Beton modyfikowany popiołem lotnym krzemionkowym poddany ekspozycji niskich temperatur

Znaczna część konstrukcji betonowych na świecie wykonywana jest na tere-
nach gdzie występują niskie temperatury. Temperatura natomiast mocno wpływa
na właściwości materiału konstrukcyjnego.
W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczące wpływu dodatku popiołów
lotnych krzemionkowych (FA), w ilości: 0, 20 i 30% masy cementu na parametry
fizyczne i mechaniczne betonów konstrukcyjnych.
Eksperymenty oceniające parametry fizyczne betonów obejmowały: gęstość,
nasiąkliwość, przepuszczalność i porowatość.
W toku prac eksperymentalnych, oceny właściwości mechanicznych kompo-
zytów, wykonano pomiary wytrzymałości betonów na ściskanie i rozciąganie
przy rozłupywaniu, oraz badania odporności na pękanie, dla I i II modelu pękania.
Wszystkie parametry mechaniczne betonów oceniano w niskich temperatu-
rach (-15℃, -30℃,-45℃,-60℃ i -75℃). Elementy badano, po wcześniejszym
ich wymrożeniu, w specjalnej komorze termicznej – Mytrom T90 KH. Analizo-
wano próbki w dwóch stanach wilgotnościowych, tzn. w stanie powietrzno-su-
chym oraz po ich nasyceniu wodą

Spis treści
Spis ważniejszych oznaczeń .................................................................. 9
Skróty .................................................................................................... 9
Oznaczenia mieszanek betonowych ...................................................... 9
Oznaczenia skrótów chemicznych i faz w betonie ................................ 9
Pozostałe oznaczenia ........................................................................... 10
Streszczenie ......................................................................................... 11
Summary.............................................................................................. 13
1. Wstęp ................................................................................................... 15
1.1. Wprowadzenie .............................................................................. 15
1.2. Geneza pracy ................................................................................ 17
1.3. Sformułowanie problemów i celów badawczych ......................... 23
2. Nowoczesne trendy rozwojowe kompozytów wykonanych na bazie
spoiwa cementowego............................................................................ 30
3. Mikrostruktura matrycy cementowej w betonach zwykłych...................... 36
4. Kierunki modyfikacji materiałowej betonu ..................................... 52
4.1. Czynniki decydujące o potrzebie modyfikacji struktury betonu ........ 52
4.2. Innowacyjny sposób modyfikacji materiałowej betonu
z wykorzystaniem nanotechnologii ........................................... 53
4.3. Modyfikacja betonu poprzez zastosowanie suplementów/substytutów
spoiwa cementowego (SCMs) ........................................................ 70
4.3.1. Zakres modyfikacji betonu przy pomocy SCMs ................ 70
4.3.2. Modyfikacja betonu odpadami przemysłowymi ................. 73
4.3.3. Modyfikacja betonu odpadami rolniczymi ......................... 75
4.3.4. Modyfikacja betonu odpadami z hodowli ryb .................... 81
4.3.5. Modyfikacja betonu odpadami ceramicznymi .................... 83
4.3.6. Modyfikacja betonu odpadami szklanymi .......................... 85
4.3.7. Modyfikacja betonu innymi odpadami ............................... 87
4.3.8. Minerały jako modyfikatory struktury betonu .................... 89
4.3.9. Proszki i pyły jako modyfikatory struktury betonu ............ 99
4.4. Modyfikacja betonu domieszkami ................................................. 105
4.5. Modyfikacja betonu dodatkami polimerowymi .............................. 108
4.6. Modyfikacja materiałowa betonu w aspekcie poprawy jego trwałości ...... 112
5. Modyfikacja betonu popiołami lotnymi ......................................... 118
5.1. Definicje i klasyfikacja popiołów lotnych .................................. 118
5.1.1. Definicje popiołów lotnych............................................... 118
5.1.2. Klasyfikacja i kategoryzacja popiołów lotnych ................ 120
5.2. Struktura, skład i możliwości aktywnego oddziaływania
popiołów lotnych ....................................................................... 126
6
5.2.1. Struktura i skład popiołów lotnych ................................... 126
5.2.2. Regeneracja mikrostruktury w kompozytach z popiołami
lotnymi .............................................................................. 130
5.3. Modyfikacja betonu dużą zawartością popiołów lotnych .......... 131
5.4. Betony z popiołami lotnymi a środowisko naturalne ................. 133
5.4.1. Charakterystyka problemu ................................................ 133
5.4.2. Wymywalność metali ciężkich z betonów popiołowych .. 133
5.4.3. Promieniotwórczość betonów z popiołami lotnymi ......... 134
5.5. Popioły lotne krzemionkowe ...................................................... 138
5.5.1. Procesy powstawania popiołów lotnych krzemionkowych 138
5.5.2. Gospodarka popiołami lotnymi krzemionkowymi ........... 140
5.5.4. Klasyfikacja i morfologia, ziaren popiołów lotnych
krzemionkowych i zawartych w nich cząstek ............................. 145
5.5.5. Aktywność pucolanowa popiołów lotnych krzemionkowych158
5.5.6. Analiza ITZ popiołów lotnych krzemionkowych ............. 161
5.5.7. Stosowanie popiołów lotnych krzemionkowych
w betonie według zaleceń normowych ......................... 164
5.5.8. Możliwości modyfikacji kompozytów cementowych
popiołami lotnymi krzemionkowymi ................................ 166
6. Badania betonów modyfikowanych popiołami lotnymi
krzemionkowymi ............................................................................. 168
6.1. Wiadomości ogólne .................................................................... 168
6.1.1. Uzasadnienie koncepcji badawczych ................................ 168
6.1.2. Program badań .................................................................. 171
6.1.2. Charakterystyka materiałów wykorzystanych w badaniach. 175
6.2. Charakterystyka popiołów lotnych krzemionkowych
wykorzystanych do modyfikacji betonów ............................. 178
6.2.1. Celowość przeprowadzenia badań i ich zakres ................. 178
6.2.2. Wygląd i skład chemiczny popiołu lotnego
krzemionkowego ............................................................... 179
6.2.3. Skład mineralny popiołów lotnych krzemionkowych ...... 180
6.2.4. Skład ziarnowy popiołów lotnych krzemionkowych ........ 181
6.2.5. Gęstość objętościowa popiołów lotnych krzemionkowych . 183
6.2.6. Parametry teksturalne popiołów lotnych krzemionkowych183
6.2.7. Aktywność pucolanowa popiołów lotnych krzemionkowych184
6.2.8. Podsumowanie badań oceniających właściwości popiołów lotnych
krzemionkowych .................................................................... 185
6.3. Określenie efektywnej ilości modyfikatora ................................ 186
6.3.1. Informacje ogólne ............................................................. 186
7
6.3.2. Efektywna ilość dodatku w badaniach wg I modelu pękania 189
6.3.3. Efektywna ilość dodatku w badaniach wg II modelu pękania192
6.3.4. Efektywna ilość dodatku w badaniach wytrzymałości
na ściskanie ...................................................................... 194
6.3.5. Analizy struktury betonów modyfikowanych ................... 195
6.3.6. Podsumowanie badań nad wpływem modyfikacji betonu
różną ilością dodatku ........................................................ 198
6.4. Badania parametrów fizycznych ................................................ 200
6.4.1. Badanie gęstości betonów ................................................. 200
6.4.2. Badanie nasiąkliwości betonów ........................................ 201
6.4.3. Odporność betonów na penetrację wody pod ciśnieniem . 205
6.4.4. Analiza porowatości betonów metodą mikrotomografii
komputerowej ................................................................... 208
6.4.5. Podsumowanie i wnioski z badań parametrów
fizycznych betonów ......................................................... 215
7. Badania betonów modyfikowanych popiołami lotnymi
krzemionkowymi w niskich temperaturach .................................... 217
7.1. Metodyka realizacji badań .......................................................... 217
7.1.1. Charakter obciążenia termicznego .................................... 217
7.1.2. Zakres i szybkość oddziaływania niskich temperatur ....... 218
7.1.3. Ustalenie reżimu ekspozycji próbek w niskich
temperaturach .................................................................... 222
7.1.4. Realizacja eksperymentów................................................ 236
7.2. Badania parametrów wytrzymałościowych ................................ 240
7.2.1. Charakterystyka zagadnienia ............................................ 240
7.2.2. Proces mrożenia próbek .................................................... 242
7.2.3. Wyniki badań wytrzymałości na ściskanie i ich analiza ... 243
7.2.4. Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie
przy rozłupywaniu i ich analiza.......................................... 248
7.2.5. Podsumowanie z badań wytrzymałościowych.................. 251
7.3. Badania odporności na pękanie .................................................. 252
7.3.1. Charakterystyka zagadnienia ............................................ 252
7.3.2. Badania odporności na pękanie wg I modelu pękania ...... 252
7.3.3. Badania odporności na pękanie wg II modelu pękania .... 259
7.3.4. Podsumowanie badań odporności na pękanie................... 264
7.4. Posumowanie i wnioski z badań parametrów mechanicznych
betonów ...................................................................................... 265
8
8. Korzyści ekologiczne i ekonomiczne wynikające
z zaproponowanej modyfikacji materiałowej betonu ................. 266
8.1. Zalety pod kątem ekologicznym ................................................ 266
8.2. Pozytywy w ujęciu ekonomicznym ............................................ 267
9. Podsumowanie .................................................................................. 268
9.1. Podumowanie ogólne ................................................................. 268
9.2. Podumowanie w zakresie badań doświadczalnych .................... 269
9.2. Pozytywne oddziaływanie proponowanych rozwiazań
w obszarze gospodarki i budownictwa zrównoważonego........ 271
10. Wnioski............................................................................................ 272
Bibliografia ........................................................................................ 273