Odtworzenie zawartości cementu i kruszywa w mieszance betonowej na podstawie badań próbek stwardniałego betonu

Przy rozważaniu jakości stwardniałego czy eksploatowanego betonu często stawiane jest pytanie, czy skład betonu jest zgodny z projektem lub też czy beton nie uległ procesom korozyjnym.

Może się zdarzyć, że właściwości fizyczne lub wytrzymałościowe rzeczywistej konstrukcji betonowej różnią się od tych, jakie założono w obliczeniach projektowych na skutek błędów popełnionych na placu budowy. Powodem może być między innymi zbyt mała ilość cementu lub za duża ilość wody zarobowej w mieszance betonowej, zła jakość cementu, nieodpowiednie uziarnienie kruszywa albo zła pielęgnacja betonu.

W celu wyjaśnienia tego zagadnienia podejmowane są fizyczne i chemiczne badania próbek stwardniałego betonu mające za zadanie odtworzyć jego skład.

Wydawać by się mogło, że obecnie, w czasach innowacyjnych rozwiązań w zakresie badań materiałów budowlanych, odtworzenie składu betonu na podstawie pobranych z konstrukcji próbek stwardniałego betonu może ograniczyć się do wykonania kilku odpowiednio dobranych analiz instrumentalnych. Jednakże problem ten jest bardzo złożony.

Beton jest materiałem niejednorodnym - to kompozyt o złożonej budowie, często dalece odchodzący od klasycznej trójskładnikowej mieszanki cementu, kruszywa i wody.

Beton stanowi wieloczłonową matrycę, w obrębie której zachodzi szereg procesów fizykochemicznych wynikających w pierwszym etapie ze złożonego procesu hydratacji spoiwa a w późniejszym - z ciągłej eksploatacji materiału oraz oddziaływania na niego środowiska. Stąd wynikają trudności w określaniu pierwotnego składu mieszanki betonowej i brak uniwersalnej metody służącej do tego celu.

W przypadku gdy wyjściowe składniki mieszanki betonowej są dostępne, cały proces jest mniej skomplikowany i odtworzenie składu betonu jest możliwe do przeprowadzenia z bardzo wysoką precyzją, jednakże rzadko kiedy dysponujemy wyjściowymi surowcami.

Jak podaje Lay [1], przy odtwarzaniu pierwotnego składu mieszanki betonowej podstawą jest oznaczenie zawartości cementu, nawet jeżeli cement nie był przyczyną złej jakości betonu. Niestety, nie ma bezpośredniej metody pozwalającej na odtworzenie zawartości cementu w recepturze na podstawie badań próbek stwardniałego betonu, nawet jeżeli jest to czysty cement portlandzki bez dodatków.

Zgodnie z tym, co pisze Kurdowski [2], do ilościowego oznaczenia zawartości żużla od dawna stosowana jest metoda mikroskopowa, której precyzję ocenia się na ±5%.

Obecnie coraz bardziej popularna staje się metoda rozdziału w cieczach ciężkich, która bazuje na różnicy w gęstości głównych składników cementu (klinkier ok. 3,1 g/cm3, żużel ok. 2,85 g/cm3, popiół z węgla kamiennego ok. 2,6 g/cm3). Jednak metoda ta z racji swojej trudności wymaga odpowiednio wykwalifikowanego personelu.

Istnieje również metoda oznaczenia zawartości żużla na podstawie oznaczenia zawartości siarczków w stwardniałym betonie [2]. Jednakże niezbędna jest wówczas dokładna znajomość składu chemicznego zastosowanego żużla, co w niektórych przypadkach jest kompletnie niemożliwe.

Z bardziej nowoczesnych metod Walraven i Takada [3] przedstawiają metodę opierającą się na różnicy w rozpuszczalności różnych składników cementu w pewnych rozpuszczalnikach.

Brak standardowej procedury do określania obecności i ilości domieszek wynika z szerokiej bazy dostępnych na rynku domieszek oraz ich niewielkiego zakresu dozowania [2].

