Chemistry Congress, Durban 3, s [15] Garbacik A., Baran T., Pichniarczyk P.: Charakterystyka krajowych popiołów wapiennych ze spalania węgla brunatnego, Konferencja Energia i Środowisko w Technologii materiałów budowlanych, ceramicznych, szklarskich i ogniotrwałych, Opole 1. [16] Gołaszewski J., Giergiczny A.: Kształtowanie właściwości reologicznych mieszanek na spoiwach cementowych z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego, Konferencja Energia i Środowisko w Technologii materiałów budowlanych, ceramicznych, szklarskich i ogniotrwałych, Opole 1. * Badania są współfinansowane przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego 199

24 THE INFLUENCE OF CALCIUM FLY ASH ON RHEOLOGICAL PROPERTIES OF CEMENT BINDERS COMPOSITES ABSTRACT The paper describes the basics of mixtures workability process in rheological aspect, analyses the competence concerning the influence of calcium fly ash on the rheological properties of composites on cement binders. The methodology and test results of cement milling process extent with the addition of calcium fly ash on the rheological properties of mortars in different contents of calcium fly ash in cement and mortar were also discussed. Moreover the influence of different admixtures contents on the rheological properties of mortars in different contents of calcium fly ash in cement and mortar were discussed.