Łukasz Cebula

Wojciech Lepiarz

Gr. 3 KBI

Współczesne kierunki badań i zastosowań betonów wysokowartościowych

Najnowsza historia zastosowań betonów wysokowartościo­wych w niektórych krajach obejmuje już ponad 30 lat, podczas gdy w innych niespełna lat 10. Wszędzie jednak w ja­kimś stopniu zaznaczyła się obecność tego materiału. Bardzo powszechne stały się też badania w tej dziedzinie. Publikowa­ne są liczne wyniki nowych badań, stopniowo bardziej zaawanso­wanych i wyspecjalizowanych.

W ostatnim pięcioleciu niezmiernie często organizowane są na temat BWW specjalne konferencje o światowym zasięgu, na które wpływa po kilkaset propozycji referatów. Jednocześnie, na sympozjach największych organi­zacji obejmujących problematykę konstrukcji betonowych są wydzielane specjalne sesje na temat BWW. Ponad­to szereg wąskotematycznych konferencji z dziedziny materia­łów poświęcano poszczególnym składnikom stosowanym w BWW.

Nie ma już żadnych wątpliwości, że upowszechnienie wiedzy o betonach wysokowartościowych‚ akceptacja zbadanych moż­liwości, jakie stwarza ta nowa rodzina materiałów oraz ich sto­sowanie w różnych dziedzinach budownictwa, to trwała tenden­cja w wielu krajach. Można powiedzieć, że cały świat uczy się na podstawie doświadczeń realizacyjnych, towarzyszących badań, uzupełniających odkryć, a także pewnych niepowodzeń — co prawdziwie nowego wnosi beton wysokowartościowy do budow­nictwa.

Na obecnym etapie wprowadzania BWW do praktyki wyko­rzystywane są trzy grupy cech:

- korzystne właściwości mechaniczne, w tym przede wszystkim wysoka wytrzymałość na ściskanie oraz zredukowa­na odkształcalność doraźna i opóźniona;

- duża trwałość w szerokim rozumieniu tego pojęcia, czyli odporność na większość szkodliwych wpływów chemicznych fi­zycznych;

- korzystne cechy technologiczne świeżego betonu, w tym szybki przyrost wytrzymałości i możliwość dostosowania właści­wości reologicznych w szerokim zakresie.

Poszczególni uczestnicy każdego procesu inwestycyjnego w różnym stopniu korzystają z zalet BWW. Projektanci konstrukcji wykorzystują coraz pełniej możliwości wytrzymałościowe betonu, wprowadzając smuklejsze elementy i większe rozpiętości. Czasem dzieje się to niestety nawet z po­minięciem wpływu na przemieszczenia, jako że ze zwiększe­niem wytrzymałości na ściskanie nie zwiększa się równie szyb­ko moduł sprężystości betonów. [RYS. 1]

Architekci podchwycili szansę w wysokich budynkach i w tak zwanych betonach architektonicznych, czyli elewacyj­nych. Wykonawcy i projektanci technologii korzystają najsze­rzej z możliwości, jakie stwarza szybki przyrost wytrzymałości BWW. Na wielką skalę włączyli się w to współzawodnictwo producenci betonów towarowych, dokonując niezbędnych uno­wocześnień wytwórni i środków transportu.

W zakresie ogólnych zasad doboru materiałów do betonów wysokowartościowych, pomimo nieuniknionych różnic regional­nych, powstały konkretne wskazania, poparte zarówno doświad­czeniem, jak i wynikami badań. Można je dziś sformułować na­stępująco w odniesieniu do podstawowych grup składników:

• kruszywo grube: im wyższa zamierzona wytrzymałość na ściskanie, tym mniejszy maksymalny wymiar kruszywa; jest to wskazanie wyraźnie odbiegające od dawnych zasad dotyczą­cych betonów zwykłych. Na podstawie statystycznych obserwa­cji jest to nawet precyzowane ilościowo w odniesieniu do wytrzy­małości średniej: w betonach o wytrzymałości około 75 MPa na­leży ograniczyć największe ziarna do przedziału 20+28 mm, 100 MPa—do 10+20 mm, a 150 MPa—do 10+14 mm;

• piasek: uziarnienie piasku powinno być zwiększane pro­porcjonalnie do zamierzonej wytrzymałości ilości cementu; orientacyjną miarą rekomendowaną jest wskaźnik uziarnienia piasku, który powinien się zawierać w przedziale 2,7 do 3.0; zapewnia to w praktyce znaczący udział grubszych frak­cji piasku. jednak taka miara jest zaledwie przybliżonym kryte­rium przydatności piasku do mieszanek BWW;

• uzupełniające materiały wiążące: dodatki popiołów lot­nych, mielonego granulowanego żużla wielkopiecowego lub na­turalnych pucolanów wymagają kontroli redukcji wczesnej wy­trzymałości betonu (12- lub 24-godzinnej) i porównania z warto­ścią wymaganą;

• pył krzemionkowy: do wytrzymałości około 75 MPa pył krzemionkowy nie jest niezbędny, ale jest konieczny w wypadku wyższych wytrzymałości, przy większości stosowanych cementów.

Kierunki badań BWW

Nie wszystkie metody ba­dawcze zalecane w odniesieniu do betonów zwykłych mogą znaleźć zastosowanie w wypadku BWW. W zakresie podstawo­wych badań są podnoszone niżej podane zastrzeżenia, które utrudniają porównanie wyników.

• Wiele laboratoriów, wyposażanych w przeszłości, nie dys­ponuje prasami wytrzymałościowymi o odpowiednich siłach na­cisku; stosowanie mniejszych próbek rodzi istotne błędy, nie można się tu bowiem posługiwać przeliczeniami za pomocą współczynników, co było jeszcze do zaakceptowania w wypad­ku betonów zwykłych.

• Większość maszyn wytrzymałościowych nie ma zadowa­lającej sztywności. Powoduje to zniekształcenia przebiegu zniszczenia próbek i zakłóca pomiary w opadającej części wy­kresu siła — przemieszczenie.

• Najczęściej stosowane metody przygotowania po­wierzchni próbek przewidują stosowanie materiałów słabszych i bardziej podatnych niż badany beton. Wówczas zniszczenie próbki jest poprzedzone niekontrolowanym zniszczeniem ma­teriału pośredniego, nawet jeśli jego warstwa jest zminimalizo­wana.

• Słabo porównywalne są wyniki badań modułów sprężysto­ści, dla tych samych bowiem wytrzymałości betonu na ściskanie występują istotne różnice wykresów naprężenie — odkształce­nie [RYS. 2], związane ze składnikami, w tym przede wszystkim z rodza­jem kruszywa grubego.

• Tradycyjna metoda pomiaru wodoszczelności traci sens w bardzo szczelnych BWW i należałoby ją zastępować pomia­rem przepuszczalności gazów, jeśli potrzebna jest porównaw­cza miara przepuszczalności betonu.

Wiele badań poświęca się współcześnie zagadnieniom ter­micznym w świeżym betonie, gdyż duża stosunkowo ilość ce­mentu i szybki przyrost wytrzymałości [RYS. 3] mogą sugerować niebez­pieczeństwo niekorzystnych zjawisk, zwłaszcza w konstrukcjach masywnych. Ponieważ łączą się z tym wątpliwości związane z regionalną różnorodnością poszczególnych składników w wielu programach badawczych obecnie realizowanych posta­wiono następujące pytania:

— Czy wyniki badań laboratoryjnych wytrzymałości, odkształ­calności doraźnej, pełzania i skurczu, dokonywanych w warun­kach normowych, mogą dostatecznie poprawnie charakteryzo­wać te właściwości betonu w konstrukcji, zwłaszcza przy więk­szych rozmiarach, gdzie termiczne warunki procesu hydratacji są znacząco odmienne?

— Jaki jest wpływ temperatury na dynamikę procesu hydra­tacji w betonach o małym stosunku wodno-cementowym?

— Czy beton twardniejący w temperaturze 65⁰C lub nawet 75⁰C w masywnej konstrukcji uzyskuje tę samą mikrostrukturę, co beton o tym samym składzie pielęgnowany w warunkach nor­mowych w temperaturze 20⁰C?

— Jak może zmienić się reaktywność uzupełniających mate­riałów wiążących, które w normalnej temperaturze podlegają hy­dratacji wolniej niż cementy portlandzkie?

— Jak nagły, jednorodny przyrost początkowy tempera­tury, po którym następuje niejednorodny, stosunkowo wolny pro­ces stygnięcia do warunków normalnych, wpływa na właściwo­ści betonu w konstrukcji?

Odpowiedzi na te i podobne pytania są trudne do znalezienia w ogólnej formie, z racji wielu wpływają­cych czynników. Z drugiej strony są to kwestie podstawowe, je­śli mamy w pełni odpowiedzialnie stosować BWW.

Drugą grupę intensywnych badań stanowi kontrowersyjny pro­blem mrozoodporności BWW. Nakładają się tu wątpliwości wyni­kające z różnic metod badawczych oraz rozbieżności wyników badań przy stosowaniu tych samych metod badania. Część wnio­sków z badań zmierza do uogólnienia, że w BWW nie uzyskuje się dobrej mrozoodporności bez zastosowania napowietrzenia. Są jednak wyniki badań podważające tę zasadę, choć oczywiście korzystny wpływ odpowiedniego napowietrzenia jest bezsporny.

Odporność BWW na działanie mrozu zależy przede wszyst­kim od stosunku woda/spoiwo i od rodzaju materiałów wiążą­cych (cementu i dodatków mineralnych). Czynniki te wpływają bezpośrednio na porowatość i przepuszczalność zaczynu, a te dwie cechy decydują o odporności betonu na wewnętrzne zary­sowania wynikające z cyklicznego zamrażania i odmrażania. Doświadczenia dotychczasowe wskazują, że samo zmniejsze­nie wartości stosunku woda/spoiwo, na przykład poniżej 0,30 —nie wystarcza. Konieczne jest bowiem uzyskanie takiej porowa­tości w zakresie najmniejszych porów kapilarnych, aby praktycz­nie nie było w BWW wody mogącej zamarzać. Przeciwnie, gdy pory kapilarne będą zbyt znaczne, to zaczyn będzie zawierać za dużo wody zdolnej do zamarzania, a ta spowoduje wewnętrzne zarysowania.

BWW o wytrzymałości na ściskanie około 80 MPa, wyko­nany bez napowietrzenia, z dużą zawartością dodatków mine­ralnych (popioły, mielone żużle lub pyły krzemionkowe) oraz z dość dużym stosunkiem woda/spoiwo, powyżej 0,30, wykazu­je małą mrozoodporność. Tymczasem, podobnej wytrzymałości beton wykonany na cemencie szybkotwardniejącym, z dodat­kiem 6% pyłów krzemionkowych, badany już począwszy od 24 godzin od rozformowania, wykazuje dużą mrozoodporność, około 1000 cykli zamrażania i odmrażania. Uważa się, że jest to wynikiem bardzo szybko zachodzącego samoczynnego skurczu w pierwszej dobie, przy którym wszystkie duże pory kapilarne, mogące zawierać swobodną wodę, zostają osuszone.

O ile wiele już wiadomo na temat wewnętrznych zarysowań wynikających z działania mrozu, to stosunkowo mało jest dotąd wyników badań na temat odporności BWW na powierzchniowe złuszczanie. Badania te są często prowadzone łącznie z bada­niem wpływu środków odladzających. Można jednak z dotych­czasowych badań wnioskować, że BWW wykazuje dużą odpor­ność na złuszczanie mrozowe, bez konieczności napowietrzania mieszanki.

Problem napowietrzania betonu jest szeroko badany nie tylko ze względu na mrozoodporność, ale także w aspekcie ogniood­porności oraz dużego wpływu na reologię mieszanki betonowej.

Ognioodporność betonu jest przedmiotem badań w dwu od­rębnych grupach — samego betonu oraz betonu w konstrukcji żelbetowej lub sprężonej. Z punktu widzenia samego materiału badania potwierdziły wstępne obawy, co do mniejszej odporno­ści betonów wysokowartościowych w stosunku do betonów zwy­kłych. BWW jest zdecydowanie mniej porowaty niż betony zwy­kłe i w warunkach temperatur pożarowych uwalniana woda two­rzy parę wodną rozsadzającą beton przy powierzchni. W konstrukcji żelbetowej może dojść do odsłonięcia zbrojenia i bezpośredniego działania ognia na stal. Naturalnym kierunkiem badań jest określenie wpływu napowietrzenia na zachowanie się BWW w warunkach pożaro­wych.

Szczególne światło na ognioodporność BWW rzuciły obser­wacje i badania podjęte po katastrofalnym pożarze w tunelu pod Kanałem La Manche. Było to wyjątkowe doświadczenie, bo­wiem na stosunkowo dużym fragmencie obudowa z BWW była przez 9 godzin poddana temperaturze do 1000⁰C. Poza centrum pożaru, gdzie beton był całkowicie zniszczony na znaczną głę­bokość, w strefach przyległych stan betonu był stosunkowo do­bry. Stwierdzono, że stało się tak dlatego, że zastosowano w be­tonie włókna polipropylenowe. Włókna te szybko stopiły się i spaliły, tworząc mikrokanaliki, przez które mogła się wydosta­wać para wodna, bez powodowania wewnętrznego ciśnienia i złuszczania betonu. Było to więc zjawisko zbliżone w skutkach do napowietrzenia betonu.

Wpływ napowietrzenia na właściwości reologiczne betonu nie jest w zasadzie niczym nowym — od dawna są stosowane betony komórkowe, a także napowietrzone zaczyny do iniekcji kanałów w kablobetonie. W betonach wysokowartościowych na­powietrzenie ma znaczenie dwojakie. W warunkach mieszanki o małym stosunku woda/spoiwo, zwłaszcza przy domieszce py­łu krzemionkowego, napowietrzenie prowadzi do poprawy ura­bialności, ale jednocześnie musi być brany pod uwagę wpływ na zmniejszenie wytrzymałości. Orientacyjnie można podać, że zwiększenie ilości powietrza w mieszance o 1 % powoduje zmniejszenie wytrzymałości na ściskanie o 5%. Wielu autorów wskazuje jednak, że zalety technologiczne i poprawa trwałości spowodują, że w BWW będą stosowane mieszanki o całkowitej zawartości powietrza od 3 do 4,5%. Oczywiście problemem za­sadniczym jest takie rozproszenie porów kapilarnych, aby ich wymiary były jak najmniejsze. Badania dowiodły, że pory poni­żej 20 nm (nanometrów) zupełnie nie wpływają na wytrzyma­łość.

Rozwój zastosowań BWW

Budynki wysokie. Jest to dziedzina najliczniejszych do­tąd zastosowań BWW, przy czym skala tych zastosowań „syste­matycznie się zwiększa. Początkowo były to tylko słupy najniż­szych kondygnacji, potem trzony i kondygnacje podziemne, a wreszcie stropy. W celu zilustrowania tego rozwoju podano w [tabl. 1] zestawienie budynków wysokich o ustroju nośnym w całości z betonu, w których zastosowano BWW w pionowych elementach nośnych (słupach i trzonach).

Przykładem zastosowań BWW w budynkach wysokich jest 43-piętrowy budynek mieszkalny w Tokio, o wysokości 145 m, zrealizowany w 1997 roku [RYS. 4]. Obiekt wyróżnia się dużą siatką słupów, do 9,50 m, podyktowaną elastycznością rozpla­nowania wnętrz. Jest to kolejny z serii wysokich budynków w Japonii, których realizacje poprzedziły gruntowne badania materiałowe.

