Trwałość autoklawizowanego betonu komórkowego (ABK) w świetle polskich
doświadczeń
DURABILITY OF AUTOCLAVED AERATED CONCRETE (AAC) BASED ON POLISH EXPERIENCE
Streszczenie
Zagadnienie trwałości w budownictwie dotyczy materiałów, wyrobów i całych obiektów.
Zwykło się uważać że trwałość to stabilność właściwości materiałów, wyrobów i obiek- tów. Pojęcie trwałości oraz metodyki ich szacowania mimo trwających dyskusji i badań nie są ostatecznie uzgodnione.
Wzrastająca w Polsce skala produkcji i zastosowania ABK w budownictwie, szcze- gólnie do konstrukcji ściennych, uzasadniały podejmowanie badań nad trwałością ABK.
Rozpoczęto je na początku lat 60. Badaniami objęto tworzywo betonu komórkowego wyprodukowanego w skali przemysłowej oraz przegrody wykonane z tego materiału głównie w budynku doświadczalnym oraz w kilku budynkach mieszkalnych.
Szersze badania związane z trwałością wznowiono w 1999. ze wspólnych funduszy wytwórni betonów komórkowych i COBRPB CEBET obecnie ICiMB. Badaniami objęto ABK popiołowe i piaskowe pobrane (co 5 cm) z przegród obiektów 20–35–40 letnich oraz betonów składowanych w ostrych warunkach na wolnym powietrzu przez 21 i 40 lat (przykryte jedynie od góry papą), lecz w okresie zim, całkowicie zasypywanych śniegiem.
Podczas pobierania prób betonu komórkowego z obiektów dokonywano również oceny stanu technicznego obiektów.
Wyniki tych badań będą zaprezentowane w niniejszym referacie. Ich analiza wy- kazuje, że ABK jest materiałem trwałym, co ma znaczenie dla formułowania wniosków odnośnie jego stosowalnictwa.
dr inż. Genowefa Zapotoczna-Sytek prof. ICiMB – Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych;
Stowarzyszenie Producentów Betonu
Abstract
The question of durability in the construction industry applies to building materials, components and structures. In general, building materials, components and structures are considered durable if their properties remain stable. The durability of a building or structure, as discussed in research papers, involves the durability of products and the (designed and anticipated) useful life.
Studies on the durability of AAC have been prompted by the increasing production and use of AAC in the construction industry in Poland, specifically in wall constructions.
They began in early 1960s. Research focused on AAC materials in industrial produc- tion and AAC partitions in experimental conditions and real-world residential buildings.
Extended research on AAC durability co-funded by AAC production plants and the Institute of Ceramics and Building Materials ICiMB (formerly COBRPB CEBET) were resumed in 1999.
The studies examined AAC made with fly ash and sand sampled at 5 cm intervals from partitions of 20-35 – 40 y.o. buildings and AAC stored outdoors under extreme con- ditions for the period of 21 and 40 years (protected with a tarpaper top cover), exposed to snow during winter.
The building’s technical condition was evaluated when the concrete samples were collected.
The results of these studies will be discussed in this paper.
An analysis of the results of studies confirms the durability profile of AAC, which should be considered in formulating conclusions about the possible uses of autoclaved aerated concrete.
1. Wprowadzenie
Trwałość obiektów budowlanych zależy od właściwości stosowanych materiałów budow- lanych, jakości wykonawstwa i projektu, utrzymania budowli oraz rodzaju oddziaływań środowiskowych i ich intensywności. Zwykło się uważać, że trwałość to stabilność wła- ściwości materiałów, wyrobów, obiektów. Trwałość materiałów budowlanych, w tym również ABK, jest zagadnieniem bardzo ważnym zarówno z punktu widzenia bezpie- czeństwa, jak i ekonomiki budowli.
Z trwałością materiałów wiąże się wiele zagadnień, które powinny być uwzględniane w technologii produkcji oraz przy projektowaniu i wykonawstwie. Metodyka określania trwałości mimo wieloletnich badań nie została dotychczas jednoznacznie uzgodniona.
W literaturze – w przeciwieństwie do licznych publikacji dotyczących trwałości betonu kruszywowego – mało jest badań charakteryzujących właściwości betonu komór- kowego w funkcji jego wieku. Szczególnie dotyczy to okresu powyżej 20 lat. Wynikało to prawdopodobnie z tego, że nie spotykano się z utratą właściwości użytkowych ABK.
Zagadnieniom trwałości poświęcone było Międzynarodowe Sympozjum Rilem w Pradze w 1969 roku gdzie tematykę trwałości ABK prezentował P. Nerent [1]. Interesujące dane z ostatnich lat z zakresu trwałości znajdują się w literaturze niemieckiej obejmujące m.in.
badania oceny trwałości ABK w zależności od składu fazowego [2].
Badania nad trwałości ABK zostały podjęte i prowadzone również w Polsce [3, 7, 9, 10, 11, 13] przy wzrastającej skali produkcji i zastosowaniu ABK w budownictwie, szczególnie do konstrukcji ściennych. Aktualna produkcja ABK w Polsce stanowi ok.
5 mln3/rok, a jego udział w rynku materiałów ściennych sięga 40% [4]. Produkcja ABK rozwija się głównie z zastosowaniem środków porotwórczych firmy Benda – Lutz - Ska- wina (Sun Chemical), która pracuje dla potrzeb przemysłu betonów komórkowych [5].
Wyniki polskich badań na trwałością ABK, jak i 5 międzynarodowa konferencja w Bydgoszczy [14] nie potwierdziły zagrożeń w stosowaniu ABK w wyniku rozkładu produktów fazowych. Niemniej jednak, dla rozwoju ABK badania z zakresu trwałości należy kontynuować.
2. Badania trwałości betonu komórkowego w polskich warunkach klimatycznych w latach od 1961 do 2018
W referacie zaprezentowano badania trwałości betonu komórkowego w trzech etapach badawczych. Lata 1961–1971; 1999–2002 i 2017–2018. Duża rozpiętość czasowa pomiędzy poszczególnymi etapami badań spowodowała, że w poszczególnych etapach stosowano zróżnicowaną metodykę i aparaturę badawczą. Różny był zakres badań w poszczególnych etapach, a zbiegiem lat zmieniały się normy i wymagania stawiane wyrobom z ABK.
2.1. Badania trwałości ABK przeprowadzone w latach 1961–1971 [3, 6]
Badaniami objęto tworzywo betonu komórkowego wyprodukowane w skali przemysłowej oraz przegrody wykonane z tego materiału, głównie w budynku doświadczalnym oraz w kilku budynkach mieszkalnych. Podczas badań tworzywa badany był beton komór- kowy typowy dla tego okresu czyli odmiany 07 (700) i powyżej produkowany według technologii z kruszywem piaskowym oraz popiołowym. Podstawowe badania tworzywa prowadzone były dla betonu komórkowego pobieranego z poszczególnych zakładów.
Materiał ten zabezpieczano od bezpośrednich opadów i składowano w otwartym magazy- nie. W chwili pobierania do badań określone były jego właściwości „zerowe”, w każdym następnym roku w ciągu 8–9 lat starzenia się betonu komórkowego, właściwości te były sprawdzane, a uzyskane wyniki porównywano z wynikami zerowymi. Badania prowa- dzone były zasadniczo według obowiązujących wówczas metod normowych i w miarę wyciągniętych wniosków odpowiednio uzupełniane. Sprawdzaniu podlegały: gęstość, wytrzymałość na ściskanie, skurcz, mrozoodporność, „λ”, sorpcja, podciąganie kapilarne.
Dla ustalenia przyczynowości zjawisk zachowania się betonu komórkowego w czasie starzenia badania rozszerzono o badania składu fazowego i strukturę porowatości. Była to pierwsza próba powiązania właściwości fizyko-technicznych z właściwościami składu fazowego ABK produkowanych na skalę przemysłową i poddanych procesowi starzenia się w normalnych warunkach atmosferycznych. Badania przeprowadzono za pomocą klasycznych metod analizy mikroskopowej, analizy rentgenostrukturalnej, analizy ter- micznej, badań porozymetrycznych.
Autorzy badań przeprowadzonych w latach 1961–1971 uzyskali wyniki świadczące o korzystnej charakterystyce ABK w czasie starzenia się i zasadności jego stosowania w polskich warunkach klimatycznych. Przytacza się ważniejsze z nich w zakresie badań tworzywa oraz przegród [3].
• Badania wytrzymałość na ściskanie betonu komórkowego jako funkcji wieku wyka- zują nie tylko stabilność, ale również tendencje do jej polepszania się nawet do 24%.
Stwierdzono nie tylko tendencję wzrostu wytrzymałości betonu komórkowego jak i wzrost zawartości kalcytu (CaCO3) w czasie starzenia się. Nie zawsze jednak wzrostowi zawartości kalcytu towarzyszył wyraźny wzrost wytrzymałości na ściskanie. Kalcyt w betonie komórkowym może powstawać z połączenia atmosferycznego dwutlenku węgla z wolnym wapnem występującym w betonie lub z wapnem pochodzącym z rozkładu hydro-krzemianów wapniowych, czemu towarzyszy tworzenie się żelu krzemionkowego, którego obecność zaobserwowano w niektórych próbach ABK.
• Beton komórkowy wykazuje w czasie starzenia się polepszenie izolacyjności cieplnej.
Jest to wynikiem zmniejszania się zawilgocenia w czasie.
