REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

VI SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE GÓRAŻDŻE CEMENT S.A. Katedra Procesów Budowlanych Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej w Gliwicach GÓRAŻDŻE CEMENT HEIDELBERGCEMENT Group REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 2004 1

KOMITET PROGRAMOWY Przewodniczący: prof. dr hab. inż. JANUSZ SZWABOWSKI Politechnika Śląska inż. ANDRZEJ BALCEREK Prezes Zarządu Górażdże CEMENT S.A. Członkowie: mgr inż. ERNEST JELITO Dyrektor Generalny Górażdże CEMENT S.A. mgr inż. FELICJAN SOBCZYK Dyrektor Handlowy Górażdże CEMENT S.A. dr inż. JACEK GOŁASZEWSKI Politechnika Śląska prof. dr hab. inż. JÓZEF JASICZAK Politechnika Poznańska dr inż. ZBIGNIEW GIERGICZNY Górażdże CEMENT S.A. Sekretariat sympozjum: BARBARA PAJER Katedra Procesów Budowlanych Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej ul. Akademicka 5, 44-100 Gliwice tel. (0-32) 237-22-94 fax (0-32) 237-27-37 e-mail: walker@polsl.gliwice.pl 2

SPIS TREŚCI REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU I sesja Przewodniczący sesji - prof. dr hab. inż. Janusz Szwabowski Politechnika Śląska 1. Cement a wymagania normy PN EN 206-1 - str. 5 - dr inż. Zbigniew Giergiczny, Górażdże CEMENT S.A 2. Termika betonu w konstrukcjach mostowych - str. 17 - mgr inż. Mariusz Saferna, mgr inż. Sebastian Kaszuba, BETOTECH Sp. z o.o. 3. Wpływ rodzaju cementu na właściwości betonu mostowego - str. 25 - mgr inż. Witold Jawański, Sika Poland 4. Pył krzemionkowy podstawy stosowania w technologii betonu - str. 37 - dr hab. inż. Wiesława Nocuń-Wczelik, prof. AGH Kraków 5. Badania stwardniałego betonu według norm europejskich - str. 53 - dr inż. Andrzej Moczko, Politechnika Wrocławska II sesja Przewodniczący sesji - dr inż. Zbigniew Giergiczny Górażdże Cement S.A. 1. Wczesny skurcz betonów modyfikowanych domieszkami - str. 65 - prof. dr hab. inż. Józef Jasiczak, mgr inż. Paweł Szymański, Politechnika Poznańska 2. Skurcz i pełzanie betonów samozagęszczalnych - str. 77 - prof. dr hab. inż. Artem Czkwianianc, dr inż. Jerzy Pawlica, dr inż. Danuta Ułańska, Politechnika Poznańska 3. Badania mieszanki betonowej według norm europejskich - str. 93 - prof. dr hab. inż. Janusz Szwabowski, Politechnika Śląska 4. Kompatybilność cementu z superplastyfikatorem w obecności pyłu krzemionkowego - str. 101 - dr inż. Jacek Gołaszewski, Politechnika Śląska 5. Wybrane aspekty doboru włókien ze względu na urabialność fibrobetonu - str. 113 - dr inż. Tomasz Ponikiewski, Politechnika Śląska 3

4

VI SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 2004 Zbigniew Giergiczny 1 CEMENT A WYMAGANIA NORMY BETONOWEJ PN-EN 206-1 1. Wprowadzenie Cement stanowi podstawowy materiał wiążący stosowany w budownictwie i przemyśle materiałów budowlanych. W całej Europie, w tym także i w Polsce, cementy dzieli się zgodnie z wytycznymi Komitetu Technicznego 51 Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego (CEN/TC 51) na dwie grupy: cementy powszechnego użytku - bez szczególnych cech użytkowych, cementy specjalne wykazujące takie cechy użytkowe, na podstawie których można cement zakwalifikować jako cement do specjalnego zastosowania. Cementów powszechnego użytku dotyczą normy europejskie EN 197-1 i EN 197-2. Normy te zostały ustanowione przez Polski Komitet Normalizacyjny w maju 2002r. jako obowiązujące w Polsce. Norma PN-EN 197-1 [1] definiuje i podaje wymagania dotyczące 27 odrębnych wyrobów cementów powszechnego użytku i ich składników. Natomiast druga część normy EN 197-2 [2] określa system oceny zgodności cementów z odpowiadającymi im normami, obejmujący certyfikacje zgodności przez jednostkę certyfikującą. Norma PN-EN 197-1 nie zawiera w swojej treści żadnych wymagań dla cementów specjalnych. Taki stan rzeczy spowodował podjęcie przez Komitet Techniczny nr 196 Polskiego Komitetu Normalizacyjnego prac zmierzających do opracowania projektu normy na cementy specjalne PN-B-19707 [3]. Przy opracowaniu normy wykorzystano założenia do projektów norm europejskich dotyczących cementów specjalnych opracowanych przez Europejski Komitet Normalizacyjny (CEN) oraz niemiecką normę DIN 1164:2000 [4], a także polskie doświadczenia z produkcji i stosowania cementów zawierających popioły lotne krzemionkowe i granulowane żużle hutnicze. W niniejszym artykule szczególną uwagę zwrócono na dobór cementu do betonu, w tym na te właściwości cementu, które mogą pomóc w realizacji obiektów budowlanych zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 206-1 [5]. 1 dr inż., Górażdże Cement S.A. 5

2. Dobór cementu do określonego rodzaju betonu Zgodnie z zapisami normy PN-EN 206-1 [5] (p. 5.2.2) dobierając cement do określonego rodzaju betonu, należy wziąć pod uwagę: realizację robót, przeznaczenie betonu, warunki pielęgnacji (np. obróbka cieplna), wymiary konstrukcji (ilość ciepła wydzielana w trakcie procesu twardnienia), warunki środowiska, na które będzie narażona konstrukcja (oddziaływania środowiska w normie PN-EN 206-1 sklasyfikowano jako klasy ekspozycji; p. 4.1), potencjalną reaktywność kruszywa z alkaliami zawartymi w składnikach betonu. Ogólną przydatność cementu określa się zgodnie z normą PN-EN 197-1 [1] lub zgodnie z normą PN-B-19707 [3] dla cementów specjalnych. W wielu zastosowaniach wybór cementu ma wpływ na trwałość betonu, zaprawy lub zaczynu, tj. mrozoodporność, odporność chemiczną i ochronę zbrojenia. Dobór cementu, szczególnie pod względem rodzaju i klasy wytrzymałości dla różnych zastosowań i klas ekspozycji (rzeczywistych warunków pracy betonu), powinien uwzględniać odpowiednie normy i przepisy dotyczące betonu w miejscu stosowania (klasy ekspozycji zawarte są w normie PN-EN 206-1[5]). Krajowe uzupełnienie normy PN-EN 206-1 zawarte w normie PN-B-06265[6] podaje wskazówki dotyczące zakresu stosowania cementów spełniających wymagania zawarte w normie PN-EN 197-1 [1] oraz normie PN-B-19707 [3] (tabela 1). W określonych przypadkach należy stosować nie tylko cementy powszechnego użytku, ale także cementy o cechach specjalnych do których, zgodnie z zapisami normy PN-B-19707 [3], zaliczamy: cementy o niskim cieple hydratacji LH, cementy o wysokiej odporności na agresję siarczanową HSR, cementy niskoalkaliczne NA. Przy wykonywaniu obiektów hydrotechnicznych, betonów fundamentowych, obiektów oczyszczalni ścieków, fundamentów i filarów mostów oraz pozostałych betonów masywnych należy stosować cementy o niskim cieple hydratacji (LH). Znajomość ilości ciepła wydzielającego się podczas procesu wiązania i twardnienia cementu (proces egzotermiczny) jest bardzo ważna dla praktyki budowlanej. Bezpośrednim następstwem egzotermicznego procesu hydratacji cementu może być wzrost temperatury w dużej masie betonu, co może prowadzić do naprężeń termicznych (dużych różnic temperatur) i powstawania mikrospękań, następstwem czego jest zazwyczaj obniżona trwałość betonu. Ciepło hydratacji wybranych cementów przedstawiono na rys.1, a na rys. 2 wczesną wytrzymałość na ściskanie (zachodzi korelacja między tymi właściwościami). 6

