IV.11. Cechy fizyczne i wytrzymałościowe betonów konstrukcyjnych i specjalnych,
wpływ składu i własności składników.
Zależności ogólne
W tradycyjnym ujęciu podstawowym wyznacznikiem wartości betonu jest jego klasa, określona przez gwarantowaną wytrzymałość betonu na ściskanie.
Często projektant określa także i zbiór cech fizycznych określanych np. przez:
szczelność, porowatość, przesiąkliwość,mrozoodporność.
Zarówno wymienione cechy mechaniczne, jak i fizyczne, rzutują na wymagania
konstrukcyjne odnośnie betonu.
Stwardniały beton, z natury rzeczy, jest materiałem porowatym, przepuszczalnym bądź nieprzepuszczalnym. Pory są wynikiem hydratacji zaczynu cementowego oraz samego procesu produkcyjnego i obróbkowego. Pory żelowe, kapilary, pory powietrzne i mikrorysy wpływają wprost na wytrzymałość betonu.
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 cementowym reakcji fizyko-chemicznych obok krzemianów i glinianów wapniowych, krystalizuje także wodorotlenek
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]
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 składnikiem najłatwiej rozpuszczalnym w wodzie. Reaguje on bezpośrednio z dwutlenkiem węgla zawartym w powietrzu. Zjawisko to określa się mianem karbonizacji.
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. Istnieje jednakże pewna sprzeczność między oczekiwaniami konstruktora a możliwościami producenta mieszanki betonowej, wynikająca z odwrotnej proporcjonalności wytrzymałości betonu i ilości wody zarobowej użytej do jego wytworzenia.
istnieje prosta zależność funkcyjna między wytrzymałością, ilością cementu i ilością wody.
Wzrost dwóch pierwszych parametrów i ograniczenie trzeciego wpływa bezpośrednio na poprawę trwałości obiektów.
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 właściwej hydratacji i hydrolizy cementu, a z drugiej urabialnością samej mieszanki pozwalającej na jej transport, zagęszczenie i dokładne odwzorowanie bryły obiektu. Występująca przeciwstawność interesów:
- minimalizacja ilości wody ze względu na trwałość obiektu
- dążenie do zwiększenia ilości wody, ze względu na urabialność betonu
wymaga rozsądnego kompromisu.
Rys. 2.6 Przyrost wielkości skurczu betonu spowodowany wzrostem ilości cementu i wody [1]
Wytrzymałościowotwórcza rola wody w betonie
Jak już wspomniano (rys. 2.3) świeży zaczyn cementowy stanowi plastyczny układ cementu w wodzie. 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 zhydratyzowanego 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 zostać zablokowane przez żel i porozdzielane tak, że powstanie układ kapilar połączonych jedynie porami żelowymi.
Nie występowanie ciągłych kapilar jest wynikiem kombinacji właściwego W/C i dostatecznie
długiego okresu pielęgnacji betonu na mokro.
Rys. 2.7 Wpływ stosunku wodno -cementowego na mrozoodporność betonu pielęgnowanego na
mokro przez 28 dni
1 - beton napowietrzany, 2 - beton nie napowietrzany,
i maksymalny stosunek wodno -cementowy zapewniający mrozoodporność betonu w różnych warunkach użytkowania
Urabialność świeżej mieszanki betonowej
Dążenie do zminimalizowania stosunku W/C rozpatrywać należy także w aspekcie wymagań stawianych mieszance betonowej przez jej odbiorcę, podejmującego pracę na placu budowy. Interesującą cechą mieszanki jest w tym przypadku jej urabialność, tj. podatność na łatwe uformowanie plastyczne bez rozmieszania oraz bez grawitacyjnego wypływania lub sedymentacyjnego występowania na wierzch więzionej 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.
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.
Rys. 2.9 Obszary urabialności betonów [67]
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 potrzebą uzyskania dobrej wytrzymałośći, jednakże z punktu widzenia użytkownika mieszanki betonowej na placu budowy prawdziwe. Powstaje zatem potrzeba wprowadzenia jako zamiennika części wody zarobowej dodatkowych domieszek, utrzymujących konsystencję mieszanki na żądanym poziomie.
Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech
Wprowadzając do betonu dwa czynniki nieobecne w składzie betonów zwykłych:
- pył krzemionkowy
- środek plastyfikujący, a zwłaszcza superplastyfikator
można radykalnie poprawić właściwości betonu, otrzymując w efekcie tzw. beton wysokowartościowy (BWW).
- kolejnym czynnikiem modyfikującym cechy betonu może być dodanie stalowych lub
syntetycznych włókien jako mikrouzbrojenia oraz polimerów w postaci dodatków lub impregnatów.
Skład betonów wysokowartościowych różni się od składu betonów zwykłych i innych (np. hydrotechnicznych) zwiększoną zawartością składników drobnoziarnistych (cement, pył krzemionkowy, popioły lotne), niższym stosunkiem wodno-cementowym, mniejszą zawartością kruszywa grubego, a także ograniczeniem grubości ziaren, co przy zastosowaniu związków upłynniających pozwala uzyskać wysoką urabialność mieszanki betonowej
Rozkład wielkości ziaren cementu i kruszyw jest w BWW bardzo istotny ze względu na szczelność stosu okruchowego oraz unikanie koncentracji naprężeń. Pamiętać należy, że dolną granicą uziarnienia w przypadku betonu modyfikowanego pyłem krzemionkowym będzie wymiar ziaren mikrokrzemionki, dwa rzędy niższy od ziaren cementu.
W przypadku BWW w odróżnieniu od betonów zwykłych bardzo charakterystyczna
jest niska ilość wody zarobowej, albowiem W/C kształtuje się na poziomie 0.35-0.40 (a w
BBWW nawet 0.2-0.30).
Rys. 3.1 Porównanie składów betonu
W odniesieniu do betonów zwykłych małe wartości współczynnika W/C dla betonów modyfikowanych, wymagają zwiększonych zawartości cementu do 400 kg/m3 i więcej. Optymalna jego ilość jest związana z koniecznością utrzymania przy jednoczesnym użyciu superplastyfikatora, odpowiedniego dystansu między ziarnami kruszywa grubszych frakcji. Wysoki udział cementu w składzie betonów wysokowartościowych można nieco zredukować stosując poza mikrowypełnieniem, inne pucolanowe dodatki takie jak np. popioły lotne.
Tak do betonów zwykłych, jak i wysokowartościowych stosuje się cementy portlandzkie, z tym, że te drugie wymagają cementów wysokiej jakości, o powtarzalnym składzie.
W przeciwnym przypadku nie jest możliwe uzyskanie wymaganych wysokich parametrów betonu (wytrzymałościowych, dotyczących trwałości, itp.). Konieczne jest staranne dobranie składu i właściwości cementu. Dla betonów wysokowartościowych wskazana jest wysoka zawartość faz krzemianiastych (zwłaszcza alitu) przy niewielkiej ilości glinianu trójwapniowego C3A. Stopień rozdrobnienia powinien być możliwie duży, chociaż wymagania co do tego parametru nie są jednoznacznie określone [15,31].
Decydująca jest w tym przypadku dążność do kompromisu między dobrą urabialnością mieszanki, nie wytracaną zbyt wcześnie i utrzymaniem wartości wskaźnika W/C na możliwie niskim poziomie.
W klasie betonów o bardzo wysokich parametrach wytrzymałościowych (BBWW) zawartości cementu są już bardzo wysokie, a wskaźnik W/C oscyluje wokół 0.2-0.28. Dlatego też tutaj cement pełni rolę zbliżoną do mikrokrzemionki (mimo wysokiej różnicy wielkości ziarn), albowiem niezhydratyzowane cząstki cementu wypełniają dodatkowo przestrzenie porowate w bryle betonu.
Zajmijmy się teraz kolejnym tradycyjnym składnikiem betonu - kruszywem. Jedną z najistotniejszych cech charakteryzujących kruszywo jest przyczepność powierzchni ziarn do zaczynu cementowego. W betonach wysokowartościowych ze względu na mechanizm pękania tutaj zachodzący, nabiera to szczególnego znaczenia.
Tak jak w betonie tradycyjnym kształt ziarn powinien być zbliżony do bryły izometrycznej, sześciennej, bez udziału ziarn płaskich i wydłużonych. Jednocześnie bardzo istotne jest maksymalne
rozwinięcie powierzchni właściwej ziarn w celu zwiększenia ich mechanicznej przyczepności do zaczynu. Mając to na uwadze korzystniejszym wydaje się zastosowanie kruszyw łamanych, wykazujących lepszą przyczepność do zaczynu. Takie kruszywo zarówno grube jak i drobne sprzyja wyższej wytrzymałości betonu w stosunku do kruszyw otoczakowych. Z innego punktu widzenia kruszywo otoczakowe zapewnia lepszą urabialność i wymaga mniejszej ilości cementu, właśnie ze względu na mniejszą powierzchnię właściwą. Skład mineralogiczny kruszywa wpływa także na jego przyczepność do zaczynu.
