XLVIII KONFERENCJA NAUKOWA
KOMITETU INŻYNIERII L
DOWEJ I WODNEJ PAN
I KOMITETU NAUKI PZITB
Opole  Krynica 2002
Lucyna DOMAGAA
A1
KSZTAA
TOWANIE WYTRZYMAA
OŚCI BETONÓW LEKKICH
Z KRUSZYW ZE SPIEKANYCH POPIOA
ÓW LOTNYCH
1. Wprowadzenie
Dostępny na rynku szeroki asortyment kruszyw lekkich, obejmujący kruszywa zarówno
naturalne jak i sztuczne, produkowane na bazie różnych materiałów wyjściowych i przy
różnych technologiach produkcji, umożliwia otrzymywanie betonów lekkich o bardzo
szerokim zakresie charakterystyk, od betonów izolacyjnych do betonów konstrukcyjnych
wysokiej wytrzymałości. Tak szeroki zakres rozmaitych właściwości betonów lekkich,
stwarza moż liwości ich stosowania jako wszechstronnego materiału budowlanego, co
potwierdza dynamiczny rozwój w ostatnim dziesięcioleciu budownictwa konstrukcyjnego na
bazie tych betonów.
Największy postęp w technologii wykonywania i projektowania w tej dziedzinie ma
miejsce w przypadku betonów lekkich wysokich wytrzymałości (LBWW). Dzięki swoim
specyficznym właściwościom znajdują one zastosowanie w najbardziej spektakularnych
przedsię wzięciach budowlanych, spośród których należ y chociażby wymienić: wieżowce
Water Tower Plaza w Chicago, Yokohama Landmark Tower w Japonii, norweskie mosty
pontonowe Bergsłysundet, Nordhordlands oraz platformy wiertnicze na Morzu Północnym
Troll GBS i Heidrun TLP.
Dzięki moż liwości osiągania wysokich poziomów wytrzymałości (nawet do 120 MPa)
przy relatywnie niskiej gęstości objętościowej (do 2000 kg/m3), dobrej izolacyjności
termicznej i trwałości podczas eksploatacji, na świecie LBWW często stosuje się zamiast
betonów o normalnym ciężarze i wysokich wytrzymałościach (BWW).
Pomimo tak istotnych zalet, w budownictwie polskim w dalszym ciągu rzadko korzysta
się z LBWW. Zasadniczą przyczyną takiego stanu rzeczy jest nie tyle brak odpowiednio
wytrzymałych kruszyw lekkich, ale przede wszystkim brak ustalonych i niezawodnych
procedur przy projektowaniu i wykonywaniu betonów na bazie tych kruszyw, które w
ostatnim czasie pojawiły się na rynku krajowym.
2. Kształtowanie wytrzymałości lekkich betonów kruszywowych
O odmiennym mechanizmie kształtowania wytrzymałości betonów lekkich w głównej
mierze decydują specyficzne właściwości kruszyw lekkich, spowodowane ich porowatą
1
Dr inż., Zakład Technologii Betonów Politechniki Krakowskiej
12
strukturą. Wysoka porowatość stosowanych kruszyw lekkich, dochodząca nawet do
60%, implikuje pozostałe ich właściwości takie jak: wysoka nasiąkliwość (nawet do
30%), niska gęstość pozorna (do 1800 kg/m3 wg PN-86/B-23006; do 2000 kg/m3 wg EN
206-1:2000) i nasypowa, niski moduł sprężystości porównywalny z matrycą oraz niska
wytrzymałość.
