REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Współpraca domieszek z cementami

dr hab. inż. Jacek Gołaszewski, prof. nzw. PŚl*

D

omieszki 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.

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 zmia* Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa

ny 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) ■ kwasy lignosulfonowe i ich sole (Ca, Na, Mg, NH4) Plastyfikatory ■ kwasy hydroksykarboksylowe i ich sole (zawierające grupy (OH), (COOH)) ■ sole sulfonowanych naftalenowo-formaldehydowych polimerów (SNF) ■ sole sulfonowanych melaminowo-formaldehydowych polimerów (SMF) Superplasty- ■ polimery karboksylowe (polimery fikatory 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 Domieszki zwiększające ■ organiczne rozpuszczalne w wodzie flokulanty – kopolimery stylepkość renowe z grupami karboksylowymi, syntetyczne polielektrolity, naturalne gumy ■ kwasy fosforowe i ich sole ■ heptaoksotetraborany ■ fluorki Domieszki ■ tlenki metali Pb, Zn opóźniające ■ lignosulfoniany wiązanie ■ cukry proste i złożone – glukoi twardnienie za, sacharoza ■ kwasy i sole kwasów hydroksykarboksylowych ■ chlorki ■ nieorganiczne – sole sodu i poDomieszki tasu, szczególnie siarczany, przyspieszaw mniejszym stopniu węglany jące wiązanie ■ azotki i azotany i twardnienie ■ organiczne – tri etanoloamina, mrówczan sodu lub wapnia ■ tłuszcze i oleje pochodzenia zwierzęcego lub roślinnego oraz kwasy tłuszczowe ■ naturalne żywice dające z CaO Domieszki sole kwasów żywicznych lub napowiez dodatkiem NaOH, mydła trzające kwasu żywicznego ■ sole sodowe lub potasowe kwasów sulfonowych lub alkilosiarkowych.

Efekt podstawowy

Efekty drugorzędne

■ uplastycznienie mie■ czas początku wiąszanki – zmiana właśzania cementu ciwości reologicznych ■ zawartość powietmieszanki rza w mieszance

■ upłynnienie mieszanki ■ czas początku wią– znacząca zmiana zania cementu właściwości reolo■ zawartość powietgicznych mieszanki rza w mieszance

■ zwiększenie lepkości – ■ właściwości reozmiana właściwości logiczne mieszanki reologicznych mie■ czas początku wiąszanki zania cementu ■ zmniejszenie segre■ zawartość powietgacji i bleedingu rza w mieszance mieszanki ■ czas wiązania ■ właściwości reo■ ciepło hydratacji logiczne mieszanki ■ wczesna i długoterminowa wytrzymałość na ■ zawartość powietrza ściskanie ■ czas wiązania ■ ciepło hydratacji ■ wczesna i długoterminowa wytrzymałość na ściskanie

■ właściwości reologiczne mieszanki ■ zawartość powietrza

■ zawartość powietrza ■ właściwości reolow mieszance giczne mieszanki ■ rozkład porów w mie■ wytrzymałość na szance i stwardniałym ściskanie betonie

11 ’2013 (nr 495)

89

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU 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 C3A, Na2Oe, SO3 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.

Kompatybilność domieszki z cementem i jej istota

W ujęciu technicznym za kompatybilną z cementem należy uznać taką domieszkę, której stosowanie umożliwia uzyska-

90

11 ’2013 (nr 495)

Schemat powiązań pomiędzy podstawowymi czynnikami wpływającymi na efektywność działania domieszek oraz właściwości mieszanki betonowej i stwardniałego betonu

nie 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 ukła-

du 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-

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU 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 C3A, 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% Na2Oe, 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 Ff wylicza się z wzoru: Ff = a C3A + C4AF gdzie: C3A – zawartość C3A w cemencie [%]; C4AF – zawartość C4AF w cemencie [%], współczynnik a zależy od miałkości cementu i wynosi 1, 2, lub 3.

Natomiast w przypadku superplastyfikatorów PC i PE współczynnik Fg wylicza się z wzoru: Fg = 3,13·10-3 · Swc · (0,25 · C3A + 2,33 · Na2Oe) gdzie:

C3A – zawartość C3A w cemencie [%]; Na2Oe – zawartość Na2Oe w cemencie [%]; Swc – powierzchnia właściwa cementu [m2/kg].

Potrzebne do wyliczenia współczynników dane to podstawowe parametry cementu podawane przez każdego producenta. Im wartość współczynników Ff i Fg 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 pro11 ’2013 (nr 495)

91

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU 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

92

11 ’2013 (nr 495)

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 2000. [2] Łukowski P.: Domieszki do zaprawy i betonu. Kraków: Polski Cement, 2003. [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. 124 – 127. [4] Gołaszewski J.: Kształtowanie urabialności mieszanki betonowej superplastyfikatorami. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Budownictwo z. 99, Gliwice 2003, s. 215. [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. 157. [6] Kurdowski W.: Chemia cementu i betonu. Wydawnictwo Polski Cement, Wydawnictwo Naukowe PWN, Kraków, Warszawa, 2010. [7] Kucharska L.: Tradycyjne i współczesne domieszki do betonu zmniejszające ilość wody zarobowej. Cement Wapno Beton, 2/2000, 46 – 60. [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, 597 – 603. [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 1999. [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, 538 – 549. [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, 618 – 626. [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. 171 – 188. [13] Gołaszewski J.: Influence of cement properties on new generation superplasticizers performance. Construction and Building Materials, Volume 35, October 2012, str. 586 – 596. [14] Polański Z.: Metodyka badań doświadczalnych. Politechnika Krakowska, Kraków 1981. [15] Polański Z.: Planowanie doświadczeń w technice. PWN, Warszawa 1984. [16] Szwabowski J.: Reologia mieszanek na spoiwach cementowych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999.

