Jak zrobić bardzo mocny beton?
Beton jest jednym z najważniejszych materiałów budowlanych, używanym powszechnie do konstrukcji różnego rodzaju budynków i infrastruktury. Jego popularność wynika z unikalnych właściwości i cech, które pozwalają na tworzenie trwałych i stabilnych obiektów. Bezdyskusyjnie podstawową cechą betonu jest jego wytrzymałość. I to właśnie ta właściwość jest najczęściej brana pod uwagę gdy myśli się o mocnym betonie.
Jak uzyskać beton o wysokiej wytrzymałości?
Jedną z najważniejszych właściwości betonu jest jego wytrzymałość. Beton można charakteryzować na wiele sposobów, jednak najczęściej poddawaną ocenie cechą jest klasa wytrzymałości na ściskanie. Ocenia się ją poprzez badanie próbek pobranych w normowy sposób na budowie i przechowywanych najczęściej przez 28 dni dojrzewania w laboratoryjnych warunkach. Warto wspomnieć, że wyniki mogą się różnić od siebie podczas przygotowywania i przechowywania próbek, zazwyczaj są zaniżone przy nieodpowiednim pobieraniu, dlatego tak istotne jest przestrzeganie procedur normowych.
Warto dodać, że beton jest znacznie bardziej wytrzymały na ściskanie niż na rozciąganie. Dlatego zwykle w konstrukcjach betonowych stosuje się stalowe elementy zbrojeniowe, które pomagają zwiększyć jego wytrzymałość na oba rodzaje naprężeń.
By uzyskać beton zwykły o wysokiej wytrzymałości należy wziąć pod uwagę wiele czynników. Wytrzymałość bowiem zależy między innymi od proporcji, jakości oraz dokładności naważania składników (ilość, rodzaj i klasa wytrzymałości użytego cementu, właściwości użytych kruszyw, rodzaju i ilości domieszek czy dodatków), długości czasu wiązania, czy pielęgnacji betonu po ułożeniu w tym wilgotności i temperatury w czasie dojrzewania betonu.
Istnieje także specjalne określenie na beton o wysokiej wytrzymałości tzw. HSC. Wg starszej wersji normy PN-EN 206 to beton o klasie wyższej niż C50/60. Charakteryzuje się nie tylko wysoką wytrzymałością, ale też małą porowatością i małą przepuszczalnością. Obecnie określa się ten beton przez pryzmat nie tyle wytrzymałości, co trwałości, stąd używa się raczej nazwy beton wysokowartościowy HPC (polski skrót BWW). Do jego wytwarzania stosuje się w/c ( stosunek wody do cementu) w przedziale 0,2-0,4 oraz uszczelnia się mikrostrukturę np. pyłem krzemionkowym. Jeżeli jednak nie zależy nam na betonie wysokowartościowym do specjalnych zastosowań możemy wrócić do rozważania na temat tego, jakie warunki trzeba spełnić, żeby otrzymać mocny beton.
Jaki beton jest bardzo mocny?
Na to pytanie ciężko odpowiedzieć jednoznacznie. W dużym uproszczeniu mocny beton to taki, który nie ulega zniszczeniu w czasie zamierzonego użytkowania. Zdarza się, choć już zdecydowanie rzadziej, że mylnie przykłada się wagę tylko do ilości cementu w mieszance betonowej, zapominając o wspomnianych wcześniej czynnikach decydującymi o trwałości betonu. Pamiętać więc należy o doborze ilościowym i jakościowym składników a także o jego odpowiednim wbudowaniu i pielęgnacji. Ale przede wszystkim o przewidywanym zastosowaniu i uwzględnieniu późniejszego oddziaływania środowiskowego na beton.
Istnieją bowiem procesy fizyczne, chemiczne czy biologiczne, które powodują zniszczenie betonu. Są to między innymi: oddziaływanie mrozu i substancji agresywnych, obciążenia mechaniczne, ścieranie, korozja stali zbrojeniowej, a nawet bakterie.
Rys. 1 Możliwe klasy ekspozycji dla budynku użytkowanego w regionie morskim i poza [3]
Założenia dla mocnego, a więc trwałego betonu określane są w klasach użytkowania tzw. klasach ekspozycji. W pierwszej kolejności należy określić agresywne oddziaływania na beton i przypisać im klasę ekspozycji (patrz rysunek 1), w następnej dobrać surowce ilościowo i jakościowo. Pomocna w tym będzie norma PN-EN 206, która wskazuje wymagania jakie należy uwzględnić projektując składu betonu m.in. minimalną klasę wytrzymałości, maksymalne w/c, minimalną zawartość cementu [kg/m3], minimalną zawartość powietrza [%].
Co się stanie, jeśli do betonu doda się zbyt dużo wody?
Ostatecznie jeżeli bierzemy pod uwagę wytrzymałość mocny beton będzie w największym stopniu zależał od współczynnika w/c i stopnia zagęszczenia. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że im niższe w/c, tym wytrzymałość jest wyższa. Chociaż warto pamiętać, że zagęszczenie nie jest już możliwe, gdy stosunek w/c w betonie jest bardzo niski.
Ważną więc kwestią jest zwartość wody w mieszance betonowej. Konsystencję możemy rozrzedzać tylko i wyłącznie za pomocą domieszek uplastyczniających czy upłynniających (tzw. plastyfikatorów i superplastyfikatorów). Jeżeli bowiem do betonu dodaje się wodę zwiększa się współczynnik w/c w mieszance, a tym samym właściwości betonu ulegają znacznemu pogorszeniu.
Jeśli do betonu doda się zbyt dużo wody trzeba się liczyć z takimi konsekwencjami jak:
- obniżona wytrzymałość na ściskanie, może się zdarzyć nawet tak, że zamierzona klasa betonu nie będzie osiągnięta
- wolniejszy czas wiązania, z niższą wytrzymałością wiąże się również spowolnienie czasu twardnienia betonu i mniejsze przyrosty wytrzymałości w czasie
- segregacja mieszanki, która uniemożliwia ułożenie kruszywa w najbardziej korzystny sposób ze względu na brak możliwości pełnego zagęszczenia rozsegregowanej mieszanki
- odsączanie tzw. bleeding, czyli separacja zaczynu (cementu + wody) od mieszanki mogąca prowadzić do utworzenia spękanej powierzchni
- rysy pojawiające się na betonie w wyniku skurczu plastycznego, gdy wyparowywanie wody z powierzchni jest szybsze niż bleeding
- korozja, gdy odsączana woda uwięziona zostaje pod zbrojeniem lub ziarnami kruszywa grubego pozostawia po sobie pustki zorientowane w tym samym kierunku umożliwiając dostęp mediów (wody, cieczy agresywnych) niszczących zbrojenie i beton.
Wydaje się, że mieszanka z większą ilością wody jest wygodniejsza w układaniu, jednak skutki jakie powoduje dolanie zbyt dużej ilości wody są zbyt poważne, by je ignorować.
Dlaczego beton trzeba polewać wodą?
Kolejnym ważnym aspektem by uzyskać mocny beton jest minimalizacja skurczu betonu, a pominięcie tego zjawiska naraża wykonawcę na wystąpienie szeregu poważnych wad konstrukcji. Skurcz plastyczny to proces, w którym niezwiązany jeszcze beton zmienia swoją objętość w wyniku odparowywania wody zawartej w mieszance betonowej. Zmiany skurczowe mają długi przebieg, pojawiają się zazwyczaj już w pierwszej dobie od chwili wylania mieszanki betonowej, a niektóre ruchy skurczowe mogą trwać nawet kilkanaście lat. Efektem zmian skurczowych mogą być rysy i pęknięcia wynikające ze zmiany objętości betonu. Wiadomym jest, że pęknięcia otwierające powierzchnię prętów zbrojeniowych są bardzo niekorzystne dla trwałości konstrukcji. Dlatego tak ważne jest zapewnienie niskiego stosunku wodno-cementowego jeszcze na etapie projektowania mieszanki betonowej, gdyż zbyt duża ilość wody wpływa na wzrost skurczu. Największy jednak wpływ na to zjawisko ma zmniejszenie wilgotności betonu spowodowane samoistnym suszeniem, zwiększające się przy wyższych temperaturach, podczas wiatru oraz niskiej wilgotności względnej powietrza. Z tego też powodu zaleca się podjęcie pielęgnacji betonu tuż po ułożeniu, a w przypadku dużych powierzchni tak wcześnie jak to możliwe.
Mocny beton jest wynikiem wielu nachodzących na siebie czynników. Dzięki odpowiedniemu doborowi parametrów, właściwemu sposobowi wbudowania i zagęszczania mieszanki betonowej, a także odpowiednim zabiegom pielęgnacyjnym po wylaniu można otrzymać trwały beton spełniające wysokie wymagania wytrzymałościowe i jakościowe.
Literatura
[1] Deja J. Beton. Technologie i metody badań, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków, 2020
[2] Neville A.M. Właściwości Betonu, Polski Cement Sp. z o.o., Kraków, 2020
[3] Bundyra-Oracz G., Siemaszko-Lotkowska D. Trwałość betonu w warunkach agresji chemicznej klasa ekspozycji XC według PN-EN 206-1 Instytut Materiałów Budowlanych i Technologii Betonu Sp. z o.o.