Zatem wpływ kruszywa na kształtowanie wytrzymałości lekkich betonów
kruszywowych ma dwojaki charakter. Z jednej bowiem strony, w betonach lekkich, a w
szczególności w LBWW, kruszywo jest najsłabszym elementem wytrzymałościowym i to
właśnie ono ogranicza poziom wytrzymałości betonu. Dodatkowo stosowanie kruszyw
lekkich implikuje ograniczenie modułu sprężystości betonu, zwiększa jego skurcz i zuż ycie
cementu, pogarsza urabialność mieszanki betonowej. Z drugiej jednak strony zapewnia
obniżenie gęstości objętościowej betonu, wzrost jego izolacyjności termicznej oraz
korzystny rozkład naprężeń w czasie obciążenia. Ta ostatnia właściwość lekkich betonów
kruszywowych związana jest nie tylko z wię kszą ich jednorodnością, spowodowaną
porównywalnymi modułami sprężystości kruszywa i matrycy, ale również z zapewnieniem
przez technologię produkcji kruszyw sztucznych ich regularnego kształtu i tekstury
gwarantującej dobrą przyczepność do matrycy. Stąd dla lekkich betonów kruszywowych
zależność naprężenie-odkształcenie ma bardziej liniowy charakter niż w przypadku betonów
na kruszywach zwykłych, a pierwsze rysy pojawiają się dopiero w momencie, gdy
naprężenia osiągają poziom 85  90% naprężeń maksymalnych.
Podsumowując, spośród czynników materiałowych najsilniejszy wpływ na poziom
wytrzymałości lekkich betonów konstrukcyjnych ma rodzaj użytego kruszywa. Należ y
jednak pamię tać, że wpływ czynników technologicznych, uwzględniających sposób
wykonywania i pielęgnacji betonów lekkich na ich właściwości okazuje się być również
znacznie silniejszy niż dla betonów na kruszywach zwykłych. To właśnie pominię cie
wpływu rodzaju kruszywa oraz parametrów technologicznych na kształtowanie właściwości
betonów lekkich czę sto stanowi przyczynę rozbieżności wyników uzyskiwanych przez
różnych badaczy i uniemoż liwia ustalenie jednoznacznej relacji ilościowej pomię dzy
poszczególnymi charakterystykami tych betonów, a parametrami materiałowymi.
2.1. Wpływ parametrów materiałowych
Do najczęściej wskazywanych w literaturze parametrów materiałowych, opisujących wpływ
wytrzymałości matrycy i jej procentowego udziału na kształtowanie wytrzymałości betonów
na danym rodzaju kruszywa lekkiego, należ y zaliczyć: zawartość cementu danej klasy,
zawartość matrycy, współczynnik wodno-cementowy, zawartość kruszywa, stosunek
objętościowy kruszywa do matrycy oraz rozmiar ziaren kruszywa.
Wpływ wytrzymałości matrycy na wytrzymałość betonu lekkiego, charakteryzowanej
wskaz
nikiem W/C, ma nieco inny charakter niż w przypadku betonów na kruszywie
zwykłym. Na skutek dynamicznego procesu absorpcji przez kruszywo wody / zaczynu z
mieszanki betonowej, rzeczywisty stosunek wody do cementu, determinujący wytrzymałość
matrycy, jest niższy i trudny do określenia. Zatem posługiwanie się wskaz
nikiem W/C, jako
wyznacznikiem wytrzymałości betonów lekkich, uzasadnione jest tylko w przypadkach
stosowania kruszywa nawilżonego w takim stopniu, że odciąganie wody z mieszanki będzie
zminimalizowane. W ogólnym jednak przypadku wpływ wytrzymałości matrycy na
wytrzymałość betonów lekkich częściej jednak uwzględnia się poprzez zawartość cementu,
zakładając, że adsorpcja zaczynu cementowego przez kruszywo jest znacznie słabsza niż
wody. Dla zapewnienia odpowiedniego poziomu wytrzymałości betony lekkie konstrukcyjne
z reguły wymagają znacznie wię kszego zuż ycia cementu (w niektórych przypadkach
13
przekraczające nawet 1200
kg/m3 [1]) oraz niższych W/C
niż betony na kruszywach
zwykłych. Z jednej strony
wynika to z dużej szorstkości i
porowatości kruszyw lekkich,
powodujących znaczną zaczy-
nożądność stosu okruchowego
dla zapewnienia struktury
zwartej oraz odpowiedniej
konsystencji mieszanki, z
drugiej zaś strony z ograniczeń
wytrzymałościowych samego
kruszywa. Z uwagi na te
właśnie ograniczenia, jak
Rys. 1. Zależ ność pomiędzy 28. dniową wytrzymałością
również powstałe w betonie
na ściskanie i zawartością cementu dla betonów lekkich
mikrorysy skurczowe, w
na różnych kruszywach: (A) popiołoporyt i piasek
literaturze podawane są,
naturalny, (B) granulowany żużel wielkopiecowy i
zależnie od zastosowanego
piasek naturalny, (C) popiołoporyt, (D) spiekane łupki
rodzaju kruszyw lekkich,
wę glowe, (E) łupkoporyt, (F) gliny pęczniejące i piasek
graniczne zawartości cementu
naturalny, (G) pumeks hutniczy [2]
w zakresie pomiędzy 400 a
600 kg/m3, przekroczenie
których nie zapewnia już dalszego wzrostu wytrzymałości betonu. Analogiczne ograniczenia
dla W/C kształtują się w przedziale 0,25  0,35.
O ile przy projektowaniu betonów zwykłych wpływ proporcji ilościowych kruszywa i
matrycy może być pominięty z uwagi na fakt, iż najsłabsze ogniwo wytrzymałościowe tych
betonów z reguły stanowi strefa kontaktowa, o tyle w przypadku betonów lekkich proporcje
te w zasadniczy sposób wpływają na wytrzymałość betonu. Wobec doskonałej przyczepności
porowatej powierzchni zewnę trznej kruszyw do matrycy, zapewnionej dzięki mechanizmowi
zazębiającemu, wspomaganemu wzmocnieniem w strefie kontaktowej zarówno matrycy jak i
samego kruszywa poprzez absorpcję zaczynu i wody przez kruszywo, istnieje możliwość
pełniejszego wykorzystania kompozytowego charakteru betonu lekkiego z uwzględnieniem
wpływu udziałów procentowych poszczególnych faz. Wpływ ten w literaturze uwzględniany
jest najczęściej poprzez względną zawartość kruszywa lekkiego. Przyjmuje się, że z punktu
widzenia wytrzymałości betonu, dla każdego rodzaju kruszywa lekkiego, przy stałej ilości
cementu, istnieje pewna optymalna jego zawartość, zależ na od gęstości nasypowej. Użycie
ilości mniejszej od optymalnej powoduje uzyskanie mniejszej wytrzymałości betonu i jego
wię kszej gęstości. Natomiast wię ksza ilość kruszywa lekkiego powoduje powstanie betonu o
nie całkiem zwartej strukturze, co również prowadzi do zdecydowanego spadku jego
wytrzymałości, nie mówiąc już o jego szczelności i tym samym braku zdolności do
zabezpieczenia prętów zbrojeniowych przed korozją. Istnieją przykłady wskazujące, że jeżeli
ilość kruszywa lekkiego w betonie przekracza 40% jego objętości, to nawet gdy zastosowano
wysokowytrzymałą matrycę, wytrzymałość betonu jest równa wytrzymałości ziarn kruszywa
lekkiego [3].
Wobec zdecydowanie wyższych wytrzymałości kruszywa w stosunku do matrycy, dla
betonów zwykłych kryterium doboru stosu okruchowego o maksymalnej szczelności ma
swoje uzasadnienie. Tymczasem w przypadku betonów lekkich nie jest ono zupełnie słuszne,
choć niestety często stosowane. W procesie kształtowania wytrzymałości betonów na
14
kruszywie lekkim danego rodzaju nie bez znaczenia jest bowiem rozmiar ziaren kruszywa.
Generalnie dla tego samego rodzaju kruszywa lekkiego, frakcje drobniejsze dają wyż sze
wytrzymałości betonu. Efekt ten, obserwowany również w przypadku betonów
konwencjonalnych, jest znacznie silniejszy dla betonów lekkich i w tym ostatnim przypadku
bynajmniej nie należ y go tłumaczyć wyłącznie obniżeniem koncentracji naprężeń w betonie.
W głównej mierze spowodowany jest bowiem korzystniejszym rozkładem porowatości
ziaren o mniejszych średnicach, co związane jest z technologią produkcji kruszyw
sztucznych, w szczególności tych poddawanych obróbce termicznej [4].