• Wielkość zmian liniowych betonu komórkowego zależy od technologii produkcji.
Najbardziej wrażliwy na zmiany temperatury i wilgotności był beton komórkowy z zastosowaniem kruszywa popiołowego.
• Beton komórkowy o zawilgoceniu poniżej 30% masy, a więc w stanie zawilgocenia kapilarnego jest materiałem odpornym na działanie mrozu. Przy zawilgoceniu powyżej 30% masy istnieje potencjalna możliwość wystąpienia w ABK uszkodzeń spowodowa- nych mrozem. Większą odpornością mrozową charakteryzują się betony komórkowe o drobnej lub najwyżej średniej porowatości.
• Betony komórkowe wykazują w czasie starzenia się zwiększoną zdolność podciągania kapilarnego na skutek zmian w strukturze mikroporowatości, a tym samym zwiększoną zdolność do zawilgocenia się wskutek opadów atmosferycznych.
• W badaniu zawilgocenia przegród rozróżniono dwa okresy:
– okres wilgotności nieustabilizowanej, w którym występuje odsychanie przegród niezależnie od pory roku i warunków atmosferycznych,
– okres wilgotności ustabilizowanej, w którym wilgotność przegród ulega jedynie niewielkim zmianom sezonowym (w czasie zimy wzrasta, latem maleje).
Okres wilgotności nieustabilizowanej trwał 2–3 lata, przy czym intensywne odsycha- nie następowało głównie w okresie 8–12 miesięcy. Czas ustabilizowania się wilgotności
w przegrodach z ABK jest tym dłuższy im większa jest gęstość materiału oraz grubość przegrody.
Zmiany w sezonowym zawilgoceniu przegród z ABK mają charakter zbliżony do sezonowych zmian wilgotności względnej powietrza zewnętrznego z tym jednak, że są przesunięte w czasie. Wielkość ustabilizowanej wilgotności przegród jest również w znacz- nym stopniu zależna od mikroklimatu. Przy bardzo dużej wilgotności względnej powietrza wewnętrznego (>80%) przegrody z betonu komórkowego wykazują zawilgocenia o ok.
5% większe w porównaniu z przegrodami w pomieszczeniach suchych.
Wielkość wilgotności ustabilizowanej w przegrodach z ABK zależna jest również w pewnym stopniu od technologii produkcji, a ściślej od rodzaju kruszywa, a mianowicie jest ona mniejsza, w przypadku betonu komórkowego piaskowego, większa natomiast w przypadku stosowania popiołów lotnych. Podczas prowadzonych badań zanotowano średnią wilgotność ustabilizowaną w przegrodach z betonu komórkowego od 3 do 8%
masy. Zwrócono uwagę że proces odsychania przegród z ABK pozbawionych tynków zewnętrznych następuje szybciej. W okresie wilgotności ustabilizowanej przegrody te nie wykazują większego zawilgocenia w porównaniu z przegrodami z tynkami zewnętrznymi.
Wyniki z przeprowadzonych w tym etapie badań zachowania się betonu komór- kowego w czasie były pomocne w opracowaniu przez Instytut Techniki budowlanej (ITB) – wiodący w Polsce w zakresie budownictwa, warunków technicznych, wykonania i odbioru budynków .
2.2. Badania trwałości ABK prowadzone w latach 1999–2002
Badania prowadził COBRPB CEBET przy współpracy wytwórni betonów komórkowych [7, 8, 9, 10].
W tym etapie badaniami objęto betony komórkowe piaskowe i popiołowe pobrane ze ścian zewnętrznych obiektów wybudowanych 20–35 lat temu. Badano również ele- menty składowane przez 20 lat na wolnym powietrzu (przykryte jedynie od góry papą, lecz w okresie zim całkowicie zasypywanych śniegiem). Podczas pobierania prób betonu komórkowego z obiektów dokonywano również ich oceny technicznej.
W etapie drugim przeprowadzono następujący zakres badań:
– wilgotności i jej rozkładu w przekroju przegród zewnętrznych (pomiary co 5 cm), – składu fazowego,
– struktury porowatości, – mikrobiologiczne,
– właściwości użytkowych (gęstość, wytrzymałość na ściskanie i mrozoodporność ABK pobranego ze ścian obiektów eksploatowanych ponad 20 lat, a także elementów mu- rowych pozostałych po budowie domu i składowanych na powietrzu ponad 20 lat).
Wyniki badań podano w tabeli 1.