Czynnikiem najbardziej różnicującym budowę wewnętrzną betonu zwykłego od betonów modyfikowanych jest zastosowanie dodatków i domieszek do tych drugich. Mamy tu na myśli mirokrzemionkę, jak i domieszki w postaci plastyfikatorów i superplastyfikatorów, czy też ewentualne włókna stalowe, lub syntetyczne korygujące parametry matrycy betonu.
I tak dodanie superplastyfikatora, dobranego zgodnie z typem i marką użytego cementu, umożliwia znaczne zmniejszenie W/C przy zachowaniu wymaganej urabialności.
Z kolei dodatek pyłu krzemionkowego prowadzi do zwiększenia gęstości i wypełnienia struktury matrycy cementowej. Ilości dodanego superplastyfikatora zwykle wynoszą 2-4%, a pyłu krzemionkowego oscylują wokół 10% masy cementu. Należy zwrócić uwagę, by w betonach o strukturze modyfikowanej dodatkami i domieszkami, wraz z nimi nie znalazło się zbyt dużo alkaliów, co ma istotne znaczenie z punktu widzenia trwałości struktury.
Struktura betonu zwykłego i betonu modyfikowanego mikrokrzemionką oraz upłynniaczami (reduktorami wody), różnią się od siebie w sposób zasadniczy. Dzięki bardzo niskiej wartości wskaźnika W/C, za sprawą superplastyfikatorów, jak również dzięki dodatkowym materiałom pucolanowym o dużym stopniu rozdrobnienia można oczekiwać zmniejszenia objętości porów kapilarnych.
Powstała w ten sposób bardzo dobra struktura rzutuje na to, że matryca kamienia cementowego staje się znacznie gęstsza. Jest to istotne zwłaszcza w „strefie przejściowej” otaczającej ziarna kruszywa, stanowiącej słabą stronę struktury betonu zwykłego wyeliminowaną przez modyfikację mikrokrzemionką. W strefie tej ze względu
na podwyższony tam poziom porowatości i poziom wskaźnika W/C (zwiększenie ilości wody wolnej przy powierzchni ziarn kruszywa) istniałyby warunki do inicjacji i propagacji rys oraz zwiększonej przepuszczalności dla gazów i cieczy. Jeśli nie stosujemy mikrokrzemionki zostają tutaj uformowane kryształy Ca(OH)2. Swym równoległym usytuowaniem wobec powierzchni kruszywa, bądź zbrojenia osłabiają strukturę. Pyły krzemionkowe w ilości już 2-3% masy cementu wypełniając wolne przestrzenie w tej strefie, zagęszczają tam strukturę. W ten sposób kryształy portlantydu nie są tak regularnie zorientowane wobec ziarn kruszywa. Zredukowaniu ulega bleeding (oddawanie wody).
W wyniku zachodzących reakcji pucolanowych następuje korzystna modyfikacja mikrostruktury zaczynu w sensie redukcji porów kapilarnych. Intensywność tych procesów jest proporcjonalna do procentowego udziału mikrowypełniacza w betonie. Jak widać tak domieszka środków upłynniających, zastosowanych jako reduktory wody, jak i dodatek mikrokrzemionki wpływają przede wszystkim na konsolidację struktury betonu modyfikowanego, co w odróżnieniu od betonu tradycyjnego pozwala na wysoki poziom jego cech wytrzymałościowych i cech związanych z trwałością.
Kształtowanie się właściwości betonu modyfikowanego,
wysokowartościowego w odróżnieniu od betonu zwykłego
Poprzez pojęcie betony wysokowartościowe (BWW) rozumieć należy betony cementowe na kruszywach naturalnych z odpowiednimi dodatkami i domieszkami. W efekcie uzyskuje się tworzywo o następujących, ustabilizowanych na wysokim poziomie własnościach:
- dobra urabialność świeżej mieszanki betonowej, zachowana przez okres minimum 1 h
- wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach wynosi min. 60 MPa (55 MPa wg. DIN)
- duża trwałość, m. in. związana ze szczelnością uzyskiwaną poprzez odpowiednią strukturę materiału po stwardnieniu.
Ponieważ betony wysokowartościowe są to materiały projektowane specjalnie w celu spełnienia określonych potrzeb użytkowników, więc prócz wymienionych właściwości mogą też mieć np. zwiększoną odporność na wpływy chemiczne, czy na wpływy mechaniczne (ścieralność, udarność itp.) lub inne.
Mechaniczne właściwości BWW wynikają z ich składu i struktury. Betony te charakteryzuje zagęszczona matryca o wysokiej wytrzymałości i jej wiązanie z powierzchnią kruszywa grubego. Duża jednorodność struktury, brak lokalnych osłabień w postaci porów powietrznych po wolnej wodzie, bleedingu i rys skurczowych zasadniczo zmienia zachowanie BWW w porównaniu z betonami zwykłymi.
Betony zwykłe z kruszywem o normalnej gęstości charakteryzują się następującą relacją wytrzymałości na ściskanie:
fkruszywa > fzaprawy > fbetonu,
dlatego też w tym przypadku zniszczenie przebiega przez najsłabszy element struktury betonu, który stanowi warstwa przejściowa między ziarnami kruszywa grubego i matrycą. Z kolei w betonach wysokowartościowych wytrzymałość na ściskanie zależy od modułu sprężystości i wytrzymałości ziaren kruszywa grubego. Przejawia się to przechodzeniem rys przy zniszczeniu właśnie poprzez te ziarna.
Taki właśnie przebieg zniszczenia jest charakterystycznym wyznacznikiem w odniesieniu do dwuskładnikowego materiału kompozytowego, za który uchodzi BWW. Już pod działaniem stosunkowo
małych obciążeń zapewnione zostaje pełne przekazywanie naprężeń pomiędzy zaprawą i ziarnami grubego kruszywa.
Zwiększenie wytrzymałości i odporności na pękanie w betonach modyfikowanych superplastyfikatorem i mikrokrzemionką wynika głównie z dwóch zjawisk: zmniejszenia porowatości całkowitej oraz ograniczenia wewnętrznych mikrorys i innych nieciągłości będących przyczyną koncentracji naprężeń.
Betony wysokowartościowe w odróżnieniu od betonów zwykłych wykazują szybki przyrost wytrzymałości w czasie, szczególnie w początkowej fazie, co spowodowane jest małą ilością wody zarobowej i dużą powierzchnią kontaktów między ziarnami składników świeżej mieszanki betonowej. Przyrost wytrzymałości betonu jest wprost proporcjonalny do wytrzymałości zaprawy. W okresie pierwszej doby jest ona prostą funkcją stopnia rozdrobnienia cementu oraz zawartości C3S i C3A. Obecność samej mikrokrzemionki w betonie uspokaja i spowalnia proces rozwoju wytrzymałości. Wytrzymałość wczesna
(jedno-, dwudniowa) nie przekraczają jeszcze z reguły wytrzymałości mieszanek betonowych pozbawionych mikrokrzemionki. Dopiero w okresie późniejszym następuje wyraźny, równomierny przyrost wytrzymałości.
Jego długotrwałość jest znacznie wyższa, niż w betonie konwencjonalnym. Stąd miarodajne
dane na temat wytrzymałości betonu na ściskanie nie występują po 28 dniach, lecz po 90 a nawet 180 dniach. Poniżej zaprezentowano różnice w wytrzymałości betonu na ściskanie w przypadku różnych technologii betonu.
Rys. 3.9 Rozwój wytrzymałości na ściskanie dla różnych technologii betonu
Przechodząc do kolejnej cechy betonów stwierdzić należy, iż skurcz ma inny przebieg w betonach wysokowartościowych, a inny w betonach zwykłych. Skurcz hydratacyjny jest szybszy i może spowodować, w przypadku ograniczenia możliwości odkształceń, dodatkowe naprężenia we wczesnym okresie dojrzewania. Skurcz całkowity jest mniejszy, ponieważ skurcz spowodowany wysychaniem jest zredukowany mniejszą ilością wody zarobowej i szczelnością zaprawy.
Proporcje kruszywa, cementu i wody w mieszance betonowej również wpływają na skurcz. Różnica odkształceń skurczowych betonów zwierających objętościowo 80 i 60% tego samego kruszywa jest nawet kilkakrotna, co pokazano na rysunku
Rys. 3.11 Wpływ W/C i zawartości kruszywa na skurcz betonu [45]
Istotny wpływ na wielkość skurczu ma także zawartość wody w mieszance betonowej. Na przykład konsystencja plastyczna mieszanki betonowej warunkuje o 1/4 wyższe odkształcenia skurczowe w stosunku do betonu o konsystencji wilgotnej. Dlatego też stosuje się dodatki uplastyczniające pośrednio redukujące odkształcenia skurczowe, poprawiając urabialność i zwiększając plastyczność mieszanki betonowej bez zmiany pozostałych składników [61].
Betony modyfikowane mikrokrzemionką, jak i superplastyfikatorem w odróżnieniu od betonów zwykłych pozwalają na znaczne oszczędności na gabarytach konstrukcji, elementów, a co za tym idzie na ciężarze i samym materiale.
Opracowano na podstawie:
J.Jasiczak, P.Mikołajczak – „Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami”
Przegląd tendencji krajowych i zagranicznych
Politechnika Poznańska 2003 r.
raku2592