Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech. 3.1 Skład mieszanki i budowa wewnętrzna betonu zwykłego i modyfikowanego

Transkrypt

1 3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 1 3. 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 betonu, 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 wysokowartościowych różni się od składu betonów zwykłych i innych (np. hydrotechnicznych) zwiększoną zawartością składników drobnoziarnistych (cement, pył krzemionkowy, popioły lotne), niższym stosunkiem wodno cementowym, mniejszą zawartością kruszywa grubego, a także ograniczeniem grubości ziaren, co przy zastosowaniu związków upłynniających pozwala uzyskać wysoką urabialność mieszanki betonowej [31]. 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 charakterystyczna jest niska ilość wody zarobowej, albowiem W/C kształtuje się na poziomie (a w BBWW nawet ). Rys. 3.1 Porównanie składów betonu [31] W odniesieniu do betonów zwykłych małe wartości współczynnika W/C dla betonów modyfikowanych, wymagają zwiększonych zawartości cementu do 400 kg/m 3 i więcej. Optymalna jego ilość jest związana z koniecznością utrzymania przy jednoczesnym użyciu superplastyfikatora, odpowiedniego dystansu między ziarnami kruszywa grubszych frakcji. Wysoki udział cementu w składzie betonów wysokowartościowych można nieco zredukować stosując poza mikrowypełnieniem, inne pucolanowe dodatki takie jak np. popioły lotne [31]. Tak do betonów zwykłych, jak i wysokowartościowych stosuje się cementy portlandzkie, z tym, że te drugie wymagają cementów wysokiej jakości, o powtarzalnym składzie. W przeciwnym przypadku nie jest możliwe uzyskanie wymaganych wysokich parametrów betonu (wytrzyma-łościowych, dotyczących trwałości, itp.)[15]. Konieczne jest staranne dobranie składu i właściwości 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].

2 3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 2 W klasie betonów o bardzo wysokich parametrach wytrzymałościowych (BBWW) zawartości cementu są już bardzo wysokie, a wskaźnik W/C oscyluje wokół 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 szczególnego znaczenia. Tak jak w betonie tradycyjnym kształt ziarn powinien być zbliżony do bryły izometrycznej, sześciennej, bez udziału ziarn płaskich i wydłużonych. Jednocześnie bardzo istotne jest maksymalne rozwinięcie powierzchni właściwej ziarn w celu zwiększenia ich mechanicznej przyczepności do zaczynu [52]. Mając to na uwadze korzystniejszym wydaje się zastosowanie kruszyw łamanych, wykazujących lepszą przyczepność do zaczynu. Takie kruszywo zarówno grube jak i drobne sprzyja wyższej wytrzymałości betonu w stosunku do kruszyw otoczakowych. Z innego punktu widzenia kruszywo otoczakowe 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 wytrzymałości 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 skały<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 betonie 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 modyfikowanych. 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 samego rodzaju. Maksymalna wielkość ziarn nie powinna przekraczać mm, a według niektórych badaczy 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 3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 3 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 modyfikowanych 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 kolejnych 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 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. Struktura betonu zwykłego i betonu modyfikowanego mikrokrzemionką oraz upłynniaczami (reduktorami 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 bardzo 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 struktury 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 przepuszczalności 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 przestrzenie 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 materiału po stwardnieniu.

4 3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 4 Rys. 3.3 Kryteria betonów wysokiej wytrzymałości [39] Ponieważ betony wysokowartościowe są to materiały projektowane specjalnie w celu spełnienia określonych 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 zagęszczona matryca o wysokiej wytrzymałości i jej wiązanie z powierzchnią kruszywa grubego. Duża jednorodność 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 wytrzymałości na ściskanie: f kruszywa > f zaprawy > f betonu, dlatego też w tym przypadku zniszczenie przebiega przez najsłabszy element struktury betonu, który stanowi 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 σ ε betonów wykonanych z różnego kruszywa [31]

5 3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 5 Zaprezentowany wykres ukazuje wczesny udział kruszywa w przenoszeniu obciążeń. Natomiast odmienne zachowanie się nie uzbrojonych próbek betonu wysokowartościowego i zwykłego możemy zaobserwować poniżej: Rys. 3.5 Typowe wykresy σ ε betonu zwykłego i BWW [32] Interesującą prawidłowością jest to, że im mniejsza jest różnica między odkształcalnością i wytrzymałością matrycy oraz kruszywa, tym większa jest wytrzymałość betonu. Ilustrują to poniższe wykresy porównawcze: Rys. 3.6 Przykłady wykresów σ ε 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 matrycy i kruszywa są przyczyną koncentracji naprężeń w warstwie kontaktowej i powstania siatki mikrorys już pod niewielkimi obciążeniami. Właśnie dlatego na wykresach tych obserwujemy odkształcenia quasi plastyczne. Mniejszy dystans między sztywnością matrycy i kruszywa w BWW w porównaniu do betonów zwykłych zwiększa jednorodność rozkładu naprężeń i redukuje ich koncentrację. Dlatego właśnie tworzy się mniej mikrorys, co przejawia się bardziej gwałtownym 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 [31]. Badania dowodzą, iż energia pękania (G f ) i krytyczna wartość współczynnika intensywności naprężeń (K IC ) zwiększają się wraz ze zwiększeniem wytrzymałości na ściskanie, jednak w znacznie wolniejszym tempie (nawet dziesięciokrotnie).

6 3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 6 Rys. 3.7 Porównanie różnych właściwości mechanicznych betonów zwykłych i BWW [32] Wyraźne różnice obserwuje się wśród parametrów określających rozmiary strefy mikrozarysowania wokół czubka rysy (C f i l o ), mają one tendencję malejącą wraz ze zwiększeniem wytrzymałości. Wskazują tym samym mniejszą strefę mikrozarysowania i słabsze hamowanie propagacji mikrorys w BWW, niż w betonach zwykłych. Wzrost odporności na pękanie jest relatywnie mniejszy w BWW, niż odpowiadający mu wzrost wytrzymałości na ściskanie. Wiąże się to z różnicą proporcji między wytrzymałością na ściskanie i na rozciąganie. Odkształcalność graniczna BWW towarzysząca rozciąganiu zwiększa się także wolniej, niż wytrzymałość na ściskanie, w odniesieniu do betonu zwykłego. Zwiększenie wytrzymałości i odporności na pękanie w betonach modyfikowanych superplastyfikatorem i mikrokrzemionką wynika głównie z dwóch zjawisk: zmniejszenia porowatości całkowitej oraz ograniczenia wewnętrznych mikrorys i innych nieciągłości będących przyczyną koncentracji naprężeń [31]. Ograniczeniu ulega w ten sposób udział mikroporów i zapewniona zostaje mała zawartość porów kapilarnych. Bardzo istotne znaczenie ma w tym momencie utrzymanie niskiego poziomu wskaźnika W/C [34]. Rys. 3.8 Wpływ stosunku W/C i zawartości cementu w betonie na jego wytrzymałość po 28 dniach (zależności ogólne wg [34])

7 3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 7 Betony wysokowartościowe w odróżnieniu od betonów zwykłych wykazują szybki przyrost wytrzymałości w czasie, szczególnie w początkowej fazie, co spowodowane jest małą ilością wody zarobowej i dużą powierzchnią kontaktów między ziarnami składników świeżej mieszanki betonowej [31]. Przyrost wytrzymałości betonu jest wprost proporcjonalny do wytrzymałości zaprawy. W okresie pierwszej doby jest ona prostą funkcją stopnia rozdrobnienia cementu oraz zawartości C 3 S i C 3 A [34]. Obecność samej mikrokrzemionki w betonie uspokaja i spowalnia proces rozwoju wytrzymałości. Wytrzymałość wczesna (jedno, dwudniowa) nie przekraczają jeszcze z reguły wytrzymałości mieszanek betonowych pozbawionych mikrokrzemionki. Dopiero w okresie późniejszym następuje wyraźny, równomierny przyrost wytrzymałości. Jego długotrwałość jest znacznie wyższa, niż w betonie konwencjonalnym. Stąd miarodajne dane na temat wytrzymałości betonu na ściskanie nie występują po 28 dniach, lecz po 90 a nawet 180 dniach. Poniżej zaprezentowano różnice w wytrzymałości betonu na ściskanie w przypadku różnych technologii betonu [21]. Rys. 3.9 Rozwój wytrzymałości na ściskanie dla różnych technologii betonu [21] W przypadku betonów wysokowartościowych modyfikowanych tak mikrokrzemionką, jak i domieszkami upłynniającymi, różnice w wytrzymałości na ściskanie, uwarunkowane np. rodzajem stosowanego kruszywa mogą być znacznie większe, niż w betonach zwykłych. Istotną rolę odgrywa tutaj omawiana wcześniej przyczepność mechaniczna i chemiczna zaczynu cementowego od ziarn kruszywa [15]. Betony wysokiej jakości w odróżnieniu od zwykłych, charakteryzują się znacznie większym ciepłem hydratacji podczas wiązania i twardnienia. Prowadzi to do obniżenia faktycznej wytrzymałości betonu wewnątrz ustroju, nawet o kilkanaście procent. Właściwość ta powinna być bezwzględnie ujęta w stadium projektowym. Osiągane wskaźniki zmienności wytrzymałościowej betonów wysokowartościowych okazją się być relatywnie niższe od typowych wartości tych wskaźników dla betonów zwykłych. Betony wysokiej jakości w zakresie niektórych cech wykazują pewną odmienność. Dla przykładu prześledźmy wzrost wytrzymałości na rozciąganie bezpośrednie BWW. Betony te charakteryzują się niższym w stosunku do betonów zwykłych wskaźnikiem kruchości f r / f c [13]. Przechodząc do kolejnej cechy betonów stwierdzić należy, iż skurcz ma inny przebieg w betonach wysokowartościowych, a inny w betonach zwykłych. Skurcz hydratacyjny jest szybszy i może spowodować, w przypadku ograniczenia możliwości odkształceń, dodatkowe naprężenia we wczesnym okresie dojrzewania. Skurcz całkowity jest mniejszy, ponieważ skurcz spowodowany wysychaniem jest zredukowany mniejszą ilością wody zarobowej i szczelnością zaprawy [31]. Proporcje kruszywa, cementu i wody w mieszance betonowej również wpływają na skurcz. Różnica odkształceń skurczowych betonów zwierających objętościowo 80 i 60% tego samego kruszywa jest nawet kilkakrotna, co pokazano na rysunku 3.11.

8 3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 8 Rys Wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie bezpośrednie betonów zwykłych i wysokiej wytrzymałości [13] Rys Wpływ W/C i zawartości kruszywa na skurcz betonu [45] Istotny wpływ na wielkość skurczu ma także zawartość wody w mieszance betonowej. Na przykład konsystencja plastyczna mieszanki betonowej warunkuje o 1/4 wyższe odkształcenia skurczowe w stosunku do betonu o konsystencji wilgotnej. Dlatego też stosuje się dodatki uplastyczniające pośrednio redukujące odkształcenia skurczowe, poprawiając urabialność i zwiększając plastyczność mieszanki betonowej bez zmiany pozostałych składników [61]. Betony modyfikowane mikrokrzemionką, jak i superplastyfikatorem w odróżnieniu od betonów zwykłych pozwalają na znaczne oszczędności na gabarytach konstrukcji, elementów, a co za tym idzie na ciężarze i samym materiale [37]. Rys Przekrój poprzeczny słupów o równoważnej nośności [37]