Wilgotność i jej rozkład w przekroju przegród
Badaniami objęto 10 obiektów wybudowanych w różnych rejonach kraju 20–35 lat temu:
budynki mieszkalne (w tym jeden budynek letniskowy zamieszkały 3–4 miesiące w roku), budynki biurowe i jeden obiekt przemysłowy. Próbki ABK pobierano metodą odwiertów na całej grubości przegród. Pobór prób był trzykrotny; wczesną jesienią; późną jesienią i wiosną następnego roku. Badania wykazały, że ściany zewnętrzne z ABK charakteryzują się wyrównanym rozkładem wilgoci w poszczególnych przekrojach. Nie ma znaczących
różnic w wilgotności przegród w okresie jesiennym i wiosennym, nieznacznie większe zawilgocenie jest w przekroju od strony zewnętrznej.
Średnia wilgotność ścian z ABK piaskowego wynosi 2,5% masy, a ścian z ABK popiołowego średnio 4,5% masy.
Na rysunku 1. przedstawiono przykładowa wilgotność ścian zewnętrznych z ABK badanych wiosną 2001r.
Rys. 1. Wilgotność ścian zewnętrznych z ABK (wiosna 2001)
Badania składu fazowego próbek betonów komórkowych
Badania przeprowadzono metodą dyfrakcji rentgenograficznej (XRD) oraz analizy ter- micznej. Badania te uzupełniły obserwacje mikroskopowe SEM.
Badania składu fazowego wykonano dla próbek średnich z przegród betonu ko- mórkowego, a dla trzech przegród z prób co około 5 cm na grubości przegrody. Ponadto przeprowadzono badania składu fazowego (XRD, analiza termiczna) dla próbek betonu komórkowego które poddano badaniom mrozoodporności.
– Badania składu fazowego ww. materiału potwierdziły zawartość tobermorytu zarówno w technologiach piaskowych, jak i popiołowych ABK, za wyjątkiem ABK piaskowego składowanego na wolnym powietrzu przez okres 21 lat, a pochodzącego z tej samej partii z której wykonany był jeden z badanych obiektów eksploatowanych ponad 20 lat. Zawartość tobermorytu w badanych próbkach ABK wyprodukowanych według technologii piaskowej wynosi od 2 do 7% (przeważa wartość 6%). W ABK popiołowych na zawartość tobermorytu wskazuje słaba intensywność refleksów (XRD). Według wcześniejszych badań [8] oraz [13] w próbkach ABK z bieżącej produkcji zawartość tobermorytu jest zdecydowanie wyższa i kształtuje się w granicach 37–41%.
– Generalnie obserwuje się wzrost zawartości kalcytu w badanych próbkach ABK pobiera- nych z przegród. Zawartość ta kształtuje się od 8%–13,4% w technologiach piaskowych i od 5,2%–10,2% w technologiach popiołowych. Według badań [13] zawartość kalcytu w ABK z bieżącej produkcji wynosiła około 2%.
Najwyższa zawartość kalcytu – 24,6% wystąpiła w próbce betonu komórkowego skła- dowanego na wolnym powietrzu przez okres 21 lat – bardzo duży kontakt z powietrzem,
a co za tym idzie dostęp CO2. Zatem można przyjąć, że częściowo mógł ulec rozkładowi tobermoryt, jak również uwodnione krzemiany wapnia C-S-H. Ponadto źródłem kalcytu jest rozkład uwodnionych glinianów wapniowych pod wpływem CO2.
Trzeba jednak podkreślić, iż badania mrozoodporności ABK z elementu murowego składowanego na wolnym powietrzu przez 21 lat wykazały jego pełną odporność na działanie mrozu. (tablica 1 próbka KR 1).
Badania właściwości użytkowych
Wyniki badania właściwości użytkowych ABK: gęstości, wytrzymałości na ściskania i mrozoodporności zestawiono w tabeli 1.
Badania przeprowadzono według obowiązującej normy PN-89/B -06258.
Właściwości użytkowe wyrobów odpowiadały wymaganiom obowiązujących wów- czas norm.
Tabela 1. Wyniki badań właściwości użytkowych ABK Symbol
bloczka i kostki
Stan suchy
Wiek obiektu w latach Kostki
kontrolne Po 15 cyklach zamrażania Gęstość
objętościowa [kg/m3]
Wytrzymałość na ściskanie
[MPa]
Wytrzyma- łość na ściskanie
[MPa]
Spadek wytrzymałości
na ściskanie [%]
Ubytek masy [% masy]
R-1 A B C
910910 895
4,65,0 5,5
4,95,3 5,6
0,00,0
0,0 45
wyjęty ze ściany średnia 905 +/- 30 5,0 +/- 0,2 5,3 +/- 0,2 +6 0,0
Pi2z A CB
695725 770
3,73,9 5,1
2,84,1 5,2
0,00,0
0,0 28
wyjęty ze ściany średnia 730 +/- 25 4,2 +/- 0,2 4,0 +/- 0,2 5 0,0
KR1 A B C
705728 745
3,84,2 4,7
3,13,5 5,3
0,00,0
0,0 21
składo- wany na wolnym powietrzu
średnia 725 4,2 +/- 0,2 4,0 +/- 0,2 5 0,0
Badania mikrobiologiczne
Badania na obecność bakterii i grzybów w próbkach ABK pobranych metodą odwiertów (w postaci pyłu) z przegród eksploatowanych budynków przeprowadzono w Zakładzie Mykologii Instytutu Gruźlicy i Chorób Płuc w Warszawie. Próbki ABK pochodziły z pierwszej zewnętrznej warstwy ścian [7, 9]. Identyfikowano szczepy grzybów uzyskane w posiewach oraz obliczano ogólną liczbę kolonii wyhodowanych na każdej z płytek
z podłożem. Za wynik ostateczny przyjmowano średnią uzyskaną z ogólnej liczby kolonii grzybów wyhodowanej na każdej z płytek.
