5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

1

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

5.

Í

Í

Ï

Ï

Î

Î

Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

5.1 Proces uzyskiwania, geneza i dostępne postacie pyłów krzemionkowych

Pyły krzemionkowe (w literaturze technicznej pyły krzemionkowe (Pk) określa się także mianem mi-
krokrzemionki (Mk) lub oznaczeniami literowymi SF, CSF)

są odpadem przemysłu hutniczego powsta-

jącym przy produkcji krzemu metalicznego, żelazokrzemu i innych stopów krzemowych w efekcie re-
dukcji kwarcu o wysokiej czystości przez węgiel w piecach łukowo

−

oporowych o działaniu ciągłym

[36,72]. Elementy częściowo tylko zredukowanego kwarcu wyparowują jako SiO i są ponownie utlenia-
ne do SiO

2

w wyniku kontaktu z tlenem w chłodniejszej części pieca. Tak oto powstaje amorficzna forma

tlenku krzemu

−

skondensowane w postaci mikroskopijnych okrągłych drobin o wymiarach ziarna ok. 0,1

µ

m.

Powstawanie

pyłów krzemionkowych można ująć za pomocą następujących reakcji [37] :

SiO

2

+ C

→

SiO + CO

2SiO

→

Si + SiO

2

3SiO + CO

→

SiC + 2SiO

2

Ilość SiO

2

w pyłach wzrasta proporcjonalnie do wzrostu krzemu w stopie i tak np. dla stopu żelazo-

krzemowego zawierającego 50%, czy 75% krzemu

−

mamy odpowiednio 61

÷

77%, lub 84

÷

88% krze-

mionki w pyłach, a dla krzemu metalicznego: do 98% krzemionki w pyłach [75].
Początkowo na zainteresowanie pyłami krzemionkowymi miała głównie wpływ ochrona środowiska i
względy oszczędnościowe, by część cementu zastąpić materiałem odpadowym. Przydatność mikrokrze-
mionki w technologii betonu znalazła swe praktyczne odzwierciedlenie już ćwierć wieku temu, to jest w
roku 1971 wykonano beton konstrukcyjny w hucie Fiskaa w Norwegii z wykorzystaniem pyłów krze-
mionkowych [34]. W tymże roku firma „Sika Chemie” uzyskała swój pierwszy patent na cement z dodat-
kami mikrokrzemionki i superplastyfikatorów.
Pierwsze realizacje z zastosowaniem pyłów krzemionkowych do produkcji betonów w Stanach Zjedno-
czonych i Kanadzie nastąpiły na początku lat 80

−

tych [37].

Obecnie

pyły te są na świecie przedmiotem stale rosnącego zainteresowania jako atrakcyjny materiał

do stosowania w betonie, zwłaszcza w dobie rozwoju superplastyfikatorów umożliwiających większe ich
dawkowanie. Efektem tego współdziałania są betony o wysokim poziomie trwałości i wytrzymałości
[75].
Podstawowe

dziś postacie dostępnej mikrokrzemionki

−

przystosowane do transportu, przechowywa-

nia i dawkowania do betonu to:

a) suchy pył krzemionkowy o charakterze koloidu powietrznego, w którym fazą rozproszoną są

cząsteczki krzemionki, a fazą rozpraszającą powietrze; równowagę zapewniają tu zjawiska
elektrostatyczne.

b) suchy pył krzemionkowy

−

zagęszczony; charakter: jak wyżej z tą różnicą, iż poprzez odpo-

wietrzenie i prasowanie usunięto część fazy rozpraszającej.

c) wodna zawiesina krzemionkowa (z dodatkami, lub bez)

−

zbliżona do zawiesiny koloidowej o

stałej fazie z cząsteczek i mikrocząsteczek krzemionki i o fazie dyspersyjnej

−

wodzie z ewen-

tualnie rozpuszczonymi dodatkami.

W kraju dostępna jest postać a) i c) mikrokrzemionki. Dla pełni obrazu dodać należy, że istnieją jesz-
cze inne postacie mikrokrzemionki

−

jednak nie są one stosowane w budownictwie: granulat krzemion-

kowy, szlam krzemionkowy i pył krzemionkowy zbrylowany [34].

5.2 Właściwości fizyczne i chemiczne pyłów krzemionkowych

Pyły krzemionkowe składają się z bardzo drobnych, idealnie sferycznych cząsteczek bezpostaciowej
krzemionki o przeciętnej powierzchni właściwej ok. 20 m

2

/g. Tę miałkość najlepiej jest zilustrować odno-

sząc ją do innych, powszechnie znanych materiałów takich, jak:

•

popioły lotne : 0,4

÷

0,7% m

2

/g (wg. Blaine’a),

•

cement portlandzki : 0,3

÷

0,4% m

2

/g (wg. Blaine’a),

a przedział zmienności dla pyłów krzemionkowych wynosi : 14

÷

30% m

2

/g (wg. BET)

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

2

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Rozkład uziarnienia pyłów krzemionkowych wskazuje, że większość ziarn jest mniejsza niż 1

µ

m.

Średni wymiar cząstek wynosi ok. 0,1

µ

m. i jest w przybliżeniu 100 razy mniejszy od średniego wymiaru

ziarna cementu [36].
Gęstość pyłów krzemionkowych w stanie naturalnym wynosi ok. 2,2 g/cm

3

, przy czym dla przykładu

gęstość cementu portlandzkiego: ok. 3,1 g/cm

3

, a gęstość objętościowa w stanie luźnym 130

÷

430 kg/m

3

(cementu

−

1500 kg/m3). Do zwiększenia gęstości objętościowej pyłów krzemionkowych można dopro-

wadzić poprzez ich zagęszczenie, co daje rezultat na poziomie 480

÷

720 kg/m

3

[73]. Badania polskich

pyłów krzemionkowych (z huty „Łaziska”) wykazały, że nie stanowią one zagrożenia radiologicznego.
Spełniają one wymagania w zakresie dopuszczalnych stężeń naturalnych pierwiastków promieniotwór-
czych. Zawierają śladowe ilości radu Ra

−

226 i toru Th

−

232, a stężenie potasu K

−

40 odpowiada typowej

zawartości tego izotopu w naturalnych kruszywach.[34]

Rys. 5.1 Charakterystyka uziarnienia Pk: a) kształt i wielkość ziaren Pk (mikrofotografia TEM), b) rozkład uziar-

nienia Pk [74]

Skład chemiczny pyłów krzemionkowych przedstawia się następująco:

Tablica 5.1

Skład chemiczny i niektóre właściwości fizyczne Pk [75]

Składnik [%]

Badanie własne 1987*

Badania inne 1971

−

1993

SiO

2

94.06 86.93

−

97.60

Al

2

O

3

0.64 0.55

−

3.61

Fe

2

O

3

0.78 0.17

−

2.03

MgO 0.38 0.02

−

1.22

CaO

ślady

ślady

−

0.89

Na

2

O 0.75 0.11

−

0.37

K

2

O 1.98 0.31

−

1.49

SO

3

0.63 0.94

−

1.35

straty prażenia 0.74

0.63

−

3.47

MnO

−

0.19

−

0.59

P

−

0.03

−

0.44

Cr

2

O

3

−

0.09

−

0.21

TiO

−

0

−

0.01

* wyk. Cz. Wolska

−

Kotańska

Jak

już nadmieniono (pkt. 5.1) ilość krzemu w pyłach wzrasta proporcjonalnie do wzrostu zawartości

krzemu w stopie żelazokrzemowym. Ponadto pyły z produkcji żelazokrzemu zawierają więcej żelaza i
magnezu niż w przypadku produkcji krzemu metalicznego. Natomiast stop krzemowapniowy powoduje
wzbogacenie pyłów w CaO oraz tlenki sodu i potasu [72].
Cechy chemiczne i fizyczne pyłów pozwalają na uzyskanie betonów o wytrzymałości 100

÷

150 MPa.

Na rezultat ten składają się także dwa inne istotne czynniki, tzn: współdziałanie mikrokrzemionki z do-
mieszkami uplastyczniającymi mieszankę betonową i plastyfikatorami i superplastyfikatorami, drugim

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

3

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

czynnikiem są właściwości pucolanowe samej mikrokrzemionki, które zostaną omówione odrębnie w
następnym punkcie [75].

5.2.1 Właściwości pucolanowe pyłów krzemionkowych

Bardzo dobre uziarnienie i silnie rozwinięta powierzchnia ziaren bezpostaciowej krzemionki decydują
o jej wysokich właściwościach pucolanowych i pozytywnym wpływie pyłów na takie cechy betonu, jak
porowatość, wodoprzepuszczalność, redukcja pęcznienia i wzrost wytrzymałości.
Krzemionka w takiej postaci łatwo wchodzi w reakcję z wodorotlenkiem wapniowym, uwalnionym w
procesie hydratacji cementu, zwiększając ilość uwolnionych krzemianów wapniowych typu C

−

S

−

H [34].

Powstanie Ca(OH)

2

w mieszance betonowej jest uwarunkowane hydratacją cementu (jego twardnieniem):

cement

+

woda

→

C

−

S

−

H (żel) + Ca(OH)

2

+ gliniany

Głównym składnikiem powodującym zwiększenie wytrzymałości jest żel koloidalny zhydratyzowa-
nych krzemianów wapniowych zwanych tobermorytem (ze względu na podobieństwo ich budowy do mi-
nerału o tej nazwie) o postaci C

2

S

2

H

3

. Reakcja hydratacji w przypadku C

3

S ma postać:

2 C

3

S + 6H

→

C

2

S

2

H

3

+ 3Ca(OH)

2

Uzyskany w ten sposób wodorotlenek wapnia wpływa negatywnie na wytrzymałość stwardniałego
betonu w czasie, także na jego trwałość, gdyż jest składnikiem najłatwiej rozpuszczalnym w wodzie. Do-
danie zaś do cementu mikrokrzemionki, pozwala na uzyskanie drugiej fazy CSH i co równie ważne
zmniejszenie ilości rozpuszczalnego Ca(OH)

2

. Na skutek rekrystalizacji utworzone zostają długie, giętkie

połączenia o rozgałęzionej i wzajemnie przenikającej się sieci

−

nadające twardniejącej mieszance beto-

nowej znaczną wytrzymałość mechaniczną [37]. Obrazuje to następująca reakcja [72]:
SiO

2

+x

•

Ca(OH)

2

+ y

•

H

2

O

→

x

•

CaO

•

SiO

2

•

(x+y)H

2

O

(żelowa faza CSH)
Tak jak poprzednio, głównym czynnikiem nadającym wytrzymałość jest koloidalny żel uwodnionych
krzemianów wapniowych (tobermoryt).

Rys. 5.2 Schemat rekrystalizacji z udziałem Pk [37]

Dodatek do cementu mikrokrzemionki przesuwa cement na diagramie Rankina w kierunku materiałów
ceramicznych [37].

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

4

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Rys. 5.3 Diagram Rankina dla różnych materiałów [37]

Nowo utworzona warstwa CSH charakteryzuje się niższym stosunkiem C/S (nawet do 1,4), niż CSH
wynikające z hydratacji cementu. Konsekwencją tego jest jej zdolność do przyłączania innych jonów
(zwłaszcza alkaliów) co powoduje minimalizację ryzyka rozwinięcia się korozji alkalicznej betonu (co
zostanie dokładnie omówione w pkt. 3.4.3).
Intensywność reakcji pucolanowej jest zmienna w czasie, oczywiście zależy też od ilości użytej mi-
krokrzemionki. Doskonale odzwierciedla to wielkość procentowego udziału wodorotlenku wapnia w za-
czynie

−

zmienna w czasie, redukowana pucolanową aktywnością mikrokrzemionki. Na poniższym wy-

kresie ukazana jest zmienna ilość Ca(OH)

2

w ciągu roku hydratacji zaczynów z cementu portlandzkiego

35 z dodatkiem pyłów krzemionkowych w ilości od 10 do 30% w stosunku do masy cementu przy
wskaźniku wodno

−

cementowym W/C=0,4.

Rys. 5.4 Zmiany ilości Ca(OH) w zaczynie pod wpływem Pk [74]

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

5

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Rys. 5.5 Wpływ dodatku Pk i W/C na zawartość Ca(OH)

2

w kamieniu cementowym po 550 dniach [30]

Przy 10 i 20% dodatku w stosunku do masy cementu

−

wyraźny proces redukcji wodorotlenku wap-

niowego rozpoczyna się po 3 dniach, a przy 30% już po 1 dniu i przebiega bardzo intensywnie do 28 dnia
twardnienia. Konkludując: intensywność reakcji pucolanowej w okresie do 28 dni jest największa. Tak
więc, jak wynika z wykresu: w stosunku do ilości Ca(OH)

2

, jaki tworzy się w zaczynach bez pyłów

krzemionkowych

−

zaczyny zawierają pyły w ilości 10, 20 i 30% wykazują po 28 dniach odpowiednio:

50, 20 i 5 % tego związku. W przypadku dodatku 30% pyłów krzemionkowych

−

całkowita redukcja

Ca(OH)

2

następuje po 90 dniach, przy dodatku 20%

−

trzeba na to roku, dla 10% dodatku pyłów

−

po

roku ilość Ca(OH)

2

w cemencie jest o 70% niższa w porównaniu z zaczynem bez mikrokrzemionki [74].

Jak

widać na rysunku 5.5 dostępność wodorotlenku wapnia dla reakcji pucolanowej jest uzależniona

od stosunku W/C i zmniejsza się wraz ze zmniejszeniem stosunku wodno

−

cementowego. Jednak nieza-

leżnie od stosunku W/C po przekroczeniu 15% zawartości pyłów ilość Ca(OH)

2

spada do zera. Więc

ze względu na ochronę zbrojenia w praktyce ilość mikrokrzemionki w betonach nie powinna przekraczać
10% [30].
Wysoka

aktywność pucolanowa pyłów krzemionkowych czyni z nich efektywny dodatek do betonu.

Ujawniają one swe właściwości pucolanowe znacznie bardziej zdecydowanie, niż np. popioły lotne. Ba-
dania przeprowadzone w tym kierunku przez ITB wykazały, iż na 20 przebadanych popiołów lotnych:
wskaźnik aktywności pucolanowej kształtował się na poziomie 139

÷

180%, podczas gdy dla pyłów krze-

mionkowych ustabilizował się na poziomie 359%, czyli był dwukrotnie wyższy od najaktywniejszego z
popiołów lotnych (pochodzącego z elektrociepłowni „Łaziska”) [74]. Metoda jaką opracowało w tym ce-
lu I.T.B. polega na badaniu wytrzymałości zapraw zapraw cementowych zawierających 30% popio-
łu/pyłu lub 30% materiału inertnego (piasku o ziarnach

≤

0,5 mm), poddanych naparzaniu niskoprężne-

mu. Po wstępnym dojrzewaniu w temp. 20

°

C (4 godziny) podnosi się temperaturę w ciągu 2 godzin 45

minut do poziomu 75

°

C. Po 4 godzinnym izotermicznym nagrzewie próbki są studzone przez około 10

godzin, po czym badamy ich wytrzymałość. Sam wskaźnik aktywności pucolanowej określa się wg. wzo-
ru:

K

f

f

=

⋅

1

2

100[%]

f

1

−

wytrzymałość zaprawy z popiołem lub pyłem [MPa]

f

2

−

wytrzymałość zaprawy z drobnym piaskiem [MPa]

Właściwości pucolanowe mikrokrzemionki mają bardzo istotny wpływ na wszelkie podstawowe ce-
chy mieszanki betonowej, do której zostały użyte. Wzmacniając strukturę betonu

−

podnoszą jego wy-

trzymałość i polepszają szereg cech składających się na trwałość betonu [71].

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

6

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

5.3 Wpływ pyłów krzemionkowych na właściwości zapraw cementowych

5.3.1 Konsystencja i lepkość pozorna zaczynów

−

wpływ na urabialność zapraw

Świeża mieszanka betonowa powinna być urabialna, czyli powinna być zdolna do szczelnego i do-
kładnego wypełniania form bez segregacji składników podczas transportu, układania i zagęszczania.
Dodatek

pyłów krzemionkowych zmienia w sposób zasadniczy konsystencję zapraw cementowych, a

jak wiadomo jest ona miarą urabialności mieszanki betonowej. Potwierdziły to badania jakie przeprowa-
dzono przy użyciu cementu portlandzkiego 35 z cementami „Przyjaźń” zawierającego od 10 do 30% wa-
gowych pyłów krzemionkowych. W wyniku badań stwierdzono, że plastyczność zapraw zmniejsza się ze
wzrostem ilości pyłów. Ich dodatek w wysokości 10% powoduje zmniejszenie plastyczności o ok. 10% w
porównaniu z zaprawą kontrolną bez dodatku. Przy dodatku 20% plastyczność zaprawy jest mniejsza o
około 30%, zaś 30% pyłów zmniejsza plastyczność o blisko 40%.
W celu uzyskania jednakowej konsystencji bez konieczności zwiększania ilości wody zarobowej
stosowano dodatek uplastyczniający Betoplast 1. Pozwala on na zmniejszenie ilości wody zarobowej
nawet do 27%, przy czym dodawany jest zwykle w ilościach 1

÷

2% w stosunku do cementu. Do zapraw

zawierających 10% pyłów krzemionkowych wystarczy domieszać 0,5% superplastyfikatora [70]. Wpływ
mikrokrzemionki na konsystencję zapraw obrazuje poniższa tabela:

Tablica 5.2

Konsystencja zapraw z dodatkami Pk

Rodzaj zaprawy

Ilość Pk [%]

Ilość Sp [%]

Konsystencja [cm]

Zaprawa kontrolna
CP35, W/C = 0.5

0 0

17.5

Zaprawa jw. z dodat

−

10 0 14.2

kiem Pk ne miejsce

10 0.5

17.4

części cementu

20 0 12.2

20

0.5

12.8

20

1.0

16.7

30

0

10.8

30

1.0

15.4

30

1.5

16.8

30

2.0

18.4

Urabialność przy względnie niskim W/C jest jedną z podstawowych cech betonów wysokowartościo-
wych, lub betonów bardzo wysokowartościowych (BBWW). Właściwości reologiczne zaczynów są bar-
dzo podatne na wpływ pyłów krzemionkowych, skład cementu i ewentualny dodatek superplastyfikatora.
Przyjrzyjmy się bliżej, jak kształtują się właściwości reologiczne zaczynów wyznaczane np. przez lep-
kość pozorną w zależności od:

•

pyłów krzemionkowych: krajowego z Huty Łazińska PK

p

i japońskiego PK

j

•

składu cementu (głównie C

3

A i CaO)

•

ewentualnego dodatku superplastyfikatora (soli sodowej polikondensatu naftaleno

−

sulfonowego

z formaldehydem) w optymalnej ilości z punktu widzenia reologii: tzn. 3% masy cementu

Charakterystyki pyłów krzemionkowych i cementów zawierają poniższe tablice:

Tablica 5.3

Charakterystyka pyłów krzemionkowych [32]

Rodzaj
pyłu

Straty
prażenia

Skład chemiczny [%]

Pow.
właściwa
[m

2

/g]

Śred.
wielkość
ziarn

Gęstość
[mg/m

3

]

[%]

SiO

2

CaO Fe

2

O

3

Al

2

O

3

K

2

O Na

2

O C

[10

−

6m]

PkA(J)

2.5 89.8 0.4 3.8 0.2 0.7 0.2 0.9

28.32 0.1

−

.03

2.2

PkB(F)

1.2 93.0 0.2 0.7 0.7 1.3 0.4 0.4

18.0 0.3

−

0.4

nie ozn.

Tablica 5.4

Charakterystyka cementów [32]

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

7

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Cement Skład chemiczny

Pow.

C

3

S C

2

S C

3

A C

4

AF SO

3

Na

2

O K

2

O wolne

CaO

właść

C

1

67.0

8.0

3.5

15.0

1.84 0.28 0.22 1.28 350

C

2

60.0

12.0

13.5

7.0

2.40 0.11 1.06 2.23 354

C

3

53.0

19.0

11.0

7.0

2.97 0.12 1.20 1.70 270

C

4

−

−

4.8

−

−

−

−

2.40 290

C

5

−

−

12.0

−

−

−

−

1.10 300

0.25C

1

−

0.75C

2

61.75 11.0 11.0 9.0

2.26 0.15 0.85 1.99 352

0.65C

1

−

0.35C

2

64.55 9.4 7.0

12.2

2.04 0.21 0.51 1.61 354

0.54C

1

−

0.46C

3

60.56 13.06 7.0

11.3

2.36 0.22 0.66 1.47 313

Dla zaczynów zawierających tak mikrokrzemionkę (PK

j

), jak i superplastyfikator

−

lepkość pozorna wzrasta nieliniowo wraz ze wzrostem zawartości C

3

A.

Rys. 5.6 Zależność między zawartością C

3

A w cemencie a lepkością pozorną zaczynów z dodatkiem PkJ

Na wzrost lepkości pozornej wpływa nie tylko C

3

A, ale też zawartość wolnego CaO. Najwyższą lep-

kość

η

p

wykazał naturalnie cement C

2

o maksymalnej zawartości tak C

3

A, jak i CaO. Co ciekawe lepkość

tego cementu jest ponad trzykrotnie wyższa, niż lepkość zaczynu z cementu zawierającego tylko o 1,5%
mniej C

3

A, lecz dwukrotnie mniej wolnego CaO [32].

Rys. 5.7 Wpływ zawartości C

3

A i wolnego CaO w badanych cementach na lepkość pozorną zaczynów bez i z dodat-

kiem Pk [32]

Dodanie do zaczynu pyłów w ilości najczęściej stosowanej, tzn. 10% bez superplastyfikatora powodu-
je zwiększenie lepkości zaczynów, przy czym wzrost ten jest kontrolowany rodzajem pyłu. I tak pył o
mniejszej powierzchni właściwej, mniejszej zawartości węgla i większej zawartości alkaliów

−

PK

p

, nie-

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

8

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

zależnie od składu cementu dla zachowania urabialności zbliżonej do zaczynu bez dodatku wymaga
zwiększenia W/(C+PK

p

) o 0,1%; natomiast zaczyn z pyłem PK

j

o 0,15% [32].

Zestawmy teraz lepkość cementów z różnymi dodatkami pyłów krzemionkowych bez superplastyfika-
tora, jak i przy jego udziale (3%).

Rys. 5.8 Wpływ rodzaju i zawartości Pk na lepkość pozorną zaczynów cementowych z dodatkiem SP:

1) 0% Pk

J

;

2) 10% Pk

J

;

3) 15% Pk

J

;

4) 15% Pk

P

;

5) 20% Pk

P

[32]

Rys. 5.9 Wpływ rodzaju Pk i składu cementu na lepkość pozorną zaczynów cementowych bez Sp:

1) W/C=0.4 (0% Pk);

2) W/C=0.55 (10% Pk

J

);

3) W/C=0.5 (10% Pk

P

) [32]

W przypadku zastosowania superplastyfikatora wpływ pyłu japońskiego na konsystencję zaczynów w
zakresie 0

−

15% (dla cementu C

2

0

−

10%) jest kontrolowany składem cementu. Inaczej jest w przypadku

polskiego pyłu krzemionkowego, który znacznie zmniejsza lepkość zaczynów niezależnie od składu ce-
mentu. Potwierdza to możliwość pełnienia przez ten dodatek funkcji reduktora wody i czynnika zwięk-

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

9

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

szającego efektywność oddziaływania superplastyfikatora. Dla cementu zawierającego najmniej C

3

A i

wolnego CaO oraz alkaliów (C

1

) rodzaj pyłów nie wpływa na reologię. W pozostałych przypadkach

cementów

−

dodatek 15% PK

p

drastycznie zmniejsza lepkość zaczynów. Wynika z tego, że nie

zawartość węgla jest główną przyczyną stwierdzonych różnic w efekcie oddziaływania badanych pyłów.
Reasumując należy stwierdzić, że właściwości reologiczne zaczynów o składzie odpowiadającym ma-
trycom BBWW przy stałym W/(C+Pk) z dodatkiem superplastyfikatora (tutaj 3%

−

optimum z punktu

widzenia lepkości pozornej) są kontrolowane głównie jakością pyłu [32].

5.3.2 Wytrzymałość zapraw

Wpływ pyłów krzemionkowych na wytrzymałość na ściskanie zaprawy cementowej badano przy sta-
łej konsystencji zapraw i przy utrzymywanym poziomie wskaźnika W/C=0,5. Dla pełni obrazu dodać
należy, że próbki dojrzewały w warunkach laboratoryjnych, tzn. o wilgotności względnej powietrza po-
nad 90% i temperaturze 18

÷

20

°

C. W poniższej tabeli zaobserwować możemy kształtowanie się wytrzy-

małości na ściskanie zapraw w zależności od zawartości mikrokrzemionki (i dodatku superplastyfikatora
Betoplast 1 w ilości 0,5% dla 10% mikrokrzemionki, 1% dla 20% Mk, 1,5% dla 30% Mk) [73].

Tablica 5.5

Wytrzymałość na ściskanie zapraw z dodatkiem Pk [73]

Rodzaj zaprawy

Wytrzymałość na ściskanie po upływie [dni], MPa

3

7

28

90

180

360

Zaprawa kontrolna, CP35,
W/C=0.5

21.2 30.5 42.2 49.9 51.5 53.8

Zaprawa z dodatkiem Pk:

10%

17.5 26.0 40.8 45.5 48.4 51.7

20%

15.8 30.6 53.2 57.1 59.9 66.5

30%

15.3 34.0 51.4 65.9 72.6 79.7

Jak

widać dodatek 10% pyłów krzemionkowych dozowanych w stosunku do masy cementu w

minimalnym stopniu zmniejsza wytrzymałość zapraw z cementu portlandzkiego. Lecz już dodatki w
ilości 20% i 30% powodują zwiększenie wytrzymałości na ściskanie, począwszy od 7 dnia twardnienia. Z
kolei po roku czasu wytrzymałość zapraw z 20% dodatkiem pyłów wzrasta o ok. 1/4 w stosunku do
zaprawy kontrolnej. Różnica ta wzrasta dwukrotnie w przypadku zapraw zawierających 30% pyłów
krzemionkowych, których wytrzymałość była blisko o 50% wyższa w porównaniu z zaprawą kontrolną.
Jeszcze korzystniejszy wpływ pyłów na cechy wytrzymałościowe obserwuje się w betonach, gdzie
bardziej uwidacznia się rola pyłów krzemionkowych we wzmacnianiu strefy przejściowej między
zaczynem, a ziarnami kruszywa [75]. Wpływ mikrokrzemionki determinuje wytrzymałość zaczynu, która
zgodnie ze wzorem empirycznym Z.Powersa opiera się na stosunku żelowo

−

przestrzennym (x): fc=A

∗

xb

(A i b

−

stałe , zależne od rodzaju cementu). Stosunek żelowo

−

przestrzenny określa się jako stosunek

objętości żelu cementowego do sumy objętości żelu cementowego i porów kapilarnych. Wyraża się
wzorem:

x =

0 678

0 318

,

,

/

/

⋅

+

+

α

W C a C

α

−

stopień hydratacji cementu

W

−

woda, C

−

cement, a

−

powietrze.

Poprzez zastosowanie pyłów krzemionkowych możemy obniżyć stosunek W/C mieszanki betonowej,
jak i wydatnie obniżyć porowatość, co pozwoli zredukować wartość „a”. Te dwie wielkości regulowane
poprzez zawartość mikrokrzemionki pozostają ze sobą w ścisłej korelacji, ponieważ przy danym stopniu
hydratacji W/C określa porowatość zaczynu cementowego. Tak więc mikrokrzemionka wpływająca na
stosunek żelowo

−

przestrzenny wpływa na wytrzymałość zaczynu [39].

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

10

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Rys. 5.10 Związek między wytrzymałością a stosunkiem żelowo

−

przestrzennym [39]

5.4 Wpływ pyłów krzemionkowych na cechy betonu

5.4.1 Struktura betonu modyfikowanego pyłami krzemionkowymi

Badania mechanizmu niszczenia betonu dowodzą, że jest on kontrolowany nieciągłościami budowy i
to głównie na poziomie mikrostruktury. Z natury nieciągła struktura betonu wynika z jego wieloskładni-
kowości, polidyspersyjności, wielofazowości materiału na poziomie makro i mikrostruktury.
Główną rolę odgrywają nieciągłości związane z:

a) porowatością i strukturą porów (głównie kapilarnych)
b) niejednorodnym rozmieszczeniem składników oraz produktów hydratacji w objętości betonu
c) występowaniem miedzyfazowych granic i warstw przejściowych
d) występowaniem obok wiązań chemicznych słabych wiązań drugiego rodzaju
(wiązania wodorowe, van der Vaalsa)

Eliminacja lub przynajmniej redukcja powyższych nieciągłości jest niezbędną w technologii betonów
wysokowartościowych. Jak się okazuje dla wytrzymałości i trwałości betonu

−

czyli jego podstawowych

cech najistotniejsze są czynniki kontrolujące wielkość porów i ich objętościową zawartość oraz skład i
strukturę „strefy przejściowej”, uznanej za krytyczny parametr trwałości betonu. W wysokosprawnych
betonach redukcja lub eliminacja kapilarnej porowatości, także zmiana składu i struktury warstwy przej-
ściowej wraz z ograniczeniem jej grubości uzyskana zostaje poprzez wykorzystanie domieszek i dodat-
ków, wśród których kardynalne znaczenie ma właśnie mikrokrzemionka [30].
Zgodnie z powyższym dobór składu mieszanki betonowej w celu uzyskania betonu wysokiej wytrzy-
małości, tak w skali mikro (molekularnej) jak i makro (składników betonu) dokonywany jest z warunku
minimalnej porowatości suchego stosu ziarnowego oraz z warunku maksymalnego połączenia się mole-
kuł [39].
Dodatek mikrokrzemionki wywiera jednoznacznie pozytywny wpływ na słabe ogniwo w betonie ja-
kim jest wspomniana już tzw. „strefa przejściowa” powstająca wokół ziarn kruszywa. Wiąże się ona z
powstaniem otoczki wodnej wokół ziarn kruszywa, zwiększającej w tej strefie stosunek W/C, co z kolei
umożliwia rozpuszczanie się składników cementu w wodzie i krystalizację produktów reakcji z roztworu.
W strefie przejściowej krystalizuje wodorotlenek wapniowy, a następnie faza C

−

S

−

H tworząc razem war-

stwę podwójną o grubości ok. 1

µ

m [36]. Występowanie dobrze wykształconych i uprzywilejowanie zo-

rientowanych kryształów portlantydu będących wynikiem jednokierunkowej dyfuzji jonów w mikroob-
szarach o zwiększonej porowatości, a przez to zwiększonej zawartości wody wolnej przy powierzchni

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

11

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

ziarn kruszywa i zbrojenia osłabia wiązania na granicy faz i określa drogę inicjacji i propagacji rys i oraz
zwiększonej przepuszczalności dla gazów i cieczy [30]. W strefie porowatej sąsiadującej z warstwą po-
dwójną występują: Ca(OH)

2

−

pierwotny (grubokrystaliczny) i wtórny (drobnokrystaliczny), cząstki CSH

oraz zhydratyzowane ziarna cementu (zwane „ziarnami Hardleya”). Złożone są z otoczki hydratów
(głównie CSH) grubości ok. 1

µ

m. z pustką w środku mniej lub więcej wypełnioną produktami hydrata-

cji, ewentualnie reliktami bezwodnego cementu. Schematyczny obraz strefy przejściowej ukazuje poniż-
szy model (akurat w tym przypadku w odniesieniu do powierzchni szkła

−

w miejsce powierzchni kru-

szywa) [34].

Rys. 5.11 Schematyczny obraz strefy wiązania zaczynu z powierzchnią szkła [34]

Wytrzymałość w strefie przejściowej między zaczynem cementowym i kruszywem grubym jest mniej-
sza, niż wewnątrz zaczynu. Strefa ta zawiera większą ilość pustych przestrzeni wynikających z akumula-
cji wody wolnej wokół ziarn kruszywa oraz mamy tu do czynienia z ukazanym wcześniej tzw. „efektem
ściany” wynikającym z trudności ścisłego upakowania cząstek przy powierzchni kruszywa. W tymże ob-
szarze gromadzi się też więcej kryształów portlantydu. Przy braku dodatku mikrokrzemionki zostają tu
uformowane duże kryształy Ca(OH)

2

zorientowane równolegle do powierzchni kruszywa, bądź zbrojenia.

Nagromadzone kryształy portlandu są słabsze, niż uwodnione krzemiany wapniowe CSH [73]. Poniżej
mamy ukazany obraz „czystej” oraz zmodyfikowanej mikrokrzemionką i superplastyfikatorami strefy
przejściowej.

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

12

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Rys. 5.12 Modelowe przedstawienie warstwy przejściowej:

a) bez dodatków; b) z dodatkiem SP i Pk; c) skład fazowy w funkcji odległości od powierzchni ziarn kruszywa;

1

−

"Duplex film", 2

−

CSH, 3

−

etryngit, 4-portlantyd, 5

−

kruszywo, 6

−

porowatość. [30]

Dodatek

pyłów krzemionkowych począwszy już od niewielkiej ilości: rzędu 2

÷

3% masy cementu

zwiększa zagęszczenie struktury w strefie przejściowej poprzez wypełnienie wolnych przestrzeni, dlatego
zmniejsza się zarówno wielkość kryształu portlantydu jak i stopień ich orientacji wobec ziarn kruszywa.
Efektem powyższego jest wzmocnienie tej słabej strefy w betonie. Przejawia się ono redukcją samoczyn-
nie oddawanej wody (bleeding), poprawą przyczepności zaczynu do kruszywa i stali, a głównie zmniej-
szeniem porowatości strefy przejściowej [75]. Graficzne odzwierciedlenie porowatości przy powierzchni
ziarn kruszywa w betonie bez i z dodatkiem mikrokrzemionki zaprezentowano na rysunkach 5.13 i 5.14.

