Seria: BUDOWNICTWO z. 109 N r kol. 1735
Magdalena PIECHÓWKA*
Politechnika Wrocławska
WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE ZACZYNÓW CEMENTOWYCH Z DODATKIEM POLIMEROW EGO SUPERABSORBERA (SAP) DO WEWNĘTRZNEJ PIELĘGNACJI BETONU
Streszczenie.
Praca przedstawia wyniki badań wpływu polimerowego super - absorbera (0-0,8% masy cementu) na właściwości reologiczne zaczynów cementowych o w/c<0,4 z uwzględnieniem ilości i sposobu jego wprowadzenia. Niezależnie od ilości dodanego hydrożelu zachowano jednakową, wynikającą ze skurczu chemicznego, dodatkową ilość wody. Na podstawie krzywych płynięcia i binghamowskich parametrów Teologicznych (ty, Upl) stwierdzono, że wpływ hydrożelu na reologię zaczynów zależy przede wszystkim od sposobu jego wprowadzenia. Domieszany do cementu na sucho praktycznie nie wpływa na granicę płynięcia, natomiast zwiększa lepkość. Z badań wynika także, że obecność hydrożelu w zaczynie unieruchamia tylko część wody przeznaczonej do wewnętrznej pielęgnacji.RHEOLOGICAL PROPERTIES OF CEMENT PASTES WITH ADDITION OF SUPER ABSORBENT POLYMERS (SAP) FOR INTERNAL CURING OF CONCRETE
Summary.
In the paper test results are presented o f the influence o f SAP on the Theological properties o f cement pastes with w/c < 0.4 for various SAP amount (up to 0.8% of cement mass) and different addition procedures. At each experiment, the same amount of additional water was used that was deduced from chemical shrinkage, and was independent on the hydrogel percentage. After flow curves and Bingham rheological parameters (ry, r|pl) it has been shown, that the influence o f hydrogel on the rheological characteristics o f the tested cement pastes was dependent mostly upon the procedure o f its addition. When added to dry cement, there were nearly no influence on the flow limit, but viscosity was increased. It has been also found that because o f addition o f hydrogel to cement paste only part o f water that was assigned for internal curing, was immobilized.* Opiekun naukowy: Prof. dr hab. inż. Leokadia Kucharska
2 7 2 M . Piechówka
1. Wprowadzenie
Rozwijane technologie betonu typu BWW o zwiększonej trwałości ukierunkowane są m.in. na zapewnienie im doskonałej szczelności. Umożliwiają to coraz efektywniejsze reduktory wody [1] oraz wypełniacze, dzięki którym można zmniejszyć stosunek wodno- cementowy znacznie poniżej progu perkolacji [2] i zachować wymaganą urabialność. Do rozwiązania pozostają problemy związane z pielęgnacją takich betonów [3],
Zmniejszonemu w/c<0,4 odpowiada zwykle zwiększona ilość cementu, superplastyfikatora, dodatek pyłu krzemionkowego lub innych pucolan, w wyniku czego utworzenie zwartej mikrostruktury odbywa się w krótkim czasie, przy niewielkim stopniu hydratacji cementu. Uniemożliwia to wnikanie wody z zewnątrz i wystąpienie skurczu chemicznego [4]. Hydratacja cementu w początkowym okresie twardnienia, bez dopływu wody z otoczenia, prowadzi do wystąpienia zjawiska samoosuszania i autogenicznego skurczu [4], Odkształcenia e ze skurczu samoosuszania mogą przekraczać l%o (większe w składach z pyłem krzemionkowym) [5, 13], a to, że występuje on we wczesnym okresie twardnienia (duże gradienty temperatury, minimum wytrzymałości na rozciąganie po około 10 h [6]), może prowadzić do mikrospękań, które z upływem czasu ulegają powiększeniu.
Ze sposobów ograniczania skurczu samoosuszania lub jego skutków brane jest pod uwagę [3, 7-10]:
- modyfikacja cementu (niniejsza powierzchnia), - stosowanie dodatków mineralnych i/lub chemicznych, - zmniejszenie w/c nie więcej niż do 0,35,
- zastosowanie wewnętrznej pielęgnacji przez dodanie do mieszanki porowatego, nasyconego w odą drobnego kruszywa (pumeks, Lyotag, L iap o r) [11],
- wzmocnienie kruchej matrycy cementowej mikro włóknami lub włóknami.
