Technologie Materiałów Budowlanych Wykład 5 Beton
Historia betonu Beton jest najszerzej stosowanym materiałem budowlanym na świecie i przy swojej 9000-letniej historii odegrał bardzo ważną rolę w kształtowaniu nowoczesnej cywilizacji. Główną różnicą pomiędzy betonem występującym w tych klasycznych cywilizacjach a nowoczesnym betonem towarowym jest czynnik wiążący. Egipcjanie wykorzystywali kruszony gips, Rzymianie wiedzieli, jak produkować wapno przez wypalanie kruszonego kamienia wapiennego, i odkryli nawet, iż dodawanie pyłu wulkanicznego lub starej cegły i płytek poprawiało własności wiązania ich cementu. Nowoczesny beton opracowano po odkryciu cementu portlandzkiego. Opatentowany po raz pierwszy w roku 1824, ale w swojej obecnej formie rozwinięty dopiero w roku 1845, kiedy osiągnięto wyższe temperatury w piecu, cement portlandzki umożliwił nowe formy budownictwa.
Składniki betonu Cement (spoiwo cementowe) Kruszywo Woda zarobowa DODATKI
Projektowanie składu mieszanki betonowej Trzeba spełnić warunek dobrej urabialności mieszanki betonowej Beton musi osiągnąć właściwości techniczne zadane przez projektanta i wymagania normowe
Projektowanie betonu metodą trzech równań (metoda obliczeniowo-doświadczalna) Równania spełniają trzy podstawowe warunki optymalnego projektowania ilości cementu, kruszywa i wody Warunek wytrzymałości Warunek konsystencji Warunek szczelności
Warunek wytrzymałości (równanie wytrzymałości) gdzie: f c = A i (C/W + α) f c średnia wytrzymałość na ściskanie betonu po 28 dniach dojrzewania (MPa) zalecane 6-12 MPa A i współczynnik zależny od rodzaju i klasy kruszywa C- ilość dozowanego cementu (kg/m 3 betonu) W ilość wody (dm 3 /m 3 betonu) α wielkość liczbowa w przybliżeniu równa 0,5, którą tak jak A i można wyznaczyć doświadczalnie
Warunek wytrzymałości Szacunkowe wartości współczynników A 1 i A 2 (MPa) Kruszywo Współczynnik A i Klasa cementu 32,5 42,5 52,5 Otoczakowe A 1 A 2 20-22 14 22-24 15 24-25 16 Łamane A 1 22-24 24-25 25-26 A 2 15 16 17,5 gdy 1,2 < C/W < 2,5 f c = A 1 (C/W 0,5) gdy 2,5 < C/W < 2,8 f c = A 2 (C/W + 0,5)
Warunek urabialności i konsystencji Urabialność jest pojęciem względnym, ściśle związanym z lepkością i z klasą konsystencji mieszanki betonowej Im mieszanka betonowa jest bardziej płynna, tzn. ma Im mieszanka betonowa jest bardziej płynna, tzn. ma konsystencję zbliżoną do ciekłej, tym łatwiejsze jest wypełnienie grawitacyjne i zagęszczanie w formie
Warunek konsystencji (równanie wodożądności) gdzie: W = Cw c + Kw k w c wodożądność cementu (dm 3 /kg) w k wodożądność kruszywa (dm 3 /kg) W ilość wody (dm 3 /m 3 betonu) C- ilość dozowanego cementu (kg/m 3 betonu) K ilość kruszywa (kg/m 3 betonu)
Wodożądność ilość wody której wymaga cement/ kruszywo dla uzyskania właściwej konsystencji (ilość wody w dm 3 /kg cementu/kruszywa, której wymaga cement/kruszywo do właściwej konsystencji
Warunek konsystencji (równanie wodożądności) W = Cw c + Pw p + Żw ż gdzie: w c wodożądność cementu (dm 3 /kg) c w p wodożądność piasku (dm 3 /kg) w ż wodożądność żwiru (dm 3 /kg) W ilość wody (dm 3 /m 3 betonu) C- ilość dozowanego cementu (kg/m 3 betonu) P ilość piasku (kg/m 3 betonu) Ż ilość żwiru (kg/m 3 betonu)
Warunek szczelności (równanie szczelności) gdzie: C/ρ c + K/ρ k + W = 1000 C- ilość dozowanego cementu (kg/m 3 betonu) K ilość kruszywa (kg/m 3 betonu) W ilość wody (dm 3 /m 3 betonu) ρ c gęstość cementu (kg/dm 3 ) ρ k gęstość kruszywa (kg/dm 3 )
