BETONY WYSOKOWARTOŚCIOWE

Transkrypt

1 BETONY WYSOKOWARTOŚCIOWE DEFINICJA BWW BWW jest betonem, w którym jedna lub kilka cech charakterystycznych w porównaniu do betonu zwykłego uległa udoskonaleniu wskutek odpowiedniego doboru rodzaju oraz proporcji składników tak, aby dostosowad wymagane właściwości do potrzeb przemysłowych i warunków eksploatacji konstrukcji DEFINICJA BETONU WYSOKIEJ WYTRZYMAŁOŚCI WG NORMY EN Beton o wytrzymałości na ściskanie wyższej niż C 50/60 dla betonu normalnym ciężarze lub ciężkiego oraz LC 50/55 w przypadku betonu lekkiego. 1

2 BETONY WYSOKOWARTOŚCIOWE BWW to betony cementowe na kruszywach naturalnych z odpowiednimi dodatkami i domieszkami, charakteryzujące się: dobrą urabialnością świeżej mieszanki betonowej, utrzymywaną co najmniej przez 1 godzinę, trwałością związaną z wytrzymałością na ściskanie po 28 dniach co najmniej 60 MPa, dużą trwałością związaną z szczelnością, wysoką szczelnością i niską przepuszczalnością dla mediów ciekłych i gazowych, mrozoodpornością, odpornością na ścieranie, odpornością na działanie czynników agresywnych pochodzenia środowiskowego 2

3 KRYTERIA PODZIAŁU BETONÓW BWW KLASYFIKACJA BWW Klasyfikacja umowna dzieli beton BWW na III grupy, ze względu na charakterystyczną wytrzymałośd na ściskanie: I grupa BWW wytrzymałośd od 60 MPa do100 MPa. Według normy PN-EN 206-1:2003 beton o wysokiej wytrzymałości to beton od klasy wytrzymałościowej C55/67. 3

4 KLASYFIKACJA BWW II grupa BBWW wytrzymałośd od 100 do 150 MPa (beton bardzo wysokowartościowy) to materiał stosowany w nielicznych krajach, wymagający zastosowania składników o wyjątkowo wysokiej jakości. III grupa BUWW wytrzymałości powżyej 150 MPa (beton ultrawysokowartociowy) to najnowsza generacja materiałów na bazie cementów. KRYTERIA PODZIAŁU BETONÓW BWW - Beton wysokowartościowy (BWW) High-Performance Concrete (HPC) klasy od B 60 do B Beton bardzo wysokowartościowy (BBWW) Very High-Performance Concrete (VHPC) klasy od B 100 do B Beton ultrawysokowartościowy (BUWW) - Ultra High- Performance Concrete (UHPC) klasy powyżej B

5 KRYTERIA PODZIAŁU BETONÓW BWW Kanadyjska klasyfikacja betonów BWW: - klasa I betony o wytrzymałości od 50 do 75 MPa, - klasa II MPa, - klasa III MPa, - klasa IV MPa, - klasa V powyżej 150 MPa. Japooska klasyfikacja betonów BWW: - betony wysokiej wytrzymałości 1 - od 36 do 60 MPa, - betony wysokiej wytrzymałości 2 powyżej 60 MPa. 5

6 Beton BWW w różnych konstrukcjach FIBROBETONY WYSOKOWARTOŚCIOWE (FBWW) - Fibre-Reinforced High-Performance Concrete (FRHPC), Utworzony kompozyt składa się z kruchej matrycy i ciągliwego uzbrojenia, którego podstawowym celem jest kontrolowanie powstawania i propagacji rys. Zastosowanie włókien rozproszonych pozwala na uniknięcie rys i zastąpienie ich układami mikrorys. 6

7 FIBROBETONY WYSOKOWARTOŚCIOWE Klasyfikacja włókien stosowanych do betonów kompozytowych FIBROBETONY WYSOKOWARTOŚCIOWE 7

8 Składniki fibrobetonu Włókna: stalowe, szklane, syntetyczne o rożnych wymiarach wprowadzane często jednocześnie (30-60 kg/m 3 ) Cement (zwykle CEM I) Kruszywa naturalne lub sztuczne maksymalny wymiar ziarna 10 mm (ew.20 mm) Dodatki mineralne Domieszki chemiczne w/c = 0,3 0,4 Betony BUWW BETONY Z PROSZKÓW REAKTYWNYCH - RPC (Reactive Powder Concrete RPC), jest to materiał zbrojony włóknami, z zawartością superplastyfikatora, pyłu krzemionkowego, o bardzo niskim współczynniku w/c, gdzie rolę kruszywa pełni piasek kwarcowy o max. średnicy kruszywa mm, matryca składa się z drobnego piasku, pyłów krzemionkowych i dużej zawartości cementu (około 700 kg/m 3 ). 8

9 BETONY Z PROSZKÓW REAKTYWNYCH Właściwości betonu RPC Wysoka jednorodnośd betonu uzyskana wskutek zmniejszenia wymiaru cząstek. Gęstośd objętościowa kg/m 3. Wysoka odkształcalnośd betonu. Wytrzymałośd na ściskanie MPa. Wytrzymałośd na zginanie MPa. BETONY Z PROSZKÓW REAKTYWNYCH Skład typowego betonu RPC o W/S = 0,26 - Cement 705 kg/m 3 - Pył krzemionkowy 230 kg/m 3 - Mielony kwarc 210 kg/m 3 - Piasek 1010 kg/m 3 - Superplastyfikator 17 kg/m 3 - Włókna stalowe 140 kg/m 3 - Woda 185 kg/m 3 9

10 BETONY Z PROSZKÓW REAKTYWNYCH BETON ZWYKŁY BETON RPC BETONY Z PROSZKÓW REAKTYWNYCH 1. Cement: duża zawartośd (2.5-3 razy większa niż w zwykłych betonach), zawartośd C3A (celit) nie większa niż 4% ze względu na osłabienie działania superplastyfikatora, powierzchnia właściwa cementu (ok. 3400cm 2 /kg) ograniczenie ze względu na wodożądnośd. 2. Pył krzemionkowy: 20-30% masy cementu; większa masa powoduje wzrost wodożądności, ziarna są dużo mniejsze niż cementu i piasku, więc zwiększa się upakowanie materii, możliwa reakcja z Ca(OH) 2, dzięki czemu powstaje dodatkowa ilośd fazy C-S-H. 10

11 BETONY Z PROSZKÓW REAKTYWNYCH 3. Piasek kwarcowy i mączka kwarcowa: pełnią rolę kruszywa (D=0.40mm), wymagane ciągłe uziarnienie, tworzą płynne przejście między kruszywem, a fazą C-S-H. 4. Włókna stalowe: poprawiają wytrzymałośd na ściskanie o 60%, umożliwiają obróbkę w wyższej temperaturze. BETONY Z PROSZKÓW REAKTYWNYCH Minimalizowanie porowatości kompozytu. Dzięki minimalizowaniu ilości wody (w/c=0.2) i zastosowaniu superplastyfikatorów doprowadza się do sytuacji, w której w betonie ciągle istnieją ziarna cementu, które mogą ulegad hydratacji w późniejszym etapie. Obróbka cieplna dla modyfikacji mikrostruktury matrycy. Stosowana, by przyspieszyd proces hydratacji oraz zwiększyd aktywnośd pucolanową składników - powstawanie C-S-H. niskoprężna obróbka termiczna (90 st. C) efekty jw. wysokoprężna obróbka termiczna (250 st. C) dodatkowo powstają krystaliczne formy krzemianów wapniowych, co ma prowadzid do zwiększenia wytrzymałości. 11

12 BETONY Z PROSZKÓW REAKTYWNYCH Zwiększenie jednorodności materiału poprzez zastosowania bardzo drobnego kruszywa. Dowiedziono, że naprężenia w stwardniałym zaczynie cementowym są odwrotnie proporcjonalne do odległości ziaren kruszywa. Beton zwykły ma duże różnice w odkształcalności zaczynu i kruszywa. W RPC, piasek kwarcowy ma E=70-90GPa, więc odkształcalności te są zbliżone, co umożliwia równomierny rozkład naprężeo w materiale. Gęstośd upakowania suchych składników ziarnistych. Ogranicza się porowatośd, zmniejsza odległości. Kładka dla pieszych w Sherbrooke (Kanada) RPC 200 MPa pas dolny, podłużnice, żeberka poprzeczne i płyta pomostu RPC 300 MPa krzyżulce Rozpiętośd: 60 m Szerokośd płyty pomostu: 4,2 m Grubośd płyty pomostu: 3,0 cm!! Elektrownia atomowa w Cattenom (Belgia) 12

13 PORÓWNANIE ZASTOSOWANIA RÓŻNYCH MATERIAŁÓW DO WYKONANIA BELEK O JEDNAKOWEJ NOŚNOŚCI Technologia DUCTAL i jej zastosowanie Ściany szczelne nabrzeża Reunion Wiata metra w Calgary (Kanada) 13

14 Porównanie zależności σ ε dla różnych betonów METODY USTALANIA SKŁADU MIESZANEK BWW Kolejnośd postępowania przy ustalaniu składu mieszanki w oparciu o normę ACI-211-1: 1. współczynnik W/S, 2. ilośd wody, 3. ilośd domieszki superplastyfikatora, 4. ilośd grubego kruszywa, 5. zawartośd powietrza w mieszance. 14

15 METODY USTALANIA SKŁADU MIESZANEK BWW - tylko cement, - cement + popiół lotny, - cement + pyły krzemionkowe, - cement + żużel + pyły krzemionkowe, - cement + popiół lotny + pyły krzemionkowe. METODY USTALANIA SKŁADU MIESZANEK BWW Zalecana wartośd W/S w zależności od wytrzymałości na ściskanie 15

16 METODY USTALANIA SKŁADU MIESZANEK BWW Jeśli punkt nasycenia nie jest znany proponuje się rozpocząd próby przyjmując ilośd wody 145 l/m 3 i dodatek superplastyfikatora 1,0 %. Ilośd grubego kruszywa zaleca się wstępnie przyjmowad się w zależności od kształtu ziaren a jeśli kształt ziaren jest nie wiadomy to próby należy rozpocząd od 1000 kg/m3. Zaleca się przyjmowad zawartośd powietrza w mieszance BWW 1,5 % jako wartośd wyjściową. METODY USTALANIA SKŁADU MIESZANEK BWW Metoda zalecana przez ACI wybór konsystencji ( z tabeli) i wymaganej wytrzymałości, 2. przyjęcie maksymalnego wymiaru ziaren kruszywa grubego ( w zależności od projektowanej wytrzymałości), 3. ustalenie optymalnej ilości kruszywa grubego, 4. przyjęcie (z tabeli) zalecanej ilości wody i zawartości powietrza, 5. przyjęcie współczynnika W/S, 6. ustalenie ilości cementu, 7. wykonanie pierwszej próbnej mieszanki bez dodatku mikrowypełniaczy, 8. wykonanie mieszanek próbnych z częściowym zastępowaniem cementu przez inne materiały wiążące (pyły krzemionkowe, popioły lotne itp.), 9. wykonanie próbnych zarobów i sprawdzenie założonych właściwości. 16

17 METODY USTALANIA SKŁADU MIESZANEK BWW Metoda Gutierreza i Canowasa K parametr zależny od klasy cementu i zawartości pyłów krzemionkowych przyjmowany na podstawie tablicy 17

18 Wpływ dozowania superplastyfikatora na wytrzymałośd na ściskanie PYŁY KRZEMIONKOWE Pyły krzemionkowe - to produkty uboczne powstające w procesie hutniczym podczas produkcji krzemu metalicznego i jego stopów, składające się głównie z dwutlenku krzemu SiO 2, którego ilośd waha się w granicach %. 18

19 WYMAGANIA DLA PYŁÓW KRZEMIONKOWYCH DO BETONU WPŁYW MIKROKRZEMIONKI NA ILOŚD Ca(OH) 2 W ZACZYNIE CEMENTOWYM 19

20 Strefa kontaktowa kruszywo-zaczyn 20

21 PYŁY KRZEMIONKOWE POPIÓŁ LOTNY Szczegółowe warunki jakie powinien spełniad popiół do betonów określa norma PN-EN 450. Popiół lotny ze spalania węgla kamiennego jest uznanym dodatkiem do wytwarzania betonów zwykłych i wysokowartościowych. Najważniejsze argumenty potwierdzające przydatnośd popiołu: poprawa urabialności betonu, poprawa szczelności struktury, obniżenie ciepła hydratacji, podwyższenie odporności na agresję chemiczną, udział popiołu w reakcjach wiązania cementu, wyższa wytrzymałośd betonu w długich okresach czasu, obniżenie kosztów produkcji mieszanki betonowej. 21

22 POPIÓŁ LOTNY Popioły lotne to uboczne produkty spalania (UPS) węgla kamiennego lub brunatnego w energetyce cieplnej. Zamiana części cementu na popiół lotny powoduje pewne opóźnienie początku i kooca wiązania cementu oraz redukcję ilości ciepła wydzielonego podczas twardnienia betonu. Zalecana ilośd popiołów lotnych w mieszance BBW wynosi od 10 do 30% POPIÓŁ LOTNY Metody projektowania mieszanek z popiołem lotnym 22

23 DODATKI MINERALNE DO BETONU DODATKI MINERALNE DO BETONU 23

24 ZASADY STOSOWANIA DODATKÓW TYPU II ZGODNIE Z NORMĄ PN-EN WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE BWW Zależność F. de Larrarda f c,28 k k kc w 1 3,1 c pk 1,4 0,4 exp( 11 ) c 2 gdzie: c, pk, w zawartośd odpowiednio cementu, pyłu krzemionkowego i wody w mieszance betonowej [kg/m 3 ], k c rzeczywista 28-dniowa wytrzymałośd cementu *MPa], k k współczynnik uwzględniający wpływ rodzaju stosowanego kruszywa (dla większości kruszyw stosowanych do BWW przyjmuje się k k =4,9 5,2) 24

25 Wpływ dozowania superplastyfikatora na wytrzymałośd na ściskanie 25

26 DOJRZEWANIE I PIELĘGNACJA BWW 26

27 PODZIAŁ KINETYKI WYDZIELANIA CIEPŁA HYDRATACJI W CZASIE Przyjmuje się podział na pięd charakterystycznych okresów: Okres I okres przedindukcyjny Okres II okres indukcyjny (uspokojenia cieplnego) Okres III okres przyspieszonej hydratacji (do 7 dni) Okres IV okres zwolnienia szybkości hydratacji (od 7 do 14 dni) Okres V okres wygasania hydratacji (od 14 do 28 dni) WPŁYW MIKROKRZEMIONKI NA KINETYKĘ CIEPŁA HYDRATACJI CEMENTU 27

28 Pielęgnacja BWW Skurcz samoczynny (autogeniczny) BWW 28

29 EFEKTY ZASTOSOWANIA BETONÓW BWW Wysoka trwałośd konstrukcji (niższe koszty konserwacji i utrzymania konstrukcji) Możliwośd wykonania elementów o dużej rozpiętości i zredukowanym przekroju poprzecznym (obniżony ciężar własny elementu) Przyspieszenie tempa i ograniczenie kosztów robót (wysoka wytrzymałośd wczesna betonu i niższy ciężar montowanych elementów) Wysoka jakośd wykonania konstrukcji (ścisły reżim technologiczny w zakresie doboru składników, produkcji i zabudowania betonu) EFEKTY ZASTOSOWANIA BETONÓW BWW zmniejszenie ciężaru własnego konstrukcji, zwiększenie wczesnej wytrzymałości betonu, umożliwiające szybsze obciążenie konstrukcji, zwiększenie wytrzymałości, pozwalające na projektowanie smuklejszych i lżejszych konstrukcji, poprawa urabialności i pompowalności betonu, zmniejszenie skurczu i pełzania oraz strat sprężania, nowe możliwości konstrukcyjne, większa powierzchnia pomieszczeo, większa rozpiętośd przęseł, większa sztywnośd elementów, mniejsze przekroje słupów, większa odpornośd na ścieranie i agresję chemiczną, zmniejszenie zużycia materiałów, niższe koszty utrzymania obiektów, walory estetyczne, niższe koszty całkowite. 29

30 Literatura wykorzystana w prezentacji 1. Kaszyoska M. : BWW: możliwości, cechy, zastosowania. XVII Ogólnopolska Konferencja WPPK Ustroo, lutego 2002 r. 2. Jasiczak J., Wdowska A., Rudnicki T.; Betony ultrawysokowartościowe Wyd. Polski Cement, Kraków Śliwioski J.: Zasady projektowania składu betonów wysokowartościowych. Cement Wapno Beton nr 6/ Giergiczny Z.: Nowoczesny beton. Dział Doradztwa Technologicznego Górażdze Cement. 5. Beton wg normy PN-EN-206-1:2013. Materiały firmy Górażdże Cement 6. Śliwioski J, Zdeb T.: Beton z proszków reaktywnych jako kompozyt cementowy o ultra wysokiej wytrzymałości; 30