Na podstawie badań oceniono że ABK nie jest podłożem do rozwoju bakterii a szcze- gólnie grzybów. Hamujący wpływ środowiska betonu komórkowego na rozwój mikroor- ganizmów (bakterii i grzybów) potwierdziły również wcześniejsze badania prowadzone przy symulacji wilgotnego klimatu tropikalnego i badania materiału zalanego wodą przez kilka, a nawet kilkadziesiąt dni podczas powodzi w 1997 r. [5].
Podsumowując wyniki uzyskane w drugim etapie badawczym (lata 1999-2002) ocenio- no że ABK wykonany według ustalonych dla danej technologii zasad charakteryzuje się właściwościami umożliwiającymi realizację trwałych obiektów. Dotychczasowe obserwacje budynków z ABK realizowanych w Polsce przede wszystkim w budownictwie jednoro- dzinnym nie wykazują, aby budynki te posiadały wady wynikające z braku trwałości ABK.
Nie stwierdzono również występowania korozji biologicznej ABK.
2.3. Badania trwałości ABK prowadzone w latach 2017–2018
W tym etapie przeprowadzono badania betonu komórkowego z uprzednio badanego po 21 latach obiektu mieszkalnego domu wolnostojącego parterowego z użytkowym poddaszem – zamieszkałym przez 4–5 miesięcy w roku (wiek obiektu 40 lat w północno- -wschodniej części Polski), jak również badania elementów pozostałych po jego budowie i składowanych przez 40 lat na wolnym powietrzu (przykryte jedynie od góry papą, lecz w okresie zim, całkowicie zasypywane śniegiem). Podkreślić należy, iż elementy murowe składowane jak wyżej opisano nie wykazywały widocznych gołym okiem nieprawidło- wości (oznak starzenia).
Zakres przeprowadzonych badań był następujący:
– wilgotność i jej rozkład w przekroju przegrody (pomiary co 5 cm),
– badania wg norm PN-EN tworzywa elementów murowych (oznaczonych GS1 i GS2) pozostałych po budowie domu. Dla betonu komórkowego(technologia Unipol – pia- skowy) wykonano badania; gęstości, wytrzymałości na ściskanie , skurcz przy wysy- chaniu (skurczliwość), współczynnik przewodzenia ciepła λ oraz stężenie naturalnych pierwiastków promieniotwórczych [11],
– skład fazowy i mikrostruktura betonu komórkowego z elementów murowych pozo- stałych po budowie (GS1 i GS2) [11, 13]. Dodatkowo jako porównawczy określono skład fazowy i mikrostrukturę betonu komórkowego „świeżego” (GS3) standardowo zbadanego po zakończeniu procesu autoklawizacji [12] i wykonanego wg tej samej technologii (Unipol piaskowy) co elementy murowe 40-letnie. Analizę składu fazowego wszystkich trzech próbek (GS1, GS2, GS3) (frakcja poniżej 0,063 mm) przeprowadzono metodą dyfrakcji rentgenowskiej. Analizę ilościową przeprowadzono metodą Rietvelda przy użyciu programu TOPAS.
Niezależnie od powyższych wykonano również badanie analizy termicznej [13]
oraz badania mikroskopowe SEM z przystawką EDS [11]. Rozmiar tych badań wynikał z większej dostępności specjalistycznej aparatury badawczej.
Badania wilgotności ABK w przekroju przegrody
Badania wilgotności przeprowadzone jesienią w 2017 roku oraz wiosną 2018 roku potwierdziły ustabilizowaną wilgotność eksploatacyjną przegrody bardzo zbliżoną do wilgotności w tej samej przegrodzie badanej po 21 latach (rys. 1 próbka KR).
Badania tworzywa elementów murowych z ABK składowanych przez 40 lat na wolnym powietrzu
Wyniki badań właściwości użytkowych oraz normy według których przeprowadzono badania podano w tabeli 2.
Tabela 2. Wyniki badań tworzywa elementów murowych (wartości średnie z badań dwóch elementów murowych – GS1i GS2) [11]
Lp. Właściwość Jednostka Wynik badania Normy
1 Gęstość brutto w stanie
suchym kg/m3 750 PN-EN 772-
13:2001 2 Wytrzymałość na ściskanie N/mm2 3,4 * (wilg 6%)
4,1 (stan suchy) PN-EN 772-1:2011 3 Skurcz przy wysychaniu
Ecs, ref. mm/m 0,14 PN-EN 680:2008
4 Współczynnik przewodze-
nia ciepła λ W/(m*k) 0,1928+/-0,0035 PN-ISO 8301:1998 5 Stężenie naturalnych
pierwiastków promienio- twórczych.
Współczynniki aktywności f1
f2 Bq/kg 0,18+/-0.03
12,32+/-5,35
wg Poradnika ITB nr 455/2010
Badania składu fazowego i mikrostruktury
W tabeli 3 podano wyniki analizy ilościowej identyfikacji faz w próbkach ABK przepro- wadzonej metodą Rietvelda przy użyciu programu TOPAS [11]. Ujęto w niej oznaczone najważniejsze fazy (przeważające ilościowo): kwarc, kalcyt (CaCO3), tobermoryt i fazę amorficzną (C-S-H).
Tabela 3. Wyniki badań składu fazowego ABK [11]
Faza Wartości ( w % wagowych)
Oznaczenie próbek GS 1
(40 letni)
GS 2 (40 letni)
GS 3 („świeży”) Kwarc
SiO2 30,32+/-0,17 30,84+/-0,19 28,03+/-0,3
Kalcyt
CaCO3 41,08+/-0,22 40,87+/-0,29 10,4+/-0,3
Tobermoryt 5Ca-
O*6SiO2*5H2O Nie wykryto Nie wykryto 37,1+/-0,7 Faza amorficzna
CSH 19,45+/-0,57 16,38+/-0,66 14,2+/-1,3
Badania ilościowe składu fazowego wykazały brak tobermorytu w 40-letnich prób- kach ABK (GS1 i GS2) składowanych na wolnym powietrzu, natomiast dużą zawartości kalcytu ok. 41%. W „świeżej” próbce ABK (GS3) zawartości tobermorytu wynosiła około 37% (poziom przeciętny dla świeżych betonów), a kalcytu 10% (poziom trochę wyższy niż przeciętny) (13). Wyniki te wskazują na szczególnie sprzyjające warunki dla przebiegu procesu karbonatyzacji ABK składowanego na wolnym powietrzu.
Badania mikroskopowe próbek ABK GS1 rysunek 2. i GS2 rysunek 3., wskazują jednak wyraźnie że tobermoryt w próbkach ABK składowanym w warunkach jak podano wyżej istnieje, często jednak jest on przysłonięty skupiskami kalcytu. Dla porównania na rys. 4. przedstawiono obraz mikroskopowy „świeżej” próbki ABK. O tym że próbki starego ABK zawierają tobermoryt świadczą również badania DTA [13] – rysunek 5. Dla porównania na rysunek 6. przedstawiono wyniki analizy termicznej „świeżego” ABK [13].
a) b)
c) d)
Rys. 2. Zdjęcie SEM próbki GS 1 ABK i analiza EDS [11]
a) b)
c) d)
e)
Rys. 3. Zdjęcie SEM próbki GS 2 ABK i analiza EDS [11]
a) b)
c) d)
e)
Rys. 4. Zdjęcie SEM próbki GS 3 ABK i analiza EDS [11]
a)
b)
Rys. 5. Wyniki badań analizy termicznej próbki GS1 ABK [13]
a)
b)
Rys. 6. Wyniki badań analizy termicznej próbki GS3 ABK [13]
3. Podsumowanie
Badania przeprowadzone w Polsce dotyczące trwałości obiektów i elementów murowych z autoklawizowanego betonu komórkowego po 10;20 i 40 latach ich użytkowania i sto- sowania, pozwalają na sformułowanie stwierdzeń i wniosków, mających duże znaczenie w praktyce.
– Jednym z ważniejszych są uzyskane wyniki w zakresie wilgotności eksploatacyjnej przegród zewnętrznych z betonu komórkowego. Stwierdzono że wilgotność ustabili- zowana w budynkach w przypadku przegród z betonów komórkowych piaskowych nie przekracza 3% masy, a z betonów popiołowych jest nieco wyższa i wynosi średnio około 4,5% masy. Rozkład wilgoci w przekroju przegród jest w zasadzie równomierny.
Zawilgocenie na wyżej wymienionym poziomie można uznać jako charakterystyczne dla przegród eksploatowanych w warunkach średnio wilgotnych; przy czym nie ma znaczących różnic w wilgotności przegród w danych porach roku.
