Trwały i wysokowartościowy beton-sztuka i wiedza.pdf

Trwa³y wysokowartoœciowy beton ...

prof. Pierre-Claude A ï tcin

Université de Sherbrooke

Kanada

Trwały wysokowartościowy beton

– sztuka i wiedza

THE ART AND SCIENCE OF DURABLE

HIGH-PERFORMANCE CONCRETE

Streszczenie

Beton wysokowartoœciowy mo¿na zdefiniowaæ jako beton o niskim wskaŸniku woda/

sk³adnik wi¹¿¹cy oraz zoptymalizowanym wskaŸniku kruszywo/sk³adnik wi¹¿¹cy w

celu kontrolowania stabilnoœci wymiarów. Beton wysokowartoœciowy zachowuje siê jak

prawdziwy materia³ kompozytowy, w którym kruszywo grube decyduje o w³asnoœciach

mechanicznych, a w zwi¹zku z tym zale¿noœci miêdzy wspó³czynnikiem sprê¿ystoœci a

wytrzyma³oœci¹ podawane dla wiêkszoœci przepisów nie maj¹ zastosowania do betonu

wysokowartoœciowego.

Osi¹gniêcie wysokiej sprawnoœci nie jest kwesti¹ przypadku, wszystkie sk³adniki musz¹

byæ starannie dobrane. Okazuje siê, ¿e doœæ czêsto najtrudniejsz¹ spraw¹ jest kontrolowa-

nie reologii betonu przez dostatecznie d³ugi okres, wystarczaj¹cy na u³o¿enie betonu wy-

sokowartoœciowego o opadzie sto¿ka 200-230 mm, godzinê lub wiêcej po wymieszaniu ze

wzglêdu na problemy z kompatybilnoœci¹ miêdzy cementem a superplastyfikatorem.

Betony wysokowartoœciowe charakteryzuj¹ siê du¿¹ wra¿liwoœci¹ na skurcze plastyczne

i samoistne, w zwi¹zku z czym ich stosowanie wymaga natychmiastowej pielêgnacji wod¹.

Zastosowanie zwi¹zku wspomagaj¹cego pielêgnacjê, który doskonale nadaje siê do pie-

lêgnacji betonu o wskaŸniku woda/sk³adnik wi¹¿¹cy wiêkszym od 0,50 zupe³nie nie

zdaje egzaminu w przypadku betonu wysokosprawnego, poniewa¿ nie zapobiega po-

wstawaniu skurczów samoistnych. W przypadku, gdy wysokowartoœciowy beton o wskaŸ-

niku 0,30 nie jest pielêgnowany wod¹ przed zwi¹zaniem, mo¿e pojawiæ siê w nim od 200

do 300 samoistnych mikroodkszta³ceñ skurczowych w ci¹gu pierwszych 24 godzin, do

których bêd¹ dochodziæ skurcze zwi¹zane z wysychaniem. W przeciwieñstwie do tego,

kiedy wysokowartoœciowy beton jest pielêgnowany wod¹, w ci¹gu pierwszych 24 go-

dzin beton nieznacznie puchnie.

Beton wysokowartoœciowy jest bezwzglêdnie bardziej trwa³y od betonu zwyk³ego. Co-

raz szersze wykorzystanie tego betonu du¿o czêœciej przypisuje siê jego trwa³oœci ni¿

wysokiej wytrzyma³oœci. W nadchodz¹cych latach trwa³oœæ stanie siê kwesti¹ kluczow¹

poniewa¿ coraz wiêksz¹ rolê bêdzie dla nas odgrywaæ rozwój zrównowa¿ony. W tym

kontekœcie zastosowanie betonu wysokowartoœciowego jest bardziej ekologiczne od za-

stosowania zwyk³ego betonu; do utrzymania pewnych obci¹¿eñ potrzebna jest mniejsza

iloœæ cementu i kruszywa, ¿ywotnoœæ konstrukcji betonowej jest zwiêkszona ze wzglêdu

na wy¿sz¹ trwa³oœæ wewnêtrzn¹ betonu wysokowartoœciowego. Gdy beton wysokowar-

toœciowy trzeba bêdzie poddaæ recyklingowi pod koniec jego okresu u¿ytecznoœci, mo¿-

liwoœæ jego recyklingu bêdzie 1-2 razy wiêksza ni¿ zwyk³ego betonu ze wzglêdu na wy-

¿sz¹ wytrzyma³oœæ.