ciep³o hydratacji, J/g 400 350 300 250 270 200 150 100 CEM II/B-S 52,5N CEM I 42,5R CEM II/B-S 42,5N CEM III/A 42,5N-NA CEM II/B-S 32,5R 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 czas, dni CEM III/A 32,5N- HSR/LH/NA CEM III/B 32,5N- HSR/LH/NA Rys. 1. Ciepło hydratacji cementu Wytrzyma³oœæ, MP 40 35 30 25 20 15 10 CEM III/A 32,5N-HSR/LH/NA CEM III/A 42,5N-NA CEM II/B-S 32,5R CEM I 32,5R CEM II/B-S 42,5N CEM I 42,5R 7,7 8,4 12,7 14,2 15,1 8,5 15,0 15,2 21,1 21,3 26,5 11,7 20,4 20,9 26,6 28,1 30,3 26,6 30,1 29,8 34,2 36,4 37,5 5 4,5 0 1 2 3 7 Czas, dni Rys. 2. Przyrost wczesnej wytrzymałości cementu na ściskanie 7

Stosowanie cementów odpornych na siarczany (HSR) stanowi dodatkowe zabezpieczenie strukturalne betonu przed środowiskiem agresywnym chemicznie. Według wymagań normy PN-EN 206-1 [5] cementy o wysokiej odporności na siarczany należy stosować w przypadku środowiska chemicznie średnio agresywnego (klasa ekspozycji XA2) i środowiska chemicznie silnie agresywnego (klasa ekspozycji XA3). Wartości graniczne dla klas ekspozycji dotyczących agresji chemicznej gruntów naturalnych i wody gruntowej są zawarte w normie PN-EN 206 (p.4.1). Cement niskoalkaliczny NA należy używać w przypadku kiedy stosujemy kruszywa, których reaktywne składniki mogą wchodzić w reakcję z alkaliami wywołując zarysowania i spękania betonu. Może to prowadzić do całkowitego zniszczenia betonu. W betonie mogą wystąpić trzy formy reakcji alkalia kruszywa: alkalia reaktywna krzemionka ze składu kruszywa, alkalia węglany (dolomit ze skał węglanowych) oraz alkalia krzemiany. Analizując zawartość tlenków alkalicznych w betonie, należy także uwzględnić ich ilość w stosowanych domieszkach chemicznych oraz w użytej wodzie zarobowej, itp. 3. Cement a dodatki do betonu Istotnym problemem jest zagadnienie jaki rodzaj cementu można zastosować w betonie w przypadku stosowania dodatków do betonu. Według zapisów normy PN-EN 206-1 p. 3.1.22 [5] przez dodatek do betonu należy rozumieć drobno uziarniony składnik dodawany do betonu w celu poprawy pewnych właściwości lub uzyskania specjalnych właściwości. Norma zajmuje się dwoma typami dodatków nieorganicznych: dodatki prawie obojętne (typ I), dodatki o właściwościach pucolanowych lub utajonych właściwościach hydraulicznych (typ II). Ogólną przydatność dodatków typu I ustala się dla: kruszywa wypełniającego zgodnie z EN 12620:2000, barwników zgodnie z EN 12878 (PN-EN 12878:2001). 8

CEM I CEM II CEM III CEM IV CEM V Tabela 1 Zakresy stosowania cementów zgodnych z EN 197-1 do produkcji betonu ze względu na korozję zbrojenia (dla danej klasy ekspozycji: x akceptowany zakres stosowania; o brak możliwości stosowania) Brak zagrożenia agresją środowiska lub zagrożenia korozją X0 XC1 Korozja spowodowana karbonatyzacją Klasy ekspozycji Korozja zbrojenia Korozja wywołana chlorkami nie pochodzącymi z wody morskiej pochodzącymi z wody morskiej XC2 XC3 XC4 XD1 XD2 XD3 XS1 XS2 XS3 X x x x x x x x x X x x A/B S X x x x x x x x x X x x A D X x x x x x x x x X x x A/B P/Q X x x x x x x x x X x o A V X x x x x x x x x X x x B X x x x x x x x x X x x A X x x x X o o o o O o o B W X x x o o o o o o O o o A X x x x x x x x x X x x B L X x x o o o o o o O x o A X x x x x x x x x X x x B LL X x x o o o o o o O o x A B A B C A B A B Interakcja ze strony stali sprężającej S-D;S-LL; D-LL; X x x x x x x x x X x x S-P;S-V;D-P; D-V;P-V; P-LL;V-LL X x x x x x x x x X x x M S-D X x x x x x x x x X x x S-P;D-P X x x x x x x x x X x o S-V;D-V;P-V; X x x x x x x x x X x x S-LL;D-LL; P-LL;V-LL; X x x x o o o o o O o x X x x x x x x x x X x x X x x x x x x x x X x x X x x o o x x o o X o o X x x x x x x x x X x o X x x o o o o O o O o o X x x x x x x X x X x o X x x o o o o O o o o o 9

CEM I Tabela 1 c.d Zakresy stosowania cementów zgodnych z EN 197-1 do produkcji betonu ze względu na agresję wobec betonu (dla danej klasy ekspozycji: x akceptowany zakres stosowania; o brak możliwości stosowania) Klasy ekspozycji Agresja wobec betonu Zamrażanie/rozmrażanie Środowisko chemicznie agresywne Agresja wywołana ścieraniem Interakcja ze strony stali sprężającej XF1 XF2 XF3 XF4 XA1 XA2 a) XA3 a) XM1 XM2 XM3 X x x x X x x x x x x A/B S X x x x X x x x x x x A D X x x x X x x x x x x A/B P/Q X o x o X x x x x x o A X x x x X x x x x x x B V X x o o X x x x x x x A O o o o O o o o o o o B W O o o o O o o o o o o A X x o o X x x x x x x B L O o o o O o o o o o x CEM II A X x x x X x x x x x x B LL O o o o O o o o o o x S-D;S-LL; X x x x X x x x x x x D-LL; A S-P;S-V;D-P; D-V;P-V; X o x o X x x x x x x P-LL;V-LL M S-D X x x x X x x x x x x S-P;D-P X o x o X x x x x x o B S-V;D-V;P-V; X o o o X x x x x x x S-LL;D-LL; O o o o O o o o o o x P-LL;V-LL; A X x x x b) X x x x x x x CEM III B X x x x c) X x x x x x x C O o o o X x x x x x o CEM IV A X x o o X x x o o o o B O o o o X x x o o o o CEM V A X x o o X x x x x x o B O o o o x x x o o o o a) Powyżej klasy ekspozycji XA1 - w przypadku agresji chemicznej wywołanej przez siarczany (z wyjątkiem ich pochodzenia morskiego) stosuje się cement o wysokiej odporności na siarczany HSR, zgodny z wymaganiami PN-B-19707. Dla wyprodukowania betonu o dużej odporności na siarczany, przy zawartości siarczanów w wodzie agresywnej na poziomie SO 2-4 1500 mg/l - zamiast cementu HS można stosować mieszankę z cementu i popiołu lotnego (patrz PN-EN 206-1:2003 rozdz. 5.2.5.2.2 ). b) Klasa wytrzymałości 42,5 lub klasa wytrzymałości 32,5 R z udziałem granulowanego żużla wielkopiecowego w ilości 50 % (masowo). c) Dopuszcza się stosowanie CEM III/B wyłącznie w przypadku: a) elementów konstrukcji budowlanych w wodzie morskiej jeśli: w/c 0,45; minimalna klasa wytrzymałości C35/45 i zawartość cementu 340 kg/m³; b) trasy najazdu sprzętu mobilnego jeśli: w/c 0,35; minimalna klasa wytrzymałości C40/50 i zawartość cementu 360 kg/m 3. W obu przypadkach nie dopuszcza się porów powietrznych. 10

