Trwałość betonów

Obecnie mijają już dwa wieki, od kiedy człowiek stosuje kompozyt zwany betonem. W tym czasie dokonało się jednak wiele skokowych zmian jego jakości. W 1824 roku Joseph Aspdin wynalazł cement portlandzki i ten właśnie rok stał się przełomowy w historii betonu. Warto zadać sobie pytanie: czy możemy również sprecyzować kolejną datę, która stanowiłaby taki milowy krok w technologii betonu? Co powinno wywołać ten krok?

Już ten wiek przyniósł nam zastosowanie do betonu wielu dodatków i domieszek poprawiających jego jakość. Cóż więc jest tym milowym krokiem? Otóż warto w tym miejscu zacytować prof. Ajdukiewicza -"współczesna technologia jest bardzo silnie związana z nurtem tzw. projektowania na trwałość. Tworzy się wręcz nowa, intensywnie rozwijana na świecie dziedzina w technologii betonu - durability technology - technologia trwałości. Z chwilą opanowania tej technologii przez wykonawstwo można oczekiwać "lepszej jakości za niższą cenę". Technologia ta związana jest z modyfikacją betonów, co niejednokrotnie prowadzi do kompozycji betonów wysokowartościowych - high performance concrete".

Szeroko omawiana trwałość betonów wysokowartościowych nie znajduje swojego pełnego odzwierciedlenia w badaniach (przynajmniej w warunkach polskich). Panująca bowiem opinia, że betony wysokowartościowe są trwałe, nie zawsze musi być prawdziwa. Bo co to oznacza, że beton jest trwały? Może być odporny na działanie czynnika A, ale nie na działanie czynnika B. Aby sprecyzować, czym jest trwałość betonu, należy utworzyć jej definicję.

Trwałość

Trwałość jest terminem bardzo złożonym w przypadku betonów. Norma amerykańska ASTM E632 definiuje trwałość jako zachowanie zdolności ustroju, elementu, wyrobu, budowli do spełnienia funkcji w określonym czasie i określonym środowisku. Trwałość definiowana jest również przez odporność w czasie określonej struktury materiału lub elementu na zespół oddziaływań destrukcyjnych. W rozumieniu Eurocodu EC2 - trwałość budowli to takie zachowanie konstrukcji, że w założonym czasie eksploatacji spełnia ona swoje funkcje pod względem użytkowania, nośności i stateczności bez wyraźnego obniżenia właściwości użytkowych albo wystąpienia nadmiernych, nieprzewidzianych kosztów jej utrzymania.

Co decyduje jednak o trwałości betonów? Na odpowiedź składa się kilka czynników. Przede wszystkim - jest to jakość składników betonu, a dominującą rolę ogrywa tu spoiwo. Następnym czynnikiem jest projektowanie i jakość wykonania mieszanki, głównie założenie niskiego wskaźnika W/C, szczelnego stosu okruchowego, zmniejszenie porowatości przez stosowanie dodatków i domieszek oraz skutecznych metod wibracji. Kolejny czynnik to pielęgnacja dojrzewającego betonu.

Obciążenia statyczne, zmiany temperatury i wilgoci wpływają niekorzystnie na beton, obniżając jego trwałość. Oceny trwałości materiałów dokonuje się za pomocą różnych kryteriów zniszczenia, których wybór jest zdeterminowany warunkami pracy danego elementu. W literaturze brak jednak spójnej teorii, na której można oprzeć prognozowanie trwałości betonu. Badania są wciąż prowadzone i mogą zaowocować powstaniem modelu trwałościowego betonów wysokich wytrzymałości.

Fot. Silnie narażona konstrukcja na oddziaływanie wody morskiej. Przeprawa przez zatokę w San Diego w Kaliforni w USA.

 Badania trwałościowe betonów

Podejmowane przez wiele ośrodków badania trwałościowe betonów sprowadzają się głównie do badań mrozo- czy chemoodporności w warunkach laboratoryjnych. Dotychczas trwałość betonu zwykłego poddanego oddziaływaniom klimatycznym jest określana według mrozowego testu destrukcyjnego. Doświadczalnie bada się ubytek wytrzymałości i masy po określonej liczbie cykli w warunkach normowych oraz porównuje się go z wartościami progowymi. Należy się zastanowić, czy taka metodyka badań jest właściwa?

W warunkach naturalnych na beton działają naprzemiennie lub niejednokrotnie równocześnie agresywne warunki środowiskowe, np.: działanie na beton mrozu i kwaśnych środowisk agresywnych. Do naturalnych oddziaływań na beton można głównie zaliczyć działanie słońca, deszczu, mrozu, lecz także wiatru, zmiany ciśnień atmosferycznych, częste zmiany wilgotonościowo-termiczne. Najbardziej więc miarodajnym testem byłoby badanie naturalnego starzenia betonu w naturalnych warunkach. Niestety jest to proces niezwykle długotrwały, a jego analiza nie miałaby większego sensu, gdyż zmieniająca się szybko technologia zredukowałaby już wcześniejsze błędy. Dlatego też za wiarygodny sposób badania betonu należy uznać metody symulacyjne, które dzięki specjalnemu stanowisku do badań starzeniowych pomagają odpowiedzieć na pytanie, jak trwały jest dany beton, a dzięki metodom analitycznym określają jego poziom trwałości i wiek użytkowania.

Fot. Przeprawa mostowa w pobliżu uśpionego wulkanu Sant Helen w stanie Washington w USA

Obowiązująca norma Beton zwykły PN-88/B-06250 określa między innymi czynniki wpływające na trwałość betonu. W normie tej zaleca się ograniczenie stosowania cementów portlandzkich z dodatkiem popiołu lotnego tylko do drobnowymiarowych wyrobów betonowych, elementów nie podlegających obliczeniom statycznym oraz do betonów wypełniających i warstw wyrównawczych. Potwierdziły to badaniach, z których wynika, że po roku dojrzewania betonów komponowanych na cemencie z dodatkami popiołów lotnych spadek mrozoodporności osiągnął wartości poniżej wymagań normowych. Stosowane do betonu kruszywo powinno być odporne na działanie alkaliów zawartych m.in. w cemencie. Norma PN-86/B-06712 Kruszywa mineralne do betonu precyzuje odporność kruszyw na alkalia zawarte w cemencie. Efektem destrukcyjnych oddziaływań alkaliów na kruszywo jest często spotykane niszczenie powierzchni betonu, zarysowania, złuszczenia, odpryski. Aby temu zapobiec, należy przestrzegać normy niskiej zawartości alkaliów w cemencie, stosowania racjonalnych ilości cementu, stosowania pyłów krzemionkowych lub popiołów lotnych w niewielkich ilościach - do 15% masy cementu.

Norma Beton Zwykły wskazuje również na uzyskanie trwałego betonu przez właściwe zaprojektowanie (W/C, dodatki, domieszki), ilość powietrza w mieszance (poniżej 2%), kontrolę betonu (mrozoodporność, wodoprzepuszczalność, stopień zniszczenia powierzchni), pielęgnację (nawilgacanie betonu, stosowanie dodatków, którymi pokrywa się powierzchnie elementów betonowych w celu uniemożliwienia utraty wody z betonu). Odpowiednia obróbka cieplna również znajduje tu swoje uzasadnienie. Przekraczanie bowiem pewnych wartości temperaturowych (np. przy cementach portlandzkich 70° C) może powodować obniżenie trwałości betonu w wyniku powstałych spękań i rys, co z kolei prowadzi do niepożądanego wnikania czynników agresywnych do wnętrza elementów betonowych. W niektórych opracowaniach określa się, że wytrzymałość i trwałość betonów wysokiej wytrzymałości zależy od ukształtowania ich mikro- i makrostruktury (opisującej morfologię - kształt, wielkość i rozmieszczenie ziarn, faz i składników strukturalnych)

Dynamiczny rozwój konstrukcji betonowych aż do lat 80. naszego stulecia był niemal nie do zatrzymania. Właśnie w tych latach zaczęto dostrzegać rozmiary uszkodzeń i zagrożeń w obiektach betonowych z powodu przedwczesnej utraty trwałości betonu, spowodowanej jego jakością.

Trwały beton

W wielu publikacjach pojawia się, zresztą słuszne, stwierdzenie, że aby beton był trwały, powinien posiadać szczelną strukturę. Decydującą rolę w uzyskaniu takiej struktury mają niskie wartości wskaźnika W/C = 0,22-0,32, zastosowanie mikrowypełniaczy o właściwościach pucolanowych, domieszek poprawiających wymieszanie składników, zmniejszenie W/C, polepszenie urabialności, zmniejszenie ilości porów.

Fot. Próbka betonu z Hoover Dam

W tym miejscu pojawia się jednak pewne pytanie: czy przy wysoce szczelnej strukturze powstałej w wyniku obniżenia W/C i zastosowania mikrowypełniacza, istnieje miejsce dla produktów hydratacji cementu? Można postawić tezę, że przy wysokiej szczelności struktury betonu produkty powstałe w wyniku hydratacji mogą być przyczyną mikropęknięć, spowodowanych rozsadzeniem tejże struktury. To teza bardzo kontrowersyjna, lecz problem rzeczywiście jest bardzo złożony i nie do końca rozpoznany.

Problem betonów wysokowartościowych poddaje się badaniom w licznych ośrodkach badawczych na świecie. Należy jednak badania te rozszerzyć o jakże aktualne zagadnienie, jakim jest trwałość. Obecnie można już mówić o zdecydowanej poprawie jakości betonu, ale technologia dzisiejsza wymaga od wykonawców osiągnięcia produktu doskonałego.

Rys. 1. Przepuszczalność wody przez betony zwykłe i wysokiej wytrzymałości po 3 dniach twardnienia [1]

Rys. 2. Wpływ wskaźnika W/C na przesiąkliwość zaczynu cementowego [1]

Rys. 3. Zależność nasiąkliwości betonu od ilości dodatku pyłów krzemionkowych [1]

 

Literatura:

[1] Jasiczak J., Mikołajczyk P.: Technologia betonu modyfikowanego domieszkamii dodatkami - przegląd tendencji krajowych i zagranicznych. Politechnika Poznańska, Poznań 1997.

 

---