Abstract

High-performance concrete can be defined as a low water/binder ratio concrete with an

optimized aggregate binder ratio to control its dimensional stability. High-performance

concrete acts as a true composite material in which coarse aggregates contribute to the

mechanical properties, therefore, the relationship between elastic modulus and strength

found in most codes no longer have predictive values for high-performance concrete.

Achieving high performance is not done with a casual approach, all ingredients must be

carefully selected. It is found that quite often the most difficult thing is to control concrete

rheology long enough to place a 200-230 mm slump high-performance concrete one hour

or more after mixing due to compatibility problems between the cement and the super-

plasticizer.

High-performance concretes are very sensitive to plastic and autogenous shrinkage, so

that their use demands an immediate water curing. The use of a curing compound which

is perfectly adequate to cure a concrete having W/B ratio greater than 0.50 is absolutely

inadequate with high-performance concrete because it does not prevent the development

of autogenous shrinkage. When a 0.30 high-performance concrete is not water cured

before setting, it can develop a 200 to 300 microstrains autogenous shrinkage during the

first 24 hours, to which its drying shrinkage will be added. On the contrary when such a

high-performance concrete is water cured during the first 24 hours, its swells slightly.

High-performance concrete is definitely more durable than usual concrete. Its increased

use will be more often linked to its durability than its high strength. In the years to come,

durability will become a key issue because we will become more and more concerned

with sustainable development. In that respect the use of high-performance concrete is

more ecological than the use of a usual concrete: less cement and less aggregates are

needed to sustain a certain load, the life cycle of the concrete structure is increased due to

the greater intrinsic durability of high-performance concrete and, when high-performan-

ce concrete will have to be recycled at the end of its life, it will be recycled one or two

times more than usual concrete because of its higher strength.

Trwa³y wysokowartoœciowy beton ...

1. Wprowadzenie

Najnowsze osi¹gniêcia w dziedzinie betonu wysokowartoœciowego (HPC) stanowi¹

ogromny krok naprzód, je¿eli chodzi o przekszta³canie betonu w nowoczesny materia³ o

udoskonalonych w³aœciwoœciach i trwa³oœci. Doprowadzono nawet do tego, ¿e sta³ siê on

materia³em bardziej ekologicznym w tym sensie, ¿e jego sk³adniki: domieszki, kruszywa

i woda s¹ w pe³ni wykorzystane do stworzenia materia³u charakteryzuj¹cego siê d³u¿sz¹

¿ywotnoœci¹. Wiadomo jednak, ¿e beton nigdy nie bêdzie materia³em trwa³ym w kontek-

œcie okresów geologicznych. Dowolny beton, patrz¹c w przysz³oœæ w perspektywie wy-

starczaj¹co d³ugiej, zakoñczy swój cykl ¿ycia tak jak wapieñ, i³ i piasek kwarcowy, które

s¹ najbardziej stabilnymi formami mineralnymi wapnia, krzemu, ¿elaza i glinu w œrodo-

wisku ziemskim. Wobec tego jedyne co mo¿na zrobiæ to jak najbardziej wyd³u¿yæ trwa-

³oœæ tej sztucznej ska³y.

2. Czym jest beton wysokowartościowy?

Beton, który do póŸnych lat siedemdziesi¹tych znany by³ pod nazw¹ betonu o wysokiej

wytrzyma³oœci, obecnie zwany jest betonem wysokowartoœciowym, poniewa¿ okaza³o

siê, ¿e posiada wiêcej cech, od tej, ¿e jest po prostu mocniejszy: wykazuje udoskonalone

cechy w takim zakresie, jak trwa³oœæ czy wytrzyma³oœæ na œcieranie. Pomimo, ¿e wyra¿e-

nie ,,beton wysokowartoœciowy'' stosuje siê powszechnie, czêsto staje siê ono przedmio-

tem krytyki jako zbyt niejasne lub nawet zupe³nie nic nie znacz¹ce. Co wiêcej, nie ma

prostego badania pozwalaj¹cego zmierzyæ wartoœæ betonu.

