Michał A. Glinicki
dr hab. inż., Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN  Warszawa
www.ippt.gov.pl/~mglinic
METODY ILOÅšCIOWEJ I JAKOÅšCIOWEJ OCENY
NAPOWIETRZENIA BETONU
1. Wstęp
Znane są opinie, że pojawienie się domieszek napowietrzających było przypuszczalnie
jednym z najważniejszych osiągnięć technologii betonu w ostatnim stuleciu. Ich
powszechne użycie poprawiło znacząco odporność konstrukcji z betonu na agresję
mrozu. Pomimo, że zasady stosowania domieszek napowietrzających i komponowania
betonu napowietrzonego sÄ… znane od wielu lat, nadal zdarzajÄ… siÄ™ niepowodzenia
technologiczne. Umiejętność stabilnego wytwarzania i wbudowywania betonu
właściwie napowietrzonego nie jest powszechna [1] i na dodatek wymaga stałego
doskonalenia z powodu wprowadzania nowych składników do betonu, które znacząco
wpływają na efekt działania domieszek napowietrzających. Chodzi tu o nowe rodzaje
cementu i dodatków mineralnych, piaski odpadowe, także nowe domieszki
upłynniające, które mogą interferować z dotychczas znanymi mechanizmami tworzenia
stabilnej struktury pęcherzyków powietrza w mieszance betonowej i w betonie. W
konsekwencji współczesna technologia betonu posługuje się specjalnie opracowanymi
metodami pomiaru zawartości wprowadzonego powietrza, a nawet wielkości i
rozmieszczenia pęcherzyków powietrza w betonie. Omówienie różnych metod pomiaru
efektów napowietrzania betonu jest przedmiotem niniejszego referatu.
Na ogół badania napowietrzonej mieszanki betonowej i betonu podejmuje się w celu:
- stwierdzenia zgodności ze specyfikacją betonu (testy normowe),
- wykrywania nieefektywnych lub niezgodnych składników mieszanki betonowej,
- szybkiej diagnozy potencjalnej trwałości betonu w środowisku XF.
Pomiary charakterystyki porów powietrznych umożliwiają też optymalizację procesu
produkcji betonu napowietrzonego. Z definicji betonem napowietrzonym nazywa siÄ™
beton wykonany z domieszkÄ… napowietrzajÄ…cÄ…, zastosowanÄ… w celu wprowadzenia w
sposób kontrolowany drobnych pęcherzyków powietrza do mieszanki betonowej.
Oczywiście pustki powietrzne mogą też powstać w betonie w sposób przypadkowy, w
wyniku łapania powietrza w procesie mieszania składników mieszanki betonowej i
niedostatecznego zagęszczenia mieszanki. Taki beton o podwyższonej porowatości,
zawierający duże pustki powietrzne, a nawet raki, nie jest betonem napowietrzonym
intencjonalnie i nie ma podobnych właściwości funkcjonalnych. Dlatego, obok metod
jakościowych, niezbędne jest stosowanie metod ilościowego określania zawartości
powietrza i charakterystyki porów powietrznych. Wykorzystanie tych metod do
diagnostyki betonu w konstrukcjach staje siÄ™ coraz powszechniejsze, a kryteria oceny
pomiarów napowietrzenia są już zawarte w niektórych dokumentach normalizacyjnych.
1
2. Pomiary napowietrzenia mieszanki betonowej
Znane i stosowane metody badania napowietrzenia w mieszance betonowej zestawiono
w Tablicy 1. Do jakościowych sposobów oceny napowietrzenia zaliczają się dwie
pierwsze metody, tj. określenie wskaz
nika piany i przybliżony sposób określania
zawartości powietrza na podstawie gęstości objętościowej mieszanki.
Tablica 1 Metody badania napowietrzenia w mieszance betonowej
Metoda Referencje Uwagi
wskaz
nik piany *) Kulaots i in. [2], Gebler i in. [3] ocena
gęstość objętościowa PN-EN 12350-6 [4] jakościowa
ciśnieniowy pomiar zawartości PN-EN 12350-7 [5]
powietrza ocena
ilościowa
AVA **) instrukcja [6], Mohsen i in. [7], Grzesiak
i in. [8], Giergiczny i in. [9]
laserowa na próbkach Hansen [10]
zamrożonych
*) zaczyn cementowy
**) mieszanka betonowa bez ziaren > 6mm
Badania efektów działania domieszek napowietrzających w samym zaczynie
cementowym podejmuje siÄ™ czasami, w sytuacji istotnych zmian technologii betonu
napowietrzonego, polegających na wprowadzeniu nowego składnika w zestawie:
cement+dodatek mineralny+domieszka napowietrzajÄ…ca. Do sprawdzenia czy
kombinacja składników spoiwa i domieszki napowietrzającej w ogóle umożliwia
wytworzenie stabilnych pęcherzyków powietrza służy badanie wskaz
nika piany (ang.
