POLIMEROWO-CEMENTOWA ZAPRAWA NAPRAWCZA O PODWYŻSZONEJ PRZYCZEPNOŚCI DO BETONU.pdf

dr inŜ. Paweł ŁUKOWSKI

Politechnika Warszawska

Wydział InŜynierii Lądowej

Katedra InŜynierii Materiałów Budowlanych

POLIMEROWO-CEMENTOWA ZAPRAWA NAPRAWCZA

O PODWY ś SZONEJ PRZYCZEPNO Ś CI DO BETONU

POLYMER-CEMENT REPAIR MORTAR OF HIGH BOND STRENGTH TO CONCRETE

Streszczenie Zapewnienie odpowiedniej przyczepności materiału naprawczego do podłoŜa jest podstawowym

warunkiem skuteczności i trwałości naprawy bądź ochrony przed korozją. W artykule przedstawiono wyniki

projektu badawczego, którego celem było uzyskanie polimerowo-cementowej zaprawy naprawczej o

podwyŜszonej przyczepności do podkładu betonowego. Na podstawie wyników badań wstępnych wybrano jako

najbardziej obiecujący modyfikator akrylowy. Przeprowadzenie wielokryterialnej optymalizacji materiałowej,

której podstawą był statystyczno-eksperymentalny model materiałowy kompozytu, pozwoliło na sformułowanie

składu zaprawy zapewniającego bardzo wysoką adhezję do betonu. Wyniki badań weryfikacyjnych potwierdziły,

Ŝe oprócz podwyŜszonej przyczepności do podkładu betonowego, uzyskana zaprawa charakteryzuje się takŜe

dobrymi lub bardzo dobrymi wartościami innych waŜnych właściwości technicznych, spełniając wysokie

wymagania stawiane wyrobom do napraw konstrukcji betonowych, na przykład przez normę PN-EN 1054-3.

Abstract Proper adhesion of the repair material to the substrate is basic condition of effectiveness and durability

of repair or anti-corrosion protection. Results of research project, aimed at obtaining the polymer-cement mortar

of high bond strength to concrete, have been presented in the paper. The acrylic modifier has been selected on

the basis of introductory tests as the most promising one. Multi-criteria optimisation, based on the statistical-

experimental material model of the composite, has been carried out and composition of PCC mortar of high bond

strength has been formulated. Results of verifying tests have confirmed that besides of the improved adhesion,

the obtained mortar has also good or very good values of other important properties and thus meets the stringent

requirements for repair materials, given for example in the European Standard EN 1054-3.

1. Wprowadzenie

Zapewnienie odpowiedniej przyczepności w układzie „materiał naprawczy – podłoŜe”

stanowi podstawowy warunek skuteczności i trwałości naprawy bądź ochrony przed korozją.

Adhezja w złączu (f A ) powinna przewyŜszać wytrzymałość na rozciąganie elementów

łączonych, przy czym zgodnie z EN 1504 wytrzymałość materiału naprawczego (f t N ) powinna

być nie mniejsza od wytrzymałości podkładu betonowego (f t B ): f A > f t N ≥ f t B . Oznacza to, Ŝe

naprawa betonów wysokiej wytrzymałości będzie wymagała opracowania materiałów

naprawczych nowej generacji o znacznie podwyŜszonej przyczepności do naprawianego

podkładu betonowego (rys. 1).

851

nowa generacja

PCC

MCC

f Cm , MPa

C25/30

C30/37

C40/50

C50/60

C60/75

Rys. 1. Wymagany poziom adhezji w zaleŜności od klasy wytrzymałości naprawianego betonu. MoŜliwość

przeprowadzenia naprawy przy uŜyciu: MCC – modyfikowanych betonów/zapraw cementowych,

PCC – betonów/zapraw polimerowo-cementowych, PC – betonów/zapraw polimerowych [1]

Dodatek modyfikatora polimerowego moŜe poprawiać przyczepność kompozytów

polimerowo-cementowych (PCC – ang. Polymer-Cement Composite) do podkładu

betonowego. Celem opisywanego projektu było opracowanie zaprawy o spoiwie polimerowo-

cementowym, która ze względu na wysoką przyczepność do betonu, przy co najmniej

niepogorszonych innych właściwościach, spełniałaby wymagania stawiane materiałom

naprawczym nowej generacji – przeznaczonym do napraw betonów wysokiej wytrzymałości.

2. Badania wst ę pne

Do badań rozpoznawczych, których celem było dobranie rodzaju modyfikatora

polimerowego, wybrano sześć dostępnych na rynku preparatów (tabl. 1).

Tabl ica 1. Modyfikatory polimerowe do badań rozpoznawczych

Polimer

Skrót

Forma

Zaw. części stałych, % MFT,

1 Poliester akrylowy

PAE dyspersja wodna

40%

1%,

2 Kopolimer etylenowo-winylowy

EVA dyspersja wodna

53%

1%,

3 Kopolimer styrenowo-butadienowy

dyspersja wodna

65%

1%,

4 Kopolimer styrenowo-akrylowy

dyspersja wodna

50%

1%,

5 Polialkohol winylowy

PVA roztwór wodny

–

6 śywica epoksydowa

EP Ŝywica ciekła

–

MFT – minimalna temperatura tworzenia błony

Zastosowano cement portlandzki CEM I 32,5. W ramach badań rozpoznawczych

wykonano próbki zapraw o proporcji spoiwa do kruszywa (piasek normowy) odpowiadającej

zaprawie normowej, to jest 1:3. Zawartość modyfikatora polimerowego wynosiła 15% w

stosunku do masy cementu. Ilość wody zarobowej dobierano do konsystencji normowej.

Materiał kontrolny stanowiła normowa zaprawa cementowa, niemodyfikowana, według PN-

EN 196-1. Próbki zapraw modyfikowanych dojrzewały w warunkach zalecanych przez

Normy Europejskie (jedna doba w formach pod folią polietylenową, po rozformowaniu i

intensywnym nawilŜeniu dwie doby szczelnie zawinięte w folię, następnie przechowywanie

w temperaturze 21

C i wilgotności względnej 60%

5%).

852

Badano przyczepność do podłoŜa betonowego (beton o klasie wytrzymałości C 30/37),

oraz wytrzymałość na zginanie i ściskanie, a takŜe nasiąkliwość wodą (rys. 2), po 28 dniach

dojrzewania.

2,5

1,5

0,5

normowa PVA PAE

EVA

normowa PVA PAE

EVA

normowa PVA PAE

EVA

normowa PVA PAE

EVA

Rys. 2. Wyniki badań wstępnych zapraw PCC: a) przyczepność do podkładu betonowego; b) wytrzymałość na

zginanie; c)wytrzymałość na ściskanie; d) nasiąkliwość wodą (symbole modyfikatorów – por. tabl. 1)

Najbardziej obiecującym rozwiązaniem jest modyfikacja zaprawy cementowej dyspersją

poliakrylanów (PAE). Przy zawartości polimeru 15% w stosunku do masy cementu zaprawa

akrylowo-cementowa wyraźnie przewyŜsza inne badane materiały pod względem

przyczepności do podkładu betonowego i wytrzymałości na zginanie. RównieŜ nasiąkliwość

wodą zaprawy modyfikowanej PAE jest najkorzystniejsza. Jedynie pod względem

wytrzymałości na ściskanie kompozyt ten ustępuje nieznacznie zaprawie modyfikowanej

Ŝywicą epoksydową i niemodyfikowanej zaprawie normowej.

3. Model materiałowy zaprawy akrylowo-cementowej

Jako zmienne materiałowe przyjęto:

- zawartość polimeru w stosunku do cementu, p/c (mas.), oraz

- zawartość spoiwa polimerowo-cementowego w stosunku do kruszywa, s/k (mas.).

Biorąc pod uwagę dotychczasowe doświadczenia oraz aspekt racjonalności ekonomicznej,

zakres zmienności p/c określono na 0,10 do 0,25, a zakres zmienności s/k na 0,25 do 0,60.

Jako cechy kryterialne przyjęto najwaŜniejszą rozwaŜaną właściwość, to jest przyczepność

do podkładu betonowego, oraz wytrzymałość na rozciąganie i nasiąkliwość wodą – cechy

istotne dla materiału naprawczego. Przeprowadzenie optymalizacji materiałowej wymagało

zastosowania statystycznego planu eksperymentu; wybrano plan kompozycyjny Boxa-

Behnkena jako odpowiedni dla zagadnień technicznych przy dwóch zmiennych. Na podstawie

853

wyników badań sformułowano model materiałowy [2], tzn. ilościową zaleŜność skład –

właściwości, kompozytu akrylowo-cementowego (tabl. 2).

Tablica 2. Model materiałowy zaprawy akrylowo-cementowej

Właściwość

ZaleŜność

Współczynnik

determinacji, R 2

Przyczepność do podkładu

betonowego, f A

f A = 2,80 – 0,20 p/c – 0,49 (p/c) 2 – 0,04 s/k – 0,46

(s/k) 2 – 0,20 p/c

0,75

s/k

Wytrzymałość na rozciąganie,

f t

f t = 5,27 + 0,46 p/c – 0,66 (p/c) 2 + 0,81 s/k – 1,45 (s/k) 2

– 0,76 p/c

0,73

s/k

Wytrzymałość na ściskanie, f c f c = 37,33 + 2,12 p/c – 0,28 (p/c) 2 + 2,83 s/k + 0,17

(s/k) 2 – 0,58 p/c

0,75

s/k

Nasiąkliwość wodą, n W

n W = 2,28 – 0,50 p/c + 0,34 (p/c) 2 – 0,47 s/k – 0,57

(s/k) 2 + 0,48 p/c

0,83

s/k

4. Opracowanie składu zaprawy o podwy Ŝ szonej przyczepno ś ci do betonu

Wielokryterialną optymalizację składu zaprawy akrylowo-cementowej przeprowadzono

stosując funkcję uogólnionej uŜyteczności materiałowej [3]. Pierwszym krokiem jest

przyjęcie przedziałów zadowalających oraz wag, czyli ilościowo wyraŜonych istotności

poszczególnych cech kryterialnych (tabl. 3).

Tablica 3. Kryteria optymalizacji zaprawy akrylowo-cementowej

Cecha

Przedział zadowalający

Wagi – warianty

Przyczepność do podkładu

2,2 – 2,5 MPa

0,80

0,60

0,50

0,40

Wytrzymałość na rozciąganie

4,0 – 5,0 MPa

0,10

0,20

0,25

0,30

Nasiąkliwość wodą

2,5 – 2,0 %

0,10

0,20

0,25

0,30

W wariancie pierwszym jedynym kryterium jest przyczepność do podkładu betonowego; w

kolejnych wariantach od 2 do 5 stopniowo coraz istotniejsza rolę odgrywają pozostałe cechy

– wytrzymałość na rozciąganie i nasiąkliwość wodą.

Obliczono wartości uogólnionej uŜyteczności przy powyŜszych kryteriach, a następnie

sformułowano odpowiednie „uogólnione” modele materiałowe (rys. 3). W przypadku

wariantu 1 (jedyne kryterium – przyczepność do podkładu betonowego) nie ma potrzeby

wyznaczania osobnego modelu uŜyteczności (jest on toŜsamy z modelem dla przyczepności),

a optymalizacja sprowadza się do znalezienia składu o maksymalnej przyczepności.

Punkty o maksymalnej uŜyteczności (w przypadku wariantu 1 – toŜsamej z maksymalną

przyczepnością do podkładu betonowego) wyznaczono posługując się programem

komputerowym STATISTICA; następnie obliczono wartości cech kryterialnych w tych

punktach, posługując się sformułowanymi wcześniej zaleŜnościami modelowymi (rys. 4).

Wyniki obliczeń optymalizacyjnych wykazują korzystną stabilność: wartości zmiennych

materiałowych w punktach optymalnych są bardzo zbliŜone, podobnie jak przewidywane na

podstawie modelu materiałowego wartości cech kryterialnych. W kolejnych wariantach

nieznacznie poprawia się wytrzymałość na rozciąganie i nasiąkliwość wodą w punktach

optymalnych (co jest zgodne z oczekiwaniami, jako Ŝe rośnie znaczenie tych cech jako

kryteriów), natomiast przyczepność w tych punktach pozostaje stabilna i obniŜa się

nieznacznie dopiero w wariancie 5, w którym jej waga jest zbliŜona do wag przypisywanych

pozostałym cechom).

854

0,8

0,6

0,4

0,2

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

Rys. 3. „Uogólniony” model materiałowy zaprawy akrylowo-cementowej: zaleŜność uogólnionej uŜyteczności

(róŜne warianty zestawu wag) od zawartości polimeru i spoiwa polimerowo-cementowego; zaznaczono punkty o

maksymalnej uŜyteczności

cecha

wagi - warianty

Rys. 4. Wartości (obliczone) cech kryterialnych w punktach optymalnych

855

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: