REOLOGICZNE MIESZANKI - BADANIA WŁASNE
6.1. UWAGI OGÓLNE
Parametry reologiczne mieszanki betonowej zależą od stanu jej struktury, określonej jej składem i właściwościami składników (przede wszystkim właściwościami kruszywa, cementu, zaczynu cementowego, obecnością i naturą domieszek, względnymi proporcjami składników) oraz od czasu, jaki upłynął od zmieszania składników. Związki stanu struktury mieszanki z jej parametrami Teologicznymi, pozwalające na kształtowanie urabialności betonów zwykłych, omówiono szczegółowo w pracach [152, 154, 161]. W niniejszym rozdziale skoncentrowano się wyłącznie na zagadnieniach wpływu superplastyfikatorów na parametry reologiczne mieszanek.
Jak już stwierdzono wcześniej, efekty działania superplastyfikatora zależą od szeregu czynników związanych ze składem, właściwościami składników i warunkami wykonania oraz występujących między nimi współdziałań. Ponadto wykazują one dużą wrażliwość na drobne nieraz zmiany tych czynników, a zwłaszcza charakterystyk cementu i dodatków mineralnych.
W pełni miarodajne informacje o efektach działania określonego superplastyfikatora w określonych warunkach technologicznych, niezbędne do skutecznego kształtowania parametrów reologicznych, mogą być uzyskane w związku z tym tylko doświadczalnie, przy zastosowaniu reometrycznego testu urabialności.
Przy kształtowaniu urabialności bardzo przydatne są ogólne zależności wpływu superplastyfikatora na właściwości reologiczne mieszanki. Znajomość takich zależności znacznie ułatwia proces kształtowania urabialności i ogranicza zakres koniecznych badań efektywności działania superplastyfikatora. W niektórych przypadkach można je ograniczyć tylko do badań właściwości reologicznych samej mieszanki, przyjmując superplastyfikator oraz ustalając warianty korygowania parametrów reologicznych mieszanki w oparciu o określone wcześniej zależności ogólne. Kształtowanie urabialności sprowadza się wtedy do ustalenia koniecznej dawki superplastyfikatora i doświadczalnej weryfikacji poprawności przyjętych wariantów korygowania parametrów reologicznych mieszanki.
Jak to pokazano w rozdziale 3, dotychczasowy dorobek badawczy w zakresie efektów działania superplastyfikatora nie jest jeszcze wystarczający do uogólnienia ich wpływu na właściwości reologiczne mieszanki. W niniejszej pracy podjęto próbę kompleksowego scharakteryzowania efektów działania superplastyfikatorów opierając się na systematycznych badaniach własnych, uzupełniających i rozszerzających stan wiedzy w tym zakresie.
W badaniach własnych określono wpływ następujących czynników na efekty działania superplastyfikatorów:
❖ rodzaj, właściwości i dawkę superplastyfikatora;
❖ wskaźnik W/C;
❖ rodzaj oraz skład chemiczny i mineralogiczny cementu;
❖ moment dozowania superplastyfikatora w stosunku do dozowania wody zarobowej;
❖ temperaturę mieszanki betonowej;
❖ obecność innych domieszek chemicznych i dodatków mineralnych.
Badania, ze względu na łatwość i jednoznaczność ich analizy, podzielono na kilka etapów. W poszczególnych etapach badano wpływ wybranych czynników efektywności superplastyfikatora, pozostałe czynniki ustalając na określonym poziomie i traktując jako stałe. Dokładną informację o metodyce badań własnych obejmującą: plany badań, poziomy badanych czynników zmiennych, poziomy czynników stałych, właściwości składników i składy mieszanek oraz warunki prowadzenia badań przedstawiono w tablicach 6.3, 6.5, 6.8, 6.13, 6.15, 6.17. Zakres zmienności badanych czynników określono na podstawie analizy danych dotyczących właściwości najczęściej stosowanych cementów i superplastyfikatorów [74, 76, 113, 122], oraz typowych metod i warunków realizacji robót betonowych [2, 104]:
❖ stopień przemiału cementu - 320 - 420 m2/kg - odpowiadający klasom 32,5, 42,5 i 52,5;
❖ skład mineralny i chemiczny cementu - zawartość C3A 2 - 12%; Na2 0eq 0,3 - 1,1%; SO3
2,5 - 3,5% cementu wagowo - co odpowiada zmienności składów typowych cementów dostępnych na krajowym rynku. W badaniach jako czynnik zmienny traktowano Na2 0eq, czyli równoważnik sodowy sumy alkaliów wyliczony z zależności Na2 0eq = Na2 0 + 0,658 K2O. Wartość ta podawana jest jako jedna z podstawowych charakterystyk cementu.
Należy jednak zwrócić uwagę, że zależnie od zawartości SO3 w klinkierze, alkalia w cemencie mogą występować w postaci Na2SC>4 lub K2SO4 lub związane z C3A i C2S.
