Fizyczne i mechaniczne różnice pomiędzy betonami zwykłymi i betonami wysokowartościowymi

Betony wysokowartościowe to nowy kompozyt budowlany, wyodrębniony poprzez klasyfikację betonów i zaliczony do materiałów cementowych, których wytrzymałość na ściskanie przekracza 60 MPa. Również trwałość jak i odporność na destrukcyjne oddziaływanie środowiska naturalnego to główne cechy tego materiału.
Technologia BWW przewiduje uzyskanie mieszanki betonowej o możliwie jak najniższym wskaźniku wodno-spoiwowym ( poniżej 0,4 ), stosowanie cementów wyższych marek oraz kruszyw łamanych. Badanie dowodzą także, że możliwe jest uzyskanie BWW na kruszywach otoczakowych oraz cementach niższych klas. Ilość zużywanego cementu waha się w granicach 450 - 600 kg/m3. Projektowanie mieszanki betonowej BWW sprowadza się do iteracyjnych metod empirycznych. Doboru stosu okruchowego dokonuje się poprzez takie zmieszanie kruszyw grubo i drobnoziarnistych, aby w efekcie uzyskać maksymalnie szczelny stos okruchowy.
W wyniku stosunkowo wysokiego zużycia cementu, istnieje niebezpieczeństwo pojawienia się rys skurczowych. Dlatego też pielęgnacja BWW przebiega nieco dłużej w porównaniu z betonami zwykłymi. Badania własne autora wykazały, że pielęgnacja ta może trwać do 10 dnia po zabetonowaniu.
BWW znalazło już szerokie zastosowanie, tak w konstrukcjach wysokich jak w drogownictwie. Zalety betonów wysokowartościowych takich jak , wysoka wczesna wytrzymałość na ściskanie, wysoka wytrzymałość końcowa na ściskanie, duża trwałość, mrozoodporność, odporność na ścieranie zostały dostrzeżone przez inżynierów i często są wykorzystywane w praktyce.

 

Właściwości mechaniczne betonów

Szeroko omawiana i przedstawiana w literaturze jako główny parametr opisujący betony, wytrzymałość na ściskanie, jest niewystarczająca dla scharakteryzowania. Warto zwrócić uwagę na inne właściwości mechaniczne betonów, aby uwypuklić różnice pomiędzy betonami zwykłymi, a betonami wysokich wytrzymałości. Często prezentuje się w literaturze związki funkcyjne pomiędzy poszczególnymi właściwościami mechanicznymi a wytrzymałością na ściskanie. W artykule omówiono niektóre z nich z uwzględnieniem wyników badań własnych.

Zależność między naprężeniami i odkształceniami przy jednoosiowym ściskaniu

Krzywe ilustrujące tę zależność w odniesieniu do betonów konwencjonalnych i BWW wykazują istotne różnice (rys. 1):

• w wypadku betonów zwykłych zależność między naprężeniami i odkształceniami jest od początku zwiększania obciążenia krzywoliniowa, podczas gdy BWW wykazują zależność niemal liniową, aż do około 80 - 90 % naprężeń niszczących,

• odkształcenia jednostkowe odpowiadające naprężeniu niszczącemu BWW zwiększają się wraz z wytrzymałością tych materiałów,

• w przypadku BWW naprężenia po osiągnięciu największych wartości gwałtownie maleją, co wynika z większej kruchości tych materiałów w porównaniu z betonami zwykłymi.

Rys. 1. Przybliżone krzywe zależności między naprężeniami i odkształceniami przy osiowym ściskaniu betonu różnych klas [5].

Wytrzymałość na rozciąganie

Wytrzymałość na rozciąganie można określić z zależności:
 

R_r = 0,6 + 0,06 R_c dla BWW (1)

R_r = 0,431R_c^(2/3) dla BZ (2)

Wytrzymałość na rozciąganie rośnie szybciej niż wytrzymałość na ściskanie, ale już po 14 dniach jej dalszy przyrost praktycznie nie występuje. W świetle badań Königa wytrzymałość na rozciąganie betonów wysokowartościowych przyjmuje relatywnie niższe wartości niż w betonach zwykłych. Betony te charakteryzują się zatem niższym wskaźnikiem kruchości Rr/Rc. Na rys. 2 przedstawiono porównanie BZ i BWW w funkcji Rr = f(Rc) na podstawie wyników badań własnych.

Rys. 2. Wytrzymałość na rozciąganie dla betonów zwykłych i BWW w funkcji wytrzymałości
na ściskanie w świetle badań własnych.

Moduł odkształcalności podłużnej

Moduł odkształcalności podłużnej jest określany zwykle w funkcji wytrzymałości na ściskanie. Według propozycji francuskich wartość ta kształtuje się następująco:
 

E= k (R_cj)^1/3 [MPa]; (3)

gdzie, k - zależy od rodzaju kruszywa i wynosi 9500 - 12 500 w odniesieniu do tzw. modułu początkowego. W normach francuskich dotyczących stosowania metody stanów granicznych w konstrukcjach z betonu zbrojonego i sprężonego, dopuszcza się przyjmowanie wartości średniej k = 11 000.

Uwzględniając wartości k przedstawione w otrzymujemy:
 
E = 9859,1 (R_c)^1/3 (4)

Według, moduł sprężystości można opisać zależnością funkcyjną od gęstości pozornej betonu i wytrzymałości na ściskanie:
 

E = 4274,0 ဪ k_b ဪ ၲ_b ဪ (R_c)^1/3 (5)

 
gdzie:
E - moduł sprężystości dla danego typu betonu,
k_b - parametr zależny od rodzaju kruszywa (wartość średnia dla kruszyw = 1,0 ),
ၲ_b - gęstość pozorna betonu w t/m³,
R_c - wytrzymałość na ściskanie dla danego betonu.

Na rys.3 przedstawiono kinetykę wzrostu modułu sprężystości dla betonów zwykłych i BWW na podstawie wyników badań własnych.
 

Rys. 3. Kinetyka rozwoju modułu sprężystości dla betonów zwykłych i BWW w funkcji
wytrzymałości na ściskanie w świetle badań własnych.

Z analizy rys. 3 wynika, że wraz ze zwiększaniem wytrzymałości betonu zwiększa się też jego moduł sprężystości.

Wartość naprężeń niszczących przy ściskaniu

Naprężenia niszczące Rc można wyznaczyć z zależności francuskich:

R_c = 0,85 (R_b/ၧ_b) , MPa (6)
 
W [4] związek ten ma postać:
 
R_c = 0,612 (R_b/ၧ_b), Mpa (7)
 
gdzie:
R_b - wytrzymałość na ściskanie wynikająca z badań laboratoryjnych
ၧ_b - współczynnik materiałowy, dla betonów zwykłych = 1,5
dla BWW = 1,30 - 1,40

BWW wykazują przy ściskaniu sprężystość aż do 0,70 - 0,80 Rb. Dlatego naprężenia spowodowane obciążeniami stałymi mogą być przyjmowane w granicach 0,60 - 0,65 Rb. Wyniki badań własnych przedstawiono na rys. 4.

Rys. 4. Naprężenia niszczące dla betonów zwykłych i BWW w funkcji wytrzymałości na
ściskanie w świetle badań własnych.

Wytrzymałość pod obciążeniem długotrwałym

Proces niszczenia BWW pod obciążeniem długotrwałym można scharakteryzować parametrami o większych wartościach niż dla betonów zwykłych. Niszczenie BWW przebiega w trzech kolejnych etapach: pełzania - liniowym, nieliniowym oraz końcowym - odpowiadającym zniszczeniu. Pełzanie w BWW następuje znacznie szybciej niż w betonach zwykłych. Już po 7 dniach obciążenia w BWW występuje 2/3 pełzania rocznego, podczas gdy w betonach zwykłych osiąga wartość tylko 2/5.

Wzrost wytrzymałości na ściskanie w funkcji czasu największych przyrostów wytrzymałości na ściskanie

Problem wzrostu wytrzymałości na ściskanie w funkcji czasu największych przyrostów wytrzymałości na ściskanie przedstawiono w pracach. Zauważono, że aktywność wzrostu wytrzymałości na ściskanie w początkowym stadium twardnienia jest wyższa dla BWW i trwa dłużej (ok. 9 dni) w porównaniu do BZ (4 dni), a tym samym pozwala uzyskać wyższe wytrzymałości na ściskanie. Schematycznie wyniki obserwacji badań własnych przedstawiono na rys. 5.

Rys. 5. Schemat wzrostu wytrzymałości na ściskanie w funkcji czasu największych
przyrostów wytrzymałości na ściskanie.

 

Na rys. 6 zaprezentowano różnice ekonomiczne pomiędzy betonami zwykłymi a betonami wysokich wytrzymałości. Koszt 1 m3 mieszanki betonowej przedstawiono w funkcji wytrzymałości na ściskanie. Zauważono odmienne tendencje wzrostu kosztu 1 m3 mieszanki betonowej, które przebiegają dla betonów zwykłych - logarytmicznie, a dla BWW wykładniczo.

Rys. 6. Koszt 1m 3 mieszanki betonowej w funkcji wytrzymałości na ściskanie.

Uwagi końcowe

Analizując opracowania badań własnych oraz dane literaturowe, można stwierdzić, że istnieją różnice modelowe pomiędzy betonami zwykłymi, a betonami wysokich wytrzymałości. W szczególności uwagę należy zwrócić na różnice wytrzymałości na rozciąganie w funkcji wytrzymałości na ściskanie, naprężeń niszczących w funkcji wytrzymałości na ściskanie oraz kosztu 1 m3 mieszanki betonowej w funkcji wytrzymałości na ściskanie. Mniejsze różnice wykazują natomiast wyniki modułu sprężystości w funkcji wytrzymałości na ściskanie, które to uzależnione są od niewielkich wahań gęstości pozornej BZ i BWW. Analizując wykres wytrzymałości na rozciąganie w funkcji wytrzymałości na ściskanie, a dokładniej iloraz wytrzymałości na rozciąganie i ściskanie, można stwierdzić, że BWW wykazuje większą kruchość w porównaniu z BZ.

 

W artykule wykorzystano następujące pozycje :

Dyduch K., Zastosowanie betonów wysokiej jakości w konstrukcjach budowlanych i inżynierskich. Przegląd Budowlany nr 8-9/92.
Flaga K., Mierzwa J., Betony o dużej trwałości i wysokiej wytrzymałości (HSC) jako realizacja nowej materiałowo- technologicznej koncepcji kompozytu konstrukcyjnego. Przegląd Budowlany nr 8-9/92.
Jamroży Z., Technologia betonu. Politechnika Krakowska, Kraków 1997.
Olszak W., Kaufman S. i inni, Teoria konstrukcji sprężonych. PWN, Warszawa 1961.
Radomski W., Niektóre problemy obliczeniowo-teoretyczne i techniczne związane z zastosowaniem betonów wysokiej wytrzymałości. Inżynieria i Budownictwo nr 9/93.
Rusch H., Jungwirth D., Skurcz i pełzanie w konstrukcjach betonowych. Arkady, Warszawa 1979.
Stawiarski P., Model numeryczny betonów wysokich wytrzymałości na podstawie badań własnych, Praca dyplomowa, Gliwice 1999.
Stawiarski P., Technologia betonów wysokowartościowych na podstawie badań własnych. Przegląd Budowlany nr 5/2000.
Ślusarek J., Stawiarski P., Wpływ dodatków chemicznych i domieszek mineralnych na wybrane właściwości mechaniczne betonów. Inżynieria i Budownictwo nr 3/2000.

---