Zastosowanie domieszek najnowszej generacji w betonie mrozoodpornym o podwyższonej
ilości kruszywa drobnego
The use of The laTesT generaTion of admixTures in frosT- resisTanT concreTe wiTh an increased amounT of fine
aggregaTe
Streszczenie
Beton mrozoodporny w Polsce stał się powszechnie stosowanym materiałem w budow- nictwie inżynieryjnym. Większość betonów o tej charakterystyce produkowanych jest z udziałem kruszywa drobnego nie przekraczającego 40% całości stosu okruchowego. Przy obecnie występujących problemach na rynku kruszyw z dostępnością frakcji grubych, alternatywą, również dla betonów o trwałej odporności na działanie mrozu, może być napowietrzony beton mrozoodporny o dużej ilości piasku.
Poniższy referat daje odpowiedź na pytanie, czy przy użyciu domieszek najnowszej generacji, jesteśmy w stanie wyprodukować beton odporny na działanie mrozu oraz środków odladzających, przy zastosowaniu ograniczonej ilości kruszywa grubego.
W części doświadczalnej referatu porównano wyniki standardowego betonu mrozo- odpornego z ilością kruszywa drobnego 38%, z betonami o zawartości piasku dochodzą- cymi do 70%. Badania obejmowały tradycyjnie, takie parametry jak: stopień upłynnienia, utrzymanie konsystencji w czasie, napowietrzenie początkowe oraz jego stabilność w czasie, ilość mikropowietrza oraz rozmieszczenie porów metodą AVA, jak również gęstość objętościową. Wyniki stwardniałego betonu obejmują rozwój wytrzymałości na ściskanie, mrozoodporność badana metodą zwykłą jak również w obecności 3% roztworu NaCl metodą „slab test”.
Abstract
The frost-resistant concrete in Poland has become a widely used material in architecture engineering. The most of concretes with this characteristics are produced with the use of fine aggregate not exceeding 40% of the total aggregates. With currently existing pro- blems in the aggregate market with the availability of coarse fractions, an alternative to concrete with a permanent frost resistance can be aerated frost-resistant concrete with a large amount of sand.
The following paper gives an answer to the question whether using the latest genera- tion admixtures, we are able to produce concrete resistant to frost with limited amount of coarse aggregate.
In the experimental part of the paper, the results of a standard frost-resistant concrete with the amount of 38% fine aggregate were compared with concrete with a sand content of up to 70%. The research included traditionally such parameters as: slump flow test, maintenance of consistency over time, initial aeration and its stability in time, the amount of micro aeration and pore distribution by the AVA method, and fresh concrete density.
The results of hardened concrete include the development of compressive strength, frost resistance tested with the usual method as well as in the presence of 3% NaCl solution by the „slab test” method.
1. Cel i zakres badań
Poniżej przedstawione badania miały na celu zweryfikowanie możliwości wykonania pełnowartościowych betonów odpornych na działanie mrozu oraz środków odladzających o punkcie piaskowym dochodzącym do 70%. Do tego celu, użyte zostały domieszki najnowszej generacji z gamy polikarboksylanów (PCE) oraz domieszka napowietrzająca złożona z tenzydów oraz modyfikowanych żywic naturalnych.
Generalnie, napowietrzenie powinno korzystnie wpłynąć na obniżenie nasiąkliwości i przepuszczalności betonów [1]. W pracy badawczej przetestowano również nasiąkli- wość dla mieszanek o wysokim punkcie piaskowym, przy zawartościach powietrza dochodzących do 9%.
Wszystkie badania przeprowadzono na mieszankach betonowych o klasie wytrzy- małości C30/37, w klasie ekspozycji XF4 gdzie norma PN-EN 206+A1:2016 wymaga ograniczenie stosunku W/C ≤0,45 [2]. Nie jest tajemnicą, iż zwiększenie zawartości kruszywa drobnego, kosztem obniżenia grubego, niesie za sobą szereg problemów na- tury trwałościowej odnoszącej się do pogorszenia cech mrozoodporności, nasiąkliwości, zwiększenia agresji chemicznej oraz porowatości [3]. W związku z tym każdą recepturę o zmiennej ilości kruszywa drobnego poddano przeprojektowaniu, tak aby wskaźnik wodno-cementowy oraz konsystencja mieszanki były stałe.