Kiedy klinkier zawiera stosunkowo dużą ilość SO3, znacząca ilość alkaliów przechodzi do roztworu w ciągu kilku minut. Jeśli klinkier zawiera niewielką ilość SO3, Na2 0 i K2O są przyłączane preferencyjnie do faz C3A i C2S klinkieru portlandzkiego. W związku z tym pomimo identycznej zawartości Na2Oeq w cemencie, rzeczywista ilość alkaliów
rozpuszczonych w zaczynie cementowym może być w początkowym okresie hydratacji różna. Sama zawartość Na2 0eq w cemencie nie przesądza więc jednoznacznie o jego możliwym współdziałaniu z superplastyfikatorem i należy j ą rozpatrywać przy uwzględnieniu zawartości SO3 w klinkierze. Dla badanych cementów zawartości łatwo rozpuszczonych alkaliów w cemencie nie określono, do ich przygotowania dobrano jednak cementy z klinkierów o zbliżonym stosunku molowym S0 3/Ną2 0eq. Dzięki temu udział alkaliów łatwo rozpuszczalnych w ich całkowitej ilości we wszystkich badanych cementach utrzymano na podobnym poziomie. Umożliwia to adekwatne jakościowo określenie wpływu zmian zawartości alkaliów w cemencie na efekty działania superplastyfikatora. Zawartość SO3 przyjęto w stosunkowo wąskim zakresie zmienności mając na uwadze uniknięcie zaburzeń procesu hydratacji cementu;
❖ wskaźnik W/C - 0,35 - 0,55;
❖ moment dozowania superplastyfikatora - z wodą zarobową lub z opóźnieniem do 1 min, większe opóźnienie istotnie obniża efektywność i wydajność procesu mieszania;
❖ temperatura mieszanki betonowej - od 10 do 30°C - zakres temperatur nie wymuszający stosowania zabiegów specjalnych w celu chłodzenia lub podgrzewania mieszanki;
❖ dodatek domieszek napowietrzających i domieszek opóźniających wiązanie cementu;
❖ dodatek pyłu krzemionkowego i popiołu lotnego.
Przy doborze superplastyfikatorów do badań kierowano się przede wszystkim ogólnymi danymi o ich składzie i budowie chemicznej oraz dostępnością na rynku, wybierając popularne domieszki o odmiennym składzie chemicznym - SNF, SMF, PC i PE, a w przypadku tych ostatnich również domieszki o odmiennej masie cząsteczkowej polimeru.
Podstawowe właściwości superplastyfikatorów stosowanych w badaniach przedstawiono w tablicy 6.1.
Tablica 6.1 Właściwości superplastyfikatorów stosowanych w badaniach
Domieszka Składnik bazowy Gęstość
fg/cm3l
Stężenie
.
SNF1 sulfonowana żywica formaldehydowo-naftalenowa 1,09 26
SNF2 sulfonowana żywica formaldehydowo-naftalenowa 1 ,1 1 30
SNF3 sulfonowana żywica formaldehydowo-naftalenowa 1 ,2 0 26
SMF1 sulfonowana żywica formaldehydowo-melaminowa 1 ,1 0 28
SMF2 sulfonowana żywica formaldehydowo-melaminowa 1,09 36
SNFL sulfonowana żywica formaldehydowo-naftalenowa + lignosulfonian 1 ,1 0 26
PCI polimer karboksylowy 1,06 40
PE1, P E l/b polieter LMW (niska masa cząsteczkowa) 1,09/1,05 17/18
PE2 polieter MMW (średnia masa cząsteczkowa) 1,05
-PE3 polieter HM W (wysoka masa cząsteczkowa) 1,05 36
0,4
0 ,3.
0,21
0,1 ■
EW,
O WC=0,45; SP2%
OW C=0,55
¿ W C =0,55;S P 1%
&
10 20 30
g [N n m ]
40 50
Tablica 6.2 Rozkład wielkości ziaren piasku normowego CEN
wg PN EN 196-1
Rozmiar sita [miń] Pozostaje na sicie [%]
2 ,0 0 0
1,60 7±5
1 ,0 0 33±5
0,50 67±5
0,08 99±1
Rys. 6.1. Zakres zm ian param etrów reologicznych zapraw wywołany zm ianam i uziarnienia piasku normowego CEN
Fig. 6.1. Range o f changes o f rheological para
meters due variation o f CEN model sand grading
Pomiar parametrów reologicznych mieszanek w badaniach własnych wykonywano reometrycznym testem urabialności, stosując modyfikowane ze względu na wskaźnik W/C i dodatek superplastyfikatora zaprawy normowe wg PN-EN 196-1. Jako kruszywo stosowano piasek do zapraw normowych CEN o uziamieniu wg tablicy 6.2. Stosowanie normowego kruszywa pozwala praktycznie na wyeliminowanie wpływu zmienności kruszywa na parametry reologiczne mieszanki umożliwiając uzyskanie jednoznacznej informacji o efektach działania superplastyfikatorów (rys. 6.1). Równocześnie prowadzenie badań na zaprawach pozwala na ograniczenie ich pracochłonności i kosztu. Należy tu podkreślić, że zarówno analiza dostępnych danych literaturowych, jak i badania własne dowodzą, że charakterystyka reologiczna zapraw normowych o wskaźniku W/C=0,35-0,55 odpowiada jakościowo charakterystyce reologicznej mieszanek betonowych o wskaźniku W/C=0,25-0,40 z kruszywem do 16 mm, z ilością spoiwa (cement + dodatki) 400 - 550 kg/m3 (rys. 5.2 - 5.4), a więc mieszanek o składzie odpowiadającym betonom nowej generacji.
3 5 m m
m o m en tu m m
Rys. 6.2. Viskomat PC i jeg o układ pomiarowy Fig. 6.2. Viskomat PC and its measuring element
Pomiary parametrów Teologicznych wykonano stosując reometr Viskomat PC i procedury pomiarowe #1 i #2 według tabl. 5.2. Wyniki pomiarów parametrów Teologicznych przedstawiono w postaci umownych parametrów g i h odpowiadających odpowiednio granicy płynięcia i lepkości plastycznej (patrz rozdział 5.2). Reometr i jego układ pomiarowy przedstawiono na rys. 6.2. Podstawy pomiaru parametrów Teologicznych reometrycznym testem urabialności omówiono w rozdziale 5, szerzej przedstawiono je w pracach [152, 159],
6.2. WPŁYW DAWKI I RODZAJU SUPERPLASTYFIKATORA