Domieszki do betonu to substancje

Transkrypt

1 dr hab. inż. Jacek Gołaszewski, prof. nzw. PŚl* Współpraca domieszek z cementami Domieszki do betonu to substancje chemiczne dodawane w ilości nie większej niż 5% masy cementu. Umożliwiają kształtowanie właściwości mieszanki betonowej i/lub betonu, a w konsekwencji uzyskanie korzystnych efektów, z których za najważniejsze uważa się: redukcję ilości wody w mieszance; poprawę właściwości reologicznych (urabialności) mieszanki; sterowanie czasem wiązania cementu i prędkością przyrostu wytrzymałości betonu; ograniczenie zmian objętościowych betonu oraz zwiększenie jego wytrzymałości i trwałości [1, 2]. Na rynku dostępnych jest wiele różnych domieszek, różniących się istotnie efektami działania, składem i właściwościami (tabela). Zwykle modyfikują one kilka cech mieszanki lub stwardniałego betonu, przy czym możliwe jest, że poprawiając jedną, pogarszają inne (tabela). Skuteczność działania domieszek zależy od wielu czynników technologicznych, a optymalny ich dobór stanowi jeden z najważniejszych problemów w technologii betonu. * Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa Efektywność działania domieszek Skuteczność działania domieszek chemicznych można zdefiniować jako kryterium i charakterystykę jakości ich działania ze względu na funkcję i związany z nią podstawowy efekt działania [3]. Efekt podstawowy jest rozumiany jako efekt działania domieszki odpowiadający jej funkcji i będący bezpośrednią konsekwencją fizycznego mechanizmu jej działania. Zwykle przy ocenie efektywności działania domieszki i jej stosowaniu należy uwzględnić efekty drugorzędne, ze względu na możliwy niekorzystny wpływ domieszki na ważne cechy mieszanki betonowej i/lub stwardniałego betonu. Efektywność działania domieszek chemicznych należy rozpatrywać w aspektach technicznym, technologicznym i ekonomicznym [3]. Efektywność techniczną można wyznaczyć jako iloraz wymaganego efektu podstawowego, czyli zmiany właściwości mieszanki betonowej i/lub stwardniałego betonu oraz minimalnej ilości domieszki koniecznej do jego wywołania. Efektywność ekonomiczną wyznacza się jako koszt jednostki efektu podstawowego modyfikacji domieszką. Efektywność technologiczna to łatwość i bezpieczeństwo stosowania domieszki oraz wrażliwość efektów jej stosowania na zmiany warunków technologicznych. W praktyce o wyborze domieszki decydują głównie aspekty ekonomiczne i techno- Najczęściej stosowane domieszki, ich skład oraz efekty podstawowe i drugorzędne Domieszka Substancja (rodzaj) Efekt podstawowy Efekty drugorzędne Plastyfikatory Superplastyfikatory Domieszki zwiększające lepkość Domieszki opóźniające wiązanie i twardnienie Domieszki przyspieszające wiązanie i twardnienie Domieszki napowietrzające kwasy lignosulfonowe i ich sole (Ca, Na, Mg, NH4) kwasy hydroksykarboksylowe i ich sole (zawierające grupy (OH), (COOH)) sole sulfonowanych naftalenowo-formaldehydowych polimerów (SNF) sole sulfonowanych melaminowo-formaldehydowych polimerów (SMF) polimery karboksylowe (polimery i kopolimery karboksylowych kwasów akrylowych (PC) oraz polimery usieciowane (CLPC)) etery karboksylowe (PE) inne substancje o bliżej nieokreślonych właściwościach i charakterystykach syntetyczne i naturalne polimery organiczne etery celulozy, politlenek etylenu, polikryloamidy, polialkohol winylowy organiczne rozpuszczalne w wodzie flokulanty kopolimery styrenowe z grupami karboksylowymi, syntetyczne polielektrolity, naturalne gumy kwasy fosforowe i ich sole heptaoksotetraborany fluorki tlenki metali Pb, Zn lignosulfoniany cukry proste i złożone glukoza, sacharoza kwasy i sole kwasów hydroksykarboksylowych chlorki nieorganiczne sole sodu i potasu, szczególnie siarczany, w mniejszym stopniu węglany azotki i azotany organiczne tri etanoloamina, mrówczan sodu lub wapnia tłuszcze i oleje pochodzenia zwierzęcego lub roślinnego oraz kwasy tłuszczowe naturalne żywice dające z CaO sole kwasów żywicznych lub z dodatkiem NaOH, mydła kwasu żywicznego sole sodowe lub potasowe kwasów sulfonowych lub alkilosiarkowych. uplastycznienie mieszanki zmiana właściwości reologicznych mieszanki upłynnienie mieszanki znacząca zmiana właściwości reologicznych mieszanki zwiększenie lepkości zmiana właściwości reologicznych mieszanki zmniejszenie segregacji i bleedingu mieszanki czas wiązania ciepło hydratacji wczesna i długoterminowa wytrzymałość na ściskanie czas wiązania ciepło hydratacji wczesna i długoterminowa wytrzymałość na ściskanie zawartość powietrza w mieszance rozkład porów w mieszance i stwardniałym betonie czas początku wiązania cementu zawartość powietrza w mieszance czas początku wiązania cementu zawartość powietrza w mieszance właściwości reologiczne mieszanki czas początku wiązania cementu zawartość powietrza w mieszance właściwości reologiczne mieszanki zawartość powietrza właściwości reologiczne mieszanki zawartość powietrza właściwości reologiczne mieszanki wytrzymałość na ściskanie 89

2 logiczne, a ich spełnienie oznacza uzyskanie zamierzonego efektu stosowania domieszki najmniejszym kosztem. Warunkami koniecznymi do osiągnięcia oczekiwanego rezultatu modyfikacji właściwości mieszanki betonowej i/lub betonu domieszkami są prawidłowe zaprojektowanie składu modyfikowanego betonu oraz prawidłowa technologia wykonania betonu. W przypadku źle zaprojektowanego lub wykonanego betonu nie należy oczekiwać, że domieszki przyniosą pożądane efekty. Żadna domieszka nie zmieni złego betonu w dobry. Czynniki technologiczne wpływające na efektywność domieszek Skuteczność działania domieszek zależy od wielu czynników technologicznych, z których najistotniejsze to [2, 4, 5, 6]: właściwości domieszki skład chemiczny, koncentracja substancji aktywnej, masa cząsteczkowa i budowa strukturalna polimerów w niej zawartych; skład chemiczny i mineralny (przede wszystkim zawartość C 3 A, Na 2 O e, SO 3 w cemencie i rodzaj siarczanu wapnia) oraz powierzchnia właściwa cementu i rodzaj cementu (rodzaj i ilość dodatków mineralnych); ilość dodanej domieszki; obecność w mieszance innych domieszek chemicznych; rodzaj i właściwości dodatków mineralnych, w szczególności dodatków aktywnych chemicznie; skład mieszanki (stosunek w/c, rodzaj i uziarnienie kruszywa, stopień wypełnienia stosu okruchowego kruszywa zaczynem lub zaprawą); moment dodania domieszki w stosunku do zmieszania cementu z wodą; czas mieszania; temperatura mieszanki. Każdy z wymienionych czynników wpływa na skuteczność działania domieszek, przy czym może się ona zmienić znacznie w wyniku interakcji tych czynników (rysunek). Szczególnie ważna jest zależność efektów działania domieszek od właściwości cementu, czyli tzw. kompatybilność domieszki z cementem. Schemat powiązań pomiędzy podstawowymi czynnikami wpływającymi na efektywność działania domieszek oraz właściwości mieszanki betonowej i stwardniałego betonu Kompatybilność domieszki z cementem i jej istota W ujęciu technicznym za kompatybilną z cementem należy uznać taką domieszkę, której stosowanie umożliwia uzyskanie wymaganych właściwości mieszanki i/lub stwardniałego betonu, ale z najmniejszym jej dodatkiem oraz przy minimalnych efektach ubocznych. W ujęciu ogólnym takie podejście należy uzupełnić o aspekt ekonomiczny, a więc najmniejszy koszt uzyskania oczekiwanego efektu oraz aspekt technologiczny, czyli m.in. wrażliwość domieszki na zmiany warunków jej stosowania (np. zmiany składu i właściwości składników betonu, temperatury), dokładność i sposób dozowania oraz bezpieczeństwo stosowania. Podstawą doboru cementu są przede wszystkim wytrzymałość betonu, wymagania dotyczące rodzaju i warunków wykonywania konstrukcji oraz eksploatacji, w tym głównie rodzaju korozyjnego oddziaływania środowiska. Wymagania te determinują klasę i rodzaj cementu. Często określają również jego skład chemiczny i fazowy oraz właściwości fizykochemiczne. Dobór domieszki dokonywany jest zazwyczaj po wcześniejszym wybraniu określonego cementu, tak więc dobiera się domieszkę kompatybilną z tym cementem. Należy przy tym zaznaczyć, że zwykle pozostają pewne, czasem nawet duże, możliwości optymalizowania układu cement domieszka. W praktyce rzadko jest to wykorzystywane, choć takie podejście może prowadzić do uzyskania znaczących efektów technicznych i ekonomicznych [4, 6]. Istotę problemu kompatybilności cementu i domieszki stanowi interakcja procesu hydratacji cementu i mechanizmu działania domieszki. Może ona wpływać, i zazwyczaj wpływa, na efektywność działania domieszki, proces hydratacji cementu oraz rodzaj i właściwości produktów, wodożądność, czas wiązania cementu i ilość ciepła wydzielanego w poszczególnych okresach hydratacji, a wreszcie na mikrostrukturę, wytrzymałość i trwałość stwardniałego zaczynu cementowego i betonu. Z praktycznego punktu widzenia rozpoznanie mechanizmu tej interakcji pozwolić może na przewidywanie efektów działania domieszek i ich wpływu na właściwości betonu (nawet wtedy, gdy stosuje się jednocześnie kilka domieszek), uniknięcie problemów związanych z doborem optymalnego układu cement domieszka, skuteczne modyfikowanie właściwości mieszanki i betonu z uwzględnieniem specyficznych warunków technologicznych, rozwój i wprowadzanie nowych rodzajów sku- 90

3 teczniejszych domieszek, optymalizację składu cementu, a w konsekwencji produkcję lepszego betonu. Opis mechanizmu interakcji domieszki i cementu wymaga, jak stwierdzono wcześniej, rozpoznania mechanizmu działania domieszki, wpływu procesu hydratacji cementu na mechanizm jej działania oraz obecności domieszki na przebieg i produkty procesu hydratacji cementu. Jest to zadanie niezwykle skomplikowane. Efektywność domieszek zależy od ich składu chemicznego, koncentracji substancji aktywnej, masy cząsteczkowej i budowy strukturalnej polimerów w nich zawartych. Domieszki mogą pozostawać w zaczynie w stanie wolnym (w stanie stałym lub częściej rozpuszczonym), adsorbować na powierzchni ziaren cementu i produktach hydratacji, istotnie wpływając w ten sposób na przebieg procesu hydratacji i powstające w jego wyniku produkty bądź tworzyć ze składnikami cementu lub produktami ich hydratacji nowe związki chemiczne. W zależności od tego w różny sposób i z różną intensywnością wpływają na przebieg procesu hydratacji cementu. Skład i właściwości cementu determinują przebieg procesu hydratacji i powstające w jego trakcie produkty hydratacji, co może bardzo silnie wpływać na mechanizm działania domieszki. Pomimo wielu badań, mechanizm działania żadnej z obecnie stosowanych domieszek, choć ogólnie znany, nie został rozpoznany ilościowo w stopniu wystarczającym do praktycznego stosowania. Zagadnienie to jest w dalszym ciągu przedmiotem intensywnego zainteresowania badawczego, czego efektem są liczne publikacje naukowe i techniczne. Trudności, jakie należy przy tym pokonać, dobrze ilustruje przykład najlepiej dotychczas zbadanego mechanizmu działania superplastyfikatorów. Powszechnie przyjmuje się, że działanie superplastyfikatorów polega na ich adsorpcji na powierzchni ziaren cementu i produktach hydratacji, a następnie deflokulacji ziaren cementu w zaczynie w wyniku odpychania elektrostatycznego i efektu sterycznego oraz w mniejszym stopniu w wyniku zmniejszenia napięcia powierzchniowego wody i efektu smarnego [1 7]. Efektywność superplastyfikatorów zależy od ich składu chemicznego, budowy strukturalnej i masy cząsteczkowej zawartych w nich polimerów. Każdy z obecnie stosowanych rodzajów superplastyfikatorów łączy w sobie w różnym stopniu podstawowe mechanizmy działania, np. superplastyfikatory SNF i SMF działają przede wszystkim przez efekt elektrostatycznego odpychania, natomiast w przypadku superplastyfikatorów PC i PE dominuje efekt steryczny, a pozostałe z wymienionych mechanizmów występują w mniejszym stopniu. Superplastyfikatory adsorbują na fazach mineralnych cementu oraz produktach hydratacji cementu, wykazując przy tym preferencję do adsorpcji na fazie C 3 A, w początkowym okresie hydratacji najbardziej reaktywnej fazie mineralnej cementu, oraz na produktach jej hydratacji. W ten sposób superplastyfikatory blokują zarodnikowanie i hamują wzrost hydratów, pośrednio istotnie wpływając na przebieg procesu hydratacji. Efekt ten jest tym większy, im większa jest powierzchnia właściwa cementu. Ważnym czynnikiem wpływającym na efektywność superplastyfikatorów jest zawartość alkaliów w cemencie, bowiem wpływają one na zdolność absorpcyjną superplastyfikatorów. W przypadku SNF stwierdzono, że optymalna zawartość alkaliów, ze względu na ich skuteczność, to 0,5 0,7% Na 2 O e, natomiast skuteczność PC i PE jest tym większa, im mniej alkaliów w cemencie. Ważna jest nie tylko całkowita absorpcja superplastyfikatora, ale również jego ilość pozostająca niezaadsorbowana w zaczynie im jest go więcej, tym lepsze utrzymanie efektu upłynnienia w czasie. Wreszcie efektywność superplastyfikatorów zależy od rodzaju regulatora wiązania i stopnia odwodnienia gipsu. Wszystkie wymienione czynniki są ze sobą ściśle powiązane, a wpływ na mechanizm interakcji cementu z superplastyfikatorem mogą mieć także inne czynniki technologiczne, np. sposób dodawania superplastyfikatora, czas mieszania czy temperatura. Badania mechanizmu interakcji cement superplastyfikator omówiono szczegółowo m.in. w pracach [4, 6, 7]. Podjęto wiele prób powiązania mechanizmu działania superplastyfikatora z efektem upłynnienia [8 11]. Zależności te wykorzystano do opracowania przedstawionego w [11] modelu, pozwalającego na przewidywanie zmian granicy płynięcia zaczynu w wyniku dodania superplastyfikatora na podstawie jego wpływu na siłę działającą między ziarnami cementu. Model ten nie jest skomplikowany matematycznie, ale wyliczenie siły działającej pomiędzy ziarnami cementu, a tym samym określenie efektu działania superplastyfikatora na właściwości reologiczne zaczynu wymaga doświadczalnego określenia wielu parametrów opisujących złożony układ, jakim jest hydratyzujący cement w obecności superplastyfikatora. Sprawia to, że jego praktyczna przydatność jest wątpliwa. Prostsze, określone doświadczalnie zależności pozwalające na wstępną ocenę współdziałania cementu z superplastyfikatorem przedstawiono w przypadku superplastyfikatorów SNF w pracy [12] oraz superplastyfikatorów PC i PE [13]. W obu przypadkach posłużono się współczynnikami opracowanymi na podstawie analizy danych doświadczalnych, umożliwiającymi jakościowe porównanie ze sobą podatności na upłynnienie za pomocą superplastyfikatorów mieszanek z różnymi cementami CEM I. W przypadku superplastyfikatorów SNF współczynnik F f wylicza się z wzoru: F f = a C 3 A + C 4 AF gdzie: C 3 A zawartość C 3 A w cemencie [%]; C 4 AF zawartość C 4 AF w cemencie [%], współczynnik a zależy od miałkości cementu i wynosi 1, 2, lub 3. Natomiast w przypadku superplastyfikatorów PC i PE współczynnik F g wylicza się z wzoru: F g = 3, S wc (0,25 C 3 A + 2,33 Na 2 O e ) gdzie: C 3 A zawartość C 3 A w cemencie [%]; Na 2 O e zawartość Na 2 O e w cemencie [%]; S wc powierzchnia właściwa cementu [m 2 /kg]. Potrzebne do wyliczenia współczynników dane to podstawowe parametry cementu podawane przez każdego producenta. Im wartość współczynników F f if g jest większa, tym większą ilość superplastyfikatora trzeba dodać w celu uzyskania wymaganego upłynnienia mieszanki, co oznacza, że kompatybilność superplastyfikatora z cementem jest mniejsza. Należy przy tym zaznaczyć, że oba współczynniki nie pozwalają na ilościowe określenie wielkości dodatku superplastyfikatora. Ich stosowanie ułatwia dobór cementu, ale nie eliminuje konieczności doświadczalnego badania kompatybilności superplastyfikatora z cementem. Badanie kompatybilności domieszek z cementem Niepełne rozpoznanie mechanizmu działania domieszek i ich interakcji z procesem hydratacji cementu oraz fakt, że zwykle informacje podawane przez pro- 91

4 ducentów na temat składu i właściwości domieszek są szczątkowe, sprawiają, że w praktyce stosowanie domieszek opiera się na doświadczalnych badaniach ich efektywności i kompatybilności z cementami. Efektywność działania domieszek powinna być wyznaczana jako funkcja określonych, występujących w danej sytuacji czynników technologicznych. Mnogość czynników technologicznych wpływających na efektywność działania domieszek i ich wzajemne interakcje utrudniają badanie i ocenę ich kompatybilności z cementem. Wyniki badań są w pełni przydatne do bezpośredniego zastosowania tylko pod warunkiem właściwej identyfikacji warunków wykonania betonu i w ograniczonym stopniu mogą być stosowane w warunkach odmiennych. Szczególną uwagę należy zwracać na zmianę właściwości składników mieszanki, stosowanie różnych dodatków i domieszek oraz zmianę temperatury. Badania kompatybilności domieszki z cementem powinno się wykonywać za każdym razem, gdy zmieniają się warunki wykonania betonu. W tym aspekcie bardzo przydatne i efektywne okazuje się stosowanie planów badań opartych na statystycznych procedurach optymalizacji doświadczalnej lub metodach powierzchni odpowiedzi. Badania są planowane w przestrzeni wieloczynnikowej, obejmującej w przewidywanym zakresie zmienności wszystkie czynniki technologiczne wpływające na efektywność działania domieszki. Przydatne mogą być np. plany badań przedstawione w [14, 15] lub standardowo umieszczane w programach do analiz statystycznych. W wyniku takich badań określana jest funkcja współdziałania (kompatybilności) badanych układów cement domieszka lub funkcja efektywności działania domieszki (jeśli wcześniej określono rodzaj cementu) w układzie zmiennych czynników technologicznych. Korzystając z takiej funkcji, można dla danych warunków wybrać optymalny układ cement domieszka lub optymalną domieszkę oraz dokonać odpowiednich działań korygujących w przypadku gdy warunki te zmieniają się w przyjętym wcześniej zakresie. Przy doborze kompatybilnego układu cement domieszka szczególną uwagę należy zwrócić na metodę pomiaru efektu podstawowego i efektów drugorzędnych. Sposób ten powinien charakteryzować się adekwatnością metodyki pomiaru efektu podstawowego do jego natury oraz wymaganą dokładnością i powtarzalnością, jednocześnie będąc możliwie prostym i tanim. Ogólnie przyjmuje się, że w przypadku określania właściwości reologicznych mieszanek betonowych najlepiej stosować techniki z wykorzystaniem specjalnych reometrów [16]. Zebrane dotychczas doświadczenia ze stosowania takich urządzeń do oceny efektywności domieszek uplastyczniających i upłynniających wykazują dużą dokładność i wiarygodność wyników. Ze względu na stopień skomplikowania pomiaru i koszt reometru w większości przypadków jego stosowanie nie jest celowe, a badania mogą być wystarczająco skutecznie wykonane testami technicznymi, np. testem opadu stożka lub rozpływu. Testy reometryczne są natomiast zwykle konieczne w przypadku projektowania mieszanek betonowych o specjalnych wymaganiach dotyczących urabialności i mieszanek betonowych betonów nowej generacji. Badanie efektów działania domieszek najlepiej wykonywać na mieszance betonowej, ale ze względu na koszty i pracochłonność rzadko są w ten sposób wykonywane. Zwykle wykonuje się je na zaczynie lub na zaprawie. Ze względu na podobieństwo zaprawy i betonu lepiej wykonywać je na zaprawach. Możliwości stosowania zapraw do przewidywania efektów działania domieszek omówiono w publikacjach [3 5]. Podsumowanie W świetle obecnego stanu wiedzy efektywność działania domieszek i ich kompatybilność z cementem należy określać doświadczalnie, kompleksowo uwzględniając wpływ czynników technologicznych w przewidywanym zakresie ich zmienności. W miarę możliwość należy stosować podejście optymalizujące nie dobór domieszki do cementu, ale układ cement domieszka. Za kompatybilną z cementem uznaje się taką domieszkę, której stosowanie umożliwia uzyskanie wymaganych właściwości mieszanki i/lub betonu, ale z najmniejszym jej dodatkiem oraz przy minimalnych efektach ubocznych. W ujęciu praktycznym uwzględnić należy aspekt ekonomiczny, a więc najmniejszy koszt uzyskania oczekiwanego efektu oraz aspekt technologiczny, czyli m.in. wrażliwość domieszki na zmianę warunków jej stosowania (np. zmianę składu i właściwości składników betonu, temperaturę), dokładność i sposób jej dozowania oraz bezpieczeństwo stosowania. Literatura [1] Neville A. M.: Właściwości betonu. Polski Cement, Kraków [2] Łukowski P.: Domieszki do zaprawy i betonu. Kraków: Polski Cement, [3] Szwabowski J., Gołaszewski J.: O ocenie efektywności działania domieszek uplastyczniających i upłynniających do betonu w świetle norm europejskich. Cement Wapno Beton, 4/1999, s [4] Gołaszewski J.: Kształtowanie urabialności mieszanki betonowej superplastyfikatorami. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Budownictwo z. 99, Gliwice 2003, s [5] Gołaszewski J.: Wpływ superplastyfikatorów na właściwości reologiczne mieszanek na spoiwach cementowych w układzie zmiennych czynników technologicznych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Budownictwo z. 106, Gliwice 2006, s [6] Kurdowski W.: Chemia cementu i betonu. Wydawnictwo Polski Cement, Wydawnictwo Naukowe PWN, Kraków, Warszawa, [7] Kucharska L.: Tradycyjne i współczesne domieszki do betonu zmniejszające ilość wody zarobowej. Cement Wapno Beton, 2/2000, [8] Nawa T., Euguchi H.: Effect of cement characteristics on fluidity of cement paste containing an organic admixture. 9th International Conference on the Chemistry of Cement, 1992, [9] Ohta A., Uomoto T.: Fluidizing mechanism of polycarboxylate-based superplasticizers for several binder materials. International Congress Creating with Concrete, University of Dundee, Dundee, UK [10] Yamada K., Hanehara S.: Working mechanism of polycarboxylate superplasticizer considering the chemical structure and cement characteristics. 11th International Congress on the Chemistry of Cement (ICCC) Cement s Contribution to the Development in the 21st Century, Durban, South Africa 2003, [11] Flatt R. J., Bowen P., Houst Y. F., Hofmann H.: Modelling interparticle forces and yield stress of cement suspensions. 11th International Congress on the Chemistry of Cement Cement s Contribution to the Development in the 21st Century, Durban, South Africa 2003, [12] Hanna E., Luke K., Perraton D., and Aitcin P. C.: Rheological Behavior of Portland Cement in the Presence of Superplasticizer., ACI SP-I 19, 1989, pp [13] Gołaszewski J.: Influence of cement properties on new generation superplasticizers performance. Construction and Building Materials, Volume 35, October 2012, str [14] Polański Z.: Metodyka badań doświadczalnych. Politechnika Krakowska, Kraków [15] Polański Z.: Planowanie doświadczeń w technice. PWN, Warszawa [16] Szwabowski J.: Reologia mieszanek na spoiwach cementowych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice

5 dr hab. inż. Zbigniew Giergiczny, prof. nzw. PŚl* Dobór cementów do klas ekspozycji wg PN-EN Znajomość podstawowych właściwości cementu pozwala na jego odpowiedni dobór do określonego zastosowania oraz prowadzenie prac i robót budowlanych na odpowiednim poziomie. Jest istotna nie tylko z technicznego punktu widzenia, ale także ekonomicznego (szersze stosowanie cementów z dodatkami mineralnymi CEM II i CEM III, większa trwałość obiektów budowlanych, mniejsza wadliwość produkowanych elementów itp). Do podstawowych właściwości cementu, których znajomość jest bardzo ważna w praktycznym stosowaniu, można zaliczyć: wodożądność i początek czasu wiązania; stałość objętości; ciepło twardnienia; wytrzymałość na ściskanie i szybkość jej narastania; odporność na agresję chemiczną. Zgodnie z PN-EN 206-1:2003 Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność, dobierając cement do określonego rodzaju betonu należy wziąć pod uwagę realizację robót, przeznaczenie betonu, warunki pielęgnowania (np. obróbka cieplna), wymiary konstrukcji (ilość ciepła wydzielana w trakcie procesu twardnienia), warunki środowiska, na które będzie narażona konstrukcja oraz potencjalną reaktywność kruszywa z alkaliami zawartymi w składnikach betonu. Norma PN-B Krajowe uzupełnienia PN-EN 206-1:2003 Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność podaje wymagania dotyczące zakresu stosowania cementów spełniających wymagania PN-EN 197-1:2012 Cement Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku oraz krajowej normy na cementy specjalne PN-B-19707:2003 Cement. Cement specjalny. Skład, wymagania i kryteria zgodności, w poszczególnych klasach ekspozycji. W tabeli 1 przedstawiono wymagania stawiane betonom w poszczególnych klasach ekspozycji. Zgodnie z PN-EN należy oczekiwać, że beton wykonany zgodnie z wymaganiami podanymi w tabeli 1 będzie trwały w środowisku, na które został zaprojektowany, pod warunkiem właściwego ułożenia, zagęszczenia, pielęgnacji, zapewnienia otulenia zbrojenia, zaprojektowania betonowej konstrukcji zgodnie z wymaganiami dla rzeczywistych warunków środowiskowych, eksploatacji konstrukcji w warunkach, na jakie została zaprojektowana oraz przestrzegania właściwej konserwacji. W tabeli 2 przedstawiono zakres i przykłady stosowania poszczególnych rodzajów cementów, w zależności od warunków oddziaływania środowiska na beton (klasy ekspozycji wg PN-EN 206-1). Zastosowanie cementu * Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa; Centrum Technologiczne Betotech Sp. z o.o. Tabela 1. Klasy ekspozycji i wymagania dotyczące betonu wg PN-EN Klasa ekspozycji Brak ryzyka korozji lub brak oddziaływania Korozja wywołana karbonatyzacją Korozja wywołana chlorkami nie pochodzącymi z wody morskiej Korozja wywołana chlorkami pochodzącymi z wody morskiej Agresja mrozowa 1) Środowisko agresywne chemicznie 2) Środowisko Mak. w/c Min. zawartość cementu [kg] Min. klasa betonu Min. napowietrzenie [%] X0 nieagresywne C12/15 XC1 suche 0, C20/25 XC2 stale mokre 0, C25/30 XC3 umiarkowanie wilgotne 0, C30/37 XC4 cyklicznie mokre i suche 0, C30/37 XD1 umiarkowanie wilgotne 0, C30/37 XD2 mokre, sporadycznie suche 0, C30/37 XD3 cyklicznie mokre i suche 0, C35/45 XS1 działanie soli zawartych w powietrzu 0, C30/37 XS2 stałe zanurzenie w wodzie 0, C35/45 XS3 strefa pływów, rozbryzgów i aerozoli 0, C35/45 XF1 umiarkowane nasycenie wodą 0, C30/37 umiarkowane nasycenie XF2 wodą ze środ- 0, C25/30 4,0 kami odladzającymi silne nasycenie XF3 wodą bez środków 0, C30/37 4,0 odladzających silne nasycenie XF4 wodą ze środkami 0, C30/37 4,0 odladzającymi XA1 słaba agresja chemiczna 0, C30/37 XA2 umiarkowana agresja chemiczna 0, C30/37 XA3 silna agresja chemiczna 0, C35/45 1) kruszywo zgodne z PN-EN 12620:2000 o odpowiedniej odporności na zamrażanie/rozmrażanie; 2) powyżej klasy ekspozycji XA1 w przypadku agresji siarczanowej należy stosować cementy SR i HSR Beton towarowy. Wymagane właściwości stwardniałego betonu w poszczególnych klasach ekspozycji są określone przez projektanta konstrukcji, natomiast właściwości mieszanki betonowej zależą od rodzaju konstrukcji, techniki układania i zagęszczania oraz warunków transportu. Przystępując do projektowania składu mieszanki betonowej, należy pogodzić te wszystkie czynniki i tak dobrać skład betonu, aby było to działanie optymalne z punktu widzenia ekonomicznego i technicznego. Zaprojektowany beton musi mieć odpowiednią konsystencję utrzymującą się w określonym czasie, wytrzymałość na ściskanie (klasę) i trwałość. Przy doborze rodzaju cementu uwzględnia się klasę betonu, którą chcemy uzyskać. W przypadku betonów niskich klas wytrzymałościowych (do C20/25) zazwyczaj stosowany jest cement klasy wytrzymałościowej 32,5 (32,5R). Następne py- 93

6 Tabela 2. Zakres i przykłady stosowania cementów w poszczególnych klasach ekspozycji [PN-EN 14216:2005] Rodzaj cementu Zakres i przykłady stosowania Cement portlandzki CEM I Cement portlandzki żużlowy CEM II/A,B-S Cement portlandzki popiołowy CEM II/B-V 32,5N,R HSR, cement pucolanowy CEM IV/A,B Cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II/A,B-M (V, S, L, LL) Cement hutniczy CEM III/A,B Cement wieloskładnikowy CEM V/A,B przydatny we wszystkich klasach ekspozycji, z wyłączeniem klasy XA2 i XA3 (potrzebne są cementy siarczanoodporne SR); cementy portlandzkie CEM I 42,5N, R i 52,5N, R są szczególnie przydatne w produkcji betonu wysokiej klasy wytrzymałościowej, produkcji wibrowanej kostki brukowej, galanterii betonowej, prefabrykacji oraz w produkcji pokryć dachowych przydatny we wszystkich klasach ekspozycji, z wyłączeniem klasy XA2 i XA3 (potrzebne są cementy siarczanoodporne HSR); cementy wyższych klas wytrzymałościowych (42,5 i 52,5) są szczególnie zalecane do produkcji dachówki cementowej, betonowej kostki brukowej, krawężników, obrzeży chodnikowych oraz elementów prefabrykowanych; polecane są do wykonywania betonów wysokich klas wytrzymałościowych (C40/C50 i wyższych) przydatny prawie we wszystkich klasach ekspozycji, z wyłączeniem klas ekspozycji XF3 XF4 (agresywne oddziaływanie zamrażania/rozmrażania przy silnym nasyceniu wodą bez środków odladzających, bądź ze środkami odladzającymi lub wodą morską); cement szczególnie przydatny w przypadku wykonywania obiektów narażonych na agresję siarczanową (oczyszczalnie ścieków, budownictwo morskie, roboty górnicze); cementy tej grupy w klasie wytrzymałościowej 42,5 mogą być z powodzeniem stosowane w produkcji galanterii betonowej i prefabrykacji bardzo bogata grupa cementów; zakres stosowania uzależniony od składu cementu; cementy zawierające popioł lotny i granulowany żużel hutniczy mają podobny zakres stosowania jak cement portlandzki żużlowy CEM II/A,B-S lub cement portlandzki popiołowy CEM II/A,B-V; cement z dodatkiem kamienia wapiennego (V-LL, S-LL) jest szczególnie przydatny do stosowania w przypadku braku zagrożenia agresją środowiska lub zagrożenia korozją (XO) lub w przypadku korozji spowodowanej karbonatyzacją (od XC1 do XC3); bardzo dobre spoiwo do prac murarskich i tynkarskich cement przydatny we wszystkich klasach ekspozycji (w klasach ekspozycji XA2 i XA3 należy stosować cement hutniczy CEM III HSR), z tym że w klasie ekspozycji XF4 zaleca się stosowanie cementu hutniczego CEM III/A o mniejszej zawartości granulowanego żużla wielkopiecowego (< 50%) i zazwyczaj w klasie wytrzymałościowej 42,5 lub 52,5; cementy hutnicze wykazują właściwości specjalne: niskie ciepło hydratacji (LH), duża odporność na korozyjne oddziaływanie środowisk agresywnych chemicznie (HSR, SR) łącznie z agresją alkaliczną (NA); szczególnie przydatne w budowie fundamentów, zapór wodnych, oczyszczalni ścieków, obiektów morskich oraz wykonywaniu betonów masywnych i do prac budowlanych w górnictwie; cement hutniczy CEM III/A 42,5 i 52,5 (R,N) może być stosowany w produkcji prefabrykatów i galanterii betonowej zakres stosowania uzależniony od zawartości dodatków mineralnych w składzie cementu; cement CEM V/A może być stosowany praktycznie we wszystkich klasach ekspozycji z ograniczeniem klasy XF3 i XF4; cement CEM V/B znajduje zastosowanie do wykonywania betonu w klasach ekspozycji X0 oraz XC1 i XC2; ze względu na podwyższoną zawartość dodatków mineralnych, cement CEM V/B jest przydatny do wykonywania konstrukcji i elementów narażonych na agresję chemiczną (klasy ekspozycji XA1, XA2, XA3); cement CEM V/A,B wysokich klas (42,5, 52,5) może być z powodzeniem wykorzystywany w produkcji betonów wysokich wytrzymałości oraz prefabrykatów i galanterii betonowej tanie, jakie sobie stawiamy, to jaki zastosować rodzaj cementu: portlandzki CEM I; portlandzki wieloskładnikowy CEM II, wieloskładnikowy CEM V, a może cement hutniczy CEM III/A, B lub cement pucolanowy CEM IV/A? Z punktu widzenia zasad projektowania nie ma żadnych przeciwwskazań, aby cementami z dodatkami mineralnymi tej samej klasy zastąpić cementy portlandzkie CEM I. Potwierdza to pokazany na rysunku 1 poziom wytrzymałości różnych cementów uzyskany na zaprawach normowych. Cechą charakterystyczną cementów z dodatkami mineralnymi jest mniejsza gęstość w porównaniu z cementami portlandzkimi CEM I, co w przypadku tego samego dozowania wagowego i tego samego stosunku w/c daje większą objętość zaczynu. W efekcie zmniejsza się tarcie między ziarnami kruszywa, co skutkuje lepszą urabialnością i pompowalnością betonu. Rys. 1. Wy trzy ma łość na ści ska nie róż nych ce men tów Beton drogowy i mostowy. Beton stosowany do budowy dróg i mostów, ze względu na warunki pracy tych obiektów, musi charakteryzować się doskonałą jakością. W związku z tym powinien być zaprojektowany z odpowiedniej jakości materiałów (cementu, kruszyw nieaktywnych), prawidłowo wykonany, bardzo dobrze zagęszczony oraz odpowiednio pielęgnowany. Wymagania dotyczące cementu i betonu zawarte w Rozporządzeniu Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej nr 735 z 30 maja 2002 są odmienne i powinny być zmienione z uwzględnieniem tych zawartych w PN-EN i doświadczeń innych krajów. W budownictwie mostowym zwłaszcza do wykonywania konstrukcji masywnych i narażonych na korozyjne oddziaływanie środowiska (fundamenty, podpory mostów) należy stosować w szerszym zakresie cementy z dodatkami mineralnymi. Kostka brukowa i inne drobnowymiarowe elementy betonowe. Obecnie nie zostały określone kryteria doboru cementów do produkcji betonowej kostki brukowej. Ogólnie przyjęte wymagania wynikają przede wszystkim z potrzeby uzyskania wysokiej wytrzymałości wczesnej oraz warunków magazynowania i paletyzowania elementów uformowanych. Biorąc to pod uwagę, zaleca się stosować w produkcji kostki brukowej cementy klas wytrzymałościowych 42,5N; 42,5R, 52,5N; 52,5R. Elementy wibroprasowane powinny charakteryzować się następującymi zmianami wytrzymałości w czasie: wytrzymałość na ściskanie po h ok. 20 MPa (możliwość paletowania); wytrzymałość po 7 dniach MPa (możliwość eksploatacji); wytrzymałość normowa po 28 dniach 60 MPa lub beton określonej klasy wytrzymałościowej w przypadku innych wymagań (zazwyczaj nie niższy od B 35). 94

7 Cementy zalecanych klas wytrzymałościowych charakteryzują się szybkim przyrostem wytrzymałości początkowej (zwłaszcza cementy o określonym poziomie wytrzymałości wczesnej R), wysoką wytrzymałością końcową oraz wysokim ciepłem hydratacji. W produkcji galanterii betonowej z powodzeniem mogą być stosowane cementy portlandzkie wieloskładnikowe CEM II/A, B i cementy hutnicze w klasie wytrzymałościowej 42,5 i 52,5. W przypadku użycia cementów z dodatkami mineralnymi uzyskuje się podwyższoną trwałość elementów wibroprasowanych oraz zmniejszoną tendencję do powstawania wykwitów węglanowych. Poziom wytrzymałości wczesnej wybranych cementów pokazano na rysunku 2. Stosowanie cementów z dodatkami mineralnymi klasy 42,5 może być szczególnie efektywne w wytwórniach dysponujących komorami do wstępnego dojrzewania (podwyższona temperatura i przyspieszona karbonizacja). Rys. 2. Wytrzymałość wczesna cementu na ściskanie Cement w budownictwie hydrotechnicznym i ekologicznym (oczyszczalnie ścieków). Cement stosowany w budownictwie hydrotechnicznym powinien charakteryzować się: niskim ciepłem hydratacji LH lub bardzo niskim ciepłem hydratacji VLH [PN-EN 14216:2005 Cement. Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów specjalnych o niskim cieple hydratacji (duże masy betonowe, duże powierzchnie); podwyższoną odpornością na działanie czynników korozyjnych (cementy SR lub HSR, cementy NA); wydłużonym początkiem wiązania (praca w terenie, dalekie odległości, warunki zabudowy). Cement taki można uzyskać na drodze modyfikacji składu mineralnego klinkieru (ograniczona zawartość C 3 S i C 3 A) lub przez wprowadzenie do składu cementu znacznej ilości dodatków mineralnych (cementy pucolanowe CEM IV, cementy hutnicze CEM III, cementy wieloskładnikowe CEM V). Właściwe stosowanie tego rodzaju cementów w budownictwie specjalistycznym zapewnia: dobrą urabialność mieszanki betonowej i zachowanie właściwości roboczych w długim okresie; stabilny przyrost wytrzymałości w długim okresie dojrzewania betonu (w przypadku stosowania cementów obserwuje się przyrost wytrzymałości nawet po kilku latach; końcowe wytrzymałości są znacznie wyższe niż określone wymaganiami norm); niskie ciepło hydratacji, co praktycznie wyklucza powstanie rys skurczowych i termicznych w trakcie wiązania i twardnienia betonu; wolny czas wiązania (początek wiązania po ok minutach; koniec po ok minutach); dużą odporność na działanie czynników korozyjnych wynikającą przede wszystkim z małej przepuszczalności betonu (wysokiej szczelności), co ściśle powiązane jest ze zmniejszeniem ilości porów kapilarnych w stwardniałym zaczynie cementowym. W przypadku stosowania cementów z dodatkami mineralnymi (CEM II CEM V) ważna jest właściwa pielęgnacja betonu, zwłaszcza w początkowym okresie twardnienia, co jest związane z wolniejszą dynamiką narastania wytrzymałości. Istnieje kilka metod pielęgnacji: tradycyjne zraszanie wodą; przykrywanie powierzchni betonu foliami i matami lub stosowanie specjalnych impregnatów powierzchniowych. W celu uzyskania odpowiedniej jakości betonu w konstrukcjach zalecane jest wydłużenie okresu mokrej pielęgnacji betonu z cementu o wysokiej zawartości dodatków mineralnych (CEM II CEM V) o 3 4 dni w stosunku do okresu pielęgnacji betonu na cemencie portlandzkim CEM I. Szczególną uwagę należy zwrócić na odpowiednią pielęgnację w okresie jesienno-zimowym (zapewnienie odpowiednio wysokiej temperatury twardniejącej mieszance betonowej). Dobre efekty przynosi wydłużenie okresu dojrzewania betonu w deskowaniu. Betony nowej generacji (SCC, BWW). W produkcji betonu samozagęszczalnego (SCC) mogą być stosowane wszystkie rodzaje cementu od CEM I do CEM V. W przypadku cementów z dużą zawartością dodatków mineralnych można wyeliminować lub ograniczyć ilość mikrowypełniacza dodawanego do składu cementu. Powinno to znacznie ułatwiać projektowanie betonu SCC. Klasa cementu zależy od wymaganej klasy betonu, aczkolwiek w praktyce bardzo trudno jest uzyskać beton klasy niższej od C 30/37 (niskie w/c w betonach SCC), ze względu na wymagania dotyczące składu betonu SCC i wysokiej jakości produkowanych cementów. W betonach wysokowartościowych (BWW) zaleca się stosowanie cementów w klasie wytrzymałościowej co najmniej 42,5. Na rynku polskim, poza cementami portlandzkimi CEM I w klasie wytrzymałościowej 42,5 (N, R) i 52,5 (N, R), dostępne są cementy portlandzkie wieloskładnikowe (CEM II/A, B) i hutnicze (CEM III/A). Ich stosowanie w technologii betonów pozytywnie wpływa na wytrzymałość końcową betonu oraz odporność na korozję chemiczną. Podsumowanie Norma PN-EN pozwala na produkcję bogatego asortymentu cementów różniących się składem i właściwościami użytkowymi, które powinny być efektywnie wykorzystane w produkcji betonów o różnym przeznaczeniu, prefabrykatów i galanterii betonowej. Właściwe stosowanie cementów wymaga znajomości ich podstawowych cech jakościowych, takich jak: stałość objętości, czas wiązania, szybkość narastania wytrzymałości, egzotermia procesów wiązania i twardnienia, odporność na agresję chemiczną. Przy wyborze cementu należy kierować się jego właściwościami użytkowymi, a nie wieloletnimi przyzwyczajeniami. W większym stopniu trzeba korzystać z dostępnej na rynku bogatej oferty cementów z dodatkami mineralnymi (CEM II CEM V), pozwalają one bowiem na osiągnięcie zamierzonych efektów technicznych, a niejednokrotnie przynoszą określone profity ekonomiczne. 95

8 dr hab. inż. Paweł Łukowski, prof. PW* Rola chemii budowlanej w kształtowaniu współczesnego betonu Chemia budowlana to stosowana nauka przyrodnicza, której przedmiotem jest natura chemiczna materiałów i procesów budowlanych [1]. Obejmuje chemiczne uwarunkowania właściwości technicznych materiałów oraz zjawisk zachodzących podczas każdego etapu ich cyklu życia od wytwarzania, przez stosowanie i użytkowanie, aż po procesy niszczenia (korozji), również w sytuacjach nadzwyczajnych. Chemia budowlana to także jedna z najbardziej dynamicznie rozwijających się gałęzi przemysłu materiałów budowlanych, obszar, który stanowi jeden z fundamentów współczesnej technologii betonu. Wzajemna synergia jest tu oczywista. Sukcesy przemysłowej chemii budowlanej są efektem postępu nauki, która z kolei odpowiada na potrzeby rynku. Współczesny beton złożony materiał kompozytowy Beton cementowy to złożony kompozyt, który od czasu wynalezienia cementu portlandzkiego uległ wielu modyfikacjom. Obecnie to zupełnie inny materiał, o zasadniczo zmienionych ulepszonych właściwościach. Najważniejszą przyczyną tej zmiany była, i pozostaje, konsekwentna modyfikacja materiałowa, pozwalająca dostosowywać beton do nowych potrzeb i wciąż trudniejszych wyzwań. Niepodważalnym dowodem na rolę modyfikacji w rozwoju betonu jest znana, opracowana przez L. Czarneckiego [2], krzywa rozwoju tego materiału (rysunek 1), z której jasno wynika, że w zasadzie wszystkie kamienie milowe na drodze postępu w technologii betonu związane są z wprowadzaniem modyfikatorów. W artykule przedstawię szczególnie spektakularne przykłady kształtowania współczesnego betonu poprzez postęp w dziedzinie chemii budowlanej. W 1889 r. profesor Alfredo Cavazzi z Uniwersytetu Bolońskiego wydał pierwszy w Europie podręcznik chemii budowlanej ( Lezione di Chimica Docimastica Fatte Nella R. Scuola * Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej Rys. 1. Krzywa rozwoju betonu wg L. Czarneckiego [2] di Applicazione per Gl ingegneri ). W Polsce natomiast pierwszy podręcznik z tej dziedziny Chemia materiałów budowlanych autorstwa profesora Włodzimierza Skalmowskiego został opublikowany siedemdziesiąt lat później. Obecnie, dobrze ugruntowana pozycja chemii budowlanej to w przeważającej mierze efekt działalności i osiągnięć profesora Lecha Czarneckiego, inspiratora powstania i głównego autora podręcznika Chemia w budownictwie. Domieszki upłynniające Spośród produktów chemii budowlanej, najbardziej spektakularny wpływ na rozwój technologii betonu wywarły niewątpliwie domieszki, bowiem ich niewielka ilość często poniżej 1% masy cementu, może być przyczyną istotnej zmiany właściwości technicznych betonu. Domieszki upłynniające mieszankę betonową (superplastyfikatory) to obecnie najbardziej rozpowszechnione modyfikatory betonu; wg niektórych oszacowań stanowią 70 75% rynku domieszek [3, 4]. Wprowadzenie w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX w. do szerokiego stosowania skutecznych superplastyfikatorów spowodowało przełom w technologii betonu, pozwalając na upowszechnienie betonu towarowego oraz rozwój prefabrykacji betonowej. Obecnie wykorzystanie domieszek upłynniających w budownictwie jest bardzo szerokie. Wykorzystując jeden z podstawowych mechanizmów upłynniania (rysunek 2), tj. elektrostatyczny lub steryczny, wspomagane ewentualnym oddziaływaniem hydrofilowym lub smarnym, domieszki upłynniające pozwalają na znaczne zmniejszenie ilości wody zarobowej, a w efekcie współczynnika woda/cement, przy zachowaniu niepogorszonej konsystencji mieszanki betonowej. Oznacza to zmniejszenie porowatości, poprawę wytrzymałości i innych ważnych cech betonu stwardniałego, w tym trwałości (rysunek 3). Chemia budowlana umożliwiła też rozwiązanie problemu związanego z praktycznym stosowaniem domieszek upłynniających nierzadko zbyt krótkiego czasu ich skutecznego działania. Stopniową utratę zdolności do upłynniania przez domieszki można przypisać w znacznym stopniu otaczaniu polimeru, zaadsorbowanego na po- Rys. 2. Mechanizmy upłynniania mieszanki betonowej przez superplastyfikatory: a) elektrostatyczny odpychanie jednoimiennych ładunków elektrycznych; b) smarny ziarna cementu pokryte warstewkami smarnymi; c) steryczny łańcuchy polimeru na powierzchniach ziaren cementu uniemożliwiają aglomerację; d) hydrofilowy zmniejszenie napięcia powierzchniowego wody Rys. 3. Wpływ domieszki upłynniającej na właściwości mieszanki i betonu [5] 96

9 wierzchni ziarna cementu, przez produkty hydratacji. W przypadku, gdy adsorpcja następuje zbyt szybko, upłynnienie mieszanki betonowej jest duże, ale krótkotrwałe. Jedno z obiecujących rozwiązań tego problemu polega na takiej modyfikacji grup karboksylowych w głównym łańcuchu polimerowym, aby utrudnić adsorpcję polimeru na ziarnie cementu (rysunek 4). W zasadowym środowisku zaczynu cementowego następuje hydroliza, w wyniku której podstawniki blokujące adsorpcję są częściowo usuwane. W ten sposób część polimeru znajduje się zawsze w fazie ciekłej i stopniowo ulega adsorpcji, utrzymując ciekłość mieszanki przez długi okres (rysunek 5). Drugą grupą domieszek, których wprowadzenie wywarło szczególnie istotny wpływ na rozwój technologii betonu, stanowią środki napowietrzające (ang. air-entraining admixtures, AEA). Gdy w latach trzydziestych XX w. eksperymentowano z różnymi środkami, mającymi wspomagać proces mielenia cementu, stwierdzono, że użycie łoju wołowego przynosi nieoczekiwany efekt w postaci poprawy trwałości mrozowej betonu. Okazało się, że zawarte w łoju substancje organiczne ulegały w trakcie przerobu saponifikacji (zmydlaniu), przekształcając się w naturalne środki powierzchniowo czynne. Efektem było napowietrzenie betonu, poprawiające jego odporność na działanie niskiej temperatury. W odróżnieniu od porów powstających w mieszance betonowej w sposób niezamierzony, czy to podczas mieszania, czy też w wyniku parowania wody zarobowej, pęcherzyki powstające z napowietrzenia mają niewielką średnicę ( µm). Równomiernie rozłożone ( µm od siebie), oddzielone i zmineralizowane przez otoczenie cienką warstewką zaczynu cementowego, w stwardniałym tworzywie pełnią rolę komór kompensujących naprężenia powstające na skutek zamarzania wody w betonie. W wyniku napowietrzenia następuje zmiana struktury betonu, skutkująca przede wszystkim poprawą mrozoodporności i zmniejszeniem nasiąkliwości materiału [7]. Mimo trwających dyskusji dotyczących szczegółowego mechanizmu zabezpieczenia betonu przed niską temperaturą, nie W artykule zasygnalizowano niektóre z osiągnięć chemii budowlanej w kształtowaniu współczesnego betonu, związane ze stosowaniem domieszek do betonu. Efektywne superplastyfikatory nowej generacji zapoczątkowały rozwój betonów nowej generacji samozagęszczalnych [9], podwodnych [10], bardzo wysokowytrzymałych, np. na proszkach reaktywnych o wytrzymałości na ściskanie MPa [11] i innych z tej grupy. Współczesna chemia budowlana nie ogranicza się, oczywiście, do domieszek. Obejmuje również dodatki polimerowe, dzięki którym uzyskuje się betony polimerowo-cementowe [12] i żywiczne [13], a także innowacje w obszarze materiałów wykończeniowych, izolacyjnych (wodo-, paro-, dźwięko- -, cieplno- itp), naprawczych i do ochrony powierzchniowej. Rozwój tego rodzaju wyrobów, ogólnie określanych pojęciem chemii budowlanej, spowodował, iż jest to wg L. Czarneckiego [1] chemia stosowana (applied chemistry), a zarazem chemia zaawansowana (advanced chemistry). Rys. 4. Mechanizm spowolnienia adsorpcji domieszki polimerowej na powierzchni ziaren cementu stopniowa hydroliza podstawników blokujących adsorpcję Rys. 5. Zmiany w czasie konsystencji mieszanki betonowej z typową polikarboksylanową domieszką upłynniającą i z domieszką o opóźnionej adsorpcji [6] Domieszki napowietrzające ulega wątpliwości, że właściwe napowietrzenie mieszanki betonowej pozwala na zdecydowaną poprawę mrozoodporności betonu (rysunek 6), co ma zasadnicze znaczenie dla jego trwałości. Wprowadzenie domieszek napowietrzających można uznać za przełom w technologii betonu, porównywalny z rozpowszechnieniem domieszek upłynniających. Rys. 6. Wpływ napowietrzenia na mrozoodporność betonu, wyrażoną liczbą cykli zamrażania-rozmrażania powodującą utratę 25% masy próbki, przy różnych wartościach współczynnika woda-cement [8] Podsumowanie Literatura [1] Czarnecki L.: Chemia budowlana w praktyce. Materiały Budowlane, 2, 2010, [2] Czarnecki L., Kurdowski W., Mindess S.: Future developments in concrete. W Developments in the Formulation and Reinforcement of Concrete, Woodhead Publishing in Materials, 2008, [3] Nocuń-Wczelik W.: Oddziaływanie wybranych domieszek do betonu na szybkość hydratacji cementu. XII Sympozjum Naukowo-Techniczne Reologia w Technologii Betonu, Gliwice, 2010, [4] Pogan K.: Zastosowanie wybranych domieszek Addiment do produkcji betonów. Sympozjum Naukowo-Techniczne Reologia w Technologii Betonu, Gliwice, 1999, [5] NevilleA. M.: Właściwości betonu. Polski Cement, Kraków, [6] Hamada D., Sato H., Yamamuro H., Izumi T., Mizunuma T.: Development of slump-controlling agent with minimal setting retardation. 7 th CAN- MET/ACI International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete (red. V. M. Malhotra), ACI International, Berlin, Niemcy, 2003, [7] Łukowski P., Wiliński D.: Współczesne domieszki napowietrzające. Materiały Budowlane, 10, [8] U. S. Bureau of Reclamation: Investigation into the effect of water/cement ratio on the freezing- -thawing resistance of non-air and air-entrained concrete. Concrete Laboratory Report No. C-810, Denver, USA, [9] Szwabowski J., Gołaszewski J.: Technologia betonu samozagęszczalnego. Polski Cement, Kraków, [10] Horszczaruk E., Łukowski P.: Betony podwodne badania i dobór składu. Inżynieria i Budownictwo, 5, 2009, [11] Zdeb T.: Ultra-high performance concrete properties and technology. Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences, Vol. 61, No. 1, 2013, [12] Czarnecki L., Łukowski P.: Polymer-cement concretes. CementWapno Beton, 5, 2010, [13] Czarnecki L.: Polymer concretes. Cement Wapno Beton, 2, 2010,

10 dr inż. Jan Bobrowicz* mgr inż. Paweł Szaj* Nowelizacja normy PN-EN * Instytut Techniki Budowlanej Prawo i regulacje krajowe PN-EN 1990 Eurokod Podstawy projektowania konstrukcji PN-EN Wykonywanie konstrukcji z betonu PN-EN 197 Cement PN-EN 1008 Woda zarobowa PN-EN Kruszywa do betonu PN-EN 450 Popiół lotny do betonu PN-EN Pył krzemionkowy do betonu PN-EN 1992 Eurokod 2 Projektowanie konstrukcji z betonu EN 206 PN-EN Mielony żużel wielkopiecowy do betonu PN-EN Kruszywa lekkie PN-EN i -2 Domieszki do betonu PN-EN Włókna do betonu PN-EN Pigmenty PN-EN Prefabrykacja PN-EN Badania mieszanki betonowej PN-EN Badania betonu stwardniałego PN-EN Ocena wytrzymałości betonu wbudowanego PN-EN Badania betonu w konstrukcji Powiązanie normy EN 206 z normami na projektowanie i wykonywanie konstrukcji oraz na surowce do betonu i badania [wg pren 206] Powszechne stosowanie betonu do wykonywania konstrukcji obiektów sprawia, że jego jakość decyduje o ich bezpieczeństwie. Pomimo ogromnej ilości betonu wbudowywanego rocznie w Europie norma EN 206 nie jest normą zharmonizowaną. Budzi to zdziwienie środowiska producentów betonu, ponieważ normy na wszystkie surowce do betonu są normami zharmonizowanymi i to zwykle z wysoko ustawionymi wymaganiami, jeśli popatrzymy na przypisany system oceny zgodności iwwiększości konieczność udziału jednostek notyfikowanych w procedurze wprowadzenia wyrobu budowlanego do obrotu. W przypadku mieszanki betonowej brak harmonizacji wynika przede wszystkim z jej specyfiki. Zmiana właściwości w czasie transportu praktycznie ogranicza możliwość przewozu tego wyrobu budowlanego na odległość większą niż 50 km i w konsekwencji nie ma barier w obrocie betonem pomiędzy krajami członkowskimi UE. Natomiast ideą podstawową w harmonizacji europejskiej jest fakt konieczności likwidacji barier przy wprowadzaniu wyrobu w innym kraju, niż ten, w którym został wyprodukowany. W przedstawionej sytuacji brak harmonizacji jest w pełni uzasadniony. W większości krajów Europy ustanowiono procedury oceny zgodności mieszanki betonowej w przepisach krajowych. W Polsce nie określono systemu oceny zgodności betonu towarowego z racji przyjętej zasady odwołania przepisów krajowych (zapisy ustawy o wyrobach budowlanych z 2004 r.) do mandatów Komisji Europejskiej na przygotowanie norm zharmonizowanych, dlatego też nie można uznać, że beton nie jest wyrobem budowlanym, lecz jedynie wyrobem budowlanym niepodlegającym rygorom ustawy o wyrobach budowlanych. Trwająca obecnie nowelizacja ustawy o wyrobach budowlanych może doprowadzić do zmiany zapisów w taki sposób, aby możliwe było określenie systemu oceny i weryfikacji stałości właściwości użytkowych na oczekiwanym przez środowisko poziomie. Wydaje się, że należy bacznie obserwować postępy prac nad ustawą, aby nie popełnić grzechu zaniechania i tak ważny z punktu widzenia bezpieczeństwa i trwałości wyrób budowlany umieścić na liście tych, które wymagają odpowiednio wysokiego poziomu oceny zgodności i weryfikacji stałości właściwości użytkowych np. poprzez obowiązkową certyfikację. Zapisy normy EN 206-1, funkcjonującej od ponad 10 lat, świadczą o tym, jak istotny jest system kontroli jakości betonu i jak wielką wagę twórcy normy przykładają do oceny systemu ZKP przez trzecią stronę. Najprościej można powiedzieć, że system oceny zgodności, jaki opisano w treści normy, jest najbliżej systemu 1+, który określała Dyrektywa budowlana 89/106/EWG, a obecnie Rozporządzenie 305/2011, zastępujące dyrektywę. System ten jest związany z koniecznością certyfikacji wyrobu i badania próbek pobieranych z produkcji przez trzecią stronę. Przez lata funkcjonowania normy EN zebrano wiele doświadczeń, które postanowiono przełożyć obecnie na zmiany podczas jej nowelizacji (rysunek). Od 1 lipca 2013 r. Dyrektywa 89/106/EWG została zastąpiona bezpośrednio przez stosowane w przepisach prawa każdego kraju członkowskiego Rozporządzenie UE nr 305/2011 (CPR) [1], które jednak będzie wykorzystywać dotychczasowy dorobek normalizacji europejskiej dotyczący wyrobów budowlanych. Oczywiście konieczne jest uzupełnienie zapisów normy o zmienione wymagania podstawowe, a także uzupełnienie o wymaganie 7, które wprowadziło Rozporządzenie 305/2011 (CPR) zatytułowane Zrównoważone wykorzystanie zasobów naturalnych w brzmieniu [2, 3, 4]: Obiekty budowlane muszą być zaprojektowane, wykonane i rozebrane po zakończeniu cyklu życia w taki sposób, aby wykorzystanie zasobów naturalnych było zrównoważone i zapewniało w szczególności: a) ponowne wykorzystanie lub recykling obiektów budowlanych oraz wchodzących w ich skład materiałów i elementów po rozbiórce; b) trwałość obiektów budowlanych; c) wykorzystanie w obiektach budowlanych przyjaznych środowisku surowców i materiałów wtórnych. Wynika z niego konieczność nowego spojrzenia także na beton. Obecnie nie ma jeszcze informacji, czy projekt normy europejskiej przeszedł pozytywnie głosowanie w CEN. Głosowanie zakończyło się w sierpniu i do końca września nie podano wyników tego głosowania. Różnice pomiędzy projektem a dotychczasową normą EN 206 dotyczą głównie wymagań na składniki stosowane do wykonywania betonu, implementacji normy EN [PN-EN 206-9:2010 Beton Część 9: Dodatkowe zasady dotyczące betonu samozagęszczalnego (SCC)], nowych wytycznych na betony do specjalnych robót geotechnicznych, zmian w kontroli zgodności oraz badaniach identyczności. Podstawowe wymagania dotyczące składników Najważniejsze zmiany w pren 206 dotyczą stosowania dodatków typu II, włókien stalowych i polipropylenowych, cementów innych niż zgodne z EN 197-1: 2012 Cement Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku oraz domieszek nieobjętych normą EN 934-2:2012 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu Część 2: Domieszki do be- 98

11 tonu Definicje, wymagania, zgodność, oznakowanie i etykietowanie. Pojawiły się również zalecenia dotyczące wymaganych właściwości kruszyw oraz reguły stosowania kruszyw grubych z recyklingu. Wydaje się, że wymagania dotyczące kruszyw to jedno z ważniejszych ustaleń tej normy zmierzających do wdrożenia 7. wymagania podstawowego. Ponadto w przypadku surowców w betonach do specjalnych robót geotechnicznych również można dopatrzyć się optymalizacji betonu w zależności od zastosowania. Cement. Do wykonywania betonu, oprócz cementów zgodnych z EN 197-1, zostały dopuszczone, na podstawie przepisów obowiązujących w miejscu stosowania, cementy glinowo-wapniowe zgodne z PN-EN 14647:2007 Cement glinowo-wapniowy Skład, wymagania i kryteria zgodności oraz supersiarczanowe zgodne z PN-EN 15743:2010 Cement supersiarczanowy Skład, wymagania i kryteria zgodności. W przypadku wykonywania elementów masywnych zezwolono na stosowanie cementów specjalnych o bardzo niskim cieple hydratacji zgodnych z PN-EN 14216: 2005 Cement Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów specjalnych o bardzo niskim cieple hydratacji. Kruszywa. W projekcie normy (Załącznik E informacyjny) znalazły się zalecenia dotyczące naturalnych kruszyw zwykłych oraz z żużla wielkopiecowego chłodzonego powietrzem zgodnych z PN-EN 12620:2013 Kruszywa do betonu (tabela 1), kruszyw grubych z recyklingu zgodnych z EN (tabela 2) oraz kruszyw lekkich zgodnych z PN-EN 13055:2006 Kruszywa lekkie Część 2: Kruszywa lekkie do mieszanek bitumicznych niezwiązanych i związanych hydraulicznie oraz powierzchniowych utrwaleń (tabela 3). Podano wymagane właściwości, których wartości powinny być deklarowane, a w niektórych przypadkach kategorie, którym powinny odpowiadać. Dodatkowo w przypadku kruszyw z recyklingu zgodnych z EN zamieszczono bardzo przydatne zalecenia dotyczące maksymalnej ilości, jaką można zastąpić kruszywo grube w zależności od klasy ekspozycji betonu (tabela 4). Domieszki. Norma dopuszcza stosowanie domieszek nieujętych w normie EN 934-2, lecz odpowiadających głównym wymaganiom EN i przepisom obowiązującym w miejscu Tabela 1. Zalecenia dotyczące naturalnych kruszyw zwykłych oraz kruszyw z żużla wielkopiecowego chłodzonego powietrzem wprowadzone do pren 206 Beton. Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność Właściwość Kategorie zgodne z EN 12620* ) Zawartość pyłów Kształt kruszywa FI 50 lub SI 55 Zawartość muszli** ) SC 10 Deklarowana kategoria lub wartość Odporność na rozdrabnianie LA 50 lub SZ 38 Gęstość w stanie suchym Deklarowana wartość Nasiąkliwość Deklarowana wartość Zawartość siarczanów rozpuszczalnych w kwasie Kruszywa naturalne: AS 0,8 Kruszywa z żużla wielkopiecowego chłodzonego powietrzem: AS 1,0 Kruszywa naturalne: S 1 Całkowita zawartość siarki Kruszywa z żużla wielkopiecowego chłodzonego powietrzem: S 2 Zawartość chlorków rozpuszczalnych w wodzie Deklarowana wartość ** ) kategoria NR (NPD) może być stosowana dla innych właściwości niewymienionych w tabeli, dla których norma EN dopuszcza taką możliwość ** ) dotyczy kruszyw wydobywanych z morza Tabela 2. Zalecenia dotyczące kruszyw grubych z recyklingu zgodnych z EN wprowadzone do pren 206 Właściwość Typ Kategorie zgodne z EN 12620* ) Zawartość pyłów A + B Deklarowana kategoria lub wartość Kształt kruszywa A + B FI 50 lub SI 55 Odporność na rozdrabnianie A + B LA 50 lub SZ 38 Gęstość w stanie suchym Nasiąkliwość A kg/m 3 B kg/m 3 Deklarowana wartość A Rc Składniki** ) 90, Rcu 95, Rb 10-, Ra 1-, FL 2-, XRg 1- B Rc 50, Rcu 70, Rb 30-, Ra 5-, FL 2-, XRg 2- Zawartość siarczanów rozpuszczalnych w wodzie A + B SS 0,7 Zawartość chlorków rozpuszczalnych w kwasie A + B Deklarowana wartość Wpływ na początek czasu wiązania A + B A 40 ** ) kategoria NR (NPD) może być stosowana dla innych właściwości niewymienionych w tabeli, dla których EN dopuszcza taką możliwość ** ) do specjalnych zastosowań wymagających wysokiej jakości wykończenia powierzchni składnik FL powinien być ograniczony do kategorii FL 0, 2 Tabela 3. Zalecenia dotyczące kruszyw lekkich zgodnych z pren wprowadzone do pren 206 Właściwość Wymaganie Gęstość ziarn Deklarowana wartość Uziarnienie Deklarowana wartość Zawartość pyłów Deklarowana wartość Nasiąkliwość (po 5, 60 i 24 h) Deklarowana wartość Odporność na miażdżenie Deklarowana wartość Zawartość siarczanów rozpuszczalnych w kwasie 0,8% masy Całkowita zawartość siarki 0,8% masy Zanieczyszczenia organiczne* ) Wymaganie zgodne z pren * ) tylko kruszywa lekkie pochodzenia naturalnego Tabela 4. Maksymalna procentowa ilość, którą można zastąpić kruszywo grube (procent masy) wg pren 206 Klasa ekspozycji Typ kruszywa recyklingowego stosowania. Dotyczy to m.in. domieszek poprawiających pompowanie czy środków regulujących lepkość. W przypadku domieszek napowietrzających wprowadzono dodatkowy zapis, że jeżeli producent domieszki nie podaje informacji na temat jej kompatybilności z innymi domieszkami, to należy potwierdzić skuteczność działania takiego układu we wstępnych badaniach betonu. Dodatki. W projekcie zezwolono na stosowanie innych dodatków typu I i II niż wymienione w normie pod warunkiem potwierdzenia ich przydatności w przepisach obowiązujących w miejscu stosowania. Zmieniono zasady koncepcji używania współczynnika k, dodając m.in. możliwość jego uwzględniania przy zastosowa- X0 XC1, XC2 XC3, XC4, XF1, XA1, XD1 Pozostałe* ) Typ A (Rc 90, Rcu 95, Rb 10-, Ra 1-, FL 2-, XRg 1- ) 50% 50% 50% 50% Typ B** ) (Rc 50, Rcu 70, Rb 30-, Ra 5-, FL 2-, XRg 2- ) 50% 50% 50% 50% ** ) Typ A kruszywo o znanym pochodzeniu może być użyte w ilości nieprzekraczającej 30% do betonu o klasie ekspozycji takiej jak klasa, na którą był zaprojektowany beton macierzysty ** ) Typ B kruszywa nie powinien być stosowany do betonów o klasie wytrzymałości na ściskanie wyższej niż C30/37 99

12 niu dodatków typu II nie tylko z cementami CEM I, lecz również z CEM II/A (podobny zapis znajduje się w krajowym uzupełnieniu PN-B-06265:2004 Krajowe uzupełnienie PN-EN 206-1:2003 Beton Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność. Dla popiołów lotnych ustalono jedną wartość współczynnika k równą 0,4 niezależnie od klasy wytrzymałości cementu oraz zmieniono granice maksymalnej, uwzględnianej ze współczynnikiem ilości popiołu na 25% masy cementu CEM II/A i 33% cementu CEM I. Zasady używania współczynnika k w przypadku pyłów krzemionkowych pozostały w zasadzie bez zmian, lecz ograniczono je tylko do produktów klasy 1 zgodnych z EN stosowanych z CEM IiCEM II/A z wyłączeniem cementów już zawierających pył krzemionkowy. Regulacje dotyczące klasy 2 pozostawiono przepisom krajowym. Nowością w projekcie normy jest rozszerzenie koncepcji współczynnika k o żużle wielkopiecowe zgodne z EN Wartość współczynnika oraz maksymalna ilość dodatku powinny zostać ustalone w przepisach obowiązujących w miejscu stosowania, ale w uwadze do tego zapisu znalazła się zalecana wartość współczynnika k wynosząca 0,6 oraz granica maksymalnej, uwzględnianej ilości dodatku równa 100% masy cementu CEM I lub CEM II/A. Norma dopuszcza modyfikację zasady stosowania współczynnika k przepisami obowiązującymi w miejscu stosowania. W projekcie normy umieszczono jeszcze dwie koncepcje stosowania dodatków do betonu: znaną z EN 206-1:2000 koncepcję równoważnych właściwości użytkowych (Equivalent Concrete Performance Concept) oraz nową koncepcję Equivalent Performance of Combinations Concept. Jednak po szczegóły dotyczące możliwości ich zastosowania projekt normy odsyła do będących w fazie opracowywania dokumentów CEN/TR. Włókna do betonu. W normie uwzględniono stosowanie włókien stalowych zgodnych z EN i polipropylenowych zgodnych z EN W przypadku zastosowań konstrukcyjnych powinny one podlegać ocenie zgodności w systemie 1, natomiast do pozostałych zastosowań w systemie 3. Norma określa tylko zasady produkcji betonu o założonej ilości włókien. Jeśli wymagane jest uzyskanie określonych parametrów konstrukcyjnych, to należy indywidualnie uzgodnić procedury badania i oceny zgodności. Włókna stalowe z powłoką cynkową nie mogą być stosowane, chyba że zostanie udowodnione, że nie zachodzi wydzielanie wodoru w betonie. Beton samozagęszczalny SCC Projekt EN ma zastąpić jednocześnie EN 206-1:2000 oraz EN-206-9:2010. W związku z tym oprócz betonów tradycyjnych objął on również betony samozagęszczalne. Wytyczne do wymagań dotyczących betonów SCC zostały bez zmian zaimplementowane do normy (Załącznik G normatywny). Zaktualizowano rozdział dotyczący właściwości świeżej mieszanki betonowej. Dodano klasy konsystencji badane rozpływem stożka wg EN (SF1, SF2, SF3) oraz inne klasy związane z betonem samozagęszczalnym: klasy lepkości mierzone czasem rozpływu stożka do średnicy 500 mm zgodnie EN (VS1, VS2) oraz czasem wypływu betonu z v-lejka zgodnie EN (VF1, VF2); klasy przepływalności mierzone metodą L-pojemnika zgodnie EN (PL1, PL2) oraz metodą J-pierścienia zgodnie EN (PJ1, PJ2); klasy odporności na segregację mierzone metodą segregacji sitowej zgodnie EN (SR1, SR2). Beton do specjalnych robót geotechnicznych W normie (Załącznik D normatywny) przedstawiono dodatkowe wymagania dotyczące specyfikacji i zgodności betonów przeznaczonych do specjalnych robót geotechnicznych, stosowanych przy wykonywaniu: pali wierconych zgodnych z EN 1536; ścian szczelinowych zgodnych z EN 1538; pali przemieszczeniowych zgodnych z EN 12699; mikropali zgodnych z EN Dopuszczono wykonywanie betonu z cementów z CEM I, CEM II/A-S i II/B-S, CEM II/A-D, CEM II/A-Pi II/B-P, CEM II/A-V i II/B-V, CEM II/A-Ti II/B-T, CEM II/A-LL, CEM II/A-M (S-V) iii/b-m(s-v), CEM II/A-M (S-LL, V-LL) i B-M (S-LL, V-LL) oraz CEM III/A, III/B i III/C zgodnych z normą EN o potwierdzonej w miejscu stosowania przydatności do odpowiednich klas ekspozycji. Pozostałe niewymienione rodzaje cementów (zgodne z EN 197-1, EN 14216, EN 14647, EN 15743) mogą być stosowane na podstawie przepisów krajowych. W normie podano wymagania przy minimalnej zawartości cementu i drobnych ziarn poniżej 0,125 mm (tabela 5) w zależności od elementu, technologii wykonania i wielkości użytego kruszywa. Ustalono wymagania dotyczące współczynnika wodno-cementowego, który nie powinien przekraczać niższej z wartości: 0,60 lub wymaganej klasą ekspozycji. W celu zminimalizowania segregacji zalecono stosowanie kruszyw otoczakowych o uziarnieniu ciągłym i o wymiarze ziarn nieprzekraczającym w przypadku: pali wierconych i ścian szczelinowych: 32 mm i 1/4 odległości w świetle prętów podłużnych; Tabela 5. Minimalna zawartość cementu i drobnych ziarn poniżej 0,125 mm w betonach do specjalnych robót geotechnicznych wg pren 206 Pale wiercone i przemieszczeniowe beton układany na sucho 325 kg/m 3 Zawartość cementu Zawartość ziarn poniżej 0,125 mm łącznie z cementem i dodatkami beton wbudowywany metodą kontraktor pod wodą lub zawiesiną stabilizującą D lower > 8 mm D upper > 8 mm kruszywo grube D lower 4 mm D upper 8 mm 375 kg/m kg/m kg/m 3 Pale przemieszczeniowe wykonywane z półsuchych mieszanek betonowych* ) Zawartość cementu 350 kg/m 3 Mikropale Zawartość ziarn poniżej 0,125 mm łącznie z cementem i 375 kg/m dodatkami 3 Ściany szczelinowe D max = 32 mm** ) 350 kg/m 3 Zawartość cementu Zawartość ziarn poniżej 0,125 mm łącznie z cementem i dodatkami kruszywo grube D max = 22,4 mm 380 kg/m 3 D max = 16 mm 400 kg/m 3 D max = 32 mm** ) kg/m 3 ** ) minimalna klasa wytrzymałości betonu C25/30 ** ) zawartość kruszywa drobnego (D 4 mm) w stosie okruchowym powyżej 40% masy 100

13 pali przemieszczeniowych: 32 mm i 1/3 odległości w świetle prętów podłużnych; mikropali: 16 mm i 1/4 odległości w świetle prętów podłużnych; wykonywania elementu metodą kontraktor: 1/6 średnicy rury wlewowej. Konsystencja mieszanki betonowej powinna być specyfikowana jako wartość rozpływu na stoliku rozpływowym i opadu lub rozpływu stożka w zależności od technologii wbudowywania betonu wg wartości podanych w tabeli 6. Projekt mieszanki powinien spełniać wymagania specyfikacji uwzględniającej konieczność uzyskania: wysokiej odporności na segregację; odpowiedniej plastyczności i spójności; dobrej przepływalności; zachowania właściwości roboczych przez wymagany technologią wykonywania czas. Propozycje receptur mieszanek betonowych należy zatwierdzić przed wbudowaniem. Tabela 6. Wartość rozpływu na stoliku rozpływowym i opadu stożka mieszanki betonowej w zależności od zastosowania wg pren 206 Rozpływ na stoliku rozpływowym zgodnie z EN [mm] Opad stożka zgodnie z EN [mm] Przykład zastosowania Beton układany na sucho Beton pompowany lub wbudowywany metodą kontraktor pod wodą Beton wbudowywany metodą kontraktor pod osłoną zawiesiny stabilizującej Kontrola zgodności i kryteria kontroli zgodności Zmieniono wymagania dotyczące częstotliwości pobierania próbek do oceny zgodności wytrzymałości na ściskanie przy certyfikowanej kontroli produkcji. W przypadku produkcji początkowej zastąpiono zapis: 2 próbki na tydzień, jedną na 3 dni produkcji, a w przypadku produkcji ciągłej zapis: 1 próbka na tydzień, jedną na 5 dni produkcji lub jedną przez kalendarzowy miesiąc. Zrezygnowano z tabelarycznego przedstawienia kryteriów zgodności dotyczących wytrzymałości na ściskanie. Podzielono je na kryteria dotyczące pojedynczych wyników badań oraz wartości średniej. Ocenę wartości średniej podzielono na 3 metody: metodę Awprzypadku produkcji początkowej, metodę B przy produkcji ciągłej oraz metodę C z zastosowaniem kart kontrolnych. Kryteria dotyczące pojedynczych wyników badań oraz wyników średnich w przypadku produkcji początkowej i ciągłej pozostały bez zmian. Zmieniono natomiast sposób weryfikacji odchylenia standardowego, rezygnując z podziału na dwie metody i ustalając nowe granice zależne od liczby wyników, z których zostało obliczone. Nowością jest metoda C bazująca na kartach kontrolnych, dotycząca tylko produkcji ciągłej przy certyfikowanej produkcji betonu. Szczegóły stosowania tej metody z zastosowaniem kart CUSUM i karty Shewharta zostały podane w załączniku H informacyjnym. Badania identyczności i pozostałe zmiany Do badań mieszanki betonowej dodano kryteria identyczności: konsystencji; zawartości powietrza oraz zwartości i jednorodności rozmieszczenia włókien. W przypadku konsystencji oraz zawartości powietrza, metody badań i kryteria są takie same jak podczas kontroli zgodności prowadzonej przez producenta. Badanie identyczności, zawartości i jednorodności rozmieszczenia włókien stalowych należy przeprowadzić zgodnie z EN 14721, włókien polipropylenowych klasy II zgodnie z EN , natomiast włókien polipropylenowych klasy Ia i Ib innymi metodami, zwalidowanymi w miejscu stosowania. Należy pobierać trzy próbki z ładunku mieszanki betonowej: z początku, środka i końca. Zawartość włókien w każdej pojedynczej próbce nie może być mniejsza niż 80%, a w przypadku wartości średniej z trzech próbek nie mniejsza niż 85% minimalnej, specyfikowanej wartości. Pomimo zasugerowania w nagłówku podrozdziału, że dotyczy on również lepkości, przepływalności i odporności na segregację, nie umieszczono w nim kryteriów do oceny identyczności tych cech. W artykule wymieniono najistotniejsze planowane zmiany. Nie wyczerpują one jednak wszystkich różnic pomiędzy normą PN-EN 206-1:2003 a nowym projektem. Pozostałe aktualizacje dotyczą m.in. specyfikacji betonu, dowodów dostawy, kryteriów zgodności konsystencji i właściwości innych niż wytrzymałość, wymagań i tolerancji urządzeń dozujących, usunięcia klas konsystencji mierzonych metodą Vebe (V0, V1, V2, V3, V4), ograniczeń w stosowaniu barwników do betonu. Podsumowanie Projekt normy EN 206 to raczej ewolucja regulacji dotyczących produkcji mieszanek betonowych niż rewolucja. Niemniej zmian jest sporo i podążają one w kierunku wykorzystania surowców regionalnych, a także proekologicznych spoiw i kruszyw z recyklingu. Przypomnieć należy, że norma PN-EN Dodatkowe wymagania dla betonu samozagęszczalnego została włączona do omawianego projektu EN 206. Mamy jednak wątpliwości, czy rozwiązano zagadnienia kontroli jakości i jednorodności mieszanek z dodatkami włókien. Uważamy też za konieczne jak najszybsze wdrożenie tej normy do praktyki, gdyż stosowanie historycznej już normy PN-B-06250:1988 nie jest uzasadnione. Mając na uwadze świetnie opracowany dokument postanowień krajowych do normy PN-EN 206-1:2003 Beton Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność, należy stwierdzić, że luki, jakie pojawiały się w użytkowanym wydaniu normy EN 206-1, praktycznie nie istnieją. Specyfika krajowa została bowiem uwzględniona w postanowieniach krajowych wydanych w 2004 r. [5], a ponadto niektóre dodatkowe zapisy projektu EN są spójne z tym dokumentem. Wskazane jest oczywiście jak najszybsze przetłumaczenie nowej wersji normy EN 206 i nowelizacja postanowień krajowych. Prace KT 274 zmierzają w kierunku pozyskania środków na tłumaczenie i przygotowanie nowej wersji postanowień krajowych. Literatura [1] Bobrowicz J., Czarnecki L., Tworek J. Wprowadzanie do obrotu wyrobów budowlanych zgodnie z Rozporządzeniem CPR 305/2011. Materiały Budowlane nr 11/ 2012, s [2] Czarnecki L., Kaproń M., Definiowanie zrównoważonego budownictwa Cz. IiII, Materiały Budowlane, 1/2010, s ; 2/ 2010, s [3] Czarnecki L., Kaproń M., Ocen środowiskowa budynków, Konferencja KRYNICA [4] Czarnecki L., Kaproń M., Piasecki M., Wall S., Budownictwo zrównoważone budownictwem przyszłości, Inżynieria i Budownictwo, nr 1/2012, str [5] Czarnecki L. i in. Pr. zbiorowa Beton wg normy PN-EN komentarz PKN i Polski Cement,

14 mgr inż. Przemysław Kamiński* Wpływ nasiąkliwości na trwałość betonu cementowego Nasiąkliwość, to ilość wody, jaką jest w stanie zaabsorbować beton przy ciśnieniu atmosferycznym. Oznaczenie nasiąkliwości betonu jest bardzo proste, gdyż nie wymaga specjalistycznego sprzętu badawczego, a jedynie wagi o odpowiedniej dokładności i zakresie pomiarowym, suszarki, termometru, naczynia wannowego i wody. Jednak to, co z pozoru wydaje się bardzo proste w teorii, w praktyce stwarza wiele problemów z kilku powodów, m.in.: nie ma dobrej, sprecyzowanej, prostej, zrozumiałej i przejrzystej procedury badawczej, na podstawie której można miarodajnie oznaczyć nasiąkliwość betonu; występuje bardzo różnorodna i zróżnicowana gama betonów, zaprojektowanych pod konkretne zastosowanie (np. betony lekkie, ciężkie, szczelne, porowate, wysokowartościowe, napowietrzane, podwodne, szybkosprawne, samozagęszczalne, sprężane, nawierzchniowe, ogniotrwałe, żaroodporne); betony mogą zawierać różne składniki, np. cementy portlandzkie, cementy portlandzkie z dodatkami, cementy hutnicze, mikrowypełniacze, kruszywa: naturalne, sztuczne, lekkie, ciężkie, domieszki chemiczne itp.; w zależności od przeznaczenia, betony mogą różnić się proporcjami surowców: wody, cementu, kruszyw; struktura betonu w dużym stopniu zależy od sposobu wbudowania, zagęszczenia i pielęgnacji; stawianie sztywnych wymagań dotyczących nasiąkliwości betonu w oderwaniu od jego rzeczywistej trwałości. Zbyt duża ilość wody zaabsorbowana przez beton jest szkodliwa podczas okresu naprzemiennego zamrażania i rozmrażania. W związku z tym jaka powinna być ta bezpieczna ilość? Odpowiedź jest indywidualna w przypadku każdego betonu. Można dyskutować na temat tego, czy nasiąkliwość rzędu 4% gwarantuje jego mrozoodporność oraz czy np. 9% świadczy o całkowitym jej braku. Oczywiście należy dążyć do minimalizacji nasiąkliwości betonu, ale nie może być to główna przesłanka do projektowania i wykonywania trwałych oraz bezpiecznych konstrukcji betonowych. W celu porównania podstawowych cech wytrzymałościowo- -trwałościowych betonu (w tym nasiąkliwości, mrozoodporności, wodoszczelności, odporności na zamrażanie i rozmrażanie w 3% roztworze NaCl) przeprowadzono badania w 25 laboratoriach w Polsce. Z jednej porcji mieszanki zaformowano, zagęszczono i pielęgnowano próbki betonowe o objętości 3,375 dm 3 wg PN-88/B Beton zwykły (zastąpiona przez PN-EN 206-1:2003). Poddano je dojrzewaniu, po czym jednocześnie wykonano oznaczenie nasiąkliwości betonu wg PN-88/B w 25 laboratoriach. Średni wynik wyniósł 4,4%, przy skrajnych wartościach od 3,6% do 5,1%. Wyniki badania mrozoodporności, gęstości, wodoszczelności * Instytut Badawczy Dróg i Mostów i odporności na zamrażanie i rozmrażanie były pozytywne i zbieżne. W przypadku gdy w badaniu byłoby postawione max kryterium nasiąkliwości wagowej 4%, to taki wynik zostałby uzyskany tylko w przypadku czterech spośród 25 laboratoriów. Zwiększając kryterium do 5% wynik zostałby uzyskany w 24 laboratoriach. Tak różne wyniki badań tego samego betonu, wykonanego w tych samych warunkach, świadczą o braku przydatności tej konkretnej metody badawczej. W 15-letniej praktyce zawodowej wykonałem lub nadzorowałem ponad 1000 oznaczeń nasiąkliwości betonu, wodoszczelności dla stopnia W8 lub W10 i mrozoodporności dla stopnia F150 lub F200 wg PN-88/B Nie odważyłbym się jednak na opracowanie uniwersalnego algorytmu uzależniającego wyniki tych badań od siebie. Nasiąkliwość wagowa betonu wynosząca 4 6% często nie przekłada się bezpośrednio na wskaźniki wodoszczelności i mrozoodporności. Oznacza to, że betony wykonane w warunkach laboratoryjnych (dokładne dozowanie składników, znana jakość i parametry wytrzymałościowo- -trwałościowe), charakteryzujące się nasiąkliwością poniżej 4% nie zaliczały pozytywnie testu mrozoodporności; natomiast betony, których nasiąkliwość wagowa znacznie przekraczała 5%, spełniały wymaganie mrozoodporności i wodoszczelności z dużym zapasem. Co wpływa na nasiąkliwość betonu? W opracowaniu [1] autorzy udowodnili na podstawie badań własnych betonu, że bezpośredni wpływ na nasiąkliwość betonu ma wskaźnik wodno-cementowy, zawartość zaczynu i rodzaj cementu, natomiast w mniejszym stopniu rodzaj zastosowanego kruszywa. Po przeanalizowaniu własnych wyników badań doszli do wniosku, że: nasiąkliwość zaczynów po 90 dniach dojrzewania w niewielkim stopniu zależy od rodzaju cementu, natomiast wykazuje liniową zależność od wartości wskaźnika w/c charakteryzującą zaczyn; zmiana zawartości zaczynu oraz charakteryzującego go wskaźnika w/c powoduje bezwzględną zmianę nasiąkliwości betonów po 90 dniach twardnienia. W przypadku betonów z cementu CEM IiCEM II wynosi ona 3 8%, a w przypadku CEM III 2 7% mas; względny wzrost nasiąkliwości można uznać za proporcjonalny zarówno do wzrostu zawartości zaczynu, jak i wartości wskaźnika w/c; skala wzrostu nasiąkliwości wywołana obydwoma czynnikami jest jednak inna; maksymalna zmiana nasiąkliwości betonu wywołana zmienną zawartością zaczynu w analizowanym zakresie ( dm 3 /m 3 ) wynosi ok. 2%, praktycznie bez względu na wartość wskaźnika w/c; można więc przyjąć, że wzrost zawartości zaczynu o 20 dm 3 /m 3 wywołuje bezwzględny wzrost nasiąkliwości betonu o ok. 0,3% w przypadku ce- 102

15 mentów CEM III/A 42,5 i ok. 0,4% w przypadku CEM I 42,5 i CEM II/A-V 42,5; maksymalna zmiana nasiąkliwości betonu wywołana zmianą wskaźnika w/c od 0,30 do 0,60 wynosi ok. 3%, praktycznie bez względu na zawartość zaczynu w betonie; można przyjąć, że wzrost wskaźnika w/c o 0,10 powoduje w przypadku wszystkich betonów wzrost nasiąkliwości o ok. 1%. W opracowaniu [2] autorzy udowodnili, że nasiąkliwość betonu oznaczana wg PN-88/B jest uzależniona od wielkości próbki, sposobu jej wykonania oraz pielęgnacji. W przypadku badania próbek o objętości 1,0 dm 3 i powierzchni 0,06 m 2 zgodnie z procedurą opisaną w PN-88/B uzyskuje się zdecydowanie większe wartości niż próbek o objętości 3,375 dm 3 i powierzchni 0,135 m 2. Autorzy poddają również dyskusji sam mechanizm badania nasiąkliwości oraz powszechnie stosowane kryteria oceny trwałości betonu poprzez wskaźnik nasiąkliwości. Wątpliwość autorów budzi ocena trwałości betonów cementowych modyfikowanych domieszkami napowietrzającymi za pomocą wskaźnika nasiąkliwości. Zmodyfikowany w ten sposób stwardniały beton charakteryzuje się celowo wytworzoną porowatą strukturą, której głównym zadaniem jest umożliwić zaabsorbowanej wodzie bezciśnieniowe zamarznięcie wewnątrz betonu bez wywoływania naprężeń w jego matrycy. Zysk takiego rozwiązania jest oczywisty (powstaje beton mrozoodporny), natomiast minusem jest zwiększenie porowatości betonu kosztem jego szczelności. Mniejsza jest też gęstość. W związku z tym, że nasiąkliwość jest związana z masą betonu, automatycznie większy jest wskaźnik nasiąkliwości betonu. Negatywnie o metodzie badania nasiąkliwości wg PN-88/B wypowiada się również autor [3]. W przywołanych własnych przypadkach odnosi się do braku korelacji pomiędzy wskaźnikiem nasiąkliwości a rzeczywistą trwałością betonu, zwłaszcza w odniesieniu do innych ważnych cech trwałościowych, takich jak: odporność na karbonatyzację oraz przenikanie chlorków. Podkreśla, że nasiąkliwość jest miernikiem porowatości otwartej betonu, która ma niewiele wspólnego z przepuszczalnością betonu, natomiast to właśnie przepuszczalność betonu jest miarodajnym wyznacznikiem trwałości betonu w środowiskach agresywnych. Wpływ nasiąkliwości na trwałość betonu cementowego Najczęściej stosowanym sposobem kształtowania trwałości betonu, a zwłaszcza trwałości mrozowej, jest napowietrzanie struktury betonu przez dodanie do mieszanki betonowej odpowiednich domieszek chemicznych, które powodują wytworzenie ciągłej sieci przestrzeni powietrznej. Przestrzeń ta charakteryzuje się równomiernie rozłożonymi pęcherzykami powietrznymi o odpowiedniej wielkości, które pozostają w optymalnej odległości względem siebie. Miarą optymalnego napowietrzenia mieszanki betonowej, przy którym gwarantuje ona najlepszą trwałość mrozową, są: ogólna zawartość wszystkich przestrzeni powietrznych w betonie powinna wynosić 4 7%; zawartość mikroporów o wymiarze do 300 µm powinna wynosić min. 15%; wzajemna odległość poszczególnych pęcherzy powietrza od siebie nie powinna przekraczać 0,200 0,220 mm. Jeżeli uda się wykonać beton spełniający te parametry i jednocześnie spełnione zostaną wymagania normy PN-EN 206-1:2003 Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność dla odpowiedniej klasy ekspozycji (minimalna ilość cementu, maksymalny wskaźnik w/c, odpowiednie kruszywo): XF-2, XF-3 lub XF-4, to wskaźnik nasiąkliwości betonu badanej zgodnie z PN-88/B nie ma większego znaczenia. Napowietrzając beton, świadomie zwiększamy jego nasiąkliwość (zmniejszamy gęstość), ale wprowadzona woda może bezpiecznie zamarzać wewnątrz betonu bez negatywnych dla niego skutków. Zatem czy nasiąkliwość jako parametr trwałości betonu jest nam do czegoś jeszcze potrzebna? Zdaniem autora artykułu tak, ale należy zastanowić się nad modyfikacją metody badawczej, która uzależniłaby sposób badania od: różnorodności składników betonu i ich cech fizycznych; rozwoju szczelności betonu; przeznaczenia i rodzaju betonu; wielkości próbki, sposobu jej pozyskania (formowana, wycinana z konstrukcji); gęstości betonu; sposobu jego wbudowania. Zupełnie innym problemem jest sprecyzowanie kryterium kwalifikacyjnego uzależniającego trwałość betonu od jego nasiąkliwości. Jego rozwiązanie powinno zostać poparte rzetelnymi badaniami międzylaboratoryjnymi. Warto pamiętać, że nasiąkliwość kruszywa ma również duże znaczenie dla trwałości betonu. Podsumowanie Na podstawie nasiąkliwości betonu można prognozować trwałość betonu. Wątpliwość budzi natomiast sposób jej bezsprzecznego i rzetelnego wyznaczania oraz przyjęte kryteria jej oceny oderwane od praktyki i doświadczeń. Osobiście postrzegam nasiąkliwość betonu jako wskaźnik pośredni prognozowania jego mrozoodporności i przepuszczalności. Badanie nasiąkliwości betonu wg PN-88/B ma tę przewagę nad badaniem mrozoodporności wg PN-88/B-06250, że wynik otrzymujemy znacznie wcześniej, a samo badanie jest dużo tańsze i prostsze w wykonaniu. Podczas oceny nie kieruję się żadnymi wskaźnikami, tylko porównuję wyniki badania nasiąkliwości uzyskiwane w różnych okresach trwania budowy ze sobą do wartości, jaką otrzymałem w badaniach typu. Prawie zawsze zwiększenie nasiąkliwości tego samego betonu o więcej niż 0,5% w stosunku do wartości otrzymanej na zarobach próbnych (badaniach typu) skutkuje brakiem wymaganej trwałości i wytrzymałości. Używanie samego parametru nasiąkliwości jako kryterium trwałości betonu w oderwaniu od innych badań, zwłaszcza szczelności, mrozoodporności i gęstości, jest błędne. Literatura [1] Tracz T., Śliwiński J. Wpływ zawartości zaczynu cementowego i wskaźnika w/c na nasiąkliwość betonu wodą Cement, Wapno, Beton nr 3/2012. [2] Golda A., Kaszuba S. Nasiąkliwość betonu wymagania a metody badawcze Cement, Wapno, Beton nr 6/2009. [3] Glinicki M. A. z IPPT PAN Warszawa Widmo nasiąkliwości Budownictwo Technologie Architektura nr 3/2007. [4] Kurdowski W. Chemia cementu i betonu PWN, Polski Cement Kraków [5] Neville A. M. Właściwości betonu Polski Cement, Kraków [6] Rusin Z. Technologia betonów mrozoodpornych, Polski Cement, Kraków

16 mgr inż. Bartłomiej Walczak* Barwienie betonu Istnieje wiele możliwości kształtowania wyglądu elementów betonowych, a jednym z najpopularniejszych zabiegów jest barwienie betonu w masie. Obecnie producenci pigmentów do betonu mogą dostarczyć każdy kolor zamówiony przez klienta (fotografia 1). Jednak, aby uzyskać efekt zgodny ze wzorem klienta i jednakowy dla całej betonowanej konstrukcji lub wszystkich elementów, producenci betonu muszą przestrzegać bardzo rygorystycznej kontroli dozowania surowców, oraz prawidłowego wykonania mieszanki betonowej. Fot. 1. Przykłady płynnych farb do betonu * Remei Polska Sp. z o.o. Fot. 2. Wpływ ilości barwnika na zmianę odcienia betonu Podstawowym problemem, który napotka wytwórca betonu, jest dopasowanie koloru betonu do wymagań zamawiającego. Barwa betonu jest bowiem wypadkową koloru pigmentu, cementu, kruszyw (szczególnie tych drobnych) oraz dodatków mineralnych. Z tego względu dopasowanie koloru betonu do wzorca jest skomplikowane i nie ogranicza się tylko do wyboru barwnika z palety oferowanej przez producenta pigmentów. Często konieczne jest wykonanie w warunkach laboratoryjnych kilku lub kilkunastu prób. Każda zmiana rodzaju i proporcji surowców będzie skutkowała zmianą odcienia i koloru betonu. Na fotografii 2 pokazano wpływ ilości barwnika na zmianę odcienia barwy betonu. Wykonując barwiony beton, należy zwrócić szczególną uwagę nie tylko na dokładne dozowanie ilościowe surowców do mieszanki, ale też na właściwą kolejność dodawania poszczególnych składników. Barwnik, bez względu czy jest w postaci płynu, proszku czy granulatu, zawsze powinien być dozowany na kruszywo, celem dokładnego wymieszania oraz właściwej dyspersji ziaren pigmentu. Dozowanie pigmentu po uprzednim dodaniu cementu skutkować będzie niedokładnym rozprowadzeniem barwnika w mieszance, a co za tym idzie mniej intensywnym wybarwieniem betonu (fotografia 3). Czas mieszania surowców także musi uwzględniać obecność barwnika w mieszance. W celu zachowania jednakowego wybarwienia poszczególnych partii betonu bardzo ważna jest taka sama Fot. 3. Wpływ kolejności dozowania barwnika na odcień betonu. Barwnik dodany przed cementem jest lepiej wymieszany i w efekcie daje lepszy efekt ilość wody w mieszance. Każda zmiana współczynnika wodno-cementowego może spowodować inny odcień koloru betonu. Dodanie większej ilości wody powoduje rozjaśnienie elementu (fotografia 4), natomiast zmniejszenie ilości wody jego przyciemnienie. To sprawia, że w warunkach przemysłowych bardzo trudne jest utrzymanie jednakowej barwy produkowanego betonu. Pomimo stosowania przyrządów monitorujących i korygujących ilość wody w zależności od wilgotności kruszyw, nie jest możliwe uzyskanie dokładnie takiego samego współczynnika wodno-cementowego dla każdej partii produkowanego betonu. W przypadku betonów wylewanych w szalunkach na ostateczny efekt kolorystyczny ma także wpływ rodzaj szalunku. Nasiąkliwy odciągnie trochę wody z powierzchni betonu, przez co uzyskamy beton ciemniejszy, niż gdy zostanie zastosowany szalunek nienasiąkliwy. Warto wspomnieć, że szalunki nasiąkliwe charakteryzują się większą porowatością, co wpływa na strukturę powierzchni betonu i dodatkowo optycznie może go przyciemniać. Fot. 4. Wpływ współczynnika w/c na zmianę koloru betonu. Zwiększenie ilości wody rozjaśnia beton 104

17 mgr inż. Tomasz Mazurek* mgr inż. Jarosław Organa* Zapobieganie segregacji betonów SCC i ASCC w produkcji prefabrykatów Obecnie nie ma jednoznacznie przyjętych zasad postępowania w przypadku powstawania zjawisk tzw. segregacji składników mieszanki betonowej. Każdy z możliwych sposobów złagodzenia lub całkowitego wyeliminowania tego zjawiska jest wart poznania i oceny technologicznych oraz ekonomicznych aspektów jego zastosowania. Mieszanka betonowa, aby mogła stać się samozagęszczalna, musi od momentu wyprodukowania w węźle betoniarskim do momentu zabudowania w prefabrykowanym elemencie spełnić trzy podstawowe warunki reologiczne [1]: płynności; samoodpowietrzenia; stabilności. Warunki te i wynikający z nich wpływ na reologię betonów SCC oraz ich kwalifikację i metody badań wyczerpująco omówiono w [1, 2, 3]. Do oceny stopnia segregacji (stabilności) mieszanek SCC wykorzystano kryteria VSI (Visual Stability Index) wg ACI 237R-07 Self-Consolidating Concrete. ACI Committee 237, technical committee document 237R-07. Wyróżnia się cztery klasy stabilności (tabela 1) określane po jej badaniu testem rozpływu. Tabela 1. Klasy stabilności mieszanki betonowej określane na podstawie wzrokowej oceny Ocena VSI Kryteria mieszanki Bardzo 0 brak oznak segregacji i wycieku zaczynu stabilna 1 Stabilna brak oznak segregacji, słaby wyciek zaczynu mała segregacja, silny wyciek zaczynu, słaby wyciek 2 Niestabilna zaprawy (otoczka do 10 mm) 3 Bardzo niestabilna Badania i uzyskane wyniki * Cemex Polska Sp. z o.o. wyraźna segregacja, stos kruszywa w centrum rozpływu, duży wyciek zaprawy (ponad 10 mm), silny wyciek zaczynu W tabeli 2 przedstawiono receptury sprawdzanych betonów SCC, a w tabeli 3 ich właściwości. Punktem wyjścia jest zarób A, który dzięki uziarnieniu zastosowanego piasku daje mieszankę bardzo stabilną (VSI = 0) w klasie konsystencji SF2. Zarób A z zastosowaniem drobnego piasku 0 1 mm różni się od pozostałych charakterystyką krzywej uziarnienia mieszanki kruszyw, która zawiera ok. 2 razy więcej frakcji 0,125 0,50 mm. Dysponując typowym piaskiem 0 2 do betonu nie udało się uzyskać stabilnej mieszanki zarób A' (VSI = 3; klasa konsystencji SF2). W takim przypadku należy skorzystać z metody przeciwdziałania segregacji. Zarób B wykonano z użyciem wypełniacza w postaci mączki wapiennej. Z uwagi na gęstość jest to lepszy wypełniacz niż popiół lotny. Doziarnienie za pomocą mączki wapiennej dało efekt w postaci bardzo stabilnego betonu (VSI = 0) w klasie konsystencji SF3. Innym sposobem poradzenia sobie z problemem jest dodanie domieszki stabilizującej do betonu. W zarobie C zastosowano domieszkę CX ISOSTAB 6003 na bazie polisacharydów. Pozwoliło to z betonu o identycznym składzie jak całkowicie niestabilny beton A' uzyskać beton o stabilności VSI = 1 i oczekiwanej klasie konsystencji SF2. Wnioski Przeprowadzone badania wykazały, że można przeciwdziałać zjawisku segregacji betonów samozagęszczalnych, a wybór metody będzie zależał od możliwości Tabela 2. Receptury sprawdzanych betonów SCC Składniki CEM I 42,5 R [kg/m 3 ] Oznaczenie zarobu A A B C Piasek 0/2 [kg/m 3 ] Żwir 2/8 [kg/m 3 ] Żwir 8/16 [kg/m 3 ] Piasek drobny 0/1 [kg/m 3 ] 672 Mączka wapienna [kg/m 3 ] 100 CX ISOSTAB 6003 [kg/m 3 ] 1,13 Punkt piaskowy mieszanki [%] 40,0 45,0 41,9 45,0 CX ISOFLOW 782 [kg/m 3 ] 5,40 5,40 5,40 5,40 Woda 1) [kg/m 3 ] ) ilość wody dobierana do uzyskania konsystencji min. SF2 Tabela 3. Właściwości betonów SCC uzyskanych z poszczególnych receptur Zarób Czas T 500 Rozpływ [mm] Klasa konsystencji Zawartość powietrza [%] Ocena stabilności VSI A piasek s 700 SF2 1,1 0 A piasek s 700 SF2 0,6 3 B piasek mączka wap. 8 s 760 SF3 1,5 0 C piasek CX ISOSTAB s 670 SF2 1,4 1 technicznych i technologicznych producenta. Jeśli dysponuje on mączką czy dodatkową frakcją drobnego piasku, wówczas warto zastosować je do produkcji stabilnych i powtarzalnych jakościowo betonów SCC. Równie skutecznym rozwiązaniem jest dodanie domieszek stabilizujących. Domieszki takie jak CX ISO- STAB 6003 mogą również służyć do ratowania mieszanki betonowej, której niestabilność wyniknęła np. z przypadkowego przedozowania wody, czy innych nieprzewidzianych okoliczności. Literatura [1] Szwabowski J., Gołaszewski J., Projektowanie betonu samozagęszczalnego, BTA kwiecień-czerwiec [2] Szwabowski J., Gołaszewski J., Technologia betonu samozagęszczalnego, SPC Kraków [3] Szwabowski J., Reologia mieszanek na spoiwach cementowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice

18 mgr inż. Mikołaj Alexandrowicz* dr inż. Krzysztof Pogan* Marco Barbanti** Marco Gasbarra** Modyfikacja mieszanki uszczelniająco-wypełniającej domieszkami MAPEI na przykładzie realizacji II linii metra w Warszawie Rozwiązania MAPEI w budownictwie podziemnym powstały na bazie doświadczeń zdobywanych na całym świecie. Zespół doradców technicznych wyspecjalizowanych w pracach podziemnych (UTT Underground Technology Team) opracowuje bowiem rozwiązania pomocne przy drążeniu tuneli oraz dostosowuje je do bieżących warunków na budowie. Obecnie MAPEI Polska angażuje się coraz intensywniej w jedną z najważniejszych budów realizowanych w Polsce, a mianowicie II linię warszawskiego metra. Współpraca Doradców Technicznych Zespołu Linii Budowlanej Mapei Polska oraz Zespołu UTT z Mapei SpA owocuje nowymi rozwiązaniami stosowanymi przez Konsorcjum AGP Metro Polska, odpowiedzialne za tę budowę. Prace przy budowie centralnego odcinka II linii metra, który połączy rondo Daszyńskiego z Dworcem Wileńskim, trwają od wielu miesięcy. Przebiegają one wieloetapowo i podzielone są na budowę poszczególnych stacji oraz drążenie tuneli. Od połowy maja 2012 r., na odcinku od ronda Daszyńskiego w stronę Wisły, pracuje pierwsza z tarcz drążących TBM. Po miesiącu dołączyła do niej jeszcze jedna tarcza, a dwie kolejne włączono do pracy w 2013 r. Każda z nich to gigantyczna maszyna ważąca ponad 600 t, długości 97 m i średnicy tarczy skrawającej 6,3 m. Technologia TBM pozwala na pracę w tempie średnio m na dobę (podczas drążenia tunelu II linii metra w Warszawie najlepszy dzienny wynik to 43,5 m/dobę oraz 729,5 m/miesiąc). Tarcza TBM nie tylko drąży, ale także układa betonowe prefabrykaty tworzące ścianę tuneli. Podczas drążenia pomiędzy elementami obudowy tunelu a gruntem powstaje pusta przestrzeń, w którą wtłaczany jest zaczyn wypełniająco-uszczelniający na bazie cementu i bentonitu, którego właściwości są modyfikowane dwoma produktami dostarczanymi przez MAPEI. Główne zadania tej mieszanki to wypełnienie przestrzeni między obudową tunelu a gruntem i ustabilizowanie poszczególnych elementów obudowy, zapewnienie równomiernego przenoszenia obciążeń na elementy obudowy oraz uszczelnienie. Podczas przygotowywania zaczynu dodawana jest domieszka opóźniająca MAPEQUICK CBS System 1 tak, aby zaczyn mógł długo utrzymać niezmienione właściwości. Natomiast produkt aktywujący wiązanie, MAPEQUICK CBS System 2, jest dozowany do iniektu bezpośrednio przed jego wpompowaniem w pustą przestrzeń za obudowę tunelu. Płynny zaczyn iniekcyjny w ciągu kilkunastu sekund przechodzi w fazę stałą. Skład tej kompozycji został wstępnie dobrany w laboratorium we Włoszech, natomiast weryfikacja i ostateczne uściślenie dozowania miało miejsce bezpośrednio na budowie. We wszystkie te etapy był czynnie zaangażowany Zespół Doradców Technicznych Linii Budowlanej MAPEI Polska. ** MAPEI Polska Sp. z o.o. ** ASTALDI SpA Fragment tunelu widok od stacji Dworzec Wileński w stronę Wisły oraz zbliżenie na warstwę stwardniałej mieszanki wypełniająco-uszczelniającej między obudową tunelu i gruntem (lewy górny narożnik zdjęcia) W zależności od warunków budowy, przede wszystkim warunków wodno-gruntowych, charakterystyki gruntu i długości rurociągów do podawania mieszanki, skład mieszanki wypełniająco- -uszczelniającej jest następujący: cement CEM I 42, kg/m 3 ; bentonit w postaci proszku kg/m 3 ; woda dm 3 /m 3 ; Mapequick CBS System dm 3 /m 3 ; Mapequick CBS System dm 3 /m 3. Zalety tego systemu, nazywanego dwuskładnikowym (pierwszy składnik to zaczyn z domieszką opóźniającą, natomiast drugi to MAPEQUICK CBS System 2), są następujące: kontrolowane i szybkie przejście mieszanki ze stanu ciekłego w postać żelu, nawet w obecności wód gruntowych; uzyskanie jednorodnego materiału, gwarantującego jednakowy rozkład obciążeń na obudowę tunelu; wyeliminowanie ryzyka blokowania przewodów podających mieszankę za obudowę tunelu (wyeliminowanie piasku ze składu mieszanki); właściwości mechaniczne zbliżone do gruntu rodzimego. Badania samego zaczynu prowadzone są na bieżąco i mają na celu monitorowanie trzech głównych cech: lepkości mierzonej lejkiem Marsha zgodnie z normą EN 445 (czas wypływu określonej ilości zaczynu wynosi od 30 do 40 s); segregacji składników (bleeding) wg normy ASTM C 940 (nie więcej niż 3% po 3 h); czasu żelowania, czyli czasu upływającego od chwili dodania domieszki modyfikującej MAPEQUICK CBS System 2, przyspieszającej wiązanie, do chwili uzyskania przez zaczyn właściwości tiksotropowych (ten czas waha się od 5 do 15 s). Dodatkowo badany jest rozwój wytrzymałości na ściskanie stwardniałego zaczynu po 1 i po 28 dniach. Wyniki muszą być wyższe niż odpowiednio 0,5 MPa i 2,0 MPa. 106

19 mgr inż. Konrad Grzesiak* Wykonanie ścian zbiorników na płynny gaz ziemny w technologii ślizgowej Budowa Gazoportu w Świnoujściu (fotografia 1) została podzielona na trzy etapy: budowę portu zewnętrznego wraz z falochronem; budowę nadbrzeży; budowę terminalu LNG (dwa zbiorniki na paliwo LNG) wraz z siecią przyłączeniową. W ramach projektu budowy terminalu LNG w Świnoujściu wykonano ściany zbiorników na płynny gaz ziemny w technologii ślizgowej. LNG to paliwo produkowane z gazu ziemnego przez usuwanie zanieczyszczeń, a następnie skroplenie go w temperaturze do ok C. Powoduje to, że zmniejsza on objętość o ok. 600 razy, dzięki czemu możliwe jest jego ekonomiczne magazynowanie i transport. Tak dostarczony gaz poddawany jest regazyfikacji, czyli ponownemu przekształceniu w gaz (przez ogrzanie). Zbiorniki na ciekły gaz zostały zaprojektowane jako konstrukcja składająca się z dwóch warstw: zbiornika właściwego (warstwa wewnętrzna) do magazynowania gazu, wykonanego ze specjalnej stali oraz żelbetowego zbiornika osłonowego (warstwa zewnętrzna). Zaplanowano, że ściany zbiornika zewnętrznego wysokości 42 m i grubości 0,8 m zostaną wykonane w technologii ślizgowej ciągłego betonowania. W przypadku ścian zbiorników oprócz normalnych obciążeń objętych projektem uwzględniono też wymagania dotyczące obciążeń wyjątkowych, takich jak awaryjna sytuacja związana z możliwością rozszczelnienia zbiornika wewnętrznego, w wyniku czego konstrukcja betonowa będzie poddana działaniu gazu o temperaturze -162 C. Konieczne więc były dodatkowe badania obejmujące ocenę: wytrzymałości na ściskanie po jednym cyklu zanurzania próbek betonowych w temperaturze -196 C w ciekłym azocie; wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej próbek betonowych. Dodatkowo przeprowadzono badania oceny dynamicznego modułu sprężystości, odporności na zamrażanie i rozmrażanie betonu metodą klasyczną uwzględniającą 250 cykli oraz zmiany wytrzymałości na ściskanie w czasie. * BASF Polska Sp. z o.o. Fot. 1. Wizualizacja terminalu LNG Wymagania dotyczące właściwości betonu przeznaczonego do budowy zbiorników na paliwo LPG Rodzaj cechy Wymagania Klasa wytrzymałości C50/60 Klasa ekspozycji XF2 Klasa zawartości chlorków Cl 0,1 Klasa konsystencji F4/F5 Czas zachowania urabialności 2 h (rozpływ min 40 cm) Napowietrzenie min 4% Wytrzymałość po 10 h Zawartość siarczanów w mieszance betonowej Wymagania dodatkowe 0,8 1,0 MPa nie więcej niż 4% SO 3 w stosunku do masy cementu konieczność użycia cementu odpornego na siarczany Uwzględniając wymienione wymagania przygotowaną mieszankę betonową zaprojektowano na bazie cementu CEM III/A 32,5 N LH/HSR/NA, kruszywa łamanego gnejsowego pochodzącego z Norwegii (w trzech frakcjach 2/8, 8/16 i 16/22). W związku z koniecznością uzyskania klasy ekspozycji XF2 mieszanka betonowa została napowietrzona. Zastosowano też domieszki PCE Glenium ACE 430 (BASF Polska) oraz domieszkę napowietrzającą MicroAir (BASF Polska). Badania wstępne obejmowały określenie konsystencji w czasie oraz zawartości powietrza w świeżej mieszance betonowej i rozkładu porów. Do tego celu wykorzystano urządzenia AVA (Air Void Analyzer). Zaprojektowaną mieszankę betonową spełniającą wymagania przedstawione w tabeli najpierw wbudowano w makietę ściany (fotografia 2) będącą przygotowaniem do właściwego betonowania, które odbyło się w październiku i listopadzie 2011 r. Efektem końcowym omawianej realizacji są dwa betonowe zbiorniki na gaz płynny przedstawione na fotografii 3. Fot. 2. Makieta ściany Fot. 3. Betonowe zbiorniki na płynny gaz ziemny w Gazoporcie w Świnoujściu Fotografie: archiwum BASF Polska 107

20 mgr Tomasz Nowacki* Zastosowanie betonu SCC do prefabrykowanych elementów żelbetowych konstrukcji wieży wiatrowej * Stachema Polska Wartykule opisano przykład zastosowania betonu samozagęszczalnego do wykonania prefabrykowanych elementów żelbetowych konstrukcji wieży wiatrowej. Wymagania ze strony wykonawcy, dotyczące zarówno mieszanki betonowej i stwardniałego betonu, jak i procesu realizacji, stanowiły wyzwanie dla producenta betonu. Szczególnie należy podkreślić konieczność prowadzenia prac betoniarskich zarówno w warunkach normalnej, jak i obniżonej temperatury, z zachowaniem wymaganych właściwości fizycznych i mechanicznych betonu już we wczesnych okresach twardnienia. Wymaganiadotyczącemieszankibetonowej: współczynnik wodno-cementowy: maks. w/c = 0,39; konsystencja mieszanki betonowej utrzymywana przez min. 1,5 h; konsystencja badana metodą rozpływu: mm (klasa SF2); czas rozpływu badany metodą V-lejka: 5 10 s (klasa VF1/VF2). Wymaganiadotyczącestwardniałegobetonu: wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach dojrzewania: klasa C60/75 (B75); wczesna wytrzymałość na ściskanie po 24 h: min. 35 MPa. Wymagania dotyczące receptury: należy zachować ten sam skład betonu w trakcie realizacji; ustalony skład mieszanki betonowej ma zapewnić założone parametry również w warunkach obniżonej temperatury; dopuszczalna odchyłka w dozowaniu składników wynosi 0,1% w stosunku do wyjściowego składu mieszanki betonowej. Wymagania dotyczące transportu i produkcji elementów: wytwórnia prefabrykowanych elementów wież wiatrowych powinna być zlokalizowana 20 km od betoniarni; każdy element należy wytwarzać z objętości m 3 mieszanki betonowej, co odpowiada 3 4 betonowozom; formowanie elementu rozpoczyna się w momencie, gdy do wytwórni została dostarczona cała mieszanka betonowa potrzebna do jego wykonania; element jest rozformowywany po 6 8 h od momentu połączenia wody z cementem. Do opracowania receptury laboratoryjnej zastosowano cement specjalny CEM I 52,5R UltraVAL o wytrzymałości na ściskanie: po 1 dniu dojrzewania 50 MPa; po 2 dniach dojrzewania 60 MPa; po 7 dniach dojrzewania 71 MPa; po 28 dniach dojrzewania 82 MPa. W celu poprawy urabialności mieszanki betonowej, a także przyspieszenia hydratacji C 3 A i C 3 S użyto dodatku mączki wapiennej (14% m.c.). Stos okruchowy skomponowano z piasku naturalnego kwarcytowego 0 2 mm oraz grysu granitowego frakcji 2 8 mm i 8 11 mm. Jako domieszkę upłynniającą zastosowano superplastyfikator Stachement 2701 na bazie polikarboksylanu. Skład receptury laboratoryjnej betonu przedstawiono w tabeli. Przed wykonaniem zarobów wszystkie składniki schłodzono w komorze do następującej temperatury kruszywo -15 C, cement +2 C. Wytrzymałość na ściskanie przedstawiono na rysunku 1. Próbki przechowywano w formach w temperaturze -3 C i 15 C. Receptura laboratoryjna betonu Składniki betonu SCC (w + w Sp )/c = 0,39 Cement [kg/m 3 ] 430 Mączka wapienna [kg/m 3 ] 60 Piasek 0 2 mm [kg/m 3 ] 855 Kruszywo grube 2 8 mm [kg/m 3 ] 395 Kruszywo grube 8 11 mm [kg/m 3 ] 480 Woda [dm 3 /m 3 ] 162 Superplastyfikator [kg/m 3 ] 7,96 Betonowanie realizowano w temperaturze 3,6 21,9 C. W sposób ciągły kontrolowano konsystencję (metoda rozpływu) i lepkość mieszanki betonowej (metoda V-lejka). Wartość średnia konsystencji badanej metodą rozpływu wyniosła 735 mm (klasa SF2), natomiast wartość średnia lepkości badanej metodą V-lejka 6,4 s (klasa VF1). Wyniki badania wytrzymałości na ściskanie prowadzonego na próbkach dojrzewających w warunkach produkcji po 24 h i 28 dniach ich dojrzewania pokazano na rysunku 2. Wieże wiatrowe Rys. 1. Wytrzymałość średnia betonu SCC na ściskanie f cm [MPa] w warunkach laboratoryjnych w zależności od okresu dojrzewania i temperatury otoczenia Rys. 2. Wytrzymałość na ściskanie betonu SCC f cm [MPa] w zależności od okresu dojrzewania Prowadzona systematycznie kontrola właściwości reologicznych mieszanki i wytrzymałościowych stwardniałego betonu potwierdziła spełnienie określonych założeń wstępnych. Okazało się to możliwe przede wszystkim dzięki zastosowaniu cementu o dużej wytrzymałości wczesnej oraz efektywnej domieszki upłynniającej Stachement Opracowana receptura pozwoliła na uzyskanie wszystkich założonych parametrów, a nawet znacznie je przekroczono (rysunek 2), pomimo betonowania w temperaturze poniżej 5 C. 108