betonu specjalne.doc

Betony specjalne

Betony wysokowartościowe  
Betony wysokowartościowe (BWW)to nowy kompozyt budowlany, wyodrębniony poprzez klasyfikację betonów i zaliczony do materiałów cementowych, których wytrzymałość na ściskanie przekracza 60 MPa. Główne cechy tego materiału to również wysoka trwałość i odporność na destrukcyjne oddziaływanie środowiska naturalnego.
Technologia BWW przewiduje uzyskanie mieszanki betonowej o możliwie jak najniższym wskaźniku wodno-spoiwowym ( poniżej 0,4 ), stosowanie cementów wyższych marek oraz kruszyw łamanych. Badania dowodzą także, że możliwe jest uzyskanie BWW na kruszywach otoczakowych i cementach niższych klas. Ilość zużywanego cementu na 1m3 waha się w granicach 450 - 600 kg. Projektowanie mieszanki betonowej BWW sprowadza się do iteracyjnych metod empirycznych. Doboru stosu okruchowego dokonuje się poprzez takie zmieszanie kruszyw ( grubo i drobnoziarnistych ), aby w efekcie uzyskać maksymalnie szczelny stos okruchowy.
W wyniku stosunkowo wysokiego zużycia cementu, istnieje niebezpieczeństwo pojawienia się rys skurczowych. Dlatego też pielęgnacja BWW przebiega nieco dłużej w porównaniu z betonami zwykłymi. Badania własne autora wykazały, że pielęgnacja ta może trwać do 10 dnia po zabetonowaniu.
Zalety betonów wysokowartościowych takich jak , wysoka: wczesna wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość końcowa na ściskanie, trwałość, mrozoodporność, odporność na ścieranie, zostały dostrzeżone przez inżynierów i często są wykorzystywane w praktyce. BWW znalazły już szerokie zastosowanie, tak w konstrukcjach wysokich jak i w drogownictwie.

Betony wodoszczelne  
Dzięki uzyskanym parametrom większość betonów wysokowartościowych, można zakwalifikować do grupy betonów wodoszczelnych. Wykonuje się je dla zapewnienia wymaganej szczelności, przewyższającej szczelność technologii betonów zwykłych. W wyniku zastosowanych materiałów BWW są droższe od tradycyjnych, stąd inżynierowie dążyli do uzyskania kompozytu tańszego, ze szczególnych uwzględnieniem szczelności. Betony wodoszczelne uzyskuje się dzięki odpowiedniemu, precyzyjnemu doborowi składników mieszanki betonowej oraz zminimalizowaniu porowatości betonu. Szczelność ta funkcyjnie zależy głównie od wskaźnika wodno-spoiwowego i wieku betonu.

Rys.1. Głębokość przenikania wody pod ciśnieniem 0,7 MPa, w zależności od wskaźnika W/C po 28 dniach twardnienia

Rys.2. Głębość przenikania wody pod ciśnieniem 0,7 MPa w zależności od wskaźnika W/C i wieku betonu

Wyróżnia się kilka stopni wodoszczelności betonu: W2, W4, W6, W8, W10 i W12. Liczba oznacza wielkość ciśnienia słupa wody w MPa, oddziałującego na próbkę betonową o grubości 15 cm. Dla uzyskania poszczególnych stopni wodoszczelności zaleca się, aby wskaźnik wodno-cementowy kształtował się następująco:

. dla W8 - W12, W/C < 0,45;
. dla W6 - W8, 0,45 < W/C < 0,5;
. dla W4 - W6, 0,5 < W/C < 0,6;
. dla W2, W/C > 0,6.

Zalecana jest jak najgęstsza, możliwa do zawibrowania konsystencja. Należy również zwrócić szczególną uwagę na jakość i jednolitość stosowanego kruszywa. W betonach wodoszczelnych zaleca się stosowanie kruszyw sortowanych.
Bardzo ważne przy wykonywaniu betonów wodoszczelnych jest zapewnienie pełnej szczelności, uwzględniając również rysy skurczowe. W procesie dojrzewania, na skutek szybkiej utraty wody z betonu i wydzielania ciepła hydratacji, na powierzchni betonu powstają mikrorysy skurczowe. Aby zapobiec rozwojowi rys skurczowych, należy ściśle przestrzegać pielęgnacji betonu. W przypadku betonów wodoszczelnych zaleca się 14 - dniową pielęgnację. Po tym czasie skurcz nie będzie powodował powstawania rys, gdyż wytrzymałość betonu na rozciąganie będzie wystarczająca do przeniesienia naprężeń, wywołanych odkształceniami technologicznymi. Betony wodoszczelne wykorzystuje się głównie w konstrukcjach wodnych, lub ich elementach znajdujących się poniżej zwierciadła wody, zbiornikach wodnych oraz budowlach szczególnie narażonych na oddziaływania wody.

Betony odporne na ścieranie  
Jedną z cech betonów wysokowartościowych jest duża odporność na ścieranie. Podobnie jak w przypadku betonów wodoszczelnych, możliwe jest obniżenie kosztów ich produkcji. Wyróżnia się dwa mechanizmy powodujące ścieranie betonu:

. ścieranie przedmiotami o płaskich powierzchniach ( ruch kołowy, pieszy ),
. ścieranie materiałami sypkimi ( przemieszczanie kruszyw, piasków ).

W każdym z nich o trwałości betonu decyduje inny składnik mieszanki. W pierwszym jest to składnik najbardziej odporny na ścieranie - kruszywo grube. W drugim, jest to składnik najsłabszy - zaprawa, dlatego zaleca się stosowanie minimalnej ilości zaprawy, ograniczając się do 450 l/m3. W betonach narażonych na ścieranie przedmiotami o płaskich powierzchniach, wskazane jest stosowanie kruszyw łamanych, o wytrzymałości powyżej 120 MPa i ścieralności skały < 2 mm. W odróżnieniu od betonów wysokowartościowych, betony specjalne narażone na ścieranie mogą mieć wytrzymałość 20 - 35 MPa w zależności od przeznaczenia. Grubość warstwy ściernej nie może być mniejsza, niż 5 cm dla warstw układanych na betonie stwardniałym i 3 cm dla warstw układanych na świeżym betonie. Wyróżnia się dwie klasy ścieralności dla betonów odpornych na ścieranie. Klasa I - dla ruchu dużego i ciężkiego - 0,25 cm ścieralności betonu na tarczy Boehme`go , klasa II - dla ruchu średniego i małego - 0,30 cm ścieralności. Betony odporne na ścieranie znalazły swoje zastosowanie w budowie dróg i nawierzchni lotnisk. Zostały także zastosowane przy wypełnieniu dna rzeki Los Angeles, zniszczonego przez erozyjne tarcie.

Betony hydrotechniczne  
Jest to grupa betonów stanowiąca połączenie cech betonów wodoszczelnych i odpornych na ścieranie. Od betonów hydrotechnicznych wymaga się wodoszczelności, mrozoodporności, odporności na ścieranie i niskiego ciepła hydratacji oraz minimalnego skurczu. Pociąga to za sobą konieczność ograniczenia ilości cementu, pozwalając tym samym na zmniejszenie wydzielanego ciepła hydratacji.
Betony hydrotechniczne znalazły zastosowanie głównie w budownictwie wodnym, szczególnie narażonym na oddziaływanie wody w każdej postaci ( woda, lód, mgła ). Konstrukcje wodne, zwłaszcza tamy i platformy wiertnicze , to obiekty o dużych rozmiarach , eksploatowane w ekstremalnych warunkach. Przy ich projektowaniu konieczne jest opracowywanie każdorazowo innej receptury i technologii wykonania robót. Każda taka inwestycja wymaga także przygotowania oraz badań materiałów budowlanych, a w niektórych przypadkach - opracowywania specjalistycznych cementów. W uzasadnionych przypadkach stosuje się betony wysokowartościowe. Przykładem indywidualnego podejścia do wznoszonej konstrukcji może być zapora Hoovera na rzece Colorado w USA. Ta największa na szlaku wodnym inwestycja pochłonęła 2,5 mln m3 betonu, w skład którego weszło 8,2 mln ton kamieni. Ilość stali zbrojeniowej, użytej do budowy tej konstrukcji dorównuje ilości zużytej stali w Empire State Building w Nowym Yorku. Grubość podstawy wynosi 201 m, a wysokość 220 m ( 70 pięter ! ).

Betony ognioodporne  
Trwałość ogniowa betonów zwykłych jest niska. Ich odporność na krótkotrwałe działanie temperatury kształtuje się w granicach 200 - 3000C. W wyższej temperaturze następuje spadek wytrzymałości oraz modułu sprężystości. Beton ulega znacznym i trwałym odkształceniom. Betony ognioodporne stosuje się do budowy kominowych przewodów dymowych, kotłów centralnego ogrzewania i konstrukcji, gdzie temperatura dochodzi do 7000C. Betony ognioodporne są trwalsze niż betony zwykłe, lecz nie są to betony niezniszczalne. W przypadku oddziaływania wysokiej temperatury tracą nawet do 65 % wytrzymałości na rozciąganie, co uznaje się za dopuszczalne. Projektując beton ognioodporny powinno się przestrzegać następujących zaleceń:

. stosownie cementów wysokich marek ( powyżej 32,5 )
. stosowanie kruszywa grubego ( głównie łamanego ze skał magmowych zasadowych lub półkwaśnych, kruszywa ceramicznego - klinkier, keramzyt, szamotu, żużla o zawartości CaO < 40% ),
. stosowanie kruszywa drobnego ( pochodzenie jak kruszywa grubego ).

Wyróżnia się kilka marek betonu ognioodpornego: 7, 9, 11, 14, 17, 20 i 25. Oznaczenie odpowiada uzyskiwanej wytrzymałości na ściskanie po próbie badania.

