Ogólne zasady projektowania
betonów wysokowartoĘciowych
By projektowaç sk"ad betonów wysokowartoĘciowych, konieczna jest znajomoĘç nowych, moÅ»e nieco bardziej
skomplikowanych doĘwiadczalnych zaleÅ»noĘci mi´dzy jakoĘciowym i iloĘciowym sk"adem materia"u
a jego w"aĘciwoĘciami na etapie mieszanki i betonu stwardnia"ego.
Na wst´pie naleÅ»y podkreĘliç, Å»e omawiana grupa chlarz spoiw o róŻnych w"aĘciwoĘciach, zaĘ drugie
nowoczesnych kompozytów betonowych wywodzi zaowocowa"o pojawieniem si´ kolejnych generacji
si´ wprost z tradycyjnego betonu zwyk"ego. Stano- Ęrodków uplastyczniajÄ…cych i up"ynniajÄ…cych.
wi ona bowiem jeden z efektów konsekwentnej i od W kraju betonami wysokowartoĘciowymi BWW
dziesiÄ…tków lat prowadzonej modyfikacji tradycyj- (ang. HPC  high performance concrete) przyj´to
nego betonu cementowego. Podstawowym celem umownie nazywaç betony klas powyÅ»ej B50, któ-
tej modyfi kacji by"o redukowanie pewnych  przy- re oprócz wysokiej wytrzyma"oĘci na Ęciskanie
rodzonych mankamentów tego materia"u. Betony charakteryzujÄ… si´ takÅ»e i innymi cechami tech-
wysokowartoĘciowe stanowią doskona"y przyk"ad, nicznymi na podwyŻszonym poziomie. Cechy te to
jak stopniowo eliminujÄ…c lub znacznie ograniczajÄ…c g"ównie trwa"oĘç w warunkach oddzia"ywania czyn-
niedostatki materia"u tradycyjnego, uzyskaç ników Ęrodowiskowych, niska przepuszczalnoĘç
moŻna tworzywo o nowych, korzystniejszych dla Ęrodowiskowych mediów ciek"ych i gazowych,
w"aĘciwoĘciach. Warto w tym miejscu podkreĘliç, wysoka odpornoĘç na Ęcieranie itp.
Å»e grupa betonów wysokowartoĘciowych to nadal G"ównymi powodami si´gania przez konstrukto-
grupa betonów cementowych, tyle Å»e wykonywa- rów po betony wysokowartoĘciowe jest moÅ»liwoĘç
nych z nowoczesnych spoiw cementowych wyso- zmniejszenia przekrojów elementów i dzi´ki temu
kiej jakoĘci. Dodatkowymi wyróŻnikami tych beto- istotne obniÅ»enie ci´Å»aru w"asnego konstrukcji oraz
nów są ma"e wartoĘci wskaęnika wodno-spoiwowe- uzyskanie elementów o wysokiej trwa"oĘci.
go i nieroz"Ä…cznie z tym zwiÄ…zana koniecznoĘç sto-
sowania nowoczesnych domieszek plastyfikujących Ogólne zasady projektowania
lub up"ynniających. W przypadku betonów Projektowanie sk"adu kaŻdego betonu, w tym
o najwyÅ»szych wytrzyma"oĘciach konieczne jest takÅ»e betonów wysokowartoĘciowych, opiera si´
takŻe stosowanie dodatków mineralnych, zw"aszcza w ogólnoĘci na odpowiednim:
zaĘ py"u krzemionkowego. Jak widaç, wspomnia-  kszta"towaniu w"aĘciwoĘci i doborze iloĘciowym
ne ograniczanie niedostatków betonu zwyk"ego zaczynu cementowego (sk"adajÄ…cego si´ w przy-
 traktowanego jako prosty trójsk"adnikowy uk"ad padku BWW z cementu, ewentualnego dodatku
sk"adajÄ…cy si´ z cementu, kruszywa i wody  nie mineralnego, wody i domieszki up"ynniajÄ…cej)
by"oby moÅ»liwe bez post´pu w innych dziedzinach:  doborze jakoĘciowym i iloĘciowym kruszywa
chemii i technologii cementu oraz chemii polime-  kszta"towaniu jakoĘci wi´zów (przyczepnoĘci)
rów. Pierwsze da"o technologowi betonu ca"y wa- mi´dzy zaczynem i ziarnami kruszywa.
29
budownictwo " technologie " architektura
p
r
o
j
e
k
t
o
w
a
n
i
e
b
e
t
o
n
ó
w
fot. Micha" Braszczył
ski
Bieg schodowy w budynku
oraz o sk"adzie mineralogicznym i rozdrobnieniu
Polskiego Radia Kraków
pozwalajÄ…cym na uzyskanie szczelnej mikrostruk-
wykonany z betonu klasy
tury ukszta"towanego juÅ» stwardnia"ego zaczynu.
B100
PoniewaÅ» betony BWW sÄ… z regu"y wykonywane
z udzia"em domieszek up"ynniajÄ…cych (superplasty-
fi katorów), zaleca si´, aby stosowany cement zawie-
ra" moŻliwie ma"o (<10%) glinianu trójwapniowego
C3A. ZawartoĘç tego sk"adnika wp"ywa bowiem istot-
nie na efekt up"ynnienia mieszanki betonowej i jej
stabilnoĘç w czasie.
Kruszywo kamienne, którego materia" posiada niemal
zawsze lepsze w"aĘciwoĘci niŻ stwardnia"y zaczyn ce-
mentowy, powinno byç dobrej jakoĘci, z surowca skal-
nego o moŻliwie wysokiej wytrzyma"oĘci, o ziarnach
posiadajÄ…cych kszta"t i powierzchni´ sprzyjajÄ…ce uzy-
skaniu wysokiej przyczepnoĘci zaczynu oraz o uziar-
nieniu zapewniajÄ…cym moÅ»liwie niskÄ… jamistoĘç sto-
su okruchowego (minimalizacja zawartoĘci zaczy-
nu, jako sk"adnika o w"aĘciwoĘciach mniej korzyst-
nych). Zalecany maksymalny wymiar ziarna nie po-
winien przekraczaç 10 do 15 mm (w krajowej prak-
tyce 16 mm). Stosowanie wi´kszych ziaren powodu-
je zwi´kszenie niejednorodnoĘci materia"u oraz sprzy-
ja koncentracji napr´Å»eÅ‚
w wyt´Å»onym materiale,
a w konsekwencji obniŻenie jego wytrzyma"oĘci.
Ze wzgl´du na wspomnianÄ… juÅ» koniecznoĘç stoso-
NaleÅ»y tu podkreĘliç, Å»e obydwa najwaÅ»niejsze wy- wania niskich wartoĘci wskaÄ™nika w/c niezb´dnym
magania stawiane BWW (wysoka wytrzyma"oĘç na sk"adnikiem mieszanki staje si´ jedna z wysoko-
Ęciskanie i wysoka trwa"oĘç) sÄ… zbieÅ»ne, bowiem efektywnych domieszek up"ynniajÄ…cych (super-
czynniki, dzi´ki którym moÅ»liwe jest uzyskanie plastyfi katorów). Z jednej strony umoÅ»liwiajÄ… one
wysokich wytrzyma"oĘci sprzyjają równoczeĘnie uzyskanie nawet ciek"ej konsystencji mieszan-
wysokiej trwa"oĘci i vice versa. Reasumując, ki przy bardzo niskim wskaęniku wodno-spoiwo-
aby uzyskaç beton o moÅ»liwie najwyÅ»szej wym, z drugiej zaĘ powodujÄ… dezagregacj´ sku-
wytrzyma"oĘci i najniŻszej przepuszczalnoĘci dla pisk ziaren cementu, pozwalając na lepsze wy-
mediów zewn´trznych  która zazwyczaj w sposób korzystanie spoiwa poprzez zwi´kszenie jego po-
dominujÄ…cy decyduje o trwa"oĘci  konieczne sÄ…: wierzchni w"aĘciwej. NaleÅ»y tu zwróciç uwag´, Å»e
 maksymalizacja wytrzyma"oĘci (a wi´c efektywnoĘç dzia"ania domieszki zaleÅ»y istotnie od
i szczelnoĘci) stwardnia"ego zaczynu, związana rodzaju uŻytego cementu oraz rodzaju wprowa-
g"ównie z minimalizacją wskaęnika wodno-spo- dzonego ewentualnie dodatku mineralnego. Z te-
iwowego oraz stosowaniem odpowiednich do- go powodu kaÅ»dorazowo efektywnoĘç ta musi byç
datków mineralnych i domieszek chemicz- sprawdzona doĘwiadczalnie.
nych umoŻliwiających, przy z regu"y bardzo Kolejnym sk"adnikiem betonu BWW jest zazwy-
ma"ej zawartoĘci wody, uzyskanie odpowiedniej czaj dodatek mineralny. Najcz´Ä˜ciej jest nim
urabialnoĘci mieszanki py" krzemionkowy, który dzi´ki bardzo wyso-
d"1 µm), bar-
 maksymalizacja wytrzyma"oĘci i szczelnoĘci kiemu rozdrobnieniu (uziarnienie
materia"u kruszywa, związana z doborem dzo duŻej powierzchni w"aĘciwej (oko"o 20 m2/g)
materia"u kruszywa i jego uziarnieniem i związanej z tym aktywnoĘci chemicznej, ko-
 maksymalizacja mocy wi´zów, jakie "Ä…czÄ… oby- rzystnie modyfi kuje stwardnia"y zaczyn cemen-
dwa te komponenty oraz szczelnoĘci strefy sty- towy, w tym takŻe zaczyn w strefie jego kon-
kowej, co zwiÄ…zane jest z obydwoma wymienio- taktu z kruszywem. NaleÅ»y podkreĘliç, Å»e beto-
nymi wyÅ»ej czynnikami. ny BWW niÅ»szych klas (do oko"o B70) uzyskaç
Nie moÅ»na tu oczywiĘcie zapominaç o nies"ychanie moÅ»na w warunkach przemys"owych, stosujÄ…c
waŻnej roli innych czynników technologicznych, cement o rzeczywistej wytrzyma"oĘci oko"o 45
jak efektywnoĘç zag´szczania mieszanki betono- MPa, zwyk"e, lecz poprawnej jakoĘci (uziarnienie,
wej, czas i warunki piel´gnacji itp. kszta"t ziaren, brak zanieczyszczeÅ‚
pylastych) kru-
szywo otoczakowe oraz domieszk´ up"ynniajÄ…cÄ….
Projektowanie jakoĘciowe, podstawowe Kruszywa z materia"ów kamiennych o wysokiej
wymagania dotyczÄ…ce sk"adników BWW wytrzyma"oĘci oraz py" krzemionkowy stajÄ… si´
Dla wykonania scharakteryzowanego wczeĘniej niezb´dnymi, gdy chcemy uzyskaç betony klas
betonu wysokowartoĘciowego konieczne jest, co powyŻej oko"o B70.
oczywiste, stosowanie sk"adników o odpowiednich
w"aĘciwoĘciach. Dotyczy to spoiwa cementowego, Projektowanie iloĘciowe
kruszywa, domieszki up"ynniającej oraz ewentual-  ustalanie iloĘciowego sk"adu BWW
nych dodatków mineralnych. i jego przebieg
JeÅ»eli mowa o cemencie, to najcz´Ä˜ciej zaleca si´ Projektowanie sk"adu BWW prowadzi si´ przede
stosowanie spoiw o rzeczywistej wytrzyma"oĘci wszystkim metodami doĘwiadczalnymi. Wy-
na Ęciskanie nie mniejszej od oko"o 45 MPa nika to g"ównie z tego, Że mieszanka betono-
30
Numer specjalny 2003: Domieszki do betonu
fot. Wojciech Gruszka
wa nie jest prostym, trójsk"adnikowym uk"adem. Podsumowanie
W wyniku koniecznoĘci stosowania domieszek Jak widaç, dla bardziej doĘwiadczonego projek-
up"ynniajÄ…cych oraz aktywnego dodatku mi- tanta projektowanie sk"adu BWW w istocie nie-
neralnego staje si´ ona uk"adem co najmniej zbyt róŻni si´ od projektowania sk"adu betonów
pi´ciosk"adnikowym, którego w"aĘciwoĘci sÄ… bar- zwyk"ych. Zasadnicza róŻnica polega na tym, iÅ»
dzo czu"e zarówno na jakoĘciowe, jak i iloĘciowe przy projektowaniu sk"adu BWW konieczna jest
zmiany sk"adu. Znane i powszechnie stosowa- znajomoĘç nowych, moÅ»e nieco bardziej skom-
ne przy projektowaniu sk"adu betonów zwyk"ych plikowanych doĘwiadczalnych zaleÅ»noĘci mi´dzy
zaleÅ»noĘci wiąŻące wytrzyma"oĘç ze sk"adem jakoĘciowym i iloĘciowym sk"adem materia"u a je-
(równania Bolomeya, Abramsa itp.) w przypadku go w"aĘciwoĘciami na etapie mieszanki i beto-
BWW przestajÄ… byç aktualne. Jest to spowodowa- nu stwardnia"ego. Zwróciç teÅ» naleÅ»y uwag´ na
ne tym, Å»e w przypadku BWW stosuje si´ niskie koniecznoĘç staranniejszego jakoĘciowego doboru
lub bardzo niskie wartoĘci wskaęnika w/s, zazwy- sk"adników, czemu sprzyjają przepisy nowej nor-
czaj poniÅ»ej 0,35 (c/w > 2,8), co stanowi granic´ my PN-EN 206-1.
Schemat ilustrujÄ…cy jeden
stosowalnoĘci równania Bolomeya.
ze sposobów post´powania
Podobnie, lecz tym razem z powodu stosowania prof. Jacek ÂliwiÅ‚
ski
podczas projektowania
domieszek up"ynniajÄ…cych, nieaktualnym staje si´ Politechnika Krakowska sk"adu BWW
tradycyjne równanie konsystencji, uzaleŻniające
niezb´dnÄ… iloĘç wody tylko od iloĘci oraz jakoĘci
Przyj´cie za"oÅ»eÅ‚
:
spoiwa i kruszywa.
klasa wytrzyma"oĘci,
Jedynym z trzech równał
podstawowych, które
konsystencja,
z oczywistych wzgl´dów zachowuje swÄ… waÅ»noĘç,
przeznaczenie betonu
Dobór rodzaju, klasy i przyj´cie
jest równanie szczelnoĘci, zgodnie z którym suma
i warunki eksploatacji
minimalnej zawartoĘci cementu
obj´toĘci absolutnych wszystkich sk"adników ma
si´ równaç jednostce obj´toĘci zag´szczonej mie-
szanki betonowej.
JakoĘciowy dobór
Dobór rodzaju
Wyniki najnowszych badał
dotyczÄ…cych relacji
sk"adników
superplastyfikatora
mi´dzy sk"adem i w"aĘciwoĘciami betonów BWW
powoli uzupe"niajÄ… wspomnianÄ… luk´. Równa-
Dobór i ustalenie sk"adu
Oszacownie wartoĘci w/c
nie typu Bolomeya zastÄ…piç moÅ»na obecnie na
ziarnowego kruszywa
(lub w/s) oraz pk/c
przyk"ad doĘwiadczalnym równaniem opracowa-
niezb´dnych dla uzyskania
nym przez de Larrarda [de Larrard F., Gorse J.F.,
wymaganej wytrzyma"oĘci
np. z zaleŻnoĘci de Larrarda
Puch C.: Comparative study of various silica fume
betonu
as additives in high performance cementitious ma-
terials, Materials and Structures, vol. 25, 1992,
dla BWW zazwyczaj:
265-272], wed"ug którego wytrzyma"oĘç betonu Przyj´cie iloĘci cementu
e" C C = od 400 do 500 kg/m3
(C ), dodatku (PK)
na Ęciskanie dojrzewającego 28 dni w warunkach
min
PK = od 00,5 do 0,1 C
i wody (W) oraz obliczenie
normalnych wynosi:
W = W/C " C
obj´toĘci zaczynu:
V =C/Ác+PK/Ápk+W
z
kkk
c
f =
c28 2
1+3,1 w/c
1,4  0,4exp (-11 pk/c) Obliczenie obj´toĘci
kruszywa: Vk=1000  V
z
gdzie:
kk  wspó"czynnik uwzgl´dniajÄ…cy wp"yw rodza-
Obliczenie masy
ju stosowanego kruszywa [-], (dla wi´kszoĘci
kruszywa: K= VkÁĘr k
kruszyw stosowanych do BWW mieĘci si´ on i jego rozdzielenie na
piasek i kruszywo grube
w granicach od 4,9 do 5,2)
k  rzeczywista wytrzyma"oĘç cementu [MPa]
c
w/c  wskaęnik wodno-cementowy [-]
Wst´pne ustalenie sk"adu:
pk/c  zawartoĘç py"u krzemionkowego w stosun-
C; PK, Kd, K , W
g
ku do masy cementu [kg/kg].
Jedną z propozycji moŻliwego przebiegu projekto-
wania sk"adu BWW ilustruje pokazany obok sche-
Wykonanie zarobu
mat, w którym zastosowane skróty oznaczają:
próbnego i ustalenie
C, PK, Kd, K , W  zawartoĘç odpowiednio ce- iloĘci
g
superplastyfikatora
mentu, py"u krzemionkowego, kruszywa
drobnego i grubego oraz wody [kg/m3]
Ác, Ápk, Ákd, Ákg  g´stoĘci sk"adników jak
Powtórne wykonanie
wyŻej [kg/dm3]
zarobu i weryfikacja
ÁĘr k=UkdÁkd+UkgÁkg  Ęrednia waÅ»ona g´stoĘç
w"aĘciwoĘci mieszanki
kruszywa, obliczana z uwzgl´dnieniem
i betonu stwardnia"ego
udzia"u kruszywa drobnego (Ukd) i grube-
go (Ukg); wartoĘç potrzebna tylko w przy-
padku, gdy obydwa kruszywa róŻniÄ… si´
KOREKTY niezgodne zgodne KOREKTY
g´stoĘciÄ…
31
budownictwo " technologie " architektura