technologie betonu.doc

Współczesne osiągnięcia technologii betonów cz. I

Spis treści

1. ZAGADNIENIA WSTĘPNE
Mimo upływu 150 lat stosowania i badań nad betonem, okazuje się, że nie wyczerpała się możliwość zmian, nawet skokowych, w jego jakości. Od kilkunastu lat na świecie, a od kilku w Polsce, rosło zainteresowanie stosowaniem betonów wysokiej wytrzymałości (BWW), betonów wysokowartościowych (BBWW) oraz betonów ultra wysokowartościowych (BUWW), krótko mówiąc betonów nowej generacji, betonów XXI wieku - charakteryzujących się, nie osiągalnymi do niedawna w warunkach technicznych, cechami fizycznymi i mechanicznymi oraz dużą trwałością. Ich zalety zostały potwierdzone w licznych na całym świecie realizacjach. Są wykorzystywane w ekstremalnie trudnych warunkach konstrukcyjnych takich jak: budynki wysokie, mosty, wiadukty, konstrukcje morskie, wieże wiertnicze, tunele, nawierzchnie drogowe itp.[24].
Mała trwałość konstrukcji z betonów zwykłych w warunkach coraz bardziej skażonego środowiska naturalnego, mała odporność ogniowa konstrukcji stalowych oraz duże koszty ich zabezpieczeń, relatywnie wysokie ceny konstrukcji stalowych w stosunku do konstrukcji żelbetowych, a także wysoki stopień rozwoju gospodarczego w najbardziej uprzemysłowionych państwach świata, zaczęły wpływać na zmianę poglądów dotyczących jakości betonów stosowanych w budowlach wysokich. Wysokie ceny gruntu spowodowały dążność do wznoszenia coraz to wyższych budowli w liczących się metropoliach świata. Eksploatacja złóż ropy naftowej z dna mórz spowodowała rozwój potężnych konstrukcji platform wydobywczych typu "off shore". To zaś miało znaczący wpływ na poszukiwanie oraz potrzebę stworzenia nowoczesnych betonów wysokowartościowych [18, 20].
Pomimo dużego dorobku badawczego, wzrastającej wiedzy o betonach nowych generacji wciąż istnieją pewne wątpliwości i zapytania o właściwości mechaniczne betonów wysokowartościowych, skutki wpływu superplastyfikatora i mikrokrzemionki. Szczególnie można tu wysunąć akcentowane w literaturze relacje pomiędzy dużą szczelnością betonów a rosnącą w czasie objętością żelu cementowego. Taki stan wymaga jednak intensywnych i niekiedy wieloletnich badań laboratoryjnych.
Wydaje się, że w warunkach polskich należy obecnie dążyć do przeprowadzania badań oraz indywidualnych przypadków zastosowania BWW. Dopiero uzyskane wyniki doświadczenia i ich analiza, będą podstawą do opracowywania właściwych, niezbędnych norm związanych z zastosowaniem i produkcją BWW w Polsce [18].

2.CHARAKTERYSTKA TWORZYW CEMENTOWYCH.

2.1. UWARUNKOWANIA STRUKTURALNE.
Struktura materiału jest niezwykle istotnym czynnikiem wpływającym bezpośrednio na właściwości i funkcje użyteczne materiałów. Charakteryzuje ją duży zakres możliwych zmian i modyfikacji. Stąd zmiany właściwości materiału poprzez zmiany struktury są najczęściej bardziej ekonomiczne niż poprzez zmianę składu chemicznego [37, 56, 63, 64].
W technologii betonu procedura prowadząca do uzyskiwania betonów dobrej jakości, czyli o określonej strukturze i właściwościach, jest uwarunkowana doborem składników mieszanki betonowej, parametrami procesu wytwarzania, warunkami przebiegu wiązania i twardnienia betonu.
Przyjmuje się, iż danej strukturze betonu, ukształtowanej w wyniku działań technologicznych, odpowiada jeden zestaw fizyczno-mechanicznych cech jakościowych. Zależność pomiędzy strukturą betonu a właściwościami wytrzymałościowymi jest kluczowa w zakresie kształtowania i modyfikowania struktur betonu, w celu uzyskiwania betonów wysokich klas. Dokładne poznanie struktury, jest utrudnione w związku z jej zależnością od zachodzących w czasie procesów fizykochemicznych [49].
W ujęciu technologii klasycznej wytrzymałość betonu jest uzależniona od wskaźnika W/C, stopnia hydratacji cementu, porowatości betonu, gęstości składników, składu fazowego C3S/C2S, budowy przestrzennej klinkieru, stopnia rozdrobnienia cementu, obecności dodatków przyspieszających twardnienie, obecności dodatków modyfikujących własności zaczynu, temperatury i wilgotności, w których przebiega proces uwodnienia i twardnienia, sposobu zagęszczania [56, 64]. By uzyskać betony wysokowytrzymałe tradycyjną technologią należy starannie dobrać składniki mieszanki w skali mikro i makro, doprowadzić do ścisłego ułożenia składników mieszanki oraz odpowiednio pielęgnować twardniejący beton. Tak powstające tworzywo betonowe ma jednak pewne defekty. Zalicza się do nich makro i mikropory, kapilary, mikrorysy, lokalne defekty, ukierunkowane duże kryształy, słabe wiązania na granicy faz, czy wreszcie niejednorodne rozmieszczenie cząstek elementów struktury itp. Wymienione tutaj nieciągłości strukturalne powodują, że uzyskiwane parametry są gorsze, lub znacznie gorsze, od teoretycznie możliwych do osiągnięcia [49].
Aby otrzymać wytrzymały, niskoskurczowy, szczelny i trwały beton, należy dążyć do uzyskania optymalnego stosu okruchowego oraz małej, lecz wystarczającej do otulenia drobnych frakcji kruszywa, ilości cementu, a także do małej wartości wskaźnika wodno-cementowego [38]. Dopóki kamień cementowy będzie się charakteryzował właściwościami technicznymi gorszymi niż składnik kruszywowy betonu modelowanego, dotąd w odniesieniu do betonów wysokich klas będzie obowiązywał wymóg starannego doboru stosu kruszywowego w celu osiągnięcia minimum porowatości stosu ziarnowego zarówno w skali makro - dotyczy składników betonu - jak i mikro. Prócz tego muszą być zachowane inne uwarunkowania technologiczne prowadzące do eliminacji defektów strukturalnych betonu. W tym celu stosuje się m.in. "ulepszanie" klasycznych procedur postępowania. Mowa tu o starannym doborze jakościowym i ilościowym składników betonu, o zmniejszaniu wskaźnika W/C aż do poziomu granicznego, o zmniejszaniu ilości cementu w jednostce objętości betonu, z zachowaniem minimum cementu - i innych działaniach w kierunku redukcji nieciągłości struktury betonu [49, 76].
Wreszcie najistotniejszym sposobem otrzymania wysokiej jakości i wytrzymałości betonu jest kształtowanie szczelnej struktury zaczynu przez redukcję wskaźnika W/C oraz poprawę mikroporowatości w wyniku wypełnienia stosu okruchowego fazą mikroziarnistą. W praktyce bardzo dobre rezultaty daje zachowanie konwencjonalnych zasad w połączeniu z wprowadzeniem bardzo skutecznych superupłynniaczy oraz ilościowo znaczącego dodatku mikrowypełniaczy, czyli częściowo aktywnych pyłów: krzemionkowych, żużlowych lub popiołowych. Zoptymalizowany pod względem ilościowym i jakościowym dobór składników przy umiarkowanym dozowaniu cementu pozwala uzyskać dobrą urabialność - opad stożka około 5-12 cm, bardzo małą wartość wskaźnika W/C, tj. 0,24 - 0,32, oraz bardzo dużą wytrzymałość na ściskanie w granicach 80 - 140 MPa [20]. Modyfikacji ulega także struktura warstw stykowych, ponadto zmniejsza się ilość słabych wiązań na rzecz silnych wiązań chemicznych [49]. Decydujące znaczenie w osiągnięciu tak korzystnych parametrów betonu wysokowartościowego ma nowo ukształtowana mikrostruktura zaczynu, w strefie międzyfazowej zasadniczo odmienna od struktury w betonach zwykłych [20].
Jak wynika z dotychczasowych ustaleń dotyczących eliminowania defektów strukturalnych betonów zwykłych przez odpowiednią ich modyfikację, pierwszoplanową rolę odgrywają tutaj dwa procesy: redukcji wskaźnika W/C i porowatości.
Bardzo istotna dla osiągnięcia dużej szczelności struktury jest zdolność do zamykania porów mikrostrukturalnych, o znacznym zakresie wymiarów, w ciągu kilkudziesięciu dni hydratacji. Jest to rezultat przejścia od bogatego w krzemionkę żelu do różnorodnych morfologicznie typów C-S-H, charakteryzujących się już po około 90 dniach bardzo dużym wzrostem szczelności.

Rys. 1. Redukcja mikroporowatości struktury BWW jako wynik przemian fazowych w czasie [20].

Znaczny wzrost szczelności w porównaniu z betonami zwykłymi obserwuje się już po 72 godzinach. Potwierdzają to wyniki prób przepuszczalności wody i acetonu uzyskane w programie badawczym - prowadzonym w Darmstadt - betonów zwykłych NSC i wysokiej wytrzymałości HSC. Wyniki tych badań prezentuje rysunek 2. [20].

Rys. 2 Przepuszczalność betonów zwykłych i wysokiej wytrzymałości na działanie wody i acetonu po 72 godzinach dojrzewania[20].

