Kształtowanie wysokowartościowych betonów żwirowych

Mimo upływu 150 lat stosowania i badań nad betonem, okazuje się, że nie wyczerpała się możliwość zmian (nawet skokowych) w jego jakości. Od kilkunastu lat na świecie, a od kilku w Polsce rośnie zainteresowanie stosowaniem betonów wysokiej wytrzymałości (BWW), betonów bardzo wysokiej wytrzymałości (BBWW) oraz betonów ultra wysokiej wytrzymałości (BUWW), krótko mówiąc betonów nowych generacji, betonów XXI wieku - charakteryzujących się, nieosiągalnymi do niedawna w warunkach technicznych, cechami fizycznymi i mechanicznymi oraz dużą trwałością.
Coraz częściej pojawiające się na świecie zastosowania BWW, a także w mniejszej skali BBWW oraz BUWW, zainspirowały autorów do przeprowadzenia badań w zakresie możliwości wykonania BWW w warunkach przemysłowych w Polsce.

Program badań  
Program badań obejmował badania szczelności świeżych mieszanek betonowych po 12 godzinach twardnienia oraz badania kinetyki rozwoju wytrzymałości na ściskanie. Celem przedstawionego programu badań było ukazanie efektów modyfikacji matrycy cementowej poprzez zastosowanie domieszek i dodatków.

Tablica 1. Program badań.

W projektowanych mieszankach betonowych założono wskaźnik wodno-spoiwowy W/S od 0,22 do 0,52 oraz stałą konsystencję klasy V3 co odpowiada 5 - 11 s według metody Ve-Be. Zaprojektowano betony bez dodatków (grupa I), z domieszką superplastyfikatora Melment L10/40% w ilości 50% maksymalnego stężenia określonego przez producenta (grupa II) oraz domieszką superplastyfikatora w ilości 100% maksymalnego stężenia określonego przez producenta i dodatkiem mikrokrzemionki w ilości 10% w stosunku do całkowitej ilości spoiwa - cementu i mikrokrzemionki - (grupa III). Badania przeprowadzono na cementach trzech klas wytrzymałościowych 32,5; 42,5; 52,5. Program badań przedstawiono w tablicy 1. Założonym warunkiem podstawowym było zastosowanie kruszywa żwirowego. Warunek ten postawiono mając na uwadze dwa czynniki:
.zakład produkcyjny, była fabryka domów, w którym przeprowadzono badania dysponował jedynie tym rodzajem kruszywa (dogodny transport z pobliskiej kopalni kruszyw),
.zamiarem autorów było pokazanie, że betony wysokich wytrzymałości można uzyskać również na kruszywach otoczakowych.
Doboru stosu okruchowego , składającego się z mieszaniny piasku 0 - 2 (Roszków) oraz mieszanki grubej 0 - 16 (Roszków), dokonano metodą iteracji, uzyskując maksymalną szczelność na poziomie 0,852. (Rysunek 1)

Rys. 1 Wykres szczelności komponowanego stosu okruchowego w zależności od proporcji mieszanki grubej i piasku.

Wyniki badań  
Badania szczelności świeżych mieszanek betonowych oraz badania rozwoju wytrzymałości na ściskanie twardniejącego betonu przeprowadzono na wszystkich mieszankach przedstawionych w tablicy 1. Wszystkie badane próbki do czasu badań zabezpieczono przed wymianą wilgoci z otoczeniem.
Wyniki badań szczelności świeżych mieszanek betonowych przedstawiono na rysunku 2, a wyniki badań rozwoju wytrzymałości na ściskanie analizowanych betonów przedstawiono graficznie na rysunkach 3, 4, 5.

Rysunek 2. Wykres szczelności świeżej mieszanki betonowej.

Rysunek 3. Wykres zależności wytrzymałości na ściskanie od czasu dojrzewania próbek betonowych dla betonów serii A (komponowanych na cemencie klasy 32,5).

Rysunek 4. Wykres zależności wytrzymałości na ściskanie od czasu dojrzewania próbek betonowych dla betonów serii B (komponowanych na cemencie klasy 42,5).

Rysunek 5. Wykres zależności wytrzymałości na ściskanie od czasu dojrzewania próbek betonowych dla betonów serii C (komponowanych na cemencie klasy 52,5).

Analiza otrzymanych wyników  
Analiza wyników badań pozwala na stwierdzenie, że wraz ze zmniejszającym się wskaźnikiem wodno-spoiwowym oraz zastosowaniem domieszek i dodatków, zwiększa się szczelność świeżych mieszanek betonowych (maleje porowatość rys. nr 6). W przedmiotowych badaniach uzyskano porowatość od 0,70 do 1,80%. Porowatość na poziomie 0,7% uzyskano dzięki zastosowaniu superplastyfikatora i mikrokrzemionki oraz skomponowanemu stosowi okruchowemu, a także skutecznym metodom wibracji mieszanki betonowej.
Analiza wyników badań potwierdza przewidywania w zakresie korzystnego wpływu stosowania dodatków i domieszek modyfikujących matrycę spoiwową na rozwój wytrzymałości betonów na ściskanie. Stwierdzono znacznie wyższe wartości wytrzymałości na ściskanie betonów modyfikowanych (rys. 3, 4, 5, 10). Jednak korzystny wpływ domieszek i dodatków modyfikujących jest zauważalny dopiero w późniejszym okresie (rys. 7, 8, 9). Po upływie 12 godzin w betonach modyfikowanych superplastyfikatorem i mikrokrzemionką obserwowano niższe wartości wytrzymałości na ściskanie (rys. 7).
W grupie 3 betonów (tablica 1) uzyskanie mieszanki charakteryzującej się wskaźnikiem W/S = 0,22 zawierającej racjonalne ilości cementu klasy 52,5 (seria C) okazało się niemożliwe (tablica 1, rys. 6, 7, 8, 9, 10).
Przeprowadzone badania wykazały, że modyfikacja matrycy spoiwowej spowodowała korzystne efekty wytrzymałościowe w betonach z wypełniaczem w postaci kruszyw otoczakowych (żwirowych). Uzyskanie wytrzymałości betonu na ściskanie rzędu 85 MPa jest rezultatem bardzo obiecującym.

Rys.6 Wykres zależności porowatości świeżej mieszanki betonowej od wskaźnika W/S, klasy wytrzymałościowej cementu, zastosowania superplastyfikatora i mikrokrzemionki.

Rys.7 Wykres zależności wytrzymałości na ściskanie po 12 godzinach twardnienia od wskaźnika W/S, zastosowania dodatków i domieszek.

Rys.8 Wykres zależności wytrzymałości na ściskanie po 24 godzinach twardnienia od wskaźnika W/S, zastosowania dodatków i domieszek.

Rys.9 Wykres zależności wytrzymałości na ściskanie po 72 godzinach twardnienia od wskaźnika W/S, zastosowania dodatków i domieszek.

Rys.10 Wykres zależności wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach twardnienia od wskaźnika W/S, zastosowania dodatków i domieszek.

Podsumowanie  
Studia opracowań krajowych i zagranicznych oraz wyniki badań własnych są podstawą do sformułowania wniosku, że istnieją pełne podstawy naukowe, teoretyczne, warunki technologiczne, materiałowe i techniczne do uzyskania w warunkach przemysłowych betonów wysokich wytrzymałości również na kruszywach otoczakowych przy znanej technologii wytwarzania betonów. Należy jednak zwrócić uwagę na wymaganą precyzję dozowania poszczególnych składników mieszanki betonowej.
Uzyskanie betonów wysokich wytrzymałości jest możliwe nie tylko dzięki stosowaniu cementów wysokich klas wytrzymałościowych. W badaniach własnych uzyskano BWW na cementach portlandzkich klas 32,5; 42,5 i 52,5. Spośród analizowanych cementów, cementy klasy 52,5 są znacznie efektywniejsze, niż cementy klas 32,5 i 42,5, co pozwala na uzyskanie mieszanki betonowej o lepszych właściwościach mechanicznych.
Modyfikacja betonów domieszką superplastyfikatora, dodatkiem mikrokrzemionki oraz zmniejszanie wskaźnika wodno-spoiwowego pozwala na zauważenie istotnych różnic wytrzymałościowych twardniejącego betonu. Wraz z malejącym wskaźnikiem W/S, obecnością superplastyfikatora oraz mikrokrzemionki rośnie wytrzymałość na ściskanie betonu oraz szczelność świeżej mieszanki betonowej.
Na podstawie analizy uzyskanych wyników uzasadnione jest prowadzenie dalszych badań zależności właściwości mechanicznych betonów od rodzaju i sposobu modyfikacji ich matryc spoiwowych. Należy tutaj podkreślić, iż bardzo korzystne efekty modyfikacji matrycy spoiwowej uzyskano w betonach żwirowych. Relatywnie wysokie wytrzymałości modyfikowanych betonów wykonanych w warunkach przemysłowych pozwalają na bardzo interesujące poszerzenie oferty produkcyjnej byłych fabryk domów.
Modyfikacja matrycy spoiwowej kontroluje również odporność betonu na oddziaływania korozyjne środowiska zewnętrznego. Ten obszar badań, jak się wydaje, powinien być w sferze zainteresowań badaczy zwłaszcza, że problemy trwałości materiałów obecnie nabierają szczególnego znaczenia.

---