3. Badania własne
Celem podjętych badań była weryfikacja wpływu poszczególnych parametrów
materiałowych na kształtowanie wytrzymałości lekkich betonów kruszywowych. Betony
wykonano na kruszywie ze spiekanych popiołów lotnych  pollytag, które w ramach
wcześniejszych badań [5] wytypowano spośród kruszyw lekkich dostępnych na rynku
krajowym, jako stwarzające najwię ksze moż liwości osiągania wysokich wytrzymałości
betonów lekkich, przy ich relatywnie niskich gęstościach objętościowych. Wyniki badań
zastosowanego kruszywa popiołoporytowego, przedstawiono w tab. 1.
Tablica 1. Zestawienie wyników badań kruszywa popiołoporytowego
Oznaczenie frakcja 8 � 16 frakcja 4 � 8
� = 2.50 g/cm3 � = 2.50 g/cm3
Gęstość właściwa
Gęstość pozorna �p = 1.25 g/cm3 �p = 1.25 g/cm3
Gęstość nasypowa
" w stanie luz
nym: �nl = 721 kg/m3 �nl = 728 kg/m3
" w stanie zagęszczonym: �nz = 806 kg/m3 �nz = 824 kg/m3
Szczelność S = 49.6 % S = 49.6 %
Porowatość P = 50.4 % P = 50.4 %
Nasiąkliwość
" 30.-minutowa: n30 = 17.3 % n30 = 15.0 %
nk = 25.0 % nk = 22.1 %
" maksymalna:
Wskaz
nik rozkruszenia Xr = 5.7 % Xr = 2.3 %
Wytrzymałość bezpośrednia Rk = 0,13 MPa Rk = 0,17 MPa
Średnia średnica ziarna 8.8 mm 7.2 mm
Proporcje stosu okruchowego o max.
1 1
szczelności
Przy wykonywaniu betonów lekkich uwzględniono zmienność trzech parametrów:
wytrzymałości zaprawy stanowiącej matrycę poprzez W/C, wytrzymałości kruszywa poprzez
różne uziarnienie oraz proporcji ilościowych kruszywa i matrycy poprzez P/C (przy
założeniu, że wzrost stosunku piasku do cementu implikuje wzrost zawartości matrycy dla
zachowania ustalonej konsystencji plastycznej). Zakres zmienności tych parametrów był
następujący: W/C ={0,54; 047; 040; 0,33; 0,26}; stosunek frakcji 4  8 mm : 8  16 mm =
{1:0; 1:1; 0:1}; P/C = {0,25; 0,50; 0,75; 1,0; 1,25; 1,50}.
Wszystkie betony wykonywane były na cemencie CEM I 52,5, piasku naturalnym,
grubym kruszywie pollytag nawilżonym do poziomu jego nasiąkliwości 30. minutowej oraz
superplastyfikatorze najnowszej generacji na bazie eteru polikarboksylowego.
Wytrzymałości badanych zapraw zawierały się w przedziale od 50,5 do 95 MPa. Prze-
dział zmienności odpowiadających im wytrzymałości betonów lekkich był odpowiednio niż -
szy: od 36,5 do 70,5 MPa. Gęstości wykonanych betonów wahały się od 1487 do 1968 kg/m3.
15
Zatem, zgodnie z normą polską PN-91/B-06263, wykonane betony moż na zaklasyfikować
jako LBWW odmian 1,6; 1,8 oraz 2,0.
4. Analiza wyników
Wszystkie trzy uwzględnione w programie badań parametry P/C, W/C oraz uziarnienie
kruszywa wywierały wpływ na wytrzymałość betonu lekkiego. Im wyższe P/C oraz niższe
W/C, a uziarnienie kruszywa drobniejsze, tym wytrzymałość betonów lekkich wię ksza.
Należ y jednak zaznaczyć, że wpływ uziarnienia/ wytrzymałości kruszywa ujawnił się
dopiero przy wyższych poziomach wytrzymałości betonu i był tym silniejszy im mniejszy
stosunek wytrzymałości kruszywa do matrycy. Stąd przy matrycach o W/C = 0,54 wpływ ten
nie był jeszcze widoczny, natomiast przy W/C = 0,26 frakcja 4-8 mm dawała wytrzymałości
betonu wyższe niż frakcja 8-16 mm o ca 10 do 20%, zależnie od zawartości matrycy w
stosunku do kruszywa. Ponieważ średnie średnice ziaren obu frakcji różniły się minimalnie
(patrz tab. 1), należy przypuszczać, że wię ksze zróżnicowanie rozmiaru ziaren zaowocuje
jeszcze większym zróżnicowaniem wytrzymałości betonów.
Przekształcenia zależności wytrzymałości na ściskanie badanych betonów od
parametrów wyjściowych, umoż liwiają otrzymanie nowych zależ ności uwzględniających
wpływ parametrów, które najczęściej stosowane są przy modelowaniu wytrzymałości
betonów lekkich. Zależności te przedstawiono na rysunkach 3  9 na przykładzie betonów
na kruszywie popiołoporytowym frakcji 4-8 mm (R = 0,97).
Interpretacja większości otrzymanych zależ ności jest dość jednoznaczna. Im wskaz
nik
wodno-cementowy niższy, a zatem im matryca bardziej wytrzymała oraz im wię ksza
zawartość matrycy w stosunku do kruszywa o niższej wytrzymałości (mniejsze Ks, Ks/M,
k/m, a większe M i Pp  oznaczenia wg rys.3-9) tym wytrzymałość betonu większa. Zatem
przy zapewnieniu zwartej struktury betonu, a takie było założenie projektowe dla badanych
betonów, nie istnieje optymalna zawartość kruszywa z uwagi na kształtowanie
wytrzymałości betonu. Bowiem przy wysokowytrzymałych matrycach, każdy wzrost
zawartości kruszywa, podobnie jak każdy spadek wytrzymałości matrycy, będzie pociągał za
sobą spadek wytrzymałości betonu. Taki mechanizm kształtowania wytrzymałości LBWW,
potwierdza wybitnie kompozytowy charakter tego materiału, zapewniony poprzez znakomitą
współpracę obu faz.
Analiza wpływu zawartości cementu na wytrzymałość betonu lekkiego wykazała
natomiast, że zależność ta wcale nie jest tak jednoznaczna jak wskazuje to literatura.
Bowiem dany poziom wytrzymałości betonu lekkiego moż na osiągnąć przy różnych
zawartościach cementu, przy czym obniżanie tej zawartości musi być zrównoważ one
wzrostem zawartości matrycy (przy równoczesnym wzroście P/C), co wiąże się również ze
wzrostem gęstości betonu. Przykładowo: wytrzymałość 55 MPa można uzyskać przy
zawartościach cementu w tak znacznych granicach jak ca 380 do 620 kg/m3, zależnie od
ilości matrycy, jej wytrzymałości i uziarnienia/wytrzymałości kruszywa. Takiemu wzrostowi
zawartości cementu odpowiada spadek gęstości betonu w zakresie ca 1750 do 1650 kg/m3.
Zatem wpływ zawartości cementu na wytrzymałość betonu lekkiego powinien być
uwzględniany bardziej poprzez wpływ wytrzymałość matrycy i jej zawartość niż jako
niezależ ny parametr.
Podsumowując. Proces kształtowania wytrzymałości betonu lekkiego wysokiej
wytrzymałości uwzględniać musi co najmniej trzy zmienne niezależ ne, które opisują wpływ
wytrzymałości kruszywa, wytrzymałości matrycy i proporcji ilościowych pomiędzy obiema
fazami. Pominięcie którejkolwiek z tych zmiennych powoduje, iż wykreowany model nie
przystaje do rzeczywistości, co uniemożliwia nie tylko jego uniwersalne stosowanie, ale
16
i wykorzystanie jako podstawy do projektowania. Pozostałe parametry, które najczęściej
stosuje się przy modelowaniu wytrzymałości betonów lekkich, sprowadzić moż na do
przypadku tych trzech zmiennych, co przedstawiono na rys. 10.
fcc,28
[MPa]
P/C
W/C
P/C
fmc [MPa]
Rys. 4 Wpływ zawartości cementu.
Rys. 3. Wpływ wytrzymałości zaprawy
fcc,28
fcc,28
[MPa]
P/C P/C
[MPa]
W/C
W/C
Ks [kg/m3]
M [kg/m3]
Rys. 6. Wpływ zawartości kruszywa
Rys. 5. Wpływ zawartości zaprawy
P/C
P/C
W/C
W/C
Rys. 8. Wpływ proporcji masowych
Rys. 7. Wpływ proporcji objętościowych
kruszywa i zaprawy
kruszywa i zaprawy
17
Opis:
W/C
P/C
Rys. 9. Wpływ punktu piaskowego
Rys. 3-9. Wpływ parametrów materiałowych na kształtowanie wytrzymałości betonu
na kruszywie popiołoporytowym frakcji 4-8 mm
ę! WYTRZYMAA
OŚĆ BETONU LEKKIEGO
ę! P/C �! W/C ę! (4-8 mm) : (8-16mm)
PARAMETRY UWZGLEDNIONE W PROGRAMIE BADAWCZYM
ę! f cm ę! f ck
�! K/M, k/m
ę! C �! Dśr
�! K, k
ę! M, m
f ck
f cm
ę! Pp
Rys. 10. Wpływ parametrów materiałowych na kształtowanie wytrzymałości
betonu lekkiego: ę!  wzrost; �!  spadek
18
5. Wnioski
Zrealizowany program badań oraz analiza uzyskanych wyników umożliwia sformułowanie
następujących ogólnych wniosków:
5.1. Betony wykonane na kruszywie pollytag i matrycy o wytrzymałości powyżej 50 MPa,
zgodnie z normą polską, moż na zaklasyfikować jako betony lekkie wysokiej
wytrzymałości. Wytrzymałości wszystkich wykonanych betonów zawierały się bowiem
w przedziale 36,5 do 70,5 MPa.
5.2. Wzrost wytrzymałości betonu lekkiego na matrycach wosokowytrzymałych osiągnąć
moż na niezależ nie poprzez wzrost wytrzymałości kruszywa, wzrost wytrzymałości
matrycy oraz zmniejszenie proporcji ilościowych kruszywa w stosunku do matrycy.
Korzystny wpływ obniżenia rozmiaru ziaren kruszywa lekkiego, co jest tożsame ze
wzrostem jego wytrzymałości, ujawnia się dopiero przy wyższych poziomach
wytrzymałości betonu.
5.3. Zawartość cementu nie moż e być traktowana jako podstawowy wyznacznik
wytrzymałości betonu lekkiego. Dany poziom wytrzymałości betonu lekkiego można
osiągnąć bowiem przy różnych zawartościach cementu.
5.4. Zrealizowany program badawczy nie potwierdził istnienia wytrzymałości granicznej
betonu lekkiego, determinującej kres moż liwości projektowania wyższych
wytrzymałości betonu lekkiego na danym kruszywie. Każdy bowiem wzrost
wytrzymałości matrycy powodował dalszy wzrost wytrzymałości betonu lekkiego bez
względu na wytrzymałość kruszywa. Należ y zatem przypuszczać, iż zwiększenie
wytrzymałości matrycy powyżej 95 MPa, poprzez zastosowanie mikrokrzemionki i/lub
obniżenie W/C, spowoduje prawdopodobnie dalsze, chociaż zdecydowanie mniej
efektywne, podwyższenie wytrzymałości betonu lekkiego.
Literatura
[1] ARMELIN H., LIMA M.G., SELMO M.S., High-strength LWA concrete  the first
Brazilian experience, Congress on High Sterngth Concrete, Lillehammer 1993.
[2] NEVILLE A. M., Properties of Concrete, Longman 1999.
[3] TOMASZEWICZ A., Modified properties and structural behaviour of high strength
concrete, V Rilem Congress on High Strength Concrete, Sandefjord 1999.
[4] MIERZWA J., DOMAGAA
A L., Wytrzymałość bezpośrednia kruszyw do betonów
lekkich kruszywowych, II Pol.-Słow. Seminarium, Kraków 1999.
[5] DOMAGAA
A L., O przydatności krajowych kruszyw lekkich do betonów wysokich
wytrzymałości, XVIII Konf. Nauk.-Techn., Jadwisin 2002.
HIGH STRENGTH LIGHTWEIGHT CONCRETE
WITH POLLYTAG AGGREGATE
Summary
Pollytag is a relatively new lightweight aggregate on the market, therefore possibilities of
reaching high strength levels of concrete based on this aggregate have not been well
recognised yet. In this paper results of research on influences of material parameters on high
strength lightweight sintered fly ash concrete modelling are presented.