Betony wysokowartościowe

BETONY WYSOKOWARTOSCIOWE
Krajowe doswiadzczenia i osiagniecia w zakresie zastosowan betonow o wysokiej wartosci są stosunkowo skromne.
Klasyfikacja betonów, a tym samym zaliczenie do danej grupy normowej, jest najczęściej oparta na uzyskanej wytrzymałości na ściskanie choć coraz częściej odchodzi się od tego typu klasyfikowania, uwzględniając inne cechy betonu: urabialność, szczelność oraz trwałość. Za beton wysokiej wytrzymałości uznaje się kompozyt cementowo-kruszywowyowo-kruszywowy osiągający RbG? 60 Mpa. Górną granicę wytrzymałości betonu osiagnieto na poziomie 200MPa, choć badania dowodza ze zaczyny cementowo-krzemionkowe mogą przekraczac te wartości.Betony wysokiej wytrzymałości mają większą wczesną oraz końcową wytrzymałość na ściskanie w porównaniu z wytrzymałością betonów zwykłych. Charakteryzują się niższą ścieralnością ? w niektórych wypadkach porównywalną ze ścieralnością granitu. Ta ostatnia cecha zadecydowała o zastosowaniu BWW m.in. przy naprawie obiektów narażonych na ścieranie erozyjne i mechaniczne.Większa jest również szczelność i trwałość (odporność na działanie środowiska) BWW, dzięki szczelnej i jednorodnej strukturze, bez otwartych porów kapilarnych. Skurcz w BWW jest niemal dwukrotnie mniejszy niż w betonie zwykłym, przy czym zachodzi on znacznie szybciej. W pierwszych 10 dniach materiał osiąga około 70% wartości końcowych. Betony wysokiej wytrzymalośći są stosowane w budownictwie wysokim, mostowym, podziemnym,budowie elektrowni atomowych oraz wykonywaniu elementów sprężonych. Biorąc pod uwage kraje w których te betony są rozpowszechnione najbardziej pod wzgledem technologii można zaliczyc Japonie, Norwegie,USA oraz Francje.
Projektowanie betonu wysokiej wytrzymalosci odbywa się analogicznie.Podstawowym celem projektowania jest osiagniecie kompozytu o niższej porowatości i o porach możliwie najmniejszej wielkości oraz dązenie do całkowicie równomiernego przestrzennego rozkładu ziarn kruszywa, dodatków mieneralnych, cementu i jego hydratów i porów. Do osiagniecia takiego kompozytu należy wykonać beton o minimalnej ilości wody pozostajacej w strukturze i doskonałym zagęszczeniu mieszanki. Obnizenie W/C (mozliwe nawet do 0,20) daje wyższy wpływ na wzrost wytrzymałości niź osiągniecie całkowitej hydratacji cementu . Z faktu ze mała ilośc zastosowanej wody wraz z niskim W/C są przeciwstawne do urabialności, wynika koniecznosc dodania superplastyfikatorow o podniesionej aktywnosci i wybranie nie tylko chemicznie aktywnych dodatkow, ale również uplastyczniajacych mieszanke np. pył krzemionkowy kotry ma za zadanie rownomiernie rozmiesczeac ziarna cementu w zaczynie otaczajacym ziarna kruszywa i wypelniac jamy w stosie okruchowym. (Pył wiaze się z wodorotlenkiem wapniowym az do powstania zelu CSH oraz wypelnia mikropory)
Zwiększenie wytrzymałości i odporności na pękanie wynika głównie z dwóch zjawisk: zmniejszenia porowatości całkowitej dzięki stosowaniu superplastyfikatorów i mikrowypełniaczy oraz z ograniczenia wewnętrznych mikrorys i innych nieciągłości, które są przyczyną koncentracji naprężeń w sensie badanym przez Griffitha
Projektowanie betonu wysokiej wytrzymalosci nie musi uwzgledniac cementu o wysokiej marce. Beton taki wykonuje się z cementow portlandzkich marki 45 i wyzej lub tez stosujac cementow z dodarkami pucolanowymi przy zachowaniu rozdrobnienia powyżej 3000 cm2/g.
Beton wysokiej wytrzymalosci wymaga zastosowania cementu w ilosci 400 do 500kg/m3. Mikrokrzemionke stosuje siw w ilosci 10 do 25% w stosunku do ilsoci cementu.
Oprócz urabialności mieszanki nastepnym kryterium wykonania betonu wysokiej wytrzymalosci jest przyczepnosc ziarna kruszywa do zaczynu cementowego. Przyczepnosc jest uzalezniona od własciwego od wlasciwego doboru kruszywa pod wzgledem mineralogicznym, dajacym możliwosc łączenia chemicznego z zaczynem i wlasciwosciach fizycznych jak modul sprezystosci i wspolczynnik rozserzalnosci termicznej. [1.]
Zaczyn i kruszywo są materiałami kruchymi. Beton złożony z tych składników wykazuje nieliniową odkształcalność która wynika ze zjawiska mikrorys. Różnice modułów sprężystości matrycy i kruszywa są przyczyną koncentracji naprężeń w warstwie kontaktowej i powstawania siatki mikrorys już pod niewielkimi obciążeniami. Jest to przyczyną odkształceń quasi-plastycznych obserwowanych na tych wykresach. Mniejsza różnica między sztywnością matrycy i kruszywa w BWW w porównaniu do betonów zwykłych zwiększa jednorodność rozkładu naprężeń i redukuje ich koncentracje. W wyniku tego tworzy się mniej mikrorys, co przejawia się gwałtownym pękaniem BWW: wartość średnich naprężeń, przy których powstają mikrorysy dochodzi do 70-80% wytrzymałości, w porownaniu do 40-50% betonow zwyklych.[2.]
Wśrod kruszyw używanych do betonow wyroznaija się zbite skaly weglanowe i bazalty. Należy dązyc przy doborze do jak najwiekszej powierzchni wlasciwej ziarn wybieranych kruszyw np. kruszywa lamane o ksztaltach kubicznych(zwiekszaja przyczepnosc mechaniczna).Wielkosc ziarn powinna oscylowac w granicach max 16 mm( zaleca się 12). Piasek do betonu powinien być gruby do 4 mm plukany i bez pylu. Uziarnienie piasku piasku powinno wykluczac ziarna ponizej 0,5 mm i zawierac powyzej 30% frakcji 2 do 4 mm. Grube kruszywa najlepiej zamienic piaskiem łamanym. Ilosc grubego piasku w stosie okruchowym waha się od 20 do 35% zaleznie od wodożądnosci i jamistosci kruszywa. Przy stosowaniu Superplastyfikatorów najwyższej jakosci można stosowac piasek w ilosci 40%.
Stosunek wody do cementu powinien wynosci 0,20 do 0,35 przy dazeniu jego minimalnej wartosci z rownoczesnym zachowaniem dobrej urabialnosci mieszanki.Waro podkreslic ze o wodażadnosci kruszywa decyduje zadana konsystenja dlatego tez ze względu na stosowanie pyłu krzemnionkowego zwiekszajacegp kleistosc i sztywnośc mieszanki konieczne jest używanie równoczesie superplastyfiaktora wysokiej klasy ( 5 do 25 dm3/m3) majacego zdolnosc do jen uplynnienia oczywiscie bez zwiekszenia ilosci wody. Stad tez pod koniec mieszania otrzymuje się konsystencje ciekla lub polciekla bez zmiany pierwotnie zalozonego stosunku wodno-cementowego.
W technologii wytwarzania miesznaki do betonu o wysokiej wytrzymalosci oraz jej ukladania i zageszczenia wymagane są wysokiej mocy betoniarki jednostki transportowe typu samochodowe betoniarki i pompy oraz urzadzenia do zageszczania. Podkresla się potrzebe wprowadzenia wyraźnie wyzszej zewnetrznej energii mechanicznej przy zageszczaniu, a także wykanczaniu powierzchni. [1.]
WŁAŚĆIWOŚCI BWW
Wytrzymałość na rozciąganie Wytrzymałość na rozciąganie betonu wzrasta wraz ze wzrostem wytrzymałości na ściskanie, jednakże wzrost ten nie jest wprost proporcjonalny do wytrzymałości na ściskanie. Dla betonów zwykłych wytrzymałość na rozciąganie może wynosić do 10% wytrzymałości na ściskanie, podczas gdy dla BWW - do 83 MPa - jest zredukowana do 5%. Wytrzymałość na rozciąganie wzrasta w czasie szybciej niż wytrzymałość na ściskanie, ale już po 14 dniach dalszy jej przyrost nie jest obserwowany. Wytrzymałość na rozciąganie fti można przyjąć jako: fti = 0.6 0.06 fci; fci - wytrzymałość charakterystyczna betonu na ściskanie w wieku i dni (15)
Skurcz Pojęcie skurczu jest ujmowane jako zmniejszenie objętości stwardniałego betonu wskutek wysychania. Skurcz w betonach wysokowartościowych ma inny przebieg niż w betonach zwykłych. Skurcz hydratacyjny jest szybszy i w przypadku ograniczenia możliwości odkształceń może spowodować dodatkowe naprężenia we wczesnym okresie dojrzewania. Skurcz całkowity jest mniejszy, ponieważ skurcz spowodowany wysychaniem jest ograniczony przez mniejszą ilość wody zarobowej i szczelność zaprawy . BWW wykazuje niemal dwukrotnie mniejszy skurcz niż beton zwykły, przy czym zachodzi on znacznie szybciej, osiągając w pierwszych 10 dniach około 70% wartości końcowych
Skurcz betonu o podwyższonej wytrzymałości, zawierającego większą dozę spoiwa oraz charakteryzującego się dużym rozdrobnieniem, jest większy niż betonu o zwykłej wytrzymałości
Przyczepność do zbrojenia Przyczepność do zbrojenia BWW jest co najmniej o 40% większa niż betonów zwykłych, co pozwala na zredukowanie długości zakotwienia
Pełzanie Pełzanie to narastające z czasem zniekształcenia bryły betonu wynikające z długotrwałego obciążenia. Pełzanie BWW charakteryzuje się przyśpieszonym przebiegiem w stosunku do betonów zwykłych, np. po 7 dniach obciążenia zachodzi prawie 67% rocznego odkształcenia pełzania, podczas gdy w betonach zwykłych wartość ta sięga najwyżej 40% Niemieckie źródła podają, iż w porównaniu z betonem zwykłym beton o podwyższonej wytrzymałości wykazuje mniejsze zmiany kształtu spowodowane pełzaniem
TRWAŁOŚĆ BWW
Trwałości betonu jest związana głównie z ruchem wody i obecnością wilgoci w betonie i zależy przede wszystkim od takich cech fizycznych, jak nasiąkliwość, wodoszczelność, mrozoodporność, absorpcja kapilarna .
BWW charakteryzuje się szczelną i jednorodną strukturą, oraz prawie całkowitą eliminacją otwartych porów kapilarnych. Z tego względu BWW jest bardziej trwały niż beton zwykły. O trwałości BWW decyduje dodatek pyłu krzemionkowego. .
Odporność na agresję chemiczną Odporność na agresję chemiczną jest wyższa niż betonu zwykłego, przede wszystkim dzięki zastosowaniu pyłu krzemionkowego, który powoduje zmniejszenie przenikalności chlorków, zwiększa odporność na działanie kwaśnych wód oraz zwiększa odporność na korozję alkaliczną, głównie dzięki uszczelnieniu struktury betonu i zwiększonej zdolności do wbudowywania obcych jonów - Cl-, Na , K - oraz zmniejszenie ilości wodorotlenku wapniowego.
Mrozoodporność BWW o niskim wskaźniku W/C, ze względu na brak wody zdolnej do zamarzania jest betonem mrozoodpornym. Uzyskano pełną mrozoodporność dla betonów bez dodatku środka napowietrzającego dla 140 - 250 cykli zamrażania . Za destrukcję struktury betonu odpowiada zamarzanie wody w porach kapilarnych. Woda bowiem nie zamarza w porach żelowych, gdyż są one za małe, aby mogły w niej powstawać zarodki lodu. Najprostszym czynnikiem destrukcyjnym jest wzrost objętości wody o 9% podczas przejścia w lód, co wywołuje ciśnienie krystalizacji rozsadzające pory. Największe znaczenie dla mrozoodporności betonu ma jego mikrostruktura i porowatość . Stosując pyły krzemionkowe można osiągnąć nawet kilkukrotny wzrost odporności betonu na działanie mrozu .
Wodoszczelność Zastosowanie pyłów już w ilości 10% podwyższa stopień wodoszczelności betonu z W4 do co najmniej W8. Wzrasta on wraz ze stopniem redukcji ilości wody zarobowej ? sprzyja temu udział superplastyfikatora
Betony z dodatkiem pyłów krzemionkowych charakteryzują się mała nasiąkliwością.
Korozja zbrojenia Korozja zbrojenia może się rozpocząć gdy pH betonu spadnie poniżej 9, np. z powodu karbonizacji, lub gdy zostanie przekroczona krytyczna koncentracja chlorków. Korozja zbrojenia będzie się rozwijać zależnie od wilgotności betonu, dostępu tlenu i oporności elektrycznej . Większa szczelność struktury betonu modyfikowanego utrudnia wnikanie CO2, co rzutuje na niemal całkowity brak objawów karbonizacji w tych betonach potwierdzony badaniami. Stosowanie pyłów krzemionkowych wpływa na zmniejszenie pH betonu do poziomu 11. Przez co może się zwiększyć podatność zbrojenia na korozję. Jednakże równocześnie pyły krzemionkowe zwiększają zawartość struktury betonu, co pociąga za sobą zwiększenie odporności na korozję . Najnowsze badania konstrukcji morskich wykazały niższą odporność BWW na dyfuzję chlorków. Dodanie pyłu krzemionkowego zwiększa oporność elektryczną betonu zwiększając jednocześnie odporność na korozję.
Ścieralność Ścieralność BWW jest znacznie mniejsza niż betonu zwykłego i dorównuje ścieralności granitu.
Ognioodporność i ogniotrwałość BWW charakteryzuje większa utrata wytrzymałości w temp. 100 - 350oC niż beton zwykły. W związku z tym ryzyko zniszczenia konstrukcji z BWW jest większe .
Podział Betonow Wysokowartosciowych :
Beton wysokowartościowy - BWW jest najczęściej klasyfikowany na podstawie wytrzymałości charakterystycznej na ściskanie powyżej Rb = 60 MPa. Ta umowna granica ewoluuje w różnych krajach, np. w USA przyjmuje się obecnie powszechnie wartość 55 MPa (8000 psi) jako graniczną. W Japonii, wyróżnia się 3 grupy na podstawie wytrzymałości charakterystycznej na ściskanie: betony konstrukcyjne zwykłe (18 - 36 MPa), betony wysokiej wytrzymałości "1" (36 - 60 MPa), betony wysokiej wytrzymałości "2" (powyżej 60 MPa) Za większością źródeł zagranicznych (w Europie) wydaje się obecnie racjonalne przyjęcie propozycji, że BWW to betony od 60 do 120 MPa Beton bardzo wysokowartościowy - BBWW to materiał dotąd w nielicznych krajach stosowany w praktyce, wymagający składników wysokiej jakości, ale wytwarzany z zachowaniem ogólnych zasad technologicznych dla wszystkich betonów konstrukcyjnych . Przyjmuje się różne granice, a przeważa założenie, że BBWW to betony od 120 do 180 MPa Włóknobeton wysokowartościowy - WBWW to beton wysokowartościowy z losowo rozproszonym zbrojeniem w postaci włókien metalowych, węglowych, polipropylenowych lub innych, o długości około 20 mm i polu przekroju na ogół około 1 mm2. Beton ultrawysokowartościowy - BUWW to najnowsza generacja nowych materiałów na bazie cementów; określenie jest zapożyczone od autorów amerykańskich i francuskich (Ultra High Performance Concrete - UHPC). Są to materiały o różnych składach mieszanek w stosunku do znanych betonów i najczęściej nie bierze się pod uwagę ich stosowania bez rozproszonego zbrojenia. Ogólnie przyjęto umownie że BUWW to betony o wytrzymałości powyżej 150 MPa. Przypuszczalnie ta grupa betonów ulegnie dalszemu podziałowi, w miarę rozwoju technologii, bowiem ich składniki i metody wykonania różnią się istotnie. Obok dążenia do uzyskania wysokiej wytrzymałości na ściskanie, wysiłek badaczy jest skierowany na jednoczesne zwiększenie wytrzymałości na rozciąganie i ciągliwości, a zatem redukcję kruchości. Obecnie wyodrębnia się w badaniach i publikacjach trzy grupy BUWW: . beton z proszków reaktywnych - to materiał nazwany tak przez twórców francuskich z koncernu Bouygues (Beton de Poudres Reactives), w wersji podstawowej, bez zbrojenia rozproszonego, osiągnięto wytrzymałości na ściskanie około 200 MPa, natomiast w wersji zbrojonej mikrowłóknami stalowymi, po specjalnej obróbce cieplno-ciśnieniowej aż 810 MPa. . zagęszczony włókno - kompozyt, znany najpierw pod skrótem CRC (Compact Reinforced Composite), a następnie COMPRESIT, wprowadzony przez badaczy skandynawskich (m.in. z Aalborg Portland w Danii); istotą tego materiału jest duża zawartość włókien stalowych (5 - 15% objętości) i drobnoziarniste kruszywo, natomiast nie są wymagane szczególne zabiegi technologiczne. . kompozyt SIFCON - to połączenie koncepcji siatkobetonu z mikro-włóknobetonem; materiał wprowadzono i szeroko przebadano w USA i w Kanadzie (Slurry Infiltrated Fibered Concrete); osnowa z siatek stalowych jest wypełniona mikrowłóknami stalowymi i przesycana pod ciśnieniem upłynnioną zaprawą drobnoziarnistą; wariantem tej koncepcji jest kompozyt SIMCON (Slurry Infiltrated Mat Concrete), w którym zastosowano w miejsce siatek maty z cienkich wielokierunkowo ułożonych włókien.
Lekkie betony wysokowartościowe (LBWW) są nazywane w skrócie LWA/HPC (Lightweight Aggregate High-Performance Concrete) i stanowią naturalny kierunek rozwoju lekkich betonów konstrukcyjnych. Zastosowanie znalazły w elementach konstrukcji platform wydobywczych typu "off-shore" i innych obiektach wykonywanych w suchych dokach (z racji konieczności zapewnienia pływalności w początkowej fazie budowy) oraz w przęsłach mostów i przekryciach dużej rozpiętości. Wytrzymałości na ściskanie LBWW są obecnie osiągane w przedziale LC60 do LC85, przy gęstości 1850 do 2000 kg/m3. Zasady technologii tych betonów, dodatki i domieszki są analogiczne jak w BWW, ale cechy świeżych i stwardniałych betonów tej samej wytrzymałości są odmienne. Między innymi zależność w LBWW jest liniowa przy mniejszym współczynniku sprężystości.
BWW samozagęszczający się, znany pod skrótem SC-HSC (Self-Compacting HSC), to beton silnie upłynniony, o normowym rozpływie 500 - 700 mm; może być układany bez wibrowania nawet przy złożonych kształtach i gęstym zbrojeniu. Przy stosunkowo małej ilości kruszywa i dużej zawartości cementu (ponad 600 kg/m3) zasadnicze znaczenie mają efektywne superplastyfikatory, specjalne domieszki korygujące lepkość i zapobiegające segregacji oraz dodatki popiołów zmniejszających ciepło hydratacji.
Intensywne badania samozagęszczających się betonów i efektywne wdrożenia mają obecnie miejsce Japonii.
Betony te są droższe od tradycyjnych, ale różnice kosztów nie przekraczają kilkudziesięciu procent. Niemniej po uwzględnieniu wszystkich składników kosztu, które obciążają inwestora i użytkownika, w tym przede wszystkim kosztów utrzymania i napraw, konstrukcje wykonane z BWW i BBWW są tańsze niż z betonów zwykłych.Dzięki początkowemu przyrostowi wytrzymałości tych betonów, można wykonywać wczesne sprężenie montażowe w przypadku mostów nasuwanych jak i budowanych techniką nawisową. Również w mostach sprężonych cięgnami zewnętrznymi dostrzega się potrzebę stosowania betonów najwyższych klas. Dalsze perspektywy zastosowań to słupy energetyczne i trakcyjne z uwagi na szczelność i trwałość betonów wysokich wytrzymałości. Zauważa się również celowość stosowania tych betonów w produkcji strunobetonowych i kablobetonowych dźwigarów dachowych podnosząc w ten sposób ich nośność i trwałość.
W budownictwie mieszkaniowym przewiduje się możliwości zastosowań do produkcji żelbetowych lub sprężonych belek nośnych w stropach gęstożebrowych o znacznych rozpiętościach.
Za podstawową cechę betonu uważa się obecnie jego trwałość, rozumianą zarówno w sensie technicznym - niezmienność gwarantowanych cech fizykochemicznych betonu w czasie - jak i ekonomicznym - koszt konstrukcji w przeliczeniu na 1 rok jej gwarantowanej eksploatacji. Interesujący, aczkolwiek rzadziej podejmowany, jest ekonomiczny aspekt trwałości betonu.
Betony wysokiej jakości charakteryzujące się, nie osiąganą dotąd w warunkach technicznych wysoką wytrzymałością i dużą trwałością stanowią pod względem materiałowo-technologicznym nowy problem poznawczy i aplikacyjny.[2.]
Źródło: ? Beton zwykły? J. Piasta , W. Piasta [1.] ; http://www.muratorplus.pl/ [2.] ; ?Cementy powszechengo użytku i specjalne? S. Paukert.