DEF. BETONU: materiał kompozytowy czyli tworzywo co najmniej dwuskładnikowe, w którym jeden składnik (wypełniacz) został połączony materiałem wiążącym (matryca) w monolityczną całość (materiał sztuczny, niejednorodny).Beton=sztuczny kamień Beton =cement+woda+kruszywo Beton=zaczyn cementowy+kruszywo WYPEŁNIACZ: składnik bierny chemicznie; faza rozproszona (równomiernie w matrycy) np. kruszywo, włókan, pory powietrzne. MATERIAŁ WIĄŻĄCY: składnik aktywny, stanowi fazę ciągłą kompozytu np. spoiwo mineralne (cement, gips, wapno), lepiszcze bitumiczne, żywice syntetyczne. NAZWY BETONÓW (KOMPOZYTÓW BETONOWYCH):-w zależności od rodzaju matrycy np. beton cementowy, beton gipsowy, beton asfaltowy, beton żywiczny,-w zależności od rodzaju wypełniacza np. beton żwirowy, żużlobeton, trocinobeton, gazobeton, fibrobeton. Fobrobeton - beton, który powstaje, gdy jako wypełniacza użyje się włókien np. stalowych lub syntetycznych. Włókna polipropylenowe dodaje się do betonu tworząc następnie posadzkę przemysłową.KSZTAŁTOWANIE WŁ. KOMPOZYTU (BETONU):w zależności od ilości i rodzaju składników, przede wszystkim materiału wiążącego, istnieje możliwość kształtowania właściwości kompozytu (betonu) w bardzo szerokim zakresie,-kompozyt charakteryzuje się właściwościami różnymi od właściwości jego składników,-wpływ ilości i wł. poszczególnych składników na właściwości kompozytu można oszacować wg równania: W_k = V_m. W_m. + V_w W_w Gdzie:W-właściwość k-kompozyt V-obj.

