Materiały pomocnicze do nauki przedmiotu „Materiały budowlane” na kierunku
„Budownictwo” na Wydziale Inżynierii WAT.
Na prawach rękopisu. Prawa autorskie zastrzeżone. Wyrażam zgodę na
kserowanie wyłącznie na potrzeby studentów Wydziału Inżynierii WAT.
mgr inż. Tadeusz Błażejewicz
WŁAŚCIWOŚCI BETONU WEDŁUG PN-88/B-06250.
1. Podział na klasy.
Jakość betonu charakteryzowana byłą klasą betonu „B”. Klasa betonu
jest to symbol literowo-liczbowy (np.: B 20), klasyfikujący beton pod
względem wytrzymałości na ściskanie; liczba po literze „B” oznacza
wytrzymałość gwarantowaną betonu R w MPa. Oprócz wytrzymałości na
ściskanie każda klasa betonu ma przypisaną wytrzymałość na rozciąganie,
moduł sprężystości, odkształcenia skurczowe, współczynnik Poissona i
współczynnik pełzania (parametry te są podane w normie PN-B-03264 : 1999
„Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone”). Badanie powyższych
właściwości dla każdej partii betonu byłoby kłopotliwe i długotrwałe, dlatego
w normie przyjęto następującą filozofię postępowania.: Jeżeli w czasie
projektowania mieszanki betonowej skład mieszanki dobierano według zasad
określonych w PN-88/B-06250, a w badaniach stwierdzono, że beton osiągnął
wytrzymałość na ściskanie wymaganą dla danej klasy, to również pozostałe
właściwości betonu będą na poziomie według wymagań normy i nie ma
potrzeby ich badania. Norma PN-88/B-06250 określa zasady doboru rodzaju i
ilości cementu, graniczne wartości stosunku c/w gwarantujące trwałość i
wytrzymałość betonu, graniczne wartości zawartości cementu gwarantujące
trwałość betonu i brak nadmiernego skurczu, podaje wymagania dla
uziarnienia kruszywa, jamistości i konsystencji mieszanki oraz ilości zaprawy
i objętości frakcji najdrobniejszych warunkujących dobrą urabialność.
G
b
Norma wyróżnia następujące klasy betonu zwykłego.
R
G
b
7,5 10 12,5 15 17,5 20 25 30 35 40 50
R
.
śr
11 14 17 20 24 27 33 40 45 50 60
R
r
1,1
1,28 1,61 1,94
2,2
2,47
2,64
2,81
3,11
E
b
14700 18000 20800 23100 25300 27000 30000 32400 34400 36000 38600
W
normie
PN-B-03264 na konstrukcje żelbetowe występują klasy B 15
do B 70. Im wyższa klasa betonu, tym beton jest bardziej kruchy (maleje
stosunek
), co nakazuje większą staranność przy rozkładaniu nacisków
miejscowych na płaszczyznach podparcia elementów prefabrykowanych
wykonanych z betonu wysokiej klasy. Końcowe odkształcenie skurczowe
betonu
c
r
R
R /
∞
cs
ε
dla przeciętnych wymiarowo elementów dojrzewających w
warunkach suchych (wewnątrz pomieszczeń) jest rzędu 0,60
o
/
oo
, a na
zewnątrz 0,33
o
/
oo
. Ze względu na skurcz elementy wielkogabarytowe
betonowe powinny być dylatowane (posadzki w rozstawie 6 x 6 m) lub
wykonywane z betonów specjalnych o obniżonym lub skompensowanym
skurczu (lub zbrojone przeciwskurczowo). Współczynnik rozszerzalności
termicznej betonu jest rzędu 1.10
-5
/K. Współczynnik odkształcenia
poprzecznego przy ściskaniu (współczynnik Poissona) jest rzędu 0,2. Przed
rokiem 1988 beton był charakteryzowany marką R
w
, to jest wytrzymałością
średnią w kG/cm
2
. oznaczaną na próbkach walcowych
∅16 cm, h 16 cm. Aby
przeliczyć markę na odpowiadającą jej klasę betonu należy markę podzielić
przez 10, a wynik dzielenia zmniejszyć o 1 klasę, np.: beton marki R
w
200
odpowiada klasie B-17,5; beton marki R
w
170 odpowiada klasie B-15.
2. Kwalifikowanie betonu do klasy.
Wytrzymałość betonu bada się na próbkach sześciennych 15 cm, po 28
dobach dojrzewania w temperaturze 18
± 2
o
C i wilgotności powyżej 90%.
Wytrzymałość zbadana w takich warunkach nosi nazwę wytrzymałości
umownej R (występuje ona we wzorze Bolomeya, łączącym wytrzymałość
ze stosunkiem c/w). Próbki do badania należy pobierać przy stanowisku
betonowania, równomiernie w całym okresie betonowania (co najmniej 1
próbka na zmianę roboczą lub 3 próbki na partię betonu). Jeżeli próbki mają
służyć do kontroli wytrzymałości betonu w konstrukcji, to należy je
przechowywać w takich warunkach termiczno-wilgotnościowych, w jakich
dojrzewa konstrukcja (np.: podczas betonowania w okresie zimowym; przy
konstrukcjach sprężonych), Norma dopuszcza badanie wytrzymałości także
na próbkach sześciennych 10 cm i 20 cm, lecz te wyniki należy przeliczyć na
wytrzymałość próbki o krawędzi 15 cm według wzorów:
u
b
R
15
= 1,05
⋅ R
20
R
15
= 0,9
⋅ R
10
(im większa badana próbka, tym większe jest prawdopodobieństwo
występowania wad strukturalnych, od których zaczyna się zniszczenie i
dlatego uzyskuje się zaniżone wytrzymałości). Uziarnienie kruszywa w
próbkach o krawędzi 15 cm nie powinno przekraczać 32 mm, w próbkach 10
cm - 16 mm, a w próbkach 20 cm – 63 mm. Potrzeba dokonywania przeliczeń
wyników badań wytrzymałości dotyczy też próbek o innych kształtach i
wymiarach, np.: odwiertów rdzeniowych. Wytrzymałość wywierconych
próbek walcowych (rdzeni) można przeliczyć na wytrzymałość próbki
sześciennej 15 cm tylko wtedy, gdy wysokość rdzenia jest równa jego
średnicy (należy odpowiednio dobrać średnicę wiertła koronowego do
grubości elementu betonowego; odwiert należy zawsze pobierać na pełną
grubość elementu, bez odłupywania rdzenia a wiercenie wykonać
bezudarowo). Wytrzymałość odwiertów o średnicach od 7 do 14 cm można
przeliczyć na wytrzymałość próbki 15 cm wg wzoru:
R
15
= (0,02
⋅ ∅ + 0,7) ⋅ R
∅
,
gdzie: R
∅
- wytrzymałość odwiertu.
Nie powinno się badać odwiertów cieńszych od 50 mm. Stosunek
maksymalnego wymiaru kruszywa w betonie do średnicy odwiertu nie
powinien być większy niż 1 : 3. Według projektu normy pr EN 13791
„Oszacowanie wytrzymałości na ściskanie betonu w elementach
konstrukcyjnych” wytrzymałość odwiertów rdzeniowych o wysokości równej
średnicy i o średnicach w przedziale od 100 do 150 mm jest w przybliżeniu
równa wytrzymałości określonej na próbkach sześciennych 150 mm.
Wytrzymałość na ściskanie odwiertów, których długość jest dwa razy większa
od średnicy, przy średnicach w granicach od 100 do 150 mm, odpowiada
wytrzymałości charakterystycznej określonej na próbkach normowych
∅150
h 300 mm. Za partię betonu uważa się ilość betonu o takich samych
właściwościach, wyprodukowaną z takich samych składników w okresie do 1
miesiąca. Przy kwalifikowaniu partii betonu do danej klasy bierze się pod
uwagę ilość zbadanych próbek:
a) Przy liczbie próbek n mniejszej od 15:
R
i min
≥ α ⋅ R ,
G
b
gdzie: R
i min
- wytrzymałość najsłabszej próbki,
α - współczynnik zależny od liczby próbek n,
R - wytrzymałość gwarantowana betonu.
G
b
Dla
n = 3
÷ 4
α = 1,15,
dla n = 5
÷ 8
α = 1,10,
dla n = 9
÷ 14
α = 1,05.
W przypadku nie spełnienia powyższego warunku betonu może być
uznany za odpowiadający danej klasie, jeżeli:
R
i min
≥ R
G
b
oraz R
śr.
≥ 1,2 R .
G
b
b) Przy liczbie próbek n równej lub większej od 15:
R
śr.
– 1,64s
≥ R
G
b
, gdzie:
2
)
(
1
1
śr
i
R
R
n
S
−
∑
−
=
Powyższe wzory wynikają z właściwości krzywej rozkładu normalnego
Gaussa-Laplace’a, która dobrze opisuje rozrzut wytrzymałości betonu.
Wytrzymałość gwarantowana R jest zapewniona z prawdopodobień-
stwem 95%, to znaczy że 95% wyników badań powinno być nie
mniejszych od R . Aby otrzymać beton o wytrzymałości gwarantowanej
R należy go projektować na wytrzymałość średnią (umowną)
odpowiednio wyższą. Beton produkowany z większym rozrzutem
wytrzymałości (z większym odchyleniem standardowym s), dla uzyskania
takiej samej wytrzymałości gwarantowanej musi być projektowany na
G
b
G
b
G
b
wyższą wytrzymałość średnią (wymaga użycia większej ilości cementu).
Miarą poziomu wytwarzania betonu jest współczynnik zmienności
wytrzymałości
ν.
ν =
%
100
⋅
śr
R
S
.
Poziom wytwarzania
Klasa B 7,5
÷ 25
Klasa B 30
÷ 50
BDB
ν do 10
do 7
DB
11 – 13
8 – 10
Średni
14 – 16
11 – 13
DST
17 – 20
14 – 15
NDST Powyżej 20
Powyżej 15
Przy niedostatecznym poziomie wytwarzania należy przerwać produkcję i
ustalić przyczyny tak dużego rozrzutu wytrzymałości.
3. Wytrzymałość betonu na rozciąganie.
Można ją w przybliżeniu wyliczyć ze wzoru:
R
r
=
α ⋅
3
2
c
R
,
gdzie:
α = 0,5 dla klas powyżej B 30 oraz
α = 0,7 dla klas B ≤ 30.
Wytrzymałość na rozciąganie można zbadać metodą łupania walców
lub próbek sześciennych (tzw. metodą brazylijską). Badanie polega na
ściskaniu próbki przez wąskie przekładki ułożone wzdłuż tworzącej walca lub
w płaszczyźnie symetrii sześcianu. W przekroju osiowym powstają
naprężenia rozciągające powodujące rozłupanie próbki, a wytrzymałość na
rozciąganie wylicza się z wzoru:
R
r
=
l
d
P
⋅
⋅
Π
⋅
2
,
gdzie: P – siła niszcząca,
d – średnica walca,
l – wysokość walca,
4. Moduł sprężystości betonu.
Wyznacza
się go na próbkach walcowych
∅ 15 cm h 30 cm, mierząc
odkształcenia próbki w zakresie naprężeń od 0,5 MPa do 1/3 wytrzymałości
betonu na ściskanie. Moduł sprężystości betonu zależy od klasy betonu oraz
od zawartości w betonie kruszywa grubego i modułu sprężystości skały, z
której wykonano kruszywo. Ze wzrostem zawartości kruszywa grubego
moduł sprężystości betonu rośnie.
5. Odkształcenia skurczowe betonu.
Skurcz w okresie twardnienia bada się na próbkach 10 x 10 x 50 cm
przy pomocy aparatu Amslera. Skurcz betonu zależy od ilości cementu,
rodzaju cementu, stosunku w/c, uziarnienia kruszywa oraz warunków
termiczno-wilgotnościowych podczas wiązania.