Przykład ten ilustruje z jednej strony racjonalne zastosowanie betonu różnych klas, a z drugiej — efektywne połączenie budow­nictwa monolitycznego z prefabrykacją. Betony wysokowartościo­we zastosowano w słupach dolnych 17 kondygnacji i w słupowo-

-ścianowej części podziemnej. Na rysunku zaznaczono zmien­ność założonych wytrzymałości (charakte­rystycznych) betonu w słupach i stropach. W wypadku betonów 80 i 100 MPa uzy­skano po 56 dniach średnie wytrzymałości w pielęgnowanych, termicznie izolo­wanych próbkach odpowiednio 102 i 124 MPa; wytrzymałości betonu w kon­strukcji, badane na próbkach rdzenio­wych, wykazywały wartości o około 6% mniejsze. Mieszanki miały stosunek woda/spoiwo od 0,21 do 0,25. Osiągano istotny w wybranej technologii wznoszenia przyrost wytrzymałości betonu w słupach do co najmniej 30% wytrzymałości projek­towanej w pierwszych 48 godzinach.

Na [RYS. 5] przedstawiono na frag­mencie fazy realizacji konstrukcji:

1) ustawienie deskowań i betonowa­nie słupów z wibrowaniem wgłębnym —deskowanie usuwano po 2 dobach i na­kładano na powierzchnie słupów osłony uszczelniające;

2) montaż prefabrykowanych ele­mentów belkowych;

3) montaż prefabrykatów płyt stropo­wych (analogicznych do płyt „Filigran”) i dodatkowego zbrojenia;

4) układanie betonu uzupełniającego na stropie i wykonywanie zbrojenia słu­pów następnej kondygnacji (gwintowe połączenia głównych prętów ze stali pod­wyższonej wytrzymałości).

Rozwiązania konstrukcyjno-technologiczne dostosowano do cyklu wznoszenia 7 dni na kondygnację (1800 m²). Inny przykład współczesnych zastosowań BWW w budyn­kach wysokich stanowi realizowany budynek trzonowo-szkiele­towy Plaza Rakyat Office Tower w Kuala Lumpur — będzie to najwyższy budynek na świecie w całości zrealizowany z betonu. Trzonowo-szkieletowy biurowiec ma 77 kondygnacji nadziem­nych i jest jednym z najbardziej smukłych budynków, gdyż stosunek jego wysokości do wymiaru podstawy przekracza 8. Budynek ma 6 kondygnacji podziemnych i jest posa­dowiony na palach za pośrednictwem żelbetowego rusztu o wy­sokości 3,5 m.

Mosty. Różnorodność zastosowań BWW w mostach jest bardzo duża, czemu sprzyjają różne rozwiązania konstrukcyjne. Wybrano dwa przykłady z Europy ilustrujące niektóre tendencje.

Most Stolma w Norwegii. ukończony pod koniec 1998 ro­ku, jest w swej dziedzinie rekordowy, po raz pierwszy bowiem w mostach belkowych wykonywanych metodą wspornikową przekroczono tu granicę 300 m rozpiętości przęsła [RYS. 6]. Re­kord ten był podyktowany warunkami lokalizacyjnymi, a stało się to możliwe dzięki bardzo wnikliwej analizie zastosowania betonów wysokowartościowych. Osta­tecznie zastosowano w całej konstrukcji beton C65, z wyjątkiem środkowej partii głównego przęsła (182 m), gdzie zastosowano beton lekki LC60. Zmniejszenie gęstości ob­jętościowej betonu do 1940 kg/m³ dało możliwość zwiększenia rozpiętości głównego przęsła z pierwotnie projektowanej 284 do 301 m, z zachowaniem wstępnych wskaźników ekonomicz­nych. Korzyści z lepszych warunków posadowienia podpór skompensowały całkowicie wyższe koszty jednostkowe beto­nu lekkiego. Zastosowano przestawne deskowania zamocowane na prze­jezdnych suwnicach, umożliwiające betonowanie segmentów o długości 5 m. Bardzo dokładne badania materiałowe poprze­dzające realizację, komputerowe obliczenia i ciągłe kontrolne pomiary doprowadziły — mimo trudnych warunków klimatycz­nych — do precyzji w zakresie 10 mm w miejscu styku wsporni­ków w środku przęsła.

Drugi wybrany przykład pochodzi z Niemiec— jest to pierwszy w Niemczech sprężony wiadukt drogowy w całości z BWW, zabetonowany w poło­wie 1998 roku. Ten stosunkowo niewielki obiekt o monolitycznej konstrukcji płyto­wej [RYS. 7], do którego wykonano pełne projekty przy założeniu dwóch różnych klas betonu — B35 I B85, zrealizowano z betonu B85. Badania i konsultacje zapewnił Uniwersytet Techniczny w Lipsku, wiodąca obecnie niemiecka jednostka badawcza w zakresie BWW. Porównanie przekroju płyty mostowej w obydwu wa­riantach daje obraz efektów technicznych — płyta z BWW jest o 27% lżejsza .

Nawierzchnie. Szeroki zakres stosowania BWW w na­wierzchniach dróg i lotnisk wynika przede wszystkim z trwałości, a w dalszej kolejności z wytrzymałości. Krajem, w którym naj­wcześniej masowo do tych celów stosowano BWW, była Norwe­gia, gdzie już od 10 lat betony klas powyżej 100 były używane za­równo w nowych obiektach, jak i w naprawach dotyczących usu­wania kolein tworzonych przez pojazdy z łańcuchami na kołach. W krajach o racjonalnym podejściu do budowy autostrad, gdzie zakłada się co najmniej 30-letnią trwałość nawierzchni ja­ko wymaganie ekonomiczne, są prowadzone intensywne bada­nia na prototypowych odcinkach wykonanych z BWW zbrojo­nych specjalnie zabezpieczonymi wkładkami (pręty stalowe po­wlekane żywicą epoksydową lub pręty z włókien szklanych)

W betonach do wykonywania nawierzchni są zalecane, oprócz oczywistych wymagań trwałości i wytrzymałości, bardzo duże wyma­gania technologiczne — w tym precyzyjnie, do różnych warunków dobierana urabialność umożliwiająca formowanie agregatem ślizgowym pasma nawierzchni, szybki przyrost wy­trzymałości i odporności na ścieranie oraz duża odporność na działanie soli już w młodym betonie.

Podsumowanie

Przybliżone oceny wskazu­ją, że o ile wysoka wytrzymałość może być decydująca przy wy- borze BWW w niespełna 10% konstrukcji betonowych, to trwa­łość może zadecydować o wyborze BWW w 25 - 35% tych kon­strukcji w przyszłości.

Pod względem materiałowym uważa się, że o ile BWW będą zawsze bazować na mieszankach o małym stosunku woda/spo­iwo, zawierających superplastyfikatory, to technologia ich pro­dukcji układania ulegnie zmianom. Przyszłe BWW będą zawie­rały mniej cementu, mniej wody, więcej zastępczych materiałów wiążących i więcej domieszek różnego rodzaju. Przewiduje się, na podstawie tendencji dotychczasowych, że cementy port­landzkie będą ewoluować w kierunku przewagi belitu. Oczekuje się skutecznego zmniejszenia ciepła hydratacji, a także mniejszego skurczu i pełzania BWW. Ma to być materiał mniej wrażliwy na zmienność cech cementu i su­perplastyfikatorów, a także na warunki dojrzewania betonu.

Wielki postęp w zrozumieniu zjawisk w betonach wysokowar­tościowych opierał się na rozwoju wiedzy o jego mikrostruktu­rze. Oczekuje się, że postęp ten będzie miał miejsce nadal, a podstawy teoretyczne stworzą badania nanostruktury betonu, do których zaplecze techniczne jest już przygotowane. Pozwoli to na poznanie dalszych praw fizyki i chemii decydujących o za­chowaniu się betonu, a w konsekwencji dostarczy informacji wiążących obszary nauki i praktyki.