foam index test) lub inne mniej znane sposoby badania stabilności piany. Funkcja
domieszek napowietrzajÄ…cych polega na wytworzeniu w zaczynie cementowym
określonej ilości drobnych i stabilnych pęcherzyków powietrza (piany). Ilość
powstałych pęcherzyków powietrza zależy nie tylko od samego środka
napowietrzającego, ale także od składu i ilości spoiwa cementowego. Im więcej
substancji powierzchniowo czynnej zawartej w domieszce napowietrzajÄ…cej zostanie
zaadsorbowane na powierzchni cząstek spoiwa, tym jakość tego spoiwa z punktu
widzenia możliwości napowietrzania jest gorsza, a napowietrzanie procesem
trudniejszym do kontroli. Wielkość adsorpcji środka napowietrzającego wyznacza się
na podstawie tzw. wskaz
nika piany, [2]. Sposób badania nie jest znormalizowany,
dlatego znane są różne warianty procedury badawczej. Badanie adsorpcji wykonuje się
w wodnej mieszaninie cementu, domieszki napowietrzajÄ…cej oraz ewentualnego
dodatku mineralnego (np. popiołu lotnego). Badanie polega na obserwacji takiej
mieszaniny w momencie dodawania do niej coraz większej ilości 10% wodnego
roztworu domieszki napowietrzajÄ…cej. Za koniec badania przyjmuje siÄ™ moment, kiedy
na powierzchni mieszaniny uformuje siÄ™ stabilna piana. Wskaz
nik piany wyznacza siÄ™
jako ilość 10% roztworu domieszki napowietrzającej, dodanej do mieszaniny,
niezbędnej do wytworzenia stabilnej piany. Pomimo, że adsorpcja domieszki wyrażana
poprzez wskaz
nik piany jest wielkością liczbową, znane są trudności z interpretacją
wyniku pomiaru, tzn. z ustaleniem ogólnych i jednoznacznych wartości granicznych.
Domieszki napowietrzające o różnych bazach chemicznych charakteryzowane są
2
różnymi wskaz
nikami piany, chociaż mogą tworzyć w sposób stabilny pęcherzyki
powietrzne o jednakowej charakterystyce geometrycznej. Dlatego badanie wskaz
nika
piany ma charakter jakościowy, mimo to, autorzy pracy [2] postulują wprowadzenie jej
do zestawu badań normowych ASTM.
Przykładowe wyniki badania wskaz
nika piany w IPPT PAN przedstawiono poniżej.
Zakres badań objął trzy różne rodzaje popiołów ze spalania węgla kamiennego (FLW,
FLK, FAS) oraz trzy rodzaje cementu CEM I, CEM II/B-V oraz CEM III A. Badanie
polegało na sporządzeniu kilku mieszanin, w skład, których wchodziło: 3 g popiołu
lotnego, 7 g cementu portlandzkiego i 25 ml wody destylowanej oraz mieszanin
porównawczych, które wykonano z różnych cementów, stosując: 10g danego cementu i
25ml wody destylowanej. Składniki zamknięto w szklanej 100 ml menzurce i
wymieszano - wstrząsając przez ok. 60 sekund do całkowitego wymieszania
składników. Dalsza część badania polegała na dodawaniu 10% wodnego roztworu
domieszki napowietrzającej - każdorazowo w ilości dwóch kropli (ok. 0,04ml). Po
każdym dodaniu domieszki pojemnik z mieszaniną był zamykany i wstrząsany przez
ok. 15 sekund. Następnie prowadzono obserwację piany na powierzchni roztworu.
Koniec badania wyznacza moment, gdy piana powstała na powierzchni mieszaniny
utrzymuje się przez co najmniej 45 sekund. Sumaryczna objętość 10% roztworu
domieszki napowietrzającej, która dodana została do badanej mieszaniny do momentu
osiągnięcia punktu końcowego badania, jest wynikiem badania .
1,2
CEM I+FAW
1
0,8
0,6
CEM I+FLW
0,4
CEM II BV
CEM I+FLK
0,2
CEM III A
CEM I
0
Oznaczenie serii
Rys. 1. Wynik badania adsorpcji domieszki napowietrzajÄ…cej Mischol LP-70 w
zależności od rodzaju cementu i dodatku popiołu (badania IPPT PAN)
Z wykresu na Rys.1 widać, że dodatek popiołów lotnych ze spalania węgla kamiennego
znacznie wpłynął na zwiększenie ilości środka napowietrzającego, jaka potrzebna była
do powstania trwałej piany na powierzchni mieszaniny. Relatywnie wysoką - w
stosunku do cementów CEM I oraz CEM III A- adsorpcję domieszki napowietrzającej
zaobserwowano też w przypadku cementu CEM II/B-V. Znana z literatury [3] jest
zależność adsorpcji domieszki napowietrzającej od zawartości niespalonego węgla w
dodatku popiołu lotnego i od strat prażenia cementu.
3
Adsorpcja [ml]
Intencjonalne wprowadzenie powietrza do mieszanki betonowej powoduje obniżenie
gęstości objętościowej mieszanki. Metodą grawimetryczną można orientacyjnie ocenić
zawartość powietrza w mieszance, porównując zmierzoną gęstość objętościową
mieszanki i teoretyczną, obliczoną na podstawie sumy mas składników mieszanki w
1m3. Pomiar gęstości objętościowej wykonuje się według [4].
Podstawową metodą pomiaru zawartości powietrza w mieszance betonowej jest sposób
ciśnieniowy wg PN-EN 12350-7 [5]. Metoda jest powszechnie znana i opisana w
podręcznikach technologii betonu. Pierwszy aparat ciśnieniowy do pomiaru zawartości
powietrza w mieszance metodą ciśnieniową zbudowano w Polsce już w 1953 roku - na
Politechnice Krakowskiej. Zawartość powietrza w mieszance betonowej nie jest
identyczna z zawartością porów powietrznych w betonie, określaną metodą
mikroskopową (Rys.2): różnice na ogół nie przekraczają 1,5%. W odróżnieniu od
pomiarów mikroskopowych w betonie, pomiar powietrza w mieszance metodą
ciśnieniową obejmuje też duże pustki powietrzne i stąd wynikają różnice w określeniu
zawartości porów powietrznych.
w mieszance
8
w betonie
FK30
FW20
7
FK20
CEM I
FK40
6
FW30
FW40
5
4
3
2
1
0
RODZAJ BETONU
Rys. 2. Przykładowe różnice pomiędzy zawartością powietrza w mieszance i
stwardniałym betonie (beton z dodatkami popiołowymi, badania IPPT PAN)
Stosunkowo nowym sposobem charakteryzowania napowietrzenia mieszanki betonowej
jest metoda AVA, opracowana DBT w Kopenhadze, nazwana od skrótu angielskiej
nazwy urzÄ…dzenia Air Void Analyzer [6]. Na Rys.3 przedstawiono widok zestawu
aparatury AVA oraz schematycznÄ… budowÄ™ aparatu. Metoda badania wykorzystuje
prawo Stokesa, określające siłę oporu ciała o kształcie kuli poruszającego się w cieczy
lub gazie; wielkość pęcherzyków powietrza można określić obserwując ich prędkość
poruszania się w cieczy o znanej lepkości - duże pęcherzyki powietrza poruszają się
szybciej niż małe. Przebieg badania jest następujący. Próbkę mieszanki betonowej
(faktycznie jest to zaprawa bez ziaren powyżej 6mm) pobiera się z elementu świeżo
wbudowanego i przy użyciu specjalnej strzykawki wstrzykuje do urządzenia AVA, na
dno szklanej kolumny pomiarowej. Próbkę zaprawy miesza się delikatnie, powodując
4
Zawarto
ść
powietrza,%
uwalnianie pęcherzyków powietrza i ich przechodzenie do cieczy o znanej lepkości,
umieszczonej w kolumnie pomiarowej. Pęcherzyki powietrza unoszą się w kolumnie
pomiarowej i gromadzÄ… pod miskÄ… pomiarowÄ… wyporu hydrostatycznego; przez 25
minut mierzy siÄ™ zmianÄ™ wyporu hydrostatycznego. Na podstawie pomiaru zmian
wyporu hydrostatycznego w funkcji czasu oblicza siÄ™ parametry napowietrzenia
mieszanki, takie jak: zawartość powietrza, powierzchnia właściwa porów i wskaz
nik
rozmieszczenia porów.
7
5
4
6
3
7
8
2
9
1 10
Rys.3 Widok zestawu aparatury AVA, wraz z urządzeniem do pobierania próbek z
mieszanki betonowej [8] oraz schemat aparatu AVA (1-waga, 2- próbka zaprawy, 3 -
kolumna pomiarowa, 4- naczynie pomiarowe wyporu hydrostatycznego, 5-zaczep wagi,
6-woda, 7-ciecz o określonej lepkości, 8-tłoczek, 9- mieszadło magnetyczne, 10-
podgrzewacz)
Stosowanie aparatury AVA rozpowszechnia siÄ™ w wielu krajach od 1993 roku, od
niedawna także w Polsce [7-9] . Przeprowadzono liczne badania porównawcze, przede
wszystkim z metodą mikroskopowej analizy porów powietrznych w betonie według
normy ASTM C457 [11]. Stwierdzono, że zawartość powietrza wg AVA < ASTM
C457 (o około 2%), wskaz
nik rozmieszczenia porów wg AVA ~ ASTM C457,
powierzchnia właściwa porów wg AVA > ASTM C457. W przypadku stosowania
cementów żużlowych [9] zgodność wyników AVA i wyników badania według PN-EN
480-11 była gorsza, ale wyjaśnienie tego spostrzeżenia wymaga dalszych badań.
Znaczącą zaletą badania metodą AVA jest szybkość: przeprowadzenie badania zajmuje
jedynie około 40 minut. Metoda ma jednak dość ostre ograniczenia:
-temperatura otoczenia powinna mieścić się w dość wąskim zakresie- dokładnie od 21
do 25 st. C,
- precyzja pomiaru wymaga izolacji od otoczenia: zabezpieczenia przed wibracjami,
nawet przechodzeniem ludzi w pobliżu, eliminacji przeciągów,
- aparatura pomiarowa jest delikatna (precyzyjne ważenie) i dlatego nie nadaje się na
plac budowy (w USA stosowana wewnÄ…trz mobilnego laboratorium badawczego),
5
- objętość badanej próbki mieszanki jest mała - jedynie ok. 20cm3, a podczas jej
podczas pobierania próbek dostaje się powietrze z zewnątrz.
Niemniej jednak stanowi wartościowe uzupełnienie pomiaru zawartości powietrza w
mieszance metodą ciśnieniową.
Oryginalną metodę badania napowietrzenia mieszanki betonowej przedstawił Hansen
[10]. Wykorzystał laser do zliczania porów powietrznych i określania ich
rozmieszczenia. Pobieranie próbek do badań polegało na lokalnym zamrażaniu
mieszanki betonowej przy użyciu ciekłego azotu i wykonaniu odwiertu z takiej
zamrożonej mieszanki. Mieszanka była wylewana do formy stalowej o podwójnych
ściankach, między które wlewano ciekły azot. Stosowano cienkościenną koronkę
diamentową o średnicy wewnętrznej 35mm oraz sprężone powietrze do usuwania pyłu
podczas wiercenia. Skanowanie powierzchni bocznej walca z zamrożonej mieszanki
betonowej przeprowadzono przy użyciu lasera o mocy 10mW z odległości około 20mm.
Trudności techniczne z właściwym zamrożeniem mieszanki zahamowały rozwój tej
metody badawczej.
