Lapszámok

Ebben a számban a folyósítószeres és anélküli cement-, ill. kötőanyagpépek dinamikai viszkozitása és terülése, folyási sebessége közötti összefüggéseket ismertetjük.

Az előző számokban a vizsgált alapanyagok jellemzőit, a cementpépek összetételét, a vizsgálati módszereket és a pépek víz–cement tényezőtől függő reológiai tulajdonságait foglaltuk össze.

Vizsgáltuk a pépek reológiai viselkedését különböző cementfajták (CEM I 52,5R; CEM I 42,5R; CEM I 42,5N-SR0 és CEM II/A-S 42,5N), kiegészítőanyagok és folyósítószerek alkalmazásával x=0,3-0,6 víz–cement tényező mellett.

Cikksorozatunk következő, utolsó részében mutatjuk be a kiegészítőanyagok előnyös hatását a pépek állagára, mozgékonyságára.

A cikksorozatban az ábrák, a táblázatok és a szakirodalmi hivatkozások számozása folyamatos.

CEMENTPÉPEK VISZKOZITÁSA, TERÜLÉSE, FOLYÁSI SEBESSÉGE

Viszkozitás és pépterülés

A vizsgálati eredményeket összehasonlítva a szakirodalommal összhangban [28, 29], megállapítható, hogy a frissbeton roskadása és terülése főleg a cementpép kis nyírási sebesség melletti viszkozitás-terülőképességgel, míg a szivattyúzhatóság, ragadósság, felületképzési lehetőség inkább a cementpép nagy nyírási sebességhez tartozó viszkozitás-terülőképesség/folyási sebességgel van kapcsolatban (lásd 8–11. ábrák).

Ezeket a becsült összefüggéseket természetesen befolyásolja az adalékváz finomrész-tartalma, szemalakja és szemmegoszlása, a szivattyúteljesítmény, a csőhossz és átmérő [15], valamint a szivattyúzást segítő adalékszer esetleges használata, mely kihat a szivattyúcső belső falán kialakuló kenőréteg vastagságára és viszkozitására [30, 31].

Kutatásunk nem érintette e jellemzők vizsgálatát, csak a pép összetétele és reológiai jellemzői közötti összefüggés tanulmányozására szorítkozott, de e cikk vonatkozó részeiben megemlítjük a kapcsolódó betontechnológiai következtetéseket is. Mivel a vérzés jelenségét, mértékét számos kutató döntő jelentőségűnek tartja, ezért mi is feltüntettük ábráinkon a pépeken tapasztalt vérzést, melyre a terülési lepények állagából, formájából következtettünk (lásd: a cikksorozat első része).

A szokásos Vpor/Vpép≈38-40% szárazanyag-tartalmat meghaladó péppel készített frissbetonok (x<0,5) nehéz szivattyúzhatóságával, bedolgozhatóságával kapcsolatos gyakorlati problémák a folyósítószerrel már mozgékonnyá tett, de a szokásoshoz képest töményebb cementpép növekvő viszkozitására vezethetők vissza [32, 33].

A cementpépek viszkozitását a pépterüléssel és a folyási sebességgel együtt vizsgálta M. Sahmaran [34] is, aki x=0,6 víz–cement tényezővel, egy cementfajtával, a nyírási sebesség 50–500 s-1 tartományában tanulmányozta a stabilizálószerek és zeolitok hatását a vérzésmentes pépfázis kialakítása céljából. A pépterülést a betonroskadást mérő kúp 1:5 arányú kicsinyített modelljével, a folyási sebességet pedig Ø11 mm kifolyási nyílású, 1500 ml-es Marsh-tölcsérből kifolyó 1200 ml pép (azaz 80%) kifolyási idejével mérte.

A pépterülés laboratóriumi vizsgálatához praktikusabb mérőeszköznek tekintettük az MSZ EN 12706 szerinti hengert, ill. a folyási sebesség méréséhez az MSZ EN ISO 2431 szerinti Ø6 mm kifolyási nyílású 100 ml-es tölcsért, mert az általunk készített 128 db keverékhez (a négy cementfajta, x=0,3-0,6 víz–cement tényező, a többféle kiegészítőanyag és folyósítószer) így elegendő volt kb. 30 ℓ pép, míg a Marsh-tölcséres vizsgálathoz kb. 450 ℓ pép lett volna szükséges.

A viszkozitás mérésekor a nagyobb víz– cement tényező tartomány miatt (x=0,3–0,6) a nyírási sebesség („shear rate”) 50–1000 s-1 között változott.

A négyféle cementtel készült pépek terülés–viszkozitás összefüggését kis nyírási sebesség (50 s-1) esetén a 8. ábra szemlélteti.

8. ábra Cementpépek terülése és viszkozitása kis nyírási sebességnél

A 8. ábrán a folyósítószeres és anélküli cementpépek terülés–viszkozitás hatványfüggvényeinek meredeksége jelentősen különbözik. A hatványfüggvények alakja, ill. a hatványkitevők értékei szerint (αfoly.szer mentes=-1,873, ill. αfoly.szerrel=-0,829) a csökkentett víz–cement tényezőjű, folyósítószeres pépek kis nyírási sebesség melletti viszkozitás-csökkenése lényegesen kisebb mértékű (kb. fele), mint a folyósítószermentes, vízzel hígított pépeké. Ebből adódik, hogy a – roskadás/terülés mértékét jelző – kis nyírási sebesség melletti viszkozitás azonosan alacsony értékeihez (300–500 mPa·s) a folyósítószeres pépek esetében kb. 1,5–2-szeres pépterülés társul (vagyis a 8. ábra szerinti Ø 60–90 mm terülés Ø 100–170 mm-re nő). A 8-9. ábrákon a fehér színnel kitöltött alakzatok az adott pép vérzésére utalnak.

A 9. ábrán látható a négyféle cementtel készült (kiegészítőanyagot nem tartalmazó) folyósítószeres és anélküli pépek terülés–viszkozitás összefüggése nagy nyírási sebesség (1000 s-1) mellett.

9. ábra Cementpépek terülése és viszkozitása nagy nyírási sebességnél

A 9. ábrán a pépterülés és a nagy nyírási sebességnél mért viszkozitás közötti összefüggés hatványfüggvényeinek meredeksége a folyósítószeres és anélküli pépeknél még nagyobb eltérésű, mint kis nyírási sebességeknél (8. ábra), és a folyósítószeres görbe még jobban eltávolodik a folyóstószermentestől.

A folyósítószermentes, x=0,3–0,6 közötti, növekvő víz–cement tényezőjű pépek terülés-viszkozitás görbéjének lefutása, ill. a hatványkitevő nagy abszolút értéke (α=2,807) a viszkozitás erős csökkenésére utal (lásd pontozott vonallal jelzett görbe a 9. ábra baloldalán). Ezzel szemben a folyósítószeres cementpépek viszkozitása (lásd szaggatott vonallal jelzett görbe a 9. ábrán) még a pépterülés nagy értékei mellett is (Ø >170 mm) legfeljebb az x=0,5 víz–cement tényezőjű folyósítószermentes pépek viszkozitását éri el.

A folyósítószeres pépeken mért – a frissbeton szivattyúzhatóságához kapcsolódó – nagy nyírási sebesség melletti kis viszkozitáshoz (kb. 60 mPa·s-hoz) 2-3-szoros pépterülés társul (lásd 9. ábrán a folyósítószermentes pépek kb. Ø 60 mm terüléséhez képest a folyósítószeres pépek terülése Ø 120–170 mm-re nő). A nagyobb pépterülés megnöveli a frissbeton terülését is, azonban ez nem feltétlenül jelenti azt, hogy szivattyúzható is a betonkeverék.

A 9. ábrán a folyósítószermentes pépek terülés–viszkozitás görbéjének meredeksége kb. háromszor nagyobb, mint a vízcsökkentett, folyósítószeres pépeké. Ezért a víz–cement tényező növelésével (a frissbeton felvizezésével) a gyakorlatban „könnyebben érhető el” a jó szivattyúzhatóság, tömöríthetőség és a fészkesedéstől mentes betonfedés. A cementpép hígítása nagyobb porozitáshoz, kisebb szilárdsághoz és a környezeti hatásokkal szembeni gyengébb ellenálló képességhez vezet (pl. karbonátosodás, vízben oldott ionok és molekulák diffúziója), ezért a nagyobb víz–cement tényező káros hatását figyelembe kell venni.

Az egyes pépalkotóknak a beton/habarcs/ pép terülésére és a kis/nagy nyírási sebességhez tartozó viszkozitásra gyakorolt hatását C. Ferraris [35] szerint a 10. ábra szemlélteti.

10. ábra Pépösszetevők hatása a reológiai jellemzőkre [35]

A 10. ábrán látható, hogy minél kisebb az elsődleges függőleges „y” tengelyen a „yield stress”, azaz folyási határfeszültség, annál nagyobb a másodlagos függőleges „y” tengelyen ábrázolt terülés–roskadás. C. Ferraris megállapította, hogy a növekvő terülés/roskadás nem feltétlenül jár együtt a nagy nyírási sebességhez tartozó viszkozitás („plastic viscosity”) csökkenésével. Kiemelte, hogy a víztartalom növelése (tehát a nagyobb v/c tényező) ugyan csökkenti a folyási határfeszültséget, tehát növeli a betonterülést/ roskadást és erőteljesen csökkenti a nagy nyírási sebességhez tartozó viszkozitást is (tehát könnyíti a szivattyúzhatóságot), de a víz hozzáadásával elért viszkozitás-csökkenés jelentős szilárdság- és tartósságcsökkenéshez vezet. A szerző felhívja a figyelmet a pépalkotók reológiai hatásainak, ezen belül a kiegészítőanyagok, a légpórusképző-, a folyósító- és a stabilizálószerek kitüntetett jelentőségére. A 10. ábra szerint pl. a folyósítószerek csak a terülést javítják, de nem csökkentik a nagy nyírási sebességhez tartozó viszkozitást, míg a kis mennyiségben adagolt szilikapor, a légpórusképző szerekhez hasonlóan, erőteljes viszkozitáscsökkentő hatású és nem rontja a terülést.

A szivattyúzhatóságot befolyásoló – az anyagstruktúrával és vélhetően a vérzéssel összefüggő – tényezőkkel kapcsolatban C. Ferraris arra a következtetésre jutott, hogy legtöbb esetben a nagy nyírási sebességhez tartozó viszkozitás nagyobb jelentőségű, mint a folyási határfeszültség.

A légpórusképzők és a stabilizálók hatását nem vizsgáltuk, de a hozzáadott víz és a kis mennyiségű (5%/mcement) szilikapor általunk mért hatása egyezett a 10. ábra tendenciáival. Eltérés mutatkozott viszont abban, hogy az általunk vizsgált folyósítószerek nemcsak a pépterülést növelték, hanem a 10. ábrán jelölt folyósító hatásával szemben – bár mérsékelten, de előnyösen – csökkentették a nagy nyírási sebességhez tartozó viszkozitást is (ld. a 10. ábrán a piros szaggatott vonallal jelölt nyíl).

Viszkozitás és folyási sebesség

A 11. ábrán látható, hogy a csökkentett víz–cement tényezőjű, folyósítószeres pépeknél a folyási sebesség azonos értékeihez nagy nyírási sebességnél kb. 2,5-3-szoros viszkozitás tartozik a nagyobb víz–cement tényezőjű pépekhez képest.

11. ábra Cementpépek folyási sebessége és viszkozitása nagy nyírási sebességnél

A 11. ábrán a fehér kör és rombusz jelölések a pép vérzését mutatják (mely minden esetben az F1 folyósítószer alkalmazásával függ össze). Kis nyírási sebességnél a folyási sebesség–viszkozitás összefüggés nem tartalmazott új információt.

A 11. ábrán az x=0,45 értékénél (világos- és sötétkék kör jelölések) az F2 folyósítószer 0,4 és 0,6% adagolásával ugyanolyan vagy nagyobb a folyási sebesség (5–11 cm3 /s), mint a világoskék négyzettel jelölt folyósítószermentes x=0,6 pépeké (5–9 cm3 /s). Nagy nyírási sebességnél a folyósítószeres x=0,45 pépek viszkozitása kb. 60–90 mPa·s, míg az x=0,6 folyósítószer-mentes pépeké kb. 20–30 mPa·s.

A 9. és 11. ábrán jelölt pépterülés és folyási sebesség mérési eredményei szerint a csökkentett víz–cement tényezőjű, folyósítószeres és vérzésmentes pépek nagy nyírási sebességhez tartozó viszkozitása („plastic viscosity”) még a nagy pépterülés és folyási sebesség esetén is legfeljebb megközelíti, illetve eléri az x=0,5 mellett a folyósítószer-mentes pépekét.

Vizsgálataink szerint a V≤42±1% szárazanyag-tartalmú pépek (x≥ 0,45) nagy folyási sebessége, vérzésmentessége és mérsékelt viszkozitása eléréséhez elegendő a megfelelő folyósítószer kiválasztása. Az x≈0,45 víz–cement tényezőjű frissbeton szivattyúzhatósága, ragadósságtól és vérzéstől mentes felületképzéséhez szükséges az adott cementhez leginkább illeszkedő folyósítószer megválasztása, a próbakeverések végzése, az adalékváz megfelelő finomrésztartalma, ill. a betontechnológusi tapasztalatok.

Igazolódni látszik, hogy a vérzésmentes, jól szivattyúzható, x<0,45 víz–cement tényezőjű betonkeverék előállítása aligha oldható meg megfelelő kiegészítőanyag nélkül.

(ábrák: a szerzők, fotó: Beton újság)