bet o podwyzszonych wlasciwosciach.pdf

7. Możliwości zastosowań w praktyce betonów o podwyższonych właściwościach

7. Í Ï Î

Możliwości zastosowań w praktyce betonów o podwyższonych

właściwościach

7.1 Wprowadzenie do zagadnienia

i kablobetonowymi,

które dla lepszego wykorzystania cech wytrzymałościowych stali sprężającej oraz zmniejszenia strat

sprężenia muszą być wykonywane z betonów o wytrzymałości średniej ponad 40 MPa. Ta właśnie wy-

trzymałość była przez lata granicą między betonami konstrukcyjnymi zwykłymi i wysokowytrzymałymi.

Zastosowanie betonów wysokowartościowych do dużo bardziej rozpowszechnionych konstrukcji żelbe-

towych było aż do lat 60

tych naszego stulecia raczej sporadyczne. Przyczyn takiego stanu rzeczy należy

się dopatrywać w dobrej współpracy betonów zwykłych ze stalą miękką przy różnych stanach wytężenia

konstrukcji. Znaczący był fakt, iż w większości przypadków wytrzymałość betonu była wystarczająca do

przeniesienia działających obciążeń.

Dla silnie obciążonych budynków przyjmowano, że optymalnym rozwiązaniem, jest stosowanie do

wysokości ok. 20

tej kondygnacji szkieletu żelbetowego, a powyżej stalowego. Z biegiem czasu dostrze-

żono, że rozwiązania te są jednak obarczone pewnymi mankamentami, do których należy zaliczyć nastę-

pujące czynniki:

•

małą trwałość konstrukcji z betonów zwykłych w warunkach coraz bardziej skażonego środowi-

ska,

małą odporność ogniową konstrukcji stalowych oraz dużych kosztów ich zabezpieczeń,

relatywnie wysokie ceny konstrukcji stalowych w stosunku do konstrukcji żelbetowych [14].

Czynniki te oraz wysoki stopień rozwoju gospodarczego warunkujący rozwój nowych technologii w

budownictwie w najbardziej uprzemysłowionych krajach świata wpłynęły na zmianę trendów w budow-

nictwie, w dziedzinie technologii betonowych stosowanych np. w budowlach wysokich. W liczących się

metropoliach świata wysokie ceny gruntów spowodowały dążność do wznoszenia coraz wyższych bu-

dowli. W innej dziedzinie eksploatacja złóż ropy naftowej z dna mórz spowodowała rozwój potężnych

konstrukcji platform wydobywczych typu „off

tych

pojawia się nowa generacja betonów wysokowartościowych z dodatkiem pyłów krzemionkowych oraz

superplastyfikatorów. W ten sposób możliwe okazało się uzyskanie tworzywa o znacznie zwiększonej

wytrzymałości, małej nasiąkliwości i wodoprzepuszczalności oraz dużej mrozoodporności, co w efekcie

składa się na znacznie większą trwałość tego materiału [14].

W dynamicznym rozwoju w tej dziedzinie przeszkadza brak podstaw normatywnych i zaleceń do ob-

liczania konstrukcji z BWW. Dla przykładu wystarczy stwierdzić, iż na polskim gruncie ekstrapolacja

dotychczasowych przepisów zawartych w normach PN

84/B

03264 i PN

88/B

06250, których tablice

50, jest co najmniej ryzykowna. Zwłaszcza w sytuacji, gdy dane dla B40 i B50

budzą już pewne wątpliwości. Niewiele więcej prezentują Eurocode 2 (C 50/60) i projekt PN

ENV 1992.

1989, gdyż dotyczy be-

tonów wysokowartościowych do B120 (czyli C105) [2]. Ilustracją tych słów niech będzie realizacja bu-

dynku biurowca bankowego we Frankfurcie nad Menem (z betonu B85), albowiem konieczne tu było

specjalne zezwolenie władz nadzoru budowlanego wskutek wykraczania poza obowiązujące normy. Mia-

ło to miejsce w 1992 roku [3]. Trzeba także obiektywnie stwierdzić, że dotychczasowe coraz bardziej

powszechne zastosowania fibrobetonu na świecie są także oparte w znacznie większym stopniu na wyni-

kach poprzedzających je badań eksperymentalnych i na doświadczeniu inżynierskim, niż na analizach

teoretycznych. Wynika to głównie ze złożonej struktury tego kompozytu i jego cech, odmiennych od

konwencjonalnego betonu [60].

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

W budownictwie betonowym stosowanie betonów o wysokiej wytrzymałości ma już półwieczną tra-

dycję. Początki związane są przede wszystkim z konstrukcjami sprężanymi struno

shore”, co miało znaczący wpływ na poszukiwanie no-

wych generacji betonów wysokowartościowych. Do początku lat 80-tych wysoką wytrzymałość betonu

uzyskiwano głównie przez staranny dobór tradycyjnych składników betonu (cement, kruszywo, dodatki

i domieszki) oraz stosowanie odpowiednich technik zagęszczania mieszanki. Z początkiem lat 80

kończą się na klasie B

Najlepszym źródłem są dziś normy skandynawskie, głównie norweska NS 3473

7. Możliwości zastosowań w praktyce betonów o podwyższonych właściwościach

Zastanówmy się chwilę nad celowością stosowania betonów wysokowartościowych z punktu widzenia

ekonomicznego. Betony te są niewątpliwie droższe od tradycyjnych, ale różnice kosztów nie przekraczają

kilkudziesięciu procent. Niemniej wykonane z nich konstrukcje mogą okazać się tańsze od takich samych

z materiałów o gorszych właściwościach [8]. Jest to podyktowane znacznymi oszczędnościami w ogólnej

kubaturze budowli ze względu na możliwość zmniejszenia przekroju elementów, ponadto stosując beton

o dużej wytrzymałości do silnie obciążonych elementów ściskanych możemy zaoszczędzić istotne ilości

zbrojenia. Niebagatelne znaczenie ma także w dłuższej perspektywie czasu podniesienie trwałości wyko-

nywanych elementów i konstrukcji w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami z betonów konwen-

cjonalnych [25,60].

Koszt materiału stanowi tutaj typowe z punktu widzenia optymalizacyjnego kryterium konfliktowe.

Albowiem podwyższenie wytrzymałości materiału, jego trwałości i urabialności podnosi cenę samego

materiału, jednakże może pogorszyć inne właściwości mechaniczne i użytkowe. Dla przykładu zwiększe-

nie wytrzymałości na ściskanie może łączyć się ze zwiększeniem kruchości materiału i zmniejszeniem

krytycznych wartości mechaniki pękania, lepsza urabialność może wiązać się z pogorszeniem trwałości

betonu, itd [8].

W dobie dominacji parametrów ekonomicznych stosowanie poszczególnych dodatków w zakresie

modyfikacji właściwości betonu, podporządkowane powinno być efektywności ekonomicznej. Wstępnie

ocenić ją można na podstawie empirycznie ustalonej nierówności uwzględniającej możliwość uzyskania

tej samej wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach dla betonów o tej samej konsystencji i urabialności,

bez wzrostu kosztów 1 m 3 . Naturalnie dotyczy to betonów z tych samych składników głównych (cement,

kruszywo):

035

135

)

gdzie:

•

x m

dodatek mikrokrzemionki w stosunku do masy cementu,

do betonu (porównawczego) w stosunku do masy cementu,

wielkość dotychczas stosowanego dodatku lub domieszki

x d2

wielkość obowiązkowo stosowanego superupłynniacza

w betonach z mikrokrzemionką w stosunku do masy cementu,

k c,d1,d2,m

koszt pozyskania 1 kg (cena, transport, praca i koszty

dodatkowych urządzeń przechowujących i dozujących),

odpowiednio: cementu, dodatków lub domieszek,

mikrokrzemionki.

W przypadku niespełnienia warunku nierówności należy wykonać doświadczalny test porównawczy

pod kątem zespołu badanych właściwości uznanych za decydujące w warunkach pracy konstrukcji [54].

Wracając do głównego nurtu omawianych tutaj zagadnień zwróćmy uwagę na kierunki zastosowań

BWW u liderów w tej dziedzinie w kontekście sytuacji jaka panuje w tym zakresie w rodzimym

budownictwie. Największy rozwój badań i zastosowań praktycznych BWW i BBWW notuje się w

Norwegii, USA, Japonii, Kanadzie, Francji, Szwecji. Jak już wspomniano najlepiej rozwiniętymi

podstawami normatywnymi legitymuje się Norwegia i tam też imponujące są osiągnięcia

w zastosowaniach BWW. Największe obiekty: konstrukcje platform wiertniczych, sięgające już obecnie

345 m poniżej poziomu morza (platforma Heidrun), a projektowane już do głębokości 450 m, wykonuje

się z betonów C80, a coraz częściej z LC70 (z lekkim kruszywem LECA ze spiekanych glin).

