Czy skurcz betonu napowietrzonego i nienapowietrzonego z dodatkiem żużla
jest taki sam?
is shrinkage of aerated and non-aerated concretes made of slag cements the same?
Streszczenie
W badaniach starano się wyjaśnić wpływ napowietrzenia i stosowania portlandzkiego cementu żużlowego oraz cementu hutniczego na skurcz betonu. Badania liniowe od- kształceń skurczu przeprowadzono w sześciu niezależnych wzajemnie od siebie seriach, zawierających betony napowietrzone i nienapowietrzone wykonane z użyciem dwóch cementów z dodatkiem żużla wielkopiecowego oraz z cementu portlandzkiego. Pomiarów odkształceń dokonywano za pomocą aparatu Amslera – stosując próbki o wymiarach 10x10x50 cm. Według przeprowadzonych badań odkształcenia własne betonu napowie- trzonego z cementu portlandzkiego były mniejsze niż odkształcenia nienapowietrzonego.
Natomiast napowietrzenie betonów z cementów zawierających żużel wielkopiecowy spo- wodowało zwiększenie ich skurczu. Ponadto dodatek żużla wielkopiecowego do cementu powoduje zmniejszenie skurczu betonów napowietrzonych i nienapowietrzonych. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono także, że skurcz odwracalny (pęcznie- nie) dojrzałego betonu z cementu portlandzkiego jest większy niż betonów z cementów zawierających żużel wielkopiecowy.
Abstract
The studies were carried out to explain an effect of aeration and blast furnace granulated slag addition on shrinkage of concrete. There were measured linear shrinkage deforma- tions of 6 aerated and non-aerated concretes altogether made of two bfgs cements and
Hubert Sikora Wojciech Piasta
mgr inż. Hubert Sikora – Przedsiębiorstwo Usługowe „Gamex-Projekt” Sp. z o.o., Kielce dr hab. inż. Wojciech Piasta, prof. PŚk – Politechnika Świętokrzyska, Kielce
someter on prisms 10x10x50 cm. According to the test results, the shrinkage of aerated concrete made of Portland cement is lower than that of non-aerated concrete. However, the aeration of bfgs-cement concrete results in higher shrinkage. It was also found that the bfg-slag added to cement led to a significant decrease in shrinkage deformations of aerated and non-aerated concretes. It was stated that the reversible shrinkage deforma- tions (swelling) of all the four bfgs-cement concretes were lower than those of Portland cement concretes.
Czy skurcz betonu napowietrzonego i nienapowietrzonego ...
DNI BETONU 2010 3
Wprowadzenie 1.
Zjawisko skurczu jest skomplikowanym procesem, na który nakłada się w sposób sumaryczny szereg składników. Skurcz kompozytów cementowych jest związany ze zmniejszaniem zawartości wody w zaczynie, co zachodzi z dwóch głównych przyczyn:
samoosuszania podczas hydratacji cementu oraz suszenia betonu pod wpływem ze- wnętrznych czynników. Ponadto podczas postępującej hydratacji na skurcz nakładają się kontrakcja układu cement-woda.
Panuje opinia, że w najdrobniejszych porach kapilarnych (2,5-30 nm) podczas opusz- czania ich przez wodę dochodzi do zmian ciśnienia kapilarnego, w wyniku czego pojawiają się naprężenia w twardniejącym zaczynie [1]. Naprężenia te wywołują odkształcenia, które powodują zmniejszenie łącznej objętości zaczynu, określane jako skurcz kapilarny, który częściowo jest odwracalny po ponownym nasyceniu przez wodę zaczynu. Osuszanie betonu jest tym szybsze im większa jest jego porowatość kapilarna oraz udział porów dużych, gdyż pory kapilarne są główną drogą przemieszczania się wody w stwardnia- łym zaczynie. Natomiast porowatość i rozkład wielkości porów w największym stopniu zależy od stosunku w/c. Trzeba jednak pamiętać o tym, że przy stałym stosunku w/c porowatość zaczynu i jej struktura jest funkcją stopnia hydratacji, który w tych samych warunkach zależy od składu mineralnego cementu i zastosowanych dodatków. Według innej hipotezy część zachodzącego skurczu nieodwracalnego, związana jest z wysycha- niem żelu C-S-H, czyli utratą wody z mikroporów żelowych mniejszych niż 2,5 nm [1].
Efekt ten powoduje w żelu fazy C-S-H zbliżenie jej warstw.
Thomas i Jennings [2] interpretują mechanizm skurczu, ale tylko nieodwracalnego, opierając się na założeniu, że w zaczynie cementowym faza C-S-H występuje w postaci żelu, który składa się z cząstek wielkości koloidalnej. Podczas chemicznego procesu „sta- rzenia” cząstki fazy C-S-H tworzą większe agregaty, dzięki czemu wzrasta wytrzymałość zaczynu, a także jego gęstość. Sprzyja to zmniejszaniu objętości zaczynu, które występuje przy utracie wody przez żel C-S-H [2].
Zastąpienie w cemencie części klinkieru żużlem wielkopiecowym powoduje zmiany mikrostruktury stwardniałego zaczynu (betonu), m.in.: powstawania większej ilości fazy C-S-H, innej struktury porów w zaczynie oraz niższego stopnia hydratacji (szczególnie w pierwszych jej dniach, gdy zachodzi największy skurcz). W związku z tym dodatek żużla w sposób pośredni (poprzez zmiany mikrostruktury) ma także wpływ na skurcz stwardniałego zaczynu (betonu). Natomiast bezpośredni wpływ żużla na skurcz polega na tym, że ziarna żużla (z powodu wolniejszej hydratacji jego minerałów niż minerałów klinkieru) pełnią rolę mikrowypełniacza w zaczynie, co zmniejsza skurcz.
Pomimo powszechnego wykonywania elementów, z betonu napowietrzonego, często z cementów z dodatkami żużla lub popiołów, nie są znane w literaturze wyniki badań skurczu betonów napowietrzonych.
Materiały i metody badań 2.
Badania odkształceń własnych – skurczu i pęcznienia, zostały przeprowadzone na beto- nach nienapowietrzonych i napowietrzonych w jednej serii o stosunku w/c = 0,50. Do wykonania betonów użyto następujące rodzaje cementów: portlandzki CEM I 42,5R, portlandzki żużlowy CEM II/B-S 42,5 N, hutniczy CEM III/A 42,5 N. Wszystkie trzy ro- dzaje cementów zostały wyprodukowane z tego samego klinkieru w jednej cementowni.
Jako kruszywo drobne zastosowano naturalny piasek kwarcowy (Dziergowice 0-2,0 mm).
Jako kruszywo grube zastosowano kruszywo naturalne (rzeczne) (Dziergowice 2-8 mm oraz Wójcice 8-16 mm). Z każdym z powyższych cementów wykonano po dwa betony:
bez domieszki napowietrzającej oraz z domieszką napowietrzającą, dodawaną w ilości 0,20-0,28% masy cementu. Skład mieszanek betonowych przedstawiono w tabeli 1, przy czym zmianie ulegał rodzaj cementu.
Tabela 1. Skład mieszanek betonowych [kg /m3] seria 1
w/c=0,50
beton nienapowietrzony beton napowietrzony
W = 175 W = 175 *
C = 350 C = 350
K2-8 = 548 K2-8 = 548
K8-16 = 681 K8-16 = 681
P = 605 P = 605
Dm = 0 Dm = 0,70-0,98
* łączna masa wody i domieszki napowietrzającej
Oprócz badań stwardniałego betonu zostały wykonane następujące pomiary mie- szanek betonowych:
konsystencji metodą stożka opadowego –
zawartości powietrza metodą ciśnieniową –
gęstości objętościowej mieszanki betonowej –
Wyniki badań mieszanek betonowych przedstawiono w tabeli 2.
Próbki bezpośrednio po wykonaniu aż do pierwszego pomiaru przechowywano w powietrzu o wilgotności względnej 100%, zapewnionej przez szczelne zamknięcie form wypełnionych mieszanką w komorze nad wodą. Po przeprowadzeniu pierwszego pomiaru próbki były przechowywane w powietrzu o wilgotności 70±5%, w każdym przypadku w temperaturze 20oC. Okres przechowywania próbek wynosił od 330 do 390 dni w powietrzu o ww 70% oraz 45 dni w wodzie.