Z przeglądu literaturowego [4, 5, 6, 7] wynika, że nie ma uniwersalnej metody odtwarzania składu substratowego mieszanki betonowej na podstawie badań próbek stwardniałego betonu.

Niemniej znane i stosowane metody w tym zakresie bazują na jednym lub kilku z niżej wymienionych oznaczeń:

• składu chemicznego rozdrobnionej próbki betonu, ze szczególnym uwzględnieniem dwóch składników: krzemionki rozpuszczalnej w HCl i/lub CaO,
• składu granulometrycznego próbki betonu,
• zawartości części nierozpuszczalnych w HCl w próbce betonu, ubytków masy rejestrowanych w czasie analizy termicznej próbki w określonym zakresie temperatur,
• objętości spoiwa i kruszywa przy zastosowaniu analizy mikroskopowej,
• ilości energii promieniowania izotopu ²⁴¹Am pochłoniętej przy zetknięciu odpowiedniej sondy z betonem,
• gęstości zaczynu cementowego.

W niektórych krajach określenie składu stwardniałego betonu jest ujęte w normach. Normy BS 1881-124:2015 i ASTM C 85-66 opisują metody określania zawartości cementu, oparte na spostrzeżeniu, że krzemiany w cemencie portlandzkim znacznie łatwiej rozkładają się i stają rozpuszczalne w rozcieńczonym kwasie solnym niż składniki krzemianowe zawarte w kruszywie [8, 9].

W Polsce do tej pory nie ma żadnego oficjalnego dokumentu normatywnego dotyczącego metod określania składu betonu oprócz instrukcji ITB:

• nr 212 "Instrukcja określania składu stwardniałego betonu wykonanego z cementu portlandzkiego i żwiru lub wapienia oraz piasku" z roku 1978 [10],
• nr 277 "Instrukcja określania składu stwardniałego betonu" z roku 1986 [11] oraz
• nr 357/98 "Badania składu fazowego betonu" [12].

Należy podkreślić, że instrukcje te nie biorą pod uwagę nowych rodzajów cementów, dodatków oraz kruszyw, przez co stały się obecnie nieaktualne.

Ze względu na skomplikowany skład betonu metody odtwarzania składu betonu są ciągle ulepszane lub wprowadzane nowe.

W artykule przedstawiono wyniki badań uzyskane podczas weryfikacji istniejących metod określania składu stwardniałego betonu oraz rezultaty zmodyfikowanej w OSiMB procedury. Odtwarzanie pierwotnego składu mieszanki betonowej zostało zrealizowane na próbkach stwardniałego betonu wykonanych zgodnie z recepturami o znanym składzie, zarówno w zakresie ilościowym, jak i jakościowym.

Metodyka badań

W pracy wykorzystano zarówno klasyczne metody analizy chemicznej, tzw. metody mokre, jak i metody instrumentalne.

Skład tlenkowy materiałów wyjściowych oraz wyseparowanych z betonu został oznaczony przy wykorzystaniu fluorescencyjnej analizy rentgenowskiej (XRF), stosując metodę stapianej perły. Do oznaczenia składu fazowego wykorzystano metodę dyfraktrometrii rentgenowskiej (XRD) przy zastosowaniu aparatu marki X’Pert firmy PanAnalytical. Analizę przeprowadzono w zakresie kątów 2Θ = 6,992-60° przy kroku pomiarowym 0,0167°, stosując promieniowanie lampy o anodzie miedziowej i długości promieniowania λCuKα = 0,15418 nm. Parametry pomiaru: 45 kV, 35 mA.

Do pełnej analizy fazowej zastosowano analizę termiczną metodą DSC-TG, wykorzystując urządzenie marki NETZSCH model STA 449 F3 Jupiter. Pomiary prowadzono w zakresie temperatur od 30°C do 1100°C w tyglach Al2O3, w powietrzu jako gaz ochronny zastosowano azot.