3. Charakterystyka porów powietrznych w betonie
Metody określania charakterystyki porów powietrznych w betonie są zestawione w
Tablicy 2. Określenie charakterystyki porów powietrznych w betonie metodami
mikroskopowymi czy przy użyciu skanera wymaga odpowiedniego przygotowania próbek
w postaci zgładów metalograficznych. Z większych elementów (próbek formowanych lub
odwiertów rdzeniowych) wycina siÄ™ pÅ‚askie pÅ‚ytki o wymiarach okoÅ‚o 100×100×20mm
(takie wymiary określa procedura badania stosowana w IPPT PAN). Następnie próbki
czyści się i suszy, a potem wielokrotnie szlifuje (Rys.4a) coraz drobniejszymi proszkami
szlifierskimi o gradacji kolejno #320, #600 i #1200, kontrolując jakość wykonania przy
użyciu mikroskopu optycznego. Proces przygotowania zgładu kończy się usunięciem
proszku polerskiego z wnętrza porów przy użyciu wanny ultradz
więkowej.
Tablica 2 Metody badania charakterystyki porów powietrznych w betonie
Metoda Referencje
mikroskopia optyczna z analizÄ… manualnÄ… ASTM C 457 [11], PN-EN 480-11 [12]
mikroskopia optyczna z cyfrowÄ… analizÄ… j.w. oraz IPPT PAN [13], Elsen [14],
obrazu Pleau i in. [15]
skaner z cyfrową analizą obrazu Załocha i Kasperkiewicz [16], Peterson i
in. [17], Jana [18]
mikroskopia skaningowa Dequiedt i in. [19]
Przy wykorzystaniu automatycznych systemów analizy obrazu niezbędny jest jeszcze
jeden etap procesu przygotowania zgładu, polegający na kontrastowaniu powierzchni w
celu wyodrębnienia porów powietrznych. Znane są różne sposoby kontrastowania, np.
malowanie wodoodpornym markerem oraz wypełnianie porów pastą cynkową. Uzyskanie
prawidłowo przygotowanego zgładu jest niezbędnym warunkiem otrzymania poprawnych
6
wyników pomiaru charakterystyki porów [15]. Przykład prawidłowo przygotowanej
powierzchni próbki przedstawiono na rysunku 4b.
Rys. 4. Widok urządzenia do szlifowania próbek (a) oraz fragment powierzchni zgładu
przygotowany do pomiaru charakterystyki porów powietrznych (b)
Podstawowym elementem aparatury pomiarowej jest mikroskop optyczny do obserwacji
w świetle odbitym przy powiększeniach do 60-120 razy. Stosowana w IPPT PAN
aparatura do pomiaru charakterystyki porów powietrznych składa się z systemu do analizy
obrazu Image Pro Plus 4.5 z dodatkowym modułem Scope Pro, mikroskopu
stereoskopowego Nikon SMZ800, kamery Sony DXC950P i stolika skaningowego
Marzhauser SCAN 150x150. Kamera 3CCD zamontowana na mikroskopie umożliwia
uchwycenie obrazu kolorowego 24 bitowego o rozdzielczości 768x576 pikseli w siatce
prostokątnej. Przy stosowanym powiększeniu 30x oznacza to, że punkt obrazu odpowiada
rzeczywisty wymiar ok. 2,76 µm, co w zupeÅ‚noÅ›ci wystarcza do uzyskania precyzyjnej
charakterystyki mikrostruktury porów. Jest to uniwersalne stanowisko badawcze (Rys.5).
Od niedawna dostępne są także zestawy aparatury badawczej dedykowane specjalnie do
badań według normy ASTM C 457 o handlowej nazwie RapidAir 457 (Rys.6).
Według normy ASTM C457 lub PN-EN 480-11 określenie charakterystyki porów
powietrznych przeprowadza się tzw. metodą trawersową (norma [11] dopuszcza też tzw.
metodę punktową). Przyjmuje się, że całkowita długość linii trawersowej na jednej próbce
betonu wynosi co najmniej 1200mm. W celu określenia rozkładu wielkości porów
powietrznych analizowane są rozkłady cięciw porów (przecięcia linii trawersy z porami
powietrznymi); na tej podstawie cięciwy klasyfikuje się do odpowiednich przedziałów
długości. Mikrostrukturę porów powietrznych opisuje się następującymi parametrami:
 całkowita zawartość powietrza A [%],
 powierzchnia właściwa porów powietrznych ą [mm-1],
 wskaz
nik rozmieszczenia porów powietrznych L [mm],
 zawartość mikroporów o średnicy poniżej 0,3 mm A300 [%],
 rozkład wielkości porów powietrznych, w postaci wykresu zawartości powietrza
w przedziaÅ‚ach Å›rednic 0-10 µm, 10-20 µm, 20-30 µm, & 2500-4000µm.
Powierzchnię właściwą ą określa iloraz całkowitej powierzchni porów powietrznych
przez ich objętość.
7
Rys.5 Widok stanowiska badawczego w IPPT PAN aparatura do pomiaru charakterystyki
porów powietrznych [13]
Rys.6 Widok zestawu aparatury RapidAir 457 do pomiaru charakterystyki porów
powietrznych oraz widok próbki podczas badania [18]
8
Współczynnik rozmieszczenia porów oblicza się na podstawie wzorów podanych
poniżej:
P Å"Ttot
L =
R d" 4,342
gdy
400 N
3
1/ 3
L = [1,4 (1 + R) - 1] gdy
R > 4,342
Ä…
4 Å" N Ta Å"100
P
Ä… = A =
R =
Ta , Ttot ,
A
w których zastosowano następujące oznaczenia:
R  stosunek zaczyn/powietrze,
P  procentowa zawartość zaczynu cementowego w betonie (na podstawie składu
mieszanki betonowej),
Ttot  całkowita długość linii trawersowej [mm],
Ta  całkowita długość linii pomiarowej przechodzącej przez pory powietrzne
[mm],
A  całkowita zawartość powietrza w [%],
N  liczba zarejestrowanych cięciw.
Na Rys.7 pokazano przykładowy fragment powierzchni próbki betonu z zaznaczonymi
porami powietrznymi; charakterystykę mikrostruktury porów w próbce określają
następujące wartości: ą = 32,5 mm-1, A=4,61%, A300=2,99%, L = 0, 15 mm.
Rys.7. Przykładowy widok rozmieszczenia porów powietrza (kolor biały) na fragmen-
cie powierzchni próbki betonu (mikroskopia optyczna, IPPT PAN)
Jak wykazały prace badawcze m.in. Załochy i Kasperkiewicza [16], Petersona i in. [17],
do zbierania obrazu porów powietrznych na powierzchni zgładu betonowego można
wykorzystać skaner biurowy o rozdzielczości optycznej 2400 dpi (wówczas jeden piksel
opowiada 10,6 x 10,6 µm na próbce) lub 4800 dpi (~5,3 x 5,3 µm). Jak pokazuje
Tablica 3, stwierdzono dosyć dobrą korelację wyników analizy obrazu porów
uzyskanych przy uzyciu mikroskopu optycznego i przy użyciu skanera.
9
Tablica 3 Różnice parametrów liczbowych charakterystyki porów powietrznych przy
uzyciu mikroskopu optycznego i przy użyciu skanera [16]
Parametr Ä… [mm-1] A [%] A300 [%]
L
[mm]
różnica maksymalna 0,02 5 1,2 0,02
różnica minimalna -0,04 -2 -0,97 -1,41
różnica średnia -0,0008 1,2 -0,03 -0,64
współczynnik korelacji 0,914 0,975 0,971 0,847
Do określenia charakterystyki porów powietrznych przy użyciu mikroskopu
skaningowego JEOL JSM 6400 według [19] stosowano powiększenie x50, co na
obrazie o wymiarach 2,56x1,84mm, złożonym z 512 x 368 pikseli odpowiadało
wymiarowi piksela ok. 5 µm. Pory powietrzne w betonie zostaÅ‚y wypeÅ‚nione żywicÄ…
epoksydową. Obraz próbki zbierano dwukrotnie: metodą rozproszenia elektronów
wtórnych i metodą określania rozmieszczenia krzemu (maping). Pierwszy obraz służył
do wyodrębnienia porów (kolor czarny na Rys.8- lewy), obraz drugi do wyodrębnienia
ziaren kruszywa grubego i piasku, bogatych w krzemionkę (Rys. 8- prawy). Dzięki
takiej segmentacji możliwa jest automatyczna analiza obrazu i określenie odległości
między porami powietrznymi.
Rys. 8 Obrazy fragmentu próbki betonowej uzyskane metodą rozproszenia elektronów
wtórnych (z lewej) i metodą określania rozmieszczenia krzemu (z prawej) [19]
4. Normowe kryteria oceny napowietrzenia
Normowe wymagania dotyczące zawartości powietrza w mieszance betonowej według
PN-EN 206-1: 2003 [20] odnoszą się do pomiarów metodą ciśnieniową. W klasach
ekspozycji XF2, XF3 i XF4 stosuje się wymaganie zawartości powietrza 4%,
rozumianej jako minimalna zawartość powietrza w mieszance betonowej. Górną granicę
zawartości powietrza stanowi wyspecyfikowana wartość minimalna powiększona o 4%.
Kryteria zgodności dotyczące zawartości powietrza w napowietrzonej mieszance
betonowej określają maksymalne dopuszczalne odchylenia pojedynczych wyników
badania: -0,5% od dolnej granicy oraz +1,0% od górnej granicy. Zatem wyniki
pomiarów zawartości powietrza w napowietrzonej mieszance betonowej powinny
10
mieścić się w granicach 3,5% - 9%.W porównaniu do wymagań wycofanej już normy
PN-88/B- 06250 [21], zaostrzono wymagania maksymalnego wskaz
nika w/c na
poziomie od 0,45 do 0,55 i minimalnej zawartości cementu w zakresie od 300 do 340
kg/m3, natomiast usunięto uzależnienie wymaganej zawartości powietrza od uziarnienia
kruszywa.
W krajowych arkuszach uzupełniających normę EN 206-1 w rozwiniętych państwach
europejskich o klimacie zbliżonym do klimatu Polski wprowadzone zostały istotne
uzupełnienia wymagań dotyczących właściwości betonu w klasie ekspozycji XF. Na
podstawie [22] w Tablicy 4 zestawione sÄ… wymagania dotyczÄ…ce napowietrzenia betonu
w klasie XF1  XF4 według normy europejskiej oraz następujących norm krajowych
uzupeÅ‚niajÄ…cych normÄ™ EN-206-1: polska PN-B-06265:2004 [23], austriacka ÖNORM
B 4710-1: 2002 [24], duńska DS 2426: 2004 [25], niemiecka DIN 1045-2: 2001, [26].
W normie duńskiej i austriackiej wprowadzono szczegółowe wymagania dotyczące
parametrów mikrostruktury porów powietrznych w stwardniałym betonie, określanych
przy użyciu metody badań według normy PN-EN 480-11. Wymaganą charakterystykę
L
porów opisano albo maksymalnym wskaz
nikiem rozmieszczenia porów i minimalną
zawartością powietrza w stwardniałym betonie A albo minimalną zawartością
L
mikroporów A300 i maksymalnym wskaz
nikiem rozmieszczenia porów . Jest to
uzasadnione aktualnym stanem wiedzy i techniki. W normie duńskiej występuje
alternatywne wymaganie na dobrą odporność betonu na oddziaływanie mrozu i soli
odladzających (na podstawie badania metodą Boraas). Wymaganie właściwej
mikrostruktury porów powietrznych i wymaganie dobrej odporności na złuszczenia
wskutek oddziaływania mrozu i soli odladzających są tu traktowane zamiennie.
Norma niemiecka DIN 1045-2 nie zawiera szczegółowych wymagań odnośnie
mikrostruktury porów w betonie napowietrzonym, ale wymagana zawartość powietrza
w mieszance betonowej zmienia się od 3,5 do 5,5 % w zależności od uziarnienia
kruszywa. Tablica 4 została uzupełniona o przedstawienia wymagań Niemieckiego
Federalnego Ministerstwa Komunikacji w zakresie budowy betonowych nawierzchni
dróg (ZTV Beton-StB 01). Zarówno w wersji wytycznych z roku 2001 [27], jak też w
wersji poprzedniej z roku 1993, wymagania na beton nawierzchniowy napowietrzony
przy równoczesnym stosowaniu domieszki napowietrzającej i uplastyczniającej lub
upłynniającej dotyczą wskaz
nika rozstawu porów d" 0,20 mm oraz zawartości
mikroporów e" 1,5%. W przypadku, gdy zawartość mikroporów jest nie mniejsza niż
1,8% dopuszcza się obniżenie wymaganej zawartości powietrza w mieszance betonowej
z 5,0% do 4,0% (średnia dzienna). Zatem pomimo braku w normie DIN 1045-2
szczegółowych wymagań dotyczących mikrostruktury porów powietrznych,
obowiązujące w Niemczech szczegółowe warunki techniczne dotyczące przynajmniej
dróg z betonu zawierają takie wymagania ilościowe.
W roku 1997 w stanie Ontario w Kanadzie Ministerstwo Transportu wprowadziło
specyfikacje jakości betonu w konstrukcjach i nawierzchniach drogowych obejmujące,
wymagania określonych parametrów mikrostruktury porów powietrznych w betonie
[28]. Intencją wprowadzenia nowych wymagań było wymuszenie znaczącej poprawy
trwałości konstrukcji drogowych. Wprowadzono limity na zawartość porów powietrza i
11
Tablica 4 Wymagania dotyczÄ…ce napowietrzenia mieszanki betonowej i mikrostruktury
porów w betonie według EN 206-1 i krajowych norm uzupełniających w Austrii, Danii i
Niemczech oraz wg zaleceń ZTV Beton-StB 01 (na podstawie [22])
Norma Wymaganie Klasa ekspozycji mrozowej
XF2 XF3 XF4
Norma europejska
min. zawartość powietrza w
PN-EN 206-1 4,0 4,0 4,0
mieszance [%]
Norma polska
j.w. j.w. j.w. j.w.
PN-B-06265
min. zawartość powietrza w
2,5 2,5 4,0
mieszance [%]
Norma austriacka min. zawartość mikroporów
1,0 1,0 1,8
ÖNORM B 4710-1 A300 [%] w betonie
max. wskaz
nik rozmieszczenia
- - 0,18
L [mm] w betonie
min. zawartość powietrza w
4,5 4,5 4,5
mieszance [%]
Norma duńska min. zawartość powietrza A w
3,5 3,5 3,5
DS 2426 betonie [%]
max. wskaz
nik rozmieszczenia
0,20 0,20 0,20
L [mm] w betonie
odporność na złuszczenia
dobra dobra dobra
powierzchniowe (*)
Norma niemiecka DIN 3,5% przy dmax= 63mm
1045-2 min. zawartość powietrza w 4,0% przy dmax= 32mm
mieszance [%] 4,5% przy dmax= 16mm
5,5% przy dmax= 8mm
beton z domieszkÄ…
napowietrzającą i beton na nawierzchnie dróg
Niemieckie Federalne uplastyczniajÄ…cÄ… lub
Ministerstwo upłynniającą
Komunikacji min. zawartość powietrza w
ZTV Beton-StB 01
mieszance [%] (średnia
5,0 4,0
dzienna)
min. zawartość mikroporów
1,5 1,8
A300 [%]w betonie
max. wskaz
nik rozmieszczenia
0,20 0,20
L [mm] w betonie
Oznaczenia:
L - wskaz
nik rozmieszczenia porów w stwardniałym betonie wg PN-EN 480-11
A - zawartość powietrza w stwardniałym betonie wg PN-EN 480-11
A300 - zawartość mikroporów poniżej 0,3mm w stwardniałym betonie wg PN-EN 480-11
(*)  na podstawie badania metodÄ… Boraas
wskaz
nik rozmieszczenia porów, a także określono procedury badań na odwiertach
pobranych z konstrukcji na etapie badań odbiorczych. Z powodu niszczącej natury
badań na próbkach pobranych z konstrukcji, liczba próbek do oznaczenia struktury
12
porów powietrznych jest ograniczona do dwóch na określoną partię betonu. Wielkość
partii betonu określa umowa, np. 500 m2 powierzchni pomostu, 500 metrów bieżących
ściany/bariery lub pojedyncza podpora mostu. Partię betonu zwykłego akceptuje się ze
100% płatnością, gdy zawartość powietrza zmierzona na każdej z dwóch próbek jest
e"3,0%, a średnia wartość wskaz
nika rozmieszczenia porów jest d" 0,230 mm, przy czym
na pojedynczej próbce wskaz
nik d" 0,260 mm. W przypadku betonów o wytrzymałości
na ściskanie fccube> 62 MPa, wykonanych z dodatkiem pyłów krzemionkowych,
przymuje siÄ™ graniczny wskaz
nik rozmieszczenia 0,250mm (wartość średnia) i 0,300
mm (pojedynczy pomiar). Niezgodność parametrów mikrostruktury porów
powietrznych z wymaganiami jest karana finansowo w skali odpowiadajÄ…cej skutkom
obniżenia trwałości betonu .
W Polsce, jak dotąd, jedynie Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad
wprowadziła do Ogólnych Specyfikacji Technicznych, dotyczących nawierzchni dróg
betonowych [29], wymaganie właściwego rozkładu porów powietrznych: przyjęto
L
ograniczenie maksymalnego wskaz
nika rozmieszczenia porów w stwardniałym
betonie napowietrzonym do 0,200 mm, identycznie jak w normie duńskiej DS 2426:
2004. Przez beton napowietrzony rozumie siÄ™ tu beton zawierajÄ…cy dodatkowo
wprowadzone powietrze w postaci pęcherzyków, w ilości nie mniejszej niż 3,5%
objętości zagęszczonej masy betonowej, powstałe w wyniku działania dodanych
domieszek napowietrzających. Jeżeli przytoczony dosłownie zapis OST GDDKiA,
dotyczący masy betonowej, rozumieć w sensie stwardniałego betonu, to z przyjętej
definicji wynika wymaganie A e" 3,5% jak w normie duńskiej. Zatem w zakresie tych
wymagań OST GDDKiA odpowiadają najnowszej normie duńskiej.
5. Diagnostyka napowietrzenia betonu w konstrukcjach
Od 2001 roku na budowach krajowych stosuje siÄ™ metodÄ™ diagnostyki mikrostruktury
porów w betonie przy wykorzystaniu metody mikroskopowej z cyfową analizą obrazu.
Wyniki badań diagnostycznych przedstawiono m.in. w [1], [30]. Zestawienie para-
metrów mikrostruktury porów powietrznych według normy przedstawiono syntetycznie
w Tablicy 5. Obiekty zostały uszeregowane według wzrastającej powierzchni właściwej
układu porów, tj. według zmniejszających się średnic porów. W przypadku pierwszych
pięciu obiektów wymiary porów charakteryzowała powierzchnia właściwa w zakresie
9-23 mm-1 określająca duże pory powietrzne, stwierdzone zarówno przy nadmiernej
porowatości (A>12%), jak też w przypadku marginalnego działania domieszki
napowietrzającej (A < 2%). W wymienionych pięciu przypadkach wysoki wskaz
nik
rozmieszczenia i śladowa zawartość mikroporów świadczą jednoznacznie o braku
drobnych porów wpływających pozytywnie na mrozoodporność betonu. W pozostałych
wymienionych przypadkach uzyskano świadectwo dobrej jednorodności rozmieszczenia
porów i ich właściwych rozmiarów. Z przeprowadzonych badań diagnostycznych
nawierzchni na drodze krajowej: wynika, że wskaz
nik rozmieszczenia porów w betonie
zawierał się w granicach od 0,11 do 0,15mm, natomiast powierzchnia właściwa porów
wynosiła od 35 do 53 mm-1. Parametry struktury porów powietrznych w próbkach
betonu wykonanego na etapie projektowania mieszanki, jak też betonu wbudowanego w
nawierzchnię spełniały wymagania specyfikacji [30]. Jak stwierdzono, parametry
struktury porów powietrznych betonu wbudowanego w nawierzchnię nie odbiegały
13
Tablica 5 Zestawienie wyników diagnostyki mikrostruktury porów powietrznych w
stwardniałym betonie w dostarczonych próbkach- odwiertach [1]
Ä… A A300
L
Lp. Rodzaj obiektu
[mm-1] [%] [%]
[mm]
1 Nawierzchnia parkingu 0,20 9,6 12,73 1,24
0,18 9,0 14,97 0,94
2 Wiadukt drogowy 0,41 14,6 3,28 0,48
0,47 18,8 1,33 0,22
3 Nawierzchnia drogowa 0,19 17,3 7,78 1,32
0,18 21,4 6,61 1,62
4 Nawierzchnia parkingu 0,31 19,9 2,99 0,73
0,29 22,3 2,66 0,81
5 Wiadukt drogowy 0,40 22,5 1,30 0,33
0,29 30,2 1,38 0,57
6 Nawierzchnia parkingu 0,15 25,2 6,70 2,10
0,09 34,6 8,23 3,96
7 Most 0,15 33,8 4,52 2,31
8 Nawierzchnia drogowa 0,11 34,5 6,45 2,47
0,11 28,3 7,81 3,09
0,11 30,0 6,97 2,85
0,12 32,2 6,42 3,30
9 Nawierzchnia drogi 0,11 35,0 6,75 3,40
krajowej
0,12 46,0 3,66 1,81
0,12 40,8 4,49 2,32
0,12 47,9 3,29 1,80
0,12 49,9 3,09 1,81
0,16 38,3 2,66 1,94
0,12 47,0 3,48 2,12
0,13 43,0 3,24 1,93
0,09 58,2 3,63 2,07
0,11 49,3 3,61 2,00
0,10 53,3 3,70 2,07
0,11 47,4 3,95 1,82
10 Nawierzchnia autostrady 0,15 36,2 3,8 2,63
0,19 27,7 4,1 2,31
0,14 46,2 2,9 2,20
0,13 41,1 3,9 2,89
zasadniczo od parametrów określonych na etapie projektowania mieszanki: w ciągu
kilku miesięcy prowadzenia prac betonowych wskaz
nik rozmieszczenia porów
powietrznych w stwardniałym betonie utrzymywał się w granicach 0,11-0,16mm.
14
Świadczy to o wysokiej jakości produkcji mieszanki betonowej i wykonania
nawierzchni.
6. Uwagi końcowe
W ostatnich kilkunastu latach nastąpił dynamiczny rozwój metod badania
napowietrzenia mieszanki betonowej i betonu, umożliwiających w sposób szybki i
zautomatyzowany określić nie tylko zawartość porów powietrza, ale również
charakterystykę wielkości i rozmieszczenia porów. Wprowadzenie nowych metod
badawczych i nowych wymagań normowych jest uzasadnione aktualnym stanem
wiedzy: nie wystarczy zastosowanie odpowiedniego składu betonu, aby zapewnić
trwałość w środowisku agresywnym XF  dopiero stwierdzenie, że mikrostruktura
betonu jest właściwa, pozwala prognozować trwałość.
Literatura
1. Glinicki M.A., Zieliński M., Diagnostyka mikrostruktury porów w betonie
wbudowanym w konstrukcje i nawierzchnie, IV Konferencja  Dni Betonu  Tradycja i
Nowoczesność , Wisła, 9 - 11 paz
dziernika 2006, 331-338
2. Kulaots I., Hsu A., Hurt R.H., Suuberg E.M., Adsorption of surfactants on unburned
carbon in fly ash and development of a standardized foam index test, Cement and
Concrete Research, 33, 2003, 2091-2099
3. Gebler, S.H. and Klieger, P., Effect of fly ash on the air void stability of concrete,
Portland Cement Association, Skokie, IL, 1986, 40 p.
4. PN-EN 12350-6:2001 Badania mieszanki betonowej Część 6: Gęstość
5. PN-EN 12350-7:2001 Badania mieszanki betonowej - Część 7: Badanie zawartości
powietrza - Metody ciśnieniowe
6. The Air Void Analyzer manual instruction by Germann Instruments
7. Mohsen J. P., Stephen Lane D., Zhao Zhiyong, Measuring spacing factor of the air
voids system in fresh concrete, Transportation Research Board Annual Meeting,
Washington, 2004, CD-ROM, 9p.
8. Grzesiak K., Gemel P., Mrozoodporność a jakość napowietrzenia  metoda badania
struktury porów powietrznych w świeżej mieszance betonowej, VIII Sympozjum
Naukowo-Techniczne "Reologia w technologii betonu", Politechnika Śląska i Górażdże
Cement, Gliwice 2006, 31-41
9. Giergiczny Z., Glinicki M.A., Sokołowski M., Zieliński M., Charakterystyka porów
powietrznych a mrozoodporność betonów na cementach żużlowych, referat zgłoszony
na KonferencjÄ™ KILiW PAN i KN PZITB, Krynica 2008, 8s.
10. Hansen W., Quantitative and rapid measurement of the air-void system in fresh
concrete, SHRP-ID/UFR-91-519, Washington, 2001, 33p.
11. ASTM C 457-90 Standard test method for microscopical determination of
parameters of the air-void system in hardened concrete, Annual Books of ASTM
Standards, Vol. 04.02, Section 4, Philadelphia 1991, 229-241
12. PN- EN 480-11:2000, Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Metody badań.
Oznaczanie charakterystyki porów powietrznych w stwardniałym betonie.
15
13. Metody diagnozowania betonów i betonów wysokowartościowych na podstawie
badań strukturalnych, Praca zbiorowa pod redakcją A.M.Brandta i J. Kasperkiewicza,
IPPT PAN, Warszawa 2003
14. Elsen J., Automated air-void analysis on hardened concrete. Results of a European
intercomparison testing program, Cement and Concrete Research, 31, 2001, 1027-1031
15. Pleau R., Pigeon M., Laurencot J., Some findings on the. usefulness of image
analysis for determination the characteristics of the air void system in hardened
concrete, Cement Concrete Composites, 23, 2001, 237-246
16. Załocha D, Kasperkiewicz J., Estimation of the structure of air entrained concrete
using a flatbed scanner, Cement and Concrete Research, 35, 2005, 2041  2046
17. Peterson K.W., Swartz R.A., Sutter L.L., Van Dam T.J., Hardened concrete air void
analysis with a flatbed scanner, Journal Transportation Research Record, 1775, 2007,
36-43
18. Jana D., A round robin test on measurements of air void parameters in hardened
concrete by various automated image analyses and ASTM C 457 methods, Proc. 29th
Conference on Cement Microscopy, Quebec City, Canada, May 20 -24, 2007
19. Dequiedt AS, Coster M, Chermant L, Chermant JL., Distances between air-voids in
concrete by automatic methods. Cement Concrete Composites, 23, 2001, 247 254
20. PN-EN 206-1:2003 Beton- Cześć 1: Wymagania, właściwości, produkcja i
zgodność.
21. PN-88/B- 06250 Beton zwykły.
22. Glinicki M.A., Europejskie wymagania na beton napowietrzony w klasie
środowiska XF, Drogownictwo, nr 3/ 2005, 86-88
23. PN-B-06265:2004 Krajowe uzupełnienia PN-EN 206-1 Beton - Część 1:
Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność
24. ÖNORM B 4710-1:2002 Beton - Teil 1: Festlegung, Herstellung, Verwendung und
Konformitätsnachweis (Regeln zur Umsetzung der ÖNORM EN 206-1)
25. DS 2426:2004 Beton - Materialer - Regler for anvendelse af EN 206-1 i Danmark
26. DIN 1045-2: 2001 Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton - Teil 2:
Beton; Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität
27. ZTV Beton  StB 01 Bundesministerium fur Verkehr, Abteilung Straßenbau,
Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von
Fahrbahndecken aus Beton, Ausgabe 2001, FGSV Verlag, Köln 2001, s.80
28. Schell H., Konecny J., Development of an end-result specification for air void
parameters of hardened concrete in Ontario s highway structures, TRB 2003 Annual
Meeting, CD-ROM, 18p.
29. Ogólne Specyfikacje Techniczne D- 05.03.04  Nawierzchnia betonowa .
GDDKiA , Warszawa 2003
30. Glinicki A.M., Glinicki M.A., Mikulicki I., Ocena napowietrzenia betonów w
nawierzchniach jezdni i parkingów, DROGI i MOSTY, nr 1/2004, 5-23
16