WPŁYW WYTRĄCONEJ SOLI NA STRUKTURĘ I WŁASNOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWE ZAPRAWY CEMENTOWEJ

WPŁYW WYTRĄCONEJ SOLI NA STRUKTURĘ I WŁASNOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWE ZAPRAWY CEMENTOWEJ KONIORCZYK Mrcin 1 GAWIN Driusz 2 1,2 Ktedr Fizyki Budowli i Mteriłów Budowlnych, Politechnik Łódzk INFLUENCE OF THE PRECIPITATED SALT UPON THE INNER STRUCTURE AND STRENGTH PROPERTIES OF A CEMENT MORTAR The results of the experimentl study (SEM, MIP) concerning the effect of the precipitted slt concentrtion upon the microstructure of cement mortr, hve een presented in the pper. Slt precipittes strting from the lrgest pores nd it does not influence the inner structure of micro- nd mezo-pores, which the sorption of wter depends on. Moreover, the influence of the precipitted slt on the strength properties (Young s modulus, compression strength) of the cement mortr hs een investigted. STRESZCZENIE W prcy przedstwiono wyniki dń, przy zstosowniu mikroskopii skningowej i porozymetrii rtęciowej, dotyczących wpływu zwrtości soli wytrąconej w porch n strukturę wewnętrzną zprwy cementowej. Z przeprowdzonych nliz wynik, że sól wytrąc się począwszy od porów njwiększych i nie wpływ n strukturę mikro- i mezoporów, od której zleży przeieg procesów sorpcyjnych. Zdno tkże wpływ wytrąconej soli n włsności mechniczne (moduł Young, wytrzymłość n ścisknie) zprwy cementowej. 1. WSTĘP Znjomość zjwisk trnsportowych zchodzących w mteriłch kpilrno-porowtych jest niezwykle istotn w spekcie trwłości konstrukcji udowlnych. Wilgoć orz różnego rodzju związki chemiczne (njczęściej sole), rozpuszczone w cieczy porowej, powodują istotne zminy w udowie orz włściwościch mteriłów, np. w wyniku procesów hydrtcji cementu, wyługowywni, krontyzcji, np. [1, 2]. Zjwisk te wpływją n strukturę porowtości, od której w istotny sposó zleży przeieg procesów trnsportowych. Sól wytrącjąc się w porch powoduje zrówno ich lokownie, jk również efekty energetyczne związne z wydzielniem się ciepł krystlizcji. Ksztłt krzywej, opisującej zleżność msy soli wytrąconej od jej koncentrcji w roztworze, jest cechą chrkteryzującą dny mterił i powinn yć wyznczon eksperymentlnie. Jej przeieg dl etonu może yć opisny z pomocą równni izotermy dsorpcji Lngmuir, ntomist dl cegły równniem izotermy Freundlich [3]. Do chwili oecnej szereg prc poświęcono dniom eksperymentlnym, mjącym n celu wyznczenie współczynników opisujących dyfuzję soli w kpilrch, np. [4,5], które wyzncz się przy zstosowniu jądrowego rezonnsu mgnetycznego orz sorpcji promieniowni gmm. Dje się ntomist zuwżyć rk szerszych oprcowń poświęconych 27