Tabela 2. Wyniki badań mieszanek betonowych
Rodzaj cementu: CEM I 42,5 R CEM II/B-S 42,5 N CEM III/A 42,5 N
Beton nnp* np* nnp* np* nnp* np*
Opad stożka 3,0 cm 5,6 cm 1,0 cm 5,0 cm 4,0 cm 5,0 cm
Zawartość powie-
trza 2,2% 5,6% 2,0% 5,2% 2,2% 5,4%
Gęstość
objętościowa 2,35
kg/dm3 2,26
kg/dm3 2,36
kg/dm3 2,29
kg/dm3 2,37
kg/dm3 2,26 kg/dm3
* nnp – beton nienapowietrzony, np – beton napowietrzony
Czy skurcz betonu napowietrzonego i nienapowietrzonego ...
DNI BETONU 2010 5
Badania odkształceń przeprowadzono aparatem Amslera, używając po 6 próbek każ- dego betonu o wymiarach 10x10x50 cm z czopikami umieszczonymi centralnie w próbkach.
Pierwszy pomiar próbek wykonywano po 24 godzinach od ich wykonania.
Do oznaczenia wytrzymałości betonu na ściskanie użyto 5 kostek 15x15x15 cm każ- dego z betonów.
Omówienie wyników badań 3.
3.1. Skurcz i pęcznienie betonów
Wpływ napowietrzenia. Na rysunku 1 przedstawiono wyniki badań odkształceń skurczo- wych w powietrzu i pęcznienia w wodzie betonu napowietrzonego i nienapowietrzonego z cementu portlandzkiego CEM I 42,5R w zależności od czasu.
Rys. 1. Skurcz i pęcznienie napowietrzonego (np) i nienapowietrzonego (nnp) betonu z cementu portlandzkiego o stosunku w/c = 0,50
Wyniki badań wykazują, że w wieku od 7 dni aż do stabilizacji skurczu badanego od 330 do 390 dni, beton napowietrzony osiągnął mniejszą wartość odkształcenia niż beton nienapowietrzony. Maksymalna wartość skurczu betonu nienapowietrzonego wynosiła 620x10-6 m, natomiast betonu napowietrzonego 560x10-6 m. Względna różnica w odkształceniach w wieku od 150 do 360 dni wynosiła około 15%, w stosunku do betonu nienapowietrzonego. Największe różnice pomiędzy szybkością odkształcenia skurczowego betonu napowietrzonego i nienapowietrzonego obserwowano w okresie od 28 do 90 dni.
Skurcz odwracalny (pęcznienie) betonu napowietrzonego i nienapowietrzonego wynosił odpowiednio 152x10-6 m i 201x10-6 m, a więc i w tym przypadku beton napowietrzony wy- kazał mniejsze zmiany objętości niż beton nienapowietrzony. Można założyć, że zależność ta potwierdza wcześniej stwierdzony większy skurcz betonu nienapowietrzonego.
Zupełnie inny obraz zmian objętości wykazały betony wykonane z portlandzkiego ce- mentu żużlowego (rys. 2). Napowietrzenie betonu spowodowało zwiększenie skurczu.
Rys. 2. Skurcz i pęcznienie napowietrzonego i nienapowietrzonego betonu z cementu żużlowego CEM II/B-S 42,5 N o stosunku w/c = 0,50 od wieku 24 godzin. (nnp – beton nienapowietrzony, np – beton napowietrzony)
Do trzech dni odkształcenia skurczowe obu betonów napowietrzonego i nienapo- wietrzonego były w przybliżeniu jednakowe (ok. 50,0x10-6 m). Natomiast po 120 dniach odkształcenie betonu napowietrzonego wynosiło 480,0x10-6 m i było znacznie większe niż betonu nienapowietrzonego, który w tym okresie osiągnął skurcz ok. 360,0x10-6 m.
Od 120 dni aż do zakończenia badań skurczu, tj. 330 dni, beton napowietrzony osiągał większe wartości odkształceń skurczowych niż beton nienapowietrzony. Względna róż- nica w odkształceniach w wieku od 120 do 330 dni wynosiła od 30 do 34%. Największe różnice pomiędzy wartościami odkształcenia skurczowego betonu napowietrzonego i nienapowietrzonego obserwowano w wieku od 120 do 330 dni. Skurcz odwracalny (pęcz- nienie) betonu napowietrzonego i nienapowietrzonego wynosił odpowiednio 160x10-6 m i 75x10-6 m. W powyższym przypadku beton napowietrzony wykazał dwukrotnie większe zmiany objętości niż beton nienapowietrzony.
Podobny obraz zmian objętości do betonów wykonanych z portlandzkiego cementu żużlowego wykazały betony z cementu hutniczego CEM III/A 42,5 N (rys. 3). Napowie- trzenie betonu również w tym przypadku spowodowało zwiększenie skurczu.
Do 7 dni odkształcenia skurczowe betonów napowietrzonego i nienapowietrzonego przebiegały podobnie i osiągnęły podobną wielkość wynoszącą odpowiednio 204x10-6 m i 190x10-6 m. W okresie od 7 do 30 dni wystąpił większy i szybciej przebiegający skurcz betonu napowietrzonego, który wyniósł 356x10-6 m, natomiast skurcz betonu nienapowie- trzonego w tym samym okresie osiągnął wartość 272x10-6 m. Począwszy od 60 dni aż do zakończenia badań skurczu, tj. 330 dni, beton napowietrzony utrzymywał większe wartości odkształceń niż beton nienapowietrzony, a względna różnica w odkształceniach wynosiła od 20 do 28%, względem betonu nienapowietrzonego. Największą różnicę pomiędzy wartościami odkształcenia skurczowego betonu napowietrzonego i nienapowietrzonego zaobserwowano po 30 dniach. Skurcz odwracalny (pęcznienie) betonu napowietrzonego i nienapowietrzonego wynosił odpowiednio 45x10-6 m i 112x10-6 m. W przypadku beto- nów z cementu hutniczego beton napowietrzony wykazał dwukrotnie mniejsze zmiany odkształceń niż beton nienapowietrzony.
Czy skurcz betonu napowietrzonego i nienapowietrzonego ...
DNI BETONU 2010 7
Wpływ rodzaju cementu. Na podstawie wyników badań (rys. 4) stwierdzono znaczne różnice w odkształceniach betonów zależne od rodzaju cementu przy zachowaniu stałego składu mieszanek betonowych. W przypadku betonów napowietrzonych największy skurcz miał beton z cementu portlandzkiego, który wynosił 560x10-6 m, natomiast skurcz betonów z cementów zawierających żużel był znacznie mniejszy i wynosił w przypadku betonu z portlandzkiego cementu żużlowego 492x10-6 m i 416x10-6 m dla betonu z cementu hutniczego.
W serii betonów nienapowietrzonych największy skurcz (wynoszący 620x10-6 m) osiągnął beton z cementu portlandzkiego, natomiast odkształcenia skurczowe betonów z portlandzkiego cementu żużlowego i hutniczego były dużo mniejsze – odpowiednio o 43% i 49% (rys. 5).
Rys. 3. Skurcz i pęcznienie napowietrzonego i nienapowietrzonego betonu z cementu hutniczego CEM III/A 42,5 N o stosunku w/c = 0,50 od wieku 24 godzin (nnp – beton nienapowietrzony, np – beton napowietrzony)
Rys.4. Wpływ rodzaju cementu na odkształcenia betonów napowietrzonych o stosunku w/c = 0,50 (od wieku 24 godzin), ( np – beton napowietrzony)
Rys. 5. Wpływ rodzaju cementu na odkształcenia betonu nienapowietrzonego o stosunku w/c = 0,50 od wieku 24 godzin (nnp – beton nienapowietrzony)
3.2. Wytrzymałość betonów na ściskanie
Na rysunku 6 oraz w tabeli 3 przedstawiono średnie wartości wytrzymałości na ściskanie oraz ich klasyfikację zgodnie z PN-EN-206-1.
