Prof. dr hab. inż. Józef Jasiczak dr inż. Paweł Szymański Politechnika Poznańska Politechnika Poznańska Wczesny skurcz betonu o zmiennym wskaźniku w/c, modyfikowanym domieszkami chemicznymi i dodatkami mineralnymi Early shrinkage of concrete with a variable ratio w / c, a modified chemical admixtures and mineral additives Streszczenie Problem skurczu betonu był poruszany przez wielu autorów, począwszy od specjalistów w dziedzinie chemii betonu po zwykłych inżynierów. Rozwój technologii betonu w ostatnich latach, wprowadzenie domieszek chemicznych, dodatków mineralnych i produkcja betonów o wysokich wytrzymałościach wymusiły stworzenie szerszego poglądu na skurcz i otworzyły nowy zakres badań. Autorzy tej publikacji należą do grupy osób, którzy zajmują się tym tematem. Artykuł jest wynikiem analizy literatury, badań naukowych i wniosków z badań. Innowacyjnością w ostatnio prezentowanych wynikach badań jest rozpatrywanie poszczególnych etapów skurczu: początkowego, zawierającego: pęcznienie, skurcz chemiczny (kontrakcję) i plastyczny, następującą później ekspansję a po niej drugi skurcz (skurcz przy wysychaniu). Abstract The problems of concrete shrinkage have been debated by a number of authors, including those specialising in concrete chemistry, to civil engineers. The development of concrete technologies, introducing chemical admixtures and mineral additives and high resistance concretes has contributed to creating a wider perspective on shrinkage in recent years and charting a new area of research. The authors of this publication belong to a group of researchers focusing their work on these issues. This article is the result of their literature curves, research work and conclusions drawn. The advances in recent research resulted in taking into consideration the following stages: initial shrinkage comprising: swelling, chemical (contraction), and plastic shrinkage, followed by expansion and then a second shrinkage (during drying). 1 S trona
1. Wprowadzenie Skurcz betonu zwykłego jest zjawiskiem powszechnie znanym i dobrze udokumentowanym naukowo. Związany jest on ściśle z procesami fizykochemicznymi przebiegającymi w zaczynie cementowym. Skurczem nazywa się zmniejszenie objętości betonu wynikające z utraty wody przy wysychaniu. Dotychczasowe pomiary skurczu dotyczyły stwardniałych zaczynów (zapraw, betonów) i prowadzone były od 1 2 dnia twardnienia. Wyjątek stanowią prace S. Miyazawy i E. Tazawy, których badania obejmowały skurcz betonu po zarobieniu składników z wodą [2]. W badaniach przeprowadzanych w sposób tradycyjny zdawano sobie sprawę, iż mierzone wartości skurczu są niepełne i przypuszczano, że wcześniej występuje skurcz chemiczny, stanowiący 25-50% skurczu całkowitego. Sformułowano także tezę, ze skurcz chemiczny jest skurczem nieodwracalnym, a skurcz wywołany wysychaniem jest skurczem odwracalnym, w zakresie wywołanym przez zmiany pielęgnacji (z wodnej na powietrzną i odwrotnie). Skurcz zależny jest od wielu parametrów, do których należą: stosunek w/c, rodzaj kruszywa i jego ilość w mieszance betonowej, rodzaj i ilość cementu, warunki klimatyczne w których pielęgnowany jest beton, rodzaj zastosowanej domieszki. Czym wyższy stosunek w/c tym wielkość skurczu betonu wzrasta wiąże się to z ilością wody która musi wyparować z mieszanki betonowej. J. J. Brooks wykazał, że skurcz zhydratyzowanego zaczynu cementowego jest wprost proporcjonalny do stosunku w/c w zakresie wartości 0,2 0,6. Przy wyższych wartościach tego stosunku dodatkowa woda usuwana jest podczas wysychania bez efektów skurczowych [1]. Ilość i rodzaj cementu w znaczny sposób wpływa na skurcz betonu, jednak skurcz zaczynu cementowego jest różny od skurczu betonu. Większy skurcz czystego zaczynu niekoniecznie oznacza większy skurcz betonu wykonanego przy użyciu takiego samego cementu. Superplastyfikatory są domieszkami obniżającymi zawartość wody w mieszance. Ich podstawowy efekt ma charakter pośredni i polega na tym, że domieszki mogą wpłynąć na zmianę w mieszance zawartości wody lub cementu lub obu tych składników, a na skurcz wpływa połączone działanie tych zmian. 2. Wpływ wskaźnika w/c na wielkość skurczu betonu Skurcz betonu jest tym większy im wyższa jest wartość wskaźnika w/c, ponieważ określa ona ilość wody odparowywalnej w zaczynie oraz szybkość z jaką woda może się przemieszczać w kierunku powierzchni próbki. W zwykłym betonie o wskaźniku w/c większym od na przykład 0,50, jest więcej wody niż potrzebne jest do pełnej hydratacji cząstek cementu. Duża ilość wody znajduje się w dobrze połączonych, dużych kapilarach tak, że meniski powstałe w wyniku samoosuszania pojawiają się w dużych kapilarach, gdzie mogą wywoływać jedynie bardzo małe napięcia rozciągające. W związku z tym stwardniały zaczyn cementowy kurczy się wraz z postępem samoosuszania. W przypadku betonu o współczynniku w/c około 0,30 siatka por utworzona jest zasadniczo z drobnych kapilar. Kiedy zacznie się rozwijać proces samoosuszania, jak tylko rozpocznie się hydratacja, meniski gwałtownie się przekształcają się w małe kapilary, jeżeli z zewnątrz nie dostarczono wody [8]. Stosunek w/c nie tylko wpływa na przebieg kurczenia się zaczynu cementowego lub betonu. Doświadczenia wykazują, że wpływa on drastycznie na mikrostrukturę uwodnionego zaczynu cementowego i betonu, zwłaszcza w strefie przejściowej, to jest w zhydratyzowanym zaczynie cementowym, który otacza ziarna grubego kruszywa. Zaobserwowano, ze w zaczynie cementowym lub betonie o wysokim w/c strefa przejściowa jest bardzo porowata i wypełniona dużymi kryształami wapna i etryngitu. Przy stałym wskaźniku w/c, wraz ze wzrostem ilości zaczynu w jednostce objętości betonu skurcz wzrasta. Jest to związane zarówno z większą zawartością wody w betonie, jak i mniejszą zawartością kruszywa, którego obecność ogranicza skurcz. Skurcz 2 S trona
betonu zawsze jest dużo niższy od skurczu zaczynu cementowego nawet o takim samym wskaźniku w/c. Wiadomo, że skurcz betonu można łatwo ograniczyć poprzez zwiększenie zawartości kruszywa[9]. Zwiększenie zawartości grubego kruszywa i zmniejszenie zawartości kruszywa drobnego zmniejsza skurcz końcowy. Trzeba jednak zwrócić uwagę, że wzrost zawartości kruszywa grubego nie ma wpływa na bezwzględną zmianę zaczynu cementowego [7]. Jest bardzo ważne by wiedzieć czy zaczyn cementowy hydratyzuje z zewnętrznym źródłem wody czy bez. Gdy nie ma zewnętrznego źródła wody, w układzie zamkniętym zaczyn wysycha bez utraty masy i kurczy się. Woda obecna w grubych kapilarach, której energia jest mała, łatwo zostaje odciągnięta przez nanopory utworzone przez skurcz chemiczny. Kiedy stosunek w/c zamkniętego układu jest wysoki początkowa ilość wody kapilarnej jest duża i kapilary mają dużą średnicę, gdyż początkowo cząstki cementu są od siebie oddalone. Ze względu na ten fakt, wiele ziaren cementu zaczyna ulegać hydratacji równolegle, a suszenie bardzo drobnych kapilar może doprowadzić do wysokich napięć rozciągających, które kurczą stwardniały zaczyn cementowy. Jeżeli hydratacja zaczynu o niskim w/c przebiega w obecności zewnętrznego źródła wody, tak długo jak faza wody pozostaje ciągła nie tworzą się meniski i w układzie nie zachodzi skurcz samoczynny. Zaczyn nie powinien się kurczyć. Z teoretycznego punktu widzenia, można zapobiec skurczowi samoczynnemu stosując wcześniej dojrzewanie w wodzie. Ta kwestia ma duże znaczenie, kiedy stosuje się betony o dużej wytrzymałości i niskim w/c[5]. W ostatnich latach prowadzone są na świecie badania skurczu samoczynnego (autogenicznego), czego przykładem są rys. 1-4 [7]. Rys. 1. Skurcz samoczynny betonu o stosunku w/c =0,3. 3 S trona
Rys. 2. Skurcz samoczynny betonu o stosunku w/c =0,4. Rys. 3. Skurcz samoczynny betonu o stosunku w/c =0,5. 4 S trona
Rys. 4. Skurcz samoczynny betonu o stosunku w/c=0,6. Skurczem autogenicznym określa się zmniejszenie objętości, jakiego doznaje mieszanina cementu i wody, na skutek reakcji chemicznych procesu hydratacji. Skurcz ten pojawia się we wnętrzu dużych mas betonu. Skurcz samoczynny wzrasta wraz z wzrostem temperatury, z wyższą zawartością cementu w mieszance betonowej oraz z drobniejszym przemiałem cementu. Skurcz autogeniczny badany jest na betonie, który nie ma dostępu do wilgoci z zewnątrz, a zmiany objętości zachodzą w wyniku zachodzących reakcji chemicznych. Wartości skurczu autogenicznego zaznaczono na rys. 1 4 linią przerywaną. Widoczna jest zależność między wskaźnikiem w/c, a wartością tego skurczu skurcz jest tym większy, im mniejsze jest w/c. Pozostałe wykresy obejmują skurcz przy wysychaniu próbek wyjętych z folii po 1, 4, 8, i 28 dniach i dojrzewających przy dostępie wilgoci z zewnątrz. Przyrosty skurczu są tym większe im wyższe jest w/c. 3. Wpływ cementu i dodatków mineralnych na wczesny skurcz betonu Ilość i rodzaj cementu w znaczny sposób wpływa na skurcz betonu, a skurcz zaczynu cementowego jest różny od skurczu betonu. Swayze wykazał, że większy skurcz czystego zaczynu niekoniecznie oznacza większy skurcz betonu wykonanego przy użyciu takiego samego cementu. Uziarnienie cementu ma znaczenie o tyle, że obecność cząstek większych niż 75 µm, które w stosunkowo niewielkim stopniu ulegają hydratacji, ogranicza skurcz w sposób podobny jak kruszywo. Skurcz zaczynu cementowego zależy od składu chemicznego cementu. Najszybciej i najgwałtowniej reaguje glinian trójwapniowy, następnie alit i ferryty, a najwolniej belit, to te składniki wywierają na siebie wpływ, opóźniając bądź też przyspieszając poszczególne reakcje. Największy skurcz wykazuje glinian trójwapniowy, a najmniejszy belit. Tak więc cementy z niską zawartością glinianu i wysoką zawartością belitu mają niższy skurcz zaczynu od cementów gdzie zawartość glinianu jest wysoka. Dodanie do cementów popiołów lotnych lub innych dodatków powoduje niższy skurcz. Jednakże o wielkości skurczu betonu z dodatkami decyduje również wilgotność względna otoczenia w jakim znajduje się beton. Hydratacja cementu jak wpływ dodatków do cementu na wczesny skurcz są zjawiskami złożony, na który należy patrzeć z różnych perspektyw: perspektywy chemicznej, perspektywy strukturalnej, perspektywy materiałowej czy trwałości [8,9,5]. 4. Wyniki badań własnych 5 S trona
Badania skurczu betonu wykonano z zastosowanie cementów CEM I 32,5 R, oraz dodano do mieszanki betonowej mikrokrzemionkę w ilości 5%, 10%, 15 %, oraz dodano domieszki chemiczne. Wykonano również badania skurczu betonu z domieszkami chemicznymi o różnej bazie chemicznej i różnych właściwościach od lignosulfonianów po etery polikarboklsyowe (plastyfikatory BV 90, superplastyfikatory FM, FM 34, FM 207, opóźniacze BV81). Wszystkie cykle badawcze trwały 4 doby i rozpoczynały się po 20 minutach od momentu zarobienia składników wodą. Próbki podczas badań umieszczone były w komorze klimatycznej gdzie panowały stałe warunki wilgotnościowo temperaturowe co umożliwiło autorom również zbadanie wpływu wilgotności na wczesny skurcz betonu oraz skurcz przy wysychaniu. 4.1. Skurczu betonu z zastosowaniem domieszek chemicznych W pierwszym bloku badawczym porównano wpływ domieszek BV90, BV81, Multifluid FM, założono stały skład mieszanki betonowej (cement, woda, kruszywo) jak i również stałą konsystencje betonu. Konsystencja betonu regulowana była tylko ilością i rodzajem domieszki. W przypadku Multifluid FM 1,0% do m.c.; w przypadku BV90 i Multifluid FM po 0,5 % do m.c; w przypadku BV 81 i Multifluid FM po 0,5% do m.c. Domieszki te różnią się od siebie gęstościami jak i bazą chemiczną. Skład mieszanki betonowej przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Skład mieszanki betonowej z domieszkami BV90, BV81, Multifluid FM Cement CEM I Woda Kruszywo Domieszka Ilość na 1 m 3 betonu 320kg 160 L 1858 kg BV90; BV81; FM 3 2,5 shrinkage [-mm/m] 2 1,5 1 0,5 BV 90 and FM BV 81 and FM FM 0 0 4 8 12 15 19 23 27 31 35 38 42 50 63 75 87 time [hours] Rys. 5. Skurcz betonu z zastosowanie różnych domieszek chemicznych. Wilgotność 50% temperatura 20 0 C. W przypadku wykresów 6 i 7 wykonano badania na domieszce FM 34 i FM 207, są to domieszki na tej samej bazie chemicznej (etery polikarboklsyowe) różniące się tylko gęstościami. Domieszki te zadozowano w różnej ilości tak ażeby uzyskać jak w poprzednich badaniach jednakową konsystencję betonu. Domieszkę FM 34 zadozowano w ilości 0,5% do m.c., a domieszkę FM 207 w ilości 0,9% do m.c. Dodatkowo wykonano te same badania dla 6 S trona
próbek przechowywanych w dwóch wilgotnościach 35% i 85%. Skład mieszanki betonowej przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Skład mieszanki betonowej z zastosowaniem domieszek FM 34, FM 207 Cement Woda Woda Domieszka Ilość na 1 m 3 betonu 420 kg 160 L 1865 kg FM 207; FM 34 1,4 1,2 shrinkage [-mm/m] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,5% m.c. 0,9% m.c. 0 4 8 12 15 19 23 27 31 35 38 42 50 63 75 87 time [hours] Rys.6. Skurcz betonu z zastosowanie różnych domieszek chemicznych i różnym dozowaniu. Wilgotność 85% temperatura 20 0 C. 2 1,6 shrinkage [-mm/m] 1,2 0,8 0,4 0-0,4 0,5% m.c. 0,9% m.c. 0 4 8 12 15 19 23 27 31 35 38 42 50 63 75 87 time [hours] Rys. 7. Skurcz betonu z zastosowanie różnych domieszek chemicznych i różnym dozowaniu. Wilgotność 35% temperatura 20 0 C. 4.2. Skurcz betonu z zastosowaniem mikrokrzemionki 7 S trona
Mikrokrzemionkę dozowano w ilości 5%, 10%, 15% do m.c. Dodano również domieszkę Viscocrete 5-600 w celu uzyskania stałej konsystencji betonu. W tym przypadku założono, że stały będzie procentowy udział kruszyw w mieszance betonowej stała ilość wody i cementu oraz konsystencja. Dodatkowo wykonano badania wytrzymałościowe betonów rys 9. 1,4 1,2 shrinkage [-mm/m] 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 silica 5% silica 10% silica 15% 0 4 8 12 15 19 23 27 31 35 38 42 50 63 75 87 time [hours] Rys. 8. Skurcz betonu z zastosowanie mikrokrzemionki w różnej ilości. Wilgotność 85% temperatura 20 0 C. 70,0 strenght [MPa] 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 59,1 61,9 60,5 30,0 33,4 31,9 5% 10% 15% 2-day 28-day Rys. 9. Wyniki badań wytrzymałościowych 2 i 28 dniowe, beton z mikrokrzemionką. 5. Wnioski Z przeprowadzonych badań można stwierdzić, iż zjawisko wczesnego skurczu ma ogromne znaczenie przy wykonawstwie elementów żelbetowych i betonowych, ale niestety jest niejednokrotnie pomijane. Można stwierdzić, że wpływ dodatków do cementu takich ja granulowany żużel wielkopiecowy czy popioły lotne wpływają dwojako na wczesny skurcz, przy wysokich wilgotnościach względnych otoczenia powodują wyższy skurcz betonów z CEM I a niżeli betonów z cementem CEM III. W przypadku domieszek chemicznych to zwiększenie ilości powoduje zwiększenie skurczu, również stosowanie lignosulfonianów w 8 S trona
porównaniu do żywic melaminowo-naftalenowych powodują większe wartości. Jednak ten sam lignosulfonian, lecz o działaniu opóźniającym tego efektu już nie wywołał. Należy również zwrócić uwagę na okres trwania wczesnego skurczu, we wszystkich przeprowadzonych badaniach można stwierdzić, że okres skurczu plastycznego kończy się razem z końcem czasu wiązania cementu, w przypadku betonów z mikrokrzemionką okres ten się wydłuża o około 6 godzin. Dodanie mikrokrzemionki zwiększa skurcz, lecz w przypadku dodania więcej niż 10% różnice nie są aż tak znaczące. Tak wiec mechanizm wczesnego skurczu jest bardziej skomplikowany niż się powszechnie sądzi. Literatura [1]. J.J. Brooks. Influence of mix proportions, plasticizers and superplasticizers on creep and drying shrinkage of concrete. Magazine of Concrete Resarch. Vol. 41, No.148,1989. [2]. E. Tazawa, S. Miyazawa Influance of cement and admixture on autogenous shrinkage of cement paste. Cement and Concrete Research. Vol. 25, No.2. 1995. [3]. Aictin P.C.: Trwały wysokowartościowy beton sztuka i wiedza. Materiały Konferencji: Dni Betonu tradycja i nowoczesność. Szczyrk 2002 s.7 36. [4]. Kiernożycki W.: Betonowe konstrukcje masywne. Kraków 2003. [5]. Neville A.M.: Właściwości betonu. Arkady, Warszawa 1999. [6]. Aictin P.C.: Hydratacja cementu portlandzkiego widziana oczyma inżyniera budownictwa. Cement wapno beton 2003 s. 115 130. [7]. Tazawa E., Miyazawa S.: Autogenous shrinkage and drying shrinkage of high strength concrete. 5th international Sympisium on Utylization of High Strength, High Performance Concrete. Sandefiord, Norway, 1999, p. 1254 1263. [8]. Jasiczak, J. and Szymański, P., Dobór cementu w aspekcie zjawisk wczesnego skurczu betonu, XIX Konferencja Naukowo-Techniczna Jadwisin 2004, pp. 271-278 [9]. Kurdowski, W., Chemia cementu, PWN Warszawa 1991. 9 S trona