DROGI i AUTOSTRADY Dr inŝ. Jacek Alenowicz Jakość betonu jest definiowana pod względem: Łatwości wbudowania, Wytrzymałości, Trwałości. Beton (mieszanka betonowa) musi być zaprojektowany optymalnie ze względu na te trzy wymagania jakościowe. O wymienionych trzech aspektach jakości decydują: Urabialność świeŝej mieszanki betonowej, Właściwości mechaniczne betonu, Właściwości fizyczne betonu. Urabialność wpływa na: MoŜliwość segregacji mieszanki w czasie transportu i układania, Łatwość zagęszczenia i związaną z tym jednorodność betonu, Kształt krawędzi płyty (met. ślizgowa), Łatwość wykończenia powierzchni płyty. Z urabialnością wiąŝe się KONSYSTENCJA mieszanki betonowej. Urabialność (i konsystencja) zaleŝy od: Ilości wody, Ilości cementu i stosunku w/c, Cech kruszywa uziarnienie, kształt i wielkość ziaren, wodochłonność, jednorodność, Zastosowania domieszek (napowietrzające, plastyfikatory). Właściwości mechaniczne Wytrzymałość na ściskanie (min. 40,0 MPa*), Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu (min. 5,5 MPa), Odporność na ścieranie, Odporność na uderzenia. 1
Właściwości fizyczne Odporność na wpływy atmosferyczne Mała nasiąkliwość Szczelność Mrozoodporność Mały skurcz w czasie dojrzewania Składniki betonu Cement Kruszywo Woda Domieszki Cement - wymagania 1. Wysoka wytrzymałość. 2. Mały skurcz, szczególnie w początkowym okresie wiązania. 3. Wydzielanie małej ilości ciepła w czasie wiązania. 4. Charakterystyka (początek-koniec) wiązania (moŝna wpływać). - cement Wymienione cechy cementu zaleŝą od jego: składu chemicznego, składu mineralnego, miałkości. 1 i 2/3 są przeciwstawne. - cement Skład chemiczny CaO wytrzymałość na ściskanie, kaloryczność, SiO 2, Al 2 O 3 wytrzymałość na rozciąganie, Alkalia - zniszczenia Reakcja alkaliów i kruszywa prowadzi do powstania hydrofilowego Ŝelu, pęczniejącego i powodującego spękania betonu. Fe 2 O 3 MgO SO 3, Na 2 O, K 2 O pęcznienie zaczynu cementowego (tlenki alkaliczne ograniczone do 0,5%!) 2
- cement Skład mineralny (kinetyka wiązania) 1. C 3 S krzemian trójwapniowy (alit) - silne właściwości hydrauliczne, wczesna wytrzymałość zaczynu, 2. C 2 S krzemian dwuwapniowy (belit) wolna reakcja z wodą, późna wytrzymałość zaczynu, 3. C 3 A glinian trójwapniowy niepoŝądany! wysoka kaloryczność, skurcz (do 8% w klinkierze wg IBDiM) 4. C 4 AF glinoŝelazian czterowapniowy Wg wymagań brytyjskich 1. 40-60%, 2. ok. 30%, 3. do 10%, 4. ok. 8%. - cement Miałkość Powinna być optymalna powierzchnia właściwa około 3000 cm 2 /g, drobny przemiał szybka hydratacja, zwiększony i dłuŝszy skurcz, mikrorysy - wzrost nasiąkliwości gruby przemiał zwiększona porowatość, nasiąkliwość. -kruszywo Istotne właściwości kruszywa: Ścieralność (im niŝsza klasa betonu -!), Mrozoodporność, Wytrzymałość na zgniatanie, Zawartość ziaren nieforemnych i pyłów, Zawartość zanieczyszczeń (obce, organiczne, chemiczne zw. siarki!), Uziarnienie. Mieszanki betonowe z dobrze uziarnionym kruszywem: Mają mniejsze zapotrzebowanie na wodę, Mają i zachowują odpowiednią urabialność, Wymagają minimum wykończenia, Zagęszczają się bez segregacji, Wykazują dobrą wytrzymałość i trwałość. Mieszanki betonowe z kruszywem o nieciągłym uziarnieniu wykazują: Skłonność do segregacji, Większą zawartość pyłów, Zwiększone zapotrzebowanie na wodę, Zwiększoną podatność na skurcz, Gorszą trwałość. Znaczenie ma równieŝ zawartość i uziarnienie frakcji drobnych: Zbyt mało tych frakcji daje beton: Trudny do rozłoŝenia i wykończenia, Bardziej podatny na wyodrębnianie się zaczynu na powierzchni. Zbyt duŝo tych frakcji: Zwiększa zapotrzebowanie na wodę, Zwiększa zapotrzebowanie na środki napowietrzające. 3
Norma EN-13877-1 Nawierzchnia betonowa zaleca następujące zawartości ziaren <0,25 mm (cement, pyły, piasek): 520 600 kg/1m 3 gdy D max = 8 mm, 450 520 kg/1m 3 gdy D max = 16 mm, 400 460 kg/1m 3 gdy D max = 32 mm, 350 400 kg/1m 3 gdy D max = 50 mm. Coarsness Factor = wskaźnik gruboziarnistości [%] Workability Factor = wskaźnik urabialności [%]; naleŝy go zwiększyć o 2,5% za kaŝde 43 kg cementu ponad 335 kg/m 3 Zalecenia Airport Concrete Pavement Research Program (2003, USA) Środek pola A do środka pola B mieszanki odpowiednie do betonowania ślizgowego Lewa 1/3 pola A mieszanki odpowiednie do betonowania w deskowaniach Środek pola B - mieszanki odpowiednie do ręcznego układania betonu Pola E i F jak A i B (odpowiednio) dla mieszanek o uziarnieniu do 19 mm Pole C mieszanki drobne, piaskowe, wymagające więcej wody i podatne na segregację. Pole D nieciągłe uziarnienie, zła urabialność, podatność na W pobliŝu linii segregację. granicznej PoniŜej linii granicznej zbyt mieszanki mogą grube mieszanki, kamieniste, o mieć za duŝo frakcji zbyt małej ilości zaprawy. grubych - woda Woda powinna być czysta przezroczysta, bezwonna; zawsze moŝna stosować wodociągową. Szkodliwe zanieczyszczenia: pochodzenia organicznego cukier, kwasy humusowe, drobne części organiczne. pochodzenia nieorganicznego sole (NaCl!), siarczany, siarczki. 4
DOMIESZKA materiał inny niŝ woda, kruszywo, cement i włókna zbrojące, który jest stosowany jako składnik betonu i jest dodawany do mieszarki bezpośrednio przed lub w czasie mieszania. Dwie grupy domieszek: Chemiczne róŝne związki, rozpuszczalne w wodzie, naleŝące do trzech kategorii domieszek:, Domieszki wpływające na proces wiązania cementu Redukujące zapotrzebowanie na wodę/plastyfikatory. Mineralne drobno zmielone składniki stałe (nierozpuszczalne w wodzie) prdukty odpadowe lub specjalnie produkowane. Stosowane domieszki do betonu: Zwiększające urabialność (plastyfikatory i superplastyfikatory). Napowietrzające. Opóźniające i przyspieszające wiązanie betonu. Konsystencja betonu Konsystencja betonu Metoda Ve-Be czas potrzebny do wypłynięcia zaczynu w czasie wibrowania mieszanki betonowej Metoda stoŝka opadowego róŝnica wysokości w cm formy i stoŝka z mieszanki bet. Konsystencja betonu Stosunek w/c NISKI gwarantuje uzyskanie betonu wysokiej jakości. WYSOKI powoduje: niŝszą wytrzymałość betonu, wyŝszą porowatość i nasiąkliwość, niŝszą mrozoodporność. 5
DLATEGO: W celu zwiększenia ciekłości nie wolno dodawać wody i pogarszać stosunku w/c MoŜna: zwiększyć ilość zaczynu cementowego (proporcjonalnie zwiększyć w i c ) zastosować domieszki chemiczne Stosunek w/c - wymagania Ogólnie nie większy niŝ 0,50. Nie większy niŝ 0,45 na terenach gdzie występuje zamarzanie/rozmarzanie. Nie większy niŝ 0,40 gdy jest zagroŝenie oddziaływaniem związków siarki. Domieszki PLASTYFIKATORY: Zwiększają ciekłość mieszanki betonowej przy stałym wskaźniku w/c. Powodują wzrost R o 5%-20% lub zmniejszenie zuŝycia cementu. Powodują wzrost mrozoodporności i poprawę wodoszczelności. 0,2% 0,5% do masy cementu, nadmiar moŝe znacznie opóźnić wiązanie i twardnienie betonu Superplastyfikatory SUPERPLASTYFIKATORY: UmoŜliwiają zmniejszenie ilości wody od 18 do 30% - do ilości niezbędnej jedynie do hydratacji cementu. Mechanizm działania jest złoŝony: smarny, dyspergujący, hydrofilowy. 6
Superplastyfikatory Superplastyfikatory Beton: jest materiałem porowatym zawierającym pory i kapilary, kapilary i pory tworzą sieć, moŝe ona być niemal całkowicie nasycona wodą, nawet pod ciśnieniem atmosferycznym. Zmiany w strukturze betonu mogą wywołać istotny wpływ na jego właściwości Złuszczona powierzchnia betonu cementowego o niskiej mrozoodporności 7
Wytwarzają i stabilizują w mieszance betonowej znaczną liczbę kulistych pęcherzyków powietrza o wielkości od 20 do 250 µm. Równomiernie rozłoŝone pęcherzyki przerywają ciągłość kapilar. Zmniejsza się nasiąkliwość i zwiększa się szczelność betonu. Wzrasta mrozoodporność betonu. Zwiększa się odporność betonu na korozyjne działanie soli. Kuliste i elastyczne pęcherzyki poprawiają urabialność mieszanka betonowa układa się łatwiej i szczelniej, bez kawern i raków. Pęcherzyki ograniczają segregację składników w czasie transportu betonu. Ilość 0,05% do 0,5% masy cementu, rozcieńczone (łatwiej dozować), badania laboratoryjne, nadmiar moŝe spowodować spadek wytrzymałości betonu L Według wymagań amerykańskich: Wskaźnik rozmieszczenia pęcherzyków L poniŝej 0,2 mm (rysunek). Powierzchnia właściwa jednostki objętości pęcherzyków ponad 24 mm 2 /mm 3 Domieszki opóźniające wiązanie: Betonowanie w czasie upałów (>30 o C). WydłuŜony transport mieszanki betonowej. Układanie betonu w sposób ciągły na duŝych powierzchniach i w duŝych objętościach. Opóźnienie początku wiązania spoiwa cementowego. Domieszki opóźniające wiązanie: fosforany, borany, białka. Najprostszy sposób to chłodzenie wody zarobowej. 8
Domieszki przyspieszające wiązanie: Betonowanie w czasie chłodów powodują: ObniŜenie temperatury zamarzania wody. Przyspieszenie hydratacji cementu. Zwiększenie ilości wydzielanego ciepła. ObniŜenie ilości wody zarobowej. Np. krzemiany, węglany, mocznik, gliceryna Inne domieszki do betonu: uszczelniające, zwiększające objętość betonu (ekspansywne, spieniające), zwiększające odporność chemiczną betonu, inhibitory korozji stali, zapobiegajace wymywaniu cementu pod wodą (budownictwo hydrotechniczne). W betonach nawierzchniowych raczej nie stosowane. 9