Skurcz
można ograniczyć poprzez:
- obniżenie stosunku w/c przez zastosowanie superplastyfikatora;
- zmniejszenie ilości cementu dzięki użyciu cementu wyższej klasy w
mniejszej ilości;
- zwiększenie zawartości kruszywa grubego (obniżenie wodożądności);
- pielęgnację mokrą betonu;
- zastosowanie domieszek kompensujących skurcz.
6. Nasiąkliwość betonu.
Nasiąkliwość betonu nie powinna być większa od 5% dla betonów
narażonych na czynniki atmosferyczne (dla betonów specjalnych, np.:
drogowych wymagania mogą być ostrzejsze) oraz od 9% dla betonów
osłoniętych przed wpływem atmosfery. Nasiąkliwość należy badać na
próbkach o objętości co najmniej 1 dm
3
, nasączając je stopniowo (zalewając
do 1/2 wysokości, a następnie do 1,1 wysokości) i utrzymując w wodzie aż do
ustalenia się masy. Nasiąkliwość jest to maksymalna ilość wody, jaką może
wchłonąć beton w warunkach normowych (wilgotność jest to ilość wody
aktualnie zawartej w betonie, określona metodą suszenia w temperaturze 105
÷ 110
o
C do stałej masy).
7. Mrozoodporność betonu.
Mrozoodporność bada się na próbkach sześciennych, całkowicie nasy-
conych wodą, poddając je cyklicznemu zamrażaniu w temperaturze -18
o
C i
rozmrażaniu w wodzie o temperaturze +18
o
C (czas mrożenia co najmniej 4
godziny). Liczba cykli zamrażania jest równa wymaganemu stopniowi
mrozoodporności betonu. Przyjmuje się, że próbka wykazuje wymagany
stopień mrozoodporności, gdy:
- próbka nie wykazuje pęknięć;
- łączna masa ubytków nie przekracza 5% masy próbki;
- wytrzymałość próbki nie obniżyła się więcej niż o 20% w stosunku do
próbek kontrolnych nie zamrożonych.
Wyróżnia się następujące stopnie mrozoodporności: F 25, F 50, F 75, F 100,
F 150, F 200 i F 300. Beton zwykły dobrze zaprojektowany i wykonany może
osiągnąć mrozoodporność do F 75, uzyskanie wyższej mrozoodporności
wymaga zabiegów specjalnych (np.: zastosowania domieszek). Stopień
mrozoodporności przyjmuje się równy liczbie przewidywanych lat
użytkowania konstrukcji (gdy beton jest narażony na kapilarne podciąganie
wody, stopień F należy zwiększyć o 50, a jeżeli jest narażony na środki
odladzające lub znajduje się w strefie zmiennego poziomu wody – należy
zwiększyć o 100).
8. Wodoszczelność betonu.
Wodoszczelność bada się na próbkach o wysokości 150 mm (dostęp
wody od góry na powierzchnię próbki o średnicy 100 mm). Ciśnienie wody
zmienia się skokowo co 24 godziny o wartość 0,2 MPa aż do wystąpienia
oznak przeciekania. Stopień wodoszczelności jest równy maksymalnemu
ciśnieniu wody (razy 10), przy którym nie wystąpiły objawy przecieku.
Wyróżnia się następujące stopnie wodoszczelności W: W 2, W 4, W 6, W 8,
W 10 i W 12. Stopnie wodoszczelności konstrukcji przyjmuje się w
zależności od wskaźnika ciśnienia. Wskaźnik ten jest równy stosunkowi
wysokości słupa wody w metrach (ciśnienia wody w metrach słupa wody) do
grubości przegrody w metrach. Na przykład:
Dla zbiornika na wodę o głębokości 5 m i grubości dna 0,3 m wskaźnik
ciśnienia wynosi 16,6. Dla wskaźnika ciśnienia od 16 do 20 norma PN-88/B-
06250 zaleca stopień wodoszczelności betonu przy stałym parciu wody W 8.