Wybrane w a ciwo ci betonów samozag szczalnych z dodatkiem popio u lotnego wapiennego

MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 1, (2013), 65-70 www.ptcer.pl/mccm Wybrane w a ciwo ci betonów samozag szczalnych z dodatkiem popio u lotnego wapiennego TOMASZ PONIKIEWSKI*, JACEK GO ASZEWSKI Politechnika l ska, Wydzia Budownictwa, Katedra In ynierii Materia ów i Procesów Budowlanych, ul. Akademicka 5, 44-100 Gliwice *e-mail:tomasz.ponikiewski@polsl.pl Streszczenie Prezentowane badania wskazuj na mo liwo wykorzystania popio u lotnego wapiennego (PLW) w zwyk ych i wysokowarto ciowych betonach samozag sz-czalnych, zarówno jako dodatek do betonu i jako sk adnik cementu. Obecno popio u mo e zmniejszy w a ciwo ci samozag szczaj ce si mieszanek, zw aszcza je li stosuje si superplasty kator. Efekt ten jest mniejszy, je li PLW jest domielony lub stosowany jako sk adnik cementu. Obecno PLW jednocze nie poprawia stabilno (odporno na segregacj ) mieszanek samozag szczalnych. Wytrzyma o na ciskanie betonu wykonanego z cementów mody kowanych PLW oraz z dodatkiem popio u nie ró ni si znacz co od wytrzyma o ci osi gni tych przez analogiczne betony wykonane z cementu CEM I, je eli klasa wytrzyma o ci betonu jest podobna. W pocz tkowym etapie utwardzania, obecno du ej ilo ci PLW hamuje rozwój wytrzyma o ci. Badania potwierdzaj mo liwo wykorzystania popio owego wielosk adnikowego cementu X, który zawiera PLW w betonach nowej generacji. S owa kluczowe: popió lotny wapienny, cement portlandzki, cement wielosk adnikowy, w a ciwo ci reologiczne, zbrojenie rozproszone SELECTED PROPERTIES OF SELF-COMPACTING CONCRETES ADDED WITH CALCIUM FLY ASH The research shows the possibility of using the high-calcium y ash (HCFA) in normal and high-performance self-compacting concrete both as the addition to concrete and as the cement constituent. The presence of y ash can reduce the self-compacting properties of the mixture, especially if a superplasticizer is used. This effect is lesser, if the ash is grinded or used as the cement constituent. At the same time, the presence of ash improves stability (resistance to segregation) of self-compacting mixture. The compressive strength of concrete made of cements modi ed with HCFA and with ash addition does not differ signi cantly from the compressive strength reached by the analogical concrete made of CEM I, if a concrete strength class is similar. In the initial stage of curing, the presence of high HCFA inhibits the development of compressive strength. The research con rms the possibility of using high-ash multi-component cements X (which contain HCFA) for new generation concrete. Keywords: Calcium y ash, Portland cement, Multicomponent cement, Rheological properties, Distributed reinforcement 1. Wprowadzenie Podstawowym wymaganiem stawianym przy projektowaniu i wykonywaniu betonów nowej generacji jest zapewnienie im dobrej urabialno ci w trakcie ca ego procesu betonowania. Betony te charakteryzuj si du zawarto ci dodatków mineralnych mody kuj cych wybrane w a ciwo ci (np. m czka wapienna, popió lotny krzemionkowy, zmielony granulowany u el wielkopiecowy, py krzemionkowy). Podstawowe efekty stosowania dodatków mineralnych przedstawiono szeroko w licznych opracowaniach [1-3]. Stwierdzono równie mo liwo stosowania popio u lotnego wapiennego, jako zamiennik cz ci cementu w betonie i sk adnika cementu [4]. Dotychczasowe publikacje wskazuj na problem pogarszania si urabialno ci mieszanek betonowych zawieraj cych popió lotny wapienny. W zwi zku z tym, e urabialno jest kluczem do uzyskania betonów nowej generacji [5-7], przeprowadzono seri bada maj cych na celu zwery kowanie mo liwo ci uzyskania betonów SCC z dodatkiem popio u lotnego wapiennego. Wykonano badania samozag szczalnych betonów zwyk y (SCC), wysokowarto ciowych betonów samozag szczalny (HPSCC) oraz brobetonów samozag szczalny (FRSCC). Aktualnym zagadnieniem jest zastosowanie popio ów lotnych wapiennych w technologii betonów nowej generacji i poni szy artyku przedstawia wybrane badania w tym temacie. 2. Za o enia i metodyka bada Podstawowym problemem betonów nowej generacji, w tym zawieraj cych popió lotny wapienny, jest ich urabialno. Z licznych bada rozpatruj cych w a ciwo ci mieszanki w aspekcie urabialno ci wynika, e zachowuje si ona pod obci eniem jak lepkoplastyczne cia o Binghama. Granica p yni cia g i lepko plastyczna h, zwane parametrami reologicznymi, s sta ymi materia owymi, charakteryzuj cymi 65

T. PONIKIEWSKI, J. GO ASZEWSKI Tabela 1. Sk ad chemiczny popio u lotnego wapiennego. Table 1. Chemical composition of calcareous y ash. Sk adnik 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 metod analizy elementarnej; **metoda glikolowa Tabela 2. W a ciwo ci zyczne popio ów. Table 2. Physical properties of y ashes. Popió G sto [g/cm 3 ] Mia ko - pozosta o na sicie 45 m [%] Powierzchnia w a ciwa wg Blaine a [cm 2 /g] Masa obj to ciowa [kg/m 3 ] Partia A A0 Bez przemia u 2,64 55, 6 1900 1060 A1 Mielenie 20 min 2,71 20,0 4060 nb Partia B B0 Bez przemia u 2,60 46,3 2370 1030 B1 Mielenie 15 min 2,67 20,8 3520 nb Tabela 3. Sk ady mieszanek samozag szczalnych zastosowanych w poszczególnych blokach bada. Table 3. Compositions of self compacting concrete mixtures used in particular research series. MIESZANKA BETONOWA Sk adnik / Oznaczenie C1 C2 C3 C4 [kg/m 3 ] CEM I [CI] 490,0-490,0 - CEM I, CEM II/B-M (LL-W), CEM II/B-W, CEM IV/B-W [CII] - 600,0 - - CEM II B-W [CIII] - - - 600,0 Piasek 0-2 mm [P] 800,0 800,0 756,0 800,0 Kruszywo otoczakowe 2-8 mm [Ko] 800,0 800,0-800,0 Kruszywo bazaltowe 2-8 mm [Kb] - - 944,4 - Mikrokrzemionka [Mk] - - 49,0 - Popió lotny wapienny ((10-20-30)% m.c.) [PLW] 49-98-147-49-98-147 - W ókna stalowe [Ws] - - - 60-80-100 W ókna polietylenowe i polimerowo-bazaltowe [Wp] - - - 2-4-6 Superplasty kator Glenium ACE 48 (3.5% m.c.) [SP A] - - 17,0 - Superplasty kator Glenium SKY 592 (1,1-2,5)% m.c.) [SP B] 16,2 6,8 15,0-12,0 Stabilizator RheoMatrix (0.4% m.c.) [ST] 1,6 2,73 1,6 1,95 PARAMETRY Punkt piaskowy [%] 50,0 50,0 45,8 50,0 W/C 0,42 0,31 0,42 0,31 Klasa konsystencji (SF) SF3 SF 1-2-3 SF3 SF3 w a ciwo ci reologiczne mieszanki. Z chwil, gdy napr enia przekrocz granic p yni cia, nast pi p yni cie mieszanki z pr dko ci proporcjonaln do lepko ci plastycznej. Im mniejsza b dzie lepko plastyczna mieszanki, tym wi ksza b dzie pr dko jej p yni cia przy danym obci eniu. Bardziej szczegó owo zagadnienia reologii omówiono m.in. w pracy Szwabowskiego [8]. Parametry reologiczne badanych mieszanek wyznaczono reometrem BT-2. Przyjmuje si, e warto ci granicy p yni cia g odpowiada rednica maksymalnego rozp ywu SF, natomiast warto ci lepko ci plastycznej h odpowiada czas rozp ywu do rednicy 500 mm T 500 ; oba parametry mierzone testem rozp ywu (ang. slump ow) wg normy EN 12350-8:2009. Badania wykonano uwzgl dniaj c wp yw nast puj cych czynników: dostawa popio u lotnego wapiennego: partia (dostaw A i B (patrz Tabela 1); stopie przemia u popio u lotnego wapiennego (patrz Tabela 2); zawarto PLW, jako ekwiwalent cementu: (10 20 30)% masy cementu; udzia masowy w ókien stalowych (patrz Tabela 4, Rys. 1): 0 100 kg/m 3 ; 66 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 1, (2013)

WYBRANE W A CIWO CI BETONÓW SAMOZAG SZCZALNYCH Z DODATKIEM POPIO U LOTNEGO WAPIENNEGO Tabela 4. Charakterystyka geometryczno-materia owa badanych w ókien stalowych. Table 4. Characteristics of applied steel bres. Nazwa D ugo [mm] rednica [mm] Przekrój poprzeczny Kszta t Materia Wytrzyma o na rozci ganie [N/mm 2 ] DM 6/0,17 6 ± 10% 0,17 ± 10% okr g y Stal niskow glowa 2100 ± 15% SW 35/1.0 35 ± 10% 2,30 ± 2,95 1) cz okr gu Stal niskow glowa 800 ± 15% 1) szeroko (mm); Rys. 1. W ókna stalowe DM 6/0.17 ( oraz w ókna stalowe SW 35/1.0 (. Fig. 1. Types of steel bres used in the study: DM 6/0.17, SW 35/1.0. udzia masowy w ókien syntetycznych (patrz Tabela 5, Rys. 2): 0 6 kg/m 3. Sk ady badanych mieszanek samozag szczalnych w poszczególnych blokach bada przedstawiono w Tabeli 3. W badaniach zastosowano superplasty katory na bazie eteru polikarboksylanowego. Zastosowane do bada w ókna zosta y wytypowane z dosy licznej grupy dost pnych na rynku. Dobór mia na celu zaprezentowanie wp ywu w ókien o ró nych parametrach materia owych i geometrycznych na urabialno mieszanek samozag szczalnych. Zosta a opracowana i wdro ona procedura przygotowania mieszanek betonowych, pozwalaj ca zachowa technologiczn powtarzalno wyników. 3. Wyniki bada i ich omówienie Rys. 2. W ókna polimerowo-bazaltowe SBF 25 ( oraz w ókna polipropylenowe FS 25 (. Fig. 2. Polymer-basalt bres SBF 25 ( and polypropylene bres FS 25 (. 3.1. Badania efektu dozowania PLW do betonu SCC Na Rys. 3 przedstawiono wp yw zawarto ci popio u lotnego wapiennego (dostawa A) i jego stopnia przemia u na rednic rozp ywu SF i czas rozp ywu T 500 mieszanek samozag szczalnych. Na podstawie przeprowadzonych Tabela 5. Charakterystyka geometryczno-materia owa badanych w ókien syntetycznych. Table 5. Characteristics of applied synthetic bres. Nazwa D ugo [mm] rednica Klasa Kszta t Materia Wytrzyma o na rozci ganie [N/mm 2 ] SBF 25 12 ± 10% 16 m ko owy proste Polimerowo-bazaltowe 1 680 FS 25 25 0,66 mm II; makrow ókna odkszta cone Polipropylen, polietylen 600 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 1, (2013) 67

T. PONIKIEWSKI, J. GO ASZEWSKI urabialno ci nast puje w stopniu pozwalaj cym zachowa w a ciwo ci samozag szczalno ci. Na Rys. 4 przedstawiono wp yw zawarto ci popio u lotnego wapiennego (dostawa A) i jego stopnia przemia u na granic p yni cia g oraz lepko plastyczn h mieszanek SCC z uwzgl dnieniem efektu czasu. Na podstawie przeprowadzonych bada mo na stwierdzi, e wzrost zawarto ci popio u lotnego wapien Rys. 3. Wp yw zawarto ci PLW i jego stopnia przemia u na rednic rozp ywu SF ( i czas rozp ywu T 500 ( mieszanek SCC. Fig. 3. In uence of CFA content and its neness on ow diameter SF ( and ow time T 500 ( of HPSCC mixtures. bada mo na stwierdzi, e wzrost zawarto ci popio u lotnego wapiennego w mieszance powoduje zmniejszenie rednicy rozp ywu SF oraz wyd u enie czasu rozp ywu T 500. Zakres zmian jest tym wi kszy, im wi ksza jest zawarto PLW w mieszance. Jednak w przypadku, gdy popió poddany zostanie aktywacji mechanicznej (PLW A1), efekt zmian jest mniejszy. Obserwowano równie pogorszenie urabialno ci wraz z up ywem czasu. Nale y jednak podkre li, e utrata Rys. 4. Wp yw zawarto ci popio u lotnego wapiennego i jego stopnia przemia u na granic p yni cia g ( oraz lepko plastyczn h ( mieszanek SCC. Fig.4. In uence of CFA content and its neness on the stress yield value g ( and plastic viscosity h ( of HPSCC mixtures. Rys. 5. Wp yw rodzaju cementu z dodatkiem PLW na granic p yni cia g ( oraz wytrzyma o na ciskanie f cm,7 ( betonów SCC. Fig.5. In uence of cement type with CFA addition on the stress yield value g ( and compressive strength f cm,7 ( of SCC. 68 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 1, (2013)

WYBRANE W A CIWO CI BETONÓW SAMOZAG SZCZALNYCH Z DODATKIEM POPIO U LOTNEGO WAPIENNEGO nego w mieszance powoduje wzrost granicy p yni cia g oraz niewielk zmian lepko ci plastycznej h. Warto ci g i h wzrastaj wraz ze wzrostem zawarto ci PLW w mieszance oraz up ywem czasu. Aktywacja mechaniczna PLW wp ywa na zmniejszenie przyrostu warto ci g mieszanki. 3.2. Badania efektu dozowania PLW w cementach do betonu SCC Granica p yni cia g mieszanek SCC wzrasta a tym bardziej, im ni sza by a klasa konsystencji badanych mieszanek SCC. Wzrost zawarto ci popio u lotnego wapiennego w sk adzie cementu wp yn równie na spadek wytrzyma o ci na ciskanie f cm,7 betonów SCC z jego dodatkiem we wszystkich klasach samozag szczalno ci (Rys. 5). 3.3. Badania efektu dozowania PLW do betonu HPSCC Na Rys. 6 przedstawiono wp yw zawarto ci PLW (dostawa A) i jego stopnia przemia u na rednic rozp ywu SF i czas rozp ywu T 500 mieszanek HPSCC. Wraz ze wzrostem zawarto ci popio u lotnego wapiennego w mieszance nast powa niewielki spadek rednicy rozp ywu SF. Domielenie popio u lotnego wapiennego nie powodowa o utraty urabialno ci przez mieszanki HPSCC z jego dodatkiem. Wzrost zawarto ci popio u lotnego wapiennego w mieszance wp yn na Rys. 7. Wp yw zawarto ci PLW (dostawa B) i jego stopnia przemia u na rednic rozp ywu SF ( i czas rozp ywu T 500 ( mieszanek HPSCC. Fig.7. In uence of CFA content (batch B) and its neness on ow diameter SF ( and ow time T 500 ( of HPSCC mixtures. wzrost czasu rozp ywu T 500 mieszanek SCC z jego dodatkiem, ale w niewielkim stopniu. Obserwowano równie pogorszenie urabialno ci wraz z up ywem czasu, ale w stopniu pozwalaj cym zachowa w a ciwo ci samozag szczalno ci. Podobne efekty obserwowano w przypadku dozowania PLW (dostawa B) do mieszanek HPSCC, przedstawione na Rys. 7. Wzrost zawarto ci popio u lotnego wapiennego w betonach HPSCC wp ywa na spadek ich wytrzyma o ci na Rys. 6. Wp yw zawarto ci PLW (dostawa A) i jego stopnia przemia u na rednic rozp ywu SF ( i czas rozp ywu T 500 ( mieszanek HPSCC. Fig.6. In uence of CFA content (batch A) and its neness on ow diameter SF ( and ow time T 500 ( of HPSCC mixtures. Rys. 8. Wp yw PLW i jego stopnia przemia u na wytrzyma o na ciskanie f cm,28 betonów HPSCC. Fig.8. In uence of CFA content and its neness on the compressive strength f cm,28 of HPSCC. MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 1, (2013) 69

T. PONIKIEWSKI, J. GO ASZEWSKI ciskanie f cm,28 (Rys. 8). Efekt ten jest tym wi kszy, im wi ksza jest zawarto PLW w betonie. Domielenie PLW B1 powodowa o równie spadek warto ci ƒ cm,28 betonu HPSCC z jego dodatkiem, ale w najmniejszym stopniu. 3.4. Badania efektu dozowania w ókien stalowych oraz syntetycznych do betonu FRSCC. W tej cz ci artyku u przedstawiono wybrane badania betonów samozag szczalnych SCC z dodatkiem w ókien. Efekt ten jest tym wi kszy, im wi kszy jest udzia obj to- ciowy w ókien w mieszance SCC i nasila si w mieszance SCC od zawarto ci 100 kg/m 3 w ókien stalowych. Na Rys. 9 przedstawiono wp yw rodzaju i udzia u obj to ciowego w ókien stalowych i syntetycznych na granic p yni cia g betonów SCC. Na podstawie przeprowadzonych bada mo na stwierdzi, e wzrost zawarto ci w ókien powoduje wzrost granicy p yni cia g mieszanek SCC z ich dodatkiem. Dodatek w ókien stalowych krótszych oraz syntetycznych o mniejszej g sto ci, których ilo w obu przypadkach w jednostce obj to ci jest wi ksza, powoduje wi kszy przyrost granicy p yni cia g mieszanek SCC. 4. Podsumowanie Rys. 9. Wp yw rodzaju i udzia u obj to ciowego w ókien stalowych ( i syntetycznych ( na granic p yni cia g betonów SCC. Fig. 9. In uence of type and volume fraction of steel ( and synthetic ( bres addition on the stress yield value g of SCC. Zaprezentowane badania potwierdzi y mo liwo stosowania PLW w betonach nowej generacji przy zachowaniu zak adanych parametrów technologicznych mieszanek betonowych, a przede wszystkim ich urabialno ci. Obserwowane jest pogorszenie si urabialno ci wraz ze wzrostem zawarto ci popio u lotnego wapiennego w betonach SCC i HPSCC. Nast puje utrata urabialno ci mieszanek betonowych, ale w stopniu pozwalaj cym zachowa w a ciwo ci samozag szczalno ci. Badania nie wykaza y du ego wp ywu aktywacji popio ów lotnych wapiennych na popraw urabialno ci oraz parametrów mechanicznych betonów SCC i HPSCC z ich dodatkiem. Aktywacja popio ów (ich przemia ) na pewno poprawia ich w a ciwo ci, ale badania wykaza y podobny wp yw popio ów lotnych wapiennych mielonych i nie mielonych na badane w a ciwo ci mieszanek betonowych SCC i HPSCC. Zastosowanie wybranych cementów z dodatkiem popio u lotnego wapiennego w ich sk adzie wykaza o gorsz, ale wystarczaj c urabialno betonów SCC z ich dodatkiem. Samozag szczalno i parametry mechaniczne betonów z cementów mody kowanych popio em lotnym wapiennym by y zadawalaj ce i spe nia y zak adane normy. Stwierdzono wp yw rodzaju i zawarto ci w ókien na pogarszanie urabialno ci mieszanek SCC. Samozag szczalno mieszanek betonowych pogarsza si wraz ze wzrostem udzia u obj to ciowego w ókien w mieszance samozag szczalnej. Nale y zaznaczy, e pomimo pogarszania si urabialno ci, mo na uzyska mieszanki samozag szczalne z dodatkiem w ókien stalowych oraz syntetycznych. Podzi kowanie Badania by y wspó finansowane ze rodków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, projekt POIG01.01.02.24-005/09 Innowacyjne spoiwa cementowe i betony z wykorzystaniem popio u lotnego wapiennego. Literatura [1] Aitcin, P.C.: High Performance Concrete, E & FN SPON, London, (1998). [2] Giergiczny, Z.: Rola popio ów lotnych wapniowych i krzemionkowych w kszta towaniu w a ciwo ci wspó czesnych spoiw budowlanych i tworzyw cementowych, Kraków, (2006). [3] Neville, A.M.: W a ciwo ci betonu, ISBN 83-913000-0-5, Kraków, (2000). [4] Go aszewski, J., Giergiczny, Z.: Kszta towanie w a ciwo ci reologicznych mieszanek na spoiwach cementowych z dodatkiem popio u lotnego wapiennego, Konferencja Energia i rodowisko w Technologii materia ów budo wlanych, ceramicznych, szklarskich i ogniotrwa ych, Opole, (2010). [5] Ponikiewski, T., Go aszewski, J.: Kszta towanie samozag szczalno ci mieszanek betonowych na bazie cementów z dodatkiem popio u lotnego wapiennego, Cement-Wapno-Beton, 4, 17, (2012), 233-242. [6] Go aszewski, J., Kostrzanowska, A., Ponikiewski, T.: W a ciwo- ci reologiczne cementów portlandzkich wielosk adnikowych z dodatkiem popio ów lotnych wapiennych, Materia y Budowlane, 5, (2012), 40-43. [7] Szwabowski, J., Go aszewski, J.: Technologia betonu samozag szczalnego, Wydawnictwo Polski Cement SPC, Kraków, (2010). [8] Szwabowski. J.: Reologia mieszanek na spoiwach cementowych, Wydawnictwo Politechniki l skiej, Gliwice, (1999). Otrzymano 24 sierpnia 2012, zaakceptowano 22 listopada 2012. 70 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 1, (2013)