czapik_wolniewicz.pdf

(5312 KB) Pobierz
Przemysław Czapik
Mateusz Wolniewicz
Wpływ dużej zawartości pyłu krzemionkowego
na mikrostrukturę zaczynu
Microstructure of ceMent paste containing large aMount of
silica fuMe
Streszczenie
W niniejszym artykule opisano wpływ 30 i 50% udziału pyłu krzemionkowego w spoiwie 
na hydratację i zachodzące w jej wyniku przemiany fazowe oraz na powstającą mikro-
strukturę zaczynu. Spoiwa wykonano z cementu CEM I z dodatkiem pyłu krzemionko-
wego. Kinetykę hydratacji określono metodą mikrokalorymetryczną. Przemiany fazowe 
śledzono analizując skład fazowy zaczynów o różnym czasie hydratacji metodą dyfrak-
tometrii  rentgenowskiej  i  termograwimetryczną.  Za  pomocą  skaningowej  mikroskopii 
elektronowej zbadano mikrostrukturę. Na podstawie niniejszych badań stwierdzono, że 
na skutek dodania dużej zawartością pyłu krzemionkowego, po 28 dniach hydratacji może 
się wytworzyć zaczyn o charakterystycznej mikrostrukturze i składzie fazowym, różniąc 
się tym od innych zaczynów cementowych. Przyczynami tego są reakcje pucolanowe oraz 
proces karbonatyzacji. Potwierdzono również, wpływ znacznych ilości mikrokrzemionki 
na tempo przemian fazowych zachodzących podczas hydratacji.
Abstract
This  article  describes  the  effect  of  30  and  50%  presence  of  silica  fume  in  a  binder  on 
the hydration process and its result: phase transitions and microstructure. The binders 
were made of CEM I cement with the silica fume addition. The hydration kinetics was 
determined by the micro-calorimetric method. The phase transitions were followed by 
analyzing the phase composition of paste with different hydration times by X-ray dif-
fractometry  and  thermogravimetry  method.  The  microstructure  was  examined  using 
scanning electron microscopy. Based on the present study, it was found that due to a high 
content of silica dust, after 28 days of hydration, the microstructure and phase composi-
dr inż. Przemysław Czapik – Politechnika Świętokrzyska
mgr inż. Mateusz Wolniewicz – Murapol S.A.
571
Przemysław Czapik, Mateusz Wolniewicz
tion of pastes may be significantly differ than characteristic for other cement pastes. The 
pozzolanic reaction and the carbonation process are responsible for this. The influence 
of significant amounts of microsilica on the rate of phase changes occurring during the 
hydration was also confirmed.
572
DNI BETONU 2018
Wpływ dużej zawartości pyłu krzemionkowego na mikrostrukturę zaczynu
1. Wprowadzenie
Wykorzystywanie dodatków mineralnych do produkcji spoiw i betonów jest popularną 
praktyką [1–10]. Najczęściej w tym celu stosowane są granulowane żużle wielkopiecowe, 
popioły lotne oraz pył krzemionkowy. Spośród nich pył krzemionkowy odgrywa znaczą-
cą rolę, gdyż jest on kluczowym składnikiem pozwalającym na wykonywanie betonów 
bardzo- i ultrawysokowartościowych [2–5, 11]. 
Od  chwili  jego  pierwszego  zastosowania  w  latach  50  nastąpił  gwałtowny  rozwój 
betonu, pod względem wytrzymałości na ściskanie jaką może on osiągnąć [3–5, 12]. Ko-
rzystny wpływ pyłu krzemionkowego na właściwości mechaniczne betonu związany jest 
z jego specyficznymi cechami. Posiada on bardzo drobne ziarna, dzięki czemu posiada 
powierzchnię właściwą mieszczącą się w granicach od 13 000 do 20 000 m
2
/kg [2]. Dzię-
ki temu w zaczynie i betonie może wypełniać puste przestrzenie pomiędzy większymi 
ziarnami  cementu.  Wypełnia  też  przestrzenie  w  bezpośrednim  sąsiedztwie  kruszywa 
zapobiegając powstawaniu strefy kontaktowej zaczyn-kruszywo o zmniejszonej wytrzy-
małości, zwiększając również przyczepność zaczynu do kruszywa [2–5]. Dodatkowo pył 
krzemionkowy wykorzystywany jako dodatek mineralny do cementu składa się co naj-
mniej w 85% z amorficznej krzemionki. W połączeniu z jego znacznym rozdrobnieniem 
zapewnia mu to właściwości pucolanowe.
Zdolność  do  łatwego  wypełniania  pustek  pomiędzy  innymi  składnikami  betonu 
oraz  możliwość  tworzenia  dodatkowej  fazy  C-S-H  w  stwardniałem  betonie  na  skutek 
zachodzenia reakcji pucolanowej powodują, że betony z pyłem krzemionkowym są bar-
dziej szczelne. Ograniczeniu ulega ich porowatość kapilarna, która w największy stopniu 
wpływa na właściwości betonu. Redukcji ulega zarówno ilość, wymiar i objętość porów 
kapilarnych. Przyczynia się to do poprawy właściwości mechanicznych betonu. 
Zwiększona szczelność może też polepszyć trwałość betonu. Utrudnione jest w ten 
sposób wnikanie substancji agresywnych z środowiska do wnętrza betonu. Beton z py-
łem krzemionkowym jest też bardziej trwały ze względu na zużywanie w trakcie reakcji 
pucolanowej Ca(OH)
2
 powstałego podczas wiązania cementu i będącego najłatwiej roz-
puszczalnym w wodzie składnikiem betonu [2–5, 13].
Wyżej opisane cechy pyłu krzemionkowego nie we wszystkich przypadkach są jednak 
korzystne. Ze względu na dużą powierzchnię właściwą pyły krzemionkowe posiadają 
wysoką wodożądność. Zastosowanie ich jako dodatków mineralnych powoduje, że woda 
przeznaczona  do  wykonania  betonu  w  dużym  stopniu  adsorbowana  jest  na  ziarnach 
mikrokrzemionki. Skutkuje to zmniejszeniem płynności mieszanki (2–5, 13, 14). W celu 
zachowania odpowiedniej konsystencji, wymuszone jest stosowanie domieszek uplastycz-
niających lub upłynniających. Zapotrzebowanie na domieszkę do regulacji reologii rośnie 
w tym przypadku wraz ze wzrostem zawartości pyłu krzemionkowego w masie spoiwa. 
Nie musi to jednak zapewnić otrzymanie jednorodnej mieszanki betonowej, w której mogą 
zachować się aglomeraty pyłu krzemionkowego, które nie w pełni przereagują. Skutkiem 
będzie pogorszenie wytrzymałości i trwałości materiału. 
Zbyt duże ograniczenie zawartości Ca(OH)
2
 w betonie również może być szkodli-
we, jeżeli obecne jest w nim zbrojenie. Wodorotlenek wapnia przyczynia się bowiem do 
wysokiej alkaliczności betonu umożliwiającej pasywacje stali. Obniżenie pH betonu na 
skutek ograniczenia zawartości Ca(OH)
2
 może spowodować, że do depasywacji i korozji 
zbrojenia wystarczy mniejszy stopień karbonatyzacji [4]. Jednakże migracja dwutlenku 
węgla przez szczelniejszą mikrostrukturę betonu z pyłem krzemionkowym jest utrudniona, 
co przeciwdziała zjawisku karbonatyzacji [2, 5].
DNI BETONU 2018
573
Przemysław Czapik, Mateusz Wolniewicz
Z  uwagi  na  opisane  powyżej  negatywne  aspekty  stosowania  mikrokrzemionki, 
podczas produkcji betonu jej udział w masie spoiwa wynosi na ogół od 3 do 10% [1–5]. 
Jasiczak et Al. [3] podają, że zastosowanie pyłu krzemionkowego w ilości od 10 do 15% 
masy cementu jest zasadne, gdy celem jest podwyższenie trwałości betonu z kruszywem 
podatnym  na  oddziaływanie  alkaliów.  Aïtcin  [15]  podaje,  że  udział  mikrokrzemionki 
w spoiwie jest optymalny w zakresie od 8 do 10%, chociaż uwzględniając ilość jonów 
wapnia uwalnianych do roztworu podczas hydrolizy alitu i belitu [2], zaczyn cementowy 
mógłby teoretycznie spowodować przereagowanie mikrokrzemionki, która stanowiłaby 
25–30% spoiwa [5]. Z uwagi na powyższe, zwykle badaniom poddaje się spoiwa, w któ-
rych  zawartość  pyłu  krzemionkowego  nie  przekracza  10%,  czyli  takie  jakie  znajdują 
zastosowanie w praktyce [2, 5]. Rzadziej spotyka się badania laboratoryjne, w których 
stosuje się większe udziały mikrokrzemionki, ale nie przekraczają one zwykle 30% [3, 
5, 6]. W stosunku do innych dodatków mineralnych są to małe zawartości. Granulowane 
żużle wielkopiecowe mogą stanowić nawet do 95% spoiwa [1], a za duży udział popiołu 
lotnego, uważa się taki, który przekracza 50% [1, 2, 16, 17, 18]. W niniejszym artykule 
przedstawiono wyniki badań zaczynów, które sporządzono ze spoiwa, z dodatkiem pyłu 
krzemionkowego w ilości 30 i 50% masy. Badano wpływ pyłu krzemionkowego na kine-
tykę hydratacji, mikrostrukturę oraz na powstawanie w zaczynach produktów hydratacji. 
