Mrozoodporność betonów wykonanych z cementów napowietrzających – znaczenie praktyczne

STRESZCZENIE

W artykule przedstawiono mrozoodporność betonu z cementami napowietrzającymi. Badania przeprowadzono dla betonów wykonanych z cementów portlandzkich wieloskładnikowych, hutniczych oraz wieloskładnikowych dodatkowo zróżnicowanych rodzajem domieszki napowietrzającej oraz sposobem przygotowania cementu. Wykonano badania mrozoodporności wewnętrznej betonów oraz odporności na powierzchniowe łuszczenie. Wykazały one, że większość betonów z cementem napowietrzającym spełnia warunek mrozoodporności.

ABSTRACT

In this paper are presented frost resistance of concrete with air-entraining cement. The researches were carried for concretes made of multicomponent Portland, metallurgical and multi-component cements additionally differentiated by the type of aerated admixture and the method of cement preparation. There were tested internal frost resistance of concrete and a salt frost scaling of concrete. The study have demonstrated that most of the concrete made with air-entraining cement met the condition of frost resistance.

Trwałość kompozytu cementowego jest najważniejszym kryterium oceny tego materiału. Natomiast ze względu na trwałość kompozytu cementowego istotną właściwością jest jego mrozoodporność. W ocenie mrozoodporności betonu poszukiwano metod umożliwiających pewne i szybkie zapewnienie odporności na cykliczne zamrażanie-rozmrażanie. Wśród metod materiałowo-strukturalnej ochrony betonu przed szkodliwym działaniem mrozu można wyodrębnić dwa zasadnicze działania zmierzające do uzyskania maksymalnie szczelnej, nieprzesiąkliwej struktury, tj. przez obniżenie wskaźnika w/c, stosowanie dodatków mineralnych i domieszek uplastyczniających oraz przez właściwe napowietrzenie. Termin „napowietrzanie” odnosi się do powietrza celowo wytworzonego w mieszance betonowej w wyniku działania domieszki napowietrzającej.

Mechanizm szkodliwego działania mrozu na beton wyjaśnia praca T. Powersa [1]. Sformułował on jako pierwszy teorię ciśnienia hydraulicznego. Założenia tej teorii są następujące: woda przy zamarzaniu powiększa swoją objętość o ok. 9%, wypychając jeszcze niezamarzniętą wodę do pustych porów. Gdy droga przepływu wody przekracza odległość krytyczną, ciśnienie wywierane przez wodę na ścianki kapilar przekracza wytrzymałość zaczynu na rozciąganie i niszczy strukturę betonu. Maksymalne ciśnienie wody zamarzającej w zamkniętej przestrzeni może przekroczyć nawet 200 MPa. Warunkiem powstania ciśnienia krytycznego jest przekroczenie granicznego stopnia nasycenia betonu wodą. Dlatego hipoteza ta została nazwana teorią ciśnienia hydraulicznego [1]. Napowietrzenie betonu małymi porami w takiej ilości – by uśredniona, największa odległość L dowolnego punktu wewnątrz stwardniałego zaczynu cementowego do najbliżej położonego pora powietrznego, jak wyliczył Powers, nie była większa od 0,25 mm i 0,20 mm w przypadku stosowania środków odladzających – umożliwia pełne zabezpieczenie betonu przed uszkodzeniami mrozowymi. Pory te stanowią dodatkowe objętości, w które może być wtłaczana woda wypychana przez lód w kierunku postępującego zlodowacenia, bez powodowania destrukcyjnych zniszczeń. Odporności na działanie mrozu sprzyjają zwiększona zawartość powietrza i zmniejszenie wymiarów porów w betonie, ponieważ oba te czynniki powodują zmniejszenie odległości między porami. Powszechnie dziś stosowanym działaniem w celu zapewnienia ochrony materiałowo- -strukturalnej betonu jest właściwe jego napowietrzenie. W celu zapewnienia mrozoodporności betonu norma [2] wymaga jego napowietrzenia na poziomie 4-7%. Wprowadzone ostatnio przez GDDKiA ogólne specyfikacje techniczne [3], jako wzorcowe w nowych inwestycjach komunikacyjnych, wprowadzają nowe i rozszerzone wymagania dotyczące napowietrzenia mieszanki i betonu, szczególnie w odniesieniu do struktury napowietrzenia betonu. Również Komitet 201 Amerykańskiego Instytutu Betonu (ACI) wymaga stosowania domieszki napowietrzającej w betonach narażonych na destrukcję mrozową [4].

Tab. 1. Skład betonu zgodnie z PN-EN 480-1 dla klasy ekspozycji środowiska XF0-XF3

Czynniki wpływające na mrozoodporność betonu

Na ilość stosowanej domieszki napowietrzającej znaczący wpływ ma skład stosowanego cementu. Ogólnie zaleca się zwiększenie dawki domieszki napowietrzającej ponad zalecaną, w przypadkach gdy cement ma zwiększoną powierzchnię właściwą lub charakteryzuje się niską zawartością alkaliów. Jednak trudno jest jednoznacznie określić wpływ rodzaju cementu na stabilność napowietrzenia mieszanki i mrozoodporność betonu w związku z brakiem uporządkowanych badań w tym zakresie. Może się zdarzyć, że zmiana rodzaju cementu przy zachowaniu wszystkich innych technologicznych i materiałowych parametrów może obniżyć mrozoodporność betonu [5]. Według Komitetu 225 (Guide to the Selection and Use of Hydraulic Cements) oraz Komitetu 201 (Guide to Durable Concrete) ACI stwierdzono, że: różne odmiany cementów portlandzkich oraz cementów wieloskładnikowych umożliwiają osiągnięcie takiego samego poziomu mrozoodporności betonu pod warunkiem prawidłowych proporcji składników oraz poprawnego napowietrzenia mieszanki [6]. Ogólnie można stwierdzić, że im wyższa zawartość C3A w cemencie, tym większe są defekty mrozowe na powierzchniach próbek, lecz znaczenie rodzaju spoiwa maleje wraz ze zmniejszaniem się wskaźnika w/c. Także uziarnienie cementu i powierzchnia właściwa mają znaczenie poprzez wpływ na zawartość wody dostępnej do wytworzenia stabilnych pęcherzyków powietrza. Drobno zmielony cement o dużej powierzchni właściwej wymaga większej ilości wody w celu odpowiedniego napowietrzenia mieszanki. Istotne z punktu widzenia końcowego efektu napowietrzenia oprócz uziarnienia są także rodzaj i ilość dodatków mineralnych wchodzących w skład cementów (CEM II, cement hutniczy CEM III i cement wieloskładnikowy CEM V). Dodatki mineralne wywołują korzystne zmiany w strukturze porowatości zaczynu (betonu), powodując zmniejszenie udziału porów kapilarnych i zwiększenie ilości porów żelowych. Jednak wpływ dodatków na mrozoodporność betonu ma charakter zmienny, a ich jakość powoduje odmienne zapotrzebowanie na dawkę środka napowietrzającego [7]. W przypadku zastosowania dodatku mineralnego jako zamiennika części cementu obserwuje się obniżenie zawartości powietrza w mieszance betonowej w stosunku do mieszanki zawierającej wyłącznie cement portlandzki o zbliżonej urabialności. Wyniki badań betonów na cementach z dodatkami mineralnymi wskazują, że pomimo lepszej szczelności i wyższej wytrzymałości występują jednak problemy z mrozoodpornością betonów nienapowietrzanych, nawet w warunkach umiar betonu mrozoodpornego, podjęto próbę stworzenia cementów napowietrzających beton. Cementy napowietrzające beton to takie, które w swoim składzie zawierają domieszkę napowietrzającą w postaci proszku w ilości zapewniającej wymagane normą PN-EN 206-1:2013 [2] napowietrzenie betonu. Cementy napowietrzające produkowano dwoma technologiami: jako cementy współmieszane lub współmielone razem z domieszką napowietrzającą.

Rys. 5. Mrozoodporność wewnętrzna betonów z cementem napowietrzającym CEM V/A (S-V)

Rys. 6. Mrozoodporność wewnętrzna betonów z cementem napowietrzającym CEM V/B (S-V)

Rys. 7. Odporność na powierzchniowe łuszczenie betonów z cementem napowietrzającym CEM II/B-V

Rys. 8. Odporność na powierzchniowe łuszczenie betonów z cementem napowietrzającym CEM II/B-S

Metodyka badań

Badania wykonano na betonie wzorcowym, którego skład przedstawiono w tab. 1.

Do badań zastosowano dwie domieszki napowietrzające: syntetyczną (A) i naturalną (D). Rodzaje badanych cementów podano w tab. 2. Procedura wykonania mieszanki betonowej była zgodna z PN-EN 480-1 [9]. Próbki sześcienne do badań o wymiarze nominalnym wynoszącym 150 mm i 100 mm (w celu badań tomograficznych próbek z użyciem tomografu komputerowego) wykonano w formach wodoszczelnych i odpornych na wchłanianie wody ze świeżej mieszanki betonowej. Kształt, wymiary oraz tolerancje wymiarów między powierzchniami uzyskanymi w formie, między górną zagładzoną powierzchnią a dolną powierzchnią uzyskaną z formy, tolerancja płaskości powierzchni, na które przekazywane jest obciążenie z maszyny wytrzymałościowej, oraz tolerancja prostopadłości płaszczyzn bocznych sześcianu w odniesieniu do podstawy przy betonowaniu spełniały wymagania normy [10]. Beton natychmiast po ułożeniu w formie zagęszczany był, zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 12390-2 [11], za pomocą stołu wibracyjnego o minimalnej częstotliwości równej 40 Hz (2400 cykli na minutę) w dwóch warstwach w taki sposób, aby nie doszło do nadmiernej segregacji składników i pojawienia się powłoki z mleczka cementowego. Próbki do badań pozostawały w formach przez dwie doby w temperaturze 20^oC ± 5^oC, zabezpieczone przed wstrząsami, wibracjami oraz utratą wody. Po wyjęciu z form aż do chwili badania próbki przechowywano w wodzie o temperaturze 20^oC ± 2^oC.

Oznaczono wewnętrzną mrozoodporność betonu oraz odporność na powierzchniowe łuszczenie betonu poddanego oddziaływaniu soli odladzających. Badanie mrozoodporności metodą zwykłą betonu przeprowadzono zgodnie z normą [12]. Ta procedura symuluje warunki pracy betonu narażonego na działanie wody przed zamarzaniem. W każdej serii badawczej sześć próbek poddawano cyklom zamrażania/ rozmrażania i sześć próbek przechowywano w wodzie jako próbki referencyjne. Wymagania mrozoodporności określanej metodą zwykłą w normie definiowano według wskaźnika N równego liczbie przewidywanych lat użytkowania konstrukcji (od N25 do N200 i N>200). Wymagana liczba lat się zwiększa, jeżeli beton narażony jest na kapilarne podciąganie wody, działanie środków odladzających lub gdy beton znajduje się w strefie zmieniającego się poziomu wody. Wskaźnikom N odpowiadają stopnie mrozoodporności F (od F25 do F300). Jest to liczba cykli zamrażania i odmrażania, wykonanych według trybu podanego w normie, które powinien wytrzymać beton, nie wykazując pęknięć, ubytków masy większych niż 5% ani obniżenia wytrzymałości większego niż 20% w stosunku do wytrzymałości próbek niezamrażanych. Do określenia odporności na powierzchniowe łuszczenie betonu poddanego oddziaływaniu soli odladzających zastosowano metodę „slab test” (wzorowaną na szwedzkiej normie SS 13 72 44, tzw. metoda Boras) jako metodę referencyjną [13] (norma wyróżnia trzy kategorie betonów – tablica 3 w normie – w zależności od ilości złuszczonego materiału). Badanie to polega na określeniu masy złuszczonego materiału z górnej powierzchni próbki po 28 i 56 cyklach zamrażania i odmrażania w obecności 3-proc. roztworu NaCl. Oznaczenie przeprowadzono po 28 dniach dojrzewania betonu w warunkach normowych. Z próbek sześciennych (150 mm) wycięto, prostopadle do powierzchni zacieranej, próbki o wymiarze 150x150x50 mm. Wszystkie powierzchnie próbki, z wyjątkiem badanej, oklejono silikonem i umieszczono w styropianowej formie, której brzegi wystawały ponad powierzchnię na wysokość 20 mm. Na badaną powierzchnię próbki wylano 3-proc. roztwór NaCl i całość umieszczono w komorze zamrażarki na 56 cykli. Po przeprowadzeniu oznaczenia zważono ilość złuszczonego materiału.

Tab. 2. Zestawienie innowacyjnych cementów napowietrzających beton oraz rodzaju domieszki napowietrzającej

Wyniki badań

Na rys. 1-6 przedstawiono mrozoodporność wewnętrzną badanych betonów z cementami napowietrzającymi. Na podstawie badań stwierdzono, że wszystkie napowietrzone betony uzyskały mrozoodporność F150, poza jednym przypadkiem betonu z cementem CEM V/A (S-V) i wszystkimi betonami z CEM V/B (S-V) betony te nie spełniły kryterium dopuszczalnej masy złuszczonego materiału. Wyniki badania odporności betonu na powierzchniowe łuszczenie przedstawiono na rys. 7-12. Przeprowadzone badania pozwoliły na stwierdzenie, że badane betony z wszystkimi cementami napowietrzającymi: CEM II/B-V, CEM II/B-S, CEM III/A, oraz większość betonów z CEM III/A-NA uzyskały klasę odporności mrozowej w obecności soli odladzających FT2. Dla betonu z cementami CEM III/A-NA także uzyskano w większości przypadków klasę FT2. Beton z CEM III/A-NA Dm osiągnął niższą klasę FT1 podobnie jak betony z cementami z CEM V/A (S-V). Natomiast betony z cementami CEM V/B (S-V) osiągnęły najniższą klasę odporności mrozowej w obecności soli odladzających FT0.

Tab. 3. Kryteria oceny mrozoodporności wg [13]

Podsumowanie

Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że betony z większością zastosowanych cementów napowietrzających są mrozoodporne. Problemy z mrozoodpornością betonu występują jedynie w przypadku zastosowania cementu CEM V/B (S-V). Do zastosowań praktycznych zaleca się stosować cementy napowietrzające beton CEM II/B-V i CEM II/B-S oraz CEM III/A i CEM III/A-NA. Jednak w przypadku cementów CEM III/A i CEM III/A-NA szczególną uwagę należy zwrócić na powierzchniowe łuszczenie w obecności soli odladzających oraz nawet bez ich udziału w przypadku betonu z cementem CEM III/A-NA, gdyż masa zniszczeń osiąga wartość maksymalnie dopuszczalną. Wyniki przeprowadzonych badań mrozoodporności betonu są adresowane głównie do krajowych producentów cementu i spoiw mieszanych, do producentów betonu towarowego i zapraw budowlanych oraz do cementowni. Istotnym efektem zastosowania cementu napowietrzającego beton jest podniesienie mrozoodporności betonu bez wiedzy użytkownika cementu. Jest to szczególnie ważne w przypadku stosowania cementu workowanego. Użytkownik takiego cementu nie ma wiedzy i możliwości technologicznego ukształtowania betonu mrozoodpornego. Wprowadzenie na rynek takich cementów będzie skutkować znacznym wzrostem trwałości produkowanych elementów budowlanych i wznoszonych obiektów budowlanych (budynki jednorodzinne, małe obiekty handlowe, galanteria betonowa).

Prezentowane badania były finansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Projektu PBS1/A2/4/2012 „Innowacyjne cementy napowietrzające beton”.

dr inż. Beata Łaźniewska-Piekarczyk

dr inż. Patrycja Miera

Politechnika Śląska

Literatura

1. T.C. Powers, A working hypothesis for further studies of frost resistance of concrete, Journal ACI, 1945.
2. PN-EN 206-1+A1:2016-12 Beton – Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
3. Ogólna specyfikacja techniczna GDDKiA, Nawierzchnia z betonu cementowego, www.gddkia.gov.pl/frontend/web/userfiles/articles/d/dokumenty-techniczne_8162/D-05.03.04.pdf, dostęp 30.10.2018.
4. Guide to durable concrete. Reported by ACI Commit- tee 201, Journal ACI, 74, 573, 1979.
5. M. Gunter, Th. Bier, H. Hilsdorf, Effect of curing and type of cement on the resistance of concrete to freezing in deicing salt solutions, SP 100-49.
6. Z. Rusin, Technologia betonówmrozoodpornych, Polski Cement, Kraków 2000.
7. G. Fagerlund, Trwałość konstrukcji betonowych, Warszawa 1999.
8. K. Kjellsen, E. Atlassi, Pore structure of cement silica fume system – Presence of hollow-shell pores, „Cement and Concrete Research” nr 29/1999.
9. PN-EN 480-1:2014-12 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu – Metody badań – Część 1: Beton wzorcowy i zaprawa wzorcowa do badania.
10. PN-EN 12390-1:2013-03 Badania betonu – Część 1: Kształt, wymiary i inne wymagania dotyczące próbek do badań i form.
11. PN-EN 12390-2:2011 Badania betonu – Część 2: Wykonywanie i pielęgnacja próbek do badań wytrzymałościowych.
12. PN-88/B-06250 Beton zwykły.
13. PN-EN 13877-2:2013-08 Nawierzchnie betonowe – Część 2: Wymagania funkcjonalne dla nawierzchni betonowych.