Metoda trzech równań PODSUMOWANIE Metoda trzech równań polega na obliczeniu ilości cementu, wody i kruszywa potrzebnych do wykonania 1m 3 mieszanki betonowej o założonej konsystencji, szczelności po zagęszczeniu oraz założonej wytrzymałości betonu w wieku 28 dni Niedogodnością metody jest to, że kruszywo jest traktowane jako jedna całość (drobne i grube) dlatego oddzielnie należy ustalić optymalny stos okruchowy, składający się ze znanej ilości frakcji grubego i drobnego kruszywa
Skurcz Skurcz chemiczny reakcja cementu z wodą w trakcie której następuje zmniejszenie objętości Skurcz plastyczny wysychanie betonu w stanie plastycznym w wyniku utratu wody zaadsorbowanej powierzchniowo przez żel cementowy lub wody międzywarstwowej (przy wilgotności względnej poniżej ok. 20%)
Reologia Reologia(od gr. rhéospłynący) dział mechaniki ośrodków ciągłych zajmujący się plastycznymi deformacjami (odkształceniami) oraz płynięciem materiałów Termin reologiazostał zaproponowany przez Eugene'a Binghama w 1920 r. pod wpływem sugestii Markusa Reinera, zainspirowanej przez słynne stwierdzenie Heraklita "panta rhei", czyli "wszystko płynie"
Pełzanie Pełzanie wzrost odkształceń plastycznych materiału bez zmiany wartości działającej siły zewnętrznej, ma duży wpływ na wytrzymałość materiałów Pełzanie zaczynu w porach żelu zaczynu długotrwałe obciążenie wywołuje różnicę ciśnienia wody, w konsekwencji jej ruch, wraz z którym następuje pełzanie zaczynu Pełzanie wzrasta przy zwiększającej się zawartości wody w zaczynie Porowatość przyspiesza i zwiększa pełzanie Wzrost wytrzymałości wynikający z dojrzewania betonu w czasie, obniżania stosunku w/c będzie zmniejszał pełzanie
Trwałość betonu Trwałość betonu jest to zdolność zachowywania właściwości użytkowych tego materiału i konstrukcji betonowych przez założony czas Proces i szybkość niszczenia danego betonu jest wysoce zależne od środowiska oraz przebiegu jego oddziaływania na beton Niszczenie betonu w procesach agresji chemicznej i fizycznej zachodzi zwykle w czasie wykładniczo z narastającym przyspieszeniem, aż do nagłego całkowitego rozpadu i pęknięcia
Proces destrukcji betonu Niszczenie betonu w konstrukcjach jest związane z: przeznaczeniem obiektu i ze środowiskiem, w którym jest on eksploatowany czynniki destrukcyjne mają charakter chemiczny, fizyczny i użytkowy i ich występowanie można przewidywać podczas projektowania konstrukcji błędami projektowymi i technologicznymi, które z braku doświadczenia i wiedzy lub ze względów organizacyjnoekonomicznych popełnił realizator konstrukcji są to m.in.: nieprawidłowe przekroje elementów, niewłaściwy dobór składników mieszanki i zastosowanie ich w niewłaściwej proporcji lub błędy w bezpośrednim wykonaniu elementów czynniki te są trudne do przewidzenia (efekt uwzględniony w częściowych materiałowych współczynnikach bezpieczeństwa)
Oddziaływanie, czynniki i procesy niszczące beton Oddziaływanie zewnętrzne wewnętrzne Czynniki fizyczne chemiczne Procesy rozpuszczenie -utrata wytrzymałości -utrata sztywności odkształcenie -rysowanie -rozpad
Korozja rozpuszczająca Wzmożona dyfuzja i wypływ roztworu z jonami wapnia ze stwardniałego zaczynu cementowego Proces zachodzi w wyniku zwiększonej dysocjacji portlandytu, a nawet innych faz stwardniałego zaczynu cementowego lub powstawania w reakcjach korozyjnych łatwo rozpuszczalnych soli wapniowych
Korozja rozpuszczająca Rozpuszczalność związków wapnia w wodzie w temperaturze 20 C Nazwa związku Wzór Ilość (mg/dm 3 ) Wodorotlenek wapnia Ca(OH) 2 1230 Węglan wapnia CaCO 3 14 Kwaśny węglan wapnia Ca(HCO 3 ) 2 165 000 Chlorek wapnia CaCl 2 680000 Fluorek wapnia CaF 2 15 Siarczan wapnia CaSO 4 2016