Beton wysokowartoœciowy mo¿na zdefiniowaæ jako beton, w którym jedna lub wiê-

cej cech charakterystycznych zosta³o udoskonalonych poprzez dobór i zastosowanie od-

powiednich proporcji sk³adników. Trzeba przyznaæ, ¿e niniejsza definicja jest niejasna, jej

zaletê stanowi jednak to, ¿e wskazuje ona, i¿ nie ma jednego rodzaju betonu wysokowar-

toœciowego, a raczej istnieje rodzina nowych rodzajów nowoczesnego betonu, którego

w³aœciwoœci mo¿na dostosowaæ do okreœlonych potrzeb przemys³owych.

Wprawdzie mo¿na by sformu³owaæ nieco bardziej techniczn¹ definicjê betonu wyso-

kowartoœciowego, która by³aby prosta, np. beton o niskim wspó³czynniku wodno-ce-

mentowym (lub raczej niskim wskaŸniku woda/œrodek wi¹¿¹cy) w zakresie 0,30 do 0,40.

By³aby to jednak definicja niedok³adna, poniewa¿ stosowano betony wysokowartoœcio-

we o wskaŸniku woda/œrodek wi¹¿¹cy w zakresie 0,20 do 0,30.

Definicjê niniejsz¹ mo¿na jeszcze wyg³adziæ merytorycznie dodaj¹c, ¿e beton wy-

sokowartoœciowy jest betonem, w którym skurcz samoistny mo¿e pojawiæ siê w wyni-

ku zjawiska zwanego samoosuszeniem, gdy beton nie jest pielêgnowany wod¹. Jêzyk

techniczny jednak w niewielkim stopniu przyczynia siê do wyjaœnienia sprawy, ponie-

wa¿ bardzo niewielka liczba ludzi rozumie znaczenie terminów samoosuszenie i skurcz

samoistny.

Ze wzglêdu na fakt, ¿e nie ma jednej optymalnej definicji materia³u zwanego beto-

nem wysokowartoœciowym, wolê definiowaæ go jako beton o niskim wskaŸniku woda/

sk³adnik wi¹¿¹cy oraz zoptymalizowanym wskaŸniku kruszywo/sk³adnik wi¹¿¹cy

w celu kontrolowania stabilnoœci wymiarowej, który poddany jest stosownej pielêgna-

cji wod¹.

3. Wskaźnik wodno-cementowy czy wskaźnik

woda/składniki wiążące?

Obydwa wyra¿enia by³y celowo wykorzystane powy¿ej, oddzielnie lub razem, aby od-

zwierciedliæ fakt, ¿e sk³adnikiem cementowym betonu wysokowartoœciowego mo¿e byæ

sam cement lub dowolna kombinacja cementu z tzw. sk³adnikami mineralnymi, takimi

jak: ¿u¿el, popió³ lotny, py³ krzemionkowy, metakaolin, popió³ z ³usek ry¿owych oraz

wype³niacze, takie jak wapieñ. Coraz powszechniej stosuje siê uk³ady trójsk³adnikowe,

aby wykorzystaæ synergiê pewnych elementów mineralnych w celu poprawienia w³aœci-

woœci betonu w stanie œwie¿ym i stwardnia³ym oraz zwiêkszenia ekonomicznoœci beto-

nu wysokowartoœciowego.

Mimo, ¿e wiêkszoœæ mieszanek betonu wysokowartoœciowego zawiera przynajmniej

jeden sk³adnik mineralny, który powinien sprzyjaæ stosowaniu bardziej ogólnego wyra-

¿enia wskaŸnik woda/sk³adnik wi¹¿¹cy, wskaŸnik woda/sk³adnik wi¹¿¹cy oraz woda-

cement powinny byæ stosowane równolegle. Wynika to z faktu, ¿e wiêkszoœæ sk³adników

mineralnych znajduj¹cych siê w betonach wysokowartoœciowych nie charakteryzuje siê

a¿ tak¹ reaktywnoœci¹ jak cement portlandzki, co oznacza, ¿e wiêkszoœæ wczesnych w³a-

œciwoœci betonu wysokowartoœciowego mo¿na przypisaæ wskaŸnikowi wodno-cemento-

wemu, natomiast w³aœciwoœci d³ugoterminowe wi¹¿¹ siê raczej ze wskaŸnikiem woda/

sk³adnik wi¹¿¹cy.

