referat beton wys.wytrz.doc

7. ŚWIATOWE TENDENCJE ROZWOJU TECHNOLOGII BETONU

Tendencje rozwojowe technologii betonu na świecie można przedstawić na podstawie

następujących głównych źródeł

* informacji o obiektach budowlanych i inżynierskich wzniesionych w ostatnich latach, będących w realizacji, a także przewidzianych do wykonania;

*  tematyki międzynarodowych konferencji sympozjów, seminariów;

* kierunków normalizacji w skali międzynarodowej, łącznie z systemami kontroli jakości

* piśmiennictwa naukowego i technicznego,  a także obserwacji trendów politycznych i gospodarczych, bardzo silnie wpływających na budownictwo.

Technologia betonu, stanowiąca obecnie sama w sobie rozległą wiedzę o wielu procesach i szczególnie ważny element budownictwa, nie może być jednak traktowana, co się niestety dość często jeszcze zdarza, w sposób wyizolowany; powinna służyć pewnym nadrzędnym celom realizacyjnym lub wymaganym cechom użytkowym budowli.

  Żądania dotyczące cech materiałowych betonu są zmienne w czasie; inne były w przeszłości, gdy beton uważano za materiał o dużej i praktycznie niezmiennej trwałości, inne są obecnie, gdy okazalo się, że wpływ najrozmaitszych czynników destrukcyjnych, związanych na przykład z pogorszeniem warunków środowiska naturalnego oraz zwiększeniem poziomu i intensywności

obciążeń, może powodować (i często powoduje) szybkie niszczenie betonu, co w szczególnym stopniu dotyczy choćby konstrukcji mostowych. Ta zmiana wymagań nie pozostaje oczywiście bez oddziaływania na kierunki rozwoju technologii betonu, co jest szczególnie widoczne w ostatnich

latach.

Nawiązując do tych uwag można sformułować dwa istotne stwierdzenia ogólne.

  Po pierwsze, w ostatnim okresie nastąpiła zmiana traktowania zadań budowlanych wobec rozwoju technologii betonu. Poprzednio znane cechy podstawowe konwencjonalnego betonu jako tworzywa konstrukcyjnego wpływały na formy budowli lub wyrobów i zakres ich funkcji. Obecnie (a zapewne również i w przyszłości) wysoko rozwinięta technologia betonu pozwala na stawianie żądań co do zespołu cech betonu odpowiadających określonym formom i funkcjom budowli lub wyrobu; nastąpiło wyraźne zwiększenie sterowalności cechami betonu i jego nowych odmian, co pozwala na wzrost zakresu zastosowań tego tworzywa.

  Po drugie, współcześnie nie decydują koszty doraźne, ale koszty odniesione do okresu gwarantowanej trwałości elementów budowli lub wyrobów budowlanych. Stąd wynika rozwój nowych odmian betonu o doraźnych cenach jednostkowych wyższych od cen jednostkowych betonów konwencjonalnych.

Konieczność ograniczenia zakresu poruszanych tu kwestii skłania do dokonania wyboru. Przedstawienie światowych tendencji rozwojowych w technologii betonu wraz z pewnymi komentarzami, nawiązującymi do sytuacji w Polsce, ograniczono się więc do następujących tematów:

* problematyki betonów wysokiej wytrzymałości, zwanych także betonami wysokowartościowymi, w tym także wysokowytrzymałych betonów lekkich;

* . problematyki kompozytów betonopodobnych o uzbrojeniu rozproszonym w postaci włókien, zwanych fibrobetonami;

Betony

wysokowartościowe

  Problematyka wytwarzania, badań i zastosowań betonów wysokowartościowych w różnych dziedzinach budownictwa stanowi obecnie bodaj najwyraźniejszą tendencję rozwojową w wielu krajach, zwłaszcza w krajach o tzw. wysokim standardzie gospodarczym i technicznym. W nawiązaniu do anglojęzycznych nazw tego rodzaju betonów wprowadzane bywa odróżnienie betonów wysokiej wytrzymałości (high strength concretes - HSCs), tj. wytrzymałości na ściskanie w granicach 60-80 (90) MPa, oraz betonów bardzo wysokiej wytrzymałości (very high strength

coneretes = VHSCs) mających wytrzymałość na ściskanie w granicach 80 (90) -130 MPa, a nawet więcej.

Wytrzymałość na ściskanie uzyskuje się w granicach 120 MPa. Szybkość wzrostu tej wytrzymałości w początkowym okresie jest dużo większa w porównaniu z betonem zwykłym

Wzrost wytrzymałości na rozciąganie jest jeszcze szybszy niż na ściskanie, ale jej przyrost praktycznie zatrzymuje się na 14 dniach

W betonach tych pierwsze objawy mikro zarysowania pojawiają się dopiero w granicach 65-75 % naprężeń niszczących. Zatem do 75% tych naprężeń można uznać za liniowe

·         przyczepność do zbrojenia pasywnego. Naprężenia przyczepności otrzymane w belkach zbrojonych z betonu wysokiej jakości są co najmniej wyższe o 40% od tych otrzymanych z betonu zwykłego

·         trwałość betonów wysokiej jakości. Energia pękania przekroju jest wyższa o 33% w porównaniu z betonem zwykłym. Z uwagi na dużą szczelność omawianych betonów, stwierdza się w nich znaczne podwyższenie trwałości zarówno na działanie środowiska agresywnego jak i mrozoodpornego

·         łatwość betonowania. Użycie plastyfikatorów nie tylko prowadzi do redukcji wody zarobowej (stosunek c/w od 0,25 do 0,35), ale pozwala na wykonanie betonów o konsystencji ciekłej. Stąd łatwość w betonowaniu

·         skurcz betonu. Całkowity skurcz betonu jest prawie dwukrotnie mniejszy od skurczu w betonie zwykłym. Stwierdzono również szybszy jego przebieg w czasie. Około 70% odkszta-

       łceń skurczowych zachodzi w pierwszych 10 dniach

·         pełzanie betonu. W ciągu 7 dni po obciążeniu zachodzi prawie 67% rocznego odkształcenia pełzania, podczas gdy w betonach zwykłych wartość sięga 41%.

ZASTOSOWANIE:

w budownictwie wysokim, szczególnie przy wykonywaniu słupów nośnych
w betonowych konstrukcjach kratowych, stosowanych w budowie platform morskich, konstrukcjach przekryć, mostach typu kratowego
wiadukty
obudowa tuneli
konstrukcje w elektrowniach atomowych
chłodnie powłokowe
Zastosowanie betonów wysokowartościowych prowadzi zwykle do znacznych oszczędności w ogólnej kubaturze budowli (na co będzie jeszcze zwrócona uwaga dalej) w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami z betonów konwencjonalnych, co stanowi w połączeniu z podniesieniem ich trwałości istotny czynnik ekonomiczny mimo większych cen jednostkowych materiału.

Badania i zastosowania betonów wysokowartościowych dotyczą zarówno konstrukcji monolitycznych, jak i prefabrykowanych. W odniesieniu do typowych rozwiązań prefabrykowanych, strunobetonowych belek mostowych używanych w USA (o kształtach przekroju poprzecznego zbliżonych do polskich belek mostowych WBS i korytkowych. Następujące korzyści techniczne i ekonomiczne, wynikające bezpośrednio i tylko ze zwiększonej wytrzymałości betonu:

·         Możliwe jest znaczne zwiększenie rozpiętości przęseł przy zachowaniu standardowych wymiarów przekroju poprzecznego belek. Na przykład, w zależności od rodzaju belek, wzrost wytrzymałości betonu z 40 MPa na 70 MPa pozwala na zwiększenie ich długości z 31,7 m do 39,9 m lub z 29,9 m do   36,3 m.

