1
NOWOCZESNE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE DLA BUDOWNICTWA
Składniki betonów wysokowartościowych (wymagania, cement, kruszywo, itp.)
Betony wysokowartościowe – BWW betony o wytrzymałości 60-100 MPa,
Betony bardzo wysokowartościowe – BBWW betony o wytrzymałości powyżej 100 MPa,
Parametry związane z trwałością to: odporność na cykliczne zamrażanie i rozmrażanie,
złuszczenia solne, przepuszczalność i ścieralność.
Cechy mechaniczne: wytrzymałość na ściskanie, moduł sprężystości, pełzanie i skurcz.
BWW musi spełniać następujące kryteria:
- wytrzymałość na ściskanie po 4h ≥ 20 MPa
- wytrzymałość na ściskanie po 24h ≥ 35 MPa
- wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach ≥ 70 MPa
- wskaźnik trwałości na cykle zamarzania > 80% po 300 cyklach
- stosunek W/C <0,35
Betony BWW powstają przez modyfikację składników betonu zwykłego (cement, kruszywo,
woda) oraz przez dodanie dodatków mineralnych (>5%) oraz domieszek chemicznych (<5%).
Warstwa przejściowa – obszar między kruszywem a zaczynem sięgający do 20μm w głąb. W
celu zwiększenia nośności warstwy przejściowej należy zmniejszyć W/C - dodaje się
superplastyfikatory i kruszywo o uziarnieniu < 16mm.
Warstwa przejściowa w BWW jest najsłabszym elementem betonu. Jest to specyficzny
obszar występowania nieciągłości w betonie, pomiędzy kruszywem a zaczynem. Jest
bogatsza w kryształy wodorotlenku wapniowego i charakteryzuje ją zwiększona porowatość.
Uczestniczy w przenoszeniu naprężeń między kruszywem i matrycą cementową. Najczęściej z
nią wiąże się zapoczątkowanie procesu zniszczenia betonu. Dodatki mineralne tj.: pyły
krzemionkowe, drobno mielone granulowane żużle wielkopiecowe i popioły lotne
modyfikują warstwę przejściową powodując zmniejszenie jej porowatości. Jest to wynikiem
zachodzących reakcji z produktami hydratacji cementu w betonie i tworzeniem się
uwodnionych krzemianów i glinianów wapniowych.
Składniki betonów wysokowartościowych:
1. Cement - BWW wymagają zwiększonej ilości spoiwa, ok 400kg/m
3
, oraz cementów o
stałych właściwościach. Zaleca się stosowania cementu:
- CEM I klasy 42,5 i więcej
- Powierzchnia właściwa >280 m
2
/kg
2
- Zawartość alitu C
3
S > 50% masy cementu
- Łączna suma krzemianów 75-80%
- Zawartość C
3
A < 8%
- Zawartość SO
3
≤4%
- Zawartość MgO≤5%
- Zawartość alkaliów ≥0,6% Na
2
0 aq
2. Kruszywo - za podstawę klasyfikacji kruszywa stosowanych do BWW można przyjąć:
- Wysoka wytrzymałość skał przeznaczonych do ich produkcji – głównie kruszywa łamane
pochodzące ze skał magmowych głębinowych (granit) oraz wylewnych (bazalt)
- Cechy geometryczne ziaren kruszywa – ziarna sześcienne, kuliste, nie płaskie
- Regularny rozkład uziarnienia (ciągłość uziarnienia) max 16mm
- Zdefiniowane oddziaływanie chemiczne w stosunku do cementu
- Kształt ziaren bez udziału ziaren płaskich i wydłużonych
- Nie może wpływać na zmniejszenie urabialności i powodować segregacji
- Powinno charakteryzować się dużą szorstkością powierzchni ziaren
- Powinno być czyste bez ciał obcych, zanieczyszczeń
- Odporność na rozdrabnianie – Los Angeles ≤15 (LA15)
- Zawartość pyłów <1,5% (f
1,5
)
- Stałość objętości – skurcz przy wysychaniu nie większy niż 0,075%
- Odporność na zamrażanie i rozmrażanie – ubytek masy ≤1% (F
1
)
Superplastyfikatory nowej generacji są wstanie zredukować ilość wody nawet o 30% przy
nieznacznym opóźnieniu procesu wiązania w odróżnieniu od wcześniej stosowanych
plastyfikatorów na bazie lignosulfonianów.
Domieszki napowietrzające – zwiększają odporność na działanie mrozu, poprawiają
urabialność i spójność mieszanki betonowej, ale zmniejszają wytrzymałość.
Superplastyfikatory – domieszki wpływające na obniżenie w/c przy danej konsystencji lub
uzyskanie większej płynności przy stałym składzie mieszanki betonowej. Należą do klasy
polimerów i kopolimerów organicznych, zawierają w swej strukturze fragmenty silnie
polarne i apolarne.
3
Domieszki upłynniające:
- lignosulfoniany, redukcja wody 5-15%
- sulfoniany naftalenowo – formaldehydowe (SNF), redukcja wody 15-25%
- sulfoniany melaminowo – formaldehydowe (SMF), redukcja wody 5-25%
- polikarboksylony (AP) – redukcja wody 20-40%
Dyspergujące działanie SMF i SNF na zaczynach cementowych przypisuje się efektowi
elektrostatycznego odpychania się ziaren cementu.
Skuteczność superplastyfikatorów zależy od:
- budowa chemiczna superplastyfikatora
- masa cząsteczkowa domieszki
- dawka domieszki oraz sposób jej dozowania
- rodzaj cementu (stopień rozdrobnienia, skład mineralny)
- zawartość alkaliów i siarczanów
- forma występowania gipsu
Cel stosowania superplastyfikatorów:
- poprawa urabialności mieszanki bez zwiększania ilości wody zarobowej lub zmniejszenie
ilości wody przy zachowaniu niezmienionej urabialności
- zmniejszenie segregacji składników
- zmniejszenie lub zapobieganie osiadaniu kruszywa w mieszance betonowej
- dłuższe utrzymanie właściwości konsystencji mieszanki
- poprawa pompowalnosci
BETONY SAMOZAGĘSZCZALNE - cechy:
- zdolność do samopoziomowania (pod wpływem ciężaru własnego)
- szczelne wypełnianie szalunku, również między prętami zbrojenia
- zdolność do całkowitego odpowietrzania się
- dłuższe utrzymanie odpowiedniej konsystencji
- brak objawów sedymentacji
4
Zalety betonów samozagęszczalnych:
- zwiekszenie szybkości wykonywania konstrukcji
- zmniejsz ilości pracowników wykonujących betonowanie
- brak konieczności wibrowania
- łatwość wykonywania konstrukcji o skomplikowanych kształtach
- bardzo wysoka jakość betonu
- obniżenie poziomu halasu w zakładach prefabrykacji
- zwiekszenie trwałości betonu
Procedura projektowania betonów samozagęszczalnych (wg Okamury):
- ustalenie zawartości powietrza
- ustalenie zawartości kruszywa grubego
- ustalenie zawartości frakcji piaskowych
- ustalenie stosunku woda-frakcje pylaste
- ustalenie zawartości wody i superplastyfikatora
- weryfikacja receptury na podstawie badań betonów
Metody badania: J-Ring Test, stożek Abramsa (rozpływ 650-750mm), tunel L-BOX, V-Tunel,
Fill Box test, test segregacji.
Czynniki wpływające na rozwój technologii betonów samozagęszczalnych:
- zwiększenie trwałości
- możliwość stosowania do renowacji i napraw konstrukcji betonowych
- układanie mieszanki betonowej bez konieczności wibrowania
- łatwość wykonywania konstrukcji o dużej gęstości zbrojenia
- skrócenie czasu wykonywania konstrukcji
- zmniejszenie kosztów
5
KOMPOZYTY BETONOWE Z PROSZKÓW REAKTYWNYCH
Zastosowanie cementu w kompozytach betonowych - zalety:
- tworzą zaczyn i mieszanki betonowe pozwalają łatwo się formować
- wady: niska wytrzymałość na zginanie, pękanie
Sposoby zwiększenia stopnia upakowania cząstek w kompozytach cementowych:
- deflokulacja ziarna cementu przy niskim w/c poprzez stosowanie superplastyfikatorów
- włączenie do struktury zaczynu cementowego bardzo drobnych cząstek (0,1µm) – są to
mikrowypełniacze na przykład pyły krzemionkowe, żużle wielkopiecowe, popioły lotne
- impregnacja zaczynu – przez rozpuszczenie w wodzie polimerów
- deflokulacja ziaren cementu opiera się na ich zdyspergowaniu przy wykorzystaniu
superplastyfikatorów, przy niskim stosunku w/c
DSP (Densified with small particles)
- są to gęsto upakowane struktury kompozytów na bazie cementu
– w/c: 0,18 - 0,22
– w tych warunkach hydratacji ulega tylko 30-50% cementu
- niezhydratyzowane ziarna są otaczane hydratami krzemianów i glinianów wapniowych
DSP – ciąg dalszy:
- w/c - 0,18-0,22
- ilość niezhydratyzowanych cząstek cementu 35-50%
- mikrowypełniacze 1 µm
- superplastyfikator
- porowatość całkowita – 1,7%
- wytrzymałość na ściskanie – około 100MPa
- wytrzymałość na ściskanie po obróbce hydrotermalnej 300-500MPa
RPC – grupa betonów wysokowartościowych zbrojonych o matrycy cementowej
- większa ilość włókien niż fibrobetony
- lepsze właściwości mechaniczne
6
- wysoka wytrzymałość dzięki zastąpieniu gruboziarnistego kruszywa drobno zmielonym
kwarcem (1-4um) i piaskiem (200-400um)
- eliminacja kruszywa grubego – przekroczenie przez matrycę wytrzymałości na ściskanie
kruszywa
- dodatek mikrowłókien stalowych do 600kg/m
3
- wytrzymałość na ściskanie 230 MPa
- cement portlandzki
- w/c-0,2
- mielony kwarc (1-4um)
- piasek (200-400um)
- superplastyfikator
- włókna stalowe
DUCTAL
- 180-230 MPa ściskanie, 30-50 MPa rozciąganie (w zależności od włókien)
- umożliwiają budowę wysokich lekkich i smukłych obiektów, trwałych i odpornych na
korozję
- obniżenie kosztów budowy
- poprawienie bezpieczeństwa konstrukcji
- zmniejszenie kosztów utrzymania budowli
- zwiększenie czasu eksploatacji budowli
Czynniki wpływające na rozwój kompozytów cementowych wzmacnianych włóknami:
- możliwość wprowadzenia do matrycy cementowej większej ilości włókien poprzez
zastosowanie superplastyfikatorów nowej generacji
- nowe technologie wytwarzania kompozytów mające na celu poprawę jednorodności
rozproszenia większej ilości włókien
- stosowanie aktywnych i inertnych mikrowypełniaczy w celu zmniejszenia porowatości
matrycy cementowej, poprawy struktury warstwy przejściowej
- zastosowanie hybrydowych układów zbrojenia – polega na wprowadzeniu różnego rodzaju
włókien, różniących się właściwościami mechanicznymi i kształtem
7
Kompozyty polimerowe zbrojone włóknami:
- polimery zbrojone włóknami węglowymi: CFRP
- polimery zbrojone włóknami szklanymi: GFRP
- polimery zbrojone włóknami aramidowymi: AFRP
Zastosowanie kompozytów zbrojonych włóknami:
- otrzymywanie elementów konstrukcyjnych
- zbrojenie belek, płyt, słupów prętami i siatkami z FRP
- sprężanie belek, płyt i innych konstrukcji cięgnami z FRP
- wzmacnianie i naprawianie konstrukcji taśmami z FRP
Cementy ekspansywne – koncepcja cementów ekspansywnych opiera się na takim
zwiększeniu rozszerzalności zaczynu, aby zrównoważyć lub przewyższyć skurcz suszenia. W
tym celu wykorzystuje się najczęściej: powstanie etryngitu, portlandytu, brucytu.
Typy cementów ekspansywnych:
- typ K: zawiera kompleks Kleina
- typ M: zawiera gliniany C
17
A
7
- typ S: zawiera podwyższoną ilość C
3
A
Inne technologie cementów ekspansywnych: wprowadzenie tlenków wapnia i magnezu do
cementu portlandzkiego.
BETONY POLIMEROWO CEMENTOWE (PCC) – otrzymuje się przez dodanie polimerów lub
oligomeru, ewentualnie monomeru do mieszanki betonowej.
Ze względu na chemiczną reaktywność modyfikatora wyróżnia się:
- PCC polimeryzujące po zmieszaniu (post-mix), w których do mieszanki betonowej
wprowadza się chemicznie aktywne, chemoutwardzalne żywice syntetyczne, przebiega
równocześnie z hydratacją cementu,
- PCC spolimeryzowane przed zmieszaniem (pre-mix), w których do mieszanki betonowej
wprowadza się zasadniczo chemicznie polimery
Podstawowe polimery stosowane do otrzymywania PCC pre-mix, to:
- akrylowe PAE,
- kopolimery styrenowo-akrylowe SAE,
- kopolimery styrenowo-butadienowe SB,
- polioctan winylu PVA,
- kopolimery octanu winylu PVAE,
8
Dobierając modyfikator polimerowy, rozpatruje się:
- szczelność,
- przyczepność,
- chemoutwardzalność,
- możliwość przebarwień batonu.
Wiązanie mieszanki polimerowo-cementowej przebiega w przypadku PCC-premix, w
wyniku 2 procesów:
- hydratacji cementu,
- tworzenie ciągłej błonki polimeru na skutek wiązania wody przez cement
W przypadku PCC-post-mix przebiega:
- reakcja między żywicą, a utwardzaczem aminowym, powodująca sieciowienie przestrzenne
polimeru,
- reakcja hydratacji cementu.