Podobnie godne uwagi są osiągnięcia norweskie w zakresie mostownictwa, np. przęsło mostu podwie-

szonego „Skarnsundet” legitymuje się rozpiętością 530 m [3,14]. W tej dziedzinie intensywny postęp na-

stąpił we Francji, gdzie w ostatnich latach wybudowano kilka dużych konstrukcji mostowych z betonów

> B60, w tym także obiekty o niekonwencjonalnym rozwiązaniu, np. wiadukt „Sylaus” (1268 m długo-

ści). To właśnie francuski most „Normandie” szczyci się najdłuższą rozpiętością przęsła środkowego

(856 m) [60]. Ale już np. w przypadku nawierzchni drogowych z betonu prymat znów przypada Norwe-

gom, gdzie beton C120 jest już stosunkowo powszechny. Jedynie w dziedzinie wysokiego budownictwa

miejskiego, wobec zamiłowania Norwegów do obiektów niskich, oddali inicjatywę w tym polu USA i

Japonii, a w Europie Niemcom [8]. Nieco więcej informacji na temat zastosowania BWW w budynkach

wysokich zostanie przedstawionych w ostatnim punkcie tego rozdziału.

Przechodząc na krajowy grunt w zakresie realizacji konstrukcji z BWW należy stwierdzić, że w tej

dziedzinie nasze opóźnienie techniczne w stosunku do najbardziej rozwiniętych krajów świata wynosi

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

x d1

7. Możliwości zastosowań w praktyce betonów o podwyższonych właściwościach

średnio ok. 10 lat. Nie mniej jednak nie musimy „przecierać” dróg prowadzących do wdrożeń mając do

dyspozycji doświadczenia liderów w tej dziedzinie. Nie bez znaczenia jest także ożywienie badań doty-

czących betonów wysokowartościowych przeprowadzanych w czołowych ośrodkach akademickich w

kraju. W praktyce budowlanej rozwój technologii BWW prócz możliwości technicznych ograniczają ba-

riery wynikające z zakorzenionych przyzwyczajeń i zahamowań mentalnych dotyczących nowych i śmia-

łych rozwiązań. Nie zmienia to faktu, że proces rozwoju w tej dziedzinie jest nieuchronny [14].

7.2 Zastosowanie betonów zbrojonych włóknami stalowymi lub syntetycznymi

U podstaw uzasadniających użycie fibrobetonu na bazie włókien stalowych leży uzyskanie znacznie

lepszej trwałości i cech użytkowych oraz znacznie mniejsza kłopotliwość robót (np. eliminacja dwuwar-

stwowego narzucania betonu w przypadku stosowania konwencjonalnych siatek). Istotne znaczenie ma

także zmniejszenie zużycia materiałów tradycyjnych, z nawiązką rekompensujące wyższą cenę jednost-

kową tego kompozytu w porównaniu do konwencjonalnego betonu [60].

Z racji powyższych wyraźnie korzystnych cech, a zwłaszcza cech mechanicznych betony zbrojone

włóknami stalowymi znalazły szerokie zastosowanie w budownictwie komunikacyjnym, przemysłowym i

lądowym. Mam tutaj na myśli następujące dziedziny zastosowań:

nawierzchnie na odcinkach specjalnych dróg i autostrad, parkingach, przejściach granicznych,

miejscach pobierania myta na autostradach, na przystankach autobusowych,

nawierzchnie na mostach,

obudowa tuneli drogowych, kolejowych, górniczych,

betonowe szlaki kolejowe,

najbardziej obciążone: odcinki dróg startowych, drogi kołowania,

miejsca postojowe, i place prób, gdzie potrzebna jest odporność na wysoką temperaturę gazów

odlotowych,

drogi dla sprzętu ciężkiego i czołgów,

nawierzchnie terminali i nadbrzeży kontenerowych,

konstrukcje narażone na nagłe zmiany temperatur np. ogniotrwałe wymurówki pieców (włókna

ze stali nierdzewnych),

stabilizacja zboczy,

budowle wodne narażone na obciążenia dynamiczne np. jazy, bystrza, niecki wypadowe, falo-

chrony, przelewy, mola,

prefabrykaty betonowe: rury, kręgi, płyty, elementy przepustów, obudowa segmentowa tuneli

tarczowych,

obiekty specjalne: schrony, magazyny materiałów wybuchowych, skarbce, fortyfikacje, funda-

menty maszyn,

nawierzchnie związane ze starymi nawierzchniami [24,49,50].

W ostatnim okresie czasu można stwierdzić wyraźny wzrost zastosowań fibrobetonu z włóknami z

tworzyw sztucznych oraz szkła alkalioodpornego, a także z włókien węglowych. Zapobiegając powsta-

waniu rys skurczowych znajdują zastosowanie jako dodatek do torkretowania na mokro, do betonów na-

rażonych na uderzenia, dodatek do wylewek stropowych i przy wylewaniu ścian monolitycznych i posa-

dzek przemysłowych oraz jako zamiennik spawanych siatek stalowych w posadzkach. Producenci tego

rodzaju włókien podają analogiczne dziedziny zastosowań, jak w przypadku włókien stalowych [51,60].

Fibrobetony na bazie włókien węglowych zastosowano na przykład w kilku obiektach budowlanych w

Japonii, usytuowanych na terenach sejsmicznych. Fakt, że obecność włókien nadaje ciągliwość kruchemu

betonowi wykorzystano w połączeniach słupów mostowych z przęsłami i fundamentami, aby uzyskać

konieczną w tych warunkach podatność tych połączeń.

Sposoby układania i pielęgnacji fibrobetonu nie odbiegają w zasadzie od tych, które stosujemy dla

betonów tradycyjnych, włączając w to pompowanie i torkretowanie. Wymaga to naturalnie starannego

doboru proporcji mieszanki, odpowiednich włókien oraz dodatków i domieszek. Zazwyczaj konkretne

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

nawierzchnie lotniskowe

7. Możliwości zastosowań w praktyce betonów o podwyższonych właściwościach

zastosowanie jest poprzedzone próbami i badaniami, aby uzyskać założone efekty przy minimalnych

kosztach materiałowych [60].

Na szczególną uwagę zasługuje szerokie zastosowanie fibrobetonu w postaci torkretu. Tak więc np.

Skandynawowie ponad 70% robót torkretowych wykonują z zastosowaniem włókien. Wynik ten jest po-

dyktowany zaletami betonów tak modyfikowanych, o których już wspomniano (eliminacja siatek,

zmniejszenie strat materiału, niższa pracochłonność). Najczęściej jest stosowana metoda „na mokro”. W

Japonii, z uwagi na szczególnie częste zastosowanie fibrobetonów do torkretowania (głównie do budowy

tuneli), opracowano w latach 80

tych zastoso-

wano ten modyfikowany beton do obudowy wyrobisk górniczych, czy też do budowy i naprawy funda-

mentów pod młoty udarowe. Nie były to jednak działania na szeroką skalę, lecz raczej incydentalne.

Rys. 7.1 Główne kierunki zastosowań fibrobetonu z Japonii [60]

spadkową w moście kolejowym oraz do bu-

dowy płyty podtorowej w warszawskim metrze. Zastosowano tutaj włókna polipropylenowe, aby położyć

ponad 500 m podtorzy, nie narażonych na pęknięcia i rysy skurczowe betonu [23]. Główną dziedziną za-

stosowań w Polsce betonów zbrojonych włóknami są posadzki przemysłowe. Jednak zainteresowanie

fibrobetonem jest u nas w sensie aplikacyjnym dość ograniczone, co pozostaje w wyraźnej sprzeczności z

tendencjami światowymi.

Obserwacja tendencji rozwojowych pozwala przypuszczać, że skala zastosowań różnych odmian fi-

brobetonu będzie w najbliższych latach wzrastać. Pewne sygnały wzrostu zainteresowania tym kompozy-

tem można zauważyć i w Polsce. Dobrze pojęta analiza ekonomiczna wskazuje, że jest to materiał przy-

noszący wymierne oszczędności konstrukcyjne i eksploatacyjne. Teza ta znajduje swe potwierdzenie w

zastosowaniach w krajach uprzemysłowionych, o ugruntowanej gospodarce rynkowej.

7.3 Zastosowanie betonów modyfikowanych mikrokrzemionką i superplastyfika-

torami

7.3.1 Dziedziny podstawowych zastosowań

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

tych metodę łączącą zalety metod „suchej” i „mokrej” [60].

Przejdźmy do zastosowań fibrobetonu na gruncie krajowym. Od drugiej połowy lat 60

Ostatnio fibrobeton zastosowano jako warstwę ochronno

betonów wysokowartościowych

7. Możliwości zastosowań w praktyce betonów o podwyższonych właściwościach

Przedstawione tutaj zostaną propozycje systematyki zasadniczych kierunków zastosowań betonów

modyfikowanych dodatkiem mikrokrzemionki i domieszką superplastyfikatora, zilustrowanych potwier-

dzającymi je przykładami.

Beton narażony na ścieranie erozyjne . Pierwsze większe zastosowanie mikrokrzemionki i upłynnia-

czy do betonu w celu podniesienia odporności na ścieranie erozyjne miało miejsce w USA przy naprawie

tamy Kinzua (zachodnia Pensylwania), gdzie o użyciu tego materiału zadecydowały wnikliwe badania

laboratoryjne. Wytrzymałość 28 dniowa tego betonu wynosiła ok. 86 MPa przy udziale 18% pyłów

krzemionkowych. Inspekcja wykonana po 7 latach tj. w roku 1990 wykazała bardzo nieznaczne zmiany

elementów naprawionych, zdecydowanie mniejsze niż w przypadku betonów konwencjonalnych. Beton

z mikrokrzemionką zastosowano także do naprawy dolnego sklepienia rzeki Los Angeles

72 MPa. Inne przykłady to naprawa tuneli Lowell Creek na Alasce (beton B70), naprawa

jazów spływowych w stanie Idaho i Nowy Meksyk, czy wzmocnienie linii brzegowej jeziora Eire [73,75].

Beton odporny na ścieranie . Ze względu na dużą odporność na ścieranie beton modyfikowany głów-

nie mikrokrzemionką znalazł zastosowanie na podłogi przemysłowe. Z kolei beton o bardzo wysokiej

wytrzymałości 28 dniowej rzędu 138 MPa wykorzystuje się do budowy silnie obciążonych i narażonych

na intensywne ścieranie pasów startowych np. w bazach sił powietrznych. Kolejnym zastosowaniem tak

modyfikowanych betonów jest warstwa zewnętrzna nawierzchni mostowych (alternatywa dla modyfikacji

lateksem) dzięki zwiększonej odporności na przenikanie chlorków do stali zbrojeniowej, zwiększonej

odporności na ścieranie oraz zwiększenie wczesnych i późnych wytrzymałości. W samych Stanach Zjed-

noczonych na przestrzeni kilkunastu ostatnich lat odnotowano ponad 100 realizacji w tym zakresie.

Oprócz nawierzchni mostowych pył krzemionkowy i upłynniacze stosuje się także do elementów kon-

strukcyjnych mostów. Wreszcie bardzo istotną dziedziną zastosowania są tutaj nawierzchnie drogowe w

miejscach szczególnie narażonych na ścieranie. Norweskie badania eksperymentalne wykazały, że takie

nawierzchnie z betonu wysokowartościowego charakteryzują się w praktyce 2

3 razy większą odporno-

10%) niż tradycyjne nawierzchnie z betonu asfalto-

wego. Stopień ścieralności w funkcji wytrzymałości betonu ilustruje wykres 7.2.

Odporność na ścieranie zadecydowała także o zastosowaniu betonów wysokowartościowych do pro-

dukcji podkładów kolejowych podlegających ścieraniu piaskiem niesionym przez wodę, czy wiatr

[68,73,75].

Rys. 7.2 Wpływ kostkowej wytrzymałości na ścieralność betonu i na ściskanie [68]

krzemionka w betonie. W porównaniu z in-

nymi materiałami wykorzystywanymi w tym celu (popioły lotne, naturalne pucolany) mikrokrzemionka

jest najefektywniejsza. Efekty na polu walki z korozją alkaliczną są bardzo widoczne, choćby w Islandii,

gdzie od 1979r. nie odnotowano podyktowanej nią destrukcji betonu [75].

Beton o zredukowanym cieple hydratacji . Betony wysokich wytrzymałości charakteryzują się wy-

sokim poziomem dozowania cementu, co wskutek wydzielanego ciepła hydratacji cementu powoduje

samoocieplenie betonu. Powoduje ono spadek jego wytrzymałości o 10

15% w stosunku do betonu tęże-

C. Z tej racji pyły krzemionkowe są stosowane jako

zmiennik części cementu w celu zmniejszenia ilości ciepła wydzielanego podczas hydratacji. Aspekt ten

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami

Alma Mater

uszkodzone-

go erozyjnie. Stosowano tutaj zróżnicowaną ilość pyłów krzemionkowych uzyskując wytrzymałość

na ściskanie 55

ścią na ścieranie (przy udziale mikrokrzemionki 7.5

Beton z kruszywami reaktywnymi . Pyły krzemionkowe są z powodzeniem stosowane do zapo-

biegania szkodliwej ekspansji wynikającej z reakcji alkalia

jącego przez 28 dni w temperaturze normalnej 20

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: