Król J. Drogi i Mosty, 4/2008, s. 23

Transkrypt

4 / 2008
ISSN 1643-1618
ROCZNIK
7
W kwartalniku DROGI i MOSTY drukowane s¹ prace naukowe, naukowo techniczne i studialne z dziedziny in¿ynierii l¹dowej, obejmuj¹ce zagadnienia z zakresu projektowania, budowy i utrzymania dróg, lotnisk,
mostów oraz innych obiektów infrastruktury drogowej.
ZESPÓ£ REDAKCYJNY
Micha³ A. Glinicki – redaktor naczelny
Mariusz Wojdal – sekretarz redakcji
Juliusz Cieœla, Stanis³aw P. Glinicki,
Szymon Imie³owski, Jerzy Pi³at
RADA PROGRAMOWA
Andrzej M. Brandt, Maciej Gryczmañski, Józef Judycki,
Wojciech Radomski, Leszek Rafalski, Dariusz Sybilski,
Antoni Szyd³o, Witold Wo³owicki
© Copyright by Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Warszawa 2008
ADRES REDAKCJI „D R O G I i M O S T Y”
INSTYTUT BADAWCZY DRÓG I MOSTÓW
ul. Golêdzinowska 10, 03-301 Warszawa
tel.(0-22) 675 57 88, 811 39 99 fax (0-22) 811 17 92
e-mail: [email protected]
„DROGI i MOSTY” 4/2008
SPIS TREŒCI
K r z y s z t o f G r a d k o w s k i − Efekt wzmocnieñ geotekstyliami
gruntowego pod³o¿a nawierzchni dróg - badania doœwiadczalne · · · · · · · · · · · · · 5
J a n K r ó l − Nowa metoda analizy mikrostruktury asfaltów
modyfikowanych polimerami · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 23
E w e l i n a T k a c z e w s k a – W³aœciwoœci cementów zawieraj¹cych
ró¿ne frakcje ziarnowe krzemionkowych popio³ów lotnych · · · · · · · · · · · · · · 47
– ⋅–
Alfabetyczny spis Autorów artyku³ów wydrukowanych w 2008 roku · · · · · · · · · · · 81
Wykaz Recenzentów w 2008 roku · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 83
Wskazówki dla Autorów · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 85
CONTENTS
K r z y s z t o f G r a d k o w s k i − Effect of strengthening of the ground subbase
of road pavement by geotextiles - experimental investigation · · · · · · · · · · · · · · 5
J a n K r ó l − New method of analysis of polymer modified bitumen
microstructure · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 23
E w e l i n a T k a c z e w s k a – Properties of cements containing various
size fractions of siliceous fly ashes · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 47
– ⋅–
Alphabetical list of authors of articles published in 2008· · · · · · · · · · · · · · · · · · 81
List of reviewers in 2008 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 83
Instructions to authors· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 85
DROGI i MOSTY
Nr 4
5
2008
KRZYSZTOF GRADKOWSKI1)
EFEKT WZMOCNIEÑ GEOTEKSTYLIAMI
GRUNTOWEGO POD£O¯A
NAWIERZCHNI DRÓG
– BADANIA DOŒWIADCZALNE
STRESZCZENIE. Artyku³ analizuje wyniki wykonanych pomiarów dynamicznego modu³u
odkszta³cenia jako miary podatnoœci ro¿nych struktur modelowych pod³o¿y nawierzchni
drogowych. Pomiary przeprowadzono na odpowiednio sporz¹dzonym poligonowym poletku
doœwiadczalnym. W opracowaniu wykazano, ¿e efekt wzmocnienia pod³o¿a gruntowego
nawierzchni drogi przez geotekstylia zosta³ potwierdzony w opisanych przypadkach modeli
pod³o¿a. Porównawcze zestawienie wyników, pozwoli³o na sformu³owanie wniosków o
istotnym znaczeniu praktycznym w celu okreœlenia roli i zakresu wzmocnieñ pod³o¿y
nawierzchni dróg samochodowych z warstw¹ geotekstylii. Dalsze badania powinny okreœliæ
zakres zastosowañ technicznych tego rodzaju wzmocnieñ w przypadku ró¿nych warstwowych
pod³o¿y gruntowych.
1. WPROWADZENIE
W krajowych przepisach techniczno - budowlanych funkcja geow³ókniny w uk³adzie
gruntowych warstw pod³o¿a nawierzchni drogowych jest ustalana przewa¿nie jako
warstwa separacyjna. Podobnie jest w pod³o¿ach rusztu torowego dróg szynowych.
Wprowadzenie do pod³o¿a fundamentowego nawierzchni dróg l¹dowych, warstwy
geow³ókniny o odmiennych parametrach fizycznych ni¿ grunt musi jednak wywo³aæ
pewne skutki mechaniczne zachowania tych warstw. W celu okreœlenia tego wp³ywu
1)
dr in¿. – Instytut Dróg i Mostów Politechniki Warszawskiej
6
Krzysztof Gradkowski
podjêto testy oznaczania modu³u odkszta³cenia E1 i E 2 analizowane w pracy [1]. Bezpoœrednie pomiary modu³ów nie przynios³y widocznych rezultatów zmian, ten fakt
zaœ zdyskwalifikowa³ równie¿ rodzaj pomiaru jako miarodajny do okreœlenia wp³ywu
tej formy zbrojenia gruntu na zmiany odkszta³calnoœci pod³o¿a. Liczne sygna³y uzyskanych efektów zbrojenia i wzmacniania warstw gruntów piaszczystych, a g³ównie
mo¿liwoœæ uzyskania rozwi¹zañ relatywnie tanich i ³atwych technologicznie, by³y
czynnikami mobilizuj¹cymi do dalszych badañ w tym zakresie.
2. UZASADNIENIE CELOWOŒCI PROJEKTOWANIA
WZMOCNIENIA GEOTEKSTYLIAMI WARSTW GRUNTOWYCH
W okresie ostatnich dziesiêciu lat mo¿na wymieniæ kilkaset pozycji prac w literaturze
przedmiotu, które wskazuj¹ na wystêpowanie efektu wzmocnienia pod³o¿y gruntowych przez ró¿ne formy geosyntetyków, w tym i geotekstylii. Na szczególn¹ uwagê
zas³uguj¹ wyniki testu laboratoryjnego w aparacie trójosiowego œcinania [3]. Badania
gruntów za pomoc¹ tego aparatu s¹ powszechnie uwa¿ane za bardzo miarodajne, ze
wzglêdu na ich zbli¿ony charakter do rzeczywistego, trójosiowego obci¹¿enia. Na rysunku 1 przedstawiono trzy struktury próbek gruntu piaszczystego, zbrojonego tym
samym geosyntetykiem poliestrowym, w trzech formach tego produktu:
a) jako 8 warstw p³askiego i poziomego (planarnego) zbrojenia geow³óknin¹,
roz³o¿one na 76 mm wysokoœci próbki,
b) jako równomiernego wymieszania z fibrami geosyntetycznymi,
c) wype³nienie próbk¹ pojemnika (otwartego dennie) sporz¹dzonego
z tego geosyntetyku jako geotekstylii.
Rys.1. Struktury i rodzaje próbek przygotowanych do aparatu trójosiowego wg [3]
Fig.1. Structure of specimens prepared for triaxial tests [3]
DROGI i MOSTY 4/2008
WZMOCNIENIA GEOTEKSTYLIAMI GRUNTOWEGO POD£O¯A NAWIERZCHNI DRÓG 7
Wyjaœnienia wymaga rodzaj pojemnika, który w istocie jest „woreczkiem” z tego samego materia³u poliestrowego jak poziome przek³adki w próbce a). Na woreczek poliestrowy naci¹gniête s¹ membrany gumowe w³aœciwe badaniom w aparacie
trójosiowym.
W nastêpstwie testu laboratoryjnego, uzyskano bardzo przekonywuj¹ce i jednoznaczne rezultaty przedstawione na rysunku 2. Poziom odniesienia wszystkich wyników to
krzywa (4), przedstawiaj¹ca wytrzyma³oœæ naœcinanie tego samego gruntu bez jakichkolwiek wzmocnieñ. Krzywa (1) dotycz¹ca przek³adek poziomych, zdecydowanie
wskazuje na znaczne wzmocnienie takiej próbki w stosunku do pozosta³ych form
zbrojenia. Krzywa (2), przedstawia wynik pomiaru odkszta³ceñ próbki tego samego
gruntu zawartym w woreczku sporz¹dzonym z geosyntetyków, a zatem ograniczaj¹cy
rozpór boczny próbki. Próbka okazuje siê byæ relatywnie odporna na deformacje. Test
ten nale¿y uznaæ za bardzo wiarygodny, bowiem modeluje on bardzo dobrze zbli¿enie
rzeczywiste warunki zachowania siê gruntu. Krzywa (2) odpowiada³aby w rzeczywistoœci pracy „materaca”, z wype³nionym piaszczystym gruntem jednorodnym.
Rys.2. Wyniki testu w aparacie trójosiowego œcinania próbek o zawartoœci ró¿nych
form geosyntetyku [3]
Fig.2. Triaxial test results for different soil – geosynthetic specimens [3]
Badania zreferowane w pracy [3] by³y rozwiniêciem programu badañ opisanego w
pracy [2], którego wyniki okaza³y siê tak interesuj¹ce, ¿e kontynuacja tych badañ, nad
efektem wzmocnieñ ró¿nych form zastosowañ geosyntetyków, zosta³a zapowiedziana jako przedmiot badañ na dalsze kilka lat. Wzmacniaj¹ca funkcja geotekstylii w
warstwach gruntów piaszczystych nie budzi ¿adnych w¹tpliwoœci.
Obok badañ laboratoryjnych i poligonowych, skutki zastosowañ geotekstylii w
pod³o¿u gruntowym, okreœlane s¹ badaniami analitycznymi. Na szczególn¹ uwagê
zas³uguje analiza zawarta w pracy [5] modelu Kerra i pod³o¿a Winklera - Pasternaka
8
uwzglêdniaj¹ca warstwê œcinaj¹c¹ (gruntu) wyposa¿on¹ w warstwê membrany lub
geosyntetyku. Przedstawiony model, byæ mo¿e mniej z³o¿ony od niektórych innych
modeli nawierzchni, sugeruje daleko id¹ce podobieñstwo do rzeczywistego uk³adu
geosyntetyk - grunt, jako drogowych nawierzchni podatnych (rys. 3).
Rys.3. Model Kerra, nawierzchnia – pod³o¿e z geosyntetykiem typu membrana [5]
Fig.3. Keer’s model of pavement – subbase with membrane [5]
Kerr w pierwszych pracach Ÿród³owych [8 - 9] przedstawi³ model prosty i ca³¹ rodzinê modeli z³o¿onych sk³adaj¹cych siê z warstw Winklera, Pasternaka i Héteny'ego.
Równanie najprostszego modelu pod³o¿a Kerra pokazanego na rysunku 3, w przypadku braku geow³ókniny T p = 0 oraz G t = G b = G jest nastêpuj¹ce:
⎛ k
q ⎜⎜ 1 + s
⎝ kt
⎞ G
⎟⎟ − ⋅∇ 2 ⋅ q = k s w − G ⋅∇ 2 w ,
⎠ kt
(1)
gdzie:
q = q( x , y ) – obci¹¿enie roz³o¿one na powierzchni modelu,
w = w( x , y ) – ca³kowite ugiêcie pod³o¿a,
– wspó³czynniki charakterystyk sprê¿ystoœci
kt , ks
górnej i dolnej warstwy pod³o¿a,
– modu³ sprê¿ystoœci postaciowej w modelu.
G
W przypadku belek równanie modelu (1) ulega zmianie i laplasjan ∇ 2 przechodzi w
∂2
drug¹ pochodn¹ 2 . Dok³adniejsz¹ analizie i wyprowadzenie równania (1) podano
∂x
w pracy [10] i innych opracowaniach. Je¿eli w warstwie œcinaj¹cej modelu Kerra
znajduje siê geow³óknina, to równanie modelu (1) jest skomplikowane, nieliniowe i
jego rozwi¹zanie jest mo¿liwe jedynie numerycznie.
Rozwi¹zania numeryczne zawarte w [5] prowadz¹ w zasadzie do wniosków zgodnych z przyjêt¹ definicj¹ modelu na rysunku 3, lecz efekt ró¿nych parametrów œcinania w warstwie z geosyntetykiem, odpowiednio zdefiniowanych w obliczeniach, na
krawêdziach obci¹¿enia, we wspó³rzêdnych bezwymiarowych wymaga przytoczenia
(rys. 4). Godne uwagi s¹ te¿ porównania efektu „krawêdziowego” przy ró¿nych
wspó³czynnikach tarcia membrany w warstwie gruntowej pod³o¿a fundamentowego
(rys. 5).
Rys.4. Zale¿noœæ osiadania od ró¿nych wartoœci wspó³czynnika sprê¿ystoœci poprzecznej
w warstwie Pasternaka [5]
Fig.4. Relationship between settlement and different sheer modulus in Pasternak’s layer [5]
Rys.5. Zale¿noœæ osiadania od ró¿nych wartoœci wspó³czynnika tarcia miêdzy warstwami
a geow³óknin¹ [5]
Fig.5. Relationship between settlement and different interlayer friction coefficients [5]
10
Inny model analityczny uk³adu nawierzchnia – gruntowe pod³o¿e nawierzchni z
przek³adk¹ w³óknin syntetycznych zawiera praca [4]. Relacja pomiêdzy rzeczywistym uk³adem warstw nawierzchni jest widoczna na rysunku 6a i 6b. Wydaje siê te¿
s³usznym zast¹pienie górnej warstwy noœnej nawierzchni ca³kowicie sztywn¹ belk¹
nieskoñczenie d³ug¹. Stwarza to wa¿ne podobieñstwo do konstrukcji drogowych nawierzchni pó³sztywnych, nie ca³kiem odpowiadaj¹cym terminologii i nazewnictwu
stosowanym w kraju. P³aski uk³ad zadania, rys.6 b, z ekwiwalentnym pod³o¿em Winklera o sta³ej sprê¿ystoœci k c (podatnoœci) rozwi¹zany numerycznie, pozwala tak¿e na
wyci¹gniecie pewnych wniosków. Okazuje siê, ¿e nie tylko sam fakt istnienia
przek³adki z geosyntetyku kszta³tuje odpowiednie proporcje rozk³adu si³ wewnêtrznych w uk³adzie uwarstwionym, ale tak¿e w³aœciwoœci fizyczne i mechaniczne samego geosyntetyku. Na rysunku 7 mo¿na zaobserwowaæ zmniejszanie siê naprê¿eñ
(wzd³u¿nych) w geosyntetyku wraz ze zmniejszaniem siê sprê¿ystoœci warstwy gruntu. Oznacza to np. bardziej zagêszczon¹ warstwê piasku lub inny jego rodzaj w której
znajduje siê „przek³adka” typu membrany. Rysunek 8 wskazuje na mo¿liwoœæ „odrywania” siê belki od pod³o¿a czyli wystêpowania si³ tn¹cych. Jedynie geotekstylia poprzez swe w³aœciwoœci fizyczne mog¹ zredukowaæ œcinanie warstw gruntowych.
a)
b)
Rys.6. Fizyczny uk³ad warstw [4]: a) nawierzchnia – pod³o¿e gruntowe,
b) model obliczeniowy Kerra z warstwami Pasternaka – Winklera
Fig.6. The layered system [4]: a) pavement – soil subbase,
b) calculation model by Kerr with Pasternak – Winkler layers
Rys.7. Rozk³ad naprê¿eñ zmobilizowanych jako efekt ró¿nych sprê¿ystoœci geosyntetyku [4]
Fig.7. Distribution of mobilised stress as result of different elastic modulus of geosynthetic [4]
Rys.8. Linia wp³ywu osiadañ belki przy ró¿nych wspó³czynnikach sprê¿ystoœci
geosyntetyku [4]
Fig.8. Lay-out beam settlements for different elastic modulus of geosynthetic [4]
12
Stwierdzono zatem, ¿e w wynikach analiz numerycznych [4] i [5] wystêpuj¹
przes³anki istnienia wzmocnienia gruntu przez geosyntetyk w formie tekstylii. Hipotetycznie mo¿emy zatem przewidzieæ, wp³yw gruboœci warstw i ich sztywnoœci
pod³o¿a na efekt podatnoœci pod³o¿a nawierzchni. Omówione wczeœniej badania laboratoryjne w aparacie trójosiowego œcinania [3] nie pozostawiaj¹ wiêkszych w¹tpliwoœci co do roli jak¹ pe³ni¹ geotekstylia w uk³adzie warstw gruntowych pod³o¿a
nawierzchni dróg samochodowych.
3. ZA£O¯ENIA OGÓLNE PROGRAMU POMIARÓW
DYNAMICZNEGO MODU£U ODKSZTA£CENIA
W kontekœcie powy¿szych ustaleñ oraz wniosków zawartych w pracy [1] opracowano
za³o¿enia programowe uwzglêdniaj¹ce cel pomiarów podatnoœci uwarstwionych
struktur pod³o¿y nawierzchni drogowych, które odwo³uj¹ siê do kilku zasad zachowania podobieñstw modelowych równie¿ wymienionych w [1]. Ograniczenia te i warunki sprowadzaj¹ siê do okreœlenia zachowañ mechanicznych i fizycznych uk³adu
pokazanego na rysunku 9.
Rys.9. Model fizyczny rozk³adu elementarnych si³ statycznych
Fig.9. Physical analogue of the unit force distribution
4. CEL I ZAKRES POMIARÓW PODATNOŒCI POD£O¯A
Podstawowym celem przeprowadzenia pomiarów by³o porównanie parametrów charakteryzuj¹cych podatnoœæ ró¿nych warstw i struktur pod³o¿a nawierzchni drogowej,
wraz ze sprawdzeniem efektu zastosowania geow³ókniny. Pomiary przeprowadzono
na poletku poligonowym, zbudowanym zgodnie z wy¿ej wymienionymi za³o¿eniami.
Do konstrukcji poletka u¿yto:
• piasek gruby, zbli¿ony do pospó³ki o ρ s = 2,65 g/cm3, W P = 36 %,
U = 11, w noœ =14 %,
• geow³ókniny nazwanej „pled” o parametrach:
masa powierzchniowa
– 300 g/m2,
wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie wzd³u¿ pasma
–
7 kN/m,
si³a na przebicie (metoda CBR)
–
2 kN,
wyd³u¿enie wzglêdne w poprzek pasma
– 75 %.
W celu maksymalizacji ró¿nic i ró¿nych wp³ywów na mierzone parametry podatnoœci
ró¿nych struktur pod³o¿a nawierzchni na poletku, pomiaru dokonano w przypadkach
dwóch stanów zagêszczeñ:
• pierwsza seria pomiarów stanu „I” o zagêszczeniu I S = 0,96;
• druga seria pomiarów stanu „II” o zagêszczeniu I S = 0,98.
Pomiary zagêszczenia wykonano wed³ug normy [7], metod¹ bezpoœredni¹ oznaczaj¹c
IS. Stany nie pe³nego zagêszczenia umo¿liwiaj¹ ekspozycjê „efektu wzmocnienia”
geosyntetyku i nie odkszta³calnoœci pod³o¿a betonowego. Ponadto mo¿liwoœæ
„wywo³ania ruchu” mobilizuj¹cego tarcie grunt - w³óknina jest wiêksza w przypadkach gruntów o niewielkim zagêszczeniu.
5. OPIS I WYNIKI POMIARÓW
5.1. SPOSÓB PRZEPROWADZENIA POMIARU
Wype³niaj¹c cel i za³o¿enia programowe pomiarów, sporz¹dzono poletko poligonowe wed³ug planu na rysunku 10 i widokach na rysunkach 11 i 12. Poletko zosta³o wykonane powtórnie i rozbudowane, przy u¿yciu tych samych materia³ów, po
wykonaniu pomiarów odkszta³calnoœci modelu pod³o¿a przedstawionych w pracy
[1]. Najwa¿niejsze ró¿nice to zmiana „rozpiêtoœci” wskaŸnika zagêszczenia I S oraz
wprowadzenie modelu pod³o¿a gruntowego nawierzchni na betonowej p³ycie sztywnej. P³yta nie jest odkszta³calna, równie¿ i sprê¿yœcie, w zakresie obci¹¿eñ pomiarowych, nie mniej pozwala na ustalenie modelu pod³o¿a nawierzchni dla szczególnych i
wystêpuj¹cych przypadków uk³adów technicznych. Ponadto ten typ modelu pod³o¿a
nawierzchni drogowej pozwala na uzyskanie pomiaru porównawczego.
Pe³n¹ strukturê poletka w przekrojach przedstawiaj¹ rysunki 13 i 14.
14
Legenda rozmieszczenia punktów pomiarowych:
Rys.10. Plan poligonowego poletka pomiarowego i rozmieszczenie punktów pomiaru
Fig.10. Plan of the small testing field and location of measurements
Rys.11. Widok z prawego naro¿nika poligonowego poletka
Fig.11. View of the small testing field – right corner
Rys.12. Widok z lewego naro¿nika poligonowego poletka pomiarowego
Fig.12. View of the small testing field – left corner
Rys.13. Przekroje w strefach pod³u¿nych poletka
Fig.13. Longitudinal cross sections of the testing field
16
Rys.14. Przekroje poletka w poszczególnych sekcjach
Fig.14. Cross sections of the testing field in three strips
W przypadkach redukowanych, co 5 cm gruboœci pokrycia geosyntetyku, dokonano
pomiaru bezpoœredniego dynamicznego modu³u odkszta³cenia E d , przyrz¹dem typu
ZFG 02 stanowi¹cym lekki ugiêciomierz dynamiczny (rys. 15). Ugiêciomierz dynamiczny pozwala na kontrolne, uzupe³niaj¹ce, pozanormowe, bowiem nie ujête w normie [7], pomiary stanu podatnoœci i noœnoœci gruntów. Jest to podrêczny i nowoczesny przyrz¹d, którego pomiar pozwala na doœæ szerok¹ interpretacjê wyników, w
tym ustalanie takich parametrów warstw gruntowych jak; wskaŸnik i stopieñ zagêszczenia, statyczne modu³y odkszta³cenia itp., zwanych ogólnie parametrami podatnoœci.
Na podstawie pionowej amplitudy osiadania p³yty obci¹¿onej dynamicznej s, zmierzonej podczas udaru, mo¿na wed³ug [6] obliczyæ:
E d = 1,5 ⋅ r ⋅
σ
,
s
gdzie:
E d – dynamiczny modu³ odkszta³cenia [MPa],
σ
– œrednia wartoœæ obci¹¿enia pod p³yt¹ [0,1 MN/m2],
r
– promieñ si³y obci¹¿aj¹cej [150 mm],
s
– amplituda osiadania [mm].
(2)
Rys.15. Lekki ugiêciomierz dynamiczny ZFG-02
Fig.15. Light falling weight deflectometer ZFG-02
Przybli¿on¹ zale¿noœæ wtórnego modu³u odkszta³cenia E 2 od modu³u dynamicznego
E d wed³ug [6] mo¿na opisaæ za pomoc¹ równania:
E 2 ≈ 600 ln
300
,
300 − E d
(3)
gdzie:
E 2 – wtórny modu³ odkszta³cenia [MPa],
E d – dynamiczny modu³ odkszta³cenia [MPa].
Ustalenie zakresu E d dla którego wzór (3) jest obowi¹zuj¹cy wymaga kilku serii odpowiednich badañ.
5.2. REZULTATY POMIARU PARAMETRU PODATNOŒCI
Przy zmiennej gruboœci pokrycia gruntem geow³ókniny wykonano seriê pomiarów
E d uzyskuj¹c wyniki przedstawione na wykresach. Analogicznego pomiaru dokonano na pod³o¿u ca³kowicie sztywnym (p³yta betonowa) E d = ∞, u¿ywaj¹c tego samego gruntu o analogicznych gruboœciach warstw pokrycia geow³ókniny i izoluj¹c j¹
ka¿dorazowo od pod³o¿a betonowego, 5 cm warstw¹ tego samego gruntu. W celach
porównawczych zachowano strefê zmiennej gruboœci samego pod³o¿a gruntowego.