Betony osłonowe  
Betony te stosuje się głównie jako osłony radiologiczne, chroniące środowisko zewnętrzne przed szkodliwym promieniowaniem. Stosowane są zatem głównie w obiektach, w których zlokalizowane są źródła promieniowania jądrowego oraz promieniowania rentgenowskiego. Betonowe osłony mają za zadanie osłabienie natężenia promieniowania do wartości mniejszej niż dopuszczalne (promieniowania gamma, promieniowania neutronowego oraz rentgenowskiego).
Betony osłonowe klasyfikuje się ze względu na gęstość:

. betony zwykłe, 2100 kg/m3 gęstość < 2600 kg/m3
. betony ciężkie, gęstość > 2600 kg/m3

Dokonuje się również klasyfikacji ze względu na rodzaj użytego kruszywa:

. betony zwykłe,
. betony na kruszywie ciężkim,
. betony na kruszywie uwodnionym (beton magnetytowy),
. betony z obciążeniem (obciążniki stalowe, ołowiowe),
. betony zawierające bor.

Rys.3. Zależność osłabienia promieniowania gamma od grubości ściany betonowej dla betonu magnetytowego

Od betonów osłonowych wymaga się spełnienia wielu kryteriów, a także stawia się określone wymagania technologiczne. Są to głównie:

. duża gęstość i jednorodność gęstości betonu, gęstość >2600 kg/m3
. właściwy skład chemiczny,
. odporność na promieniowanie i jego wpływ,
. wodoszczelność i paroszczelność,
. mały moduł sprężystości, 14000 - 50000 MPa
. odporność na wysokie temperatury,
. łatwość formowania,
. duża trwałość,
. mały skurcz.

Aby uzyskać betony osłonowe, a tym samym skutecznie zapobiegać lub ograniczyć promieniowanie, należy wnikliwie poznać rodzaj i wielkość tego promieniowania, a następnie przystąpić do zaprojektowania betonu (uwzględniając skład chemiczny i mineralny mieszanki betonowej).
Technologia wykonania betonu osłonowego nie odbiega od klasycznej metody wykonywania betonów. Główną uwagę jednak kieruje się na rodzaj i ilość zastosowania wypełniacza ciężkiego oraz kruszywa. Krzywe przesiewu dla kruszyw do betonów osłonowych przedstawiono na rys. 4 i 5. Należy jednak zauważyć, że w wielu państwach zalecenia w doborze kruszywa istotnie się różnią. Wynika to jednak ze sposobu prowadzenia badań i wdrażania ich w rzeczywistość.

Rys.4. Krzywa przesiewu dla kruszyw drobnoziarnistych

Rys.5. Krzywa przesiewu dla kruszyw gruboziarnistych
 

Rys.6. Zależność wytrzymałości na ściskanie betonów osłonowych od wskaźnika W/C dla klasy wytrzymałościowej cementu 42,5

Warunki dojrzewania betonów osłonowych są identyczne jak dla betonów zwykłych, przy czym szczególną uwagę należy zwrócić na możliwość pojawienia się rys skurczowych, a tym samym należy zadbać o pielęgnację betonu.
Porównanie skurczu dla betonów osłonowych przedstawiono na rys. 7. Wszystkie wartości skurczu przedstawiono w nanometrach. Wartości dla betonów osłonowych zestawiono z wartościami dla betonu zwykłego.

Rys.7. Skurcz betonów osłonowych i betonu zwykłego. (mm)

Wśród stosowanych do mieszanek betonów osłonowych dodatków zalicza się głównie dodatki poprawiające urabialność mieszanki oraz dodatki poprawiające właściwości osłonowe. Do ostatniej grupy dodatków należą głownie: kwas borny, sole boru oraz uwodnione sole litu.


Kontrole jakości mieszanek betonowych i betonów obejmują głównie:

. skład chemiczny kruszywa,
. jednorodność kruszywa,
. gęstość mieszanki,
. jednorodność mieszanki,
. konsystencje mieszanki,
. szczelność ułożenia mieszanki.

Wytrzymałość na ściskanie - w zależności od rodzaju i receptury mieszanki betonowej, betony osłonowe uzyskują wytrzymałości od 10 do 40 MPa. Wyższe wytrzymałości są jedynie uzasadnione konstrukcją obiektu ( rys.8).
Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu - tak jak w przypadku betonów zwykłych, betony osłonowe wykazują podobne tendencje wytrzymałościowe przy rozciąganiu jak betony zwykłe. Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu stanowi ok. 10 % wytrzymałości na ściskanie (rys.9).
 

Rys.8. Wytrzymałość na ściskanie betonów osłonowych

Rys.9. Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu betonów osłonowych.

W przypadku betonów osłonowych dąży się do uzyskania niskiego modułu sprężystości. Badania nad betonami osłonowymi wykazały wartości modułu sprężystości w zakresie 14000 do 45000 MPa (rys.10).