Rzeczywista wilgotność kruszyw a projektowanie betonu
- Szczegóły
Celem niniejszej pracy jest sformułowanie praktycznych wskazówek dla projektantów betonu, które byłyby dostosowane do aktualnie dostępnych surowców oraz współcześnie stawianych wymagań.
Cel pracy
Jak zaznaczono we wprowadzeniu do niniejszej pracy, ogólnym jej celem jest dostarczenie informacji, które pomogłyby uwzględnić współczesne warunki i wymagania w procesie projektowania betonu. Głównym celem praktycznym tej pracy jest wyprowadzenie zależności wytrzymałości na ściskanie od rzeczywistego wskaźnika c/w dla betonu wytwarzanego w warunkach przemysłowych. Postanowiono również objaśnić wpływ transportu i pompowania na właściwości mieszanki betonowej jak i stwardniałego betonu.
Uzasadnienie słuszności podjętych prac zostało zaakcentowane w wielu miejscach części teoretycznej tej pracy. Są to przede wszystkim duże zmiany we właściwościach surowców wykorzystywanych do produkcji betonu na przestrzeni ostatnich lat. Na uwagę zasługuje duża popularność betonu wytwarzanego w centralnej wytwórni, transportowanego a następnie pompowanego do miejsca wbudowania. Istnieją również przesłanki literaturowe wskazujące na możliwość zmian właściwości mieszanki betonowej i betonu po procesie pompowania.
Na podstawie analizy danych literaturowych oraz praktyki przemysłowej Autor wyprowadza tezę, że pompowanie betonu w znaczący sposób wpływa na właściwości mieszanki betonowej oraz betonu. Charakter tych zmian zależny jest w dużej mierze od ciśnienia pompowanego betonu. Realizacja części teoretycznej niniejszej pracy jest próbą weryfikacji tej tezy.
Program badań
Aby wygodniej prześledzić przyjęty podczas realizacji pracy tok postępowania na Rysunku 11 zaprezentowano program badań w formie schematu. Na wstępie, aby móc rozpocząć proces projektowania mieszanek betonowych, zbadano podstawowe właściwości surowców. Obiektem wstępnych badań są kruszywa i cementy, których zakres badań przedstawiono na w/w Rysunku. Na podstawie uzyskanych informacji zaprojektowano dwie grupy receptur.
Przeczytaj także: Poradnik: Żywotność filtrów Philips
Pierwsza, służąca do wyznaczenia zależności wytrzymałości na ściskanie od rzeczywistego współczynnika w/c (c/w), obejmuje dwa rodzaje cementów oraz jeden rodzaj kruszywa. Zaprojektowane mieszanki betonowe posiadają rzeczywisty współczynnik w/c (c/w) w zakresie od 1,0 do 0,33 (od 1 do 3). Mieszanki betonowe zbadano pod kątem konsystencji, gęstości oraz zawartości powietrza a dla betonów sprawdzono wytrzymałość na ściskanie aby wyznaczyć wspomnianą zależność.
Druga grupa mieszanek betonowych została zaprojektowana na bazie tych samych surowców. Składy mieszanek betonowych grupy II, w szczególności konfiguracja cementów, zostały podyktowane bieżącymi potrzebami produkcyjnymi Firmy OLBET w której zrealizowano zaroby przemysłowe. Dla zbadania wpływu pompowania na rozkład wielkości porów powietrznych w betonie skorzystano również z mieszanek betonów napowietrzonych.
Wszystkie te mieszanki zostały zrealizowane w warunkach przemysłowych w mieszalniku przemysłowym ARCEN ARCMOV MDE 3000 4l+ o pojemności zarobowej 2,0 m 3 . Na podstawie kompletu badań, obejmujących również oznaczenie rozkładu wielkości porów, wyjaśniono wpływ transportu oraz pompowania na właściwości mieszanek betonowych oraz betonów.