Korozja rozpuszczająca Woda miękka rozpuszcza portlandyt (Ca(OH) 2 ) Ca(OH) 2 Ca 2+ + 2OH - Aby rozpuszczanie mogło być kontynuowane, jest potrzebny ciągły dopływ czystej wody i wypływ jonów wapnia z porów zaczynu proces szybko postępuje w betonie o dużej przepuszczalności oraz przy działaniu wody pod ciśnieniem przy parciu jednostronnym
Korozja rozpuszczająca Woda zawierająca agresywny CO 2 reakcja Ca(OH) 2 z CO 2 zachodzi przebiega wyłącznie przy obecności wody (karbonatyzacja zachodzi najszybciej przy wilgotności względnej powietrza 40-70%) I karbonatyzacja Ca(OH) 2 + H 2 O + CO 2 CaCO 3 + 2H 2 O II rozpuszczanie CaCO 3 + agrco 2 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 powstający najpierw na powierzchni zewnętrznej uszczelnia tam beton (objętość CaCO 3 jest ok. 11% większa niż objętość Ca(OH) 2 ) a rozpuszczalność ok. 100x mniejsza niż Ca(OH) 2 efekt jest tylko pozornie korzystny, ponieważ jednocześnie następuje obniżenie ph roztworu porowego w zaczynie (stal zbrojeniowa ulega korozji)
Korozja rozpuszczająca Kwaśny deszcz reakcja zobojętniania Ca(OH) 2 który należy do najbardziej reaktywnych faz w zaczynie cementowym 2HCl + Ca(OH) 2 2H 2 O + CaCl 2 2H + + 2Cl - + Ca(OH) 2+ - 2 2H 2 O + Ca + 2Cl Kwasy silnie zdysocjowane, a w szczególności mocne, jak np. HCl, HNO 3, H 2 SO 4, reaguje praktycznie ze wszystkimi składnikami zaczynu. Większość powstających soli ma większą rozpuszczalność niż Ca(OH) 2. Kwasy nie tylko niszczą beton ale także wywołują intensywną korozję zbrojenia Wyjątkiem są kwasy fosforowy, fluorokrzemianowy czy szczawianowy (nie powodują uszkodzeń betonu)
Korozja rozpuszczająca Roztwory soli chlorkowych, azotanowych, niektórych siarczanów, soli niektórych kwasów organicznych 2NH 4 NO 3 + Ca(OH) 2 Ca(NO 3 ) 2 + 2NH 3 + 2H 2 O Powstające sole wapnia są łatwiej rozpuszczalne niż Ca(OH) 2 jony wapnia mogą łatwo opuszczać zaczyn i przechodzić do roztworu
Korozja rozpuszczająca - skutki Głównym skutkiem zmniejszania się zawartości Ca(OH) 2 w stwardniałym zaczynie cementowym przez rozpuszczanie jest nie tylko zmniejszanie masy zaczynu (czyli zwiększenie porów i przepuszczalności) ale także stopniowe (od strony dostępu roztworu) obniżenie wartości ph w roztworze porowym zaczynu faza portlandytu ulega rozpuszczaniu przy ph < 12,4-12,5 Obniżenie ph< 11,8 powoduje duże zagrożenie dla konstrukcji betonowych zbrojonych, ponieważ umożliwia depasywację stali i jej korozję
Korozja siarczanowa Zachodzi w wodnych roztworach soli siarczanowych, kwasu siarkowego i w wilgotnym powietrzu zawierającym SO 2 Do najbardziej agresywnych soli należą: BeSO 4 (przy stężeniu 3g/dm 3, ph 3,2); (NH 4 ) 2 SO 4 (ph 5,5); (MnSO 4 (ph 2,9) Najmniej agresywne są siarczany prawie nierozpuszczalne: BaSO 4 ; PbSO 4 ; SrSO 4
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 680 000 mg/dm 3 a Ca(OH) 2 tylko 1230 mg/dm 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 2 Obszar anodowy Fe 2+ O 2 Obszar katodowy e OH - Cl -
Korozja stali zbrojeniowej w betonie Proces anodowy: 2Fe 2Fe 2+ + 4e 4Fe 2+ 4Fe 3+ + 4e Proces katodowy: 2H 2 O + O 2 + 4e 4OH - z kationów Fe 2+ i anionów OH - powstaje Fe(OH) 2 2Fe 2+ + 4OH - 2Fe(OH) 2Fe 2+ + 4OH - 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
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
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