B u l e t y n WAT Vo l. LXIII, Nr 1, 014 Wpływ domeszk napowetrzającej na rozwój wytrzymałośc kompozytów cementowych zawerających popół lotny Małgorzata Lelusz, Walery Jezersk Poltechnka Bałostocka, Wydzał Budownctwa Inżyner Środowska, 15-351 Bałystok, ul. Wejska 45E, m.lelusz@pb.edu.pl,v.ezersky@pb.edu.pl Streszczene. W artykule przedstawono wynk eksperymentu laboratoryjnego wpływu lośc domeszk napowetrzającej d/c, współczynnka wodno-cementowego W/C oraz czasu dojrzewana τ na wytrzymałość na ścskane f c próbek zapraw cementowych. Na podstawe wynków badań eksperymentalnych opracowano model matematyczny zależnośc oraz przeanalzowano charakter stopeń wpływu poszczególnych czynnków na wytrzymałość zapraw cementowych. Ustalono, że wraz ze wzrostem lośc domeszk napowetrzającej wytrzymałość na ścskane maleje, natomast stneje granczna lość, powyżej której dodawane domeszk ne powoduje już obnżena wytrzymałośc. Słowa kluczowe: budownctwo, kompozyty cementowe, napowetrzane, popół lotny, model matematyczny 1. Wstęp Trwałość materałów budowlanych jest jedną z najważnejszych cech branych pod uwagę przy ch wyborze do realzacj konstrukcj. Uszkodzena mrozowe kompozytów cementowych najczęścej spowodowane są ch neodpowednm składem z powodu neuwzględnena warunków eksploatacj lub współzależnośc komponentów. Napowetrzane jest podstawowym zabegem technologcznym zabezpeczającym beton przed szkodlwym dzałanem mrozu [1]. Polega ono na celowym wytworzenu w zaczyne równomerne rozproszonych, drobnych, kulstych pęcherzyków powetrza, które w czase zamrażana betonu są w stane przejąć nadmar wody wypychanej ze strefy formowana lodu.
14 M. Lelusz, W. Jezersk Na jakość napowetrzena wpływają take czynnk materałowe jak: rodzaj lość środka napowetrzającego, konsystencja meszank, współczynnk W/C, lość rodzaj cementu, dodatk mneralne, kruszywo, woda zarobowa oraz nne domeszk chemczne [1-3]. Powszechne stosowanym dodatkem do kompozytów cementowych jest popół lotny, będący ubocznym efektem spalana węgla kamennego [4, 5]. Osągnęce właścwego pozomu napowetrzena betonów zawerających popoły lotne wymaga zwększena lośc domeszk napowetrzającej w meszance betonowej [6, 7]. Jednak byt wysoke dozowane domeszk napowetrzającej może doprowadzć do nekontrolowanego napowetrzena uzyskana neodpowednej struktury porów w konsekwencj do znacznego spadku wytrzymałośc betonu. W przypadku meszanek betonów zwykłych bez stosowana superplastyfkatorów napowetrzane powoduje obnżene grancy płynęca lepkośc plastycznej meszank, co oznacza upłynnene meszank betonowej powodujące poprawę jej urabalnośc. Tak wpływ domeszek umożlwa obnżene W/C w konsekwencj częścową redukcję spadku wytrzymałośc spowodowanego napowetrzanem [8]. Istneje zatem koneczność uścślena danych o współzależnośc składnków kompozytów cementowych, takch jak cement, popół lotny, domeszka napowetrzająca woda, na rozwój wytrzymałośc w czase. Autorzy artykułu podjęl próbę przedstawena tego problemu w swoch publkacjach [9, 10] zaprezentowal wynk badań laboratoryjnych oraz ocenl stotę stopeń wpływu wybranych składnków. Celem prezentowanej pracy jest ocena charakteru stopna wpływu lośc domeszk napowetrzającej, współczynnka wodno-cementowego oraz czasu dojrzewana na wytrzymałość próbek zaprawy cementowej zawerającej popół lotny.. Sformułowane problemu wybór planu eksperymentu badawczego Zgodne z przyjętym celem pracy wytrzymałość na ścskane zapraw cementowych f c, MPa (odpowedź Y) postanowono zbadać w zależnośc od: lośc domeszk napowetrzającej d/c (czynnk X 1 ), współczynnka wodno-cementowego W/C (czynnk X ) oraz czasu dojrzewana próbek τ (czynnk X 3 ). Badane przeprowadzono zgodne z zasadam planowana eksperymentu. Według tych zasad został uzasadnony wybór zakresów zmennośc oraz pozomów czynnków, a także zastosowano ch unormowane. Każdy z czynnków rozpatrywano na trzech pozomach. Zakresy zmennośc oraz pozomy czynnków przedstawono w tabel 1. Przy wyborze zakresu zmennośc czynnka X 1 jako wartość maksymalną (+1) przyjęto trzykrotną zalecaną przez producenta lość domeszk z powodu zastosowana popołu lotnego.
