Beton modyfikowany polimerami do produkcji prefabrykatów
Polymer modified ConCrete for PreCast ProduCtion
Streszczenie
W referacie przedstawiono przebieg prac nad ustaleniem receptur betonu kruszywowego, modyfikowanego trzema rodzajami polimerów (przy dwóch poziomach ich dozowania), do zastosowania w produkcji elementów studni kanalizacyjnych i rur Wipro na zintegro- waną uszczelkę. Badania wykazały, że przy zastosowaniu modyfikacji betonu polimerami następuje zwiększenie wytrzymałości, zwiększenie mrozoodporności oraz zmniejszenie penetracji wody pod ciśnieniem.
Abstract
The report presents course of work to establish recipe of concrete modified with tree kinds of polymers (in to levels of dosage) with the use in production of element of sewerage well and “Wipro” tubes with integrated gasket. The results of research proved, that polymers modification of concrete increased compression strength and bending strength, decrease of absorptivity, increase freeze resistance and decrease penetration of water under pressure.
Key words: polymers, modified concrete, precast.
Aneta Makarewicz Katarzyna Gryciuk Małgorzata Piotrowicz Tadeusz Latuszek
Krystyna Jelska – Prefabet Ełk Aneta Makarewicz – Prefabet Ełk Katarzyna Gryciuk – Prefabet Ełk
Małgorzata Piotrowicz – ICiMB – Centrum Badań Betonów CEBET Tadeusz Latuszek – ICiMB – Centrum Badań Betonów CEBET
1. Wstęp
W historii betonu od zawsze towarzyszyła mu modyfikacja naturalnymi dodatkami, której celem była poprawa jego właściwości. Od połowy lat 50-tych ubiegłego wieku do modyfikacji betonu stosuje się polimery syntetyczne. Na dzień dzisiejszy kompozyty polimerowo – cementowe są stosowane głównie do napraw konstrukcji żelbetowych i betonowych, a także do wykonywania posadzek i nawierzchni przemysłowych. Wyko- rzystywane są tu takie cechy polimerobetonu, jak zwiększona przyczepność do starego betonu oraz szybko osiągana sprawność eksploatacyjna.
Z racji synergicznego działania polimeru w betonie, rozpoznanie i wykorzystanie tych- że efektów – skutków współdziałania polimeru z innymi składnikami betonu – wytycza główny wysiłek badawczy i ukierunkowuje racjonalizację stosowania polimeru w beto- nie. Wiedząc, że dodatek polimeru wpływa na poprawę wielu właściwości kompozytu;
w znaczący sposób zwiększa jego trwałość, w „Prefabet Ełk” Sp. z o.o. powstała koncepcja rozszerzenia produkowanych prefabrykatów o produkcję rur WIPRO i elementów studni kanalizacyjnych z betonu modyfikowanego polimerami. Wspólnie z ICiMB – Centrum Badań Betonów „CEBET” w Warszawie opracowano technologię produkcji betonu mody- fikowanego polimerami w ramach projektu celowego nr ROW-III-134-2010 i wdrożono ją z zastosowaniem najnowszej generacji agregatów, tj. BiDi A48 (Fot.5.) oraz KARIBIC 1513 (fot. 6). Dzięki temu wprowadzone zostały na rynek znacząco ulepszone wyroby betonowe i żelbetowe o odpowiednio zmodyfikowanych właściwościach – dłuższej użyteczności i trwałości – umożliwiających pracę konstrukcji w środowisku agresywnym chemicznie bez dodatkowych powłok zabezpieczających.
2. Założenia i opis prac
Betony polimerowo-cementowe (PCC) otrzymywane są przez dodanie polimeru lub oli- gomeru, ewentualnie monomeru do mieszanki betonowej. Do betonów polimerowo – ce- mentowych należą betony z domieszkami i dodatkami polimerowymi, kryterium podziału stanowi ilość dodawanego modyfikatora. Uważa się, że zawartość domieszki polimerowej
≤5% masy cementu jest niewystarczająca, aby wytworzyć w kompozycie odrębną ciągłą fazę, natomiast dodatki polimerowe, stanowiące ponad 5% masy cementu są zdolne do wytworzenia odrębnej przestrzennej struktury. Zrealizowany program badawczy miał na celu ocenę wpływu trzech rodzajów dodatków polimerowych na następujące parametry:
– wytrzymałość na ściskanie, – wytrzymałość na zginanie, – nasiąkliwość,
– mrozoodporność, – wodoszczelność.
W oparciu o dostępne publikacje, dotyczące stosowania polimerów do betonu i ich dostępność na rynku, wytypowano trzy rodzaje dodatków polimerowych. Są to:
– kopolimer sterynowo – akrylowy (Polimer 1), – kopolimer sterynowo – butadienowy (Polimer 2), – lateks syntetyczny (Polimer 3).
W przeprowadzonym programie badawczym przyjęto dwa poziomy dozowania dodatków polimerowych: 10% i 15%, w stosunku do masy cementu. Badania dotyczyły betonów klasy C35/45, stosowanych do produkcji rur WIPRO i studni kanalizacyjnych.
Betony wykonywano na bazie cementu CEMI 42,5R Chełm i kruszywie otoczakowym.
Oceny wpływu dodatków polimerowych dokonano, porównując właściwości betonu wzorcowego (bez dodatku polimeru – oznaczonego jako RO w tab. 1 i SO w tab. 2) z wła- ściwościami betonu modyfikowanego polimerami (beton PCC). Przyjęto założenie, że wy- niki badań właściwości betonów modyfikowanych polimerami (PCC) będą korzystniejsze niż betonu zwykłego. Dla betonów PCC, w stosunku do betonu wzorcowego, założono:
– wzrost wytrzymałości na ściskanie o 10%, – wzrost wytrzymałości na zginanie o 25%-35%,
– spadek głębokości penetracji wody pod ciśnieniem o 80%, – zmniejszenie spadku wytrzymałości po 150 cyklach o 50%, – zmniejszenie nasiąkliwości o 40-50%.
W oparciu o opracowane receptury wykonano zaroby oraz pobrano próbki do badań laboratoryjnych w następującym zakresie:
– wytrzymałość na ściskanie wg PN-EN 12390-3:2009, – wytrzymałość na zginanie wg PN-EN 12390-5:2009,
– przepuszczalność wody przez beton wg PN-EN 12390-8:2009,
– nasiąkliwość wg Procedury Badawczej CEBET Nr 51 (na podstawie PN-88/B-06250 Beton zwykły) wyd.1/02.2007, p. 2.4,
– mrozoodporność F150 wg Procedury Badawczej CEBET Nr 51(na podstawie PN-88/B-06250 Beton zwykły) wyd.1/02.2007, p. 2.2.
3. Przebieg prac i badań
W tabeli 1 zestawiono wyniki badania betonów, wyprodukowanych wg receptur na rury WIPRO (C35/45), a w tabeli 2 wyniki badań betonów, wyprodukowanych wg receptur na studnie (C35/45). Na podstawie analizy wyników uzyskanych z przeprowadzonych badań, opracowano technologię – receptury do produkcji rur WIPRO i elementów studni kanalizacyjnych, spełniające w/w założenia projektu.
Tabela 1. Wyniki badania betonów wykonywanych wg receptur na rury Wipro (C35/45)
Rodzaj badania
WYNIKI BADAŃ
Receptura wzorcowa
Receptury z dodatkiem polimeru (nr receptury) Polimer 1
w ilości Polimer 2
w ilości Polimer 3 w ilości 10% mc 15%
mc 10%
mc 15%
mc 10%
mc 15%
mc (R 0) (R 1a) (R 1b) (R 2a) (R 2b) (R 3a) (R 3b) Wytrzymałość na ściskanie [MPa] 58,1 62,4 65,4 62,4 66,4 63,4 63,1
% w stosunku do R0 100 107 112 107 114 109 109
Wytrzymałość na zginanie [MPa] 3,99 4,70 4,98 4,82 5,19 4,96 5,14
% w stosunku do R0 100 118 125 121 130 124 129
Nasiąkliwość [%] 5,0 3,8 3,4 3,3 2,8 3,3 2,9
% w stosunku do R0 100 76 68 66 56 66 58
Rodzaj badania
WYNIKI BADAŃ
Receptura wzorcowa
Receptury z dodatkiem polimeru (nr receptury) Polimer 1
w ilości Polimer 2
w ilości Polimer 3 w ilości 10% mc 15%
mc 10%
mc 15%
mc 10%
mc 15%
mc (R 0) (R 1a) (R 1b) (R 2a) (R 2b) (R 3a) (R 3b) Przepuszczalność wody przez be-
ton – głębokość wniknięcia [mm] 15 12 9 10 8 13 10
Mrozoodporność
– ubytek masy [g] Brak ubytku masy
Spadek wytrzymałości [%] 13,1 9,1 8,2 6,8 5,4 7,6 6,7
% w stosunku do R0 100 69 63 52 41 58 51
Tabela 2 .Wyniki badania betonów wykonywanych wg receptur na studnie (C35/45)
Rodzaj badania
WYNIKI BADAŃ
Receptura wzorcowa
Receptury z dodatkiem polimeru (nr recep- tury)
Polimer 1
w ilości Polimer 2