Ogólną przydatność dodatków typu II ustala się dla popiołu lotnego zgodnie z PN-EN 450 [7], a pyłu krzemionkowego zgodnie z pren 13263:1998. Ilość dodatków typu I i typu II należy określać na podstawie badań wstępnych (załącznik A do normy PN-EN 206-1 [5]). Norma zaleca określać wpływ dodatków na inne właściwości niż wytrzymałość betonu (przyrost wytrzymałości, skurcz, trwałość). Jest to słuszne, zwłaszcza w Polsce, gdzie dosyć rzadko wykonywane są badania trwałościowe betonu. Dodatki typu II mogą być uwzględniane w składzie betonu w ramach zawartości cementu oraz współczynnika woda/cement, jeśli ustalona jest ich przydatność. Realizowane jest to poprzez wprowadzenie wartości k. Pojęcie współczynnika k umożliwia uwzględnienie dodatków typu II: zastąpienie terminu współczynnik woda/cement terminem współczynnik woda/(cement + k x dodatek), przez ustalenie minimalnej zawartości cementu dla danej klasy ekspozycji (patrz p. 5.3.2 normy PN-EN 206-1[5]). Stosowanie popiołu lotnego zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 206-1 [5] wymaga spełnienia następujących warunków (p.5.2.5): 1. maksymalna ilość popiołu lotnego, uwzględniona w wartości współczynnika k, powinna spełniać warunek: popiół lotny/cement 0,33 masowo. W przypadku zastosowania większych ilości popiołu lotnego, jego nadmiaru nie należy uwzględniać przy obliczaniu współczynnika woda/(cement + k popiół lotny) oraz w minimalnej ilości cementu, 2. dla betonów zawierających cement CEM I zgodny z EN 197-1 (krajowe uzupełnienie dopuszcza także stosowanie cementów portlandzkich wieloskładnikowych CEM II/A) dopuszcza się następujące wartości k: CEM I 32,5 k=0,2, CEM I 42,5 i klasy wyższe k=0,4 3. minimalna zawartość cementu wymagana w odpowiedniej klasie ekspozycji (patrz pkt. 5.3.2 [5]) może być zmniejszona maksymalnie o ilość: k (minimalna zawartość cementu w danej klasie ekspozycji 200) [kg/m 3 ] Dodatkowo, ilość (cement + popiół) nie powinna być mniejsza niż minimalna zawartość cementu wymagana dla danej klasy ekspozycji. Przykład obliczenia minimalnej zawartości cementu przy stosowaniu popiołu lotnego: klasa ekspozycji XC4: minimalna zawartość cementu 300kg/m 3 (tabela F1 [5]); może ona być maksymalnie zmniejszona w przypadku stosowania popiołu o ilość: CEM I 32,5; k=0,2 k (minimalna zawartość cementu w klasie ekspozycji XF4 200) = 0,2(300-200) = 20 kg tj. nowa minimalna ilość cementu 300-20 = 280kg/m 3, klasa ekspozycji XC4: minimalna zawartość cementu 300kg/m 3 (tabela F1 [5]); może ona być maksymalnie zmniejszona w przypadku stosowania popiołu o ilość: CEM I 42,5; k=0,4 k (minimalna zawartość cementu w klasie ekspozycji XF4 200) = 0,4(300-200) = 40 kg tj. nowa minimalna ilość cementu 300-40 = 260kg/m 3. Krajowe uzupełnienie normy europejskiej PN-B-06265 [6] rozszerza zakres rodzajowy stosowanych cementów stosując dodatki typu II korzystając z formuły współczynnika k. Zapisy podane w projekcie normy są następujące [6]: 11

z wyjątkiem elementów budowlanych narażonych na oddziaływanie środków odladzających (klasa ekspozycji XF2, XF3 i XF4) dopuszcza się zastosowanie wartości współczynnika k wg PN-EN 206-1 (p. 5.2.5.2.2) [5] dla popiołu lotnego zgodnego z PN-EN 450 [7] użytego razem z cementem CEM II/A, zgodnym z PN-EN 197-1 (z wyjątkiem cementu portlandzkiego popiołowego CEM II/A-V); dopuszcza się następujące wartości k dla cementu: CEM 32,5 k=0,2, CEM 42,5 i klasy wyższe k=0,4 Obliczone, minimalne ilości cementu przy k =0,2 oraz k =0,4 dla poszczególnych klas ekspozycji podano w tabeli 2. dopuszcza się zastosowanie wartości współczynnika k wg PN-EN 206-1(p. 5.2.5.2.3 [5]) dla pyłu krzemionkowego zgodnego z pren 13263:1998 użytego razem z cementem CEM II/A zgodnym z PN-EN 197-1 (z wyjątkiem cementu portlandzkiego krzemionkowego CEM II/A-D). Rozszerzenie zakresu stosowania dodatków na cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II/A wynika z zalecenia zawartego w załączniku E (informacyjnym) normy PN-EN 206-1 [5], które brzmi:... zaleca się, aby całkowita ilość dodatku, łącznie z zawartym już w cemencie, jako jego składnik, zawierała się w granicach podanych w EN 197-1 dla odpowiedniego dopuszczonego cementu. 4. Ilość cementu w składzie betonu Norma PN-EN 206-1 wprowadza nowe podejście do projektowania składu i produkcji betonu oraz oceny jego parametrów technicznych. Nadrzędnym celem spełnienia zawartych w normie wymagań jest trwałość betonu pracującego w określonych warunkach środowiskowych (klasy ekspozycji). W normie PN-EN 206-1 zdefiniowano 18 klas ekspozycji betonu. Poszczególnym klasom ekspozycji przyporządkowane są wymagania technologiczne dotyczące składu mieszanki betonowej i warunków wykonywania betonu, obejmujące: maksymalny wskaźnik wodno cementowy (w/c), minimalną zawartość cementu, minimalną wytrzymałość betonu na ściskanie, dla niektórych klas środowiskowych - minimalne napowietrzenie betonu i wymagania dla materiałów. Wymagania powyższe, dla poszczególnych klas ekspozycji, z uwzględnieniem dodatku popiołów lotnych do cementu o klasie wytrzymałościowej 32,5 i 42,5 zawartych w krajowym projekcie uzupełnienia normy europejskiej [6], przedstawiono w tabeli 2. 12

Maksymaln e w/c Minimalna klasa wytrzymałości Minimalna zawartość cementu (kg/m 3 ) Minimalna ilość CEM 32,5 przy k=0,2 (kg/m 3 ) Minimalna ilość CEM 42,5 przy k=0,4 (kg/m 3 ) Minimalna zawartość powietrza (%) Inne wymagania Brak zagrożenia agresją środowiska lub zagrożenia korozją Korozja spowodowana karbonatyzacją Tabela 2 Zalecane wartości graniczne dla składu oraz właściwości betonu Woda morska Korozja wywołana chlorkami Klasy ekspozycji Chlorki nie pochodzące z wody morskiej Zamrażanie/rozmrażanie Środowiska chemicznie agresywne Agresja wywołana ścieraniem a ) X0 XC1 XC2 XC3 XC4 XS1 XS2 XS3 XD1 XD2 XD3 XF1 XF2 XF3 XF4 XA1 XA2 XA3 ---- 0,65 0,60 0,55 0,50 0,50 0,45 0,45 0,55 0,55 0,45 0,55 0,55 0,50 0,45 0,55 0,50 0,45 XM1 XM2 XM3 0,55 0,55 0,45 C 8/10 C 16/20 C 16/20 C 20/25 C 25/30 C 30/37 C 35/45 C 35/45 C 30/37 C 30/37 C 35/45 C 30/37 C 25/30 C 30/37 C 30/37 C 30/37 C 30/37 C 35/45 C 30/37 C 30/37 C 35/45 ---- 260 280 280 300 300 320 340 300 300 320 300 300 320 340 300 320 360 300 300 320 ---- 250 260 260 280 280 300 310 280 280 300 280 ---- 240 250 250 270 270 270 280 270 270 270 270 b ) b ) b ) b ) b ) 280 300 330 b ) 260 270 300 280 280 300 260 260 280 ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- 4,0 c ) 4,0 c ) 4,0 c ) ---- ---- ---- ---- ---- ---- Kruszywo zgodne z PN-EN 12620 o odpowiedniej odporności na zamrażanie/rozmrażanie Cement odporny na siarczany d ) Pielęgna cja powierzchni betonu e ) Kruszywo o dużej odporno-- ści na ścieranie a ) Zaleca się stosowanie kruszyw o uziarnieniu do 4 mm, składających się głównie z kwarcu lub materiałów co najmniej tej samej twardości; frakcje grubsze ze skał magmowych czy metamorficznych lub tworzyw sztucznych o dużej odporności na ścieranie. Zaleca się, aby ziarna odznaczały się umiarkowanie chropowatą powierzchnią oraz wypukłym kształtem a mieszanka była możliwie gruboziarnista. Powierzchnia betonu może być uszlachetniona materiałami odpornymi na ścieranie. W warunkach eksploatacji powierzchni przez wózki na rolkach stalowych lub pojazdy gąsienicowe dla klas ekspozycji XM2 i XM3 zaleca się stosowanie dodatku ziarnistych opiłków stalowych lub granulowanego śrutu żeliwnego, zastępczo za grube frakcje piasku oraz żwiru od 2 mm do 4 mm. Zastępstwo to dotyczy równoważnej objętości właściwej kruszywa przez taką samą objętość właściwą tego dodatku w ilości nie większej niż 100 dm 3. b ) Dopuszcza się stosowanie dodatków typu II do produkcji betonu, lecz nie jako ekwiwalent części zawartości cementu oraz bez możliwości uwzględniania tego dodatku przy określaniu w/c. c ) Gdy beton nie jest napowietrzany, zaleca się badanie jego właściwości użytkowych odpowiednią metod, porównując z betonem, którego odporność na zamrażanie/rozmrażanie w danej klasie ekspozycji jest potwierdzona. d ) W przypadku, gdy zawartość SO 4 2- wskazuje na klasy ekspozycji XA2 oraz XA3, stosuje się cement o wysokiej odporności na siarczany HSR zgodny z PN-B-19707. e ) Np. poprzez próżniowanie i wygładzanie betonu. 13

5. Stosowanie cementów z oferty Górażdże Cement S.A. do betonu spełniającego wymagania normy PN-EN 206-1 Cementy oferowane przez Górażdże Cement S.A. produkowane są przez cementownię Górażdże, cementownię Strzelce Opolskie oraz EKOCEM Sp. z o.o. w Dąbrowie Górniczej. Aktualnie w ofercie handlowej Górażdże Cement dostępne są cementy: Cement portlandzki CEM I - cement portlandzki CEM I 32,5R - cement portlandzki CEM I 42,5R - cement portlandzki CEM I 52,5R - cement portlandzki biały CEM I 42,5 Cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II - cement portlandzki popiołowy CEM II/B-V 32,5R HSR - cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II/B-M(V-LL) 32,5R - cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 32,5R - cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 42,5N - cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 52,5N Cement hutniczy CEM III - cement hutniczy CEM III/A 32,5N - NA/HSR/LH - cement hutniczy CEM III/B 32,5N - NA/HSR/LH - cement hutniczy CEM III/A 42,5N - NA Zakresy stosowania poszczególnych cementów w określonych klasach ekspozycji przedstawiono w tabeli 3, natomiast ich właściwości są szeroko opisane w wydawnictwie własnym Górażdże Cement S.A. [8]. Tabela 3. Zakresy stosowania cementów Górażdże Cement S.A. Rodzaj cementu Zakres stosowania Cement portlandzki CEM I Przydatny we wszystkich klasach ekspozycji z wyłączeniem klasy 32,5R; CEM I 42,5R; CEM XA 2 i XA 3 (wymagane są cementy siarczanoodporne HSR). I 52,5R Cementy portlandzkie CEM I 42,5R i 52,5R są szczególnie przydatne w produkcji betonu o wyższych klasach wytrzymałości na ściskanie, produkcji galanterii betonowej i prefabrykacji oraz w Cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 32,5R; CEM II/B-S 42,5N; CEM II/B-S 52,5N Cement portlandzki popiołowy CEM II/B-V 32,5R- HSR produkcji dachówek cementowych. Przydatny we wszystkich klasach ekspozycji z wyłączeniem klasy XA 2 i XA 3 (wymagane 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, drobno- i wielkowymiarowych. 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. 14

Cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II/B-M(V-LL) 32,5R Cement hutniczy CEM III/A 32,5N-LH/HSR/NA, CEM III/B 32,5N- LH/HSR/NA, c.d tableli 3 Cement 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. Cementy przydatne we wszystkich klasach ekspozycji, z tym, że w klasie ekspozycji XF4 zaleca się stosowanie cementu hutniczego CEM III/A o mniejszej zawartości granulowanego żużla wielkopiecowego (<50%). Cementy hutnicze posiadają właściwości specjalne: niskie ciepło hydratacji, wysoka odporność na korozyjne oddziaływanie środowisk agresywnych chemicznie łącznie z agresją alkaliczną. Szczególnie przydatne są w budowie fundamentów, zapór wodnych, oczyszczalni ścieków, obiektów morskich i do prac budowlanych w górnictwie. Literatura [1] PN-EN 197-1:2002 Cement - Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku [2] EN 197-2:2002 Cement - Część 2: Ocena zgodności [3] PN-B-19707:2003 Cement. Cement specjalny. Skład, wymagania i kryteria zgodności [4] DIN 1164:2000 Cement specjalny - Skład, wymagania, atestacja zgodności [5] PN-EN 206-1:2003 Beton Część1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność [6] PrPN-B-062265:2004 Krajowe uzupełnienia PN-EN 206-1 Beton Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność [7] PN-EN 450:1998 Popiół lotny do betonu. Definicje, wymagania i kontrola jakości. [8] Cementy w ofercie handlowej Górażdże Cement S.A. Rodzaje, właściwości, zastosowanie. Chorula, 2003. Cements facing the requirements of concrete standard PN-EN 206-1 Summary The paper presents the procedures of cement selection for concrete, fulfilling the requirements of standard PN-EN 206-1. Special attention has been given to the selection of cement to exposure classes, use of mineral additives together with cement as well as to the calculation of minimum cement amount in concrete content. Furthermore, the requirements of national supplement (PN-B- 06265) for European standards have also been quoted in the article. 15

16

VI SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 2004 Mariusz Saferna 1 Sebastian Kaszuba 2 TERMIKA BETONU W KONSTRUKCJACH MOSTOWYCH 1. Specyfikacje techniczne dla wykonywanych obiektów mostowych Wszystkie konstrukcje mostowe realizowane na terenie Polski wykonywane są w oparciu o tak zwane specyfikacje techniczne. W dokumentach tych wskazane są wymagania dotyczące poszczególnych składników mieszanki betonowej jej parametrów jak i stwardniałego betonu przeznaczonego na daną konstrukcję. Korelacja pomiędzy tymi wymaganiami, warunkami transportu, zabudowy oraz pielęgnacji wczesnej betonu pozostawia często wiele do życzenia. Po dogłębnej, praktycznej analizie wspomnianych specyfikacji można wnioskować, iż zbyt szczegółowa ingerencja poszczególnych jej zapisów w etapy produkcji uniemożliwia zastosowanie nowych technologii zapewniających większą trwałość konstrukcji oraz zmniejszających ryzyko powstania ewentualnych usterek. Problem ten pojawia się już przy wymaganiach dotyczących właściwości kruszyw, gdzie zawsze wskazane są piaski i grysy nie posiadające reaktywnej krzemionki. Jej brak ma zapobiec reakcji z alkaliami zawartymi w cemencie (tzw. reakcji alkalicznej). Jednocześnie jednak specyfikacje zawierają wymóg stosowania cementów niskoalkalicznych o ściśle wyspecyfikowanym składzie fazowym, którego w praktyce nie spełniają prawie wszystkie produkowane w kraju cementy. Kolejnym brakiem spójności jest zapis o obowiązku stosowania cementów odpornych na korozję siarczanową mających wyeliminować powstawanie faz ekspansywnych, gdzie powszechnie wiadomo, że obiekty mostowe w Polsce narażone są głównie na korozję chlorkową (np. chlorek sodu) wynikającą z zimowego utrzymania dróg. Na dodatek specyfikacje wymagają stosowania cementów portlandzkich klasy nie mniejszej niż CEM I 42,5 bagatelizując zupełnie ważny problem termiki konstrukcji. Nie uwzględnia się w ogóle ścisłej zależności pomiędzy kubaturą danego elementu konstrukcji mostowej, a wysokim ciepłem hydratacji wymienionego cementu. Całość problemu zamykają rozbieżności w określeniu odpowiedniej konsystencji mieszanki betonowej wpływającej na pompowalność oraz prawidłowe ułożenie i 1 mgr inż., BETOTECH Sp. z o.o., mariusz.saferna@betotech.pl 2 mgr inż., BETOTECH Sp. z o.o., sebastian.kaszuba@betotech.pl 17

zagęszczenie mieszanki w szalunkach, a także brak jakichkolwiek instrukcji dotyczących pielęgnacji wilgotnościowej i termicznej konstrukcji. W niniejszym referacie szczególny nacisk położony jest na cement, surowiec, którego dobór szczegółowo wskazywany jest w specyfikacjach technicznych. 2. Specyfikacja techniczna a dobór cementu O trwałości i jakości obiektu inżynierskiego, jakim jest most, decyduje jego prawidłowe zaprojektowanie i zgodny ze sztuką inżynierską przebieg całości prac budowlanych. Jednak w głównej mierze trwałość konstrukcji zależy od właściwości betonu z jakiego zostanie on wykonany. Na rodzaj i jakość zastosowanych materiałów wpływają bezpośrednio wymagania zawarte w specyfikacjach technicznych. Te zaś konstruowane są na podstawie dwóch dokumentów: Zarządzenia Nr 1 Generalnego Dyrektora Dróg Publicznych (GDDP) z 03.01.1990 r. Rozporządzenia Ministra transportu i Gospodarki Morskiej Nr 735 z dnia 30.05.2000 w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie. W praktyce podstawowym dokumentem jest najczęściej Zarządzenie Nr 1/90 GDDP. Akt ten liczy sobie już 14 lat. Niestety nie uwzględnia on postępu w technologii betonu jaki dokonał się na przestrzeni tego czasu. Technologia produkcji cementu, betonu, duży postęp w produkcji domieszek chemicznych oraz wiedza i doświadczenie technologów w komponowaniu parametrów warunkujących trwałość betonu jest tu prawie całkowicie niewykorzystana. Wniosek wyciągany podczas każdej realizacji obiektu mostowego jest zawsze ten sam: stan prawny dotyczący parametrów betonu i technologii wykonywania obiektów mostowych wymaga radykalnej aktualizacji. Obecny stan prawny w żadnym przypadku nie gwarantuje powstania trwałej konstrukcji, a dodatkowo naraża wykonawcę na nieuzasadnione, wyższe koszty wykonania. Wracając jednak do doboru cementu w świetle obowiązującego rozporządzenia należy powiedzieć, iż ograniczenie udziału poszczególnych faz klinkierowych i alkaliów, czyli: C 3 A poniżej 7%, C 4 AF+2C 3 A nie więcej niż 20%, oraz zawartości alkaliów poniżej 0,6%, wcale nie gwarantuje uzyskania trwałego betonu. Kolejnym błędem jest nakaz stosowania cementu CEM I 42,5 do betonów klas od B30 do B40, zaś do betonów klas B45 i wyższych cementu CEM I 52,5! Zawarte w normie cementowej PN-EN 197-1 graniczne parametry wytrzymałościowe, jakie spełniają cementy dostępne na rynku z powodzeniem pozwalają na zastosowanie cementu CEM I 32,5 co najmniej do klasy B35 pozwalając na znacznie obniżenie nie tylko termiki konstrukcji, ale i kosztów materiałowych. Potwierdzają to zapisy normy PN-EN 206-1, gdzie przy odpowiedniej wartości wskaźnika W/C można uzyskać z cementu portlandzkiego CEM I 32,5R betony klasy wytrzymałościowej C 35/45 (B45). Tak daleko idące wymagania, co do składu, rodzaju i klasy cementu ograniczają możliwości kształtowania cech reologicznych mieszanki betonowej oraz wpływają na wysoką termikę konstrukcji. Już na samym początku powoduje to ogromne ryzyko powstania usterek w betonie nie wspominając o kosztach związanych z pielęgnacją oraz finalnej cenie betonu. W wytycznych co prawda wyróżnia się elementy wielkogabarytowe, jednak mimo to do wszystkich elementów, bez względu na ich kubaturę wskazuje się 18

zastosowanie betonu opartego na tym samym cemencie. Wytyczne nie określają kto odpowiada za błędy spowodowane takim stanem rzeczy. Specyfikacja techniczna nie bierze też pod uwagę warunków zabudowy takich jak pora roku, nasłonecznienie oraz siła wiatru. W każdych warunkach, zarówno zimowych jak i letnich wskazuje się do stosowania ten sam rodzaj i klasę cementu. Przy każdej konstrukcji niezbędne jest inżynierskie podejście do problemu. Powinno się uwzględniać wszystkie czynniki mające wpływ na powstanie trwałej konstrukcji, czyli: rodzaj i przeznaczenie poszczególnych elementów, prawidłowe zaprojektowanie mieszanki betonowej uwzględniające warunki panujące przy zabudowie oraz pielęgnację betonu. Wymagania dla poszczególnych składników powinny dawać znacznie większą możliwość ich dobru w taki sposób, aby pozwalały na wyprodukowanie betonu, który spełni wymagania specyfikacji. Dobór surowców powinno się pozostawić technologom betonu stawiając przed nimi tylko wymagania dla betonu w konstrukcji. Rola zarządzeń i specyfikacji winna ograniczać się do dokładnego wyspecyfikowania finalnego produktu, jego metod badania i kontroli poprawności wykonania konstrukcji. Dodatkowo powinny być one uzupełnione o wytyczne dotyczące pielęgnacji betonu, gdyż obecnie problem ten jest całkowicie pomijany, a jest to jeden z podstawowych elementów warunkujących uzyskanie zakładanych cech betonu, a decydujących o jego trwałości. 3. Cement w konstrukcjach mostowych Cement oraz pozostałe surowce do betonów przeznaczonych na konstrukcje inżynierskie powinno dobierać się w oparciu o aktualnie obowiązujący stan wiedzy. Cement jest tylko jednym ze składników mieszanki betonowej jednak wybór jego klasy i rodzaju winien być podyktowany dokładnym rozpatrzeniem i analizą wszystkich czynników mających wpływ na trwałość konstrukcji. Zapis dotyczący doboru cementu zawarty w normie PN-EN 206-1 uwzględnia: realizację robót, przeznaczenie betonu, warunki pielęgnacji, wymiary konstrukcji, warunki środowiska, na które narażona będzie konstrukcja, potencjalną reaktywność kruszywa z alkaliami zawartymi w składnikach. Z równie dobrym, a nawet większym powodzeniem można zastosować do konstrukcji mostowych cementy portlandzkie wieloskładnikowe CEM II/B-S i hutnicze CEM III/A. Wykres przedstawiający wielkość ciepła hydratacji poszczególnych cementów przedstawia rys. 1. Cementy te są dostępne na rynku we wszelkich, niezbędnych klasach. Z punktu widzenia termiki konstrukcji zastosowanie cementów o niższym cieple hydratacji pozwala na znaczne obniżenie gradientu temperaturowego pomiędzy rdzeniem i jej wierzchnią warstwą, będącego bezpośrednią przyczyną powstawania rys i spękań. W praktyce przyjmuje się, iż dopuszczalna wartość gradientu temperaturowego wynosi 20 o C. Oczywiście niebagatelne znaczenie ma również odpowiednio prowadzona pielęgnacja. Mieszanka betonowa oparta na cementach żużlowych pozwala na utrzymanie odpowiedniej konsystencji w dłuższym czasie, a zaznaczyć trzeba, że w warunkach letnich na typowej budowie jest to cecha najbardziej pożądana. Efekt ten jest ściśle związany z wydłużonym działaniem domieszek chemicznych, lepiej oddziaływujących z cementami tej grupy. 19

