03.pdf

3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech

Í Ï Î

Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech

3.1 Skład mieszanki i budowa wewnętrzna betonu zwykłego i modyfikowanego

Wprowadzając do betonu dwa czynniki nieobecne w składzie betonów zwykłych: pył krzemionkowy

oraz środek plastyfikujący, a zwłaszcza superplastyfikator można radykalnie poprawić właściwości beto-

nu, otrzymując w efekcie tzw. beton wysokowartościowy (BWW) [18]. Kolejnym czynnikiem

modyfikującym cechy betonu może być dodanie stalowych lub syntetycznych włókien jako

mikrouzbrojenia oraz polimerów w postaci dodatków lub impregnatów. Skład betonów wysokowartościo-

wych różni się od składu betonów zwykłych i innych (np. hydrotechnicznych) zwiększoną zawartością

składników drobnoziarnistych (cement, pył krzemionkowy, popioły lotne), niższym stosunkiem

wodno

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 cha-

rakterystyczna jest niska ilość wody zarobowej, albowiem W/C kształtuje się na poziomie 0.35

0.40 (a w

BBWW nawet 0.22

0.30).

Rys. 3.1 Porównanie składów betonu [31]

W odniesieniu do betonów zwykłych małe wartości współczynnika W/C dla betonów modyfikowa-

nych, wymagają zwiększonych zawartości cementu do 400 kg/m 3 i więcej. Optymalna jego ilość jest

związana z koniecznością utrzymania przy jednoczesnym użyciu superplastyfikatora, odpowiedniego dy-

stansu między ziarnami kruszywa grubszych frakcji. Wysoki udział cementu w składzie betonów wyso-

kowartościowych można nieco zredukować stosując poza mikrowypełnieniem, inne pucolanowe dodatki

takie jak np. popioły lotne [31]. Tak do betonów zwykłych, jak i wysokowartościowych stosuje się ce-

menty portlandzkie, z tym, że te drugie wymagają cementów wysokiej jakości, o powtarzalnym składzie.

W przeciwnym przypadku nie jest możliwe uzyskanie wymaganych wysokich parametrów betonu (wy-

trzyma-łościowych, dotyczących trwałości, itp.)[15]. Konieczne jest staranne dobranie składu i właściwo-

ści cementu. Dla betonów wysokowartościowych wskazana jest wysoka zawartość faz krzemianiastych

(zwłaszcza alitu) przy niewielkiej ilości glinianu trójwapniowego C 3 A. 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 [31].

Optimum miałkości cementu w tych betonach wydaje się oscylować wokół 4000 cm 2 /g według Blaine’a

[18].

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

Alma Mater

cementowym, mniejszą zawartością kruszywa grubego, a także ograniczeniem grubości ziaren, co

przy zastosowaniu związków upłynniających pozwala uzyskać wysoką urabialność mieszanki betonowej

[31].

3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech

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 [59].

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 szcze-

gólnego znaczenia. Tak jak w betonie tradycyjnym kształt ziarn powinien być zbliżony do bryły izome-

trycznej, sześciennej, bez udziału ziarn płaskich i wydłużonych. Jednocześnie bardzo istotne jest maksy-

malne rozwinięcie powierzchni właściwej ziarn w celu zwiększenia ich mechanicznej przyczepności do

zaczynu [52]. Mając to na uwadze korzystniejszym wydaje się zastosowanie kruszyw łamanych, wykazu-

jących lepszą przyczepność do zaczynu. Takie kruszywo zarówno grube jak i drobne sprzyja wyższej wy-

trzymałości betonu w stosunku do kruszyw otoczakowych. Z innego punktu widzenia kruszywo otocza-

kowe zapewnia lepszą urabialność i wymaga mniejszej ilości cementu, właśnie ze względu na mniejszą

powierzchnię właściwą [18,52]. Skład mineralogiczny kruszywa wpływa także na jego przyczepność do

zaczynu.

Rys. 3.2 Przyczepność między stwardniałym zaczynem cementu portlandzkiego

a różnymi kruszywami przy W/C = 0.35 [52]

Zwiększenie ilości cementu powyżej 560 kg/m 3 nie gwarantuje wyższej przyczepności zaczynu

do powszechnie stosowanych kruszyw mineralnych.

Omawiana tutaj przyczepność stanowi ograniczenie w osiąganiu odpowiednio wysokich wytrzymało-

ści betonu. O znaczeniu tego parametru kruszywa dla uzyskania BWW świadczą wyniki badań mówiące,

że dzięki zwiększonej przyczepności zaczynu do ziarn kruszywa ze zbitych ziarn węglanowych (R ska-

ły <120 MPa) uzyskano wyższe wytrzymałości na rozciąganie i ściskanie betonu przy niższym skurczu

i pełzaniu, niż w betonie na bazie kruszyw granitowych, żwirowych, czy nawet bazaltowych. Znamienne

jest to, że w niektórych przypadkach kruszywo wapienne pozwalało uzyskać lepsze rezultaty niż w beto-

nie z kruszywem bazaltowym w sytuacji, gdy R skały bazaltowej osiągało niemal 400 MPa [52].

Nie do przecenienia jest także rola uziarnienia w mieszankach betonowych tak zwykłych jak i mody-

fikowanych. Wskazany jest ciągły rozkład wielkości ziarn ze względu na poprawę urabialności mieszanki

i uzyskiwanie wczesnej wytrzymałości betonu. Dobrze jest stosować piasek i kruszywo grube tego same-

go rodzaju. Maksymalna wielkość ziarn nie powinna przekraczać 20

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

Alma Mater

W klasie betonów o bardzo wysokich parametrach wytrzymałościowych (BBWW) zawartości cemen-

tu są już bardzo wysokie, a wskaźnik W/C oscyluje wokół 0.22

25 mm, a według niektórych bada-

czy 10 mm [31]. Krzywa przesiewu kruszywa betonów wysokowartościowych przebiega zwykle poniżej

średniej w polu krzywych granicznych. Piasek powinien być gruboziarnisty (blisko 2 mm), pozbawiony

frakcji miałkich do 0.25 mm, ze względu na dostateczną ilość sumy cementu i pyłu krzemionkowego

[18,52]. To najdrobniejsze kruszywo dodaje się do stosu okruchowego bardziej pod kątem uzyskania niż-

3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech

szej wodożądności, niż wypełnienia przestrzeni międzyziarnowych. Eliminacja zawartości miki i gliny,

zwłaszcza z powierzchni ziarn [52] sprzyja osiąganiu lepszych parametrów betonu.

Czynnikiem najbardziej różnicującym budowę wewnętrzną betonu zwykłego od betonów modyfiko-

wanych 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. W tym miejscu sygnalizujemy jedynie tematykę z

nimi związaną, a charakterystyka wpływu tych dodatków i domieszek zostanie ukazana na kartach kolej-

nych rozdziałów.

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

Struktura betonu zwykłego i betonu modyfikowanego mikrokrzemionką oraz upłynniaczami (redukto-

rami 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 bar-

dzo 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 struk-

tury betonu zwykłego wyeliminowaną przez modyfikację mikrokrzemionką [59]. 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 prze-

puszczalności dla gazów i cieczy [30]. Jeśli nie stosujemy mikrokrzemionki zostają tutaj uformowane

kryształy Ca(OH) 2 . Swym równoległym usytuowaniem wobec powierzchni kruszywa, bądź zbrojenia

osłabiają strukturę [73]. Pyły krzemionkowe w ilości już 2

3% masy cementu wypełniając wolne prze-

strzenie w tej strefie, zagęszczają tam strukturę. W ten sposób kryształy portlantydu nie są tak regularnie

zorientowane wobec ziarn kruszywa. Zredukowaniu ulega bleeding (oddawanie wody) [75].

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.

3.2 Kształtowanie się właściwości betonu modyfikowanego,

wysokowartościowego w odróżnieniu od betonu zwykłego

Zacznijmy od pewnego rozgraniczenia pojęciowego. Mamy bowiem z jednej strony beton zwykły, a z

drugiej strony wysokowartościowy, o znacznie zmienionych parametrach. 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 godziny,

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 mate-

riału po stwardnieniu.

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

Alma Mater

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.

3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech

Rys. 3.3 Kryteria betonów wysokiej wytrzymałości [39]

Ponieważ betony wysokowartościowe są to materiały projektowane specjalnie w celu spełnienia okre-

ślonych potrzeb użytkowników, więc prócz wymienionych właściwości mogą też mieć np. zwiększoną

odporność na wpływy chemiczne, czy na wpływy mechaniczne (ścieralność, udarność itp.) lub inne

[15,31].

Mechaniczne właściwości BWW wynikają z ich składu i struktury. Betony te charakteryzuje zagęsz-

czona matryca o wysokiej wytrzymałości i jej wiązanie z powierzchnią kruszywa grubego. Duża jedno-

rodność 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 wytrzymało-

ści na ściskanie:

f kruszywa > f zaprawy > f betonu ,

dlatego też w tym przypadku zniszczenie przebiega przez najsłabszy element struktury betonu, który sta-

nowi 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 [31].

Rys. 3.4 Porównanie wykresów

betonów wykonanych z różnego kruszywa [31]

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

Alma Mater

3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech

Zaprezentowany wykres ukazuje wczesny udział kruszywa w przenoszeniu obciążeń. Natomiast od-

mienne zachowanie się nie uzbrojonych próbek betonu wysokowartościowego i zwykłego możemy zaob-

serwować poniżej:

Rys. 3.5 Typowe wykresy

betonu zwykłego i BWW [32]

Interesującą prawidłowością jest to, że im mniejsza jest różnica między odkształcalnością i wytrzyma-

łością matrycy oraz kruszywa, tym większa jest wytrzymałość betonu. Ilustrują to poniższe wykresy

porównawcze:

zaczynu cementowego, kruszywa i betonu:

a) beton zwykły; b) BWW [32]

Jak wiadomo tak zaczyn, jak i kruszywo są materiałami kruchymi. Beton złożony z tych składników

wykazuje nieliniową odkształcalność wynikającą ze zjawiska mikrorys. Różne moduły sprężystości ma-

trycy i kruszywa są przyczyną koncentracji naprężeń w warstwie kontaktowej i powstania siatki mikrorys

już pod niewielkimi obciążeniami. Właśnie dlatego na wykresach tych obserwujemy odkształcenia qu-

asi

80%. Konkludując należy stwierdzić, że be-

tony wysokowartościowe są bardziej kruche niż betony zwykłe [31]. Badania dowodzą, iż energia pęka-

nia (G f ) i krytyczna wartość współczynnika intensywności naprężeń (K IC ) zwiększają się wraz ze zwięk-

szeniem wytrzymałości na ściskanie, jednak w znacznie wolniejszym tempie (nawet dziesięciokrotnie).

50% wytrzymałości, a w BWW dochodzi do 70

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

Alma Mater

Rys. 3.6 Przykłady wykresów

plastyczne. Mniejszy dystans między sztywnością matrycy i kruszywa w BWW w porównaniu do

betonów zwykłych zwiększa jednorodność rozkładu naprężeń i redukuje ich koncentrację. Dlatego wła-

śnie tworzy się mniej mikrorys, co przejawia się bardziej gwałtownym pękaniem betonów wysokowarto-

ściowych. Albowiem w betonach zwykłych wartość średnich naprężeń, przy których powstają mikrorysy

wynosi 40

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: