budownictwo • technologie • architektura
29
Na wst´pie nale˝y podkreÊliç, ˝e omawiana grupa
nowoczesnych kompozytów betonowych wywodzi
si´ wprost z tradycyjnego betonu zwyk∏ego. Stano-
wi ona bowiem jeden z efektów konsekwentnej i od
dziesiàtków lat prowadzonej modyfi kacji tradycyj-
nego betonu cementowego. Podstawowym celem
tej modyfi kacji by∏o redukowanie pewnych „przy-
rodzonych” mankamentów tego materia∏u. Betony
wysokowartoÊciowe stanowià doskona∏y przyk∏ad,
jak stopniowo eliminujàc lub znacznie ograniczajàc
niedostatki materia∏u tradycyjnego, uzyskaç
mo˝na tworzywo o
nowych, korzystniejszych
w∏aÊciwoÊciach. Warto w tym miejscu podkreÊliç,
˝e grupa betonów wysokowartoÊciowych to nadal
grupa betonów cementowych, tyle ˝e wykonywa-
nych z nowoczesnych spoiw cementowych wyso-
kiej jakoÊci. Dodatkowymi wyró˝nikami tych beto-
nów sà ma∏e wartoÊci wskaênika wodno-spoiwowe-
go i nieroz∏àcznie z tym zwiàzana koniecznoÊç sto-
sowania nowoczesnych domieszek plastyfi kujàcych
lub up∏ynniajàcych. W
przypadku betonów
o najwy˝szych wytrzyma∏oÊciach konieczne jest
tak˝e stosowanie dodatków mineralnych, zw∏aszcza
zaÊ py∏u krzemionkowego. Jak widaç, wspomnia-
ne ograniczanie niedostatków betonu zwyk∏ego
– traktowanego jako prosty trójsk∏adnikowy uk∏ad
sk∏adajàcy si´ z cementu, kruszywa i wody – nie
by∏oby mo˝liwe bez post´pu w innych dziedzinach:
chemii i technologii cementu oraz chemii polime-
rów. Pierwsze da∏o technologowi betonu ca∏y wa-
chlarz spoiw o ró˝nych w∏aÊciwoÊciach, zaÊ drugie
zaowocowa∏o pojawieniem si´ kolejnych generacji
Êrodków uplastyczniajàcych i up∏ynniajàcych.
W kraju betonami wysokowartoÊciowymi BWW
(ang. HPC – high performance concrete) przyj´to
umownie nazywaç betony klas powy˝ej B50, któ-
re oprócz wysokiej wytrzyma∏oÊci na Êciskanie
charakteryzujà si´ tak˝e i innymi cechami tech-
nicznymi na podwy˝szonym poziomie. Cechy te to
g∏ównie trwa∏oÊç w warunkach oddzia∏ywania czyn-
ników Êrodowiskowych, niska przepuszczalnoÊç
dla Êrodowiskowych mediów ciek∏ych i gazowych,
wysoka odpornoÊç na Êcieranie itp.
G∏ównymi powodami si´gania przez konstrukto-
rów po betony wysokowartoÊciowe jest mo˝liwoÊç
zmniejszenia przekrojów elementów i dzi´ki temu
istotne obni˝enie ci´˝aru w∏asnego konstrukcji oraz
uzyskanie elementów o wysokiej trwa∏oÊci.
Ogólne zasady projektowania
Projektowanie sk∏adu ka˝dego betonu, w
tym
tak˝e betonów wysokowartoÊciowych, opiera si´
w ogólnoÊci na odpowiednim:
– kszta∏towaniu w∏aÊciwoÊci i doborze iloÊciowym
zaczynu cementowego (sk∏adajàcego si´ w przy-
padku BWW z cementu, ewentualnego dodatku
mineralnego, wody i domieszki up∏ynniajàcej)
– doborze jakoÊciowym i iloÊciowym kruszywa
– kszta∏towaniu jakoÊci wi´zów (przyczepnoÊci)
mi´dzy zaczynem i ziarnami kruszywa.
Ogólne zasady projektowania
betonów wysokowartoÊciowych
By projektowaç sk∏ad betonów wysokowartoÊciowych, konieczna jest znajomoÊç nowych, mo˝e nieco bardziej
skomplikowanych doÊwiadczalnych zale˝noÊci mi´dzy jakoÊciowym i iloÊciowym sk∏adem materia∏u
a jego w∏aÊciwoÊciami na etapie mieszanki i betonu stwardnia∏ego.
