Samozagęszczony beton (SCC). Analiza wpływu wybranych domieszek na charakterystykę porowatości, MOSTY
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu domieszek SP, AEA, AFA, VMA na wytrzymałość na ściskanie i charakterystykę porowatości wg PN-EN 480-11 stwardniałego betonu samoza- gęszczonego. Wykonano także badania współ- czynnika trwało- ści DF wg CEN/ TR 15177 – beam test . Rezultaty badań wykazały, że wymienione domieszki zna- cząco wpływają na wspomniane rezultaty badań. beton (SCC) Analiza wpływu wybranych domieszek na charakterystykę porowatości, wytrzymałość na ściskanie oraz współczynnik trwałości DF dr inż. Beata Łaźniewska-Piekarczyk Politechnika Śląska powstanie nadmiernej zawartości powietrza w sa- mozagęszczalnej mieszance (16), pomimo tego, że za- wierają już w swym składzie domieszkę zmniejszającą zawartość powietrza (AFA). Na skutek znacznej płynności mieszanki betonowej pęcherzyki powietrza znajdujące się w jej objętości ulegają niekontrolowanym zachowaniom, np. koalescencji, zanikaniu czy też wypływaniu pod wpły- wem siły wyporu (5-7). Domieszki zmniejszające zawar- tość powietrza skutecznie obniżają nadmierną zawartość powietrza (10), lecz ich dodanie w pewnych przypadkach może powodować segregację samozagęszczalnej mieszan- ki. Wtedy stosuje się domieszki stabilizujące lepkość (VMA). W przypadku celowo napowietrzonego betonu samo- zagęszczonego (SCC) problem doboru odpowiedniej domieszki jest także złożony. Zawartość powietrza w stwardniałym betonie, będąca efektem działania superplastyfi katora nadmiernie zwiększającego zawartość powietrza, może wynosić aż 8% i więcej (16). Niemniej jednak tak powstałe pory powietrzne charakteryzują się zbyt dużymi rozmiarami (przeważnie ok. 1 mm), żeby były korzystne z uwagi na mrozoodporność betonu, i przyczyniają się tylko do obniżenia jego wytrzymałości oraz zwiększenia nasiąkliwości (16). Alternatywą jest stoso- wanie SP niezwiększających zawartości powietrza i dodanie AEA. W pewnych przypadkach wprowadzenie AEA może spowodować nadmierne upłynnienie mieszanki, gdyż AEA jest środkiem powierzchniowo czynnym. W takiej sytuacji należy stosować kolejną domieszkę, czyli VMA. Stosowanie AFA i VMA, zależnie od rodzaju SP, może 56 Samozagęszczony N iektóre rodzaje superplastyfi katorów (SP) powodują mosty diagnostyka CEM 32,5 B-S Mączka wapienna w/c w/s Piasek Żwir 0-8 mm V zaczynu 442,40 190,00 0,45 0,31 693,20 866,49 41,10 % Tab. 1. Skład SCC Rodzaj domieszek Badany efekt wpływu domieszek SP1 „napowietrzający” SCC napowietrzony (nie celowo), w wyniku działania SP1 SP1 + AFA eliminacja napowietrzenia powstałego w wyniku działania SP1 SP2 „nienapowietrzający” SP1 + AFA + VMA przeciwdziałanie segregacji powstałej w wyniku działania SP1 + AFA SCC nienapowietrzony SP2 + VMA przeciwdziałanie segregacji powstałej w wyniku działania SP2 SP2 + AEA celowo napowietrzony SCC SP2 + AEA + VMA przeciwdziałanie segregacji powstałej w wyniku działania SP2 + AEA Tab. 2. Rodzaj domieszek zastosowanych w SCC Główne bazy chemiczne domieszek: SP1; SP2 – eter polikarboksylowy; VMA – syntetyczne kopolimery; AFA – polialkohole; AEA – tensydy syntetyczne. Symbol A [%] L [mm] α [mm-1 ] A 300 [%] f cm [MPa] B1 4,47 0,29 20,83 1,55 61,7 B1A 2,10 0,58 15,04 0,25 61,7 B1AV 2,56 0,43 18,34 0,42 57,5 B2 1,86 0,84 10,88 0,22 74,6 B2V 3,14 0,99 7,16 0,16 73,1 B2A 3,80 0,33 20,21 1,39 55,9 B2AV 3,72 