Betony wysokowartościowe
Nowa technologia
Tradycyjna technologia projektowania betonów coraz częściej okazuje się niewystarczająca. Inżynierowie poszukują nowych rozwiązań konstrukcyjnych, technologicznych i materiałowych, które umożliwią wznoszenie lekkich i smukłych konstrukcji inżynierskich. Obecnie większą uwagę przywiązuje się do odporności betonu na oddziaływanie agresywnego środowiska zewnętrznego. Doskonali się również stosowanie betonów modyfikowanych substancjami chemicznymi zwiększającymi ich szczelność, odporność na skrajnie niską i wysoką temperaturę oraz agresję chemiczną.
Klasyfikacja betonów, a tym samym zaliczenie do danej grupy normowej, jest najczęściej oparta na uzyskanej wytrzymałości na ściskanie. Jednak w krajach, w których technologia betonu jest już bardzo rozwinięta (Stany Zjednoczone, Japonia, Francja, Norwegia) coraz częściej odchodzi się od tego typu klasyfikowania, uwzględniając inne cechy betonu: urabialność, szczelność oraz trwałość.
Betony wysokiej wytrzymałości
Wśród betonów wysokowartościowych na uwagę zasługują przede wszystkim betony wysokiej wytrzymałości (BWW). Są to kompozyty cementowe o wytrzymałości na ściskanie od 60 do 120 MPa. Zakres ten przyjęto za większością źródeł europejskich oraz amerykańskich (min. Beton DIN 1045, Eurocode 2, ACI 318-89).W obowiązujących Polskich Normach, a także nowym projekcie Polskiej Normy dotyczącej betonu, nie zdefiniowano betonów wysokowartościowych. Betony wysokiej wytrzymałości mają większą wczesną oraz końcową wytrzymałość na ściskanie w porównaniu z wytrzymałością betonów zwykłych. Charakteryzują się niższą ścieralnością - w niektórych wypadkach porównywalną ze ścieralnością granitu. Ta ostatnia cecha zadecydowała o zastosowaniu BWW m.in. przy naprawie obiektów narażonych na ścieranie erozyjne, (tama Kinzau w USA, wypełnienie dna rzeki Los Angeles) oraz na ścieranie mechaniczne (pasy startowe, nawierzchnie drogowe). Większa jest również szczelność i trwałość (odporność na działanie środowiska) BWW, dzięki szczelnej i jednorodnej strukturze, bez otwartych porów kapilarnych. Zalety te to wynik zastosowania dodatków krzemionkowych oraz użycia wydajnych superplastyfikatorów. Pyły krzemionkowe zastosowano w betonie, z którego powstały m.in. tamy Alta w Norwegii i most Tjorn w Szwecji. Dodatek ten pozwala na skuteczne obniżenie wydzielanego ciepła hydratacji. Skurcz w BWW jest niemal dwukrotnie mniejszy niż w betonie zwykłym, przy czym zachodzi on znacznie szybciej. W pierwszych 10 dniach materiał osiąga około 70% wartości końcowych.
Beton bardzo wysokowartościowy
Kolejnym betonem z tej grupy jest beton bardzo wysokowartościowy (BBWW). Jego klasyfikacji dokonano poprzez przyporządkowanie wytrzymałości na ściskanie do przedziału od 120 do 180 MPa. Materiał ten jest stosowany w nielicznych krajach, ponieważ do jego produkcji wymaga się użycia składników bardzo wysokiej jakości. Cementy powinny charakteryzować się starannie dobranym składem, z dużą zawartością faz krzemianowych (C3S, C2S), dzięki czemu osiąga się wysoką wczesną i końcową wytrzymałość, niską zawartością C3A i wysokim stopniem rozdrobnienia. Dodatkami i domieszkami chemicznymi są przede wszystkim efektywne superplastyfikatory SMF lub SNF (sole sulfonowanych melaminowo lub naftalenowo-formaldehydowych polimerów) oraz pyły krzemionkowe. Na właściwości mieszanki betonowej oraz stwardniałego betonu ma także wpływ jakość kruszywa. Powinno się ono charakteryzować cechami pozwalającymi uzyskać beton o żądanej wytrzymałości. Do takich betonów najlepiej użyć granitów, sjenitów lub diabazów. Kruszywo powinno charakteryzować się możliwie najniższą wodożądnością i ciągłą krzywą przesiewu. Technologia wytwarzania BBWW nie odbiega od ogólnych zasad obowiązujących dla wszystkich betonów konstrukcyjnych.
Najnowszą generację materiałów zawierających cement stanowią betony ultrawysokowartościowe (BUWW) o wytrzymałości na ściskanie powyżej 180 MPa. Podczas badań stwierdzono, że betony z dodatkiem mikrozbrojenia oraz poddane specjalnej obróbce cieplno-wilgotnościowej uzyskują wytrzymałości nawet ponad 800 MPa.
Lekkie betony wysokowartościowe
Lekkie betony wysokowartościowe (LBWW) to betony powstałe z użyciem kruszyw lekkich, a przede wszystkim kruszyw sztucznych takich jak liapor czy leca (ze spęcznionych glin) lub lytag (ze spiekanych popiołów lotnych). LBWW stosuje się głównie w elementach konstrukcji platform wydobywczych i innych obiektów wykonywanych najpierw w suchych dokach (ze względu na gęstość materiału możliwy jest dogodny transport elementów do miejsca wbudowania) oraz w przęsłach mostów i przekryciach dużej rozpiętości. W praktyce LBWW, gęstości od 1850 do 2000 kg/m3, uzyskują wytrzymałość na ściskanie od 50 do 90 MPa.
Włóknobeton wysokowartościowy
Prowadzone są także badania nad włóknobetonem wysokowartościowym (WBWW). Jest to beton ze zbrojeniem rozproszonym w postaci włókien metalowych, węglowych, polipropylenowych lub innych, długości około 20 mm i przekroju najczęściej około 1 mm2.
Betony samozagęszczające
To kolejna grupa betonów o bardzo ciekłej konsystencji (normowy rozpływ 500-700 mm), z dużą zawartością cementu (powyżej 600 kg/m3) oraz małą ilością kruszywa. Wykonanie takich mieszanek jest możliwe tylko z zastosowaniem specjalnych dodatków i domieszek. Korygują one lepkość, zapobiegają segregacji i zmniejszają ciepło hydratacji.
Oszczędność
Warto zwrócić uwagę na aspekt ekonomiczny stosowania betonów nowych generacji. Betony te, a dokładniej mieszanki betonowe, są niewątpliwie droższe od tradycyjnych, ale różnica kosztów nie przekracza 40%. Jeżeli uwzględni się wszystkie składniki kosztu, które ponosi inwestor i użytkownik, w tym koszty utrzymania i napraw, okaże się, że konstrukcje wykonane z nowoczesnych wysokowartościowych betonów są tańsze niż z betonów zwykłych. Stosując takie materiały, można zmniejszyć przekroje elementów konstrukcyjnych, a tym samym ich kubaturę, zmniejszyć masę elementów oraz zwiększyć ich rozpiętość i długość. Ponadto stosując beton wysokiej wytrzymałości, można zaoszczędzić istotne ilości zbrojenia. W Stanach Zjednoczonych, na podstawie przeprowadzonych badań i obserwacji, stwierdzono, że możliwe jest zwiększenie na przykład o około 20-25% rozpiętości przęseł przy zachowaniu standardowych wymiarów poprzecznego przekroju belek oraz zmniejszenie o około 40% liczby belek w przęsłach mostowych. Ciekawym osiągnięciem naukowców było również zrealizowanie w Kanadzie w 1997 r. kładki rowerowej z betonu o wytrzymałości do 300 MPa, bez tradycyjnego zbrojenia. Za podstawową cechę betonu przyjmuje się obecnie nie wytrzymałość na ściskanie, a jego trwałość. W sensie technicznym oznacza to niezmienność gwarantowanych cech fizykochemicznych betonu w czasie, a w ekonomicznym - koszt konstrukcji w przeliczeniu na rok jej gwarantowanej eksploatacji. W Polsce betony wysokiej wytrzymałości są w fazie badań i pierwszych zastosowań. Jednak już w najbliższej przyszłości mają szansę znaleźć szersze zastosowanie. Ze względu na szczelność i trwałość materiału, warto polecić ich wykorzystywanie w betonowych konstrukcjach sprężonych oraz w produkcji słupów energetycznych i trakcyjnych. Celowe jest również stosowanie tych betonów w produkcji strunobetonowych i kablobetonowych dźwigarów dachowych.
Zastosowanie
W budownictwie mieszkaniowym betonów wysokowartościowych można użyć do produkcji żelbetowych lub sprężonych belek nośnych w stropach gęstożebrowych o znacznej rozpiętości. Polecane jest także stosowanie BWW w fundamentach wykonanych na terenie oddziaływania agresywnych wód gruntowych, w stropach i belkach konstrukcyjnych, zwłaszcza jeśli zależy nam na zmniejszeniu ilości zbrojenia oraz przeniesieniu większych obciążeń przy smuklejszych wymiarach tych elementów. W Polsce w budynkach wysokich stosuje się przede wszystkim szkielet stalowy. Zastosowanie BWW w tych konstrukcjach przyniosłoby znaczne oszczędności. W budownictwie drogowym przy układaniu, wymianie lub naprawie nawierzchni można wykorzystać dużą trwałość i małą ścieralność tych betonów. Betony wysokowartościowe dzięki swoim właściwościom są coraz częściej stosowane w konstrukcjach inżynierskich. Pod względem materiałowo-technologicznym stanowią nowy materiał budowlany.
Przemysław Stawiarsk