Betony PCC charakteryzują się:
- większą wytrzymałością na rozciąganie
- większą adhezją zaczynu polimerowo-cementowego
- mniejszą porowatością w warstwie kontaktowej zaczyn-kruszywo
BETONY MODYFIKOWANE KOPOLIMERAMI STYRENOWO-BUTADIENOWYMI SB to jedna z
najstarszych odmian PCC. W ciągu ostatnich 50 lat ułożono nawierzchnie z tego betonu na
ponad 10 000 mostów.
Betony akrylowe odznaczają się odpornością na ścieranie, zwiększoną adhezją, wyższą
wytrzymałością na rozciąganie i zginanie oraz polepszoną udarnością.
Betony epoksydowo-cementowe, (post-mix) odznaczają się: wytrzymałością na rozciąganie i
zginanie (do 3x większa)
Celem modyfikacji jest:
- wzrost wytrzymałości na rozciąganie
- zwiększenie przyczepności,
- poprawa szczelności
- zmniejszenie modułu sprężystości.
BETONY DO ROBÓT PODWODNYCH
Właściwości samo rozpływających się mieszanek betonowych do robót podwodnych:
- odporność na wymywanie zaczynu,
- zdolność do samo poziomowania się, bez zagęszczania mech., jedynie pod wpływem
ciężaru własnego,
- utrzymanie konsystencji podczas koniecznego czasu zachowania urabialności,
- brak objawów sedymentacji oraz segregacji,
- zdolność szczelnego wypełnienia dowolnie ukształtowanego deskowania,
- zdolność do całkowitego odpowietrzania się w czasie płynięcia.
Wymagane właściwości dla mieszanek do robót podwodnych można zapewnić przez
zastosowanie:
- superplastyfikatora
9
- domieszki zwiększające lepkość zaczynu (DZL) – produkowane na bazie celulozy i akrylu.
Mechanizm ich działania związany jest z dużą absorpcją wody przez domieszkę i przejściem
formy żelowej DZL w formę zolową.
Metody badań stopnia wymywania zaczynu z mieszanek betonowych do robót
podwodnych: - stream test, - drop test, - pH factor test, - plumge test CRD-C61, - MC-1 test.
Stream Test - metoda polega na obserwacji mieszanki bet. umieszczonej w rynnie, która jest
poddawana działaniu strumieniu wody. Należy zwrócić uwagę, aby zachować jednakowa
szybkość strumienia wody.
Drop test - polega na wrzuceniu do cylindra wypełnionego wodą mieszanki betonowej w
ilości 300-500g, która powoduje zmętnienie wody.
pH Factor test – polega na umieszczeniu w próbce z wodą porcji mieszanki do robót
podwodnych, po 3 minutach przelewa się wodę z rozmytym zaczynem do próbki, im wyższy
wskaźnik pH, tym zdolność zaczynu do wymywania wyższa.
Plumge test - polega na zanurzeniu próbki mieszanki betonowej znajdującej się w
perforowanym pojemniku w cylindrze pomiarowym wypełnionym wodą i określeniu ubytku
masy mieszanki rozmytej w wodzie.
Test MC-1 – polega na poddaniu 1 kg próbki mieszanki betonowej umieszczonej na wadze
działaniu strumienia rozproszonej wody w czasie. Wynik jest przedstawiony w postaci
krzywej zmiany masy próbki podczas trwania testu. Zmiany podawane są w [%].
Dodatki mineralne w cemencie wpływają na lepkość plastyczną zaczynów cementowych, a
przez to również na lepkość samopoziomujących się mieszanek podwodnych i związany z
tym stopień wymywania mieszanek.
Zwiększenie lepkości plastycznej podwodnej mieszanki betonowej powoduje zmniejszenie
stopnia wymywalności mieszanki.
Wykazano korzystny wpływ pyłów krzemionkowych w cemencie na zmniejszenie stopnia
wymywalności samopoziomującej się mieszanki podwodnej w porównaniu do popiołów
lotnych.
Dodatki mineralne: żużle, popioły, pyły krzemionkowe, modyfikują warstwę kontaktowa
powodując zmniejszenie jej porowatości, jest to wynikiem reakcji wspomnianych dodatków z
produktami hydratacji w betonie i tworzeniu się uwodnionych faz glinianów i krzemianów
wapniowych oraz zmniejszeniem zawartości portlandytu w zaczynie efektem tych procesów
jest: znaczne zmniejszenie udziału dużych porów kapilarnych w matrycy cementowej czyli
zwiększenie wytrzymałości oraz odporności na działanie agresywnych czynników.