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Dobór cementów do klas ekspozycji wg PN-EN 206-1

dr hab. inż. Zbigniew Giergiczny, prof. nzw. PŚl*

Z

najomość 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-06265 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 206-1 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

Beton towarowy. Wymagane właściwości stwardniałego betonu w poszczególnych klasach ekspozycji są określone przez projektanta konstrukcji, natomiast właściwości mieszan* Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa; Centrum Technologiczne Betotech Sp. z o.o.

Tabela 1. Klasy ekspozycji i wymagania dotyczące betonu wg PN-EN 206-1 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 mrozowa1)

Środowisko agresywne chemicznie2)

X0

Środowisko nieagresywne

XC1 suche

XC2 stale mokre umiarkowanie XC3 wilgotne cyklicznie mokre XC4 i suche umiarkowanie XD1 wilgotne mokre, sporaXD2 dycznie suche cyklicznie mokre XD3 i suche działanie soli zaXS1 wartych w powietrzu stałe zanurzenie XS2 w wodzie strefa pływów, rozXS3 bryzgów i aerozoli umiarkowane XF1 nasycenie wodą umiarkowane nasyXF2 cenie wodą ze środkami odladzającymi silne nasycenie XF3 wodą bez środków odladzających silne nasycenie XF4 wodą ze środkami odladzającymi słaba agresja XA1 chemiczna umiarkowana XA2 agresja chemiczna silna agresja XA3 chemiczna

Mak. w/c –

Min. Min. Min. zawarnapoklasa tość wietcementu betonu rzenie [kg] [%] –

C12/15

–

280

C25/30

–

0,65

260

0,55

280

0,60 0,50 0,55 0,55 0,45 0,50 0,45 0,45 0,55

300 300 300 320 300 320 340 300

C20/25 C30/37 C30/37 C30/37 C30/37 C35/45 C30/37 C35/45 C35/45 C30/37

– – – – – – – – – –

0,55

300

C25/30

4,0

0,50

320

C30/37

4,0

0,45

340

C30/37

4,0

0,55

300

C30/37

–

0,45

360

C35/45

–

0,50

320

C30/37

–

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

ki 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 py11 ’2013 (nr 495)

93

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU Tabela 2. Zakres i przykłady stosowania cementów w poszczególnych klasach ekspozycji [PN-EN 14216:2005] Rodzaj cementu

Zakres i przykłady stosowania

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

Cement portlandzki CEM I

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)

Cement portlandzki żużlowy CEM II/A,B-S

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

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)

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

Cement hutniczy CEM III/A,B

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

Cement wieloskładnikowy CEM V/A,B

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.

bb aa aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb

aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa

bb aa aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb

aa bb

aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa

bb aa aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb

aaaa aaaa

aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa

bb aa aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb aa bb

Rys. 1. Wytrzymałość na ściskanie różnych cementów

94

11 ’2013 (nr 495)

aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa aaaa

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 206-1 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 16 – 24 h – ok. 20 MPa (możliwość paletowania); ● wytrzymałość po 7 dniach – 35 – 55 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).

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU 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 C3S i C3A) 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. 150 – 180 minutach; koniec po ok. 240 – 280 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 197-1 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. 11 ’2013 (nr 495)

95

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Rola chemii budowlanej w kształtowaniu współczesnego betonu

dr hab. inż. Paweł Łukowski, prof. PW*

C

hemia 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

96

11 ’2013 (nr 495)

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]

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU 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).

czas mieszania, czy też w wyniku parowania wody zarobowej, pęcherzyki powstające z napowietrzenia mają niewielką średnicę (20 – 250 µm). Równomiernie rozłożone (150 – 200 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

wodnych [10], bardzo wysokowytrzymałych, np. na proszkach reaktywnych o wytrzymałości na ściskanie 200 – 300 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).

Literatura

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]

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.

Domieszki napowietrzające

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 pod-

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

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], pod-

[1] Czarnecki L.: Chemia budowlana w praktyce. Materiały Budowlane, 2, 2010, 22 – 24. [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, 270 – 284. [3] Nocuń-Wczelik W.: Oddziaływanie wybranych domieszek do betonu na szybkość hydratacji cementu. XII Sympozjum Naukowo-Techniczne „Reologia w Technologii Betonu”, Gliwice, 2010, 79 – 91. [4] Pogan K.: Zastosowanie wybranych domieszek Addiment do produkcji betonów. Sympozjum Naukowo-Techniczne „Reologia w Technologii Betonu”, Gliwice, 1999, 35 – 51. [5] Neville A. M.: Właściwości betonu. Polski Cement, Kraków, 2012. [6] Hamada D., Sato H., Yamamuro H., Izumi T., Mizunuma T.: Development of slump-controlling agent with minimal setting retardation. 7th CANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete (red. V. M. Malhotra), ACI International, Berlin, Niemcy, 2003, 127 – 141. [7] Łukowski P., Wiliński D.: Współczesne domieszki napowietrzające. Materiały Budowlane, 10, 2013. [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, 1955. [9] Szwabowski J., Gołaszewski J.: Technologia betonu samozagęszczalnego. Polski Cement, Kraków, 2010. [10] Horszczaruk E., Łukowski P.: Betony podwodne – badania i dobór składu. Inżynieria i Budownictwo, 5, 2009, 274 – 278. [11] Zdeb T.: Ultra-high performance concrete – properties and technology. Bulletin of the Polish Academy of Sciences – Technical Sciences, Vol. 61, No. 1, 2013, 183 – 193. [12] Czarnecki L., Łukowski P.: Polymer-cement concretes. Cement Wapno Beton, 5, 2010, 243 – 258. [13] Czarnecki L.: Polymer concretes. Cement Wapno Beton, 2, 2010, 63 – 85. 11 ’2013 (nr 495)