m.-matryca w-wypełniacz Wł. kruszywa są lepsze od właściwości betonu, wieć należy użyć jak najwięcej objętościowo kruszywa- nawet do 80% (im mniej zaczynu tym beton ma lepsze właściwości) -istotny wpływ na właściwości ma strefa połączenia matrycy i wypełniacza, tzw strefa stykowa (np. zaczyn cemetowy - kruszywo), która charakteryzuje się obniżoną wytrzymałością. DEF. BETONU WG PN-EN 206-1: materiał powstały ze zmieszania cementu, kruszywa grubego i drobnego, wody oraz ewentualnych domieszek i dodatków, który uzyskuje swoje właściwości w wyniku hydratacji cementu. Def. dotyczy betonu cementowego zwykłego konstrukcyjnego (beton zwykły) PROCES POWSTAWANIA BETONU: nazywana procesami hydratacji)mieszanka betonowa to nie to samo co stwardniały beton ZACZYN CEMENTOWY: (podlega reakcjom chemicznym w czasie) mieszanina cementu i wody. Ze względu na przemiany zaczynu w czasie rozróżnia się: -zaczyn cementowy,-stwardniały zaczyn cementowy - materiał posiadający w pełni uformowaną strukturę i właściwości. MIESZANKA BET.: mieszanina wszystkich składników betonu przed związaniem zaczynu, będąca w stanie plastycznym i dająca się zagęszczać.BETON STWARDNIAŁY (BETON): -sztucznie otrzymany materiał (kamień) posiadający w pełni uformowaną strukturę i -wł, powstały w wyniku monolitycznego połączenia ziaren kruszywa stwardniałym zaczynem cementowym.Beton, który jest w stanie stałym i który osiąga pewien poziom wytrzymałości (wg PN-EN 206-1).Beton twardnieje 28 dni, ale jego wytrzymalość zwiększa się w o wiele dłuższym czasie.Gęstość=ciężar właściwy(gęstość jest bardzo związana z użytym kruszywem) KLASYFIKACJA BETONÓW:-ze względu na gęstość pozorną (w stanie suchym)-zwykły: 2000 kg/m³ ‹ ρ_o ≤ 2600 kg/m³ (kr. mineralne)-lekki: ρ_o ≤ 2000 kg/m³ -ciężki: ρ_o › 2000 kg/m³ -ze względu na właściwości:-beton zwykły - beton cementowy na kruszywie mineralnym (średnica ziaren ›4mm)-o ρ_o › 2000 kg/m³ , którego jedyną wymaganą i sprawdzoną cechą jest wytrzymałość na ściskanie (f_C),-beton specjalny - beton od którego wymaga się dodatkowych (oprócz f_C) specjalnych właściwości np. wodoszczelności, żaroodporności, mrozoodporności, izolacyjności cieplnej, itp. (beton: hydrotechniczny, wodoszczelny, drogowy, architektoniczny, lekki, itp.)-ze względu na wytrzymałość na ściskanie:-beton zwykły - klasa od C8/10 do C50/60-beton wysokiej wytrzymałości (BWW) - klasa od C55/67 do C100/115-beton bardzo wysokiej wytrzymałości (BBWW) - klas pow. C100/116-ze względu na przeznaczenie w konstrukcji:-beton konstrukcyjny - do przenoszenia obciążeń -wewn., klasa (beton zwykły) min. C12/15-beton konstrukcyjno-izolacyjny - do przenoszenia ograniczonych obciążeń zewnętrznych λ = 1,7 W/Mk, (f_C do 10Mpa), podwyższona izolacyjność cieplna λ = 0,40÷0,70-beton izolacyjny - duża izolacyjność cieplna λ = 0,25÷0,35, niewielka wytrzymałość, przenosi jedynie ciężar własny, betony lekkie, (nie powinno się obciążać).RODZAJE BETONÓW:(nadobow.)-beton wytworzony na budowie - beton wyprodukowany na placu budowy-beton towarowy - beton dostarczany jako mieszanka betonowa przez jednostkę nie będącą wykonawcą. Również: beton wyprodukowany przez wykonawcę poza miejscem oraz beton wyprodukowany na miejscu budowy ale nie przez wykonawcę.WYKONAWCA: jednostka stosująca mieszankę betonową do wykonania konstrukcji lub elementów.....ZALETY BETONU ZWYKŁEGO:-wysoka wytrzymałość na ściskanie,-łatwość uzyskiwania i niski koszt składników,-wykonywany przez pracowników budownictwa (możliwość istotnego wpływu na jego cechy),-wysoka trwałość i łatwa konserwacja,-duża odporność na ogień,-duża odporność na wstrząsy (z powodu dużej bezwładności),-przyrost wytrzymałości w czasie,-możliwość współpracy ze stalą w elementach żelbetowych i sprężonych (dzięki naturalnej przyczepności między betonem i stalą),(beton zbrojony stalą),-podobny do skał występujących w przyrodzie.WADY BETONU ZWYKŁEGO:-kruchość (niska wytrzymałość na rozciąganie, ok. 10% wytrzymałości na ściskanie),-duży ciężar własny,-zła izolacyjność termiczna (materiał „zimny”).SKŁADNIKI BETONU:CEMENT: poiwo hydrauliczne, otrzymane ze zmielenia klinkieru portlandzkiego z dodatkiem gipsu i innych skł. Mineral.SPOIWO HYDRAULICZN: po zmieszaniu z wodą daje zaczyn wiążący i twardniejący zarówno na powietrzu jak i w wodzie, a po stwardnieniu pozostaje wytrzymały i trwały także pod wodą.Hydrauliczne twardnienie cementu następuje głównie przez hydratację krzemianów i glinianów wapnia. Najważniejszym składnikiem większości cementów jest klinkier portlandzki.KLINKIER PORTLANDZKI: (dziś gł skł. cementu)- surowiec:-wapień (skała wapienna), ponieważ zawiera związki wapnia,-glina używana ponieważ zawiera związki krzemu, glinu i żelaza. Proces produkcji klinkieru (cementu) metodą suchą:-zmielenie (rozdrobnienie) składników w stanie suchym,-mieszanie w proporcji: wapień ok. 80% i glina ok. 20%,-wypiekanie w piecu obrotowym w temp. do 1450^oC (spieczenie surowców klinkieryzacja),-studzenie i mielenie z dodatkiem surowego gipsu i ewentualnie z dodatkami mineralnymiSKŁAD CEMENTU:Właściwości cementu zależą od składu cznego , mineralnego i stopnia zmielenia.SKŁAD MINERALNY CEMENTU:W czasie wypalania surowców tlenki reagują ze sobą tworząc minerały krystaliczne:- krzemian trójwapniowy55-65 % C₃S 3CaOxSiO₂ Alit- krzemian dwuwapniowy15-25 % C₂S 2CaOxSiO₂ Belit- glinian trójwapniowy 8-12 % C₃A 3CaOxAl₂O₃ - żelazioglinian czterowapniowy 8-12 % C₄AF 4CaOxAl₂O₃x Fe₂O₃ Brownmilleryt Ponadto wolne: CaO, MgO, Na₂O, K₂O oraz GIPS CaSO₄ x 2H₂O (3-4%)Właściwości minerałów cementu mają wpływ na czas wiązania, szybkość przyrostu wytrzymałości oraz ilość ciepła hydratacji (kaloryczność):-C₃S - wysokoaktywny (szybkie twardnienie), wysokokaloryczny 503 J/g-C₂S - średnioaktywny (powolny lecz znaczny przyrost wytrzymałości), niskokaloryczny 260 J/g-C₃A - bardzoaktywny (znacznie przyspiesza proces wiązania), bardzo kaloryczny 867 J/g-C₄AF - słaboaktywny (powolny przyrost wytrzymałości), średniokaloryczny 420 J/g.CEMENTY WG PN-EN 197-1 Cementy zgodne z normami PN-EN cementy dzielimy na:-cementy powszechnrgo użytku - bez wskazania szczególnych cech użytkowych (PN-EN 197-1),-cementy specjalne - posiadające cechy użytkowe umożliwiające specjalne zastosowanie cementu.-Cementy powszechnego użytku są mieszaniną:-składników głównych - ilość › 5%-składników drugorzędnych - ilość ≤ 5 %-siarczanu wapnia (gipsu) - jako regulatora czasu wiązania-dodatków - ilość ≤ 1 % masy cementu.SKŁEDNIKI GŁÓWNE CEMENTU (I ICH OZNACZENIA):klinkier K,-granulowany żużel wielkopiecowy S,-pył krzemionkowy D,-pucolana naturalna P,-pucolana naturalna wypalana Q,-popiół lotny krzemonkowy V,-popiół lotny wapiennyW,-łupek palony T.Składniki główne inne niż klinkier, są to materiały, które same nie twardnieją po zmieszaniu z wodą. Posiadają utajone właściwości hydrauliczne (S, W, T) lub właściwości pucolanowe (P, Q, V, W, D). Wykazują właściwości hydrauliczne (zareagują z wodą) dopiero po aktywacji, np. wypalaniu, zmieleniu, obecności Ca(OH)₂. Dodajemy je ponieważ: dzieki ich zastosowaniu moża modyfikować cechy cementu portlandzkiego (beton), obniżać koszt wytworzenia (mniej klinkieru) i utylizować odpady przemysłowe.W zależności od rodzaju i ilości składników głównych wyróżnia się 27 cementów o różnym składzie, pogrupowanych wg 5 głównych rodzajów.Cementy zawierające składnik mineralny inny niż klinkier dzielą się na domiany A, B i C w zależności od ilości składnika.We wszystkich cementach składniki drugorzędne i gips stanowią 0-5 %, a pozostałą część cementu stanowi klinkier (czyli w CEM I udział klinkieru wynosi: 95-100 %).Dla CEM II/A-D (gdzie -D oznacza składnik główny nieklinkierowy) udział pyłu krzemionkowego wynosi: 6-10 %.WŁ. CEME :1)WYTRZYMAŁOŚĆ NA ŚCISKANIE-najważniejsza cecha cementu, zależy od niej wytrzyma -twardniałego zaczynu i jego przyczepność do kruszywa (→ wytrzymałość betonu),-cementy produkowane są w trzech klasach wytrzymałości, a w każdej klasie cementy dzielą się na: cement o klasie normalnej N i wysokiej R wytry\zymałości wczesnej,KLASA CEMENTU - wyrażona w MPa gwarantowana, minimalana wytrzymałośc na ściskanie zaprawy normowej wykonanaej z tego cementu i dojrzewającej 28 dni.Oznaczenie wytrzymałości przeprowadza się na zaprawie wykonanej z danego cementu i piachu normowego (o określonym składzie). Proporcje składników zaprawy - cement, woda, piasek = 1:0,5:3 (więc w/c=0,5).Oznaczenie cementu powinno zawierać informację dotyczącą rodzaju i klasy cementu np.-cement portlandzki klasy 42,5 i wysokiej wytzrymałości wytrzymałości wczesnej:-„cement portlandzki EN 197-1 CEM I 42,5R”cement portlandzki popiołowy o zawartości popiołu krzemionkowego w granicach 6-20%, klasy 32,5 i normalnej wytrzymałości wczesnej:„cement portlandzki popiołowy EN 197-1 CEM II/A - V 32,5N: 2)POW. WŁAŚCIWAsuma zewnętrznych powierzchni ziarna [cm²/g],-charakteryzuje stopień zmielenia cementu. Czym drobniejsze są ziarna tym powierzchnia właściwa jest większa,-poprzez powierzchnię zewnętrzną cement kontaktuje się z wodą, wobec tego wraz ze wzrostem powierzchni właściwej rośnie aktywność cementu:-krótszy czas wiązania,-szybszy przyrost wytrzymałości w początkowej fazie twardnienia,-większa ilość ciepła hydratacji,-większy skurcz,-większy stopień hydratacji cementu,-powierzchnia właściwa cementu S = 2200 ÷ 5000 cm²/g.3)CZAS WIĄZANIACzas po którym plastyczny zaczyn zmienia się w ciało stałe, które nie posida wyraźnej wytrzymałości. Rozróżnia się:-czas początku wiązania (t_pw) - od zmieszania składników do momentu, w którym rozpoczyna się kształtowanie sieci krystalicznej w zaczynie (=początek utraty plastyczności), -czas końca wiązania (t_kw) - liczony do momentu ukztałtowania się sieci krystalicznej,-znajomość t_pw jest istotna z powodów technologiczyc, jest to czas w którym należy zakończyć układanie i zagęszczanie mieszanki betonowej w miejscu przeznaczenia, ponieważ uszkodzenie sieci krystalicznej powstającej w betonie powoduje, że nie uzyska on wymaganych wytrzymałości.-wymagania normowe są wartościami -warantowanymi i minimalnymi,-t_pw produkowanych cementów jest dłuższy np. CEM I z cementowni Górażdże 192-148 min (badanie: warunki laboratoryjne, temp 20^oC, zaczyn normowy), ponadto w warunkach rzeczywistych jest inna temperatura i W/C zaczynu,-t_kw maksymalne 10-12 godzin w warunkach laboratoryjnych ok. 4 godzin. 4)CIEPŁO HYDRATACJI-reakcje hydratacji są egzotermiczne, czyli zachodzą z wydzielaniem ciepła,-ilość wydzielonego ciepła wzrasta ze wzrostem:-ilości C₃S, C₃A, CaO,-powierzchni właściwej,-klasy cementu,-temperatury zaczynu (przyspieszenie reakcji),-niskim ciepłem hydratacji charakteryzują się cementy z dużą zawartością żużla i pucolanów np. cementy hutnicze, cementy pucolanowe, cementy wieloskładnikowe,-wydzielanie się ciepła podczas twardnienia mieszanki betonowej może wywołać istotny wzrost temperatury elementu betonowego (nawet do 60^oC)Zjawisko korzystne: -podczas wykonywania prac betonowych w okresie obniżonych temperatur - podtrzymuje reakcje hydratacji, nawet przy ujemnych temp zewnętrznych.Zjawisko niekorzystne:-w lecie - zaburza proces wiżania i twardnienia,-przy betonowaniu elementów masywnych (duże fundamenty, budowle hydrotechniczne, mosty itp.) - powstają znaczne natężenia termiczne, mogące uszkodzić element (pęknięcie stwardniałego zaczynu). 5)GĘSTOŚĆ-gęstość (właściwa): 3,00 - 3,10 kg/dm³ (stosowana powinna być także przez projektujących bez doswiadczeń)-gęstość nasypowa:-w stanie luźnym 0.90 - 1,20 kg/dm³,-w stanie zagęszczonym 1,60 - 1,90 kg/dm³.WIĄZANIE I TWARDNIENIE ZACZYNU CEMENTOWEGO (hydratacja cementu)W procesie hydratacji cementu można wyróżnić 4 charakterystyczne okresy:OKRES I (od wymieszania składników do początku wiązania)-woda wnika do pewnej głębokości cementu i rozpuszcza go (hydroliza - najszybciej C₃A gips). Nasycenie wody wapnem. Powstaje Ca(OH)₂,-zmiana pH wody z 7 na 12,5 (silnie alkaliczny) (i tak zostaje w betonie na zawsze, dzięki temu beton chroni stal przed korozją),-początek hydratacji: najszybciej C₃A, później C₃S, powoli C₂S,-C₃A reaguje z gipsem oraz Ca(OH)₂ i na powierzchni C₃A powstają kryształy etryngitu (pałeczki, igiełki). Hydratacja C₃A (niekorzystna dla wytrzymałości stwardniałego zaczynu) zostaje zahamowana,-hydratacja C₃S i C₂S. Powstaje bezpostaciowy żel krzemianowo-wapniowy (CSH) będący najważniejszym składnikiem stwardniałego zaczynu oraz Ca(OH)₂,-powstająca w ziarnach cementu warstwa hydratów ograicza dostęp wody i następuje zwolnienie hydratacji,-dalsze wnikanie wody do ziaren cementu i hydroliza,-tworzenie portlandytu-krystaliczne formy -Ca(OH)₂. Kryształy (duże płytki) powstają w miejscach, gdzie jest najwięcej wody, szczególnie na styku z ziaranmi kruszywa,-okres trwa do chwili, gdy woda całkowicie nasyci się wapnem - warunek konieczny początku wiązania.-Mieszanka betonowa ma postać gęstej cieczy z zawiesiną.

[woda nie od razu nasyca ziarenka cementu, ale powoli do nich wnika]OKRES II (wiązanie) (tworzenie sieci krystalicznej)-tworzenie na ziarnach cementu narostów krystalicznych. Są to produkty hydratacji C₃A i C₄AF z gipsem. Powstaje głównie etryngit (= początek wiązania),-dalsze wnikanie wody do ziaren cementu, hydroliza. Zwiększa się ilość portlandytu (ale kryształy są mniejsze niż wcześniej),-początek aktywacji hydratacji C₃S (CSH powstaje głównie na ziarnach cementu),-kryształy etryngitu tworzą sieć kryształów w zaczynie, łącząc zaiarna cementu (= koniec wiązania),Mieszanak betonowa gęstnieje i przechodzi w ciało stałe.(tu dalej istnieją ziarna cementu)

OKRES III (twardnienie = przyrost wytrzymałości)-przysspieszenie hydratacji C₃S (część hydratów przemieszcza się dalej do ziaren cementu),-wyczerpanie gipsu (po ok. 24 godzinach). Hydratacja C₃A w postaci prostopadłościennych kryształów,-przyspieszenie hydratacji C₂S,-część etryngitu przechodzi w monosiarczan a niewielka część CSH krystalizuje się w postacci mikrokryształków,-sieć krystaliczna (glinianowa) pogrubia się i gęstnieje. Żel CSH zagęszcza się. Ubywa wody, struktura uszczelnia się. Wytrzymałość zaczynu rośnie,-po 28 dniach umowny koniec twardnienia.[sieć krystaliczna to głównie produkty hydratacji glinianu, a niewielkie przestrzenie między tą siecią wypełnia CSH]OKRES IV (eksploatacja)-dalsza hydratacja (przyrost wytrzymałości zaczynu) w zależności od składu cementu (ilości C₂S, żużla wielkopiecowego, pucolanów) oraz wilgotności zaczynu.[tu np. belit: im go więcej, tym większy przyrost wytrzymałości po 28 dniu]

Przebieg intensywności procesu hydratacji cementu zilustrowany rozwojem przyrostu wytrzymałości.REAKCJE HYDRATACJI (uwodnienie)- Hydratacja krzemianów wapniowych:-ALIT 2(3CaO*SiO₂)+6H₂O=3CaO*2SiO₂*3H₂O+3Ca(OH)_2;;C₃S+H₂O=CSH+CH

-BELIT2(2CaO*SiO₂)+4H₂O=3CaO*2SiO₂*3H₂O+Ca(OH)_2;;C₂S+H₂O=CSH+CH-żel CSH (uwodnione krzemiany wapnia) decyduje o wytrzymałości zaczynu stanowi 50-60% faz stałych zaczynu,-wodoretlenek wapniowy Ca(OH)₂. Forma krystaliczna (portlandyt) jest słabsza od CSH. Stanowi 20-25% faz stałych zaczynu. Łatwo rozpuszczalny = wymywanie zaczynu (betonu) , łatwo lączy się z innymi związkami np. doprowadzonymi z zewnątrz = korozja zaczynu. Nadaje zaczynowi odczyn alkaliczny. Powstaje go znacznie więcej podczas hydratacji alitu niż belitu. Może być wiązany poprzez pucolany (= produktem jest CSH).[ETRYNGIT 2CaO*Al₂O₃*3CaSO₄*32H₂O]STOPIEŃ HYDRATACJI CEMENTU-W miarę postępu procesów hydratacji warstwa hydratów (głównie CSH) dookoła ziarna cementu staje się coraz szczelniejsza. Utrudnia to wnikanie wody do ziarna i zmniejsza szybkość hydratacji. -Ziarna mają średnicę 5-80 µm., ale dominują ziarna 20-40 µm. Podczas hydratacji woda wnika wgłąb ziaren do 5 µm. po 28 dniach i ok. 12 µm. po wielu latach.-Pełna hydratacja cementu nigdy nie nastąpi. Zwykle wynosi 50-60%. Stopień hydratacji jest większy w cementach lepiej zmielonych (o większej powierzchni właściwej).STRUKTURA STWARDNIAŁEGO ZACZYNU-Stwardniały zaczyn cementowy posiada strukturę porowatą. Składa się ze szkieletu, który tworzą:-niezhydratyzowane ziarna cementu,-produkty hydratacji (żel CSH +hydrataty krystaliczne)oraz pustek powietrznych (porów).3 rodzaje porów:-PORY ŻELOWE: (nie są niebezpieczne) Powstają wraz z kształtowaniem się żelu CSH, stanowią 28% objętości żelu. Średnica ok. 2 nm. Pory zamknięte. Ich obecność nie ma ujemnego wpływu na właściwości zaczynu (→betonu).-PORY POWIETRZNE: Powstają podczas mieszania i formowania elementu betonowego. Średnica rzędu 10^-4 do 10^-3m. zamknięte i otwarte. Dopuszczalna ilość w zagęszczonej mieszance betonowej 2%.-PORY KAPILARNE: (sa niekorzystne dla betonu) Woda dodawana jest do mieszanki betonowej aby zapewnic prawidłowy przebieg hydratacji oraz uzyskać odpowiednią konsystencję. Zwykle jedynie część wody zostanie związana podczas hydratacji. Cement przyłącza chemicznie wodę w ilości 25% swojej masy. Do prawidłowej hydratacji potrzeba dwukrotnie więcej wody (wypełnienie porów żelowych). Przyjmując, że stopień hydratacji cementu wynosi 0,6 wartości W/C przy którym cała woda zostanie związana wynosi W/C = (2 x 0,25 x C x 0,6) = 0,3.W betonach zwykłych W/C jest zawsze większy ( w betonach zwykłych zawsze dodaje się więcej wody niż to wynika = potrzeba do reakcji hydratacji).Po odparowaniu nadmiaru wody zarobowej powstają pory (ich ilość rośnie ze wzrostem W/C i zmniejszeniem stopnia hydratacji). Są one wzajemnie połączone, tworząc sieć kanalików - porowatość otwarta. Pory mają wymiary kapilarne (0,5 - 1,5 µm.), czyli woda będzie wnikała do zaczynu (→ korozja betonu). Pory kapilarne zwiększają nasiąkliwość, obniżają mrozoodporność zaczynu.Porowatość ma istotny wpływ na wytrzymałość materiału:f_c = f_co ( 1 - ρ_c )⁶f_co - wytrzymałość materiału bez porów,ρ_c - porowatość całkowitaZmniejszenie porowatości o 10% powoduje dwukrotny wzrost

sałości na ściskanie.WODA W STWARDNIAŁYM ZACZYNIE-Występuje jako:-związana chemicznie (nieodparowywalna) - przyłączona w procesie hydratacji,-żelowa (półzwiązana) - wypełnia pory żelowe, żel CSH ma właściwości hydrofilowe oraz powierzchnią właściwą ok. mln cm³/g (ok. 1000 razy większy niż cement), co powoduje absorbowanie na powierzchni znacznych ilości wody, jest utrzymywana w porach przez siły powierzchniowe.-wolna - występująca w porach kapilarnych.-Pory kapilarne osuszają się gdy wilgotność względna powietrza spada poniżej 45%.-Pory żelowe pozostają wypełnione wodą nawet przy bardzo niskiej wilgotności. Można je osuszyc w temperaturze 105 ^oC. CEMENTY SPECJALNE-O niskim cieple hydratacji, oznaczenia LH,-O wysokiej odporności na siarczany HSR:

Do betonu narażonego na środowisko agresywne chemicznie (np. klasa ekspozycji XA2, XA3).-O małej zawartości alkalidów NA (niskoalkaliczny)-W przypadku ryzyka reakcji kruszywa z alkaliami z cementu (Na₂O, K₂O).-Glinowy: cement szybkotwardniejący i wysokowytrzymały. Wytrzymałość po 24 godzinach 50 - 90 % wytrzymałości końcowej. Pełna wytrzymałość po 3 dniach. Stosowany w awariach, naprawach. Surowiec: wapień i boksyty (Al₂O₃).KRUSZYWO DO BETONUDefinicja: Materiał ziarnisty pełniący w betonie rolę biernego wypełniacza. Zwykle stanowi 65-80% objętości betonu. Rodzaj uziarnienia kruszywa ma wpływ na urabialność mieszanki betonowej, na właściwości betonu stwardniałego, takie jak:-wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie,-odkształcalność,-gęstość pozorną,-przewodność cieplną,-trwałość (odporność na czynniki zewnętrzne).A także koszt wytworzenia betonu (składnik tańszy od cementu). (kruszywo ma lepsze właściwości niż stwardniały zaczyn cementowy)NORMALIZACJA-Normy PN-EN („nowe”)-12620 Kruszywa bo betonu-badania właściwości: 932, 933, 1097, 1367, 1744-Normy PN („stare”)-86/B-06712 Kruszywa mineralne do betonu,-nazwy i określenia 78/B-01100 Wszystkie cechy kruszywa podlegają ocenie.Badania poszczególnych właściwości wykonywane są tylko wtedy gdy jest to wymagane.W zależności od danej cechy, kruszywa dzieli się na kategorie.Na podstawie wyników badań ustala się jakość i przydatność kruszywa do betonu.PODZIAŁ KRUSZYWZe względu na gęstość pozorną (w stanie suchym):-lekkie ρ_o ≤ 2000 kg/m^3-zwykłe 2000 kg/m³ ‹ ρ_o ‹ 3000 kg/m^3-ciężkie ρ_o ≥ 3000 kg/m³ (baryt, magnetyt)Ze względu na pochodzenie kruszywa:-organiczne np. trociny, wióry, styropian,-mineralne:-kamienie:-naturalne,-łamane.-sztuczne: -okruchowe (beton lekki),-odpady przemysłowe (np. żużel), odpady lub surowce naturalne (np. glina), poddawane obróbce termicznej np. karmezyt, glinoporyt, popiołoporyt.-mikroziarniste: dodatki do betonu (popiół lotny, rozdrobniony żużel wielkopiecowy oraz rozdrobniony piasek kwarcowy).-z recyklingu: z przeróbki materiału nieorganicznego użytego poprzednio w budownictwie.KRUSZYWA DO BETONÓW ZWYKŁYCH-Do betonów zwykłych stosuje się kruszywa:zwykłe,mineralne,kamienne.Kruszywa mineralne naturalne (otoczakowe):-występują w przyrodzie w postaci skał luźnych (gł. kwarcyt) powstałych w skutek naturalnych procesów rozdrabniania skał,-kształt ziaren zbliżony do kuli (→ minimalna powierzchnia przy danej objętości) bez ostrych brzegów, o mniej lub bardziej wyszlifowanej powierzchni (+ kopalnie rzeczne)-Kruszywa mineralne łamane: uzyskane przez rozkruszenia skał litych (najczęściej: magmowe - granity, bazalt, węglanowe - dolomit, wapień ), kształt ziaren zbliżony do graniastosłupa (powierzchnia większa od otoczakowych przy tej samej objętości), powierzchnia szorstka i nierówna (→ lepsza przyczepność zaczynu niż otoczakowych),Cechy kruszywa mogą różnić się od cech skały, z której pochodzą. Cechy skały zależą istotnie od złoża. Ważne cechy skał: wytrzymałość, moduł sprężystości, porowatość, nasiąkliwość, odporność chemiczna.UZIARNIENIE (SKŁAD ZIARNOWY) procentowa zawartość w kruszywie ziaren o określoneych wymiarach (frakcji),badanie metodą przesiewania przez zestaw sit normowych o określonych wymiarach oczek kwadratowych [mm],Frakcja - ziarna o średnicach zawartych pomiędzi dwoma sitami następującymi kolejno po sobie w normowym zestawie sit.Udział (odsiew) - część kruszywa o ziarnach pozostających na danym sicie (procentowy udział frakcji w kruszywie).Przesiew - kruszywo, które przelatuje przez dane sito.Punkt piaskowy - zawartość w kruszywie ziaren o średnocy do 2mm.

Wyniki badania składu ziarnowego przedstawia się w formie graficznej jako krzywa uziarnienia. Jest to funkcja „przesiew (b_n), wymiar oczka sita (d)”.Od uziarnienia zależą dwie istotne cechy kruszywa:jamistość: objętość pustek powietrznych w jednostce objętości kruszywa:

I_k = (1-ρ_n / ρ_o) x 100% gdzie: ρ_n - gęstość nasypowa, ρ_o - gęstość objętościowa, aby powstał beton, pustki muszą zostać przepełnione zaczynem.powierzchnia właściwa: większa im drobniejsze są ziarna; w kruszywach łamanych większa niż w otoczakowych; musi zostać pokryta zaczynem, aby powstał beton (→wodożądność kruszywa).DOBÓR OPTYMALNEGO UZIARNIENIADo betonu należy stosować kruszywo (mieszankę piasku F i żwiru G ) o takim uziarnieniu, aby ilość zaczynu w betonie była minimalna. Uzyskuje się to, gdy jamistość (w stanie zagęszczonym) i powierzchnia właściwa kruszywa są minimalne (lub maksymalna szczelność s_kz = 1 - j_kz przy minimalnej ilości drobnych frakcji).Metoda postępowania: wg granicznych krzywych uziarnienia kruszywo posiada optymalne uziarnienie, jeżeli jego krzywa uziarnienia znajduje się w obszarze zaznaczonym przez krzywe graniczne; są to krzywe doświadczalne określone przy założeniu j_k = 25-30% (podane w lit. lub PN 6250).Metoda kolejnych przybliżeń: dla różnych proporcji mieszania piasku i żwiru (np. % G/F 80/20, 75/25, 70/30 itd.) określić doświadczalnie gęstość nasypowoą w stanie zagęszczonym ρ_nz i szczelność s_kz = ρ_nz / ρ_o. Kruszywo o najlepszym uziarnieniu posiada max szczelność max s_kz (=max ρ_nz nim j_kz). Metodą tą można komponować mieszanki z większej liczby kruszyw np. G₁ (2-8) i G₂ (8-16) i F, wówczas najpierw ustala się proporcję mieszania G₁/G₂2, a następnie, zachowując ten stosunek G/F.

Inne podstawowe cechy kruszyw:Przy doborze kruszywa do betonu należy uwzględnić takie jego cechy, oprócz uziarnienia, które istotnie wpływają na wytrzymałość betonu.Wg „starej” normy kompleksowej oceny kruszyw w tym zakresie dokonywano przez określenia marki kruszywa. Kruszywo danej marki musi spełniać wymagania w zakresie minimalnej wytrzymałości na ściskanie i miażdżenie, zawartości pyłów, ziaren foremnych, nasiąkliwości. W PN-EN pojęcie marki nie występuje.Marka - symbol liczbowy gwarantujący uzyskanie betonu klasy co najmniej równej tej marce - 10, 20, 30 50.Wytrzymałość - cechy wytrzymałości kruszywa są lepsze od zaczynu dlatego w betonie powinno być jak najwięcej kruszywa, wpływ wytrzymałości kruszywa na wytrzymałość betonu lepiej oddaje badanie kruszywa niż skały (wytrzymałość na miażdżenie).Ziarna nieforemne - są to zairna wydłużone i płaskie, obniżają jakość kruszywa, zwiększają jamistość i powierzchnię właściwą, obniżają wytrzymałość, układają się w betonie płasko przez co pod nimi gromadzi się woda lub powietrze obniżając jakość betonu (min wytrzymałości, mrozoodporności).Pyły mineralne - ziarna ‹0,063mm, iły, gliny, mączka kamienna (kruszywa łamane); ich duża ilość nie jest wskazana; oblepiają ziarna zmniejszając przyczepność zaczynu do kruszywa, zwiększają wodożądność; szczególnie niekorzystne są gliny, które pęcznieją.REAKTYWNOŚĆ ALKALICZNA:(zła) Niektóre kruszywa mogą zawierać pewne odmiany krzemionki, dolomitu lub krzemianów podatnych na działanie alkaliów (Na₂O, K₂O) pochodzących z cementu lub domieszek. W obecności wilgoci może nastąpić reakcja alkalia-kruszywo, której produktem jest powstający w strefie stykowej (kruszyo-zaczyn) pęczniący żel. W efekcie dochodzi do spękania lub zniszczenia struktury betonu. Reakcja powolna, skutki mogą wystąpić po kilku latach.Ograniczenie max średnicy ziaren kruszywaZgodnie z PN 6250 kruszywa do betonu nie powinny mieć ziaren większych niż 1/3 najmniejszego wymiaru przekroju poprzecznego elementu i 2/3 odległości w świetle między prętami zbrojenia leżącymi w jednej płaszczyźnie prostopadłej do kierunku betonowania.WODA ZAROBOWAROLA WODY W MIESZANCE BETONOWEJWoda umożliwia:uzyskanie odpowiedniej konsystencji mieszanki betonowej (→urabialność),prawidłowy przebieg reakcji hydratacji cementu,pielęgnację betonu (=m.in. zmniejszenie skurczu).WYMAGANIA NORMOWEO przydatności decydują właściwości chemiczne wody. Wymagania normowe dotyczą m.in. zawartości siarczanów, chlorków, siarkowodoru, pH (› 4). Niespełnienie wymagań może zakłucić hydratację, obniżyć właściwości lub trwałość betonu.Bez badań można stosować do betonu wodę pitną z wodociągów miejskich.ILOŚĆ WODY ZAROBOWEJAby uzyskać wymaganą konsystencję mieszanki betonowej, ziarna kruszywa i cementu muszą zostać otoczone warstwą wody odpowiedniej grubości (grubszy przy konsystencji bardziej płynnej).Wodożądność kruszywa w_k ( cementu w_c): ilość wody (dm³), którą należy dodać do 1 kg kruszywa (cementu) aby uzyskać wymaganą konsystencję.Zależy od: konsystencji i powierzchni właściwej (→ uziarnienia i rodzaju kruszywa→ w_k będzie większa im drobniejsze będzie kruszywo oraz dla kruszywa łamanego będzie większa niż dla otoczakowego)Na podstawie doświadczeń ustalono zależności wodożądności od wielkości ziaren i konsystencji dla kruszywa otoczakowego o ρ_o = 2,65 kg/dm³ tzw wskażniki Sterna, Bolomeya, ITB → TABLICE.Najczęściej stosuje się wskaźniki Sterna obliczane ze wzoru W_ki = n_s [ 1/ ( 0,5 x (lgD + lgd))]³Gdzie: n_s - współczynnik doświadczalny zależny od konsystencji,D,d - górny i dolny wymiar oczka sita normowego w [µm]Wartości w_ki należy przemnożyć przez:-1,15 przy stosowaniu kruszyw łamanych,-2,65/ ρ_ok. przy stosowaniu kruszyw o gęstości różnej od ρ_o = 2,65 kg/dm³Ostatecznie wodożądność kruszywa (mieszanina frakcji) oblicza się:W_k = (Σ f_i w_ki)/100Gdzie: f_i - zawartość i-tej frakcji w %W_ki - wskaźnik wodożądności i-tej frakcji.Ustalone zostały również wskaźniki wodożądności cementu w_c. Stern uzależnia je od konsystencji i klasy cementu.Wskaźniki w_ki i w_k różnych autorów różnią się.Potrzebną ilość wody zarobowej oblicza się na podstawie równania konsystencji:W = C x w_c + K x w_kGdzie: W,C,K masa wody, cementu i kruszywa w kg na 1m³ betonuWIĘŹLIWOŚĆ WODY W KRUSZYWIEWięźliwość to zdolność do zatrzymywania wody przez kruszywo wyjęte z wody (lub polane wodą).Każde ziarno otoczone jest wodą błonkową, ale w kruszywie drobnym (d ≤ 2mm), na skutek zjawisk kapilarnych, występuje dodatkowo wada kapilarna i meniskowa. Dlatego: -czym drobnejsze kruszywo tym jego wodożądność większa,-piasek wykazuje zawsze większą wilgotność niż żwir przy tych samych warunkach przechowywania,-przy wilgotności 3-8 % piasek wykazuje zwiększenie objętości w stosunku do suchego ok. 30 % (spulchnienie), → ważne przy objętościowym dozowaniu składników do betonu.MIESZANKA BETONOWAMieszanka betonowa - mieszanina wszystkich składników betonu przed związaniem betonu, czyli będąca w stanie plastycznym i dająca się zagęszczać (tj. od zmieszania składników do t_pw + od t_pw do t_kw)WŁAŚCIWOŚCI MIESZANKI BETONOWEJAby uzyskać założenie właściwości betonu, także mieszanka betonowa musi posiadać określone właściwości.Podstawowe technologiczne właściwości mieszanki betonowej:urabialność,

-konsystencja,-podatność na zagęszczanie.URABIALNOŚĆzdolność do łatwego i szczelnego (bez pustek powietrznych) wypełnienia formy przy minimalnym zagęszczeniuy i braku segregacji składników (zachowania jednorodności).Brak obiektywnej metody badawczej, ponieważ urabialność jest pojęciem względnym. Zależy nie tylko od cech mieszanki ale również rodzaju betonowanego elementu i metody zagęszczania.Urabialność zależy od:-konsystencji (czym bardziej płynna tym lepsza urabialność),-ilości zaprawy (Z_f),-łącznej ilości cząstek o d ≤ 0,125 mm (Z_c), czyli cementu i pylastych frakcji kruszywa (→cząstek pylastych).Zalecana objętość zaprawy i zalecana minimalna objętość cząstek pylastych w mieszance wg PN6250:

KONSYSTENCJA

• Jest to stopień ciekłości i płynności mieszanki betonowej.

• Zależy od ilości wody. Większa ilość powoduje zmniejszenie sił tarcia między ziarnami i zwiększenie ciekłości. Zbyt duża ilość powoduje segregację składników.

• Przy doborze kruszywa należy uwzględnić:

-warunki formowania:

-sposób układania (ręczne - grawitacyjne, pompowane),

-kształt przekroju elementu (prosty, złożony) i wymiary przekroju,

-ilość zbrojenia w elemencie.

-sposób zagęszczania (ręczne, mechaniczne np. wibrowanie).

Ogólnie: im trudniejsze są warunki formowania (złożone przekroje, duża ilość zbrojenia) oraz mniej efektywna metoda zagęszczania (sztychowanie, ubijanie) tym konsystencja musi być bardziej ciekła (→ PN 6250 tabl 4).

• Norma PN6250 wprowadziła 5 stopni konsystencji:

-wilgotna K-1,

-gęstoplastyczna K-2,

-plastyczna K-3,

-półciekła K-4,

-ciekła K-5.

• W nowej normie wprowadzono nowy podział konsystencji na klasy konsystencji, które związane są z metodą badania (nazwy konsystencji nie występują). Dopuszcza się następujące metody badań konsystencji:

-opady stożka,

-Vebe,

-stolika rozpływowego,

-oznaczania stopnia zagęszczalności.

Klasy konsystencji określone poszczególnymi metodami nie są ze sobą skorelowane.

Metoda opadu stożka: miarą jest opad stożka w mm spowodowany ciężarem własnym mieszanki. Zakres stosowalności (dobrej właściwości) od 10 do 210 mm. Klasy od S1 do S5.

Metoda Vebe: miarą jest czas [s] potrzebny do zmiany kształtu próbki ze stożka na walec pod wpływem ciężaru własnego i części użądzenia oraz drgań. Zakres stosowalności od 30 do 5 s. Kalsy od V0 do V4.

Konsystencja	Metoda badania i klasa konsystencji
		Opad stożka [mm]	Vebe [s]
Wilgotna	-	V0 ≥ 31 (nie zalecana)
Gęstoplastyczna (27-14 wg PN6250)	-	V1 30-21 V2 20-11
Plastyczna (13-7 s)	S1 10-50	(V2 20-11) V3 16-6
Półciekła (6-11 cm)	S2 50-90 (S3 100-150)	V4 5-3 (nie zalecana)
Ciekła	S3 100-150	-
Bardzo ciekła, samozagęszczalna	S4 160-150 S5 ≥ 220 (nie zalecana)	-

• zaleca się (PN 6250) aby konsystencję półciekłą bardziej płynnie uzyskiwać poprzez stosowanie domieszek chemicznych (PN 206-1 ≥ S4, V4)

PODATNOŚĆ NA ZAGĘSZCANIE

• Jest cechą określającą zmniejszenie objętości porów powietrzynych w mieszance pod wpływem zagęszczania. Miarą jest ilość porów w jednostce objętości zagęszczonej mieszanki (porowatość).

• Uzyskanie pełnej szczelności mieszanki nie jest w praktyce możliwe.

• Porowatość mieszanki zależy od:

-konsystencji,

-sposobu zagęszczania mieszanki.

Ogólnie, czym konsystencja mniej ciekła i mniej efektywna metoda zagęszczania tym porowatość mieszanki będzie większa.

• Zgodnie z normą, zawartość powietrza w zagęszczonej mieszance betonowej nie powinna przekraczć 2 %, jeżeli nie są stosowane domieszki napowietrzające.

• Spełnienie warunku najszczelniejszego ułożenia składników mieszanki po zagęszczeniu jest równoznaczne z brakiem w niej powietrza. Można to wyrazić przy pomocy równania szczelności:

V_C + V_K + V_W = V_mb

(C/ ρ_C )+(K/ ρ_K)+W = 1000

Gdzie: C,K,W masa cementu, kruszywa i wody w kg/m³

ρ_C , ρ_K gęstość cementu i kruszywa w kg/dm³

BETON

WYTRZYMAŁOŚĆ BETONU NA ŚCISKANIE

Zależy przede wszystkim od:

• Wytrzymałości składników:

-kruszywa (rodzaju skały, kształtu ziaren),

-stwardniałego zaczynu (klasy cementu ↑, wartości W/C ↓ (im mniej wody tym stwardniały zaczyn będzie wytrzymalszy)-zależy od porowatości ↓) (↑rośnie, ↓maleje).

• Objętości składników (max V_K, min V_zacz (= V_c + V_w)→kruszywo o optymalnym uziarnieniu).

• Przyczepność między zaczynem i ziarnami kruszywa (wytrzymałość zaczynu ↑, składu mineralnego cementu →rodzaju cementu, rodzaju powierzchni ziaren).

Ponadto zależy od:

• Czynników strukturalnych właściwości kruszywa (nasiąkliwości, zawartości pyłów i ziaren nieformnych), ilości i rodzaju cementu, dodatków, domieszek.

• Czynników technologicznych, sposobu mieszania, formowania i zagęszczania, warunków dojrzewania, pielęgnacji.

• Innych czynników: kształtu i wymiaru próbek, sposobu badania, wieku.

(do 25 % można się pomylić przy pomiarze wytrzymałości)

• Wpływ podstawowych czynników na 28 dniową wytrzymałość betonu uwzględnia doświadczalna zależność podana przez Bolomeya w 1925r. Nazywana jest równaniem wytrzymałości:

f_cm = A x [(C/W) ± 0,5)

Gdzie: f_cm - średnia wytrzymałość betonu na ściskanie,

A - współczynnik uwzględniający równiczesny wpływ klasy cementu i rodzaju kruszywa (tg kąta nachylenia krzywej).

Wzór Bolomeya stosujemy gdy C/W mieści się w granicach od 1,2 do 2,8.

• W zakresie stosowalności wzór przyjmuje postać:

-1,2 < C/W ≤ 2,5 f_cm = A₁ x [(C/W) -0,5]

-2,5 < C/W ≤ 2,8 f_cm = A₂ x [(C/W) +0,5]

• Współczynnik A dla danego zestawu cement-kruszywo wyznacza się doświadczalnie, powtarzając doświadczenie Bolomeya (A = tg α), albo przyjmuje się na podstawie tablic (wartości mniej dokładne).

Rodzaj kruszywa	A	Klasa cementu
				32,5	42,5	52,5
Otoczakowe	A1 A2	18 12	21 14,5	23 15
Łamane	A1 A2	20 13,5	24 15,5	26 17,5

PROJEKTOWANIE BETONU

Wytrzymałość w świetle norm

• Uwzględnia PN-EN 206-1 i PN-B-03246: 2002 (Konstrukcje betonowe, żelbetowe, sprężone. Obliczenia statyczne i projektowanie.).

• Oznaczenia wytrzymałości przeprowadza się po 28 dniach dojrzewania betonu (w warunkach laboratoryjnych).

• Beton jest materiałem niejednorodnym, dlatego wytrzymałość f_ci jest zmienną losową, której wartość określa się stosując zasady statystyki matematycznej.

• Wytrzymałość jest funkcją dwóch parametrów statycznych:

-wytrzymałości średniej: f_cm = (1/4) x Σ f_ci

-średniego odchylenia standardowego wytrzymałości (miara rozrzutu wyników badań - niejednorodności betonu w MPa)

Dwie definicje wytrzymałości:

- wytrzymałość charakterystyczna betonu - jest to 5% kwantyl rozkładu statycznego wytrzymałości na ściskanie badanej na próbkach walcowych o średnicy 150 mm i wysokości 300 mm: f_ck=f_cm - 1,64s ; (f_ck,cyl)

• wytrzymałość gwarantowana betonu - jest to 5% kwantyl rozkładu statycznego wytrzymałości na ściskanie badanej na próbkach sześciennych o krawędzi 15 mm:

f_ck,cube = f_cm,cube - 1,64s ; (f_c^k_,cube)

• Jeżeli wytrzymałość określono jako 5% kwantyl rozkładu statycznego oznacza to, że jedynie 5% wyników może mieć wytrzymałość mniejszą.

Czyli wytrzymałość f_ck i f_ck,cube określa się (gwarantuje) z prawdopodobieństwem 95% wytrzymałości f_ck i f_ck,cube jest pojęciem umownym.

Rozkład wyników badań wytrzymałości betonu na ściskanie (rozkład normalny Gaussa).

• Beton pod względem wytrzymałości (jakości) charakteryzuje klasa (wytrzymałości) betonu, oznaczana: Cf_ck / f_ck,cube (dawniej Bf_ck,cube).

Klasy betonów zwykłych:

-C8/10 (nie ma go w normie do projektowania konstrukcji),

-C12/15,

-C16/20,

-C20/25,

-C25/30,

-C30/37,

-C35/45,

-C40/50,

-C45/55,

-C50/60.

• Zgodne z PN-B-03264: f_ck = 0,8 f_ck,cube.

TWARDOŚĆ BETONU (KONSTRUKCJI BETONOWEJ)

• Zdolność do zachowania właściwości użytkowych przez określony czas (PN - nim 50 lat), w zadanych warunkach środowiska (przy uwzględnieniu racjonalnych kosztów eksploatacji i remontów).

• Oddziaływanie środowiska - oddziaływania chemiczne i fizyczne na beton, które wpływają na niego lub na zbrojenie, a które nie zostały uwzględnione jako obciążenie w projekcie konstrukcyjnym.

• Korozja betonu - destrukcyjne oddziaływanie środowiska powodujące obniżenie właściwości użytkowych betonu.

Czynniki powodujące korozję:

-woda,

-roztwory wodne,

-gazy,

-zmiany temperatury.

Zwykle działają równocześnie.

• Przebieg korozji betonu ma charakter wykładniczy (z narastającym przyspieszeniem). Korozja następuje szybciej w elemencie obciążonym (rysy, defekty struktury). Kontakt betonu z czynnikami korozyjnymi następuje nie tylko na zewnątrz powierzchni elementu, ale również na wewnętrznej powierzchni porów zawartych w betonie (ta powierzchnia może być tysiąc razy większa).

• Podstawowe typy korozji: mrozowa i chemiczna.

• Charakterystyka typów korozji:

Korozja mrozowa: zamarzająca woda zwiększa objętość o 9%, co wywołuje naprężenia i przy wielokrotnym (!) zamarażaniu i odmrażaniu niszczenie struktury; niebezpieczna gdy nasycenie wodą jest większa niż 90% (najczęstsza przyczyna destrukcji betonu w Polsce).

Korozja siarczanowa: jony siarczanowe reagują ze składnikami zaczynu; tworzą się trudno rozpuszczalne sole (etryngit, gips), które krystalizując znacznie zwiększają swoją objętość (ekspansja); wywołuje to naprężenia i niszczenie struktury, to najgroźniejszy rodzaj korozji chemicznej (pęcznienie do 200-300%).

Korozja chlorkowa: podobny charakter do siarczanowej, jednak mniej niebezpieczna, gdyż produkty korozji są mniej ekspansywne, bardzo niebezpieczna dla zbrojenia - korozja przy pH > 11,8 jony Cl^- migrują nawet sto razy szybciej niż SO₄^2-.

Korozja łagująca: rozpuszczanie i wypłukiwanie Ca(OH)₂ przez wodę miekką (np. deszcz), zwiększenie porowatości, osłabienie struktury [Ca(OH)₂ to w formie stałej portlandyt].

Korozja węglowa: wywołana przez agresywny CO₂ zawarty w wodzie, reaguje z Ca(OH)₂ tworząc rozpuszczalny kwaśny(!) węglan wapnia (→ białe wykwity, stalaktyty); zwiększenie porowatości, osłabienie struktury.

Karbonatyzacja: CO₂ z powietrza w obecności wilgoci reaguje z Ca(OH)₂ (najszybciej przy wilgotności względnej w_w=40-70%) i tworzy się CaCO₃; ilość Ca(OH)₂ decyduje o pH betonu; wysoka wartość pH =12-13 chroni zbrojenie przed korozją, zmniejszenie ilości Ca(OH)₂ powoduje obniżenie pH betonu, a przy pH ok. 11,8 rozpoczyna się korozja zbrojenia.

Karbonatyzacja jest procesem powolnym, gdyż CaCO₃ jest trudno rozpuszczalny i lekko ekspansywny - uszczelnia strukturę i spowalnia reakcję.

We wszystkich rodzajach korozji chemicznej czynnik agresywny wchodzi w reakcję przede wszystkim z Ca(OH)₂ co jednocześnie powoduje obniżenie pH betonu.

• PN-EN 206-1 wprowadza podział warunków środowiska na 7 klas, w zależności od czynnika wywołującego korozję. W obrębie klas wyróżniono klasy ekspozycji w zależności od intensywności działania czynnika (agresja chemiczna, ścieranie lub stopnie zawilgocenia).

-X0 brak ryzyka korozji,

-XC1-4 karbonatyzacja,

-XD1-3 chlorki niepochodzące z wody morskiej,

-XS1-3 chlorki z wody morskiej,

-XF1-4 zamrażanie/odmrażanie z/bez środków odladzających,

-XA1-3 agresja chemiczna (grunt, woda gruntowa),

-XM1-3 ścieranie (PN-B-06265)

• Aby zagwarantować trwałość betonu (na czas użytkowania 50 lat) dla każdej klasy ekspozycji wprowadzono (PN-B-06265) wymagania normowe w zakresie:

-minimalnej klasy betonu (wartość jedynie zalecana),

-max w/c (0,65-0,45),

-minimalnej zawartości cementu w kg/m³ (250-360).

A dla klas XF, XA, XM inne dodatkowe wymagania.

Ogólnie im trudniejsze warunki, tym wyższa klasa betonu, niższe w/c oraz więcej cementu.

• Aby uzyskać trwałość należy:

-stosować cement i kruszywo odporne na czynniki agresywne (W PN-B-06265 podano zalecenia dotyczące doboru cementów w przypadku zagrożenia korozją betonu lub zbrojenia),

-uzyskać maksymalnie szczelną strukturę zaczynu i warstwy stykowej (zaczyn-kruszywo):

-stosować: niski w/c, dodatki, domieszki (plastyfikatory i superplastyfikatory),

-stosować: efektywne zagęszczenie i właściwą pielęgnację (→ wysoki stopień hydratacji cementu).

-ograniczyć do minimum ilość zaczynu (przy zapewnieniu C_min),

-ograniczyć wilgotność betonu (ruch wody w betonie).

PROJEKTOWANIE BETONU

• Projektowanie betonu ma na celu taki jakościowy i ilościowy dobór składników, aby zarówno mieszanka betonowa jak i beton uzyskały założone właściwości (określone przez projektanta i wymagania normowe).

• Wymaga się przede wszystkim, aby beton uzyskał określoną wytrzymałość na ściskanie (klasę) i trwałość, a mieszanka urabialność (utrzymującą się w określonum czasie).

• Definicje:

Beton projektowany: beton, którego wymagane właściwości i dodatkowe cechy są podane producentowi, odpowiedzialnemu za dostarczenie betonu zgodnego z tymi wymaganiami.

Beton recepturowy: beton, którego skład i składniki, jakie powinny być użyte, są podane producentowi odpowiedzialnemu za dostarczenia betonu o tak określonym składzie.

Normowy beton recepturowy (NBR): beton recepturowy, którego skład jest podany w normie PN-B-06265.

ETAPY PROJEKTOWANIA

• Dane wyjściowe:

-przeznaczenie (rodzaj elementu, wymiary, ilość zbrojenia),

-technologia wykonywania (sposób transportu, układania i zagęszczania mieszanki, warunki dojrzewania i pielęgnacji),

-warunki użytkowania (oddziaływanie środowiska).

• Założenia (podstawowe i specjelne):

-właściwości betonu (klasa ekspozycji, klasa betonu, inne np. mrozoodporność, gęstość),

-właściwości mieszanki betonowej (klasa konsystencji, max wymiar zaiaren kruszywa, inne np. opóźnione wiązanie),

-specjalne: np. rozwój wytrzymałości, zmniejszenie ilości ciepła hydratacji, odsłonięte kruszywo na zewnętrznej powierzchni elementu.

• Jakościowy dobór składników:

-kruszywo (rodzaj, optymalne uziarnienie),

-cement (rodzaj, klasa),

-woda,

-dodatki,

-domieszki,

ewentualne badania właściwości składników.

• Ilościowy dobór składników (receptura laboratoryjna):

-ustalenie ilości składników na 1m³ mieszanki betonowej (jedna z metod projektowania):

wielkości przyjmowane do obliczeń m. in.

-gęstość składników (ρ_c = 3,0-3,1 kg/dm³, ρ_k = 2,65 kg/dm³-dla otoczkowego

-średnia wytrzymałość betonu f_cm (do wzoru Bolomey'a)

f_cm = f_ck,cube +1,64s jeżeli znane jest s lub

f_cm = 1,3 f_ck,cube (PN-88/B-6250)

f_cm = f_ck,cube + 6-12 (PN-EN 206-1)

f_cm większa od f_ck,cube o ok. 2s.

• Weryfikacja analityczna składu i ewentualne koszty:

-warunki szczelności,

-(w/c)_max,

-C_min,

-Z_f,

-Z_{c min},

-klasa betonu,

C_max (z normy),

• Weryfikacja doświadczalna właściwości i ewentualne korekty:

-konsystencja,

-wytrzymałość na ściskanie,

-porowatość,

-inne.

RECEPTURA ROBOCZA

Ustalenie składu jednego zorobu z uwzględnieniem: wilgotności kruszywa, objętościowego dozowania składników (ρ_nl) oraz użytecznej objętości betoniarki

V_U = α V α=1000 / ( C / ρ_ncl + F / ρ_nfl + G / ρ_ngl)

Gdzie: α - współczynnik wykorzystania objętości betoniarki (współ. spulchnian.) < 1,0.

UWAGA

Prawidłowe zaprojektowanie składu jest warunkiem koniecznym, ale niewystarczającym do uzyskania betonu dobrej jakości. Decydują o tym w równym stopniu prawidłowo przeprowadzone roboty betonowe - mieszanie składników, transport, układanie, zagęszczanie oraz pielęgnacja młodego betonu.

Metod projektowania betonu jest bardzo wiele. Dzielą się na analityczne i doświadczalne.

METODA TRZECH RÓWNAŃ (ANALITYCZNA)

• Przyjmuje się założenie, że beton jest materiałem składającym się z trzech składników C, W oraz K (czyli kruszywo traktuje się jako jeden składnik F+G).

• Ilość składników oblicza się rozwiązując układ trzech wzajemnie niezależnych równań: konsystencji, wytrzymałości i szczelności.

METODA ZACZYNOWA (DOŚWIADCZALNA)

= metoda iteracji, metoda Kuczyńskiego

Algorytm postępowania:

• Przygotować kruszywo ( o optymalnym uziarnieniu ) do zarobu próbnego

K_O = 20-30 kg.

• Przygotować zaczyn do zarobu próbnego, o ustalonym (z równania Bolomeya) stosunku C/W:

-C/W = ( f_cm / A ) ± 0,5

-Z_O = (0,3 - 0,5) x K_O

-W_O = Z_O / (1+ C/W) ←[Z=W+C=W (1+C/W)]

-C_O = Z_O - W_O

• Do kruszywa dodawać zaczynu, aż do uzyskania wymaganej konsystencji (metoda prób i błędów - iteracji). Konsystencję należy potwierdzić doświadczalnie.

• Określić objętość zarobu próbnego w stanie zagęszczonym V_zp (ewentualnie masę m_zp w celu określenia porowatości zagęszczonej mieszanki).

• Określić ilość zaczynu pozostałego Z_k i dodanego do zarobu Z_V

Z_V = Z_O - Z_K

• Obliczyć ilość składników w zarobie próbnym

K_V = K_O

W_V = Z_V / (1+C/W)

C_V = Z_V - W_V

• Obliczyć ilość składników na 1m³ betonu

K = ( K_V / V_zp ) x 1000

W = ( W_V / V_zp ) x 1000

C = ( C_V / V_zp ) x 1000

KOREKTY SKŁADU MIESZANKI BETONOWEJ

• C< C_min

-Klasa cementu zbyt wysoka wobec klasy betonu

→ obniżyć klasę cementu.

-Projektuje się beton niskiej klasy i przyjęto CEM 32,5 i skorygować ilość K, aby spełniony był warunek szczelności

V_{K skor} = 1000 - C_min / ρ_c - W

K_skor = ρ_k x V_{K skor}

• C > C_max

-Klasa cementu zbyt niska wobec klasy betonu

→ zwiększyć klasę cementu

-Projektuje się beton wysokiej klasy i dużej ciekłości bez domieszek (W dużo i przy C/W=const również C dużo)

→ zastosować domieszkę upłynniającą (→W↓ i przy C/W=const, również C↓)

• W/C > (W/C)_max

-Klasa cementu zbyt wysoka wobec klasy betonu

→ obniżyć klasę cementu

-Produkuje się beton niskiej klasy i przyjętą CEM 32,5

→ przyjąć W/C =(W/C)_max (→ beton uzyska wyższą wytrzymałość od założonej)

• Błędna objętość zaprawy Z_f

→ przyjąć Z_f wg PN; obliczyś nowe ilości składników zaprawy (C,W i F-piasek)zachowując między nimi poprzednie proporcje i skorygować ilość kruszywa grubego (aby spełniony był warunek szczelności); kruszywo grube G_skor =G ± ρ_k∆V_zapr

• Z_C < Z_Cmin

→ zwiększyć ilość cementu lub zastosować dodatek np. popiół lotny; skorygować ilość K, aby spełniony był warunek szczelności

∆V_zc = V_zc PN - C / ρ_c - K_0/0,125 / ρ_k

V_skor = 1000 - C / ρ_c - W - ∆V_zc

K_skor = ρ_k / V_{K skor}

(cząstki pylaste to cement i frakcja do 0,25)

• Konsystencjs zbyt gęsta (met. 3 równań)

→ uzyskać wymaganą konsystencję poprzez dolanie do zarobu wody ∆W; wówczas war. konsystencji W + ∆W = Cw_c + Kw_{k rzecz}; obliczyć rzeczywistą wodożądność kruszywa W_{k rzecz} = (W + ∆W - Cw_c) / K i ponownie obliczyć skład betonu.

• Konsystencja zbyt ciekła (met. 3 równań)

→ uzyskać wymaganą konsystencję przez dodanie do zarobu cementu i kruszywa w proporcji ∆C / ∆K = C / K; wówczas war. konsystencji W = (C + ∆C) x w_c + (K + ∆K) x w_{k rzecz}; obliczyć w_{k rzecz} = [W - (C + ∆C) x w_c] / (K + ∆K) i ponownie obliczyć skład betonu.