Odpowiednio dobrana konsystencja ułatwia prawidłowe układanie i zagęszczanie świeżego betonu. Łatwość wyprowadzenia uwięzionego w betonie powietrza gwarantuje ciągłość struktury monolitu w całej jego objętości ograniczając wnikanie mediów agresywnych, a co za tym idzie podwyższając jego trwałość. 400 350 ciepło hydratacji, J/g 300 250 200 150 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 czas, dni CEM I 42,5R CEM I 32,5R CEM II/B-S 42,5N CEM III/A 42,5N CEM II/B-S 32,5R CEM III/A 32,5N CEM III/B 32,5N Rys. 1. Ciepło hydratacji cementów. 4. Termika w konstrukcji mostowej - praktyka Na przełomie lipca i sierpnia 2003 roku na jednym z obiektów realizowanych na Górnym Śląsku wykonywane były płyty wierzchnie konstrukcji mostowej. Na życzenie wykonawcy laboratorium BETOTECH przeprowadziło badania temperatur betonu wewnątrz zabudowywanej konstrukcji w dwóch wybranych płytach. Receptura mieszanki betonowej oparta była na cemencie CEM I 42,5 MSR NA częściowo spełniającego wymogi specyfikacji technicznej. Jej skład i parametry przedstawia tablica 1. Tablica 1. Skład i parametry mieszanki betonowej. Klasa betonu B30 20

CEM I 42,5 MSR NA 355 kg Piasek, grys bazaltowy 0-16 mm Woda 168 kg Superplastyfikator 1,4 % m.c. Opóźnienie ok. 2 godz. W/C 0,48 Opad stożka 4 cm Temperatura mieszanki betonowej 24 o C Czas transportu mieszanki betonowej trwał 35 minut, zaś temperatura otoczenia wynosiła 29 o C. Zabudowywane płyty miały objętość 350 m 3 każda. Bardzo niekorzystne było położenie budowy: miejsce nieosłonięte, narażone na duże podmuchy wiatru. Mieszanka betonowa podawana była do konstrukcji pompą do betonu w ilości około 30 m 3 /h. Czas zabudowy jednej płyty wynosił około 11 godzin. Obydwie płyty zabudowano w analogicznych warunkach. Grubość każdej z nich wynosiła 1,4 m. Po ustaleniach z kierownictwem budowy zabudowano w płycie nr 1 sondy temperaturowe w osi pionowej na głębokościach 15 cm i 65 cm od warstwy wierzchniej. Przebieg zmian temperatury w płycie nr 1 przedstawia rys.2. Maksymalny gradient temperaturowy wystąpił po 5,5 godzinach od zabetonowania sond i wynosił 37 o C. Wtedy też pojawiły się pierwsze rysy skurczowe. Aby zmierzyć głębokość rys wykonano odwierty w miejscu ich występowania. Głębokość rys dochodziła do 6 cm. Należy wspomnieć, iż badana płyta nie była w żaden sposób pielęgnowana w celu obniżenia gradientu temperaturowego. 65 60 55 Temperatura [C] 50 45 40 35 30 25 20 0 24 48 72 96 120 Czas [h] h-65 cm h-15 cm Rys. 2. Przebieg zmian temperatury w płycie nr 1. Po przeanalizowaniu wyników przeprowadzonego badania kierownictwo budowy zdecydowało się na zabezpieczenie warstwy wierzchniej drugiej płyty. Do tego celu 21

zastosowano folię termoizolacyjną i geowłókninę. Zagęszczono też rozkład rozmieszczonych sond. Tym razem umieszczono je na dwóch osiach pionowych na głębokościach 1cm, 15cm, 65cm i 115cm od warstwy wierzchniej. Oś pierwszą osadzono w odległości 1,5m od krawędzi, zaś druga oś przebiegała przez środek płyty. Zmiany temperatury w płycie nr 2 w obydwu osiach przedstawiono na rys.3. i rys. 4. 75 65 temperatura [C] 55 45 35 25 15 0 20 40 60 80 100 120 Czas [h] h-115 cm h -65 cm h -15 cm h -1 cm Rys. 3. Przebieg zmian temperatury w płycie nr 2 w pierwszej osi. 75 65 temperatura [C] 55 45 35 25 15 0 20 40 60 80 100 120 czas [h] h-115 cm h -65 cm h -15 cm h -1 cm Rys. 4. Przebieg zmian temperatury w płycie nr 2 w drugiej osi. 22

W płycie nr 2 maksymalny gradient temperaturowy wystąpił po 72 godzinach twardnienia w osi DP1 i wynosił 28,2 o C. W wyniku przekroczenia dopuszczalnej, bezpiecznej wartości gradientu temperaturowego w tej płycie również pojawiły się pęknięcia wierzchniej warstwy. Miały one jednak znacznie mniejszą głębokość, która nie przekraczała 3cm (Rys. 5.). Rys. 5. Głębokość wnikania rys skurczowych. Maksymalna temperatura zarejestrowana w środku płyty (punkt na głębokości 65cm) wystąpiła po 25 godzinach po zakończeniu betonowania i wyniosła 69,1 o C. Uzyskane właściwości betonu zamieszczono w tablicy 2. Tablica 2. Osiągnięte parametry betonu. R ŚR po 3 dniach 40,3 MPa R ŚR po 7 dniach 49,9 MPa R ŚR po 28 dniach 62,4 MPa Mrozoodporność F150 Wodoszczelność W8 5. Wnioski 1. Aktualnie obowiązujące specyfikacje techniczne są często zbiorem wzajemnie wykluczających się i niespójnych wytycznych i zaleceń. 2. Oferta handlowa polskich cementowni w połączeniu z wiedzą dotyczącą zastosowania cementów innych niż portlandzkie jest cennym i rzadko wykorzystywanym źródłem praktycznego rozwiązywania przytoczonych problemów. 3. W celu zagwarantowania trwałości realizowanych konstrukcji mostowych niezbędna jest gruntowna zmiana treści specyfikacji technicznych uwzględniająca postęp technologiczny, właściwości nowych materiałów i doświadczenie ludzi. 23

