Technologie Materiałów Budowlanych Wykład 5. Beton zwykły i wysokowartościowy

Transkrypt

1 Technologie Materiałów Budowlanych Wykład 5 Beton zwykły i wysokowartościowy

2 Korozja chlorkowa Typowe środowiska, w których beton jest narażony na oddziaływanie soli chlorkowych to wody morskie, zasolony wody gruntowe, solanki, kopalnie i niektóre obiekty przemysłowe Do soli, z którymi najczęściej kontakt ma beton to NaCl, MgCl 2, CaCl 2, KCl Agresywność soli chlorkowych: MgCl 2 > CaCl 2 > NaCl > KCl Ca(OH) 2 + MgCl 2 CaCl 2 + żel Mg(OH) 2 Powstający Mg(OH) 2 w postaci żelu (nie mającego właściwości wiążących) odbiera z zaczynu aniony hydroksylowe rozpuszczalność CaCl 2 wynosi mg/dm 3 a Ca(OH) 2 tylko 1230 mg/dm 3

3 Korozja stali zbrojeniowej w betonie warstwa pasywująca Fe 3 O 4 Fe 3 O 4 BETON STAL BETON Obszar katodowy e Fe(OH) 2 H 2 O Obszar anodowy Fe 2+ O 2 Obszar katodowy e OH - Cl -

4 Korozja stali zbrojeniowej w betonie Proces anodowy: 2Fe 2Fe e 4Fe 2+ 4Fe e Proces katodowy: 2H 2 O + O 2 + 4e 4OH - z kationów Fe 2+ i anionów OH - powstaje Fe(OH) 2 2Fe OH - 2Fe(OH) 2 a w dalszej kolejności Fe(OH) 3 4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O 4Fe(OH) 3 Mieszanina wodorotlenków tworzy rdzę, która gromadzi się na zbrojeniu, objętość rdzy może być 4x większa od żelaza stąd na powierzchni elementu betonowego pojawiają się rysy wzdłuż skorodowanych prętów zbrojenia, lub otulina może odpaść

5 Oddziaływanie mrozu na beton Podczas przemiany w fazę stałą woda zwiększa objętość o 9% Beton nasycony woda ulega zniszczeniu podczas mrozu, jednak tylko przy wielokrotnym cyklicznym zamrażaniu/odmrażaniu Stopniowej destrukcji ulega tylko ta część betonu, którego stopień nasycenia jest większy niż 90% Po kolejnych cyklach zamrażania/ odmrażania wzrasta nasiąkliwość, nasycenie wodą i propagacja rys w betonie Beton nasycony wodą po zamrożeniu ulega pęcznieniu

6 Oddziaływanie mrozu na beton Przyczyną pęcznienia betonu są dwa źródła: Ciśnienie hydrauliczne (wynikające ze wzrostu objętości zamarzającej wody) Ciśnienie osmotyczne, które wywołuje dyfuzję wody i jonów (roztworu porowego), prowadzącą do powstawania bardzo małych bryłek (soczewek) lodu

7 Reakcja alkalia-kruszywo W warstwie kontaktowej względna zawartość wodorotlenków sodu i potasu jest największa. Dodatkowo w obszarze tym jest duża zawartość Ca(OH) 2, koniecznego do wystąpienia reakcji alkalia-krzemionka W betonie mogą wystąpić trzy formy reakcji alkaliakruszywo: alkalia-krzemionka alkalia-węglany alkalia-krzemiany

8 Reakcja alkalia-krzemionka Reaktywna krzemionka występuje w kilku odmianach krystalicznych (kwarc, chalcedon, opal, trydymit, krystobalit) oraz jako krzemionka bezpostaciowa Głównym produktem reakcji alkalia-krzemionka jest żel uwodnionego krzemianu sodu lub potasu, mający zdolność do pęcznienia pod wpływem wchłaniania wody Wzrost objętości żelu wywołuje ekspansję ziaren kruszywa i ich pękanie, rysowanie warstwy kontaktowej, pęcznienie betonu, a w konsekwencji tworzenie głębokich rys o rozwarciu do kilku milimetrów

9 Reakcja alkalia-węglany Druga grupą skał mogących ulegać szkodliwej reakcji z alkaliami są zdolomityzowane wapienie Proces niszczenia związany z ekspansją ziaren kruszyw, a następnie całego betonu wiąże się z reakcją rozpuszczonych w zaczynie alkaliów i kruszywa CaMg(CO 3 ) 2 + (Na, K)OH Mg(OH) 2 + CaCO 3 + (Na, K) 2 CO 3 Powstające produkty kalcyt i wodorotlenek magnezu w postaci koloidalnej lub krystalicznej nie wiążą kationów sodu i potasu, które pozostają w roztworze porowym i reagują ponownie z dolomitem proces dedolomityzacji może naruszyć strukturę zbitego kalcytu i dolomitu

10 Reakcja alkalia-kruszywa Najbardziej podatne na ekspansję alkaliczną z grupy skał węglanowych są wapienie dolomityczne i dolomity wapienne, a więc o zbliżonej zawartości kalcytu i dolomitu oraz o strukturze drobnoziarnistej z minerałami ilastymi w ilości >2% Większa powierzchnia właściwa kryształów dolomitu ułatwia reakcję dedolomityzacji bardzo szybko zachodzi reakcja kryształów mniejszych od 2 m Reaktywność skały węglanowej może być również związana z obecnością w niej aktywnej krzemionki. Stopień reaktywności zależy od postaci krzemionki, np. obecność opalu w ilości 2% może spowodować nieprzydatność skały do produkcji kruszywa do betonów

11 Zabezpieczanie betonu przed reakcją alkalia-kruszywa Stosowanie cementów o niskiej zawartości alkaliów, tj. takich aby zawartość alkaliów w cemencie w przeliczeniu na ekwiwalent sodowy (Na 2 O e = Na 2 O + 0,658 K 2 O) była mniejsza niż 0,6% Wymaganie to może być nie wystarczające przy stosowaniu dużej ilości cementu do betonu (należy wtedy brać pod uwagę całą ilość alkaliów, jaka znajduje się w 1m 3 betonu) Zawartość alkaliów (Na 2 O e ) w betonie mniejsza niż 1,8 kg/m 3 uznawana jest za bezpieczną Zawartość alkaliów (Na 2 O e ) w betonie większa niż 3,0 kg/m 3 jest zdecydowanie szkodliwa przy stosowaniu kruszyw reagujących z (Na, K)OH

12

13 Beton wysokowartościowy (BWW) Kompozyt cementowy z kruszyw wysokiej klasy o optymalnym składzie ziarnowym, którego stosunek wody do cementu (w/c) jest mniejszy niż 0,38, a mieszanka betonowa zachowuje konsystencję ciekłą lub półciekłą przez nie mniej niż ok. 1 godz.

14 Beton wysokowartościowy (BWW) - właściwości Bardzo wysoka wytrzymałość na ściskanie betony bardzo wysokowartościowe (BBWW), gdy f c > 100 MPa betony ultrawysokowartościowe (BUWW), gdy f c > 150 MPa Doskonała trwałość (wynika z małej przepuszczalności)

15 Beton wysokowartościowy (BWW) do BUWW zaliczane są także betony zbrojone włóknami stalowymi, polipropylenowymi lub węglowymi (dobrze przenoszą naprężenia rozciągające i w ten sposób zmniejszają kruchość matrycy) betony z proszkiem reaktywnym (nie zawierają kruszywa grubego), wytrzymałość na sciskanie może przekraczać 200MPa

16 Plastyfikatory (PL) Superplastyfikatory (SP) Domieszki do BWW Dzięki domieszkom zachodzi dyspersja ziaren cementu, uwalniając częściowo wodę, co jest równoznaczne ze zwiększeniem płynności Bardziej homogeniczny układ ziaren cementu stwarza możliwość jednolitego przebiegu hydratacji cementu przy niskim W/C oraz zastosowania dodatków o bardzo dużej powierzchni właściwej

17 BWW zalety Dobre właściwości mechaniczne Wysoka trwałość, np. na agresję chemiczną, działanie mrozu, ścieranie Dobre właściwości reologiczne, takie jak konsystencja, małe pełzanie i kurcz Korzyści ekonomiczne i ekologiczne

18 Reologia Reologia (od gr. rhéos płynący) dział mechaniki ośrodków ciągłych zajmujący się plastycznymi deformacjami (odkształceniami) oraz płynięciem materiałów Termin reologia został zaproponowany przez Eugene'a Binghama w 1920 r. pod wpływem sugestii Markusa Reinera, zainspirowanej przez słynne stwierdzenie Heraklita "panta rhei", czyli "wszystko płynie"

19 Zastosowanie BWW Budynki wysokie Słupy, których nośność poprawiona a przekrój może być zmniejszony nawet o ponad 60%, szczególnie przy gęstym zbrojeniu poprzecznym Trzony przenoszące główne obciążenia ściskające, w których jako w centralnej części budynków sytuuje się szyby windowe i klatki schodowe Stropy płytowo-słupowe, o siatce nawet ponad 10x10m Fundamenty bezpośrednie i pośrednie Mosty i wiadukty Nawierzchnie drogowe i lotniskowe

20 Beton specjalny Jest odpowiednikiem betonu zwykłego, ale jednak o wymaganych specjalnych właściwościach gwarantujących korzystniejszą użytkową trwałość budowli Specjalne właściwości betonu można osiągnąć poprzez optymalny ilościowo-jakościowy dobór składników C, W, K, Dod, Dom; oraz poprzez dokonywanie na najwyższym poziomie czynności technologicznych (dozowanie, mieszanie, transport poziomy i pionowy, zagęszczanie, dojrzewanie, pielęgnacja) W niektórych przypadkach istnieje konieczność zastosowania nietypowych składników (spoiwa, dodatku)

21 Beton specjalny Beton hydrotechniczny Beton do nawierzchni sztywnych Beton mostowy Beton ekspansywny Beton odporny na podwyższoną temperaturę

22 Beton hydrotechniczny Przeznaczony do obiektów budownictwa wodnego, które pozostają w ciągłym lub okresowym kontakcie z wodą i zmiennymi warunkami pogodowymi Jest zagrożony oddziaływaniem roślin wodnych, związków chemicznie agresywnych, ścieraniem przez piasek i okruchy skalne niesione przez wodę oraz płynące kry Typowe konstrukcje to: nabrzeża, pomosty, falochrony, wieże i platformy wiertnicze, śluzy, zapory, zbiorniki na wodę lub ścieki

23 Beton hydrotechniczny Bardzo duże przekroje poprzeczne występujące w konstrukcjach wodnych (b > 150 cm), w większości monolitycznych lub zespolonych (np,. prefabrykowane skrzynie, kręgi, płyty) wymagają stosowania cementów o małym cieple twardnienia i w możliwie najmniejszej ilości Akumulowane ciepło w betonie podczas reakcji cementu z wodą podnosi temperaturę i w ten sposób coraz bardziej przyspiesza reakcję cementu z wodą Nadmierny przyrost temperatury (występujący głównie w części środkowej przekroju) wprowadza naprężenie wewnętrzne, których wartość tym wyższa im i większy i szybszy przyrost temperatury i im większa jest różnica temperatur w przekroju elementu

24 Beton hydrotechniczny Warunek małego ciepła twardnienia cementu i wysokiej trwałości betonu ogranicza wybór cementu do: portlandzkiego belitowego, o małej powierzchni właściwej, zawierającego < 50% C3S i < 3% C3A cementu hutniczego CEM III/B cementu pucolanowego CEM IV/B cementu wieloskładnikowego CCEM V/B Stosowanie dodatku upłynniaczy oraz domieszek napowietrzających (poprawia mrozoodporność) Stosowanie kruszywa o max średnicy ziaren 63 mm W warstwie wewnętrznej dopuszczalne jest stosowanie kruszywa o d~120 mm, a także układanie kamieni (d~300 mm) układanie ręczne, tak żeby nie pozostawały ze sobą w bezpośrednim kontakcie

25 Beton do nawierzchni sztywnych Przeznaczony do nawierzchni drogowych, lotniskowych, przemysłowych Musi spełniać szczegółowe wymagania dotyczące trwałości, właściwości mechanicznych oraz odporności na ścieranie Nawierzchnie drogowe i lotniskowe narażone są na działanie zmiennych czynników atmosferycznych (ogrzewanie przez promieniowanie słoneczne, ochładzanie, nasycanie wodą, wysychanie, zamarzanie/ odmarzanie, oddziaływanie soli chlorkowych stosowanych zimą), wysoką temperaturę z dysz silników (do 200 C), zmienny nacisk kół

26 Beton odporny na podwyższoną temperaturę Wartość temperatury w zakresie C w obiektach eksploatowanych klasyfikuje beton jako: Beton w czasie pożaru Beton żaroodporny i ogniotrwały

27 Beton odporny na podwyższoną temperaturę Łączenie kruszywa ceramicznego zaczynem cementowym (beton średniej ogniotrwałości) Łączenie kruszywa ogniotrwałego, w dwóch etapach przy stosowaniu małej ilości zaczynu cementowego, a później dodatkowo przez spojenie ceramiczne ziaren kruszywa podczas wypalania

28 Materiały budowlane a Ochrona Środowiska?? Selfcleaning concrete

29 Future city

30 Powierzchnie samoczyszczące Potencjalne zastosowania Biurowce/drapacze chmur (aluminiowe panele) Hotele, centra konferencyjne, wieże, centra handlowe, dworce kolejowe, pociągi Okna szklane (mogą tracić na przejrzystości!!) Panele z tworzyw sztucznych

31 Powierzchnie samoczyszczące ZALETY Redukcja kosztów oraz trudności utrzymania w czystości Automatyczne usuwanie/destrukcja zanieczyszczeń w atmosferze pochodzących ze spalin samochodowych i tym samym lepsza jakość powietrza w aglomeracjach miejskich Technologia przyjazna środowisku

32 Mechanizm fotokatalizy heterogenicznej rodniki OH Potencjał utleniający rodników hydroksylowych 2,74 V

33 Tkaniny namiotowe impregnowane TiO2

34

35