Rys. 5.13 Porowatość przy powierzchni ziarn kruszywa w betonie: 1-warstwa przejściowa, 2

−

średnia porowatość

betonu, 3-średnia porowatość zaczynu, 4

−

bez Mk, 5

−

z dodatkiem Mk. [30]

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

13

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Rys. 5.14 Wpływ Pk na porowatość betonu [37]

Reakcje pucolanowe, o których mowa była w pkt. 5.2.1 jako czynnik oddziaływania chemicznego
powodują dalsze zwiększanie wytrzymałości i trwałości betonu. W wyniku oddziaływań fizycznych i
chemicznych następuje korzystna modyfikacja mikrostruktury zaczynu związana ze znacznym zmniej-
szeniem porowatości w obszarze porów kapilarnych (1000

−

10000 nm) [73]. Redukcja ta obejmuje ilość,

wymiar i kształt porów kapilarnych, a także ich objętości jednostkowe [55]. Wpływ mikrokrzemionki na
całkowitą porowatość betonu sprowadza się naturalnie do tym silniejszej jej redukcji, im wyższy jest pro-
centowy udział mikrokrzemionki w betonie (patrz: wykres) [37].
Przyjrzyjmy

się teraz zmianom porowatości zaczynów z dodatkiem pyłów krzemionkowych w zależ-

ności od ich procentowej zawartości, po rocznym okresie dojrzewania.

Rys. 5.15 Charakterystyka porowatości zaczynów: 1

−

cement, 2

−

cement+10% Pk, 3-cement+20% Pk,

4

−

cement+30% Pk [74]

Analizując charakterystykę porowatości ukazaną na powyższym wykresie stwierdza się, iż objętość
porów w obszarze od 7500 nm do 5 nm ulega wyraźnemu zmniejszeniu w miarę wzrostu dodatku pyłów
krzemionkowych. Najsilniej proces ten zachodzi w obrębie promienia porów: 10

÷

100 nm [74]

Udział procentowy porów żelowych rośnie ze wzrostem ilości dodatku, a także ulega przesunięciu
dominujący promień w kierunku porów mniejszych. W zakresie porów najdrobniejszych (5

−

15 nm), któ-

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

14

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

rych ilość w zaczynie bez dodatków wynosiła 14,6% występuje wzrost, w miarę wzrostu ilości pyłów
krzemionkowych od 10 do 30%

−

odpowiednio do 29,4 i 51,6 oraz 61,0%.

W konsekwencji omówionego chemicznego i fizycznego oddziaływania pyłów

−

znacznej poprawie

ulegają właściwości mechaniczne i trwałość betonu [74].
Jak

już wcześniej wspomniano na nieciągłości struktury betonu wpływają także właściwości wiązań.

Cechy wiązań między kruszywem, a opartymi na mikrokrzemionce zaczynami i zaprawami uznaje się za
lepsze niż w przypadku zaczynów i zapraw niemodyfikowanych. Przy niższej zawartości mikrokrze-
mionki wzrost wytrzymałości wiązań jest nieznaczny, dopiero gdy zawartość pyłów krzemionkowych
przekroczy 20% następuje istotniejszy wzrost wytrzymałości.

Rys. 5.16 Różniczkowy rozkład porów: 1

−

cement, 2

−

cement+10% Pk, 3

−

cement+20% Pk, 4

−

cement+30% Pk

[74]

Podobne

spostrzeżenia odnieść można do przyczepności betonu do prętów zbrojeniowych. Rysunek

5.17 ukazuje właśnie wpływ dodatku mikrokrzemionki (przy odpowiednim poziomie W/C) na przyczep-
ność betonu do stali.

Rys. 5.17 Wpływ ilości dodatku Pk na wzrost przyczepności betonu do stali [36]

Przyczepność wzrasta proporcjonalnie do przyrostu wytrzymałości na ściskanie, lecz dla wytrzymało-
ści niższej od 50 MPa nie można wysnuć żadnych pewnych wniosków. Prawidłowość ta obowiązuje do-
piero w zakresie wytrzymałości odpowiadającej betonom wysokowartościowym. Użyto tu superplastyfi-
katora w ilości 2% i mikrokrzemionki w ilości 20% [36]. Wykres 5.18 odzwierciedla tę zależność.

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

15

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Rys. 5.18 Związek między przyczepnością betonu do stali, a wytrzymałością na ściskanie betonu modyfikowanego

Mk [36]

5.4.2 Wytrzymałość na ściskanie (także na zginanie i na rozciąganie)

Wytrzymałość na ściskanie jest postrzegana jako wiodący parametr charakteryzujący beton. Cechy
wytrzymałościowe betonu modyfikowanego krzemionką zbliżone są do cech betonu zawierającego po-
piół lotny tyle tylko, że reakcje pucolanów betonu zawierającego popioły są widoczne wcześniej. Wzrost
wytrzymałości betonów z dodatkiem np. 15% pyłów krzemionkowych następuje w całym okresie doj-
rzewania (beton na bazie cementu CP35, wysokoalkalicznego), a po 180 dniach w warunkach laborato-
ryjnych mamy przyrost rzędu 25

÷

30%. W tym samym okresie pyły krzemionkowe (10%) łącznie z po-

piołem lotnym (20%) powodują zwiększenie wytrzymałości betonu, choć nieco niższe, a ponadto wy-
trzymałość początkowa do 7 dni jest mniejsza o ok. 10% od betonu kontrolnego.
Istotnym czynnikiem pozwalającym uzyskać takie wyniki jest struktura samej mikrokrzemionki, wy-
soka zawartość krzemu oraz kilkakrotnie wyższy wskaźnik aktywności pucolanowej [71].

Rys. 5.19 Wytrzymałość na ściskanie próbek betonu z cementem wysokoalkalicznym (1.1% Na

2

O) i kruszywem re-

aktywnym (warunki laboratoryjne) [71]

Przedstawiona zostanie teraz w sposób schematyczny relacja uzależniającą wytrzymałość betonu od
wielkości efektu pucolanowego mikrokrzemionki. Rezultat współdziałania różnych składników wyznacza
optymalną ilość dodanych pyłów krzemionkowych. Efekt sumaryczny uwidacznia, iż wzrastająca ilość

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

16

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

oddziaływań mikrocząsteczkowych i pucolanowych jest kompensowana poprzez wzrastające zapotrze-
bowanie na wodę

−

rosnące wraz z ilością dodanej mikrokrzemionki.

Rys. 5.20 Uogólniony związek między ilością Pk, a wytrzymałością betonu [36]

Wytrzymałość na ściskanie kształtuje się naturalnie w różny sposób w zależności od tego, czy mikro-
krzemionka jest dozowana jako substytut (zamiennik) części cementu

−

wykres 5.21, czy też jako doda-

tek nie zmniejszający masy cementu

−

wykres 5.22.

Rys. 5.21 Stosunek między wytrzymałością na ściskanie, a upływem czasu dla betonu z różnym udziałem procen-

towym Pk, użytej jako częściowy substytut cementu [36]

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

17

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Rys. 5.22 Związek między upływem czasu, a wytrzymałością na ściskanie dla betonu o różnym udziale procento-

wym Mk, użytej jako dodatek do cementu [36]

Gdy mikrokrzemionka użyta jest jako substytut cementu następuje mała, lub żadna zmiana wczesnej
wytrzymałości na ściskanie w okresie 1

−

3 dni

−

niezależnie od ilości użytej mikrokrzemionki w odnie-

sieniu do betonu kontrolnego. Oznacza to, że działanie pyłów krzemionkowych jako pucolanu wymaga
powstania pewnego minimum Ca(OH)

2

. Ponadto jak widać przy niższym wskaźniku W/(C+Mk) produkty

utworzone przez reakcję pucolanów łączą się bardziej efektywnie, niż te powstałe przy wyższym
W/(C+Mk). Obserwację z tych dwóch przypadków można uogólnić stwierdzając, że skuteczność działa-
nia pyłów krzemionkowych w betonie wzrasta wraz ze zmniejszaniem się stosunku W/C.

Rys. 5.23 Związek między wytrzymałością na ściskanie betonu, stosunkiem W/C i zawartością Pk [36]

Jak

widać chcąc osiągnąć wyższe zakresy wytrzymałości: ograniczamy stosunek W/C „lub”, bądź le-

piej „oraz” podnosimy procentowy udział mikrokrzemionki [36].
Widzimy

zatem,

że wytrzymałość betonu na ściskanie w dużej mierze zależy od wskaźnika wod-

no

−

cementowego, lub raczej wskaźnika woda

−

materiały wiążące (z udziałem mikrokrzemionki). Podczas

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

18

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

hydratacji cementu określona ilość tego materiału może związać chemicznie tylko określoną ilość wody.
Pozostała woda dodawana w celu uzyskania odpowiedniej urabialności mieszanki wyparowuje pozosta-
wiając w betonie pory zmniejszające jego wytrzymałość, co ukazuje poniższy wykres [37].

Rys. 5.24 Zależność między wytrzymałością na ściskanie a porowatością [37]

Wpływ dodatku mikrokrzemionki na procentową objętość porów przedstawiono już w pkt. 5.4.1, a
możliwość poprawy urabialności przy zredukowanej ilości wody gwarantują domieszki uplastyczniające,
a zwłaszcza upłynniające, czego szczegóły zaprezentowano w poprzednim rozdziale. Obydwa czynniki
zastosowane razem pozwalają znacznie zredukować W/C nawet do poziomu

≈

0,2. Przyjmując pełne za-

gęszczenie mieszanki betonowej dla danego wieku i normalnej temperatury wytrzymałość betonu można
określić jako odwrotnie proporcjonalną do wskaźnika W/C.
Interesującym wydaje się być wpływ pyłów krzemionkowych na wytrzymałość na ściskanie kamienia
cementowego w porównaniu z wpływem na wytrzymałość betonu. Otóż dodatek mikrokrzemionki niemal
nie zmienia wytrzymałości kamienia cementowego podczas, gdy wytrzymałość betonu ulega znacznemu
wzrostowi. Potwierdza się w tym miejscu wysoka zdolność mikrokrzemionki do redukcji słabej strefy
przejściowej: kruszywo

−

zaczyn cementowy. Zachodząca eliminacja makroporów i dyspersja mikropo-

rów w tej strefie redukuje przenikliwość betonu, natomiast żelowe i słabo wykrystalizowane produkty
hydratacji przy dużej jednorodności ich rozkładu i dużej gęstości mikrostruktury minimalizują prawdo-
podobieństwo pojawienia się rys [30].

Rys. 5.25 Porównanie wytrzymałości kamienia cementowego i betonu bez (A)i z dodatkiem (B) Pk: 1

−

kamień ce-

mentowy, 2

−

beton [30]

Pewien

wpływ na wytrzymałość na ściskanie ma także postać, w jakiej zastosować można mikrokrze-

mionkę. I tak po 1 i 3 dniach w betonach z dodatkiem wodnej zawiesiny krzemionkowej (oraz z cemen-
tem portlandzkim 35 bez dodatków) wytrzymałość była o kilka procent niższa, niż w przypadku betonów
z dodatkiem pyłu, jak i bez dodatku. Natomiast wytrzymałość po 7, 20 i 90 dniach była już taka sama, lub
nieco większa w betonach z dodatkiem zawiesiny [53].

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

19

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Innym

interesującym zagadnieniem jest wpływ relacji mikrokrzemionka

−

cement portlandzki (ich wza-

jemnych proporcji) na wytrzymałość. Pewnym miernikiem może być tutaj tzw. wskaźnik skuteczności
(lub aktywności, czy substytucji

−

zróżnicowane nazewnictwo). Norwegowie ustalili, iż wartość tego

wskaźnika waha się od 2 do 5. Oznacza to, że przy wartości np. „3”: 3 kg cementu mogą zostać zastąpio-
ne 1 kg. mikrokrzemionki bez wpływu na wytrzymałość badanego betonu. Wykres 5.26 przedstawia
związek między procentową zawartością mikrokrzemionki (w stosunku do wagi cementu), a wskaźnikiem
skuteczności. Wynika z niego, że dynamika wzrostu wytrzymałości betonu jest tym wyższa, im niższa
jest zawartość mikrokrzemionki (tzn. wyższa jest wówczas efektywność

−

relatywnie niższego dodatku

mikrokrzemionki). Wskaźnik skuteczności wzrasta wraz ze wzrostem zawartości cementu w mieszani-
nach betonowych [36].

Rys. 5.26 Uogólniony związek między wskaźnikiem skuteczności, a zawartością Pk w betonie [36]

Przejdźmy teraz do zagadnienia kształtowania się wytrzymałości na ściskanie w czasie w zależności
nie tylko od wielkości dodatku mikrokrzemionki, ale również z uwzględnieniem rodzaju użytego cemen-
tu. W tym przypadku badania przeprowadzone przy zachowaniu stałej konsystencji oraz przy zastosowa-
niu cementu portlandzkiego 35 i hutniczego 25 z dodatkiem pyłów krzemionkowych w ilości od 10 do
30%. Stałą konsystencję pozwalał zachować superplastyfikator Betoplast 1. Wyniki ukazuje poniższa
tabela.

Tablica 5.6

Wpływ pyłów krzemionkowych na wytrzymałość betonu [73]

Skład betonu

Wytrzymałość na ściskanie [MPa] po upływie dni

7

28

90

Beton kontrolny z CP35

22.6 32.4 39.1

Beton jw. z dodatkiem Pk:

10%

28.3 41.9 50.1

20%

28.8 44.4 56.9

30%

26.8 50.6 64.0

Beton kontrolny z
cementem hutniczym 25

12.4

24.8

30.3

Beton jw. z dodatkiem Pk:

10%

13.7 30.0 40.9

20%

−

39.8 47.5

30%

19.2 42.8 56.1

Po 7 dniach twardnienia obserwujemy już wyraźny wpływ pyłów. Po 28 dniach obserwuje się w beto-
nach z cementem portlandzkim przyrosty wytrzymałości rzędu 30

÷

55%

−

proporcjonalnie do ilości py-

łów krzemionkowych, a w betonach z cementem hutniczym: 20

÷

70%.

Po trzech miesiącach, dzięki

rozwojowi reakcji pucolanowej następuje dalsze zwiększenie wytrzymałości betonów z pyłami w
stosunku do betonów kontrolnych. Po roku w przypadku betonu z cementem portlandzkim przyrost
wytrzymałości wynosi 20

÷

47% w stosunku do betonu kontrolnego [73].

Interesujące w tym zakresie są dane z doświadczeń niemieckich tym bardziej, gdyż zostały zweryfi-
kowane w praktyce przy budowie pierwszego w Niemczech wieżowca we Frankfurcie nad Menem wzno-

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

20

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

szonego w technologii BWW. Osiągane wytrzymałości są tu wyższe, niż w uprzednio przytoczonych ba-
daniach, bo uzyskać miano beton klasy min. B85. Pył krzemionkowy, który znalazł tu zastosowanie miał
postać zawiesiny wodnej: 50

−

procentowej, natomiast cementy portlandzkie miały klasę odpowiednio:

45F i 55.
Naturalnie dodanie mikrokrzemionki ma wyraźny wpływ na wytrzymałość na ściskanie. Zwykle tu
stosowane ilości dodatków wynoszące ok. 7% pyłu krzemionkowego mogą zwiększyć wytrzymałość o
15

÷

20% w porównaniu z betonem bez mikrokrzemionki przy tej samej wartości W/C

≈

0,35 po 28

dniach. Ilości dodatków w granicach 10% nie powodują już wyraźnego wzrostu wytrzymałości (dane te
Niemcy uzyskali na podstawie serii poprzedzających badań laboratoryjnych). Wpływ klasy wytrzymało-
ściowej użytego cementu przejawia się w wartościach wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach. Uwi-
dacznia się tu właśnie wpływ zastosowanej mikrokrzemionki. I tak w betonie z cementem klasy 55 można
zwiększyć wytrzymałość końcową do 10% w porównaniu z cementem klasy 45. Poniższa tabela ujmuje
właśnie rozwój wytrzymałości betonu w czasie (w procentach wartości uzyskanej po 28 dniach)
w zależności od klasy cementu i udziału mikrokrzemionki [25,59].

Tablica 5.7

Rozwój wytrzymałości na ściskanie dla cementów Z45F, Z55 [59]

Klasa cementu

Pk [%]

Wytrzymałość w % wytrzymałości 28 dniowej po dniach

1 7 28 56

Z45F

7

20

−

30 70

−

75

100

105

−

107

Z55

7

30

−

40 75

−

80

100

105

−

107

Z55

0

30

−

40 85

−

90

100

102

−

104

Należy zaznaczyć, że względnie niskie wytrzymałości po 24 godzinach związane są z dodatkiem
opóźniacza. W betonach wysokiej wytrzymałości największy procent całkowitej wytrzymałości na ści-
skanie osiągnięty zostaje już po 28 godzinach. Należałoby jeszcze dodać, że uzyskane w praktyce wy-
trzymałości mieściły się w zakresie 103

÷

122 MPa (po 56 dniach), tzn. wartość znamionowa dla B85 zo-

stała znacznie przekroczona. Rozwój wytrzymałości w czasie

−

w rzeczywistości okazał się wyższy od

wyznaczonego minimum dla klasy B85 (linia przerywana na wykresie) które uzyskano na podstawie ba-
dań wstępnych. Istotny okazał się tu tak udział mikrokrzemionki, jak i superplastyfikatora (wytrzymałość
poniżej 120 MPa jest limitowana głównie za sprawą kruszywa

−

piasku reńskiego zawierającego dużo

drobnych frakcji) [25].

Rys. 5.27 Rozwój wytrzymałości B85 [25]

Pył krzemionkowy wywiera wpływ nie tylko na wytrzymałość na ściskanie, lecz także na zginanie i
rozciąganie. Związek między relacją wytrzymałości na zginanie, czy rozciąganie do wytrzymałości na
ściskanie, a ilością dodanej mikrokrzemionki użytej jako zamiennik pewnej ilości cementu w betonie
przedstawia poniższy wykres. Pojawia się dość znaczne zróżnicowanie wyników, gdyż dane pochodzą z
testów przeprowadzonych w różnych laboratoriach stosujących różne metody badań i rozmiary próbek
[36].

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

21

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Tak

kształtują się zmiany tej relacji. Natomiast sama wartość relacji wytrzymałości na rozciąganie,

zginanie do wytrzymałości na ściskanie oscyluje w granicach 20% dla np. betonu B35, czy też 10% dla
B55, jak i dla betonu wykorzystanego w realizacji wspomnianego wcześniej obiektu we Frankfurcie nad
Menem (B 85). Świadczy to o tym, iż obie wielkości przyrastają, choć dynamika wzrostu wytrzymałości
na zginanie, czy rozciąganie jest niższa.[25,36,59].

Rys. 5.28 Uogólniony związek między stosunkiem wytrzymałości na zginanie i rozciąganie do wytrzymałości na

ściskanie, a ilością dodanej Pk. [36]

Zwrócono

także uwagę na kształtowanie się modułu sprężystości Younga. Niemcy ze wspomnianej

realizacji wyciągnęli wniosek, że zgodnie z oczekiwaniami moduł sprężystości zwiększa się w betonach o
podwyższonej wytrzymałości wolniej, niż wytrzymałość na ściskanie [59]. Natomiast norweskie badania
dowiodły, że nie istnieje istotna różnica pomiędzy modułami dla betonów z dodatkiem lub bez mikro-
krzemionki. Wiadomym jednak jest, że wartość „E” nie osiąga wzrostu wraz ze wzrostem wytrzymałości
na ściskanie, gdyż beton o dużej wytrzymałości jest bardziej kruchy. Dotyczy to także betonu z
mikrokrzemionką. Jak się okazuje beton o różnych zawartościach mikrokrzemionki oraz stosunku W/C
nie wykazuje dużych różnic w wartości modułu „E” [36].

5.4.3 Trwałość betonu

Za

podstawową cechę betonu wielu uważa obecnie nie wytrzymałość na ściskanie, ale jego trwałość

rozumianą zarówno w sensie technicznym (niezmienność zespołu gwarantowanych cech fizykochemicz-
nych betonu w czasie), jak i w sensie ekonomicznym (koszt konstrukcji w przeliczeniu na 1 rok jej gwa-
rantowanej eksploatacji). Interesującym, aczkolwiek rzadziej podejmowanym wydaje się być właśnie
ekonomiczny aspekt trwałości betonu modyfikowanego mikrokrzemionką. I tak np. koszt 1 m

3

betonu

B90 uzyskanego z mieszanki wyjściowej B30 przy zastosowaniu preparatu na bazie mikrokrzemionki
wzrasta o prawie 200%. Wydatek rekompensuje się natychmiast dzięki możliwości redukcji przekroju
poprzecznego o 2/3. Ponadto trwałość betonu z mikrokrzemionką jest wielokrotnie większa niż betonu
tradycyjnego ze względu na wyższy stopień hydratacji cementu, większą szczelność oraz mrozo

−

i chemoodporność [62]. Wracając do trwałości technicznej rozumianej jako zdolność do wypełniania
przez ten materiał funkcji wyznaczonych projektem budowli, lub konstrukcji z odpowiednim współczyn-
nikiem bezpieczeństwa i przez odpowiedni okres. Należy zwrócić uwagę, że na niekorzystny wpływ oto-
czenia narażony jest przede wszystkim zaczyn cementowy i najlepszym sposobem jego zabezpieczenia
jest zmniejszenie przepuszczalności betonu dla cieczy i gazów.
Można wyróżnić dwa podstawowe mechanizmy procesu korozji betonu w środowisku agresywnym,
czyli rozpuszczanie i reakcje ekspansywne. Rozpuszczanie i wymywanie składników zaczynu powoduje
rozluźnienie jego struktury, co umożliwia szybki postęp destrukcji (np. w wyniku zamarzania wody). Re-
akcje ekspansywne mogą prowadzić do pękania i niszczenia betonu w wyniku powstawania związków o
małej rozpuszczalności wywołujących ciśnienie krystalizacji (tak przebiega np. korozja siarczanowa)
[34].

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

22

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Dodatki pucolanowe w wyraźny sposób poprawiają trwałość użytkową betonu przeciwdziałając jego
destrukcji, przy czym pyły krzemionkowe działają szybciej i intensywniej niż popioły lotne. Bardzo
istotny jest tutaj wpływ mikrokrzemionki na strukturę porów, przejawiający się redukcją porów kapilar-
nych, tworzeniem nowych struktur uwodnionych krzemianów wapniowych typu CSH, efektem czego jest
zwiększenie gęstości matrycy kamienia cementowego. Wynikiem tego jest np. zmniejszenie wodoprze-
puszczalności betonu, jak i przepuszczalności betonu dla innych cieczy oraz gazów, co leży u podstaw
zwiększenia odporności betonu na czynniki korozyjne [71].
Spójrzmy teraz na poszczególne cechy betonu rzutujące na jego trwałość

−

poprzez pryzmat ich mo-

dyfikacji dodatkiem pyłów krzemionkowych.
Szczelność betonu

−

poruszona wyżej, na którą bardzo pozytywny wpływ wywiera zwiększenie gęsto-

ści kamienia cementowego poprzez dodatek mikrokrzemionki. I tak np. w efekcie badań przeprowadzo-
nych na WSI w Koszalinie ustalono, iż mikrokrzemionka w ilości 15% zwiększyła czas przesiąkania pró-
bek betonowych 56

−

krotnie. Tak olbrzymia poprawa szczelności jest bardzo trudna do osiągnięcia inny-

mi metodami i czyni z pyłów krzemionkowych lidera wśród dodatków uszczelniających. Cecha ta, jak i
kilka innych notuje swoje optimum przy dodatku właśnie rzędu 15%, co pozwala przypuszczać, że nastą-
piło całkowite związanie wolnego wapna w betonie i optymalne wypełnienie porów. Zwiększając ilość
mikrokrzemionki powodujemy przepełnienie porów i pogorszenie parametrów betonu [35]. Dane te po-
twierdzają się w badaniach innych ośrodków. I tak firma „Sika Chemie” bazując naturalnie na własnych
preparatach krzemionkowych uzyskała znaczne podwyższenie szczelności i jak wynika z wykresu: doda-
tek 10% mikrokrzemionki poprawia wodoszczelność 8x, a przy 15% mikrokrzemionki, aż dwudziesto-
krotnie! (dla ciśnienia 0,2 MPa i badania po upływie 1 doby) [21].

Rys. 5.29 Wpływ zawartości mikrokrzemionki na wodoszczelność betonu (ciśnienie 0.2 MPa, badanie po 24h) [21]

Kolejnym potwierdzeniem w tej mierze są badania ITB przeprowadzone zgodnie z PN

−

88/B

−

06250,

gdzie próbki zostały poddane ciśnieniu wody w zakresie 0,2

÷

0,8 MPa i obserwowano przechodzenie wo-

dy przez próbkę przy każdej zmianie ciśnienia. Beton kontrolny wykazywał przesiąkanie wody pod ci-
śnieniem 0,6 MPa, a beton z dodatkiem 10% pyłów krzemionkowych nie przesiąkał w przypadku ciśnie-
nia tak 0,6 jak i 0,8 MPa. W ostatnim przypadku penetracja wody w głąb próbki wynosiła ok. 3 cm., a
przy zwiększonym dodatku do 30% spadła dwukrotnie, co nie współbrzmi z ustaleniami koszalińskiej
WSI podającymi, iż ta cecha się nie poprawia mimo wzrostu udziału mikrokrzemionki powyżej optimum
15%. Zastosowanie pyłów krzemionkowych już w ilości 10% podwyższa stopień wodoszczelności beto-
nu z W4 do conajmniej W8. Wzrasta on wraz ze stopniem redukcji ilości wody zarobowej (sprzyjający
jest tu udział superplastyfikatora) [72,73,74].
Betony z dodatkiem pyłów krzemionkowych charakteryzują się niską nasiąkliwością. Porównując be-
ton bez dodatków z betonem modyfikowanym mikrokrzemionką o tej samej wytrzymałości na ściskanie:
po 28 dniach nasiąkliwość spada o około 15

÷

30% [34,70]. Warto w tym miejscu przytoczyć także wyniki

osiągnięte na wspomnianej już koszalińskiej WSI, gdzie nasiąkliwość betonu badano w zależności od
procentowego dodatku mikrokrzemionki. Nasiąkliwość, która dla zarobu porównawczego wynosi 4,12%
zmniejsza się ze zwiększeniem dodatku mikrokrzemionki i przy 15

÷

20% dodatku osiąga minimum:

1,34%. Odnotowano więc aż trzykrotny spadek nasiąkliwości. Dalsze zwiększenie zawartości pyłów

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

23

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

krzemionkowych powoduje ponowny wzrost nasiąkliwości, ale i tak jest ona niższa ok. 2 razy od wielko-
ści wyjściowej przy braku dodatku [35]. Ilustruje to poniższy wykres.

Rys. 5.30 Zależność nasiąkliwości betonu od dodatku Pk [35]

Spróbujmy teraz odpowiedzieć sobie na pytanie: jaki wpływ na kolejny aspekt trwałości betonu

−

mrozoodporność ma mikrokrzemionka? Za destrukcją struktury betonu kryje się w tym przypadku zama-
rzanie wody w porach kapilarnych. Woda nie zamarza bowiem w porach żelowych, gdyż są one za małe,
aby mogły w nich powstawać zarodki lodu. Najprostszym czynnikiem destrukcyjnym jest wzrost objęto-
ści wody o 9% przy przejściu w lód, co wywołuje ciśnienie krystalizacji rozsadzające pory. Bardzo waż-
ną rolę odgrywa zatem omówiona wyżej przepuszczalność betonu, ponieważ woda dostaje się do niego w
wyniku zasysania kapilarnego, adsorpcji lub osmozy. Największe zatem znaczenie dla mrozoodporności
betonu ma mikrostruktura i porowatość betonu [34]. Niezwykle pozytywny wpływ mikrokrzemionki na
jeden i drugi aspekt struktury betonu już przybliżono w punkcie 5.4.1. Stosując mikrokrzemionkę można
osiągnąć więc nawet kilkakrotny wzrost odporności betonu na działanie mrozu [39]. Niewielki jest bo-
wiem spadek wytrzymałości zarówno po 25, jak i po 50 cyklach zamrażania i odmrażania (około 4%). Są
to akurat dane dla betonu z kruszywem reaktywnym i wysokoalkalicznym cementem oraz 15% dodat-
kiem pyłów krzemionkowych. Gdy obok mikrokrzemionki (10% dodatku) użyjemy również popiołów
lotnych (29% dodatku) spadek wytrzymałości w porównaniu z betonem niezamrażanym będzie już dwu-
krotnie wyższy dla 25 cykli (ok. 8,2%) i trzykrotnie wyższy dla 50 cykli zamrażania (12,3%). Mikro-
krzemionka wypada w tym świetle znacznie korzystniej, niż popioły lotne

−

jest efektywniejsza [70].

Szczególnie

dobrą odporność na zamarzanie wykazują specjalne cementy z dodatkiem pyłów krze-

mionkowych, dające zagęszczone zaczyny zawierające ultradrobne ziarna (DSP). Jest to związane z bar-
dzo małą porowatością kapilarną , więc z małą zawartością zamarzającej wody w tych zaczynach [34].
Wpływ mikrokrzemionki na cechy betonów DSP zostanie bliżej omówiony w pkt. 5.5. Użycie mikro-
krzemionki w betonie powoduje zmiany w mikrostrukturze oraz rozmiarach i rozmieszczeniu porów,
w systemie wiązań cement

−

krzemionka i tworzy bardziej nieprzepuszczalną matrycę. Prowadzi to do mo-

że nieco uproszczonego wniosku, iż być może beton zawierający mikrokrzemionkę nie musi zostać na-
powietrzony by uzyskać odporność na mróz. W jednej z opublikowanych na ten temat prac Sorensena
stwierdza się, że nienapowietrzony beton, wyprodukowany przy użyciu 300 kg. cementu i 30 kg/m3 mi-
krokrzemionki wykazuje nadzwyczajną odporność na mróz po 25 cyklach zamarzania i tajania
w porównaniu z betonem konwencjonalnym (badanie oparte na zaleceniu wydanym przez „RILEM”).
Nieco bardziej stonowany wydźwięk mają badania w tym zakresie przeprowadzone przez Carette i
Malhotre oparte na amerykańskim standarcie C 666 ASTM. Metoda ta jest uznana za szybką, gdyż cykle
zmian temperatury mieszczą się w granicach 2

÷

4 godzin, a trwanie testu to aż 300 cykli. Napowietrzony

beton zawierający 0

÷

30% pyłów krzemionkowych (jako wagowy substytut cementu) stosunek W/C

≈

0,4

miał utrzymywany na stałym poziomie. Testy wykazały zadowalające działanie napowietrzonego betonu
z zawartością mikrokrzemionki za wyjątkiem zawartości 30 i 20% dodatku [36].

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

24

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Rys. 5.31 Rozszerzanie się próbnych graniastosłupów poddanych działaniu zamarzania i odmrażania (ASTM C666

Proc. A) [36]

Rys. 5.32 Względny dynamiczny moduł próbnych graniastosłupów po zamrażaniu i odmrażaniu (ASTM C666 Proc

A) [36]

W zakresie wyższego dodatku mikrokrzemionki nadmierne rozszerzenie i niska relatywnie wartość
dynamicznego modułu przedstawione na powyższych wykresach są najprawdopodobniej wynikiem zbyt
wysokiej wartości W/C, co z kolei mogło wpłynąć na ruch wody. Dane te potwierdziły się w innym do-
świadczeniu określającym współczynnik trwałości w zależności od tego, czy beton jest napowietrzony,
czy nie i od tego, jaką ma zawartość mikrokrzemionki. Efekty zawarto w poniższych wykresach.

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

25

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Rys. 5.33 Współczynnik trwałości dla betonu nienapowietrzonego i napowietrzonego [36] Procedury: A

−

zama-

rzanie i tajanie w wodzie; B

−

zamarzanie w powietrzu, a tajanie w wodzie;

Omówmy teraz wpływ mikrokrzemionki na reakcje zasadowe w betonie, ponieważ stanowi ona czyn-
nik zapobiegający korozji alkalicznej betonu. Już od 1940 roku wiadomo, że reakcje chemiczne przy
udziale cząstek kruszywa mogą spowodować poważne uszkodzenie betonu wywołane przez nadmierne
rozszerzanie się i pękanie. Jest tu mowa o reakcji zasadowo

−

krzemionkowej zachodzącej między zasa-

dami (Na

2

O i K

2

O) z cementu i niektórymi składnikami krzemionkowymi, które mogą występować w

kruszywie. Powstają w ten sposób galaretowate hydraty rozszerzające się przy wchłanianiu wody i wy-
wierające nacisk na otaczającą zaprawę [36]. Reakcje pomiędzy alkaliami z cementu, a kruszywem prze-
biegają zawsze, nie zawsze jednak prowadzą do destrukcji betonu. Mogą je powodować wtedy, gdy kru-
szywo zawiera takie składniki, jak: opal, czy chalcedon, a cement charakteryzuje się dużą ilością alka-
liów. Znane są dwa rodzaje reakcji alkaliów z kruszywem w betonie i alkaliów z krzemionką oraz z wę-
glanami wapnia i magnezu. Ilość niebezpiecznych dla omawianych tu reakcji alkaliów określa się w prze-
liczeniu na równoważnik Na

2

O stanowiący sumę Na

2

O+0,658 K

2

O [%]. Przyjmuje się, że ilość alkaliów

w cemencie, przy której nie zachodzi niebezpieczeństwo wystąpienia destrukcji betonu wynosi nie wię-
cej, niż 0,6% Na

2

O. Dość powiedzieć, że w Polsce w latach osiemdziesiątych ponad 40% cementów cha-

rakteryzowało się zawartością alkaliów powyżej 0,6% Na

2

O [71].

Na podstawie wieloletnich prac naukowo

−

badawczych stwierdzono, że skutecznym sposobem zapo-

biegania destrukcji betonu spowodowanej kruszywem reaktywnym jest wprowadzenie do mieszanki be-
tonowej aktywnych dodatków pucolanowych. Domieszki pucolanowe naturalne, czy też popioły, żużel
wielkopiecowy są zazwyczaj używane do regulacji ekspansji związanych z reakcjami zasado-

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

26

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

wo

−

krzemionkowymi. Opublikowane dane wykazują, że mikrokrzemionka jak i inne pucolany jest rów-

nie, jeśli nie bardziej skuteczna w tego typu regulacjach. Sugerowanym wyjaśnieniem tej skuteczności
jest fakt, że cząsteczki pyłów krzemionkowych reagują szybko z zasadami pochodzącymi z cementu

−

pozostawiając nieliczne, lub żadne zasady dla reaktywnej krzemionki pochodzącej z kruszywa. Innym
wyjaśnieniem jest reakcja mikrokrzemionki z wodorotlenkiem wapnia z zaczynu cementowego, przez co
obniża się poziom pH roztworu [36]. Ponadto wodorotlenek wapnia nabiera równomiernego rozmiesz-
czenia w zaczynie. Aczkolwiek mechanizm działania pucolanów nie jest jasny, trudno się jednak nie zgo-
dzić z poglądem, że zwiększenie udziału drobnoziarnistej krzemionki w betonie i to równomiernie roz-
proszonej zmniejsza stosunek Na

2

O/SiO

2

w żelu krzemionkowym, a tym samym skłonność tego materiału

do pęcznienia. Ponadto dodatki pucolanowe przyczyniają się do równomiernego rozprowadzenia jonów
Na

+

i K

+

w betonie, w związku z czym nie koncentrują się one wokół ziarn kruszywa i nie powodują wy-

stępowania ciśnienia osmotycznego [34]. Redukcja pęcznienia betonu z kruszywem wykazującym reak-
tywność alkaliczną następuje właśnie na skutek przyłączenia jonów Na

+

i K

+

do struktury żelu powstają-

cego w wyniku rozpuszczania krzemionki w środowisku alkaicznym. W rezultacie tego procesu ulega
redukcji stężenie alkaliów w porach betonu, a tym samym zmniejsza się niebezpieczeństwo wystąpienia
negatywnych skutków reakcji alkalia

−

kruszywo. Produkty reakcji krzemionka

−

tlenek wapniowy

−

alkalia

powstają w wyniku konkurencyjnych reakcji rozpuszczania krzemionki (żelu) i krystalizacji fazy C

−

S

−

H

[70]. Podsumowując: dodatek mikrokrzemionki skutecznie likwiduje pęcznienie oraz zewnętrzne objawy
korozji alkalicznej betonu występujące w postaci plam, wycieków krzemionki, rys i odprysków, a ponad-
to powoduje wzrost wytrzymałości, zmniejszenie nasiąkliwości, zwiększenie mrozoodporności i wszyst-
ko to w odniesieniu do betonów tak z reaktywnym kruszywem, jak i wysokoalkaicznym cementem ( do
1,3% Na

2

O) [71,72].

Omówiony zostanie jeszcze wpływ mikrokrzemionki na inne aspekty agresji chemicznej np. wpływ
siarczanów, chlorków, czy proces karbonizacji betonu, co naturalnie rzutuje na jego trwałość. Wzrost od-
porności betonu z cementem portlandzkim, do którego dodano pył krzemionkowy jest uzależniony
przede wszystkim od wiązania wapna przez mikrokrzemionkę podczas uwadniania cementu. Redukuje to
ilość podatnego na wymywanie wapna. Inną podstawą wzrostu odporności chemicznej jest fakt, że mi-
krokrzemionka zmniejsza przepuszczalność systemu spoiw poprzez zmianę struktury porów. Już na po-
czątku lat 70

−

tych Fiskka opublikował dane dotyczące długookresowego działania próbek betonu podda-

nych wpływowi wód gruntowych zawierających do 4 g/l SO

3

, a ich pH wahało się od 7 do 2,5. Wskaźnik

wodno

−

cementowy próbek wynosił 0,5, jedynie dla próbki zawierającej 15% mikrokrzemionki był wyż-

szy: 0,62 (ze względu na wyższe zapotrzebowanie na wodę). Kryterium oceny stanu próbek po okresie 20
lat trwania procesu stanowiła zmiana objętości. Okazało się, że najbardziej odpornymi betonami były te
zawierające bądź substancje odporne na agresję siarczanową, bądź te w których 15% cementu zostało
zastąpionych mikrokrzemionką. Wiąże się to z lepszą strukturą porów matrycy cementowej, z niższą za-
wartością wodorotlenku wapnia i większą ilością glinu zawartego w hydratach. Interesujące jest także
zachowanie się betonu o niskim W/C zawierającego lateks butadienowo

−

styrenowy, bądź dodatek mi-

krokrzemionki wobec szerszego spektrum agresywnych substancji, takich jak roztwory: 1% kwasu solne-
go, 1% kwasu siarkowego, 1% kwasu mlekowego, 5% kwasu octowego, 5% siarczanu amonowego i 5%
siarczanu sodowego. Kryterium zawodności był tu czas potrzebny na utratę 25% wagi przy pełnym zanu-
rzeniu próbek w wyżej wymienionych silnych roztworach. Badanie dowiodło regularną wyższość beto-
nów modyfikowanych pyłami krzemionkowymi oraz wyższą odporność na silne roztwory, z jedynym
wyjątkiem w przypadku siarczanu amonowego. Wyjaśnieniem relatywnie gorszego działania betonu z
dodatkiem mikrokrzemionki w tym przypadku jest fakt, że sole amonowe rozkładają wodzian krzemianu
wapnia, który jest główną fazą stałą w uwodnionym zaczynie cementowym. Zawartość mikrokrzemionki
wpływa dodatkowo na podniesienie ilości hydratu krzemianu wapnia w strukturze, co nie zapewnia do-
datkowej ochrony przed działaniem roztworu soli amonowych [36]. Prezentuje to wykres 5.34.
Ilustracją pozytywnego wydźwięku zastosowania mikrokrzemionki niech będzie wpływ roztworu
kwasu siarkowego i najbardziej agresywnego: kwasu solnego. Zaznaczyć należy, że tak duże utraty wagi
przedstawione na tych wykresach dotyczą wpływu ekstremalnych warunków: pełne zanurzenie w silnym
roztworze. W praktyce tego typu warunki są nader rzadko spotykane.

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

27

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Rys. 5.34 Zmiany wagi próbek betonu po zanurzeniu w 5% roztworze siarczanu amonowego [36]

Rys. 5.35 Zmiany wagi próbek betonu po zanurzeniu w 1% kwasie siarkowym [36]

Rys. 5.36 Zmiany wagi próbek betonu po zanurzeniu w 1% HCL [36]

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

28

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Ponadto

efektownym

przykładem ilustrującym efektywność zastosowania mikrokrzemionki w celu

uodpornienia betonu na agresję chemiczną jest poddanie próbki betonu przez okres 108 tygodni działaniu
roztworu azotanu wapnia. Próbki kontrolne utraciły w tym czasie ok. 15,1% wagi, natomiast udział mi-
krokrzemionki zredukował utratę wagi o ok. 1%. Bardzo wyraźna jest utrata wytrzymałości. Przez ten
ponad 2

−

letni okres beton kontrolny utracił ponad 70% wytrzymałości początkowej, a mikrokrzemionka

pozwoliła zredukować utratę wytrzymałości do niespełna 20% [36]. Oceniając odporność betonu w tym
zakresie nie można zapomnieć o wpływie przepuszczalności, która rośnie ze zmniejszeniem zawartości
cementu., a także ze stosunkiem W/C, znajdującym swe odzwierciedlenie w porowatości betonu [34].
Zmiana struktury porów powoduje tak obniżenie przepuszczalności jak i np. obniżenie współczynników
dyfuzji jonów chlorkowych. Jak wynika z poniższego wykresu, dodatek pyłów krzemionkowych rzędu
15% niemal całkowicie eliminuje zagrożenie wynikające dla struktury betonu ze strony jonów chlorko-
wych [75].
Ostatnim czynnikiem destrukcyjnego wpływu środowiska, na który wpływ wywiera dodatek pyłu
krzemionkowego do betonu, omówionym tutaj, będzie karbonizacja mająca wpływ na szereg podstawo-
wych cech betonu takich, jak: skurcz, wytrzymałość, porowatość, odkształcalność, odporność na działa-
nie środowiska, zabezpieczenie zbrojenia i inne. Stopień karbonizacji rośnie szybko ze wzrostem stosun-
ku W/C i ze spadkiem zawartości cementu w 1 m

3

betonu. Z tego samego powodu szybkość karbonizacji

jest odwrotnie proporcjonalna do wytrzymałości betonu. Świadczy to o odwrotnej proporcjonalności
szybkości karbonizacji do zawartości żelu CSH w zaczynie, do której jest wprost proporcjonalna wy-
trzymałość. Karbonizacja wpływa na strukturę porów. Całkowita porowatość ulega zmniejszeniu, nato-
miast rozkład porów zostaje przesunięty w kierunku większych wymiarów [34].

Rys. 5.37 Przenikanie jonów chlorkowych w głąb betonu z dodatkiem i bez dodatku Pk [75]

Sam proces karbonizacji sprowadza się do wnikania wewnątrz kamienia cementowego CO

2

, który re-

aguje ze znajdującym się w porach Ca(OH)

2

dając CaCO

3

. Proces ten zachodzi aż do wyczerpania się

zapasów wodorotlenku wapnia, wartość pH spada. Wraz ze wzrastającą wartością wytrzymałości na
ściskanie betonu zmniejsza się także jego porowatość, co prowadzi do wydłużenia procesu karbonizacji. I
wreszcie dodanie pyłu krzemionkowego prowadzi do zmniejszenia alkaliczności betonu. Jeśli jednak nie
zostaną przekroczone graniczne ilości pyłu krzemionkowego, to nie powinien wystąpić znacząco dłuższy
okres karbonizacji w porównaniu ze zwykłym betonem. Podkreśla się jednak, iż badania w tym zakresie
powinny być zweryfikowane w dłuższym przedziale czasu [59].
Zwrócić należy uwagę na jeszcze jeden aspekt trwałości betonu w zależności od dodatku mikrokrze-
mionki

−

tym razem trwałości w warunkach ekstremalnych, gdyż mam na myśli odporność na wpływ

wysokich temperatur. Otóż niskowytrzymałe zaprawy zawierające mikrokrzemionkę są mniej podatne na
utratę wytrzymałości pod wpływem wysokiej temperatury, niż te same zaprawy pozbawione mikrokrze-
mionki. Zaprawy o wysokiej wytrzymałości z mikrokrzemionką zdają się być bardziej wrażliwe na
wpływ wysokiej temperatury, niż zaprawy wysokowytrzymałe bez mikrokrzemionki. Te pierwsze za-
trzymują jedynie 65% swojej wytrzymałości w temperaturze pokojowej

−

po podgrzaniu do 320

°

C, a za-

prawa pozbawiona dodatku mikrokrzemionki zachowuje aż 95% wytrzymałości w temperaturze pokojo-
wej [36]. Ilustrują to poniższe wykresy.

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

29

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Rys. 5.38 Stosunek wytrzymałości ft/f2

0

C w zależności od temperatury, której poddano próbki zaprawy bez Pk [36]

Rys. 5.39 Stosunek wytrzymałości ft/f2

0

C w zależności od temperatury, której poddano próbki zaprawy z 8% Pk

[36]

Rys. 5.40 Stosunek wytrzymałości ft/f2

0

C w zależności od temperatury, której poddano próbki zaprawy z 16% Pk.

[36]

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

30

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

Przeprowadzający te badania Williamson i Rasheed teoretyzują, że mikrokrzemionka utwardza wodo-
rotlenek wapnia w wysokowytrzymałych zaczynach, lecz po ogrzaniu do 320

°

C cząstki mikrokrzemion-

ki, które zostały zamienione na C

−

S

−

H tracą swoje właściwości utwardzające ze względu na częściową

dekompozycję do C

−

S

−

H rozpoczętą przy 300

°

C. Dane te potwierdził instytut CANMET ustalając, że

beton zawierający 15% mikrokrzemionki jako substytut wagowy cementu portlandzkiego działa gorzej w
porównaniu z próbką betonową wykonaną bez dodatku mikrokrzemionki. Dotyczy to zarówno betonu
napowietrzonego, jak i nienapowietrzonego, które poddano temperaturom z zakresu 75

÷

300

°

C przez 60

dni. Powyższa tendencja potwierdza się także dla betonów o bardzo niskim W/C<0,2, zawierających 20%
mikrokrzemionki. Cylindryczne próbki betonowe w doświadczeniu Sellerolda w temperaturze 300

°

C na-

gle rozpadły się. Jednak zachowanie tego typu nie jest zupełnie niezwykłe dla betonu o bardzo wysokiej
wytrzymałości i niskiej przepuszczalności, ponieważ przy powolnym ogrzaniu taki efekt może powstać
za sprawą wysokiego ciśnienia pary powstałego wewnątrz próbki [36].

5.4.4 Inne cechy betonu modyfikowanego pyłami krzemionkowymi. Skurcz i peł-

zanie

Pojęcie skurczu ujmowane jest jako zmniejszenie objętości stwardniałego betonu wskutek wysycha-
nia. Skurcz betonu o podwyższonej wytrzymałości zawierającego wyższą dozę spoiwa, charakteryzujące-
go się ponadto dużym rozdrobnieniem jest wyższy, niż w betonie o zwykłej wytrzymałości [59]. Dane te
są potwierdzone polskimi badaniami, z których wynikało, iż skurcz końcowy betonu modyfikowanego
mikrokrzemionką, w stanie powietrzno

−

suchym zwiększał się do 15% [34]. Inne źródła podają jednak, że

następująca zmiana objętości betonu w wyniku skurczu utrzymuje się na podobnie niskim poziomie tak w
przypadku betonów niskiej, jak i wysokiej wytrzymałości (modyfikowanych mikrokrzemionką). Jest to
spowodowane niską zawartością wody tych drugich i dużą gęstością betonu, która znacznie zmniejsza
wysychanie [59].
Kolejne badania w tym zakresie przeprowadził Johansen [36] poddając betonowe graniastosłupy wy-
sychaniu w 50 procentowej wilgotności względnej bezpośrednio po odlaniu oraz po 28

−

dniowym tward-

nieniu (dojrzewania). Zawartość mikrokrzemionki wahała się w granicach 0

÷

25%, a poziom W/C

−

od

0,37 do 1,06. Stwierdzono, że nie ma wielkiej różnicy w poziomie skurczu między betonami o W/C<0,6,
a betonami zawierającymi do 10% mikrokrzemionki. Wyższe rozmiary skurczu notuje się, gdy udział
pyłów krzemionkowych wynosi 25% (bez reduktorów wody). Inne badania w wykonaniu Lolanda i Hus-
tada [36] mówią, iż przy zróżnicowanym poziomie W/C i zawartości mikrokrzemionki do 20%; po 7
dniowym, wilgotnym utwardzaniu i suszeniu w 60% wilgotności względnej, skurcz betonu modyfikowa-
nego mikrokrzemionką był porównywalny z betonem tradycyjnym. Kolejne potwierdzenie tej tezy sta-
nowią dane dostarczone przez Carettę i Malhortę [36] wskazujące, że skurcz przy wysychaniu betonu z
mikrokrzemionką po 28 dniach wilgotnego utwardzania jest porównywalny do procesu zachodzącego w
innych betonach, niezależnie od relacji W/C. Poniższy wykres obrazuje sytuację, gdy W/C=0,4 i zasto-
sowano superplastyfikator naftalenowy. Rozmiary skurczu przy wysychaniu betonu kontrolnego i tego
zawierającego 15% mikrokrzemionki są porównywalne, natomiast beton o zawartości 30% mikrokrze-
mionki wykazuje nieco niższe rozmiary skurczu po 420 dniach [36].

Rys. 5.41 Związek między skurczem, a czasem wysychania dla betonu o W/C=0.4 zawierającego różne ilości Pk

[36]

Przechodząc do zjawiska pełzania rozumianego jako narastające z czasem zniekształcenie bryły beto-
nu wynikające z długotrwałego obciążenia, niemieckie źródła podają, iż w porównaniu ze zwykłym beto-

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

31

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

nem bez mikrokrzemionki beton o podwyższonej wytrzymałości wykazuje mniejsze zmiany kształtu
spowodowane pełzaniem [59].

5.5 Pyły krzemionkowe w kompozytach typu DSP

Bogaty

materiał doświadczalny wskazujący na decydujący wpływ porowatości na wytrzymałość beto-

nu i cały szereg innych istotnych właściwości tego materiału spowodował rozwój różnych metod zmniej-
szenia zawartości porów [34]. Poznanie wad struktur betonów zwykłych i na tej podstawie określenie
modeli idealnych zawęża problem do poszukiwania odpowiedzi na pytanie: jak takie modelowe struktury
można otrzymać? Związany z odpowiedzią postęp w technologii betonów jest ściśle uzależniony od sto-
sowania dodatków i domieszek chemicznych oraz mineralnych [30].
W ostatnich latach opracowano technologię dwóch nowych rodzajów zaczynów cementowych o bar-
dzo dużych wytrzymałościach. Są to: opracowany przez Duńczyków materiał zwany „zagęszczonym
układem zawierającym równomiernie rozprowadzone drobniutkie cząstki” czyli: DSP (Densified Systems
containing homogeneously arranged ultra

−

fine Particles), a drugim są zaczyny pozbawione makrodefek-

tów: MDF (Macro Defects Free cements) [34]. Według Birchall’a idealna struktura kamienia cementowe-
go powinna zawierać niezhydratyzowane ziarna ułożone tak szczelnie, jak to tylko możliwe. Bez makro-
skopowych defektów i z minimum międzyziarnowej fazy żelowej. Taka jest właśnie struktura spoiwa w
betonach typu DSP. Do makroskopowych defektów będących koncentratorami naprężeń oprócz makro-
porów związanych z małą gęstością ułożenia ziarn, wtrąceń pęcherzy powietrza zalicza się także duże
kryształy Ca(OH)

2

[30]. Technologia zaczynów DSP opiera się na dużym dodatku mikokrzemionki, bar-

dzo reaktywnej w stosunku do wodorotlenku wapniowego. Pyły krzemionkowe stanowią tu materiał za-
pełniający pory, a także są reagentem wiążącym wodorotlenek wapniowy. Zaczyn zawierający pył krze-
mionkowy dzięki dodatkowi superplastyfikatora składa się z równomiernie rozprowadzonych w jego ma-
sie ziarenek cementu i cząstek krzemionki. Duże znaczenie ma także zastosowanie intensywnego miesza-
nia mechanicznego, pozwalającego uzyskać zaczyn o minimalnej ilości wody (W/C rzędu: 0.12

÷

0.2). W

związku z tym przestrzenie między ziarnami cementu w zaczynie są wypełnione w maksymalnym stopniu
przez drobniutkie cząsteczki krzemionki. Niezwykle niski stosunek W/C powoduje, że pewna część
cementu nie ulega nigdy hydratacji [34].

Rys. 5.42 Zaczyn z cementu DSP (zagęszczony układ zawierający równomiernie rozmieszczone drobniutkie cząstki)

[34]

Głównym składnikiem stwardniałego zaczynu jest żel CSH, który tworzy bardzo jednorodną, zbitą
strukturę. Żel ten ma mniejszy stosunek C/S, za to zawiera więcej alkaliów: np. 1.3 % K

2

O. Sporadycznie

obserwuje się w żelu kryształy Ca(OH)

2

. W zaczynie nie występują także pory powietrzne, a zawartość

porów kapilarnych jest bardzo mała. Skurcz przy wysychaniu jest ograniczony, ponieważ zawartość pro-
duktów hydratacji jest również limitowana. Także rysy skurczowe nie powinny występować, ponieważ
przy dużej wytrzymałości struktura zaczynu jest bardzo jednorodna. Niezhydratyzowane jądra ziarn ce-
mentu odgrywają rolę wysoko wytrzymałego mikrowypełniacza. Nawiasem mówiąc w praktyce przy wy-
twarzaniu przemysłowym dodawać można różne wypełniacze, włókna, lub kruszywo. Można także zmie-
niać warunki dojrzewania, a w szczególności temperaturę, by uzyskać szereg produktów o zróżnicowa-
nych właściwościach [34]. Materiały DSP o wytrzymałości na ściskanie od 110 do 160 MPa z dodatkiem
mikrokrzemionki rzędu 20% wagi cementu charakteryzuje przełom przez ziarna kruszywa, brak spękań i

5. Funkcje, role i znaczenie dodatku pyłów krzemionkowych

32

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

niezależnie od stopnia reaktywności kruszywa brak orientacji wodorotlenku wapnia przy jego powierzch-
ni [30]. Pułap wytrzymałości na ściskanie osiągalny dziś w technologii DSP przekracza 300 MPa, a mo-
duł sprężystości 80 GPa [34].
O potencjalnie nieograniczonych możliwościach tej technologii świadczy choćby to, że specjalnym
rodzajem materiału uzyskanego z zaczynu DSP jest produkt o nazwie „Dash 47”, który obok krzemionki
zawiera kruszywo ze stali

−

znajdujący zastosowanie w technice rakietowej [30].

Rys. 5.43 Zależność naprężenie-odkształcenie dla zwykłego betonu i materiałów typu DSP: 1

−

DSP o dużej wytrzy-

małości, 2

−

DSP zwykły, 3

−

beton o dużej wytrzymałości, 4

−

beton zwykły [30]