Wytrzymałość spoiw na ściskanie i zginanie

Oznaczenia wytrzymałości na zginanie i ściskanie zapraw przygotowanych z omawianych spoiw, jak już wspomniano, wykonane zostały na zaprawach o stałej konsystencji, oznaczanej na stoliku rozpływu i wynoszącej 180±10 mm.

Badania przeprowadzono zgodnie z wymaganiami PN-EN 13282-1:2013, różniącymi się nieco od opisu wykonania oznaczenia wytrzymałości zawartego w normie PN-EN 196-1:2006. Naważkę 450 g spoiwa zmieszano z wodą w ilości zapewniającej pożądaną konsystencję zaprawy: do wilgotnej misy mieszarki wprowadzono wodę, następnie przez 5 sekund wprowadzano spoiwo. Mieszano zawartość przez 30 sekund na wolnych obrotach (160 obr/min), po czym również na wolnych obrotach wprowadzano piasek normowy (1350 g) przez 30 sekund poprzez automatyczny dozownik zintegrowany z mieszarką. Po 60 sekundach od rozpoczęcia mieszania następowało przełączenie mieszarki na szybkie obroty (225 obr/min) na czas 30 sekund, po czym przerywano mieszanie na 90 sekund. Podczas tej przerwy misa mieszarki została opuszczana w celu oddzielenia zaprawy od ścian naczynia i mieszadła. Po przerwie rozpoczął się końcowy cykl mieszania trwający 60 sekund, podczas którego mieszarka działała na szybkich obrotach. Po zakończeniu mieszania zaprawę umieszczano w metalowej formie pozwalającej na utworzenie trzech prostopadłościennych belek o wymiarach 40×40×160 mm. Zagęszczenie zaprawy w formie wykonano dwuetapowo na wstrząsarce laboratoryjnej. Każdy etap trwał 60 sekund, podczas których formę wstrząsano 60-krotnie (podczas pierwszego etapu zaprawę nakłada się do połowy wysokości przegród, podczas drugiego zakłada się specjalną nakładkę ułatwiającą zagęszczenie oraz chroniącą zaprawę przed wydobywaniem się z formy). Po zakończeniu zagęszczenia wyrównano górne powierzchnie próbek. Następnie formy wypełnione zaprawą umieszczano w komorze klimatycznej o temperaturze 21±1^oC i wilgotności względnej przekraczającej 95%.

Próbki rozformowano po 48 godzinach od czasu zmieszania spoiwa z wodą. Tak długi okres przetrzymywania próbek w formach spowodowany był chęcią uniknięcia zniszczeń przy rozformowaniu próbek (wyjątek stanowiły zaprawy przeznaczone do badania wytrzymałości po 1 dniu hydratacji). Próbki zapraw po wyjęciu z form, prostopadłościany o wymiarach 40×40×160 mm umieszczono nad powierzchnią lustra wody w szczelnie zamkniętych pojemnikach (wilgotność względna >95%) i przetrzymywano w temperaturze 21±1o

C. Warunki dojrzewania próbek były zgodne z PN-EN 13282-1:2013, różniły się od warunków

113 dojrzewania próbek zapraw cementowych podanych w normie PN-EN 196-1:2006, przewidujących przechowywanie próbek zanurzonych w wodzie.

Oznaczenia wytrzymałości próbek na ściskanie oraz zginanie wykonano po 1, 2, 7, 14, 28, 42, 56, 90, 180 dniach, oraz po upływie roku i po upływie 3 lat. Do badania w wyznaczonych terminach jednorazowo wykorzystywano 3 belki jednego rodzaju zaprawy. Badanie rozpoczynano od oznaczenia wytrzymałości na zginanie, a następnie połówki złamanych belek umieszczano w prasie hydraulicznej w celu oznaczenia wytrzymałości na ściskanie. Przyrost siły nacisku wynosił zgodnie z powszechnie przyjętą praktyką laboratoryjną 2,5 kN/s. Do wyznaczenia wytrzymałości na ściskanie dla danego spoiwa w jednym terminie przeznaczono sześć „połówek” belek uzyskanych po badaniach wytrzymałości zapraw spoiwowych na zginanie. Zgodnie z normą PN-EN 196-1:2006 sprawdzono rozrzut wyników cząstkowych badań wytrzymałościowych na ściskanie. Jeżeli którykolwiek z wyników różnił się od średniej arytmetycznej wytrzymałości o więcej niż o 10%, wynik odrzucano a średnią arytmetyczną obliczyć od nowa. Należy zaznaczyć, że wszystkie wyniki cząstkowe spełniały wyżej wymienione wymagania. Uzyskane wyniki badań wytrzymałości na zginanie przedstawiono w tabeli 29, zaś wyniki wytrzymałości na ściskanie podano w tabeli 30 oraz na rys. 34-39.

Tabela 29. Wytrzymałość na zginanie badanych spoiw drogowych

Spoiwo

Wytrzymałość na zginanie próbek badanych spoiw drogowych po różnych okresach dojrzewania, MPa

1 dzień 2 dni 7 dni 14 dni 28 dni 42 dni 56 dni 90 dni 180 dni 1 rok 3 lata

1 - - 1,2 1,3 2,5 2,9 2,9 3,2 3,7 3,7 3,7 2 - - 1,2 1,2 2,4 2,8 2,7 3,6 4,4 4,5 4,5 3 - - 1,1 1,4 3,2 3,5 3,7 3,8 4,4 4,3 4,3 4 - - 1,3 1,4 3,7 4,0 3,9 4,6 5,8 5,8 5,8 5 - - 1,4 2,0 4,0 4,1 4,1 4,7 5,5 5,5 5,5 6 - - 1,7 2,8 4,9 5,0 5,1 5,6 6,6 6,6 6,6 7 - - 1,6 3,7 5,5 5,6 5,8 6,0 6,5 6,5 6,6 8 - - 3,7 4,4 6,3 6,4 6,6 6,6 7,1 7,2 7,3

114 Tabela 30. Wytrzymałość na ściskanie badanych spoiw drogowych.

Spoiwo

Wytrzymałość na ściskanie próbek badanych spoiw drogowych po różnych okresach dojrzewania, MPa

1 dzień 2 dni 7 dni 14 dni 28 dni 42 dni 56 dni 90 dni 180 dni 1 rok 3 lata

1 1,7 3,2 5,9 3,9 8,5 10,7 10,8 16,0 19,4 18,5 20,9 2 1,4 2,8 5,5 4,6 7,8 11,7 10,9 17,1 21,3 19,0 20,3 3 1,8 3,1 5,1 9,3 11,5 12,9 12,8 19,8 23,9 21,6 22,2 4 1,5 2,5 4,7 9,7 12,0 14,7 13,3 17,7 21,4 25,5 25,6 5 1,5 2,6 5,2 10,7 13,2 13,3 13,9 19,5 22,5 22,6 23,8 6 2,1 3,4 7,0 14,7 17,8 18,8 20,3 27,5 30,5 30,2 30,6 7 2,7 5,1 9,9 19,3 20,3 23,8 25,5 33,4 35,8 31,9 33,1 8 7,6 10,1 19,4 22,0 26,7 28,2 32,7 47,3 54,2 56,1 57,9

115 Rys. 35. Narastanie wytrzymałości na ściskanie spoiw 5-8 w początkowym okresie hydratacji

Rys. 36. Narastanie wytrzymałości na ściskanie spoiw 1-4 w okresie hydratacji uwzględnianym przez dokumenty normowe

116 Rys. 37. Narastanie wytrzymałości na ściskanie spoiw 5-8 w okresie hydratacji uwzględnianym przez dokumenty normowe

117 Rys. 39. Narastanie wytrzymałości na ściskanie spoiw 5-8 w długim okresie hydratacji

Badania wytrzymałości spoiw drogowych, których wyniki przedstawiono w tabeli 5, obejmowały dwie grupy spoiw o stałej zawartości zmielonego klinkieru portlandzkiego wynoszącej 30%. Pierwszą z nich stanowiły spoiwa zawierające żużel stalowniczy (62% - 70%), do których wprowadzono desulfogips w ilości od 2% do 8% (spoiwa 2 – 4). Spoiwo 1 nie zawierało desulfogipsu. Całkowita zawartość siarczanów wapnia w przeliczeniu na SO3 wynosiła odpowiednio: spoiwo 1 – 0,5%, spoiwo 2 – 1,4%, spoiwo 3 – 2,3%, spoiwo 4 – 4,1%. Drugą grupę stanowiły spoiwa, w których część żużla stalowniczego zastąpiono popiołem lotnym z kotła fluidalnego (spoiwa 5 – 7). Zawartość popiołu lotnego w spoiwach 5, 6 i 7 wynosiła odpowiednio 12%, 24% i 48%. Spoiwo 8 poza klinkierem portlandzkim zawierało jedynie popiół lotny z kotła fluidalnego (70%). Całkowita zawartość siarczanów wapnia w przeliczeniu na SO₃ wynosiła odpowiednio: spoiwo 5 – 1,4%, spoiwo 6 – 2,3%, spoiwo 7 – 4,1%, spoiwo 8 – 5,8%. Badania wytrzymałości na ściskanie zapraw przygotowanych ze spoiw 1 i 8 potwierdziły wyniki badań aktywności pucolanowej przedstawione w tabelach. Popioły lotne charakteryzują się znacznie większą aktywnością

118 hydrauliczną niż żużle stalownicze. Na rys. 40 przedstawiono zależność narastania wytrzymałości zapraw spoiwowych 1 (30% klinkieru portlandzkiego + 70% żużla stalowniczego) oraz zapraw przygotowanych ze spoiwa 8 (30% klinkieru portlandzkiego + 70% popiołu lotnego z kotłów fluidalnych).

Rys. 40. Dopasowanie narastania wytrzymałości spoiwa 1 (linia fioletowa, W=2,19ln(t)+1,27) oraz spoiwa 8 (linia niebieska, W=6,02ln(t)+6,85).

Zastąpienie części żużla stalowniczego gipsem (spoiwa 2, 3 i 4) powoduje początkowo (pierwsze 7 dni hydratacji) obniżenie wytrzymałości zapraw na ściskanie. Jednak już po 14 dniach wytrzymałości zapraw przygotowanych ze spoiw zawierających dodatek desulfogipsu zwiększają wytrzymałości. Zależności wytrzymałości na ściskanie zapraw od całkowitej zawartości SO3 w spoiwach 1-4 przedstawiono na rys. 41.

119 Rys. 41. Wpływ zawartości SO3 na przyrost wytrzymałości na ściskanie dla spoiw 1, 2, 3 i 4

Zawartość siarczanu wapnia w spoiwach 5, 6 i 7, do których wprowadzono odpowiednio 12%, 24% i 48% popiołu lotnego była taka sama, jak odpowiednio w spoiwach 2, 3 i 4 (tabela 25). Wytrzymałości na ściskanie tych spoiw w całym okresie dojrzewania były tym większe, im większa była w nich zawartość popiołu lotnego, i narastały wraz z upływem czasu.

Przyrosty wytrzymałości zapraw 5-8 w funkcji czasu w sposób istotny kształtowane były zarówno poprzez wpływ siarczanów(VI) wapnia, jak i składników pucolanowych popiołów lotnych z kotłów fluidalnych stanowiących składnik badanych spoiw. Na rys. 42 przedstawiono zależności wytrzymałości na ściskanie zapraw od całkowitej zawartości SO3 w spoiwach 5-8.

120 Rys. 42. Wpływ zawartości SO3 na przyrost wytrzymałości na ściskanie dla spoiw 5-8

Zastąpienie części żużla stalowniczego gipsem (spoiwa 2, 3 i 4) powoduje początkowo (pierwsze 7 dni hydratacji) obniżenie wytrzymałości zapraw. Jednak już po 14 dniach wytrzymałości zapraw przygotowanych ze spoiw zawierających dodatek desulfogipsu zwiększa wytrzymałości. Najwyraźniej różnice te zaznaczają się po 14 dniach, gdy zaprawy ze spoiw, do których wprowadzono 2%, 4% i 8% desulfogipsu uzyskują wytrzymałości stanowiące odpowiednio 118%, 238% i 249% wytrzymałości zapraw będących mieszaniną dwóch składników: zmielonego klinkieru portlandzkiego i żużla stalowniczego. Różnice te w miarę upływu czasu maleją. Po roku dojrzewania wytrzymałość zapraw przygotowanych ze spoiw 2, 3 i 4 wynosi odpowiednio: 103%, 117% i 138% wytrzymałości zaprawy

121 przygotowanej ze spoiwa 1. Wydłużenie czasu hydratacji do 3 lat zwiększa wytrzymałość wszystkich badanych spoiw, zmniejszając nieznacznie różnice wytrzymałości na ściskanie pomiędzy omawianymi zaprawami, na przykład wytrzymałość zaprawy ze spoiwa 4 stanowi, nie jak po roku dojrzewania 138%, lecz 122% wytrzymałości zaprawy ze spoiwa 1.

Wytrzymałości na ściskanie zapraw przygotowanych ze spoiw 2, 3 i 4 przez cały okres prowadzenia badań były niższe niż zapraw do przygotowania których użyto spoiw 5, 6 i 7. Największe różnice zaznaczały się między wytrzymałościami zapraw ze spoiwa 1 a wytrzymałością zapraw ze spoiwa 8. Wytrzymałość zapraw ze spoiwa 8 wynosiła: po 1 dniu około 440% wytrzymałości zaprawy ze spoiwa 1. W późniejszych okresach dojrzewania różnice te były nieco mniejsze, i wynosiły od 270% do około 320%.

Należy zaznaczyć, że badane spoiwa, nawet te, z których przygotowane zaprawy wykazywały niewielki przyrost wytrzymałości wczesnych, w późniejszych okresach dojrzewania uzyskiwały pożądane, relatywnie wysokie wytrzymałości na ściskanie. Wytrzymałość spoiw 1-5 po 180 dniach dojrzewania wynosiła około 20 MPa, zaś spoiw 6 i 7 około 31 i 36 MPa. Najwyższe wytrzymałości osiągały w tym czasie zaprawy przygotowane ze spoiwa 8, ich wytrzymałość po 180 dniach dojrzewania przekraczała 54 MPa. Względne przyrosty wytrzymałości spoiw po 90 dniach, 180 dniach oraz 1 roku i 3 latach w stosunku do wytrzymałości zapraw po 56 dniach (kryterium klasyfikacyjne prEN 13282-2) przedstawiono w tabeli 31.

Tabela 31. Względne przyrosty wytrzymałości na ściskanie długoterminowych zapraw w stosunku do wytrzymałości zapraw po 56 dniach twardnienia.

Spoiwo Wytrzymałość zapraw względem wytrzymałości po 56 dniach dojrzewania [%]

R₉₀ R₁₈₀ R₃₆₅ R₁₀₅₆ 1 160 179 171 194 2 156 195 174 186 3 154 187 169 173 4 133 160 192 192 5 141 162 163 171 6 135 150 149 151 7 131 140 125 130 8 154 166 172 177

122 W oparciu o wyniki badań wytrzymałości zapraw po 7, 28 dniach (PN-EN 13282-1:2013) oraz 56 dniach (prEN 13282-2) dokonano klasyfikacji analizowanych spoiw (tabela 32). Kryteria klasyfikacji zawarte w PN-EN 13282-1:2013 i prEN 13282-2 podano w rozdziale 2.1. w tabeli 3.

Tabela 32. Klasyfikacja badanych spoiw

Oznaczenie spoiwa

Zawartość składników [%] _{na ściskanie [MPa]} ^{Wytrzymałość} Oznaczenie zgodne z PN-EN 13282-1 oraz prEN 13282-2 Klasa spoiwa zgodnie z PN-EN 13282-1 (RHHRB) Klasa spoiwa zgodnie z prEN 13282-2 (NHHRB) Klinkier portlandzki Żużel stalowniczy ^desulfogips Popiół lotny z kotłów fluidalnych R7 R28 R56 1 30 70 - - 5,9 8,5 10,8 K30Sb70* - _N1 2 30 68 2 - 5,5 7,8 10,9 K30Sb68Mac2 - _N1 3 30 66 4 - 5,1 11,5 12,8 K30Sb66Mac4 - _{N1, N2} 4 30 62 8 - 4,7 12,0 13,3 K30Sb62Mac8 - _{N1, N2} 5 30 58 - 12 5,2 13,2 13,9 K30Sb58Va12 E2 _{N1, N2} 6 30 46 - 24 7,0 17,8 20,3 K30Sb46Va24 E2 _N2 7 30 22 - 48 9,9 20,3 25,5 K30Sb22Va48 E2 _{N2, N3} 8 30 - - 70 19,4 26,7 32,7 K30Va70 E3 _{N3, N4}

* - Symbole oznaczeń: K – zmielony klinkier portlandzki, Sb – żużel stalowniczy, Va – popiół lotny z kotłów fluidalnych, Mac – inne składniki główne (desulfogips)

Dokonując podziału spoiw zgodnie z kryteriami kwalifikacyjnymi zawartymi w PN-EN 13282-1 i prEN 13282-2, część spoiw można zakwalifikować zarówno do hydraulicznych spoiw drogowych normalnie wiążących (NHHRB) oraz hydraulicznych spoiw drogowych szybkowiążących (RHHRB). Do tej grupy spoiw należą wszystkie spoiwa zawierające popiół lotny z kotłów fluidalnych, a zatem spoiwa 5, 6, 7, oraz 8. Trzy spośród nich (5, 6, 7) spełniają wymagania hydraulicznego spoiwa szybkotwardniejącego oznaczanego symbolem E2, natomiast spoiwo 8 spełnia wymagania spoiwa oznaczanego symbolem E3. Spoiwa te spełniają również wymogi stawiane spoiwom normalnie twardniejącym, odpowiednio: spoiwo 5 – N1 lub N2, spoiwo 6 – N2, spoiwo 7 – N2 lub N3, spoiwo 8 N3 lub N4. Spoiwa 1-4 , bez dodatku popiołów lotnych z kotłów fluidalnych są spoiwami hydraulicznymi spoiwami drogowymi normalnie twardniejącymi, kwalifikowanymi jako N1, a przypadku spoiwa 3 i 4 również jako N2.

123