Beton Wysokowartościowy.pdf
(
4282 KB
)
Pobierz
4. BETONY WYSOKOWARTO
Ś
CIOWE
4.1. Poj
ę
cie betonów wysokowarto
ś
ciowych oraz ich ogólna charakterystyka
High Performance Concrete (HPC) przyjęto nazywać betony, które oprócz
wysokiej wytrzymałości na ściskanie (klasy powyŜej C50/60 według normy PN-EN
206-1 [1]) posiadają takŜe i inne cechy techniczne na podwyŜszonym poziomie.
Cechy te, to głównie trwałość w warunkach oddziaływania czynników
środowiskowych, niska przepuszczalność dla środowiskowych mediów ciekłych i
gazowych, wysoka odporność na ścieranie oraz mrozoodporność.
W związku z szybkim postępem w technologii tej grupy betonów cementowych
- związanym z postępem w technologii cementu, domieszek i dodatków mineralnych
- od pewnego czasu pojawiły się dodatkowo pojęcia Very High Performance
Concrete (VHPC) oraz Ultra High Performance Concrete (UHPC). Według kryterium
wytrzymałości, pierwsze z nich to betony o średniej wytrzymałości na ściskanie od
około 100 do około 150 MPa, zaś drugie powyŜej 150 MPa. JeŜeli do grupy
omawianych betonów zaliczyć takŜe Reactive Powder Concrete (RPC), wartość
realnej, moŜliwej do uzyskania maksymalnej wytrzymałości na ściskanie (na razie w
warunkach laboratoryjnych) moŜnaby szacować na około 350 MPa [2, 3].
Na podkreślenie zasługuje, iŜ omawiana grupa nowoczesnych kompozytów
betonowych, jakimi są HPC, wywodzi się wprost z tradycyjnego betonu zwykłego.
Stanowi ona bowiem jeden z efektów konsekwentnej i od dziesiątków lat
prowadzonej modyfikacji tradycyjnego betonu cementowego. Celem tej modyfikacji
było redukowanie przyrodzonych mankamentów tego materiału. HPC stanowią jeden
z przykładów, jak stopniowo eliminując niedostatki materiału tradycyjnego, uzyskać
moŜna tworzywo o nowych i w zdecydowanej większości korzystniejszych
właściwościach.
4.2. HPC jako kompozyt dwuskładnikowy z wypełniaczem ziarnistym
Aby zrozumieć istotę materiału jakim jest stwardniały beton cementowy, w tym
takŜe HPC, oraz określić główne czynniki, które pozwalają na kształtowanie jego
rozlicznych właściwości, najlepiej posłuŜyć się najprostszym modelem betonu, jakim
jest model dwuskładnikowego kompozytu z wypełniaczem ziarnistym. W modelu tym
(rys.1) jednym ze składników są ziarna kruszywa, drugim zaś łączący je i
monolityzujący
całość
stwardniały
zaczyn
cementowy
o
ukształtowanej
juŜ
strukturze.
Rys.1. Prosty model stwardniałego betonu jako kompozytu dwuskładnikowego [4]
(opis w tekście)
Przedstawiony model stanowi daleko idące uproszczenie rzeczywistości,
bowiem ani materiał ziaren kruszywa, ani stwardniały zaczyn nie są w istocie
składnikami jednorodnymi. TakŜe i one mogłyby więc być przedstawione jako
materiały wieloskładnikowe. Mimo tego uproszczenia model ten jest jednak w
zupełności wystarczający dla przeprowadzenia dalszego rozumowania.
ZałóŜmy, Ŝe w jednostce objętości materiału, względny udział objętości
poszczególnych składników wynosi odpowiednio: zaczynu (
V
Z
) i kruszywa (
V
G
).
PoniewaŜ materiał, jak załoŜono, składa się tylko z dwóch składników, suma ich
objętości musi równać się jedności (
V
Z
+V
G
=1
). KaŜdy z tych składników
charakteryzuje się swoimi właściwościami (
W
Z
) i (
W
G
) np. wytrzymałością na
ściskanie, porowatością itp. Znając udział objętościowy składników i ich właściwości
moŜna próbować oszacować właściwość skomponowanego z nich materiału
(betonu) (
W
B
), która wynosi:
W
B
=V
Z
W
Z
+V
G
W
G
Równanie powyŜsze w najprostszy sposób ujmuje wpływ zawartości i
właściwości poszczególnych komponentów na właściwość wykonanego z nich
materiału złoŜonego. Z równania jasno wynika, Ŝe im więcej jest danego składnika
oraz im posiada on korzystniejsze właściwości, tym intensywniej i korzystniej jego
obecność wpływa na właściwości kompozytu. Niestety, równanie to nie uwzględnia
niezwykle istotnego w przypadku betonu i innych tworzyw betonopodobnych
czynnika, jakim są więzy między zaczynem cementowym i ziarnami kruszywa, w
technologii betonu zwane ogólnie przyczepnością.
Przedstawiony prosty model prowadzi jednak do istotnych wniosków
dotyczących zasad komponowania składu betonu z punktu widzenia uzyskania
moŜliwie najkorzystniejszych jego właściwości. Skoncentrujmy się tutaj na dwóch
jego cechach: wytrzymałości i porowatości (przepuszczalności).
Jak wiadomo, w przypadku betonu zwykłego materiał kruszywa posiada
zazwyczaj właściwości korzystniejsze od właściwości stwardniałego zaczynu.
Wytrzymałość materiału kruszywa (
f
G
) jest duŜo większa od wytrzymałości
stwardniałego zaczynu (
f
Z
), zaś porowatość (przepuszczalność) duŜo większa. Z
przedstawionego równania wynika wprost wniosek, iŜ aby uzyskać moŜliwie wysoką
wytrzymałość, naleŜy z jednej strony ograniczać w betonie zawartość zaczynu na
korzyść zawartości kruszywa, z drugiej zaś stosować dostępne zabiegi mające na
celu przybliŜenie jego wytrzymałość do wytrzymałości materiału kruszywa.
Gdyby chodziło o uzyskanie betonu o moŜliwie najniŜszej przepuszczalności,
to wiedząc, Ŝe składnikiem o największej porowatości (i to porowatości otwartej) jest
zaczyn, zaś drugą w kolejności drogę dla migrującego medium stanowi strefa styku
„zaczyn-kruszywo”, rozumowanie powyŜsze wskazywałoby na celowość
ograniczenia zawartości zaczynu i redukowanie jego porowatości (przepuszcza-
lności). Z tego samego powodu redukowana powinna być takŜe wielkość powierzchni
strefy stykowej oraz odpowiednio kształtowana jej jakość.
Oczywiście sprawa nie jest tak prosta i jednoznaczna jak to podano wyŜej,
bowiem oprócz wytrzymałości czy przepuszczalności istnieją jeszcze inne względy
decydujące o niezbędnej zawartości zaczynu w betonie, np. urabialność mieszanki
betonowej:
-
odpowiednie kształtowanie właściwości oraz odpowiedni dobór ilościowy
zaczynu cementowego,
-
odpowiednie kształtowanie właściwości oraz odpowiedni dobór ilościowy
kruszywa,
odpowiednie kształtowanie jakości więzów (przyczepności) i wielkości
powierzchni, na której one występują.
-
Projektowanie składu kaŜdego betonu, w tym takŜe HPC, opiera się w
ogólności właśnie na odpowiednim kształtowaniu właściwości i doborze ilościowym
tych trzech elementów.
NaleŜy tu podkreślić, Ŝe obydwa najwaŜniejsze wymagania stawiane HPC
(wysoka wytrzymałość na ściskanie i wysoka trwałość) są zbieŜne, bowiem czynniki,
dzięki którym moŜliwe jest uzyskanie wysokich wytrzymałości sprzyjają równocześnie
wysokiej trwałości i vice versa.
Reasumując, aby uzyskać beton o moŜliwie najwyŜszej wytrzymałości i
najniŜszej przepuszczalności, koniecznymi są więc:
-
maksymalizacja wytrzymałości (a więc i szczelności) stwardniałego zaczynu,
związana głównie z minimalizacją wskaźnika wodno-spoiwowego oraz
stosowaniem odpowiednich dodatków mineralnych,
-
maksymalizacja wytrzymałości i szczelności materiału kruszywa, związana z
doborem materiału kruszywa i jego uziarnieniem,
-
maksymalizacja mocy więzów jakie łączą obydwa te komponenty oraz
szczelności strefy stykowej, co związane jest z obydwoma wymienionymi
wyŜej czynnikami.
Nie wolno tu zapominać o istotnej roli innych czynników technologicznych, jak
efektywność zagęszczania mieszanki betonowej, warunki pielęgnacji itp.
4.3. Czynniki umo
Ŝ
liwiaj
ą
ce uzyskanie betonów wysokowarto
ś
ciowych
PoniewaŜ HPC, podobnie jak betony zwykłe, traktować i analizować moŜna
jako kompozyty dwuskładnikowe składające się z matrycy w postaci stwardniałego
zaczynu cementowego i wypełniacza w postaci ziaren kruszywa mineralnego, ich
wytrzymałość i trwałość zaleŜeć będą od następujących czynników:
-
wytrzymałość stwardniałego zaczynu cementowego,
-
wytrzymałość materiału kruszywa,
-
moc więzów (przyczepność) między zaczynem i kruszywem,
-
porowatość (zwłaszcza otwarta) stwardniałego zaczynu cementowego,
porowatość strefy stykowej między zaczynem i kruszywem.
Aby uzyskać beton wysokowartościowy konieczna jest więc:
-
-
maksymalizacja wytrzymałości stwardniałego zaczynu i materiału kruszywa
oraz mocy więzów między nimi,
minimalizacja porowatości stwardniałego zaczynu, materiału kruszywa oraz
strefy stykowej.
Osiągnięcie tych celów stało się moŜliwe przede wszystkim dzięki:
-
-
stosowaniu cementów o wysokiej rzeczywistej wytrzymałości, co w sposób
oczywisty wpływa na wytrzymałość stwardniałego zaczynu,
-
stosowaniu kruszyw wysokiej jakości, to znaczy z materiałów skalnych o duŜej
wytrzymałości, o ziarnach umoŜliwiających uzyskanie dobrej przyczepności
zaczynu oraz o starannie dobranym uziarnieniu, zapewniającym minimum
jamistości,
-
stosowaniu wysokoefektywnych domieszek upłynniających
(superplastyfikatorów), które z jednej strony umoŜliwiają uzyskanie nawet
ciekłej konsystencji mieszanki przy bardzo niskim (około 0,30) wskaźniku w/c,
z drugiej zaś, powodują dezagregację ziaren cementu pozwalając na lepsze
jego wykorzystanie,
-
stosowaniu aktywnego dodatku mineralnego w postaci pyłu krzemionkowego,
korzystnie modyfikującego stwardniały zaczyn oraz strefę stykową między
ziarnami kruszywa i tymŜe zaczynem.
PoniewaŜ część tych zagadnień naleŜy do klasycznej technologii betonu
zwykłego, w dalszym ciągu przedstawiono bardziej szczegółowo tylko rola dodatku
pucolanowego w postaci pyłu krzemionkowego (w tym sposób w jaki modyfikuje on
stwardniały zaczyn oraz strefę stykową między zaczynem i kruszywem) oraz
domieszki superplastyfikatora.
Z chemicznego punktu widzenia pył krzemionkowy jest niemal czystą,
bezpostaciową krzemionką SiO
2
. Powstaje on jako odpad w przemyśle
metalurgicznym podczas produkcji stopów krzemowych. W procesie ich wytapiania
część SiO
2
w stanie gazowym ulega kondensacji i po schłodzeniu otrzymuje się
bardzo wysoko rozdrobniony pył. Ziarna pyłu posiadają kształt kulek o średniej
średnicy około 0,2
m.
O stopniu rozdrobnienia tego materiału świadczy porównanie, z którego wynika, Ŝe
średnie ziarno pyłu krzemionkowego jest blisko 100 razy mniejsze od średniego
ziarna przeciętnego cementu (rys.2 i 3). Konsekwencją tego jest ogromna
powierzchnia właściwa pyłu wynosząca od około 150000 do 200000 cm
2
/g, czyli od
60 do ponad 80 razy więcej niŜ przeciętnego cementu (około 2500 cm
2
/g). Gęstość
pyłu wynosi około 2,2 kg/dm
3
. Głównie dzięki bardzo wysokiemu stopniowi
rozdrobnienia pył krzemionkowy moŜe oddziaływać na właściwości stwardniałego
zaczynu zarówno na drodze oddziaływań fizycznych jak i chemicznych.
m
m, przy czym około 90% ziaren to ziarna mniejsze od 1
m
1000x
15000x
Rys.2 Ziarna pyłu krzemionkowego (SEM)
Podana wyŜej geometryczna charakterystyka pyłu umoŜliwia jego fizyczne
oddziaływanie na zaczyn cementowy, polegające na wypełnianiu jam między
ziarnami cementu. Obecność drobnych ziaren pyłu krzemionkowego w stosie ziaren
cementu i pyłu powoduje większą szczelność zaczynu i większą jego wytrzymałość.
NaleŜy tu dodać, Ŝe równoczesne stosowanie pyłu o tak duŜej powierzchni właściwej
i niskiego w/c (małej ilości wody zarobowej), nie byłoby moŜliwe bez stosowania
domieszki superplastyfikatora. Na rys.4 pokazano w jaki sposób na zwartość
struktury zaczynu wpływa równoczesne stosowanie pyłu krzemionkowego i
superplastyfikatora.
Rys.3. Porównanie krzywych uziarnienia i powierzchni właściwej pyłu
krzemionkowego i cementu CEM I 52,5 [4]
Rys.4. Schemat struktury zaczynu cementowego [5]
a – zwykły zaczyn, zagregowane ziarna cementu, b – zaczyn z superplastyfikatorem,
rozbite agregaty ziaren cementu i szczelniejsze ich ułoŜenie, c – zaczyn z
superplastyfikatorem i pyłem krzemionkowym, jamy między ziarnami cementu
wypełnione ziarnami pyłu
Oprócz opisanego oddziaływania o charakterze fizycznym, pył krzemionkowy
działa na zaczyn cementowy takŜe i na drodze chemicznej. Działanie to polega w
ogólności na wiązaniu przez krzemionkę SiO
2
wodorotlenku wapniowego Ca(OH)
2
, w
środowisku wodnym, w wyniku czego powstają uwodnione krzemiany wapniowe,
czyli tak zwana faza C-S-H. PoniewaŜ portlandyt Ca(OH)
2
jest znacznie słabszy od
uwodnionych krzemianów wapniowych, zaczyn w efekcie ulega wzmocnieniu.
Ponadto, w przeciwieństwie do portlandytu, faza C-S-H jest nierozpuszczalna w
wodzie.
Wskutek opisanych oddziaływań fizycznych i chemicznych zmianie ulega
porowata struktura stwardniałego zaczynu cementowego. Porowatość całkowita jest
niŜsza, głównie dzięki niskiej wartości wskaźnika w/c i opisanemu wyŜej fizycznemu
oddziaływaniu pyłu krzemionkowego. Ponadto, co bardzo istotne, bardzo powaŜnie
maleje zawartość porów otwartych i ich wielkość. Zdecydowana większość porów to
pory o bardzo małych rozmiarach.
Jednym z istniejących ograniczeń podwyŜszania wytrzymałości betonu
zwykłego jest najsłabsze ogniwo tego materiału, czyli przyczepność między
Plik z chomika:
m_i_c_h_a_l
Inne pliki z tego folderu:
4.jpg
(1614 KB)
3odp.jpg
(1742 KB)
Beton Wysokowartościowy.pdf
(4282 KB)
3.jpg
(1402 KB)
1odp.jpg
(1947 KB)
Inne foldery tego chomika:
BIMwMI
BIMwZarządzaniu
Inteligencja obliczeniowa
Interakcja konstrukcji z podłożem
Komputerowe Wspomaganie Projektowania
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin