II SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNEGRUPA GÓRAŻDŻE

Katedra Procesów BudowlanychWydział Budownictwa Politechniki Śląskiej w Gliwicach

Sekcja Materiałów BudowlanychKomitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN

REOLOGIA W TECHNOLOGIIBETONU

Gliwice2000

KOMITET NAUKOWY

Przewodniczący:

prof. dr hab. inż. JANUSZ SZWABOWSKIPolitechnika Śląska

Członkowie:

inż. ANDRZEJ BALCEREKGrupa Górażdże

prof. dr hab. inż. LECH CZARNECKI Politechnika Warszawska

mgr inż. FELICJAN SUCHANEKGrupa Górażdże

mgr inż. FELICJAN SOBCZYKGrupa Górażdże

dr inż. JACEK GOŁASZEWSKIPolitechnika Śląska

dr inż. ZBIGNIEW GIERGICZNYGrupa Górażdże

Sekretariat sympozjum:

Katedra Procesów BudowlanychWydział Budownictwa Politechniki Śląskiejul. Akademicka 5, 44-100 Gliwicetel. (0-32) 237-22-94fax: (0-32) 237-27-37e-mail: konf@kaproc.bud.polsl.gliwice.pl

Dział Doradztwa Technologicznego i PromocjiGÓRAŻDŻE Trade Sp. z o.o. w Choruli45-076 Opole, skr. poczt. 220tel. (0-77) 453-02-91 w. 8815, 8816, 8828, 8829, 8801 (sekretariat)fax: (0-77) 454-29-06

Skład komputerowy:

mgr inż. TOMASZ PONIKIEWSKIANDRZEJ WARDĘGA

2

SPIS TREŚCI

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

I sesja Przewodniczący sesji - prof. dr hab. inż. Janusz Szwabowski

1. Doświadczenia w stosowaniu cementu hutniczego CEM III/A 32,5NA

Cementowni „Strzelce Opolskie” w budownictwie - str. 5 - dr inż. Zbigniew Giergiczny, GÓRAŻDŻE Trade Sp. z o.o.

2. Nowe upłynniacze – nowe możliwości w technologii betonu - str. 17

- dr inż. Krzysztof Pogan, ADDIMENT Polska Sp. z o.o.

3. Cementy w ofercie Grupy Górażdże - rodzaje, właściwości i potencjalne

możliwości zastosowania w budownictwie - str. 23

- mgr inż. Tomasz Pużak, mgr inż. Marcin Sokołowski, Grupa Górażdże

II sesja Przewodniczący sesji - dr inż. Zbigniew Giergiczny

1. Przydatność norm europejskich do oceny efektywności domieszek

uplastyczniających i upłynniających - - str.35

- prof. dr hab. inż. Janusz Szwabowski, Politechnika Śląska

2. Wpływ wybranych domieszek upłynniających na właściwości

reologiczne zapraw - - str. 43

- dr inż. Jacek Gołaszewski, Politechnika Śląska

3. Reologiczne zachowanie się mieszanek betonowych

z włóknami węglowymi - str.57

- mgr inż. Dominik Logoń, Politechnika Wrocławska

4. Zagadnienia nieliniowości w plastycznie lepkim modelu reologicznym

mieszanki betonowej - str. 67

- mgr inż. Maciej Urban, Politechnika Krakowska

3

4

Zbigniew Giergiczny1

DOŚWIADCZENIA W STOSOWANIU CEMENTU HUTNICZEGO CEM III/A 32,5NA W BUDOWNICTWIE

1. WprowadzenieZ dostępnych na rynku cementów ważną grupę stanowią cementy hutnicze, które

spełniają wymagania zawarte w normie PN-B-19701 „Cement. Cement powszechnego użytku”. Grupa Górażdże posiada w swojej ofercie cement hutniczy CEM III/A 32,5 NW/NAprodukowany przez Cementownię „Strzelce Opolskie” S.A.Cement ten posiada szereg właściwości, których nie posiadają cementy portlandzkie. Zaletytego spoiwa wynikają z jego składu i właściwości. Należą do nich: wydłużony czas wiązania,niskie ciepło hydratacji, mniejszy skurcz, wysoka odporność na działanie czynnikówkorozyjnych, bardzo dobra urabialność, wysokie wytrzymałości w późniejszych okresachtwardnienia [1], [2]. Prawidłowe projektowanie i wykonanie betonów z cementu hutniczegopozwala na uzyskanie betonu o pożądanych cechach użytkowych, tj. betonu o pożądanympoziomie wytrzymałości (klasie), wysokiej wodoszczelności i odpornego na niskie temperatury(beton mrozoodporny).

W niniejszym wystąpieniu zostaną przedstawionego przykłady praktycznegozastosowania w budownictwie cementu hutniczego CEM III/A 32,5NA z Cementowni „StrzelceOpolskie” S.A.

2. Skład cementu hutniczego CEM III/A 32,5NAJednym z głównych składników cementu hutniczego jest granulowany żużel wielkopiecowy.

Jest on zaliczany do dodatków hydraulicznych tzn. takich które posiadają utajone właściwościhydrauliczne. Przez odpowiednie pobudzenie (rozdrobnienie i aktywację) wiąże i twardnieje wwodzie analogicznie jak cement portlandzki [2]. Granulowany żużel wielkopiecowyotrzymywany jest przez gwałtowne chłodzenie płynnego żużla wytworzonego w procesiewytapiania rud żelaza w wielkim piecu. Skład chemiczny żużla (jakościowy) zbliżony jest doskładu cementu, różni się on jedynie niższą zawartością wapnia, wyższą krzemionki i magnezu(tablica 1).

Głównymi składnikami żużla wielkopiecowego są więc tlenki CaO i SiO2, którychsumaryczna zawartość w żużlu wynosi 85-95%. Największy wpływ na właściwości żużla mazawartość tlenku wapniowego CaO, bardzo korzystnie na jakość żużla wpływa także zawartość

1 dr inż. Górażdże Trade Sp. z o.o. w Choruli, zbigniew.giergiczny@gorazdze.pl

5

II SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNEREOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Gliwice 2000

glinu. Dobrej jakości żużle hutnicze stosowane jako dodatki mineralne do cementu mają 15 -17 % Al2O3. Powszechnie uznawany jest pogląd, że dobrej jakości żużel powinien stanowićgłównie fazę szklistą. Jej zawartość w żużlach wielkopiecowych granulowanych wodą wynosizwykle 85-95 %. Dobrą aktywność hydrauliczną mają żużle szkliste o składzie chemicznym: 49-51 % CaO, 31-33 % SiO2, 16-19 % Al2O3 [1], [2], [3].Norma PN-B-19701 określa następujące wymagania w stosunku do granulowanych żużliwielkopiecowych [4]:- zawartość fazy szklistej min. 67 %- zawartość CaO + MgO+SiO2 min. 67 %- stosunek (CaO+MgO)/SiO2 min. 1Cementownia „Strzelce Opolskie” w produkcji cementu portlandzkiego żużlowego i cementuhutniczego stosuje żużel pochodzący z Huty Katowice o zawartości fazy szklistej pow. 95%.

Tablica 1. Przykładowy skład chemiczny klinkieru cementowego i żużla wielkopiecowego

1Składnik2Zawartość [% wag.]

Klinkier ŻużelSiO2 23,5 40,0Fe2O3 2,9 1,7Al2O3 4,2 7,6CaO 67,6 41,0MgO 0,5 7,0

Polska norma cementowa PN-B-19701 ”Cement. Cement powszechnego użytku.” pozwala naprodukcję cementów hutniczych o składzie pokazanym w tablicy 2.

Tablica 2. Skład cementu hutniczego wg PN-B-19701 „Cement. Cement powszechnego użytku”.Oznaczenie cementu

wg PN-B-19701Zawartość głównych składników

[% wag.]Granulowany żużel wielkopiecowy Klinkier

CEM III/A 36 – 65 35 – 64CEM III/B 66 – 80 20 – 34

Cement hutniczy niskoalkaliczny jest dodatkowo oznakowany symbolem NA. Dotyczy tocementu hutniczego CEM III/A zawierającego co najmniej 50% granulowanego żużlawielkopiecowego; wówczas równoważna zawartość alkaliów w przeliczeniu na Na2Oeq wynosićmoże do 1,1%. W przypadku cementu hutniczego CEM III/B graniczny próg zawartościalkaliów wynosi 2,0%. W Niemczech cement hutniczy o niskim cieple hydratacji ( 270,0 kJ/kg po 7 dniach twar-dnienia) oznaczany jest jako NW (wg DIN 1164). Jest to cecha cementu określająca jego przez-naczenie do wykonywania dużych masywów betonowych (hydrotechnika, energetyka, itp.)

Tablica 3. Wymagania i właściwości cementu hutniczego z Cementowni „Strzelce Opolskie”

WŁAŚCIWOŚĆWymagania

Wg PN-B-19701 Wyniki badań

cementu hutniczegoCEM IIIA 32,5 NW/NA

Wytrzymałość 2 dni ---- 8.6na ściskanie 7 dni min. 16 24.7

[N/mm2] 28 dni min. 32.5 max. 52.5 49.3Początek wiązania [minuty] min. 60 187

Koniec wiązania [godz. min.] max. 12 godz. 4 godz. 39 min.Siarczany jako SO3 [% wag.] max. 4.0 3.1Strata po wyżarzaniu [%wag.] max. 5.0 1.2

Pozostałość nierozpuszczalna [% wag.] max. 5.0 0.5Chlorki [%wag.] max. 0.1 0.046

Alkalia (jako Na20ekw.) [%wag] max. 1.1 0.74Ciepło hydratacji [J/g] max. 270.0*1) 233.0

*1) - wymaganie dotyczy normy niemieckiej DIN 1164 (dodatkowe oznaczenie cementu NW)

6

3. Właściwości cementu hutniczego CEM III/A 32,5 NA produkowanego przezCementownię „Strzelce Opolskie” S.A.

W tablicy 3 przedstawiono właściwości cementu hutniczego CEM III/A 32,5NA wporównaniu z wymaganiami normy PN-B-19701.

Cement hutniczy z Cementowni „Strzelce Opolskie” zawiera w swoim składzie ok. 55-60% granulowanego żużla wielkopiecowego. Do jego cech charakterystycznych należy: niskawytrzymałość początkowa, niskie ciepło hydratacji (NW), wysokie wytrzymałości w okresienormowym oraz niski poziom zawartości tlenków alkalicznych (NA).

4. Właściwości betonu wykonanego z cementu hutniczego CEM III/A 32,5NA

Ciepło hydratacji i dynamika narastania wytrzymałości

Proces wiązania i twardnienia zaczynu cementowego polegający na reakcjach składników zwodą jest procesem egzotermicznym, a wydzielone ciepło podnosi temperaturę formowanegoelementu betonowego. Bezpośrednim następstwem egzotermicznego procesu wiązania itwardnienia spoiwa cementowego jest gwałtowny wzrost temperatury w dużej masie betonu..Sytuacja taka może mieć miejsce w budowanych obiektach hydrotechnicznych, oczyszczalniachścieków, itp. W obiektach tych zjawisko samonagrzewu jest niekorzystne zarówno w przypadkukonstrukcji cienkościennych o dużych wymiarach, gdzie naprężenia termiczne powodujądeformacje, jak i dla elementów o dużej objętości , w których występują problemy zodprowadzeniem nadmiaru ciepła [2], [3], [5].Jeśli powstające naprężenia termiczne przekroczą wartość graniczną wytrzymałości betonu welemencie rozpocznie się proces powstawania mikrospękań, następstwem czego jest zazwyczajobniżona trwałość betonu (niska mrozoodporność i odporność na czynniki agresywne) [3].Cementy z dodatkami granulowanego żużla hutniczego, zwłaszcza cementy hutnicze z wysokąjego zawartością, mają zdecydowanie niższe ciepło twardnienia w stosunku do odpowiadającychim cementom portlandzkim tej samej klasy, co przedstawiono w tablicy 4 [3].

Tablica 4. Ciepło twardnienie cementuRodzaj cementu Ciepło twardnienia

po 72 godz. [kJ/kg]CEM I 32,5R 332

CEM II/B-S 32,5R (30% żużla) 281

CEM III/A 32,5NA(60% żużla) 213

Niskie ciepło hydratacji wpływa na wolniejszą dynamikę narastania wytrzymałości (rys. 1) [6].

Odporność na agresję chemiczną

Przepływ cieczy przez beton powoduje postępujący proces przemian, obejmujących wpierwszym rzędzie najłatwiej ulegające reakcji składniki zaczynu: wodorotlenek wapniowy igliniany wapniowe. Wynika stąd poważny wpływ składu mineralnego cementu na zachowaniesię zaczynu w środowisku agresywnym [2], [3], [7], [8]. Wśród różnorodnych agresji środowisk na beton można wskazać dwa główne typymechanizmów prowadzących do niszczenia betonów. Są to:

7

· ługowanie (rozpuszczanie, wypłukiwanie) rozpuszczalnych w wodzie produktów agresjiutworzonych w pierwszej kolejności na powierzchni, a następnie w przekroju wraz zpostępem agresji,

· ekspansja (pęcznienie ) betonu.

0

10

20

30

40

50

60

70

Wyt

rzym

ałoś

ć, M

Pa

2 7 28 56 90 180Czas, dni

CEM I 32,5RCEM II/B-S 32,5RCEM III/A 32,5NA

Rys.1. Przyrost wytrzymałości cementów CEM I 32,5R,CEM II/B-S 32,5R i CEM III/A 32,5NA

Ługowanie może być spowodowane przez wody kwaśne, wody miękkie lub roztwory soliwywołujące reakcję wymiany, co w efekcie powoduje rozluźnienie oraz zmiękczenie strukturybetonu. Ługowanie może obejmować jony wapniowe z hydratów zaczynów lub całe hydraty cojest bardzo niekorzystne dla stwardniałego kamienia betonowego.Do ekspansji betonu dochodzi gdy pod wpływem agresywnego środowiska w porach betonutworzą się krystalizujące produkty, a wzrost kryształów powoduje pęcznienie zaczynu lubkruszywa[2], [7]. Powstające produkty mają większą objętość niż wyjściowe składniki betonu, zktórymi reagują siarczany ze ścieków. W konsekwencji dochodzi do utraty wytrzymałościbetonu i jego rozpadu.Zwiększenie odporności na działanie czynników agresywnych w przypadku cementu hutniczegoma charakter kompleksowy. Z jednej strony zmniejszeniu ulega zawartość faz klinkierowychpodatnych na korozję tj. glinianu trójwapniowego składzie cementu (tablica 5) i Ca(OH)2 wzaczynie, z drugiej strony zmienia się także mikrostruktura stwardniałego zaczynu cementowego[3].

Tablica 5. Skład fazowy cementu hutniczego CEM III/A 32,5NASkładnik Zawartość, %

Granulowany żużel wielkopiecowy 60,0Gips CaSO4* 2H2O 5,0

C3S 19,27C2S 6,23C3A 4,55

C4AF 3,00

Duża odporność korozyjna betonów wykonanych z cementów hutniczych wynika przedewszystkim z ich małej przepuszczalności (wysokiej szczelności), co ściśle powiązane jest ze

8

zmniejszeniem ilości porów kapilarnych. Zastosowanie bowiem aktywnego składnikamineralnego w postaci granulowanego żużla wielkopiecowego zmienia rodzaj powstającychproduktów hydratacji cementu oraz teksturę betonu [2], [3], [7], [8]. Na rysunku 2 pokazano

porowatość zaczynu z cementu hutniczego oraz cementu portlandzkiegoRys. 2. Porowatość zaczynu wykonanego z cementu portlandzkiego i cementu hutniczego

Natomiast rysunek 3 przedstawia wyniki badania odporności na korozję siarczanowącementów z różną zawartością granulowanego żużla wielkopiecowego [13]. Wyraźnie widocznyjest wpływ dodatku żużla na zwiększenie odporności siarczanowej cementu.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52czas przechowywania [tygodnie]

wydł

użen

ie [%

] CEM I 32,5R

CEM II/B-S 32,5R

CEM III/A 32,5NA

Rys. 3. Wydłużenie próbek zapraw dojrzewających w roztworze Na2SO4

9

0

10

20

30

40

50

60

70

zaw

arto

ść p

orów

, %

10 80 100

200

400

600

800

1000

1200

1400

średnica porów, %

cement portlandzkicement hutniczy

Mrozoodporność

Zbiorniki, zwłaszcza w oczyszczalniach ścieków, pracują w zmiennych warunkachwilgotnościowych. Szczególnie niekorzystne warunki występują w okresie jesienno - zimowym,kiedy to beton jest poddany wielokrotnym cyklom zamrażania i odmrażania. Tak więcniekorzystne warunki eksploatacyjne wymuszają zastosowanie betonu o podwyższonejmrozoodporności .

Czynnikami istotnymi stają się: wielkość współczynnika wodno-cementowego, rodzajkruszywa, a także zastosowany rodzaj cementu [3], [9], [10].

Jeśli weźmie się pod uwagę korzyści jakie daje zastosowanie cementu hutniczego - jego użyciew obiektach oczyszczalni ścieków jest zalecane. Korzystne działanie cementów hutniczych - zewzględu na rozkład porowatości w zaczynie - jest bardzo widoczne w przypadku odporności nadziałanie środków odladzających. Beton wykonany z cementu hutniczego odznacza się dużowiększą odpornością na działanie środków odladzających niż w przypadku stosowania cementuportlandzkiego. Napowietrzanie cementów hutniczych jest pożądane i przynosi zadawalająceefekty, szczególnie dla cementów z dużą zawartością granulowanego żużla wielkopiecowego[3].Warunkiem efektywnego stosowania cementów hutniczych jest jednak nieprzekraczalna wartośćwspółczynnika wodno-cementowego max 0,5 [11].

5. Przykłady praktycznego zastosowania cementu hutniczego CEM III/A 32,5NA

Cement hutniczy CEM III/A 32,5NA w produkcji betonu towarowego

Wymagane właściwości stwardniałego betonu są określone przez projektanta konstrukcji,natomiast właściwości świeżego betonu zależą od rodzaju konstrukcji, techniki układania izagęszczania oraz warunków transportu. Przystępując do projektowania składu mieszankibetonowej musimy pogodzić te wszystkie czynniki i tak dobrać skład betonu, aby było todziałanie optymalne z punktu widzenia ekonomicznego i technicznego. Zaprojektowany betonmusi mieć odpowiednią konsystencję, wytrzymałość i trwałość. Dobierając rodzaj cementu kierujemy się zazwyczaj klasą betonu, którą chcemyuzyskać. Do betonów niskich klas wytrzymałościowych (do B25) zazwyczajstosujemy w praktyce cement klasy wytrzymałościowej 32.5 (32.5R). Następnepytanie jakie sobie stawiamy to jaki rodzaj cementu zastosować: „czysty” CEMI czy cement portlandzki mieszany CEM II, a może cement hutniczy CEMIII/A? Z punktu widzenia zasad projektowania nie ma żadnych przeciwwskazań,aby zastosować cementy z dodatkami mineralnymi tej samej klasy w miejscecementów portlandzkich CEM I. Należy podkreślić, że dysponując odpowiedni warunkami technicznymi oraz dysponując wiedząna temat stosowania i mechanizmu działania domieszek chemicznych, możemy w oparciu ocement hutniczy CEM III/A 32,5NA z Cementowni „Strzelce Opolskie” S.A. wykonywać betonyklas wytrzymałościowych B40 i wyższych. Przykłady zostaną pokazane w dalszej częścireferatu.

10

Zastosowanie cementu hutniczego CEM III/A 32.5 NA w budownictwie hydrotechnicznym

Jako przykład podajemy receptury na beton B 30 z przeznaczeniem na budowę zbiornikaKozielno k/Paczkowa. W składzie mieszanki betonowej, oprócz, cementu CEM III/A 32,5NA zCementowni „Strzelce Opolskie”, zastosowano popiół lotny z węgla kamiennego pochodzący zElektrowni „Opole” S.A., piasek i żwir z miejscowej kopalni kruszyw mineralnych.Przygotowano 3 receptury betonu o składzie podanym w tablicy 6.

Tablica 6. Skład betonu hydrotechnicznegoSkładnikimieszanki betonowej

Zawartość w kg/m3 betonuReceptura I Receptura II Receptura III

Cement hutniczy CEM III/A 32,5NA 319 319 248Popiół lotny --- 32 32Piasek 0- 2 mm 687 677 670Żwir 2 – 8 mm 305 301 298Żwir 8-16 mm 286 282 279Żwir 16 – 31,5 mm 630 620 615Woda 177 177 160Plastyfikator BV 3/T [litry] 2,0 2,0 1,6Stosunek w/c 0,55 0,55 0,64Stosunek w/(c + p) 0,55 0,52 0,55Wskaźnik konsystencji wg stożkaOpadowego [cm] 8 - 12 4 – 7 2 – 3

Właściwości poszczególnych betonów przedstawiono w tablicy 7. Wodoszczelność oznaczonozgodnie z normą BN-62/6738-05, a mrozoodporność metodą przyspieszoną określoną dlabetonów hydrotechnicznych w BN-74/6739-03.

Tablica 7. Wyniki badań betonu hydrotechnicznegoRodzaj oznaczenia Numer receptury

I II IIIWytrzymałość średnia [MPa]· po 28 dniach· po 90 dniach

31,434,9

33,040,0

30,241,3

Średnia głębokość wnikaniawody (przy ciśnieniu 0,8MPa)· po 28 dniach· po 90 dniach

2,01,7

4,03,2

4,02,3

Stopień mrozoodporności· po 28 dniach· po 90 dniach

F 150F 200

F 150F 150

F 150F 150

Nasiąkliwość [%]· po 28 dniach· po 90 dniach

4,13,9

4,13.9

4,24,0

Inwestycja jest aktualnie realizowana według receptury nr 2. Latem przewiduje się stosowaniereceptury nr 3. Prowadzone badania przez nadzór budowy potwierdzają przyjęte założeniaprojektowe.

11

Beton w budowie oczyszczalni ścieków

Bardzo szerokie informacje na temat zastosowania cementu hutniczego w budowie oczyszczalniścieków zawarte są w pozycji literaturowej [11] dostępnej w Spółce „Polski Cement” wKrakowie.W kraju cement hutniczy CEM III/A 32,5NA stosowany był z powodzeniem w budowieoczyszczalni ścieków w Krapkowicach, Opolu, Głogowie, Ostrowie Wlkp., Głubczycach,Bogatyni, Rudnej, Wrocławiu i wielu innych miejscowościach. Były to betony klas B 20 – B35i o stopniu wodoszczelności W6, W8 i W10.Jako przykłady podajemy receptury zamieszczone w tablicy 8 (Uwaga: receptura nie jestgotowym przepisem, należy każdorazowo ją sprawdzić na posiadanych kruszywach zuwzględnieniem sposobu transportu, zabudowy, itp.) .

Tablica 8. Receptury na beton wodoszczelny w obiektach oczyszczalni ściekówSkładnikbetonu[kg/m3]

B 20 B 25 B 35 B 40

Cement CEMIII/A 32,5NA

324 330 350 383

Piasek 0 - 2mm

740 718 740,0 651,7

Żwir 2 – 8 1152** 1172** 1158 217,7Grysygranitowe,bazaltowe

--- ---- ---- 886,9

Popiół lotny ---- 45,0Wskaźnik w/c 0,55 0,52 0,46 0,48Domieszkichemiczne

ADDIMENT FM 6

ADDIMENTFM6; BV3/T

ADDIMENTFM6;BV3/T

ADDIMENTFM6;BV3/T

* - beton wodoszczelny W 10; **- tylko żwir 2 – 31,5 mm

Beton drogowy wykonany z cementu żużlowego CEM III/A 32,5NAz Cementowni „Strzelce Opolskie” S.A.

Dla potwierdzenia uzyskanych wyników badań laboratoryjnych konieczne jest sprawdzenie ichw praktyce. W przypadku badań nad zastosowaniem cementów żużlowych w budownictwiekomunikacyjnym takim sprawdzianem była budowa drogi lokalnej Skomlin – Zbęk w pow.wieluńskim. Ze względu na lokalny charakter drogi i ruch lekkich pojazdów zdecydowano, że droga zostaniewykonana z betonu o następujących parametrach jakościowych:· klasa betonu - B 30;· konsystencja - plastyczna,· nasiąkliwość - maksymalnie 5%,· stopień mrozoodporności - F 150,· stopień wodoszczelności W 8.Do przygotowania betonu użyto kruszyw naturalnych dających mieszankę kruszyw o uziarnieniupokazanym na rys. 4. Szczególną uwagę w zaprojektowanej mieszance zwrócono na zmianę w czasie konsystencji inapowietrzenia. Jest to bardzo ważne przy planowanym przewożeniu mieszanki betonowej nadalsze odległości i potrzebie zabudowywania betonu w dłuższym czasie. Skład zaprojektowanejmieszanki przedstawiono w tabeli 9.Beton został zabudowany na istniejącej drodze o podbudowie z żużla o grubości ok. 10 -20cm,zniszczonej intensywnymi opadami i ruchem kołowym. Szerokość istniejącej zniszczonejpodbudowy wynosiła od 5,0 do 5,2 metra, przy szerokości całego pasa drogowego mierzącego

12

13,0 do 13,8 metra. Przyjęto następujące parametry projektowe do budowy drogi o nawierzchnibetonowej:· długość - 725 m,· szerokość - 4,0 m; szerokość w obrębie skrzyżowania 5,0 m· grubość betonu - 15cm,· beton - B30,· spadek poprzeczny jezdni 2%,· spadek poboczy 5%,· prędkość projektowa 50 km/godz.

0102030405060708090

100

0 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16

Wymiar oczka sita #, mm

Prz

esie

w, %

Krzywe graniczne

Krzywa mieszanki

Rys. 4. Krzywa uziarnienia mieszanki kruszywowej

Tablica 9. Skład mieszanki betonowej (kruszywo w stanie suchym)Składnik mieszanki Ilość składnika [kg/m3]

Cement 365Piasek 654

Żwir 2 8 mm 583Grys 8 16 mm 530

Woda 168Plastyfikator BV3/T 2,6

Superplastyfikator FM 6 1,8Środek napowietrzający

LPS - A 94 0,09

Produkcja betonu na drogę odbywała się na węźle betoniarskim odległym od miejsca zabudowybetonu o ok. 40 km. Przed położeniem warstwy betonu powierzchnia całej starej drogi zostaławyrównana, a zniszczone miejsca w podbudowie uzupełniono mieszaniną popiołowo-żużlową ipospółką. Zagęszczanie betonu w miejscu zabudowywania odbywało się przy pomocy listwy wibracyjnejPo zawibrowaniu zewnętrzna powierzchnia betonu była teksturowana przy użyciu szczotek odługim i sztywnym włosiu. Po tych zabiegach beton nakrywany był folią na okres 72 godzin(zachowanie odpowiedniego poziomu wilgoci). Do pielęgnacji betonu wykonanego z użyciemcementów z wysoką zawartością dodatków mineralnych należy przykładać szczególną wagę.

13

Betony, zwłaszcza wykonane na cemencie hutniczym, należy pielęgnować na „mokro” o 2 - 3dni dłużej niż betony na cemencie portlandzkim CEM I.Po okresie pielęgnacji wykonywane były w stwardniałym betonie szczeliny skurczowe pozorne oszerokości 5 mm na grubość 1/3 płyty. Co 25 m wykonywano szczeliny skurczowe pełne oszerokości 15 mm, na pełną grubość płyty wynoszącą 15 cm. Nacięcia wykonywano przypomocy diamentowej piły tarczowej. Zauważyć należy, że szczeliny wykonywano postosunkowo długim okresie czasu od zabudowania betonu. Wynikał on z charakteru użytegocementu (wydłużone czasy wiązania i wolna dynamika narastania wytrzymałości wczesnej) orazpanujących warunków atmosferycznych w trakcie realizacji inwestycji; temperatura otoczenia od-2 oC do +6oC oraz przelotne opady deszczu.W trakcie wykonywania drogi beton zostały pobrane partie betonu do wykonania badań pełnychi sprawdzenia uzyskanych wyników z przyjętymi założeniami projektowymi. Otrzymana klasawytrzymałościowa betonu była wyższa od zaprojektowanej (B40), bardzo zadawalające byływyniki badań mrozoodporności, nasiąkliwości i wodoszczelności.Po upływie miesiąca od momentu zabudowania ostatniej partii betonu zostały pobrane próbkistwardniałego betonu bezpośrednio z drogi (odwierty) i przekazane do badań w ZakładzieMateriałów Budowlanych AGH. W tablicy 10 zamieszczono wyniki ukończonych oznaczeń. Wykonane badania potwierdziły dobrą jakość betonu drogowego wykonanego z użyciemcementu hutniczego CEM III/A 32,5NA z Cementowni „Strzelce Opolskie” S.A

Tablica 10. Parametry jakościowe betonu wyciętego z drogi lokalnej Skomlin - ZbękWłaściwość Jednostka Beton wykonany na cemencie

CEM II/B-S 32,5R CEM III/A 32,5NAGęstość pozorna betonu

w stanie suchym kg/m3 2230 2260Średnia wytrzymałość na

ściskanie MPa 39,2 43,0Klasa betonu B 30 B 35Nasiąkliwość % 4,45 3,35

Ścieralność na tarczyBoehmego mm 2,3 1,9

Uwieńczeniem prowadzonych badań było pozytywne ocenienie przez Instytut Badawczy Dróg iMostów w Warszawie przydatności do stosowania w inżynierii komunikacyjnej cementuhutniczego CEM III/A 32,5NA oraz wydanie Aprobaty Technicznej zezwalającej na jegostosowanie w budownictwie komunikacyjnym (Aprobata Techniczna IBDiM Nr AT/99-04-0759Cement hutniczy niskoalkaliczny CEM III/A klasy 32,5NA).

Cement hutniczy w prefabrykacji betonowej

W produkcji prefabrykatów betonowych oprócz wytrzymałości gwarantowanej wyróżnia się[12]:· wytrzymałość umożliwiającą bezpieczne rozformowanie elementu bez uszkodzeń i jego

transport na miejsce dojrzewania,· wytrzymałość składowania umożliwiającą ustawienie elementów w stosie (powinna ona

wynosić około 0,5 R28,· wytrzymałość montażową umożliwiającą przewóz na miejsce wbudowania i montaż

konstrukcji (wynosi ona od 70 do 100% R28).Niedogodność jaką jest niska wytrzymałość betonu wykonanego na cementach z wysokązawartością dodatków mineralnych można ograniczyć poprzez stworzenie warunków dodojrzewania betonu (wyższa temperatura) i stosowanie dodatków przyśpieszających twardnienie

14

cementu [13]. W tablicy 11 przedstawiono wyniki badań betonu wysokich klas (B 35 – B 55)wykonanego z cementu hutniczego CEM III/A 32,5NA z Cementowni „Strzelce Opolskie S.A.,gdzie temperatura dojrzewania wynosiła 18oC i 32oC. Z zamieszczonych danych widać, żemożliwa jest produkcja dużych elementów prefabrykowanych w normalnym procesieprodukcyjnym (rozformowanie po 24 godzinach) z cementu hutniczego, oczywiście niezbędnejest stosowanie podwyższonej temperatury dojrzewania. fakt ten należy zwłaszcza wykorzystaćw odpowiednich temperaturach zewnętrznych (wiosna – lato).

Tablica 11. Właściwości wytrzymałościowe betonu z użyciem cementu hutniczego CEM III/A 32,5NA*

Ilość cementu

w kg/m3 betonu

Wskaźnik

w/c

Wytrzymałość na ściskanie betonu w MPa,

po 1 dniu po 28 dniach po 1 dniu temp. +18oC temp. +32oC

400 0,42 6,5 57,20 13,8420 0,36 7,8 61,65 15,3440 0,34 11,6 74,30 23,3

*) Beton zawierał domieszki chemiczne : ADDIMENT FS 1 (przyśpieszająca twardnienie), ADDIMENT FM 6(superplastyfikator).

6. Podsumowanie

Przeprowadzone obszerne badania laboratoryjne cech użytkowych betonów z użyciem cementuhutniczego CEM III/A 32,5NA, jak i liczne przykłady praktyczne potwierdziły jego przydatnośćdo wykonywania obiektów o dużej trwałości. Beton wykonany z użyciem cementu hutniczego spełnia wysokie wymagania projektowedotyczące wytrzymałości, szczelności, odporności na korozję chemiczną i fizyczną.Zastosowanie cementu hutniczego pozwala, przy zapewnieniu właściwej pielęgnacji iwłaściwych warunków wykonania betonu i jego wbudowania, osiągnąć beton o pożądanychwłaściwościach użytkowych..Stosując cement hutniczy CEM III/A w budownictwie należy kierować się znanymi z literatury i

praktyki budowlanej zasadami projektowania i przygotowania mieszanek betonowych. Należyjedynie liczyć się przy stosowaniu cementu CEM III/A 32,5 NA z wydłużonym czasemwiązania i twardnienia mieszanki betonowej - nie ma to jednak wpływu na projektowanąwytrzymałość końcową betonu.

Literatura

1. Małolepszy J. „Właściwości betonu z zastosowaniem cementu hutniczego CEM III/A”.Materiały Sympozjum Naukowo Technicznego, Chorula 1998

2. Kurdowski W. „Chemia cementu”. PWN, Warszawa 19913. Małolepszy J., Deja J. i inni. Badanie trwałości betonów dla budownictwa komunikacyjnego

wykonanych z cementów zawierających granulowany żużel wielkopiecowy. Praca AGH.Kraków 1999r.

4. PN-B-19701 „Cement. Cement powszechnego użytku”.5. Kaszyńska M. „Ciepło twardnienia betonów z różnymi cementami”. Materiały Sympozjum

Naukowo Technicznego Szczecin, maj 1998

15

6. Badania własne Górażdże Trade. Chorula, 1999.7. Piasta J., Piasta W.G. „Beton zwykły” Arkady, Warszawa 19978. Jasiczak J., Łowińska-Kluge A. „Cement hutniczy CEM III/A”. Materiały budowlane

2/19989. Potrzebowski J. „Zapewnienie trwałości konstrukcji żelbetowych w oczyszczalniach

ścieków”. Materiały Budowlane 11/199710. Kijowski P., Kopia B., Pichór W. „Beton w budowie oczyszczalni ścieków”. Polski Cement

Sp. z O.O. Kraków 199811. Materiały promocyjne ADDIMENT Polska w Krakowie12. Abramowicz M.; Roboty betonowe na placu budowy. Arkady, Warszawa, 1992 13. Praca badawcza IMMB w Opolu o/Kraków „Badania cech użytkowych nowych rodzajów

cementów oferowanych przez GÓRAŻDŻE Trade Sp. z o.o., wg PN-B-19701:1997”,Kraków 1998

THE PREVIOUS EXPERIENCES OF THE SLAG CEMENT CEM III/A 32,5NA USE IN CONSTRUCTIONS

Summary

The basic properties of the slag cement CEM III/A 32,5NA and the directions of use are descripted inthis paper. The applications of slag cement CEM III/A 32,5NA offered by Grupa Górażdże inhydrotechnical construction, water treatment plants and road construction are also presented in thispaper.

16

Krzysztof Pogan1

NOWE UPŁYNNIACZE – NOWE MOŻLIWOŚCIW TECHNOLOGII BETONU

1. Beton – pięcioskładnikowy kompozyt

Właściwości betonu można podzielić na te odnoszące się do jeszcze świeżego stadium oraz techarakteryzujące stwardniałe tworzywo. Do najważniejszych cech świeżej mieszanki betonowejzaliczamy między innymi: urabialność (konsystencję), zdolność do zatrzymywania wody (brak„bleedingu”), czas przerobu, szybkość osiągania wczesnej wytrzymałości, podciąganiekapilarne. Najistotniejsze własności betonu stwardniałego, określane jako użytkowe, to naprzykład: wytrzymałość na ściskanie i zginanie, moduł sprężystości podłużnej E, nasiąkliwośćkapilarna, mrozoodporność, odporność na karbonizację. Wszystkie wymienione tu głównewłasności betonu zdeterminowane są zróżnicowaniem materiałów składowych, tj. cementu,domieszek, dodatków, kruszywa i wody (układ pięcioskładnikowy) – por. tab.1.

Tabela 1. Beton jako pięcioskładnikowy kompozyt.1Materiał składowy Możliwe zróżnicowanie

Cement· rodzaj cementu· klasa wytrzymałościowa cementu· własności specjalne

Kruszywo· normalne, lekkie, ciężkie· naturalne, syntetyczne· struktura, tekstura, uziarnienie

Woda · ograniczenia co do zawartości związków szkodliwych dla betonu

Dodatki

· popiół lotny, tras, pyły krzemionkowe· mączka kamienna· barwniki· włókna (stalowe, polipropylenowe, szklane)

Domieszki· plastyfikatory, upłynniacze· napowietrzacze· przyspieszacze, opóźniacze· inne

1Dr inż., Doradca Techniczny Addiment Polska Sp. z o. o., 31-752 Kraków, ul. Łowińskiego 40,tel. (0-12) 644-37-40, fax (0-12) 642-16-91, e-mail: krakow@addiment.com.pl

17

II SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNEREOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Gliwice 2000

Przy tak dużym zróżnicowaniu składników istotne jest bezbłędne wytwarzanie betonu ożądanych własnościach, co wymaga osiągnięcia najwyższego poziomu techniki.Wielkością mającą najistotniejszy wpływ na technologię wytwarzania betonu jest wskaźnikwodno-cementowy w/c, który określa wytrzymałość oraz gęstość kamienia cementowego ibetonu. Gdy beton wykonywano w układzie trójskładnikowym (cement, woda, wypełniacz),regulacja konsystencji mieszanki betonowej możliwa była jedynie poprzez zmianę ilościzaczynu cementowego (objętość sumy cementu i wody w 1 m3 mieszanki betonowej).Ponieważ zaczyn cementowy wraz ze zmniejszającym się wskaźnikiem w/c wykazujezwiększającą się lepkość, utrudnionym było stosowanie tej metody do wytwarzania betonu omożliwie wysokiej wytrzymałości. Rozwój technologii betonu w ostatnich 30 latach, zwłaszczaw dziedzinie domieszek chemicznych (głównie plastyfikatory i upłynniacze), umożliwiłniezależne od wartości wskaźnika w/c regulowanie konsystencji mieszanki betonowej – nie tylkow wytwórni betonu towarowego, ale również na placu budowy.W przypadku wykonywania dużych obiektów wymagana wysoka wydajność betonowania iwzrastające koszty robocizny doprowadziły do wykorzystania możliwości bardziej efektywnegoupłynnienia zaczynu cementowego dla ułatwienia układania i obróbki wbudowywanej mieszankibetonowej. Stąd też w wielu krajach zaczęto stosować konsystencję ciekłą. Drugi kierunekdziałań to zastosowanie plastyfikatorów i upłynniaczy w celu ograniczenia ilości wody wmieszance betonowej dla podniesienia jej gęstości i wytrzymałości betonu. Stało się toszczególnie ważne, gdy powszechnie dostępny stał się dodatek pyłów krzemionkowych. Tenaktywny dodatek o wysokiej zawartości SiO2 tworzy z częścią powstającego przy hydratacjicementu Ca(OH)2 dodatkową fazę C-S-H, która to jest miernikiem budującej się struktury i jejwytrzymałości. W ten sposób mogła być ulepszona nie tylko sama wytrzymałość kamieniacementowego, lecz przede wszystkim strefa kontaktowa zaczyn – kruszywo.Stosowanie domieszek upłynniających, wysokich ilości cementu oraz dodatku pyłówkrzemionkowych zaowocowało wytwarzaniem betonów wysokowytrzymałych (fc > 100 N/mm2).Betony wysokowartościowe, szczególnie te z ograniczonym maksymalnym wymiarem ziarenkruszywa grubego charakteryzują się cechami reologicznymi nie obserwowanymi w przypadkubetonów zwykłych: mieszanki betonowe dają się wprowadzać do elementów konstrukcyjnych ogęstym zbrojeniu, szczelnie i dokładnie wypełniają przestrzenie w szalunkach bez zagęszczaniawibratorami, wykazują własności samopoziomujące.Dalszy rozwój upłynniaczy i wdrożenie nowych możliwości technologicznych przez największekoncerny budowlane doprowadziły przed blisko 10 laty w Japonii do rozwoju technologii betonusamozagęszczającego się (ang. self compacting concrete SCC, niem. Selbstverdichtender BetonSVB) [1]. Szczególne własności tych betonów to przede wszystkim: upłynnienie i homogenizacjamieszanki betonowej, prawie całkowite wyprowadzenie powietrza z mieszanki betonowejpodczas upłynnienia, zdolność do wypełniania wszystkich przestrzeni wewnątrz szalunków iszczelnego otulenia zbrojenia bez stosowania pracochłonnego zagęszczania. Wymienionewłasności są uzyskiwane dzięki znacznie podwyższonej zawartości cząstek drobnych poniżej0,125 mm, które to wraz z wodą i upłynniaczem tworzą zawiesinę o wysokiej lepkości, w którejsą pogrążone większe ziarna wypełniacza, przy czym w zasadzie jest bez znaczenia czy frakcjepyłowe składają się z mieszaniny cementu i popiołu lotnego, metakaolinu, mikrokrzemionki, czyinertnej mączki kamiennej bądź samego popiołu lotnego. Zawiesina złożona z wymienionych tualternatywnych składników, współdziałając z upłynniaczem, zapewnia uzyskanie przezmieszankę betonową wymaganych właściwości reologicznych. Tendencja dla betonówzwykłych, aby szczelne wypełnienie przestrzeni uzyskiwać przez wzrost zawartości frakcjipowyżej 0,125 mm, nie ma zastosowania w technologii SCC. W tych betonach bowiemzawartość zawiesiny frakcji poniżej 0,125 mm musi przekraczać 40 % objętości. Dzięki takiejproporcji grubsze składniki nie zwiększają tarcia wewnętrznego mieszanki betonowej. Składfrakcji pyłowej zawiesiny uzależniony jest od pożądanych własności stwardniałego betonu, np.

18

ograniczony wskaźnik w/c: dla zewnętrznych części budowli < 0,6, dla betonów klasy B115 <0,3.Szerokie zastosowanie możliwych kombinacji w systemie pięcioskładnikowego kompozytupozwala na uzyskanie betonu o normalnej klasie wytrzymałościowej (jak beton w zakresiekonsystencji od K1 do K5), lub SCC i wysokowytrzymały beton aż po „reactive powderconcrete” czyli kompozyt z największym ziarnem wypełniacza do 0,5 mm o własnościachsamozagęszczających, a wytrzymałości na ściskanie przekraczającej 200 N/mm2, ostatniorozwijany we Francji.

2. Domieszki najnowszej generacji.

Prof. L. Kucharska w swoim artykule opublikowanym w numerze 2/2000 „Cement-Wapno-Beton” [2] szczegółowo wyjaśnia mechanizmy oddziaływania domieszek plastyfikujących iupłynniających oraz wskazuje na ich rozwój na przestrzeni ostatnich lat (tab. 2).

Tabela 2. Rozwój domieszek zmniejszających ilość wody [2].Rok Baza chemiczna domieszki Możliwa redukcja ilości wody %1932 sulfoniany naftalenowo-formaldehydowe 15 – 251939 lignosulfoniany 5 – 151960 sulfoniany melaminowo-formaldehydowe 5 – 251993 polikarboksylany (akrylany) 20 – 301997 eter polikarboksylowy 25 – 40

Jako główne zadania domieszek zmniejszających ilość wody zarobowej Autorka podajedeflokulację zaczynu cementowego a zatem zwiększenie stopnia dyspersji ziaren cementu,korelujące z siłami elektrostatycznego odpychania. W przypadku superplastyfikatorów ostatniejgeneracji mechanizm ich oddziaływania jest potęgowany przez tzw. efekt steryczny, co skutkujewiększą skutecznością upłynnienia oraz wydłużeniem czasu przerabialności mieszankibetonowej.Wprowadzane na polski rynek superplastyfikatory najnowszej generacji na bazie eterupolikarboksylowego otwierają nowe możliwości w technologii betonu. Ich zastosowanie jestbardzo szerokie i obejmuje zakres od betonów zwykłych aż po wspomniane wcześniej betonysamozagęszczające się (SCC).W swojej ofercie handlowej ADDIMENT POLSKA Sp. z o. o., jako przedstawicielniemieckiego koncernu HEIDELBERGER BAUCHEMIE GmbH, posiada grupę takichdomieszek. Są to superplastyfikatory ADDIMENT FM 37, ADDIMENT FM 38, ADDIMENTFM 34 oraz ADDIMENT FM 207. Domieszki te sprzyjają uzyskaniu jednorodnej mieszankibetonowej o wysokiej ciekłości utrzymującej się w czasie, nie wykazującej tzw. „bleedingu”,dającej się łatwo układać i wypełniającej deskowania o skomplikowanych kształtach i gęstymzbrojeniu.ADDIMENT FM 37 – przeznaczony głównie do betonu towarowego, dozowanie: 0,2 – 2,6 %.ADDIMENT FM 38 – stosowany do betonu towarowego, w prefabrykacji (tam gdzie ważna jestwysoka wczesna wytrzymałość), dobrze współpracuje z domieszkami napowietrzającymi LPS iLPS-A, dozowanie: 0,2 – 2,6 %.ADDIMENT FM 34 – „mercedes” wśród domieszek, przeznaczenie: beton towarowy, SCC,betony wysokowartościowe, betony o wysokiej wytrzymałości, stosowany także w prefabrykacji,dozowanie: 0,2 – 2,2 %.ADDIMENT FM 207 - przeznaczony głównie do prefabrykacji, sprzyja osiąganiu wysokichwytrzymałości wczesnych, dozowanie: 0,2 – 2,1 %Dla zobrazowania możliwości jakie otwierają się przy stosowaniu wspomnianych domieszekniżej przedstawiam kilka przykładów receptur mieszanek betonowych wykonanych z

19

domieszkami ADDIMENT FM 37, ADDIMENT FM 38 oraz ADDIMENT FM 34 – tab. 3 i 4,rys. 1 i 2.

Tablica 3. Właściwości betonów zwykłych z domieszkami najnowszej generacji.CEM I 32,5R CEM II/B-S 32,5 CEM I 42,5R CEM I 42,5R

cement 300 300 300 300 360 360 360 360w/c 0,57 0,57 0,57 0,57 0,45 0,45 0,45 0,45kruszywo 1890 1890 1890 1890 1859 1859 1859 1859FM 37 0,38 % - 0,39 % - 1,08 % - 1,01 % -FM 38 - 0,47 % - 0,43 - 1,74 % - 1,12 %Rozpływ, cmb/domieszkipo 10 min.po 20 min.po 40 min.po 60 min.po 90 min.

365653505046

375652505046

385652464542

395756525048

-55454239-

-58535048-

-58545247-

-57565452-

Wytrzym., MPapo 1 dniupo 28 dn.

1341

1544

6,141

9,940

3368

3276

3473

3475

Tabela 4. Właściwości betonów specjalnych z domieszkami najnowszej generacji.BWW SCC

CEM I 42,5R CEM II/A-L 42,5 CEM I 42,5R CEM II/B-S 42,5cement 450 450 362 360 350popiół lotny - - 229 230 210Silicoll SL 68 68 - - -w/c 0,32 0,32 0,48 0,48 0,51kruszywo 1790 1790 1624 1526 1560FM 37 2,30 % - 2,20% - -FM 38 - 2,60

%- 1,80 % -

FM 34 - - - - 1,20 %Rozpływ, cmb/domieszkipo 10 min.po 20 min.po 40 min.po 60 min.po 90 min.

-57514847-

-57524948-

bez wstrząsów-

79757467-

bez wstrząsów-

75767675-

bez wstrząsów-

75747371-

Wytrzym., MPapo 1 dniupo 28 dn.

5195

6597

2174

1969

964

20

3. Przykłady aplikacji domieszek najnowszej generacji.

Domieszki te na skalę przemysłową zostały zastosowane: przez firmę PEKABEX z Poznaniaprzy produkcji prefabrykowanych płyt elewacyjnych z betonu barwionego zamontowanych wbudynku biurowym Roma Office Center w Warszawie (ADDIMENT FM 38), przez firmęCONTRACTOR z Krakowa przy budowie Sanktuarium Bożego Miłosierdzia w Krakowie –Łagiewnikach (ADDIMENT FM 38) [3] – rys. 3 oraz przez TBG Wrocław dostawcę betonutowarowego na budowę Galerii Dominikańskiej we Wrocławiu (ADDIMENT FM 37).

Rys. 1. Rozpływ [cm] mieszanki betonowej SCC w funkcji czasu.

Rys. 2. Wytrzymałość na ściskanie [MPa] wczesna i po 28 dniach dla wybranych kompozycji.

21

5055606570758085

0 20 40 60 80

Czas [min.]

Roz

pływ

[cm

]

FM 37FM 38

A:CEM II/A-L 32,5RFM 37 = 2,20 %B:CEM I 42,5RFM 38 = 1,80 %

05

1015202530354045

Wyt

rzym

ałoś

ć [M

Pa]

A B C D24 godz.28 dni

A:CEM I 32,5RFM 37=0,38%B:CEM I 32,5RFM 38=0,47%C:CEM II/B-S 32,5FM 37=0,39%D:CEM II/B-S 32,5FM 38=0,43%

Rys. 3. Budowa Sanktuarium Bożego Miłosierdzia w Krakowie – ADDIMENT FM 38.

Literatura

1. Okamura H., Ouchi M.: Self-compacting concrete. Development, present use and future.Proc. of the 1st International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete. 13-14September 1999, Stockholm, Sweden, ed. by Å. Skarendahl and Ö. Petersson, SwedishCement and Concrete Research Institute, Sweden 1999.

2. Kucharska L.: Tradycyjne i współczesne domieszki do betonu zmniejszające ilość wodyzarobowej. Cement – Wapno – Beton 2/2000.

3. Pogan K.: Superplastyfikatory do betonów samozagęszczających się. Materiały Budowlane3/2000.

NEW SUPERPLASTICIZERS – NEW POSSIBILITIESIN CONCRETE TECHNOLOGY

Summary

Superplasticizers of the new generation: ADDIMENT FM 37, ADDIMENT FM 38, ADDIMENT FM 34and ADDIMENT FM 207 are presented. These new admixtures give a wide range of possibilities inapplication in concrete technology: from the ordinary concrete, high strength concrete up to self-compacting concrete (SCC). Some concrete mix recipes are discussed and a few applications in Poland arepresented.

22

2

Tomasz Pużak 1

Marcin Sokołowski2

CEMENTY W OFERCIE GRUPY GÓRAŻDŻERODZAJE, WŁAŚCIWOŚCI I POTENCJALNE

MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA W BUDOWNICTWIE

1. Wprowadzenie

Szeroki asortyment cementów oferowanych obecnie przez polskie cementownie pozwalana produkcję betonów o różnorodnych właściwościach, umożliwiających wykonywanie trwałychobiektów budowlanych. Istotnym zagadnieniem w nowoczesnej technologii betonu jest więcznajomość cech charakterystycznych dla poszczególnych cementów, co pozwala na osiągnięciepożądanych właściwości zarówno mieszanki betonowej jak i stwardniałego betonu. Należyzaznaczyć, że dobór określonego rodzaju i klasy cementu wymusza również odpowiedniezabiegi technologiczne związane z produkcją, transportem i wbudowaniem mieszanki betonowejoraz pielęgnacją świeżego betonu. Wybór właściwego technologicznie cementu obokpozostałych składników mieszanki betonowej, a następnie prawidłowe wykonanie betonu sąwięc często zadaniami skomplikowanymi i złożonymi. Aby przybliżyć powyższą problematykę inwestorom i wykonawcom, w referacie przedstawionona przykładzie cementów oferowanych przez Grupę Górażdże, właściwości określonychrodzajów i klas cementu oraz potencjalne kierunki ich stosowania.

2. Rodzaje, właściwości i kierunki zastosowania cementów z Grupy Górażdże

Grupa Górażdże oferuje swoim odbiorcom cementy produkowane w ZakładachCementowo-Wapienniczych „Górażdże” S.A. i Cementowni „Strzelce Opolskie” S.A. wnastępujących asortymentach:1. Cement portlandzki CEM I· cement portlandzki CEM I 32,5R· cement portlandzki CEM I 42,5R· cement portlandzki CEM I 52,5R· cement portlandzki biały CEM I 42,5 - importowany z Belgii1. Cement portlandzki mieszany CEM II21 mgr inż., Górażdże Trade2 mgr inż., Górażdże Trade

23

II SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNEREOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Gliwice 2000

· cement portlandzki popiołowy CEM II/A-V 32,5R· cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 32,5R· cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 42,5 (przewidywany początek produkcji od

01.06.2000)1. Cement hutniczy CEM III· cement hutniczy CEM III/A 32,5NA

W dalszej części referatu scharakteryzowano wymienione cementy pod względem ichwłaściwości i możliwości zastosowań w budownictwie.

2.1. Cement portlandzki CEM I 32,5R.Cement portlandzki CEM I 32,5R zawiera w swoim składzie klinkier portlandzki (min.

95%) oraz regulator czasu wiązania - gips (max. 5%). Właściwości fizyczne i mechaniczne orazskład chemiczny cementu spełniają wymagania normy PN-B-19701 „Cement. Cementpowszechnego użytku. Skład, wymagania i ocena zgodności” co pokazano w tabeli 1.

Tabela 1. Wymagania i właściwości cementu portlandzkiego CEM I 32,5RWłaściwość Wymagania wg PN-B-

19701 CEM I 32,5R„Górażdże”

CEM I 32,5R„Strzelce Op.”

Wytrzymałość 2 dni min. 10,0 23,6 24,5na ściskanie

[N/mm2]28 dni min. 32,5

max. 52,548,5 50,3

Początek wiązania [min] min. 60 191 134Koniec wiązania [ h, min] max. 12 h 4 h 07 3 h 22

Stałość objętości [mm] max. 10,0 0,0 0,4Siarczany jako SO3 [% ] max. 3,5 2,8 3,1

Straty prażenia [%] max. 5,0 2,7 2,4Części nierozpuszczalne [%] max. 5,0 0,3 0,4

Chlorki [%] max. 0,1 0,011 0,023

Cement CEM I 32,5R jest jednym ze spoiw mineralnych najpowszechniej stosowanych wpraktyce budowlanej. Do jego charakterystycznych właściwości należą: dosyć wysokawytrzyma-łość wczesna, wysoka wytrzymałość w normowym okresie twardnienia (28 dni),umiarkowanie wysokie ciepło hydratacji. Te cechy wyznaczają potencjalne możliwościstosowania cementu CEM I 32,5R takie jak: beton towarowy, wykonywanie konstrukcjimonolitycznych, elementy prefa-brykowane wielko- i drobnowymiarowe, konstrukcje i elementysprężone, zaprawy tynkarskie i murarskie, betonowe nawierzchnie drogowe. Klasa cementu 32,5umożliwia produkcję betonów klas B7,5 - B40, a stosunkowo wysoka wytrzymałość wczesna(po 2 dniach 23-24 MPa) zapewnia znaczny przyrost wytrzymałości betonu w czasie co jestszczególnie istotne w produkcji prefa-brykatów lub konstrukcjach obciążanych w krótkim czasiepo wykonaniu (skróceniu ulega okres twardnienia elementów). Początek wiązania cementu CEMI 32,5R (po upływie 2 - 3 godzin) umożliwia stosunkowo daleki transport mieszanki betonowej izapewnia dostateczną ilość czasu na jej zabudowę.

W Europie Zachodniej powszechną dziedziną stosowania cementu CEM I 32,5R jestbudownictwo komunikacyjne [6]. Również cement CEM I 32,5R z Grupy Górażdże posiadadopuszczenia instytutów niemieckich do stosowania w budownictwie komunikacyjnym naterenie Niemiec i od wielu lat jest eksportowany na rynek niemiecki oraz wykorzystywany wbudowie betonowych nawierzchni drogowych. W Polsce przy użyciu cementu CEM I 32,5R zCementowni „Strzelce Opolskie” wykonano odcinek autostrady A-12 na trasie Golnice-Krzywa.Również do nawierzchni betonowych w punktach poboru opłat na autostradzie A-4 pomiędzyKatowicami i Krakowem zastosowano cement CEM I 32,5R z Grupy Górażdże.

24

2.2.Cement portlandzki CEM I 42,5R.Głównym składnikiem cementu portlandzkiego CEM I 42,5R jest klinkier portlandzki (min. 95%), jako regulator czasu wiązania stosowany jest siarczan wapnia (max. 5%). W tabeli 2 podanowłaściwości fizyczne i mechaniczne oraz skład chemiczny cementu CEM I 42,5R. Są onezgodne z wymaganiami zawartymi w normie PN-B-19701 „Cement. Cement powszechnegoużytku. Skład, wymagania i ocena zgodności”.

Tabela 2. Wymagania i właściwości cementu portlandzkiego CEM I 42,5R.Właściwość Wymagania wg PN-B-

19701 CEM I 42,5R„Górażdże”

CEM I 42,5R„Strzelce Op.”

Wytrzymałość 2 dni min. 20,0 27,8 28,8na ściskanie

[N/mm2]28 dni min. 42,5

max. 62,552,7 55,3

Początek wiązania [min] min. 60 180 127Koniec wiązania [ h, min] max. 12 h 3 h 57 3 h 12

Stałość objętości [mm] max. 10,0 0,0 0,5Siarczany jako SO3 [% ] max. 4,0 3,1 3,1

Straty prażenia [%] max. 5,0 3,2 2,4Części nierozpuszczalne [%] max. 5,0 0,5 0,5

Chlorki [%] max. 0,1 0,012 0,025

Podstawowe cechy użytkowe cementu CEM I 42,5R to przede wszystkim znacznawytrzymałości wczesna i szybki jej przyrost w czasie oraz wysoka wytrzymałość normowymokresie twardnienia. Przyrost wytrzymałości cementu CEM I 42,5R w odniesieniu do innychrodzajów cementu pokazano na rysunku 1.

0

10

20

30

40

50

60

Wyt

rzym

ałoś

ć, M

Pa

1 2 3 7 28Czas, dni

CEM I 42,5RCEM I 32,5RCEM III/A 32,5NA

Rys.1. Przyrost wytrzymałości cementu CEM I 42,5R oraz cementu CEM I 32,5R i cementu hutniczego CEM III/A 32,5NA w okresie od 1 do 28 dni twardnienia.

Wymienione właściwości zawiązane są z szybkim wydzielaniem dużych ilości ciepła wprocesie hydratacji cementu. Cement CEM I 42,5R jest więc spoiwem szczególnie przydatnympodczas prac prowadzonych w warunkach zimowych i obniżonych temperatur. Wykonany zjego użyciem beton w krótkim czasie osiąga wytrzymałość, która gwarantuje jego odporność nadziałanie mrozu. Klasa cementu 42,5 pozwala na uzyskanie betonów klas B20-B60 koniecznychw przypadku silnie obciążonych konstrukcji monolitycznych i prefabrykowanych wbudownictwie ogólnym, a także nawierzchni drogowych i konstrukcji mostowych. Jednym zprzykładów takiej realizacji jest betonowy terminal dla samochodów ciężarowych na przejściugranicznym w Olszynie, do wykonania którego użyto cementu CEM I 42,5R z Cementowni„Górażdże”.

Ze względu na wyżej opisane właściwości cement CEM I 42,5R jest równieżpowszechnie stosowany w produkcji elementów prefabrykowanych, a zwłaszcza betonowej

25

kostki brukowej wytwarzanej w technologii wibroprasowania [7]. Użycie tego rodzaju cementuumożliwia skrócenie czasu osiągania przez wytworzone elementy wytrzymałości transportowejoraz przy właściwie skomponowanym składzie mieszanki betonowej i prawidłowym przebiegucyklu zagęszczania mieszanki, zapewnia uzyskanie projektowanej, wysokiej klasy betonu ( >B50).

2.3. Cement portlandzki CEM I 52,5RGłównym składnikiem cementu CEM I 52,5R jest klinkier portlandzki (min. 95 %),

jako regulator czasu wiązania stosowany jest siarczan wapnia (max. 5%). Właściwości fizyczne imechaniczne oraz skład chemiczny podano w tabeli 3. Cement CEM I 52,5R spełnia wymaganiazawarte w normie PN-B-19701 “Cement. Cement powszechnego użytku.”

Tabela 3. Wymagania i właściwości cementu portlandzkiego CEM I 52,5R.Właściwość Wymagania wg PN-B-

19701 CEM I 52,5R„Górażdże”

Wytrzymałość 2 dni min. 30,0 39,3na ściskanie [N/mm2] 28 dni min. 52,5 59,8

Początek wiązania [min] min. 45 139Koniec wiązania [ h, min] max. 10 h 3 h 11

Stałość objętości [mm] max. 10,0 0,0Siarczany jako SO3 [% ] max. 4,0 3,1

Straty prażenia [%] max. 5,0 3,4Części nierozpuszczalne [%] max. 5,0 0,4

Chlorki [%] max. 0,1 0,010

Właściwości użytkowe cementu CEM I 52,5R to: bardzo wysoka wytrzymałość wczesna(po 2 dniach > 30 MPa), wysokie wytrzymałości w okresie normowym, bardzo szybkienarastanie wytrzymałości wczesnej. Ze względu na wysokie parametry wytrzymałościowecementu CEM I 52,5R efektem jego stosowania jest możliwość ograniczenia zużycia cementuzwłaszcza przy produkcji elementów o dużej nośności [4] (np. elementy strunobetonowe) ibetonów wysokich klas wytrzymałościowych (>B50), prowadzenie betonowania ciągłego lubbetonowania techniką „ślizgową”. Stosowanie cementu CEM I 52,5R pozwala na zwiększenietempa robót przy równoczesnym zachowaniu wysokiej jakości wykonywanej konstrukcjibetonowej. Na rysunku 2 przedstawiono przyrost wytrzymałości cementu CEM I 52,5R wporównaniu z cementami portlandzkimi niższych klas.

Ponieważ cement portlandzki CEM I 52,5 R charakteryzuje się także dużą szybkościąwydzielania ciepła, co prowadzi do samonagrzewu betonu, jego zastosowanie w produkcji ele-mentów prefabrykowanych to szansa na całkowite wyeliminowanie energochłonnego procesuniskoprężnej obróbki cieplnej [3, 4]. Uzyskane wczesne wytrzymałości betonu (po 6 i 12godzinach), są dostatecznie wysokie dla przeprowadzenia rozformowania i niezbędnych opera-cji transportowych gotowych elementów [9].

Duża szybkość wydzielania ciepła wpływa również na uzyskiwanie przez cement CEM I52,5R wysokich wytrzymałości na ściskanie w obniżonych temperaturach, co preferuje tencement do stosowania w produkcji w okresie jesienno-zimowym. Na rysunku 3 przedstawionowytrzymałość cementu portlandzkiego CEM I 52,5R po 1 dniu twardnienia w zależności odtemperatury dojrzewania [3].

26

010

20

30

40

50

60

70

80

Wyt

rzym

ałoś

ć, M

Pa

1 2 3 7 28 56 90 180Czas, dni

CEM I 52,5RCEM I 42,5RCEM I 32,5R

Rys. 2. Przyrost wytrzymałości cementu CEM I 52,5R

w porównaniu do cementów CEM I 32,5R, CEM I 42,5R.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

5

10

15

20

Tem

pera

tura

doj

rzew

ania

, oC

Wytrzymałość na ściskanie [MPa]

Rys.3. Wytrzymałość na ściskanie zapraw z użyciem cementu portlandzkiegoCEM I 52,5R po 1 dniu twardnienia w zależności od temperatury dojrzewania.

2.4.Cement portlandzki biały CEM I 42,5.Cement ten produkowany jest przez belgijską cementownię Harmignies należącą do

grupy CBR i importowany przez Grupę Górażdże. W tabeli przedstawiono jego parametrytechniczne, zgodne z wymogami normy PN-90/B-30010/A2 „Cement portlandzki biały”.

Tabela 4. Właściwości mechaniczne i fizyczne cementu białego CEM I 42,5Właściwość Wymagania CEM I 42,5

.1Wg PN-90/B-30010Biały

Wytrzymałość po 2 dniach min.10 N/mm2 26,1 N/mm2

na ściskanie po 28 dniach min.42,5 N/mm2 57,5 N/mm2

Czas Początek min. 45 min 170 minWiązania Koniec max. 10 h 3 h 45 minStałość objętości max. 8 mm 0,5 mmStopień białości min.75% 83%Powierzchnia właściwa min. 250,0 m2/kg 348,0m2/kg

27

Cechy charakterystyczne tego cementu białego to: wysoka wytrzymałość wczesna,wysokie wytrzymałości w okresie normowym, duży stopień białości oraz niska zawartośćalkaliów, pozwalająca na stosowanie kruszyw reaktywnych.

Zalecane kierunki zastosowania w budownictwie to m.in. produkcja betonu orazprodukcja zapraw murarskich i tynkarskich.

2.5. Cement portlandzki popiołowy CEM II/A-V 32,5R.Głównym składnikiem cementu CEM II/A-V 32,5R jest klinkier portlandzki (80-94%),

popiół lotny krzemianowy (6-20%) oraz regulator czasu wiązania. Właściwości fizyczne imechaniczne oraz skład chemiczny cementu (tabela 5) spełniają wymagania normy PN-B-19701„Cement. Cement powszechnego użytku. Skład, wymagania i ocena zgodności”

Tabela 5. Wymagania i właściwości cementu portlandzkiego popiołowego CEM II/A-V 32,5R.

Właściwość Wymagania wg PN-B-19701

CEM II/A-V 32,5R„Górażdże”

Wytrzymałość 2 dni min. 10,0 13,2 na ściskanie

[N/mm2]28 dni min. 32,5

max. 52,542,0

Początek wiązania [min] min. 60 240Koniec wiązania [ h, min] max. 12 h 4 h 50

Stałość objętości [mm] max. 10,0 0,0Siarczany jako SO3 [% ] max. 3,5 3,0

Chlorki [%] max. 0,1 0,015

Stosowany jako dodatek do cementu CEM II/A-V 32,5R popiół lotny krzemianowy jestotrzymywany przez elektrostatyczne lub mechaniczne osadzanie pylistych cząstek spalin zpalenisk opalanych pyłem węglowym. Popiół lotny stanowi niejednorodną mieszaninęskładników mineralnych o różnym stopniu przetworzenia termicznego i może zawierać jeszczeczęści niespalone [1]. Skład chemiczny, który przedstawiono w tabeli 6, uwarunkowany jestgłównie składem spalonego węgla.Podstawowe składniki popiołu są przede wszystkim komponentami jego fazy szklistej. Ich ilośćma wpływ na aktywność pucolanową popiołów lotnych. Niepożądanym składnikiem jestniespalony węgiel, ponieważ absorbuje na swojej powierzchni dodatki chemiczne, nadajeciemną barwę spoiwa i pęcznieje. Niezwiązane tlenki MgO i CaO mogą powodować procesydestrukcyjne związane ze zmianą objętości jaka towarzyszy uwodnieniu tych tlenków [1].

Tabela 6. Średni skład chemiczny popiołu lotnego krzemianowegoSkładnik Zawartość, %

SiO2 51,1Al2O3 27,1Fe2O3 7,4CaO 4,0MgO 2,8SO3 0,8

Straty prażenia 1,8

Podstawową właściwością wykorzystywaną przy stosowaniu popiołu jako dodatku docementu jest jego aktywność pucolanowa, czyli zdolność do reagowania z wodorotlenkiemwapniowym w środowisku wodnym, z utworzeniem związków o właściwościach hydraulicznych[1].

28

Do najważniejszych cech użytkowych cementów z dodatkiem popiołu lotnego można zaliczyć:– obniżenie skurczu i pełzania, – zmniejszenie ciepła hydratacji w stosunku do innych rodzajów cementu co pokazano na

rysunku 4,– zwiększenie odporności na czynniki agresywne spowodowane zmianą składu fazowego

stwardniałego zaczynu cementowego (wzrost ilości fazy CSH oraz zmniejszenie zawartościwodorotlenku wapniowego),

– lepszą urabialność mieszanki betonowej.Ze względu na wolny przebieg reakcji pucolanowej cementy z dodatkiem popiołu lotnego

charakteryzują się wolniejszym przyrostem wytrzymałości w początkowym okresie twardnieniaoraz wolniejszym przyrostem wytrzymałości w niskich temperaturach co wymusza starannąpielęgnację betonu w temperaturach poniżej 10 oC. Natomiast w długich okresach twardnienia(56, 90 i więcej dni) osiągana wytrzymałość cementu CEM/II A-V 32,5R przewyższawytrzymałość cementu portlandzkiego tej samej klasy, co pokazano na rysunku 5.

Cement CEM II/A-V 32,5R jest stosowany do: produkcji betonu towarowego klasy B7,5-B40,produkcji prefabrykatów i betonu komórkowego, produkcji elementów dojrzewających wwarunkach naturalnych lub poddawanych obróbce cieplnej, produkcji zapraw tynkarskich imurarskich, stabilizacji gruntu i budowy dróg.

Charakterystyczny dla cementu CEM II/A-V 32,5R długi czas wiązania wydłuża czas przerobumieszanki betonowej i zapraw budowlanych. Zapewnia to dostawę i użycie mieszanki lubzaprawy o założonej konsystencji i urabialności [9].

Jak wspomniano dodatek popiołu lotnego krzemianowego wpływa korzystnie na odpornośćcementu na działanie czynników korozyjnych. Utworzone w wyniku reakcji pucolanowejuwodnione krzemiany i gliniany wapnia o właściwościach hydraulicznych, dodatkowouszczelniają strukturę zaczynu i betonu, co utrudnia dyfuzję jonów agresywnych do jego wnętrza[1],[2].

050

100150200250300350400

0 1 2 3 4 5 6Czas, dni

Ciep

ło u

wod

nien

ia, J

/g

CEM I 32,5R

CEM II/B-S 32,5R

CEM II/A-V 32,5R

Rys. 4 . Porównanie ciepła hydratacji cementu CEM II/A-V 32,5R oraz cementu CEM I 32,5R i CEM II/B-S 32,5R.

