wpływ domieszek zwiększających lepkość na skurcz wczesny zapraw

WPŁYW DOMIESZEK ZWIĘKSZAJĄCYCH
LEPKOŚĆ NA SKURCZ WCZESNY ZAPRAW
Jacek GOŁASZEWSKI, Grzegorz CYGAN∗
Wydział Budownictwa, Politechnika Śląska, ul. Akademicka 2A, 44-100 Gliwice
Streszczenie: W pracy określono wielkość skurczu wczesnego zapraw cementowych zawierających domieszki
zwiększające lepkość. Oznaczono wpływ domieszek zwiększających lepkość na wytrzymałość na ściskanie zapraw
i na zawartość powietrza w zaprawach. Skurcz plastyczny zapraw został określony za pomocą urządzenia TLS (thin layer
system) opierającego się na laserowym pomiarze przemieszczeń zwierciadeł umieszczonych na powierzchni badanej
zaprawy. Stwierdzono wpływ domieszek zwiększających lepkość na wytrzymałość na ściskanie. Zastosowane domieszki
zwiększające lepkość zmniejszają wielkość skurczu.
Słowa kluczowe: zaprawa cementowa, domieszki zwiększające lepkość, skurcz.
1. Wprowadzenie
Skurcz materiałów kompozytowych w których matrycą
jest zaczyn cementowy jest związany z kilkoma
procesami, które mogą synergistycznie na siebie
oddziaływać. Mechanizm skurczu zaczynu cementowego
zachowuje słuszność w przypadku zapraw bądź betonów,
ziarna kruszywa wprowadzają więzy, które go mogą
jedynie ograniczyć. Od momentu zmieszania składników
zaczynu cementowego następuje skurcz autogeniczny,
związany z tym, że objętość składników zaczynu jest
mniejsza niż objętość produktów reakcji hydratacji.
Skurcz chemiczny przebiega mniej więcej do momentu
zakończenia wiązania cementu. Postępująca reakcja
hydratacji powoduje zjawisko samoosuszania, roztwór
wypełniający pory kapilarne, jest „zużywany” przez
trwającą reakcję powodując powstawanie naprężeń
rozciągających, a w rezultacie skurcz. Zjawiska kapilarne
są odpowiedzialne również za skurcz przy wysychaniu,
który jest nierozerwalnie związany z naturą kompozytów
o matrycy cementowej. Część skurczu przy wysychaniu
może ulec cofnięciu drogą ponownej resorpcji wody.
Domieszki zwiększające lepkość, na bazie polimerów
naturalnych
bądź
syntetycznych,
są stosowane
w technologii mieszanek na spoiwach cementowych,
w celu zapewnienia odpowiedniej stabilności mieszanek
czy dla zapewnienia odpowiedniej retencji wody.
Zdolność domieszek VMA (Viscosity modifying agents)
do utrzymywania wody w objętości zaprawy czy betonu,
w świetle mechanizmów rządzących skurczem powinny
∗
go zmniejszać. W pracy zbadano wpływ domieszek VMA
na wielkość skurczu wczesnego mierzonego w czasie
24 h od momentu dodania wody do suchych składników
zapraw cementowych. Za pomocą laserowego miernika
przemieszczeń określono skurcz zapraw w temperaturze
20 °C i wilgotności względnej powietrza 60 %.
2. Metodyka badań
W pracy badano skurcz zapraw uformowanych w postaci
płyt o wymiarach 300×200×5mm. Zmiany odległości
mierzone były w 10 minucie od chwili dodania wody
do suchych składników zapraw. Skurcz mierzono
za pomocą systemu Thin Layer Shrinkage System,
którego producentem jest firma Schleibinger Geräte. Idea
pomiaru oparta jest na laserowym pomiarze odległości
pomiędzy laserowymi dalmierzami a umieszczonymi
na powierzchni zaprawy ekranami odbijającymi promień
światła. Badanie skurczu odbywało się w komorze
klimatycznej zapewniającej założone warunki cieplnowilgotnościowe. Z uwagi na to, że posłużono się
nieznormalizowanymi metodami badawczymi wymagają
one szerszego omówienia. Przygotowaną zaprawę
(zgodnie z procedurą zawartą w PN-EN 196-1:2006)
umieszczano w formie widocznej na rysunku 1.
Autor odpowiedzialny za korespondencję. E-mail: [email protected]
263
Civil and Environmental Engineering / Budownictwo i Inżynieria Środowiska 2 (2011) 263-266
2.1. Skład i właściwości zapraw
Zaprawy wykonano z użyciem piasku normowego
i cementu portlandzkiego CEM I 42,5 R, skład zapraw
przedstawiono w tabeli 1. Jako domieszek VMA użyto
metylocelulozy oraz roztworu polimeru o wysokiej masie
cząsteczkowej, których właściwości przedstawia tabela 2.
Pożądaną konsystencję zapraw (konsystencja określona
według PN-EN 1015-3 19 cm) uzyskiwano dodając
superplastyfikatora o bazie polikarboksylowej. Ilość
domieszki upłynniającej była zmieniana z uwagi
na pogorszoną urabialność zapraw spowodowaną
obecnością domieszek VMA.
Blisko dwukrotny spadek 28 dniowej wytrzymałości
na ściskanie zaprawy M1 w porównaniu do zaprawy M0
(tab. 3) należy wiązać z jej znacznym napowietrzeniem
(15 % wobec 6,0%). Znaczne wydłużenie czasu wiązania
zaprawy M1 może być związane ze znaczną zawartością
powietrza w zaprawie. Powietrze uwięzione w strukturze
zaprawy umieszczonej w pierścieniu Vicata, znacznie
ją osłabiało. Zaprawa, w której proces wiązania cementu
się rozpoczął mogła być zbyt słaba aby przenieść
obciążenie igłą aparatu Vicata.
Rys. 1. Przygotowanie próbki zaprawy do badania skurczu
Forma była wyłożona cienką folią polietylenową,
która była wyłożona na krawędzie. Ma to na celu
wyeliminowanie sił adhezji pomiędzy zaprawą a formą
mogących wpływać na wynik pomiaru. Powierzchnię
zaprawy wyrównywano następnie metalowym liniałem.
Tak przygotowaną próbkę umieszczano w komorze
klimatycznej. Na powierzchni zaprawy w odległości
10 mm od krawędzi, umieszczano ekrany odbijające
promień lasera, wykonane ze stali nierdzewnej (rys. 2).
Po czym rozpoczynano procedurę badawczą, obejmującą
pomiar zmian liniowych zapraw i warunków cieplnowilgotnościowych panujących w komorze klimatycznej.
Tab. 1. Skład zapraw
Zaprawa
Składnik
M0
M1
CEM I 42,5 R
M2
450 g
Woda
202,5 g
Piasek normowy
1350 g
Superplastyfikator
2,25 g
4,5 g
-
0,120 g
VMA 1
4,0 g
VMA 2
4,50 g
Tab. 3. Właściwości zapraw
Zaprawa
Właściwość
M0
M1
M2
19
18,5
18,0
Zawartość powietrza [%]
6,0
15,0
4,5
Początek wiązania [h]
5,25
9,0
5,50
Koniec wiązania [h]
7,50
11,0
8,0
Wytrzymałość na ściskanie po
28 dniach [MPa]
66,0
36,1
67,5
Konsystencja [cm]
Rys. 2. Zaprawa umieszczona na stanowisku pomiarowym,
widoczne ekrany odbijające wiązkę światła laserowego
Tab. 2. Właściwości zastosowanych domieszek zwiększających lepkość
Ozn.
Baza
Gęstość
[g/cm3]
Lepkość
[cPs]
Odczyn ph
Postać
VMA1
hydroksypropylometyloceluloza
0,25-0,45*
30000-40000
–
Biały proszek
VMA 2
kopolimer syntetyczny
1,0-1,2
–
6-9
Brązowa ciecz
* gęstość nasypowa
264
Jacek GOŁASZEWSKI, Grzegorz CYGAN
3. Wyniki badań i ich omówienie
Na rysunku 3 przedstawiono wartość skurczu zapraw
zmierzonego w 24 godzinie od chwili dodania wody.
Wpływ domieszek zwiększających lepkość na skurcz
zapraw jest wyraźny, dzięki nim ulega redukcji.
Rysunek 4 przedstawia przebieg zmian liniowych
zapraw mierzonych w ciągu 24 h. Wyróżnić możemy pięć
etapów:
− etap I – w którym następują gwałtowne zmiany
liniowe. Skurcz osiąga 50-75% wartości całkowitej
wartości skurczu zanotowanego w 24 godzinie. Czas
relatywnie szybkiego wzrostu skurczu waha się
w granicach 1-1,5 godziny;
− etap II – w którym następuje stabilizacja wzrostu
skurczu, do około 11-12 godziny;
− etap III – w którym następuje ponowne przyśpieszenie
tempa zmian skurczowych, szczególnie widoczne
w przypadku zaprawy M0 (bez domieszek VEA);
− etap IV – etap ekspansji, w którym następuje
niewielkie pęcznienie zaprawy;
− etap V – etap stabilizacji zmian skurczowych.
Przyczyn gwałtownych liniowych zmian w pierwszym
etapie może być kilka. Może być tak, że skurcz chemiczny
jest potęgowany przez fałszywe wiązanie (Kurdowski,
2010) oraz przez odsączanie wody z zaprawy na jej
powierzchnię (Ziegeldorf i in., 1982). To może być
jednym z powodów dla którego zaprawy z domieszkami
zwiększającymi lepkość wykazywały mniejszy skurcz niż
zaprawa odniesienia. Zaprawy z domieszkami VMA
wykazywały minimalne odsączanie mleczka cementowego
(zaprawa M2) lub nie wykazywały go wcale (zaprawa
M1).
Rys. 3. Skurcz zapraw po 24 h, w temperaturze 20°C i wilgotności względnej powietrza 60%
Rys. 4. Zmiany liniowe zapraw mierzone w czasie 24 h , w temperaturze 20°C i wilgotności względnej powietrza 60%
265
Civil and Environmental Engineering / Budownictwo i Inżynieria Środowiska 2 (2011) 263-266
Drugim powodem może być to, że zmniejszająca swą
objętość ciecz porowa (na przykład w wyniku
samoosuszania) wytwarza w porach kapilarnych
podciśnienie, które jest wprost proporcjonalne
do wielkości napięcia powierzchniowego cieczy
i odwrotnie proporcjonalne do średnicy kapilary. Według
(Slowik i in., 2009) dodatek metylocelulozy zmniejsza
napięcie powierzchniowe roztworu porowego. Dzięki
czemu w kapilarach pojawiają się mniejsze naprężenia
rozciągające, odpowiedzialne za skurcz. Ustabilizowanie
zmian skurczowych charakterystyczne dla etapu II, może
być spowodowane zanikiem ciśnienia kapilarnego
wywołanym utratą wody wolnej, co przy małej grubości
próbki jest możliwe stosunkowo wcześnie.
Na rysunku 5 przytoczonym za Garci Juengerą
i Jenningsem (2002) widzimy wykres przedstawiający
wielkość ciśnienia kapilarnego, skurczu i osiadania,
mierzonych w czasie od momentu wykonania elementu,
którym była płyta o grubości 6 cm. W czasie gdy zanika
ciśnienie kapilarne (w momencie gdy nie ma w kapilarach
wody) stabilizacji ulega również skurcz, przechodząc
w fazę skurczu przy wysychaniu.
tłumaczyć również mniejszy skurcz w porównaniu
do zaprawy odniesienia.
4. Wnioski
Zastosowane domieszki zwiększające lepkość wykazały
się korzystnym wpływem na skurcz zapraw. Ulega
on zmniejszeniu, przy czym w przypadku hydroxypropylometylocelulozy redukcja jest największa. Wydaje się,
że głównym mechanizmem dzięki któremu, możliwa jest
redukcja wartości skurczu przez stosowanie domieszek
VMA jest zmniejszenie napięcia powierzchniowego
roztworu porowego, a tym samym zmniejszenie sił
kapilarnych. Drugim czynnikiem jest zdolność
do wiązania wody, dzięki czemu wilgotność zapraw czy
betonów jest dłużej utrzymywana na poziomie
zmniejszającym
ryzyko
wystąpienia
znacznych
odkształceń skurczowych, aż do momentu gdy matryca
cementowa jest w stanie je bezpiecznie przejąć.
Ciśnienie
kapilarne
Czujnik 1, głębokość 0,4cm
Czujnik 2, głębokość 0,4cm
Osiadanie
skurcz
Odkształcenie [cm/m]
Ciśnienie kapilarne [kPa]
Literatura
Czas po wykonaniu [min]
Rys. 5. Zmiana ciśnienia kapilarnego, osiadania i skurczu
w czasie dla zaczynu cementowego (Garci Juengera i Jennings,
2002)
Na to zjawisko może się nałożyć kompensowanie
zmian skurczowych wywołanych ciepłem hydratacji, co
tłumaczyło by również przyśpieszenie tempa zmian
skurczowych w około 12 godzinie, w którym to czasie
mógłby nastąpić spadek temperatury zaprawy,
a w konsekwencji wzrost skurczu.
Przyjmuje się że za skurcz przy wysychaniu
są odpowiedzialne – efekty kapilarne i utrata wody przez
zhydratyzowane krzemiany wapnia. Na skurcz wywołany
drugim z wymienionych efektów ma wpływ struktura
krzemianów. Domieszka zwiększająca lepkość na bazie
metylocelulozy w świetle badań (Pourchez i in., 2010)
wykazuje wpływ na właściwości fazy CSH, co może
266
Kurdowski W. (2010). Chemia cementu i betonu. Wydawnictwo
Naukowe PWN, Warszawa.
Ziegeldorf S., Müller H.S., Plöhn J., Hilsdorf H.K. (1982).
Autogenous shrinkage and crack formation in Young
concrete. Colloque International sur le Beton Jeune, Ecole
Nationale des Ponts et Chaussées, Paris.
Slowik V., Hübner T., Schmidt M., Villmann B. (2009).
Simulation of capillary shrinkage cracking in cement-like
materials. Cement & Concrete Composites. Vol. 33, No. 9,
925-935.
Garci Juenger M.C., Jennings H. M. (2002). Examining the
relationship between the microstructure of calcium silicate
hydrate and drying shrinkage of cement pastes. Cement &
Concrete Research, Vol. 32, No. 2, 289-296.
Pourchez J., Grosseau P. B., Ruot B. (2010). Changes in C3S
hydration in the presence of cellulose ethers. Cement &
Concrete Research. Vol. 40, No. 2, 179-188.
INFLUENCE OF VMA ADMIXTURES
ON EARLY SHRINKAGE OF THE CEMENT MORTARS
Abstract: In this paper, an experimental research into the effect
of viscosity modifying agents on the early shrinkage of mortar
is reported. Early shrinkage was qualified in temperature 20°C
and the relative humidity of the air 60%. Two types of VMA
admixtures is used in research. The results confirmed that the
use of VMA admixtures reduced the value of the early
shrinkage.