Wpływ domeszk napowetrzającej na rozwój wytrzymałośc kompozytów cementowych... 143 Zakresy zmennośc rozpatrywanych czynnków X 1, X, X 3 Tabela 1 Czynnk zmenne Jednostka mary Pozom zmennośc 1 0 +1 Ilość domeszk napowetrzającej (d/c), X 1 0 0,0015 0,0030 Współczynnk wodno-cementowy (W/C), X 0,50 0,55 0,60 Czas dojrzewana (t), X 3 dn 8 90 180 Metody planowana eksperymentu zamast naturalnych wartośc czynnków loścowych stosują ch wartośc unormowane. Przejśce od wartośc naturalnych X do wartośc unormowanych X wykonuje sę według zależnośc (1): X X X = X max + X X max mn mn, (1) gdze: X, X max, X mn odpowedno beżące, maksymalne mnmalne wartośc naturalne -tego czynnka. Przy unormowanu wartośc czynnków uwzględnono, że jeden z nch, a manowce czynnk trzec, zmenał sę nerównomerne. W zwązku z tym unormowaną wartość tego czynnka (X 3 ) określono z zależnośc (), która pozwolła wykonać jego lnearyzację: X = 0,000033( X ) + 0,0 X 1,5348. () 3 3 3 Zgodne z () wartoścom naturalnym czynnka X 3 = 8, 90 180 odpowadały wartośc unormowane X 3 = 1, 0, +1. Przestrzeń czynnkową Y = f(x 1, X, X 3 ) opsano za pomocą funkcj w postac welomanu drugego stopna (3), której współczynnk należało oblczyć za pomocą metody najmnejszych kwadratów. Yˆ = a + ax + ax + ax + a XX + a XX + 0 1 1 3 3 1 1 13 1 3 + a X X + a X + a X + a X 3 3 11 1 33 3. (3) Wybór planu eksperymentu uwzględnał koneczność uzyskana adekwatnego opsu matematycznego rozpatrywanej funkcj celu możlwość skrócena lczby prób. Zastosowano plan kompozycyjny symetryczny trójpozomowy dla trzech zmennych zawerający N = 14 prób (tab. ). W każdej próbe przyjęto powtórne
144 M. Lelusz, W. Jezersk pomary wytrzymałośc na ścskane wykonane na sześcu próbkach badawczych. Lczba powtórzeń została uzasadnona na podstawe badań wstępnych. Lczba pomarów w eksperymence przy sześcokrotnych powtórzenach każdej próby wynosła 84. Przy realzacj planu eksperymentu przestrzegano zasad randomzacj kolejnośc badana prób [11]. 3. Metoda badań Badana laboratoryjne zostały przeprowadzone na próbkach stwardnałych zapraw cementowych o składze zgodnym z planem eksperymentu (tab. ). Próbk beleczk 40 40 160 mm były przygotowane badane zgodne z PN-EN 196 1:005. Do wykonana próbek stosowano cement portlandzk CEM I 4,5 N-HSR/NA. We wszystkch składach zapraw lość cementu była stała wynosła 450 kg/m 3. Jako domeszkę napowetrzającą zastosowano bezchlorkową domeszkę na baze żywc naturalnych o gęstośc 1,06 kg/dm 3 odczyne ph 1. Do wykonana próbek zastosowano pasek płukany o uzarnenu do mm oraz popół lotny uzyskany ze spalena węgla kamennego w elektrocepłown. Ilość popołu była stała wynosła 33% masy cementu. Popół lotny zawerał 0,5% wolnego CaO. Straty prażena montorowane przez 5 dn były mnejsze nż 4,8%. Gęstość właścwa popołu wynosła,3 kg/dm 3, natomast małkość 3%. 4. Wynk badań oraz ch analza Po przeprowadzenu wstępnej analzy wynków badana (tab. ) okazało se, że stneje rozrzut wartośc Y l w poszczególnych próbach oraz przy powtórnych pomarach. Tabela Plan oraz wynk eksperymentu do określena wytrzymałośc na ścskane Y l (f c, [MPa]) zapraw cementowych w zależnośc od czynnków X 1, X, X 3 Nr ser X 1 X X 3 Y S l 1. 1 1 1 44,1 5,. +1 1 1 4, 6,4 3. 1 +1 1 41,8 3,9 1. 0 +1 0 43,7 4,7 13. 0 0 1 47, 6,8 14. 0 0 +1 56,6 7,1
Wpływ domeszk napowetrzającej na rozwój wytrzymałośc kompozytów cementowych... 145 Jednorodność rzędu warancj poszczególnych prób S 1, S, S 3,, S 14 sprawdzano za pomocą testu statystycznego Cochrana, który przewduje porównane wartośc oblczenowej kryterum Cochrana G obl z wartoścą krytyczną G kr. Wartość oblczenową G obl określa sę według wzoru (4): G max = { S } obl 14 S = 1 Sprawdzene jednorodnośc ocen warancj powtórnych pomarów wykazało, że przy pozome stotnośc α = 0,05 oblczenowa wartość kryterum Cochrana G obl = 0,194 okazała sę mnejsza od wartośc krytycznej G kr 0,05;5;14 = 0,3 [11]. Można węc uważać, że warancje prób są jednorodne. W takm przypadku warancję generalną eksperymentu można oblczać jako średną wartość z warancj poszczególnych prób według wzoru (5): S 14 0 = S n = 1. (4) 1. (5) Ustalono, że przy lczbe stopn swobody ν = 70 wynosła ona 5,3. Przyjęto jednakową wartość warancj w całym obszarze przestrzen czynnkowej analzowanej funkcj celu. Na podstawe wynków eksperymentu przy wykorzystanu metody najmnejszych kwadratów opracowano model matematyczny (6), który po usunęcu współczynnków nestotnych (a 1 a 3 ) otrzymał postać: Yˆ = 5,31 3,07X 1,33X + 5,13X 1,38XX + + 1,1X 6,39X 3,59 X. 1 3 1 3 1 3 Do oceny stotnośc współczynnków równana regresj użyto testu z wykorzystanem kryterum t-studenta [11]. Przyjęto pozom stotnośc α = 0,05. Warancje współczynnków regresj S oblczono według wzoru (7): a a 0, (6) S = c S (7) gdze: c dagonalny element macerzy kowarancyjnej. Porównane oblczenowych wartośc t z wartoścą tabelaryczną t α,f umożlwło sprawdzene hpotezy o stotnośc statystycznej współczynnków regresj a. Wartość oblczenową kryterum t wyznaczano według wzoru (8): a t. = (8) S a
146 M. Lelusz, W. Jezersk Zgodne z kryterum t-studenta hpotezę o nestotnośc współczynnków a odrzuca sę z prawdopodobeństwem p = 1 α, jeśl wartość oblczenowa t jest wększa od odpowednej wartośc tabelarycznej t α,f. Adekwatność uzyskanego modelu matematycznego sprawdzono, stosując test wykorzystujący kryterum Fshera F [11]. Oblczenową wartość tego kryterum określono za pomocą wzoru (9): F obl 0 N ( ˆ ) m Y Y = 1 = S N k + ( ( 1 ) N gdze: ( Yˆ ) Y suma kwadratów odchyleń wartośc ( ) ˆ = 1 z modelu (6) oraz uzyskanych jako średne ( ) Y z pomarów w eksperymence; m lczba powtórnych pomarów w każdej próbe; N lczba prób w eksperymence; k + 1 lczba stotnych współczynnków w modelu (6)., Y oblczonych (9) Oblczenową wartość F obl uzyskanego modelu porównano z tabelaryczną wartoścą krytyczną F α, f1, f, dla której stopne swobody wynosły: f 1 = N (k + 1) = 14 8 = 4; f = N (m 1) = 14 (6 1) = 70. Sprawdzene wykazało, że F obl = 1,6035 oraz przy pozome stotnośc α = 0,05 wartość oblczenowa kryterum F jest mnejsza od wartośc krytycznej F 0,05; 4;70 =,51. Potwerdza to adekwatność efektywność otrzymanego równana regresj oraz jego przydatność dla dalszej analzy wpływu czynnków. 5. Interpretacja wynków badana Wpływ rozpatrywanych czynnków analzowano na podstawe równana regresj (6). Najwększy wpływ na wytrzymałość na ścskane zaprawy cementowej wykazał czynnk Х 3 czas dojrzewana. Określono dodatn lnowy ujemny kwadratowy efekt tego czynnka. Oznacza to, że ze wzrostem wartośc czynnka X 3 rośne wartość Y, jednakże wpływ ten ne jest równomerny w całym badanym zakrese zmany tego czynnka. Ustalono, że przy zmane Х 3 od 1 do 0 wytrzymałość Y wzrasta o 0%. Natomast przy zmane X 3 od 0 do +1 Y wzrasta już tylko neznaczne, tzn. o około 3,5%. Stwerdzono równeż ujemny efekt wspólnego oddzaływana czynnków Х 1 Х 3. Wynka z tego, że stopeń wpływu czasu
Wpływ domeszk napowetrzającej na rozwój wytrzymałośc kompozytów cementowych... 147 dojrzewana próbek na ch wytrzymałość zmnejsza sę przy zastosowanu wększej lośc domeszk napowetrzającej, poneważ wpływ lośc domeszk wydaje sę być co raz bardzej znaczący. Na drugm mejscu pod względem stopna wpływu na wartość Y znalazł sę czynnk X 1 lość domeszk napowetrzającej d/c. Stwerdzono ujemny lnowy newelk dodatn kwadratowy efekt tego czynnka. Wynka z tego, że ze wzrostem lośc domeszk X 1 od 1 do 0 wytrzymałość Y próbek maleje o około 7,6%, natomast przy zwększenu od 0 do +1 maleje o 3,3%. Wykryty wyżej efekt wspólnego oddzaływana czynnków Х 1 Х 3 w stosunku do czynnka X 1 śwadczy o tym, że stopeń wpływu lośc domeszk napowetrzającej na uzyskwaną wytrzymałość badanych próbek wzmacna sę wraz z ch wekem. Najmnejszy stopeń wpływu, z uwzględnenem przyjętego w badanu zakresu jego zmany (od 0,5 do 0,6), wykazał czynnk X współczynnk wodno-cementowy W/C. Zdentyfkowano ujemny efekt lnowy ujemny efekt kwadratowy czynnka Х, które oznaczają, że ze wzrostem wartośc W/C wytrzymałość Y zmena sę bardzo nerównomerne. Przy zmane W/C od 0,5 do 0,54 Y wzrasta o 10,9%, natomast przy dalszej zmane W/C do 0,60 Y spada o 16,5%. Stopeń wpływu tego czynnka jest bezpośredno zwązany z zakresem jego zmennośc. Przestrzeń czynnkową zbadano na występowane ekstremum. Okazało sę, że wytrzymałość na ścskane osąga maksymalną wartość 59,61 MPa przy następujących warunkach: X 1 = 1; X = 0,1; X 3 = +0,90; w odnesenu do wartośc naturalnych to znaczy: próbk bez domeszk napowetrzającej przy W/C = 0,54 oraz po 170 dnach dojrzewana. Mnmalną wartość wytrzymałośc na ścskane 35,8 MPa uzyskano przy X 1 = +0,7; X = +1; X 3 = 1; tj. przy zawartośc domeszk 0,006 w stosunku do masy cementu oraz przy W/C= 0,60 po 8 dnach dojrzewana próbek. Grafczną nterpretację wynków eksperymentu pokazano na rysunku 1. Analzowano zależność wytrzymałośc na ścskane (Y) od lośc domeszk napowetrzającej (X 1 ) czasu dojrzewana (X 3 ) dla różnych (X ) tzn. W/C = 0,50 (rys. 1a), W/C = 0,55 (rys. 1b) W/C = 0,60 (rys. 1c). Analzując rysunek 1a), można stwerdzć, że wraz ze wzrostem lośc domeszk napowetrzającej obnża sę wytrzymałość zapraw cementowych zawerających popół lotny. Zmana lośc środka napowetrzającego z d/c = 0 na d/c = 0,003 spowodowała średne obnżene wytrzymałośc o około 1%. Wpływ domeszk zaznacza sę wyraźnej przy dłuższym czase dojrzewana. Przy zawartośc domeszk d/c = 0,0015 wytrzymałość na ścskane próbek zaprawy o W/C = 0,5 wzrasta wraz z wydłużanem czasu dojrzewana o ponad 7%. Po 150 dnach osąga maksmum dalsze wydłużane czasu twardnena praktyczne ne ma wpływu na wzrost wytrzymałośc badanych zapraw.
148 M. Lelusz, W. Jezersk Rys. 1. Zależność wytrzymałośc na ścskane Y (f c, MPa) próbek zaprawy cementowej od lośc domeszk napowetrzającej X 1 czasu dojrzewana X 3 o współczynnku wodno-cementowym: (a) W/C = 0,50; (b) W/C = 0,55 (c) W/C = 0,60
Wpływ domeszk napowetrzającej na rozwój wytrzymałośc kompozytów cementowych... 149 Najwększe obnżene wytrzymałośc spowodowane obecnoścą środka napowetrzającego zaobserwowano przy zawartośc domeszk d/c = 0,006, natomast dalsze zwększane jego lośc ne mało już w zasadze wpływu na wytrzymałość próbek zaprawy. Wytrzymałość prawdopodobne dalej sę zwększa, jednak wzrost jest neznaczny w rozpatrywanym zakrese zmany tego czynnka meścł sę w grancach błędu pomaru. Analzując rysunek 1b), można zauważyć, że wytrzymałość na ścskane próbek zaprawy o W/C = 0,55 zmena sę podobne jak w przypadku próbek o W/C = 0,50. Oznacza to, że w zakrese zmany lośc domeszk d/c od 0 do 0,003 oraz przy τ = 90 dn wytrzymałość maleje o prawe 11%. Jednak próbk zaprawy zawerającej popół lotny o W/C = 0,55 osągały wytrzymałośc średno o 10,7% wyższe nż próbk o W/C = 0,50. Równeż w tym wypadku najwększy spadek wytrzymałośc spowodowany obecnoścą środka napowetrzającego zaobserwowano przy zawartośc domeszk d/c = 0,006. Wraz z wydłużanem czasu dojrzewana z 8 do 150 dn średna wytrzymałość próbek z domeszką w lośc d/c = 0,0015 wzrosła o 4%. Z rysunku 1c) wynka, że wytrzymałość na ścskane próbek zaprawy o W/C = 0,60 zmena sę podobne jak w przypadku próbek o W/C = 0,50 W/C = 0,55. Jednak średne wytrzymałośc okazały sę mnejsze odpowedno o 5,6% o 14,8% jest to potwerdzene wpływu W/C na wytrzymałość kompozytów cementowych. W tym wypadku równeż wraz z wydłużanem czasu dojrzewana z 8 do 150 dn średna wytrzymałość próbek z domeszką w lośc d/c = 0,0015 wzrastała. Wzrost ten był najwększy sęgał 9,4%. Natomast w zakrese zmany lośc domeszk d/c od 0 do 0,003 oraz przy τ = 90 dn wytrzymałość zmalała o 1,6%. Wymagana aktualnej normy PN-EN 934- dotyczące wytrzymałośc na ścskane przy stosowanu domeszek napowetrzających ogranczają sę do sprawdzena, czy zastosowane domeszk ne spowoduje zmnejszena wytrzymałośc betonu po 8 dnach dojrzewana o węcej nż 5% w stosunku do betonu kontrolnego. Z przedstawonych w artykule badań wynka, że zmnejszene wytrzymałośc zaprawy z powodu zastosowana domeszk napowetrzającej było bardzej znaczące w późnejszym nż 8 dn weku próbek ustablzowało sę po około 150 dnach dojrzewana. 6. Wnosk Uzyskane wynk badań oraz ch analza pozwalają na sformułowane następujących wnosków: wytrzymałość na ścskane próbek zaprawy cementowej zawerającej popół lotny w lośc 33% masy cementu przy dodawanu domeszk napowetrzającej w lośc od 0 do 0,006 w stosunku do masy cementu zmalała o około 1%, zaś przy zawartośc domeszk od 0,006 do 0,0030 wytrzymałość
150 M. Lelusz, W. Jezersk praktyczne sę ne zmenła; wpływ tego czynnka rósł wraz z wydłużanem czasu dojrzewana próbek; wydłużene czasu dojrzewana z 8 do 150 dn spowodowało stotny wzrost wytrzymałośc próbek z zaprawy o W/C = 0,6 o 9,4%; dalsze wydłużane czasu dojrzewana ne skutkowało już podwyższenem wytrzymałośc na ścskane; zwększene wartośc W/C z 0,5 do 0,54 doprowadzło do wzrostu uśrednonej wytrzymałośc próbek zaprawy o 10,9%, natomast dalsze podwyższane współczynnka W/C od 0,54 do 0,60 powodowało obnżene wytrzymałośc aż o 16,5%; w rozpatrywanym obszarze przestrzen czynnkowej wytrzymałość na ścskane próbek zaprawy cementowej zawerającej 33% m.c. popołu lotnego uzyskuje maksymalną wartość 59,6 MPa dla próbek o W/C = 0,54 bez domeszk napowetrzającej oraz po 170 dnach dojrzewana. Praca naukowa fnansowana ze środków MNSzW na naukę w latach 010-011. LITERATURA [1] Z. Rusn, Technologa betonów mrozoodpornych, Polsk Cement Sp. z o.o., Kraków, 00. [] A.M. Glnck, Właścwe patologczne napowetrzane betonu, Budownctwo-Technologe- -Archtektura,, 004, 37-40. [3] M. Lelusz, V. Ezersky, Knetyka narastana wytrzymałośc napowetrzonych zapraw cementowych z dodatkem popołu lotnego, Materały konferencyjne Dn Betonu 010, 43-51. [4] A.M. Nevlle, Właścwośc betonu, Polsk Cement Sp. z o.o., Kraków, 000. [5] Z. Gergczny, Rola popołów lotnych wapnowych krzemonkowych w kształtowanu właścwośc współczesnych spow budowlanych tworzyw cementowych, Wydawnctwo Poltechnk Krakowskej, Kraków, 006. [6] S. Bastan, Betony konstrukcyjne z popołem lotnym, Arkady, Warszawa, 1980. [7] P. Łukowsk, Domeszk do zapraw betonów, Polsk Cement Sp. z o.o., Kraków, 003. [8] J. Gołaszewsk, J. Szwabowsk, Korygowane wpływu domeszek napowetrzających na urabalność wytrzymałość na ścskane betonów wysokowartoścowych, Materały konferencyjne Dn Betonu 004. [9] M. Lelusz, V. Ezersky, Ocena wpływu zawartośc popołu lotnego na wytrzymałość zapraw cementowych, Przegląd Budowlany, 11, 010, 35-38. [10] M. Lelusz, V. Ezersky, Zapewnene mrozoodpornośc a wytrzymałość kompozytów cementowych zawerających popół lotny, Materały konferencjne XXVI Mędzynarodowa Konferencja Naukowo-Technczna EKOMILITARIS 01 nt. Inżynera bezpeczeństwa ochrona przed skutkam nadzwyczajnych zagrożeń, Wojskowa Akadema Technczna, 378-385. [11] M. Korzyńsk, Metodyka eksperymentu. Planowane, realzacja statystyczne opracowane wynków eksperymentów technologcznych, WNT, Warszawa, 006.
Wpływ domeszk napowetrzającej na rozwój wytrzymałośc kompozytów cementowych... 151 M. LELUSZ, W. JEZIERSKI Influence of ar-entranng admxture on strength development of cement compostes contanng fly ash addton Abstract. The results of laboratory nvestgaton concernng the nfluence of the ar-entranng admxture content d/c, the W/C rato, and the tme of curng on the compressve strength f c of cement mortars samples are presented n the paper. On the bass of the results, a mathematcal model was elaborated. The character and the nfluence grade of each factor were analyzed. It was determned that wth ncrease n the content of ar-entranng admxture, the compressve strength of cement mortars contanng fly ash decreases. However, there s a lmtng dosage of the admxture above whch the ncrease n ts content does not cause the decrease n the strength. Keywords: cvl engneerng, cement compostes, ar-entranng admxture, fly ash, mathematcal model