Uzyskane wyniki mają duże znaczenie dla oceny właściwości izolacyjnych dla prze- gród z betonu komórkowego. Przy tak małym zawilgoceniu, przegrody charakteryzują się dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi. Wyniki badań wilgotności przegród przeczą niekiedy głoszonym opiniom o bardzo dużym zawilgoceniu ścian z betonu komórkowego.
– Oględziny budynków, z których pobierano próbki do badań zawilgocenia wykazały, że nie podlegały one procesom starzenia widocznym gołym okiem.
– Beton komórkowy o zawilgoceniu poniżej 30% masy, a więc w stanie zawilgocenia kapilarnego jest materiałem odpornym na działanie mrozu.
– Badania po latach składu fazowego próbek ABK oznaczonych symbolem GS1 i GS2 wykazały, że ich skład fazowy różni się w sposób zasadniczy od betonu komórkowego wytwarzanego aktualnie (GS3). Różnice te dotyczą przede wszystkim ilości kalcytu (CaCO3) oraz C-S-H i tobermorytu. „Stary” beton zawiera więcej kalcytu, a mniej tobermorytu i C-S-H. Trudno jednoznacznie stwierdzić, że wzrost zawartości CaCO3 jest spowodowany karbonatyzacją produktów fazowych typu jak uwodnionych krze- mianów wapnia (C-S-H) i tobermorytu. Wynika to przede wszystkim z tego, że nie ma próbek pierwotnych dotyczących badań składu fazowego w szczególności zawartości w początkowym okresie nieprzereagowanego CaO.
Można jednak sądzić, że w latach 70. produkowano przede wszystkim odmianę 700 i starano się uzyskać dobre właściwości użytkowe poprzez zwiększenie zawartości cementu i wapna.
W tym czasie również stosowane materiały wiążące, szczególnie cement miał mniej- szą powierzchnię właściwą pomimo wspólnego przemiału z częścią kruszywa. Brak jest badań składu stosowanych mieszanek.
Badania rentgenograficzne wprawdzie wykazały brak tobermorytu w „starych”
próbkach ABK jednak należy stwierdzić, że w mieszaninie jakim jest beton komórko- wy zasadniczą fazę stanowi kwarc i kalcyt, który przykrywa występujące uwodnione krzemiany wapniowe. Badaniom rentgenograficznym przeczą przeprowadzone badania mikroskopowe SEM z przystawką EDS.
Z badań tych wynika, że w starym ABK tobermoryt występuje, natomiast występuje również zwiększona ilość mikrokrystalicznego krzemianu wapniowego, który podlega znacznej krystalizacji w początkowej morfologicznej formie C-S-H.
Z obliczeń termodynamicznych prof. Petrosjana [15] oraz prof. Starka [16] wynika jednoznacznie, że najbardziej trwałą odmianą termodynamiczną produktów wchodzących w skład ABK jest tobermoryt. Zatem można przypuszczać, jak wykazują dane niektórych
autorów, że faza C-S-H wskutek rekrystalizacji uwalnia część wodorotlenku wapnia, który ulega karbonatyzacji. O tym, że próbki starego ABK zawierają tobermoryt świadczą również badania DTA (rys. 5).
Należy dodać, że badania modelowe w warunkach zbliżonych do warunków sto- sowania ABK w obiektach budowlanych wpływu CO2 na skład fazowy ABK mają sens wówczas, gdy zostaną przeprowadzone poprzez badanie trwałości samej fazy C-S-H i tobermorytu. W związku z tym, aby jednoznacznie się przekonać, jak twierdzą nie- którzy autorzy, że tobermoryt ulega rozkładowi na żel krzemionkowy C-S-H i kalcyt CaCO3 konieczne jest syntetyzowanie tych faz w warunkach hydrotermalnych i dopiero badanie wpływu C-S-H na trwałość. Zakładając, że niektórzy autorzy sugerują rozkład tych dwóch faz krzemianowych, to 40 letnie elementy murowe z ABK, które były przed- miotem moich badań, powinny ulec spękaniu i rozpadowi. Wykazałam Państwu, że takie zjawisko nie wystąpiło.
Oględziny zbadanych elementów murowych, składowanych przez 40 lat i w surowych warunkach klimatycznych nie wykazały nieprawidłowości w wyglądzie zewnętrznym.
Badania wykazały ich pełną mrozoodporność a wytrzymałość na ściskanie po 21 latach 4,2 MPa (Co= 725 kg/m3), a po 40 latach wytrzymałość 4,1 MPa (Co=750 kg/m3). Można postawić stwierdzenie, że proces naturalnej karbonatyzacji ABK o wyjściowej, „dobrej”
jakości nie prowadzi do pogorszenia mrozoodporności i wytrzymałości.
Analizę przebiegu procesów karbonatyzacji szeroko przedstawia prof. W. Kurdowski w pracy [17]. Podaje w niej także różne opinie autorów na temat karbonatyzacji uwod- nionych krzemianów wapnia i tobermorytu uzyskiwanych w wyniku autoklawizacji.
– Beton komórkowy nie jest podłożem do rozwoju bakterii i grzybów. Badania mikrobio- logiczne wykazały albo brak wzrostu zawartości grzybów i bakterii albo wzrost jedynie pojedynczych kolonii grzybów, należących do różnych rodzajów; oznacza to normalne zanieczyszczenie zarodnikami grzybów znajdującymi się zazwyczaj w powietrzu.
4. Wnioski
– Wyniki z przeprowadzonych do tej pory badań stanowią podstawę do postawienia wniosku, iż upływ czasu w wyrobach ABK nie powoduje zmian prowadzących do obniżenia jego właściwości użytkowych, które doprowadziłyby do zmiany jego funkcji w obiektach budowlanych. Obserwacje obiektów z zastosowaniem ABK udowadniają, że jest on materiałem trwałym. Oczywistym jest, że wymagane jest przy jego wytwa- rzaniu przestrzeganie ustalonych na dzień dzisiejszy zasad i wymogów.
Tym niemniej wskazane jest jednak prowadzenie dalszych badań dotyczących granicz- nych wartości poszczególnych właściwości ABK w kontekście rzeczywistych zastosowań.
Literatura
[1] P. Nerent: Określenie odporności gazobetonu na zamrażanie w surowych warunkach klimatycznych.
Międzynarodowe Sympozjum Rilem na temat trwałości betonu. Praga 1969
[2] Berit Straube, Torsten Schoch: The durability of autoclaved aerated concrete von Porenbeton. Mauer- werk. Masonry 3/4 Volume 18, June 2014 (s.239-245)
[3] H. Ziembicka, A. Morawska: Trwałość betonu komórkowego w polskich warunkach klimatycznych.
Wydawnictwo: z serii L-Betony komórkowe, Centralnego Ośrodka Badawczo-Rozwojowego Przemysłu Betonów „CEBET” Warszawa 1974
[4] Materiały Głównego Urzędu Statystycznego oraz Stowarzyszenia Producentów Betonów w Polsce [5] G. Zapotoczna-Sytek, S. Balkovic: Autoklawizowany beton komórkowy. Technologia. Właściwości.
Zastosowanie. Wydawnictwo Naukowe PWN, Stowarzyszenie Producentów Betonów, Warszawa 2013
[6] Pełne i uzupełniające badania fizyko-techniczne w zakresie autoklawizowanego betonu komórkowego – termowilgotność, Opracowanie ZBiDPB, Warszawa, 1969 i 1971, maszynopis.
[7] Praca zespołowa: Badania cieplno-wilgotnościowe i trwałościowe murów z elementów z betonu komórkowego. Opracowanie COBRPB CEBET. Warszawa 1999 i 2001, maszynopis
[8] B. Górska: Rentgenowska analiza ilościowa podstawowych składników w betonie komórkowym i surowcach użytych do jego produkcji. COBRPB CEBET, Warszawa 1999, maszynopis
[9] B. Górska, M. Łaś, J. Romanowski. G. Zapotoczna-Sytek: Trwałość betonu komórkowego w świetle najnowszych badań. XLVI Konferencja KILiW PAN i KN PZITB „Krynica 2000” oraz Wydawnictwo Prace COBRPB CEBET, Zeszyt 30 s. 37-47, Warszawa 2002
[10] J. Romanowski, M. Kruk. G. Zapotoczna-Sytek: Możliwość nadbudowy budynków z betonu komór- kowego po wieloletniej eksploatacji.
Materiały Budowlane 11/2003 (nr 375) s. 35-37 [11] Sprawozdania i raporty ICiMB:
- Sprawozdanie nr GS/TL/17 z badań elementów murowych z autoklawizowanego betonu komór- kowego Warszawa 2017
- Raport z badań ABK – 04.09.17-1 Warszawa 2017/18
- Raport z badań składu fazowego i mikrostruktury ABK, Warszawa 2018 [12] Sprawozdanie nr 66/17/1/35 z badań ABK PPB Prefbet Śniadowo Sp. z o.o. 2017 [13] Raport z badań XRD i analizy termicznej próbek ABK. AGH Kraków. Maszynopis 2018
[14] Materiały z 5 Międzynarodowej Konferencji dotyczącej ABK „Zapewnienie zrównoważonego rozwoju”, Bydgoszcz, Polska, 14-17.09.2011
[15] Mtschedlow Petrosjan,O.P.Thermodynamik der Silikate.Berlin1966 [16] J.Stark,B.Wicht. Daurhaftigkeit von Beton. Weimar 1995
[17] W. Kurdowski: Chemia cementu i betonu, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Wydawnictwo Naukowe PWN, Kraków – Warszawa 2010