CONCRETE`S THERMIC IN BRIDGE CONSTUCTIONS Summary The paper describes technical specifications requirements of the bridge constructions in Poland. These documents dictate terms of selection and properties of cement, aggregates and admixtures used in concrete production. The paper includes analysis of the thermal test results from the typical bridge construction. Presented propositions of practically solutions of problem by slag cements application. 24

VI SYMPOZJUM NAUKOWO-TECHNICZNE REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Gliwice 2004 Witold Jawański 1 WPŁYW RODZAJU CEMENTU NA WŁAŚCIWOŚCI BETONU MOSTOWEGO 1. Wprowadzenie Od kilku już lat trwa w Polsce ożywiona dyskusja nad wykorzystaniem dla potrzeb budownictwa drogowego i mostowego możliwości, które daje szeroka oferta cementów mieszanych, przede wszystkim zawierających mielony żużel wielkopiecowy. Wiodący producenci cementu oferują nawet do 5 rodzajów cementów żużlowych, z których większość posiada aprobaty techniczne IBDiM. Nie ma obecnie powodów merytorycznych, aby zastosować nowe cementy na szerszą skalę również w budownictwie mostowym. Istnieją jednak zasadnicze przeszkody natury formalnej. Zgodnie z obowiązującym Zarządzeniem GDDKiA do produkcji betonów mostowych w Polsce należy stosować wyłącznie cementy rodzaju CEM I, do betonów klas od B30 wzwyż musi to być cement klasy co najmniej 42,5 na parametry którego nałożono wymagania spełnianie obecnie tylko przez jeden gatunek cementu. Często prowadzi to do paradoksalnych sytuacji, gdy wykonawca zmuszony jest np. do betonowania masywnych elementów w okresie letnim cementem CEM I 42,5. Poprawna technologicznie propozycja zmiany rodzaju cementu na CEM III/A jest bardzo trudna do zaakceptowania i musi być podparta specjalnym zatwierdzeniem IBDiM, a w wielu przypadkach dodatkowymi badaniami i opiniami ekspertów. Kwestia ta była tematem gorących dyskusji również na forum publicznym (m.in. na konferencji Dni Betonu 2002 ) i niewątpliwie konieczna jest szybka weryfikacja obowiązujących w tym zakresie uregulowań prawnych. Zasadniczym celem prostych badań porównawczych przedstawionych w tym referacie było pokazanie wpływu rodzaju cementu na zmiany właściwości mieszanki betonowej i betonu mostowego na przykładzie jednej wybranej receptury. 1 mgr inż., SIKA Poland 25

2. Założenia i dane wyjściowe Do badań wybrano jedną typową recepturę wyjściową betonu mostowego klasy C40/50 wg PN-EN 206-1 (B45 wg PN/B-06250). W recepturze zachowano następujące parametry stałe: Ilość cementu : 390 kg/m 3 ; Stosunek W/C : 0,43; Rodzaj superplastyfikatora; Konsystencja docelowa uzyskiwana domieszką : opad stożka 22 cm (granica klas konsystencji S4 i S5 wg PN-EN 206-1), z tolerancją błędu pomiarowego do 1,5 cm (maksymalna średnica ziarna kruszywa); Kruszywa i ich proporcje objętościowe wg krzywej uziarnienia jak niżej : KRZYWA UZIARNIENIA 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Rzędna GKD GKG 0,063 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 Rys.1. Krzywa uziarnienia badanego betonu Parametrami zmiennymi były : Rodzaje cementu - zastosowano 3 cementy klasy 42,5 o różnej zawartości żużla: CEM I 42,5 R, CEM II/B-S 42,5 N oraz CEM III/A 42,5 N; Zawartości masowe kruszyw (drobne różnice wynikające z różnic gęstości cementów); Konsystencje wyjściowe przed dodaniem domieszki; Ilość domieszki; Pełne receptury teoretyczne na 1 m 3 zestawiono w poniższej tabeli : 26

Tab.1. Receptury teoretyczne badanych mieszanek betonowych. SKŁADNIK [kg/m3] REC 1 REC 2 REC 3 CEM I 42,5 R Górażdże 390 CEM II/B-S 42,5 N Górażdże 390 CEM III/A 42,5 N Górażdże 390 Woda 168 168 168 Piasek 0/2 Kotlarnia 695 694 693 Grys bazaltowy 2/8 Gracze 624 623 622 Grys bazaltowy 8/16 Gracze 721 719 717 Superplastyfikator Sika ViscoCrete 5-600 1,55 1,45 1,75 Jako domieszkę upłynniającą wybrano superplastyfikator polimerowy Sika ViscoCrete 5-600 o stężeniu 33%, charakteryzujący się silnym upłynnieniem przy dawkach 0,3-0,5% masy cementu, długim utrzymywaniem konsystencji oraz stabilnym działaniem na cementach z grupy Górażdże. Badaniami mieszanki betonowej objęto konsystencję przed dodaniem domieszki, doświadczalne określenie dawki domieszki dla uzyskania zakładanej konsystencji początkowej, gęstość i napowietrzenie oraz profil konsystencji i obserwację urabialności w czasie 75 minut. Badaniami betonu objęto profil rozwoju wytrzymałości, nasiąkliwość, wodoszczelność i mrozoodporność. 3. Wyniki badań mieszanki betonowej Wyniki badań mieszanek zestawiono w poniższych tabelach i na wykresach : Tab. 2. Ustalone doświadczalnie dozowania domieszki dla uzyskania założonej konsystencji początkowej. Dozowanie Sika ViscoCrete 5-600 kg/m3 % m.c. CEM I 42,5 R 1,55 0,40 CEM II/B-S 42,5 N 1,45 0,37 CEM III/A 42,5 N 1,75 0,45 Tab.3. Wyniki badań konsystencji na 3 cementach. Profile konsystencji na 3 cementach; opad stożka Abramsa w cm Czas; min bez dom. z dom. 15 30 45 60 75 CEM I 42,5 R 2,0 21,5 21,0 19,5 19,5 18,5 18,5 CEM II/B-S 42,5 N 3,0 23,5 23,0 22,5 21,5 21,0 20,5 CEM III/A 42,5 N 1,5 22,0 21,5 20,5 19,0 19,0 16,0 27

25,0 20,0 OPAD STOZKA; cm 15,0 10,0 5,0 0,0 bez dom. z dom. 15 30 45 60 75 CZAS; min CEM I 42,5 R CEM II/B-S 42,5 N CEM III/A 42,5 N Rys.2. Wykres : profile konsystencji na 3 cementach. Najmniejsze zapotrzebowanie na wodę i domieszkę stwierdzono w przypadku cementu żużlowego CEM II/B-S 42,5 N, a największe w przypadku cementu hutniczego CEM III/A 42,5 N. Na cemencie żużlowym stwierdzono również długie najlepsze utrzymywanie konsystencji. Ponieważ wyniki zestawione w tabeli i na wykresie nie są w stanie oddać bezpośredniej obserwacji urabialności mieszanki, wykonano również dokumentację fotograficzną. Dla każdego cementu na rys. 3, 4, 5 pokazano 7 fotografii ilustrujących profil konsystencji jak na wykresie na rys. 7 (tzn. kolejno: przed dodaniem domieszki, po dodaniu domieszki oraz po 15, 30, 45, 60 i 75 minutach). 28

