Odporność betonu wysokowartościowego na działanie mrozu

W pracy zaprezentowano wyniki badań BWW wysokiej wytrzymałości, rzędu 80 MPa, poddanemu cyklicznemu działaniu zamrażania i rozmrażania w obecności wody lub soli odladzającej (w postaci 3 % roztworu NaC1). Przedstawiono skład fazy ciekłej w betonach poddanych działaniu mrozu w wodzie, a głębokość migracji jonów chlorkowych do betonu oznaczono w przypadku stosowania soli odladzającej. Betony wykonano z dwóch cementów: CEM I 42,5 z dodatkiem 6% pyłu krzemionkowego oraz CEM II/A-D 42,5 z zastosowaniem superplastyfikatora IV generacji, bez stosowania domieszek napowietrzających. Przyjęto zasadę, że zakończenie badań cyklicznego działania mrozu nastąpi w momencie utraty przez beton mrozoodporności według kryteriów normowych. Uzyskane wyniki badań wykazują, że nienapowietrzany BWW o w/c = 0,33 wykazuje wysoką odporność na zniszczenia wewnętrzne - mierzone spadkiem wytrzymałości na ściskanie oraz zewnętrzne - mierzone ilością złuszczeń powierzchniowych. Uzyskane wyniki badań wytrzymałości na ściskanie po 150, 700 i 2005 cyklach przyspieszonego zamrażania nie wykazywały spadku wytrzymałości; również po badaniach mrozoodporności metodą klasyczną, po 1140 cyklach, odnotowano tylko 11% spadek wytrzymałości. Wyniki badań mikrostruktury betonu, czyli porowatości, udziału objętościowego porów różnych wymiarów, w tym głównie mezoporów, obserwacje pod mikroskopem elektronowym, wskazują na zmianę mikrostruktury BWW w wyniku cyklicznego zamrażania i rozmrażania. Przy analizie mikrostruktury wykorzystano porozymetrię rtęciową i metodę opartą na zjawisku adsorpcji fizycznej gazu (azotu). W betonie z zastosowaniem cementu CEM I z 6% dodatkiem pyłu krzemionkowego (Pk) wystąpiły zmiany rozmiarów porów, co w efekcie spowodowało zwiększenie udziału objętościowego porów kapilarnych o około 26%. Nastąpiła także zmiana udziału porów żelowych. Podobne tendencje w stosunku do próbek wzorcowych można zaobserwować w przypadku betonu z CEM II/A-D, lecz zmiany te są mniejsze. Wystąpił wzrost porowatości całkowitej w stosunku do wzorca dla CEM I + 6% Pk o 31%, a dla CEM II/A-D o 24%. Obserwacje pod mikroskopem skaningowym wykazały obecność ettringitu i soli Friedla, szczególnie w warstwach zewnętrznych. Badania stężenia chlorków i składu fazy ciekłej są mniej jednoznaczne. Ana-liza porównawcza składu roztworów odwzorowujących fazę ciekłą betonów wykonanych z obu cementów wykazuje, że faza ciekła w porach betonu z cementem CEM II/A-D zawiera wyższe stężenia jonów OFF, Na` i IC i ma większą siłę jo-nową. Uznano, że zmiany stężenia są zgodne z oczekiwaniami i ukazują większy wzrost stopnia hydratacji tego cementu. Analiza wyników stężenia jonów chlorkowych wskazuje na wolniejsze wnikanie jonów chlorkowych do betonu wykonanego z cementu CEM II/A-D po 90 cyklach. Po 150 cyklach zamrażania w soli odladzającej stężenie chlorków na głębokości jednego centymetra w próbkach obu betonów jest zbliżone. Po 700 cyklach w obecności soli stężenie jonów chlorkowych stopniowo wzrasta w głębszej warstwie betonu, jednak poniżej stężenia, które powoduje zagrożenie korozyjne zbrojenia. Efektywny współczynnik dyfuzji szacowano na podstawie stężeń jonów chlorkowych znalezionych w warstwach zewnętrznych próbek betonów po 90, 150 i 700 cyklach zamrażania w obecności roztworu NaCl. Uzyskane wartości pozwalają wnioskować, że w próbkach betonu wykonanego z CEM II migracja jonów chlorkowych przebiega wolniej w początkowym okresie. Karbonatyzacja powierzchni betonu w różny sposób wywiera wpływ na oporność na łuszczenie, zależnie od składu jakościowego próbek i głębokości warstwy zobojętnionej. W badaniach potwierdzono, że właściwości kapilarno-porowatej mikrostruktury betonu odgrywają decydującą rolę w przebiegu procesów niszczenia tego materiału w wyniku działania zmiennych temperatur i wpływają na szybkość tej destrukcji. Stwierdzono, że spośród porów o różnych wymiarach, najbardziej niebezpieczne i powodujące niszczenie betonu, zgodnie z oczekiwaniem, są duże pory kapilarne, których zawartość wzrasta pod wpływem postępującego procesu zmian mikrostruktury materiału, poddanego wpływom atmosferycznym. Zostało wykazane, że badany BWW jest odporny na działanie zmiennych temperatur, a istotny wpływ na tę odporność mają czynniki wewnętrzne dotyczące mikrostruktury zaczynu, a przede wszystkim struktura porowatości gwarantująca małą przepuszczalność. Wiąże się to ściśle ze składem betonu, głównie z wartością współczynnika w/c odgrywającego podstawową rolę. Nie stwierdzono bowiem uszkodzeń wewnętrznych betonu i spadku wytrzymałości na ściskanie BWW. Uszkodzenia wewnętrzne spowodowane zamarzaniem wody wewnątrz betonu były ograniczone do tych partii próbek betonu, w których stopień nasycenia wodą przekroczył wartość krytyczną - czyli do warstw powierzchniowych. Zaznaczyć należy, że były to zmiany mikrostruktury betonu niewidoczne gołym okiem. 

Spis treści

Streszczenie 5
Summary 7

Część I. Zagadnienia dotyczące trwałości betonu wysokowartościowego

1. Wstęp 9
1.1. Znaczenie BWW w technologii betonu 12
1.2. Dlaczego należy zająć się mrozoodpornością? 15

2. Charakterystyka BWW 25

2.1. Rozwój BWW 25
2.2. Składniki BWW i ich znaczenie 28
2.3. Zasady doboru składu BWW 42
2.4. Właściwości BWW 46

3. Mikrostruktura stwardniałego zaczynu w BWW 59

3.1. Skład fazowy i produkty hydratacji 59
3.2. Wpływ pyłu krzemionkowego na proces hydratacji krzemianów wapniowych i cementu 72
3.3. Skład chemiczny fazy C-S-H tworzącej się w obecności pyłu krzemionkowego 76
3.4. Wpływ pyłu krzemionkowego na mikrostrukturę stwardniałego zaczynu cementowego i betonu 77

4. Mikrostruktura a przepływ cieczy w betonie 81

4.1. Ciała porowato-kapilarne 81
4.2. Porowatość betonu 82
4.3. Ruch cieczy przez porowatą mikrostrukturę betonu 86

5. Zagadnienia związane z odpornością BWW na działanie obniżonych i zmiennych temperatur 93

5.1. Uwarunkowania klimatyczne 93
5.2. Uszkodzenia betonu wywołane obniżonymi temperaturami i cyklicznym działaniem mrozu 96
5.3. Mechanizmy niszczenia betonu wskutek zmiennych temperatur 99
5.4. Procesy towarzyszące zamrażaniu i rozmrażaniu betonu 105

Część II. Badania własne

6. Badania BWW 111

6.1. Materiały 111
6.2. Skład betonu 113
6.3. Wstępna weryfikacja składu 114

7. Opis głównych metod badawczych 117

7.1. Badania odporności na cykliczne zamrażanie i rozmrażanie 117
7.2. Parametry struktury porów 121
7.3. Odwzorowanie fazy ciekłej betonu 127

8. Odporność BWW na zamrażanie i rozmrażanie 129

8.1. Przyspieszone zamrażanie i rozmrażanie w obecności wody 129
8.2. Zamrażanie i rozmrażanie w obecności soli odladzającej 139
8.3. Karbonatyzacja 152

9. Podsumowanie badań 157

10. Wnioski 163

Bibliografia 165