0,32 20,71 1,54 65,1 Tab. 3. Charakterystyka porów powietrznych i wytrzymałość na ściskanie SCC powodować istotne zmiany założonych właściwości mie- szanki oraz napowietrzonego i nienapowietrzonego SCC. Celem prezentowanych badań było określenie wpływu wymienionych układów domieszek (tab. 2) na wytrzyma- łość i charakterystykę porowatości (według PN-EN 480-11) oraz mikrostrukturę stwardniałego SCC. Materiały i metody stosowane w badaniach Do projektowania i wykonania mieszanek betonowych (tab. 1) zastosowano: cement CEM II B-S 32,5 R z cemen- towni Górażdże, mączkę wapienną, kruszywo żwirowe frakcji 2/8 mm, piasek frakcji 0/2 mm. Kruszywo i piasek były suszone w suszarce przez dobę, a przed badaniami – wystudzone. W badaniach zastosowano następujące domieszki: SP1 (powodujący powstawanie nadmiernej zawartości powietrza), SP2 (niepowodujący powstawania nadmiernej zawartości powietrza), AFA i VMA (wybrane jako najbardziej efektywne na podstawie wcześniejszych badań) oraz AEA (tab. 2). Projektowanie mieszanki betonowej przeprowadzono metodą doświadczalną. Celem doboru udziału domieszek (tab. 2) w SCC było zapewnienie zbliżonego rozpływu mieszanki (mieszczącego się w klasie SF2, gdyż decyduje on o efekcie jej samozagęszczenia (16). W ramach badań betonu wykonano badanie wytrzy- małości na ściskanie według PN-EN 12350-3:2001 oraz oznaczenie charakterystyki porowatości SCC według PN-EN 480-11. Wykonano także badania współczynnika trwałości DF wg CEN/TR 15177 – beam test . Metoda po- lega na określeniu względnego dynamicznego modułu sprężystości próbki betonowej (400 x 100 x 100 mm) po danych cyklach zamrażania i odmrażania. Czas przejścia fali ultradźwiękowej mierzy się w punk- tach umieszczonych na powierzchniach czołowych próbek pokazanych na rys. 1. Stosowano urządzenie do pomiaru czasu przejścia przez porowate materiały budowlane podłużnej fali ultradźwiękowej zgodne z wymaganiami normy PN-EN 12504-4 Badania beto- nu – Część 4: Oznaczanie prędkości fali ultradźwiękowej . Głowice ultradźwiękowe generowały i odbierały impuls ultradźwiękowy o częstotliwości od 50 kHz do 150 kHz. Stopień degradacji struktury wewnętrznej betonu powinien zostać wyrażony w procentach jako względ- ny dynamiczny moduł sprężystości podłużnej betonu Rys. 1. Lokalizacja miejsc przyłożenia głowic ultradźwiękowych ݐ ଶ ݈ ଶ ߩܥ [1] gdzie t jest czasem przejścia impulsu ultradźwiękowego [μs], l jest długością próbki (mm), ρ to gęstość ośrodka [kg/m 3 ], natomiast C jest współczynnikiem korekcyjnym zależnym od liczby Poissona. Według CEN/TR 15177:2006 stopień degradacji we- wnętrznej struktury betonu pod wpływem cyklicznego zamrażania i odmrażania wyraża się jako względny dynamiczny moduł sprężystości podłużnej ( relative dynamic modulus of elasticity – RDM), dlatego wielkości l , ρ i C mogą zostać pominięte, a wartość względnego dynamicznego modułu sprężystości podłużnej można w przypadku stosowania metody pomiaru czasu przejścia impulsu ultradźwiękowego ( ultrasonic pulse transit time – UPTT ) wyznaczyć w procentach ze wzoru: ܴܦܯ ்்ǡ ൌቆ ݐ ௌ ǡ ை ଶ ݐ ௌǡ ቇ ȉͳͲͲΨ [2] w którym RDM UPTT,n jest względnym dynamicznym modułem sprężystości podłużnej betonu po n cyklach zamrażania i odmrażania, t S,0 to początkowy czas przejścia impulsu ultradźwiękowego (μs), natomiast t S,n jest czasem propagacji impulsu ultradźwiękowego po n cyklach zamrażania i odmrażania (μs). Aż dwie amerykańskie metody określania mrozoodpor- ności ASTM C 666 A lub B (1) polegają na wyznaczeniu wartości współczynnika trwałości DF ( Durability Factor ) 57 RDM po n cyklach zamrażania i odmrażania dla każdej z badanych próbek betonu. W raporcie technicznym CEN/TR 15177:2006 podano wzór na wartość dynamicznego modułu sprężystości podłużnej w postaci: ܧ ௗ௬ ൌ ͳ DF = 300/PN Umownie uznaje się, że mrozoodporny jest taki beton, dla którego stwierdzono DF > 80, oraz że beton jest niemro- zoodporny, gdy DF < 60. W analizowanym przypadku autorka przeprowadzała pomiary współczynnika DF aż do momentu, gdy wartość DF badanego SCC obniży się do 60%. Wyniki badań i ich analiza W tab. 3 zestawiono rezultaty badań charakterystyki po- rowatości SCC według PN-EN 480-11 oraz wytrzymałości na ściskanie. Rezultaty badań zestawione w tab. 3 dowodzą, że wpływ rodzaju domieszki na wielkości parametrów porowatości SCC i wytrzymałość jest istotny. Na skutek oddziaływania analizowanych domieszek ulegają zmianie wielkości porów oraz ich całkowity udział. Wpływ rodzaju SP na wytrzymałość SCC jest znaczący. Zawartość powietrza wynosząca 4,47%, która powstała na skutek działania SP1, spowodowała obniżenie wytrzy- małości SCC o 13 MPa w stosunku do SCC wykonanego z SP2 o zawartości powietrza wynoszącej 1,86%. Ponad- to istnieją bardzo duże różnice pomiędzy pozostałymi parametrami porowatości SCC (tab. 3). Wskaźnik rozstawu porów, odpowiadający betonowi wykonanemu z SP2, jest prawie trzykrotnie większy od wskaźnika rozstawu porów betonu wykonanego z SP1. Powierzchnia właściwa porów „napowietrzonego” betonu jest prawie dwukrotnie większa. Zawartość porów A 300 w obu betonach różni się siedmiokrotnie. Dodanie AFA do mieszanki z SP nadmiernie zwiększają- cym zawartość powietrza nie powoduje istotnej zmiany wytrzymałości SCC, mimo prawie dwukrotnej różnicy między całkowitą zawartością powietrza w SCC. Z punktu widzenia mrozoodporności SCC pozostałe parametry ule- gły niekorzystnym zmianom w wyniku zastosowania AFA. Wyniki badań (10) świadczą jednak, że SCC wykonany z udziałem AFA jest bardziej mrozoodporny niż SCC wyko- nany wyłącznie z SP o „nienapowietrzającym” wpływie. Wprowadzenie VMA do mieszanki z SP i AFA nie powo- duje znaczącej zmiany wytrzymałości na ściskanie SCC. Wytrzymałość SCC uległa nieznacznemu pogorszeniu. Wpływ VMA na charakterystykę porowatości SCC w sto- sunku do SCC z SP i AFA jest mało znaczący, za wyjątkiem zawartości porów A 300 (tab. 3). Dodanie VMA do mieszanki z SP niezwiększającym za- wartości powietrza jest nieistotne ze względu na wytrzy- małość SCC. Wyniki badań (4, 8, 9, 11) dowodzą, że VMA powoduje wzrost lub nie powoduje zmiany wytrzyma- łości betonu. Rezultaty badań (13) dowodzą, że wpływ VMA na rozwój wytrzymałości samozagęszczonych zapraw zależy nie tylko od jej rodzaju, ale także od ro- dzaju SP. Natomiast rezultaty badań (2, 3, 14) sugerują negatywny wpływ VMA. Wyniki badań zestawione w tab. 3 świadczą, że zastosowanie VMA powoduje pomijalne statystycznie obniżenie wytrzymałości SCC w stosunku do SCC wykonanego z SP, który nie wywołuje występo- wania nadmiernej zawartości powietrza (por. B2 i B2V). Stosowanie VMA z SP niezwiększającym znacząco zawartości powietrza wpływa na zmianę charakterystyki porowatości SCC. Całkowita zawartość powietrza jest o 1,28% wyższa w wyniku zastosowania VMA. Ponadto wartości pozostałych parametrów struktury porowatości 58 betonu. Próbki poddawane są cyklicznemu zamrażaniu według jednego z dwóch możliwych sposobów: w wo- dzie według tzw. metody A lub w powietrzu według me- tody B, z następującym rozmrażaniem w wodzie. Po 300 cyklach zamrażania i odmrażania określana jest względna wartość dynamicznego modułu sprężystości P próbki, chyba że wcześniej – po n cyklach – obniży się ona do 60% wartości początkowej. Współczynnik DF wyznacza się ze wzoru: [3] mosty diagnostyka Rys. 2 Rys. 3 Rys. 4 Rys. 5 Rys. 2. Zależność pomiędzy wskaźnikiem rozstawu porów i współczynnikiem trwałości DF (4) Rys. 3. Zależność pomiędzy zawartością powietrza i wytrzymałością na ściskanie SCC Rys. 4. Wyniki badań współczynnika trwałości SCC po 300 cyklach zamrażania i odmrażania Rys. 5. Związek pomiędzy wskaźnikiem rozstawu porów a współczynnikiem trwałości SCC są nieznacznie różne, co jednak nie powoduje znaczącej zmiany wytrzymałości SCC. Stosowanie AEA w przypadku mieszanki z SP nie- zwiększającym nadmiernie zawartości powietrza powoduje znaczące zmiany wytrzymałości na ściska- nie, co nie jest zaskakujące. Napowietrzenie powoduje obniżenie jego wytrzymałości o 20 MPa, przy różnicy całkowitej zawartości powietrza względem nienapo- wietrzonego SCC wynoszącej 1,94%. Nie bez zna- czenia ze względu na tę różnicę wytrzymałości obu betonów są pozostałe charakterystyki napowietrzenia zestawione w tab. 3. Powierzchnia właściwa porów betonu napowietrzonego jest niemal dwukrotnie większa od powierzchni właściwej porów betonu nie- napowietrzonego. Wskaźnik rozstawu porów betonu napowietrzonego jest prawie trzykrotnie mniejszy niż betonu nienapowietrzonego. Zawartość porów A 300 jest ponadsześciokrotnie większa. Dodanie VMA do mieszanki z SP i AEA powoduje istotne zmiany wytrzymałości SCC. Wpływ domieszki stabilizują- cej lepkość na wytrzymałość napowietrzonego uprzednio betonu jest korzystny. Zastosowanie VMA spowodowało wzrost wytrzymałości SCC o niemal 10 MPa. VMA nie spowodowało znaczącej zmiany wartości parametrów porowatości napowietrzonego uprzednio SCC. Nie mniej jednak w przypadku zawartości porów A 300 domieszka VMA spowodowała nieznaczny, korzystny wzrost ich zawartości. Istotny wpływ na charakterystykę napowietrzenia SCC potwierdziły badania charakterystyki napowietrzenia według PN-EN 480-11. Zróżnicowany wpływ domieszek na porowatość betonu w aspekcie jego trwałości był stwierdzony w badaniach (4). Wyniki badań zaprezen- towane na rys. 2 świadczą, że VMA korzystnie wpływa na wartość tego współczynnika w odniesieniu do wskaź- nika rozstawu porów. Niestety nie stwierdzono korelacji pomiędzy zawartością porów powietrznych (A) w SCC, a jego wytrzymałością (rys. 3). Wzory Powersa i inne uproszczenia przyjęte w nor- mie PN EN 480-11 były zweryfi kowane empirycznie tylko dla betonów napowietrzonych, zatem nie wiadomo, do- kąd doprowadzą przy małej powierzchni właściwej porów czy małej zawartości porów. Dlatego wykresy wytrzyma- łości w funkcji zawartości porów powietrznych, przy takiej rozmaitości domieszek, są zbytnim uproszczeniem. Proszę pamiętać, że metoda badawcza nie obejmuje pustek powietrznych mniejszych niż 5 mikrometrów, zatem nie obejmuje przeważającej części porów w betonie. Przypuszczam, że zróżnicowanie warstw kontaktowych, mikrozarysowania czy mikroporowatość matrycy będą co najmniej tak samo istotnymi czynnikami wpływającymi na wytrzymałość. Na rys. 4 zestawiono wyniki badań współczynnika trwałości DF betonów, w przypadku których przeprowa- dzono 300 cykli zamrażania i odmrażania. Wyniki badań wykazały, że zasadniczy wpływ na wartość współczynnika DF ma przede wszystkim rodzaj SP. W przypadku zasto- sowania SP bez „napowietrzającego” efektu ubocznego SCC jest mrozoodporny tylko do 250 cykli. SCC wykonany z „nienapowietrzającego” SP po 300 cyklach zamrażania i odmrażania uległ zarysowaniom, co przeniosło się na obniżenie się współczynnika trwałości DF do 60%. Na rys. 5 przedstawiono zależność między rozstawem porów L, a współczynnikiem trwałości DF . Uzyskane wyniki badań sugerują, że SCC jest mrozoodporny przy stosunkowo dużych wartościach wskaźnika rozstawu porów. Co ciekawe, jak sugerują to wyniki badań zapre- zentowane na rys. 4 i 5, zastosowanie VMA „polepszyło” mrozoodporność SCC weryfi kowaną za pośrednictwem pomiaru współczynnika trwałości DF , jednak wymaga to jeszcze dalszych weryfi kacji, aby z pewnością móc potwierdzić ten zaskakujący wpływ VMA. 59 60 Podsumowanie W zakresie przeprowadzonych przez autorów badań stwierdzono, że wpływ rodzaju SP jest zasadniczy ze względu na zawartość powietrza w SCC. Objętość porów jest dwukrotnie większa w przypadku SCC z SP o działaniu „napowietrzającym”. Ponadto pory będące efektem działania „napowietrzającego” SP charakteryzują się dużymi rozmiarami, niemal dwukrotnie większymi niż w przypadku SCC wykonanego z udziałem „nienapowie- trzającego” SP. Wpływ AFA jest znaczący ze względu na właściwości SCC. Dodanie AFA do mieszanki z SP powodującym nadmierną zawartość powietrza w jej objętości pozwala na znaczne zredukowanie jego ilości. Zastosowanie AFA nie powo- duje zmiany wytrzymałości SCC, mimo prawie dwukrot- nej różnicy pomiędzy całkowitą zawartością powietrza w SCC. Z punktu widzenia mrozoodporności pozostałe parametry SCC uległy niekorzystnym zmianom w wyniku zastosowania AFA. Dodanie VMA do mieszanki z AFA i SP nie powoduje znaczących zmian właściwości mieszanki. VMA nie powoduje znacznego zwiększenia zawartości powietrza w mieszance, oczywiście przy zachowaniu zbliżonego jej rozpływu. Ponadto zastosowanie VMA nie powoduje zmiany napowietrzenia obniżonego uprzednio w wyniku działania AEA. Wytrzymałość SCC także nie ulega znaczą- cym zmianom. Wpływ VMA na charakterystykę porowato- ści SCC w stosunku do SCC z SP i AFA jest mało znaczący, za wyjątkiem zawartości porów A 300 . Wpływ VMA na właściwości mieszanki z SP niezwiększają- cym ilości powietrza jest znaczący. Sprzeczność wyników badań cytowanych w literaturze jest spowodowana zróżnicowaniem stosowanych VMA. Wyniki przeprowa- dzonych przez autorów badań dowodzą, że zastosowanie VMA powoduje pomijalne statystycznie obniżenie wy- trzymałości SCC. Nie mniej jednak VMA znacząco wpływa na zmianę charakterystyki porowatości SCC z SP niezwięk- szającym zawartości powietrza. Dodanie AEA do mieszanki z SP niezwiększającym nad- miernie ilości powietrza spowodowało istotne zmiany. Rozpływ SCC został zredukowany z powodu napowie- trzenia mieszanki, które także spowodowało obniżenie jego wytrzymałości SCC o 20 MPa. Parametry porowatości celowo napowietrzonego i nienapowietrzonego SCC są znacznie zróżnicowane. Stosowanie VMA powoduje istotne zmiany SCC z SP i AEA. VMA nie obniża ilości celowego napowietrzenia. Dodanie VMA powoduje nieznaczny wzrost wytrzymałości celowo napowietrzonego SCC. Nie mniej jednak, VMA nie powo- duje istotnej zmiany parametrów porowatości napowie- trzonego SCC. Wyniki badań wykazały, że zasadniczy wpływ na wartość współczynnika DF ma przede wszystkim rodzaj SP. Zasto- sowany superplastyfi kator z ubocznym efektem napowie- trzającym gwarantuje SCC wysoką mrozoodporność. Wyniki badań dowodzą, że SCC jest mrozoodporny przy stosunko- wo dużych wartościach wskaźnika rozstawu porów L. Piśmiennictwo 1. ASTM C 666: Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing . Annual Book of ASTM Stan- dards, 1991. 2. Fu X., Chung D.D.L.: Eff ect of methylcellulose on the mechanical properties of cement . „Cement and Concrete Research”, Vol. 26, No. 4, 1996, s. 535-538. 3. GołaszewskiJ.: Infl uence of viscosity enhancing agent on rhe- ology and compressive strength of superplasticized mortars . „Journal of Civil Engineering and Management Internation- al Research and Achievements”, Vilnius: Technika, Vol. 15, No 2, June 2009, s. 181-188. 4. KhayatK.H.: Viscosity-Enhancing Admixture for Cement . Based Materials: An Overview, „Cement and Concrete Composites” 20, 1998, s.171-188. 5. Khayat K.H.: Assaad J.: Air-Void Stability in Self–Consolidating Concrete . ACI Materials Journal, V. 99, No. 4, July-August, 2002, s. 408-416. 6. KhayatK.H.: Optimization and performance of the air-en- trained, self-consolidating concrete . ACI Materials Journal, Vol. 97, 2000, No. 5, s. 526-535. 7. Kobayashi M., Nakakuro E., Kodama K., Negami S.: Frost resi- stance of superplasticized concrete . ACI SP-68, 1981, s. 269-282. 8. Lachemia M., Hossaina K.M.A., Lambrosa V., Nkinamuban- zib P., Bouzoubaa N.: Self-consolidating concrete incorporating new viscosity modifying admixtures . „Cement and Concrete Research” 34 (2004), s. 917-926. 9. Leemann A., Winnfi eld F.: The eff ect of viscosity modifying agents on mortar and concrete . „Cement & Concrete Compo- sites” 29 (2007), s. 341-349. 10. Łaźniewska-Piekarczyk B.: Wpływ domieszki przeciwpieniącej na właściwości mieszanki oraz samozagęszczajacego się beto- nu . „Cement-Wapno-Beton”, 3/2010, s. 164-168. 11. Rols S., Ambroise J., Péra J .: Eff ects of diff erent viscosity agents on the properties of self-leveling concrete . „Cement and Con- crete Research”, 29 (1999), s. 261-266. 12. Rudnicki T.: Naturalne i syntetyczne domieszki uplastyczniające oraz mechanizmy ich oddziaływania w mieszance betonowej . „Magazyn Autostrady”, nr 4/2004, str. 22-25. 13. Şahmaran M., Christianto H.A., Yaman İ Ö.: Eff ect of chemical and mineral admixtures on the fresh properties of self compact- ing mortars . „ Cement and Concrete Composites”, Volume 28, Issue 5, May 2006, s. 432-440. 14. Saric-Coric M., Khayat K.H.A., Tagnit-Hamou A.: Performance characteristics of cement grouts made with various combina- tions of high-range water reducer and cellulose-based viscosity modifi er . „Cement and Concrete Research”, 33 (2003), s. 1999- 2008. 15. Szwabowski J., Łaźniewska-Piekarczyk B.: Wymogi wzglę- dem parametrów struktury porowatości mrozoodpornego samozagęszczonego betonu (SCC) . „Cement-Wapno-Beton”, nr 3, 2008, s. 156-165. 16. Szwabowski J., Łaźniewska-Piekarczyk B.: Zwiększenie napo- wietrzenia mieszanki pod wpływem działania superplastyfi ka- torów karboksylowych . „Cement-Wapno-Beton”, nr 4, 2008, s. 205-215. [ Pobierz całość w formacie PDF ] |