Rys. 3. Schemat formowania mikrostruktury strefy przejściowej zaczyn cementowy - kruszywo
w betonach bez i z dodatkiem pyłu krzemionkowego.

W tradycyjnym ujęciu podstawowym wyznacznikiem wartości betonu jest jego klasa związana z gwarantowaną wytrzymałością betonu na ściskanie. Często projektant ustala, oprócz właściwości mechanicznych, także zbiór cech fizycznych określanych np.: przez szczelność, porowatość, przesiąkliwość, mrozoodporność. Zarówno wymienione cechy mechaniczne, jak i fizyczne rzutują na wymagania konstrukcyjne odnośnie do betonu.
Stwardniały beton, z natury rzeczy jest materiałem porowatym, przepuszczalnym bądź nieprzepuszczalnym (rys. 4.). 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. 5.).
                            
                                     

Objętość przestrzeni zajmowanej przez pory maleje wraz z upływem czasu (rys. 7), co jest związane z rozwojem fazy C-S-H ( żel krzemianu wapniowego ). W wyniku zachodzących w zaczynie cementowym reakcji fizyko-chemicznych oprócz krzemianów i glinianów wapniowych krystalizuje także wodorotlenek wapnia Ca(OH)2, którego zawartość w betonie może dochodzić do 20-25% masy cementu. 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 i reaguje bezpośrednio z dwutlenkiem węgla zawartym w powietrzu. Zjawisko to określa się mianem karbonizacji - czasem karbonatyzacji [37].

Rys. 6. Rozwój karbonizacji w zależności od ilości cementu w 1m3 mieszanki i malejącej wartości wskaźnika W/C [37, 53].

Rys.7. Zmiana porowatości wraz ze zmianami ilościowymi struktury zaczynu [37, 53, 75].

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, niezhydratyzowanego cementu i pozostałości po obszarach, które w świeżym zaczynie były wypełnione wodą. Pustki te są nazywane porami kapilarnymi, tworzącymi z pozostałymi porami (rys. 5.) porowatość betonu. Pory kapilarne łączą się w betonie w system o przypadkowym układzie, który powoduje, że stwardniały zaczyn cementowy jest przepuszczalny oraz wrażliwy na działanie mrozu [37].
Istotną cechą mieszanki betonowej jest jej urabialność. Obszary urabialności betonów obrazuje rys. 8.

Rys. 8. Obszary urabialności betonów [11, 37].

Modyfikacja właściwości betonu jest zagadnieniem bardzo obszernym. Zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 9 i 10, może być ona naturalna, związana z oddziaływaniem czynników zewnętrznych na beton zwykły, lub spowodowana przez ingerencję w strukturę betonu od wewnątrz, przez stosowanie domieszek i dodatków aktywnych chemicznie [37].

Rys. 9. Możliwości modyfikacji cech mieszanek i betonów [37].

Rys. 10. Rodzaje betonów o podwyższonych właściwościach [37].

Przez wprowadzenie do betonu dwóch czynników, które nie występują w betonach zwykłych: pyłu krzemionkowego oraz środka plastyfikującego, a zwłaszcza superplastyfikatora, można radykalnie poprawić jego właściwości i otrzymać w efekcie tzw. beton wysokowartościowy - BWW [21, 35]. Skład betonów wysokowartościowych różni się od składu betonów zwykłych i innych np. hydrotechnicznych, zwiększoną zawartością składników drobnoziarnistych ( cementu, pyłu krzemionkowego, popiołów lotnych ), mniejszym wskaźnikiem wodno-cementowym, mniejszą zawartością kruszywa grubego, a także ograniczeniem grubości ziaren, co po zastosowaniu związków upłynniających pozwala uzyskać duża urabialność mieszanki betonowej [51]. Rozkład wielkości ziaren cementu i kruszyw jest w BWW bardzo istotny ze względu na szczelność stosu okruchowego oraz unikanie koncentracji naprężeń. W [87] zaproponowano metodę doboru składu mieszanki betonowej, aby uzyskać maksymalną szczelność. Założenia kształtowały się następująco:
. objętość szczelnej mieszanki betonowej równa się sumie objętości kruszywa Vk i objętości zaczynu cementowego wraz z domieszkami i dodatkami Vz: Vb = Vk + Vz (1)
. objętość kruszywa Vk w betonie równa się iloczynowi objętości nasypowej w stanie zagęszczonym Vkn i parametru charakteryzującego szczelność stosu okruchowego Skz, Vk = Vkn * Skz (2)
. objętość jam w całkowicie zagęszczonym stosie okruchowym wynosi Vj = Vkn(1-Skz) (3)
. optymalną strukturę betonu uzyskuje się, gdy objętość zaczynu jest równa objętości jam: Vz = Vj ; Vb = Vkn ; Vz/Vb = (1 - Skz) (4)
Wówczas uzyskuje się idealny stan struktury betonu ze względu na cechy mechaniczne betonu. Największą wytrzymałość betonu wykonanego z określonego zestawu kruszyw osiąga się przy całkowitej szczelności betonu [87].
Objętość porów powietrznych w zagęszczonej wibracyjnie mieszance betonowej dla mieszanek nie napowietrzanych na zwykłych kruszywach nie powinna przekraczać 2 % (szczelność 98 %). Należy pamiętać, że strata wytrzymałości betonu wskutek pustek powietrznych wynosi 4 - 6 % na każdy procent zawartego w betonie powietrza [67].
W betonie wysokowartościowym, w odróżnieniu od betonów zwykłych, bardzo charakterystyczna jest mała ilość wody zarobowej. W porównaniu z betonami zwykłymi małe wartości współczynnika W/C w betonach modyfikowanych wymagają zwiększonych zawartości cementu - 400 kg/m3 i więcej. Optymalna jego ilość z dodatkiem superplastyfikatora umożliwia utrzymanie odpowiedniego dystansu między ziarnami kruszywa grubszych frakcji. Duży udział cementu w składzie betonów wysokowartościowych można nieco zredukować, stosując poza mikrowypełniaczem inne pucolanowe dodatki, takie jak np. popioły lotne [51]. Zarówno do betonów zwykłych, jak i wysokowartościowych stosuje się cementy portlandzkie, z tym, że te drugie wymagają cementów dobrej jakości, o powtarzalnym składzie [23].
W klasie betonów o bardzo wysokich parametrach wytrzymałościowych zawartość cementu jest bardzo duża, a wskaźnik W/C oscyluje wokół wartości 0,22 - 0,28. Cement pełni tutaj funkcję zbliżoną do pyłów krzemionkowych - mimo dużej różnicy wielkości ziaren, albowiem niezhydratyzowane cząstki cementu wypełniają dodatkowo przestrzenie porowate w bryle betonu [37].
Kolejnym tradycyjnym składnikiem betonu jest kruszywo. Jedną z najistotniejszych cech charakteryzujących kruszywo jest przyczepność powierzchni ziaren do zaczynu cementowego. W betonach wysokowartościowych ze względu na zachodzący mechanizm pękania nabiera to szczególnego znaczenia. Tak jak w betonie tradycyjnym kształt ziaren powinien być zbliżony do bryły izometrycznej, sześciennej, bez udziału ziaren płaskich i wydłużonych. Jednocześnie bardzo istotne jest maksymalne rozwinięcie powierzchni właściwej ziaren w celu zwiększenia ich mechanicznej przyczepności do zaczynu [74]. Nie do przecenienia jest także rola uziarnienia w mieszankach betonowych zarówno zwykłych jak i modyfikowanych. Maksymalna wielkość ziaren nie powinna przekraczać 20-25 mm, a według niektórych badaczy 10 mm [51]. Piasek powinien być gruboziarnisty, pozbawiony frakcji miałkich do 0,25 mm ze względu na dostateczną ilość sumy cementu i pyłu krzemionkowego [35, 74]. To najdrobniejsze kruszywo dodaje się do stosu okruchowego bardziej pod kątem uzyskania mniejszej wodożądności niż wypełnienia przestrzeni międzyziarnowych [74].
Czynnikiem najbardziej różnicującym budowę wewnętrzną betonu zwykłego od betonów modyfikowanych jest zastosowanie dodatków i domieszek - pyłu krzemionkowego, plastyfikatorów i superplastyfikatorów oraz ewentualnie włókien stalowych lub syntetycznych.
Struktury betonu zwykłego i modyfikowanego pyłami krzemionkowymi oraz upłynniaczami - reduktorami wody - różnią się w zasadniczy sposób. Dzięki bardzo małej wartości wskaźnika W/C, za sprawą superplastyfikatorów, oraz dodatkowym materiałom pucolanowym o dużym stopniu rozdrobnienia, zmniejsza się objętość porów kapilarnych. Powstała w ten sposób bardzo dobra struktura rzutuje na to, że matryca kamienia cementowego będzie zawsze gęstsza. Jest to istotne zwłaszcza w "strefie przejściowej" otaczającej ziarna kruszywa. Strefa ta stanowi słabą stronę struktury betonu zwykłego i można ją było wyeliminować przez modyfikację pyłami krzemionkowymi [37]. W strefie tej, ze względu na podwyższony poziom porowatości i zwiększenie ilości wolnej wody przy powierzchni ziaren kruszywa, istniałyby warunki do inicjacji i propagacji rys oraz zwiększonej przepuszczalności gazów i cieczy [50]. Jeżeli nie stosuje się mikrokrzemionki, powstają kryształy Ca(OH)2. Swym równoległym usytuowaniem, w stosunku do powierzchni kruszywa bądź zbrojenia, osłabia strukturę [101]. Pyły krzemionkowe już w ilości 2-3% masy cementu, wypełniając wolne przestrzenie strefie przejściowej, zagęszczają strukturę. Zredukowaniu ulega tzw. bleeding [100].
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, zarówno domieszka środków upłynniających, zastosowanych jako reduktory wody, jak i dodatek pyłów krzemionkowych wpływają przede wszystkim na konsolidację struktury betonu modyfikowanego, co w odróżnieniu od betonu tradycyjnego pozwala na uzyskanie wysokiego poziomu jego cech wytrzymałościowych i cech związanych z trwałością [37].
Występowanie dobrze wykształconych, uprzywilejowanie zorientowanych kryształów portlantydu, w wyniku jednokierunkowej dyfuzji jonów w mikroobszarach o zwiększonej porowatości, (a przez to i zwiększonej zawartości wody wolnej) przy powierzchni ziaren, kruszywa i zbrojenia (rys. 11), osłabia wiązania na granicy faz i określa drogę inicjacji i propagacji rys, oraz zwiększonej przenikalności dla gazów i cieczy w warstwie przejściowej.

Rys. 11. Modelowe przedstawienie warstwy przejściowej

Skład BWW różni się od składu betonów zwykłych i hydrotechnicznych zwiększoną zawartością składników drobnoziarnistych (cement, pył krzemionkowy, popioły lotne), mniejszym W/C i mniejszą zawartością kruszywa grubego, ograniczeniem średnicy najgrubszych ziaren i przede wszystkim lepszą urabialnością.

Rys. 12. Porównanie składów betonów [51, 73].
Betony wysokowartościowe charakteryzują się tym, że proces ich niszczenia zbliża się w swoim charakterze do tego , jaki obserwuje się w materiałach kruchych - udział cech plastycznych wyraźnie się zmniejsza [8].
Bibliografia

mgr inż. Przemysław Stawiarski

Współczesne osiągnięcia technologii betonów cz. II

Współczesne osiągnięcia technologii betonów cz. I

2.1.1. ZASADA DZIAŁANIA DOMIESZEK DO BETONU.

Stosowanie domieszek i dodatków do betonu jest dzisiaj powszechne w wysoko uprzemysłowionych krajach świata. W dużej mierze plastyfikatory są popularniejsze od superplastyfikatorów ze względu na niższą cenę. Plastyfikatory pozwalają poprawić urabialność, natomiast superplastyfikatory zapewniają zarówno upłynnienie, jak i redukcję wody zarobowej [25].
Superplastyfikatory są to substancje chemiczne, zwłaszcza związki powierzchniowo czynne, o działaniu hydrofilowym, a także inne związki wielocząsteczkowe działające dyspergująco lub zmniejszające napięcie powierzchniowe wody. Głównym celem ich użycia jest zwiększenie ciekłości mieszanki betonowej lub zaprawy bez zmiany składu (W/C=const) w celu ułatwienia szczelnego ułożenia betonu, zwiększenie wytrzymałości betonu - efekt redukcji wskaźnika W/C z zachowaniem konsystencji wyjściowej - lub mniejsze zużycie cementu bez uszczerbku dla wytrzymałości i urabialności mieszanki betonowej - z jednoczesną redukcją wody zarobowej, co prowadzi do zwiększenia wytrzymałości, wodoszczelności, mrozoodporności (ogólnie rozpatrując) trwałości betonu [69,80].

Wyróżnia się trzy rodzaje superplastyfikatorów:
. sole sulfonowanych melaminowo-formaldehydowych polimerów (SMF),
. sole sulfonowanych naftalenowo-formaldehydowych polimerów (SNF),
. preparaty zawierające modyfikowane lignosulfoniany [24, 30, 89, 96]
Do wykonywania BWW stosuje się głównie superplastyfikatory typu SNF oraz SMF.

Mechanizm oddziaływania związków na właściwości świeżej zaprawy oraz mieszanki betonowej polega na adsorpcji cząsteczek upłynniaczy na powierzchni ziaren cementu i cząstek pyłu, co neutralizuje ładunki powierzchniowe i wywołuje siły odpychania pomiędzy ziarenkami cementu. Zaadsorbowane cząsteczki o charakterze anionowym nadają powierzchniom ładunek ujemny. Na pograniczu faz, tj. wokół ziaren cementu i cząstek pyłów, tworzy się podwójna warstwa elektryczna, tzw. warstwa Helmholtza-Sterna i potencjał elektrokinetyczny (dzeta). W wyniku powstawania znacznych sił odpychających następuje rozpad aglomeratów cząstek cementu na drobniejsze fragmenty. Powietrze i woda zamknięte w tych aglomeratach zostają uwolnione, co schematycznie zaprezentowano na rys. 13 [68].
 

Stopień dyspersji cementu w wodzie zwiększa się, co powoduje znaczny wzrost ciekłości mieszanki betonowej lub zaprawy i poprawę jej urabialności [53, 69]. Wraz ze wzrostem dawki domieszki maleje potencjał elektrokinetyczny. Łatwo powstają wokół ziaren cementu otoczki wody. Superplastyfikatory znacznie zmniejszają energię międzyfazową na granicy ciało stałe - ciecz, w efekcie czego praktycznie brak będzie jakiegokolwiek napowietrzenia mieszanki betonowej przy jednocześnie intensywnym działaniu dyspergującym tych mieszanek. Zwiększenie zaś liczby cząsteczek cementu przyspiesza jego hydratację [53].
Zmniejszenie napięcia powierzchniowego wody jest związane z dipolową budową cząsteczek substancji powierzchniowo czynnych. Związki powierzchniowo czynne, które w środowisku wodnym przyłączają koordynacyjne cząsteczki wody, nazywa się hydrofilowymi, a te, które cząsteczki wody odpychają, hydrofobowymi [69]. Tworzenie się zorientowanych warstw adsorpcyjnych stanowi warunek zmniejszenia napięcia powierzchniowego na granicy faz w wyniku działania sił międzycząsteczkowych tzw. sił van der Waalsa. Wynikiem tego jest właśnie poprawa ciekłości zaprawy lub mieszanki betonowej, uzyskiwana przez zmniejszenie sił oddziaływania między cząsteczkami wody w warstwie granicznej stykających się z powierzchnią stałych cząsteczek cementu i pyłów, na których został zaadsorbowany związek powierzchniowo czynny domieszki.
Działanie dyspersyjne jest głównie wywołane adsorpcją kwasu sulfonowego na powierzchni cząstek cementu, który ładuje ujemne cząstki, przez co wzajemnie się odpychają [65].

2.1.2. ZASADA DZIAŁANIA DODATKÓW DO BETONU
Wprowadzony w ilości 10 - 25% masy cementu, mikrokrzemionkowy wypełniacz o właściwościach pucolanowych reaguje z portlandytem, tworząc zwłaszcza na granicy fazy zaczyn - kruszywo, w miejsce dotychczasowej pełnej defektów, inkluzji i mikropęknięć, jednolitą i ciągłą fazę kontaktową. Bardzo istotną dla osiągnięcia wysokiej szczelności struktury jest zdolność do zamykania porów mikrostrukturalnych o szerokim zakresie wymiarów, w ciągu kilkudziesięciu dni hydratacji, jako rezultatu przejścia od bogatego w krzemionkę żelu w różnorodne morfologicznie typy C-S-H, charakteryzujące się bardzo wysokim wzrostem szczelności [20, 76, 94].
Badania mechanizmu niszczenia betonu dowodzą, że jest on związany z nieciągłościami budowy i to głównie na poziomie mikrostruktury. Z natury nieciągła struktura betonu wynika z jego wieloskładnikowości, polidyspresyjności, wielofazowości materiału na poziomie makro- i mikrostruktury.

Główną rolę odgrywają nieciągłości związane z:
. porowatością i strukturą porów - głównie kapilarnych - rys.5,
. niejednorodnym rozmieszczeniem składników i produktów hydratacji w objętości betonu,
. występowaniem międzyfazowych granic i warstw przejściowych,
. występowaniem oprócz wiązań chemicznych słabych wiązań drugiego rodzaju (wiązania wodorowe, van der Waalsa).

Eliminacja lub przynajmniej redukcja powyższych nieciągłości jest niezbędna w technologii betonów wysokowartościowych. Redukcję lub eliminację kapilarnej porowatości, a także zmianę składu i struktury warstwy przejściowej wraz z ograniczeniem jej grubości uzyskuje się w betonach wysokowartościowych przez wykorzystanie domieszek i dodatków, wśród których kardynalne znaczenie mają właśnie pyły krzemionkowe [50].

Rys. 14. Wzorcowa struktura strefy przejściowej zaczyn - kruszywo

Strefa przejściowa zawiera większą ilość kryształów CH i etryngitu niż pozostała część matrycy cementowej. Dodatkowo powstanie otoczki wodnej wokół ziaren kruszywa, zwiększającej w tej strefie wskaźnik W/C, umożliwia rozpuszczanie się składników cementu w wodzie i krystalizację produktów reakcji z roztworu. W strefie przejściowej krystalizuje wodorotlenek wapniowy, a następnie faza C-S-H i tworzą razem warstwę podwójna o grubości około 1 um [57]. Wewnętrzny bleeding i efekt ściany powodują powstanie dużych porów na powierzchni ziaren kruszywa. W efekcie, porowatość w strefie przejściowej jest znacznie większa niż w matrycy zaczynu cementowego (rys. 15), co powoduje, że połączenie między kruszywem, a matrycą z zaczynu cementowego jest gorszej jakości. Jest to szczególnie niekorzystne w przypadku BWW [14,24].

Rys. 15. Wpływ pyłu krzemionkowego na porowatość strefy przejściowej zaczyn cementowy - kruszywo i matrycę zaczynu cementowego.

Dodatek pyłów krzemionkowych wywiera pozytywny wpływ na słabe ogniwo w betonie, którym jest wspomniana już tzw. strefa przejściowa, powstająca wokół ziaren kruszywa. Pyły krzemionkowe zwiększają zagęszczenie struktury w strefie przejściowej przez wypełnienie wolnych przestrzeni. Powoduje to wzmocnienie słabej strefy w betonie. Przejawia się ono redukcją samoczynnie wydzielanej wody - bleeding, poprawą przyczepności zaczynu do kruszywa i stali, a głównie zmniejszeniem porowatości strefy przejściowej [100]. Graficzne odzwierciedlenie porowatości przy powierzchni ziaren kruszywa w betonie bez i z dodatkiem pyłów krzemionkowych zaprezentowano na rys. 16.

Rys. 16. Porowatość przy powierzchni ziaren
Rys. 17. Wpływ pyłów krzemionkowych na kruszywa w betonie.

Niewielkie wymiary oraz kulisy kształt ziaren pyłu krzemionkowego pozwalają na wypełnienie przestrzeni pomiędzy ziarnami cementu (rys. 18), co powoduje obniżenie średniej wielkości porów w zaczynie, rys. 19 [12].

Rys. 18. Struktura zaczynu cementowego.

Rys. 19. Wpływ pyłu krzemionkowego na rozkład wielkości porów w zaczynie cementowym o takim samym wskaźniku W/C.
Rys. 20. Charakterystyka uziarnienia pyłów krzemionkowych.

Najważniejsze z efektów dodania pyłu krzemionkowego to: ograniczenie wewnętrznego bleedingu, bardziej szczelne upakowanie drobnych cząstek na powierzchni ziaren kruszywa eliminujące efekt ściany, zmniejszenie wielkości i wskaźnika orientacji powstających na powierzchni ziaren kruszywa kryształów CH - proporcjonalnie do zawartości pyłu krzemionkowego - oraz częściowe zastąpienie CH i etryngitu przez strukturę zawierającą głównie gęsty amorficzny CSH. Wpływ opisanych powyżej procesów przedstawia rys. 3.
Jednym z warunków pełnego wykorzystania unikalnych właściwości pyłu krzemionkowego w układzie z cementem jest obecność superplastyfikatora [1, 7, 12, 58, 24].

Cechy fizyczne i chemiczne pyłów pozwalają na uzyskiwanie betonów o wysokich wytrzymałościach. Decydują o tym dwa istotne czynniki:
. współdziałanie pyłów krzemionkowych z domieszkami uplastyczniającymi mieszankę betonową oraz z plastyfikatorami i superplastyfikatorami.
. właściwości pucolanowe [100].

Krzemionka łatwo wchodzi w reakcję z wodorotlenkiem wapniowym, uwalnianym w procesie hydratacji cementu, i zwiększa ilość uwolnionych krzemianów wapniowych typu C-S-H [53]. Powstanie Ca(OH)2 w mieszance betonowej jest uwarunkowane hydratacją cementu - jego twardnieniem:

cement + woda -> C-S-H (żel) + Ca(OH)2 + gliniany (5)

Głównym składnikiem powodującym zwiększenie wytrzymałości jest żel koloidalny zhydratyzowanych krzemianów wapniowych.

Rys. 21. Schemat rekrystalizacji z udziałem Pk [37, 60].

Przez zastosowanie pyłów krzemionkowych można zmniejszyć wskaźnik W/C mieszanki betonowej oraz porowatość. Te dwie wielkości, regulowane przez zawartość pyłów krzemionkowych, pozostają ze sobą w ścisłej korelacji, ponieważ przy danym stopniu hydratacji wskaźnik W/C określa porowatość zaczynu cementowego. Tak więc pyły krzemionkowe, wpływając na stosunek żelowo-przestrzenny, wpływają na wytrzymałość zaczynu [65].
Mimo dalszego wzrostu wytrzymałości betonu wraz z ilością mikrokrzemionki nawet do 20 - 25% w praktyce nie stosuje się więcej tego mineralnego dodatku niż 10 - 12% - ze względu na znaczne zmniejszanie, w reakcji pucolanowej, zawartości wodorotlenku wapniowego, koniecznego do ochrony zbrojenia w betonie [76].

Rys. 22. Wytrzymałość na ściskanie betonu dla różnej zawartości krzemionki.

2.2. WŁAŚCIWOŚCI FIZYKO-MECHANICZNE.
Przez pojęcie "betony wysokowartościowe" BWW należy rozumieć betony cementowe na kruszywach naturalnych z odpowiednimi dodatkami i domieszkami.
W efekcie uzyskuje się tworzywo o ustabilizowanych na wysokim poziomie właściwościach [37, 51]:
. dobra urabialność świeżej mieszanki betonowej, zachowana przez okres minimum 1 godziny,
. wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach wynosi minimum 60 MPa (55 MPa według DIN),
. duża trwałość, związana m.in. ze szczelnością uzyskiwaną dzięki odpowiedniej strukturze materiału po stwardnieniu.

Rys. 23. Kryteria betonów wysokiej wytrzymałości [37, 65].

Ponieważ betony wysokowartościowe są materiałami projektowanymi specjalnie w celu spełnienia określonych wymagań użytkowników, prócz wymienionych właściwości mogą też mieć np. zwiększoną odporność na wpływy chemiczne czy mechaniczne - ścieralność, udarność itp. lub inne [23, 51].
Zachowanie odmienne nie zbrojonych próbek betonu wysokowartościowego i zwykłego przedstawia rys. 24.

Rys. 24. Wykresy betonu zwykłego i BWW [37, 52].

Interesującą prawidłowością jest to, że im mniejsza jest różnica między odkształcalnością i wytrzymałością matrycy oraz kruszywa, tym większa jest wytrzymałość betonu. Ilustruje to rys. 25.

Rys. 25. Przykłady wykresów zaczynu cementowego, kruszywa i betonu dla betonu zwykłego i BWW [37, 52].

W betonie stwardniałym największe znaczenie mają te cząstki, które są aktywne pod względem fizyko-chemicznym, a więc ziarna cementu a także fazy wody i powietrza odgraniczające swobodną powierzchnią cieczy, będącą siedliskiem napięcia powierzchniowego i zjawisk kapilarnych [72].
Jak wiadomo, zarówno zaczyn, jak i kruszywo są materiałami kruchymi. Beton złożony z tych składników wykazuje nieliniową odkształcalność wynikającą ze zjawiska mikrorys. Różne moduły sprężystości matrycy i kruszywa są przyczyną koncentracji naprężeń w warstwie kontaktowej i powstania siatki mikrorys już pod niewielkimi obciążeniami. Mniejszy dystans między sztywnością matrycy i kruszywa w BWW w porównaniu z betonami zwykłymi zwiększa jednorodność rozkładu naprężeń i redukuje ich koncentrację. Dlatego właśnie tworzy się mniej mikrorys, co przejawia się gwałtowniejszym pękaniem betonów wysokowartościowych. Albowiem w betonach zwykłych wartość średnich naprężeń, przy których powstają mikrorysy, wynosi 40 - 50 % wytrzymałości, a w BWW dochodzi do 70 - 80 %. Konkludując, należy stwierdzić, że betony wysokowartościowe są bardziej kruche niż betony zwykłe [51]. Badania dowodzą, iż energia pękania i krytyczna wartość współczynnika intensywności naprężeń zwiększają się wraz ze zwiększeniem wytrzymałości na ściskanie, jednak następuje to znacznie wolniej , nawet dziesięciokrotnie.
Wzrost odporności na pękanie jest relatywnie mniejszy w BWW niż odpowiadający mu wzrost wytrzymałości na ściskanie. Wiąże się to z różnicą propagacji między wytrzymałością na ściskanie i na rozciąganie. W porównaniu z betonem zwykłym odkształcalność graniczna BWW towarzysząca rozciąganiu zwiększa się także wolniej niż wytrzymałość na ściskanie [52].

Zwiększenie wytrzymałości i odporności na pękanie w betonach modyfikowanych superplastyfikatorami i pyłami krzemionkowymi wynika głównie z dwóch zjawisk:
. zmniejszenia porowatości całkowitej
. ograniczenia wewnętrznych mikrorys i innych nieciągłości będących przyczyną koncentracji naprężeń [51].

Ograniczeniu ulega w ten sposób udział mikroporów i zostaje zapewniona mała ilość porów kapilarnych. Bardzo istotne ma w tym momencie utrzymanie niskiego poziomu wskaźnika W/C [53].
Betony modyfikowane pyłami krzemionkowymi oraz superplastyfikatorem, w odróżnieniu od betonów zwykłych, pozwalają na znaczne oszczędności na gabarytach całej konstrukcji i poszczególnych elementów, a co za tym idzie, na ciężarze i samym materiale [60].

Rys. 26. Przekrój poprzeczny słupów o zrównoważonej nośności [37, 60].

Rys. 27. Ciężar 1 m słupa o równoważnej nośności [37, 60].

...