Nale¿y podkreœliæ, ¿e rozwój technologii betonu wysokowartoœciowego nauczy³

nas tego, co Feret wyrazi³ w swoim pierwotnym wzorze podaj¹cym wytrzyma³oœæ na

œciskanie betonu: wytrzyma³oœæ betonu na œciskanie jest œciœle zwi¹zana z porowato-

œci¹ stwardnia³ej matrycy. Dziêki betonowi wysokowartoœciowemu przekonaliœmy siê

równie¿, ¿e grube kruszywo mo¿e byæ najs³abszym miejscem w betonie, kiedy wytrzy-

ma³oœæ stwardnia³ego zaczynu cementowego zostanie radykalnie zwiêkszona poprzez

obni¿enie wskaŸnika woda/sk³adnik wi¹¿¹cy. W takich przypadkach rozpoczêcie two-

rzenia siê uszkodzeñ betonu mo¿e zacz¹æ siê w kruszywie grubym. Tak wiêc,

w przypadku betonu wysokowartoœciowego mog¹ wyst¹piæ wyj¹tki od regu³y wskaŸ-

nika woda/sk³adnik wi¹¿¹cy. W niektórych sytuacjach zmniejszanie wskaŸnika woda/

sk³adnik wi¹¿¹cy poni¿ej pewnego poziomu jest niepraktyczne, poniewa¿ wytrzyma-

³oœæ betonu wysokosprawnego nie przekroczy w znacznym stopniu wytrzyma³oœci kru-

szywa na œciskanie. W przypadku gdy wytrzyma³oœæ na œciskanie ograniczona jest kru-

szywem grubym, jedynym sposobem uzyskania wy¿szej wytrzyma³oœci jest

zastosowanie bardziej wytrzyma³ego kruszywa.

4. Materiał kompozytowy

Beton standardowy mo¿na charakteryzowaæ jedynie na podstawie wytrzyma³oœci na

œciskanie, poniewa¿ mo¿na to bezpoœrednio powi¹zaæ ze wskaŸnikiem wodno-cemen-

towym, który jest najlepszym wskaŸnikiem porowatoœci zaczynu. Wiêkszoœæ u¿ytecz-

nych w³aœciwoœci betonu mo¿na powi¹zaæ z wytrzyma³oœci¹ na œciskanie za pomoc¹

prostych wzorów empirycznych. Dotyczy to modu³u sprê¿ystoœci i modu³u pe³zania

(wytrzyma³oœæ na zginanie), poniewa¿ stwardnia³y zaczyn cementowy oraz strefa przej-

œciowa wokó³ ziarn grubego kruszywa tworzy najs³absze obszary w betonie. Sk³adnik

kruszywowy (zw³aszcza kruszywo grube) w niewielkim stopniu przyczynia siê do w³a-

Trwa³y wysokowartoœciowy beton ...

œciwoœci mechanicznych zwyk³ego betonu. Wraz ze wzrostem wytrzyma³oœci stward-

nia³ego zaczynu cementowego, w betonie wysokowartoœciowym, strefa przejœciowa

miêdzy kruszywem grubym a stwardnia³ym zaczynem cementowym praktycznie zani-

ka (fot. 1 i 2). Poniewa¿ istnieje odpowiednie przeniesienie w tych warunkach, beton

wysokowartoœciowy zachowuje siê jak prawdziwy materia³ kompozytowy zgodnie z

tym, co przedstawia Baalbaki et al. [1]. Krzywa naprê¿eñ-odkszta³ceñ betonu wysoko-

wartoœciowego odzwierciedla wp³yw krzywej naprê¿eñ-odkszta³ceñ kruszywa grube-

go zgodnie z rysunkiem 3.

Fot. 1. Mikrostruktura betonu o wysokim wskaŸniku wodno-cementowym: (a) wysoka porowa-

toœæ oraz niejednorodnoœæ zaczynu, (b) zorientowany kryszta³ Ca(OH) 2 na ziarnach kruszywa,

Wyra¿aj¹c to w inny sposób, modu³ sprê¿ystoœci (tj. sztywnoœæ) betonu wysokospraw-

nego mo¿e byæ dostosowany do okreœlonej potrzeby projektanta poprzez dobór odpowied-

niego kruszywa grubego. Nilsen i Aïtcin [2] byli w stanie opracowaæ beton o wytrzyma³o-

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: