2. Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki 1
2.

Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki
2.1 Zależności ogólne
W tradycyjnym ujęciu podstawowym wyznacznikiem wartości betonu jest jego klasa, określona przez
gwarantowaną wytrzymałość betonu na ściskanie. Często projektant określa - obok właściwości mecha-
nicznych betonu - także i zbiór cech fizycznych określanych np. przez szczelność, porowatość, przesią-
kliwość, mrozoodporność. Zarówno wymienione cechy mechaniczne, jak i fizyczne, rzutują na wymaga-
nia konstrukcyjne odnośnie betonu.
Stwardniały beton, z natury rzeczy, jest materiałem porowatym, przepuszczalnym bądz
nieprzepusz-
czalnym (schemat na rys. 2.1). Pory sÄ… wynikiem hydratacji zaczynu cementowego oraz samego procesu
produkcyjnego i obróbkowego. Pory żelowe, kapilary, pory powietrzne i mikrorysy wpływają wprost na
wytrzymałość betonu (rys. 2.2).
Rys. 2.1 Struktura stwardniałego betonu
Objętość przestrzeni zajmowanej przez pory maleje wraz z upływem czasu (rys. 2.3), co jest związane
z rozwojem fazy C-S-H (żel krzemianu wapniowego). W wyniku zachodzących w zaczynie cemento-
wym reakcji fizyko-chemicznych obok krzemianów i glinianów wapniowych, krystalizuje także wodoro-
tlenek wapnia Ca(OH)2, którego zawartość w betonie może dochodzić do 20÷25% masy cementu.
Rys. 2.2 Porowatość betonu i jej związek z wytrzymałością [5]
J.Jasiczak, P.Mikołajczak  Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami Alma Mater
 2. Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki 2
Rys. 2.3 Zmiana porowatości wraz ze zmianami ilościowymi struktury zaczynu [34]
Wpływ wodorotlenku wapnia na wczesną wytrzymałość stwardniałego zaczynu nie jest całkowicie
wyjaśniony, natomiast nie ulega wątpliwości, że wpływa on ujemnie na trwałość betonu, gdyż jest skład-
nikiem najłatwiej rozpuszczalnym w wodzie. Reaguje on bezpośrednio z dwutlenkiem węgla zawartym w
powietrzu. Zjawisko to określa się mianem karbonizacji (czasem karbonatyzacji). Postęp karbonizacji
przedstawiony został na rys. 2.4.
Rys. 2.4 Postęp karbonizacji w zależności od ilości cementu w 1 m3 mieszanki
i malejącej wartości stosunku W/C [34]
J.Jasiczak, P.Mikołajczak  Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami Alma Mater
 2. Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki 3
2.2 Wymagania konstrukcyjne w aspekcie uwarunkowań technologicznych
Wymagania stawiane konstrukcjom betonowym (żelbetowym) takie jak:
- wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie,
- trwałość (wyznaczona przez: porowatość, szczelność, odporność na chlorki, siarczki, karbonizację,
podatność na skurcz, mrozoodporność),
zrealizowane być mogą poprzez właściwe procesy produkcyjne i obróbkowe mieszanki betonowej. Istnie-
je jednakże pewna sprzeczność między oczekiwaniami konstruktora a możliwościami producenta mie-
szanki betonowej, wynikająca z odwrotnej proporcjonalności wytrzymałości betonu i ilości wody zaro-
bowej użytej do jego wytworzenia.
Zgodnie z wzorem Bolomey a:
C
fc = A1,2(W Ä… 05) , MPa
.
gdzie : fc - wytrzymałość betonu, [MPa]
A1,2 - współczynniki zależne od rodzaju kruszywa grubego,
C
- stosunek masy cementu i wody w 1 m3 mieszanki
W
istnieje prosta zależność funkcyjna między wytrzymałością, ilością cementu i ilością wody. Wzrost
dwóch pierwszych parametrów i ograniczenie trzeciego wpływa bezpośrednio na poprawę trwałości
obiektów, o czym informują dane przedstawione na rys. 2.4, 2.5 i 2.7.
Rys. 2.5 Zależność wytrzymałości i przepuszczalności betonu od stosunku W/C [5]
Jest jednakże oczywiste, iż ilość wody w betonie nie może przekroczyć pewnej granicznej wielkości,
przy czym wielkość ta uwarunkowana jest z jednej strony ilością wody, niezbędnej do zapewnienia wła-
ściwej hydratacji i hydrolizy cementu, a z drugiej urabialnością samej mieszanki pozwalającej na jej
transport, zagęszczenie i dokładne odwzorowanie bryły obiektu. Występująca przeciwstawność intere-
sów: minimalizacja ilości wody ze względu na trwałość obiektu i dążenie do zwiększenia ilości wody, ze
względu na urabialność betonu wymaga rozsądnego kompromisu i będzie w niniejszym opracowaniu
przedyskutowana.