·         Możliwa jest znaczna redukcja liczby belek w przęsłach mostowych, ponieważ  zwiększenie wytrzymałości betonu pozwala  na zwiększenie rozstawu belek w przekroju  poprzecznym konstrukcji (np. zmiana wytrzymałości betonu z 40 MPa na 55 MPa prowadzi do zwiększenia rozstawu belek  z 1,8 m do 3,0 m i redukcji ich liczby  z siedmiu do czterech). Wynikające stąd

       oszczędności można oszacować na około 40 %.

·         Większa jest efektywność sprężenia przy wzroście wytrzymałości betonu belek.

Ponieważ ustroje z belek prefabrykowanych stanowią i będą jeszcze stanowić w Polsce większość mostów o małych rozpiętościach przęsłowych, warto zwrócić uwagę na potrzebę przeprowadzenia i u nas analogicznych analiz, przy uwzględnieniu całościowych kosztów obiektu (wraz z podporami, przyczółkami i ewentualnymi  estakadami dojazdowymi) oraz kosztów jego utrzymania. Wówczas korzyści wynikające na przykład z możliwości istotnego zmniejszenia · wysokości konstrukcyjnej przęseł przez zastosowanie betonów wysokowartościowych, mogą okazać się szczególnie wyrażne. Uwaga ta dotyczy oczywiście nie tylko mostowych ustrojów prefabrykowanych, ale także i monolitycznych: Nie należy przy tym pomijać znacznie większej trwałości tych betonów, co - jak już zwracano uwagę - stanowi zwykle główna przesłankę ich zastosowań konstrukcyjnych.

Czynniki technologiczne  wpływające na wytrzymałość betonu

              Do głównych czynników technologicznych wpływających praktycznie na wytrzymałość betonu jest stosunek c/w, stopień zagęszczenia, wiek i warunki dojrzewania (w tym temp. i wilgotność). Istnieją i inne czynniki, które wpływają na wytrzymałość: stosunek kruszywowo-cementowy, rodzaj kruszywa i jego jakość (uziarnienie, struktura, kształt, wytrzymałość) oraz max rozmiar kruszywa. Jak ostatnio wykazują badania istotny wpływ na wytrzymałość betonu maja superplastyfikatory i krzemionkowe mikrowypełniacze. Oba dodatki działają uplastyczniająco na mieszankę betonową znacznie zmniejszając wskażnik c/w (nawet do 0,2).

Należy podkreślić, że wytrzymałość betonu zależy od efektywnego wskażnika c/w, który jest wyliczany na podstawie wody zarobowej minus woda zaabsorbowana na kruszywo, aby osiągnąć ten stan stan nasycenia przy suchej powierzchni w czasie mieszania.

Ze wzrostem wieku betonu stopień hydratacji cementu ogólnie zwiększa się i tym samym wzrasta wytrzymałość betonu.

Do uzyskania betonów wysokich klas stosuje się cementy portlandzkie wysokich marek. Według badań optymalna wytrzymałość betonu na ściskanie przy wysokich zawartościach cementu i niskich c/w jest uzyskiwana dla drobniejszych ziarn o wielkościach 12,7 mm lub 9,5 mm. Maksymalna grubość ziarn nie powinna przekraczać 19-25,5 mm.

Lekkie betony wysokowartościowe o gęstości g > 1200 kg/m.3

Stanowią odzwierciedlenie dość już wyraźnie zarysowanej światowej tendencji rozwojowej technologii betonu, szczególnie zauważalnej w mostownictwie i w konstrukcjach morskich platform wydobywczych . Wskażemy tu, że współczesna technologia umożliwia, aby betony gęstości p =1800-1900 kg/m3 osiągały wytrzymałość kostkową 60-70 MPa, przy czym w przypadku kruszyw lekkich za dolna granicę wysokiej wytrzymałości przyjmowane jest 45 MPa. Betony Iekkie są od dość dawna stosowane w mostownictwie, także i w Polsce, ale zastosowania te do mniej więcej drugiej połowy lat osiemdziesiątych dotyczyły betonu wytrzymałości do około 30 MPa a więc  znacznie poniżej wspomnianej granicy 45 MPa; były to więc betony lekkie zwykłej wytrzymałości.

Zredukowany do około 20 -30% w stosunku do betonu "normalnej" gęstości ciężar jednostkowy betonów lekkich o wysokiej wytrzymałości, przy zachowaniu wielu innych zalet betonu wysokowartościowego, stanowi główny czynnik atrakcyjności ich zastosowań w mostownictwie. Krajem, który ma jedne z największych osiągnięć w tym zakresie jest Norwegia. Dlatego warto jest

przedstawić wady i zalety betonu wysokiej wytrzymałości   z kruszywem lekkim w porównaniu do betonu z kruszywem naturalnym. według doświadczeń norweskich.

Zalety:

·         oszczędność na zbrojeniu miękkim i sprężającym, zwłaszcza przy wysokiej wartości współczynnika obciążenia stałego do obciążeń zewnętrznych;

·         oszczędność na robotach fundamentowych

·         lepsza odporność na mikrorysy od skurczu, pełzania i efektów termicznych;

·         a lepsza odporność na obciążenia udarowe i cyklicznie zmienne;

·         oszczędność na transporcie i rusztowaniach, wynikająca z mniejszego ciężaru;

·         większa trwałość i odporność na korozję zbrojenia;

·         większa odporność na cykle zamrażania i rozmrażania (gdy dozowane kruszywo lekkie jest mało wilgotne).

  Wady:

·         wyższa cena kruszywa (np. cena wbudowania 1 m3 betonu lekkiego klasy 60 w konstrukcję mostową jest w Norwegii  prawie o 35% wyższa niż betonu klasy 60 o kruszywie naturalnym);

·         zależnie od rodzaju kruszywa wymagana jest na ogół większa zawartość cementu  w mieszance;

·         większe straty sprężania wskutek niższej wartości modułu Younga. E,-

·         wymagana jest bardziej staranna kontrola jakości;

·         porowate kruszywo wymaga specjalnych zabiegów w przypadku, gdy beton ma być pompowalny (a więc w praktyce - prawie zawsze) - zwykle stosowane jest wstępne nawilgaeanie, co jednak ujemnie wpływa na późniejsza mrozoodporność betonu;

·         nieco mniejsza wytrzymałość na rozciąganie i ścinanie, czego konsekwencją jest na przykład konieczność silniejszego zbrojenia, zwłaszcza na ścinanie;

·         nieco mniejsza wytrzymałość na lokalny docisk (np. w miejscach zakotwień kabli sprężających lub w miejscach oparcia przęseł na łożyskach), co wymaga odpowiednio silniejszego i właściwie rozmieszczonego zbrojenia.

Powyższe zestawienie wad i zalet dotyczy betonu z kruszywem lekkim o nazwie "Liapor". produkowanym przez niemiecka firmę  Lias Franken, ponieważ tego wyłącznie kruszywa dotyczą dotychczasowe praktyczne doświadczenia norweskie. Przy stosowaniu innych kruszyw lekkich pewne cechy mogą występować bardziej lub mniej wyraźnie, ale podstawowe właściwości betonu wykazują na ogól tendencje analogiczne do wymienionych.

Jako przykład konkretnego zastosowania lekkiego betonu wysokiej wytrzymałości, dotyczy  ukoń-

czonego w 1989 r. mostu Boknasundet w pobliżu Stavanger. Zastosowanie betonu lekkiego o wytrzymałości charakterystycznej 60 MPa, zamiast betonu normalnej gęstości i wytrzymałości 55 MPa, pozwoliło na zwiększenie rozpiętości przęsła ze 150 m do 190 m i likwidację dwóch podpór pośrednich. Przyniosło to oszczędność około 2 mln koron norweskich, co stanowi około 6,5%

kosztów budowy z użyciem wymienionego betonu normalnej gęstości.  Opracowania syntetyzujące zastosowania betonów wysokowartościowych (z kruszywem naturalnym i lekkim) w Europie   i w krajach pozaeuropejskich, np. w Japonii, wskazują z jednej strony na wielokierunkowość tych zastosowań, zaś z drugiej strony - na konieczność bardzo wnikliwego analizowania wszystkich procesów technologicznych i starannego ich kontrolowania. Ponadto zwracana jest uwaga na potrzebę należytego zbrojenia elementów konstrukcyjnych z betonów wysokowytrzymałych wobec ich większej kruchości w porównaniu z betonami konwencjonalnymi. Podkreślana jest też potrzeba opracowania odpowiednich norm i przepisów, ponieważ dotychczasowe dotyczą betonów konwencjonalnych o wytrzymałościach nie przekraczających zwykle 40-60 MPa

Betony-wysokowartościowe stanowią też nowe wyzwanie dla projektantów, ponieważ umożliwiają znaczną redukcję wymiarów elementów konstrukcji, co prowadzi do dużych oszczędności mimo większych cen jednostkowych tych betonów niż betonów konwencjonalnych. Nawiązując w tym aspekcie do warunków krajowych warto przypomnieć, że odpowiednia analiza wykazała, że zwiększenie klasy betonu z B40 na B60 prowadzi do wzrostu ceny jednostkowej betonu o 16%. Ponieważ koszt betonu w obiektach mostowych to około 5-6"/o sumarycznych kosztów budowy, to

wymieniona zmiana klasy betonu powoduje wzrost sumarycznych kosztów o niespełna 1%. co nie stanowi istotnej różnicy, nato- miast w efekcie trwałości budowli ulega znacznej poprawie.

Zwiększenie zastosowań betonów wysokowartościowych można uznać za trwałą tendencję rozwojową technologii betonu na świecie, przynajmniej w najbliższym dziesięcio- i dwudziestoleciu.

Fibrobetony

  Fibrobetony należą do obszernego zbioru materiałów kompozytowych. Powstają one w wyniku dodania krótkich włókien do matryc z zapraw cementowych lub betonów, zwykle drobnoziarnistych. Spoiwem w fibrobetonie są różnego rodzaju cementy, najczęściej portlandzkie. W przypadku matrycy betonowej stosowane są kruszywa naturalne lub sztuczne, przy czym największy wymiar ziaren nie przekracza na ogół 10 mm, choć znane są przypadki używania ziaren

grubszych, nawet do 20 mm. Niekiedy są wprowadzane do matrycy różnego rodzaju dodatki i domieszki. Jako zbrojenie rozproszone są dodawane włókna stalowe o różnym ukształtowaniu, włókna z tworzyw sztucznych (np. polipropylenu, nylonu, aramidu), włókna węglowe oraz pochodzenia organicznego (np. z bawełny, sizalu i-zwłaszcza w krajach azjatyckich - bambusu).

Początki prac badawczych i pierwszych zastosowań fibrobetonu sięgają połowy lat sześćdziesiątych. Jest to więc stosunkowo nowy materiał. Warto ogólnie przypomnieć, że dodatek włókien wydatnie polepsza niemal wszystkie cechy materiałowe betonu, zwłaszcza wytrzymałość na zginanie  i ścinanie oraz udarność. Fibrobeton z włóknami stalowymi j zwany u nas niekiedy drutobetonem) jest jak dotychczas najczęściej i najszerzej stosowany.

Zastosowania te dotyczą głównie nawierzchni drogowych, lotniskowych i mostowych, posadzek przemysłowych, prefabrykowanych elementów konstrukcyjnych i detali obudowy tuneli, umocnień brzegów  morskich, pali, rur, rynien zsypowych, schronów. magazynów materiałów wybuchowych, elementów ogniotrwałych, przelewów w konstrukcjach hydrotechnicznych, stabilizacji zboczy. Oddzielne zastosowania- to naprawy różnego rodzaju obiektów betonowych. U podstaw uzasadniających użycie fbrobetonu jest w tym przypadku uzyskanie znacznie lepszej trwałości i cech użytkowych oraz mniejsza kłopotliwość robót {np: eliminacja dwuwarstwowego narzucania betonu w przypadku  stosowania konwencjonalnych siatek) i zmniejszenie zużycia materiałów tradycyjnych, z nawiązką rekompensujących  wyższą cenę jednostkową tego kompozytu w poró-wnaniu do konwencjonalnego betonu. Warto też wskazać, że zastosowanie fibrobetonu do elementów konstrukcyjnych prowadzi do znacznej redukcji zbrojenia w postaci prętów, zwtaszeza liczby i rozstawu strzemion.

Ostatnio można jednak stwierdzić wyraźny wzrost zastosowań fibrobetonu z wlónami z tworzyw sztucznych oraz szkła alkalioodpornego, a także- z włókien węglowych. Te ostatnie zastosowano na przykład w kilku obiektach budowlanych w Japonii oraz w połączeniach słupów podpór mostowych z przęsłami i fundamentami, aby uzyskać konieczną  w tamtejszych warunkach podatność tych połączeń przy ruchach sejsmicznych; obecność włókien nadaje ciągliwość kruchemu betonowi.

Sposoby układania i pielęgnacji fibrobetonu nie odbiegają w zasadzie od stosowanych w przypadku konwencjonalnego betonu, włączając w to pompowanie i torkrotowanie. Wymaga to oczywiście odpowiednio starannego doboru proporcji mieszanki odpowiednich włókien oraz dodatków i do-mieszek. Zwykle każde konkretne zastosowanie jest poprzedzone próbami i badaniami, aby uzyskać spodziewane efekty przy minimalizacji kosztów materiałów.

Na szczególną uwagę zasługuje szerokie stosowanie fibrobetonu w postaci torkretu.  Na przykład w Skandynawii ponad 70% robót torkretowych jest wykonywanych z zastosowaniem włókien. Eliminują one potrzebę użycia siatek, zmniejszają straty materiału (od tzw. odskoku) oraz praco-chłonność. Częściej jest stosowana metoda torkretowania „na mokro", choć i znane są realizacje metodą "na sucho” i "pół sucho”. W Japonii - ze względu na szczególnie częste zastosowania fibrobetonu w postaci  torkretu (głównie do obudowy tuneli - około 50%) opracowano na początku lat osiemdziesiątych oryginalną metodę torkretowania fibrobetonu, łączącą zalety metody "suchej" i "mokrej”.

Zawartość włókien stalowych w fibrobetonie nie przekracza na ogół 2,0%, licząc objętościowo. Do produkcji elementów prefabrykowanych, głównie płyt posadzkowych, opracowano jednak metodę pozwalającą na "upakowanie" 5-18% włókien. Wyroby wykonywane w tej technologii, zwanej „SIFCON", wykazują wytrzymałość na rozciąganie od 27 MPa do 69 MPa, a na ściskanie od 103 MPa do 207 MPa .

Fibrobeton stosowano już w Polsce od drugiej połowy lat sześćdziesiątych między innymi do obudowy wyrobisk górniczych, napraw i budowy fundamentów pod młoty udarowe . Brak odpowiednio masowej rodzimej produkcji i ograniczone zainteresowanie importem włókien, czyniły te zastosowania dość incydentalnymi. Ostatnio uruchomiono produkcję włókien ciętych z płaskowników, choć nie na przemysłową jeszcze skalę. Wiele innych przedsiębiorstw krajowych i przedstawicielstw firm zagranicznych podjęło także próby ich wytwarzania i rozpowszechnienia. Ostatnio fibrobeton zastosowano jako warstwę ochronno-spadkową w moście kolejowym  oraz do budowy płyty podtorowej w warszawskim metrze.

BIBLIOGRAFIA:

1. Przegląd Budowlany  1996-1997