97

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

P

dr inż. Jan Bobrowicz* mgr inż. Paweł Szaj*

Nowelizacja normy PN-EN 206-1

owszechne 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 i w większości 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 206-1 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 ko* Instytut Techniki Budowlanej

98

11 ’2013 (nr 495)

Prawo i regulacje krajowe PN-EN 1990 Eurokod – Podstawy projektowania konstrukcji PN-EN 13670 Wykonywanie konstrukcji z betonu

PN-EN 1992 Eurokod 2 – Projektowanie konstrukcji z betonu

PN-EN 13369 Prefabrykacja

EN 206 PN-EN 197 Cement PN-EN 1008 Woda zarobowa

PN-EN 15167 Mielony żużel wielkopiecowy do betonu PN-EN 13055 Kruszywa lekkie

PN-EN 12620 Kruszywa do betonu

PN-EN 934-1 i -2 Domieszki do betonu

PN-EN 13263 Pył krzemionkowy do betonu

PN-EN 12878 Pigmenty

PN-EN 450 Popiół lotny do betonu

PN-EN 14889 Włókna do betonu

PN-EN 12350 Badania mieszanki betonowej PN-EN 12390 Badania betonu stwardniałego PN-EN 13791 Ocena wytrzymałości betonu wbudowanego PN-EN 12504 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]

nieczne 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 206-9 [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-

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU 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 12620 (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 12620 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 934-1 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

Deklarowana kategoria lub wartość

Zawartość muszli**)

≤ SC10

Kształt kruszywa

Odporność na rozdrabnianie Gęstość w stanie suchym Nasiąkliwość

Zawartość siarczanów rozpuszczalnych w kwasie Całkowita zawartość siarki

Zawartość chlorków rozpuszczalnych w wodzie

≤ FI50 lub ≤ SI55

≤ LA50 lub ≤ SZ38

Deklarowana wartość Deklarowana wartość

Kruszywa naturalne: ≤ AS0,8 Kruszywa z żużla wielkopiecowego chłodzonego powietrzem: ≤ AS1,0 Kruszywa naturalne: ≤ S1 Kruszywa z żużla wielkopiecowego chłodzonego powietrzem: ≤ S2 Deklarowana wartość

**) kategoria NR (NPD) może być stosowana dla innych właściwości niewymienionych w tabeli, dla których norma EN 12620 dopuszcza taką możliwość **) dotyczy kruszyw wydobywanych z morza

Tabela 2. Zalecenia dotyczące kruszyw grubych z recyklingu zgodnych z EN 12620 wprowadzone do prEN 206 Właściwość

Zawartość pyłów Kształt kruszywa

Odporność na rozdrabnianie Gęstość w stanie suchym

Typ

A + B Deklarowana kategoria lub wartość A + B ≤ FI50 lub ≤ SI55 A + B ≤ LA50 lub ≤ SZ38 A

≥ 2 100 kg/m3

A

Deklarowana wartość Rc90, Rcu95, Rb10-, Ra1-, FL2-, XRg1-

B

Nasiąkliwość Składniki**)

Zawartość siarczanów rozpuszczalnych w wodzie Zawartość chlorków rozpuszczalnych w kwasie Wpływ na początek czasu wiązania

Kategorie zgodne z EN 12620*)

B

≥ 1 700 kg/m3

Rc50, Rcu70, Rb30-, Ra5-, FL2-, XRg2-

A + B ≤ SS0,7

A + B Deklarowana wartość A + B ≤ A40

**) kategoria NR (NPD) może być stosowana dla innych właściwości niewymienionych w tabeli, dla których EN 12620 dopuszcza taką możliwość **) do specjalnych zastosowań wymagających wysokiej jakości wykończenia powierzchni składnik FL powinien być ograniczony do kategorii FL0, 2

Tabela 3. Zalecenia dotyczące kruszyw lekkich zgodnych z prEN 13055 wprowadzone do prEN 206 Właściwość

Wymaganie

Gęstość ziarn

Deklarowana wartość

Zawartość pyłów

Deklarowana wartość

Uziarnienie

Nasiąkliwość (po 5’, 60’ i 24 h) Odporność na miażdżenie

Zawartość siarczanów rozpuszczalnych w kwasie Całkowita zawartość siarki

Zanieczyszczenia organiczne*)

Deklarowana wartość Deklarowana wartość Deklarowana wartość ≤ 0,8% masy ≤ 0,8% masy

Wymaganie zgodne z prEN 13055

*) tylko kruszywa lekkie pochodzenia naturalnego

Tabela 4. Maksymalna procentowa ilość, którą można zastąpić kruszywo grube (procent masy) wg prEN 206 Typ kruszywa recyklingowego Typ A (Rc90, Rcu95, Rb10-, Ra1-, FL2-, XRg1-)

Typ B**) (Rc50, Rcu70, Rb30-, Ra5-, FL2-, XRg2-)

X0

Klasa ekspozycji

XC3, XC4, PoXC1, XF1, XA1, zosXC2 XD1 tałe*)

50% 50% 50% 50%

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 )

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 zastosowa11 ’2013 (nr 495)

99

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU 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 13263 stosowanych z CEM I i CEM 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 15167-1. 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 14889-1 i polipropylenowych zgodnych z EN 14889-2. 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 206-1 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 12350-8 (SF1, SF2, SF3) oraz inne klasy związane z betonem samozagęszczalnym: ● klasy lepkości mierzone czasem rozpływu stożka do średnicy 500 mm zgodnie EN 12350-8 (VS1, VS2) oraz czasem wypływu betonu z v-lejka zgodnie EN 12350-9 (VF1, VF2); ● klasy przepływalności mierzone metodą L-pojemnika zgodnie EN 12350-10 (PL1, PL2) oraz metodą J-pierścienia zgodnie EN 12350-11 (PJ1, PJ2); ● klasy odporności na segregację mierzone metodą segregacji sitowej zgodnie EN 12350-11 (SR1, SR2).

100

11 ’2013 (nr 495)

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 14199. Dopuszczono wykonywanie betonu z cementów z CEM I, CEM II/A-S i II/B-S, CEM II/A-D, CEM II/A-P i II/B-P, CEM II/A-V i II/B-V, CEM II/A-T i II/B-T, CEM II/A-LL, CEM II/A-M (S-V) i II/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 197-1 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

Zawartość cementu Zawartość ziarn poniżej 0,125 mm łącznie z cementem i dodatkami

beton układany na sucho

beton wbudowywany metodą kontraktor pod wodą lub zawiesiną stabilizującą kruszywo grube

Dlower > 8 mm Dupper > 8 mm Dlower ≥ 4 mm Dupper ≤ 8 mm

≥ 325 kg/m3 ≥ 375 kg/m3 ≥ 400 kg/m3 ≥ 450 kg/m3

Pale przemieszczeniowe wykonywane z półsuchych mieszanek betonowych*)

Zawartość cementu

Mikropale

Zawartość ziarn poniżej 0,125 mm łącznie z cementem i dodatkami Ściany szczelinowe

Zawartość ziarn poniżej 0,125 mm łącznie z cementem i dodatkami

kruszywo grube

≥ 375 kg/m3

Dmax = 32 mm**)

≥ 350 kg/m3

Dmax = 16 mm

≥ 400 kg/m3

Dmax = 22,4 mm

Zawartość cementu

≥ 350 kg/m3

≥ 380 kg/m3

Dmax = 32 mm**) 400 ÷ 550 kg/m3

**) minimalna klasa wytrzymałości betonu C25/30 **) zawartość kruszywa drobnego (D ≤ 4 mm) w stosie okruchowym powyżej 40% masy

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU ● 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 Opad stożka rozpływowym zgodnie z zgodnie EN 12350-5 [mm] z EN 12350-2 [mm] 500

150

560

180

600

200

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 A w przypadku 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 14488-7, 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 206-9 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 206-1 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. 32 – 35. [2] Czarnecki L., Kaproń M., Definiowanie zrównoważonego budownictwa Cz. I i II, „Materiały Budowlane”, 1/2010, s. 69 – 71; 2/ 2010, s. 46 – 47. [3] Czarnecki L., Kaproń M., Ocen środowiskowa budynków, Konferencja KRYNICA 2012. [4] Czarnecki L., Kaproń M., Piasecki M., Wall S., Budownictwo zrównoważone budownictwem przyszłości, Inżynieria i Budownictwo, nr 1/2012, str. 18 – 21. [5] Czarnecki L. i in. Pr. zbiorowa Beton wg normy PN-EN 206-1 – komentarz PKN i Polski Cement, 2004. 11 ’2013 (nr 495)

101

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Wpływ nasiąkliwości na trwałość betonu cementowego

mgr inż. Przemysław Kamiński*

N

asiąkliwość, 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 dm3 wg PN-88/B-06250 Beton zwykły (zastąpiona przez PN-EN 206-1:2003). Poddano je dojrzewaniu, po czym jednocześnie wykonano oznaczenie nasiąkliwości betonu wg PN-88/B-06250 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

102

11 ’2013 (nr 495)

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-06250. 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 I i CEM 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 (240 ÷ 360 dm3/m3) 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-

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU 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-06250 jest uzależniona od wielkości próbki, sposobu jej wykonania oraz pielęgnacji. W przypadku badania próbek o objętości 1,0 dm3 i powierzchni 0,06 m2 zgodnie z procedurą opisaną w PN-88/B-06250 uzyskuje się zdecydowanie większe wartości niż próbek o objętości 3,375 dm3 i powierzchni 0,135 m2. 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-06250 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-06250 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-06250 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 2010. [5] Neville A. M. Właściwości betonu Polski Cement, Kraków 2000. [6] Rusin Z. Technologia betonów mrozoodpornych, Polski Cement, Kraków 2002. 11 ’2013 (nr 495)

103

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU mgr inż. Bartłomiej Walczak*

I

stnieje 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

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 po* Remei Polska Sp. z o.o.

104

11 ’2013 (nr 495)

Barwienie betonu

Fot. 2. Wpływ ilości barwnika na zmianę odcienia betonu

szczególnych 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

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

mgr inż. Tomasz Mazurek* mgr inż. Jarosław Organa*

O

Zapobieganie segregacji betonów SCC i ASCC w produkcji prefabrykatów

becnie 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 VSI 0 1 2 3

Ocena Kryteria mieszanki Bardzo brak oznak segregacji i wycieku zaczynu stabilna Stabilna

brak oznak segregacji, słaby wyciek zaczynu

mała segregacja, silny wyciek zaczynu, słaby wyciek zaprawy (otoczka do 10 mm) Bardzo wyraźna segregacja, stos kruszywa w centrum rozpływu, niestabilna duży wyciek zaprawy (ponad 10 mm), silny wyciek zaczynu Niestabilna

Badania i uzyskane wyniki

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 pro* Cemex Polska Sp. z o.o.

blemem jest dodanie do- Tabela 2. Receptury sprawdzamieszki stabilizującej nych betonów SCC do betonu. W zarobie C Oznaczenie zarobu Składniki zastosowano domieszA A’ B C kę CX ISOSTAB 6003 CEM I 42,5 R 450 450 450 450 na bazie polisacharydów. [kg/m3] Pozwoliło to z betonu Piasek 0/2 [kg/m3] – 781 641 781 o identycznym składzie 500 311 353 311 Żwir 2/8 [kg/m3] jak całkowicie niestabilny Żwir 8/16 [kg/m3] 561 621 664 621 beton A' uzyskać beton drobny 0/1 o stabilności VSI = 1 Piasek 672 – – – [kg/m3] i oczekiwanej klasie konMączka wapienna – – 100 – systencji – SF2. [kg/m3]

Wnioski

CX ISOSTAB 6003 – – – 1,13 [kg/m3] Punkt piaskowy 40,0 45,0 41,9 45,0 mieszanki [%] CX ISOFLOW 782 5,40 5,40 5,40 5,40 [kg/m3]

Przeprowadzone badania wykazały, że można przeciwdziałać zjawisku segregacji betonów 170 185 170 185 samozagęszczalnych, Woda1) [kg/m3] a wybór metody będzie 1) ilość wody dobierana do uzyskania konsyzależał od możliwości stencji min. SF2

Tabela 3. Właściwości betonów SCC uzyskanych z poszczególnych receptur Zarób

A – piasek 0-1

A’ – piasek 0-2

Czas Rozpływ Klasa Zawartość Ocena konsys- powietrza stabilności T500 [mm] tencji [%] VSI 7s 5s

B – piasek 0-2 + 8s + mączka wap. C – piasek 0-2 + 5s + CX ISOSTAB 6003

700

SF2

1,1

0

760

SF3

1,5

0

700 670

SF2 SF2

0,6 1,4

3 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 ISOSTAB 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 2011. [2] Szwabowski J., Gołaszewski J., Technologia betonu samozagęszczalnego, SPC Kraków 2010. [3] Szwabowski J., Reologia mieszanek na spoiwach cementowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999. 11 ’2013 (nr 495)

105

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Modyfikacja mieszanki uszczelniająco-wypełniającej domieszkami MAPEI na przykładzie realizacji II linii metra w Warszawie

mgr inż. Mikołaj Alexandrowicz* dr inż. Krzysztof Pogan* Marco Barbanti** Marco Gasbarra**

R

ozwiązania 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 10 – 12 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

106

11 ’2013 (nr 495)

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 42,5 – 250 – 380 kg/m3; ● bentonit w postaci proszku – 25 – 50 kg/m3; ● woda – 750 – 850 dm3/m3; ● Mapequick CBS System 1 – 5 – 9 dm3/m3; ● Mapequick CBS System 2 – 60 – 90 dm3/m3. 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.

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Wykonanie ścian zbiorników na płynny gaz ziemny w technologii ślizgowej

mgr inż. Konrad Grzesiak*

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. -162 °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

Klasa wytrzymałości Klasa ekspozycji

Wymagania C50/60 XF2

Klasa zawartości chlorków

Cl 0,1

Czas zachowania urabialności

2h (rozpływ min 40 cm)

Klasa konsystencji Napowietrzenie

Wytrzymałość po 10 h

Zawartość siarczanów w mieszance betonowej Wymagania dodatkowe

F4/F5

min 4%

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.

0,8 – 1,0 MPa

nie więcej niż 4% SO3 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 301-2 (BASF Polska). Badania wstępne obejmowały określenie konsystencji w czasie oraz zawartości powietrza w świeżej mieszance betonowej i rozkładu porów. Do tego celu

Fot. 2. Makieta ściany

Fot. 3. Betonowe zbiorniki na płynny gaz ziemny w Gazoporcie w Świnoujściu

Fotografie: archiwum BASF Polska 11 ’2013 (nr 495)

107

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Zastosowanie betonu SCC do prefabrykowanych elementów żelbetowych konstrukcji wieży wiatrowej

mgr Tomasz Nowacki*

W

artykule 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. Wymagania dotyczące mieszanki betonowej: ● współczynnik wodno-cementowy: maks. w/c = 0,39; ● konsystencja mieszanki betonowej utrzymywana przez min. 1,5 h; ● konsystencja badana metodą rozpływu: 660 – 750 mm (klasa SF2); ● czas rozpływu badany metodą V-lejka: 5 – 10 s (klasa VF1/VF2). Wymagania dotyczące stwardniałego betonu: – 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 20 – 25 m3 mieszanki betonowej, co odpowiada 3 – 4 betonowozom; ■ formowanie elementu rozpoczyna się w momencie, gdy do wytwórni została do* Stachema Polska

108

11 ’2013 (nr 495)

starczona 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 C3A i C3S 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.

Wieże wiatrowe

Rys. 1. Wytrzymałość średnia betonu SCC na ściskanie fcm [MPa] w warunkach laboratoryjnych w zależności od okresu dojrzewania i temperatury otoczenia

Receptura laboratoryjna betonu

Składniki betonu SCC (w + wSp)/c = 0,39

Cement [kg/m3]

430

Piasek 0÷2 mm [kg/m3]

855

Kruszywo grube 8÷11 mm [kg/m3]

480

Mączka wapienna [kg/m3] Kruszywo grube 2÷8 mm [kg/m3] Woda [dm /m ] 3

3

Superplastyfikator [kg/m3]

60

395 162

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.

