2. Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki

1

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

Alma Mater

2.

Í

Í

Ï

Ï

Î

Î

Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki

2.1 Zależności ogólne

W tradycyjnym ujęciu podstawowym wyznacznikiem wartości betonu jest jego klasa, określona przez
gwarantowaną wytrzymałość betonu na ściskanie. Często projektant określa

−

obok właściwości mecha-

nicznych betonu

−

także i zbiór cech fizycznych określanych np. przez szczelność, porowatość, przesią-

kliwość, mrozoodporność. Zarówno wymienione cechy mechaniczne, jak i fizyczne, rzutują na wymaga-
nia konstrukcyjne odnośnie betonu.
Stwardniały beton, z natury rzeczy, jest materiałem porowatym, przepuszczalnym bądź nieprzepusz-
czalnym (schemat na rys. 2.1). Pory są wynikiem hydratacji zaczynu cementowego oraz samego procesu
produkcyjnego i obróbkowego. Pory żelowe, kapilary, pory powietrzne i mikrorysy wpływają wprost na
wytrzymałość betonu (rys. 2.2).

Rys. 2.1 Struktura stwardniałego betonu

Objętość przestrzeni zajmowanej przez pory maleje wraz z upływem czasu (rys. 2.3), co jest związane
z rozwojem fazy C

−

S

−

H (żel krzemianu wapniowego). W wyniku zachodzących w zaczynie cemento-

wym reakcji fizyko

−

chemicznych obok krzemianów i glinianów wapniowych, krystalizuje także wodoro-

tlenek wapnia Ca(OH)

2

, którego zawartość w betonie może dochodzić do 20÷25% masy cementu.

Rys. 2.2 Porowatość betonu i jej związek z wytrzymałością [5]

2. Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki

2

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

Alma Mater

Rys. 2.3 Zmiana porowatości wraz ze zmianami ilościowymi struktury zaczynu [34]

Wpływ wodorotlenku wapnia na wczesną wytrzymałość stwardniałego zaczynu nie jest całkowicie
wyjaśniony, natomiast nie ulega wątpliwości, że wpływa on ujemnie na trwałość betonu, gdyż jest skład-
nikiem najłatwiej rozpuszczalnym w wodzie. Reaguje on bezpośrednio z dwutlenkiem węgla zawartym w
powietrzu. Zjawisko to określa się mianem karbonizacji (czasem karbonatyzacji). Postęp karbonizacji
przedstawiony został na rys. 2.4.

Rys. 2.4 Postęp karbonizacji w zależności od ilości cementu w 1 m

3

mieszanki

i malejącej wartości stosunku W/C [34]

2. Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki

3

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

Alma Mater

2.2 Wymagania konstrukcyjne w aspekcie uwarunkowań technologicznych

Wymagania stawiane konstrukcjom betonowym (żelbetowym) takie jak:

−

wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie,

−

trwałość (wyznaczona przez: porowatość, szczelność, odporność na chlorki, siarczki, karbonizację,

podatność na skurcz, mrozoodporność),

zrealizowane być mogą poprzez właściwe procesy produkcyjne i obróbkowe mieszanki betonowej. Istnie-
je jednakże pewna sprzeczność między oczekiwaniami konstruktora a możliwościami producenta mie-
szanki betonowej, wynikająca z odwrotnej proporcjonalności wytrzymałości betonu i ilości wody zaro-
bowej użytej do jego wytworzenia.

Zgodnie z wzorem Bolomey’a:

f

A

c

C

W

=

±

1 2

0 5

,

(

. )

, MPa

gdzie

:

f

c

−

wytrzymałość betonu, [MPa]

A

1,2

−

współczynniki zależne od rodzaju kruszywa grubego,

C

W

−

stosunek masy cementu i wody w 1 m

3

mieszanki

istnieje prosta zależność funkcyjna między wytrzymałością, ilością cementu i ilością wody. Wzrost
dwóch pierwszych parametrów i ograniczenie trzeciego wpływa bezpośrednio na poprawę trwałości
obiektów, o czym informują dane przedstawione na rys. 2.4, 2.5 i 2.7.

Rys. 2.5 Zależność wytrzymałości i przepuszczalności betonu od stosunku W/C [5]

Jest

jednakże oczywiste, iż ilość wody w betonie nie może przekroczyć pewnej granicznej wielkości,

przy czym wielkość ta uwarunkowana jest z jednej strony ilością wody, niezbędnej do zapewnienia wła-
ściwej hydratacji i hydrolizy cementu, a z drugiej urabialnością samej mieszanki pozwalającej na jej
transport, zagęszczenie i dokładne odwzorowanie bryły obiektu. Występująca przeciwstawność intere-
sów: minimalizacja ilości wody ze względu na trwałość obiektu i dążenie do zwiększenia ilości wody, ze
względu na urabialność betonu wymaga rozsądnego kompromisu i będzie w niniejszym opracowaniu
przedyskutowana.

2. Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki

4

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

Alma Mater

Rys. 2.6 Przyrost wielkości skurczu betonu spowodowany wzrostem ilości cementu i wody [1]

2.2.1 Wytrzymałościowotwórcza rola wody w betonie

Jak

już wspomniano (rys. 2.3) świeży zaczyn cementowy stanowi plastyczny układ cementu w wo-

dzie. Na każdym etapie procesu hydratacji stwardniały zaczyn cementowy składa się z hydratów różnych
związków (łącznie określanych jako żel), kryształów Ca(OH)

2

, składników drugorzędnych, nie zhydraty-

zowanego cementu i pozostałości po obszarach, które w świeżym zaczynie były wypełnione wodą. Pustki
te nazywane są porami kapilarnymi, określającymi z pozostałymi porami (rys. 2.2) porowatość betonu.
Pory kapilarne tworzą w betonie połączony system o układzie przypadkowym, który powoduje że
stwardniały zaczyn cementowy jest przepuszczalny oraz, że jest wrażliwy na działanie mrozu. Hydratacja
zwiększa jednak zawartość fazy stałej w zaczynie, a w dojrzałych i gęstych zaczynach kapilary mogą zo-
stać zablokowane przez żel i porozdzielane tak, że powstanie układ kapilar połączonych jedynie porami
gelowymi. Nie występowanie ciągłych kapilar jest wynikiem kombinacji właściwego W/C i dostatecznie
długiego okresu pielęgnacji betonu na mokro. Według A.M.Neville’a [46] pełne wypełnienie kapilar że-
lem nie jest możliwe przy stosunku W/C > 0.38, nawet gdyby założyć całkowitą hydratację cementu.
Rozdzielenie natomiast ciągłości kapilar jest możliwe, przy czym dla różnych

ω

= W/C występuje po

różnym czasie, i tak np:

−

dla

ω

= 0.40 czas ten wynosi 3 dni,

−

dla

ω

= 0.45 czas ten wynosi 7 dni,

−

dla

ω

= 0.50 czas ten wynosi 14 dni,

−

dla

ω

= 0.60 czas ten wynosi 6 miesięcy,

−

dla

ω

= 0.70 czas ten wynosi 1 rok.

2. Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki

5

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

Alma Mater

Rys. 2.7 Wpływ stosunku wodno

−

cementowego na mrozoodporność betonu pielęgnowanego na

mokro przez 28 dni [45]

1

−

beton napowietrzany, 2

−

beton nie napowietrzany,

i maksymalny stosunek wodno

−

cementowy zapewniający mrozoodporność

betonu w różnych warunkach użytkowania w Wielkiej Brytanii [45]

Przy

stosunku

ω

> 0.70 nawet pełna hydratacja nie dałaby żelu w ilości dostatecznej do zablokowania

wszystkich kapilar. Wyeliminowanie ciągłych kapilar jest tak ważne, że można je uznać za warunek ko-
nieczny do zaklasyfikowania betonu jako „dobry”.
Wymieniona

wartość

ω

= 0.70 stanowi zatem górne ograniczenie stosunku W/C w betonach uznawa-

nych za dobre. Istnieje także ograniczenie dolne obejmujące stan maksymalnego uwodnienia cementu,
maksymalnej gęstości i maksymalnej wytrzymałości kamienia cementowego. Zagadnienie to, w aspekcie
występujących współzależności, przedstawiono na rys. 2.8.

Rys. 2.8 Zależność stosunku wytrzymałościowego

f
f

c

c

$

i gęstości

ρ

d

kamienia cementowego od

ω

= W/C [66]

2. Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki

6

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

Alma Mater

Z przedstawionych danych wynika, iż obszar optymalnej wielkości

ω

zamyka się w przedziale

ω

opt

=

<0.2; 0.3>, a maksymalne wielkości gęstości

ρ

d

oraz wytrzymałości

)

R

kamienia cementowego uzyskuje

się przy wartości

ω

0

=W

0

/C = 0.23. Zwraca się także uwagę, iż wzrost porowatości kamienia cementowe-

go występuje zarówno wtedy, gdy

ω

jest mniejsze od 0.2

i

(kamień jamisty, cement częściowo uwodnio-

ny), jak i gdy

ω

jest większe od 0.3 (kamień porowaty mimo możliwości całkowitego uwodnienia cemen-

tu). Porównując także przebieg krzywych R i

ρ

d

poza rzędną

ω

> 0.23 widać zależność wytrzymałości od

gęstości, zmiennej w stosunku do porowatości będącej pochodną stosunku W/C.

Powyższe spostrzeżenia można przenieść na mieszankę betonową i ustalić następujące, dolne wartości
wskaźnika

ω

0

= W

0

/C jako :

−

ω

0

= 0.20÷0.30 dla betonów efektywnie zagęszczonych

(prasowanie,

wibroprasowanie,

wirowanie),

−

ω

0

= 0.35 dla betonów zagęszczonych wibratorami wgłębnymi lub powierzchniowymi.

Podane wielkości

ω

0

odnoszą się do betonu na cementach portlandzkich, natomiast dla betonów na in-

nych cementach (np. hutniczych, glinowych, pucolanowych) wartości te są o 0.1 ÷ 0.2 wyższe.

2.2.2 Urabialność świeżej mieszanki betonowej

Dążenie do zminimalizowania stosunku W/C rozpatrywać należy także w aspekcie wymagań stawia-
nych mieszance betonowej przez jej odbiorcę, podejmującego pracę na placu budowy. Interesującą cechą
mieszanki jest w tym przypadku jej urabialność, tj. podatność na łatwe uformowanie plastyczne bez roz-
mieszania oraz bez grawitacyjnego wypływania lub sedymentacyjnego występowania na wierzch więzio-
nej wody. Urabialność można powiązać także z oporem mieszanki przeciwko ścinaniu przy działaniu siły
wywołującej określony ruch w jednostce czasu. Rozpatrywana w tym kontekście urabialność jest tym
lepsza, im mniejsze jest wewnętrzne tarcie świeżej mieszanki. Można więc mierzyć (porównywać) ura-
bialność mieszanek ilością energii potrzebnej do ścisłego wypełnienia formy.
Jednoznaczne

uzależnienie urabialności od zespołu cech i składników mieszanki jest niezwykle trudne

(prosta zależność od ilości zaprawy, zaczynu, stosunku W/C, ale także od ilości ziarn poniżej 0.2 mm, od
ilości piasku, geometrycznego kształtu ziarn kruszywa itp.), jednakże jest faktem niezaprzeczalnym, iż
stosunek W/C ma tutaj duże znaczenie. Świadczą o tym zależności pokazane na rys. 2.9. i 2.10. Z rysun-
ku 2.9. można wywnioskować, iż przy przeciętnej ilości cementu w 1 m

3

mieszanki z przedziału 300÷400

kg, betony urabialne, wykonywane na kruszywie otoczakowym, powinny mieć W/C z przedziału 0.4÷0.8
. Z kolejnego rysunku 2.10. wynika, iż wytrzymałość betonów intensywnie zagęszczanych zależy wyraź-
nie od W/C, natomiast przy betonach bez zagęszczania zależność taka nie występuje: betony o niższym
W/C mają niższą wytrzymałość od betonów bardziej uwodnionych, a optimum wytrzymałości uzyskuje
się przy W/C = 0.59 % .

Rys. 2.9 Obszary urabialności betonów [67]

2. Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki

7

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

Alma Mater

Rys. 2.10 Zależność wytrzymałości betonu na ściskanie od W/C mieszanki betonowej

i stopnia jej zagęszczenia wyrażanego poprzez czas wibrowania

Podsumowując można by powiedzieć, iż ze względu na uzyskanie urabialnej mieszanki należałoby
dążyć do stosowania betonów bardziej uwodnionych.
Jest to twierdzenie sprzeczne z wynikami badań podanymi w pkt. 2.2.1. niniejszego opracowania, jed-
nakże z punktu widzenia użytkownika mieszanki betonowej na placu budowy prawdziwe. Powstaje zatem
potrzeba wprowadzenia jako zmiennika części wody zarobowej dodatkowych domieszek, utrzymujących
konsystencję mieszanki na żądanym poziomie. Poszukiwaniom zamiennika równoważącego niedobór
wody, wynikający z zakładanej urabialności, poświęcono kolejne rozdziały niniejszego opracowania.

i

W wyniku zjawiska kontrakcji, zachodzącego przy uwodnianiu cementu, każda jednostka objętości wody związanej przez cement ulega zmniej-

szeniu średnio o 25%. Powoduje to powstanie porów. Pory te umożliwiają jednakże nasycenie tężejącego betonu dodatkową porcją wody, tak że
z biegiem czasu wyjściowy wskaźnik W

0

/C może być przy pielęgnacji wodnej betonu przekroczony.

Uwaga ta ma duże znaczenie praktyczne dla suchych mieszanek betonowych. Z biegiem czasu niedobór wody może być uzupełniony i moż-

liwa jest kontynuacja procesu hydratacji cementu.