• Błędna klasa cementu

-Prawdopodobnie błędna wartość A

→ wyznaczyć wartość A powtarzając doświadczenie Bolomey'a (A=tgα) lub obliczyć A_rz = f_cm / (C/W ± 0,5) i ponownie obliczyć skład betonu.

• p > p_max (za duża porowatość)

-Jeżeli porowatość określono metodą doświad-oblicz. (pomiar V_zp i m_zp → S = ρ_omb / ρ_mb) błąd może wynikać z niewłaściwie przyjętych gęstości składników, zwykle kruszywa

→ wyznaczyć gęstość doświadczalnie

-Jeżeli porowatość określono metodą ciśnieniową (met. najbardziej miarodajna)

→należy ponownie zaprojektować beton zwiększając urabialność mieszanki np. zmienić uziarnienie kruszywa (np. zwiększyć p_k); zwiększyć Z_f i/lub Z_c

DODATKI MINERALNE DO BETONU

• Def: Drobno zmielony materiał mineralny dodany do betonu w ilości większej niż 5% masy cementu (>5%C) w celu poprawy pewnych właściwości lub uzyskania specjalnych właściwości.

ZADANIEM DODATKÓW JEST

• poprawa lub uzyskanie określonuch właściwości betonu (oraz mieszanki betonowej)

• uzupełnienie plastycznych frakcji kruszywa:

-poprawa urabialności

-uszczelnienie struktury zaczynu (→ porowatość ↓, wytrzymałość ↑, odporność na

korozję ↑)

• zmniejszenie zużycia cementu.

RODZAJE DODATKÓW

• Obojętne:

Spełniają rolę wypełniaczy (składnik bierny chemicznie) np. mieszanki kwarcowe i wapienne.

• O wałaściwościach pucolanowych:

Zawierają gł. SiO₂ oraz Al₂O₃. Same nie twardnieją po zmieszaniu z wodą, ale w obecności wody, w normalnej temperaturze reagują z Ca(OH)₂, tworzą głównie fazę CSH (→ wzmocnienie zaczynu poprzez zastąpienie słabego składnika mocniejszym → f_c ↑)

Popiół lotny:

Wpływ na beton:

-zwiększenie odporności na korozję siarczanową,

-zwiększenie odporności na wysoką temperaturę,

-zmniejszenie skurczu, ale tylko przy zastąpieniu popiołem części cementu,

-spowolnienie hydratacji, ale tylko przy zastąpieniu popiołem części cementu, → t_pw ↑, ciepło hydratacji ↓, f_C<28 ↓, f_C28 ↓ (±),

-wzrost wytrzymałości w dłuższym okresie ≥ 90 dni (f_C > f_C28), ale tylko przy zastąpieniu popiołem części cementu,

-zmniejszenie mrozoodporności w okresie do 90 dni (-).

Pył krzemionkowy (mikrokrzemionka)

Zawiera min 85% SiO₂ S>150000 cm²/g. Gęstość 2,2 g/cm³. Aktywność dwa razy większa niż popiołów. Niezbędny do BWW (betonach wysokiej wytrzymałości)

Wpływ na beton:

-modyfikacja sfery stykowej zaczyn-kruszywo (uszczelnienie, zmiana Ca(OH)₂ na CSH),

-istotny wzrost wytrzymałości.

• O utajonych właściwościach hydraulicznych:

Zawierają głównie: CaO, SiO₂, MgO. Reagują z wodą podobnie jak cement, ale wolniej. Właściwości hydrauliczne ujawniają dopiero po aktywacji (zmielone, obróbka termiczna)

-granulowane żużle wielkopiecowe

Wpływ na beton podobny jak popiół.

DODATKI WG. PN-EN 206-1 I PN-B 06256

• Dwa typy dodatków:

-prawie obojętne - typ I (kruszywo wypełniające, barwniki),

-o właściwościach pucolanowych lub utajonych właściwościach hydraulicznych - typ II (popiół lotny PN-EN 450, pył krzemionkowy PN-EN 13263)

• Dodatki typu II można (ale nie jest to konieczne) uwzględnić w składzie betonu jako składnik spoiwa poprzez współczynnik k:

-zastępując W/C przez W / (C +kD)

gdzie: D-dodatek, czyli W/C → W/S (gdzie S-spoiwo tj. cement i dodatek),

-zmniejszając C_min wynikającą z klasy ekspozycji,

Wartość „k” zależy od rodzaju dodatku.

Współczynnik k dla popiołu lotnego (PL)

• Maksymalna ilość popiołu, którą można uwzględniać w rozważaniach (W/C, C_min) PL≤0,33C.

• Wartość współczynnika k wynosi:

-k = 0,2 dla CEM I 32,5; i CEM II/A 32,5

-k = 0,4 dla CEM I 42,5 (52,5) i CEM II/A 42,5 (52,5)

we wszystkich przypadkach poza CEM II/A-V

• C_min wymaganą w odpowiedniej klasie ekspozycji, można zmniejszyć (poza XF 2-4) maksymalnie o k (C_min -200); ale (C+PL) ≥ C_min (ilości są podane w PN-B 06265).

Współczynnik k dla pyłu krzemionkowego (PK)

• Maksymalna ilość pyłu krzemionkowego, którą można uwzględnić w rozważaniach PK≤0,110.

• Przy stosowaniu CEM I i CEM II/A (poza CEM IIA/D) wartość współczynnika k wynosi:

-przy W/C ≤ 0,45 k = 2,0

-przy W/C > 0,45 k = 2,0 z wyjątkiem XC i XF, dla których k = 1,0.

• C_min wymaganą w odpowiedniej klasie ekspozycji można zmniejszyc, ale

( C +PK ) ≥ C_min

∆C ≤ 30 kg/m³, gdy C_min ≤ 300kg/m³

UWAGI

• Dodatki (typu I i typu II) należy koniecznie uwzględnić w równaniu szczelności

V_C + V_K + V_W + V_D = V_mb

• Ze względu na uzyskane właściwości mieszanki i betonu stosuje się w budownictwie hydrotechnicznym, morskim, fundamentowaniu (agresja chemiczna), budowlach podziemnych, prefabrykacji, elementach masywnych - podobne jest zastosowanie cementów zawierające te dodatki w swoim składzie.

DOMIESZKI CHEMICZNE DO BETONU

• Def. Materiał dodawany podczas wykonywania mieszanki betonowej w ilości ≤ 5%C, w celu zmodyfikowania właściwości mieszanki betonowej i/lub betonu.

• Najczęściej są to substancje chemiczne, rzadziej mineralne.

• PN-EN:

-934-2 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Definicje, wymagania.

-480 - (1-13) Metody badań domieszek.

KLASYFIKACJA DOMIESZEK

(PN-EN 934-2)

Ze względu na skutek jakie wywołują, domieszki można podzielić na następujące, podstawowe grupy:

• Modyfikujące cechy reologiczne mieszanki, min:

-redukujące ilość wody:

-uplastyczniające,

-upłynniające.

• Modyfikujące zawartość powietrza w betonie, min:

-napowietrzające.

• Modyfikujące wiązanie i twardnienie:

-przyspieszające wiązanie,

-przyspieszające twardnienie,

-opóźniające wiązanie,

-przeciwmrozowe.

• Uszczelnijące, zwiększające odporność na czynniki fizyczne.

• Kompleksowe (modyfikują jednocześnie dwie lub więcej cech).

CHARAKTERYSTYKA DOMIESZEK

Domieszki redukujące ilość wody:

• zmniejszające zawartość wody w mieszance przy zachowaniu konsystencji (urabialność)

W ↓ i C = const → W/C ↓ i f_C ↑

W ↓ i W/C = const → C ↓

lub zwiększenie ciekłości mieszanki przy zachowaniu W/C (możliwość uzyskania odpowiedniej urabialności przy niskim W/C → betony wysokich klas)

• Podział:

-Uplastyczniające (plastyfikatory)

Redukcja wody 5-12% (zmiana konsystencji o jedną klasę)

-Upłynniające (superplastyfikatory)

Redukcja wody 12-30%, a nawet >30% - superoplastyfikatory drugiej generacji (zmiana konsystencji o dwie klasy)

• Uwagi do stosowania:

-Możliwość wystąpienia niekorzystnych skutków: segregacja składników, napowietrzenie, opóźnienie wiązania i twardnienia.

-Ograniczony czas działania 60-120 min.

Domieszki napowietrzające:

• Wprowadzenie do mieszanki pęcherzyków powietrza (ustalona ilość, wielkość i rozmieszczenie), które powstają w betonie przerywając ciągłość porów kapilarnych.

Zmniejszone zostaje podciąganie kapilarne wody (→ trwałość ↑ ), a przede wszystkim rośnie odporność betonu na działanie mrozu, ponieważ woda zamarzając .........................pęcherzków, co zapobiega rozsadzania betonu.

• Uwagi do stosowania

-Poprawa urabialności,

-Możliwość obniżenia wytrzymałości.

6

2

---