2. Materiały do badań
Do  przeprowadzenia  badań  użyto  zaczynów  z  cementu  portlandzkiego  CEM  I  42,5R 
i pyłu krzemionkowego, których skład został podany w tabeli 1. Zastosowany pył krze-
mionkowy tworzyły ok. 30 µm aglomeraty kulistych ziaren o średnicy do 0,5 µm (rys. 1). 
Z  tych  składników  uzyskano  3  spoiwa,  z  których  wykonywano  zaczyny,  o  składzie 
przedstawionym w tabeli 2. Do wykonania zaczynów użyto wody destylowanej. Próbki 
zaczynów wykonano poprzez roztarcie spoiw z wodą i po czym umieszczano je foliowych 
woreczkach. Zaczyn C niezawierający dodatków mineralnych stanowił próbkę odniesie-
nia. Do zaczynu S-3 dodano pył krzemionkowy w górnej ilości (30%), w jakiej jeszcze 
jest teoretycznie możliwe jego całkowite przereagowanie z jonami wapnia uwalnianymi 
podczas hydratacji cementu. W zaczynie S-5 zawartość pyłu krzemionkowego 5-krotnie 
przekraczała ilość w jakiej zwykle się go stosuje. Dorównywała ona ilości, kiedy to mówi 
się o stosowaniu „dużej zawartości” dodatków mineralnych w kontekście stosowanie np. 
popiołu lotnego krzemionkowego [16, 17, 18].
Tabela 1. Skład zastosowanego cementu i pyłu krzemionkowego [%]
Materiał
Cement
Pył krzemionkowy
SiO
2
18,66
93,77
Al
2
O
3
5,43
2,36
Fe
2
O
3
2,96
1,42
CaO
62,00
0,30
MgO
1,46
0,84
SO
3
3,21
0,20
K
2
O
0,95
1,11
Na
2
O
0,20
-
Cl
0,07
-
574
DNI BETONU 2018
Wpływ dużej zawartości pyłu krzemionkowego na mikrostrukturę zaczynu
Rys. 1. Mikrostruktura pyłu krzemionkowego
Tabela 2. Skład zaczynów do badań 
Oznaczenie zaczynu
C
S-3
S-5
Cement [%]
100
70
50
Mikrokrzemionka 
[%]
0
30
50
w/s
0,5
0,5
0,5
3. Metody badań
Do badania kinetyki hydratacji wykorzystano metodę kalorymetrii semiadiabatycznej. 
Badania przeprowadzono na 5 gramowych próbkach spoiwa umieszczanych w foliowych 
woreczkach, do których następnie dozowano 2,5 ml wody destylowanej. Po zarobieniu 
takich zaczynów woreczki były szczelnie zamykane i umieszczane w kalorymetrze róż-
nicowym SETARAM. Postęp wydzielania ciepła z hydratyzującego zaczynu badano co 
minutę przez 45 godzin.
Do określenia składu fazowego zaczynów wykorzystano metodę dyfrakcyjnej ana-
lizy różnicowej (XRD) i analizy termicznej (DTA-TG). Z zaczynów przetrzymywanych 
w szczelnie zamykanych, foliowych woreczkach po 3, 7 i 28 dniach pobierano próbki, które 
mielono w obecności acetonu i przesiewano przez sito 0,063 mm. Tak uzyskane próbki 
proszkowe badano w dyfraktogramie rentgenowskim w celu określenia składu fazowego 
zaczynów. Zastosowano dyfraktometr Empyrean (PANalytica). Analizę przeprowadzono 
w zakresie kątów 2θ od 10 do 35
o
.
Dodatkowo na próbkach 3 i 28-dniowych po analizie rentgenowskiej wykonano ana-
lizę termiczną w celu ilościowego określenia wody związanej w produktach hydratacji, 
zawartości Ca(OH)
2 
i CaCO
3
. Zastosowano aparat SDT Q600 (TA Instruments). Pomiar 
prowadzono w zakresie od 20 do 1000 
o
C, z prędkością grzania 10 
o
C/min.
Po 28 dniach dojrzewania z zaczynów pobrano próbki do badania mikrostruktury 
w elektronowym mikroskopie skaningowym Quanta FEG 250 (FEI), wyposażonym w mi-
kroanalizator rentgenowski EDS (EDAX). Po pobraniu próbek umieszczano je w pojem-
DNI BETONU 2018
575

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin