3. Í Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja … · 3. Beton zwykły a beton...

3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 1

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

3.

Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 3.1 Skład mieszanki i budowa wewnętrzna betonu zwykłego i modyfikowanego Wprowadzając do betonu dwa czynniki nieobecne w składzie betonów zwykłych: pył krzemionkowy oraz środek plastyfikujący, a zwłaszcza superplastyfikator można radykalnie poprawić właściwości beto-nu, otrzymując w efekcie tzw. beton wysokowartościowy (BWW) [18]. Kolejnym czynnikiem modyfikującym cechy betonu może być dodanie stalowych lub syntetycznych włókien jako mikrouzbrojenia oraz polimerów w postaci dodatków lub impregnatów. Skład betonów wysokowartościo-wych różni się od składu betonów zwykłych i innych (np. hydrotechnicznych) zwiększoną zawartością składników drobnoziarnistych (cement, pył krzemionkowy, popioły lotne), niższym stosunkiem wodno−cementowym, mniejszą zawartością kruszywa grubego, a także ograniczeniem grubości ziaren, co przy zastosowaniu związków upłynniających pozwala uzyskać wysoką urabialność mieszanki betonowej [31]. Rozkład wielkości ziaren cementu i kruszyw jest w BWW bardzo istotny ze względu na szczelność stosu okruchowego oraz unikanie koncentracji naprężeń. Pamiętać należy, że dolną granicą uziarnienia w przypadku betonu modyfikowanego pyłem krzemionkowym będzie wymiar ziaren mikrokrzemionki, dwa rzędy niższy od ziaren cementu. W przypadku BWW w odróżnieniu od betonów zwykłych bardzo cha-rakterystyczna jest niska ilość wody zarobowej, albowiem W/C kształtuje się na poziomie 0.35÷0.40 (a w BBWW nawet 0.22÷0.30).

Rys. 3.1 Porównanie składów betonu [31] W odniesieniu do betonów zwykłych małe wartości współczynnika W/C dla betonów modyfikowa-nych, wymagają zwiększonych zawartości cementu do 400 kg/m3 i więcej. Optymalna jego ilość jest związana z koniecznością utrzymania przy jednoczesnym użyciu superplastyfikatora, odpowiedniego dy-stansu między ziarnami kruszywa grubszych frakcji. Wysoki udział cementu w składzie betonów wyso-kowartościowych można nieco zredukować stosując poza mikrowypełnieniem, inne pucolanowe dodatki takie jak np. popioły lotne [31]. Tak do betonów zwykłych, jak i wysokowartościowych stosuje się ce-menty portlandzkie, z tym, że te drugie wymagają cementów wysokiej jakości, o powtarzalnym składzie. W przeciwnym przypadku nie jest możliwe uzyskanie wymaganych wysokich parametrów betonu (wy-trzyma-łościowych, dotyczących trwałości, itp.)[15]. Konieczne jest staranne dobranie składu i właściwo-ści cementu. Dla betonów wysokowartościowych wskazana jest wysoka zawartość faz krzemianiastych (zwłaszcza alitu) przy niewielkiej ilości glinianu trójwapniowego C3A. Stopień rozdrobnienia powinien być możliwie duży, chociaż wymagania co do tego parametru nie są jednoznacznie określone [15,31]. Decydująca jest w tym przypadku dążność do kompromisu między dobrą urabialnością mieszanki, nie wytracaną zbyt wcześnie i utrzymaniem wartości wskaźnika W/C na możliwie niskim poziomie [31]. Optimum miałkości cementu w tych betonach wydaje się oscylować wokół 4000 cm2/g według Blaine’a [18].



W klasie betonów o bardzo wysokich parametrach wytrzymałościowych (BBWW) zawartości cemen-tu są już bardzo wysokie, a wskaźnik W/C oscyluje wokół 0.22÷0.28. Dlatego też tutaj cement pełni rolę zbliżoną do mikrokrzemionki (mimo wysokiej różnicy wielkości ziarn), albowiem niezhydratyzowane cząstki cementu wypełniają dodatkowo przestrzenie porowate w bryle betonu [59]. Zajmijmy się teraz kolejnym tradycyjnym składnikiem betonu − kruszywem. Jedną z najistotniejszych cech charakteryzujących kruszywo jest przyczepność powierzchni ziarn do zaczynu cementowego. W betonach wysokowartościowych ze względu na mechanizm pękania tutaj zachodzący, nabiera to szcze-gólnego znaczenia. Tak jak w betonie tradycyjnym kształt ziarn powinien być zbliżony do bryły izome-trycznej, sześciennej, bez udziału ziarn płaskich i wydłużonych. Jednocześnie bardzo istotne jest maksy-malne rozwinięcie powierzchni właściwej ziarn w celu zwiększenia ich mechanicznej przyczepności do zaczynu [52]. Mając to na uwadze korzystniejszym wydaje się zastosowanie kruszyw łamanych, wykazu-jących lepszą przyczepność do zaczynu. Takie kruszywo zarówno grube jak i drobne sprzyja wyższej wy-trzymałości betonu w stosunku do kruszyw otoczakowych. Z innego punktu widzenia kruszywo otocza-kowe zapewnia lepszą urabialność i wymaga mniejszej ilości cementu, właśnie ze względu na mniejszą powierzchnię właściwą [18,52]. Skład mineralogiczny kruszywa wpływa także na jego przyczepność do zaczynu.

Rys. 3.2 Przyczepność między stwardniałym zaczynem cementu portlandzkiego

a różnymi kruszywami przy W/C = 0.35 [52] Zwiększenie ilości cementu powyżej 560 kg/m3 nie gwarantuje wyższej przyczepności zaczynu do powszechnie stosowanych kruszyw mineralnych. Omawiana tutaj przyczepność stanowi ograniczenie w osiąganiu odpowiednio wysokich wytrzymało-ści betonu. O znaczeniu tego parametru kruszywa dla uzyskania BWW świadczą wyniki badań mówiące, że dzięki zwiększonej przyczepności zaczynu do ziarn kruszywa ze zbitych ziarn węglanowych (Rska-

ły<120 MPa) uzyskano wyższe wytrzymałości na rozciąganie i ściskanie betonu przy niższym skurczu i pełzaniu, niż w betonie na bazie kruszyw granitowych, żwirowych, czy nawet bazaltowych. Znamienne jest to, że w niektórych przypadkach kruszywo wapienne pozwalało uzyskać lepsze rezultaty niż w beto-nie z kruszywem bazaltowym w sytuacji, gdy R skały bazaltowej osiągało niemal 400 MPa [52]. Nie do przecenienia jest także rola uziarnienia w mieszankach betonowych tak zwykłych jak i mody-fikowanych. Wskazany jest ciągły rozkład wielkości ziarn ze względu na poprawę urabialności mieszanki i uzyskiwanie wczesnej wytrzymałości betonu. Dobrze jest stosować piasek i kruszywo grube tego same-go rodzaju. Maksymalna wielkość ziarn nie powinna przekraczać 20÷25 mm, a według niektórych bada-czy 10 mm [31]. Krzywa przesiewu kruszywa betonów wysokowartościowych przebiega zwykle poniżej średniej w polu krzywych granicznych. Piasek powinien być gruboziarnisty (blisko 2 mm), pozbawiony frakcji miałkich do 0.25 mm, ze względu na dostateczną ilość sumy cementu i pyłu krzemionkowego [18,52]. To najdrobniejsze kruszywo dodaje się do stosu okruchowego bardziej pod kątem uzyskania niż-



szej wodożądności, niż wypełnienia przestrzeni międzyziarnowych. Eliminacja zawartości miki i gliny, zwłaszcza z powierzchni ziarn [52] sprzyja osiąganiu lepszych parametrów betonu. Czynnikiem najbardziej różnicującym budowę wewnętrzną betonu zwykłego od betonów modyfiko-wanych jest zastosowanie dodatków i domieszek do tych drugich. Mamy tu na myśli mirokrzemionkę, jak i domieszki w postaci plastyfikatorów i superplastyfikatorów, czy też ewentualne włókna stalowe, lub syntetyczne korygujące parametry matrycy betonu. W tym miejscu sygnalizujemy jedynie tematykę z nimi związaną, a charakterystyka wpływu tych dodatków i domieszek zostanie ukazana na kartach kolej-nych rozdziałów. I tak dodanie superplastyfikatora, dobranego zgodnie z typem i marką użytego cementu, umożliwia znaczne zmniejszenie W/C przy zachowaniu wymaganej urabialności. Z kolei dodatek pyłu krzemionkowego prowadzi do zwiększenia gęstości i wypełnienia struktury matrycy cementowej. Ilości dodanego superplastyfikatora zwykle wynoszą 2÷4%, a pyłu krzemionkowego oscylują wokół 10% masy cementu. Należy zwrócić uwagę, by w betonach o strukturze modyfikowanej dodatkami i domieszkami, wraz z nimi nie znalazło się zbyt dużo alkaliów, co ma istotne znaczenie z punktu widzenia trwałości struktury. Struktura betonu zwykłego i betonu modyfikowanego mikrokrzemionką oraz upłynniaczami (redukto-rami wody), różnią się od siebie w sposób zasadniczy. Dzięki bardzo niskiej wartości wskaźnika W/C, za sprawą superplastyfikatorów, jak również dzięki dodatkowym materiałom pucolanowym o dużym stopniu rozdrobnienia można oczekiwać zmniejszenia objętości porów kapilarnych. Powstała w ten sposób bar-dzo dobra struktura rzutuje na to, że matryca kamienia cementowego staje się znacznie gęstsza. Jest to istotne zwłaszcza w „strefie przejściowej” otaczającej ziarna kruszywa, stanowiącej słabą stronę struk-tury betonu zwykłego wyeliminowaną przez modyfikację mikrokrzemionką [59]. W strefie tej ze względu na podwyższony tam poziom porowatości i poziom wskaźnika W/C (zwiększenie ilości wody wolnej przy powierzchni ziarn kruszywa) istniałyby warunki do inicjacji i propagacji rys oraz zwiększonej prze-puszczalności dla gazów i cieczy [30]. Jeśli nie stosujemy mikrokrzemionki zostają tutaj uformowane kryształy Ca(OH)2. Swym równoległym usytuowaniem wobec powierzchni kruszywa, bądź zbrojenia osłabiają strukturę [73]. Pyły krzemionkowe w ilości już 2÷3% masy cementu wypełniając wolne prze-strzenie w tej strefie, zagęszczają tam strukturę. W ten sposób kryształy portlantydu nie są tak regularnie zorientowane wobec ziarn kruszywa. Zredukowaniu ulega bleeding (oddawanie wody) [75]. W wyniku zachodzących reakcji pucolanowych następuje korzystna modyfikacja mikrostruktury zaczynu w sensie redukcji porów kapilarnych. Intensywność tych procesów jest proporcjonalna do procentowego udziału mikrowypełniacza w betonie. Jak widać tak domieszka środków upłynniających, zastosowanych jako reduktory wody, jak i dodatek mikrokrzemionki wpływają przede wszystkim na konsolidację struktury betonu modyfikowanego, co w odróżnieniu od betonu tradycyjnego pozwala na wysoki poziom jego cech wytrzymałościowych i cech związanych z trwałością. 3.2 Kształtowanie się właściwości betonu modyfikowanego, wysokowartościowego w odróżnieniu od betonu zwykłego Zacznijmy od pewnego rozgraniczenia pojęciowego. Mamy bowiem z jednej strony beton zwykły, a z drugiej strony wysokowartościowy, o znacznie zmienionych parametrach. Poprzez pojęcie betony wysokowartościowe (BWW) rozumieć należy betony cementowe na kruszywach naturalnych z odpowiednimi dodatkami i domieszkami. W efekcie uzyskuje się tworzywo o następujących, ustabilizowanych na wysokim poziomie własnościach:

• dobra urabialność świeżej mieszanki betonowej, zachowana przez okres minimum 1 godziny, • wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach wynosi min. 60 MPa (55 MPa wg. DIN), • duża trwałość, m. in. związana ze szczelnością uzyskiwaną poprzez odpowiednią strukturę mate-

riału po stwardnieniu.



Rys. 3.3 Kryteria betonów wysokiej wytrzymałości [39]

Ponieważ betony wysokowartościowe są to materiały projektowane specjalnie w celu spełnienia okre-ślonych potrzeb użytkowników, więc prócz wymienionych właściwości mogą też mieć np. zwiększoną odporność na wpływy chemiczne, czy na wpływy mechaniczne (ścieralność, udarność itp.) lub inne [15,31]. Mechaniczne właściwości BWW wynikają z ich składu i struktury. Betony te charakteryzuje zagęsz-czona matryca o wysokiej wytrzymałości i jej wiązanie z powierzchnią kruszywa grubego. Duża jedno-rodność struktury, brak lokalnych osłabień w postaci porów powietrznych po wolnej wodzie, bleedingu i rys skurczowych zasadniczo zmienia zachowanie BWW w porównaniu z betonami zwykłymi. Betony zwykłe z kruszywem o normalnej gęstości charakteryzują się następującą relacją wytrzymało-ści na ściskanie: fkruszywa > fzaprawy > fbetonu, dlatego też w tym przypadku zniszczenie przebiega przez najsłabszy element struktury betonu, który sta-nowi warstwa przejściowa między ziarnami kruszywa grubego i matrycą. Z kolei w betonach wysokowartościowych wytrzymałość na ściskanie zależy od modułu sprężystości i wytrzymałości ziaren kruszywa grubego. Przejawia się to przechodzeniem rys przy zniszczeniu właśnie poprzez te ziarna. Taki właśnie przebieg zniszczenia jest charakterystycznym wyznacznikiem w odniesieniu do dwuskładnikowego materiału kompozytowego, za który uchodzi BWW. Już pod działaniem stosunkowo małych obciążeń zapewnione zostaje pełne przekazywanie naprężeń pomiędzy zaprawą i ziarnami grubego kruszywa [31].

Rys. 3.4 Porównanie wykresów σ−ε betonów wykonanych z różnego kruszywa [31]



Zaprezentowany wykres ukazuje wczesny udział kruszywa w przenoszeniu obciążeń. Natomiast od-mienne zachowanie się nie uzbrojonych próbek betonu wysokowartościowego i zwykłego możemy zaob-serwować poniżej:

Rys. 3.5 Typowe wykresy σ−ε betonu zwykłego i BWW [32]

Interesującą prawidłowością jest to, że im mniejsza jest różnica między odkształcalnością i wytrzyma-łością matrycy oraz kruszywa, tym większa jest wytrzymałość betonu. Ilustrują to poniższe wykresy porównawcze:

Rys. 3.6 Przykłady wykresów σ−ε zaczynu cementowego, kruszywa i betonu:

a) beton zwykły; b) BWW [32] Jak wiadomo tak zaczyn, jak i kruszywo są materiałami kruchymi. Beton złożony z tych składników wykazuje nieliniową odkształcalność wynikającą ze zjawiska mikrorys. Różne moduły sprężystości ma-trycy i kruszywa są przyczyną koncentracji naprężeń w warstwie kontaktowej i powstania siatki mikrorys już pod niewielkimi obciążeniami. Właśnie dlatego na wykresach tych obserwujemy odkształcenia qu-asi−plastyczne. Mniejszy dystans między sztywnością matrycy i kruszywa w BWW w porównaniu do betonów zwykłych zwiększa jednorodność rozkładu naprężeń i redukuje ich koncentrację. Dlatego wła-śnie tworzy się mniej mikrorys, co przejawia się bardziej gwałtownym pękaniem betonów wysokowarto-ściowych. Albowiem w betonach zwykłych wartość średnich naprężeń, przy których powstają mikrorysy wynosi 40÷50% wytrzymałości, a w BWW dochodzi do 70÷80%. Konkludując należy stwierdzić, że be-tony wysokowartościowe są bardziej kruche niż betony zwykłe [31]. Badania dowodzą, iż energia pęka-nia (Gf) i krytyczna wartość współczynnika intensywności naprężeń (KIC) zwiększają się wraz ze zwięk-szeniem wytrzymałości na ściskanie, jednak w znacznie wolniejszym tempie (nawet dziesięciokrotnie).



Rys. 3.7 Porównanie różnych właściwości mechanicznych betonów zwykłych i BWW [32]

Wyraźne różnice obserwuje się wśród parametrów określających rozmiary strefy mikrozarysowania wokół czubka rysy (Cf i lo), mają one tendencję malejącą wraz ze zwiększeniem wytrzymałości. Wskazu-ją tym samym mniejszą strefę mikrozarysowania i słabsze hamowanie propagacji mikrorys w BWW, niż w betonach zwykłych. Wzrost odporności na pękanie jest relatywnie mniejszy w BWW, niż odpowiada-jący mu wzrost wytrzymałości na ściskanie. Wiąże się to z różnicą proporcji między wytrzymałością na ściskanie i na rozciąganie. Odkształcalność graniczna BWW towarzysząca rozciąganiu zwiększa się także wolniej, niż wytrzymałość na ściskanie, w odniesieniu do betonu zwykłego. Zwiększenie wytrzymałości i odporności na pękanie w betonach modyfikowanych superplastyfikato-rem i mikrokrzemionką wynika głównie z dwóch zjawisk: zmniejszenia porowatości całkowitej oraz ograniczenia wewnętrznych mikrorys i innych nieciągłości będących przyczyną koncentracji naprężeń [31]. Ograniczeniu ulega w ten sposób udział mikroporów i zapewniona zostaje mała zawartość porów kapilarnych. Bardzo istotne znaczenie ma w tym momencie utrzymanie niskiego poziomu wskaźnika W/C [34].

Rys. 3.8 Wpływ stosunku W/C i zawartości cementu w betonie na jego wytrzymałość

po 28 dniach (zależności ogólne wg [34])



Betony wysokowartościowe w odróżnieniu od betonów zwykłych wykazują szybki przyrost wytrzy-małości w czasie, szczególnie w początkowej fazie, co spowodowane jest małą ilością wody zarobowej i dużą powierzchnią kontaktów między ziarnami składników świeżej mieszanki betonowej [31]. Przyrost wytrzymałości betonu jest wprost proporcjonalny do wytrzymałości zaprawy. W okresie pierwszej doby jest ona prostą funkcją stopnia rozdrobnienia cementu oraz zawartości C3S i C3A [34]. Obecność samej mikrokrzemionki w betonie uspokaja i spowalnia proces rozwoju wytrzymałości. Wytrzymałość wczesna (jedno−, dwudniowa) nie przekraczają jeszcze z reguły wytrzymałości mieszanek betonowych pozbawio-nych mikrokrzemionki. Dopiero w okresie późniejszym następuje wyraźny, równomierny przyrost wy-trzymałości. Jego długotrwałość jest znacznie wyższa, niż w betonie konwencjonalnym. Stąd miarodajne dane na temat wytrzymałości betonu na ściskanie nie występują po 28 dniach, lecz po 90 a nawet 180 dniach. Poniżej zaprezentowano różnice w wytrzymałości betonu na ściskanie w przypadku różnych technologii betonu [21].

Rys. 3.9 Rozwój wytrzymałości na ściskanie dla różnych technologii betonu [21]

W przypadku betonów wysokowartościowych modyfikowanych tak mikrokrzemionką, jak i domiesz-kami upłynniającymi, różnice w wytrzymałości na ściskanie, uwarunkowane np. rodzajem stosowanego kruszywa mogą być znacznie większe, niż w betonach zwykłych. Istotną rolę odgrywa tutaj omawiana wcześniej przyczepność mechaniczna i chemiczna zaczynu cementowego od ziarn kruszywa [15]. Betony wysokiej jakości w odróżnieniu od zwykłych, charakteryzują się znacznie większym ciepłem hydratacji podczas wiązania i twardnienia. Prowadzi to do obniżenia faktycznej wytrzymałości betonu wewnątrz ustroju, nawet o kilkanaście procent. Właściwość ta powinna być bezwzględnie ujęta w sta-dium projektowym. Osiągane wskaźniki zmienności wytrzymałościowej betonów wysokowartościowych okazją się być relatywnie niższe od typowych wartości tych wskaźników dla betonów zwykłych. Betony wysokiej jako-ści w zakresie niektórych cech wykazują pewną odmienność. Dla przykładu prześledźmy wzrost wytrzy-małości na rozciąganie bezpośrednie BWW. Betony te charakteryzują się niższym w stosunku do beto-nów zwykłych wskaźnikiem kruchości fr / fc [13]. Przechodząc do kolejnej cechy betonów stwierdzić należy, iż skurcz ma inny przebieg w betonach wysokowartościowych, a inny w betonach zwykłych. Skurcz hydratacyjny jest szybszy i może spowodo-wać, w przypadku ograniczenia możliwości odkształceń, dodatkowe naprężenia we wczesnym okresie dojrzewania. Skurcz całkowity jest mniejszy, ponieważ skurcz spowodowany wysychaniem jest zredu-kowany mniejszą ilością wody zarobowej i szczelnością zaprawy [31]. Proporcje kruszywa, cementu i wody w mieszance betonowej również wpływają na skurcz. Różnica odkształceń skurczowych betonów zwierających objętościowo 80 i 60% tego samego kruszywa jest nawet kilkakrotna, co pokazano na ry-sunku 3.11.



Rys. 3.10 Wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie bezpośrednie betonów zwykłych i wysokiej wytrzymałości [13]

Rys. 3.11 Wpływ W/C i zawartości kruszywa na skurcz betonu [45]

Istotny wpływ na wielkość skurczu ma także zawartość wody w mieszance betonowej. Na przykład konsystencja plastyczna mieszanki betonowej warunkuje o 1/4 wyższe odkształcenia skurczowe w sto-sunku do betonu o konsystencji wilgotnej. Dlatego też stosuje się dodatki uplastyczniające pośrednio re-dukujące odkształcenia skurczowe, poprawiając urabialność i zwiększając plastyczność mieszanki beto-nowej bez zmiany pozostałych składników [61]. Betony modyfikowane mikrokrzemionką, jak i superplastyfikatorem w odróżnieniu od betonów zwy-kłych pozwalają na znaczne oszczędności na gabarytach konstrukcji, elementów, a co za tym idzie na cię-żarze i samym materiale [37].

Rys. 3.12 Przekrój poprzeczny słupów o równoważnej nośności [37]



Rys. 3.13 Ciężar 1 m słupa o równoważnej nośności [37]

3.3 Eliminacja defektów struktury betonów zwykłych Struktura materiału jest niezwykle istotnym czynnikiem bezpośrednio wpływającym na właściwości i funkcje użyteczne materiałów. Charakteryzuje ją szeroki zakres możliwych zmian i modyfikacji. Stąd sterowanie właściwościami materiału poprzez strukturę jest najczęściej bardziej ekonomiczne niż na drodze zmiany składu chemicznego [40]. W technologii betonu procedura postępowania prowadząca do uzyskiwania betonów wysokiej jakości, uwarunkowana jest doborem składników mieszanki betonowej, parametrami procesu wytwarzania, wa-runkami przebiegu wiązania i twardnienia betonu, co decyduje o strukturze i właściwościach określają-cych jakość użytkową betonu. Prowadzone badania w tym zakresie opierają się na wielu zmiennych pa-rametrach i wzajemnie uwarunkowanych czynnikach. Przyjmuje się, iż danej strukturze betonu ukształ-towanej działaniami technologicznymi, odpowiada jeden zestaw fizyko−mechanicznych cech jakościo-wych. Tym istotniejsze jest więc ustalenie współzależności pomiędzy strukturą betonu, a jego właściwo-ściami wytrzymałościowymi. Zależność ta jest kluczowa w zakresie kształtowania i modyfikowania struktur betonu w kierunku uzyskiwania betonów wysokich klas. Dokładne poznanie struktury betonu, szczególnie na poziomie mikrostruktury, jest utrudnione zależnością zachodzących w czasie procesów fizyko−chemicznych [29]. W ujęciu technologii klasycznej wytrzymałość betonu uzależniona jest od wskaźnika W/C, stopnia hydratacji cementu, porowatości betonu i gęstości składników. By uzyskać betony wysokowytrzymałe tradycyjna technologia betonu wymaga starannego doboru składników mieszanki w skali mikro i makro z doprowadzeniem do ścisłego ułożenia składników mieszanki oraz odpowiedniej pielęgnacji twardnieją-cego betonu. Tak powstające tworzywo betonowe nie jest jednak wolne od wad, posiada defekty. Zalicza się do nich makro i mikropory, kapilary, mikrorysy, lokalne defekty, ukierunkowane duże kryształy, sła-be wiązania na granicy faz, czy wreszcie niejednorodne rozmieszczenie cząstek elementów struktury, itp. Szereg wymienionych tutaj występujących w betonie nieciągłości strukturalnych, powoduje że uzyskiwa-ne parametry betonu wysokowartościowego są niższe, lub znacznie niższe od teoretycznie możliwych do osiągnięcia [29]. Aby otrzymać wytrzymały, niskoskurczowy, szczelny i trwały beton, należy dążyć do uzyskania optymalnego stosu okruchowego oraz niskiej lecz wystarczającej do otulenia drobnych frakcji kruszywa ilości cementu, a także do niskiego stosunku wodno−cementowego [21]. Dopóki kamień cementowy bę-dzie się charakteryzował właściwościami technicznymi niższymi niż składnik kruszywowy betonu mode-lowego, dotąd w odniesieniu do betonów wysokich klas obowiązywał będzie wymóg starannego doboru stosu kruszywowego z warunku minimum porowatości stosu ziarnowego, tak w skali makro (dotyczy



składników betonu), jak i mikro. Prócz tego dochowane muszą być i inne uwarunkowania technologiczne prowadzące do eliminacji defektów strukturalnych betonu. Jedną z dróg prowadzących ku temu celowi stanowi „ulepszanie” klasycznych procedur postępowania. Mowa tu o starannym doborze jakościowym i ilościowym składników betonu, o obniżaniu W/C, aż do poziomu granicznego, o obniżeniu ilości cemen-tu w jednostce objętości betonu (z zachowaniem minimum cementu) i innych działaniach w kierunku re-dukcji nieciągłości struktury betonu [29]. Wreszcie najistotniejszą drogą do otrzymania wysokiej jakości i wytrzymałości betonu jest kształto-wanie szczelnej struktury zaczynu poprzez redukcję stosunku W/C oraz poprawę mikroporowatości na drodze wypełnienia stosu okruchowego fazą mikroziarnistą. W praktyce bardzo dobre rezultaty daje za-chowanie konwencjonalnych zasad, przez wprowadzenie bardzo skutecznych superupłynniaczy oraz ilo-ściowo znaczący dodatek mikrowypełniaczy, częściowo aktywnych pyłów: krzemionkowych, żużlowych lub popiołowych. Zoptymalizowany pod względem ilościowym i jakościowym dobór składników pozwa-la przy umiarkowanym dozowaniu cementu uzyskać dobrą urabialność (wielkość opadu stożka rzędu np. 5÷12 cm), bardzo niską wartość W/C = 0.24÷0.32 oraz bardzo wysokie wytrzymałości na ściskanie w granicach 80÷140 MPa [13]. Modyfikacji ulega także struktura warstw stykowych, ponadto zmniejsza się ilość wiązań słabych na rzecz silnych wiązań chemicznych [29]. Decydujące znaczenie w osiągnięciu tak wyostrzonych parametrów betonu wysokowartościowego ma nowo ukształtowana mikrostruktura zaczy-nu, w strefie międzyfazowej zasadniczo odmienna od struktury w betonach zwykłych. Pucolanowy wy-pełniacz mikrokrzemionkowy reaguje tutaj z portlantydem, tworząc zwłaszcza na granicy faz za-czyn-kruszywo, w miejsce dotychczasowej pełnej defektów, inkluzji i mikropęknięć − jednolitą i ciągłą fazę kontaktową [13]. Jak wynika z dotychczasowych ustaleń dotyczących eliminowania defektów strukturalnych betonów zwykłych, poprzez odpowiednią ich modyfikację, pierwszoplanową rolę odgrywają dwa procesy: reduk-cja W/C i redukcja porowatości. Pamiętać należy, że przy danym stopniu hydratacji, W/C określa poro-watość zaczynu cementowego. Rośnie znaczenie tego wskaźnika. W tradycyjnym betonie względy tech-nologiczne wymuszają stosunkowo wysoki jego poziom (0.45÷0.6) [39]. Teoretycznie przy W/C=0.4 w betonie zachodzi 100-procentowa hydratacja cementu i nie ma nadmiaru zbędnej wody. Mieszanka beto-nowa o takich parametrach ma konsystencję wilgotną i jest niemal całkowicie nieurabialna [21]. Obniże-nie wskaźnika cementowego wymaga tutaj np. technologii wymuszających mechaniczne zbliżenie cząste-czek. W niniejszym opracowaniu przyjrzymy się jednak bliżej uwarunkowaniom, możliwościom i rezultatom wynikającym ze stosowania superplastyfikatorów i mikrokrzemionki. Stosowane łącznie przyczyniają się np. do zdecydowanej redukcji wskaźnika wodno−cementowego [39]. Działania techno-logiczne zmierzające do jego radykalnej redukcji oraz wysoki dodatek pyłów krzemionkowych, wpływają na ukształtowanie nowego rodzaju szczelnej i bardzo jednorodnej mikrostruktury zaczynów i betonów. W efekcie czego beton wysokowartościowy nabiera bardzo korzystnych właściwości wytrzymałościo-wych, stając się wysokiej jakości materiałem konstrukcyjnym nowej generacji. Dodać należy, że aby osiągnąć na budowie beton o wytrzymałości rzędu 100 MPa wymaga się wysokiej dyscypliny wykonaw-czej, a do wykonawcy należy właśnie przestrzeganie tych ostrych reżimów technologicznych [13]. 3.4 Trwałość − podstawowy wyznacznik modyfikacji cech betonu Konwencjonalna technologia betonu okazuje się być niewystarczająca w kontekście zwiększających się obciążeń oddziałujących na elementy betonowe, oraz uwzględniając tendencję do uzyskiwania lek-kich, smukłych konstrukcji. Niezwykle istotnym czynnikiem jest w tym względzie agresja chemiczna związana ze środowiskiem zewnętrznym. W związku z tym beton o podwyższonej trwałości to beton poddany modyfikacji w taki sposób, by charakteryzowała go wysoka szczelność − tak wobec cieczy, jak i gazów oraz mrozo i chemoodporność przy zdecydowanie wyższej smukłości elementów konstrukcji, niż w przypadku betonu tradycyjnego. Aby uzyskać wyżej wymienione efekty niezbędne jest zastosowanie odpowiednich dodatków i domieszek do betonu pozwalających zwielokrotnić trwałość tego tworzywa. Dość powiedzieć, że beton tradycyjny nawet o relatywnie wysokiej wytrzymałości na ściskanie jest mate-riałem bardziej podatnym na filtrację wody i agresję chemiczną, przez co w dłuższej perspektywie czasu wymagającym wyższych nakładów niezbędnych, by zachować swe cechy wyjściowe. Poniżej zilustrowa-ne zostały możliwości współczesnej technologii betonu, w zależności od czynnika modyfikującego (mi-krokrzemionka, domieszki chemiczne), zorientowanej na jego trwałość [21,60].



Rys. 3.14 Możliwości współczesnej technologii betonu w zakresie kształtowania

jego trwałości i cech mechanicznych [21] O trwałości betonu decyduje jego szczelność, brak mikrospękań i rys. Betony wysokowartościowe cechują się dużą szczelnością i jednorodnością struktury, amorfizacją hydratów, dodatkami i domieszka-mi, eliminacją porów kapilarnych, co zwiększa ich odporność na wpływy klimatyczne i chemiczne. Zwiększona zdolność do wbudowywania obcych jonów i wysoka redukcja przenikalności chlorków zwiększa odporność na silne oddziaływanie chemiczne, np. na długotrwałe działanie kwaśnych wód wy-sokosiarczanowych i na pęcznienie związane z korozją alkaliczną [31,34]. Bardzo istotną dla osiągnięcia wysokiej szczelności struktury jest zdolność do zamykania porów mikrostrukturalnych o szerokim zakre-sie wymiarów, w ciągu kilkudziesięciu dni hydratacji. Jest to rezultatem przejścia od bogatego w krze-mionkę żelu w różnorodne morfologicznie typy C−S−H, charakteryzujące się już po około 90 dniach bar-dzo wysokim wzrostem szczelności.

Rys. 3.15 Redukcja mikroporowatości struktury BWW jako wynik przemian fazowych w czasie [13]

Znaczny wzrost szczelności w porównaniu do betonów zwykłych obserwuje się już po 72 godzinach. Potwierdzają to wyniki prób przepuszczalności wody i acetonu uzyskane w programie badawczym beto-nów zwykłych (NSC) i wysokiej wytrzymałości (HSC) przeprowadzonych w Darmstadt. Wyniki tych badań prezentuje kolejny wykres.



Rys. 3.16 Przepuszczalność betonów zwykłych i wysokiej wytrzymałości na

działanie wody i acetonu po 72 godzinach dojrzewania [13] Zwłaszcza ta cecha będzie wywierać zasadniczy wpływ na zdolności osłonowe betonów wysokowar-tościowych przed działaniem czynników korozyjnych [13]. To właśnie niska przepuszczalność redukuje do minimum niebezpieczeństwo wymywania składników stosunkowo łatwo rozpuszczalnych [Ca(OH)2] i zabezpiecza przed rozluźnieniem struktury betonu [34]. Wskutek dodania drobnej krzemionki − aktywnej z Ca(OH)2, przy około stukrotnie większym rozdrobnieniu, niż ziarn cementu dochodzi do uszczelnienia zaczynu taką krzemionką [52]. Pozwala to uzyskać betony o strukturze charakteryzującej się mniejszymi wielkościami porów oraz brakiem sieci połączeń między porami kapilarnymi. Eliminuje to konieczność napowietrzania mieszanki betonowej w celu uzyskania betonu o wysokiej mrozoodporności [15]. Trwałość mrozowa ulega poprawie wraz ze wzrostem szczelności po zagęszczeniu mieszanki betono-wej. Według hipotezy Powersa o mrozoodporności decyduje stosunek W/C<0,55 oraz wielkość i odle-głość porów powietrza równomiernie rozłożonych w zaczynie dzięki napowietrzeniu mieszanki. Rozwija-jąc tę hipotezę Phillea twierdzi, że w betonach o wysokich wytrzymałościach, gdzie mamy do czynienia z dużą zawartością zaczynu − wystarczy zachować W/C≤0,35 i nie jest konieczne dodawanie domieszek napowietrzających [52].

Rys. 3.17 Wpływ stosunku W/C na przesiąkliwość zaczynu cementowego [52]



Według danych ze źródeł zagranicznych do określenia odporności BWW na zamrażanie i rozmrażanie potrzebna jest m.in. znajomość zależności między wielkością porów i temperaturą zamarzania wody w tych porach. Uważa się na przykład, że woda w porach o średnicach rzędu 2÷50 mikrometrów zamarza w temperaturze -23oC. A zatem w przypadku BWW, gdy rozmiary porów są mniejsze w porównaniu z be-tonem zwykłym, zjawisko zamarzania wody w porach podczas normowego badania mrozoodporności może nie zachodzić wcale, bądź zachodzić w niewielkim stopniu. Jednakże do wyjaśnienia całości zagadnień związanych z odpornością BWW na zamarzanie potrzebne są dalsze badania [15]. Kolejną różnicą w aspekcie trwałości między betonem zwykłym, a betonem modyfikowanym jest po-datność na karbonizację. Większa szczelność struktury betonu modyfikowanego utrudnia wnikanie CO2, co rzutuje na niemal całkowity brak objawów karbonizacji w tych betonach [31]. W betonach wysoko-wartościowych ponadto ze względu na wysoki udział cementu obniża się podatność na ten proces [34]. Ze względu na stosowanie pyłów krzemionkowych, zmniejsza się pH betonu i może się zwiększyć podat-ność zbrojenia na korozję, lecz równocześnie towarzyszy temu wzrost odporności elektrycznej betonu, a co za tym idzie i odporności na korozję [31]. Obserwuje się także odmienne zjawiska związane ze skurczem BWW i betonów zwykłych. Skurcz hydratacyjny jest szybszy i może spowodować wskutek ograniczenia swobody odkształceń dodatkowe naprężenia we wczesnym stadium dojrzewania. Mimo to wielkość skurczu całkowitego jest niższa ze względu na to, że skurcz spowodowany wysychaniem jest znacznie niższy ze względu mniejszą ilość wo-dy zarobowej i szczelność zaprawy [31]. Dodatek mikrokrzemionki zmniejsza odkształcenie skurczowe zaczynu cementowego. Natomiast domieszki uplastyczniające i upłynniające redukują odkształcenia skurczowe w sposób pośredni, poprawiając urabialność i zwiększając plastyczność mieszanki betonowej bez zmiany pozostałych składników [61]. Również dodatek włókien tak stalowych, jak i syntetycznych wpływa na modyfikację właściwości betonu zmierzającą w kierunku wzrostu jego trwałości. Dla przykładu poprawa ścieralności w odniesieniu do betonów konwencjonalnych sięga kilku÷kilkudziesięciu procent. Betony zbrojone włóknem stalowym odporne są ponadto na nagłe zmiany temperatury [23]. Obserwuje się także wzrost odporności na przema-rzanie i korozję. Dzięki zastosowaniu włókien uzyskano ponadto zdecydowaną poprawę udarności i od-porności na obciążenia zmęczeniowe [51]. Modyfikacja poszczególnych cech betonu mająca na celu także wzrost trwałości tego tworzywa zosta-ła tutaj jedynie zarysowana. Bliżej o tym zagadnieniu mowa będzie w kolejnych rozdziałach opracowa-nia, gdyż jest to niezwykle istotna dziedzina wyznaczająca kierunki rozwoju współczesnej technologii betonu.

3. Í Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja … · 3. Beton zwykły a beton...

Documents

Transcript of 3. Í Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja … · 3. Beton zwykły a beton...