grzeszczyk_jurowski.pdf

(340 KB) Pobierz
Stefania Grzeszczyk
Krystian Jurowski
Nanocząstki czynnikiem zwiększającym
odporność na wymywanie mieszanki
betonowej do robót podwodnych
NaNoparticles as a factor iNcreasiNg the washout
resistaNce of uNderwater coNcrete mix
Streszczenie
W pracy podano ogólną charakterystykę mieszanek betonowych do robót podwodnych. 
Podano klasyfikację stosowanych domieszek zwiększających lepkość mieszanki betonowej 
(DZL) i główne czynniki wpływające na wymywanie mieszank. Przedstawiono wyniki 
badań wpływu nanocząstek SiO
2
 na wymywalność mieszanki betonowej do robót podwod-
nych i stwardniałego betonu. Wykazano korzystny wpływ niewielkiej ilości nanocząstek 
SiO
2
  na  zmniejszenie  wymywalności  mieszanki  i  podano  najbardziej  prawdopodobną 
przyczynę tego zjawiska, biorąc pod uwagę chemiczną budowę DZL i jej zachowanie 
w środowisku zawiesiny cementowej.
Abstract
This paper presents the general characteristics of concrete mixes in underwater conditions, 
the classification of admixtures increasing the viscosity of concrete mixes (AWA) and main 
factors affecting the washout of concrete mix. The results of the impact of nanoparticles 
SiO
2
 on the washout resistance of underwater concrete mixes are also presented. The be-
neficial effect of SiO
2
 nanoparticles on reducing the washout of mixtures is demonstrated 
and taking into account the chemical structure of AWA and its behavior in the cement 
pastes the most probable cause of this phenomenon is given.
prof. dr hab. Stefania Grzeszczyk – Politechnika Opolska, Wydział Budownictwa i Architektury
mgr inż. Krystian Jurowski – Politechnika Opolska, Wydział Budownictwa i Architektury
333
Nanocząstki czynnikiem zwiększającym odporność...
1. Wprowadzenie
Betonowanie pod wodą wymaga spełnienia przez mieszankę betonową specyficznych 
wymagań.  Mieszanka  powinna  charakteryzować  się  odpowiednimi  właściwościami 
reologicznymi, gwarantującymi odpowiedni rozpływ mieszanki w czasie oraz wykazywać 
jak najmniejszą wymywalność [1, 2]. Dlatego też, nieodzownym składnikiem mieszanek 
betonowych do robót podwodnych są domieszki chemiczne, upłynniająca oraz zapobie-
gająca wymywaniu.
Właściwości  samozagęszczającej  się  mieszanki  betonowej  do  robót  podwodnych, 
podobnie jak tradycyjnej mieszanki samozagęszczającej się, są osiągane dzięki zmianie 
składu,  w  porównaniu  do  tradycyjnie  otrzymywanych  betonów.  Zasadnicza  zmiana 
składu  mieszanki  polega  na  zwiększeniu  udziału  frakcji  pylastych  poniżej  0,125  mm 
i  wprowadzeniu  obok  superplastyfikatora  domieszki  zwiększającej  lepkość  (DZL)  [3]. 
Znaczny  udział  frakcji  pylastych  mogą  stanowić  popioły  lotne,  pyły  krzemionkowe, 
drobno zmielone granulowane żużle wielkopiecowe, metakaolinit. Mieszanki betonowe 
do  robót  podwodnych,  zdefiniowane  w  pracy  [3],  charakteryzują  się  opadem  stożka 
większym  niż  180  mm  lub  rozpływem  większym  niż  405  mm,  natomiast  utrata  masy 
wywołana wymywaniem nie powinna przekroczyć 8%.
Zapewnienie odpowiedniego upłynnienia mieszanki betonowej do robót podwod-
nych,  przy  jednoczesnej  odporności  na  wymywanie  zaczynu  cementowego,  wymaga 
jednoczesnego stosowania superplastyfikatora i domieszki zwiększającej lepkość (DZL). 