w ilości Polimer 3 w ilości 10%mc 15%
mc 10%
mc 15%
mc 10%
mc 15%
mc (S 0) (S 1a) (S 1b) (S 2a) (S 2b) (S 3a) (S 3b) Wytrzymałość na ściskanie [MPa] 56,6 60,9 64,6 60,5 65,6 62,1 62,9
% w stosunku do S0 100 107 114 107 116 110 111
Wytrzymałość na zginanie [MPa] 3,97 4,68 4,93 4,80 5,14 4,96 5,10
% w stosunku do S0 100 118 124 121 129 125 128
Nasiąkliwość [%] 4,9 3,7 3,3 3,4 2,9 3,5 3,0
% w stosunku do S0 100 75 67 69 59 71 61
Przepuszczalność wody przez be-
ton – głębokość wniknięcia [mm] 20 13 9 9 6 15 12
Mrozoodporność
– ubytek masy [g] Brak ubytku masy
Spadek wytrzymałości [%] 12,3 8,9 7,7 6,8 5,3 8,1 6,8
% w stosunku do S0 100 72 63 55 43 66 55
Tabela 1. cd. Wyniki badania betonów wykonywanych wg receptur na rury Wipro (C35/45)
Uzyskane z badań wyniki wskazują, że:
• efekty uzyskane przy modyfikacji receptury na studnie i rury są zbliżone, niezależnie od rodzaju polimeru,
• zastosowanie dodatku polimerowego w ilości 10% w stosunku do masy cementu nie spełniło zakładanych efektów w stosunku do:
– wytrzymałości na ściskanie, zwiększenie 7%-10%, – na zginanie, zwiększenie 18%-24%,
– nasiąkliwości, zmniejszenie 24%-34%,
• zastosowanie dodatku polimerowego w ilości 10% w stosunku do masy cementu spełniło zakładane efekty w stosunku do:
– przez pierwsze siedem dni: wilgotność około 95% i temperatura około 200C, co sprzyjało hydratacji cementu i redukcji skurczu powodowanego wysychaniem, – od ósmego dnia do chwili badania: wilgotność około 50% i temperatura około
200C, co ułatwiało utwardzenie dodatku polimerowego,
– głębokości penetracji wody pod ciśnieniem, uzyskane wartości 9-15 mm, – spadku wytrzymałości po badaniu mrozoodporności, uzyskane wartości 6,8-9,1%.
• zastosowanie dodatku polimerowego w ilości 15% w stosunku do masy cementu pozwala na:
– zwiększenie wytrzymałości na ściskanie o 10%-16%, – zwiększenie wytrzymałości na zginanie o 23%-30%, – zmniejszenie nasiąkliwości o 32% - 44%,
– zmniejszenie głębokości penetracji wody pod ciśnieniem, penetracja nie przekra- czała 30 mm (wynosi 6-12 mm),
– zmniejszenie spadku wytrzymałości po badaniu mrozoodporności po 150 cyklach zamrażania i rozmrażania – nie był większy niż 10% (wyniósł 5,3%-8,2 %).
W tabeli 3 zestawiono uśrednione efekty w stosunku do betonu wzorcowego, uzy- skane po modyfikacji receptury betonu dla studni i rur poprzez zastosowanie dodatków polimerowych dozowanych w ilości 15% w stosunku do masy cementu.
Tabela 3. Zestawienie charakterystyki badanych betonów
Badana cecha i założone efekty Rodzaj polimeru i uzyskane efekty Polimer 1 Polimer 2 Polimer 3 Zwiększenie wytrzymałości na ściskanie o 10%. 13 15 11 Zwiększenie wytrzymałości na zginanie o 25% - 35
%. 24 29 29
Zmniejszenie nasiąkliwości o 40% - 50%. 33 43 41
Zmniejszenie głębokości penetracji wody pod ciśnie-
niem o 80%. 94 95 93
Zmniejszenie spadku wytrzymałości po badaniu
mrozoodporności o 40 %. 60 73 66
Porównując uzyskane wyniki z badań przedstawione w tabeli 3 z założonymi w pro- jekcie parametrami, stwierdzono że:
• odnośnie wytrzymałości na ściskanie - założone parametry uzyskano przy Polimerze1, Polimerze 2 i Polimerze 3,
• odnośnie wytrzymałości na zginanie - założone parametry uzyskano przy Polimerze 2 i Polimerze 3,
• odnośnie nasiąkliwości - założone parametry uzyskano przy Polimerze 2 i Polimerze 3,
• odnośnie głębokości penetracji wody pod ciśnieniem i spadku wytrzymałości po ba- daniu mrozoodporności - założone parametry uzyskano przy Polimerze 1, Polimerze 2 i Polimerze 3.
Z analizy uzyskanych wyników z badań wynika, że:
• uzyskanie założonych w projekcie parametrów możliwe jest przy zastosowaniu dodatku polimerowego w ilości 15% w stosunku do masy cementu,
• zastosowanie kopolimeru sterynowo-butadienowego (Polimer 2) lub lateksu syn- tetycznego (Polimer 3) pozwoliło na uzyskanie wszystkich założonych w projekcie parametrów.
Po wykonaniu wszystkich zaplanowanych badań i analizie uzyskanych wyników, do dalszych prac wytypowano mieszanki betonowe oznaczone symbolem S2b oraz R2b (z dodatkiem polimerowym 2 w ilości 15% masy cementu) i przystąpiono do prób techno- logicznych, w efekcie których wyprodukowano partię rur WIPRO φ600/2500 oraz kręgów betonowych φ1000/1000. Produkcja spolimeryzowanej mieszanki nie stanowiła żadnych problemów, zarówno w trakcie mieszania, transportu na stanowisko betonowania, jak i produkcji samych prefabrykatów. Wykonana seria próbnych elementów dojrzewała w wydzielonej części hali produkcyjnej w której starano się zapewnić następujące warunki:
• przez pierwsze siedem dni: wilgotność około 95% i temperatura około 200C, co sprzyjało hydratacji cementu i redukcji skurczu powodowanego wysychaniem
• od ósmego dnia do chwili badania: wilgotność około 50% i temperatura około 200C, co ułatwiało utwardzenie dodatku polimerowego.
Wykonane elementy z betonu PCC oceniano wizualnie, w porównaniu do elementów tego samego rodzaju wykonanych z betonu wzorcowego. Rury oraz kręgi z PCC cha- rakteryzowały się mniejszą ilością porów, a także gładszą powierzchnią dającą wrażenie połysku, co pokazano na fot. 1, 2, 3, 4.
Ocenę wpływu dodatku polimerowego na bazie kopolimeru sterydowo-butadieno- wego (dyspersja tworzyw sztucznych) na właściwości betonu wykonano badając:
– odwierty rdzeniowe pobrane z gotowych elementów dla wytrzymałości na ściskanie nasiąkliwości i mrozoodporności,
– próbki formowane dla wytrzymałości na zginanie.
Natomiast badanie wodoszczelności hydrostatycznej wykonano na gotowych ele- mentach
Wyniki z przeprowadzonych badań betonu przedstawiono w tabeli 4 i 5.
Tabela 4. Wyniki badań rur WIPRO
WYNIKI BADAŃ Rodzaj badania
Receptury Receptura wzorcowa
(RO) Receptura z dodatkiem polimeru 2 (R2b)
Wytrzymałość na ściskanie [MPa] 60,2 69,8
% w stosunku do RO 100 116
Wytrzymałość na zginanie [MPa] 4,01 5,22
% w stosunku do RO 100 130
Fot. 1. Rura betonowa WIPRO ∅ 600/2500
wykonana z betonu wzorcowego Fot. 2. Rura betonowa WIPRO ∅ 600/2500 wykonana z betonu polimerowego
Fot. 3. Krąg betonowy ∅1000/1000 wykonany z betonu wzorcowego
Fot. 4. Krąg betonowy ∅1000/1000 wyko- nany z betonu polimerowego
WYNIKI BADAŃ Rodzaj badania
Receptury Receptura wzorcowa
(RO) Receptura z dodatkiem polimeru 2 (R2b)
Nasiąkliwość [%] 4,8 2,0
% w stosunku do RO 100 42
Wodoszczelność hydrostatyczna Nie stwierdzono przecieków wody. Nie wystąpiło zawilgocenie zewnętrznej powierzchni rury.
Mrozoodporność ubytek masy [g] Brak ubytku masy.
Spadek wytrzymałości [%] 12,2 4,9
% w stosunku do RO 100 40
Tabela 5. Wyniki badań studni
WYNIKI BADAŃ Rodzaj badania
Receptury Receptura wzorcowa
(SO) Receptura z dodatkiem polimeru 2 (S2b)
Wytrzymałość na ściskanie [MPa] 59,8 68,2
% w stosunku do SO 100 114
Wytrzymałość na zginanie [MPa] 3,99 5,18
% w stosunku do SO 100 130
Nasiąkliwość [%] 4,7 2,0
% w stosunku do SO 100 43
Wodoszczelność hydrostatyczna Nie stwierdzono przecieków wody. Nie wystąpi- ło zawilgocenie zewnętrznej powierzchni kręgu.
Mrozoodporność ubytek masy [g] Brak ubytku masy.
Spadek Wytrzymałości [%] 12,0 5,0
% w stosunku do SO 100 42
Tabela 4. cd. Wyniki badań rur WIPRO
4. Podsumowanie
Wyniki przeprowadzonych prac i badań dają podstawę do sformułowania następujących wniosków ogólnych:
– modyfikacja betonu cementowego dodatkiem polimeru 2 prowadzi do podwyższenia wytrzymałości na ściskanie o ok. 15%,
– dodatek polimerowy 2, na skutek korzystnych zmian w strukturze betonu, pozwala na wzrost jego wytrzymałości na zginanie o ok. 30%, w stosunku do betonu wzor- cowego; wzrost wytrzymałości na zginanie betonów modyfikowanych polimerami spowodowany jest wzmocnieniem warstwy kontaktowej zaczyn-ziarno kruszywa na skutek zmniejszenia jej porowatości; w przypadku w/w betonów pustki w warstwie stykowej wypełnione są cząstkami polimeru, co poprawia kontakt ziarna kruszywa z matrycą cementową,
– zastosowanie polimeru 2 powoduje zwiększenie szczelności oraz zmniejszenie poro- watości tworzywa, a zatem obniżenie nasiąkliwości betonu, maksymalnie o ok. 57%, oraz zmniejszenie spadku wytrzymałości na ściskanie po 150 cyklach zamrażania - odmrażania o ok. 59%.
Fot. 5. Agregat BiDi A48 do produkcji rur
WIPRO Fot. 6. Agregat KARIBIC 1513 do produkcji
elementów studni kanalizacyjnych
5. Wnioski
Wyniki badań pozwoliły sformułować wniosek, że można w warunkach przemysłowych wyprodukować beton typu PCC o wysokich parametrach jakościowych nawet przy za- stosowaniu kruszyw otoczakowych. Polimery, wprowadzone do betonu poprawiły jego urabialność, zagęszczenie, a także zwiększyły elastyczność świeżego betonu oraz skróciły czas formowania elementu. Analizując uzyskane wyniki badań należy stwierdzić, że do- datki polimerowe podnoszą parametry wytrzymałościowe oraz zdecydowanie zwiększają trwałość betonu, pod warunkiem właściwego doboru rodzaju i ilości wprowadzanego polimeru. Uruchomienie produkcji rur i elementów studni kanalizacyjnych z betonu modyfikowanego polimerami pozwoliło na oferowanie klientom z sektora budownictwa infrastrukturalnego i drogowego szczelnych i trwałych produktów bez konieczności sto- sowania dodatkowych powłok zabezpieczających, wymaganych w środowisku chemicz- nie agresywnym. Przyczyniło się to także do rozszerzenia palety dostępnych na rynku materiałów, a co najważniejsze – wpłynęło na poprawę stanu środowiska naturalnego naszego kraju.
Literatura
[1] Beton modyfikowany polimerami do produkcji prefabrykatów, sprawozdanie z wykonania zadania 1, 2, 3, 5 projektu celowego ROW-III-134/2010.
[2] L. Czarnecki, P. Łukowski, Betony polimerowo-cementowe, Cement, Wapno, Beton nr 5/2010 r.
[3] L. Czarnecki, P. Łukowski, Betony polimerowe, XXV Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk 2010 r.
[4] PN-EN 12504-1 Badanie betonu konstrukcyjnego. Część 1: Odwierty rdzeniowe – wycinanie, ocena i badanie wytrzymałości na ściskanie.
[5] PN-EN 12390-5:2009 Wytrzymałość na zginanie.
[6] PN-EN 12390-3:2009 Badania betonu. Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badania.
[7] PN-EN 1917:2004 +AC:2007 Studzienki włazowe i niewłazowe z betonu niezbrojonego, z betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe. Załącznik C i D.
[8] PN-EN 1916:2005 + AC:2009 Rury i kształtki z betonu niezbrojonego, betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe. Załącznik E i F.
[9] PN-88/B-06250 Beton zwykły pkt 6.5.1.