Dobry efekt wewnętrznej pielęgnacji betonu na drodze dostarczenia odpowiedniej ilości wody w porach drobnego kruszywa utrudnia kontrolę właściwości Teologicznych mieszanek oraz może powodować zmniejszenie wytrzymałości i modułu sprężystości betonu [12].
Możliwość eliminacji skurczu samoosuszania oraz niekorzystnych skutków pielęgnacji porowatym kruszywem stwarza użycie jako czynnika „nawadniającego” betonu polimerowego hydrożelu (SAP-Super Absorber Polimers) [13]. Przy podobnym do nasyconego kruszywa mechanizmie działania SAP upraszcza się technologia i zwiększa się jednorodność mikrostruktury.
Praca przedstawia wyniki badań wpływu handlowego, polimerowego superabsorbera na właściwości Teologiczne zaczynów cementowych o w/c <0,4 bez i z dodatkiem pyłu krzemionkowego, z uwzględnieniem ilości i sposobu dodania absorbera przy zachowaniu dla wszystkich składów jednakowej, wynikającej ze skurczu chemicznego, ilości wody wprowadzanej z dodatkiem.
2. Badania własne
2.1. Materiały i badane składy
- cement portlandzki C E M 1-42,5R (C), - pył krzemionkowy z Łazisk (SF),
- usieciowany kopolimer typu hydrożelu (H), - superplastyfikator Viscocrette 5-600 (SP),
- woda wodociągowa.
Tabela 1 Skład zaczynów
Symbol
CEM 1-42,5R [kg/m3]
Pył SF
[% m.c.] w/c
SP Viscocrette 5-600
[cm3/kg m.c.]
Hydrożel SAP [% m.c.]
CHO 1612 . 0,30 6 -
CHO1 1457 . 0,36 4 .
CH02 1457 . 0,36 4 0 ,2 ’
CH03 1457 0,36 4 0 ,3 ’
CH03’ 1457 0,36 4 0 ,3 2
CH03” 1457 0,36 4 0,3 3
CH04 1457 _ 0,36 4 0,4 '
CH04’ 1457 - 0,36 4 0,4 3
CH06 1457 - 0,36 4 0,6 '
CH08 1457 _ 0,36 4 0,8 1
CSHO 1395 8,1 0,36 6 -
CSHO’ 1302 8,1 0,40 6 -
CSH04 1302 8,1 0,40 6 0,4 3
'hydrożę 1 zmieszany na sucho z cementem i zwiększenie odpowiednio wody zarobowej,
2hyrożel przed zmieszaniem nawilżono nasyconym roztworem Ca(OH)2, 3hydrożel przed zmieszaniem nawilżono ustaloną ilością wody wodociągowej.
274 M . Piechówka
Składy badanych zaczynów przedstawia tab.l. Wodę wprowadzoną z SP odejmowano od wody zarobowej. Niezależnie od ilości i sposobu dodania hydrożelu, ilość dodatkowej wody do wewnętrznej pielęgnacji była stała i wynosiła 6 cm3/100 g cementu (różnica objętości hydratów i faz bezwodnych, przy całkowitej hydratacji cementu [4, 13, 14]).
2.2. Pomiary reologiczne
Wpływ hydrożelu na właściwości reologiczne zaczynów określono na podstawie krzywych płynięcia i wyznaczonych z krzywych (opadających) binghamowskich parametrów Teologicznych, tj. dynamicznej granicy płynięcia xy i lepkości plastycznej rjpi.
Pomiary prowadzono przy użyciu wiskozymetru rotacyjnego typu RV-2. Celem ograniczenia wpływu warunków pomiaru i ’’pamięci Teologicznej” na mierzone parametry wszystkie próbki przygotowywano w ten sam sposób; jednakowa kolejność dodawania składników (poza hydrożelem), intensywność i czas mieszania, temperatura (21±2°C), czas kontaktu cementu z wodą do rozpoczęcia pomiarów (10 minut), minutę ścinania przy najwyższej prędkości (12a), minuta bez ścinania i pomiar w całym zakresie rosnących i malejących prędkości ścinania.
Z tych samych zarobów formowano próbki do badań wpływu hydrożelu na mikrostrukturę i podstawowe właściwości fizyczne i mechaniczne matryc cementowych.
3. Wyniki i ich omówienie
Przykłady krzywych płynięcia (opadające) zaczynów bez i z różną zawartością hydrożelu przedstawia ry s.l, natomiast wyznaczone z krzywych opadających wartości liczbowe parametrów Teologicznych w zakresie 0-0,8% m.c. rys.2. Ograniczenie wykresów do krzywych opadających wynikało ze stwierdzenia niewielkich pętli histerezy dla wszystkich składów.
Rysunki 3 i 4 przedstawiają wyniki z badań wpływu sposobu dodania do zaczynu stałej ilości hydrożelu, natomiast ilości i sposobu - rys. 5 i rys. 6. Na rys. 7 i 8 podano przykład wpływu łącznego dodania hydrożelu i pyłu krzemionkowego na krzywe płynięcia i parametry reologiczne zaczynów.
ty[Pa]
0 500 1000 1500 _ ,,y [« ]
T y [ P a ]
Rys. 1. Krzywe płynięcia zaczynów bez (CHO i CHO’) i z dodatkiem 0,6% m.c. hydrożelu (CH02, CH03, CH04, CH06 i CH08) Fig. 1. The flow curves of pastes without
(CHO and CHO’) and with 0,6%
c.m. SAP (CH02, CH03, CH04, CH06 and CH08)
Rys. 3. Wpływ sposobu wprowadzenia hydrożelu na krzywe płynięcia zaczynów
Fig. 3. Influence of the procedure of hydrogel addition on flow curves of pastes
Jak wynika z rys. 1 i rys. 2, domieszanie do cementu na sucho hydrożelu i zwiększenie w/c o 0,06 zmniejsza lepkość, niezależnie od ilości dodanego hydrożelu (położenie krzywych przesunięte jest do niższych naprężeń w stosunku do porównawczego zaczynu CHO o w/c=0,3). Z porównania położenia krzywych, wartości granic płynięcia i lepkości plastycznych zaczynów o tym samym w/c =0,36 bez (CHO) i z różną zawartością hydrożelu wynika, że woda wprowadzona z żelem jest tylko częściowo unieruchomiona. Wskazuje na to niewielki wzrost t|pi zaczynów z hydrożelem, rys.2.
Rys. 2. Granice płynięcia (xy) i lepkości plastyczne (r)pl) zaczynów bez (CHO i CHO’) i z różną zawartością hydrożelu Fig. 2. Yeld value (xy) and plastic
viscosity (t|p i) of cement pastes without (CHO and CHO’) and with different hydrogel content
Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że niezależnie od sposobu dodania hydrożelu wpływ na granicę płynięcia jest w granicach rozrzutu wyników. Wpływ na lepkość plastyczną jest wyraźniej zaznaczony, przy czym najmniejsze zmiany wywołuje hydrożel
276 M . Piechówka
nawilżony wodorotlenkiem wapnia, znacznie większe nawilżony w odą wodociągową (por.
CHO’ z CH03’ i CH03”-rys. 4).
xY [P a], Tflp! [P a s 10]
Rys. 4. Wpływ sposobu wprowadzenia hydrożelu na xy i t|pi zaczynów Fig. 4. Influence of the procedurę of
hydrogel addition on xy and r| pl of pastes
E3 granica płynięcia M le pkość plastyczn a
H ---
■ ■ ■
CHO* CHQ3 C H 03' C H03M
Niekorzystny wpływ wstępnego nawilżania hydrożelu w odą na lepkość zaczynu zwiększa się ze zwiększeniem ilości dodatku, rys. 5 i rys. 6.
Ty [ P a ]
% [ P a ]
Rys. 5. Porównanie wpływu ilości i sposobu wprowadzenia hydrożelu na opadające krzywe płynięcia zaczynów
Fig. 5. Comparison of the influence of amount of hydrogel and of procedure of its addition on descending curves of cement pastes
T v [P a ], rjpi [P a s lO]
Rys. 7. Krzywe płynięcia zaczynów (opadające) bez i z dodatkiem hydrożelu i pyłu krzemionkowego
Fig. 7. Descending flow curves of the cement pastes with and without hydrogel addition and silica fume
E3 g r a n i c a p ły n ię c ia M le p k o ś ć p l a s t y c z n a
Rys. 6. Wpływ ilości i sposobu wprowadzeniu hydrożelu na parametry reologiczne zaczynów Fig. 6. Influence of amount of hydrogel and of procedure of its addition on rheological parameters of
cement pastes
Zastąpienie 8% masy cementu pyłem krzemionkowym (w/c = 0,36) niewiele wpływa na granicę płynięcia, natomiast zwiększa lepkość, rys. 7 i rys. 8 (por. położenie krzywych CSHO z CHO’, rys. 7). Dodanie na sucho średniej (z badanego zakresu) ilości hydrożelu, to jest 0,4% do zaczynu z pyłem, wymagało, do przeprowadzenia pomiarów w podobnym zakresie prędkości ścinania, zwiększenia w/c do 0,4 (zaczyny CSH04 i CSHO’). Jak wynika z danych przedstawionych na rys. 7 i rys. 8, dodanie hydrożelu łącznie z pyłem krzemionkowym, podobnie jak w zaczynach bez pyłu, unieruchamia tylko część dodatkowej wody (por.
położenie krzywych CSH04 z CSHO’).
C H O * C S H O C S H O C S H 0 4
E3 g ra n ic a p ły n ię c ia
■ le p k o ś ć p la s ty c z n a _____
Rys. 8. Wpływ hydrożelu i pyłu krzemionkowego na parametry reologiczne zaczynów Fig. 8. Influence of hydrogel and silica fume on the rheological parameters of cement pastes
4. Wnioski
- Dodanie w mieszaninie z cementem suchego hydrożelu w zakresie 0-0,8% m.c.
zwiększa lepkość i praktycznie nie wpływa na granicę płynięcia.
- Wpływ hydrożelu na reologię zaczynów zależy od sposobu jego dodania i jest mniejszy przy dodaniu na sucho lub wstępnie nawilżonego nasyconym roztworem Ca(OH)2.
- Dodanie hydrożelu do zaczynu bez lub z pyłem krzemionkowym unieruchamia tylko część wody przeznaczonej do wewnętrznej pielęgnacji.
278 M . Piechówka
LITERATURA
1. Sugiyama T., Ohta A., Uomato T.: The dispersing mechanizm and applications of policarboxylate - based superplasticizers. Proc. O f the 11th Int. Cong. Chem. Cem.
(ICCC), Durban, South Africa 2003, Ed. Dr G. Grieve and G. Owens, p. 560-568.
2. Bentz D.P., Garboczi E.J., Snyder K.A.: A hard core/soft shell microstructural model for studying percolation and transport in three-dimensional composite media. NIST Internal Report 6265, Gaithersburg, MD 1999.
3. Kovler K., Jensen O.M.: Novel technique for concrete curing. Cone. International, 2005, p. 39-42.
4. Thazawa E., Miyazawa S., Kasai T.: Chemical shrinkage and autogenous shrinkage of hydrating cement paste. Cem. Concr. Res. 25. 2. (1995), p. 288-292.
5. Yang Y., Sato R., Kawai K.: Autogen. shrinkage o f high-dtrength concrete containing silica fume under drying at early ages. Cem. Concr. Res., 2005, p. 449-456.
6. Holt E., Leivo M.: Cracking risks associated with early age shrinkage, Cem. Concr.
Comp., 26 (2004), p. 521-530.
7. Bentz D.P., Jensen O.M.: Mitigation strategies for autogenous shrinkage cracking. Cem.
Concr. Comp. vol. 2, August 2004, p. 677-685.
8. Collepardi M., Borsoi A., Collepardi S., Olagot J.J.O., Troli R.: Effects o f shrinkage reducing admixture in shrinkage compensating concrete under non-wet curing conditions, Cem. Concr. Res., 27 (2005), p. 704-708.
9. H off G.C., D.Eng., P.E.: The use o f lightweight fines for the internal curing o f concrete.
August 2004, p. 1-24.
10. Kucharska L. Logoń D.: Influence o f the comp, o f matrices in HPFRCC on the effects of their ageing. Proc.2"dInt.Symp.Non-Trad. Cem.&Concr., Bmo 2005, p. 344-353.
11. Jóźwiak-Niedźwiedzka D.: Przeciwdziałanie niszczeniu powierzchni betonowych spowodowanemu cyklicznym zamrażaniem i odmrażaniem, IPPT PAN, 2005.
12. Zhutovsky S., Kovler K., Bentur A.: Influence o f wet lightweight aggregate on mechanical properties o f concrete at early ages. Mat. and Str., 35 (2002), p. 97-101.
12. Jensen O.M., Hansen P.F.: Water-entrained cement-based materials II. Experimental observation, Cem. Concr. Res., 32 (2002), p. 973-978.
13. Brouwers H.J.H.: The work o f Powers and Brownyard resited: Part 1 Cem. Concr. Res., 34 (2004), p. 1697-1716, Part 2, 35 (2005), p. 1922-1936.
Recenzent: Prof. dr hab. inż Jacek Śliwiński
