Betony nowej generacji

Skład betonów BWW (beton wysokowartościowy o gwarantowanej wytrzymałości na ściskanie co najmniej 60 MPa) i BSZ (beton samozagęszczalny, którego skład dobiera się ze względu na właściwości reologiczne mieszanki, zapewniające jej zdolność do szczelnego wypełnienia formy, otulenia zbrojenia oraz zagęszczenia się pod ciężarem własnym bez potrzeby zagęszczania mechanicznego przy braku segregacji) oraz zasady doboru ich składników opierają się na podobnej koncepcji jak betonu zwykłego. Zwiększenie wytrzymałości i trwałości betonu BWW uzyskuje się poprzez obniżenie jego porowatości. Wymaga to znaczącego zredukowania stosunku wodno-cementowego (w/c) oraz zastosowania dodatków mineralnych, które uszczelniają strukturę zaczynu i zwiększają jej jednorodność. W tym celu najlepiej stosować pył krzemionkowy, dobre efekty można uzyskać, stosując inne dodatki mineralne, np. popiół lotny lub zmielony granulowany żużel wielkopiecowy. Odpowiednią urabialność mieszanki przy obniżonym stosunku w/c uzyskuje się za pomocą domieszek upłynniających.
Spełnienie warunków samozagęszczalności mieszanki wymaga przede wszystkim przyjęcia dużej ilości frakcji pyłowych (<0,125 mm), do których zalicza się cement (c) i dodatki mineralne (d), oraz małego stosunku w/(c + d). Typowe mieszanki BSZ mają stosunek w/(c + d) < 0,35 oraz ilość frakcji pyłowych 500–600 kg/m³. Ponadto należy stosować kruszywo o maksymalnej wielkości ziaren nieprzekraczającej 20 mm i punkcie piaskowym 40–50%. Dodatki mineralne pozwalają na zredukowanie ilości cementu, obniżenie ilości wydzielanego ciepła oraz regulowanie wytrzymałości betonu. Zwykle stosuje się mączki kamienne, popioły lotne, zmielony granulowany żużel wielkopiecowy, a gdy wymagane są duże wytrzymałości – pył krzemionkowy. Płynność mieszanki samozagęszczalnej uzyskuje się przez użycie efektywnych superplastyfikatorów. W celu zwiększenia stabilności mieszanki stosuje się domieszki zwiększające lepkość.

© Dusan Kostic – Fotolia.com

Metody projektowania betonów wysokowartościowych i samozagęszczalnych
Algorytm projektowania składu betonów BWW i BSZ jest analogiczny jak betonów zwykłych. Ze względu na zwiększone wymagania oraz dużą liczbę składników ich projektowanie jest znacznie bardziej skomplikowane. Na przykład w przypadku stosowania dodatków mineralnych nie ma bezpośredniej relacji między wytrzymałością na ściskanie a stosunkiem w/c, gdyż różna ilość bądź rodzaj dodatku przy określonym stosunku w/c może powodować bardzo istotne zmiany wytrzymałości. Czynnikiem znacznie wpływającym na skład betonów nowej generacji jest urabialność mieszanki. Przy doborze składu betonu BSZ uzyskanie odpowiedniej urabialności jest podstawowym warunkiem projektowania. W tym przypadku cechy wytrzymałościowe i trwałościowe są traktowane jako podrzędne, zwłaszcza w przypadku betonów niskich klas. Kształtowanie urabialności stanowi obecnie kluczowy problem technologii betonów nowej generacji.
Zaproponowano wiele sposobów projektowania betonów BWW i BSZ, brak jest jednak jednej powszechnie akceptowanej metody. Zwykle są to metody analityczno-doświadczalne, bazujące na metodzie kolejnych przybliżeń z wykorzystaniem statystycznych metod optymalizacji. W metodach tych projektowanie betonu sprowadza się do następujących etapów:
 

• doboru składu zaczynu ze względu na właściwości reologiczne zaczynu i wytrzymałość betonu;
• doboru kruszywa o odpowiednich ze względu na wytrzymałość właściwościach i założonym, zgodnym z zaleceniami uziarnieniu i ostatecznie
• doboru stopnia wypełnienia jam niezagęszczonego kruszywa zaczynem stosownie do wymaganych właściwości reologicznych mieszanki, co jest szczególne ważne, w przypadku gdy mieszanka ma być samozagęszczalna.

Skład i składniki zaczynu przyjmuje się ze względu na właściwości betonu (stosunek w/c, rodzaj i klasa cementu, rodzaj i ilość dodatków mineralnych), a pożądane jego właściwości uzyskuje się, dobierając ilość superplastyfikatora (oraz ewentualnie domieszki zwiększającej lepkość). Kruszywo powinno zajmować maksymalnie dużą objętość betonu, a jamy kruszywa powinny być wypełnione przez zaczyn cementowy z nadwyżką wynikającą z wymaganej urabialności i stabilności mieszanki. Wiedza w zakresie rozwiązań optymalnych i wpływu poszczególnych składników na właściwości betonu pozwala obecnie na znaczące ograniczenie liczby koniecznych zarobów próbnych.
Podczas projektowania trzeba zwrócić uwagę na reprezentatywność zarobów próbnych i warunków ich wykonania. Należy szczególnie podkreślić, że zaroby próbne muszą być wykonywane w takiej temperaturze, jaką się przewiduje w trakcie wykonywania betonowania. Zmiany temperatury prowadzić mogą bowiem do znaczących zmian zdolności mieszanki do płynięcia. Dobrze zaprojektowana mieszanka BWW lub BSZ powinna tolerować drobne zmiany składu i właściwości składników. Przed rozpoczęciem produkcji betonu BWW lub BSZ pożądane jest wykonanie prób technicznych w celu wypracowania optymalnej procedury mieszania i potwierdzenia, że spełnione są wymagania ze względu na właściwości mieszanki betonowej i stwardniałego betonu.

Technologia wykonania betonów wysokowartościowych i samozagęszczalnych
Technologia wykonania betonów BWW i BSZ opiera się na tych samych zasadach co technologia betonów zwykłych zagęszczanych mechanicznie. Powinna być więc postrzegana jako rozwinięcie tradycyjnej technologii betonu; podstawowe zasady pozostają aktualne, konieczne jest natomiast ich rozszerzenie. Ważne jest, aby na każdym etapie procesu betonowania prowadzony był nadzór technologiczny, a pracownicy zostali przeszkoleni w zakresie specyfiki technologii betonów BWW i BSZ. Dotyczy to zwłaszcza betonów BSZ, są one bowiem wrażliwe na zmiany właściwości składników, składu, procedur i warunków technologicznych.
Stosowanie betonu BSZ wpływa na konstrukcję deskowań. Konieczne jest uwzględnienie zwiększonego parcia bocznego mieszanki betonowej. Wymusza to stosowanie wzmocnionych deskowań, a także zwiększenie liczby podpór i ściągów (stosowania mniejszych elementów deskowań systemowych). Może to również ograniczać wysokość jednorazowo betonowanych elementów konstrukcji. Wykonywanie elementów o nachyleniu większym niż 5% może wymuszać stosowanie zamkniętych form.
Mieszanki BWW i BSZ muszą być produkowane w węzłach wyposażonych w odpowiednio dokładne dozowniki, aparaturę do kontroli wilgotności kruszywa, dozowniki do domieszek oraz efektywne mieszalniki o mieszaniu wymuszonym. Mieszankę BSZ należy układać bez przerw, a miejsca jej podawania powinny być rozmieszczone tak, aby front układanej mieszanki był cały czas w ruchu. Mieszanka powinna uformować postępujący front o małym nachyleniu, otulać pręty zbrojenia bez formowania kieszeni powietrznych, a kruszywo grube powinno pozostawać blisko górnej powierzchni. Należy unikać swobodnego układania mieszanki. Poddanie mieszanki BSZ wibracji prowadzi do wystąpienia bardzo silnej segregacji. Z tego powodu urządzenia wibracyjne nie powinny być używane przy betonowaniu, jak również w pobliżu miejsca betonowania.
Pielęgnacja betonów BWW i BSZ jest analogiczna jak betonów tradycyjnych. Ze względu na niskie w/c, brak wycieku wody oraz dużą ilość zaczynu pielęgnację należy zaczynać bezpośrednio po ułożeniu mieszanki.

Ekonomika a stosowanie betonów nowej generacji
Do najistotniejszych ekonomicznych aspektów stosowania betonów BWW i BSZ należy zaliczyć:
 

• Znacząco większe możliwości w zakresie projektowania architektonicznego i konstrukcyjnego. Zastosowanie betonu BWW i BSZ umożliwia projektowanie konstrukcji o skomplikowanych kształtach, dużej ilości zbrojenia oraz doskonale wykończonej powierzchni, a przy tym smuklejszych i lżejszych niż z betonu tradycyjnego.
• ?Poprawa trwałości betonu BWW i BSZ wynikająca ze specyfiki jego składu pozwala na wydłużenie cyklu użytkowania konstrukcji i zmniejszenie nakładów na jej utrzymanie.
• Koszt materiałów do produkcji betonu. W przypadku BWW jest on wyższy od kosztu materiałów do produkcji betonu zwykłego. W zależności od klasy betonu koszt ten może być do 50% większy, co spowodowane jest koniecznością stosowania zwiększonej ilości cementu, drogiego pyłu krzemionkowego i efektywnych superplastyfikatorów. W przypadku betonu BSZ pewna różnica w koszcie produkcji na korzyść betonu tradycyjnego występuje w przypadku betonów niskich klas. Wraz ze wzrostem klasy różnice w koszcie między betonem BSZ a zagęszczanym mechanicznie zanikają, a nawet w pewnych przypadkach beton BSZ może być tańszy. Fakt ten wynika głównie z zastępowania części cementu i/lub kruszywa tańszymi materiałami, jakim są popioły lotne lub mączki kamienne.
• Przy produkcji i wykonaniu betonu BWW i BSZ konieczne są dodatkowe nakłady na wzmożoną kontrolę właściwości materiałów, właściwości mieszanki betonowej i betonu oraz procesów produkcyjnych w wytwórni betonu i na placu budowy oraz urządzeń w nich stosowanych.
• Produkcja betonu BWW i BSZ wymaga stosowania zaawansowanych technicznie wytwórni, a konieczność wydłużenia cyklu mieszania może zmniejszać wydajność produkcji.
• Ze względu na dużą płynność mieszanki BSZ wywiera ona znacząco większe parcie boczne na deskowania niż mieszanka tradycyjna. Wymusza to stosowanie wzmocnionych deskowań. Ponadto przy układaniu BSZ konieczne jest uszczelnienie deskowań, co prowadzi do dodatkowych nakładów pracy oraz zwiększonego zużycia materiałów dodatkowych.
• Stosowanie BWW i BSZ nie wpływa znacząco na sposób dostarczenia mieszanki na plac budowy, jak i na jej transport. Ze względu na dużą płynność czas układania i zagęszczania betonu BWW i BSZ jest zwykle krótszy niż betonu tradycyjnego. Potencjalnie wysoka jakość wykończenia powierzchni betonu BWW i BSZ znacząco eliminuje konieczność wykonywania kosztownych i pracochłonnych poprawek.
• Wyeliminowanie zagęszczania wibracyjnego w przypadku BSZ powoduje znaczące zmniejszenie liczby robotników wykonujących procesy układania i zagęszczania mieszanki betonowej oraz poprawę warunków pracy i ochrony środowiska.
• Obiektywną analizę ekonomiczną zasadności stosowania BWW i BSZ można jednak przeprowadzić tylko dla konkretnych warunków danej realizacji.

Podsumowanie
W artykule syntetycznie przedstawiono specyfikę technologii betonów BWW i BSZ, a także uwarunkowania techniczno-ekonomiczne ich stosowania. Szczegółowych informacji na temat betonów wysokowartościowych i samozagęszczalnych dostarczają opracowania monograficzne, w tym zwłaszcza:

1. A.M. Neville, Właściwości betonu, Polski Cement, Kraków 2000.
2. L. Kucharska, Beton wysokiej wytrzymałości, „Cement, Wapno, Beton” nr 2/2000.
3. Z. Giergiczny, J. Małolepszy, J. Szwabowski,  J. Śliwiński, Cementy z dodatkami mineralnymi w technologii betonów nowej generacji, Górażdże Cement, Opole 2002.
4. M. Kaszyńska, BWW: możliwości, cechy, zastosowania, XVII Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Ustroń 2002.
5. J. Jasiczak, A. Wadowska, T. Rudnicki, Betony ultrawysokowartościowe. Właściwości Technologie Zastosowanie, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2008.
6. J. Szwabowski, J. Gołaszewski, Technologia betonów samozagęszczalnych, Polski Cement, Kraków 2010.
7. W. Kurdowski, Chemia cementu i betonu, Polski Cement, Kraków 2010.  

dr hab. inż. Jacek Gołaszewski
prof. nadzw. w Pol. Śl.
Politechnika Śląska
Katedra Inżynierii Materiałów
i Procesów Budowlanych