Upłynnienie mieszanki betonowej zapewnia stosowanie najnowszej generacji superpla-
styfikatorów na bazie polikarboksylanów, natomiast domieszki chemiczne zwiększające 
lepkość stanowią bardzo szeroką grupę. Według Ramachandrana [4] można je podzielić 
na 5 klas (A-E), ze względu na rodzaj i mechanizm działania. Klasa A obejmuje rozpusz-
czalne w wodzie syntetyczne i naturalne polimery organiczne takie jak etery celulozy, 
tlenki polietylenu itp. Klasa B, to organiczne rozpuszczalne w wodzie flokulanty, które 
adsorbowane na ziarnach cementu zwiększają lepkość, poprzez zwiększenie przyciąga-
nia pomiędzy ziarnami cementu. Są to kopolimery styrenu z grupami karboksylowymi, 
syntetyczne polielektrolity i naturalne gumy. Klasa C obejmuje emulsje różnych materia-
łów organicznych, które zwiększają przyciąganie pomiędzy cząsteczkami i dodatkowo 
dostarczają super drobne cząstki w zaczynach cementowych. Wśród nich znajdują się 
emulsje akrylowe i wodne dyspersje gliny. Do klasy D zaliczamy pęczniejące w wodzie 
materiały nieorganiczne o znacznej powierzchni, takie jak bentonity, pyły krzemionko-
we, zmielony azbest, które posiadają zdolność zatrzymywania wody w zaczynie. Klasa 
E obejmuje materiały o znacznej powierzchni, które zwiększają udział cząstek drobnych 
w zaczynach. Są to popioły lotne, wapno hydratyzowane, ziemia okrzemkowa.
Kawai  [5]  natomiast  klasyfikuje  domieszki  polimerowe  zwiększające  lepkość  ze 
względu na rodzaj polimeru. Pierwszą grupę stanowią naturalne polimery obejmujące 
skrobię, naturalne gumy i białko roślinne. Drugą grupę stanowią semisyntetyczne poli-
mery zawierające dekompozyty skrobii i jej pochodne, pochodne eteru celulozy takie jak 
hydroksypropylometyloceluloza (HPMC), hydroksyetyloceluloza (HEC) i karboksyme-
tylo-celuloza (CMC), jak również elektrolity, takie jak alginian sodu. Do trzeciej grupy 
zaliczane są polimery syntetyczne na bazie etylenu, takie jak politlenek etylenu oraz oparte 
na bazie winylu, takie jak polialkohol winylowy.
Do  powszechnie  stosowanych  domieszek  zwiększających  odporność  mieszanki 
betonowej  do  robót  podwodnych  na  wymywanie  zaliczyć  można  pochodne  celulozy 
i polisacharydy pochodzenia mikrobiologicznego, takie jak welan gum. Stosuje się rów-
DNI BETONU 2018
335
Stefania Grzeszczyk, Krystian Jurowski
nież polimery akrylowe, takie jak produkty częściowej hydrolizy kopolimeru poliakryla-
midowego i akrylanu sodu. Pochodne celulozy często zawierają niejonowy eter celulozy 
jako główny składnik [6].
Na temat czynników wpływających na ograniczenie wymywania mieszanki betonowej 
do robót podwodnych, wykonano wiele prac badawczych, łącznie z próbą ich uszerego-
wania według ważności [7, 8, 9]. Według autorów [9] na powiązane z sobą właściwości 
mieszanki betonowej do robót podwodnych tj. upłynnienie i odporność na wymywanie, 
mają wpływ według ważności następujące czynniki: zawartość DZL i cementu, stosunek 
wodno-cementowy oraz zawartość superplastyfikatora, a także oddziaływania pomiędzy 
tymi czynnikami.
W pracach podkreśla się wpływ rodzaju cementu, na wymywanie mieszanki beto-
nowej  do  robót  podwodnych,  z  uwzględnieniem  dodatków  mineralnych  do  cementu. 
Szczególnie korzystny wpływ na ograniczenie wymywania obserwuje się w przypadku 
dodatku pyłów krzemionkowych do cementu [10, 11]. Dlatego też w pracy podjęto bada-
nia wpływu nanocząstek na wymywalność mieszanki betonowej do robót podwodnych.
2. Materiały do badań
Do badań wykorzystano samozagęszczające się mieszanki betonowe z udziałem cementu 
hutniczego CEM III/A 42,5 N (CEM III). Skład chemiczny cementu podano w tabeli 1, 
wyniki badań składu ziarnowego przedstawiono na rysunku 1 i w tabeli 2. Powierzchnia 
właściwa cementu CEM III oznaczona metodą Blain'a wynosi 468 m
2
/kg, a jego gęstość 
3,02 g/cm
3
.
Tabela 1. Skład chemiczny cementu CEM III
Składnik
[% mas.]
SiO
2
30,2
Al
2
O
3
7,7
Fe
2
O
3
1,6
CaO
50,1
MgO
5,7
K
2
O
0,6
Na
2
O
0,7
SO
3
2,0
Rys. 1. Skład ziarnowy cementu CEM III
336
DNI BETONU 2018
Nanocząstki czynnikiem zwiększającym odporność...
Tabela 2. Analiza składu ziarnowego cementu CEM III
Cement
CEM III
Zawartość ziaren mniejszych niż
[% mas.]
5 µm
20
10 µm
36
20 µm
59
Dv(10)
2,74
Średnica ziaren
[µm]
Dv(50)
15,8
Dv(90)
48,9
W tabeli 2 podano procent cząstek cementu o średnicy mniejszej niż 5 µm, 10 µm 
i 20 µm, oraz wartości Dv(10), Dv(50) i Dv(90) podające średnicę cząstek, poniżej której 
znajduje się odpowiednio 10%, 50% i 90% cząstek cementu. Z przedstawionych danych 
wynika, że 50% cząstek charakteryzuje się średnicą mniejszą niż 15,8 µm. Świadczy to 
o stosunkowo dużym udziale cząstek drobnych w cemencie.
Skład mieszanek betonowych podano w tabeli 3. Do sporządzenia mieszanek beto-
nowych stosowano kruszywo naturalne, uzyskane ze zmieszania frakcji 0/2, 2/8 i 8/16 
w proporcjach odpowiednio 2:1:1.
Tabela 3. Skład mieszanek betonowych [kg/m
3
]
Beton
M1
M2
CEM III
500
500
Woda
170
170
Kruszywo, frakcja [mm]
0/2
840
840
2/8
420
420
8/16
420
420
SP
[%mas.]
2
2
DZL
[%mas.]
0,75
0,75
Nano
SiO
2
[%mas.]
-
0,5
Stosowano  superplastyfikator  polikarboksylanowy  (SP)  w  ilości  2%  mas.  oraz 
domieszkę  zwiększającą  lepkość  (DZL)  na  bazie  eterów  polioxyetylenowych  w  ilości 
0,75% mas. 
Do mieszanki betonowej wprowadzono nanocząstki SiO
2
 w ilości 0,5%, 1% i 2%. Ze 
względu na znikomy wpływ większej ilości nanocząstek na zmniejszenie wymywalności 
mieszanki, do dalszych badań stosowano dodatek 0,5% mas. nanocząstek.
Przeprowadzono także badania wpływu różnego sposobu dozowania DZL i nanoczą-
stek do mieszanki betonowej na wymywalność mieszanek betonowych (tabela 4). W tym 
celu dodawano DZL i nanocząstki do suchych składników lub z wodą zarobową. We 
wszystkich badanych mieszankach SP dodawano do wody zarobowej.
Tabela 4. Sposób dodawania DZL i nanocząstek do mieszanki betonowej
Rodzaj 
mieszanki
P1
P2
P3
P4
P5
X
X
X
X
DZL dodawany  DZL dodawany 
do suchych 
z wodą zaro-
składników
bową
X
X
X
X
X
Nanocząstki 
dodawane do 
suchych skład-
ników
Nanocząstki do-
dawane z wodą 
zarobową
DNI BETONU 2018
337

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin