BETONÓW KONSTRUKCYJNYCH NA KRUSZYWACH Z RECYKLINGU
3. OGÓLNY ZAKRES BADAŃ 1. Badania doraźne
Wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie (przez rozłupywanie) badano po 1, 3, 7, 14, 28, 56 i 90 dniach na próbkach walcowych 150300mm. Moduły sprężystości i współczynniki Poissona, jak również relacje c-c badano na próbkach walcowych 150300mm po 28 dniach i 90 dniach. Badano również wytrzymałość na ściskanie i przyczepność metodą pull-out na próbkach sześciennych 150150150mm po 28 dniach. Próbki sześcienne stosowano także w badaniach nasiąkliwości, wodoprzepuszczalności i mrozoodporności (150 cykli). Większość badań doraźnych była prezentowana wcześniej [2], a niektóre z nich były powtórzone, jako towarzyszące przy obecnie prezentowanych badaniach. Te same składy betonów stosowano do wykonania próbek w badaniach długotrwałych.
3.2. Badania długotrwałe
Rys. 2. Długotrwałe badania skurczu
Rys. 1. Widok stanowisk do badań pełzania pod kontrolowanym stałym obciążeniem na próbkach 100×100×500mm
Rys. 3. Badania wczesnego skurczu
Długotrwały skurcz i pełzanie betonu dla 3 serii (9 mieszanek) podanych w (tab. 2), badano każdorazowo na sześciu próbkach 100×100×500 mm dla każdego betonu, w okresie ponad jednego roku. Długotrwałe obciążenie w badaniach pełzania było realizowane w pełzarkach sprężynowych (rys.1) w wieku 40 do 56 dni (wówczas stwierdzano ponad 80% końcowego skurczu przy RH≈70%). Do czasu obciążenia próbki były przechowywane w pomieszczeniu klimatyzowanym, w temperaturze 18±1oC i RH≈70%. Intensywność długotrwałego obciążenia przyjęto jako około 30% nominalnej wytrzymałości na ściskanie, uzyskanej z badanych w dniu obciążania sześciu próbek 150×300mm dla każdego betonu. Siły kontrolowano siłownikami, a odkształcenia pełzania mierzono czujnikami zegarowymi. Badania skurczu rozpoczęto bezpośrednio po rozformowaniu próbek (po 24 godzinach). Ze względów technicznych,
w początkowym okresie, odkształcenia od skurczu mierzono aparatem Amslera, a następnie czujnikami zegarowymi 0,001mm (rys. 2).
Oddzielnie, dla wszystkich betonów, badano wczesny skurcz od chwili zabetonowania, oprzyrządowania form i podłączenia do aparatury (około 20 min) do około 200 godzin. Do badań wczesnego skurczu zaprojektowano dwa rodzaje specjalnie skonstruowanych form (patrz rys.3):
do badań skurczu w warstwach przypowierzchniowych betonu wykonano formy o wymiarach 2080200mm,
w celu umożliwienia nawiązania wyników badań skurczu wczesnego i długotrwałego zmodyfikowano 3 tradycyjne formy stalowe do beleczek o wymiarach 100100500mm.
Obydwa rodzaje form umożliwiały przesuw twardniejącej mieszanki betonowej. Pomiaru odkształceń próbek dokonywano czujnikami indukcyjnymi (rys. 3). W całym okresie badania mierzono również temperaturę wewnątrz próbek. Badania przeprowadzano kolejno dla poszczególnych mieszanek, przy zachowaniu stałej wilgotności RH≈70% i temperatury otoczenia 18±1oC.
4. WYNIKI BADAŃ
Wybrane wyniki badań doraźnych i długotrwałych zestawiono w (tab. 3). Podstawowe właściwości betonów podano w kolumnach 2 do 6. Są to kolejno: wytrzymałości walcowe na ściskanie fcm, wytrzymałości na rozciąganie (przez rozłupywanie) fctm, moduły sprężystości Ecm, współczynniki Poissona cm, gęstości stwardniałego betonu cm.
W kolumnach 7, 8 (tab. 3) przedstawiono główne wartości skurczu betonu: c,s(t0) pomierzone w czasie t0, tj. w dniu obciążania próbek do badań pełzania oraz c,s(t1) pomierzone w czasie t1, tj. w dniu odciążania próbek po badaniach pełzania. W kolumnach 9, 10, 11 (tab. 3) podano łączne wartości odkształceń skurczu i pełzania: c,c+s(t0) - początkowe odkształcenia w czasie t0, c,c+s(t1) - odkształcenia bezpośrednio przed odciążeniem, czyli w czasie t1, oraz
c,c+s(t2) odkształcenia bezpośrednio po odciążeniu. W kolumnie 12 zamieszczono współczynniki pełzania φ360, a w kolumnach 13, 14 podano wartości masy utraconej wody przez beton: ∆g(t0) do czasu obciążenia i ∆g(t1) do czasu odciążenia (t1 ≈ t0 + 360 dni). Na (rys. 4) dla 3 badanych serii betonów przedstawiono porównanie wykresów zależności c - c z badań wybranych próbek
150300mm.
Niektóre wyniki uzyskane z badań próbek były potwierdzone w badaniach prostych belek i słupów. Wyniki opublikowano stosunkowo niedawno w [3] i [4].
Tablica 3. Właściwości betonów i wyniki badań długotrwałych (360 dni)
Wyniki badań długotrwałych Właściwości betonu
Skurcz Pełzanie Utrata wody
fcm fctm Ecm cm cm c,s (t0) c,s
Właściwości doraźne i reologiczne betonów konstrukcyjnych na kruszywach… 177
Rys. 5. Odkształcenia skurczowe (c,s) mierzone na próbkach 100100500mm
Rys. 6. Odkształcenia wczesnego skurczu betonu (c,s)
Rys.7. Odkształcenia wczesnego skurczu betonu (c,s) pomierzone na próbkach 100100500mm
Wyniki badań wczesnego skurczu betonów w postaci porównawczych wykresów odkształceń skurczowych (c,s) przedstawiono na (rys. 6) i (rys. 7). W celu ułatwienia analizy porównawczej wyników badań wczesnego skurczu w (tab. 4) zestawiono, dla wszystkich badanych betonów, maksymalne wartości odkształceń wczesnego skurczu (c,s) (średnie z wyników pomiarów z 6 lub 3 próbek), a także wartości skurczu po 24 godzinach, kiedy to rozpoczynano pomiary skurczu długotrwałego w badaniach podstawowych (rys. 5).
W początkowym okresie badań odkształceń betonów zwykłych (na kruszywach otoczkowych i granitowych) zarejestrowano w małych próbkach 2080200mm niewielkie odkształcenia, wskazujące na pęcznienie betonów. Po około 30 minutach rozpoczął się wyraźny przyrost odkształceń od wczesnego skurczu, który po około 7÷9 godzinach osiągał w betonach zwykłych wartości maksymalne (pierwsza faza). Następnie zaobserwowano stopniowy spadek
Właściwości doraźne i reologiczne betonów konstrukcyjnych na kruszywach… 179
Tablica 4. Porównanie wyników badań odkształceń wczesnego skurczu betonów (c,s) w [‰]
Symbol betonu Rodzaj próbki
ONN ORN ORR GNN GRN GRR BNN BRN BRR
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
maksymalne wartości odkształceń od skurcz betonu (c,s) w [‰]
2080200mm 0,41 0,38 0,47 0,65 0,73 0,95 0,96 1,06 1,19 Po czasie [godz] 9,0 8,6 9,0 8,1 7,3 7,8 16,2 13,1 17,0 100100500mm 0,17 0,23 0,27 0,33 0,39 0,67 0,89 0,97 1,02 Po czasie [godz] 9,8 7,7 9,4 9,8 9,0 9,0 17,4 15,8 19,0
wartości odkształceń wczesnego skurcz betonu (c,s) w 24 godz. pomiarów w [‰]
2080200mm 0,30 0,30 0,36 0,64 0,72 0,94 0,99 1,09 1,23 100100500mm 0,15 0,20 0,27 0,35 0,42 0,67 0,90 1,01 1,03 odkształceń (faza druga), a po 24÷30 godzinach stwierdzono ponownie wzrost odkształceń - skurcz od wysychania (faza trzecia). W betonach wysokowartościowych zaobserwowano nieco inny przebieg odkształceń. W początkowej fazie badań nie stwierdzono pęcznienia betonu, ale silny przyrost odkształceń od skurczu (faza pierwsza). Faza druga, czyli spadek odkształceń, był zaledwie zasygnalizowany, a wykresy odkształceń po krótkiej stabilizacji przeszły w fazę trzecią. Dalszy przyrost odkształceń od skurczu w betonach wysokowartościowych był wyraźnie wolniejszy niż w betonach zwykłych. W poszczególnych betonach w ramach badanych serii (O, G, B) stwierdzono podobny przebieg odkształceń od skurczu.
Zaobserwowano jednak wyraźnie większe odkształcenia skurczowe w betonach z kruszywami z recyklingu.
W analizie porównawczej wyników badań wczesnego skurczu betonu (c,s) na próbkach 100100500mm stwierdzono wyraźnie mniejsze odkształcenia skurczowe i słabiej zaznaczoną fazę drugą w stosunku do wyników uzyskanych z badań próbek 2080200mm. W badaniach temperatur wewnątrz próbek betonowych nie stwierdzono istotnych zmian w całym okresie badania (wahania w granicach ±1oC).
5. WNIOSKI
Badaniami przeprowadzonymi dla szerokiej grupy betonów na kruszywach z recyklingu potwierdzono, że zastosowanie odpowiednio wybranych i przygotowanych kruszyw z recyklingu, przy starannym projektowaniu mieszanek, prowadzi do uzyskania betonów konstrukcyjnych nawet wysokowartościowych (100 MPa).
Na podstawie analizy wyników przedstawianych badań można sformułować następujące wnioski:
wytrzymałość pierwotnego betonu ma istotny wpływ na mechaniczne właściwości betonu na kruszywie z recyklingu (BKR), jak również udział kruszywa z recyklingu i naturalnego (nowego); umożliwia to uzyskanie betonu z recyklingu o porównywalnej wytrzymałości na ściskanie w stosunku do betonu pierwotnego,
w projektowaniu mieszanek BKR możliwe jest stosowanie bardzo podobnych procedur do znanych z projektowania betonów na kruszywach naturalnych (BKN); konieczna jest jednak korekta ilości wody, zależna od zwiększonej porowatości kruszywa z recyklingu; w celu uzyskania odpowiedniej konsystencji i urabialności utrzymującej się w czasie betonowania;
konieczne jest zatem wstępne nawilżenie kruszywa, wyprzedzające betonowanie i wówczas zmiany stosunku woda/cement w zaczynie są stosunkowo małe,
w zakresie BWW właściwości BKR mogą być znacząco poprawione przez stosowanie superplastyfikatorów i pyłu krzemionkowego, podobnie do BWW-BKN,
stosowanie w pełni kruszywa z recyklingu (grubego i drobnego) niewiele zmniejsza wytrzymałość na ściskanie, ale bardziej istotnie wpływa na obniżenie wytrzymałości na rozciąganie, jak również modułu sprężystości,
zastąpienie drobnej frakcji 0÷2mm kruszywa z recyklingu przez naturalny piasek poprawia właściwości betonu na kruszywach wtórnych - patrz (tab. 3),
długotrwałe badania betonów z różnym udziałem kruszywa z recyklingu wskazuje na istotny wpływ całkowitego skurczu (15% do 25%) w porównaniu do BKN,
różnice w odkształceniach od pełzania są mało istotne w normalnych warunkach; wzrost współczynnika pełzania φ360 był oszacowany na nie więcej niż 3% w BKR w porównaniu z BKN.
Należy podkreślić szczególnie dwie obserwacje nie wspomniane wcześniej:
(i) wprowadzenie wstępnego nasycenia kruszywa z recyklingu może przyczyniać się do niewielkiego wzrostu wytrzymałości na ściskanie z powodu efektu „wewnętrznej pielęgnacji” betonu;
(ii) badania wczesnego skurczu (prawdopodobnie badane po raz pierwszy dla BKR), pokazały, że w wysokowartościowym BKR w pełni na kruszywie wtórnym gwałtowny skurcz fazy pierwszej był o około 25% większy niż w BKN; jest to ważna informacja, ponieważ – w ogólności – wczesny skurcz w BWW często przekracza ⅔ całkowitego skurczu.
Publikacja została przygotowana w ramach projektu badawczego w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka – POIG.01.01.02-10-106/09 (temat PT4.1).
Piśmiennictwo
[1] fib Commission 3, TG3.8, Editors: Glavind M., Sakai K., Òberg M., Müller Ch.:
Guidelines for Green Concrete Structures, Lausanne, October 2011 (draft).
[2] Ajdukiewicz A., Kliszczewicz A.: Influence of recycled aggregates on mechanical properties of HS/HPC, Cement & Concrete Composites, Vol. 24, No.2, 2002, pp. 269-279.
[3] Ajdukiewicz A., Kliszczewicz A.: Comparative Tests of Beams and Columns Made of RAC and NAC. Journal of the Advanced Concrete Technology – Materials, Structures and Environment, Japan Concrete Institute, Vol.5, No.2, 2007, pp.259-273.
[4] Ajdukiewicz A., Kliszczewicz A.: Long-term tests of reinforced-concrete beams and columns made of recycled aggregate concrete. Proceedings of the fib Symposium
“Concrete Engineering for Excellence and Efficiency”, Prague, June 8-10, 2011, Vol.1, pp. 479-482 and CD.
INSTANTANEOUS AND LONG-TERM PROPERTIES