Surowce
Do wykonania mieszanek betonowych użyto surowców z bieżącej produkcji Firmy OLBET. W okresie realizacji badań, Firma korzystała z cementów wyprodukowanych przez Grupę Górażdże: CEM I 42,5 R (z cementowni w Choruli) oraz CEM III/B 42,5 L (z przemiałowni EKOCEM w Dąbrowie Górniczej). Na potrzeby niniejszej pracy w laboratorium Katedry Technologii Materiałów Budowlanych Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie wykonano badania powierzchni właściwej metodą Blaine’a (zgodnie z PN-EN 196-6:2011) oraz normowej wytrzymałości na ściskanie (zgodnie z PN-EN 196-1:2006) w/w cementów.
Wyniki badań przestawiono w Tabeli 18.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
| Właściwość | CEM I 42,5 R | CEM III/B 42,5 L |
|---|---|---|
| Powierzchnia właściwa (metoda Blaine’a) | [Wartość] | [Wartość] |
| Normowa wytrzymałość na ściskanie | [Wartość] | [Wartość] |
Do wyprodukowania mieszanek betonowych użyto grubego kruszywa otoczkowego o wymiarze ziaren 2/16 oraz piasku o wymiarze ziaren 0/2. Zgodnie z programem badań (Rysunek 11), aby przyjąć poprawne założenia do projektowania mieszanek betonowych wykonano badania w/w kruszyw. Wyniki oznaczeń wraz z normami opisującymi poszczególne metody badań podano zgodnie z PN-EN 12620+A1:2010 w Tabeli 19.
| Właściwość | Kruszywo grube 2/16 | Piasek 0/2 |
|---|---|---|
| [Nazwa właściwości] | [Wartość] | [Wartość] |
Na Wykresie 18 oraz 19 przedstawiono krzywe uziarnienia obu kruszyw. Jako domieszkę modyfikującą konsystencję mieszanki betonowej użyto superplastyfikatora FM-150 Firmy ANDROIMPEX. Producent deklaruje, że jest to domieszka polikarboksylanowa, redukująca ilość wody zarobowej przy stałej konsystencji w granicach od 12 do 40 % [35]. Do wykonania mieszanek betonów napowietrzonych wykorzystano domieszkę napowietrzającą NK-3 tej samej Firmy.
Składy mieszanek betonowych
Aby zaprojektować składy mieszanek betonowych postanowiono skorzystać z analitycznej metody trzech równań. Zgodnie z programem badań przyjęto następujące założenia do projektowania mieszanek betonowych grupy I: użycie cementu CEM I 42,5 R oraz CEM III/B 42,5L; użycie kruszywa żwirowego pochodzącego z bieżącej produkcji Firmy OLBET; zakres rzeczywistego w/c (c/w) mieszanek betonowych w zakresie od 1,0 do 0,33(1 do 3);
Aby dobrze odzwierciedlić rzeczywiste potrzeby stawiane przez rynek betonu towarowego przyjęto również, że wszystkie mieszanki betonowe muszą wykazywać dobrą pompowalność. Proces projektowania tej grupy receptur rozpoczęto od doboru uziarnienia stosu okruchowego dla dwóch mieszanek betonowych o znacznie różniących się współczynnikach w/c.
Podczas projektowania składu kruszywa, główną niedogodnością była niska zawartość ziaren do 0,25 mm oraz od 1 do 2 mm, co wynikało z niekorzystnego uziarnienia piasku (Wykres 19). Niska zawartość ziaren o w/w wymiarach spowodowało trudności w dobrym dopasowaniu krzywych uziarnienia stosu okruchowego projektowanych mieszanek betonowych do optymalnej krzywej uziarnienia.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
W przypadku mieszanki betonowej o wyższym współczynniku w/c, dla zapewnienia zadowalającej pompowalności należało zwiększyć zawartość drobnych ziaren kruszywa co w połączeniu z niekorzystnym uziarnieniem piasku spowodowało znaczące zwiększenie zawartości ziaren o wymiarach od 0,5 do 1,0 mm powyżej górnej granicznej krzywej dobrego (zalecanego) uziarnienia. W przypadku stosu okruchowego dla mieszanki o niższym w/c, fakt niekorzystnego uziarnienia piasku spowodował nadmierne zwiększenie zawartości ziaren o wymienionych wymiarach ponad optymalną krzywą uziarnienia.
Na podstawie tak skomponowanego kruszywa w pełni zaprojektowano oraz sprawdzono doświadczalnie mieszanki betonowe o wymienionych wskaźnikach w/c. W dalszej kolejności wykreślono proste, które pozwoliły poprzez interpolację oraz ekstrapolację na wyznaczenie składów pozostałych mieszanek betonowych.
Składy mieszanek betonowych grupy II łącznie z konfiguracją cementów zostały zaczerpnięte z bieżących receptur Firmy OLBET. W Tabeli 20 przedstawiono receptury betonów obu grup. W w/w Tabeli zamieszczono zarówno pozorną jak i rzeczywistą ilość wody. Woda pozorna to suma ilości wody zarobowej oraz wody wynikającej z wilgotności kruszyw (woda w porach kruszywa oraz woda wolna na jego powierzchni), której zawartość badana jest przez sondę wilgotności kruszyw. Woda rzeczywista wynika z dodaniu do wody pozornej masy superplastyfikatora oraz odjęcia wody wchłoniętej przez pory kruszywa, której zawartość wynika z jego nasiąkliwości (Tabela 19).
| Mieszanka nr | Cement [kg] | Kruszywo drobne [kg] | Kruszywo grube [kg] | Woda pozorna [kg] | Woda rzeczywista [kg] | Gęstość [kg/m3] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | [Wartość] | [Wartość] | [Wartość] | [Wartość] | [Wartość] | [Wartość] |
| 2 | [Wartość] | [Wartość] | [Wartość] | [Wartość] | [Wartość] | [Wartość] |
Druga od prawej kolumna Tabeli 20 prezentuje gęstości mieszanek betonowych uzyskanych na podstawie przeprowadzonych w ramach procesu projektowania doświadczeń.
Wyniki badań
Wyznaczenie funkcji Rc=f(c/w)
Zaprojektowane mieszanki betonowe zostały wykonane w przemysłowym mieszalniku ARCEN ARCMOV MDE 3000 4l+ oraz załadowane do betonomieszarki samochodowej, po czym niezwłocznie pobierano próbki betonu z rynny betonomieszarki. W ciągu nie dłuższym niż 20 minut zbadano: temperaturę powietrza, temperaturę mieszanki betonowej, opad stożka (bezpośrednio po pobraniu), zawartość powietrza oraz gęstość mieszanki betonowej. Do badań wytrzymałości na ściskanie pobrano po 3 lub 6 próbek sześciennych (w zależności od ilości terminów badań) o wymiarach 150 x 150 x 150 mm.
Po odpowiednim czasie dojrzewania zbadano wytrzymałość na ściskanie betonów. W Tabeli 21 przedstawiono zestawienie wyników badań natomiast na Wykresach 22 oraz 23 graficzne porównanie wyników badań średnich wytrzymałości na ciskanie betonów od rzeczywistego współczynnika c/w dla różnych rodzajów cementu oraz różnych okresów dojrzewania. Na Wykresie 22 porównano wytrzymałość w funkcji wskaźnika w/c R c =f(c/w) po 28 dniach dojrzewania dla betonu z cementem CEM I 42,5 R orazCEM III/B 42,5 L.
Z analizy nachylenia prostych funkcji regresji można wnioskować, że betony na bazie cementu hutniczego wykazują mniejszy przyrost wytrzymałości wraz ze wzrostem wskaźnika c/w niż betony na bazie cementu portlandzkiego. Dodatkowo porównując dane z w/w Wykresu z badaniami wytrzymałości na ściskanie zapraw normowych (Tabela 18) można stwierdzić, że porównanie wytrzymałości betonu z takimi cementami na bazie wyników badań wytrzymałości zapraw normowych w zakresie wyższych wskaźników c/w może nie pozwolić na wyciągnięcie poprawnych wniosków.
Analizując przebieg prostych na Wykresie 23 można wnioskować, że przyrost wytrzymałości betonu na bazie cementu portlandzkiego pomiędzy 28 a 56 dniem dojrzewania jest wyższy dla wyższych stosunków c/w. Na podobne zależności wskazuje Prof. Neville w swoim dziele [4], w którym Autor wyjaśnia, że ziarna cementu w mieszankach o wyższych współczynnikach c/w są umieszczone bliżej siebie co pozwala na szybsze ustalenie się ciągłego układu żelu C-S-H.
W Tabeli 22 zestawiono uzyskane współczynniki pozwalające na wyliczenie wytrzymałości na podstawie ogólnego równania Bolomey’a. Ze względu na brak wyraźnego zmniejszenia nachylenia prostej funkcji regresji przy c/w>2,5 wyznaczono takie same współczynniki dla całego zakresu badanego współczynnika c/w (od 1 do 3).
| Mieszanka nr | Cement | c/w | Wytrzymałość po 28 dniach [MPa] | Wytrzymałość po 56 dniach [MPa] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | CEM I 42,5 R | [Wartość] | [Wartość] | [Wartość] |
| 2 | CEM III/B 42,5 L | [Wartość] | [Wartość] | [Wartość] |
Należy zauważyć, że wyznaczone wartości współczynnika nie odbiegają znacznie od podanych przez Bolomey’a (Tabela 15).
| Cement | Współczynnik A | Współczynnik a |
|---|---|---|
| CEM I 42,5 R | [Wartość] | [Wartość] |
| CEM III/B 42,5 L | [Wartość] | [Wartość] |
Wpływu transportu i pompowania na parametry mieszanki betonowej i betonu
Aby objaśnić wpływ transportu na właściwości mieszanek betonowych i betonów grupy II zbadano: temperaturę powietrza, temperaturę mieszanki betonowej, opad stożka i/lub rozpływ swobodny mieszanki betonowej, zawartość powietrza w mieszance betonowej, gęstość mieszanki betonowej oraz wytrzymałość na ściskanie betonu. Mieszankę betonową pobierano bezpośrednio po załadowaniu do betonomieszarki, następnie po 45 minutach transportu w betonomieszarce oraz po kolejnych 45 min lub 115 min takiego transportu (w sumie 90-cio lub 160-cio minutowy transportu).
Wykonano 3 próby tego typu a rezultaty badań zestawiono w Tabeli 23 oddzielając wyniki z kolejnych prób podwójnymi poziomymi liniami . Podczas prób oznaczonych jako R3, R4, R5 oraz R8, R9, R10 diametralne pogorszenie konsystencji mieszanki betonowej zmusił Autora do wtórnego dozowania superplastyfikatora lub wody, dlatego te przypadki nie zostaną poddane analizie. Wysoka ciekłość mieszanki betonowej podczas próby, której wyniki badań oznaczono jako R11, R12, R13 pozwoliła na zakończenie jej transportu bez konieczności wtórnego dozowania.
Podczas transportu mieszanki betonowej po pierwszych 45 minutach (oznaczone jako R12 w Tabeli 23) nastąpił spadek zawartości powietrza z 5,5 % do 4,8 % oraz oczywista utrata konsystencji. Zmniejszenie zawartości powietrza nie spowodowało znaczącego wzrostu wytrzymałości na ściskanie betonu. Po kolejnych 45 minutach transportu (oznaczone jako R13 w Tabeli 23) przed pobraniem próbki betonu zwiększono znacząco prędkość obrotową betonomieszarki celem uaktywnienia domieszki napowietrzającej.
Zabieg ten spowodował wzrost zawartości powietrza do 5,5 % co poprzez zwiększenie ilości zaczynu cementowego powinno doprowadzić do upłynnienia mieszanki betonowej. Jednak, wzrost zawartości powietrza nie doprowadził do zwiększenia stopnia ciekłości mieszanki betonowej. Możliwe, że efekt napowietrzenia został skompensowany przez spadek efektywności działania superplastyfikatora wraz z upływem czasu.
Dla omawianego przypadku wspólnie z Instytutem Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie (IPPT PAN) dokonano badań charakterystyki porów powietrznych w betonie według PN-EN 480-11:2008. W Tabeli 24 przedstawiono wyniki tych oznaczeń w postaci parametrów mikrostruktury porów powietrznych. Z analizy danych zamieszczonych w w/w tabeli wynika, że po 45 min. transportu przy niskiej prędkości obrotowej betonomieszarki (R12 w Tabeli 24) nastąpiło zmniejszenie średnicy porów.
tags: #rzeczywista #wilgotność #kruszyw #norma