Tabela 3. Wytrzymałość i klasy wytrzymałości na ściskanie Rodzaj
cementu CEM I 42,5 R CEM II/B-S 42,5 N CEM III/A 42,5 N
Beton nnp* np* nnp* np* nnp* np*
Fcm [mpa]: 46,10 38,90 54,20 45,78 54,80 48,07
Klasa
wytrzymałości C30/37 C25/30 C40/50 C30/37 C40/50 C30/37
* nnp – beton nienapowietrzony, np – beton napowietrzony
Napowietrzenie betonu spowodowało zmniejszenie wytrzymałości betonu z cementu portlandzkiego o jedną klasę, natomiast w przypadku betonów z cementów CEM II/B-S i CEM III/A zawierających żużel, o dwie klasy. Wytrzymałość na ściskanie betonu na- powietrzonego była średnio o 17,4-17,8% niższa niż betonu nienapowietrzonego, co daje około 5% spadek wytrzymałości na 1% napowietrzenia.
Czy skurcz betonu napowietrzonego i nienapowietrzonego ...
DNI BETONU 2010 9
Rys. 6. Średnie wytrzymałości na ściskanie w zależności od rodzaju cementu oraz napowie- trzenia
Podsumowanie 4.
W efekcie wprowadzenia do mieszanki betonowej z cementu portlandzkiego dodatkowych 4% powietrza nastąpiło zmniejszenie 15% skurczu betonu. Zupełnie inny obraz zmian objętości wykazały 2 betony wykonane z cementów zawierających żużel. Napowietrzenie betonów spowodowało zwiększenie skurczu, który był o ok. 30% większy niż betonów nienapowietrzonych. Różny wpływ napowietrzenia na skurcz betonów z cementu port- landzkiego i z cementów zawierających żużel wielkopiecowy jest zastanawiający i wymaga dalszych badań w celu wyjaśnienia przyczyny tego zjawiska.
Na podstawie wyników badań betonów napowietrzonych i nienapowietrzonych z różnych rodzajów cementów generalnie stwierdzono, że skurcz betonów z cementu portlandzkiego jest największy. Znaczne zmniejszenie skurczu, wykazały betony z ce- mentów zawierających żużel wielkopiecowy. Ponadto zarówno betony napowietrzone, jak i nienapowietrzone wykazują tendencję do coraz mniejszego skurczu wraz ze wzro- stem zawartości żużla w cemencie. Największe zmniejszenie skurczu – prawie o 50%, wystąpiło, gdy w betonie nienapowietrzonym cement portlandzki zastąpiono cementem hutniczym, zawierającym ponad 50% żużla. Trudno bez dalszych badań potwierdzić omówione wcześniej hipotezy, nie mniej jednak otrzymane wyniki badań wskazują na prawdopodobną przyczynę, którą była zmiana mikrostruktury betonów.
Wnioski 5.
Badania własne, przeprowadzone w celu rozpoznania, dotąd nieporuszonego w litera- turze, zagadnienia skurczu betonu napowietrzonego, pozwalają wyciągnąć następujące wnioski:
skurcz napowietrzonego betonu z cementu portrlandzkiego jest mniejszy niż betonu – nienapowietrzonego,
skurcz napowietrzonych betonów z cementu CEM II/B-S i CEM III/A jest większy –
niż betonów nienapowietrzonych,
porównanie skurczu napowietrzonych i nienapowietrzonych betonów z cząstek trzech –
rodzajów cementów pokazuje że jest on największy w przypadku cementu CEM I, skurcz odwracalny (pęcznienie) dojrzałego betonu z cementu portlandzkiego jest – większy niż betonów z cementów zawierających żużel
Literatura
[1] Bentur A., Kung J., Berger R. L., Young J. F., Milstone N. B., Mindess S., Lawrence F. V., 7th ICCC Paris, t. III, s. VI-26, Paris 1980,
[2] Thomas J. J., Jennings H. M., A colloidal interpretation of chemical aging of the C-S-H gel and its effects on the properties of cement paste, CCR, vol. 36, (2006), 30-38
Wykorzystane materiały
[1] PN-B-06714-23:1984: Kruszywa mineralne. Badania – Oznaczanie zmian objętościowych metodą Amslera.
[2] PN-EN-206-1:2003: Beton.