wpływowi wytrącon soli n strukturę porowtości mteriłów udowlnych. Wyniki tkich nliz mogą yć rdzo pomocne podczs opisu mechnizmów i fizyki zjwisk trnsportowych zchodzących w ośrodkch kpilrnych, [6,7]. W niniejszej prcy przedstwiono wyniki dń eksperymentlnych zprwy cementowej zwierjącej różne ilości wytrąconej soli NCl. Stosując mikroskopię skningową orz porozymetrię rtęciową, przenlizowno zminy struktury wewnętrznej mteriłu o różnej koncentrcji wytrąconej soli. Zdno również wpływ koncentrcji wytrąconej soli n włsności mechniczne, tj. moduł Young i wytrzymłość n ścisknie, zprwy cementowej. 2. PRZYGOTOWANIE PRÓBEK DO BADAŃ Bdni lortoryjne przeprowdzono dl próek z zprwy cementowej o wymirch 4x4x16mm. Do wykonni zprwy użyto nstępujących skłdników (podno msę skłdników do wykonni trzech próek): iły cement portlndzki 52.5 (45g), wod (18g) - w/c=.4, superplstyfiktor Sik ViscoCrete 5-6 (2.5g), kruszywo do dń wytrzymłościowych wg PN-EN 196-1 (135g). Po wypełnieniu form zprwą, próki znurzono n 3 dni w wodzie. Po tym okresie próki suszono w temperturze 15 o C przez 6 dni, do momentu, gdy uytek msy wynosił mniej niż,1 g n doę. Kolejny rz zwżono próki i wyznczono średnią gęstość mteriłu wynoszącą ok. 199 kg/m 3. Nstępnie próki nsycono roztwormi o nstępujących msowych stężenich soli NCl w wodzie: ω= %, 5%, 1%, 15%, 2% i 25%, po pięć próek dl kżdego stężeni soli. Proces nsycni próek roztworem skłdł się z nstępujących etpów: przez pierwsze dni znurzno próki w roztworze do poziomu odpowiednio 1/3, 2/3, 3/3 wysokości próki. N kolejne cztery dni zostwiono je cłkowicie znurzone w roztworch. Po tym okresie ponownie suszono próki w temperturze 15 o C przez okres 7 dni, do momentu, gdy uytek msy cieczy wynosił mniej niż,1 g n doę. Zieg ten spowodowł przemieszczenie się soli w kierunku powierzchni, gdzie zoserwowno wytrącnie się soli. 3. WPŁYW WYTRĄCONEJ SOLI NA STRUKTURĘ POROWATOŚCI ZAPRAWY CEMENTOWEJ N Rys. 1 pokzno zdjęcie mikroskopowe soli NCl wytrąconej w porch zprwy cementowej, zś n Rys. 1 - wynik mikronlizy rentgenowskiej sustncji znjdującej się w zznczonym oszrze (n środku zdjęci), którą jest NCl. Nleży podkreślić, że sól nie wytrącił się w postci regulrnych krysztłków, tylko przyrł postć powłoki pokrywjącej szkielet zprwy cementowej. N Rys. 1 widoczne są piki wskzujące n oecność N orz Cl, zgodnie z opisem, orz jeden nieopisny pik, reprezentujący złoto. Jony złot yły użyte podczs przygotowni próek do dń mikroskopowych i stąd ich oecność w próce. Wytrącon sól pokryw powierzchnie mkroporów orz wypełni ojętość części większych mezoporów, zmniejszjąc tym smym porowtość i przepuszczlność mteriłu. Rysunek 1c przedstwi krysztł sustncji, przylegjący do powierzchni kruszyw. Wynik mikronlizy rentgenowskiej, przedstwiony n Rys. 1d, wskzuje n oecność chloru, tlenu orz młej ilości wpni. 28

c d Rys.1. Zdjęci mikroskopowe zprwy cementowej zwierjącej wytrąconą sól (, c) wrz z nlizą EDS (, d). Rys.1. SEM photos (,c) nd EDS nlysis (,d) of cement mortr with precipitted NCl. Rys.2. Zdjęci mikroskopowe zprwy cementowej zwierjącej wytrąconą sól. Rys.2. SEM photos of cement mortr with precipitted NCl. N Rys. 2 przedstwiono różne postci wytrąconej soli NCl w porch zprwy cementowej. Pokryw on różne fzy spoiw jk również kruszywo. Rysunek 2 przedstwi wytrąconą sól pokrywjącą powierzchnie pęcherzyk powietrz, zś Rys. 2 orzuje sól wy- 29

trąconą w ksztłcie ślimk n zirenku kruszyw orz olepijącą styk zirenk kruszyw ze spoiwem. N prezentownych zdjęcich możn zuwżyć, że wytrącon sól wypełni część przestrzeni mkroporów orz większych mezoporów. Tlic 1. Wyniki dń struktury wewnętrznej zprwy z pomocą porozymetrii rtęciowej Tle 1. The results of MIP nlysis of cement mortr with precipitted slt. Prmetr Wrtość początkowego stężeni soli % 15 % 2 % 25 % Cłkowit ojętość porów.1192.926.719.632 [ml/g] Cłkowit powierzchni 22.443 5.64 6.55 6.616 porów [m 2 /g] Śr. średnic porów.1825.1693.157.1186 (wg ojętości) [µm] Śr. średnic porów.46.283.67.8 (wg powierzchni) [µm] Średnic zstępcz [µm].213.732.475.382 Porowtość [%] 23,72 19,33 15,69 14,3 Skumul. ojęt. porów [ml/g],14,12,1,8,6,4,2 Stężenie soli 25% Stężenie soli 2% Stężenie soli 15% Log. różn. oj. porów [ml/g] 2,E-1 1,6E-1 1,2E-1 8,E-2 4,E-2 Stężenie soli 25% Stężenie soli 2% Stężenie soli 15% Stężenie soli % Stężenie soli %,1,1,1 1 1 1 1 Średnic porów [µm],e+,1,1,1 1 1 1 1 Średnic porów [µm] Rys.3. Cłkow () orz różniczkow () krzyw rozkłdu wielkości porów zprwy cementowej wstępnie nsyconej wodnymi roztwormi soli o różnym stężeniu. Rys.3. Cumultive () nd differentil () pore size distriution curves of cement mortrs initilly sturted with wter solutions of NCl with vrious concentrtion. W celu dokłdniejszej nlizy procesu wytrącni się soli NCl w porch mteriłu, wykonno dni porozymetryczne. Próki z zprwy cementowej, wstępnie nsycone roz- 21

twormi soli NCl o różnych stężenich (ω = %, 15%, 2% i 25%), cłkowicie wysuszono i poddno dniu rozkłdu wielkości porów z pomocą porozymetrii rtęciowej. Rysunki 3 i 3 przedstwiją krzywe, cłkowe i różniczkowe, rozkłdu wielkości porów zprwy cementowej wstępnie nsyconej wodnymi roztwormi soli NCl o różnych stężenich. Anliz Rys. 3 orz dnych zwrtych w Tlicy 1 wskzuje, że pory rdzo drone, o średnicch poniżej 2-8 nm, wskutek wytrącni się soli n szkielecie, stją się niedostępne dl penetrującej rtęci. Sól wytrąc się w większych porch uniemożliwijąc wniknięcie rtęci do mniejszych porów. Ojętość dużych porów wypełni się stopniowo, w wyniku czego, dl rosnącego stężeni mleje średnic, dl której występuje mksimum odpowidjące tzw. dominującej średnicy porów, orz zncznie zmniejsz się cłkowit powierzchni porów. Ciekł wod i pr wodn mogą przenikć przez mikropory niedostępne dl rtęci. N zdjęcich mikroskopowych orz w wyniku nlizy przeprowdzonej przy pomocy porozymetrii rtęciowej możn zuwżyć, że wytrącon sól wypełni głównie mkropory. Możn stąd wnioskowć, że struktur mikro- i mezoporów, od której w zncznym stopniu zleży przeieg zjwisk sorpcyjnych w porch mteriłu, nie uleg istotnym zminom. 4. BADANIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE ZAPRAWY CEMENTOWEJ Z WYTRĄCONĄ SOLĄ NCl. Wykonne dni wytrzymłościowe miły n celu wstępne określenie wpływu, jki m sól wytrącon w mterile porowtym n prmetry chrkteryzujące włsności mechniczne mteriłu, tj. moduł Young, wytrzymłość mteriłu n ścisknie - f c orz przeieg krzywej σ-ε. Bdni, których wyniki przedstwiono w niniejszym prcy, trwły ok. 1 dni (wrz z przygotowniem próek), więc ich wyniki nie ujmują długoterminowego wpływu jonów rozpuszczonych w cieczy porowej n degrdcję szkieletu ośrodk. Bdni wytrzymłościowe, ze względu n ich wstępny chrkter, wykonno n prókch nsyconych roztwormi soli w wodzie o nstępujących stężenich: ω= %, 1%, 2% i 25%. Po wysuszeniu próki te chrkteryzowły się nstępującymi koncentrcjmi wytrąconej soli: ρ sp =,;,9;,33;,42 [kg soli / kg suchej próki]. Wykonno po trzy próki dl kżdego z nlizownych stężeń soli. N tk przygotowne próki nklejono po cztery elektryczne tensometry oporowe typu RL (po jednym n kżdą z czterech ścinek próki), które nstępnie podłączono do mostk tensometrycznego. Tk przygotowne próki poddno dniom n ścisknie w mszynie wytrzymłościowej ZD 2 (o zkresie do 1 kn). Przyrost siły dl mniejszych jej wrtości wynosił 2 kn, ntomist dl większych - 4 kn. N Rys. 4 przedstwiono wykresy zleżności nprężenie odksztłcenie dl nstępujących koncentrcji wytrąconej soli: ) ρ sp =, kg/kg, ) ρ sp =,9 kg/kg, c) ρ sp =,33 kg/kg, d) ρ sp =,42 kg/kg. 211

Nprężeni [kn/m 2 ] 3 25 2 15 1 Prók nr 5 Prók nr 4 5 Prók nr 6,2,4,6,8,1,12,14 Odksztłceni [-] Nprężeni [kn/m 2 ] 3 Prók nr 17 25 Prók nr 18 2 Prók nr 16 15 1 5,2,4,6,8,1,12 Odksztłceni [-] 35 5 Nprężeni [kn/m 2 ] 3 25 2 15 1 5 c Prók nr 27 Prók nr 24 Prók nr 25 Nprężeni [kn/m 2 ] 4 3 2 1 Prók nr 13 Prók nr 15 Prók nr 12 d,2,4,6,8,1,12 Odksztłceni [-],,5,1,15,2,25 Odksztłceni [-] Rys.4. Zleżność nprężenie - odksztłcenie dl próek z zprwy cementowej, w których koncentrcj wytrąconej soli wynosił odpowiednio: () - ρ sp =, kg/kg, () - ρ sp =,9 kg/kg, (c) - ρ sp =,33 kg/kg, (d) - ρ sp =,42 kg/kg. Rys.4. Strin-stress reltions of cement mortr with vrious concentrtions of precipitted NCl: () - ρ sp =, kg/kg, () - ρ sp =,9 kg/kg, (c) - ρ sp =,33 kg/kg, (d) - ρ sp =,42 kg/kg. Dl próek wstępnie nsyconych roztwormi o tkich smych stężenich soli wyznczono wrtości średnie modułu sprężystości Young. Do jego oliczeni wykorzystno tylko tę część ścieżki nprężenie odksztłcenie, w której nprężeni mieściły się w przedzile od 1% do 4% wytrzymłości n ścisknie. Zleżność średniej wrtości modułu Young od koncentrcji soli wytrąconej w dnych prókch przedstwiono n Rys. 5, ntomist n Rys. 5 pokzno nlogiczną zleżność dl średniej wrtości wytrzymłości n ścisknie. N rysunkch tych zznczono również mksymlne i minimlne wrtości tych wielkości. Zleżność średniej wrtości modułu Young, E [GP], w funkcji koncentrcji wytrąconej soli, ρ sp [kg soli /kg suchej próki ], możn opisć z pomocą nstępującego wyrżeni: E( ρ ) = 24,77 + 198, 9ρ (1) Sp Sp ntomist nlogiczn zleżność dl średniej wrtości wytrzymłości n ścisknie, f c [MP], m postć: 212

2 c ( ρ Sp ) 27, 291 + 66, 756ρSp + 654, 5ρSp f =. (2) Moduł Young [GP] 36 32 28 24 Wytrzymłość n ścisknie [MP] 44 39 34 29 2,1,2,3,4,5 Koncentrcj w ytrąconej soli [kg/kg] 24,1,2,3,4,5 Koncentrcj w ytrąconej soli [kg/kg] Rys.5. Wpływ koncentrcji wytrąconej soli n włsności wytrzymłościowe zprwy cementowej: ) moduł sprężystości Young, ) wytrzymłość n ścisknie. Rys.5. The effect of precipitted slt on the mechnicl properties of cement mortr: ) Young s modulus, ) compression strength. Wyniki dń wytrzymłościowych zmieszczonych w powyższym rozdzile wskzują, że sól wytrącon w porch mteriłu czyni go rdziej sztywnym orz zwiększ jego wytrzymłość n ścisknie. Możn to tłumczyć zmniejszeniem się ojętości pustych przestrzeni w strukturze wewnętrznej mteriłu i udziłowi krysztłków soli w przenoszeniu ociążeń. 5. PODSUMOWANIE W prcy przedstwiono wyniki dń dotyczące wpływu wytrąconej soli n strukturę porowtości orz włsności mechniczne zprwy cementowej. Sól wytrącł się w pierwszej kolejności w porch njwiększych, uniemożliwijąc równocześnie rtęci penetrcję mikro- i mezoporów. Wod i gz łtwiej przenikją przez drone pory niż rtęć, więc możn wnioskowć, że wytrącon sól nie wpłynie istotnie n zminę ksztłtu izoterm sorpcji mteriłu dl wilgotności względnych w zkresie poniżej 9%. W wyniku przeprowdzonych dń wytrzymłościowych uzyskno zleżności pozwljące oszcowć wpływ soli wytrącjącej się w porch mteriłu n wrtości: modułu sprężystości Young (1), orz wytrzymłości n ścisknie (2). Nleży pmiętć, że przeprowdzone dni, wrz z przygotowniem próek, oejmowły okres czsu ok. 1 dni, więc ich wyniki nie ujmują długoterminowego dziłni chlorków rozpuszczonych w cieczy porowej n pogorszenie włsności wytrzymłościowych szkieletu mteriłu. 213

6. LITERATURA [1] GAWIN D., Modelownie sprzężonych zjwisk cieplno-wilgotnościowych w mteriłch i elementch udowlnych, stron 33, Zeszyty Nukowe Nr 853, Rozprwy Nukowe Z.279, Wydwnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2. [2] ZYBURA A., Zezpieczenie konstrukcji żeletowych metodmi elektrochemicznymi, Wydwnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 23. [3] CERNY R., PAVLIK Z., ROVNANIKOVA P., Experimentl nlysis of coupled wter nd chloride trnsport in cement mortr, Cement nd Concrete composites (26), 24, 75-715. [4] RUCKER P., KRUS M., HOLM A., Einstz einer kominierten Messtechmethode, zur Untersuchung Slztrnsport Vorgängen, Buphysik 25 (23), 296-32. [5] PEL L., HUININK H., KOPINGA K., Slt trnsport nd crystlliztion in porous uilding mterils, Mgnetic Resonnce Imging (21), 23, 317-32. [6] KONIORCZYK M., GAWIN D., Model zjwisk cieplno-wilgotnościowych i trnsportu soli w mteriłch udowlnych, Mt. L Konf. Nuk. KILiW PAN i KN PZITB Krynic 24, t.4, 85-92, Krynic, 24. [7] KONIORCZYK M., Sprzężone procesy trnsportu soli, wilgoci i energii w porowtych mteriłch udowlnych (prc doktorsk), Wydził Budownictw, Architektury i Inżynierii Środowisk, Politechnik Łódzk, Łódź, 25. Powyższ prc zostł wykonn w rmch finnsownego przez Komitet Bdń Nukowych projektu promotorskiego Nr 5 T7E 57 25. Mgr inż. Mrcin Koniorczyk, doktornt w Ktedrze Fizyki Budowli i Mteriłów Budowlnych Politechniki Łódzkiej. Temtyk zinteresowń: modelownie i komputerow symulcj procesów trnsportu msy i energii w ośrodkch porowtych, zstosowni informtyki w inżynierii udowlnej, lgorytmy ewolucyjne w optymlizcji. m_koniorczyk@o2.pl Dr h. inż. Driusz Gwin, profesor w Ktedrze Fizyki Budowli i Mteriłów Budowlnych Politechniki Łódzkiej. Temtyk zinteresowń: modelownie i komputerow symulcj procesów wyminy msy i energii w udynku orz jego elementch, higro-termo-chemo-mechnik i trwłość mteri-łów udowlnych, udyting energetyczny, zstosowni sieci neuronowych i lgorytmów ewolucyjnych w fizyce udowli. gwindr@p.lodz.pl 214