Betony wysokowartościowe

Betony wysokowartościowe

Prof. dr hab. Stefania Grzeszczyk

Prof. dr hab. Stefania Grzeszczyk

OPOLE

W latach siedemdziesiątych poprzez modyfikację

matrycy

cementowej

domieszkami

i

dodatkami

mineralnymi

otrzymano

betony

o wytrzymałości ponad 50 MPa. Wtedy pojawiły się w

literaturze pierwsze wzmianki o betonach wysokiej

wytrzymałości (High Strength Concrete). Następne lata

przyniosły gwałtowny postęp w dziedzinie technologii

betonów wysokowartościowych (HPC- High Performance

Concrete).

Nazwa

HPC

okazała

się

bardziej

odpowiednia,

ponieważ

uwzględnia

nie

tylko

wytrzymałość betonu ale również inne cechy związane

głównie z trwałością betonu.

W

Polsce

dla

grupy

betonów

wysokowartościowych zaproponowano określenie

BWW.

Grupa

ta

obejmuje

betony

o wytrzymałości od 60 MPa do 100 MPa.

Natomiast dla betonów o wytrzymałości powyżej

100

MPa

przyjęto

nazwę

betony

bardzo

wysokowartościowe (BBWW).

FHWA (Federal Highway Administration) w 1996 r.

zdefiniowała HPC używając czterech parametrów

określających trwałość oraz czterech parametrów

określających cechy mechaniczne. Parametry związane z

trwałością to odporność na cykliczne zamrażanie

i rozmrażanie, złuszczenia solne, przepuszczalność i

ścieralność; cechy mechaniczne określa wytrzymałość na

ściskanie, moduł sprężystości, pełzanie i skurcz.

Strategic

Highway

Research

Program

(SHRP)

proponuje uznać za beton wysokowartościowy materiał,

który spełnia co najmniej jedno z przedstawionych poniżej

kryteriów:

• wytrzymałość na ściskanie po 4 godzinach ≥ 20

MPa,

• wytrzymałość na ściskanie po 24 godzinach ≥ 35

MPa,

• wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach ≥ 70 MPa,
• wskaźnik trwałości na cykliczne zamarzanie > 80%

po 300 cyklach (badania amerykańskie),

• stosunek w/c poniżej 0,35.

Beton wysokowartościowy BWW stanowi pewnego

rodzaju modyfikację składu betonu tradycyjnego, gdzie

oprócz takich składników jak cement, kruszywo i woda

wprowadza się dodatki mineralne i domieszki chemiczne,

które modyfikują mikrostrukturę matrycy cementowej

i warstwy przejściowej kruszywo-zaczyn.

Skład betonów wysokowartościowych różni się od składu

betonów zwykłych przede wszystkim większą zawartością

składników

drobnoziarnistych

(cementu,

mikrowypełniaczy), mniejszym stosunkiem w/c, osiąganym

poprzez

stosowanie

superplastyfikatorów,

mniejszą

zawartością kruszywa grubego (maksymalne uziarnienie nie

powinno przekraczać 16 mm).

Na wytrzymałość i trwałość betonu wpływają

przede wszystkim: wytrzymałość matrycy cementowej

i

wytrzymałość

kruszywa.

Duży

wpływ

na

wytrzymałość matrycy cementowej ma jej porowatość,

zwłaszcza udział dużych porów. W tym przypadku

nawet niewielka ich ilość powoduje znaczne

zmniejszenie wytrzymałości matrycy cementowej i

warstwy

przejściowej

pomiędzy

zaczynem

i kruszywem. Pory w matrycy cementowej, w

zależności od wielkości i struktury, w różnym stopniu

naruszają ciągłość struktury betonu.

Warstwa przejściowa

Specyficznym

obszarem

występowania

nieciągłości

w betonie jest warstwa przejściowa

kruszywo-zaczyn.

Warstwa przejściowa w betonach wysokowartościowych

jest najsłabszym elementem tego betonu. Warstwa

przejściowa

jest

bogatsza

w kryształy wodorotlenku wapniowego i charakteryzuje ją

zwiększona porowatość. Uczestniczy ona w przenoszeniu

naprężeń pomiędzy kruszywem i matrycą cementową i

najczęściej z nią wiąże się zapoczątkowanie procesu

zniszczenia betonu.

Dodatki mineralne do cementu (pyły krzemionkowe,

drobno mielone granulowane żużle wielkopiecowe,

popioły lotne)modyfikują warstwę przejściową powodując

zmniejszenie

jej

porowatości.

Jest

to

wynikiem

zachodzących reakcji z produktami hydratacji cementu w

betonie

i tworzeniem się faz uwodnionych krzemianów i glinianów

wapniowych.

Cement

Betony wysokowartościowe wymagają zwiększonej ilości spoiwa,

przeważnie około 400 kg/m

3

, często zawartość cementu przekracza 500 kg/m

3

.

Rozwój wytrzymałości BWW zależy od doboru cementu.

Wykonanie BWW wymaga również zastosowania cementu o stałych

właściwościach,

co

w pewnym przybliżeniu oznacza dużą stabilność składu chemicznego.

Do otrzymywania BWW zaleca się stosowanie:

• cementu portlandzkiego CEM I, klasa cementu od 42,5R wzwyż,
• zawartość alitu C

3

S powyżej 50% masy cementu,

• łączna suma krzemianów około 75-80%,

• powierzchnia właściwa cementu wg Blaine’a ≥ 280 m

2

/kg,

• zawartość C

3

A poniżej 8%,

• zawartość SO

3

≤ 4,0%,

• zawartość MgO ≤ 5,0%,
• zawartość alkaliów ≥ 0,6% Na

2

O

eq

.

Kruszywo

Za podstawę kwalifikacji kruszyw grubych do betonów BWW

należy przyjąć:

•wysoką wytrzymałość skał przeznaczonych do ich produkcji,

•cechy geometryczne ziaren kruszywa (kształt ziarna zbliżony do

sześcianu),

•regularny rozkład uziarnienia, czyli tzw. ciągłość uziarnienia,

maksymalna wielkość ziarna nie powinna przekroczyć 16 mm,

•zdefiniowane oddziaływanie chemiczne w stosunku do cementu,

•kształt ziaren, powinien być bez udziału ziaren płaskich i

wydłużonych. Kruszywo nie powinno wpływać na zmniejszenie
urabialności mieszanki betonowej i nie powodować jej segregacji,

•powinno charakteryzować się dużą szorstkością powierzchni

ziaren w celu zwiększenia przyczepności do zaczynu w strefie
kontaktowej kruszywo-zaczyn,

•powinno być czyste, tzn. całkowicie pozbawione zanieczyszczeń

w postaci ciał obcych i związków organicznych, a w szczególności
gliny i miki na powierzchni ziaren.

Kruszywa do betonów wysokowartościowych powinny

spełniać te same ogólne wymagania, jakie dotyczą kruszyw

do betonów zwykłych, uzupełnione o następujące wymagania

normowe:

• odporność na rozdrabnianie – współczynnik Los

Angeles ≤ 15

(kategoria LA

15

),

• zawartość pyłów < 1,5% (kategoria f

1,5

),

• stałość objętości – skurcz przy wysychaniu nie większy

niż 0,075%,

• odporność na zamrażanie i rozmrażanie – ubytek masy

≤ 1%

(kategoria F

1

),

• zawartość chlorków rozpuszczalnych w wodzie poniżej

0,01%,

• zawartość siarki całkowitej poniżej 0,1%,

• nasiąkliwość poniżej 1%,

• kruszywo niereaktywne w stosunku do alkaliów w

cemencie.

Do otrzymywania BWW stosowane są kruszywa łamane,

pochodzące ze skał magmowych głębinowych (kruszywa

granitowe i sjenitowe, a także gabra) oraz ze skał

magmowych wylewnych (bazalt, porfir, melafir). Kruszywa

produkowane ze skał metamorficznych to kruszywa

serpentynitowe i kwarcytowe, a także z gnejsów i

amfibolitów.

Zaleca się na ogół , aby kruszywa grube i drobne

pochodziły z tej samej skały. Kruszywo drobne nie powinno

zawierać frakcji < 0,125 mm, które charakteryzuje się

bardzo dużą wodożądnością. Dlatego do wytwarzania BWW

stosuje się wyłącznie kruszywo płukane.

Domieszki chemiczne

Superplastyfikatory

nowej

generacji

mogą

zredukować ilość wody nawet o 30% przy nieznacznym
opóźnieniu procesu wiązania w odróżnieniu od wcześniej
stosowanych plastyfikatorów na bazie lignosulfonianów.
Ponadto ich stosowanie pozwala wydłużyć efektywny czas
utrzymywania właściwej konsystencji mieszanki betonowej
do
1 godziny.

Efektywność

działania

superplastyfikatorów

najnowszej generacji wynika z mechanizmu ich działania.
Oprócz typowych oddziaływań kulombowskich pomiędzy
cząsteczkami

cementu

i

superplastyfikatora

(charakterystycznego dla superplastyfikatorów SMF i SNF)
wpływ na deflokulację zaczynu ma efekt steryczny
łańcuchów bocznych superplastyfikatora

.

Przy doborze superplastyfikatora należy brać pod uwagę

rodzaj

cementu

i jego skład mineralny. Należy doświadczalnie ocenić

kompatybilność superplastyfikatora z cementem, ponieważ

niema dwóch takich samych cementów i dwóch takich

samych

superplastyfikatorów,

które

reagują

w identyczny sposób.

Najbardziej kontrowersyjną grupą domieszek stosowanych

w

BWW

są domieszki napowietrzające. Napowietrzenie betonu ma

służyć zwiększeniu jego odporności na działanie mrozu i

poprawie

urabialności

i spójności mieszanki, ale wiąże się z utratą wytrzymałości.

Niektórzy badacze podważają konieczność stosowania

domieszek napowietrzających w BWW, zwłaszcza w

betonach z dodatkiem pyłu krzemionkowego, stwierdzając,

iż ze względu na dużą szczelność i niską porowatość nie

jest on materiałem podatnym na niszczące działanie mrozu.

Natomiast

np. normy kanadyjskie zakładają użycie domieszek

napowietrzających

w każdym betonie narażonym na cykliczne zamarzanie.