29

0

10

20

30

40

50

60W

ytrz

ymał

ość

na ś

cisk

anie

, M

Pa

2 7 28 90

Czas, dni

CEM II/A-V 32,5RCEM I 32,5R

Rys. 5. Wytrzymałość na ściskanie cementu CEM II/A-V 32,5R w porównaniu do cementu CEM I 32,5R.

2.6. Cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 32,5R i CEM II/B-S 42,5.Głównym składnikiem tych cementu CEM II/B-S jest klinkier portlandzki (6579%),

granulowany żużel wielkopiecowy (2135%) oraz regulator czasu wiązania. Właściwościfizyczne i mechaniczne oraz skład chemiczny cementu CEM II/B-S 32,5R i CEM II/B-S 42,5spełniają wymagania normy PN-B-19701 „Cement. Cement powszechnego użytku. Skład,wymagania i ocena zgodności” i zostały przedstawione w tabelach 7 i 8.

Tabela 7. Wymagania i właściwości cementu portlandzkiego żużlowego CEM II/B-S 32,5R.Właściwość Wymagania wg PN-B-

19701 CEM II/B-S 32,5R

„Strzelce Op.”Wytrzymałość 2 dni min. 10,0 16,5na ściskanie

[N/mm2]28 dni min. 32,5

max. 52,551,1

Początek wiązania [min] min. 60 138Koniec wiązania [ h, min] max. 12 h 3 h 29

Stałość objętości [mm] max. 10,0 0,4Siarczany jako SO3 [% ] max. 3,5 2,8

Chlorki [%] max. 0,1 0,022

Tabela 8. Wymagania i właściwości cementu portlandzkiego żużlowego CEM II/B-S 42,5.Właściwość Wymagania wg PN-B-

19701 CEM II/B-S 42,5

„Strzelce Op.”Wytrzymałość 2 dni min. 10,0 19,1na ściskanie

[N/mm2]28 dni min. 42,5

max. 62,555,4

Początek wiązania [min] min. 60 129Koniec wiązania [ h, min] max. 12 h 3 h 15

Stałość objętości [mm] max. 10,0 0,3Siarczany jako SO3 [% ] max. 4,0 3,0

Chlorki [%] max. 0,1 0,023

30

Żużel wielkopiecowy to jeden z podstawowych dodatków mineralnych stosowanych odwielu lat w przemyśle materiałów wiążących. Otrzymywany jest przez gwałtowne chłodzeniepłynnego żużla wytwarzanego w procesie wytapiania rud żelaza w wielkim piecu. Składchemiczny żużli jest zbliżony do składu cementu, różni się jedynie niższą zawartością wapnia,wyższą krzemionki i magnezu. Granulowane żużle wielkopiecowe stosowane jako dodatki docementu powinny charakteryzować się wysoką zawartością fazy szklistej [1] .Granulowany żużel wielkopiecowy jest dodatkiem o utajonych właściwościach hydraulicznych.Odpowiednio pobudzony przez rozdrobnienie i aktywację wodorotlenkiem wapnia wiąże itwardnieje analogicznie jak cement portlandzki [1]. Cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S posiada szereg cennych właściwości, których nie macement portlandzki CEM I. Wprowadzenie do żużla wielkopiecowego wydłuża czas wiązaniacementu i obniża jego początkowe wytrzymałości (po 2 dniach) w odniesieniu do cementuportlandzkiego CEM I. W okresie normowym (28 dni) wytrzymałość ściskanie cementuportlandzkiego żużlowego CEM II/B-S jest porównywalna z wytrzymałością cementu CEM I.Po dłuższych okresach twardnienia beton wykonany z cementu portlandzkiego żużlowego CEMII/B-S, posiada wyższą wytrzymałość na ściskanie, a obiekt budowlany charakteryzuje siępodwyższoną trwałością.

Cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S ma szereg dodatkowych zalet istotnych wpraktycznym stosowaniu, a mianowicie:· obniżone ciepło hydratacji w porównaniu do cementów portlandzkich,· niski skurcz· podwyższona odporność na agresywne działanie wód miękkich, kwaśnych i siarczanowych

[8], (rysunek 6 [2])· lepsza urabialność zapraw i betonów,· zmniejszona tendencja do powstawania wykwitów węglanowych na elementach betonowych.· jaśniejszy odcień w stosunku do cementu portlandzkiego CEM I.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 100 200 300wiek, dni

eksp

ansj

a, % CEM I (0 % żużla)

CEM II/B-S (30% żużla)CEM III/A (60 % żużla)

Rys 6. Odporność korozyjna cementu CEM II/B-S w porównaniu do cementu portlandzkiego CEM I i cementu hutniczego CEM III/A.

Zalecane kierunki stosowania cementów żużlowych CEM II/B-S 32,5R i CEM II/B-S42,5 to: produkcja betonu towarowego klas B7,5-B60, produkcja prefabrykatów, produkcjabetonu i zapraw barwionych, konstrukcje i elementy prefabrykowane dojrzewające w warunkach

31

naturalnych i podwyższonej temperatury, produkcja zapraw murarskich i tynkarskich, budowadróg i stabilizacja gruntu w budownictwie drogowym - zastosowanie cementu CEM II/B-S32,5R z Cementowni „Strzelce Opolskie” w inżynierii komunikacyjnej zostałopotwierdzone Aprobatą Techniczną IBDiM nr AT/99-04-0758.

W przypadku cementu żużlowego CEM II/B-S 42,5 należy zaznaczyć, że jest on bardzoprzydatnym spoiwem w produkcji wibroprasowanej kostki brukowej. Dosyć wysokawytrzymałość wczesna tego cementu (po 2 dniach ok. 19 MPa) i w okresie normowym (po 28dniach ok. 55 MPa) gwarantuje szybkie osiąganie wytrzymałości transportowej elementów orazzapewnia klasę betonu B35-B60. Efektem dodatku żużla wielkopiecowego zawartego wcemencie będzie także wyższa odporność kostki na działanie czynników agresywnych,ograniczone występowanie wykwitów węglanowych, bardziej efektywne barwienie wyrobóworaz zwiększenie zawartości frakcji drobnych w mieszance betonowej co wiąże się z poprawą jejurabialności [7].

2.7. Cement hutniczy CEM III/A 32,5NA.W okresie ostatnich lat cement hutniczy CEM III/A 32,5NA z Cementowni „Strzelce

Opolskie” spotyka się w naszym kraju z rosnącym zainteresowaniem użytkowników czegoefektem jest szereg zrealizowanych obiektów budowlanych.Podstawowymi składnikami cementu CEM III/A 32,5NA są klinkier portlandzki (3564%),granulowany żużel wielkopiecowy (3565%) oraz regulator czasu wiązania. Właściwościfizyczne i mechaniczne oraz skład chemiczny cementu CEM III/A 32,5NA spełniają wymaganianormy PN-B-19701 „Cement. Cement powszechnego użytku. Skład, wymagania i ocenazgodności” i zostały przedstawione w tabeli 9.

Tabela 9. Wymagania i właściwości cementu hutniczego CEM III/A 32,5NA. Właściwość Wymagania

Wg PN-B-19701CEM III/A 32,5NA

„Strzelce Op.” Wytrzymałość na ściskanie 7 dni min. 16 24,7

[N/mm2] 28 dni min. 32,5, max. 52,5 48,3Początek wiązania [min] min. 60 187Koniec wiązania [h, min] max. 12 h 4 h 39 Siarczany jako SO3 [%] max. 4,0 3,1

Strata po wyżarzaniu [%] max. 5,0 1,2Pozostałość nierozpuszczalna [%] max. 5,0 0,5

Chlorki [%] max. 0,1 0,046Alkalia (jako Na20ekw.) [%] max. 1,1 0,74

W porównaniu do cementów portlandzkich bez dodatków mineralnych nowoczesnycementy hutniczy posiada szereg znacznie korzystniejszych cech użytkowych. Dotyczy tozwłaszcza: niskiego ciepła hydratacji, bardzo wysokiej odporności na działanie czynnikówkorozyjnych oraz wysokiego przyrostu wytrzymałości w późniejszych okresach twardnienia(powyżej 28 dni) [5]. Szybkość narastania wytrzymałości cementu CEM III/A 32,5NA zCementowni „Strzelce Opolskie” w porównaniu do cementów portlandzkich CEM I 32,5R iCEM I 42,5R pokazano na rysunku 7.

32

0

10

20

30

40

50

60

70

Wyt

rzym

ałoś

ć, M

Pa

1 2 3 7 28 56 90 180Czas, dni

CEM I 42,5RCEM I 32,5RCEM III/A 32,5NA

Rys.7. Przyrost wytrzymałości cementów CEM I 32,5R, CEM I 42,5R i CEM III/A 32,5NA

Właściwości cementu hutniczego jednoznacznie określają kierunki jego zastosowania wbudownictwie, a mianowicie jest to bardzo dobry materiał wiążący do wykonywania dużychmasywów betonowych, betonów hydrotechnicznych, obiektów w oczyszczalniach ścieków,budowli podziemnych, nawierzchni drogowych i innych budowli wymagających wykonawstwatrwałych betonów o szczelnej strukturze, odpornych na działanie czynników agresywnych.Przeprowadzone prace naukowe oraz zrealizowane budowle potwierdzają fakt, że celowym jeststosowanie cementu hutniczego jako spoiwa do produkcji betonów eksploatowanych w trudnychwarunkach, przy stałym dostępie wody i mediów agresywnych [5].

Oprócz betonów specjalistycznych cement hutniczy można stosować w produkcjiprefabrykatów, produkcji betonu komórkowego, produkcji zapraw murarskich i tynkarskich orazbudowie dróg i obiektów komunikacyjnych – cement hutniczy CEM III/A 32,5NA zCementowni „Strzelce Opolskie” posiada Aprobatę Techniczną IBDiM nr AT/99-040759do stosowania w inżynierii komunikacyjnej.

Klasa wytrzymałościowa 32,5 umożliwia produkcję betonów klas B7,5 – B40.Dopuszczalne jest stosowanie reaktywnych kruszyw ze względu na wysoką odporność cementuhutniczego na korozję alkalia-kruszywo (NA).

Zaprawy i mieszanki betonowe wykonane na bazie cementu hutniczego charakteryzująsię dobrą urabialnością i zachowują swoje właściwości robocze w długich okresach czasu, co maszczególne znaczenie w przypadku mieszanek o konsystencji wilgotnej.

Bardzo dobre parametry wytrzymałościowe uzyskuje się przy stosowaniu obróbkitermicznej elementów betonowych, a jasna barwa cementu hutniczego pozwala na produkcjęzapraw i betonów barwionych i zapobiega także powstawaniu wykwitów węglanowych napowierzchni wykonywanych elementów.

3. Podsumowanie.

Grupa Górażdże posiada w swojej ofercie handlowej szeroki asortyment cementów obardzo różnych właściwościach mogących zaspokoić potrzeby szerokiego grona odbiorców.Produkcja cementów odbywa się pod ciągłą kontrolą jakościową laboratoriów zakładowychobejmującą ich skład chemiczny, właściwości mechaniczne i fizyczne. Zewnętrzną kontrolęjakości cementów prowadzi Instytut Mineralnych Materiałów Budowlanych w Opolu Oddział wKrakowie oraz Instytut MPA w Berlinie i Brandenburski Uniwersytet Techniczny w Cottbus.

33

Zróżnicowane właściwości przedstawionych w referacie cementów pozwalają naodpowiedni ich dobór w zależności od technologicznych warunków wykonania mieszankibetonowej, jej zabudowy oraz późniejszej eksploatacji betonu. Możliwości stosowaniacementów oferowanych przez Grupę Górażdże w wielu dziedzinach budownictwa zostałypotwierdzone licznymi badaniami oraz praktycznym ich zastosowaniem w wykonawstwietrwałych betonów, czego przykładem są liczne konstrukcje inżynierskie wzniesione w kraju jak iza granicą. Należy jednak podkreślić, iż uzyskania wysokiej jakości betonu jest uwarunkowanestosowaniem nie tylko wysokiej jakości cementu lecz także odpowiednio zaprojektowanejmieszanki betonowej zarówno z punktu widzenia ilości jak i jakości wszystkich jej składników.

Literatura

1. W. Kurdowski „Chemia cementu”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1991.2. J. Piasta i W.G. Piasta „Beton zwykły”, Arkady, Warszawa 1988.3. J.Deja, J.Małolepszy, E. Skrzyczewski „Właściwości cementu CP 55S wytwarzanego w

Cementowni GÓRAŻDŻE ”, Cement.Wapno.Beton, 1/96.4. J. Małolepszy, R. Korczyński „Zastosowanie cementu szybkotwardniejącego 55S do

produkcji dźwigarów strunobetonowych” XVI Konferencja Naukowo-TechnicznaJadwisin’98.

5. J. Deja, B. Kopia „Właściwości betonu z cementem hutniczym”, Polski Cement, Kraków1998.

6. J. Deja „Cementy stosowane w budowie betonowych nawierzchni drogowych” MateriałyBudowlane 2/98.

7. W. Brylicki „Kostka brukowa z betonu wibroprasowanego” Polski Cement, Kraków 1998.8. Praca badawcza IMMB w Opolu O/Kraków „Badania cech użytkowych nowych rodzajów

cementów oferowanych przez GÓRAŻDŻE Trade Sp. z o.o. wg PN-B-19701:1997”,Kraków 1998.

9. Z. Giergiczny „Wybrane zastosowania cementów w budownictwie” Sympozjum Naukowo-Techniczne „Cement z dodatkami mineralnymi. Rodzaje, właściwości i możliwościzastosowania w budownictwie”, Poznań-Chorula 1999.

10. Polska Norma PN-B-19701 „Cement. Cement powszechnego użytku. Skład, wymagania iocena zgodności”.

CEMENTS IN THE GRUPA GÓRAŻDŻE OFFERKINDS, PROPERTIES AND POTENTIAL POSSIBILITIES OF USE

Summary

Grupa Górażdże offers the wide assortment of cements: Portland cements CEM I, mixed Portland cementsCEM II and slag cement CEM III/A. Properties of Grupa Górażdże cements allow to use them to variousconstruction branches. Properties and use possibilities of Grupa Górażdże cements are descripted in thispaper.

34

Janusz Szwabowski 1

PRZYDATNOŚĆ NORM EUROPEJSKICH DO OCENYEFEKTYWNOŚCI DOMIESZEK UPLASTYCZNIAJĄCYCH

I UPŁYNNIAJĄCYCH

1. Wprowadzenie

Z wielu innowacji w technologii betonu, które miały miejsce w mijającym stuleciu,wprowadzenie domieszek chemicznych uplastyczniających lub upłynniających zaprawy imieszanki betonowe odegrało i odgrywa nadal zasadniczą rolę w podnoszeniu jakości betonu.Domieszki te, zwane skrótowo plastyfikatorami (P) i superplastyfikatorami (SP), umożliwiająpoprawę urabialności albo zmniejszenie ilości wody zarobowej bez pogorszenia urabialności.Szczególnie istotne znaczenie dla rozwoju nowoczesnej technologii betonu mająsuperplastyfikatory, ze względu na znacznie wyższą efektywność ich działania. Pozwalają one naosiągnięcie bardzo wysokiej ciekłości mieszanki betonowej oraz bardzo wysokiej wytrzymałościbetonu na ściskanie. Bez tych domieszek, niemożliwym byłoby pojawienie się nowych generacjibetonu, takich na przykład jak beton wysokowartościowy (BWW), bardzo wysokowartościowy(BBWW) czy samozagęszczający się (BSZ).

Łatwość technologiczna stosowania tych domieszek oraz pozorna prostota zaleceńproducentów domieszek na temat ich stosowania powodują, że produkcja betonu o dobrejjakości jest postrzegana przez niespecjalistów jako względnie proste zadania. Przecieżpodstawowe składniki betonu są dobrze znane. Cement portlandzki produkowany jest od półtorawieku, żwir i piasek znane są każdemu od dawna a woda jaka jest każdy wie. Do dyspozycji jestteż cała gama znajdujących się na rynku plastyfikatorów i superlastyfikatorów.

Technolodzy betonu wiedzą jednak dobrze, że sytuacja daleka jest od idealnej. Już tylkosama zmienność składu i właściwości cementu powoduje bardzo duże zróżnicowanie efektówdziałania superplastyfikatora. Cement jest bardzo złożonym mineralogicznie i chemiczniemateriałem, do tego zawierającym różne zanieczyszczenia w różnych ilościach. Zawartośćglinianu trójwapniowego C3A, siarczanów i alkaliów wpływa na właściwości mieszankibetonowej i stwardniałego betonu [1]. Czynniki te rządzą współdziałaniem superplastyfikatora zcementem. Cementy mieszane i dodatek odpadów przemysłowych, stosowany dziś dośćpowszechnie jako składnik cementu, czynią sytuację bardziej złożoną. Kruszywa również sązmienne w swoim składzie chemicznym, kształcie ziaren, uziarnieniu i właściwościachenergetycznych powierzchni. Wpływ warunków klimatycznych prowadzenia robót betonowychrównież nie jest pomijalny. Superplastyfikatory są również złożonymi chemicznie układami,zbudowanymi z polimeru wielkocząsteczkowego, mającego różną długość łańcuchów i różnyciężar cząsteczkowy, w zależności od pochodzenia.. Wszystkie te parametry odgrywają istotnąrolę w mechanizmie upłynnienia zaczynu cementowego i mieszanki betonowej, powodując, żedobór kompatybilnego z danym cementem superplastyfikatora, czyli objawiającego największąefektywność działania upłynniającego, jest bardzo istotnym problemem technologicznym [2].

1 prof. dr hab. inż. – Katedra Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej e-mail <jski@zeus.polsl.gliwice.pl>

35

II SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNEREOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Gliwice 2000

Producenci superplastyfikatorów próbują określić pewien zakres tych parametrów w celudopasowania produkowanej domieszki do określonego cementu i w konsekwencji – zapewnieniajej kompatybilność z tymże cementem.

Poszukiwanie nowych, efektywniejszych superplastyfikatorów jest permanentnymzadaniem ich producentów, ponieważ wymagania stawiane tym domieszkom nie tylko są corazwyższe ale także ciągle się zmieniają, bowiem stale rośnie asortyment stosowanych cementów.Wzrost ilości i rodzajów znajdujących się na rynku superplastyfikatorów, jak dotychczas,nie przyczynia się do zminimalizowania kwestii kompatybilności cementu i superplastyfikatoraoraz wynikających z niej problemów, związanych z wykonywaniem betonu. W takiej sytuacji,możliwość miarodajnej oceny efektywności działania omawianych domieszek stanowi klucz dooptymalnego technologicznie i ekonomicznie ich doboru przez producenta betonu. Czy takąmożliwość stwarzają nowe normy PN-EN 480 i PN-EN 934 dotyczące tych domieszek? Zanimodpowie się na to pytanie, sprecyzujmy pojęcie efektywności działania omawianych domieszekjej czynniki oraz metodykę badania i oceny tej efektywności.

2. Efektywność działania domieszek uplastyczniających i upłynniających

Efektywność działania tych domieszek określić można poprzez możliwe do uzyskaniazmniejszenie ilości wody zarobowej w mieszance przy zachowaniu niezmienionej jejkonsystencji (właściwościach reologicznych) lub zmiana tej konsystencji przy niezmienionejilości wody zarobowej, przypadające na jednostkę udziału domieszki w mieszance. Efektempodstawowym działania plastyfikatorów i superplastyfikatorów jest zmiana właściwościreologicznych mieszanki betonowej objawiająca się poprawą urabialności [3]. Istotna jest nietylko zmiana doraźna ale i utrzymanie tej zmiany przez pewien okres czasu, konieczny douformowania betonu. Wielkość efektu podstawowego pozwala na określenie efektu wtórnego,jakim jest zmniejszenie ilości wody zarobowej (a więc W/C), możliwe do uzyskania bez zmianywłaściwości reologicznych mieszanki a więc i urabialności. Oczywiście, ten wtórny efekt objawisię także zwiększeniem wytrzymałości betonu.

Efektywność działania domieszek należy rozpatrywać w aspekcie technicznym iekonomicznym. Efektywność techniczną można określić jako iloraz efektu podstawowego idawki domieszki koniecznej do jego uzyskania. Efektywność ekonomiczną zaś możnawyznaczyć jako koszt jednostki efektu podstawowego. W praktyce, porównując na przykładróżne superplastyfikatory, ten będzie najbardziej efektywny technicznie który, przy jednakowejdla wszystkich dawce, wywołuje największy efekt podstawowy. Innymi słowy,superplastyfikator ten wywoła żądaną zmianę właściwości reologicznych mieszanki relatywnienajmniejszą dawką. Zaś najbardziej efektywnym ekonomicznie będzie ten z porównywanychsuperplastyfikatorów który umożliwi uzyskanie tego efektu najmniejszym kosztem.

3. Czynniki efektywności oddziaływania domieszek

Efektywność techniczną działania plastyfikatorów i superplastyfikatorów, podobnie jakwszystkich domieszek, ocenić można tylko doświadczalnie. Jak już wspomniano wwprowadzeniu, zależy ona od wielu czynników. Przedstawiono je w pewnym uproszczeniu narys.1. Oczywiście, efektywność ekonomiczna zależy także od kosztu domieszki. Mnogość tychczynników utrudnia zarówno badanie jak i ocenę efektywności omawianych domieszek.Ponieważ jednak dobór cementu i kruszywa, podyktowany wymaganiami wytrzymałościowymi iśrodowiskiem pracy betonu, poprzedza zwykle dobór plastyfikatora lub superplastyfikatora, wpraktyce technologicznej liczbę czynników branych pod uwagę przy badaniu i ocenieefektywności tych domieszek można ograniczyć do czterech. Powinny to być: stosunek W/C,rodzaj domieszki, jej ilość oraz procedura mieszania domieszki z składnikami betonu.

36

Mieszanka betonowa bez Czynniki wejścia : domieszki skład cementu

stopień przemiału cementu ilość cementu

W/C Czynniki wejścia rodzaj i uziarnienie kruszywa ( składu betonu i natury konsystencja składników )

rodzaj domieszki Modyfikacja Czynniki dawka domieszki domieszką modyfikacji procedura mieszania

domieszki z składnikami betonu

Mieszanka i / lub beton zmodyfikowane

Rys.1. Czynniki efektywności technicznej domieszek uplastyczniających i upłynniających

Nie biorąc pod uwagę tych czynników a jedynie stosując się do ogólnikowych zkonieczności zaleceń producenta domieszki, nie ma możliwości dokonania racjonalnego wyboruoptymalnej - ze względu na jej efektywność - domieszki, jej ilości i procedury jej zmieszania zskładnikami betonu. Warunkiem koniecznym jest przeprowadzenie badań porównawczychefektywności domieszek, z uwzględnieniem zmienności wyżej wymienionych czterechczynników. Bardzo istotnym, ze względu na możliwość porównywania wyników badańwykonywanych w różnych laboratoriach, jest jednoznaczne określenie czynników przyjętych wbadaniach za stałe: właściwości składników, składu i warunków przygotowania mieszankibetonowej oraz warunków prowadzenia badania. Szczególnie ważne jest dokładne określenierodzajów, składów i właściwości stosowanych w badaniach cementów.

4. Metodyka badania efektywności działania domieszek uplastyczniających i upłynniających

Analiza aktualnego stanu wiedzy o działaniu domieszek uplastyczniających iupłynniających oraz normowej metodyki ich badania wykazuje, że miarodajna ocenaefektywności działania tych domieszek wymaga spełnienia następujących warunków:· jednoznacznego sformułowania celu oceny,· przyjęcia programu badań umożliwiającego realizację tego celu,· szczegółowego określenia składników, składu i warunków wykonania mieszanki betonowej,· uwzględnienia w programie badań wszystkich czynników istotnie wpływających na

efektywność działania omawianych domieszek,· przyjęcia adekwatnej fizycznie metody badania.

37

Celem badań domieszek uplastyczniających i upłynniających powinno być: uzyskaniemożliwie dokładnych, technologicznie istotnych informacji o ich działaniu w różnych warunkachi w konsekwencji, umożliwienie porównania efektywności działania różnych domieszek w celuwyboru i optymalizacji domieszki do określonego zastosowania praktycznego. Badania takie, wprzypadku domieszek posiadających certyfikat lub aprobatę techniczną, muszą koncentrować sięna określeniu podstawowego efektu jej działania - wpływu na właściwości reologicznemieszanki betonowej w układzie zmiennych czynników technologicznych. Ze względu na naturętego efektu, efektywność działania domieszki powinna być opisana za pomocą następującychzmian właściwości mieszanki :1) zmiany granicy płynięcia i lepkości plastycznej mieszanki w zależności od ilości domieszki

przy różnych wskaźnikach W/C;2) zmiany granicy płynięcia i lepkości plastycznej mieszanki w zależności od procedury

dozowania domieszki;3) zmiany granicy płynięcia i lepkości plastycznej mieszanki w zależności od warunków

wykonania betonu (temperatury otoczenia);4) zmiany granicy płynięcia i lepkości plastycznej mieszanki z upływem czasu od dodania

domieszki.Zależności te, przedstawione w postaci wykresów, stanowią pełną informację o wpływie

domieszki na właściwości reologiczne mieszanki, czyli o zmianach tych właściwościspowodowanych wprowadzeniem domieszki do mieszanki. Jedynie koniecznośćzakwalifikowania domieszki do konkretnej grupy (P lub SP) i dopuszczenia do stosowania,wymusza sprawdzenie spełnienia przez nią wymagań PN-EN 480-1 i PN-EN 934-2.Wykonywanie pełnych badań efektywności działania domieszek jest zasadne jedynie przy:uruchamianiu produkcji nowych domieszek lub przy istotnych zmianach w technologii ichprodukcji oraz opracowywaniu dokumentu charakteryzującego dane domieszki (np. certyfikaty,deklaracje zgodności lub instrukcje stosowania). W innych sytuacjach zakres i program badańpowinien być planowany indywidualnie, stosownie do konkretnych potrzeb i wymagań.

W celu zredukowania liczby pomiarów i uproszczenia analizy wyników badaniaefektywności działania domieszek, korzystne wydaje się przyjęcie sekwencyjnego programubadań. Przyjęte, w poszczególnych etapach tego programu, plany badań muszą zapewniaćrealizację ich celu przy możliwie niewielkiej liczbie pomiarów oraz umożliwiać statystycznąanalizę wyników badań, obejmującą: ocenę ich istotności i dokładności oraz opis matematycznyefektów działania domieszki w postaci równań regresji i ich wykresów.

Warunkiem koniecznym w badaniu efektywności działania domieszek jest stosowanieadekwatnych metod określania właściwości reologicznych mieszanek betonowych nimimodyfikowanych [3, 4]. Ponieważ techniczne testy konsystencji (np. przyjęte w PN-EN 934-2:1999 testy opadu i rozpływu stożka) nie pozwalają na prawidłową ocenę zmian właściwościreologicznych mieszanki betonowej [2], do badania efektywności domieszek konieczne jeststosowanie reometrycznego testu urabialności (RTU). Pod tym terminem należy rozumiećmetodykę wyznaczania parametrów reologicznych mieszanki betonowej przy założeniuadekwatności modelu reologicznego Binghama, z wykorzystaniem odpowiednich reometrówrotacyjnych działających według zasady stałej prędkości odkształceń. Metodyka RTU zastałaszczegółowo omówiona w [3,5]. Bardzo istotnym elementem RTU jest wybór odpowiedniegoreometru, o poziomie rozwiązań konstrukcyjnych i jakości metrologicznej mogącej spełnićwysokie wymagania stawiane urządzeniom standardowym. Przykłady takich, seryjnieprodukowanych reometrów, oraz metodyka wykonywanych za ich pomocą pomiarów zostałyprzedstawione szczegółowo w [3]. Ze względu na podobną naturę zjawisk zachodzących wświeżej zaprawie i mieszance betonowej, a jednocześnie mniejszy koszt i pracochłonnośćrealizacji badań, efektywność działania domieszek uplastyczniających i upłynniających należybadać przede wszystkim na zaprawach normowych wg PN EN 196-1:1996 modyfikowanych zewzględu na zmienny w badaniach wskaźnik W/C. Jednakże większa wrażliwość zaprawy niż

38

mieszanki betonowej na zmiany wywołane domieszką sprawia, że uzyskane końcowe wynikibadań, powinny być doświadczalnie potwierdzone na mieszankach betonowych. W chwiliobecnej można wykluczyć możliwość badania efektywności działania domieszek poprzezobserwację ich wpływu na zmiany reologiczne zaczynów. Decydują o tym przede wszystkim:znaczące różnice w zachowaniu się zaczynu i mieszanki betonowej [3,4] oraz trudnościidentyfikacji reologicznej zaczynu [ 6].

5. Przydatność PN-EN 480-1 i PN-EN 934-2 do oceny efektywności plastyfikatorów i superplastyfikatorów

Z punktu widzenia badania i oceny efektywności rozpatrywanych domieszek,najistotniejsze ustalenia zawarte są w PN-EN 934-2 „Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu.Definicje i wymagania” oraz w PN-EN 480-1 „Domieszki do betonu zaprawy i zaczynu. Metodybadań. Beton wzorcowy i zaprawa wzorcowa do badań”. Dotyczą one domieszek do betonuzwykłego, zbrojonego i sprężonego, stosowanych w mieszankach betonowych wykonywanychna placu budowy, w betonie towarowym a także w prefabrykacji. Zostały one omówione dośćszczegółowo w pracach [7,11], zatem ograniczmy się tutaj tylko do analizy przydatności wyżejwymienionych norm do oceny efektywności interesujących nas domieszek, w aspekcieprzestawionych w poprzednich rozdziałach czynników efektywności i metodyki jej badania.

Norma PN-EN 934-2 określa definicje domieszek stosowanych do mieszanekbetonowych o konsystencji normalnej (bez konsystencji półsuchej i wilgotnej), wymaganiaogólne odnoszące się do właściwości fizycznych i składu chemicznego domieszek orazwymagania szczegółowe, odnoszące się do podstawowego efektu działania domieszek i efektówtowarzyszących. W przypadku domieszek uplastyczniających i upłynniających badane sąnastępujące efekty podstawowe :

§ zmniejszenie ilości wody zarobowej przy bez zmiany konsystencji,§ zwiększenie konsystencji (poprawa urabialności) mieszanki bez zmiany stosunku

W/C,§ spadek ciekłości (utrata urabialności) po 30 min mieszanki o zwiększonej

konsystencji,Ponadto badana jest:§ wytrzymałość na ściskanie po 7 i 28 dniach betonu o zmniejszonej ilości wody oraz po 28

dniach betonu o zwiększonej konsystencji,§ zawartość powietrza zarówno w mieszance o zmniejszonej ilości wody jak i w mieszance o

zwiększonej konsystencji.Badania tych efektów prowadzi się na betonie wzorcowym lub zaprawie wzorcowej.

Określa je norma PN-EN 480-1 w której podano szczegółowe wymagania dotyczącestosowanego cementu oraz nasiąkliwości i uziarnienia kruszywa. Jednak z uwagi na wpływdomieszki, uziarnienie frakcji < 2 mm w betonie powinno być dokładniej określone. Norma tadokładnie określa ilość cementu oraz konsystencję mieszanki wzorcowej i wymaganą jej zmianę.Jednakże badanie domieszek uplastyczniających i upłynniających dla jednego stosunku W/C wzasadniczy sposób ogranicza informację o ich efektywności. Dlatego wskazane by byłoprowadzenie badań w pewnym przedziale zmienności stosunku W/C, przy zróżnicowanej ilościdomieszki. Istotność tego mankamentu normy wynika z stwierdzonego w badaniach faktu [9], żez zmniejszaniem się stosunku W/C rośnie efektywność domieszki i najlepiej można ją ocenićprzy niskich wartościach tego stosunku.

39

Rys. 2. Wpływ ilości domieszki na właściwości reologiczne mieszanek o różnym W/C.

Spośród czynników istotnie wpływających na efektywność działania omawianychdomieszek szczególne znaczenie ma ilość domieszki (patrz rys. 2) oraz procedura jej mieszaniaz składnikami betonu. Niestety norma PN-EN 480-1 nie określa dokładnie ilości domieszki zaśnorma PN-EN 934-2 definiuje tylko pojęcia właściwego i zalecanego dozowania domieszki. Doich zdefiniowania wykorzystano dozowanie zalecane przez producenta domieszki. Otwartymzagadnieniem pozostaje sposób określania właściwego dozowania. Norma nie uwzględniawpływu zmiennej ilości domieszki na badane efekty jej działania. Są to bardzo istotnemankamenty normy, bowiem w sytuacji zróżnicowania zalecanych ilości różnych domieszek niema możliwości porównania ich efektywności, w użytecznym technologicznie zakresie tej ilości.

Wątpliwości budzi wybór momentu w którym domieszka dodawana jest do mieszanychze sobą składników betonu. Według normy powinno to nastąpić 30 sek po dodaniu cementu, wtrakcie dozowania pozostałej połowy objętości wody. Tymczasem najkorzystniej jest dlawiększości domieszek dodawać je z opóźnieniem 1-2 min w stosunku do cementu.

W normie PN-EN 934-2 do pomiaru efektu podstawowego przyjęto jako równorzędnedwie metody: metodę opadu stożka i metodę rozpływu. Są to metody silne skorelowane (tablica1), lecz ze względu na większy zakres pomiaru konsystencji metoda rozpływu jest bardziejprzydatna.

Tablica 1. Korelacja pomiędzy parametrami reologicznymi mieszanki a pomiarem konsystencji

Metoda pomiaru Współczynnik korelacji pomiędzy wynikami pomiaruRozpływ stożka Granica płynności Lepkość plastyczna

Opad stożka 0.957 0.,961 0.623Rozpływ stożka 1 0.934 0.674

Metody te – jako jednopunktowe - nie pozwalają jednak na prawidłową ocenę efektupodstawowego działania domieszek uplastyczniających i upłynniających, jakim jest zmianawłaściwości reologicznych mieszanki betonowej. Zasadność opisu tych właściwości na grunciereologii parametrami ciała lepko-plastycznego Binghama – granicą płynięcia i lepkościąplastyczną – została wykazana w szeregu prac badawczych [3,4,10], dotyczących urabialności

40

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 1 2 3ilo ść SP [%],C

gran

ica

p

łyn.

Nm

mW/C=0,25W/C=0,30W/C=0,40

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 1 2 3ilo ść SP, [%]C

lepk

o

ść

plas

tycz

na, N

ms

W/C=0,25W/C=0,30W/C=0,40

mieszanek betonowych. Proponowane w normie metody stożka opadowego oraz rozpływupozwalają co najwyżej na oszacowanie jednego z tych parametrów reologicznych, to jest granicypłynięcia (tablica 1). Pomiary te nie dają żadnych informacji o lepkości plastycznej mieszanki,która decyduje o prędkości płynięcia mieszanki. Fakt ten może mieć mniejsze znaczenie wprzypadku mieszanek betonowych o wysokim W/C i niewielkiej ilości domieszkiuplastyczniającej lub upłynniającej. Jednak wraz z obniżaniem W/C, do otrzymania mieszankibetonowej o określonych właściwościach reologicznych konieczny jest coraz większy dodatekdomieszki.

Rys. 3. Wpływ ilości superplastyfikatora na właściwości reologiczne mieszanek ostałym opadzie stożka

Na rysunku 3 przedstawiono zmiany właściwości reologicznych mieszanki, uzyskane wbadaniach [12] przy założeniu stałego opadu stożka – zwiększeniu dodatku superplastyfikatoraodpowiada więc odpowiednie zmniejszenie ilości wody zarobowej. W tym przypadku granicapłynięcia pozostaje prawie bez zmian, natomiast wraz ze zwiększeniem ilości superplastyfikatoragwałtownie wzrasta lepkość plastyczna. Ten prosty i podstawowy przykład dowodzi, żeprawidłowa ocena efektów działania superplastyfikatora nie jest możliwa za pomocą zalecanychnormą testów konsystencji. Do określania właściwości reologicznych takich mieszanek należystosować test reometryczny, z zastosowaniem specjalnych reometrów do badań mieszanekzawierających spoiwa cementowe. Dotychczasowe doświadczenia ze stosowania do ocenyefektywności domieszek uplastyczniających i upłynniających testu reometrycznego, wykazująwysoką dokładność i wiarygodność wyników [3,5,8]. Ze względu na stacjonarność i kosztreometru nie jest jeszcze możliwe stosowanie go jako standardowego pomiaru urabialności naplacu budowy. Możliwe i wysoce wskazane jest natomiast stosowanie reometrycznego testuurabialności w przypadku certyfikacyjnych badań nowej domieszki, ustalania jej optymalnych imaksymalnych dawek w różnych warunkach oraz w przypadku projektowania mieszanekbetonowych o specjalnych wymaganiach urabialności, np. mieszanek betonów wysokiejwartości.

41

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6

Dawka SP [%]

Gr

an

ica

pły

nię

cia

[N

m]

0% CSF 5% CSF10% CSF

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6

Dawka SP [%]

Le

pk

oś

ć p

las

tyc

zn

a [

Nm

s]

0% CSF 5% CSF10% CSF

6. Podsumowanie

Wymagania i metody badań określone w normach PN-EN 934-2 i PN-EN 480-1 niepozwalają na pełną ocenę i porównanie efektywności działania domieszek uplastyczniających iupłynniających. Są one również mało przydatne do racjonalnego wyboru domieszki, jejoptymalnej dawki oraz procedury dozowania, ze względu na jej efektywność. W świetleobecnego stanu wiedzy efektywność działania domieszek uplastyczniających i upłynniającychnależałoby badać testem reometrycznym, różnicując ilości domieszki i wskaźniki W/C. Wsytuacji braku znormalizowanej metodyki testu reometrycznego, przy ocenie efektywnościdziałania domieszek uplastyczniających i upłynniających norma powinna uwzględniaćprzynajmniej zmienność dawki domieszki i wskaźnika W/C. Pełna ocena efektywnościdomieszki, z punkty widzenia producenta betonu, musi obejmować również efektywnośćekonomiczną.

Literatura

1. Kurdowski W.: Chemia cementu. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, str. 223-243, 1991

2. Szwabowski J., Gołaszewski J.: Badanie efektów działania wybranych domieszekupłynniających według norm europejskich. KNTPB Beton i Prefabrykacja, Jadwisin 2000

3. Szwabowski J.: Reologia mieszanek na spoiwach cementowych. WydawnictwoPolitechniki Śląskiej, Gliwice, 1999

4. Tattersall G.H., Banfill P.F.G.: The rheology of fresh concrete. Pitman Adv. Publ.Program, London 1983.

5. Szwabowski J., Gołaszewski J.: Badanie efektywności działania domieszekuplastyczniających i upłynniających reometrycznym testem urabialności. Ref. Konf.Nauk.-Techn. “Beton i Prefabrykacja”, Jadwisin 2000, CEBET Warszawa.

6. Papo A.: Rheological models for cement pastes. Materials and Structures, Vol. 21 pp. 41-46, 1988.

7. Kon E., Jóźwiak H.: Klasyfikacja i wymagania dla domieszek do betonu,zaprawy izaczynu. Cement-Wapno-Beton, nr 1-2/2000.

8. Szwabowski J., Gołaszewski J.: Methodology of testing superplasticizers efficiency usingrheometry workability test. Proc. 2nd Intern. Conf. „Building Materials and Testing.”Technical University of Brno, September 1999.

9. Faroug F., Szwabowski J., Wild S.: Influence of Superplasticizers on the Workability ofConcrete. Journal of Materials in Civil Engineering. ASCE, vol.11, No 2,1999.

10. de Larrard F.: Concrete Mixture Proportioning. E & FN SPOON, London and New York,1999..

11. Szwabowski J., Gołaszewski J., Suchoń S : Concerning Testing of the Performance ofPlasticizer and Superplasticizer. Proc. Intern. Conf. 50th Anniversary of Civ. Eng. Dept.vol."Material Engineering". Slovak University of Technology, Bratislava, November,1998.

12. Gołaszewski J.: Urabialność betonu wysokiej wytrzymałości. Praca doktorska,Politechnika Śląska, 1996.

42

Jacek Gołaszewski1

WPŁYW WYBRANYCH DOMIESZEK UPŁYNNIAJĄCYCH NA WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE ZAPRAW

1. Wprowadzenie

Domieszki upłynniające stosowane są powszechnie w celu poprawy właściwościreologicznych mieszanki betonowej, pozwalając na osiągnięcie znaczących korzyścitechnicznych i ekonomicznych w odniesieniu do warunków wykonania i właściwościtechnicznych betonu. Poprawa właściwości reologicznych mieszanki betonowej w wynikudodania domieszki upłynniającej zależy od szeregu czynników związanych przede wszystkim z:· kompatybilnością cementu i domieszki;· składem mieszanki betonowej;· warunkami przygotowania mieszanki betonowej i wykonania betonu. [1, 2, 3]

Spośród ww. czynników najistotniejszy wpływ na właściwości reologiczne mieszankibetonowej bezpośrednio po zakończeniu mieszania oraz ich zmiany w czasie ma kompaty-bilność cementu z domieszką. [1-5] Określenie kompatybilności domieszki upłynniającej zcementem jest więc jednym z najważniejszych zagadnień przy wyborze domieszki do stosowaniapraktycznego. Zagadnieniu temu poświęcono szereg prac badawczych [np. 1-9], na podstawiektórych stwierdzono, że o kompatybilności układu cement - domieszka decydują:· pochodzenie chemiczne domieszki;· średni ciężar cząsteczkowy domieszki;· rodzaj cementu, a przede wszystkim: zawartość C3A; ilość alkaliów Na2Oeq; ilość

siarczanów; postać gipsu (uwodniony/półwodny/anhydryt); stopień przemiału cementu.Złożoność układu cement/domieszka sprawia, że ilościowe rozpoznanie wpływu tych

czynników oraz wpływu interakcji pomiędzy nimi jest dalece niewystarczające i nie pozwalaokreślenie kompatybilnych składników przed rozpoczęciem mieszania. [5] Ponadto badaniawłaściwości reologicznych mieszanek betonowych z domieszkami wykonywane są wciąż zapomocą tradycyjnych testów technicznych [1-5], pomimo istotnych ich ograniczeń i udo-wodnionej konieczności stosowania w tym celu reometrycznego testu urabialności. [10, 11, 12]

Celem przedstawionych w referacie badań, stanowiących badania wstępne do szerokiegoprogramu poświęconemu reologicznej kompatybilności cement/domieszka, było określeniewpływu rodzaju i dawki wybranych domieszek upłynniających na właściwości reologicznezapraw wykonanych z różniących się istotnie właściwościami fizyko-chemicznymi cementów.Zastosowane domieszki upłynniające należą do grup najczęściej stosowanych domieszek(sulfonowane żywice melaminowe i naftalenowe oraz akrylany), natomiast cementy dobranokierując się ich zróżnicowaniem, przede wszystkim pod kątem ilości C3A oraz alkaliów.

1 Dr inż. Politechnika Śląska

43

II SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNEREOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Gliwice 2000

2. Program badań

Badania podzielono na trzy bloki w których określono:

Blok I wpływ rodzaju cementu oraz ilości i rodzaju domieszki upłynniającej na właściwościreologiczne zapraw;

Blok II wpływ momentu dozowania różnych domieszek upłynniających na właściwościreologiczne zapraw;

Blok III wpływ domieszek upłynniających na właściwości reologiczne zapraw z pyłemkrzemionkowym (CSF).

Plany badań poszczególnych bloków przedstawiono w tablicach 1, 2 i 3.

Tablica 1. Plan badań Blok IRodzaj

domieszkiDawka SP Rodzaj cementu CEM I 42,5

A B CWskaźnik W/C

0,47 0,53 0,47 0,53 0,47 0,53

AP0,50%

1,00%

SNF1,0%

2,0%

SMF1,0% 2,0%

Czynniki stałe: rodzaj i uziarnienie kruszywa;metoda dozowania domieszki.Tablica 2. Plan badań Blok II

Rodzajdomieszki Metoda dozowania domieszki

Rodzaj cementu CEM I 42,5A B C

AP – 1%Metoda A (wg tablicy 7) Metoda B (wg tablicy 7)

SNF –2%

Metoda A (wg tablicy 7) Metoda B (wg tablicy 7)

SMF –2%

Metoda A (wg tablicy 7) Metoda B (wg tablicy 7)

Czynniki stałe: wskaźnik W/C – 0,47; rodzaj i uziarnienie kruszywa;dawka domieszki.

Tablica 3. Plan badań Blok IIIRodzajdomiesz

ki

DawkaSP [%]

Rodzaj cementu CEM I 42,5A B C

Dawka CSF0% 10% 0% 10% 0% 10%

AP0%

1,0%

SNF0%

1,0%

SMF0%

2,0% Czynniki stałe: wskaźnik W/C – 0,53;

rodzaj i uziarnienie kruszywa; moment dozowania domieszki.

44

Ze względu na podobną naturę zjawisk zachodzących w świeżej zaprawie i mieszancebetonowej, a jednocześnie mniejszy koszt i pracochłonność realizacji badań, badaniaprzeprowadzono na zaprawach normowych wg PN EN 196-1:1996 modyfikowanych ze względuna zmienny w badaniach wskaźnik W/C.

3. Skład i składniki mieszanek betonowych

Składy zapraw modyfikowanych wykorzystanych w badaniach przedstawiono w tablicy 4.W badaniach zastosowano cementy CEM I 42,5 o składzie chemicznym i mineralogicznymprzedstawionym w tablicy 5. Właściwości stosowanych w badaniach domieszek upłynniającychprzedstawiono w tablicy 6. Jako kruszywo zastosowano piasek do zapraw normowych zgodny zPN EN 196-1.

Tablica 4. Skład badanych zapraw.Wskaźnik

W/CBlok Ilość składników [g/zarób]

Cement Pyłkrzemionkowy Piasek Woda

0,53 I, III 450 - 1350 238,50,47 I, II 450 - 1350 211,50,53 III 405 45 1350 238,50,47 III 405 45 1350 211,5

Tablica 5. Właściwości chemiczne i fizyczne badanych cementów.Cemen

tSkładniki [%]

SiO2 CaO Al2O3 Fe2O3 MgO Na2Oeq SO3 C3S C2S C3A C4AF

Pow.właściwa[cm2/g]

A 19,29 64,06 5,69 2,82 1,37 0,83 2,77 64,07 6,96 10,31 8,57 3617B 20,38 64,06 4,77 2,50 2,14 1,10 2,52 63,14 10,79 8,42 7,60 3790C 22,55 64,30 4,39 2,98 1,02 0,65 2,52 49,49 27,31 6,60 9,06 3559

Tablica 6. Właściwości badanych domieszek upłynniających.Domieszka Składnik bazowy Gęstość

[g/cm3]Stężenie

[%]Dawka w postaci

handlowej[% C wag.]

Dawka suchejsubstancji

[% C wag.]

AP polimer akrylowy 1,06 40% 0,5 0,21,0 0,4

SNF sulfonowana żywica formaldehydowo-naftalenowa 1,10 20% 1,0 0,2

2,0 0,4

SMF sulfonowana żywica formaldehydowo-melaminowa 1,12 20% 1,0 0,2

2,0 0,4

Tablica 7. Procedura mieszania zaprawy.Nazwa czynności Prędkość obr.

mieszadłaCzas

trwania [s]Metoda dozowania

domieszkiDozowanie cementu, wody i domieszki - - Metoda AMieszanie cementu z wodą mała 30±2Dozowanie piasku mała 30±2Dozowanie domieszki mała Metoda BMieszanie zaprawy duża 30±2Zebranie zaprawy przylepionej do ścianekmiski za pomocą skrobaka do środka miski bez mieszania 90±5

Mieszanie zaprawy duża 60±5

45

4. Przygotowanie próbek i wykonanie badania

4.1. Mieszanie składnikówSposób mieszania składników zaprawy odpowiada PN EN 480-1. Kolejność czynności

przy przygotowaniu zaprawy i ich czas trwania według tablicy 7, w bloku I i III stosowanometodę dozowania domieszki B.

4.2. Reometryczny test urabialnościWłaściwości reologiczne zapraw z dodatkiem domieszek upłynniających określono stosując

reometryczny test urabialności (RTU). RTU polega na:· doświadczalnym wyznaczeniu momentów M oporu ścinania, stawianych przez próbkę

mieszanki betonowej odkształceniu wywołanemu ustalonymi, co najmniej dwoma różnymiprędkościami obrotowymi N sondy lub naczynia pomiarowego reometru.

· wyznaczeniu metodą najmniejszych kwadratów równania binghamowskiej krzywejpłynięcia badanej mieszanki betonowej i wartości jej parametrów reologicznych. (równanie1) Ze względu na techniczne zróżnicowanie sposobów pomiaru i działania reometrówstosowanych w RTU równanie modelu Binghama stosuje się w postaci:

M = g + h * N (1)gdzie: M moment oporu ścinania wywołany płynięciem mieszanki betonowej, [Nm];

N prędkość obrotowa sondy (lub naczynia pomiarowego), [1/s];

g graniczny opór ścinania odpowiadający binghamowskiej granicy płynięcia, [Nm];

h opór płynięcia lepkiego odpowiadający binghamowskiej lepkości plastycznej, [Nms]

Interpretację geometryczną sposobu wyznaczania wartości g i h z równania (1), arównocześnie przykładowe wyniki pomiarów zrealizowane wg metodyki RTU reometremViskomat PC, przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Interpretacja geometryczna sposobuwyznaczania wartości g i h z równania (1) –pomiar za pomocą reometru Viskomat PC.

Rys. 2. Reometr Viskomat PC.

Wynikiem pojedynczego reometrycznego testu urabialności jest zbiór danych obejmujący:· wyznaczone za pomocą regresji liniowej parametry g i h krzywej płynięcia; mogą być

wyrażone w jednostkach fizycznych, po uwzględnieniu stałych pomiarowych dla użytegoreometru (procedury ich wyznaczania zostały opisane w [10, 11]);

· wartość współczynnika korelacji r będącego miarą dopasowania otrzymanego zbiorupunktów do równania (1); jest podstawą do weryfikacji poprawności testu;

46

0

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200

N [obr/min]

M [N

mm

]

g = 33,927 Nmmh = 0,1375 Nmmminr2 = 0,9699Bw g = 2,79%Bw h = 6,82%

y = 0,1375x + 33,927R2 = 0,9699

· błędy wyznaczenia wartości g i h określane za pomocą wzorów przedstawionych w [10].W prezentowanych badaniach RTU wykonano za pomocą reometru Viskomat PC. (rys.

2) Reometr oraz procedura wykonywania RTU za jego pomocą przedstawiono szczegółowo w[14]. RTU przeprowadzono się w warunkach zgodnych z PN EN 480-1 po 10, 20, 30, 40, 50min od momentu dodania domieszki. W trakcie oczekiwania na następny pomiar mieszankęprzechowywano w mieszarce pod przykryciem, aby ograniczyć odparowanie wody.

5. Wyniki badań

Wyniki badań bloków I, II i III przedstawiono na rys. 3 - 11, a ich analizę statystyczną wtabl. 8 - 10. Średnia wartość współczynnika korelacji r pomiędzy prędkością ścinania a napręże-niami dla wszystkich testów wyniosła 0,976, co potwierdza zgodność uzyskanych wyników zmodelem reologicznym Binghama. Średnie względne błędy wyznaczenia parametrów g i hwynoszące odpowiednio 3,35% oraz 7,84% nie odbiegają od przeciętnych wielkości błędówuzyskiwanych w RTU. [15]

5.1. Wpływ rodzaju cementu oraz dawki i rodzaju domieszki upłynniającejna właściwości reologiczne zapraw

Właściwości reologiczne zapraw wykonanych z wykorzystaniem badanych cementówróżnią się istotnie od siebie, zależnie od zastosowanego cementu: zaprawa z cementem Acharakteryzuje się wysokim granicznym oporem ścinania g (niemal dwukrotnie większym niżzaprawy z cementem B przy zbliżonym oporze płynięcia lepkiego h), natomiast zaprawa zcementem C odznacza się wyraźnie wyższym od pozostałych oporem płynięcia lepkiego h.

a bRys. 3. Wpływ wskaźnika W/C, rodzaju i dawki domieszki upłynniającej na parametryreologiczne zapraw z cementem A. a – graniczny opór ścinania g; b – opór płynięcia

lepkiego h

47

0

20

40

60

80

100

120

10 20 30 40 50Czas [min]

g [Nmm]

REF 0,53

AP; 0,47; 0,5%

AP; 0,47; 1%

AP; 0,53; 0,5%

AP; 0,53; 1%

SNF; 0,47; 1%

SNF; 0,47; 2%

SNF; 0,53; 1%

SNF; 0,53; 2%

SMF; 0,47; 1%

SMF; 0,47; 2%

SMF; 0,53; 1%

SMF; 0,53; 2%

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

10 20 30 40 50Czas [min]

h [Nmmmin]

REF 0,53

AP; 0,47; 0,5%

AP; 0,47; 1%

AP; 0,53; 0,5%

AP; 0,53; 1%

SNF; 0,47; 1%

SNF; 0,47; 2%

SNF; 0,53; 1%

SNF; 0,53; 2%

SMF; 0,47; 1%

SMF; 0,47; 2%

SMF; 0,53; 1%

SMF; 0,53; 2%

a bRys. 4. Wpływ wskaźnika W/C, rodzaju i dawki domieszki upłynniającej na parametryreologiczne zapraw z cementem B. a – graniczny opór ścinania g; b – opór płynięcia

lepkiego h

a bRys. 5. Wpływ wskaźnika W/C, rodzaju i dawki domieszki upłynniającej na parametryreologiczne zapraw z cementem C. a – graniczny opór ścinania g; b – opór płynięcia

lepkiego h

48

0

20

40

60

80

100

120

10 20 30 40 50Czas [min]

g [Nmm]

REF 0,53

AP; 0,47; 0,5%

AP; 0,47; 1%

AP; 0,53; 0,5%

AP; 0,53; 1%

SNF; 0,47; 1%

SNF; 0,47; 2%

SNF; 0,53; 1%

SNF; 0,53; 2%

SMF; 0,47; 1%

SMF; 0,47; 2%

SMF; 0,53; 1%

SMF; 0,53; 2%

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

10 20 30 40 50Czas [min]

h [Nmmmin]

REF 0,53

AP; 0,47; 0,5%

AP; 0,47; 1%

AP; 0,53; 0,5%

AP; 0,53; 1%

SNF; 0,47; 1%

SNF; 0,47; 2%

SNF; 0,53; 1%

SNF; 0,53; 2%

SMF; 0,47; 1%

SMF; 0,47; 2%

SMF; 0,53; 1%

SMF; 0,53; 2%

0

20

40

60

80

100

120

10 20 30 40 50Czas [min]

g [Nmm]

REF 0,53

AP; 0,47; 0,5%

AP; 0,47; 1%

AP; 0,53; 0,5%

AP; 0,53; 1%

SNF; 0,47; 1%

SNF; 0,47; 2%

SNF; 0,53; 1%

SNF; 0,53; 2%

SMF; 0,47; 1%

SMF; 0,47; 2%

SMF; 0,53; 1%

SMF; 0,53; 2%

7

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

10 20 30 40 50Czas [min]

h [Nmmmin]

REF 0,53

AP; 0,47; 0,5%

AP; 0,47; 1%

AP; 0,53; 0,5%

AP; 0,53; 1%

SNF; 0,47; 1%

SNF; 0,47; 2%

SNF; 0,53; 1%

SNF; 0,53; 2%

SMF; 0,47; 1%

SMF; 0,47; 2%

SMF; 0,53; 1%

SMF; 0,53; 2%

a bRys. 6. Wpływ momentu dozowania różnych domieszek upłynniających na parametryreologiczne zapraw z cementem A. a – graniczny opór ścinania g; b – opór płynięcia

lepkiego h

a bRys. 7. Wpływ momentu dozowania różnych domieszek upłynniających na parametryreologiczne zapraw z cementem B. a – graniczny opór ścinania g; b – opór płynięcia

lepkiego h

49

0

20

40

60

80

100

120

10 20 30 40 50Czas [min]

g [Nmm]

AP; AAP; BSNF; ASNF; B

SMF; ASMF; B

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

10 20 30 40 50Czas [min]

h [Nmmmin]

AP; AAP; BSNF; ASNF; B

SMF; ASMF; B

0

20

40

60

80

100

120

10 20 30 40 50Czas [min]

g [Nmm]

AP; AAP; BSNF; ASNF; B

SMF; ASMF; B

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

10 20 30 40 50Czas [min]

h [Nmmmin]

AP; AAP; BSNF; ASNF; B

SMF; ASMF; B

a bRys. 8. Wpływ momentu dozowania różnych domieszek upłynniających na parametryreologiczne zapraw z cementem C. a – graniczny opór ścinania g; b – opór płynięcia

lepkiego h

a bRys. 9. Wpływ różnych domieszek upłynniających na parametry reologiczne zapraw z

cementem A i z dodatkiem CSF. a – graniczny opór ścinania g; b – opór płynięcialepkiego h

50

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

10 20 30 40 50Czas [min]

h [Nmmmin]

AP; AAP; BSNF; ASNF; B

SMF; ASMF; B

0

20

40

60

80

100

120

10 20 30 40 50Czas [min]

g [Nmm]

AP; AAP; BSNF; ASNF; B

SMF; ASMF; B

0

20

40

60

80

100

120

140

160

10 20 30 40 50Czas [min]

g [Nmm]

REF CSF 10%

REF CSF 0%

AP; CSF 0%

AP; CSF 10%

SNF; CSF 0%

SNF; CSF 10%

SMF; CSF 0%

SMF; CSF 10%

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

10 20 30 40 50Czas [min]

h Nmmmim

REF CSF 10%

REF CSF 0%

AP; CSF 0%

AP; CSF 10%

SNF; CSF 0%

SNF; CSF 10%

SMF; CSF 0%

SMF; CSF 10%

a bRys. 10. Wpływ różnych domieszek upłynniających na parametry reologiczne zapraw z

cementem B i z dodatkiem CSF. a – graniczny opór ścinania g; b – opór płynięcialepkiego h

a bRys. 11. Wpływ różnych domieszek upłynniających na parametry reologiczne zapraw z

cementem C i z dodatkiem CSF. a – graniczny opór ścinania g; b – opór płynięcia lepkiegoh

51

0

20

40

60

80

100

120

140

10 20 30 40 50Czas [min]

g [Nmm]

REF CSF 10%

REF CSF 0%

AP; CSF 0%

AP; CSF 10%

SNF; CSF 0%

SNF; CSF 10%

SMF; CSF 0%

SMF; CSF 10%

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

10 20 30 40 50Czas [min]

h [Nmmmin]

REF CSF 10%

REF CSF 0%

AP; CSF 0%

AP; CSF 10%

SNF; CSF 0%

SNF; CSF 10%

SMF; CSF 0%

SMF; CSF 10%

0

20

40

60

80

100

120

140

160

10 20 30 40 50Czas [min]

g [Nmm]

REF CSF 10%

REF CSF 0%

AP; CSF 0%

AP; CSF 10%

SNF; CSF 0%

SNF; CSF 10%

SMF; CSF 0%

SMF; CSF 10%

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

10 20 30 40 50Czas [min]

h [Nmmmin]

REF CSF 10%

REF CSF 0%

AP; CSF 0%

AP; CSF 10%

SNF; CSF 0%

SNF; CSF 10%

SMF; CSF 0%

SMF; CSF 10%

Tablica 8. Analiza wariancji dla Bloku I badań.Źródło wariancji Suma

kwadrat.St.s.

Średnikwadrat Wart. F Poz.

istot.Suma

kwadrat.St.s.

Średnikwadrat Wart. F Poz.

istot.ANOVA dla: granicznego oporu ścinania g po 10 min oporu płynięcia lepkiego h po 10 minA: Rodzaj cementu 623,833 2 311,916 7,443 0,05 0,0305 2 0,0152 46,020 0,00B: Rodzajdomieszki

4132,537 2 2066,268 49,304 0,00 0,0969 2 0,0484 146,260 0,00

C: Wskaźnik W/C 6246,267 1 6246,267 149,043 0,00 0,0086 1 0,0086 26,104 0,00D: Ilość domieszki 3974,882 1 3974,882 94,845 0,00 0,0217 1 0,0217 65,514 0,00AB 131,366 4 32,841 4,784 0,59 0,0272 4 0,0068 20,583 0,01AC 495,899 2 247,949 5,916 0,06 0,0069 2 0,0034 10,512 0,03AD 54,026 2 27,013 0,645 0,57 0,0022 2 0,0011 3,361 0,14BC 1031,790 2 515,895 12,310 0,02 0,0367 2 0,0183 55,413 0,00BD 933,962 2 466,981 11,143 0,02 0,0023 2 0,0011 3,536 0,14CD 1251,272 1 1251,272 29,857 0,01 0,0079 1 0,0079 23,906 0,01ABC 192,486 4 48,121 1,148 0,44 0,0101 4 0,0025 7,615 0,04ABD 333,314 4 83,328 1,988 0,26 0,0022 4 0,0005 1,661 0,32ACD 124,415 2 62,207 1,484 0,33 0,0025 2 0,0012 3,8190 0,12BCD 311,638 2 155,819 3,718 0,12 0,0013 2 0,0006 1,911 0,26Błąd resztkowy 167,636 4 41,909 0,0013 4 0,0003Błąd całkowity 20005,33 35 0,2586 35

Tablica 9. Analiza wariancji dla Bloku II badań.Źródło wariancji Suma

kwadrat.St.s.

Średnikwadrat

Wart. F Poz.istot.

Sumakwadrat

.

St.s.

Średnikwadrat

Wart. F Poz.istot.

ANOVA dla: granicznego oporu ścinania g po 10 min oporu płynięcia lepkiego h po 10 minA: Rodzaj cementu 1074,417 2 537,208 3,546 0,13 0,0120 2 0,0060 8,337 0,03B: Momentdozowania

1199,194 1 1199,194 7,916 0,05 0,0073 1 0,0073 10,090 0,03

C: Rodzaj domieszki 3756,703 2 1878,352 12,399 0,02 0,0640 2 0,0320 44,350 0,00AB 61,529 2 30,764 0,203 0,82 0,0019 2 0,0008 1,177 0,40AC 770,194 4 192,548 1,271 0,41 0,0404 4 0,0100 13,981 0,01BC 494,090 2 247,045 1,631 0,30 0,0016 2 0,0008 1,085 0,42Błąd resztkowy 605,970 4 151,4925 0,0029 4 0,0007Całk. błąd 7962,097 17 0,1298 17

Tablica 10. Analiza wariancji dla Bloku III badań.Źródło wariancji Suma

kwadrat.St.s.

Średnikwadrat

Wart. F Poz.istot.

Sumakwadrat.

St.s.

Średnikwadrat

Wart. F Poz.istot.

ANOVA dla: granicznego oporu ścinania g po 10 min oporu płynięcia lepkiego h po 10 minA: Rodzaj cementu 1203,618 2 601,809 55,361 0,00 0,0146 2 0,0073 32,916 0,00B: Ilość CSF 33759,77 1 33759,77 3105,61 0,00 0,0443 1 0,0443 199,222 0,00C: Rodzajdomieszki

2084,132 2 1042,066 95,861 0,00 0,0032 2 0,0016 7,311 0,05

D: Ilość domieszki 15721,39 1 15721,39 1446,23 0,00 0,0004 1 0,0004 1,710 0,26AB 100,701 2 50,350 4,632 0,09 0,0066 2 0,0033 14,952 0,01AC 125,693 4 31,423 2,891 0,16 0,0016 4 0,0004 1,863 0,28AD 1823,334 2 911,667 83,866 0,00 0,0029 2 0,0015 6,580 0,05BC 543,463 2 271,732 24,997 0,01 0,0003 2 0,0002 0,702 0,54BD 2167,057 1 2167,057 199,351 0,00 0,0001 1 0,0001 0,325 0,60CD 2084,378 2 1042,189 95,872 0,00 0,0033 2 0,0016 7,311 0,05ABC 43,358 4 10,840 0,997 0,50 0,0009 4 0,0002 1,000 0,50ABD 85,311 2 42,656 3,924 0,11 0,0009 2 0,0004 2,127 0,23ACD 125,638 4 31,409 2,889 0,16 0,0016 4 0,0004 1,863 0,28BCD 543,182 2 271,591 24,984 0,01 0,0003 2 0,0001 0,702 0,54Błąd resztkowy 43,4823 4 10,871 0,0009 4 0,0002Całk. błąd 60454,52 35 0,0822 35

52

Analiza wariancji przedstawiona w tablicy 8 pokazuje, że parametry reologiczne zaprawyz domieszką upłynniającą bezpośrednio po zakończeniu mieszania zależą przede wszystkim od:wskaźnika W/C, dawki i rodzaju domieszki, interakcji tych czynników oraz rodzaju cementu iinterakcji cement/domieszka.

Zwiększenie wskaźnika W/C powoduje obniżenie granicznego oporu ścinania g orazoporu płynięcia lepkiego h. Dodanie domieszki upłynniającej zawsze powoduje obniżeniegranicznego oporu ścinania g zależnie od jej rodzaju: największe dla domieszek typu AP,następnie SNF, a najsłabsze działanie wykazuje domieszka typu SMF. (rys. 3, 4, 5 oraz 12)Domieszki typu AP i SMF powodują wzrost oporu płynięcia lepkiego h zapraw, tym większy imwiększą ilość domieszki dodano, natomiast domieszka typu SNF powoduje w zależności odrodzaju cementu wzrost, spadek lub nie powoduje zmian oporu płynięcia lepkiego h. (rys. 3, 4, 5oraz 12) Ponieważ jednak o efektywności działania domieszki decydują w większym stopniuzmiany granicznego oporu ścinania g, umiarkowany wzrost oporu płynięcia lepkiego h maznaczenie drugorzędne. Dla wszystkich badanych zapraw obserwowano wzrost granicznegooporu ścinania g w czasie – najmniejszy dla zapraw z domieszką typu AP, największy dlazapraw z domieszką typu SMF. (rys. 3, 4, 5) Opór płynięcia lepkiego h zapraw w tym samymczasie nie ulegał zmianie (domieszka typu SNF) lub malał: dla zapraw z domieszką typu APnieznacznie, dla zapraw z domieszką typu SMF wyraźnie. (rys. 3, 4, 5) Zmiany parametrówreologicznych zapraw z domieszkami w czasie zależą od wskaźnika W/C – im niższy wskaźnikW/C tym zakres zmian większy. Dla wskaźnika W/C = 0,53 obserwowane zmiany parametrówreologicznych były nawet mniejsze niż zapraw bez domieszki (rys. 13).

Zwraca uwagę fakt, że przy większych dawkach domieszki i wysokich wskaźnikach W/Cróżnice pomiędzy właściwościami reologicznymi zapraw, a szczególnie granicznymi oporamiścinania g zacierają się. Dowodzi to konieczności przeprowadzania badania efektywnościdomieszek i kompatybilności układu cement/domieszka w układzie zmiennych ilości domieszki iprzy możliwie niskich wskaźnikach W/C.

Jak wynika z rys. 3, 4, 5 oraz 14, cement typu B charakteryzuje się gorszymwspółdziałaniem z badanymi domieszkami niż cementy A i C - dla zapraw z cementem Bzmodyfikowanych domieszkami uzyskano najwyższe średnie wartości granicznego oporuścinania g, chociaż ten parametr dla zaprawy bez domieszek był zdecydowanie niższy niż zinnymi badanymi cementami! Słabą kompatybilność cementu B z domieszkami potwierdzająrównież wykresy na rys. 12 – względna zmiana granicznego oporu ścinania g zaprawy zcementem B w wyniku dodania domieszki jest wyraźnie najmniejsza, czego nie rekompensująniewielkie zmiany oporu płynięcia lepkiego h. Zaprawy z cementem C odznaczają się najniż-szym średnim granicznym oporem ścinania g, i pomimo podwyższonego w stosunku do innychcementów oporu płynięcia lepkiego pozwalają na uzyskanie zapraw o najlepszej urabialności.Jednakże największe względne zmiany parametrów reologicznych, mogące świadczyć owysokim współdziałaniu cement/domieszka uzyskano dla zapraw z cementem A.

Jak już stwierdzono wcześniej zmiany parametrów reologicznych badanych zapraw wczasie 40 min zachodziły stosunkowo wolno. Najmniejsze zmiany parametrów reologicznychuzyskano dla zapraw z cementem typu B (zarówno bez jak i z domieszkami), zaprawy zcementami typu A i C charakteryzowały się podobną szybkością utraty urabialności.

Uzyskany materiał badawczy umożliwia dobranie cementów i domieszek spełniającychwarunek kompatybilności. Na jego podstawie nie można jednak jednoznacznie stwierdzić, któreze składników cementu mają decydujące znaczenie dla jego kompatybilności z domieszkami. Zanajlepszy cement można uznać cement C o najniższej zawartości C3A (6,6%) i alkaliów (0,65%),najmniejszej powierzchni właściwej (ok. 3500 cm2/g) i najwyższym module krzemia-nowym, cogeneralnie potwierdza wymagania wobec cementów przydatnych do upłynniania przedstawionew [5]. Przeprowadzone badania potwierdzają również, że początkowe właściwo-ści reologicznezapraw, jak i ich zmiany w czasie nie są, jak do niedawna uważano, bezpośrednio skorelowane zzawartością C3A. Zwraca również uwagę duża, w porównaniu do pozostałych cementów ilość

53

alkaliów w cemencie B oraz jego wysoki stopień rozdrobnienia, mogące stanowić przyczynęzmniejszenia kompatybilności tego cementu z domieszkami.

a bRys. 12. Zmiana parametrów reologicznych zaprawy kontrolnej KON w wyniku dodania

domieszki. (0,2% suchej masy) a – graniczny opór ścinania g; b – opór płynięcia lepkiego h

a b

Rys. 13. Zmiany parametrów reologicznych zapraw o W/C = 0,53 w czasie 40 min. a – graniczny opór ścinania g; b – opór płynięcia lepkiego h

a bRys. 14. Wykres średnich wartości parametrów reologicznych dla interakcji cementu i

domieszki (każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 4 pomiarów dla różnych W/C =0,47; 0,53, ilości domieszki 0,2; 0,4%; słupki błędu odpowiadają odchyleniu standardowemu).

a – graniczny opór ścinania g; b – opór płynięcia lepkiego h

54

0

10

20

30

40

50

60

A B CRodzaj cementu

g [N

mm

]

SP AP SP SNF SP SMF0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

A B CRodzaj cementu

h [N

mm

min

]

SP AP SP SNF SP SMF

0

50

100

150

200

KON SMF SNF AP

Rodzaj SP

Zmia

na o

poru

pły

nięc

ia

lepk

iego

h [%

]

cement Acement Bcement C

0

20

40

60

80

100

KON SMF SNF AP

Rodzaj SP

Zmia

na g

rani

czne

go o

poru

sc

inan

ia g

[%]

cement A

cement Bcement C

0 5 10 15 20

0

AP, 0,5%

SNF, 1,0%

SMF, 1,0%

Daw

ka S

P [%

]

Zmiana g w czasie 40 min [Nmm]

Cement C

Cement B

Cement A-0,050 -0,025 0,000 0,025 0,050

0

AP, 0,5%

SNF, 1,0%

SMF, 1,0%D

awka

SP

[%]

Zmiana h w czasie 40 min [Nmmmin]

Cement C

Cement B

Cement A

5.2. Wpływ momentu dozowania domieszki upłynniającej na właściwości reologicznezapraw.

Metoda dozowania domieszki upłynniającej, jak wskazuje analiza wariancyjna przedstawiona wtabl. 9 oraz wykresy na rys. 6-8, 15, wpływa istotnie na parametry reologiczne zapraw,niezależnie od rodzaju cementu i domieszki.

a bRys. 15. Wykres średnich wartości parametrów reologicznych dla metody dozowania domieszki

(każdy punkt odpowiada średniej arytmetycznej z 3 pomiarów dla cementów A, B, C). a –graniczny opór ścinania g; b – opór płynięcia lepkiego h

Opóźnione w stosunku do dodania wody dozowanie każdej z badanych domieszekpowodowało zawsze, niezależnie od zastosowanego cementu, obniżenie granicznego oporuścinania g, wzrost oporu płynięcia lepkiego h oraz wyraźne ograniczenie tempa zmian tychparametrów w czasie. Zdecydowanie najmniejszy wpływ opóźnionego dozowania wystąpił wprzypadku stosowania domieszki typu AP. Jest to bardzo istotna z technologicznego pkt.widzenia zaleta tej domieszki, pozwalająca na przyjęcie najwygodniejszej w danych warunkachprocedury mieszania. W przypadku domieszek typu SNF i SMF opóźnione dozowanie stanowiwarunek ich efektywnego wykorzystania. (rys. 15) Najmniejszą podatnością na metodę dozo-wania domieszki (najmniejszymi różnicami parametrów reologicznych bezpośrednio po zakoń-czeniu mieszania i ich zmianami w czasie), charakteryzują się zaprawy z cementem C, anastępnie kolejno zaprawy z cementami A i B. Należy to łączyć z faktem mniejszej zawartościC3A oraz mniejszej powierzchni właściwej cementu C w stosunku do pozostałych cementów.Badania bloku II potwierdzają wyraźnie słabszą kompatybilność cementu B z badanymidomieszkami.

5.3. Wpływ domieszek upłynniających na właściwości zapraw modyfikowanych CSF.Jak powszechnie wiadomo, pył krzemionkowy (CSF) stanowi podstawowy składnik

betonów wysokiej wartości, istotnie poprawiający cechy techniczne i trwałość betonu. Zewzględu na dużą powierzchnię właściwą (20 x większą od cementu), CSF istotnie wpływa nawłaściwości reologiczne mieszanek betonowych. [15, 16] Wyniki badań przedstawione na rys.9-11 pokazują, że dodanie CSF do zaprawy powoduje gwałtowny wzrost granicznego oporuścinania g, któremu towarzyszy znaczące obniżenie oporu płynięcia lepkiego h. Wskazuje to namożliwość stosowania CSF jako dodatku regulującego urabialność zapraw z domieszkamiupłynniającymi, szczególnie typu AP i SNF. Dobierając odpowiednio dawkę domieszkiupłynniającej i dawkę CSF można uzyskać poprawienie urabialności takich zapraw, poprzezobniżenie ich wysokiego oporu płynięcia lepkiego h. Dodatek CSF stanowi jednak przyczynęszybszej utraty urabialności, zwiększając wzrost granicznego oporu ścinania g w czasie.

6. PodsumowanieWłaściwości reologiczne zaprawy z domieszką upłynniającą zależą przede wszystkim od:wskaźnika W/C, dawki i rodzaju domieszki, interakcji tych czynników oraz rodzaju cementu iinterakcji cement/domieszka.

Najlepszą kompatybilnością z domieszkami odznaczał się cement B o najniższej zawar-tości C3A, ilości alkaliów wynoszącej 0,65%, najmniejszej powierzchni właściwej, najwyższej

55

0

20

40

60

80

100

Metoda A Metoda BRodzaj SP

Zm

ian

a g

ran

iczn

ego

op

oru

sc

inan

ia g

[%

]

AP SNF SMF

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

Metoda A Metoda BRodzaj SP

Zm

ian

a g

ran

iczn

ego

op

oru

sc

inan

ia g

[%

]

AP SNF SMF

zawartości faz krzemianowych, co jest zgodne z zaleceniami przedstawionymi w [5].Domieszka typu AP charakteryzuje większą efektywnością działania od domieszek typu

SNF i SMF, pozwalając na uzyskanie zapraw o najlepszej urabialności bezpośrednio pozakończeniu mieszania i najmniejszymi zmianami parametrów reologicznych w czasie.

Opóźnione dozowanie domieszek typu SNF i SMF stanowi warunek ich efektywnegodziałania, w przypadku domieszki typu AP metoda dozowania ma mniejsze znaczenie.

Znaczące obniżenie oporu płynięcia lepkiego h, szczególnie wysokiego w przypadkustosowania domieszek typu AP i SMF, można uzyskać stosując dodatek CSF.

Literatura1. Ramahandran V.S.: Concrete Admixtures Handbook. Properties, Science and Technology,

Ed. V.S. Ramahandran, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, 1995.2. Collepardi M.: Admixtures used to enhance placing characteristics of concrete. Cement and

Concrete Composites 20, 1998.3. Page M., Nkinamubazi P-C., Aitcin P-C.: The cement/superplasticizer compatibility: A

headache for superplasticizer manufacturers. RILEM Conference „The Role of Admixturesin High Performance Concrete”. Monterrey, Mexico, 1999.

4. Jolicoeur C., Simard M.A.: Cement Interactions: Phenomenology and PhysicochemicalConcepts. Cement and Concrete Composites 20, 1998.

5. Kucharska L.: Tradycyjne i współczesne domieszki do betonu zmniejszające ilość wodyzarobowej. Cement Wapno Beton 2/2000

6. Proceedings of the 10-th International Conference on the Chemistry of Cement, 19977. RILEM Conference „The Role of Admixtures in High Performance Concrete”. Monterrey,

Mexico, 1999.8. Mork J.H.; Gjoerv O.E.: Effect of Gypsum-Hemihydrate Ratio in Cement on Rheological

Properties of Fresh Concrete. ACI Materials Journal, Vol. 94, No. 2, 19979. Jang S.; Kim B-G.; Aitcin P-C.: Importance of adequate soluble alkali content to ensure

cement/superplasticizer compatibility. Cement and Concrete Research. Vol. 29, 199910. Tattersall G.H., Banfill P.F.G.: The rheology of fresh concrete. Pitman Adv. Publ. Program,

London 1983.11. Szwabowski J.: Reologia mieszanek na spoiwach cementowych. Wydawnictwo Politechniki

Śląskiej, Gliwice, 199912. Szwabowski J., Gołaszewski J.: Badanie efektów działania wybranych domieszek

upłynniających według norm europejskich. KNTPB Beton i Prefabrykacja, Jadwisin 200013. Gołaszewski J.: Zastosowanie testu reometrycznego do badania efektywności działania su-

perplastyfikatora. Sympozjum n–t. ”Reologia w technologii betonu”, Politechnika Śląska,Gliwice, 1999.

14. Szwabowski J., Gołaszewski J., Suchoń S.: Przydatność reometru Viskomat PC do pomiaruefektywności superplastyfikatorów. II KNT MATBUD’98, Kraków-Mogilany, 1998.

15. Gołaszewski J.: Urabialność betonu wysokiej wytrzymałości. Praca doktorska. PolitechnikaŚląska, Gliwice, 1996.

16. Gjeorv O.E.: Workability: A New Way of Testing. Concrete International, 1998

INFLUENCE OF HIGH RANGE WATER REDUCERS ONRHEOLOGICAL PROPERTIES OF MORTARS.

Summary

In the paper some results of investigation carried out on the influence of cement/HRWRcompatibility, delayed addition of HRWR and CSF addition on rheological properties of mortarsusing rheometrical workability test are presented.

56

Dominik Logoń1

REOLOGICZNE ZACHOWANIE SIĘ MIESZANEK CEMENTOWYCHZ WŁÓKNAMI WĘGLOWYMI

1. Wprowadzenie

W większości aplikacyjnych prac dotyczących kompozytów zbrojonych mikrowłóknami uwagakoncentruje się głównie na relacji zawartość włókien-odporność na pękanie. Prace badawczenajczęściej są ukierunkowane na poznanie warunków, których spełnienie jest niezbędne dootrzymania wysokowartościowych kompozytów, to jest takich, w których włókna kontrolująinicjację rys zwiększają odkształcalność i zdolność do przenoszenia zwiększonych obciążeń pozarysowaniu [1-3]. Istotnym warunkiem jest rozproszenie odpowiedniej ilości hydrofobowychmikrowłókien węglowych w matrycach o względnie małym w/c. Wpływ włókien na urabialnośćjest głównym czynnikiem ograniczającym ilość włókien jaka może być, bez specjalnychurządzeń, jednorodnie rozproszona w określonej matrycy. W praktyce możliwy jest tylkokompromis między właściwościami reologicznymi świeżych mieszanek i poprawą właściwościmechanicznych kompozytu.

W materiałach z monotematycznych konferencji na temat wysokowartościowych kompozytówzwraca uwagę fakt, że niewiele wiedzy o charakterze ogólnym, dotyczącej właściwościreologicznych, wykorzystuje się z wcześniejszych badań. Najwięcej rozwojowych prac na tentemat wykonano w oparciu o metodę prób i błędów. Wyniki dotychczasowych prac wskazują, żeproblem urabialności świeżych mieszanek z uwzględnieniem reologii matrycy nie byłprzedmiotem szczegółowych badań. Przy zwiększeniu ciekłości mieszanek domieszkamimineralnymi i chemicznymi tradycyjne sposoby pomiaru parametrów reologicznych (stożekAbramsa, Ve-Be, rozpływem) okazały się niewystarczające. Wykorzystanie nowej generacjiurządzeń (wiskozymetrów obrotowych) do badań mieszanek z włóknami pozwalaoptymalizować ich skład, w oparciu o dwuparametrowy model Bighama [4 ]. Celem uzyskaniazamierzonych efektów wymagane są odpowiednie właściwości reologiczne wyjściowychmieszanek, od których zależy ilość i jednorodność rozproszenia włókien.

Obecnie wiele uwagi poświęca się na zwiększenie powinowactwa włókien do wody orazróżnych technik rozpraszania mikrozbrojenia. O ilości możliwych do rozproszenia włókiendecyduje zarówno matryca jak i parametry samych włókien, zawartość i stosunek długości dośrednicy (parametr l/d), od którego zależy liczba włókien i odległości między nimi. Podstawowymi dodatkami stosowanymi w celu zwiększenia ciekłości mieszanek cementowychsą superplastyfikatory i mikrowypełniacze [5,6] poprawiające zwilżalność i dyspersję włókien

1 mgr inż. – Politechnika Wrocławska

57

II SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNEREOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Gliwice 2000

przy małym w/c. Wrażliwość parametrów reologicznych na zmiany składu zaczynów i zapraw,Banfil [7,8] oraz wpływ reologii matrycy na możliwą do rozproszenia ilość włókien umożliwiawykorzystanie metody badań reologicznych do optymalizowania składu kompozytów.

Tablica 1. Wpływ wybranych dodatków na granicę płynięcia i lepkość plastyczną zapraw,Banfill [8]

Zmiany Granica płynięcia Lepkość plastycznaWzrost zawartości wody

Wzrost zawartości piaskuWzrost zawartości cementuZmniejszenie uziarnieniaDodanie superplastyfikatoraNapowietrzanieZastąpienie części cementu popiołemPył krzemionkowy

obniżeniewzrostwzrostwzrostobniżeniebez zmianobniżeniewzrost

obniżeniewzrostwzrostwzrost/ bez zmianbez zmianobniżenieobniżenie /(*podwyższenie)obniżenie

* [9]

Mając na uwadze, że możliwa do rozproszenia ilość włókien jest kontrolowana urabialnościąmatryc przeprowadzono badania, których celem było poznanie wpływu zawartości i uziarnieniapiasku oraz domieszek mineralnych w postaci pyłu i popiołu lotnego na właściwości reologicznewysokowartościowych cementowych matryc i na możliwą do rozproszenia ilość mikrowłókienwęglowych typu „pitch”.

2. Badania własne

2.1. Materiały

- cement mostowy M-45 z cementowni Rejowiec (C),- pył krzemionkowy (S), (tab.1),- niskowapniowy typu F popiół lotny (A), uziarnienie < 0,044mm, (tab.1),- piasek (P) o uziarnieniu < 0,25 mm, < 0,5mm,< 1mm wydzielony z piasku normowego,- superplstyfikator (SP) Melment L10, 40 % roztworu, =1,221 Mg/m3,- włókna węglowe “ pitch” (F), ft =590, L=3mm, d =18m, parametr L/d=166,6,- woda wodociągowa (w).

Tablica 1. Skład chemiczny i wybrane właściwości: fizyczne: a) cementu, b) pyłukrzemionkowego

a)Składnik [%]

C3A Na2O

[Mg/cm3]Pow. właściwa

[cm2/g]13,5 0,11 3,17 2900

b)Składnik [%]

SiO2 CPow.właściwa

[m2/g]Śred. ziarno

[10-6m]93,0 0,4 18 0,3-0,4

58

2.2. Skład, przygotowanie mieszanek i próbek do badań

Przy ustalaniu składów (tab.2) jako stałe przyjęto:- stosunek wody do spoiwa w/s = 0,3,- podstawienie 10% masy cementu pyłem krzemionkowym,- 10%, 20%, 30% masy cementu popiołem (A10,A20,A30), objętość za objętość,- superplastyfikator: Melment L10, 1% masy cementu, optymalny dodatek wyznaczonowstępnie metodą badań reologicznych z zależności: parametr g- %SP,-zawartość włókien 2,5 % objętościowych (Vf) - maksymalnie możliwa do rozproszenia wbadanych zaprawach, wyznaczona metodą badań reologicznych .

Mieszanki przygotowano przy użyciu laboratoryjnej mieszarki do zapraw. W celuwyeliminowania wpływu niekontrolowanych zmiennych, kolejność dozowania składników, czasmieszania, warunki pomiaru parametrów reologicznych dla wszystkich prób zachowanojednakowe.

Tablica 2. Składy badanych próbek

Oznaczenie w/c w/B Vp/Vz (P+S)/C Uziar.[mm]

Sp[%]C

S[%]C

Z 0,31 0,31 - - - 0,71 -

ZS 0,31 0,282 - - - 1 10

M/1(1.5) 0,31 0,31 0,899 1,5 1 0,71 -

MS/1(1.5) 0,31 0,282 0,770 1,5 1 1 10

M/0.5(O.75) 0,31 0,31 0,450 0,75 0,5 0,71 -

M/0.25(O.75) 0,31 0,31 0,450 0,75 0,25 0,71 -

MS/1(O.75) 0,31 0,282 0,351 0,75 1 1 10

MS/0.5(O.75) 0,31 0,282 0,351 0,75 0,5 1 10

MS/0.25(O.75) 0,31 0,282 0,351 0,75 0,25 1 10

MS/0.25(0.5) 0,31 0,282 0,210 0,5 0,25 1 10

M/0.5(O.75) 0,31 0,31 0,150 0,25 0,5 0,71 -

M/0.25(O.75) 0,31 0,31 0,150 0,25 0,25 0,71 -

MS/1(O.75) 0,31 0,282 0,072 0,25 1 1 10

MS/0.5(O.75) 0,31 0,282 0,072 0,25 0,5 1 10

MS/0.25(O.75) 0,31 0,282 0,072 0,25 0,25 1 10Oznaczenia: Z-zaczyn, M-zaprawa, S-pył krzemionkowy,

2.3. Przeprowadzone pomiary i stosowane metody

Badania reologiczne świeżych mieszanek przeprowadzono wiskozymetrycznie przy użyciuwiskozymetru "Viskomat PC" ze sterowaną prędkością odkształcenia i pomiarem momentuwywołanego oporem mieszanki. Sterowanie przebiegiem badania, rejestracja i obróbka wynikówprowadzona przy pomocy komputera IBM PC i programu Visko jest w pełni zautomatyzowana.

59

Komputerowe przetwarzanie wyników umożliwia otrzymanie następujących zależności:- Momentu od liczby obrotów,- Zmian temperatury w czasie,- Momentu od czasu ścinania. Analizę oparto na bezpośrednio wyznaczonych parametrach g i h, które odpowiadają :g- granicy płynięcia (Bighama), h-lepkości plastycznej. Z zasady w tego typu badaniach nieokreśla się parametrów g i h w jednostkach SI. Przeliczanie jest niezbędne przy porównywaniudanych uzyskanych z różnych urządzeń pomiarowych. Wykonuje się je przemnażając parametryg i h przez stałe wyznaczone dla wiskozymetru przy użyciu cieczy Newtonowskiej o znanejlepkości.

3. Wyniki i ich omówienie

Optymalną zawartość superplastyfikatora wyznaczonno na podstawie zależności: [%]SP-parametr g. Jak wynika z rys. 1, zawartość wymaganego superplastyfikatora nieprzekracza 1% masy cementu.

Rys. 1. Wpływ zawartości superplastyfikatora na granicę płynięcia zaczynu

Wpływ badanych domieszek i uziarnienia piasku na parametry reologiczne mieszankiprzedstawia rys. 2. Można zauważyć, że przy stałym W/C dodanie do wyjściowego zaczynupiasku (<1mm) drastycznie pogarsza urabialność (zwiększa parametr g) i niewiele zmienialepkość (por. krzywych Z z M/1). Jak wynika z rys. 2a, dodanie pyłu krzemionkowego (S) dozaczynu lub zaprawy, zmniejsza międzyziarnowe tarcie (parametr h) i zgodnie zdotychczasowymi wynikami, efekt ten jest dużo większy w przypadku zapraw. Wpływ (S) naparametr g (granicę płynięcia) jest podobny i znacznie większy dla zapraw.Zastąpienie części cementu popiołem lotnym (rys. 2b), w układzie z pyłem krzemionkowym,zwiększa opór do przepływu (parametr h) przy czym wzrost ten zależy od zawartości popiołu irośnie z jego zwiększeniem. Niewielki wpływ popiołu na granicę płynięcia zapraw przyjednoczesnym zwiększeniu kohezji, zmniejsza podatność na segregację składników i poprawiastabilność mieszanek w czasie.

60

g[Nmm]

0 0,5 1 [%]

w/c=0,3

1% masy cementu

0,336

a)

b)b)

c)c)

Rys. 2 Krzywe płynięcia dla wyjściowych zaczynów i zapraw: a) wpływ pyłu krzemionkowego S, piasku M [10],

b) wpływ popiołu w matrycy typu zapraw, c) wpływ popiołu w matrycy typu zaczynów

61

-10

40

90

140

0 1,3 2,7 4[s- 1 ]

M/1

ZS

MS/1

Z

w/c=0,31

Moment[Nmm]

0

50

100

150

0 1,3 2,7 4[s- 1 ]

MSA10/1

MSA30/1

MSA20/1

Moment[Nmm]

w/c=0,31

0

50

100

0 1,3 2,7 4[s- 1 ]

ZS

ZSA

Moment[Nmm]

w/c=0,31

Zmniejszenie uziarnienia piasku (z < 0,5mm do < 0,25 mm) przy zachowaniu stałego stosunku(P+S)/C=0,75 wyraźnie zwiększa granicę płynięcia w układzie z pyłem (S) i praktycznie niewpływa na ten parametr przy jego braku (rys.3a). Wpływ uziarnienia piasku na lepkość jestniewielki w układzie z (S), natomiast bez jej udziału zmniejszenie uziarnienia znaczącozwiększa międzyziarnowe tarcie (parametr h). Dodanie piasku (wzrost (P+S)/C), przy stałymuziarnieniu <0,25mm, wpływa głównie na zwiększenie granicy płynięcia przy nieznacznymzwiększeniu lepkości plastycznej (rys. 3b).

a) a)

b)

Rys. 3. Krzywe płynięcia dla zapraw: a) z piaskiem o uziarnieniu 0,25 i 0,5 mm przy stałym P/C = 0,75 b) z piaskiem o uziarnieniu 0,25 mm i różnym (P+S)/C = 0,25

Wyniki badań właściwości reologicznych zaczynów i zapraw w układzie z mikrowłóknami(rys. 4 i 5) potwierdziły wzrost parametrów reologicznych ze wzrostem zawartości włókien [ ].Jak wynika z rys. 4, nie jest to zależność liniowa, a wartości parametrów g i h dla określonychzawartości włókien zależy od parametrów reologicznych matryc. Od nich zależy równieżmaksymalna zawartość mikrozbrojenia możliwa do rozproszenia.

62

-5

5

15

25

0 1,3 2,7 4[ s-1 ]

Moment [Nmm]

MS/0.25(0.75)M/0.5(0.75)

MS/0.5(0.75)

M/0.25(O.75)(P+S)/C=0,75

-5

5

15

25

0 1,3 2,7 4

[ s-1 ]

MS/0.25

(P+S)/C=0,25

(P+S)/C=0,75

(P+S)/C=0,5

Moment [Nmm]

Przyspieszenie wzrostu parametrów reologicznych ze zwiększeniem Vf, z przegięciemwyraźniej zaznaczonym dla kompozytów typu zapraw (rys.4), sugeruje zmianę mechanizmukontrolującego przepływ. Przebieg krzywych wskazuje, że przy niewielkiej zawartości włókienprzepływ kontroluje reologia matryc. Zwiększenie zawartości włókien powyżej ilości możliwejdo rozproszenia powoduje wzrost oporu wynikający z oddziaływania między włóknami. Zporównania przebiegu zależności g-Vf, h-Vf zaczynów i zapraw jednoznacznie wynika , żepiasek pogarsza rozproszenie włókien. Przegięcie na krzywej g-Vf przesunięte jest do mniejszejzawartości włókien. Wskazuje na to przesunięcie przegięcia na krzywej g-Vf w kierunkumniejszej zawartości włókien, (rys.4). Większe przyrosty granicy płynięcia związane ze źlerozproszonymi włóknami można wykorzystać przy optymalizowaniu zawartości mikrozbrojenia.

Zastąpienie części cementu popiołem w układzie z włóknami podobnie jak samej matrycyobniża granicę płynięcia i zwiększa lepkość (rys. 4 i 5). Ułatwia w ten sposób rozproszeniewłókien i ogranicza segregację składników.

Rys. 4. Wpływ zawartości włókien na parametry reologiczne bez i z dodatkiem popiołu: a) uziarnienie piasku <0,25mm [10], b) uziarnienie piasku < 0,5 mm

63

0

10

20

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 V

f%

g [Nmm] h [Nmms]

h

g

MS/0.25a)

0

10

20

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 V

f%

h [Nmms]g [Nmm]

h

g

MSA/0.25

0

10

20

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 V

f%

g [Nmm] h [Nmms]

h

g

MS/0.5b)

0

10

20

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 V f

%

h [Nmms]g [Nmm]

hg

MSA/0.5

Istotny wpływ współdziałania włókien na parametry reologiczne wskazuje, że mieszanki typuzaczynów należy traktować po dodaniu włókien jako zaprawy. Wykonanie pomiarów przyużyciu mieszadła do zaczynów daje błędne informacje o możliwej do rozproszenia ilościwłókien. Jak wynika z rys. 5, użycie mieszadła do zapraw umożliwia pomiar przy znaczniewiększej ilości włókien w zaczynach w porównaniu do pomiarów z mieszadłem do zaczynów.Zestawienie wyników reologii mieszanek typu zaczynów i zapraw z włóknami przy użyciu tegosamego mieszadła lepiej koreluje z wynikami efektów uzbrojenia [9-12].a)

b)

Rys. 5. Wpływ włókien na parametry reologiczne g i h zaczynów (bez i z popiołem), przyzastosowaniu mieszadła do: a) zaczynów, b) zapraw

4. Wnioski- Stwierdzono, że włókna wpływają głównie na granicę płynięcia, a przegięcie na krzywej g-Vf

daje informację o możliwej do rozproszenia ilości włókien.- Potwierdzono korzystny wpływ pyłu krzemionkowego i popiołu na rozproszenie włókien.- Wyniki pomiarów reologicznych wskazują na traktowanie zaczynu z dodatkiem włókien, jakozaprawy.

64

0

10

20

30

40

50

60

70

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

g

h [Nmm]g[Nmms]

h

ZSmieszad ło do zapraw

Vf[%]0

10

20

30

40

50

60

70

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,50

10

20

30

40

50

60

70g[Nmms] h [Nmm]

h

ZSAmieszd ło do zapraw

Vf[%]

g

0

10

20

30

40

50

60

70

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

g[Nmms]

Vf[%]

h [Nmm]

z

h ZSmieszd ło do zaczynów

g

g

0

10

20

30

40

50

60

70

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,50

10

20

30

40

50

60

70

h

ZSAmieszad ło do zaczynów

g[Nmms]

g

h [Nmm]

Vf[%]

Literatura

[1] Naaman A.E., Reinhardt H.W., Characterization of high performance fiber reinforced cementcomposites-HPFRCC w: 2nd International Workshop, V.2 (HPFRCC-95), Ed. A.E. Naaman andH.W. Reinhardt, 1995,s.1-21[2] Kucharska L: Kompozyty cementowe zbrojone włóknami węglowymi bez i z dodatkiem pyłukrzemionkowego, XLI Konf. Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Krynica 1995, s.45-52[3] Kucharska L, Brandt A.M.: Pitch-based carbon fibre reinforced cement composites - areview, Archives of civil Engineering, XLIII, 2, 1997.[4] Banfill P.,F., G.: A viscometric study of cement pastes containing superplasticizers with anote on experimental techniques. Magazine of Concrete Research, Vol.33, No. 114, 1981.[5] Nagataki S., Sakai E., and Takeuchi T.: The fluidity of fly ash cement paste withsuperplasticizer, 1st Int. Conference on Use Fly Ash, Silica-Fume, Slag and Other Mineral By-products in Concrete, Montebello, PQ, July 31-Aug. 5, 1983, SP-79, 1983.[6] Kucharska L.: Kształtowanie struktury wysokosprawnych betonów. Rola dodatków idomieszak, Przegląd Budowlany 8-9, 351-354,1992.[7] Banfill P.G.: The rheology of fresh mortar, Mag. Conc. Res. 43, No. 154,1991, s.13-21.[ 8] Banfill, P.F.G.: Rheological methods for assessing the flow properties of mortar and relatedmaterials. Construction and Building materials, 8 (1), 1994, 43-50.[9] Kucharska L, Dominik L: The influence of fly ash on rheological and mechanical propertiesof cement mortars reinforced with pitch-based carbon fibers, Brittle Matrix Composites 5,Warsaw 1997.[10] Kucharska L, Dominik L: Właściwości reologiczne wysokowartośiowych zapraw (WWZ) zdodatkiem włókien węglowych, XLI Konf. Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Krynica 1996,s.37-44.[11] Kucharska L, Brandt A.M.: Microstrukture and mechanical properties of cement mortarsreinforced with pitch-based carbon fibres, w:High Performance concrete: Material properties anddesign, ed. F.H. Wittman and Schwesinger, 1995r, s.269-281.[12] Kucharska L, Brandt A.M.: High performance cement mortars with and witchout silicafume reinforced with low amount of carbon fibers, w:Fifth CANMET/ACI Intern. ConferenceFly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete, Milwaukee, U.S.A., 1995,s.744-759.

RHEOLOGICAL BEHAVIOUR CEMENT MIXES REINFORCED WITH PITCH-BASED CARBON FIBRES

Summary

Influence of different admixtures and pitch-based carbon fibres on rheological behaviour was investigated.It was confirmed the addition of fly ash and silica fume enable to obtain a homogeneous distribution andorientation of fibres. The maximum fibre volume can be correctly dispersed is related to the initialrheological properties of the mortar may be determined by the rheological tests. A rapid increase of yieldvalue after exceeding that characteristic fibre content has been explained by an incomplete dispersion ofthe fibres. It is better to use mortar paddle for pastes with pitch carbon fibres in the rheological tests.

65

66

Maciej Urban1

ZAGADNIENIE NIELINIOWOŚCI W PLASTYCZNIE LEPKIM MODELUREOLOGICZNYM MIESZANKI BETONOWEJ

1. Wstęp – standardowe testy konsystencji.

Pomiary właściwości mieszanki betonowej stanowią dziś swoistą „piętę achillesową” wtechnologii betonu. W przeciwieństwie do badań materiałów składowych i gotowego kompozytubetonowego nie dysponujemy dzisiaj skutecznymi i jednoznacznymi metodami pomiaru cechmieszanki betonowej, popularnie zwanych „testami konsystencji”. Dowodzi tego coraz większaliczba stosowanych metod pomiarowych. Projekt finalny normy europejskiej [1] przewiduje ichaż cztery: opad stożka, aparat Vebe, stolik rozpływowy i stopień zagęszczalności [2]. Oprócztego w coraz większym stopniu wykorzystuje się szereg innych metod, np. stożki wypływowe dozaczynów i zapraw (tzw. V-funnel), oraz skrzynki przelewowe (typu U-box lub L-Box), np. [3,4]. Zaletą tych wszystkich metod jest ich prostota. Wadą – niewielki zakres możliwych dozbadania tymi metodami mieszanek oraz brak porównywalności wyników pomiędzy nimi.Projekt finalny normy [1] podaje wręcz, że „klasy konsystencji nie są ze sobą ściśle powiązane”co oznacza, że nie należy ich porównywać, co czyni obecnie obowiązująca w Polsce norma [5].

W związku z tymi niedogodnościami ilość sprzętu niezbędnego do określaniakonsystencji mieszanek bardzo szybko wzrasta. W najbliższej przyszłości każde co lepszelaboratorium projektujące składy mieszanek betonowych (w tym SCC) będzie musiałodysponować sprzętem do co najmniej ośmiu metod pomiarowych. Sprawą chwili jest więcwprowadzenie na to miejsce jednej – dwóch metod, które byłyby pozbawione wyżejwymienionych wad, tzn. mających szeroki zakres stosowalności, większą informatywność orazdużą porównywalność wyników. W tym celu już od 30 lat rozwija się metody wieloparametry-czne bazujące na reologii cieczy.

2. Aparatura stosowana do badań reologicznych

Do badań reologicznych mieszanki betonowej wykorzystuje się albo zmodyfikowane reometryrotacyjne służące do pomiaru innych materiałów, albo buduje się nowe urządzenia o podobnejzasadzie działania. Zestawienie istniejących aparatów pomiarowych do tego celu przedstawionow [6]. Do tych urządzeń dołączyć należy także reometr RMB-2 zbudowany w PolitechniceKrakowskiej. Jest to nowa wersja prototypowego reometru RMB opisywanego w [7] (rys.1).Wersja obecna jest w pełni zautomatyzowana i umożliwia pomiary przy dowolnym programieprędkościowo – czasowym (przy prędkościach z zakresu 1 - 90 obr/min).

1 Mgr inż. – Politechnika Krakowska, Kraków, ul. Warszawska 24

67

II SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNEREOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Gliwice 2000

Rys. 1. Reometr RMB

Wszystkie te urządzenia pozwalają na pomiar przynajmniej dwóch parametrówzmiennych zamiast jednego, jak to ma miejsce w standardowych testach konsystencji.

3. Standardowe podejście reologiczne – liniowy plastycznie - lepki model mieszankibetonowej (model Binghama).

Najprostszym modelem reologicznym mieszanki betonowej jest model ciała plastycznie –lepkiego, zwanego popularnie ciałem Binghama (rys.2) wyrażającego się wzorem

= 0 + pl (1)

gdzie: - wielkość naprężenia wewnątrz ścinanej mieszanki 0 - pozorna granica płynięcia mieszanki - gradient odkształcenia mieszanki pl - lepkość plastyczna mieszanki

Rys. 2. Prawo płynięcia Bingama

68

Problem polega na tym, że dokładne rozwiązanie problemu ścinania mieszanki wreometrze (w celu uzyskania przeliczenia mierzonej w rzeczywistości wielkości momentuskręcającego oś sondy pomiarowej pod wpływem działania określonego pola prędkości naparametry reologiczne) istnieje tylko dla układu mieszadeł o geometrii cylindrów współosio-wych, które nie nadają się do badania mieszanki betonowej, a co najwyżej do zapraw [8]. Wcelu znalezienia możliwości wykorzystania mieszadeł o innej geometrii Tattersall [9] podałteorię bazującą na dziedzinie mechaniki płynów zwanej teorią analizy wymiarowej, np. [10].Metoda ta pozwala na wyskalowanie aparatu wyposażonego w sondę pomiarową o dowolnejgeometrii. W chwili obecnej największy problem stanowi znalezienie reostabilnej cieczywzorcowej spełniającej prawo płynięcia Binghama. Stąd też porównywalność wynikówuzyskiwanych nawet na nominalnie takich samych reometrach pozostawia wiele do życzenia. Ztego względu wyniki podaje się często w jednostkach względnych

M = g + h (2)

gdzie: M - mierzony moment skręcający oś sondy pomiarowej g - parametr odpowiadający pozornej granicy płynięcia mieszanki - prędkość obrotowa cylindra z mieszanką lub sondy pomiarowej h - parametr odpowiadający lepkości plastycznej mieszanki

Tak więc występują poważne trudności w spełnieniu postawionego we wstępie postulatu oporównywalności wyników badań. Sposób ominięcia tego problemu, na przykładziezbudowanego przez siebie reometru, podali de Larrard i in. [11]. Zastosowali oni analogięnumeryczną do sztywno - plastycznego ciała o liniowym twardnieniu i uzyskali dużą zbieżnośćwyników doświadczalnych z teorią. W badaniach stwierdzili występowanie jedynie ok. 10%odchyłki na pl.

4. Modele reologiczne mieszanki betonowej uzyskane przy założeniu słuszności modeluBinghama.

Zakładając słuszność modelu Binghama, w wielu ośrodkach podjęto próby powiązania 0 i pl zparametrami materiałowymi mieszanki betonowej lub zapraw. Dla przykładu wymienić można 6podstawowych prób modelowania: Legranda [12], Muraty-Kikukawy [13], Nishibayashi zzespołem [14], Hu i de Larrarda [15] a w Polsce Szwabowskiego [16] i Mierzwy [17].Wszystkie te modele zakładają, że mieszanka betonowa składa się jednorodnego wypełniaczadla niejednorodnej fazy grubej. Całość z kolei jest traktowana jako się jednorodny wypełniaczdla jeszcze bardziej niejednorodnej fazy jeszcze grubszej. Dzięki temu powstaje model„schodkowy”: zaczyn – zaprawa – mieszanka betonowa (rys.), przy czym na każdym z tychpoziomów badany materiał podlega tym samym prawom (tj. podlega prawu płynięciaBinghama). Istnieje bardzo wiele publikacji dotyczących wszystkich trzech badanych poziomów,które pokazują, że zarówno zaczyn, zaprawa jak i mieszanka betonowa podlegają prawupłynięcia Binghama, co wydaje się potwierdzać słuszność takiego podejścia. Kłopot polega natym, że (ze względu na urabialność) w przypadku zapraw „czystych” ilość zaczynu jest większaniż w zaprawach dla mieszanek betonowych. W efekcie w przypadku przejścia zaprawa –mieszanka betonowa ilość zaczynu w mieszance zaczyna być na tyle mała (w objętościachabsolutnych), że jego rzeczywisty wpływ na parametry reologiczne mieszanki zaczyna być nagranicy błędu pomiarowego. Jedynym wyjątkiem od tej reguły wydają się być betonysamozagęszczalne (SCC) projektowane tzw. metodą japońską (np. [3]), w których zawartośćzaczynu jest znacznie większa. Jednakże jak dotychczas brak jest doniesień o uzyskanychmodelach reologicznych dla tych mieszanek, choć niewątpliwie takie badania są w toku [4].

69

Drugą słabością tych modeli jest brak doniesień o próbie ich weryfikacji przez inne ośrodki. Poczęści wynika to z kłopotów z porównywalnością wyników. Autorowi udało się znaleźć tylkojedno doniesienie o badaniach porównawczych wykonywanych na kilku reometrachjednocześnie [11].

5. Nieliniowy model plastycznie – lepkiego zachowania się mieszanki betonowej (modelHershella – Bulkley’a)

de Larrard z zespołem [18] zauważyli, że w przypadku rozszerzenia zakresu stosowanych wbadaniach prędkości poza standardowo przyjęty zakres 6 – 60 obr/min. mieszanka betonowaprzestaje się zachowywać jak ciało Binghama. Do opisu mieszanki betonowej użyli trzechparametrów (rys), a następnie stwierdzili, że najlepsze dopasowanie uzyskuje się dla modeluHershella – Bulkley’a [19], który zapisać można następująco: = 0HB + HB n (3)

gdzie: - wielkość naprężenia wewnątrz ścinanej mieszanki

0HB - rzeczywista granica płynięcia mieszanki wg. modelu Hershella – Bulkley’a - gradient odkształcenia mieszanki HB - lepkość plastyczna mieszanki w modelu Hershella – Bulkley’a n - parametr określający stopień nieliniowości mieszanki

Co więcej, zauważyli oni, że pl i n są ze sobą silnie skorelowane, czyli że mieszanka betonowajest ciałem pseudotrójparametrycznym. Wszystkie dotychczasowe wyniki opublikowane przeztych autorów wydają się przy tym sugerować, że n 1.

Podobne rezultaty, jednakże bez obserwacji ścisłej korelacji pomiędzy pl i n zostałypotwierdzone w sposób zupełnie niezależny na zaczynach w pracy Lenart [20]. W badaniachtych bardzo często, szczególnie w przypadku dużej płynności zaczynu obserwowano wartości n< 1 (rys.3).

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300

prędkość ścinania

napr

ężen

ia

w /c=0.4m

w /c=0.45m

w /c=0.5m

w /c=0.6m

w /c=0.7m

Rys. 3. Zachowanie się zaczynów cementowych czystych w badaniach [20].

70

Przeprowadzone przez autora na reometrze RMB badania na zaprawach i mieszankachbetonowych bez dodatków i domieszek także wydają się te wyniki potwierdzać. Niestety,możliwości tego aparatu kończyły się na 4.4 obr/min, więc badania można było opracowywaćtylko jakościowo, poprzez określenie prawdopodobieństwa wystąpienia zakrzywienia wykresu wkierunku wartości wyższych od przewidywanych przez równanie Binghama. Wyniki zestawionow tabl. 1.

Tabl. 1. Trend zakrzywienia dolnej części wykresu M - w badaniach własnych

Dmax kruszywa; Punkt piaskowy

Położenie punktu pomiarowego = 4.2 obr/min w stosunku do równania Binghama

wyznaczonego dla przedziału od 6 do 60 obr/min[%]

Powyżej Poniżej0.25 mm 44 560.5 mm 81 191.0 mm 73 272.0 mm 81 19

16 mm; Pp = 26% 69 3116 mm; Pp = 31% 87,5 12,516 mm; Pp = 36% 94 6

Jedyny przypadek, gdy nie zaobserwowano w sposób jednoznaczny tendencji do zakrzywieniawykresu w górę ma miejsce dla przypadku Dmax = 0.25 mm, czyli właściwie dla uziarnienia jakdla zaczynów. Wydaje się to potwierdzać wyniki badań z pracy [20] (por. rys. 3).

Zakładając słuszność modelu HB oraz istnienie ścisłej korelacji pomiędzy pl i n,możnaby przeliczać parametry HB na przybliżone parametry Binghama i odwrotnie w sposóbjednoznaczny wg następującego wzoru [19]:

0HB = 0 oraz pl = 1nmax

HB

2n3

(4)

gdzie:

pl - zastępcza lepkość plastyczna Binghama

max - maksymalny gradient odkształcenia mieszanki użyty w serii próbnej

Oznaczałoby to, że mierzone w tradycyjny sposób 0 i pl są wartościami pozornymi, przy czym0 < 0 rzecz, a pl > pl rzecz.. (rys. 4). Tłumaczy to występowanie nie tak rzadkich w badaniachmieszanek betonowych przypadków gdy 0 < 0. Zjawisko takie zachodzi najczęściej namieszankach płynnych (niepublikowane badania własne na mieszankach bez domieszek) oraz namieszankach bardzo płynnych (SCC) [19].

71

Rys. 4. Model Hershella – Bulkley’a i różne metody wyznaczania modelu Binghama.

Na rys. 4 zwraca uwagę kilka bardzo różnych sposobów wyznaczania parametrów modeluBinghama. Różnią się one w sposób dość zasadniczy, szczególnie jeżeli chodzi o 0. Różnice tewynikają przede wszystkim z wrażliwości tych parametrów od doboru zakresu pomiarowego

min - max pomimo obserwowanej w badaniach wysokiej ścisłości korelacji dla modeluBinghama. Jest to na pewno jeszcze jeden z ważnych powodów ograniczonej porównywalnościwyników badań pomiędzy różnymi ośrodkami badawczymi.

6. Podsumowanie.

Obydwa modele: Binghama i Hershella-Bulkleya dają bardzo dobrą zbieżność zwynikami badań, najnowsze jednak dane świadczą na korzyść modelu HB.

Model HB tłumaczy też niektóre obserwowane w badaniach odchylenia od modeluBinghama, które dotychczas były zrzucane na karb błędów pomiarowych.

Jednoznaczne opowiedzenie się za którymś z tych dwóch modeli wymaga przeprowadzeniajeszcze wielu badań, jednakże doświadczenia autora zdają się wskazywać na słuszność modeluHB oraz na możliwość zastąpienia go przez prostszy model Binghama w przypadku zawężeniaobszaru zainteresowań badawczych do zakresu prędkości 6 – 60 obr/min.

Literatura

[1] prEN 206-1:2000[2] EN 12350, arkusze 2-5.[3] Urano S., Hashimoto C., Tsui Y.: “Evaluation of flow of self-compacting Concrete by

visualization technique”. 1st International RILEM Symposium on Self-CompactingConcrete, Stockholm, Sep. 13-14 1999, ed. RILEM Publications S.A.R.L., pp.25-34.

[4] Serdan T., de Larrard F.: “Optimization of self-compacting concrete thanks to packingmodel”. International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete, Stockholm, Sep.13-14 1999, ed. RILEM Publications S.A.R.L., pp.321-332.

[5] PN-88/B-06250 „Beton zwykły”

72

[6] Szwabowski J.: Reologia mieszanek na spoiwach cementowych. Wyd. Politechniki Śląskiej,Gliwice 1999.

[7] Mierzwa J., Urban M.: The Rheological Properties of Fresh Concrete as a Basis ofEvaluating its Optimal Workability. VI Vedecka Konferencia s mezinarodnou ucastou,Kosice 6 – 8.05.1996, c.10 “Stavebne Latky”, pp. 161 –166.

[8] Wallevik O.H., Gjorv O.E.: "Development of a Coaxial Cylinders Viscometer for FreshConcrete" - RILEM Proceedings 10: "Properties of Fresh Concrete" Chapman & Hall,London 1990, pp. 213-224.

[9] Tattersall G.H., Banfill P.F.: “The rheology of fresh concrete”. Pittmann, 1983[10] Gryboś R.: „Podstawy mechaniki płynów”, t. 2. PWN, Warszawa 1998.[11] Hu C., de Larrard F, Serdan T., Boulay C., Bosc F., Deflorenne F.: "Validation of

BTRHEOM, the new rheometer for soft - to - fluid concrete” - Materials & Structures, v.29,pp. 620 -631.

[12] Legrand C.: "Contribution a 1'etude de la rheologie du beton frais”. Part II - Materials andStructures, l 972, v. 5, No. 30, pp. 379-393.

[13] Murata J., Kikukawa H.: "Viscosity Equation for Fresh Concrete" - ACI Materials Journall992, v.89, pp. 230-237.

[14] Nishibayashi S., Yoshino A., Inoue. S., Kuroda T.: Effect of Properties of Mix Constituentson Rheological Constants of Self-Compacting Concrete. In: Production Methods andWorkability of Concrete, E & FN Spon, 1996, pp. 255-262.

[15] Hu C, de Larrard F.: "The Rheology of Fresh HPC" - Cement and Concrete Research2/1996 V.26, pp. 283-294.

[16] Szwabowski J.: Influence of Three-Phase Structure on the Yield Stress of Fresh Concrete.Rheology of Fresh Cement and Concrete, E.&F.N.Spon, 1990, pp. 241-248.

[17] Mierzwa J., Urban M.: Reologia kompozytów cementowych zwykłych i z domieszkami.Cement-Wapno-Beton, 1999, s.217-222.

[18] de Larrard F., Hu C., Sedran T., Szitkar J.T., Joly T., and Derkx F.: Evolution of theWorkability of Superplasticised Concretes: Assessment with the BTRHEOM Rheometer.In: Production Methods and Workability of Concrete, E & FN Spon, 1996, pp. 377-388.

[19] de Larrard F., Ferrais C.F., Serdan T.: Fresh concrete: A Herschel-Bulkley material.Materials & Structures, v.31 (1998), pp. 494-498.

[20] Lenart M.: Model reologiczny zaczynów cementowych modyfikowanych domieszkami.Dysertacja doktorska. Kraków 1999.

THE ISSUE OF NONLINEAR PLASTIC – VISCOUS RHEOLOGICAL MODEL OF FRESH CONCRETE

Summary

The paper discusses briefly about contemporary methods of measurement of fresh concreteparameters, starting from the standard consistence tests and ending on the new, three-parameter model ofrheological behaviour of fresh concrete. The main advantages and shortcomings of these methods andmodels are issued. In the light of literature data and the ones obtained by the author, the most promising isthe nonlinear plastic – viscous model of fresh concrete i.e. the Hershell-Bulkley model.

73