projektowanie betonów
fot. Micha∏ Braszczyƒski
Numer specjalny 2003: Domieszki do betonu
30
Nale˝y tu podkreÊliç, ˝e obydwa najwa˝niejsze wy-
magania stawiane BWW (wysoka wytrzyma∏oÊç na
Êciskanie i wysoka trwa∏oÊç) sà zbie˝ne, bowiem
czynniki, dzi´ki którym mo˝liwe jest uzyskanie
wysokich wytrzyma∏oÊci sprzyjajà równoczeÊnie
wysokiej trwa∏oÊci i
vice versa. Reasumujàc,
aby uzyskaç beton o
mo˝liwie najwy˝szej
wytrzyma∏oÊci i najni˝szej przepuszczalnoÊci dla
mediów zewn´trznych – która zazwyczaj w sposób
dominujàcy decyduje o trwa∏oÊci – konieczne sà:
–
maksymalizacja wytrzyma∏oÊci (a wi´c
i szczelnoÊci) stwardnia∏ego zaczynu, zwiàzana
g∏ównie z minimalizacjà wskaênika wodno-spo-
iwowego oraz stosowaniem odpowiednich do-
datków mineralnych i
domieszek chemicz-
nych umo˝liwiajàcych, przy z
regu∏y bardzo
ma∏ej zawartoÊci wody, uzyskanie odpowiedniej
urabialnoÊci mieszanki
–
maksymalizacja wytrzyma∏oÊci i
szczelnoÊci
materia∏u kruszywa, zwiàzana z
doborem
materia∏u kruszywa i jego uziarnieniem
– maksymalizacja mocy wi´zów, jakie ∏àczà oby-
dwa te komponenty oraz szczelnoÊci strefy sty-
kowej, co zwiàzane jest z obydwoma wymienio-
nymi wy˝ej czynnikami.
Nie mo˝na tu oczywiÊcie zapominaç o nies∏ychanie
wa˝nej roli innych czynników technologicznych,
jak efektywnoÊç zag´szczania mieszanki betono-
wej, czas i warunki piel´gnacji itp.
Projektowanie jakoÊciowe, podstawowe
wymagania dotyczàce sk∏adników BWW
Dla wykonania scharakteryzowanego wczeÊniej
betonu wysokowartoÊciowego konieczne jest, co
oczywiste, stosowanie sk∏adników o odpowiednich
w∏aÊciwoÊciach. Dotyczy to spoiwa cementowego,
kruszywa, domieszki up∏ynniajàcej oraz ewentual-
nych dodatków mineralnych.
Je˝eli mowa o cemencie, to najcz´Êciej zaleca si´
stosowanie spoiw o
rzeczywistej wytrzyma∏oÊci
na Êciskanie nie mniejszej od oko∏o 45 MPa
oraz o
sk∏adzie mineralogicznym i
rozdrobnieniu
pozwalajàcym na uzyskanie szczelnej mikrostruk-
tury ukszta∏towanego ju˝ stwardnia∏ego zaczynu.
Poniewa˝ betony BWW sà z regu∏y wykonywane
z udzia∏em domieszek up∏ynniajàcych (superplasty-
fi katorów), zaleca si´, aby stosowany cement zawie-
ra∏ mo˝liwie ma∏o (<10%) glinianu trójwapniowego
C
3
A. ZawartoÊç tego sk∏adnika wp∏ywa bowiem istot-
nie na efekt up∏ynnienia mieszanki betonowej i jej
stabilnoÊç w czasie.
Kruszywo kamienne, którego materia∏ posiada niemal
zawsze lepsze w∏aÊciwoÊci ni˝ stwardnia∏y zaczyn ce-
mentowy, powinno byç dobrej jakoÊci, z surowca skal-
nego o mo˝liwie wysokiej wytrzyma∏oÊci, o ziarnach
posiadajàcych kszta∏t i powierzchni´ sprzyjajàce uzy-
skaniu wysokiej przyczepnoÊci zaczynu oraz o uziar-
nieniu zapewniajàcym mo˝liwie niskà jamistoÊç sto-
su okruchowego (minimalizacja zawartoÊci zaczy-
nu, jako sk∏adnika o w∏aÊciwoÊciach mniej korzyst-
nych). Zalecany maksymalny wymiar ziarna nie po-
winien przekraczaç 10 do 15 mm (w krajowej prak-
tyce 16 mm). Stosowanie wi´kszych ziaren powodu-
je zwi´kszenie niejednorodnoÊci materia∏u oraz sprzy-
ja koncentracji napr´˝eƒ w wyt´˝onym materiale,
a w konsekwencji obni˝enie jego wytrzyma∏oÊci.
Ze wzgl´du na wspomnianà ju˝ koniecznoÊç stoso-
wania niskich wartoÊci wskaênika w/c niezb´dnym
sk∏adnikiem mieszanki staje si´ jedna z wysoko-
efektywnych domieszek up∏ynniajàcych (super-
plastyfi katorów). Z jednej strony umo˝liwiajà one
uzyskanie nawet ciek∏ej konsystencji mieszan-
ki przy bardzo niskim wskaêniku wodno-spoiwo-
wym, z drugiej zaÊ powodujà dezagregacj´ sku-
pisk ziaren cementu, pozwalajàc na lepsze wy-
korzystanie spoiwa poprzez zwi´kszenie jego po-
wierzchni w∏aÊciwej. Nale˝y tu zwróciç uwag´, ˝e
efektywnoÊç dzia∏ania domieszki zale˝y istotnie od
rodzaju u˝ytego cementu oraz rodzaju wprowa-
dzonego ewentualnie dodatku mineralnego. Z te-
go powodu ka˝dorazowo efektywnoÊç ta musi byç
sprawdzona doÊwiadczalnie.
Kolejnym sk∏adnikiem betonu BWW jest zazwy-
czaj dodatek mineralny. Najcz´Êciej jest nim
py∏ krzemionkowy, który dzi´ki bardzo wyso-
kiemu rozdrobnieniu (uziarnienie
≤
1 µm), bar-
dzo du˝ej powierzchni w∏aÊciwej (oko∏o 20 m
2
/g)
i
zwiàzanej z
tym aktywnoÊci chemicznej, ko-
rzystnie modyfi kuje stwardnia∏y zaczyn cemen-
towy, w tym tak˝e zaczyn w strefi e jego kon-
taktu z kruszywem. Nale˝y podkreÊliç, ˝e beto-
ny BWW ni˝szych klas (do oko∏o B70) uzyskaç
mo˝na w
warunkach przemys∏owych, stosujàc
cement o rzeczywistej wytrzyma∏oÊci oko∏o 45
MPa, zwyk∏e, lecz poprawnej jakoÊci (uziarnienie,
kszta∏t ziaren, brak zanieczyszczeƒ pylastych) kru-
szywo otoczakowe oraz domieszk´ up∏ynniajàcà.
Kruszywa z
materia∏ów kamiennych o
wysokiej
wytrzyma∏oÊci oraz py∏ krzemionkowy stajà si´
niezb´dnymi, gdy chcemy uzyskaç betony klas
powy˝ej oko∏o B70.
Projektowanie iloÊciowe
– ustalanie iloÊciowego sk∏adu BWW
i jego przebieg
Projektowanie sk∏adu BWW prowadzi si´ przede
wszystkim metodami doÊwiadczalnymi. Wy-
nika to g∏ównie z tego, ˝e mieszanka betono-
Bieg schodowy w budynku
Polskiego Radia Kraków
wykonany z betonu klasy
B100
fot. W
ojciech Gruszk
a
budownictwo • technologie • architektura
31
wa nie jest prostym, trójsk∏adnikowym uk∏adem.
W
wyniku koniecznoÊci stosowania domieszek
up∏ynniajàcych oraz aktywnego dodatku mi-
neralnego staje si´ ona uk∏adem co najmniej
pi´ciosk∏adnikowym, którego w∏aÊciwoÊci sà bar-
dzo czu∏e zarówno na jakoÊciowe, jak i iloÊciowe
zmiany sk∏adu. Znane i powszechnie stosowa-
ne przy projektowaniu sk∏adu betonów zwyk∏ych
zale˝noÊci wià˝àce wytrzyma∏oÊç ze sk∏adem
(równania Bolomeya, Abramsa itp.) w przypadku
BWW przestajà byç aktualne. Jest to spowodowa-
ne tym, ˝e w przypadku BWW stosuje si´ niskie
lub bardzo niskie wartoÊci wskaênika w/s, zazwy-
czaj poni˝ej 0,35 (c/w > 2,8), co stanowi granic´
stosowalnoÊci równania Bolomeya.
Podobnie, lecz tym razem z powodu stosowania
domieszek up∏ynniajàcych, nieaktualnym staje si´
tradycyjne równanie konsystencji, uzale˝niajàce
niezb´dnà iloÊç wody tylko od iloÊci oraz jakoÊci
spoiwa i kruszywa.
Jedynym z trzech równaƒ podstawowych, które
z oczywistych wzgl´dów zachowuje swà wa˝noÊç,
jest równanie szczelnoÊci, zgodnie z którym suma
obj´toÊci absolutnych wszystkich sk∏adników ma
si´ równaç jednostce obj´toÊci zag´szczonej mie-
szanki betonowej.
Wyniki najnowszych badaƒ dotyczàcych relacji
mi´dzy sk∏adem i w∏aÊciwoÊciami betonów BWW
powoli uzupe∏niajà wspomnianà luk´. Równa-
nie typu Bolomeya zastàpiç mo˝na obecnie na
przyk∏ad doÊwiadczalnym równaniem opracowa-
nym przez de Larrarda [de Larrard F., Gorse J.F.,
Puch C.: Comparative study of various silica fume
as additives in high performance cementitious ma-
terials, Materials and Structures, vol. 25, 1992,
265-272], wed∏ug którego wytrzyma∏oÊç betonu
na Êciskanie dojrzewajàcego 28 dni w warunkach
normalnych wynosi:
gdzie:
k
k
– wspó∏czynnik uwzgl´dniajàcy wp∏yw rodza-
ju stosowanego kruszywa [-], (dla wi´kszoÊci
kruszyw stosowanych do BWW mieÊci si´ on
w granicach od 4,9 do 5,2)
k
c
– rzeczywista wytrzyma∏oÊç cementu [MPa]
w/c – wskaênik wodno-cementowy [-]
pk/c – zawartoÊç py∏u krzemionkowego w stosun-
ku do masy cementu [kg/kg].
Jednà z propozycji mo˝liwego przebiegu projekto-
wania sk∏adu BWW ilustruje pokazany obok sche-
mat, w którym zastosowane skróty oznaczajà:
C, PK, K
d
, K
g
, W – zawartoÊç odpowiednio ce-
mentu, py∏u krzemionkowego, kruszywa
drobnego i grubego oraz wody [kg/m
3
]
ρ
c
,
ρ
pk
,
ρ
kd
,
ρ
kg
– g´stoÊci sk∏adników jak
wy˝ej [kg/dm
3
]
ρ
Êr k
=U
kd
ρ
kd
+U
kg
ρ
kg
– Êrednia wa˝ona g´stoÊç
kruszywa, obliczana z
uwzgl´dnieniem
udzia∏u kruszywa drobnego (U
kd
) i grube-
go (U
kg
); wartoÊç potrzebna tylko w przy-
padku, gdy obydwa kruszywa ró˝nià si´
g´stoÊcià
f
c28
=
k
k
k
c
1+3,1 w/c
1,4 – 0,4exp (-11 pk/c)
2
Przyj´cie za∏o˝eƒ:
klasa wytrzyma∏oÊci,
konsystencja,
przeznaczenie betonu
i warunki eksploatacji
JakoÊciowy dobór
sk∏adników
Oszacownie wartoÊci w/c
(lub w/s) oraz pk/c
niezb´dnych dla uzyskania
wymaganej wytrzyma∏oÊci
betonu
Przyj´cie iloÊci cementu
(C
≥
C
min
), dodatku (PK)
i wody (W) oraz obliczenie
obj´toÊci zaczynu:
V
z
=C/
ρ
c
+PK/
ρ
pk
+W
Obliczenie obj´toÊci
kruszywa: V
k
=1000 – V
z
Obliczenie masy
kruszywa: K= V
k
ρ
Êr k
i jego rozdzielenie na
piasek i kruszywo grube
Wst´pne ustalenie sk∏adu:
C; PK, K
d
, K
g
, W
Wykonanie zarobu
próbnego i ustalenie
iloÊci
superplastyfi katora
Powtórne wykonanie
zarobu i weryfi kacja
w∏aÊciwoÊci mieszanki
i betonu stwardnia∏ego
Dobór rodzaju, klasy i przyj´cie
minimalnej zawartoÊci cementu
Dobór rodzaju
superplastyfi katora
Dobór i ustalenie sk∏adu
ziarnowego kruszywa
np. z zale˝noÊci de Larrarda
dla BWW zazwyczaj:
C = od 400 do 500 kg/m
3
PK = od 00,5 do 0,1 C
W = W/C • C
KOREKTY
niezgodne
zgodne
KOREKTY
Schemat ilustrujàcy jeden
ze sposobów post´powania
podczas projektowania
sk∏adu BWW
Podsumowanie
Jak widaç, dla bardziej doÊwiadczonego projek-
tanta projektowanie sk∏adu BWW w istocie nie-
zbyt ró˝ni si´ od projektowania sk∏adu betonów
zwyk∏ych. Zasadnicza ró˝nica polega na tym, i˝
przy projektowaniu sk∏adu BWW konieczna jest
znajomoÊç nowych, mo˝e nieco bardziej skom-
plikowanych doÊwiadczalnych zale˝noÊci mi´dzy
jakoÊciowym i iloÊciowym sk∏adem materia∏u a je-
go w∏aÊciwoÊciami na etapie mieszanki i beto-
nu stwardnia∏ego. Zwróciç te˝ nale˝y uwag´ na
koniecznoÊç staranniejszego jakoÊciowego doboru
sk∏adników, czemu sprzyjajà przepisy nowej nor-
my PN-EN 206-1.
prof. Jacek Âliwiƒski
Politechnika Krakowska