Technologie Materiałów BudowlanychWykład 5

Beton zwykły i wysokowartościowy

Korozja chlorkowa

Typowe środowiska, w których beton jest narażony na oddziaływanie soli chlorkowych to wody morskie, zasolony wody gruntowe, solanki, kopalnie i niektóre obiekty przemysłowe

Do soli, z którymi najczęściej kontakt ma beton to NaCl, MgCl2, CaCl2, KCl

Agresywność soli chlorkowych: MgCl2 > CaCl2 > NaCl > KClCa(OH)2 + MgCl2 CaCl2 + żel Mg(OH)2

Powstający Mg(OH)2 w postaci żelu (nie mającego właściwości wiążących) odbiera z zaczynu aniony hydroksylowe – rozpuszczalność CaCl2 wynosi 680 000 mg/dm3 a Ca(OH)2 tylko 1230 mg/dm3

Korozja stali zbrojeniowej w betonie

BETON STAL

Obszarkatodowy

e

Obszaranodowy

eObszar katodowy

BETON

Fe(OH)2

H2O

O2

Cl-

OH-

warstwa pasywująca

Fe3O4 Fe3O4

Fe2+

Korozja stali zbrojeniowej w betonie

Proces anodowy: 2Fe 2Fe2+ + 4e4Fe2+ 4Fe3+ + 4e

Proces katodowy: 2H2O + O2 + 4e 4OH-

z kationów Fe2+ i anionów OH- powstaje Fe(OH)2

2Fe2+ + 4OH- 2Fe(OH)2

a w dalszej kolejności Fe(OH)3

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3

Mieszanina wodorotlenków tworzy rdzę, która gromadzi się na zbrojeniu, objętość rdzy może być 4x większa od żelaza stąd na powierzchni elementu betonowego pojawiają się rysy wzdłuż skorodowanych prętów zbrojenia, lub otulina może odpaść

Oddziaływanie mrozu na beton

Podczas przemiany w fazę stałą woda zwiększa objętość o 9%

Beton nasycony woda ulega zniszczeniu podczas mrozu, jednak tylko przy wielokrotnym cyklicznym zamrażaniu/odmrażaniu

Stopniowej destrukcji ulega tylko ta część betonu, którego stopień nasycenia jest większy niż 90%

Po kolejnych cyklach zamrażania/ odmrażania wzrasta nasiąkliwość, nasycenie wodą i propagacja rys w betonie

Beton nasycony wodą po zamrożeniu ulega pęcznieniu

Oddziaływanie mrozu na beton

Przyczyną pęcznienia betonu są dwa źródła: Ciśnienie hydrauliczne (wynikające ze wzrostu objętości

zamarzającej wody) Ciśnienie osmotyczne, które wywołuje dyfuzję wody i

jonów (roztworu porowego), prowadzącą do powstawania bardzo małych bryłek (soczewek) lodu

Reakcja alkalia-kruszywo

W warstwie kontaktowej względna zawartość wodorotlenków sodu i potasu jest największa. Dodatkowo w obszarze tym jest duża zawartość Ca(OH)2, koniecznego do wystąpienia reakcji alkalia-krzemionka

W betonie mogą wystąpić trzy formy reakcji alkalia-kruszywo: alkalia-krzemionka alkalia-węglany alkalia-krzemiany

Reakcja alkalia-krzemionka

Reaktywna krzemionka występuje w kilku odmianach krystalicznych (kwarc, chalcedon, opal, trydymit, krystobalit) oraz jako krzemionka bezpostaciowa

Głównym produktem reakcji alkalia-krzemionka jest żel uwodnionego krzemianu sodu lub potasu, mający zdolność do pęcznienia pod wpływem wchłaniania wody

Wzrost objętości żelu wywołuje ekspansję ziaren kruszywa i ich pękanie, rysowanie warstwy kontaktowej, pęcznienie betonu, a w konsekwencji tworzenie głębokich rys o rozwarciu do kilku milimetrów

Reakcja alkalia-węglany

Druga grupą skał mogących ulegać szkodliwej reakcji z alkaliami są zdolomityzowane wapienie

Proces niszczenia związany z ekspansją ziaren kruszyw, a następnie całego betonu wiąże się z reakcją rozpuszczonych w zaczynie alkaliów i kruszywa

CaMg(CO3)2 + (Na, K)OH Mg(OH)2 + CaCO3 + (Na, K)2CO3

Powstające produkty – kalcyt i wodorotlenek magnezu w postaci koloidalnej lub krystalicznej – nie wiążą kationów sodu i potasu, które pozostają w roztworze porowym i reagują ponownie z dolomitem – proces dedolomityzacji może naruszyć strukturę zbitego kalcytu i dolomitu

Reakcja alkalia-kruszywa

Najbardziej podatne na ekspansję alkaliczną z grupy skał węglanowych są wapienie dolomityczne i dolomity wapienne, a więc o zbliżonej zawartości kalcytu i dolomitu oraz o strukturze drobnoziarnistej z minerałami ilastymi w ilości >2%

Większa powierzchnia właściwa kryształów dolomitu ułatwia reakcję dedolomityzacji bardzo szybko zachodzi reakcja kryształów mniejszych od 2m

Reaktywność skały węglanowej może być również związana z obecnością w niej aktywnej krzemionki. Stopień reaktywności zależy od postaci krzemionki, np. obecność opalu w ilości 2% może spowodować nieprzydatność skały do produkcji kruszywa do betonów

Zabezpieczanie betonu przed reakcją alkalia-kruszywa

Stosowanie cementów o niskiej zawartości alkaliów, tj. takich aby zawartość alkaliów w cemencie w przeliczeniu na ekwiwalent sodowy (Na2Oe = Na2O + 0,658 K2O) była mniejsza niż 0,6%

Wymaganie to może być nie wystarczające przy stosowaniu dużej ilości cementu do betonu (należy wtedy brać pod uwagę całą ilość alkaliów, jaka znajduje się w 1m3 betonu)

Zawartość alkaliów (Na2Oe) w betonie mniejsza niż 1,8 kg/m3

uznawana jest za bezpieczną Zawartość alkaliów (Na2Oe) w betonie większa niż 3,0 kg/m3

jest zdecydowanie szkodliwa przy stosowaniu kruszyw reagujących z (Na, K)OH

Beton wysokowartościowy (BWW)

Kompozyt cementowy z kruszyw wysokiej klasy o optymalnym składzie ziarnowym, którego stosunek wody do cementu (w/c) jest mniejszy niż 0,38, a mieszanka betonowa zachowuje konsystencję ciekłą lub półciekłą przez nie mniej niż ok. 1 godz.

Beton wysokowartościowy (BWW) -właściwości

Bardzo wysoka wytrzymałość na ściskanie betony bardzo wysokowartościowe (BBWW), gdy fc > 100 MPa betony ultrawysokowartościowe (BUWW), gdy fc > 150 MPa

Doskonała trwałość (wynika z małej przepuszczalności)

Beton wysokowartościowy (BWW)

do BUWW zaliczane są także betony zbrojone włóknami stalowymi,

polipropylenowymi lub węglowymi (dobrze przenoszą naprężenia rozciągające i w ten sposób zmniejszają kruchość matrycy)

betony z proszkiem reaktywnym (nie zawierają kruszywa grubego), wytrzymałość na sciskanie może przekraczać 200MPa

Domieszki do BWW

Plastyfikatory (PL) Superplastyfikatory (SP) Dzięki domieszkom zachodzi dyspersja ziaren cementu,

uwalniając częściowo wodę, co jest równoznaczne ze zwiększeniem płynności

Bardziej homogeniczny układ ziaren cementu stwarza możliwość jednolitego przebiegu hydratacji cementu przy niskim W/C oraz zastosowania dodatków o bardzo dużej powierzchni właściwej

BWW zalety

Dobre właściwości mechaniczne Wysoka trwałość, np. na agresję chemiczną, działanie

mrozu, ścieranie Dobre właściwości reologiczne, takie jak konsystencja,

małe pełzanie i kurcz Korzyści ekonomiczne i ekologiczne

Reologia

Reologia (od gr. rhéos płynący) – dział mechaniki ośrodków ciągłych zajmujący się plastycznymi deformacjami (odkształceniami) oraz płynięciem materiałów

Termin reologia został zaproponowany przez Eugene'a Binghama w 1920 r. pod wpływem sugestii Markusa Reinera, zainspirowanej przez słynne stwierdzenie Heraklita "panta rhei", czyli "wszystko płynie"

Zastosowanie BWW

Budynki wysokie Słupy, których nośność poprawiona a przekrój może być

zmniejszony nawet o ponad 60%, szczególnie przy gęstym zbrojeniu poprzecznym

Trzony przenoszące główne obciążenia ściskające, w których jako w centralnej części budynków sytuuje się szyby windowe i klatki schodowe

Stropy płytowo-słupowe, o siatce nawet ponad 10x10m Fundamenty bezpośrednie i pośrednie

Mosty i wiaduktyNawierzchnie drogowe i lotniskowe

Beton specjalny

Jest odpowiednikiem betonu zwykłego, ale jednak o wymaganych specjalnych właściwościach gwarantujących korzystniejszą użytkową trwałość budowli

Specjalne właściwości betonu można osiągnąć poprzez optymalny ilościowo-jakościowy dobór składników C, W, K, Dod, Dom; oraz poprzez dokonywanie na najwyższym poziomie czynności technologicznych (dozowanie, mieszanie, transport poziomy i pionowy, zagęszczanie, dojrzewanie, pielęgnacja)

W niektórych przypadkach istnieje konieczność zastosowania nietypowych składników (spoiwa, dodatku)

Beton specjalny

Beton hydrotechniczny Beton do nawierzchni sztywnych Beton mostowy Beton ekspansywny Beton odporny na podwyższoną temperaturę

Beton hydrotechniczny

Przeznaczony do obiektów budownictwa wodnego, które pozostają w ciągłym lub okresowym kontakcie z wodą i zmiennymi warunkami pogodowymi

Jest zagrożony oddziaływaniem roślin wodnych, związków chemicznie agresywnych, ścieraniem przez piasek i okruchy skalne niesione przez wodę oraz płynące kry

Typowe konstrukcje to: nabrzeża, pomosty, falochrony, wieże i platformy wiertnicze, śluzy, zapory, zbiorniki na wodę lub ścieki

Beton hydrotechniczny

Bardzo duże przekroje poprzeczne występujące w konstrukcjach wodnych (b > 150 cm), w większości monolitycznych lub zespolonych (np,. prefabrykowane skrzynie, kręgi, płyty) wymagają stosowania cementów o małym cieple twardnienia i w możliwie najmniejszej ilości

Akumulowane ciepło w betonie podczas reakcji cementu z wodą podnosi

temperaturę i w ten sposób coraz bardziej przyspiesza reakcję cementu z wodą

Nadmierny przyrost temperatury (występujący głównie w części środkowej przekroju) wprowadza naprężenie wewnętrzne, których wartość tym wyższa im i większy i szybszy przyrost temperatury i im

większa jest różnica temperatur w przekroju elementu

Beton hydrotechniczny Warunek małego ciepła twardnienia cementu i wysokiej

trwałości betonu ogranicza wybór cementu do: portlandzkiego belitowego, o małej powierzchni właściwej, zawierającego

< 50% C3S i < 3% C3A cementu hutniczego CEM III/B cementu pucolanowego CEM IV/B cementu wieloskładnikowego CCEM V/B

Stosowanie dodatku upłynniaczy oraz domieszek napowietrzających (poprawia mrozoodporność)

Stosowanie kruszywa o max średnicy ziaren 63 mm W warstwie wewnętrznej dopuszczalne jest stosowanie

kruszywa o d~120 mm, a także układanie kamieni (d~300 mm) –układanie ręczne, tak żeby nie pozostawały ze sobą w bezpośrednim kontakcie

Beton do nawierzchni sztywnych

Przeznaczony do nawierzchni drogowych, lotniskowych, przemysłowych

Musi spełniać szczegółowe wymagania dotyczące trwałości, właściwości mechanicznych oraz odporności na ścieranie

Nawierzchnie drogowe i lotniskowe narażone są na działanie zmiennych czynników atmosferycznych (ogrzewanie przez promieniowanie słoneczne, ochładzanie, nasycanie wodą, wysychanie, zamarzanie/ odmarzanie, oddziaływanie soli chlorkowych stosowanych zimą), wysoką temperaturę z dysz silników (do 200°C), zmienny nacisk kół

Beton odporny na podwyższoną temperaturę

Wartość temperatury w zakresie 20-2000°C w obiektach eksploatowanych klasyfikuje beton jako:

Beton w czasie pożaru Beton żaroodporny i ogniotrwały

Beton odporny na podwyższoną temperaturę

Łączenie kruszywa ceramicznego zaczynem cementowym (beton średniej ogniotrwałości)

Łączenie kruszywa ogniotrwałego, w dwóch etapach przy stosowaniu małej ilości zaczynu cementowego, a później dodatkowo przez spojenie ceramiczne ziaren kruszywa podczas wypalania

Materiały budowlane a Ochrona Środowiska??

Self-cleaning concrete

Future city

Powierzchnie samoczyszczącePotencjalne zastosowania

Biurowce/drapacze chmur (aluminiowe panele) Hotele, centra konferencyjne, wieże, centra

handlowe, dworce kolejowe, pociągi Okna szklane (mogą tracić na przejrzystości!!) Panele z tworzyw sztucznych

Powierzchnie samoczyszcząceZALETY

Redukcja kosztów oraz trudności utrzymania w czystości

Automatyczne usuwanie/destrukcja zanieczyszczeń w atmosferze pochodzących ze spalin samochodowych – i tym samym lepsza jakość powietrza w aglomeracjach miejskich

Technologia przyjazna środowisku

Mechanizm fotokatalizy heterogenicznej

Potencjał utleniający rodników hydroksylowych – 2,74 V

rodniki OH

Tkaniny namiotowe impregnowane TiO2