9 3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 9 Rys Ciężar 1 m słupa o równoważnej nośności [37] 3.3 Eliminacja defektów struktury betonów zwykłych Struktura materiału jest niezwykle istotnym czynnikiem bezpośrednio wpływającym na właściwości i funkcje użyteczne materiałów. Charakteryzuje ją szeroki zakres możliwych zmian i modyfikacji. Stąd sterowanie właściwościami materiału poprzez strukturę jest najczęściej bardziej ekonomiczne niż na drodze zmiany składu chemicznego [40]. W technologii betonu procedura postępowania prowadząca do uzyskiwania betonów wysokiej jakości, uwarunkowana jest doborem składników mieszanki betonowej, parametrami procesu wytwarzania, warunkami przebiegu wiązania i twardnienia betonu, co decyduje o strukturze i właściwościach określających jakość użytkową betonu. Prowadzone badania w tym zakresie opierają się na wielu zmiennych parametrach i wzajemnie uwarunkowanych czynnikach. Przyjmuje się, iż danej strukturze betonu ukształtowanej działaniami technologicznymi, odpowiada jeden zestaw fizyko mechanicznych cech jakościowych. Tym istotniejsze jest więc ustalenie współzależności pomiędzy strukturą betonu, a jego właściwościami wytrzymałościowymi. Zależność ta jest kluczowa w zakresie kształtowania i modyfikowania struktur betonu w kierunku uzyskiwania betonów wysokich klas. Dokładne poznanie struktury betonu, szczególnie na poziomie mikrostruktury, jest utrudnione zależnością zachodzących w czasie procesów fizyko chemicznych [29]. W ujęciu technologii klasycznej wytrzymałość betonu uzależniona jest od wskaźnika W/C, stopnia hydratacji cementu, porowatości betonu i gęstości składników. By uzyskać betony wysokowytrzymałe tradycyjna technologia betonu wymaga starannego doboru składników mieszanki w skali mikro i makro z doprowadzeniem do ścisłego ułożenia składników mieszanki oraz odpowiedniej pielęgnacji twardniejącego betonu. Tak powstające tworzywo betonowe nie jest jednak wolne od wad, posiada 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. Szereg wymienionych tutaj występujących w betonie nieciągłości strukturalnych, powoduje że uzyskiwane parametry betonu wysokowartościowego są niższe, lub znacznie niższe od teoretycznie możliwych do osiągnięcia [29]. Aby otrzymać wytrzymały, niskoskurczowy, szczelny i trwały beton, należy dążyć do uzyskania optymalnego stosu okruchowego oraz niskiej lecz wystarczającej do otulenia drobnych frakcji kruszywa ilości cementu, a także do niskiego stosunku wodno cementowego [21]. Dopóki kamień cementowy będzie się charakteryzował właściwościami technicznymi niższymi niż składnik kruszywowy betonu modelowego, dotąd w odniesieniu do betonów wysokich klas obowiązywał będzie wymóg starannego doboru stosu kruszywowego z warunku minimum porowatości stosu ziarnowego, tak w skali makro (dotyczy

10 3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 10 składników betonu), jak i mikro. Prócz tego dochowane muszą być i inne uwarunkowania technologiczne prowadzące do eliminacji defektów strukturalnych betonu. Jedną z dróg prowadzących ku temu celowi stanowi ulepszanie klasycznych procedur postępowania. Mowa tu o starannym doborze jakościowym i ilościowym składników betonu, o obniżaniu W/C, aż do poziomu granicznego, o obniżeniu ilości cementu w jednostce objętości betonu (z zachowaniem minimum cementu) i innych działaniach w kierunku redukcji nieciągłości struktury betonu [29]. Wreszcie najistotniejszą drogą do otrzymania wysokiej jakości i wytrzymałości betonu jest kształtowanie szczelnej struktury zaczynu poprzez redukcję stosunku W/C oraz poprawę mikroporowatości na drodze wypełnienia stosu okruchowego fazą mikroziarnistą. W praktyce bardzo dobre rezultaty daje zachowanie konwencjonalnych zasad, przez wprowadzenie bardzo skutecznych superupłynniaczy oraz ilościowo znaczący dodatek mikrowypełniaczy, częściowo aktywnych pyłów: krzemionkowych, żużlowych lub popiołowych. Zoptymalizowany pod względem ilościowym i jakościowym dobór składników pozwala przy umiarkowanym dozowaniu cementu uzyskać dobrą urabialność (wielkość opadu stożka rzędu np cm), bardzo niską wartość W/C = oraz bardzo wysokie wytrzymałości na ściskanie w granicach MPa [13]. Modyfikacji ulega także struktura warstw stykowych, ponadto zmniejsza się ilość wiązań słabych na rzecz silnych wiązań chemicznych [29]. Decydujące znaczenie w osiągnięciu tak wyostrzonych parametrów betonu wysokowartościowego ma nowo ukształtowana mikrostruktura zaczynu, w strefie międzyfazowej zasadniczo odmienna od struktury w betonach zwykłych. Pucolanowy wypełniacz mikrokrzemionkowy reaguje tutaj z portlantydem, tworząc zwłaszcza na granicy faz zaczyn-kruszywo, w miejsce dotychczasowej pełnej defektów, inkluzji i mikropęknięć jednolitą i ciągłą fazę kontaktową [13]. Jak wynika z dotychczasowych ustaleń dotyczących eliminowania defektów strukturalnych betonów zwykłych, poprzez odpowiednią ich modyfikację, pierwszoplanową rolę odgrywają dwa procesy: redukcja W/C i redukcja porowatości. Pamiętać należy, że przy danym stopniu hydratacji, W/C określa porowatość zaczynu cementowego. Rośnie znaczenie tego wskaźnika. W tradycyjnym betonie względy technologiczne wymuszają stosunkowo wysoki jego poziom ( ) [39]. Teoretycznie przy W/C=0.4 w betonie zachodzi 100-procentowa hydratacja cementu i nie ma nadmiaru zbędnej wody. Mieszanka betonowa o takich parametrach ma konsystencję wilgotną i jest niemal całkowicie nieurabialna [21]. Obniżenie wskaźnika cementowego wymaga tutaj np. technologii wymuszających mechaniczne zbliżenie cząsteczek. W niniejszym opracowaniu przyjrzymy się jednak bliżej uwarunkowaniom, możliwościom i rezultatom wynikającym ze stosowania superplastyfikatorów i mikrokrzemionki. Stosowane łącznie przyczyniają się np. do zdecydowanej redukcji wskaźnika wodno cementowego [39]. Działania technologiczne zmierzające do jego radykalnej redukcji oraz wysoki dodatek pyłów krzemionkowych, wpływają na ukształtowanie nowego rodzaju szczelnej i bardzo jednorodnej mikrostruktury zaczynów i betonów. W efekcie czego beton wysokowartościowy nabiera bardzo korzystnych właściwości wytrzymałościowych, stając się wysokiej jakości materiałem konstrukcyjnym nowej generacji. Dodać należy, że aby osiągnąć na budowie beton o wytrzymałości rzędu 100 MPa wymaga się wysokiej dyscypliny wykonawczej, a do wykonawcy należy właśnie przestrzeganie tych ostrych reżimów technologicznych [13]. 3.4 Trwałość podstawowy wyznacznik modyfikacji cech betonu Konwencjonalna technologia betonu okazuje się być niewystarczająca w kontekście zwiększających się obciążeń oddziałujących na elementy betonowe, oraz uwzględniając tendencję do uzyskiwania lekkich, smukłych konstrukcji. Niezwykle istotnym czynnikiem jest w tym względzie agresja chemiczna związana ze środowiskiem zewnętrznym. W związku z tym beton o podwyższonej trwałości to beton poddany modyfikacji w taki sposób, by charakteryzowała go wysoka szczelność tak wobec cieczy, jak i gazów oraz mrozo i chemoodporność przy zdecydowanie wyższej smukłości elementów konstrukcji, niż w przypadku betonu tradycyjnego. Aby uzyskać wyżej wymienione efekty niezbędne jest zastosowanie odpowiednich dodatków i domieszek do betonu pozwalających zwielokrotnić trwałość tego tworzywa. Dość powiedzieć, że beton tradycyjny nawet o relatywnie wysokiej wytrzymałości na ściskanie jest materiałem bardziej podatnym na filtrację wody i agresję chemiczną, przez co w dłuższej perspektywie czasu wymagającym wyższych nakładów niezbędnych, by zachować swe cechy wyjściowe. Poniżej zilustrowane zostały możliwości współczesnej technologii betonu, w zależności od czynnika modyfikującego (mikrokrzemionka, domieszki chemiczne), zorientowanej na jego trwałość [21,60].

11 3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 11 Rys Możliwości współczesnej technologii betonu w zakresie kształtowania jego trwałości i cech mechanicznych [21] O trwałości betonu decyduje jego szczelność, brak mikrospękań i rys. Betony wysokowartościowe cechują się dużą szczelnością i jednorodnością struktury, amorfizacją hydratów, dodatkami i domieszkami, eliminacją porów kapilarnych, co zwiększa ich odporność na wpływy klimatyczne i chemiczne. Zwiększona zdolność do wbudowywania obcych jonów i wysoka redukcja przenikalności chlorków zwiększa odporność na silne oddziaływanie chemiczne, np. na długotrwałe działanie kwaśnych wód wysokosiarczanowych i na pęcznienie związane z korozją alkaliczną [31,34]. Bardzo istotną dla osiągnięcia wysokiej szczelności struktury jest zdolność do zamykania porów mikrostrukturalnych o szerokim zakresie wymiarów, w ciągu kilkudziesięciu dni hydratacji. Jest to rezultatem przejścia od bogatego w krzemionkę żelu w różnorodne morfologicznie typy C S H, charakteryzujące się już po około 90 dniach bardzo wysokim wzrostem szczelności. Rys Redukcja mikroporowatości struktury BWW jako wynik przemian fazowych w czasie [13] Znaczny wzrost szczelności w porównaniu do betonów zwykłych obserwuje się już po 72 godzinach. Potwierdzają to wyniki prób przepuszczalności wody i acetonu uzyskane w programie badawczym betonów zwykłych (NSC) i wysokiej wytrzymałości (HSC) przeprowadzonych w Darmstadt. Wyniki tych badań prezentuje kolejny wykres.

12 3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 12 Rys Przepuszczalność betonów zwykłych i wysokiej wytrzymałości na działanie wody i acetonu po 72 godzinach dojrzewania [13] Zwłaszcza ta cecha będzie wywierać zasadniczy wpływ na zdolności osłonowe betonów wysokowartościowych przed działaniem czynników korozyjnych [13]. To właśnie niska przepuszczalność redukuje do minimum niebezpieczeństwo wymywania składników stosunkowo łatwo rozpuszczalnych [Ca(OH) 2 ] i zabezpiecza przed rozluźnieniem struktury betonu [34]. Wskutek dodania drobnej krzemionki aktywnej z Ca(OH) 2, przy około stukrotnie większym rozdrobnieniu, niż ziarn cementu dochodzi do uszczelnienia zaczynu taką krzemionką [52]. Pozwala to uzyskać betony o strukturze charakteryzującej się mniejszymi wielkościami porów oraz brakiem sieci połączeń między porami kapilarnymi. Eliminuje to konieczność napowietrzania mieszanki betonowej w celu uzyskania betonu o wysokiej mrozoodporności [15]. Trwałość mrozowa ulega poprawie wraz ze wzrostem szczelności po zagęszczeniu mieszanki betonowej. Według hipotezy Powersa o mrozoodporności decyduje stosunek W/C<0,55 oraz wielkość i odległość porów powietrza równomiernie rozłożonych w zaczynie dzięki napowietrzeniu mieszanki. Rozwijając tę hipotezę Phillea twierdzi, że w betonach o wysokich wytrzymałościach, gdzie mamy do czynienia z dużą zawartością zaczynu wystarczy zachować W/C 0,35 i nie jest konieczne dodawanie domieszek napowietrzających [52]. Rys Wpływ stosunku W/C na przesiąkliwość zaczynu cementowego [52]

13 3. Beton zwykły a beton modyfikowany, specyfikacja cech 13 Według danych ze źródeł zagranicznych do określenia odporności BWW na zamrażanie i rozmrażanie potrzebna jest m.in. znajomość zależności między wielkością porów i temperaturą zamarzania wody w tych porach. Uważa się na przykład, że woda w porach o średnicach rzędu 2 50 mikrometrów zamarza w temperaturze -23 o C. A zatem w przypadku BWW, gdy rozmiary porów są mniejsze w porównaniu z betonem zwykłym, zjawisko zamarzania wody w porach podczas normowego badania mrozoodporności może nie zachodzić wcale, bądź zachodzić w niewielkim stopniu. Jednakże do wyjaśnienia całości zagadnień związanych z odpornością BWW na zamarzanie potrzebne są dalsze badania [15]. Kolejną różnicą w aspekcie trwałości między betonem zwykłym, a betonem modyfikowanym jest podatność na karbonizację. Większa szczelność struktury betonu modyfikowanego utrudnia wnikanie CO 2, co rzutuje na niemal całkowity brak objawów karbonizacji w tych betonach [31]. W betonach wysokowartościowych ponadto ze względu na wysoki udział cementu obniża się podatność na ten proces [34]. Ze względu na stosowanie pyłów krzemionkowych, zmniejsza się ph betonu i może się zwiększyć podatność zbrojenia na korozję, lecz równocześnie towarzyszy temu wzrost odporności elektrycznej betonu, a co za tym idzie i odporności na korozję [31]. Obserwuje się także odmienne zjawiska związane ze skurczem BWW i betonów zwykłych. Skurcz hydratacyjny jest szybszy i może spowodować wskutek ograniczenia swobody odkształceń dodatkowe naprężenia we wczesnym stadium dojrzewania. Mimo to wielkość skurczu całkowitego jest niższa ze względu na to, że skurcz spowodowany wysychaniem jest znacznie niższy ze względu mniejszą ilość wody zarobowej i szczelność zaprawy [31]. Dodatek mikrokrzemionki zmniejsza odkształcenie skurczowe zaczynu cementowego. Natomiast domieszki uplastyczniające i upłynniające redukują odkształcenia skurczowe w sposób pośredni, poprawiając urabialność i zwiększając plastyczność mieszanki betonowej bez zmiany pozostałych składników [61]. Również dodatek włókien tak stalowych, jak i syntetycznych wpływa na modyfikację właściwości betonu zmierzającą w kierunku wzrostu jego trwałości. Dla przykładu poprawa ścieralności w odniesieniu do betonów konwencjonalnych sięga kilku kilkudziesięciu procent. Betony zbrojone włóknem stalowym odporne są ponadto na nagłe zmiany temperatury [23]. Obserwuje się także wzrost odporności na przemarzanie i korozję. Dzięki zastosowaniu włókien uzyskano ponadto zdecydowaną poprawę udarności i odporności na obciążenia zmęczeniowe [51]. Modyfikacja poszczególnych cech betonu mająca na celu także wzrost trwałości tego tworzywa została tutaj jedynie zarysowana. Bliżej o tym zagadnieniu mowa będzie w kolejnych rozdziałach opracowania, gdyż jest to niezwykle istotna dziedzina wyznaczająca kierunki rozwoju współczesnej technologii betonu.