Rys. 3. Urabialność i wygląd mieszanki betonowej na cemencie CEM I 42,5 R. 29

30 Rys. 4. Urabialność i wygląd mieszanki betonowej na cemencie CEM II/B-S 42,5 N.

Rys. 5. Urabialność i wygląd mieszanki betonowej na cemencie CEM III/A 42,5 N. Dopiero na powyższych fotografiach można zaobserwować wpływ rodzaju cementu na zachowanie się mieszanek o niemal identycznych wynikach normowego pomiaru konsystencji, ale różniących się zasadniczo urabialnością. Mieszanka na nie zawierającym żużla cemencie CEM I charakteryzowała się systematycznym gęstnieniem i dobrą, przeciętną urabialnością. Zmiana cementu na zawierający ok. 30% żużla CEM II/B-S spowodowała zauważalną poprawę urabialności i jednorodności z wyraźną tendencją do płynięcia mieszanki charakterystyczną dla mieszanek betonowych określanych jako ASCC (ang. Almost Self Compacting Concrete beton prawie samozagęszczalny). Z kolei zawartość ok 50% żużla w cemencie CEM III/A spowodowała wyraźne pogorszenie urabialności mieszanka była mniej stabilna, trudno pompowalna, a po 75 minutach zaczęła gęstnieć w taki sposób, że stożek miał tendencję bardziej do rozsypywania się, niż do osiadania. Należy w tym miejscu podkreślić, że takie różnice obserwuje się dla cementów klasy 42,5, chętniej stosowanej w budownictwie mostowym. Dla klasy wytrzymałości 32,5 jest inaczej im więcej żużla, tym lepsza urabialność i utrzymywanie konsystencji. W naszym przypadku, dla klasy 42,5 optymalnie zachował się cement rodzaju CEM II/B-S. Gorszą urabialność dla cementu rodzaju CEM III/A można tutaj poprawić np. przez korektę W/C i punktu piaskowego w recepturze wykorzystując znaczne (sięgające 10 MPa) nadwyżki wytrzymałości 28-dniowych, które potwierdziły się podczas badań betonu stwardniałego. 31

4. Wyniki badań betonu stwardniałego Wytrzymałość na ściskanie badano po 1, 2, 7, 28 i 56 dniach. Po osiągnięciu wytrzymałości 28-dniowych wykonano badania nasiąkliwości, wodoszczelności i mrozoodporności. Wyniki zestawiono w tablicy 4 i na rys. 6: Tab.4. Rozwój wytrzymałości na ściskanie. Rozwój wytrzymałości na ściskanie; MPa Czas; dni 1 2 7 28 56 CEM I 42,5 R 16,1 31,5 60,0 62,8 64,0 CEM II/B-S 42,5 N 14,6 28,8 44,7 64,0 66,0 CEM III/A 42,5 N 7,1 16,2 39,6 72,0 76,1 80,0 WYTRZYMALOSC NA SCISKANIE; MPa 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 1 2 7 28 DNI 56 CEM I 42,5 R CEM II/B-S 42,5 N CEM III/A 42,5 N Rys. 6. Rozwój wytrzymałości na ściskanie na 3 cementach. Badania wytrzymałości wykazały istotne różnice między cementami. Wysokie wytrzymałości wczesne na cementach CEM I i CEM II/B-S pozwalają na ich wykorzystanie w warunkach niskich temperatur oraz na prefabrykacji. Zauważalna jest różnica przyrostu wytrzymałości między 2 a 7 dniem na korzyść cementu CEM I, z tego cementu należałoby np. skorzystać w przypadku sprężania elementów po okresie 2-4 dni. Obydwa te cementy wykazały przyrost wytrzymałości między 28 a 56 dniem rzędu zaledwie 1-2 MPa. Cement hutniczy CEM III/A dał z kolei o połowę niższe wytrzymałości po 1 i 2 dniach, co kwalifikuje go przede wszystkim do betonowań elementów monolitycznych oraz w warunkach wysokich temperatur. Z kolei po 28 i 56 dniach cement 32

ten zapewnił nadwyżki wytrzymałości rzędu aż 10 MPa, co może np. oznaczać możliwość bardziej liberalnego podejścia do receptur mieszanek betonowych. Tab.5. Zestawienie wyników badań nasiąkliwości, wodoszczelności dla stopnia W 8 i mrozoodporności dla stopnia F 150. Nasiąkliwość; % W 8; cm F 150 - dm; % F 150 - dr; % CEM I 42,5 R 3,8 3,7 0,1 11,3 CEM II/B-S 42,5 N 3,5 1,9 0,0 7,6 CEM III/A 42,5 N 3,3 2,1 0,2 20,2 NASIAKLIWOSC; % PENETRACJA WODY; cm 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 3,8 3,7 3,5 1,9 CEM I 42,5 R CEM II/B-S 42,5 N 3,3 2,1 CEM III/A 42,5 N Nasiąkliwość; % W 8; cm Rys.7. Wykresy wyników badań nasiąkliwości i wodoszczelności dla klasy W 8. Wyniki badań nasiąkliwości i wodoszczelności pozwalają na stwierdzenie, że zwiększanie udziału żużla w cemencie powoduje niewielką, ale zauważalną redukcję nasiąkliwości. Przy badaniu wodoszczelności dla stopnia W 8 zarówno cement żużlowy jak i hutniczy wpłynęły na zdecydowaną poprawę: w obydwu przypadkach głębokość penetracji wody spadła o ponad 40% w stosunku do próbek betonu na cemencie CEM I. 33

SPADEK WYTRZYMALOSCI; % 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 20,2 11,3 7,6 CEM I 42,5 R CEM II/B-S 42,5 N CEM III/A 42,5 N F 150 - dr; % Rys.8. Wykres spadków wytrzymałości po 150 cyklach w zależności od rodzaju cementu. Badania mrozoodporności dla stopnia F 150 praktycznie nie wykazały ubytków masy na żadnej z badanych próbek. Istotne różnice pojawiły się natomiast przy badaniu spadków wytrzymałości. Ponownie zdecydowanie najlepiej wypadł cement CEM II/B-S - dodatek 30% żużla spowodował obniżenie spadku wytrzymałości aż o 1/3 w porównaniu z cementem CEM I. Na pozór fatalnie wypadł natomiast cement CEM III, gdzie próbki nie zmieściły się w wymogach dla klasy F 150 (przekroczenie dopuszczalnego 20- procentowego spadku wytrzymałości o 0,2%). Należy jednak przypomnieć sobie, jak wygląda harmonogram badania mrozoodporności (próbki badane poddawane są 150 cyklom w czasie których reakcje chemiczne w cemencie praktycznie ustają, podczas gdy próbki-świadki pozostają w temperaturze laboratoryjnej dzięki czemu oczywiście ich wytrzymałość podczas badania może rosnąć!) i spojrzeć na wykres na rys.6. Widać na nim wyraźnie, że w okresie badania (po 28 dniach) wytrzymałość próbek-świadków na cementach CEM I i CEM II/B-S podniesie się nieznacznie, zdecydowanie wzrośnie natomiast wytrzymałość próbek-świadków na cemencie CEM III/A. Oznacza to, że stosując standardową procedurę badania w przypadku betonów wykonanych z cementu CEM III/A oznaczymy bardziej przyrost wytrzymałości próbek-świadków niż spadek wytrzymałości próbek badanych! Aby wyeliminować ten wpływ należałoby albo wykonywać badanie po okresie 90 dni, jak dla betonów hydrotechnicznych, albo jako wytrzymałość porównawczą przyjmować wytrzymałość próbek-świadków zbadaną na początku cyklów zamrażania-rozmrażania (w tym drugim przypadku uzyskalibyśmy dla cementu CEM III/A spadek wytrzymałości o około 14,5%, a więc mieszczący się już w wymaganiach dla stopnia F 150, ale nadal byłby to wynik najgorszy w porównaniu z cementami CEM I 42,5 R oraz CEM II/B-S 42,5 N). 5. Podsumowanie Badania typowej mieszanki betonowej o przeznaczeniu mostowym klasy C 40/50 wykazały, że wymagane w budownictwie mostowym parametry materiałowe mogą być 34