W przypadku próbki betonu zawierającej żużel analizę termiczną przeprowadzono w atmosferze azotu w celu uniknięcia utlenienia siarczków. Szybkość przyrostu temperatury w piecu wynosiła 10°C/min, masa naważki około 35 mg.Do oznaczenia zawartość części nierozpuszczalnych (NR), tlenku wapnia i krzemionki zastosowano klasyczne metody chemiczne. Gęstość pozorną i nasiąkliwość oznaczono metodą bezpośrednią zgodnie z normą PN 66/B-004100.

Składniki mieszanki betonowej

Cement i popiół

Do sporządzenia betonu zastosowano cement portlandzki CEM I 42,5, cement hutniczy CEM III/A oraz popiół lotny.

W TAB. 1 przedstawiono skład tlenkowy, zawartość części nierozpuszczalnych oraz rozpuszczalnej krzemionki zastosowanych cementów i popiołu.

Kruszywo

W recepturach betonowych zastosowano: żwir kwarcowy frakcji 2/8 i 8/16, piasek kwarcowy frakcji 0/2 oraz kruszywo wapienne frakcji 2/8 i 8/16.

Skład chemiczny zastosowanych kruszyw oraz zawartość części nierozpuszczalnych zamieszczono w TAB. 2.

Na RYS. 1, RYS. 2 i RYS. 3 zamieszczono termogramy uzyskane dla poszczególnych kruszyw.

Próbki do badań

Do badań wykonano próbki betonowe o wymiarach 150×150×150 mm, według czterech różnych receptur. Skład mieszanek betonowych zamieszczono w TAB. 3.

Składy mieszanek betonowych różniły się zastosowanym cementem, rodzajem zastosowanego kruszywa grubego oraz obecnością lub brakiem dodatku popiołu lotnego oraz ilością wody zarobowej.

W celu przygotowania próbek badawczych wykonano około 40 kg zaroby świeżej mieszanki betonowej. Mieszankę zagęszczano na stole wibracyjnym. Próbki po rozformowaniu przechowywano w temperaturze 20 ± 2°C i wilgotności względnej powyżej 90%. Odtwarzaniu pierwotnego składu mieszanki betonowej poddano stwardniałe próbki betonu po około 5 miesiącach sezonowania.

Procedura odtwarzania pierwotnego składu mieszanki betonowej na podstawie badania próbek stwardniałego betonu

Separacja składników ze stwardniałego betonu

Zastosowana procedura stanowiła kombinację trzech funkcjonujących metodyk opisanych w instrukcjach ITB [10, 11] oraz normy brytyjskiej BS 1881-124:1988 [8] - do metod tych wprowadzono pewne modyfikacje. Modyfikacje te wynikają z niejednorodności materiału oraz konieczności usprawnienia i dopracowania procesu separacji składników ze stwardniałego betonu.

Opracowana procedura wydzielania poszczególnych substratów z betonu okazała się niezmiernie pracochłonna, a co za tym idzie - czasochłonna. Szczególną trudność napotkano na etapie separacji kruszywa węglanowego od zaczynu.

Etap przygotowania próbki (pobieranie próbki, homogenizacja, separacja) stanowi przyczynę największego błędu pomiarowego w procesie odtwarzania składu stwardniałego betonu.

Pomniejszenie próbki powinno być przeprowadzone z największą czujnością i precyzją, ponieważ próbka betonu o masie około 2–3 kg (w zależności od stosowanej metody), która sama w sobie reprezentuje kilka ton betonu, jest pomniejszana prawie 500 razy, aby uzyskać próbę analityczną, z której zostanie oznaczona wyjściowa zawartość cementu w mieszance betonowej, z której wykonano beton [1].

Na RYS. 4 przedstawiono próbkę betonu po etapie separacji poszczególnych substratów, natomiast RYS. 5 (patrz: zdjęcie główne) obrazuje przygotowaną analityczną próbkę zhomogenizowanego betonu, gotową do dalszych analiz chemicznych.

Kolejnym istotnym etapem w odtwarzaniu składu betonu jest ekstrakcja kwasowo-zasadowa, mająca na celu całkowite rozpuszczenie produktów hydratacji cementu oraz reliktów spoiwa wyjściowego przy minimalnym rozpuszczeniu kruszywa.

Podczas przeprowadzania tego etapu należy pamiętać, że nadmierne zmielenie próbki analitycznej może powodować wzrost czasu ekstrakcji zasadowej lub wzrost temperatury ekstrakcji. Wszystkie te czynniki mogą doprowadzić do rozpuszczenia krzemionki zawartej w kruszywie, a co za tym idzie do wprowadzenia błędu w oznaczeniu wyjściowej zawartości cementu w mieszance betonowej.

W związku z tym procedura ta wymaga uwzględnienia odpowiednich poprawek w tym zakresie, od których uzależniona jest jej dokładność. W tym celu należy oznaczyć krzemionkę rozpuszczalną oraz tlenek wapnia pochodzące z kruszywa zawartego w betonie, za pomocą np. klasycznych analiz chemicznych oraz metody XRF.

Dodatkowo, błędy w dokładności oznaczenia zawartości cementu w mieszance betonowej mogą wyniknąć przy przeliczaniu wyników analizy produktów hydratacji cementu w powiązaniu z gęstością objętościową betonu.

Skuteczność metody separacji poszczególnych składników sprawdzono za pomocą fluorescencyjnej analizy rentgenowskiej (XRF), oznaczenia części nierozpuszczalnych oraz krzemionki rozpuszczalnej surowców wyjściowych i materiałów wyseparowanych z próbki betonu (TAB. 4).

Gęstość pozorna i nasiąkliwość stwardniałego betonu

W TAB. 5 zamieszczono wyniki oznaczenia gęstości pozornej i nasiąkliwości badanych betonów.

Skład chemiczny betonu

Zhomogeznizowane próbki stwardniałego betonu poddano analizie chemicznej, uzyskane wyniki zamieszczono w TAB. 6. Wyniki te posłużyły do określenia zawartości poszczególnych składników w próbkach betonu (TAB. 8).

Skład fazowy betonu

Próbki stwardniałego betonu poddano badaniom termograwimetrycznym oraz analizie rentgenowskiej. Uzyskane dyfraktogramy i termogramy przedstawiono na RYS. 6-7, RYS. 8-9, RYS. 10-11, RYS 12-13, RYS. 14, RYS. 15, RYS. 16 i RYS. 17.

Z zamieszczonych dyfraktogramów (RYS. 6-7, RYS. 8-9, RYS. 10-11, RYS 12-13) wynika, że dominującymi fazami mineralnymi w badanych betonach są fazy pochodzące od kruszywa.

W próbkach betonu 1, 3, 4 są to typowe fazy kruszywa krzemionkowego (kwarc, skalenie: ortoklaz, albit), o czym świadczy m.in. intensywny pik charakterystyczny dla kwarcu odpowiadający 2Θ 26,65.

Próbka betonu 2 wyraźnie odbiega składem fazowym i dominującą fazą kruszywową jest kalcyt czego potwierdzeniem jest wysoka intensywność piku kalcytu dla wartości kąta 2Θ 29,40°.

W każdej z badanych próbek zidentyfikowano piki pochodzące od portlandytu Ca(OH)2 (widoczny charakterystyczny, ale nie o maksymalnej intensywności pik odpowiadający 2Θ 18,11°), fazy mającej związek z produktami hydratacji cementu.

Analiza termiczna jest jednym z głównych źródeł informacji wykorzystywanych do określenia wyjściowej zawartości cementu w mieszance betonowej. Z uzyskanych termogramów, z ubytków masy w odpowiednich zakresach temperaturowych obliczono zawartość portlandytu i kalcytu (TABELA 7).

Na zmieszczonych termogramach widać endotermiczny efekt w zakresie 380-460ºC pochodzący z rozkładu portlandytu Ca(OH)2, produktu hydratacji cementu oraz charakterystyczny, szczególnie silny w przypadku próbki betonu 2, efekt endotermiczny w zakresie temperatur 600-800ºC odpowiadający za rozkład CaCO3 pochodzącego w tym przypadku od zastosowanego kruszywa węglanowego.

Uzyskane wyniki analizy fazowej wykazały, że w betonach 1, 3 i 4 występują pewne, niewielkie ilości ziaren węglanowych, co potwierdziła analiza termiczna piasku, w którym oznaczono 1,66% ziarn kalcytu (RYS. 1).

W przypadku betonu 2 udział kruszywa węglanowego jest dominujący. Dodatkowo zidentyfikowano charakterystyczną przemianę fazową dla kwarcu w temperaturze około 573ºC.

Analiza wyników

W TAB. 8 przedstawiono wyniki uzyskane z przeprowadzonego procesu odtwarzania wyjściowego składu mieszanki betonowej z próbek pobranych ze stwardniałego betonu zgodnie z instrukcjami ITB 212 i ITB 277 oraz ze zmodyfikowaną procedurą.

Zastosowana metodyka badań zgodna z instrukcją ITB 212 i ITB 277 pozwoliła na odtworzenie wyjściowej zawartości cementu w mieszance betonowej oraz całkowitej zawartości kruszywa bez oznaczenia udziału frakcji piaskowej i żwirowej.

Podczas odtwarzania wyjściowego składu mieszanki betonowej, zgodnie z instrukcją ITB, w przypadku zastosowania w recepturze czystego cementu portlandzkiego uzyskany błąd oznaczenia zawartości cementu wyniósł około 8,8% masy (26 kg/m3), natomiast błąd oznaczenia ilości kruszywa był różny.

Metoda ta nie sprawdziła się w przypadku odtwarzania wyjściowego składu mieszanki betonowej z kruszywem wapiennym oraz cementu z dodatkiem popiołu.

Odtworzenie wyjściowego składu mieszanki betonowej 1 według zmodyfikowanej procedury okazało się dokładniejsze, na co wskazują zbliżone do rzeczywistego oznaczone zawartości cementu i kruszywa.

Błąd odtworzenia zawartości cementu wyniósł około 3,4%, zawartość kruszywa została oznaczona z błędem około 2,5%. Należy jednak podkreślić, że aby stwierdzić przydatność opracowanej metody do odtwarzania wyjściowego składu mieszanki betonowej, należy przeprowadzić badania na większej liczbie próbek, dla różnych zawartości poszczególnych składników oraz z zastosowaniem różnych rodzajów cementu i kruszywa, co będzie przedmiotem dalszych badań.

Artykuł opracowany w ramach pracy statutowej Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Odział Szkła i Materiałów Budowlanych w Krakowie, Zakładu Betonów, Zapraw i Kruszyw nr 3NS16B15.

Literatura

1. J. Lay, "Analysis of hardened concrete and mortal. Advanced concrete technology", "Analysis of hardened concrete and mortal", 2003.
2. W. Kurdowski, "Chemia cementu i betonu", Wyd. Polski Cement, Wyd. PWN 2010.
3. J.C. Walraven, K. Takada, "Cement + Beton", 76, 3/1999.
4. A.M. Neville, "Właściwości betonu", wyd. V, Wyd. Stowarzyszenie Producentów Cementu, 2011.
5. Concrete Society Report, "Analysis of hardened concrete", Technical Report 32, London 1989.
6. T. Szymura, "Badania nad odtworzeniem składu betonów", Logistyka 6/2014.
7. T. Szymura, "Research into the Reproduction of Raw-Material Composition of Concrete and Mortars Based on Portland and Expansive Cements", "Physicochemical Problems of Mineral Processing", 43, 1/2012.
8. BS 1881-124:1988, "Testing Concrete. Methods for Analysis of Hardened Concrete".
9. ASTM C 85-66, "Test Method for Cement Content of Hardened Portland Cement Concrete".
10. ITB 212 "Instrukcja określania składu stwardniałego betonu wykonanego z cementu portlandzkiego i żwiru lub wapienia oraz piasku", 1978.
11. ITB 277 "Instrukcja określania składu stwardniałego betonu", 1986.
12. ITB 357/98 "Badania składu fazowego betonu".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!