Wyniki zestawiono na wykresach (rys. 16 - 19).
18
„I” stan zagêszczenia I S = 0,96
Rys.16. Œredni dynamiczny modu³ odkszta³cenia (stan „I”)
Fig.16. Average dynamic deflection modulus (stage “I”)
Rys.17. Œrednie osiadania p³yty (stan „I”)
Fig.17. Average settlements of plate (stage “I”)
„II” stan zagêszczenia I S = 0,98
Rys.18. Œredni dynamiczny modu³ odkszta³cenia (stan „II”)
Fig.18. Average dynamic deflection modulus (stage “II”)
Rys.19 .Œrednie osiadania p³yty (stan „II”)
Fig.19. Average settlements of plate (stage “II”)
20
Wobec trudnych do odczytania tendencji i zachowania siê krzywych zarówno osiadañ
jak i wartoœci dynamicznych modu³ów odkszta³cenia, w drugiej serii pomiarów, po
dogêszczeniu, zwiêkszono liczbê pomiarów w poszczególnych strefach o jeden, dla
gruboœci pokrycia geow³ókniny 7 cm.
6. OCENA WYNIKÓW
Przeprowadzenie pomiarów w przypadku zmiennego uk³adu warstw gruntowych, tak
co do ich gruboœci – od 5cm do 20cm, jak i struktury warstw pod³o¿a, nie pozwala na
ich bezpoœrednie porównywanie, na przyk³ad parami. Eliminuje te¿, mo¿liwoœæ interpretacji statystycznej. Maj¹c na uwadze jeden z celów badañ, to jest ustalenie miêdzy
innymi, efektu wzmacniaj¹cego zastosowanej geow³ókniny, odpowiednie zestawienie uzyskanych wyników, w szczególnoœci w strefach A-A, B-B i C-C poszczególnych stanów zagêszczeñ, pozwala jednak na pewne uogólnienia. W zestawieniu
wyników, nie przedstawiono wszystkich rezultatów uzyskanych w trakcie pomiarów,
oraz nie unikniêto mo¿liwych b³êdów pomiaru wynikaj¹cych z dok³adnoœci odczytów, który w szczególnoœci dla E d mo¿e przekraczaæ nawet ±2 MPa. Znacznie wiêkszy b³¹d tego pomiaru wystêpuje przy przeliczeniach E d na wskaŸniki zagêszczenia
lub inne charakterystyki statyczne. Wyznaczenie indywidualnej korelacji pomiêdzy
E d i I S wymaga³oby znacznej iloœci pomiarów, do których poletko poligonu nie by³o
przygotowane zaœ problem nie nale¿a³ do przedmiotu badañ.
7. WNIOSKI
Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i analizy zestawionych na rysunkach wyników mo¿na stwierdziæ:
1. Pomierzone bezwzglêdne wartoœci modu³ów E d nie s¹ miarodajne w zakresie jakoœci sporz¹dzonego pod³o¿a nawierzchni, które nie spe³nia wymagañ normowych w tym zakresie i jest jedynie modelem pod³o¿a. Dowodz¹ tylko nie
pe³nych stanów zagêszczeñ i nie najwy¿szej jakoœci materia³u gruntowego u¿ytego do doœwiadczeñ. Stan ten by³ zamierzony dla wype³nienia celu badañ.
2. Sztywne pod³o¿e betonowe, w przypadkach gruntowych warstw pod³o¿a nawierzchni drogowych, ca³kowicie redukuje wp³yw warstwy geow³ókniny na podatnoœæ pod³o¿a. Dla stanu „I” (I S = 0,96) i stanu „II” (I S = 0,98) zmniejszenie
podatnoœci uzyskujemy w wyniku zwiêkszenia gruboœci warstwy gruntu przekrycia geow³ókniny.
3. Jeœli pewn¹ miar¹ noœnoœci mo¿e byæ podatnoœæ mierzona dynamicznym
modu³em odkszta³cenia, to przyrost noœnoœci, czyli zmniejszona podatnoœæ jest
kilkunastoprocentowa i widoczna. Efekt wzmocnienia gruntowego uk³adu
warstw, warstw¹ geow³ókniny, uznaæ nale¿y za ewidentny.
4. W przypadku uk³adu warstw samego gruntu wystêpuje niemal pe³na proporcjonalnoœæ pomiêdzy gruboœci¹ warstwy gruntu, a wzrastaj¹ca podatnoœci¹. Najwiêksz¹ podatnoœæ wykazuje 60 cm warstwa gruntu z geow³óknin¹ pokryt¹
warstw¹ oko³o 16 cm warstw¹ gruntu przy pierwszym stanie zagêszczenia.
5. Istnieje pewna „optymalna” gruboœæ gruntowej warstwy pokrycia geow³ókniny,
przy której uzyskujemy ewentualny efekt wzmocnienia, czyli najwiêksz¹ mobilizacjê tarcia geow³ókniny o grunt i jego pod³u¿nej sprê¿ystoœci. W przypadku
przeprowadzonych pomiarów i tego rodzaju gruntów, jest to pokrycie od 5 cm
do 7 cm. Szczegó³owe potwierdzenie tej tezy wymaga oddzielnego programu
pomiarów, bowiem zastosowania techniczne takiego rozwi¹zania w konstrukcji
gruntowych pod³o¿y nawierzchni drogowych mo¿e byæ nad wyraz interesuj¹ce.
Wydaje siê zrozumia³ym, ¿e przedstawione wnioski mog¹ byæ zabarwione nieco subiektywnym podejœciem do zagadnienia. Nie mniej zagadnienia noœnoœci pod³o¿a nawierzchni drogowych jest doœæ z³o¿one, wymagaj¹ce d³ugotrwa³ych badañ i
pomiarów w ró¿nych warunkach rzeczywistych i modelowych.
BIBLIOGRAFIA
[1] Gradkowski K.: Podatnoœæ warstw modelowego pod³o¿a nawierzchni a efekt
wzmocnieñ geotekstliami. Cz. I. Badania wstêpne. Drogi i Mosty nr 2/2007, 59 - 71
[2] Latha M.G., Murthy V.S.: Investigations on Sand Reinforced with Different Geosynthetics. Geotechnical Testing Journal, 29, 6/2006, 474 - 480
[3] Latha M.G., Murthy V.S.: Effects of reinforcement form on the behavior of geosynthetic reinforced sand. Geotextiles and Geomembranesk, 25/2007, 23 - 32
[4] Maheshwari P., Chandra S., Basudhar P.K.: Response of beam on tensionless extensible geosynthetic-reinforced earth bed subjected to moving loads. Computers and
Geotechnics, 31/2004, 537 - 548
[5] Shukla S.K., Chandra S.: A Study on a New Mechanical Model for Foundations and its
Elastic Settlement Response. International Journal for Numerical Methods in
Geomechanics, 20, 1996, 595 - 604
[6] Stigler-Szyd³o E.: Posadowienie budowli infrastruktury transportu l¹dowego. Dolnoœl¹skie Wydawnictwo Edukacyjne, Wroc³aw 2005, 311
[7] PN-S-02205: 1998 Roboty ziemne. Wymagania i badania
[8] Kerr A.D.: Elastic and viscoelastic foundation models. Journal of Applied Mechanics,
1964, 491 - 498
[9] Kerr A.D.: A study of a new foundation model. Acta Mechanika, 1, 1965, 135 - 147
22
[10] Szczeœniak W., Ataman M.: Zastosowanie zmodyfikowanego modelu pod³o¿a sprê¿ystego W³asowa - Leontiewa. Ksiêga Jubileuszu prof. J. Pachowskiego, IBDiM,
2007, 65 - 82
EFFECT OF STRENGTHENING OF THE GROUND SUBBASE
OF ROAD PAVEMENT BY GEOTEXTILES
– EXPERIMENTAL INVESTIGATION
Abstract
The paper presents an experimental investigation of the dynamic modulus of deformation of
ground subbase performed on the small testing field. The dynamic deformation modulus is
assumed to be a measure of flexibility of different model system of the ground subbase of road
pavements. Effect of strengthening of ground by geotextile layers was proven in described
cases. For a beneficial use of this strengthening effect more full scale testing is needed.
DROGI i MOSTY
23
Nr 4
2008
JAN KRÓL1)
NOWA METODA ANALIZY
MIKROSTRUKTURY ASFALTÓW
MODYFIKOWANYCH POLIMERAMI2)
STRESZCZENIE. W artykule przedstawiono za³o¿enia opracowanej przez autora nowej
metody oceny mikrostruktury asfaltów modyfikowanych polimerami. Przedstawiono
w³aœciwoœci mikrostruktury polimeroasfaltów i czynniki wp³ywaj¹ce na kszta³towanie uk³adów
polimerowo-asfaltowych. Omówiono dwie metody oceny mikrostruktury asfaltów
modyfikowanych polimerami: metodê jakoœciow¹ wykorzystuj¹c¹ do oceny obrazy wzorcowe
oraz metodê iloœciow¹, w której stosuje siê matematyczny opis cz¹stek polimeru
rozproszonych w asfalcie. W artykule omówiono procesy przekszta³ceñ stosowane do
zarejestrowanych obrazów, które u³atwiaj¹ wyodrêbnienie cz¹stek fazy polimerowej z matrycy
asfaltowej. Do opisu mikrostruktury asfaltów modyfikowanych polimerami, wykorzystano
obrazy z mikroskopu fluorescencyjnego w po³¹czeniu z komputerow¹ analiz¹ obrazu, która
pozwala na zautomatyzowan¹ ocenê du¿ej iloœci obrazów oraz eliminuje czynnik autosugestii
podczas analizy.
1. WPROWADZENIE
Wzrastaj¹ce natê¿enie ruchu samochodowego, zwiêkszaj¹ce siê obci¹¿enie osi samochodowych oraz wzrastaj¹ce wymagania u¿ytkowników dróg stawiaj¹ przed drogownictwem koniecznoœæ modernizacji istniej¹cej sieci drogowej i budowy nowych
dróg spe³niaj¹cych podwy¿szone standardy. Nawierzchnie asfaltowe stanowi¹ oko³o
1)
2)
dr in¿. – Katedra In¿ynierii Materia³ów Budowlanych, Wydzia³ In¿ynierii L¹dowej,
Politechnika Warszawska
pracê wykonano w ramach projektu badawczego N506 003 32/0353
24
Jan Król
95 % dróg o utwardzonej nawierzchni oraz w zale¿noœci od regionu i lokalnych uwarunkowañ stanowi¹ 60 - 70 % nawierzchni autostrad. Budowa trwa³ych asfaltowych
nawierzchni drogowych dla ruchu ciê¿kiego coraz czêœciej wymaga stosowania wysokiej jakoœci asfaltów modyfikowanych polimerami o rozszerzonym zakresie lepkosprê¿ystoœci, podwy¿szonej sztywnoœci w wysokich temperaturach eksploatacyjnych
oraz zwiêkszonej plastycznoœci w zakresie temperatur ujemnych.
Powszechnie znany jest korzystny wp³yw modyfikacji asfaltów polimerami, które
tworz¹ z asfaltem dyspersyjny uk³ad polimerowo-asfaltowy [1]. Obserwuje siê du¿¹
ró¿norodnoœæ polimeroasfaltów pochodz¹cych z poszczególnych partii produkcyjnych i od ró¿nych producentów, która jest wynikiem stosowania ró¿nych asfaltów i
polimerów o ró¿nym stopniu kompatybilnoœci [2]. Modyfikacja asfaltów polimerami
wymaga, aby mikrostruktura polimeroasfaltów by³a jednorodna i niezmienna w czasie. Niezmiennoœæ w³aœciwoœci reologicznych mo¿na ³¹czyæ ze sta³oœci¹ struktury
wewnêtrznej polimeroasfaltu, któr¹ mo¿emy oceniæ stosuj¹c zaawansowane techniki
pomiarowe np. mikroskop fluorescencyjny i analizê obrazu [3, 4].
Autor opracowa³ metodê oceny mikrostruktury asfaltów modyfikowanych polimerami wykorzystuj¹c podstawowe za³o¿enia stereologii. Opis stereologiczny umo¿liwia
scharakteryzowanie mikrostruktury asfaltów modyfikowanych w sposób matematyczny, poprzez geometryczny opis jednostek strukturalnych. Taki sposób opisu materia³u nazywa siê analiz¹ iloœciow¹, która pozwala w wymierny sposób porównaæ
mikrostrukturê materia³u z jego w³aœciwoœciami. Do opisu mikrostruktury asfaltów
modyfikowanych polimerami wykorzystano mikroskop fluorescencyjny i metodê
komputerowej analizy obrazu, która pozwala na zautomatyzowan¹ ocenê du¿ej iloœci
obrazów oraz eliminuje czynnik autosugestii podczas analizy.
2. MIKROSTRUKTURA MODYFIKOWANYCH LEPISZCZY
ASFALTOWYCH
W literaturze mo¿na spotkaæ dwa okreœlenia stosowane przy wizualnej ocenie mikrostruktury i jednorodnoœci polimeroasfaltów. W literaturze anglojêzycznej najczêœciej
stosowanymi terminami s¹ morphology tj. morfologia lub microstructure tj. mikrostruktura. Terminy te znajduj¹ zastosowanie przy wizualnej charakterystyce uk³adów
wytworzonych przez wzajemne oddzia³ywanie polimeru z asfaltem, a ich charakter
zale¿y od materia³ów u¿ytych podczas modyfikacji, sk³adu grupowego asfaltu,
w³aœciwoœci polimeru i jego zawartoœci oraz zastosowanej technologii modyfikacji.
Do opisu mikrostruktury asfaltów modyfikowanych i okreœlenia relacji pomiêdzy mikrostruktur¹ i w³aœciwoœciami reologicznymi mo¿na zastosowaæ ró¿ne techniki mikroskopowe. Do opisu mikrostruktury i homogenicznoœci uk³adu w skali
laboratoryjnej i przemys³owej najczêœciej stosuje siê mikroskop optyczny z przystawk¹ fluorescencyjn¹. Takie samo zastosowanie mog¹ pe³niæ w skali badawczolaboratoryjnej mikroskopy skaningowe (CLSM), elektronowe o obni¿onej temperaturze obserwacji (ESEM) i dzia³aj¹ce w podczerwieni. Zalecanymi technikami badawczymi do obserwacji mikrostruktury polimeroasfaltów s¹ mikroskopy optyczne
ANALIZA MIKROSTRUKTURY ASFALTÓW MODYFIKOWANYCH POLIMERAMI
25
z obiektywami o du¿ej odleg³oœci roboczej oraz mikroskopy elektronowe umo¿liwiaj¹ce badania w ujemnych temperaturach u¿ywane g³ównie w biomedycynie i in¿ynierii materia³owej [5, 6].
Przy wizualnej ocenie dyspersji polimeru w lepiszczu asfaltowym pod mikroskopem
fluorescencyjnym z jednoczesnym oœwietleniem próbki œwiat³em ultrafioletowym
nie okreœla siê szczegó³owych wymagañ dotycz¹cych powiêkszenia, które mo¿e zawieraæ siê w przedziale od 25 do 500 razy. Z przeprowadzonych badañ wynika, ¿e obserwacje wiêkszoœci struktur mo¿na prowadziæ przy 100 lub 200-krotnym
powiêkszeniu. Dla bardzo kompatybilnych uk³adów polimerowo-asfaltowych o du¿ym stopniu zdyspergowania polimeru korzystne mo¿e byæ prowadzenie obserwacji
przy powiêkszeniu 400-krotnym.
Metoda wizualnej oceny zdyspergowania polimeru w polimeroasfalcie wykorzystuje
zjawisko ró¿nego wzbudzania fluorescencyjnego (iluminacji) materia³ów oœwietlonych œwiat³em ultrafioletowym. Zgodnie z prawem Stokesa œwiat³o wzbudzone bêdzie mia³o wiêksz¹ d³ugoœæ fal ni¿ œwiat³o wzbudzaj¹ce, w skutek czego filtr
dzielnika œwiat³a skutecznie rozdziela te dwa œwiat³a, odbijaj¹c œwiat³o wzbudzaj¹ce,
a przepuszczaj¹c tylko œwiat³o wzbudzone. W wyniku oœwietlania próbki asfaltu modyfikowanego œwiat³em UV z zastosowaniem filtrów optycznych zauwa¿alna jest
ró¿nica w œwieceniu fazy polimerowej i asfaltowej. Fazê polimerow¹ mo¿na obserwowaæ w kolorze jasno¿ó³tym lub z³otym natomiast fazê asfaltow¹ w kolorze czarnym lub ciemnobr¹zowym [7 - 11].
Podczas obserwacji mikrostruktury pod mikroskopem optycznym przy niskim stopniu modyfikacji polimerem mo¿na obserwowaæ w asfalcie modyfikowanym niewielkie sferyczne cz¹stki spêcznia³ego polimeru równomiernie rozproszone (uk³ad
dyspersyjny) w ci¹g³ej fazie asfaltowej. Wraz ze wzrostem zawartoœci polimeru w asfalcie mo¿na zaobserwowaæ pojawienie siê uk³adu odwróconego o ci¹g³ej fazie polimerowej. Nie istnieje jednoznaczna zale¿noœæ pomiêdzy zawartoœci¹ polimeru, a
pojawieniem siê ci¹g³ej fazy, poniewa¿ jest to uzale¿nione od asfaltu wyjœciowego i
typu polimeru. Natomiast w wielu przypadkach daje siê obserwowaæ powstawanie
ci¹g³ej fazy polimerowej ju¿ przy iloœci 6 % polimeru SBS (styren-butadien-styren)
[12] lub 5 - 6 % polimeru SEBS (styren-etylobutylen-styren) [13, 14] (rys. 1). Polimery o wiêkszej masie cz¹steczkowej tworz¹ w asfalcie uk³ady rozproszone o wiêkszej
œrednicy w porównaniu do polimerów o mniejszej masie cz¹steczkowej. Jest to spowodowane gorsz¹ rozpuszczalnoœci¹ w asfalcie polimerów o wy¿szej masie cz¹steczkowej [15].
Obserwacja mikrostruktury polimeroasfaltów w mikroskopie elektronowym pozwala
na obserwacjê mikrostruktury w wiêkszym powiêkszeniu. Przy powiêkszeniu wiêkszym ni¿ 1000× mo¿na zaobserwowaæ wewnêtrzn¹ budowê cz¹stki polimeru o charakterystycznym uk³adzie przypominaj¹cym „plaster miodu”. W powiêkszeniu tym
ujawnia siê wewnêtrzna budowa „plastra miodu” z³o¿onego z ma³ych cz¹steczek polimeru o œrednicy 10 nm. Przy takim powiêkszeniu zauwa¿alne s¹ równie¿ pojedyncze cz¹steczki polimeru równomiernie rozproszone w matrycy asfaltowej [16].
26
Jan Król
Kuliste cz¹stki polimeru o budowie „plastra miodu” czêœciej wystêpuj¹ w mieszaninach fizycznych ni¿ uk³adach usieciowanych, co mo¿na ³¹czyæ z rozpuszczalnoœci¹
polimeru w asfalcie. Badania nad budow¹ cz¹stek polimeru wykaza³y, ¿e wewnêtrzne
przestrzenie w „plastrze miodu” zawieraj¹ zwi¹zki aromatyczne, które pe³ni¹ zasadnicz¹ rolê w procesie rozpuszczania i pêcznienia polimeru [16] (rys. 2).
a)
b)
c)
Rys.1. Obrazy mikrostruktury asfaltów modyfikowanego polimerem SBS zarejestrowane
w mikroskopie fluorescencyjnym: a) asfalt modyfikowany 3 % SBS, b) asfalt modyfikowany
6% SBS, c) asfalt modyfikowany 9 % SBS
Fig.1. Microstructure of SBS polymer modified bitumen obtained from fluorescent microscope:
a) bitumen modified 3 % SBS, b) bitumen modified 6 % SBS, c) bitumen modified 9 % SBS
a)
b)
c)
Rys.2. Obraz mikrostruktury o charakterystycznej budowie „plastra miodu” asfaltu
modyfikowanego polimerem SBS o s³abej rozpuszczalnoœci zarejestrowany w mikroskopie
fluorescencyjnym: a), b), c) kolejne powiêkszenia
Fig.2. “Honeycomb” type microstructure from fluorescent microscope of bitumen modified
by pure blending SBS polymer: a), b), c) following magnifications
27
Charakter mikrostruktury modyfikowanych lepiszczy asfaltowych obserwowany
przy pomocy mikroskopu optycznego zale¿y w du¿ym stopniu od temperatury obserwacji i temperatury materia³u. Próbka polimeroasfaltu w temperaturze otoczenia charakteryzuje siê zdecydowanie odmienn¹ mikrostruktur¹ w porównaniu do
mikrostruktury zarejestrowanej w wysokiej temperaturze. Ró¿nice w zarejestrowanych obrazach mikrostruktur mog¹ byæ skutkiem ró¿nic w strukturze samego polimeru i ró¿nego stopnia oddzia³ywania molekularnego pomiêdzy polimerem i asfaltem.
Zachowanie odpowiedniej proporcji obu faz i ich przestrzenny uk³ad w skali mikrostrukturalnej mo¿e wywieraæ wp³yw na w³aœciwoœci reologiczne polimeroasfaltów
[13].
Na podstawie obserwacji morfologicznych i oceny w³aœciwoœci reologicznych polimeroasfaltów mo¿na stwierdziæ, ¿e w uk³adach dyspersyjnych gdzie asfalt stanowi
fazê ci¹g³¹, o w³aœciwoœciach polimeroasfaltu w du¿ej mierze decyduj¹ w³aœciwoœci
reologiczne fazy asfaltowej. Przy uk³adach odwróconych gdzie fazê ci¹g³¹ stanowi
polimer w postaci przestrzennej sieci, w³aœciwoœci polimeroasfaltu s¹ okreœlone
w³aœciwoœciami spêcznia³ej fazy polimerowej i temperatur¹ zeszklenia polimeru
[17, 18]. Dla asfaltów modyfikowanych o ci¹g³ej fazie polimerowej obserwuje siê
wzrost wartoœci zespolonego modu³u sztywnoœci i temperatury miêknienia wg PiK,
natomiast dla polimeroasfaltów, w których obserwuje siê dyspersyjne rozproszenie
cz¹stek polimeru w matrycy asfaltowej wartoœci w³aœciwoœci reologicznych s¹ ni¿sze. Ró¿nice w zachowaniu siê polimeroasfaltów ³¹czy siê z charakterem obrazu mikrostruktury, która najczêœciej uzale¿niona jest od stopnia modyfikacji asfaltu [19].
Powszechnie przyjêto twierdzenie, ¿e poprawna modyfikacja to taka w efekcie, której
zosta³y poprawione w³aœciwoœci reologiczne asfaltu, a mikrostruktura jest stabilna w
czasie. Podczas procesu modyfikacji d¹¿y siê do uzyskania mo¿liwie jednorodnych
mieszanin polimerowo-asfaltowych. Przyjmuje siê, ¿e im lepiej zdyspergowany polimer w asfalcie tym mieszanina jest bardziej odporna na segregacjê. Twierdzenie to
stanowi warunek konieczny, lecz niewystarczaj¹cy trwa³ej modyfikacji. Istnieje mo¿liwoœæ uzyskania identycznych mikrostruktur z ró¿nymi polimerami lub z ró¿n¹ zawartoœci¹ polimeru, co nie stanowi gwarancji identycznego zachowania siê
polimeroasfaltów w czasie, w warunkach wysokiej temperatury [20].