J.Jasiczak, P.Mikołajczak  Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami Alma Mater
 2. Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki 4
Rys. 2.6 Przyrost wielkości skurczu betonu spowodowany wzrostem ilości cementu i wody [1]
2.2.1 Wytrzymałościowotwórcza rola wody w betonie
Jak już wspomniano (rys. 2.3) świeży zaczyn cementowy stanowi plastyczny układ cementu w wo-
dzie. Na każdym etapie procesu hydratacji stwardniały zaczyn cementowy składa się z hydratów różnych
związków (łącznie określanych jako żel), kryształów Ca(OH)2, składników drugorzędnych, nie zhydraty-
zowanego cementu i pozostałości po obszarach, które w świeżym zaczynie były wypełnione wodą. Pustki
te nazywane są porami kapilarnymi, określającymi z pozostałymi porami (rys. 2.2) porowatość betonu.
Pory kapilarne tworzą w betonie połączony system o układzie przypadkowym, który powoduje że
stwardniały zaczyn cementowy jest przepuszczalny oraz, że jest wrażliwy na działanie mrozu. Hydratacja
zwiększa jednak zawartość fazy stałej w zaczynie, a w dojrzałych i gęstych zaczynach kapilary mogą zo-
stać zablokowane przez żel i porozdzielane tak, że powstanie układ kapilar połączonych jedynie porami
gelowymi. Nie występowanie ciągłych kapilar jest wynikiem kombinacji właściwego W/C i dostatecznie
długiego okresu pielęgnacji betonu na mokro. Według A.M.Neville a [46] pełne wypełnienie kapilar że-
lem nie jest możliwe przy stosunku W/C > 0.38, nawet gdyby założyć całkowitą hydratację cementu.
Rozdzielenie natomiast ciÄ…gÅ‚oÅ›ci kapilar jest możliwe, przy czym dla różnych É = W/C wystÄ™puje po
różnym czasie, i tak np:
- dla É = 0.40 czas ten wynosi 3 dni,
- dla É = 0.45 czas ten wynosi 7 dni,
- dla É = 0.50 czas ten wynosi 14 dni,
- dla É = 0.60 czas ten wynosi 6 miesiÄ™cy,
- dla É = 0.70 czas ten wynosi 1 rok.
J.Jasiczak, P.Mikołajczak  Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami Alma Mater
 2. Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki 5
Rys. 2.7 Wpływ stosunku wodno-cementowego na mrozoodporność betonu pielęgnowanego na
mokro przez 28 dni [45]
1- beton napowietrzany, 2- beton nie napowietrzany,
i maksymalny stosunek wodno-cementowy zapewniający mrozoodporność
betonu w różnych warunkach użytkowania w Wielkiej Brytanii [45]
Przy stosunku É > 0.70 nawet peÅ‚na hydratacja nie daÅ‚aby żelu w iloÅ›ci dostatecznej do zablokowania
wszystkich kapilar. Wyeliminowanie ciągłych kapilar jest tak ważne, że można je uznać za warunek ko-
nieczny do zaklasyfikowania betonu jako  dobry .
Wymieniona wartość É = 0.70 stanowi zatem górne ograniczenie stosunku W/C w betonach uznawa-
nych za dobre. Istnieje także ograniczenie dolne obejmujące stan maksymalnego uwodnienia cementu,
maksymalnej gęstości i maksymalnej wytrzymałości kamienia cementowego. Zagadnienie to, w aspekcie
występujących współzależności, przedstawiono na rys. 2.8.
fc
Rys. 2.8 Zależność stosunku wytrzymaÅ‚oÅ›ciowego i gÄ™stoÅ›ci Ád kamienia cementowego od É = W/C [66]
f$c
J.Jasiczak, P.Mikołajczak  Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami Alma Mater
 2. Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki 6
Z przedstawionych danych wynika, iż obszar optymalnej wielkoÅ›ci É zamyka siÄ™ w przedziale Éopt =
)
<0.2; 0.3>, a maksymalne wielkoÅ›ci gÄ™stoÅ›ci Ád oraz wytrzymaÅ‚oÅ›ci R kamienia cementowego uzyskuje
siÄ™ przy wartoÅ›ci É0 =W0/C = 0.23. Zwraca siÄ™ także uwagÄ™, iż wzrost porowatoÅ›ci kamienia cementowe-
go wystÄ™puje zarówno wtedy, gdy É jest mniejsze od 0.2i (kamieÅ„ jamisty, cement częściowo uwodnio-
ny), jak i gdy É jest wiÄ™ksze od 0.3 (kamieÅ„ porowaty mimo możliwoÅ›ci caÅ‚kowitego uwodnienia cemen-
tu). PorównujÄ…c także przebieg krzywych R i Ád poza rzÄ™dnÄ… É > 0.23 widać zależność wytrzymaÅ‚oÅ›ci od
gęstości, zmiennej w stosunku do porowatości będącej pochodną stosunku W/C.
Powyższe spostrzeżenia można przenieść na mieszankę betonową i ustalić następujące, dolne wartości
wskaz
nika É0 = W0/C jako :
- É0 = 0.20÷0.30 dla betonów efektywnie zagÄ™szczonych
(prasowanie, wibroprasowanie, wirowanie),
- É0 = 0.35 dla betonów zagÄ™szczonych wibratorami wgÅ‚Ä™bnymi lub powierzchniowymi.
Podane wielkoÅ›ci É0 odnoszÄ… siÄ™ do betonu na cementach portlandzkich, natomiast dla betonów na in-
nych cementach (np. hutniczych, glinowych, pucolanowych) wartoÅ›ci te sÄ… o 0.1 ÷ 0.2 wyższe.
2.2.2 Urabialność świeżej mieszanki betonowej
Dążenie do zminimalizowania stosunku W/C rozpatrywać należy także w aspekcie wymagań stawia-
nych mieszance betonowej przez jej odbiorcÄ™, podejmujÄ…cego pracÄ™ na placu budowy. InteresujÄ…cÄ… cechÄ…
mieszanki jest w tym przypadku jej urabialność, tj. podatność na łatwe uformowanie plastyczne bez roz-
mieszania oraz bez grawitacyjnego wypływania lub sedymentacyjnego występowania na wierzch więzio-
nej wody. Urabialność można powiązać także z oporem mieszanki przeciwko ścinaniu przy działaniu siły
wywołującej określony ruch w jednostce czasu. Rozpatrywana w tym kontekście urabialność jest tym
lepsza, im mniejsze jest wewnętrzne tarcie świeżej mieszanki. Można więc mierzyć (porównywać) ura-
bialność mieszanek ilością energii potrzebnej do ścisłego wypełnienia formy.
Jednoznaczne uzależnienie urabialności od zespołu cech i składników mieszanki jest niezwykle trudne
(prosta zależność od ilości zaprawy, zaczynu, stosunku W/C, ale także od ilości ziarn poniżej 0.2 mm, od
ilości piasku, geometrycznego kształtu ziarn kruszywa itp.), jednakże jest faktem niezaprzeczalnym, iż
stosunek W/C ma tutaj duże znaczenie. Świadczą o tym zależności pokazane na rys. 2.9. i 2.10. Z rysun-
ku 2.9. można wywnioskować, iż przy przeciÄ™tnej iloÅ›ci cementu w 1 m3 mieszanki z przedziaÅ‚u 300÷400
kg, betony urabialne, wykonywane na kruszywie otoczakowym, powinny mieć W/C z przedziaÅ‚u 0.4÷0.8
. Z kolejnego rysunku 2.10. wynika, iż wytrzymałość betonów intensywnie zagęszczanych zależy wyraz
-
nie od W/C, natomiast przy betonach bez zagęszczania zależność taka nie występuje: betony o niższym
W/C mają niższą wytrzymałość od betonów bardziej uwodnionych, a optimum wytrzymałości uzyskuje
siÄ™ przy W/C = 0.59 % .
Rys. 2.9 Obszary urabialności betonów [67]
J.Jasiczak, P.Mikołajczak  Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami Alma Mater
 2. Beton zwykły konstrukcyjny jako pochodna cech świeżej mieszanki 7
Rys. 2.10 Zależność wytrzymałości betonu na ściskanie od W/C mieszanki betonowej
i stopnia jej zagęszczenia wyrażanego poprzez czas wibrowania
Podsumowując można by powiedzieć, iż ze względu na uzyskanie urabialnej mieszanki należałoby
dążyć do stosowania betonów bardziej uwodnionych.
Jest to twierdzenie sprzeczne z wynikami badań podanymi w pkt. 2.2.1. niniejszego opracowania, jed-
nakże z punktu widzenia użytkownika mieszanki betonowej na placu budowy prawdziwe. Powstaje zatem
potrzeba wprowadzenia jako zmiennika części wody zarobowej dodatkowych domieszek, utrzymujących
konsystencję mieszanki na żądanym poziomie. Poszukiwaniom zamiennika równoważącego niedobór
wody, wynikający z zakładanej urabialności, poświęcono kolejne rozdziały niniejszego opracowania.
i
W wyniku zjawiska kontrakcji, zachodzącego przy uwodnianiu cementu, każda jednostka objętości wody związanej przez cement ulega zmniej-
szeniu średnio o 25%. Powoduje to powstanie porów. Pory te umożliwiają jednakże nasycenie tężejącego betonu dodatkową porcją wody, tak że
z biegiem czasu wyjściowy wskaz
nik W0/C może być przy pielęgnacji wodnej betonu przekroczony.
Uwaga ta ma duże znaczenie praktyczne dla suchych mieszanek betonowych. Z biegiem czasu niedobór wody może być uzupełniony i moż-
liwa jest kontynuacja procesu hydratacji cementu.
J.Jasiczak, P.Mikołajczak  Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami Alma Mater