Rys. 2. Wytrzymałość na ściskanie betonu SCC fcm [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 2701. Opracowana receptura pozwoliła na uzyskanie wszystkich założonych parametrów, a nawet znacznie je przekroczono (rysunek 2), pomimo betonowania w temperaturze poniżej 5 °C.

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU mgr Dariusz Rutkowski*

T

unel to budowla geotechniczna wykonywana metodą odkrywkową lub drążenia. Do najczęściej spotykanych należą tunele kolejowe, drogowe i kanałowe. Nieodzownym elementem budowy tuneli jest jego wydrążenie oraz zabezpieczenie betonem. W Europie stosowane są dwie metody budowy tuneli – tarczowa (TBM – tunnel boring machine) oraz NATM bądź NÖT (pol. nowa austriacka metoda tunelowa).

Beton do budowy tuneli

Do budowy tuneli wykorzystuje się przeważnie 3 rodzaje betonów: natryskowy; na pierścienie tubingów; do szalunków wewnętrznych. Beton natryskowy to beton, który podawany jest przez rury i przewody pod ciśnieniem, a następnie narzucany (natryskiwany) dynamicznie na miejsce wbudowania. Powszechnie stosowane są dwie metody natrysku: ● na mokro – gotowa mieszanka betonowa podawana jest do dyszy natryskowej, a następnie natryskiwana jest za pomocą sprężonego powietrza; ● na sucho – sucha mieszanka betonowa doprowadzona jest pneumatycznie do dyszy natryskowej, gdzie pod ciśnieniem doprowadza się wodę i natryskuje za pomocą sprężonego powietrza. W związku z tym, że taki rodzaj betonu powinien jak najszybciej osiągnąć wysoką wytrzymałość, przy obydwu metodach często dodaje się domieszki przyśpieszające wiązanie oraz twardnienie. W ostatnich latach przy budowie tuneli wykorzystuje się wyłącznie metodę na mokro, ze względu na korzyści finansowe, większą jednorodność mieszanki oraz mniejszą stratę nałożonej mieszanki przez odprysk. W przypadku betonów natryskowych ustala się klasy wytrzymałości od C20/25 do C35/45 w zależności od projektu. Beton do budowy tuneli powinien być odporny * Ha-Be Polska

Europejskie doświadczenia z budowy tuneli

na środowisko agresywne chemicznie, dlatego też projektanci specyfikują klasy ekspozycji XA. Ponadto w zależności od przeznaczenia tunelu (tunel linii metra, tunel kolejowy, tunel komunikacji samochodowej), stosuje się mieszanki spełniające klasy ekspozycji XC, XD, XS, XF. Podobnie jest z betonami do produkcji tubingów. Elementy te produkowane są w zakładach prefabrykacji, a ich klasa wytrzymałości na ściskanie, to C35/45 do C50/60. Wspólną cechą tych dwóch betonów jest wysoka wytrzymałość wczesna. Beton natryskowy musi jak najszybciej ustabilizować oraz zestalić strop i ściany, natomiast beton na element tubingowy powinien zapewnić jak najszybszą rotację form. Beton do szalunków wewnętrznych nie różni się wiele, jeśli chodzi o wymagania techniczne, natomiast różni go konsystencja przy wbudowaniu (F5, F6). Ważnym elementem mieszanek betonowych przeznaczonych do budowy tuneli są domieszki chemiczne (superplastyfikatory, przyśpieszacze, napowietrzacze oraz opóźniacze wiązania). Często są to domieszki kompleksowe, np.: superplastyfikator + napowietrzacz. Paradoksem może wydawać się fakt, iż niektóre projekty recept w betonach natryskowych w swoim składzie mają domieszkę przyśpieszającą oraz opóźniającą. Otóż przy niektórych projektach wydłużony transport mieszanki betonowej wymaga zastosowania domieszki opóźniającej. Następnie przed samym wbu-

Tubingi na budowę „Cityringen”, Kopenhaga

„City Tunel Lipsk”, Niemcy

dowaniem do mieszanki dodawany jest przyśpieszacz, który pozwala uzyskać pożądaną wytrzymałość początkową. Realizacjom dużych projektów podziemnych zawsze towarzyszą problemy techniczne. W 2006 r. firma Ha-Be utworzyła zespół specjalistów zajmujących się technologią betonów wykorzystywanych do budowy tuneli pod nazwą Ha-Be Tunnel Team. Jest to grupa odpowiednio wyspecjalizowanych fachowców, których zadaniem jest opracowywanie specjalistycznych domieszek do mieszanek betonowych (beton natryskowy, tubingi, beton zwykły), opracowywanie optymalnych receptur, nadzór nad produkcją oraz wbudowaniem betonów.

Podsumowanie

Z roku na rok w Europie przybywa tuneli zarówno kolejowych, jak i drogowych. Według wielu sceptyków koszt realizacji tych inwestycji jest nieopłacalny i tańszą alternatywą jest budowa tradycyjnych dróg. Warto jednak pamiętać, że korzystając z przejazdu tunelem, skraca się znacznie drogę, oszczędza czas oraz paliwo, a co za tym idzie również środowisko. Budując tunel, nie ponosi się kosztów wykupu działek, utrzymania dróg zimą, zabezpieczania ich przed lawinami. Zmniejsza się także ryzyko wypadków. Obecne tunele budowane są wg najwyższych standardów bezpieczeństwa wykonania oraz użytkowania, dlatego miejmy nadzieję, iż również w Polsce przyjdzie moda na ich budowę. 11 ’2013 (nr 495)

109

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Domieszki dyspergujące w technologii produkcji drobnowymiarowych elementów wibroprasowanych

mgr inż. Arkadiusz Ignerowicz*

W

produkcji prefabrykatów z betonu wilgotnego metodą wibroprasowania zdecydowanie największą rolę odgrywają domieszki dyspergujące, które pozwalają na właściwe zagęszczenie świeżej mieszanki betonowej, nadanie pożądanego kształtu wyrobu czy uzyskanie odpowiedniej wytrzymałości umożliwiającej natychmiastowe rozformowanie elementu. W konsekwencji przekłada się to na zwiększenie jakości i trwałości gotowego wyrobu, szybkości produkcji oraz wydłużenie czasu eksploatacji maszyn. W technologii betonu wibroprasowanego najpowszechniej stosowane są domieszki dyspergujące na bazie lignosulfonianów, polimerów oraz tenzydów. Charakteryzuje je odmienny mechanizm działania (rysunek). W przypadku lignosulfonianów i tenzydów jest to mechanizm hydrofilowy, a w przypadku polimerów – mechanizm steryczny.

Mechanizmy działania domieszek dyspergujących: a) elektrostatyczny; b) smarny; c) hydrofilowy; d) steryczny

Przykład wpływu domieszek o różnej budowie chemicznej na właściwości gotowego elementu pokazuje tabela 1 oraz tabela 2. W pierwszym przypadku warstwa konstrukcyjna kostki zawierała czysty cement, a w drugim mieszaninę cementu z popiołem. W obu próbach najsłabsze wyniki uzyskano w przypadku zastosowania domieszek, których bazą był lignosulfonian. Porównanie wpływu polimerów oraz tenzydów w praktyce okazuje się dość trudne. Opty-

Tabela 1. Porównanie wpływu różnych domieszek na parametry kostki brukowej –

CEM I 42,5R Domieszka Wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu po: 3 dniach [MPa] 28 dniach [MPa] 180 dniach [MPa] Nasiąkliwość po: 28 dniach [%] 180 dniach [%]

Próba 1 bez lignosulfonian domieszki 340 kg/m3 0,35%

340 kg/m3 0,35%

1,7 2,9 3,5

2,8 3,9 4,4

3,2 4,4 4,8

3,3 4,4 4,9

6,3 5,9

5,2 4,5

4,6 4,1

4,5 3,9

11 ’2013 (nr 495)

–

CEM I 42,5R Popiół lotny Domieszka Wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu po: 3 dniach [MPa] 28 dniach [MPa] 180 dniach [MPa] Nasiąkliwość po: 28 dniach [%] 180 dniach [%]

Próba 2 bez lignosulfonian domieszki

tenzyd

polikarboksylan

270 kg/m3 80 kg/m3 –

270 kg/m3 80 kg/m3 0,35%

270 kg/m3 80 kg/m3 0,35%

270 kg/m3 80 kg/m3 0,35%

1,5 2,6 3,7

2,1 3,6 4,7

2,4 3,9 5,2

2,7 4,1 5,7

5,8 5,5

4,9 4,1

4,5 3,9

4,3 3,6

malne rozwiązanie, które działa w jednej firmie, nie musi równie dobrze funkcjonować w innej. Przypomnijmy, iż proces produkcji elementów wibroprasowanych jest złożony i na efekt końcowy składa się wiele czynników, takich jak: rodzaj i jakość surowców; zaprojektowana receptura; rodzaj i wydajność urządzeń; wilgotność świeżej mieszanki oraz dojrzewanie. Domieszki polimerowe sprawdzają się szczególnie tam, gdzie część cementu zastępuje się popiołem lotnym. Jak już wspomniano, bardzo ważną cechą betonu wilgotnego jest jego urabialność, a zatem zdolność do maksymalnie szczelnego wypenienia formy. Przy zachowaniu reżimu produkcyjnego domieszki polimerowe pozwalają na uzyskanie lepszej dyspersji ziarn cementu i wyższego stopnia zagęszczenia. Konsekwencją tego jest zmniejszenie porowatości oraz dynamiczniejszy rozwój wytrzymałości gotowego wyrobu [J. Newman, Advance Concrete Technology]. Widać to dobrze szczególnie na elementach wyższych, np. krawężnik czy obrzeże (fotografie 1 i 2). Krawężnik wyprodukowany z udziałem domieszki na bazie tenzydów zawiera nieciągłości i duże pustki powietrzne.

polikarboksylan

340 kg/m3 –

* Schomburg Polska Sp. z o.o.

110

tenzyd

Tabela 2. Porównanie wpływu różnych domieszek na parametry kostki brukowej

340 kg/m3 0,35%

Fot. 1. Krawężnik wyprodukowa- Fot. 2. Krawężnik wyprodukowany z udziałem domieszki na bazie ny z udziałem domieszki polimetenzydów rowej

Chcąc mieć pewność, że wybrano najlepsze rozwiązanie do danej linii produkcyjnej, należy przeprowadzić próby w długich seriach. Tylko takie podejście pozwala na zaobserwowanie wpływu danej domieszki na właściwości zarówno świeżej mieszanki, jak i stwardniałego betonu, skrócenie cyklu produkcyjnego, a co za tym idzie obniżenie kosztów produkcyjnych. Fotografie: Arkadiusz Ignerowicz

REOLOGIA W TECHNOLOGII BETONU

Przykład zastosowania betonu cementowo-polimerowego

dr inż. Maciej Gruszczyński*

W 2006 r. rozpoczęły się prace, których celem była naprawa falochronu wyspowego w Porcie Gdynia. Przyjęty projekt naprawy przewidywał ustabilizowanie konstrukcji przez jej poszerzenie o 2,5 m oraz podwyższenie „nosków” falochronu do wysokości 4,40 m ponad lustro wody.

Etapy prac

Naprawa falochronu przebiegała etapami (fotografia), z których najważniejsze to: ● usunięcie warstwy skorodowanego betonu; ● budowa ścianki poszerzającej konstrukcję w osłonie ścianki Larsena w technologii betonu kontraktorowego klasy C30/37; ● wykonanie „parapetu” wieńczącego ścianę poszerzającą z betonu cementowo-polimerowego klasy C35/45; ● ustawienie na wykonanej konstrukcji elementów prefabrykowanych, tzw. łamaczy fal i wykonanie reprofilacji belki cumowniczej oraz nosków falochronu betonem cementowo-polimerowym C35/45. Schemat naprawianej konstrukcji przedstawiono na rysunku. W prowadzonym remoncie zdecydowano się na zastosowanie betonu cementowo-polimerowego ze względu na jego zalety w porównaniu z betonem zwykłym, takie jak:

Przekrój konstrukcji falochronu. Kolorem czarnym zaznaczono elementy wykonane z betonu cementowo-polimerowego: 1 – ścianka szczelna Larsena; 2 – ściana poszerzająca; 3 – płyta wieńcząca; 4 – element prefabrykowany, tzw. łamacz fal; 5 – reprofilowany nosek falochronu; 6 – belka cumownicza

* Politechnika Krakowska, Stowarzyszenie Producentów Betonu Towarowego w Polsce

a)

b)

c)

● duża odporność na działanie znakozmiennej temperatury i wody morskiej; ● bardzo dobra przyczepność do betonu stwardniałego i stali; ● duża wytrzymałość na rozciąganie i zginanie; ● znacznie zredukowana wartość odkształceń skurczowych i modułu sprężystości.

Opracowanie receptur betonu cementowo-polimerowego

Przed przystąpieniem do prac betonowych wykonano, pod kierownictwem pana Marka Aleksiuna, bogaty program badawczy, którego celem było opracowanie receptury betonu, który będzie charakteryzował się odpornością na destrukcyjne działanie mrozu, w tym na powierzchniowe złuszczenie w roztworze NaCl, niską wartością odkształceń skurczowych, dużą wytrzymałością na zginanie i ściskanie. W wyniku zrealizowanego programu badawczego, który obejmował wykonanie i przetestowanie 12 serii betonów, wytypowano recepturę betonu optymalną pod względem właściwości reologicznych (wymaganie utrzymania konsystencji przez 180 min) oraz zapewniającą właściwą trwałość i wytrzymałość betonu. Szczegółowy opis programu badań i uzyskanych wyników przedstawiono w [1, 2]. Zrealizowany program badawczy pokazał istotny wpływ dodatku dyspersji kopolimeru styrenowo-akrylowego Estrifan Additiv KD 962 firmy MC-Bauchemie na poprawę trwałości mrozowej betonu. Zastosowanie tego dodatku już w ilości 5 – 11% m.c. pozwoliło na spełnienie wymagań Slab Testu i umoż-

Etapy naprawy konstrukcji falochronu w Porcie Gdynia: a) – usunięcie skorodowanego betonu; b) – betonowanie ściany stabilizującej i poszerzającej; c) – ustawianie elementów prefabrykowanych na poszerzonej konstrukcji falochronu

liwiło uzyskanie betonu o bardzo dobrej odporności na powierzchniowe złuszczenie (m56 < 100 g/m2). Jak wynika z badań, dodatek dyspersji Estrifan Additiv KD 962 w ilości 5 – 11% m.c. w połączeniu z domieszką reologiczną Muraplast FK 63.30 (0,4 – 0,5% m.c.) powoduje napowietrzenie betonu na poziomie 4,0 – 4,8%. Wykonane badania struktury napowietrzenia pokazują korzystny rozkład wielkości porów, których zdecydowana większość ma wielkość 10 – 500 µm. Badania wykazały, że dodatek dyspersji polimerowej Estrifan Additiv KD 962 w ilości 5 – 11% m.c. powoduje istotne zmniejszenie wartości odkształceń skurczowych.

Podsumowanie

Zrealizowany program badawczy i wykonane zaroby próbne pozwoliły na wytypowanie optymalnej pod względem właściwości i kosztów receptury betonu cementowo-polimerowego do naprawy konstrukcji falochronu w Porcie Gdynia. Za taką uznano recepturę zakładającą wielkość wskaźnika w/c = 0,38, przy poziomie dozowania dodatku polimerowego Estrifan Additiv KD 962 wynoszącym 8% w stosunku do masy cementu.

Literatura

[1] Gruszczyński M., Aleksiun M.: Freeze resistance of concrete modified with styrene-acrylic co-polymer additive for the repair of a breakwater in Gdynia Harbor – 13th International Congress on Polymers in Concrete, Madeira, 10 – 12.02.2010, s. 721 – 728. [2] Gruszczyński M.: Nowatorskie wykorzystanie betonu cementowo-polimerowego do naprawy Falochronu Wyspowego w Porcie Gdynia. Czasopismo Techniczne, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, z. 2-A/2011, s. 265 – 278. 11 ’2013 (nr 495)

111