Szczelne betony z dodatkiem pyłu krzemionkowego

Wprowadzenie mikrowypełniaczy, w tym głównie częściowo aktywnych pyłów krzemionkowych, pozwala zwiększyć gęstość betonu przez dodatkowe wypełnienie przestrzeni pomiędzy ziarnami cementu. Wprowadzony pył, o właściwościach pucolanowych, reaguje z portlandytem i tworzy stopniowo, zwłaszcza na granicy fazy zaczyn–kruszywo, w strefie dotychczas pełnej defektów, jednolitą i ciągłą fazę kontaktową C-S-H (calcium-silicat-hydrat).

Dzięki dodawaniu pyłów krzemionkowych do mieszanki betonowej można uzyskać nawet dwukrotny wzrost wytrzymałości betonu na ściskanie przy dziesięciokrotnym zmniejszeniu przepuszczalności wody oraz kilkakrotny wzrost odporności betonu na działanie mrozu, chlorków i siarczanów. Zastosowanie domieszek uplastyczniających i upłynniających pozwala natomiast zasadniczo zmniejszyć współczynnik w:c przy zachowaniu dobrej urabialności mieszanki betonowej, z jednoczesnym zwiększeniem wytrzymałości betonu.

W celu określenia wpływu zastosowanego pyłu krzemionkowego (pk), kruszywa grubego i superplastyfikatora na podstawowe właściwości betonów wysokowartościowych przeprowadzono badania 18 serii betonów zawierających pył krzemionkowy i superplastyfikator, wykonanych przy użyciu dwóch zestawów kruszyw: piasku kwarcowego i przekruszonego grysu otoczakowego oraz piasku kwarcowego i frakcjonowanego grysu bazaltowego.

Plan doświadczeń

Dla wybranych zestawów kruszyw zaprojektowano i wykonano po 9 mieszanek betonowych w układzie zmiennych pk:c (0,0; 0,05; 0,1) oraz w:c (0,33; 0,36; 0,4). W kompozycjach składu mieszanek jako dodatek zastosowano pył krzemionkowy z Huty Łaziska oraz krajowy upłynniacz. We wszystkich mieszankach zastosowano cement mostowy CEM I 42,5 HSR z cementowni „Rejowiec”. Superplastyfikator w ilości zapewniającej urabialność mieszanek w zakresie konsystencji V-3, mierzonej aparatem Vebe, dodawano w połowie do wody zarobowej i w połowie do przygotowywanej mieszanki. Składy badanych betonów oraz wyniki wybranych badań fizyko-mechanicznych przedstawiono w tabelach 1 i 2.

Do analizy wyników doświadczeń zastosowano metody statystyki matematycznej, co pozwoliło określić funkcje dopasowania wytrzymałości na ściskanie f_c28 oraz nasiąkliwości i wodoprzepuszczalności betonów serii BO (żwirowe) i BB (bazaltowe) w zakresie założonych zmiennych w:c i pk:c (rys. 1). Przeprowadzone badania pozwoliły m.in. na określenie przedziału najbardziej efektywnej ilości dodatku pyłu krzemionkowego z uwagi na kryterium maksymalnej wytrzymałości 28-dniowej badanych betonów.

W odróżnieniu od powszechnie przyjmowanej ilości równej 10% w stosunku do masy cementu stwierdzono, że w wypadku badanych betonów optymalna ilość pyłu wyniosła 6–8% masy cementu.

Wytrzymałość na ściskanie

Z analizy wyników badań wytrzymałości na ściskanie wynika, że zasadniczy wpływ na wytrzymałość betonów wywierały parametry: w:c (woda:cement) i pk:c (pył krzemionkowy: cement) przy udziale superplastyfikatora, a także rodzaj i jakość grubego kruszywa. Wzrost wytrzymałości zależał głównie od zmian tych parametrów i warunków dojrzewania. Im mniejszy był stosunek w:c (w granicach od 0,4 do 0,33), tym większa była wytrzymałość na ściskanie betonów. Znaczący wzrost wytrzymałości na ściskanie następował dzięki zwiększaniu dodatku pyłu krzemionkowego, jednak tylko w przedziale od 0 do ok. 7,5% masy cementu. W wypadku wszystkich badanych betonów, w terminach badań od 1 do 28 dni, stwierdzono zauważalny spadek wytrzymałości na ściskanie przy wartości pk:c = 0,1 (tj. po przekroczeniu pk:c = 0,075) (rys. 1–2). Spadek ten był mniej zauważalny po 90 dniach dojrzewania.

Na podstawie wyników badań stwierdzono, że maksymalne wartości wytrzymałości na ściskanie fc28 uzyskały betony wykonane przy zawartości pyłu krzemionkowego 6–8% masy cementu i w:c = 0,33. Udział kruszywa łamanego w betonach BB spowodował uzyskanie wytrzymałości na ściskanie o ok. 10% większej niż w wypadku betonów żwirowych BO.

Nasiąkliwość

Wyniki badań wykazały znaczący wpływ parametrów w:c i pk:c na nasiąkliwość betonów. Zwiększanie ilości wody w mieszance betonowej, a tym samym wartości w:c od 0,33 do 0,4, skutkowało wzrostem nasiąkliwości w przypadku obu serii betonów.

Zwiększanie ilości pyłu krzemionkowego powodowało natomiast znaczące obniżenie nasiąkliwości betonów, niezależnie od wskaźnika w:c. Najmniejszą nasiąkliwość uzyskał beton bazaltowy z największą ilością pyłu BB7 – 3,2% przy w:c = 0,33 i pk:c = 0,1. Największą nasiąkliwością charakteryzował się natomiast beton żwirowy BO3 – 5,5%, wykonany bez dodatku pyłu krzemionkowego przy w:c = 0,4. Betony żwirowe charakteryzowały się większą nasiąkliwością niż betony wykonane z udziałem kruszywa łamanego bazaltowego.

Reasumując, można stwierdzić, że zasadniczy wpływ na zmniejszenie nasiąkliwości betonów ma uszczelnienie ich struktury dodatkiem pyłu krzemionkowego, co obserwowano w całym przedziale wzrostu wartości pk:c od 0 do 0,1. Równie korzystny efekt obserwowano w przypadku obniżania wartości w:c od 0,4 do 0,33. Wykresy funkcji dopasowania nasiąkliwości betonów w zależności od w:c i pk:c przedstawiono na rys. 3–4.

Wodoprzepuszczalność

Znaczący wpływ dodatku pyłu krzemionkowego na wzrost wodoszczelności obserwowano w odniesieniu do wszystkich badanych betonów i do całego przedziału, w którym wartość pk:c wzrastała od 0 do 10% masy cementu. Obniżanie wskaźnika w:c od 0,4 do 0,33 powodowało dalsze zmniejszenie wodoprzepuszczalności betonów, jednak w znacznie mniejszym stopniu niż w przypadku dodatku pyłu krzemionkowego. Największą głębokość przesiąkania wody wykazały betony bez dodatku pyłu, przy w:c = 0,4, oznaczone jako BB3 (40 mm) i BO2 (28 mm przy w:c = 0,36). Najmniejszą głębokością przesiąkania charakteryzowały się betony bazaltowe z 10-proc. dodatkiem pyłu krzemionkowego, przy w:c = 0,33 (beton BB7 – 9,0 mm).

Zakres charakterystycznych zmian wodoprzepuszczalności betonów żwirowych BO i bazaltowych BB w zależności od zmiennych w:c i pk:c przedstawiono na rys. 5–6.

Związki mikrostruktury z właściwościami BWW

Badania mikrostrukturalne wykonano z zastosowaniem mikroskopu skaningowego JEOL 5500 LV. Obserwacje prowadzono na fragmentach pobranych z próbek przygotowanych tak jak próbki do badania wytrzymałości na ściskanie oraz z próbek po badaniach odporności na pękanie. Poszukiwano związków między zróżnicowanym składem betonów i ich mikrostrukturą a badanymi właściwościami mechanicznymi i fizycznymi.

Prezentowane mikrofotografie (fot. 1–4) zostały wybrane z bogatego materiału i są charakterystyczne dla właściwości struktury badanych betonów i występujących w tych strukturach defektów.

Przeprowadzone badania wykazały powstawanie zróżnicowanej mikrostruktury betonów, szczególnie w obszarze styku kruszywa z zaczynem cementowym, ukształtowanej różnicami w składzie betonów oraz wskaźnikami w:c i pk:c.

W przypadku betonów bez dodatku pyłu krzemionkowego wzrost ilości wody w mieszance betonowej powodował zwiększenie porowatości oraz zwiększenie liczby mikropęknięć w zaczynie cementowym. Obserwowano powstanie gąbczastej struktury zaczynu z dużą ilością porów i pustek powietrznych (fot. 1 na górze, fot. 2). Mikropęknięcia obserwowane w badaniach mikroskopowych oraz zniszczenie betonów obserwowane w badaniach odporności na pękanie według I modelu przechodziły przez zaczyn i strefę styku kruszywa z zaczynem i powodowały „wyrywanie” ziaren kruszywa z zaczynu cementowego, co może świadczyć o słabej przyczepności w tej strefie i co znalazło odzwierciedlenie w badanych właściwościach mechanicznych. Efektem tego było uzyskanie przez betony BO3 i BB3 najniższych wartości wytrzymałości na ściskanie fck. Szczególny wpływ na mikrostrukturę betonów miało zastosowanie pyłu krzemionkowego. Dodatek ten powodował uszczelnienie zaczynu cementowego i powstanie zwartej i jednorodnej struktury warstwy przejściowej, o znacznie większej wytrzymałości (fot. 3, 4). Obserwowano zaczyn ściśle przylegający do ziaren kruszywa, o bardzo małej porowatości w strefie styku z kruszywem, ze znacznie ograniczoną liczbą mikropęknięć (betony od BB4 do BB9).

Niski stosunek wodno-cementowy w:c = 0,33, w połączeniu z dodatkiem pyłu krzemionkowego pk:c od 0,05 do 0,1, spowodowały w rezultacie powstanie szczelnej struktury betonów i w konsekwencji uzyskanie największych wartości wytrzymałości na ściskanie, modułu sprężystości przy ściskaniu oraz najniższej nasiąkliwości i wodoprzepuszczalności.

Podsumowanie

Trwałość betonu determinowana jego dużą szczelnością i jednorodnością struktury, określana jest jako jego odporność na działanie wewnętrznych i zewnętrznych czynników fizycznych, fizyko-chemicznych lub chemicznych. Decydujące znaczenie ma w tym nowo ukształtowana mikrostruktura zaczynu, w strefie styku z kruszywem, zasadniczo odmienna od struktury w betonach zwykłych.

Bardzo istotna do osiągnięcia wysokiej szczelności struktury jest zdolność do wypełniania (zamykania) porów mikrostrukturalnych o szerokim zakresie wymiarów w ciągu kilkudziesięciu dni hydratacji, jako rezultatu przejścia od bogatego w krzemionkę żelu w różnorodne morfologicznie typy C-S-H, charakteryzujące się już po ok. 90 dniach bardzo wysokim wzrostem szczelności .

Pyły krzemionkowe wpływają na mechaniczne właściwości betonu, głównie przez zwiększenie przyczepności zaczynu do ziaren kruszywa i zmniejszenie porowatości strefy przejściowej. Reakcje pucolanowe jako czynnik oddziaływania chemicznego powodują dalsze zwiększanie wytrzymałości i trwałości betonu. W wyniku oddziaływań fizycznych i chemicznych następuje korzystna modyfikacja mikrostruktury zaczynu, połączona ze znacznym zmniejszeniem porowatości w obszarze porów kapilarnych. To właśnie zmiany struktury porów w betonie są przez niektórych badaczy uważane za główny czynnik kształtujący i charakteryzujący oddziaływanie pyłu krzemionkowego na mechaniczne cechy oraz szczelność i trwałość betonu.Wszystkie wymienione cechy powodują, że betony wysokowartościowe nabierają zdecydowanie korzystnych właściwości wytrzymałościowych i stają się wysokiej jakości trwałym materiałem konstrukcyjnym.

Literatura

1. M.D. Cohen, A. Goldman, W.F. Chen, „The Role of Silica Fume in Mortar: Transition Zone Versus Bulk Paste Modification”, „Cem. and Concr. Res.”, Vol. 24/1994, s. 95–98.
2. A.M. Brandt, „Wpływ warstwy przejściowej na właściwości mechaniczne betonów wysokowartościowych (BWW)”, II Konferencja Naukowo- -Techniczna „Zagadnienia materiałowe w inżynierii lądowej”, Matbud’ 98, s. 21–30.
3. L. Kucharska, „Kształtowanie struktury wysokosprawnych betonów. Rola dodatków i domieszek”, „Przegląd Budowlany”, nr 8–9/92, s. 351–354.
4. M. Franczyk, „Wpływ składu mieszanki betonowej na właściwości betonu wysokowartościowego”, praca doktorska, Politechnika Rzeszowska (niepublikowana), Rzeszów 2002.
5. C. Wolska-Kotańska, „Dodatki i domieszki do betonów wysokowartościowych”, „Cement – Wapno – Beton”, nr 6/96, s. 216–220.
6. C. Wolska-Kotańska, H. Józwiak, J. Bobrowicz, „Wpływ pyłów krzemionkowych na przebieg hydratacji cementu, porowatość zaczynu i wybrane właściwości betonu”, XL Konferencja Naukowa KILiW PAN i KN PZITB, Krynica 1994, tom V.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!