Modyfikacja asfaltów zmienn¹ zwartoœci¹ polimeru SBS powoduje wytworzenie w
polimeroasfalcie uk³adów mikrostrukturalnych o zró¿nicowanym charakterze. Ocenê
mikrostruktury najczêœciej wykonuje siê w sposób jakoœciowy podaj¹c w sposób opisowy informacjê o rozproszeniu cz¹stek polimeru. Za korzystniejsze przyjmuje siê
polimeroasfalty tworz¹ce mikrostrukturê o drobniejszych cz¹steczkach. Lepsze rozproszenie i ujednorodnienie zwi¹zane jest ze sk³adem grupowym asfaltu wyjœciowego. Asfalt wyjœciowy o wiêkszej zawartoœci sk³adników aromatycznych i mniejszej
zawartoœci asfaltenów charakteryzuje siê lepsz¹ kompatybilnoœci¹ i bardziej jednorodn¹ mikrostruktur¹ [21]. Odmienne doœwiadczenia dotycz¹ stosowania jako modyfikatora polimeru SEBS. W ocenie wizualnej przy zró¿nicowanym stopniu
modyfikacji nie wystêpuj¹ ró¿nice w charakterze mikrostruktury, zw³aszcza w koñcowym etapie procesu modyfikacji. Podczas sk³adowania polimeroasfaltu na gor¹co
28
Jan Król
w d³u¿szym okresie czasu zauwa¿alny jest stopniowy wzrost wielkoœci cz¹stek polimeru przy stopniu modyfikacji powy¿ej 5 %. Pocz¹tkowy brak ró¿nic i dalsze zmiany
wynikaj¹ce ze stabilnoœci koloidalnej powoduj¹ ograniczenia w mo¿liwoœci interpretacji wyników i nie pozwalaj¹ jednoznacznie wnioskowaæ o stabilnoœci uk³adu. Z obserwacji mikrostruktury polimeroasfaltów modyfikowanych SEBS wynika, ¿e uk³ady
dyspersyjne cz¹stek polimeru o kulistym kszta³cie s¹ charakterystyczne dla uk³adów
o ograniczonej mieszalnoœci, a si³y oddzia³ywania miêdzyfazowego w takich uk³adach s¹ bardzo ma³e [14].
Wraz ze wzrostem zawartoœci polimeru w asfalcie, najczêœciej obserwuje siê przejœcie z uk³adu rozproszonego, przez uk³ad o wzajemnie przenikaj¹cych siê fazach do
uk³adu odwróconego gdzie fazê ci¹g³¹ stanowi polimer. Przy trudno rozpuszczaj¹cych siê w asfalcie polimerach wraz ze wzrostem jego zawartoœci mo¿e nie wytworzyæ siê ci¹g³a faza polimerowa, a polimer o wysokim stopniu zdyspergowania
mo¿e dzia³aæ jak wype³niacz [22].
Do oceny jednorodnoœci lepiszczy modyfikowanych polimerem najczêœciej wykorzystuje siê mikroskop fluorescencyjny. Badania morfologiczne stanowi¹ podstawê
identyfikacji procesów zachodz¹cych zarówno w trakcie modyfikacji i sk³adowania
lepiszcza jak i podczas badañ naukowych. Pozwalaj¹ na ocenê z³o¿onego procesu degradacji polimeru w polimeroasfalcie przy jednoczesnym uwzglêdnieniu procesów
zachodz¹cych w fazie asfaltowej [23]. We wszystkich pracach przewa¿aj¹ analizy
opisowe opieraj¹ce siê na doœwiadczeniu w³asnym badacza i na danych z literatury.
Ten typ oceny okreœla siê mianem analizy jakoœciowej.
Na podstawie obserwacji mikrostruktury, podejmuje siê próby opisu relacji zachodz¹cych pomiêdzy mikrostruktur¹ polimeroasfaltu a procesem modyfikacji. W
sposób opisowy koreluje siê otrzymanie usieciowanej stabilnej mikrostruktury z asfaltem wyjœciowym typu ¿el oraz niestabilnej mikrostruktury o ma³ym stopniu zdyspergowania polimeru z wyjœciowym asfaltem typu zol [24].
Proces modyfikacji asfaltu polimerem przebiega czêsto w obecnoœci innych dodatków chemicznych np. kwasu polifosforowego. Z obserwacji pod mikroskopem fluorescencyjnym wynika, ¿e ci¹g³a matryca asfaltowo-kwasowa daje obraz o kolorze
¿ó³to-br¹zowym w porównania do czystego asfaltu o kolorze ciemnobr¹zowym do
czarnego. Polimer rozproszony w matrycy asfaltowej daje siê obserwowaæ jako jasno
¿ó³ta faza rozproszona o ró¿nym stopniu zdyspergowania.
Innym dodatkiem poprawiaj¹cym jednorodnoœæ i stopieñ rozdrobnienia polimeru
SBS w matrycy asfaltowej jest dodatek siarki. Jako dodatek sieciuj¹cy, siarka (5 %)
poprawia stabilnoœæ termiczn¹ mieszaniny. Lepiszcza bez dodatku siarki wykazuj¹
brak stabilnoœci koloidalnej w teœcie tubowym, co znajduje potwierdzenie podczas
wizualnej oceny mikrostruktury. Faza polimerowa o charakterze rozproszonych skupisk polimeru w fazie asfaltowej w funkcji czasu wykazuje tendencjê do grupowania
siê i separacji. Efekt ten nie wystêpuje przy lepiszczach z dodatkiem siarki. Lepiszcza
te po czasie mieszania 1h wykazuj¹ bardzo dobre ujednorodnienie bez widocznej tendencji do separacji cz¹stek polimeru [25].
29
Techniki obserwacji mikroskopowych mo¿na równie¿ zastosowaæ do oceny jednorodnoœci mikrostruktury asfaltów modyfikowanych mia³em gumowym. Przy takiej
modyfikacji, obserwacji poddaje siê fazê rozproszonej gumy, pêczniej¹c¹ pod
wp³ywem l¿ejszych frakcji asfaltowych. Przy pomocy jakoœciowej analizy obrazów
mo¿na zarejestrowaæ zmiany kszta³tu cz¹stek mia³u gumowego, co znajduje zastosowanie w ocenie jednorodnoœci lepiszcza, ocenie zachodz¹cych procesów pêcznienia i
stabilnoœci termicznej w czasie sk³adowania [26].
Badania mikrostruktury wykonane przez autora wykaza³y, ¿e przy zró¿nicowanym
stopniu modyfikacji nie mo¿na analizowaæ porównawczo kszta³tu ziaren lub uk³adu
sieci fazy polimerowej. W takim przypadku, zasadne jest przeprowadzenie analizy
iloœciowej pola powierzchni spêcznia³ego polimeru w lepiszczu. Na podstawie obliczeñ pola powierzchni metod¹ analizy obrazu, jakie zajmuje polimer w stosunku do
ca³kowitej powierzchni próbki, obserwuje siê znaczn¹ ró¿nic¹ pomiêdzy spêcznia³ym
polimerem i polimerem wprowadzonym do lepiszcza [17].
Na rysunku 3 pokazano obrazy, uzyskane przy pomocy programu do komputerowej
analizy obrazu, przedstawiaj¹ce wyodrêbnion¹ fazê polimerow¹ z asfaltu modyfikowanego zmienn¹ iloœci¹ polimeru SBS.
a)
b)
c)
Rys.3. Obrazy wyodrêbnionej fazy polimerowej z asfaltu modyfikowanego dodatkiem
polimeru SBS: a) asfalt modyfikowany 3 % SBS, b) asfalt modyfikowany 6 % SBS,
c) asfalt modyfikowany 9 % SBS
Fig.3. Polymer phase separated from bitumen modified different amount of SBS polymer:
a) bitumen modified 3 % SBS, b) bitumen modified 6 % SBS,
c) bitumen modified 9 % SBS
Na podstawie obserwacji mikrostruktury mo¿na zauwa¿yæ, ¿e wraz ze wzrostem
stopnia modyfikacji w polimeroasfaltach wzrasta stopieñ nieuporz¹dkowania w
uk³adzie mikrostrukturalnym. Przypuszcza siê, ¿e ma to zwi¹zek z kompatybilnoœci¹
asfaltu z polimerem. W skali mikrostruktury asfalt i elastomer tworz¹ uk³ad dwufazowy z³o¿ony z fazy bogatej w polimer absorbuj¹cej czêœæ maltenów oraz fazy bogatej
30
Jan Król
w asfalteny i inne sk³adniki nie zaabsorbowane przez polimer [27, 28]. Badania potwierdzi³y, ¿e kopolimer SBS mo¿e absorbowaæ sk³adniki asfaltu a¿ do oko³o 9-krotnoœci swojej objêtoœci, lecz ta zdolnoœæ absorpcji zmniejsza siê wraz ze wzrostem
stê¿enia polimeru [29, 30]. Badania prowadzone przez autora w Politechnice Warszawskiej wykaza³y, ¿e w lepiszczach modyfikowanych mieszaninami polimerów
SBS nastêpuje wzrost wartoœci indeksów penetracji wraz ze wzrostem stopnia modyfikacji, wyra¿onym jako pole powierzchni fazy polimerowej (rys. 4).
Rys.4. Wartoœæ indeksu penetracji w funkcji pola powierzchni spêcznia³ej fazy polimerowej
w lepiszczach modyfikowanych polimerem SBS 1101 i SBS 1184 [31]
Fig.4. Penetration index vs. area of swollen polymer phase for bitumen modified
by polymer SBS 1101 and SBS 1184 mixtures [31]
Na rysunku 4 punkty znajduj¹ce siê w obszarach ograniczonych lini¹ przerywan¹
oznaczaj¹ wartoœci indeksu penetracji lepiszczy przed starzeniem, po starzeniu technologicznym i starzeniu eksploatacyjnym. Modyfikacja przeprowadzona z zastosowaniem mieszaniny polimerów wykazuje brak znacznych zmian w wartoœciach
indeksów penetracji w wyniku procesów starzenia przy danym stopniu modyfikacji.
Jest to zwi¹zane z niezmiennym udzia³em fazy polimerowej w lepiszczu i sta³ym
uk³adem mikrostrukturalnym. Na podstawie analizy w³aœciwoœci lepkosprê¿ystych w
funkcji objêtoœci fazy polimerowej ze zmiennym stopniem modyfikacji (3, 6, 9 %)
mo¿na wnioskowaæ o stopniu kompatybilnoœci uk³adu: polimer–asfalt [31].
31
3. BADANIA MIKROSTRUKTURY POLIMEROASFALTÓW
3.1. PRZYGOTOWANIE PRÓBEK
W wyniku prowadzonych prac badaniom poddano trzy rodzaje polimeroasfaltów produkowanych przemys³owo: 30B, 80B i 80C od trzech krajowych producentów.
Próbkê asfaltu modyfikowanego ogrzewano przez 30 min. do temperatury 180 °C i
ujednorodniono mieszaj¹c szklan¹ bagietk¹ oko³o 1 - 3 min. Szkie³ka mikroskopowe
ogrzewano w suszarce laboratoryjnej do tej samej temperatury, co lepiszcze. Za pomoc¹ szklanej bagietki umieszczano dwie oddzielne krople lepiszcza na szkie³ku.
Ka¿d¹ kroplê przykrywano szkie³kiem nakrywkowym otrzymuj¹c preparat o œrednicy oko³o 20 mm i gruboœci nie mniej ni¿ 0,5 mm i nie wiêcej ni¿ 1,5 mm. Tak przygotowany preparat umieszczano w temperaturze pokojowej do ostygniêcia. Procedurê
przygotowania preparatów przeprowadzano w tym samym czasie, co przygotowanie
próbek do badañ reologicznych w celu unikniêcia powtórnego rozgrzewania lepiszcza.
Preparat umieszczano na stoliku mikroskopu tak, aby œrodek preparatu znajdowa³ siê
pod obiektywem. Na podstawie wstêpnych obserwacji, doœwiadczalnie dobrano powiêkszenie obiektywu, uwzglêdniaj¹c œredni rozmiar obserwowanych cz¹stek polimeru. W badaniach zastosowano obiektyw Nikon CFI Plan Fluor 20x, który pozwala
prowadziæ obserwacje z 200-krotnym powiêkszeniem. Obserwacjê przeprowadzono
kolejno na dwóch preparatach przygotowanych jednoczeœni z tej samej próbki lepiszcza, w 5 do 10 miejscach preparatu. Kolejne obserwowane obrazy by³ rejestrowane
przy pomocy kamery cyfrowej Nikon DS-5M-L1 o wysokiej rozdzielczoœci 5 mln dpi.
Kamera wraz z uk³adem optycznym zosta³a wyskalowana w sposób umo¿liwiaj¹cy
póŸniejsze przetwarzanie obrazu w jednostkach metrycznych. Przyjêto zasadê akwizycji zdjêæ na planie krzy¿a, po jednym zdjêciu w œrodku preparatu i cztery zdjêcia
równo oddalone od œrodka w ka¿d¹ stronê. Jeœli zdjêcie zarejestrowane w ustalonym
miejscu preparatu by³o nieostre lub czêœciowo nieostre wykonywano zdjêcie w innym
miejscu o lepszych warunkach ekspozycji. Przy rejestracji obrazu stosowano rozdzielczoœæ kamery równ¹ 1,23 Mpix zapisuj¹c obraz o wymiarach 1280 × 960 pix. Pliki
bêd¹ce reprezentacj¹ obserwowanych obrazów zapisano w postaci cyfrowej w formacie JPEG przy niskiej kompresji. Zastosowanie takich parametrów zapisu zdjêæ pozwoli³o na oko³o 10-krotne zmniejszenie objêtoœci pliku. Zapis w formacie JPG,
z powodu braku drobnych szczegó³ów o ostrych krawêdziach, nie powoduje istotnej
utraty informacji. Jedynie ok. 6 % pikseli przy takich warunkach zapisu zmienia swoj¹
wartoœæ i to zaledwie o oko³o ± 1 w 256-stopniowej skali szaroœci [32]. Zapis ten nie
wp³ywa na dok³adnoœæ prowadzonych analiz w trakcie operacji morfologicznych na
obrazach przedstawiaj¹cych mikrostrukturê polimeroasfaltów.
32
Jan Król
3.2. METODA JAKOŒCIOWEJ OCENY MIKROSTRUKTURY
POLIMEROASFALTÓW
W 2003 roku zosta³a wprowadzona przez Europejski Komitet Normalizacji (CEN)
norma EN 13632 ujednolicaj¹ca sposób wizualnej oceny rozproszenia polimeru w lepiszczu modyfikowanym [33].
Na podstawie obserwacji obrazu mikroskopowego, mikrostruktura polimeroasfaltu
powinna byæ opisana wed³ug oznaczeñ literowych charakteryzuj¹cych dyspersyjny
uk³ad polimer-asfalt. W za³¹czniku A.3 do normy PN-EN 13632 podano dziesiêæ
wzorców przedstawiaj¹cych typowe uk³ady polimerowo-asfaltowe do porównawczej
oceny ci¹g³oœci faz (polimerowej i asfaltowej), jednorodnoœci dyspersyjnego uk³adu
polimerowo-asfaltowego, wielkoœci oraz kszta³tu cz¹stek fazy rozproszonej. Zastosowano nastêpuj¹ce oznaczenia literowe:
1. Ci¹g³oœæ fazy:
2. Opis faz:
3. Opis rozmiaru:
P
B
X
H
I
S
M
L
–
–
–
–
–
–
–
–
ci¹g³a faza polimerowa,
ci¹g³a faza asfaltowa,
ci¹g³oœæ obu faz.
jednorodny,
niejednorodny.
ma³e (< 10 μm),
œrednie (od 10 μm do 100 μm),
du¿e (> 100 μm).
r
s
o
–
–
–
okr¹g³e, ob³e,
pod³u¿ne,
inne.
4. Opis kszta³tu:
Metoda przedstawiona w normie, nale¿y do jakoœciowych metod opisu struktury i pozwala identyfikowaæ zmiany i zjawiska zachodz¹ce w lepiszczu modyfikowanym na
podstawie wzorców. Wi¹¿e siê to czêsto z bardzo subiektywn¹ ocen¹ i wymaga pewnoœci, ¿e obraz porównawczy jest rzeczywistym przyk³adem identyfikowanego zjawiska. Metoda jakoœciowa ponadto nie pozwala w sposób bezpoœredni powi¹zaæ
struktury z w³aœciwoœciami analizowanego materia³u, poniewa¿ do jej opisu nie stosuje kodu liczbowego.
3.3. METODYKA ILOŒCIOWEJ OCENY MIKROSTRUKTURY
POLIMEROASFALTÓW
W literaturze bardzo ma³o jest informacji dotycz¹cych wp³ywu mikrostruktury na
w³aœciwoœci lepiszczy asfaltowych modyfikowanych polimerami, a w szczególnoœci
danych dotycz¹cych cech geometrycznych fazy polimerowej rozproszonej w matrycy
asfaltowej i wzajemnych relacji zachodz¹cych miêdzy nimi. Zaproponowana przez
autora w pracy metoda badawcza odpowiada wspó³czesnym trendom in¿ynierii materia³ów budowlanych i wykorzystuje dobrze znane techniki iloœciowej oceny mikrostruktury innych materia³ów, takich jak: stopy metali lub materia³y kompozytowe.
33
Liczne publikacje dotycz¹ oceny mikrostruktury stopów metali gdzie ocenie poddaje
siê mikrostrukturê materia³u z wyszczególnieniem poszczególnych faz. Stosuj¹c metodê analizy obrazu mo¿na identyfikowaæ poszczególne sk³adniki strukturalne ró¿nych stopów metali i poprzez ró¿norodne procesy technologiczne i obróbkê
mechaniczn¹ kszta³towaæ w³aœciwoœci na etapie oceny mikrostruktury [34, 35]. Analizê obrazu coraz czêœciej stosuje siê do oceny w³aœciwoœci materia³ów zwartych oraz
sypkich. Na postawie analizy rozproszenia cz¹stek ciek³ych kryszta³ów [36] w polimerach lub materia³ów sypkich [37] mo¿na wnioskowaæ o w³aœciwoœciach materia³ów. Ciekawe wykorzystanie metody analizy obrazu dotyczy równie¿
budowlanych kompozytów cementowych i polimerowo-cementowych. W pracy [38]
proponuje siê wykorzystanie komputerowej analizy obrazu w diagnostyce rys w kompozytach o matrycy cementowej, a praca [39] podaje przyk³ad zastosowania stereologicznej metody oceny pod³o¿a w systemach naprawczych na podstawie fraktografii
iloœciowej. Coraz czêœciej analiza uk³adu strukturalnego materia³u jest stosowana
przy przewidywaniu jego w³aœciwoœci, a metody wykorzystywane podczas prowadzenia takiej analizy na przestrzeni czasu ewaluowa³y od metody do nowej dziedziny
naukowej [40, 41].
Przedstawiony w pracy iloœciowy opis mikrostruktury polimeroasfaltu wykorzystuje
kwantyfikatory znane ze stereologicznego opisu mikrostruktury stopów metali. Z zarejestrowanymi obrazami polimeroasfaltów postêpuje siê identycznie, doprowadzaj¹c w pierwszej kolejnoœci zarejestrowane obrazy mikroskopowe do postaci
binarnej, a nastêpnie poddaje siê je analizie iloœciowej.
Przetworzon¹, wyodrêbnion¹ fazê polimeru w lepiszczu asfaltowym mo¿na opisaæ w
sposób matematyczny wyodrêbniaj¹c pole powierzchni spêcznia³ej fazy polimerowej
zawartej w asfalcie oraz wspó³czynnik kszta³tu i zmiennoœci kszta³tu cz¹stek.
Mikrostruktura asfaltów modyfikowanych polimerem wykazuje czêsto charakter
ziarnisty, dlatego autor poszukiwa³ miar geometrycznych odpowiednich dla struktur
ziarnistych o odizolowanych cz¹stkach.
3.4. KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU
W pracy zastosowano automatyczny proces analizy obrazu do oceny mikrostruktury
polimeroasfaltów. Przyjêto za³o¿enie, ¿e obraz mo¿e byæ zarejestrowany przy pomocy dowolnie wyskalowanego uk³adu optycznego wyposa¿onego w kamerê cyfrow¹, a
proces akwizycji odbywa siê rêcznie. Natomiast automatycznej analizie poddawany
jest obraz zapisany w postaci cyfrowej na twardym dysku komputera wyposa¿onego
w program do analizy obrazu.
W wyniku prowadzonych prac autor opracowa³ procedurê umo¿liwiaj¹c¹ automatyzacjê pomiaru wielkoœci charakterystycznych dla uk³adów ziarnistych. Procedura
sk³ada siê z trzech etapów:
• etap I – przygotowanie obrazu do binaryzacji,
• etap II – automatyczna binaryzacja,
• etap III – pomiar.
34
Jan Król
Przygotowanie obrazu do binaryzacji – etap I
W pierwszym etapie z zarejestrowanego obrazu o rozmiarach 1280 × 960 pix wybierany jest interaktywnie obszar o najlepszej ostroœci (rys. 5a). W tym obszarze ustawiana
jest ramka o rozmiarach 712 × 712 pix. Obraz zostaje przyciêty do zaznaczonego obszaru jak na rysunku 5b i sprowadzony do 256 odcieni szaroœci. Obraz szary zostaje
poddany przekszta³ceniom morfologicznym, w celu zapewnienia jednakowych warunków automatycznej binaryzacji wszystkich analizowanych obrazów. W pierwszej
kolejnoœci obraz szary poddaje siê dzia³aniu filtru medianowego w celu usuniêcia szumów z obrazu.
Rys.5. Procedura wyboru obszaru do pomiaru: a) zarejestrowany kamer¹ obraz o 24-bitowej
g³êbi kolorów, o rozmiarze 1280 × 960 pix z zaznaczon¹ ramk¹ 712 × 712 pix, b) przyciêty
obszar obrazu do wielkoœci 712 × 712 pix, 24 bity, c) obraz 8-bitowy o 256 odcieniach
szaroœci po operacjach morfologicznych i przyciêciu ramki do rozmiaru 512 × 512 pix,
d) obraz 2-bitowy, czarno-bia³y po binaryzacji
Fig.5. Procedure selection of measured area: a) image captured by camera
on 1280 × 960 pix size of 24 bits color, with 712 × 712 pix frame marked, b) 24 bits color
image cropped to 712 × 712 size, c) 8 bits grayscale image after morphological operations
cropped to 512 × 512 size, d) 2 bits binary image
Na rysunku 6a zosta³ przedstawiony przyk³adowy obraz mikrostruktury polimeroasfaltu przed zastosowaniem filtru medianowego, a na rysunku 6b przedstawiono obraz
mikrostruktury po zastosowaniu filtru medianowego usuwaj¹cego szumy z obrazu.
35
Dla przedstawionych obrazów za³¹czono profile obrazuj¹ce rozk³ad odcieni szaroœci
wzd³u¿ zaznaczonej linii. Dla obrazu przed zastosowaniem filtru medianowego mo¿na zauwa¿yæ na profilu du¿¹ lokaln¹ zmiennoœæ odcieni szaroœci. Dla obrazu, po usuniêciu szumów filtrem medianowym, linia pokazuj¹ca rozk³ad odcieni szaroœci
wykazuje mniejsze zró¿nicowanie w obszarze lokalnym z zachowaniem pierwotnego
charakteru w obszarze globalnym.
Rys.6. Przyk³adowy obraz mikrostruktury polimeroasfaltu przed zastosowaniem
filtru medianowego (a)
oraz po zastosowaniu filtru medianowego usuwaj¹cego szumy z obrazu (b)
Fig.6. Example of polymer modified bitumen microstructure before median filter (a)
and after median filter with noise correction (b)
W nastêpnym kroku obraz poddaje siê operacji korekcji cienia w celu wyeliminowania ró¿nic w naœwietleniu obrazu, które uniemo¿liwiaj¹ poprawne przeprowadzenie
binaryzacji. Przyk³ad binaryzacji przeprowadzonej na obrazie o nierównomiernym
naœwietleniu przedstawiono na rysunku 7a, natomiast obrazu po korekcji cienia na rysunku 7b.
Przeprowadzenie binaryzacji na obrazie o nierównomiernym naœwietleniu bez korekcji cienia mo¿e powodowaæ b³¹d obliczeñ wielkoœci mikrostruktralnych. Wynika to z
niemo¿noœci ustawienia progu detekcji (odciêcia) na takim poziomie, aby nie pokrywa³ siê z t³em. Na rysunku 8 przedstawiono przyk³ad obrazu mikroskopowego przed
36
Jan Król
korekcj¹ cienia (a) i po korekcji cienia (b). Ocena nierównomiernoœci naœwietlenia
obrazu w 256-stopniowej skali odcieni szaroœci jest trudna. Mo¿na ja u³atwiæ analizuj¹c profil rozk³adu odcieni szaroœci przed wykonaniem binaryzacji.
a)
b)
Rys.7. Przyk³ad binaryzacji obrazu o nierównomiernym naœwietleniu:
a) obraz przed operacj¹ korekcji cienia, b) obraz po operacji korekcji cienia
Fig.7. Example of binary image with non uniform exposition:
a) image before shadow correction, b) image after shadow correction
Rys.8. Przyk³ad obrazu szarego przed korekcj¹ cienia z nachylonym profilem rozk³adu
odcieni szaroœci (a) oraz po korekcji cienia z poziomym profilem rozk³adu odcieni szaroœci (b)
Fig.8. Example of grey image before shadow correction with sloping grey value profile (a)
and image after shadow correction with horizontal grey value profile (b)
37
Obraz przedstawiony na rysunku 8a w dolnym lewym rogu charakteryzuje siê jaœniejszym obszarem stopniowo przechodz¹cym w obszar ciemniejszy, wzd³u¿ przek¹tnej
biegn¹cej do prawego górnego rogu. Bezpoœrednia ocena nierównomiernoœci naœwietlenia czêsto stwarza du¿e trudnoœci, spowodowane ma³ym zró¿nicowaniem szczegó³ów na obserwowanym obrazie. W takich przypadkach pomocne s¹ narzêdzia
analizy obrazu, pozwalaj¹ce na ocenê rozk³adu odcieni szaroœci na ca³ym analizowanym obszarze. Na rysunku 8a przedstawiaj¹cym profil rozk³adu odcieni szaroœci mo¿na zauwa¿yæ charakterystyczne nachylenie ca³ego profilu. Takie nachylenie
uniemo¿liwia prawid³owe przeprowadzenie binaryzacji. Przy ustawieniu zbyt wysokiego progu odciêcia (~170) w lewym dolnym rogu obrazu, uzyskuje siê prawid³owy
obraz cz¹stek polimeru, natomiast w prawym górnym rogu s¹ one niewidoczne. W
celu uwypuklenia cz¹stek polimeru w prawym górnym rogu obrazu nale¿a³oby ustawiæ próg odciêcia na poziomie ~135. Taka binaryzacja powoduje prawid³owy obraz
cz¹stek w prawym górnym rogu, natomiast powoduje b³êdne zaliczenie obszaru t³a do
fazy polimerowej. Efekt takiej binaryzacji przedstawiono na rysunku 7.
W celu eliminacji niekorzystnego wp³ywu nierównomiernego naœwietlenia, nale¿y
logicznie podzieliæ obraz na dwie p³aszczyzny: p³aszczyznê cienia i p³aszczyznê
w³aœciwej struktury. Ró¿nice miêdzy p³aszczyznami dotycz¹ jedynie sposobu wyodrêbnienia z obrazu obszarów objêtych cieniem. Lokalne zmiany poziomu szaroœci
wywo³ane przez cieñ s¹ stosunkowo niewielkie. Dlatego przynale¿noœæ danego piksela do cienia mo¿e byæ stwierdzona jedynie na podstawie globalnej analizy ca³ego
obrazu. Istotne zró¿nicowanie poziomów szaroœci o charakterze lokalnym œwiadczy o
wystêpowaniu w tym miejscu granic miêdzy ró¿nymi elementami struktury. W
zwi¹zku z tym dla wyodrêbnienia obszarów objêtych cieniem bardzo przydatne s¹
metody oparte na przekszta³ceniach nieliniowych. Przekszta³cenia te, bowiem silnie
t³umi¹ lokalne zmiany stopnia szaroœci nie wp³ywaj¹c równoczeœnie na zmiany o charakterze globalnym [42].
Skorygowany obraz z wyrównanym cieniem centralnie przycinano ramk¹ do rozmiaru 512 × 512 pix, aby wyeliminowaæ zak³ócenia brzegowe po przeprowadzonych operacjach. Tak przetworzony obraz by³ wyostrzony filtrem, który wydobywa³
najjaœniejsze elementy obrazu odpowiadaj¹ce fazie polimerowej. Na koniec histogram obrazu by³ normalizowany.
Automatyczna binaryzacja – etap II
Obraz szary po przekszta³ceniach morfologicznych (rys. 5c) zosta³ poddany automatycznej binaryzacji (rys. 5d) z wykorzystaniem funkcji analizy histogramu przy ustaleniu progu detekcji.
Pomiar – etap III
W trzecim etapie obrazy binarne zosta³y poddane analizie iloœciowej, w wyniku której
opisano matematycznie cz¹stki polimeru rozproszone w matrycy asfaltowej.
38
Jan Król
3.5. OPIS MIKROSTRUKTURY POLIMEROASFALTÓW
NA PODSTAWIE KOMPUTEROWEJ ANALIZY OBRAZU
Opis mikrostruktury polimeroasfaltu na podstawie komputerowej analizy obrazu zosta³ dokonany na podstawie opisu fazy polimerowej w lepiszczu modyfikowanym.
Stosowano nastêpuj¹ce w³aœciwoœci:
• pole powierzchni cz¹stki polimeru,
• obwód cz¹stki polimeru,
• œrednica g³ówna minimalnej mo¿liwej do opisania elipsy opisanej
na cz¹steczce polimeru,
• œrednica drugorzêdna minimalnej mo¿liwej do opisania elipsy
opisanej na cz¹steczce polimeru,
• wspó³czynnik ob³oœci W o obliczony wg wzoru:
Wo =
4π ⋅ pole powierzchni
,
obwód 2
(1)
• liczba cz¹stek na mm2.
Na podstawie tych wielkoœci, rozproszenie cz¹stek polimeru w matrycy asfaltowej,
scharakteryzowano za pomoc¹ nastêpuj¹cych cech:
• udzia³ powierzchniowy – opisuj¹cy udzia³ procentowy badanej
fazy polimerowej w stosunku do ca³kowitej analizowanej powierzchni,
• pole powierzchni cz¹stki polimeru wyra¿one w µm2,
• obwód cz¹stki polimeru wyra¿ona w µm,
• wspó³czynnik wyd³u¿enia obliczony jako stosunek œrednicy drugorzêdnej
do œrednicy g³ównej elipsy optymalnie opisanej na cz¹steczce polimeru;
wartoœæ 1,0 oznacza idealny okr¹g i jest charakterystyczna dla niewyd³u¿onych
cz¹stek polimeru,
• wspó³czynnik ob³oœci; wartoœæ 1,0 oznacza idealny okr¹g cz¹stki polimeru,
• iloœæ cz¹stek polimeru na mm2 powierzchni lepiszcza.
Dla ka¿dej cechy opisuj¹cej mikrostrukturê polimeroasfaltów zosta³a policzona œrednia wa¿ona uwzglêdniaj¹ca cztery rozmiary cz¹stek polimeru w odniesieniu do
udzia³u procentowego, jaki stanowi w ca³ej próbce. Œrednia wa¿ona C morf zosta³a policzona wg wzoru:
C morf =
gdzie:
100
A1 A2 A3 A4
+
+
+
C1 C 2 C 3 C 4
,
(2)
39
A1 , A2 , A3 , A4
– udzia³ procentowy cz¹stek o wielkoœci z zakresu od 1 do 4
C1 , C 2 , C 3 , C 4
– œrednia wa¿ona cechy opisuj¹cej cz¹stki o wielkoœci
w stosunku do ca³kowitej powierzchni fazy polimerowej,
z zakresu od 1 do 4.
Obliczenie œrednich wa¿onych z uwzglêdnieniem udzia³u procentowego pozwala
uwzglêdniæ wp³yw dominuj¹cej cechy morfologicznej w ca³ej populacji cz¹stek.
Uniezale¿nia tym samym opis mikrostrukturalny od iloœci cz¹stek polimeru i udzia³u
fazy polimerowej w lepiszczu.
W celu okreœlenia wp³ywu danej cechy morfologicznej na w³aœciwoœci reologiczne
lepiszczy asfaltowych uzyskane wartoœci podzielono i uszeregowano w zakresy. Dla
ka¿dej cechy dobrano empirycznie zakresy przedzia³ów wartoœci i oznaczono je kolejno A, B, C, D, E. Niezale¿nie od cechy, zakres A odpowiada najwiêkszym wartoœciom danej cechy, a zakres E wartoœciom najmniejszym. Przy ustalaniu zakresów
starano siê zachowaæ sta³¹ ró¿nicê pomiêdzy wartoœciami przedzia³ów lub wielokrotnoœæ najmniejszej wartoœci. Przedzia³y wartoœci zakresów u¿ytych do klasyfikacji polimeroasfaltów na podstawie cech morfologicznych przedstawiono w tablicy. Opis
polimeroasfaltu za pomoc¹ cech morfologicznych ma charakter klasyfikacyjny i nie
istniej¹ wspó³zale¿noœci pomiêdzy klasami. Ka¿dy rodzaj polimeroasfaltu mo¿e byæ
scharakteryzowany przy pomocy innej wartoœci danej cechy w zale¿noœci o charakteru mikrostruktury.
Tablica. Przedzia³y wartoœci zakresów u¿ytych do klasyfikacji polimeroasfaltów
na podstawie cech morfologicznych
Table. Morphological characteristic interval ranges used to polymer
modified bitumen gradation
Cechy morfoloficzne
Zakres u¿yty do klasyfikacji
A
B
C
D
Œrednia wa¿ona
Pole powierzchni cz¹stki polimeru
≥ 10
< 10 i ≥ 2,8
Œrednia wa¿ona
Obwód
≥ 20
< 20 i ≥ 10
< 10 i ≥ 6
< 6 i≥4
<4
Œrednia wa¿ona
Œrednica g³ówna
≥5
< 5 i≥3
< 3 i≥2
< 2 i ≥ 1,4
< 1,4
Œrednia wa¿ona
Œrednica drugorzêdna
≥5
< 5 i ≥ 2,4
Wyd³u¿enie (elipsa)
≥ 0,8
< 0,8 i ≥ 0,7 < 0,7 i ≥ 0,55 < 0,55 i ≥ 0,5 < 0,5
Œrednia wa¿ona
Wspó³czynnik ob³oœci
≥ 0,8
< 0,8 i ≥ 0,7 < 0,7 i ≥ 0,5 < 0,5 i ≥ 0,3
Œrednia liczba cz¹stek
na mm2
≥ 300 < 300 i ≥ 200 < 200 i ≥ 150 < 150 i ≥ 100 < 100
< 2,8 i ≥ 1,4 < 1,4 i ≥ 0,7
< 2,4 i ≥ 1,2 < 1,2 i ≥ 0,7
E
< 0,7
< 0,7
< 0,3
40
Jan Król
Mikrostrukturê asfaltów modyfikowanych polimerami ogólnie scharakteryzowano
na podstawie powierzchni fazy polimerowej szczegó³owo wyodrêbniaj¹c cztery grupy cz¹stek polimeru o innym zakresie rozmiaru. W ka¿dej z grup, przy u¿yciu metody
komputerowej analizy obrazu, przeprowadzono pe³n¹ charakterystykê w³aœciwoœci
poszczególnych cz¹stek
Podzia³ na grupy przeprowadzono na podstawie analizy wyników badañ pola powierzchni fazy polimerowej w lepiszczu. Stwierdzono, ¿e pole powierzchni fazy polimerowej jest niewystarczaj¹c¹ miar¹ do opisu mikrostruktury fazy polimerowej a
szczegó³owy opis w³aœciwoœci poszczególnych cz¹stek w ca³ej populacji jest obarczony du¿ym b³êdem. W zwi¹zku z tym, rozdzielono cz¹stki polimeru w lepiszczu na
grupy z uwzglêdnieniem ich rozmiaru (pola powierzchni cz¹steczki fazy polimerowej
w µm2), przez co uzyskano podzia³ pokazuj¹cy ró¿nice w proporcjach pomiêdzy
cz¹stkami. Wyodrêbniono cztery grupy wg rozmiaru cz¹stek polimeru o powierzchni:
• od 0 do 1,00 µm2,
• od 1,01 do 10 µm2,
• od 10,01 do 100 µm2,
• powy¿ej 100,01 µm2.
Opis matematyczny wyodrêbnionych cz¹stek polimeru umo¿liwia w wymierny sposób scharakteryzowanie w³aœciwoœci mikrostruktury lepiszczy modyfikowanych i
porównanie cech morfologicznych poszczególnych lepiszczy. Przyk³ady porównania
w³aœciwoœci morfologicznych dla badanych lepiszczy przedstawiono na rysunkach 9,
10 i 11.
Rys.9. Ró¿nice w wartoœci obwodu cz¹stek polimeru o rozmiarze do 1,00 µm2
Fig.9. Differences of value of polymer particle perimeter for dimension up to 1.00 µm2
41
Na podstawie porównania przedstawionego na rysunku 9 mo¿na stwierdziæ, ¿e polimeroasfalty ró¿nych producentów charakteryzuj¹ siê zmiennymi wartoœciami obwodu cz¹stek polimeru o wymiarach do 1,00 µm2. Mo¿na przypuszczaæ, ¿e niezale¿nie
od rodzaju lepiszcza wp³yw na obwód cz¹stek polimeru w lepiszczu ma charakterystyczny dla danego producenta sposób produkcji. Najwiêkszymi wartoœciami obwodu
cz¹stek polimeru charakteryzuj¹ siê lepiszcza wytwarzane przez Producenta 3. Zale¿noœæ ta ró¿nicuje polimeroasfalty w zakresie najmniejszych cz¹stek polimeru, których udzia³ iloœciowy w lepiszczu jest zró¿nicowany i mo¿e przyjmowaæ ró¿ne
wartoœci.
Rys.10. Ró¿nice w liczbie cz¹stek polimeru o rozmiarze od 1,01 do 10 µm2
przypadaj¹cych na mm2 powierzchni próbki
Fig.10. Differences of value of quantity of polymer particle per square millimeter
for dimension range from 1.01 to 10 µm2
Rys.11. Ró¿nice w wartoœci wspó³czynnika ob³oœci cz¹stek polimeru o rozmiarze
od 10,01 do 100 µm2
Fig.11. Differences of value of particle circularity for dimension range
from 10.01 to 100 µm2
42
Jan Król
Na podstawie porównania w³aœciwoœci przedstawionego na rysunku 10 mo¿na okreœliæ wp³yw twardoœci lepiszcza (penetracji) i stopnia modyfikacji na liczbê cz¹stek
polimeru w jednostce powierzchni (µm2). Mo¿na stwierdziæ, ¿e wraz ze wzrostem
stopnia modyfikacji wzrasta liczba cz¹stek polimeru rozproszonych w matrycy asfaltowej. Zale¿noœæ ta uzasadniona jest iloœci¹ wprowadzonego polimeru podczas procesu produkcji i przek³ada siê na wytworzenie odpowiednio du¿ej liczby cz¹stek przy
jednoczesnym za³o¿eniu, ¿e stopieñ zdyspergowania jest, co najmniej taki sam jak dla
lepiszczy o ni¿szym stopniu modyfikacji. Wzrost liczby cz¹stek polimeru mo¿na zaobserwowaæ równie¿ dla lepiszczy o penetracji 80 · 0,1 mm. Mo¿e mieæ to zwi¹zek z
lepsz¹ rozpuszczalnoœci¹ polimeru w asfaltach miêkkich, w których polimer pod
wp³ywem du¿ej zawartoœci frakcji olejowej w wiêkszym stopniu pêcznieje i daje siê
zdyspergowaæ. W podsumowaniu stwierdziæ mo¿na, ¿e polimeroasfalty ka¿dego producenta maj¹ ró¿ny stopieñ zdyspergowania, co obrazuje liczba cz¹stek przypadaj¹ca
na mm2. Najwy¿sz¹ liczb¹ cz¹stek charakteryzuj¹ siê lepiszcza Producenta 3 w danej
grupie twardoœci (rys. 10).
Na podstawie porównania przedstawionego na rysunku 11 mo¿na stwierdziæ równie¿
wp³yw twardoœci lepiszcza i stopnia modyfikacji na kszta³t cz¹stek polimeru okreœlony wartoœci¹ wspó³czynnika ob³oœci. Mo¿na stwierdziæ, ¿e wraz ze wzrostem stopnia
modyfikacji wzrasta wyd³u¿enie cz¹stek polimeru. Szczególnie widoczne jest to na
przyk³adzie lepiszczy rodzaju 80C. Takie w³aœciwoœci mikrostruktury mo¿na t³umaczyæ wiêksz¹ liczb¹ cz¹stek polimeru, które w wyniku usieciowania tworz¹ uk³ad rozproszonych cz¹stek o ma³ych rozmiarach i wyd³u¿onym kszta³cie. Wszystkie badane
polimeroasfalty rodzaju 80C bez wzglêdu na pochodzenie wykazywa³y takie zale¿noœci. Ponadto w badanych lepiszczach, wraz ze wzrostem penetracji wzrasta foremnoœæ
cz¹stek polimeru rozproszonych w asfalcie. Zale¿noœæ t¹ mo¿na ³¹czyæ, podobnie jak
liczbê cz¹stek, z rozpuszczalnoœci¹ polimeru w asfalcie.
4. PODSUMOWANIE
Proponowana iloœciowa analiza mikrostruktury asfaltów modyfikowanych polimerami dostarcza informacji na temat rozproszenia polimeru w asfalcie. Opracowana metoda oceny, bez ¿adnych dodatkowych badañ, w istotny sposób obiektywizuje
tradycyjne metody wizualnej oceny. Zalet¹ opisywanej metody oceny mikrostruktury
asfaltów modyfikowanych polimerami jest ma³a wra¿liwoœæ na zmiany warunków
ekspozycji podczas zapisu obrazu z mikroskopu.
Wykorzystuj¹c metodê analizy obrazu mo¿na kontrolowaæ proces modyfikacji polimeroasfaltów oraz monitorowaæ sta³oœæ i charakter dyspersyjnego uk³adu polimer –
asfalt. Mo¿liwa jest równie¿ pe³na automatyzacja procesu analizy i klasyfikacji asfaltów modyfikowanych polimerami na podstawie ich mikrostruktury. Wymaga to jednak przygotowania w œciœle okreœlony sposób próbki polimeroasfaltu i w³aœciwej
rejestracji obrazu.
43
Zaproponowana przez autora, iloœciowa analiza mikrostruktury polimeroasfaltów na
podstawie obrazów mikroskopowych jest dobr¹ metod¹ identyfikacji zmian w morfologii badanych lepiszczach modyfikowanych. Opracowana metoda eliminuje czynnik
autosugestii podczas oceny i pozwala na poszukiwanie iloœciowych zale¿noœci pomiêdzy uk³adem mikrostrukturalnym i w³aœciwoœciami reologicznymi.
BIBLIOGRAFIA
[1] Bahia H.U., Hanson D.I., Zeng M., Zhai H., Khatri M.A., Anderson R.M.:
Characterization Of Modified Asphalt Binders In Superpave Mix Design. NCHRP
Report, 459, 2001
[2] Martínez-Boza F., Partal P., Navarro F.J., Gallegos C.: Rheology and microstructure
of asphalt binders. Rheology Acta, 40, 2001, 135-141
[3] Król J.: Wp³yw mikrostruktury polimeroasfaltów drogowych na w³aœciwoœci reologiczne. Rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, Warszawa 2008
[4] Pi³at J., Król J.: Analysis of changing polymer modified bitumen microstructure by
image analyses after ageing. Advance in Materials Science and Restoration, 2, 2007,
141-149
[5] Gareth M., Davis A.: Fluorometric Characterization of Asphalts. SHRP Report, A-649,
1993
[6] Pi³at J., Król J.: Wp³yw procesów starzenia na zmianê struktury polimeroasfaltów
drogowych na podstawie analizy obrazu. Konferencja IPPT-PAN „Badania Mechanicznych W³aœciwoœci Materia³ów i Konstrukcji”, Zakopane 2005
[7] Wegan V.: Effect of Design Parameters on Polymer Modified Bituminous Mixtures.
Danish Road Institute, Report 108, 2001
[8] Wegan V., Brulé B.: The Structure of Polymer Modified Binders and Corresponding
Asphalt Mixtures. Danish Road Institute, Report 92, 1999
[9] Wegan V., Nielsen B.C.: Microstructure of polymer modified binders in bituminous
mixtures. Danish Road Institute, Report 109, 2001
[10] Wegan V., Nielsen B.C.: Microstructure of polymer modified binders in bituminous
mixtures. 2nd Euroasphalt & Eurobitume Congress. Barcelona Proceedings, Paper
No. 105, 2000
[11] Gawe³ I., Kalabiñska M., Pi³at J.: Asfalty drogowe. WK£, Warszawa 2001
[12] Lu X., Isacsson U.: Modification of road bitumens with thermoplastic polymers.
Polymer Testing, 20, 2001, 77-86
[13] Isacsson U., Lu X.: Characterization of bitumens modified with SEBS, EVA and
EBA polymers. Journal Of Materials Science, 34, 1999, 3737-3745
44
Jan Król
[14] Polacco G., Muscente A., Biondi D., Santini S.: Effect of composition on the properties of SEBS modified asphalts. European Polymer Journal, 42, 2006, 1113-1121
[15] Polacco G., Berlincioni S., Biondi D., Stastna J., Zanzotto L.: Asphalt modification
with different polyethylene-based polymers. European Polymer Journal, 41, 2005,
2831-2844
[16] Wilson A., Fuchs G., Scramoncin C., Martin D., Planche J.P.: Localization of the
Polymer Phase in Bitumen_Polymer Blends by Field Emission Cryo-Scanning
Electron Microscopy. Energy & Fuels, 14, 2000, 575-584
[17] García-Morales M., Partal P., Navarro F.J., Martínez-Boza F., Gallegos C., Gonzáles N., Gonzáles N., Munoz M.E.: Viscous properties and microstructure of recycled
eva modified bitumen. Fuel, 83, 2004, 31-38
[18] Pérez-Lepe A., Martínez-Boza F.J., Gallegos C.: Influence of Polymer Concentration
on the Microstructure and Rheological Properties of High-Density Polyethylene
(HDPE)-Modified Bitumen. Energy & Fuels, 19, 2005, 1148-1152
[19] Garcia-Morales M., Partal P., Navarro F.J., Gallegos C.: Effect of waste polymer
addition on the rheology of modified bitumen. Fuel, 85, 2006, 936-943
[20] Lu X., Isacsson U., Ekblad J.: Phase separation of SBS polymer modified bitumens.
Journal of Materials in Civil Engineering, 2, 1999, 51-57
[21] Airey G.D.: Rheological properties of styrene butadiene styrene polymer modified
road bitumens. Fuel, 82, 2003, 1709-1719
[22] Airey G.D.: Rheological evaluation of ethylene vinyl acetate polymer modified bitumens. Construction and Building Materials, 16, 2002, 473-487
[23] Navarro F.J., Partal P., Martínez-Boza F., Gallegos C.: Effect of composition and
processing on the linear viscoelasticity of synthetic binders. European Polymer
Journal, 41, 2005, 1429-1438
[24] Giavarini C., De Filippis P., Santarelli M.L., Scarsella M.: Production of stable polypropylene modified bitumens. Fuel, 6, 1996, 681-686
[25] Wen G., Zhang Y., Zhang Y., Sun K., Fan Y.: Rheological characterization of storage-stable SBS-modified asphalts. Polymer Testing, 21, 2002, 295-302
[26] Frantzis P.: Crumb Rubber-Bitumen Interactions Cold-Stage Optical Microscopy.
Journal of Materials in Civil Engineering, 9/10, 2003, 419-426
[27] Airey G.D.: Styrene butadiene styrene polymer modification of road bitumens. Journal of Materials Science, 39, 2004, 951-959
[28] Loeber L., Muller G., Morel J., Sutton O.: Bitumen in colloid science: a chemical,
structural and rheorogical approch. Fuel, 13, 1998, 1443-1450
[29] Association Mondiale de la Route (AIPCR), Comité Technique des Routes Souples
(C8): Emploi des liants bitumineux modifies, des bitumes spéciaux et des bitumes
avec additifs en techniques routieres. Routers, Roads, 203, 1999
45
[30] Pi³at J., Król J.: Zmiany struktury asfaltów modyfikowanych w wyniku starzenia na
podstawie analizy obrazu. III Miêdzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna
„Nowoczesne technologie w budownictwie drogowym”, Poznañ 2005
[31] Pi³at J., Król J. Sarnowski M.: Badania mikrostruktury asfaltów modyfikowanych w
mikroskopie fluorescencyjnym. 52 Konferencja KILiW PAN, Krynica 2006
[32] G¹dek A.: Komputerowa analiza obrazu regeneratu kostnego w metodzie Ilizarowa.
FOTOBIT, Kraków 2005
[33] Pi³at J., Król J.: Wizualna ocena zdyspergowania polimeru w asfaltach modyfikowanych. Drogownictwo, 9, 2005, 273-275
[34] Liddell C.M., Summers C.J., Gokhale A.M.: Stereological estimation of the morphology distribution of ZnS clusters for photonic crystal applications. Materials Characterization, 50, 2003, 69-79
[35] Œwiderska-Œroda A., Wejrzanowski T., Kurzydlowski K.J., Wyrzykowski J.W.: Quantitative analysis of Al2O3 particles in Al3Ti/Al2O3/Al composites. Materials Characterization, 51, 2003, 95-100
[36] Qamar I., Siddiqi H.M., Husain S.W.: Image Analysis of Polymer-Dispersed Liquid
Crystals. Materials Characterization, 44, 2000, 285-289
[37] Nazar A.M., Silva F.A., Ammann J.J.: Image processing for particle characterization.
Materials Characterization, 36, 1996, 165-173
[38] Glinicki M., Litorowicz A.: Diagnostyka rys w kompozytach o matrycy cementowej
metod¹ komputerowej analizy obrazu. Drogi i Mosty, 3, 2007, 45-77
[39] Garbacz A.: Nieniszcz¹ce badania betonopodobnych kompozytów polimerowych za
pomoc¹ fal sprê¿ystych - ocena skutecznoœci napraw. Prace naukowe, budownictwo,
147, OWPW, Warszawa 2007
[40] Ralph B., Kurzyd³owski K.J.: The philosophy of microscopic quantification. Materials Characterization, 38, 1997, 217-227
[41] Ryœ J.: Stereologia materia³ów. Fotobit-Design, Kraków 1995
[42] Wojnar L., Kurzyd³owski J.K., Szala J.: Praktyka analizy obrazu. Polskie Towarzystwo Stereologiczne, Kraków 2002
46
Jan Król
PODZIÊKOWANIE
Praca powsta³a dziêki pomocy finansowej Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wy¿szego w ramach grantu promotorskiego nr N506 003 32/0353. Praca naukowa zosta³a
sfinansowana ze œrodków na naukê w latach 2007 - 2008 jako projekt badawczy.
NEW METHOD OF ANALYSIS OF POLYMER MODIFIED BITUMEN
MICROSTRUCTURE
Abstract
The paper presents a new method of assessment of polymer modified bitumen microstructure.
Properties of microstructure of polymer modified bitumen and factors influencing propertes of
polymer-bitumen system are discussed. Two methods of evaluations of microstructure are
presented: the qualitative method based on the model images and the quantitative method
based on the mathematical description of polymer particle dispersed in bitumen matrix.
Morphological operations performed on captured images in order to separate polymer phase
dispersed in bitumen are described. In this study images obtained from fluorescent microscope
are analysed with computer image analysis program. The computer image analysis method
enables automation of the processing of large number of images and allows an exclusion of
human suggestion factor.
DROGI i MOSTY
47
Nr 4
2008
EWELINA TKACZEWSKA1)
W£AŒCIWOŒCI CEMENTÓW
ZAWIERAJ¥CYCH RÓ¯NE
FRAKCJE ZIARNOWE
KRZEMIONKOWYCH POPIO£ÓW LOTNYCH
STRESZCZENIE. Artyku³ analizuje mo¿liwoœæ zastosowania w technologii cementu ró¿nych
frakcji ziarnowych popio³ów lotnych. W badaniach zastosowano krzemionkowe popio³y lotne z
wêgla kamiennego z trzech sekcji odpylania elektrofiltru. Z partii materia³u, pobranej z ka¿dej
sekcji elektrofiltru, wyodrêbniono dwie frakcje ziarnowe popio³ów, tj. 0 ÷16 i 16 ÷32 μm. Ocenê
wp³ywu tych frakcji popio³ów na w³aœciwoœci cementu oparto o wyniki badañ iloœci ciep³a i
kinetyki jego wydzielania w pocz¹tkowym okresie hydratacji, zawartoœci Ca(OH)2, stopnia
hydratacji alitu (C3S) oraz czasu wi¹zania, wytrzyma³oœci na œciskanie, mikrostruktury i
odpornoœci na korozjê siarczanow¹. Najkorzystniejsze rezultaty uzyskano dla cementu
zawieraj¹cego frakcjê 0 ÷ 16 µm popio³ów z 3 sekcji. Popio³y te pozwalaj¹ otrzymaæ cement
CEM II/A-V 52,5N i CEM IV/A-V 42,5R. Po 2 latach, przy 40 % dodatku tych popio³ów,
ekspansja zaprawy jest 20-krotnie ni¿sza ni¿ zaprawy z cementu portlandzkiego, a jej
wytrzyma³oœæ kszta³tuje siê na poziomie 88,5 MPa.
1. WSTÊP
Popio³y lotne s¹ ubocznym produktem spalania wêgla, stosowanym jako sk³adnik
spoiw cementowych i dodatek mineralny do betonu. Popio³y lotne powstaj¹ w wyniku
elektrostatycznego i/lub mechanicznego wydzielania z gazów spalinowych cz¹stek
1)
dr in¿. – Wydzia³ In¿ynierii Materia³owej i Ceramiki na AGH w Krakowie
48
Ewelina Tkaczewska
sta³ych bêd¹cych pozosta³oœci¹ substancji nieorganicznej i organicznej zawartej w
spalanym wêglu. Norma PN-EN 197-1 dzieli popio³y lotne na krzemionkowe i wapienne. Popio³y lotne krzemionkowe powstaj¹ w trakcie spalania wêgla kamiennego,
natomiast popio³y lotne o du¿ej zawartoœci zwi¹zków wapnia – w trakcie spalania wêgla brunatnego. Pierwsze wykazuj¹ w³aœciwoœci pucolanowe, sk³adaj¹c siê zasadniczo z reaktywnego dwutlenku krzemu (SiO2) i reaktywnego tlenku glinu (Al2O3),
natomiast drugie mog¹ wykazywaæ dodatkowo w³aœciwoœci hydrauliczne, zawieraj¹c
w swoim sk³adzie przede wszystkim reaktywny tlenek wapnia (CaO), reaktywny
dwutlenek krzemu (SiO2) i reaktywny tlenek glinu (Al2O3).
W³aœciwoœci¹ popio³ów, która decyduje o ich zastosowaniu w cemencie i betonie, jest
aktywnoœæ pucolanowa, tj. zdolnoœæ wi¹zania, w temperaturze pokojowej i w obecnoœci wody, Ca(OH)2 z utworzeniem zwi¹zków o w³aœciwoœciach hydraulicznych
(C-S-H) i o mniejszym stosunku molowym CaO/SiO2 w C-S-H w porównaniu z cementem portlandzkim [1]. Zwi¹zkami powstaj¹cymi w wyniku reakcji pucolanowej
s¹ równie¿ uwodnione gliniany wapnia (C4AH13, C2AH8) oraz uwodnione glinokrzemiany wapnia typu hydrogehlenit (C2ASH8) i hydrogranaty (C3AS3-C3AH6).
Przeprowadzona analiza dotychczasowych danych literaturowych wskazuje, ¿e o pucolanowoœci popio³ów – obok sk³adu chemicznego i fazowego – decyduje równie¿
ich mia³koœæ, morfologia ziaren oraz czynniki przyspieszaj¹ce przebieg reakcji pucolanowej. Aktywnoœæ pucolanowa popio³ów roœnie z udzia³em frakcji o uziarnieniu
poni¿ej 30 µm [2]. Pucolanowoœæ jest tym wy¿sza, im wiêksza jest zawartoœæ reaktywnego SiO2 [3, 4]. Przechodzenie jonów Si4+ i Al3+ ze szk³a do roztworu przyspiesza wysokie pH [1]. Istotny jest tak¿e stosunek K2O/Al2O3 [5]. Aktywnoœæ
pucolanow¹ popio³ów determinuje struktura szk³a [6 - 8].
Cementy z dodatkiem popio³ów maj¹ d³u¿szy czas wi¹zania [1, 9]. Charakterystyczn¹
cech¹ takich cementów jest wolne narastanie wytrzyma³oœci wczesnej, jednak z
up³ywem czasu ich wytrzyma³oœæ jest zbli¿ona lub nawet wy¿sza od wytrzyma³oœci
cementu portlandzkiego tej samej klasy wytrzyma³oœciowej [1, 9, 10]. Szybszy
wzrost wytrzyma³oœci cementu w czasie mo¿na osi¹gn¹æ dodaj¹c popio³y o drobniejszym uziarnieniu [11 - 14]. Drobne frakcje popio³ów cechuj¹ siê wysok¹ aktywnoœci¹
pucolanow¹, co przek³ada siê na znaczny przyrost iloœci C-S-H w reakcji pucolanowej [13, 15 - 17]. Mikrostruktura zaczynu z dodatkiem drobnoziarnistych popio³ów
jest bardziej doszczelniona przez produkty reakcji pucolanowej i niezhydratyzowane
ziarna popio³ów [9, 13, 18]. W obecnoœci drobnych frakcji popio³ów lotnych maleje
œredni rozmiar porów [18, 19].
Beton na bazie cementu popio³owego wykazuje wy¿sz¹ odpornoœæ na korozjê chemiczn¹ [10, 20 - 23]. Zwi¹zkami zaczynu cementowego naj³atwiej ulegaj¹cymi korozji s¹ Ca(OH)2 i uwodnione gliniany wapnia. Reakcja pucolanowa, zachodz¹ca w
cemencie popio³owym powoduje zmniejszenie Ca(OH)2 powsta³ego w czasie hydratacji faz krzemianowych cementu. Zmniejszeniem udzia³u klinkieru portlandzkiego
w sk³adzie cementu na rzecz popio³ów lotnych ogranicza zawartoœæ glinianu trójwapniowego C3A, a tym samym iloœæ uwodnionych glinianów wapnia w zaczynie. Odpornoœæ korozyjna cementu popio³owego jest tym wiêksza, im drobniejsze s¹ popio³y
W£AŒCIWOŒCI CEMENTÓW Z RÓ¯NYMI FRAKCJAMI POPIO£ÓW
49
i im wy¿sza jest ich aktywnoœæ pucolanowa [23]. Popio³y ograniczaj¹ reakcje alkaliów z reaktywnymi sk³adnikami kruszyw w betonie [24, 25], obni¿aj¹ mrozoodpornoœæ betonu [26]. Dodatek popio³ów lotnych w iloœci nawet do 60 % w stosunku do
masy cementu w betonie nie zmienia w sposób znacz¹cy alkalicznoœci cieczy porowej, a tym samym nie obni¿a warunków pasywacji stali zbrojeniowej [27].
Dotychczas pojawi³o siê niewiele prac wykazuj¹cych, ¿e przy zwiêkszonym udziale
popio³ów lotnych mo¿na otrzymaæ cementy klasy 52,5. Jednym z warunków otrzymywania takich cementów jest odpowiedni dobór ziarnowy popio³ów. Wp³yw popio³ów na w³aœciwoœci cementu to równoczesne oddzia³ywanie jego poszczególnych
frakcji ziarnowych, z których najbardziej aktywn¹ jest frakcja poni¿ej 45 µm [11]. Te
drobne i bardziej amorficzne ziarna popio³ów, ze wzglêdu na wysok¹ aktywnoœæ pucolanow¹, odpowiadaj¹ za wzrost wytrzyma³oœci wczesnej cementu, natomiast grube
ziarna popio³ów zwiêkszaj¹ wytrzyma³oœæ cementu dopiero po d³u¿szym okresie czasu [28]. Mimo i¿ wielu autorów bada³o wp³yw wielkoœci ziaren popio³ów na
w³aœciwoœci cementu [9, 11, 12, 16 - 18] to jednak nie otrzymano cementu o wysokiej
wytrzyma³oœci wczesnej (2-dniowej) i wysokiej wytrzyma³oœci normowej (28dniowej) przy dodatku popio³ów lotnych powy¿ej 40 %. Wielokrotne próby nie pozwoli³y uzyskaæ cementu zawieraj¹cego 40 % (m/m) popio³ów lotnych, którego wytrzyma³oœæ wczesna i normowa by³aby porównywalna do cementu portlandzkiego,
bez koniecznoœci domielenia tego cementu.
Proces odpylania popio³ów lotnych w elektrowniach przebiega w trzech sekcjach
elektrofiltru. Popio³y te ró¿ni¹ siê przede wszystkim stopniem uziarnienia i prawdopodobnie ró¿ni¹ siê struktur¹ szk³a. W pracy przedstawiono wyniki badañ procesu hydratacji i w³aœciwoœci cementów z dodatkiem dwóch frakcji ziarnowych 0 ÷ 16 μm i
16 ÷ 32 μm krzemionkowych popio³ów lotnych, wytr¹conych z 1 i 3 sekcji elektrofiltru.
2. CHARAKTERYSTYKA MATERIA£ÓW
2.1. UWAGI OGÓLNE
W badaniach zastosowano krzemionkowe popio³y lotne z wêgla kamiennego z ró¿nych sekcji elektrofiltru. Popio³y, oznaczone jako P1, P2 i P3, pochodzi³y odpowiednio z 1, 2 i 3 sekcji elektrofiltru (licz¹c od strony paleniska kot³a). Do wytworzenia
cementów w laboratorium wykorzystano dwie frakcje – o uziarnieniu 0 ÷ 16 μm
(frakcja A) i 16 ÷ 32 μm (frakcja B), odsiane z próbek popio³ów lotnych z 1 i 3 sekcji
elektrofiltru. Zgodnie z przyjêt¹ terminologi¹ frakcje ziarnowe popio³ów z 1 sekcji
oznaczono jako P1A i P1B, natomiast popio³ów z 3 sekcji – jako P3A i P3B.
50
Ewelina Tkaczewska
2.2. CHARAKTERYSTYKA POPIO£ÓW LOTNYCH
Z POSZCZEGÓLNYCH SEKCJI ELEKTROFILTRU
Wyniki badañ w³aœciwoœci fizycznych popio³ów lotnych zestawiono w tablicy 1.
Sk³ad ziarnowy popio³ów lotnych przedstawiono na rysunku 1. Popio³y z kolejnej
sekcji elektrofiltru wykazuj¹ wzrost mia³koœci. Udzia³ frakcji o uziarnieniu poni¿ej
32 μm w popio³ach P2 i P3 wzrasta w stosunku do popio³ów P1, odpowiednio o 35,3 i
65,5 %, natomiast udzia³ nadziarna (cz¹stki o œrednicy powy¿ej 64 μm) maleje – odpowiednio o 3,6 i 47,5 %. Konsekwencj¹ tego jest zmniejszenie œredniej œrednicy
ziarna popio³ów oraz wzrost ich powierzchni w³aœciwej. Powierzchnia w³aœciwa popio³ów P2 i P3 jest wy¿sza ni¿ popio³ów P1, odpowiednio o 29,4 i 41,2 %. Gêstoœæ popio³ów jest porównywalna i wzrasta od 2160 kg/m3 dla popio³ów P1 do 2350 kg/m3
dla popio³ów P3.
Tablica 1. W³aœciwoœci fizyczne popio³ów lotnych: P1, P2 i P3 – popio³y
z 1, 2 i 3 sekcji elektrofiltru
Table 1. Physical properties of fly ashes: P1, P2 and P3 – fly ashes
from 1st, 2nd and 3rd hopper in electrostatic precipitator system
Sk³ad ziarnowy popio³ów lotnych
Popio³y Gêstoœæ
lotne [kg/m3]
Pow.
d œr Blaine’a
2
32 ÷ 64 μm > 64 μm [ μm] [m /kg]
Udzia³ frakcji ziarnowej [% (v/v)]
< 16 μm 16 ÷ 32μm
< 32 μm
P1
2160
20,3
14,5
34,8
43,1
22,1
44,4
340
P2
2270
25,9
21,2
47,1
31,5
21,3
37,9
440
P3
2350
29,2
28,4
57,6
30,8
11,6
33,2
480
Rys.1. Skumulowany sk³ad ziarnowy popio³ów lotnych: P1, P2 i P3 – popio³y z 1, 2 i 3 sekcji
elektrofiltru
Fig.1. Cumulative size distribution of fly ashes: P1, P2 and P3 – fly ashes from 1st, 2nd and 3rd
hopper in electrostatic precipitator system
51
Wyniki badañ sk³adu chemicznego popio³ów lotnych zestawiono w tablicy 2. Popio³y
lotne – niezale¿nie od sekcji elektrofiltru – spe³niaj¹ wymagania normy PN-EN 450-1
pod wzglêdem sumarycznej zawartoœci SiO2, Al2O3 i Fe2O3 (> 70 % (m/m)). Zawartoœæ pozosta³ych sk³adników chemicznych równie¿ nie przekracza wartoœci granicznych wymaganych przez tê normê. Porównuj¹c sk³ad chemiczny popio³ów z kolejnej
sekcji elektrofiltru mo¿na zauwa¿yæ zmiennoœæ zawartoœci alkaliów, przy porównywalnej iloœci pozosta³ych sk³adników g³ównych (tabl. 2). Zawartoœæ alkaliów, wyra¿ona jako Na2Oe, wzrasta o 28,0 % w popio³ach P2 i o 48,0 % w popio³ach P3. Tak
znaczny wzrost iloœci alkaliów w popio³ach lotnych z kolejnej sekcji elektrofiltru
wi¹¿e siê prawdopodobnie ze zmian¹ struktury szk³a popio³owego [6 - 8].
Tablica 2. Sk³ad chemiczny popio³ów lotnych: P1, P2 i P3 – popio³y z 1, 2 i 3
sekcji elektrofiltru
Table 2. Chemical composition of fly ashes: P1, P2 and P3 – fly ashes from 1st,
2nd and 3rd hopper in electrostatic precipitator system
Sk³adnik chemiczny
Zawartoœæ sk³adnika chemicznego w popio³ach lotnych [% (m/m)]
P1
P2
P3
Straty pra¿enia
0,7
0,9
P3
SiO2
54,5
53,4
52,0
Al2O3
27,8
28,0
28,5
Fe2O3
7,1
7,3
7,5
CaOca³
3,8
3,6
3,4
MgO
2,2
2,0
1,9
Na2O
0,91
1,4
1,79
K2O
2,41
2,73
2,91
Na2Oe
2,5
3,2
3,70
SO3ca³
0,6
0,7
0,9
Wyniki badañ rentgenograficznych pokazuj¹, ¿e w sk³adzie fazowym popio³ów lotnych, obok szk³a, wystêpuj¹ dwa sk³adniki krystaliczne: β-kwarc (SiO2) i mullit (rys. 2).
Zawartoœæ szk³a i kwarcu w popio³ach zmienia siê, mimo ich porównywalnego sk³adu
chemicznego. Wzrost intensywnoœci t³a (22 ÷ 35°2θ CuKα ) na dyfraktogramie XRD popio³ów z kolejnej sekcji dowodzi o wzroœcie iloœci szk³a. Równoczesny spadek intensywnoœci refleksu kwarcu (20 ÷ 22°2θ CuKα ) wskazuje na malej¹cy udzia³ kwarcu w
tych popio³ach. Zmiana proporcji udzia³u pomiêdzy zawartoœci¹ krystalicznego kwarcu
a zawartoœci¹ amorficznego SiO2 w popio³ach równie¿ sugeruje zmianê struktury szk³a
[6 - 8].
52
Ewelina Tkaczewska
Rys.2. Dyfraktogram XRD popio³ów lotnych, Q-kwarc, M-mullit: P1, P2 i P3 – popio³y
Fig.2. X-ray diffraction pattern of fly ashes, Q-quartz, M-mullite: P1, P2 and P3 – fly ashes
Wyniki oznaczeñ aktywnoœci pucolanowej popio³ów zgodnie z norm¹ ASTM C
379-65 dowodz¹, ¿e sumaryczna zawartoœæ aktywnych sk³adników (SiO2akt i Al2O3akt)
w popio³ach jest zró¿nicowana i zmienia siê w zale¿noœci od sekcji elektrofiltru
(tabl. 3). Podstawowym czynnikiem kszta³tuj¹cym aktywnoœæ pucolanow¹ popio³ów
jest czynnik fizyczny, tj. sk³ad ziarnowy i powierzchnia w³aœciwa. Sumaryczna zawartoœæ aktywnych sk³adników jest najni¿sza w popio³ach P1, o 18,8 % wy¿sza w popio³ach P2 i o 38,1 % wy¿sza w popio³ach P3. O tak wysokiej aktywnoœci
pucolanowej popio³ów P3 (27,2 % (m/m)) decyduje nie tylko mia³koœæ i wy¿sza zawartoœæ szk³a, ale równie¿ wysoka zawartoœæ alkaliów. Znacznie ni¿sz¹ aktywnoœæ
pucolanow¹ popio³ów P1 (19,7 % (m/m)) nale¿y wi¹zaæ g³ównie z ich grubszym
uziarnieniem, mniejszym stopniem zeszklenia i prawdopodobnie z inn¹ struktur¹
szk³a [6 - 8].
Tablica 3. Aktywnoœæ pucolanowa popio³ów lotnych: P1, P2 i P3 – popio³y
Table 3. Pozzolanic activity of fly ashes: P1, P2 and P3 – fly ashes
Aktywny sk³adnik
chemiczny*)
*)
P1
P2
P3
SiO2akt
11,3
13,6
15,9
Al2O3akt
8,4
9,8
11,3
SiO2akt + Al2O3akt
19,7
23,4
27,2
oznaczono wed³ug ASTM C 379-65
53
2.3. CHARAKTERYSTYKA FRAKCJI ZIARNOWYCH
0 ÷ 16 i 16 ÷ 32 μm POPIO£ÓW LOTNYCH
Z 1 i 3 SEKCJI ELEKTROFILTRU
W³aœciwoœci frakcji o uziarnieniu w zakresie 0 ÷ 16 i 16 ÷ 32 μm popio³ów lotnych z 1
i 3 sekcji elektrofiltru zestawiono w tablicach 4 - 6 oraz na rysunkach 3 - 4.
Tablica 4. W³aœciwoœci fizyczne frakcji ziarnowych popio³ów lotnych:
P1 i P3 – popio³y z 1 i 3 sekcji elektrofiltru,
A i B – frakcja ziarnowa 0 ÷ 16 i 16 ÷ 32 μm
Table 4. Physical properties of size fractions of fly ashes:
P1 and P3 – fly ashes from 1st and 3rd hopper in electrostatic precipitator system,
A and B – size fraction of 0 ÷ 16 and 16 ÷ 32 μm
Popio³y lotne
Gêstoœæ [kg/m3]
Pow. Blaine’a [m2/kg]
P1A
2430
570
P1B
2180
270
P3A
2510
750
P3B
2250
360
Tablica 5. Sk³ad chemiczny frakcji ziarnowych popio³ów lotnych:
Table 5. Chemical composition of size fractions of fly ashes:
Sk³adnik
chemiczny
P1A
P1B
P3A
P3B
Straty pra¿enia
0,7
0,4
1,6
1,0
SiO2
51,6
53,8
48,8
51,2
Al2O3
29,0
28,3
29,8
29,3
Fe2O3
6,7
6,5
7,1
6,8
CaOca³
4,2
4,5
3,7
3,9
MgO
2,1
2,5
1,8
2,1
Na2O
1,8
1,4
2,4
2,0
K 2O
2,9
1,9
3,6
2,7
Na2Oe
3,7
2,7
4,8
3,8
SO3ca³
0,8
0,7
1,2
1,0
54
Ewelina Tkaczewska
Z danych przedstawionych w tablicy 4 wynika, ¿e ta sama frakcja ziarnowa popio³ów,
ale z kolejnej sekcji elektrofiltru, ma wiêksz¹ powierzchniê w³aœciw¹. Powierzchnia
w³aœciwa popio³ów P3A jest o 31,6 % wy¿sza ni¿ popio³ów P1A, co wynika z wiêkszego udzia³u frakcji ziarnowej mniejszej od 10 μm w popio³ach P3A. Frakcja popio³ów o grubszym uziarnieniu wykazuje mniejsz¹ powierzchniê w³aœciw¹. Ró¿nica
wielkoœci powierzchni w³aœciwej popio³ów P3B i P1B siêga 33,3 %.
Wyniki analizy sk³adu chemicznego poszczególnych frakcji ziarnowych popio³ów
lotnych zestawiono w tablicy 5. Sk³ad chemiczny tej samej frakcji ziarnowej popio³ów – niezale¿nie od sekcji elektrofiltru – wykazuje du¿¹ zmiennoœæ zawartoœci alkaliów, przy porównywalnej iloœci pozosta³ych sk³adników g³ównych. Wszystkie
frakcje ziarnowe popio³ów spe³niaj¹ wymagania normy PN-EN 450-1 pod wzglêdem
sumarycznej zawartoœci SiO2, Al2O3 i Fe2O3 (> 70 % (m/m)). Zawartoœæ pozosta³ych
sk³adników chemicznych nie przekracza ustalonych przez tê normê dopuszczalnych
granic zawartoœci. Dla tej samej frakcji popio³ów, ale z kolejnej sekcji elektrofiltru,
iloœæ alkaliów – wyra¿ona jako Na2Oe – wyraŸnie wzrasta, osi¹gaj¹c wartoœæ 4,8 %
(m/m) dla popio³ów P3A. Ró¿nica zawartoœci alkaliów wynosi 29,7 % w przypadku
popio³ów P1A i P3A. Frakcja popio³ów o uziarnieniu w zakresie 16 ÷ 32 µm wykazuje
mniejsz¹ zawartoœæ alkaliów. Ró¿nica zawartoœci alkaliów wynosi 40,7 % dla popio³ów P1B i P3B. Tak znaczne zmiany koncentracji alkaliów dla tej samej frakcji
ziarnowej popio³ów, ale z ró¿nej sekcji elektrofiltru, wskazuj¹ na zmianê struktury
szk³a, potwierdzon¹ badaniami IR, MAS-NMR i DTA/DSC [7, 8]. Wyniki tych badañ
dowodz¹, ¿e ta sama frakcja ziarnowa popio³ów, ale wychodz¹ca z kolejnej sekcji
elektrofiltru wykazuje ni¿szy stopieñ polimeryzacji anionów szk³otwórczych [SiO4]4w szkle, czego konsekwencj¹ jest wzrost aktywnoœci szk³a.
Rys.3. Dyfraktogram XRD frakcji ziarnowych popio³ów lotnych, Q-kwarc, M-mullit:
P1 i P3 – popio³y z 1 i 3 sekcji elektrofiltru, A i B – frakcja ziarnowa 0 ÷ 16 i 16 ÷ 32 μm
Fig.3. X-ray diffraction pattern of size fractions of fly ashes, Q-quartz, M-mullite:
55
Rys.4. Intensywnoœæ refleksu dyfrakcyjnego kwarcu (26,6°2θ⋅ CuKα ) na dyfraktogramach XRD
frakcji ziarnowych popio³ów lotnych:
Fig.4. Intensity of quartz peak (26,6°2θ CuKα ) on X-ray diffraction patterns
of size fractions of fly ashes:
Wyniki analizy rentgenograficznej wskazuj¹, ¿e w sk³adzie fazowym poszczególnych
frakcji ziarnowych popio³ów lotnych wystêpuj¹ dwa sk³adniki krystaliczne: β-kwarc
(SiO2) i mullit (rys. 3). Mimo porównywalnego sk³adu chemicznego tej samej frakcji
ziarnowej popio³ów, udzia³ szk³a i kwarcu nie jest stabilny i zmienia siê w zale¿noœci
od sekcji elektrofiltru. Popio³y o uziarnieniu 0 ÷ 16 μm daj¹ refleks kwarcu o mniejszej intensywnoœci, co œwiadczy o mniejszym udziale kwarcu w tych popio³ach
(rys. 4). Najmniejsz¹ intensywnoœæ refleksu kwarcu, a tym samym najmniejszy udzia³
tego sk³adnika krystalicznego, wykazuj¹ popio³y P3A. Równoczeœnie najwiêksza
szerokoœæ tego refleksu dowodzi o najmniejszej wielkoœæ krystalitów w popio³ach
56
Ewelina Tkaczewska
P3A. Ze wzrostem uziarnienia popio³ów, udzia³ kwarcu wzrasta. Najwiêksz¹ iloœæ
kwarcu notuje siê dla popio³ów P1B (rys.4). Wyniki badañ rentgenograficznych
wskazuj¹, ¿e ze spadkiem intensywnoœci refleksu kwarcu (26,6°2θ CuKα ) zmienia siê
intensywnoœæ t³a (14 ÷ 40° 2θ CuKα ) (rys. 3). Wzrost intensywnoœci t³a dla tej samej
frakcji ziarnowej popio³ów, ale z kolejnej sekcji elektrofiltru, œwiadczy o wiêkszym
udziale szk³a. Popio³y P3A, daj¹ dwukrotnie wiêksze podniesienie t³a ni¿ popio³y
P1A. Popio³y o uziarnieniu w zakresie 16 ÷ 32 µm wykazuj¹ mniejszy stopieñ zeszklenia, który przyjmuje najmniejsz¹ wartoœæ dla popio³ów P1B. Spadek udzia³u
kwarcu kosztem wzrastaj¹cej iloœci amorficznego SiO2 równie¿ wskazuje na zmianê
struktury szk³a, potwierdzon¹ w pracach [7, 8].
Wyniki oznaczeñ aktywnoœci pucolanowej poszczególnych frakcji ziarnowych popio³ów lotnych zgodnie z norm¹ ASTM C 379-65 podano w tablicy 6. Pucolanowoœæ
tej samej frakcji ziarnowej popio³ów wzrasta z kolejn¹ sekcj¹ elektrofiltru. Wi¹¿e siê
to ze wzrostem stopnia zeszklenia popio³ów oraz ze zmian¹ struktury szk³a. Najwiêksz¹ sumaryczn¹ zawartoœæ aktywnych sk³adników (SiO2akt i Al2O3akt) wykazuj¹ popio³y P3A (32,5 % (m/m)). Pucolanowoœæ popio³ów P3A jest o 43,8 % wiêksza ni¿
popio³ów P1A. To zró¿nicowanie aktywnoœci pucolanowej tej samej frakcji ziarnowej popio³ów, ale z ró¿nej sekcji elektrofiltru, jest wynikiem zmiennej zawartoœci
szk³a oraz ró¿nej jego struktury. Aktywnoœæ pucolanowa popio³ów o grubszym uziarnieniu jest ponad dwukrotnie mniejsza. Dla popio³ów P1B i P3B, ró¿nica pucolanowoœci wynosi 45,5 %. Tak niska aktywnoœæ pucolanowa popio³ów P1B (9,9 % (m/m))
powoduje, ¿e odgrywaj¹ one g³ównie rolê mikrowype³niacza w zaczynie cementowym.
Tablica 6. Aktywnoœæ pucolanowa frakcji ziarnowych popio³ów lotnych:
Table 6. Pozzolanic activity of size fractions of fly ashes:
Aktywny
sk³adnik
chemiczny*)
P1A
P1B
P3A
P3B
SiO2akt
13,1
5,7
18,9
8,3
Al2O3akt
9,5
4,2
13,6
6,1
SiO2akt + Al2O3akt
22,6
9,9
32,5
14,4
*)
oznaczono wed³ug ASTM C 379-65
57
3. PROGRAM I METODY BADAÑ
Celem badañ by³a ocena w³aœciwoœci cementów z dodatkiem ró¿nych frakcji ziarnowych krzemionkowych popio³ów lotnych z wêgla kamiennego. Cement portlandzki
(symbol C) otrzymano przez wspólny przemia³ przemys³owego klinkieru portlandzkiego i gipsu. Cementy popio³owe uzyskano przez zmieszanie wzorcowego cementu
portlandzkiego i poszczególnych frakcji ziarnowych popio³ów lotnych w iloœci 20 i
40 % w stosunku do masy cementu. Sk³ad cementów podano w tablicy 7.
Ocenê procesu hydratacji cementów oparto na wynikach badañ iloœci ciep³a i kinetyki
jego wydzielania w pocz¹tkowym okresie hydratacji, zawartoœci Ca(OH)2 oraz stopnia hydratacji alitu (C3S). Kinetykê wydzielania ciep³a hydratacji zbadano w nieizotermiczno-nieadiabatycznym mikrokalorymetrze ró¿nicowym typu BMR,
skonstruowanym w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie. Badania przeprowadzono w temperaturze 25 °C na próbkach zaczynów cementowych o sta³ym
stosunku w/c = 0,3. Zawartoœæ Ca(OH)2 okreœlono metod¹ analizy termicznej
(DTA/TG/DTG). Badania wykonano na aparacie Derivatograph OD 102 produkcji
wêgierskiej. Ocenê stopnia hydratacji alitu dokonano w oparciu o analizê zawartoœci
nieprzereagowanego alitu w zaczynach cementowych, przeprowadzon¹ w aparacie
rentgenowskim PANALYTICAL XPERT-PRO. Wynikiem pomiarów by³ zapis zale¿noœci intensywnoœci ugiêtego promieniowania rentgenowskiego I, wyra¿onej iloœci¹
zliczeñ, od k¹ta jego ugiêcia 2θ w zakresie 5 ÷ 70°.
Tablica 7. Sk³ad cementów z dodatkiem frakcji ziarnowych popio³ów lotnych:
Table 7. Composition of cements containing size fractions of fly ashes:
Zawartoœæ popio³ów lotnych w cementach [% m.c.]
Rodzaj
cementu
Pow. Blaine’a
[m2/kg]
P1A
P1B
P3A
P3B
C
350
–
–
–
–
C20P1A
400
20
–
–
–
C40P1A
440
40
–
–
–
C20P1B
340
–
20
–
–
C40P1B
320
–
40
–
–
C20P3A
430
–
–
20
–
C40P3A
510
–
–
40
–
C20P3B
350
–
–
–
20
C40P3B
360
–
–
–
40
58
Ewelina Tkaczewska
Program badañ w³aœciwoœci cementów obejmowa³ badania pocz¹tku czasu wi¹zania,
wytrzyma³oœci na œciskanie, mikrostruktury oraz odpornoœci na korozyjne oddzia³ywanie œrodowiska chemicznego. Pocz¹tek czasu wi¹zania cementów okreœlono na zaczynach o konsystencji normowej, zgodnie z norm¹ PN-EN 196-3. Badania wytrzyma³oœci
na œciskanie cementów przeprowadzono zgodnie z procedur¹ normy PN-EN 196-1, na
beleczkach 25 × 25 × 100 mm z zaprawy normowej, zawieraj¹cej 1 czêœæ masy cementu i 3 czêœci masy piasku normowego, przy sta³ym stosunku w/c = 0,5. Do obserwacji
mikrostruktury stwardnia³ych zaczynów cementowych wykorzystano mikroskop elektronowy skaningowy JEOL JSM-5400, wyposa¿ony w przystawkê do analizy chemicznej w mikroobszarach (SEM-EDS). Do analizy struktury porów w zaczynach
zastosowano porozymetr rtêciowy Porosimetry Series 2000 model 65-65/a70 firmy
Carlo Erba Strumentazione.
4. WYNIKI BADAÑ I ANALIZA
4.1. PROCES HYDRATACJI CEMENTÓW
4.1.1. Kinetyka wydzielania ciep³a w pocz¹tkowym okresie hydratacji
Wyniki badañ szybkoœci wydzielaj¹cego siê ciep³a w miarê postêpu procesu hydratacji cementów, wykreœlone w postaci krzywych mikrokalorymetrycznych, przedstawiono na rysunkach 5 - 6. Wyniki oznaczeñ iloœci ciep³a hydratacji po 24 i 72
godzinach podano w tablicy 8.
Badania mikrokalorymetryczne wykaza³y, ¿e ta sama iloœæ danej frakcji ziarnowej
popio³ów lotnych, ale z kolejnej sekcji elektrofiltru, skraca czas trwania okresu indukcji hydratacji (rys. 5 - 6). Cement C20P3A wykazuje najkrótszy czas trwania okresu
indukcji, o 3 godziny krótszy ni¿ cementu wzorcowego (rys. 6). Tak znaczne skrócenie czasu trwania okresu indukcji hydratacji œwiadczy o korzystnym wp³ywie popio³ów P3A na hydratacjê cementu, a w szczególnoœci na stopieñ hydratacji alitu. W
przypadku cementu C20P1B notuje siê najd³u¿szy czas trwania okresu indukcji, o 2
godziny d³u¿szy ni¿ cementu wzorcowego (rys. 5). Wynika to z czêœciowego
zast¹pienia cementu o du¿ej aktywnoœci hydraulicznej materia³em mniej aktywnym o
bardzo niskiej aktywnoœci pucolanowej.
Przy dodatku 20 % popio³ów o uziarnieniu 0 ÷ 16 μm, maksymalna szybkoœæ wydzielania ciep³a hydratacji cementu ulega obni¿eniu o oko³o 20,3 % dla popio³ów P1A i o
oko³o 11,3 % dla popio³ów P3A. Natomiast przy dodatku 20 % popio³ów o uziarnieniu w zakresie 16 ÷ 32 μm, maksymalna szybkoœæ wydzielania ciep³a hydratacji cementu jest wyraŸnie ni¿sza, a ró¿nica w stosunku do cementu wzorcowego wynosi
oko³o 59,9 % dla popio³ów P1B i oko³o 42,7 % dla popio³ów P3B.
59
Rys.5. Krzywe szybkoœci wydzielania ciep³a hydratacji cementów z dodatkiem frakcji
ziarnowych popio³ów lotnych z 1 sekcji elektrofiltru: A i B – frakcja ziarnowa 0 ÷ 16 i 16 ÷ 32 μm
Fig.5. Calorimetric curves of cements containing size fractions of fly ashes from 1st hopper
in electrostatic precipitator system: A and B – size fraction of 0 ÷ 16 and 16 ÷ 32 μm
Rys.6. Krzywe szybkoœci wydzielania ciep³a hydratacji cementów z dodatkiem frakcji
ziarnowych popio³ów lotnych z 3 sekcji elektrofiltru: A i B – frakcja ziarnowa 0 ÷ 16 i 16 ÷ 32 μm
Fig.6. Calorimetric curves of cements containing size fractions of fly ashes from 3rd hopper
in electrostatic precipitator system: A and B – size fraction of 0 ÷ 16 and 16 ÷ 32 μm
60
Ewelina Tkaczewska
Iloœæ ciep³a hydratacji cementu C20P3A jest porównywalna do cementu wzorcowego
(tabl. 8). Po 24 godzinach, kalorycznoœæ cementu C20P3A jest o 4,2 % mniejsza ni¿
cementu wzorcowego. Natomiast po 72 godzinach, ró¿nica iloœci ciep³a hydratacji
pomiêdzy tymi cementami maleje do poziomu 1,4 %. Kalorycznoœæ cementu C20P1A
jest zdecydowanie ni¿sza ni¿ cementu C20P3A. Najwy¿szy spadek iloœci ciep³a hydratacji notuje siê dla cementu C20P1B. Przy dodatku 20 % popio³ów P1B, spadek
iloœci wydzielonego ciep³a wynosi 34,1 i 34,5 %, odpowiednio po 24 i 72 godzinach.
Tablica 8. Ciep³o hydratacji cementów z dodatkiem frakcji ziarnowych popio³ów
lotnych: P1 i P3 – popio³y z 1 i 3 sekcji elektrofiltru,
Table 8. Heat of hydration of cements containing size fractions of fly ashes:
Rodzaj cementu
Ciep³o hydratacji cementów w [kJ/kg] po up³ywie ... [h]
24
72
C
167
215
C20P1A
140
181
C40P1A
118
150
C20P1B
110
141
C40P1B
62
104
C20P3A
160
212
C40P3A
153
206
C20P3B
129
170
C40P3B
102
130
Krótszy czas trwania okresu indukcji oraz wzrost iloœci ciep³a hydratacji cementu zawieraj¹cego tê sam¹ iloœæ danej frakcji ziarnowej popio³ów, ale z kolejnej sekcji elektrofiltru jest konsekwencj¹ wzrastaj¹cej aktywnoœci pucolanowej tych popio³ów,
determinowan¹ zmian¹ struktury szk³a. Wzrost iloœci wprowadzonego dodatku powoduje znaczne wyd³u¿enie okresu indukcji i dalszy spadek iloœci wydzielonego
ciep³a hydratacji.
4.1.2. Zawartoœæ Ca(OH)2
Wyniki oznaczeñ zawartoœci Ca(OH)2 w zaczynach cementowych po 2, 28, 90 i 180
dniach przedstawiono w tablicy 9. We wszystkich zaczynach z cementów popio³owych, poza zaczynem zawieraj¹cym popio³y P1B, zawartoœæ Ca(OH)2 wzrasta
do 28 dnia, po czym stopniowo maleje, mimo i¿ proces hydratacji faz krzemianowych
cementu wci¹¿ postêpuje. Po 28 dniach, zawartoœæ Ca(OH)2 w zaczynie C40P3A jest
o 77,9 % mniejsza ni¿ w zaczynie z cementu wzorcowego, natomiast w zaczynie
61
C20P1B – ró¿nica ta wynosi tylko 21,4 %. Po 180 dniach, spadek zawartoœci Ca(OH)2
w zaczynach zawieraj¹cych 20 % popio³ów o uziarnieniu 0 ÷ 16 μm wynosi 53,3 %
dla popio³ów P1A i 66,9 % dla popio³ów P3A. W obecnoœci popio³ów P1B zawartoœæ
Ca(OH)2 w zaczynach zaczyna maleæ dopiero po 90 dniach. Po 180 dniach, zawartoœæ
Ca(OH)2 w zaczynie C20P1B jest 33,1 % mniejsza ni¿ w zaczynie z cementu wzorcowego.
Tablica 9. Zawartoœæ Ca(OH)2 w cementach z dodatkiem frakcji ziarnowych
popio³ów lotnych: P1 i P3 – popio³y z 1 i 3 sekcji elektrofiltru,
A i B – frakcja ziarnowa 0 ÷16 i 16 ÷32 μm
Table 9. Content of Ca(OH)2 in cements containing size fractions of fly ashes:
Rodzaj cementu
Zawartoœæ Ca(OH)2 w cementach w [% (m/m)] po up³ywie ... [dni]:
2
28
90
180
C
14,56
22,57
23,64
24,66
C20P1A
9,80
14,07
13,25
11,52
C40P1A
6,46
7,99
7,52
5,54
C20P1B
11,54
17,74
18,08
16,49
C40P1B
8,46
12,86
13,11
7,88
C20P3A
7,82
10,55
8,97
8,16
C40P3A
3,96
4,99
3,28
2,38
C20P3B
10,53
14,17
10,91
9,49
C40P3B
6,44
7,37
5,98
4,02
Zmniejszenie zawartoœci Ca(OH)2 w zaczynach z dodatkiem popio³ów jest spowodowane nie tylko „rozcieñczeniem” cementu w spoiwie, ale równie¿ zachodz¹c¹ reakcj¹
pucolanow¹. Najwiêksz¹ iloœæ Ca(OH)2 zwi¹zanego w reakcji pucolanowej, po
uwzglêdnieniu procentowej zawartoœci cementu w spoiwie, wykazuj¹ zaczyny z dodatkiem popio³ów P3A, a najmniejsz¹ – popio³ów P1B (tabl.10). Efekt pucolanowy
od popio³ów o uziarnieniu 0 ÷ 16 μm – niezale¿nie od sekcji elektrofiltru – zaznacza
siê po 2 dniach, natomiast od popio³ów o uziarnieniu 16 ÷ 32 μm jest rozci¹gniêty w
czasie – od 28 dnia dla popio³ów P3B do 180 dnia dla popio³ów P1B. Po 2 dniach,
iloœæ Ca(OH)2 zwi¹zanego w reakcji pucolanowej w zaczynie C40P3A wynosi a¿
4,78 % i jest ponad dwukrotnie wiêksza ni¿ w zaczynie C40P1A. Po 180 dniach, iloœæ
Ca(OH)2 zwi¹zanego w reakcji pucolanowej w zaczynie C40P3A wynosi a¿ 12,42 %.
W przypadku zaczynów zawieraj¹cych popio³y P1B, iloœæ Ca(OH)2 zwi¹zanego w reakcji pucolanowej wzrasta znacz¹co dopiero w okresie pomiêdzy 90 do 180 dniem.
Po 180 dniach, iloœæ Ca(OH)2 zwi¹zanego w reakcji pucolanowej w zaczynie C40P1B
wynosi 6,92 % i jest ponad po³owê ni¿sza ni¿ w zaczynie C40P3A.
62
Ewelina Tkaczewska
Tablica 10. Zawartoœæ Ca(OH)2 zwi¹zanego w reakcji pucolanowej w cementach
z dodatkiem frakcji ziarnowych popio³ów lotnych:
P1 i P3 – popio³y z 1 i 3 sekcji elektrofiltru, A i B – frakcja ziarnowa 0 ÷16 i 16 ÷32 μm
Table 10. Content of Ca(OH)2 consumed in pozzolanic reaction during hydration of
cements containing size fractions of fly ashes:
Rodzaj cementu
Zawartoœæ Ca(OH)2 zwi¹zanego w reakcji pucolanowej w [% (m/m)]
po up³ywie ... [dni]:
2
28
90
180
C
–
–
–
–
C20P1A
1,85
3,98
5,66
8,21
C40P1A
2,28
5,55
6,66
9,26
C20P1B
0,11
0,32
0,83
3,24
C40P1B
0,28
0,68
1,17
6,92
C20P3A
3,83
7,51
9,94
11,57
C40P3A
4,78
8,55
10,90
12,42
C20P3B
1,12
3,89
8,00
10,24
C40P3B
2,30
6,17
8,30
10,78
Wzrost iloœci Ca(OH)2 zwi¹zanego w reakcji pucolanowej z udzia³em popio³ów z kolejnej sekcji elektrofiltru, a tym samym wyraŸny spadek zawartoœci Ca(OH)2 w zaczynach, jest konsekwencj¹ wzrastaj¹cej aktywnoœci pucolanowej tych popio³ów, a
wzrost ten determinuje zmieniaj¹ca siê struktura szk³a.
4.1.3. Stopieñ hydratacji alitu (C3S) zawartego w cemencie
Stopieñ hydratacji alitu oceniono w oparciu o analizê zawartoœci nieprzereagowanego
alitu w zaczynach cementowych, za miarê której przyjêto intensywnoœæ refleksu dyfrakcyjnego alitu o wartoœci d hkl = 0,2604 nm (co odpowiada 34,4° 2θ dla promieniowania CuKα ). Wyniki oznaczeñ podano w tablicy 11.
Badania XRD dowodz¹, ¿e przy tym samym dodatku danej frakcji ziarnowej popio³ów, ale z kolejnej sekcji elektrofiltru, intensywnoœæ refleksu alitu wyraŸnie maleje, co nale¿y wi¹zaæ ze wzrostem stopnia hydratacji tego sk³adnika mineralnego w
cemencie (tabl. 11). W obecnoœci popio³ów P3A, intensywnoœæ refleksu alitu jest najni¿sza. Po 28 dniach, spadek intensywnoœci refleksu alitu w zaczynie C40P3A wynosi
55,7 % w stosunku do zaczynu z cementu wzorcowego. Po 180 dniach ró¿nica ta siêga
60 %. Przy dodatku 40 % popio³ów P1A, intensywnoœci refleksu alitu maleje o 40,4 i
42,7 %, odpowiednio po 28 i 180 dniach.
63
Tablica 11. Intensywnoœæ refleksu dyfrakcyjnego alitu na dyfraktogramie XRD
cementów z dodatkiem frakcji ziarnowych popio³ów lotnych:
Table 11. Intensity of alite diffraction peak in X-ray diffraction pattern
of cements containing size fractions of fly ashes:
Intensywnoœæ refleksu dyfrakcyjnego C3S (34,4° 2θ Cu Kα )
po up³ywie ... [dni]
Rodzaj cementu
28
180
[zliczenia]
[%]
[zliczenia]
[%]
C
203
100,0
150
100,0
C20P1A
162
79,8
100
66,7
C40P1A
121
59,6
86
57,3
C20P1B
179
88,2
111
74,0
C40P1B
154
75,9
95
63,3
C20P3A
113
55,7
76
50,7
C40P3A
90
44,3
60
40,0
C20P3B
136
67,0
92
61,3
C40P3B
108
53,2
73
48,7
Ze spadkiem mia³koœci popio³ów, intensywnoœæ refleksu alitu wzrasta, przyjmuj¹c
najwy¿sz¹ wartoœæ dla zaczynów z dodatkiem popio³ów P1B. Po 28 dniach, intensywnoœæ refleksu alitu w zaczynach C40P1B i C40P3B maleje w stosunku do zaczynu z
cementu wzorcowego, odpowiednio o 24,1 i 46,8 %. Po 180 dniach, ró¿nica ta siêga
36,7 i 51,3 %.
Badania XRD zaczynów pozostaj¹ w zgodzie z wynikami analizy DTA/TG/DTG i
potwierdzaj¹ wp³yw struktury szk³a popio³ów lotnych o tym samym zakresie ziarnowym na zawartoœæ nieprzereagowanego alitu w zaczynie cementowym. Wzrost stopnia hydratacji alitu w zaczynach zawieraj¹cych tê sam¹ iloœæ danej frakcji ziarnowej
popio³ów wi¹¿e siê nie tylko ze spadkiem zawartoœci Ca(OH)2 na skutek „rozcieñczenia” cementu, ale równie¿ z przebiegiem reakcji pucolanowej.
64
Ewelina Tkaczewska
4.2. W£AŒCIWOŒCI FIZYCZNE CEMENTU
4.2.1. Pocz¹tek czasu wi¹zania
Wyniki badañ w³aœciwej iloœci wody i pocz¹tku czasu wi¹zania cementów zestawiono w tablicy 12. Wprowadzenie popio³ów lotnych do sk³adu cementu – niezale¿nie od
sekcji elektrofiltru – powoduje wzrost iloœci wody koniecznej do otrzymania zaczynu
o konsystencji normowej. Przy dodatku 20 % popio³ów o uziarnieniu 0 ÷ 16 μm, iloœæ
wody wzrasta o 8,2 % dla popio³ów P1A i o 4,7 % dla popio³ów P3A. Przy dodatku 20 %
popio³ów o uziarnieniu w zakresie 16 ÷ 32 μm, iloœæ wody zwiêksza siê o 11,7 % dla popio³ów P1B i o 8,2 % dla popio³ów P3B. Im wiêksza iloœæ wprowadzonego dodatku popio³ów lotnych, tym wiêksza iloœæ wody koniecznej do otrzymania zaczynu o
konsystencji normowej.
Tablica 12. Pocz¹tek czasu wi¹zania cementów z dodatkiem frakcji ziarnowych
Table 12. Beginning of setting time of cements containing size fractions
of fly ashes: P1 and P3 – fly ashes from 1st and 3rd hopper in electrostatic
precipitator system, A and B – size fraction of 0 ÷ 16 and 16 ÷ 32 μm
Rodzaj cementu
Iloœæ wody [%]
Pocz¹tek czasu wi¹zania cementów [min]
C
25,6
110
C20P1A
27,7
135
C40P1A
29,2
180
C20P1B
28,6
175
C40P1B
30,1
220
C20P3A
26,8
115
C40P3A
28,0
150
C20P3B
27,7
155
C40P3B
28,9
185
Wyniki badañ pokazuj¹, ¿e obecnoœæ popio³ów lotnych powoduje wyd³u¿enie
pocz¹tku czasu wi¹zania cementu (tabl. 12). Przy tym samym dodatku popio³ów,
wyd³u¿enie pocz¹tku czasu wi¹zania jest tym mniejsze, im drobniejsze s¹ popio³y i im
wy¿sza jest ich aktywnoœæ pucolanowa. Przy dodatku 20 % popio³ów o uziarnieniu
0 ÷ 16 μm, pocz¹tek czasu wi¹zania jest d³u¿szy o 22,7 % dla popio³ów P1A i o 4,5 %
dla popio³ów P3A. Przy dodatku 20 % popio³ów o uziarnieniu 16 ÷ 32 μm, ró¿nica
pocz¹tku czasu wi¹zania wynosi 59,1 % dla popio³ów P1B i 40,9 % dla popio³ów
P3B. Ze wzrostem iloœci wprowadzonego dodatku pocz¹tek czasu wi¹zania ulega dalszemu wyd³u¿eniu, nawet dwukrotnemu w przypadku cementu C40P1B. Zró¿nicowanie pocz¹tków czasu wi¹zania cementów, przy tym samym dodatku danej frakcji
ziarnowej popio³ów lotnych, jest konsekwencj¹ ró¿nej szybkoœci procesu hydratacji.
65
4.2.2. W³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe
Badania wytrzyma³oœci na œciskanie cementów przeprowadzono po 2, 28, 90 i 180
dniach. Wynikiem pomiaru by³a œrednia arytmetyczna z szeœciu wartoœci wytrzyma³oœci na œciskanie, oznaczonych na komplecie trzech beleczek z³amanych w czasie
badania wytrzyma³oœci na zginanie. Wyniki badañ zestawiono w tablicy 13.
Tablica 13. Wytrzyma³oœæ na œciskanie cementów z dodatkiem frakcji ziarnowych
Table 13. Compressive strength of cements containing size fractions of fly ashes:
Wytrzyma³oœæ na œciskanie w [MPa]
Wytrzyma³oœæ w [%] cementu wzorcowego po up³ywie ... [dni]:
Rodzaj cementu
2
28
90
180
[MPa]
[%]
[MPa]
[%]
[MPa]
[%]
[MPa]
[%]
C
24,6
100,0
44,7
100,0
54,4
100,0
60,2
100,0
C20P1A
17,2
69,9
36,8
82,3
51,3
94,3
60,5
100,5
C40P1A
15,2
61,8
32,6
72,9
48,2
88,6
55,2
91,7
C20P1B
14,5
70,7
32,5
72,7
41,4
76,1
50,7
84,2
C40P1B
12,8
41,5
19,5
43,6
28,4
44,5
36,8
61,1
C20P3A
24,4
99,2
52,6
117,7
68,0
125,0
79,4
131,9
C40P3A
20,2
82,1
49,7
111,2
64,7
118,9
74,3
123,4
C20P3B
18,9
76,8
37,8
84,6
49,9
91,7
56,7
94,2
C40P3B
13,2
53,7
28,6
64,0
42,0
76,8
49,7
82,6
Wyniki badañ dowodz¹, ¿e wytrzyma³oœæ cementów popio³owych jest zró¿nicowana,
co jest konsekwencj¹ ró¿nej mia³koœci oraz ró¿nej aktywnoœci pucolanowej popio³ów. Przy tym samym dodatku popio³ów, wy¿sze wartoœci wytrzyma³oœci osi¹ga
cement zawieraj¹cy popio³y o drobniejszym uziarnieniu.
Po 2 dniach, przy dodatku 20 % popio³ów o uziarnieniu 0 ÷ 16 μm, wytrzyma³oœæ cementu maleje o 30,1 % dla popio³ów P1A i o 0,8 % dla popio³ów P3A. Po 28 dniach,
wytrzyma³oœæ cementu C20P3A jest o 17,7 % wiêksza ni¿ wytrzyma³oœæ cementu
wzorcowego. Natomiast wytrzyma³oœæ 28-dniowa cementu C20P1A jest wci¹¿
mniejsza ni¿ cementu wzorcowego, a ró¿nica wynosi 17,5 %. Po 180 dniach, wytrzyma³oœæ cementu C20P1A jest zbli¿ona do cementu wzorcowego, natomiast wytrzyma³oœci cementu C20P3A jest o 31,9 % wiêksza. Popio³y P1A powoduj¹ spadek
wytrzyma³oœci cementu, ale jest on mniejszy ni¿ to wynika z „rozcieñczenia” cementu. Wzrost wytrzyma³oœæ cementu z dodatkiem popio³ów P3A nale¿y wi¹zaæ z wy¿szym stopniem przereagowania alitu, a tym samym z wy¿sz¹ zawartoœci¹ C-S-H.
66
Ewelina Tkaczewska
Wytrzyma³oœæ cementu z dodatkiem popio³ów o uziarnieniu w zakresie 16 ÷ 32 μm –
niezale¿nie od sekcji elektrofiltru – jest mniejsza ni¿ cementu wzorcowego. Po 2
dniach, dodatek 20 % popio³ów P1B i P3B obni¿a wytrzyma³oœæ cementu, odpowiednio o 29,3 i 23,2 %. W miarê up³ywu czasu, ró¿nica pomiêdzy wytrzyma³oœci¹ tych
cementów popio³owych a wytrzyma³oœci¹ cementu wzorcowego maleje, osi¹gaj¹c po
28 dniach wartoœci odpowiednio 27,3 i 15,4 %, a po 180 dniach – odpowiednio 15,8 i
5,8 %. W obecnoœci popio³ów o grubszym uziarnieniu z tej samej sekcji elektrofiltru,
wytrzyma³oœæ wczesna cementu ulega wiêkszemu obni¿eniu ni¿ to wynika z „rozcieñczenia”, ale w miarê up³ywu czasu wartoœæ tego maleje blisko dwukrotnie dla cementu C20P1B i blisko czterokrotnie dla cementu C20P3B.
Wyniki badañ wytrzyma³oœci wskazuj¹, ¿e przy dodatku 20 % popio³ów P1A mo¿na
otrzymaæ cement CEM II/A-V 32,5R, a przy dodatku 20 % popio³ów P3A – cement
CEM II/A-V 52,5N. Ten sam dodatek popio³ów o uziarnieniu 16 ÷ 32 μm – niezale¿nie od sekcji elektrofiltru – daje cement CEM II/A-V 32,5R. Przy dodatku 40 % popio³ów P1A uzyskuje siê cement CEM IV/A-V 32,5R, natomiast przy tej samej iloœci
popio³ów P3A – cement CEM IV/A-V 42,5R. Wprowadzenie do sk³adu cementu popio³ów o uziarnieniu w zakresie 16 ÷ 32 μm w iloœci 40 % – niezale¿nie od sekcji elektrofiltru – pozwala otrzymaæ cement o niskiej wytrzyma³oœci wczesnej i niskiej
wytrzyma³oœci 28-dniowej (< 32,5 MPa).
Zró¿nicowanie wytrzyma³oœci cementów potwierdzaj¹ wartoœci wskaŸników aktywnoœci pucolanowej popio³ów, okreœlone po 28 i 90 dniach, zgodnie z norm¹ PN-EN
450-1 (tabl. 14). Wartoœæ wskaŸników aktywnoœci pucolanowej dla tej samej frakcji
ziarnowej popio³ów, ale z kolejnej sekcji elektrofiltru, wyraŸnie wzrasta. WskaŸniki
aktywnoœci pucolanowej popio³ów o uziarnieniu 0 ÷ 16 μm – niezale¿nie od sekcji
elektrofiltru – osi¹gaj¹ 75 i 85 %, odpowiednio po 28 i 90 dniach. W przypadku popio³ów o uziarnieniu w zakresie 16 ÷ 32 μm, tylko popio³y P3B osi¹gaj¹ minimalne
wartoœci wskaŸników aktywnoœci pucolanowej.
Tablica 14. WskaŸniki aktywnoœci pucolanowej frakcji popio³ów lotnych:
Table 14. Pozzolanic activity indexes of size fractions of fly ashes:
WskaŸnik
aktywnoœci
pucolanowej*)
Wartoœæ wskaŸników aktywnoœci pucolanowej popio³ów lotnych [%]
P1A
P1B
P3A
P3B
po 28 dniach
89,9
64,7
113,2
80,8
po 90 dniach
92,8
70,0
120,6
89,7
*)
oznaczona wed³ug PN-EN 450-1:2006 wytrzyma³oœæ cementu porównawczego CEM I 42,5R
wynosi³a 44,7 MPa po 28 dniach i 54,4 MPa po 90 dniach
67
4.3. MIKROSTRUKTURA STWARDNIA£YCH
ZACZYNÓW CEMENTOWYCH
Mikrostrukturê stwardnia³ych zaczynów cementowych zbadano po 28 i 180 dniach.
W badaniach SEM-EDS szczególn¹ uwagê zwrócono na typ powstaj¹cej fazy C-S-H
oraz strukturê por w stwardnia³ej matrycy cementowej. Zdjêcia mikrostruktury zaczynów z dodatkiem popio³ów P1A i P3A zaprezentowano na rysunkach 7 - 10.
Wyniki badañ wp³ywu popio³ów lotnych na mikrostrukturê zaczynu dowodz¹ o zró¿nicowanym stopniu przereagowania ziaren popio³ów z Ca(OH)2. W zaczynie zawieraj¹cym popio³y P1A widaæ wzrost iloœci nieprzereagowanych ziaren popio³ów w
porównaniu z popio³ami P3A. W zaczynach z dodatkiem popio³ów o uziarnieniu w
zakresie 16 ÷ 32 μm obserwuje siê wiêksz¹ iloœæ kryszta³ów Ca(OH)2, jednak w miarê
up³ywu czasu zwiêksza siê przereagowanie tych popio³ów na nowe produkty jak
C-S-H i hydrogranaty. Nie stwierdzono zasadniczych ró¿nic przy 20 i 40 % dodatku
popio³ów lotnych.
Rys.7. Widoczny amorficzny C-S-H oraz
znaczna iloœæ nieprzereagowanych
lub czêœciowo przereagowanych
ziaren popio³ów lotnych w C40P1A
po 28 dniach. SEM
Fig.7. Amorphous C-S-H and reacted
or partially reacted grains of fly ashes
in C40P1A after 28 days. SEM
Wyniki badañ mikroporowatoœci dowodz¹, ¿e ju¿ po 28 dniach zaczyny zawieraj¹ce
popio³y P3A wykazuj¹ wiêksz¹ objêtoœæ porów ¿elowych (D < 10 nm) ni¿ zaczyn z
cementu wzorcowego, a ró¿nica objêtoœci tych porów, przy 40 % udziale dodatku,
wynosi 18,9 %. Po 180 dniach, udzia³ porów ¿elowych w porowatoœci ca³kowitej zaczynu C40P3A siêga 72,5 % (v/v). Dodatek popio³ów zmniejsza objêtoœæ makroporów (D > 1000 nm) w zaczynie. Po 180 dniach, udzia³ makroporów w zaczynie
C20P3A jest dwunastokrotnie mniejszy ni¿ w zaczynie z cementu wzorcowego. Œrednia wielkoœæ porów w zaczynach z cementów popio³owych jest tym mniejsza, im
drobniejsze s¹ popio³y i im wiêksza jest ich aktywnoœæ pucolanowa.
68
Ewelina Tkaczewska
a)
b)
69
c)
Rys.8. a) Du¿e skupienia C-S-H i znacznie przereagowane ma³e ziarna popio³ów w C20P3A
po 28 dniach. SEM; b) analiza C-S-H w pkt 1. EDS; c) analiza C-S-H w pkt 2. EDS
Fig.8. a) Great agglomeration of C-S-H and reacted grains of fly ashes in C20P3A after 28
days. SEM; b) analysis of C-S-H in point 1. EDS; c) analysis of C-S-H in point 2. EDS
Rys.9. Zwarty ¿el C-S-H oraz prawdopodobnie
hydrogranaty w C40P3A po 28 dniach. SEM
Fig.9. Compact of gel C-S-H and probably
hydrogarnets in C40P3A after 28 days. SEM
70
Ewelina Tkaczewska
Rys.10. Widoczny zwarty ¿el C-S-H
typu IV Diamonda w zaczynie C40P3A
po 28 dniach. SEM
Fig.10. Compact of gel C-S-H Type IV
according to Diamond in C40P3A
after 28 days. SEM
4.4. ODPORNOŒÆ NA KOROZJÊ SIARCZANOW¥
ZAPRAW CEMENTOWYCH
4.4.1. Uwagi ogólne
Badania odpornoœci na korozjê siarczanow¹ wykonano na cementach zawieraj¹cych
poszczególne frakcje ziarnowe popio³ów lotnych w iloœci 40 % w stosunku do masy
cementu. Odpornoœæ korozyjn¹ cementów okreœlono mierz¹c ekspansjê oraz wytrzyma³oœæ zapraw cementowych dojrzewaj¹cych w roztworze Na2SO4. Badania mikrostruktury przeprowadzono na zaprawach cementowych po 2 latach dojrzewania w
roztworze korozyjnym.
4.4.2. Ekspansja zapraw cementowych poddanych dzia³aniu
roztworu Na2SO4
Wyniki pomiarów ekspansji zapraw cementowych poddanych dzia³aniu roztworu
Na2SO4 (stê¿enie SO42– = 16,0 ± 0,5 g/l) przedstawiono w tablicy 15. Przyk³adowe
zdjêcia belek z zapraw cementowych pokazano na rysunkach 11 - 15.
Najwiêksz¹ ekspansjê wykazuje zaprawa z cementu wzorcowego (tabl. 15). Po 3 miesi¹cach, ekspansja tej zaprawy osi¹ga 0,05 %, jednak bez zniszczeñ powierzchniowych belek. Pomiêdzy 7 a 10 miesi¹cem, wielkoœæ ekspansji zaprawy wzrasta blisko
dwukrotnie, a po 2 latach – przekracza 1,40 %, czego konsekwencj¹ s¹ odpryski na
krawêdziach belek oraz liczne spêkania na ich powierzchni (rys. 11).
Popio³y o uziarnieniu 0 ÷ 16 μm korzystnie wp³ywaj¹ na odpornoœæ korozyjn¹ zaprawy (tabl. 15). Po 3 miesi¹cach, ekspansja zaprawy C40P1A jest o 42,3 % mniejsza ni¿
zaprawy z cementu wzorcowego. W przypadku zaprawy C40P3A spadek ekspansji
wynosi a¿ 67,3 %. Po 2 latach, na powierzchni zaprawy C40P1A widoczne s¹ niewielkie spêkania (rys. 12). Natomiast zaprawa C40P3A zachowuje trwa³oœæ (rys. 13), a jej
ekspansja wynosi 0,071 % i jest dwudziestokrotnie mniejsza ni¿ zaprawy z cementu
wzorcowego.
71
Tablica 15. Ekspansja zapraw cementowych z dodatkiem frakcji ziarnowych
popio³ów lotnych dojrzewaj¹cych w roztworze Na2SO4: P1 i P3 – popio³y
z 1 i 3 sekcji elektrofiltru, A i B – frakcja ziarnowa 0 ÷ 16 i 16 ÷ 32 μm
Table 15. Expanse of cement mortars containing size fractions of fly ashes in
Na2SO4 solution: P1 and P3 – fly ashes from 1st and 3rd hopper in electrostatic
precipitator system, A and B – size fraction of 0 ÷ 16 and 16 ÷ 32 μm
Rodzaj
cementu 4 tyg.
Wielkoœæ ekspansji w [%] po up³ywie ...
8 tyg. 12 tyg. 16 tyg. 20 tyg. 24 tyg. 28 tyg. 40 tyg. 1 roku
2 lat
0,019
0,030
0,052
0,089
0,143
0,218
0,315
0,428
0,664
1,405
C40P1A 0,015
0,020
0,030
0,042
0,057
0,073
0,089
0,105
0,112
0,152
C40P1B
0,017
0,025
0,039
0,061
0,092
0,131
0,176
0,225
0,252
0,412
C40P3A 0,009
0,012
0,017
0,023
0,030
0,038
0,046
0,053
0,056
0,071
C40P3B
0,018
0,027
0,041
0,059
0,080
0,104
0,129
0,143
0,214
C
0,012
Rys.11. Belki zaprawy z wzorcowego cementu portlandzkiego po 2 latach dojrzewania
w roztworze Na2SO4
Fig.11. Specimens of control cement mortar after 2 years of storage in Na2SO4 solution
Rys.12. Belki zaprawy C40P1A po 2 latach dojrzewania w roztworze Na2SO4
Fig.12. Specimens of C40P1A mortar after 2 years of storage in Na2SO4 solution
72
Ewelina Tkaczewska
Rys.13. Belki zaprawy C40P3A po 2 latach dojrzewania w roztworze Na2SO4
Popio³y o uziarnieniu w zakresie 16 ÷ 32 μm w mniejszym stopniu ograniczaj¹ ekspansjê zaprawy (tabl. 15). Po 3 miesi¹cach, ekspansja zaprawy C40P1B i C40P3B jest
mniejsza ni¿ zaprawy z cementu wzorcowego, odpowiednio o 25,9 i 48,1 %. Po 2 latach, zaprawa C40P1B nie ulega destrukcji, mimo i¿ jej ekspansja osi¹ga 0,412 %, a
na powierzchni belek s¹ niewielkie odpryski i spêkania (rys. 14). Zaprawa C40P3B
wykazuje wy¿sz¹ trwa³oœæ ni¿ zaprawa C40P1B (rys. 15).
Rys.14. Belki zaprawy C40P1B po 2 latach dojrzewania w roztworze Na2SO4
Fig.14. Specimens of C40P1B mortar after 2 years of storage in Na2SO4 solution
73
Rys.15. Belki zaprawy C40P3B po 2 latach przechowywania w roztworze Na2SO4
4.4.3. Wytrzyma³oœæ zapraw cementowych poddanych
dzia³aniu roztworu Na2SO4
Wyniki oznaczeñ wytrzyma³oœci na œciskanie zapraw cementowych dojrzewaj¹cych
w roztworze Na2SO4 zestawiono w tablicy 16.
Zaprawa z cementu wzorcowego wykazuje najwiêkszy spadek wytrzyma³oœci w roztworze Na2SO4 (tabl. 16). W stosunku do próbek dojrzewaj¹cych w wodzie spadek
ten wynosi od 10,6 % po 90 dniach do blisko 12 % po 180 dniach. Po roku, zaprawa ta
osi¹ga wytrzyma³oœæ 39,2 MPa, chocia¿ spadek w stosunku do wytrzyma³oœci
180-dniowej jest istotny i wynosi 27,1 %. Po 2 latach zachodzi dalszy spadek wytrzyma³oœci, o blisko 33 %, co œwiadczy o niekorzystnych zmianach zachodz¹cych w mikrostrukturze zaprawy bez dodatku popio³ów lotnych.
Popio³y o uziarnieniu 0 ÷ 16 μm zwiêkszaj¹ wytrzyma³oœæ zapraw w roztworze
Na2SO4 wobec próbek dojrzewaj¹cych w wodzie (tabl. 16). Po 90 dniach, wzrost wytrzyma³oœci zaprawy C40P1A i C40P3A wynosi odpowiednio 7,3 i 9,9 % wobec próbek dojrzewaj¹cych w wodzie. Po 2 latach, wytrzyma³oœæ zaprawy C40P3A wynosi
88,6 MPa i jest blisko trzy i pó³krotnie wiêksza ni¿ zaprawy z cementu wzorcowego.
Natomiast wytrzyma³oœæ zaprawy C40P1A jest dwukrotnie wiêksza ni¿ zaprawy z cementu wzorcowego.
Popio³y o uziarnieniu w zakresie 16 ÷ 32 μm obni¿aj¹ wytrzyma³oœæ zapraw w roztworze Na2SO4 (tabl. 16). Po 90 dniach, spadek wytrzyma³oœci wynosi 10,6 % dla zaprawy C40P1B i 4,5 % dla zaprawy C40P3B. Po 2 latach, wytrzyma³oœæ zaprawy
C40P1B jest o 12,2 % mniejsza ni¿ zaprawy z cementu wzorcowego. Ten znaczny
spadek wytrzyma³oœci zaprawy C40P1B determinuje wiêksza przepuszczalnoœæ zaczynu, wynikaj¹ca z niewielkiego stopnia wype³nienia porów o du¿ych œrednicach
74
Ewelina Tkaczewska
przez amorficzny C-S-H z reakcji pucolanowej. Natomiast wytrzyma³oœæ zaprawy
C40P3B jest o 66,9 % wiêksza ni¿ zaprawy z cementu wzorcowego.
Tablica 16. Wytrzyma³oœæ na œciskanie zapraw cementowych z dodatkiem frakcji
ziarnowych popio³ów lotnych dojrzewaj¹cych w roztworze Na2SO4: P1 i P3 – popio³y
z 1 i 3 sekcji elektrofiltru, A i B – frakcja ziarnowa 0 ÷ 16 i 16 ÷ 32 μm
Table 16. Compressive strength of cement mortars containing size fractions
of fly ashes in Na2SO4 solution: P1 and P3 – fly ashes from 1st and 3rd hopper
in electrostatic precipitator system, A and B – size fraction of 0 ÷ 16 and 16 ÷ 32 μm
Wytrzyma³oœæ na œciskanie [MPa] próbek dojrzewaj¹cych w Na2SO4, wytrzyma³oœæ
na œciskanie [MPa] próbek dojrzewaj¹cych w wodzie po up³ywie ... [dni]
Cement
90
180
365
730
Na2SO4
woda
Na2SO4
woda
Na2SO4
Na2SO4
C
50,9
54,4
53,8
60,2
39,2
26,3
C40P1A
51,7
48,2
58,1
55,2
59,0
59,7
C40P1B
25,4
28,4
25,0
36,8
23,9
23,1
C40P3A
71,1
64,7
80,6
74,3
84,6
88,6
C40P3B
40,1
42,0
42,3
49,7
43,4
43,9
4.4.4. Mikrostruktura zapraw cementowych poddanych dzia³aniu
roztworu Na2SO4
Wyniki obserwacji mikrostruktury zestawiono na rysunkach 16 - 18. Zaprezentowano
jedynie wyniki dla zapraw zawieraj¹cych popio³y P1B i P3A.
W zaprawie z cementu wzorcowego wystêpuj¹ du¿e kryszta³y wtórnego ettringitu,
zarówno w porach zaczynu jak równie¿ wokó³ ziaren piasku (rys. 16). Otoczki „masywnego” ettringitu, tworz¹ce siê wokó³ ziaren piasku mog¹ prawdopodobnie powodowaæ powstawanie mikrospêkañ w strefie przejœciowej ziarno piasku - matryca
cementowa, lub w samej matrycy.
Jak wynika z obserwacji pod elektronowym mikroskopem skaningowym, popio³y lotne o uziarnieniu 0 ÷ 16 µm zwiêkszaj¹ w matrycy cementowej zawartoœæ ¿elu C-S-H.
Najwiêksz¹ zawartoœæ ¿elu C-S-H obserwuje siê w zaprawie z cementu C40P3A
(rys. 17). Wzrost iloœci ¿elowego C-S-H o niskim stosunku molowym CaO/SiO2 korzystnie kszta³tuje w³aœciwoœci zaprawy C40P3A i zwiêksza jej odpornoœæ na korozjê. Analiza SEM-EDS wykaza³a tak¿e obecnoœæ w zaprawie z cementu C40P3A
ettringitu wzbogaconego w krzem (rys. 17), aczkolwiek krzem mo¿e pochodziæ z matrycy bogatej w C-S-H.
W zaprawach z dodatkiem popio³ów o uziarnieniu w zakresie 16 ÷ 32 µm obserwowana pod mikroskopem skaningowym zawartoœæ iloœæ ¿elu C-S-H jest mniejsza. W zaprawie z cementu C40P1B obserwuje siê znaczn¹ iloœæ kryszta³ów ettringitu (rys. 18),
które miejscami tworz¹ formy „masywne”.
75
Rys.16. a) Zaprawa z cementu wzorcowego po 2 latach dojrzewania w roztworze Na2SO4.
SEM, b) ettringit. SEM, c) analiza ettringitu w pkt 1(du¿a zawartoœæ krzemu pochodzi
prawdopodobnie z matrycy cementowej bogatej w C-S-H). EDS
Fig.16. a) Control cement mortar after 2 years of storage in the sulphate solution. SEM,
b) ettringite. SEM, c) analysis of ettringite showed in point 1 (large content of silicon is
probably originated from cement matrix rich in C-S-H). EDS
76
Ewelina Tkaczewska
Rys.17. a) Zaprawa z cementu C40P3A po 2 latach dojrzewania w roztworze Na2SO4. SEM,
b) analiza C-S-H w pkt 1. EDS
Fig.17. a) Cement mortar of C40P3A mortar after 2 years of storage in the sulphate solution.
SEM,
b) analysis of C-S-H in point 1. EDS
77
Rys.18. a) Zaprawa C40P1B po 2 latach dojrzewania w roztworze Na2SO4. SEM,
b) ettringit. SEM, c) analiza ettringitu w pkt 1(du¿a zawartoœæ krzemu pochodzi
prawdopodobnie z matrycy cementowej). EDS
Rys.18. a) Specimen of C40P1B mortar after 2 years of storage
in the sulphate solution. SEM,
b) ettringite. SEM, c) analysis of ettringite showed in point 1 (large content of silicon is
probably originated from cement matrix). EDS
78
Ewelina Tkaczewska
5. WNIOSKI
Z przeprowadzonych badañ wyci¹gniêto nastêpuj¹ce wnioski:
1. Popio³y lotne cechuj¹ siê ró¿n¹ aktywnoœci¹ pucolanow¹ w zale¿noœci od sekcji
elektrofiltru. Najwy¿sz¹ aktywnoœæ pucolanow¹ osi¹gaj¹ popio³y o uziarnieniu
0 ÷ 16 μm z 3 sekcji (32,5 %), najni¿sz¹ – popio³y o uziarnieniu 16 ÷ 32 μm z 1 sekcji elektrofiltru (9,9 %). Aktywnoœæ pucolanow¹ tej samej frakcji ziarnowej popio³ów determinuje struktura szk³a.
2. Cementy popio³owe – niezale¿nie od wielkoœci frakcji ziarnowej wprowadzonego
dodatku – spe³niaj¹ wymagania normy PN-EN 196-3:2006 pod wzglêdem
pocz¹tku czasu wi¹zania. Przy dodatku 20 % frakcji 0 ÷ 16 μm popio³ów z 3 sekcji
elektrofiltru, pocz¹tek czasu wi¹zania cementu ulega wyd³u¿eniu tylko o 5 minut,
natomiast przy dodatku 20 % frakcji 16 ÷ 32 μm popio³ów z 1 sekcji elektrofiltru –
pocz¹tek czasu wi¹zania cementu jest d³u¿szy o 65 minut.
3. Frakcja 0 ÷ 16 μm popio³ów z 3 sekcji elektrofiltru powoduje niewielki wzrost wartoœci w/c zaczynu – o oko³o 3,8 %. Frakcja 16 ÷ 32 μm popio³ów z 1 sekcji elektrofiltru zwiêksza wartoœci w/c zaczynu o 15,4 %.
4. Frakcja 0 ÷ 16 μm popio³ów 3 sekcji elektrofiltru nie obni¿a zarówno wytrzyma³oœci wczesnej (2-dniowej) jak i wytrzyma³oœci normowej (28-dniowej) cementu. Frakcja 16 ÷ 32 μm popio³ów z 1 sekcji elektrofiltru pozwala uzyskaæ cement o
s³abych w³aœciwoœciach wytrzyma³oœciowych.
5. Frakcja 0 ÷ 16 μm popio³ów z 3 sekcji elektrofiltru pozwala otrzymaæ cementy
CEM II/A-V 52,5N i CEM IV/A-V 42,5R.
6. Zaprawa z dodatkiem frakcji 0 ÷ 16 μm popio³ów z 3 sekcji elektrofiltru wykazuje
najwy¿sz¹ odpornoœæ na korozjê siarczanow¹. Po 2 latach dojrzewania w roztworze Na2SO4, ekspansja zaprawy zawieraj¹cej 40 % frakcji 0 ÷ 16 μm popio³ów z 3
sekcji elektrofiltru wynosi 0,071 % i jest dwudziestokrotnie mniejsza ni¿ zaprawy
z cementu bez dodatku. Natomiast wytrzyma³oœæ tej zaprawy kszta³tuje siê na poziomie 88,6 MPa i jest trzy i pó³ krotnie wiêksza w stosunku do zaprawy z cementu
wzorcowego.
7. Mo¿na stwierdziæ, ¿e celowym by³aby separacja popio³ów lotnych poni¿ej 32 μm,
która pozwoli³aby na bardzo efektywne ich wykorzystanie w technologii cementu.
79
BIBLIOGRAFIA
[1] Massazza F.: w: Lea’s Chemistry of Cement and Concrete. P. Hewlett (Ed.), Arnold,
London 1998, 471
[2] Ranganath R.V., Sharma R.C., Krishnamoorthy S.: Inter. Conf. on Fly Ash, Silica
Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete, Milwaukee 1995, 1, 355
[3] Antiohos S., Tsimas S.: Cem. Con. Comp., 2005, 27, 171
[4] Sharma R.C., Jain N.K., Ghosh S.N.: Cem. Con. Res., 1993, 23, 41
[5] Hubbard F.H., Dhir R.K., Ellis M.S.: Cem. Con. Res., 1985, 15, 185
[6] Bumrongjaroen W., Swatekititham S., Livingston R.A., Schweitzer J.: Inter. Conf. on
Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete, Warszawa 2007, 227
[7] Ma³olepszy J., Tkaczewska E.: 53 Konf. Nauk. „Krynica 2007”, Krynica 2007, 119
[8] Ma³olepszy J., Tkaczewska E.: 54 Konf. Nauk. „Krynica 2008”, Krynica 2008, 411
[9] Giergiczny Z.: Monografia 325, Politechnika Krakowska, Kraków 2006
[10] Giergiczny Z., Ma³olepszy J., Szwabowski J., Œliwiñski J.: Cementy z dodatkami
mineralnymi w technologii betonów nowej generacji. Góra¿d¿e Cement, Opole 2002
[11] Erdogdu K., Türker P.: Cem. Con. Res., 1998, 28, 1217
[12] Seedat E.Y., Kruger R.A.: 11th ICCC, Durban 2003
[13] Ma³olepszy J., Tkaczewska E.: IV Konf. Nauk.-Tech. MATBUD’2007, Kraków
2007, 331
[14] Ma³olepszy J., Deja J., Tkaczewska E.: Sposób poprawy w³aœciwoœci betonów i zapraw. P-378043, Biuletyn Urzêdu Patentowego, 2007
[15] Ma³olepszy J., Tkaczewska E.: Ceramika, 2005, 91, 1143
[16] Payã J., Monzó J., Peris-Mora E., Borrachero M.V., Tercero R., Pinillos C.: Cem.
Con. Res., 1995, 25, 449
[17] Slanicka S.: Cem. Con. Res., 1991, 21, 241
[18] Chindaprasirt P., Jaturapitakkul C., Sinsiri T.: Cem. Con. Comp., 2005, 27, 425
[19] Xu L.P., Huang S.Y.: 9th ICCC, New Delhi 1992, 4, 337
[20] Œciœlewski Z.: Ochrona konstrukcji ¿elbetowych, Arkady, Warszawa 2005
[21] Schneider M., Puntke S., Sylla H., Lipus K.: 11th ICCC, Durban 2003
[22] Torii K., Sasatani T., Kawamura M.: Inter. Conf. on Fly Ash, Silica Fume, Slag and
Natural Pozzolans in Concrete, Bangkok 1998, 2, 701
[23] Ma³olepszy J., Tkaczewska E.: V Konferencja „Dni Betonu – Tradycja i Nowoczesnoœæ”, Wis³a 2008, 411
[24] Medhat H.S., Thomas D.A.T.: Cem. Con. Res., 2002, 32, 341
[25] Owsiak Z.: Ceramika, 2002, 72, 107
80
Ewelina Tkaczewska
[26] Roy D.M.: 8th ICCC, Rio de Janeiro 1986, 1, 362
[27] Wiens U., Biret W., Schiessl P.: Inter. Conf. on Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete, Malwaukee 1995, 2, 741
[28] Payã J., Borrachero M.V., Peris-Mora E., Aliaga A., Monzó J.: Inter. Conf. on Env.
Imp. Constr. Mat. Tech. Develop., Maastricht 1994, 563
PROPERTIES OF CEMENTS CONTAINING VARIOUS SIZE
FRACTIONS OF SILICEOUS FLY ASHES
Abstract
The possibility to use the various size fractions of fly ashes in cement technology is analysed. Fly
ashes are produced in the three hoppers in electrostatic precipitator system. Two size fractions of
fly ashes have been analyzed: 0 ÷ 16 µm and 16 ÷ 32 µm and the following properties of cement
have been tested: heat released during hydration process, Ca(OH)2 content, hydration degree of
alite as well as setting time, compressive strength, microstructure and sulphate resistance. The
most beneficial influence was determined for cements with fraction 0 ÷16 µm of fly ashes from the
3rd hopper. With these fly ashes high class Portland cement (52.5 according to PN-EN 197-1) and
high class pozzolanic cement (42.5 according to PN-EN 197-1) may be obtained. After 2 years of
storage in sulphate solution, the linear expansion of mortar containing 40 % of these fly ashes
was twenty times lower than that found in control cement mortar; the compressive strength
reached 88.5 MPa.
81
DROGI i MOSTY
Nr 4
2008
Alfabetyczny spis Autorów artyku³ów wydrukowanych
w 2008 roku
Nr
zeszytu
Str.
Barczuk A. – Reakcja alkalia-krzemionka na przyk³adzie betonów
z kruszywem naturalnym z obszaru pó³nocnej Polski · · · · · · · · 1-2
59
Bêben D. – Badania dynamiczne mostu pow³okowo-gruntowego
z blach falistych · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1-2
5
Graczyk M. – Wspó³czynniki sezonowoœci dla nawierzchni
dróg w polskich warunkach klimatycznych · · · · · · · · · · · · · 1-2
29
Gradkowski K. – Efekt wzmocnieñ geotekstyliami gruntowego
pod³o¿a nawierzchni dróg - badania doœwiadczalne · · · · · · · · · 4
5
Jasiñski W. – Reakcja alkalia-krzemionka na przyk³adzie betonów
z kruszywem naturalnym z obszaru pó³nocnej Polski · · · · · · · · 1-2
59
Kobryñ A. – Dobór krzywej przejœciowej na podstawie kryterium
dynamiki ruchu · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1-2
73
Kobryñ A. – Nowe typy krzywych przejœciowych do definiowania
tras komunikacyjnych · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3
5
Kraszewski C. – Analiza wyników badañ mrozoodpornoœci
mieszanek z kruszyw zwi¹zanych hydraulicznie · · · · · · · · · · · 2
19
Król J. – Nowa metoda analizy mikrostruktury asfaltów
modyfikowanych polimerami · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4
23
Machelski Cz. – Wp³yw wyposa¿enia mostu na wskaŸniki podatnoœci
zespolenia w dŸwigarach stalowo-betonowych · · · · · · · · · · · 1-2
95
Mañko Z. – Badania dynamiczne mostu pow³okowo-gruntowego
z blach falistych · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1-2
5
Mierzejewska M. – Badania wytrzyma³oœci na œcinanie
zailonych gruntów gruboziarnistych · · · · · · · · · · · · · · · · · 3
35
Pisarczyk S. – Badania wytrzyma³oœci na œcinanie
zailonych gruntów gruboziarnistych · · · · · · · · · · · · · · · · · 3
35
82
Alfabetyczny spis Autorów artyku³ów wydrukowanych w 2008 roku
Siwowski T. – Propozycja zastosowania zasad zrównowa¿onego
rozwoju w modernizacji mostu· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3
55
Tkaczewska E. – W³aœciwoœci cementów zawieraj¹cych ró¿ne
frakcje ziarnowe krzemionkowych popio³ów lotnych · · · · · · · · 4
47
Toczkiewicz R. – Wp³yw wyposa¿enia mostu na wskaŸniki podatnoœci
zespolenia w dŸwigarach stalowo-betonowych · · · · · · · · · · · 1-2
95
DROGI i MOSTY
Nr 4
83
2008
Wykaz Recenzentów
w 2008 roku
Zespó³ Redakcyjny kwartalnika „DROGI i MOSTY” wyra¿a uznanie wymienionym poni¿ej Recenzentom i sk³ada serdeczne podziêkowanie za wnikliw¹
ocenê prac nades³anych do Redakcji w 2008 roku.
prof. dr hab. in¿. Andrzej M. Brandt
– Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa
doc. dr in¿. Juliusz Cieœla
– Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Warszawa
prof. dr hab. in¿. Antoni Florkiewicz
– Politechnika Poznañska
dr hab. in¿. Marek Gawlicki
– Akademia Górniczo - Hutnicza, Kraków
dr in¿. Ma³gorzata Glinicka
– Politechnika Bia³ostocka
prof. dr hab. in¿. Ryszard Grabowski
dr in¿. Wanda Grzybowska
– Politechnka Krakowska
dr in¿. Szymon Imie³owski
– Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Warszawa
doc. dr in¿. Ró¿a Krzywob³ocka - Laurów
– Instytut Techniki Budowlanej (emerytka)
dr hab. in¿. Arkadiusz Madaj
prof. dr hab. in¿. Jerzy Pi³at
– Politechnika Warszawska
prof. dr hab. in¿. Stanis³aw Pisarczyk
84
Wykaz Recenzentów w 2008 roku
prof. dr hab. in¿. Wojciech Radomski
prof. dr hab. in¿. Piotr Radziszewski
prof. dr hab. in¿. Tadeusz Sandecki
prof. dr hab. in¿. Antoni Szyd³o
– Politechnika Wroc³awska
dr in¿. Jadwiga B. Wilczek
– Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Warszawa
prof. dr hab. in¿. Witold Wo³owicki
dr in¿. Tadeusz Zieliñski
Niektórzy Recenzenci opiniowali po kilka prac nades³anych do Redakcji.
DROGI i MOSTY
85
WSKAZÓWKI DLA AUTORÓW
1. W kwartalniku „DROGI i MOSTY” drukowane s¹ oryginalne prace naukowe,
naukowo-techniczne i studialne z dziedziny in¿ynierii l¹dowej, obejmuj¹ce zagadnienia z zakresu projektowania, budowy i utrzymania dróg, lotnisk, mostów i
innych obiektów infrastruktury drogowej. Je¿eli fragmenty zg³oszonego artyku³u
by³y wczeœniej publikowane nale¿y o tym powiadomiæ Redakcjê. Po wczeœniejszym uzgodnieniu tematyki z Redakcj¹ drukowane s¹ te¿ prace przegl¹dowe.
2.
Tytu³ artyku³u powinien byæ zwiêz³y. Zasadnicz¹ czêœæ artyku³u nale¿y poprzedziæ krótkim podsumowaniem stanu wiedzy w zakresie omawianych zagadnieñ.
Sformu³owanie problemu powinno byæ przedstawione w sposób klarowny i treœciwy. Wyniki badañ nale¿y przedstawiæ w sposób syntetyczny, unikaj¹c powtórzeñ, np. danych przekdstawionych na wykresach nie podawaæ w postaci
tabelarycznej. Nale¿y unikaæ u¿ywania nazw handlowych i zastrze¿onych znaków towarowych. Wnioski powinny wynikaæ z przeprowadzonych badañ.
Po¿¹dane jest wskazanie potencjalnych sposobów zastosowania uzyskanych wyników w praktyce projektowej lub wykonawczej.
3.
Objêtoœæ artyku³u wraz z rysunkami i tablicami nie powinna przekraczaæ 30 stron
formatu A-4. Test powinien byæ napisany jednostronnie, z podwójn¹ interlini¹ i
marginesami 40 mm po lewej stronie i 20 mm po prawej. Wymagane jest przygotowanie tekstu przy u¿yciu programu komputerowego Word (œrodowisko Windows). Wydruk tekstu wraz z ilustracjami i tablicami nale¿y przes³aæ w dwóch
egzemplarzach wraz z dyskiem formatu 3,5" lub CD-R.
4. Treœæ artyku³u nale¿y stosownie podzieliæ na rozdzia³y i podrozdzia³y numerowane. Pierwsza strona tekstu powinna zawieraæ: imiona i nazwiska autorów, tytu³ artyku³u, streszczenie na 10-20 wierszy oraz dane adresowe autorów (tytu³ i stopieñ
naukowy, nazwa instytucji, numer telefonu, adres e-mail).
5. Wszystkie symbole u¿ywane w tekœcie powinny byæ objaœnione. Wzory matematyczne powinny byæ numerowane po prawej stronie w nawiasach okr¹g³ych, kolejno w ca³ej pracy. Stosowaæ jednostki uk³adu SI.
6.
Rysunki i tablice nale¿y kolejno numerowaæ cyframi arabskimi i za³¹czaæ na oddzielnych stronach. Zestawienie podpisów pod rysunkami i opisu tablic nale¿y
do³¹czyæ na osobnej kartce. Ilustracje nale¿y przygotowaæ w formie ostatecznej,
aby by³y dobrze czytelne po zmniejszeniu do formatu strony B5; opis rysunków
wykonaæ czcionk¹ jednej wielkoœci (Redakcja nie ma mo¿liwoœci poprawiania
rysunków). Fotografie mog¹ byæ wydrukowane w kolorze. Je¿eli rysunki lub
86
Wskazówki dla Autorów
dane do tablic zosta³y zaczerpniête z innych prac, w podpisie nale¿y podaæ
Ÿród³o.
7. Publikacje cytowane powinny byæ numerowane w nawiasach kwadratowych w
kolejnoœci pojawiania siê w tekœcie. W spisie publikacji cytowanych na koñcu artyku³u nale¿y podaæ wszystkie dane bibliograficzne, tj. nazwisko i inicja³y imion
autora, tytu³ ksi¹¿ki, wydawnictwo, miejsce i rok wydania, liczba stron (w przypadku ksi¹¿ki) lub nazwisko i inicja³y imion autora, tytu³ artyku³u, tytu³ czasopisma, numer i rok, wydania, numer strony pocz¹tkowej i koñcowej (w przypadku
czasopisma).
8. Tytu³ artyku³u, streszczenie, tytu³y tablic i podpisy pod rysunkami nale¿y przet³umaczyæ na jêzyk angielski. Streszczenie w jêzyku angielskim mo¿e byæ w wersji rozszerzonej.
9. Wszystkie nades³ane prace bêd¹ recenzowane. Opinie Recenzentów stanowi¹ podstawê do podjêcia decyzji przez Redakcjê o akceptacji pracy, niezbêdnych poprawkach lub modyfikacjach itd. Opinie Recenzentów bêd¹ przekazywane Autorom
bez ujawniania nazwisk. Raz w roku zostanie opublikowana lista wszystkich Recenzentów.
10. Redakcja zastrzega sobie prawo do wprowadzania skrótów i zmian redakcyjnych
do tekstu artyku³ów przyjêtych do druku. Przed oddaniem do druku tekst zostanie
przes³any Autorom do akceptacji.
doc. dr hab. in¿. Micha³ A. Glinicki
Redaktor Naczelny Kwartalnika „DROGI i MOSTY”
e-mail: [email protected]

Król J. Drogi i Mosty, 4/2008, s. 23

Transkrypt

Podobne dokumenty