Do badań użyto czystego cementu portlandzkiego CEM I 42,5N/SR3 NA, którego ilość zmieniała się w zależności od ilości kruszywa drobnego w stosie okruchowym.
Zawartość wody w mieszankach również była przeprojektowywana celem dopasowania wskaźnika W/C do poziomu 0,45, przy jednakowej konsystencji świeżej mieszanki. Testy przeprowadzone były na 2 różnych superplastyfikatorach (PCE) o jednakowym stężeniu, lecz zróżnicowanej budowie łańcuchowej, o różnym stopniu odpienienia. Superplasty- fikator nr 1 (PCE) - domieszka bardzo mocno odpieniona, natomiast superplastyfikator nr 2 (PCE) – o słabszym stopniu odpienienia. Ilość domieszki dozowana była do masy cementu i zmieniała się w zależności od punktu piaskowego betonu. Domieszka napowie- trzająca (mieszanina tenzydów oraz modyfikowanych żywic naturalnych) we wszystkich betonach dozowana była w tej samej ilości – 0,2% do masy cementu. Wykonano mieszanki o punktach piaskowych 38,45,50,60 oraz 70%. Do badań wybrano kruszywo drobne 0/2 oraz grysy granitowe zgodne z PN-EN 12620 [4] dla klasy ekspozycji XF4.
Łącznie wyprodukowano 10 mieszanek betonowych o tym samym wskaźniku W/C, w tej samej klasie konsystencji i poddano poszczególnym badaniom cech reologicznych po 5 oraz 60 minutach od wymieszania. Badania obejmowały:
– pomiar konsystencji (metoda opadu stożka)
– całkowitą zawartość powietrza przed i po dodaniu domieszek – metodą ciśnieniowa – gęstość objętościowa świeżego betonu
– strukturę napowietrzenia metodą AVA.
Badania stwardniałego betonu obejmowały:
– wytrzymałość na ściskanie po 2,7,28 dniach – nasiąkliwość
– mrozoodporność badaną metodą zwykłą dla stopnia F200
– mrozoodporność w obecności 3% roztworu NaCl dla kategorii FT2 metodą „slab test”
wg PKN-CEN/TS 12390-9:2007 [5].
Składy recepturowe przedstawia tabela 1.
Tabela 1. Składy recepturowe mieszanek
Beton A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 E1 E2
Punkt piaskowy 38% 45% 50% 60% 70%
Cement [kg] 340 350 365 385 410
Woda [kg] 153 157 162 170 180
Piasek płukany
0/2 38% 45% 50% 60% 70%
Grys granitowy
2/8 22% 20% 20% 20% 20%
Grys granitowy
8/16 40% 35% 30% 20% 10%
Superplastyfi- kator nr 1 (PCE)
m.c. 0,55% - 0,65% - 0,7% - 0,8% - 0,85% -
Superplastyfi- kator nr 2 (PCE)
m.c. - 0,55% - 0,65% 0,7% - 0,8 - 0,85%
Napowietrzacz 0,20% 0,20% 0,20% 0,20% 0,20% 0,20% 0,20% 0,20% 0,20% 0,20%
2. Wyniki testów świeżego betonu
Produkcja betonów odbyła się w laboratorium. Początkowo po dodaniu wszystkich surowców bez domieszek chemicznych, beton mieszano 45 sekund i poddano badaniu zawartości powietrza, mając na celu sprawdzenie porowatości mieszanki w zależności od punktu piaskowego. Następnie dodano superplastyfikator mieszając beton kolejne 45 sekund, powtarzając czynność badania zawartości powietrza. Ostatnim etapem było dodanie domieszki napowietrzającej przy czasie mieszania 60 sekund i badanie napo- wietrzenia. Cały ten proces mieszania pozwolił na weryfikację napowietrzania mieszanki poprzez poszczególne składniki. Wyniki przedstawia tabela 2
