POPIÓŁ LOTNY WAPIENNY SKŁADNIKIEM BETONÓW NOWEJ GENERACJI

Transkrypt

1 Jacek Gołaszewski Tomasz Ponikiewski Katedra InŜynierii Materiałów i Procesów Budowlanych Politechnika Śląska, Gliwice POPIÓŁ LOTNY WAPIENNY SKŁADNIKIEM BETONÓW NOWEJ GENERACJI STRESZCZENIE Analiza wpływu zawartości Popiołu Lotnego Wapiennego (PLW) na właściwości wybranych betonów nowej generacji jest przedmiotem niniejszego artykułu. W referacie zostały przedstawione wyniki badań betonów samozagęszczalnych SCC modyfikowanych PLW, mieszanek SCC z cementem modyfikowanym PLW, wysokowartościowych mieszanek SCC modyfikowanych PLW oraz mieszanek SCC modyfikowanych wybranym rodzajem włókien stalowych i syntetycznych. Przedstawiono wyniki badań klasy rozpływu SF, klasy lepkości T 500 badanych mieszanek oraz badania wytrzymałości na ściskanie ƒ cm,28. Mieszanka betonowa była modyfikowana ze względu na zmienną w badaniach ilość popiołu lotnego wapiennego (102030%) jako ekwiwalent cementu. Badania potwierdziły moŝliwość stosowania PLW w betonach nowej generacji przy zachowaniu zakładanych parametrów technologicznych mieszanek betonowych a przede wszystkim ich urabialności. Słowa kluczowe: beton samozagęszczalny, reologia, popiół lotny wapienny, włókna stalowe 1. WPROWADZENIE Podstawowym wymaganiem stawianym przy projektowaniu i wykonywaniu betonów nowej generacji jest zapewnienie im dobrej urabialności w trakcie całego procesu betonowania. Betony te charakteryzują się duŝą zawartością dodatków mineralnych modyfikujących wybrane właściwości 89

2 (np. mączka wapienna, popiół lotny krzemionkowy, zmielony granulowany ŜuŜel wielkopiecowy, pył krzemionkowy). Podstawowe efekty stosowania dodatków mineralnych przedstawiono szeroko w licznych opracowaniach (Aitcin, 1998; Neville, 2000; Giergiczny, 2006). Stwierdzono równieŝ moŝliwość stosowania popiołu lotnego wapiennego, jako zamiennik części cementu w betonie i składnika cementu (Gołaszewski i Giergiczny, 2010). Dotychczasowe publikacje wskazują na problem pogarszania się urabialności mieszanek betonowych zawierających popiół lotny wapienny. W związku z tym, Ŝe urabialność jest kluczem do uzyskania betonów nowej generacji, przeprowadzono serię badań mających na celu zweryfikowanie moŝliwości uzyskania betonów SCC z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego. Wykonano badania samozagęszczalnych betonów zwykły (SCC), wysokowartościowych betonów samozagęszczalny (HPSCC) oraz fibrobetonów samozagęszczalny (FRSCC). Referat przedstawia efekty stosowania popiołów lotnych wapiennych do betonów nowej generacji a szczególnie do betonów SCC. 2. ZAŁOśENIA I METODYKA BADAŃ Podstawowym problemem betonów nowej generacji, w tym zawierających popiół lotny wapienny, jest ich urabialność. Z licznych badań rozpatrujących właściwości mieszanki w aspekcie urabialności wynika, Ŝe zachowuje się ona pod obciąŝeniem jak lepkoplastyczne ciało Binghama. Granica płynięcia g i lepkość plastyczna h, 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. Bardziej szczegółowo zagadnienia reologii omówiono m.in. w pracy Szwabowskiego (1999). Przyjmuje się, Ŝe wartości granicy płynięcia g odpowiada średnica maksymalnego rozpływu SF, natomiast wartości lepkości plastycznej h odpowiada czas rozpływu do średnicy 500 mm T 500, oba parametry mierzone testem rozpływu (Slumpflow) wg normy EN :2009. Badania wykonano uwzględniając wpływ następujących czynników: dostawa popiołu lotnego wapiennego: partia (dostawa) A i B (patrz tablica 1); stopień przemiału popiołu lotnego wapiennego (patrz tablica 2); zawartość popiołu lotnego wapiennego, jako ekwiwalent cementu: % m.c.; 90

3 udział masowy włókien stalowych (patrz tablica 5): kg/m 3 ; udział masowy włókien syntetycznych (patrz tablica 6): 0 6 kg/m 3 ; Badania wykonano w 4 blokach badań: C1 badania efektu dozowania PLW do betonu SCC, C2 badania efektu dozowania PLW w cementach (CEM I, CEM II/BM (LLW), CEM II/BW, CEM IV/BW) do betonu SCC, C3 badania efektu dozowania PLW do betonu HPSCC, C4 badania efektu dozowania włókien stalowych oraz syntetycznych do betonu SCC. Składy badanych mieszanek samozagęszczalnych w poszczególnych blokach badań przedstawiono w tablicy 3. Charakterystyki cementów wspólnie mielonych z dodatkami uwzględnione w badaniach bloku C2 przedstawiono w tablicy 4. Tablica 1. Skład popiołu lotnego wapiennego (PLW) 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 PLW dostawa A 40,17 24,02 5,93 22,37 1,27 3,07* 0,15 0,20 1,46** PLW dostawa B 40,88 19,00 4,25 25,97 1,73 3,94 0,13 0,14 1,07 * oznaczono metodą analizy elementarnej; **metoda glikolowa Tablica 2. Właściwości fizyczne popiołów zastosowanych w badaniach partii popiołów 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 A0 Bez przemiału 2,64 55, A1 Mielenie 20 min 2,71 20, nb Partia B B0 Bez przemiału 2,60 46, B1 Mielenie 15 min 2,67 20, nb 91

4 Tablica 3. Składy mieszanek samozagęszczalnych zastosowanych w poszczególnych blokach badań SKŁADNIK / OZNACZENIE CEM I [CI] CEM I, CEM II/BM (LLW), CEM II/BW, CEM IV/BW [CII] MIESZANKA BETONOWA C1 C2 C3 C4 kg/m 3 490,0 490,0 600,0 CEM II BW [CIII] 600,0 Piasek 02 mm [P] 800,0 800,0 756,0 800,0 Kruszywo otoczakowe 28 mm [Ko] Kruszywo bazaltowe 28 mm [Kb] Mikrokrzemionka [Mk] Popiół lotny wapienny (102030% m.c.) [PLW] Włókna stalowe [Ws] 800,0 800,0 800, Włókna polietylenowe i polimerowobazaltowe [Wp] Superplastyfikator Glenium ACE 48 (3.5 % m.c.) [SP A] Superplastyfikator Glenium SKY 16,2 592 (1,1 2,5 % m.c.) [SP B] 6,8 15,0 Stabilizator RheoMatrix 1,6 (0.4 % m.c.) [ST] 2,73 PARAMETRY 944,4 49, ,0 12,0 1,6 1,95 Punkt piaskowy (%) W/C Klasa konsystencji (SF) 50,0 50,0 45,8 50,0 0,42 0,31 0,42 0,31 SF3 SF 123 SF3 SF3 92

5 Tablica 4. Charakterystyki cementów wspólnie mielonych zastosowane w bloku badań C2 Składniki [%] Czas wiązania [min] Wytrzymałość na ściskanie [MPa] Wytrzymałość na zginanie [MPa] Cecha CEM II/BM (LLW) Rodzaj cementu CEM II/ BW CEM IV/ BW CEM I Klinkier portlandzki 66 66, ,5 Popiół W Wapień LL 14 Gips 6 4,5 4 5,5 Początek Koniec ,7 19,8 12,8 29,0 7 37,3 36,4 24,0 47, ,4 50,4 39,3 59,9 2 4,4 4,3 3,2 5,4 7 6,5 6,2 4,8 6,8 28 8,1 8,2 6,9 7,8 WodoŜądność % masy 29,4 33,0 34,6 26,4 Rozpływ zaczynu [cm] 17,9 15,9 14,7 18,4 Identyfikacja w Zakładzie Cementu OSiMB SC/2029/11 SC/2024/11 SC/2025/11 SC/2007/11 Tablica 5. Charakterystyka geometrycznomateriałowa badanych włókien stalowych Nazwa DM 6/0,17 SW 35/1.0 Długość (mm) Średnica (mm) Przekrój poprzeczny 6±10% 0,17±10% okrągły 35±10% 2,30±2,95 1) część okręgu Kształt Materiał Stal niskowęglowa Stal niskowęglowa Wytrzym. na rozc. (N/mm 2 ) 2100±15% 800±15% Oznaczenia: 1) szerokość (mm); 93

6 Tablica 6. Charakterystyka geometrycznomateriałowa badanych włókien syntetycznych Nazwa SBF 25 FS 25 Długość (mm) Średnica Klasa Kształt Materiał 12±10% 16 [µm] kołowy proste 25 0,66 [mm] II; makrowłókna odkształ kształcone Polimerowobazaltowe Polipropylen, polietylen Wytrzym. na rozc. (N/mm 2 ) W badaniach zastosowano superplastyfikatory na bazie eteru polikarboksylanowego. Zastosowane do badań włókna zostały wytypowane z dosyć licznej grupy dostępnych na rynku. Dobór miał na celu zaprezentowanie wpływu włókien o róŝnych parametrach materiałowych i geometrycznych na urabialność mieszanek samozagęszczalnych. Została opracowana i wdroŝona procedura przygotowania mieszanek betonowych, pozwalająca zachować technologiczną powtarzalność wyników. Kolejność postępowania w procedurach przygotowania mieszanek betonowych wszystkich bloków badań, przedstawiono na rys. 1: Blok C1 Ko,P CI PLW 0.7W 0.2W,SP B 0.1W,ST Blok C2 Ko,P CII 0.7W 0.2W,SP B 0.1W,ST Blok C3 Kb,P CI PLW 0.7W 0.2W,SP A 0.1W,ST Blok C4 Ko,P CIII WsWp 0.7W 0.2W,SP B 0.1W,ST Czas, min Rys. 1. Procedury mieszania składników mieszanek betonowych w poszczególnych blokach badań. 94

7 3. WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE 3.1. Badania efektu dozowania PLW do betonu SCC Na rysunku 2 przedstawiono wpływ zawartości popiołu lotnego wapiennego (dostawa A) i jego stopnia przemiału na średnicę rozpływu SF i czas rozpływu T 500 mieszanek samozagęszczalnych. Na podstawie prze prowadzonych badań moŝna stwierdzić, Ŝe wzrost zawartości popiołu lotnego wapiennego w mieszance powoduje zmniejszenie średnicy rozpływu SF oraz wydłuŝenie czasu rozpływu T 500. Zakres zmian jest tym większy, im większa jest zawartość PLW w mieszance. Jednak w przypadku, gdy popiół poddany zostanie aktywacji mechanicznej (PLW A1), efekt zmian jest mniejszy. Obserwowano równieŝ pogorszenie urabialności wraz z upływem czasu. NaleŜy jednak podkreślić, Ŝe utrata urabialności następuje w stopniu pozwalającym zachować właściwości samozagęszczalności. Rys. 2. Wpływ zawartości popiołu lotnego wapiennego i jego stopnia przemiału na średnicę rozpływu SF i czas rozpływu T 500 mieszanek SCC z uwzględnieniem efektu czasu 95

8 3.2. Badania efektu dozowania PLW w cementach do betonu SCC Na rysunku 3 przedstawiono wpływ rodzaju cementu z dodatkiem PLW na średnicę rozpływu SF i czas rozpływu T 500 mieszanek SCC dla róŝ przeprowadzonych badań nych klas samozagęszczalności. Na podstawie moŝna stwierdzić, Ŝe wzrost zawartości popiołu lotnego wapiennego w ce średnicy rozpływu SF mie mencie nie powoduje znacznego zmniejszenia szanek SCC z ich dodatkiem. Obserwowano zbliŝone wartości SF dla wszystkich badanych cementów w poszczególnych klasach samozagęszczalzawartości popiołu lotnego wapien ności mieszanek SCC. JednakŜe, wzrost nego w składzie cementu wpłynął na wzrost czasu rozpływu T 500 mieszanek SCC z jego dodatkiem. Lepkość plastyczna mieszanek SCC wzrastała tym bardziej, im niŝsza była klasa konsystencji badanych mieszanek SCC. Wzrost zawartości popiołu lotnego wapiennego w składzie cementu wpłynął równieŝ na spadek wytrzymałości na ściskanie f cm,7 betonów SCC z jego dodatkiem we wszystkich klasach samozagęszczalności (rys. 4). Rys. 3. Wpływ rodzaju cementu z dodatkiem PLW na średnicę rozpływu SF i czas rozpływu T 500 mieszanek SCC dla róŝnych klas samozagęszczalności. 96

9 Rys. 4. Wpływ rodzaju cementu z dodatkiem PLW na wytrzymałość na ściskanie f cm,7 betonów SCC dla róŝnych klas samozagęszczalności 3.3. Badania efektu dozowania PLW do betonu HPSCC Na rysunku 5 przedstawiono wpływ zawartości PLW (dostawa A) i jego stopnia przemiału na średnicę rozpływu SF i czas rozpływu T 500 mie popiołu lotnego wapiennego szanek HPSCC. Wraz ze wzrostem zawartości w mieszance następował niewielki spadek średnicy rozpływu SF. Domiele utraty urabialności przez nie popiołu lotnego wapiennego nie powodowało mieszanki HPSCC z jego dodatkiem. Wzrost zawartości popiołu lotnego wapiennego w mieszance wpłynął na wzrost czasu rozpływu T 500 mieszanek SCC z jego dodatkiem, ale w niewielkim stopniu. Obserwowano równieŝ pogorszenie urabialności wraz z upływem czasu, ale w stopniu pozwalają Podobne efekty obserwowano w przypadku dozowania PLW (dostawa cym zachować właściwości samozagęszczalności. B) do mieszanek HPSCC, przedstawione na rys

10 Rys. 5. Wpływ zawartości PLW (dostawa A) i jego stopnia przemiału na średnicę rozpływu SF i czas rozpływu T 500 mieszanek HPSCC 98

11 Rys. 6. Wpływ zawartości PLW (dostawa B) i jego stopnia przemiału na średnicę rozpływu SF i czas rozpływu T 500 mieszanek HPSCC Wzrost zawartości popiołu lotnegoo wapiennego w betonach HPSCC wpływa na spadek ich wytrzymałości na ściskanie f cm,28 (rys. 7). Efekt ten jest tym większy, im większa jest zawartość PLW w betonie. Domielenie PLW B1 powodowało równieŝ spadek wartości ƒ cm,28 betonu HPSCC z jego dodatkiem ale w najmniejszym stopniu. 99

12 Rys. 7. Wpływ zawartości PLW i jego stopnia przemiału na wytrzymałość na ściskanie f cm,28 betonów HPSCC 3.4. Badania efektu dozowania włókien stalowych oraz syntetycznych do betonu FRSCC W artykule przedstawiono równieŝŝ wybrane badania betonów samo Na rys. 8 przedstawiono wpływ zagęszczalnych SCC z dodatkiem włókien. rodzaju i udziału objętościowego włókien syntetycznych na średnicę roz samozagęszczalnych. Stwier pływu SF oraz czas rozpływu T 500 mieszanek dzono zmniejszanie się średnicy rozpływu mieszanki samozagęszczalnej wraz ze zwiększaniem się zawartości włókien w mieszance. Efekt ten jest największy dla mieszanek SCC z dodatkiem włókien polimerowo makrowłókien polietyleno bazaltowych SBF 25. Zwiększanie zawartości wych FS 25 nie wykazywało duŝych zmian wartości SF oraz T 500 betonów SCC z ich dodatkiem. 100

13 Rys. 8. Wpływ rodzaju i zawartości włókien syntetycznych na średnicę rozpływu SF i czas rozpływu T 500 mieszanek SCC Na rys. 9 przedstawiono wpływ rodzaju i udziału objętościowego włókien stalowych na średnicę rozpływu SF oraz czas rozpływu T 500 mieszanek saefekt pogarszania się urabialności mieszanek SCC z dodatkiem włókien stalowych jest niewielki w przedziale badania 60 mozagęszczalnych. Generalnie kg/m 3. Mieszanka jest dobrze urabialna, ale zachodzi zjawisko niew betonie. Efekt ten jest tym więk równomiernego rozmieszczenia włókien szy, im większy jest udział objętościowy włókien w mieszance SCC i nasila się w mieszance SCC od zawartości 100 kg/m 3 włókien stalowych. 101

14 Rys. 9. Wpływ rodzaju i udziału objętościowego włókien stalowych na średnicę rozpływu SF i czas rozpływu T 500 mieszanek SCC Na rys. 10 przedstawiono wpływ rodzaju i udziału objętościowego włókien stalowych i syntetycznych na wytrzymałość na ściskanie ƒ cm,28 betonów SCC. Wpływ dodatku badanych włókien na wartość ƒ cm,28 betonów SCC jest niewielki a przy ich większym udziale objętościowym wręcz negatywny. W przypadku betonów SCC efekt ten moŝna tłumaczyć nierównomiernością rozmieszczania się włókien w matrycy betonowej. 102

15 Rys. 10. Wpływ rodzaju i udziału objętościowego włókien stalowych i synte f cm,28 betonów SCC tycznych na wytrzymałość na ściskanie Mała zawartość włókien nie powoduje takich problemów i wartość ƒ cm,28 dla badanych betonów SCC wzrastała. Wraz ze wzrostem zawartości włókien efekt nierównomierności ich rozmieszczenia wzrastał i powodowało to obnibadanych betonów SCC. Zjawiska dotyczące wpły Ŝanie się wartości ƒ cm,28 wu zbrojenia rozproszonego na właściwości SCC są aktualnie szerzej badane przez autorów. 103

16 4. PODSUMOWANIE Zaprezentowane badania potwierdziły moŝliwość stosowania PLW w betonach nowej generacji przy zachowaniu zakładanych parametrów technologicznych mieszanek betonowych a przede wszystkim ich urabialności. Obserwowane jest pogorszenie się urabialności wraz ze wzrostem zawartości popiołu lotnego wapiennego w betonach SCC i HPSCC. Następuje utrata urabialności mieszanek betonowych, ale w stopniu pozwalającym zachować właściwości samozagęszczalności. Badania nie wykazały duŝego wpływu aktywacji popiołów lotnych wapiennych na poprawę urabialności oraz parametrów mechanicznych betonów SCC i HPSCC z ich dodatkiem. Aktywacja popiołów (ich przemiał) na pewno poprawia ich właściwości, ale badania wykazały podobny wpływ popiołów lotnych wapiennych mielonych i niemielonych na badane właściwości mieszanek betonowych SCC i HPSCC. Zastosowanie wybranych cementów z dodatkiem popiołu lotnego wapiennego w ich składzie, wykazało gorszą, ale wystarczającą urabialność betonów SCC z ich dodatkiem. Samozagęszczalność i parametry mechaniczne betonów z cementów modyfikowanych popiołem lotnym wapiennym były zadawalające i spełniały zakładane normy. Stwierdzono wpływ rodzaju i zawartości włókien na pogarszanie urabialności mieszanek SCC. Samozagęszczalność mieszanek betonowych pogarsza się wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókien w mieszance samozagęszczalnej. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe pomimo pogarszania się urabialności, moŝna uzyskać mieszanki samozagęszczalne z dodatkiem włókien stalowych oraz syntetycznych. LITERATURA [1] Aitcin P.C. (1998). High Performance Concrete, London. [2] Giergiczny Z. (2006). Rola popiołów lotnych wapniowych i krzemionkowych w kształtowaniu właściwości współczesnych spoiw budowlanych i tworzyw cementowych, Kraków. [3] Gołaszewski J., Giergiczny Z. (2010). 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. [4] Neville A.M. (2000). Właściwości betonu, Kraków. [5] Szwabowski J. (1999). Reologia mieszanek na spoiwach cementowych, Gliwice. [6] Szwabowski J., Gołaszewski J. (2010). Technologia betonu samozagęszczalnego, Kraków. 104

17 THE HIGH CALCIUM FLY ASH AS A NEW GENERATION CONCRETES COMPONENT ABSTRACT In the paper the methodology and test results of the investigation are presented and discussed on the influence of High Calcium Fly Ash (HCFA) and fibres on workability and mechanical properties of SelfCompacting Concrete (SCC). The influence of HCFA on properties of SelfCompacting Concrete, High Performance SelfCompacting Concrete and Fibre Reinforced SelfCompacting Concrete was investigated. The influence of cement with HCFA on properties of SelfCompacting Concrete was investigated as well. The mechanical parameter of SCC the cube compressive strength ƒ cm,28 were presented. In the research, an experimental verification of a significance of an influence: high calcium fly ash contents (102030%) and type and volume fraction of steel and synthetic fibres on workability SCC was investigated. Badania są współfinansowane przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego 105

18 106