Publication details
Abstracts and keywords
Jednym z kluczowych czynników wpływających na trwałość konstrukcji betonowych w warunkach klimatu umiarkowanego jest oddziaływanie cyklicznych procesów zamrażania i rozmrażania. Głównym mechanizmem uszkodzeń mrozowych betonu jest obecność wody w jego mikrostrukturze oraz jej przemiany fazowe. Zamrażana woda zwiększa swoją objętość, generując ciśnienie w porach kapilarnych i prowadząc do powstawania naprężeń wewnętrznych przekraczających wytrzymałość zaczynu cementowego na rozciąganie. W konsekwencji dochodzi do inicjacji mikropęknięć, które w wyniku wielokrotnego oddziaływania cykli zamrażania i rozmrażania prowadzą do uszkodzeń struktury i stopniowej utraty nośności elementów betonowych. Powszechnie stosowaną metodą zwiększania odporności betonu na oddziaływanie ujemnych temperatur jest napowietrzanie mieszanki betonowej przy użyciu domieszek chemicznych, którego skuteczność bywa ograniczona przez wrażliwość procesu na czynniki technologiczno-materiałowe oraz problemy z kompatybilnością z innymi domieszkami chemicznymi. Wobec powyższych ograniczeń coraz większe zainteresowanie zbudzają alternatywne domieszki polimerowe, takie jak mikrosfery i superabsorbenty, umożliwiające bardziej kontrolowane kształtowanie mikrostruktury betonu. Celem badań była ocena skuteczności domieszek polimerowych w zwiększaniu mrozoodporności betonów oraz określenie ich wpływu na właściwości fizyczne i mechaniczne materiału. W pracy zastosowano trzy rodzaje domieszek polimerowych: mikrosfery, superabsorbenty o kształcie nieregularnym oraz superabsorbenty o kształcie regularnym. Domieszki te poddano badaniom wstępnym obejmującym analizę mikrostruktury, uziarnienia, zdolności absorpcji oraz wpływu na lepkość zaczynu cementowego, a następnie badaniom właściwym, dotyczącym właściwości mieszanki betonowej i betonu. W ramach badań określono właściwości fizyczno-mechaniczne betonów oraz ich charakterystykę porowatości z wykorzystaniem pomiarów absorpcji, ilościowej analizy przeprowadzonej na próbkach zgładów, porozymetrii rtęciowej oraz mikrotomografii komputerowej. Oceniono mrozoodporność betonów po 150 cyklach zamrażania i rozmrażania z zastosowaniem trzech metod badawczych (metody zwykłej, spowolnionej oraz spadku wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu). W celu przeprowadzenia kompleksowych analiz wpływu domieszek polimerowych na właściwości betonów, badania przeprowadzono również na betonach z tradycyjną domieszką napowietrzająca oraz betonie wzorcowym, bez domieszki. Na podstawie uzyskanych wyników potwierdzono skuteczność domieszek polimerowych w zwiększaniu mrozoodporności betonu, szczególnie w przypadku mikrosfer oraz superabsorbentów o kształcie nieregularnym, przy czym w przypadku superabsorbentów odnotowano większą zmienność wyników. Wykazano, że trwałość mrozowa betonu zależy nie tylko od objętości i rozmieszczenia porów, lecz również od dynamiki procesu chłodzenia oraz właściwości sorpcyjno-desorpcyjnych polimerów. Zaobserwowano odmienne mechanizmy kształtowania struktury porowej w porównaniu z tradycyjnym napowietrzaniem. Dodatkowo wykazano zależność pomiędzy obrazami mikrostruktury SEM, a mrozoodpornością betonu, co umożliwiło opracowanie modelu klasyfikacyjnego opartego na uczeniu maszynowym, osiągającego dokładność powyżej 80%.
Cycles of freezing and thawing are among the most important factors determining the durability of concrete structures in temperate climates. The primary mechanism of frost damage in concrete is associated with the presence of water in its microstructure and its phase transitions. When water freezes, it increases in volume, generating pressure within capillary pores and inducing internal stresses that exceed the tensile strength of the cement paste. As a consequence, microcracks are initiated which, under repeated freeze–thaw cycles, develop into more extensive damage and lead to a progressive loss of the load-bearing capacity of concrete elements. A commonly used method for increasing the resistance of concrete to low temperatures is air entrainment of the concrete mixture using chemical admixtures. However, the effectiveness of this approach is often limited by the sensitivity of the process to technological and material factors, as well as by compatibility issues with other chemical admixtures. In response to these limitations, alternative polymer admixtures, such as microspheres and superabsorbent polymers, which allow for more controlled formation of the concrete microstructure, are gaining increasing attention. The aim of this study was to evaluate the effectiveness of polymer admixtures in enhancing the frost resistance of concrete and to determine their influence on the physical and mechanical properties of the material. Three types of polymer admixtures were investigated: microspheres, irregularly shaped superabsorbents, and regularly shaped superabsorbents. In the initial stage, these admixtures were examined in terms of microstructure, particle size distribution, absorption capacity, and their effect on cement paste viscosity. Subsequently, tests were conducted on the properties of the concrete mixture and hardened concrete. The physical and mechanical properties of the concretes were determined, and their porosity characteristics were analyzed using absorption measurements, quantitative analysis of polished sections, mercury intrusion porosimetry, and X-ray computed microtomography. The frost resistance of the concretes was evaluated after 150 freeze–thaw cycles using three test methods: the standard method, the slow method, and assessment based on the reduction in flexural tensile strength. For comparative purposes, tests were also carried out on concretes modified with a traditional air-entraining admixture and on reference concretes without admixtures. The obtained results confirm the effectiveness of polymer admixtures in enhancing the frost resistance of concrete, particularly in the case of microspheres and irregularly shaped superabsorbent polymers, although greater variability in the results was observed for superabsorbents. It was demonstrated that the frost resistance of concrete depends not only on the volume and distribution of pores, but also on the dynamics of the cooling process and the sorption–desorption properties of the polymers. Distinct mechanisms of pore structure formation were identified in comparison with traditional air entrainment. Furthermore, a relationship between SEM microstructure images and concrete frost resistance was established, enabling the development of a machine learning-based classification model with an accuracy exceeding 80%.