Tabela 2. Zawartość powietrza w mieszankach
Beton A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 E1 E2
Punkt pia-
skowy 38% 45% 50% 60% 70%
Przed dodaniem
domieszek 2,2 2,2 2,6 2,5 3,3 3,4 3,9 3,9 4,7 4,7
Po dodaniu superplasty-
fikatora 1,8 2,5 2,5 2,9 3,4 4,0 3,7 4,5 4,9 5,7
Po dodaniu napowie-
trzacza 5,1 6,0 5,5 6,2 6,2 7,1 6,8 7,7 8,1 8,5
BetonA1A2B1B2C1C2D1D2E1E2 38%45%50%60%70% 560560560560560560560560560560 150130160140150125145130155140145125160130165120170140165120 5,15,36,06,25,55,56,26,46,25,97,17,06,86,77,77,98,18,08,59,5 3]22992304227622742282228522692266226322752250225322502254224322392234223522282201 -3,6-3,2-3,6-3-3,1-2,8-3,6-3,5-3,7-3,7 Ĺ -0,10-0,13-0,12-0,12-0,15-0,18-0,19-0,28-0,24-0,31
Analizując wyniki porowatości oraz napowietrzenia poszczególnych mieszanek bezpośrednio po wyprodukowaniu, stwierdza się, iż zwiększanie punktu piaskowego wpływa na zwiększenie porowatości struktury betonu, ze względu na większą ilość zaprawy, w której tworzy się powietrze. Dodatkowo zastosowanie domieszek upłynnia- jących o różnym stopniu odpienienia wpływa na dalsze kształtowanie się ilości powietrza.
Dodatkowo przeprowadzono badania: konsystencji metodą opadu stożka, utrzyma- nie konsystencji w czasie, całkowitą zawartość powietrza po 60 minutach od wyprodu- kowania, gęstość objętościową oraz strukturę i rozkład porów aparatem AVA. Wyniki przedstawia tabela 3.
Wszystkie mieszanki betonowe zostały tak przeprojektowane aby ich urabialność była podobna przy tym samym wskaźniku W/C. W przypadku wszystkich mieszanek, urabialność w czasie była zbliżona. Betony po 60 minutach mieściły się w klasie konsy- stencji S3, a największa różnica między poszczególnymi betonami wyniosła 2 cm opadu stożka. Zauważyć można, iż duży wpływ na kształtowanie powietrza, poza domieszką napowietrzającą ma również superplastyfikator. Wszystkie mieszanki z domieszką nr 1 (PCE) miały niższą zawartość całkowitego powietrza niż superplastyfikator nr 2 (PCE).
Ma to oczywiście związek z stopniem odpienienia domieszki. Mimo tego wykazywały większą ilość mikropowietrza A300 przy mniejszej ilości powietrza całkowitego mierzo- nego metodą ciśnieniową. Również korzystniejszy rozstaw porów Ĺ był w przypadku zastosowania domieszki nr 1. Zaobserwować można również, że mieszanki bogatsze w kruszywo drobne wykazują znacznie większą ilość powietrza całkowitego, jednakże bardzo dużą ich część stanowi niekorzystne makropowietrze. Również rozkład porów jest mniej korzystny.
3. Wyniki testów stwardniałego betonu
Wytrzymałość na ściskanie określono po 2, 7 oraz 28 dniach dojrzewania w warunkach normowych. Wyniki przedstawia rysunek 1.
Rys. 1. Wytrzymałość na ściskanie 19
38
51
17
35
46
19
37
49
16
34
46
18
38
50
14
32
44
17
36
48
14
31
45
16
34
46
13
29
43
0 10 20 30 40 50
2 7 28
Wytrzymałość na ściskanie N/mm2]
A1 - 38% A2 - 38% B1 - 45% B2 - 45%
C1 - 50% C2 - 50% D1 - 60% D2 - 60%
Wszystkie betony uzyskały wyniki pozytywne po 28 dniach dla klasy wytrzymałości C30/37. Natomiast, pomimo identycznego wskaźnika wodno-cementowego wytrzymało- ści różniły się w zależności od wyniku napowietrzenia mieszanek. Również ilość zaczynu cementowego, który wzrastał wraz z koniecznością przeprojektowywania recept dla mie- szanek B,C,D,E, przyczyniał się do słabszych wytrzymałości, ponieważ zmniejszona ilość kruszywa grubego potęgowała proces zniszczenia betonu przez zaczyn, a nie kruszywo.
Kolejnym testem mieszanek o zróżnicowanych punktach piaskowych była nasiąkli- wość wagowa przeprowadzona zgodnie z normą PN-88/B-06265 [6]. Wyniki poszcze- gólnych betonów przedstawia rysunek 2.
Rys. 2. Nasiąkliwość betonu
Wraz ze wzrostem punktu piaskowego zwiększa się nasiąkliwość wagowa stward- niałego betonu. Beton referencyjny A1 o punkcie piaskowym 38% z ilością zaczynu 263 l/m3 oraz zaprawy 607 l/m3 (wraz z powietrzem) wykazuje nasiąkliwość 4,3%, nato- miast beton E2 o punkcie piaskowym 70% z ilością zaczynu 312l/m3 oraz zaprawy 819 l/m3 (wraz z powietrzem) – 8,5%. Jest to różnica diametralna, pomimo że mieszanka E2 bogatsza jest w cement o 70kg/m3.
Najważniejszym testem dla ww. mieszanek było poddanie ich badaniom odporności na działanie mrozu oraz złuszczenia powierzchniowego. Do testów wybrano metodę mro- zoodporności zwykłej wg normy PN-88/B-06265 dla 200 cykli zamrażania/odmrażania oraz metodę złuszczenia powierzchniowego „slab test” przeprowadzoną wg PKN-CEN/
TS 12390-9:2007 dla kategorii FT2. Uzyskane wyniki przedstawiają tabele 4 oraz 5.
Tabela 4. Wyniki mrozoodporności wg PN-88/B-06265 dla 200 cykli
Beton A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 E1 E2
Punkt piaskowy 38% 45% 50% 60% 70%
Spadek wytrzy-
małości [%] 1,5 3,3 2,8 3,2 5,5 8 15,5 25 64 całkowite zniszczenie
Ubytek masy [%] 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,7 2,9 4,8 6,2 całkowite zniszczenie
4,3 4,6 4,9 5,1 5,5 5,8
6,7 7,0
7,9 8,5
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0
Nasiąkliwość [%]
A1 - 38% A2 - 38% B1 - 45% B2 - 45% C1 - 50%
C2 - 50% D1 - 60% D2 - 60% E1 - 70% E2 - 70%
Powyższe wyniki świadczą o tym, że bez problemu można uzyskać pozytywne wyniki mrozoodporności dla 200 cykli zamrażania i odmrażania, stosując mieszanki o punktach piaskowych do 50%. Wpływają na to: odpowiedni cement, wskaźnik wodno-cementowy, ilość zaczynu nieprzekraczająca 280l/m3 oraz przede wszystkim odpowiednio dobrane domieszki chemiczne, tworzące najwyższej jakości system napowietrzenia. Przy PP 60%
dla betonu D2, gdzie użyty był słabo odpieniony superplastyfikator wyniki są negatywne pomimo, że całkowita zawartość powietrza przekroczyła 7%, a mikropowietrze wyniosło ponad 3%. Niekorzystne dla tego betonu rozmieszczenie porów w matrycy przyczyniło się do spadku wytrzymałości rzędu 25% po 200 cyklach. Pomimo odpowiednio wysokiej ilości mikropowietrza, piaskobetony z ilością 70% kruszywa drobnego nie zdały testu, rozsypując się w trakcie badania po około 100 cyklach. Przyczyniły się do tego, rozmiesz- czenie porów oraz bardzo duża ilość zaczynu oraz zaprawy.
Tabela 5. Wyniki złuszczenia powierzchniowego „slab test”
Beton A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 E1 E2
Punkt piaskowy 38% 45% 50% 60% 70%
Złuszczenie po 28
cyklach [kg/m2] 0,098 0,245 0,233 0,286 0,439 0,489 0,568 0,623 1,345 1,464 Złuszczenie po 56
cyklach [kg/m2] 0,173 0,422 0,389 0,465 0,799 1,245 1,345 1,454 2,211 2,256
Złuszczenie wg wymagań normy PN-EN 13877-2:2007 dla kategorii FT2 po 28 dniach nie powinno być większe niż 0,5kg/m2, po 56 dniach 1,0kg/m2 wartości średniej oraz max.
1,5kg/m2 dla każdego pojedynczego wyniku [7]. Wymogi tej normy spełniły mieszanki od A1 do C1.
4. Podsumowanie
Duża ilość inwestycji budowlanych, co za tym idzie rosnące zapotrzebowanie rynku na beton towarowy w 2018 roku przyczyniło się do powstania problemu dostępności kruszywa grubego dla potrzeb inwestycyjnych. Wielu producentów betonu zmuszonych zostało do produkowania betonów zwykłych, z podwyższoną ilością kruszywa drobne- go. Póki co, mało kto podejmuje ryzyko produkcji betonów mrozoodpornych z ilością piasku przekraczającą 40% całości stosu okruchowego. Wynika to przede wszystkim z niewielkiego doświadczenia w projektowaniu, produkcji oraz doboru odpowiednich surowców dla tego typu mieszanek. Badania udowadniają, iż można wyprodukować pełnowartościowy beton mrozoodporny, również w obecności środków odladzających, przy zwiększonej ilości piasku 0/2. Oczywiście są pewne warunki jakościowe, które muszą spełniać poszczególne surowce. Należy również pamiętać o odpowiedniej pielęgnacji tych betonów ze względu na ryzyko występowania skurczu przy podwyższonych ilościach zaczynu. Odpowiednio dobrane domieszki najnowszych generacji oraz zachowany reżim technologiczny podczas produkcji mogą zapewnić końcowy sukces. W przypadku mro- zoodporności zwykłej, bez obecności soli odladzających możliwe jest wyprodukowanie betonu o zawartości piasku 60%, który spełni warunek 200 cykli zamrażania/odmraża- nia. Również dla elementów, gdzie zastosowanie znajduje beton w obecności środków odladzających, w klasie ekspozycji XF4, możliwe staje się zastosowanie 50% kruszywa
drobnego w stosie okruchowym. Dodatkowym atutem stosowania tego rodzaju betonów, wbrew pozorom może być czynnik ekonomiczny, ponieważ przy stosunkowo wysokich cenach kruszywa grubego oraz niższej gęstości objętościowej mieszanek, betony o wyż- szych punktach piaskowych mogą być tańsze.
Literatura
[1] Rusin. Z., Technologia betonów mrozoodpornych, Polski Cement, Kraków 2002.
[2] PN-EN 206+A1:2016-12: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
[3] Brandt A., Babut R., Kasperkiewicz J., Marks M., Wybrane zagadnienia z mechaniki kompozytów, Wyd. Politechniki Białostockiej, 1983.
[4] PN-EN 12620+A1:2010 Kruszywa do betonu [5] PKN-CEN/TS 12390-9:2007[5]
[6] PN-88/B-06250 Beton zwykły.
[7] PN-EN 13877-2:2007
