Czasopisma fachowe przemysłu betonowego

Pomimo swoich pozytywnych właściwości materiałowych (mały ciężar własny, dobre właściwości fizyczne itp.), beton lekki jest rzadko stosowany w technologii monolitycznej w budownictwie [1]. Jedną z przyczyn są trudniejsze warunki układania i zagęszczania w porównaniu z betonem zwykłym. Niemal niezależnie od wybranej metody i poziomu doświadczenia wykonawców, częstą konsekwencją są wady optyczne. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu może być zastosowanie betonu lekkiego o właściwościach samozagęszczalnych (tutaj: SVLB), który łączy w sobie zalety konstrukcyjnego betonu lekkiego (LB) i betonu samozagęszczalnego (SVB). Warunkiem koniecznym jest przy tym niezawodna możliwość produkcji, a tym samym niezawodna metodologia opracowania takiego betonu. Dla zwykłego betonu samozagęszczalnego bardzo przydatna okazała się metoda Okamury [2] [3]. W związku z tym, w ramach przykładowego opracowania trzech różnych receptur betonu lekkiego o gęstości pomiędzy 1 060 kg/m3 a 1 650 kg/m3, sprawdzono możliwość zastosowania tej metody w szczegól- nych warunkach brzegowych występujących w tym przypadku (odwrócony współczynnik gęstości i wysokie zapotrzebowa- nie na wodę kruszywa lekkiego w porównaniu z kruszywem normalnym). Wynikiem badań są konkretne propozycje do- tyczące projektowania samozagęszczalnego betonu lekkiego metodą Okamury. Podstawą metodologii opracowywania mieszanki samozagęszczalnego betonu lekkiego, zastosowanej w opisanym badaniu eksperymentalnym, jest koncepcja projektowania betonu samozagęszczalnego opracowana przez Okamurę [4]. Jeśli chodzi o warunki początkowe, istnieją jednak znaczne różnice w opracowywaniu samozagęszczalnego betonu lekkiego ze względu na zastosowanie kruszywa lekkiego (LGK). W związku z porowatą strukturą ma ono znacznie większe zapotrzebowanie na wodę w porównaniu z kruszywem normalnym (GK) [5]. Ponadto, ze względu na niską gęstość ziaren kruszywa lekkiego, zależność między gęstością zaczynu spoiwowego (BM) a gęstością ziaren kruszywa jest odwrotna niż w przypadku betonu samozagęszczalnego. Powszechnie wiadomo, że w przypadku betonu samozagęszczalnego istnieje między innymi ryzyko przemieszczania się ziaren kruszywa w dół względem zaczynu. Aby temu zapobiec, zazwyczaj poszukuje się równowagi między siłą grawitacji działającą na kruszywo a siłami trzymającymi zaczynu [3]. W przypadku samozagęszczalnego betonu lekkiego należy założyć tendencję do odwrotnego kierunku przemieszczania się kruszywa w zaczynie, tj. do unoszenia się. Z drugiej strony, wspomniana na początku specjalna struktura kruszywa lekkiego może zapewnić ogólnie większą stabilność samozagęszczalnego betonu lekkiego, ponieważ można założyć, że zapewnia ona lepszą przyczepność kruszywa lekkiego do zaczynu, a tym samym przeciwdziała wspomnianym wyżej ruchom względnym. Skład konwencjonalnego betonu lekkiego różni się od składu betonu zwykłego, zwłaszcza pod względem całkowitej zawartości wody. Lekkie, porowate, suche kruszywo wykazuje – w zależności od typu, warunków brzegowych i metodyki oznaczania – niekiedy nawet dziesięciokrotnie większą wodożądność niż kruszywo zwykłe [5]. Oprócz tak zwanej wody efektywnej, która jest niezbędna do hydratacji beton lekki wymaga zatem określonej ilości wody do nasycenia kruszywa. Tak samo jak w typowej recepturze mieszanki betonu samozagęszczalnego, skład betonu lekkiego jest również obliczany objętościowo. Na rys. 1 pokazano, jaką objętość betonu powinny zajmować poszczególne składniki według Okamury. 50% objętości materiału stałego powinno być wypełnione luźno sypanym kruszywem grubym. Pozostałą objętość betonu tworzy zaprawa, która z kolei składa się w 60% ze spoiwa (cement, woda, wypełniacz, dodatki) i w 40% z kruszywa drobnego (0,125 mm < d < 4 mm) [4]. Materiały i metody Wyróżnia się trzy rodzaje betonu samozagęszczalnego. Na podstawie materiałów wyjściowych rozróżnia się typ drobnoziarnisty, typ stabilizowany i typ mieszany. W przypadku typu drobnoziarnistego duża zawartość frakcji drobnych (d ≤ 0,125 mm) ma na celu przytrzymanie kruszywa przez siły międzycząsteczkowe oraz na skutek zwiększonej lepkości spoiwa. W przypadku betonu samozagęszczalnego typu stabilizowanego, dodatek stabilizatora zwiększa lepkość, co korzystnie wpływa na tendencję do wykwitów i sedymentacji. W typie mieszanym nieznacznie zwiększoną ilość frakcji drobnych łączy się z dodatkiem stabilizatora [6]. W ramach tego badania wyprodukowano betony typu drobnoziarnistego w celu obserwacji wartości ekstremalnych, ale przeprowadzono również badania na dostosowanych recepturach ze stabilizatorem i zwiększoną zawartością frakcji drobnych w zaprawach (typ mieszany). Procedura zastosowana w badaniu została przedstawiona na rys. 2. Nie różni się ona zasadniczo od metodologii znanej z betonu samozagęszczalnego. Ze względu na opisane wcześniej specjalne warunki brzegowe występujące w samozagęszczalnym betonie lekkim, konieczne było raczej wprowadzenie licznych korekt w każdym z przedstawionych etapów. Pierwszym krokiem było przyjęcie dla kruszywa lekkiego określonych założeń dotyczących rozkładu wielkości ziaren i typu/rodzaju ziaren. Ponadto dla każdej grupy ziaren kruszywa lekkiego określono parametry gęstości i wodożądności, a dla ziaren o minimalnej średnicy (d) większej niż 4 mm także gęstość nasypową. W oparciu o powyższe założenia, w ramach tzw. badań spoiwa, określono minimalną wodożądność dla poszczególnych proporcji frakcji drobnych. Na podstawie otrzymanych wyników oraz wyznaczonych parametrów kruszywa wyprodukowano zaprawy, które zbadano pod kątem ich właściwości. Na podstawie wiedzy zdobytej podczas badań zapraw wyprodukowano potem różne betony. Każdy beton badano pod kątem jego zdolności do płynięcia, odpowietrzania, zagęszczania i odporności na segregację. Punkt przecięcia tej prostej z osią Y odpowiada wartości βp. Alternatywnie można obliczyć nachylenie opisanej prostej i wyliczyć punkt przecięcia z osią Y z równania prostej. Aby określić wartość βp (stosunek Vw/Vp, przy którym ilość wody dokładnie odpowiada wodożądności), co najmniej trzy z wyznaczonych wartości rozpływów względnych muszą mieścić się w przedziale od 1,0 do 5,0 (= wartości reprezentatywne) [4] (rys. 3). Kruszywo Dla zastosowanych kruszyw określono takie parametry jak gęstość właściwa, wodożądność i gęstość nasypowa. Do ich określenia zastosowano różne metody. Gęstość właściwą ziaren określono zgodnie z normą DIN EN 1097-6 [8] metodą piknometryczną. W tej metodzie gęstość właściwą ziaren określa się na podstawie ilości wypartej wody. Dla kruszywa lekkiego, które ze względu na gęstość < 1,0 kg/dm3 unosi się na wodzie, zastosowano zmodyfikowaną metodę. Używając zaparzacza do kawy typu french press, można było za pomocą sitka zapobiec unoszeniu się ziaren kruszywa. Wodożądność kruszywa lekkiego o d > 1 mm określono zgodnie z normą DIN 1097-6 na ziarnach nasączanych wodą przez 24 godziny, ale suchych na powierzchni. Wodożądność frakcji o średnicy < 1 mm określono metodą filtra ssącego zgodnie z procedurą opisaną w biuletynie technicznym WIN [9]. Filtr zostaje przy tym połączony szczelnie z butelką ssącą podłączoną do pompy. Do filtra wkłada się bibułę filtracyjną nasączoną wodą. Następnie odważa się próbkę suchego kruszywa drobnego i nasyca się ją wodą w filtrze. Próbka pozostaje za- kryta wodą przez dwie minuty, następnie woda jest odciągana przez pięć minut. Wodożądność kruszywa można określić poprzez zważenie próbki suchej i nasyconej wodą. Gęstość nasypową określono zgodnie z normą DIN EN 1097-3. [10]. Zaprawa Dysponując znanymi parametrami dotyczącymi kruszywa i wodożądności frakcji drobnych (wartości βp), można było wyprodukować zaprawy w oparciu o wyniki badań Okamury i zbadać ich właściwości. Na rys. 4 przedstawiono schematycznie proces powstawania zaprawy o odpowiedniej zdolności płynięcia i stabilności. W tym celu najpierw oszacowano ilość dodawanego superplastyfikatora (FM) dla wybranego składu zaprawy. Następ- nie badano rozpływ i czas wypływu z lejka. Według Kordtsa [11] wyniki powinny być zgodne z wartościami granicznymi dla rozpływu (SF) i czasu wypływu (T). Według Kordtsa [11] optymalne wartości dla rozpływu wynoszą 245 mm, a dla czasu wypływu – 10 s. Jeśli uzyskane wartości nie mieszczą się w podanych zakresach docelowych, należy odpowiednio dostosować dawkę superplastyfikatora i powtórzyć badania. W tym kontekście szczególnie przydatne okazało się dodatkowe badanie struktury zaprawy na przeciętych pośrodku stwardniałych próbkach cylindrycznych (d = 100 mm) (rys. 8). W niektórych próbkach widoczna była segregacja (unoszenie się) kruszywa lekkiego. W tych przypadkach dokonano optymalizacji poprzez dodanie stabilizatora. Ponieważ domieszka stabilizująca ma również wpływ na zdolność płynięcia, na- leżało ponownie zbadać rozpływ i czas wypływu. Na rys. 9 wyraźnie widać wpływ stabilizatora. Beton Zgodnie z podejściem Okamury przyjęto założenie, że kruszywo grube zajmuje 50% objętości materiału stałego (por. rys. 1). Aby obliczyć ilość naważanego kruszywa, należy również wziąć pod uwagę zawartość powietrza. Przyjęto tutaj pewne wartości, którą następnie porównano z wartościami wyznaczonymi doświadczalnie. Na rys. 5 przedstawiono proces opracowywania betonu o odpowiedniej zdolności płynięcia i stabilności. Superplastyfikator dodawano w ilości określonej jako niezbędna przy wcześniejszej produkcji zaprawy. Przeprowadzono badania mieszanki betonowej w celu oceny jej zdolności płynięcia, podatności na blokowanie i zdolności do samopoziomowania się oraz, jak wspomniano, określono zawartość powietrza. Właściwości reologiczne betonu określono za pomocą rozpływu i T500 (DIN EN 12350-8 ) oraz czasu wypływu z lejka Tv (DIN EN 12350-9 [13]), podatność na blokowanie PJ i zdolność płynięcia PL mieszanki betonowej zbadano za pomocą pierścienia blokującego (DIN EN 12350-12 [14]) i L-box (DIN EN 12350-10 [15]). W ramach tych badań przeprowadzono również wizualną ocenę segregacji za prętami blokującymi. W oparciu o wymienione normy DIN oraz wytyczne DAfStb dotyczące betonu samozagęszczalnego, wyniki wymienionych badań można przyporządkować do klas betonu samozagęszczalnego. Jeśli przypisanie do takiej klasy nie jest możliwe, można dokonać korekty dozując superplastyfikator zgodnie z wymienionymi wcześniej zasadami.[12] Zawartość porów powietrznych określono zgodnie z normą DIN EN 12350-7 [16]. Należy przy tym zaznaczyć, że w metodzie ciśnienia wyrównawczego, kruszywo lekkie, które nie jest całkowicie nasycone wodą, wpływa na wynik badania zawartości powietrza. Dlatego dla betonu lekkiego często zaleca się metodę alternatywną wg ASTM C 173 [17]. Analogicznie do oceny stabilności zaprawy, oceniono wizualnie stabilność struktury betonu, oglądając przekroje uzyskane poprzez przecięcie stwardniałych próbek cylindrycznych. Na stwardniałych próbkach zbadano też gęstość betonu po wysuszeniu (DIN EN 12390-7 [18]), wytrzymałość betonu (DIN EN 12390-3 [19]) i moduł sprężystości (DIN EN 12390-13 [20]). W ramach badań udało się opracować trzy receptury betonu; najlżejsza z nich została przedstawiona szczegółowo. Spoiwo składało się z cementu, popiołu lotnego i mączki wapiennej. Jako drobne- i grube kruszywo o wielkości ziaren do 8 mm wybrano granulowane szkło piankowe. Dokładnie naważone ilości w zależności od ustalonej gęstości właściwej ziaren przedstawiono w tab. 1. Wyniki Gęstość mieszanki betonowej dla wszystkich betonów mieści się w zakresie od 1 060 kg/m3 do 1 650 kg/m3. Poszczególne wyniki i zmierzone wartości dla mieszanki SVLB 1 zestawiono w tab. 2. Na rysunkach 6 i 7 pokazano przecięte pośrodku stwardniałe próbki cylindryczne, na których wizualnie oceniono stabilność mikrostruktury betonu. Zarówno bardzo lekkie szkło piankowe w SVLB 1, jak i nieco cięższe kruszywo keramzytowe w SVLB 2 (ρ8/16 = 1,5 kg/dm3) jest równomiernie rozmieszczone na całym przekroju. Nie widać ani unoszenia się, ani opadania ziaren kruszywa. W wybranych recepturach dodatek stabilizatora nie był więc konieczny. Jak widać na rys. 8, tendencja do segregacji była wyraźniejsza na etapie badań zaprawy. Konieczne było dostosowanie dawki superplastyfikatora, ale już przy niewielkiej ilości stabilizatora (0,2% CEM) uwidoczniła się stabilna mikrostruktura z równomiernym rozmieszczeniem kruszywa (rys. 9). Podsumowanie W świetle przedstawionych wyników można stwierdzić, że możliwe jest wytworzenie samozagęszczalnego betonu lek- kiego z zastosowaniem przedstawionej metodyki, nawet przy użyciu różnych materiałów początkowych i parametrów wejściowych. W ramach przedstawionej tu metodyki wyprodukowano trzy betony. Wszystkie otrzymane wyniki można było przy- porządkować do klas betonu samozagęszczalnego zgodnie z odpowiednią normą; gęstość mieszanek betonowych była mniejsza niż 2 000 kg/m3, mieszanki nie uległy segregacji. Wytrzymałość betonów po 28 dniach wynosiła od 20 N/mm2 do 30 N/mm2, więc z pewnością można je stosować w budownictwie wysokim. Receptury mieszanki betonu samozagęszczalnego i samozagęszczalnego betonu lekkiego różnią się ze względu na wodożądność kruszywa lekkiego oraz dużą różnicę gęstości kruszywa lekkiego w stosunku do kruszywa zwykłego. Szczególnie ważna okazała się bardzo dokładna charakterystyka materiałów początkowych pod względem wodożądności, gęstości właściwej ziaren i gęstości nasypowej kruszywa. Wodożądność ogrywa szczególną rolę w samozagęszczalnym betonie lekkim, zarówno jeśli chodzi o materiał drobnoziarnisty jak i kruszywo lekkie. Dla uzyskania stabilnej mieszanki betonowej kluczowe znaczenie ma prawidłowe dozowanie wody, tak aby kruszywo lekkie było nasycone wodą, a powierzchnia spoiwa pokryta wodą. Jeżeli kruszywo lekkie nie jest w stanie wchłonąć nadmiaru dostarczonej wody, należy liczyć się z segregacją mieszanki i wyciekaniem zaczynu; jeżeli wodożądność kruszywa lekkiego jest niedoszacowana, mieszanka betonowa staje się zbyt sztywna, a w najgorszym przypadku cement nie ulega całkowitej hydratacji. Po określeniu wymaganej ilości wody, wymaganą zdolność płynięcia można regulować jedynie przez dodanie superplastyfikatora. Badaniami mieszanki betonowej można ocenić samozagęszczalny beton lekki, podobnie jak zwykły beton samozagęszczalny, pod względem jego zdolności płynięcia, podatności na blokowanie, zdolności do samopoziomowania się i odporności na segregację. Do oceny stabilności mikrostruktury stwardniałego betonu bardzo przydatna i łatwa w przeprowadzeniu okazała się wizualna ocena przekrojów. Chociaż nie jest to badanie mieszanki betonowej w klasycznym rozumieniu, to na wyniki wystarczyło poczekać tylko do następnego dnia, więc można je traktować jak badanie wstępne. Specyfika relacji między gęstością kruszywa lekkiego a gęstością spoiwa przejawia się w następujący sposób. Ze względu na mniejszy ciężar ziaren kruszywa, mniejsza jest również siła tarcia potrzebna do jego przytrzymania. Ponieważ siła tarcia zależy w znacznym stopniu od granicy plastyczności (im wyższa granica plastyczności, tym większa siła tarcia), w tym szczególnym przypadku (zastosowanie kruszywa lekkiego) granicę plastyczności można ustawić stosunkowo nisko. Na wielkość siły tarcia, gdy cząstka się porusza, dodatkowo wpływa lepkość. Również w tym przypadku im większa lepkość, tym większa siła tarcia. Stabilizator zastosowany w zaprawie zwiększył jej lepkość, dzięki czemu uzyskano równowagę sił pomiędzy ciężarem i siłą wyporu a siłą tarcia trzymającego. W przeprowadzonych badaniach unoszenie się kruszywa zaobserwowano w niektórych zaprawach, natomiast nie było ono widoczne w żadnym z wyprodukowanych betonów. Charakteryzowały się one stabilną strukturą bez użycia stabilizatorów i nie zaobserwowano ani unoszenia się, ani opadania ziaren kruszywa lekkiego. Jednym z wyjaśnień tego zjawiska może być wysoka nasiąkliwość kruszywa grubego. Absorpcja wody z mieszanki, podobnie jak stabilizator, zwiększa jej lepkość, co z kolei zwiększa siłę tarcia i zapewnia równowagę sił. Przy równowadze sił nie dochodzi do segregacji kruszywa. Wyniki badań mogą posłużyć jako podstawa do opracowania takich betonów, a tym samym rozwiązać wspomniany na początku problem układania i zagęszczania betonu lekkiego ze względu na jego właściwości samozagęszczalne, przy jednoczesnym zachowaniu zalety, jaką jest mały ciężar własny. Bibliografia [1] Statisches Bundesamt, „Baugenehmigungen von Wohn- und Nichtwohngebäuden nach überwiegend verwendetem Baustoff,“ 2020. [2] K. Ozawa, K. Maekawa und H. Okamura, „Development of High Performance Concrete,“ Japan, 1992. [3] D. Lowke, „Sedimentationsverhalten und Robustheit Selbstverdichtender Betone,“ München, 2013. [4] D.-I. A. Huß, Mischungsentwurf und Fließeigenschaften von Selbstverdichtendem Beton (SVB) vom Mehlkorntyp unter Berücksichtigung der granulometrischen Eigenschaften der Gesteinskörnung, Stuttgart, 2010. [5] E. Koenders, K. Weise und O. Vogt, Werkstoffe im Bauwesen, Darmstadt: Springer Vieweg, 2020. [6] H. Höveling, Robustheit von Selbstverdichtendem Beton (SVB), Hannover, 2006. [7] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb), „Selbstverdichtender Beton (SVB-Richtlinie),“ 2012. [8] DIN EN 1097-6:2020-09 Prüfverfahren für mechanische und physikalische Eigenschaften von Gesteinskörnung - Teil 6: Bestimmung der Rohdichte und der Wasseraufnahme, Beuth. [9] WIN; Wirtschaftsverband Mineralischer Nebenprodukte e.V., Merkblatt: BVK-Prüfverfahren für Leichtzuschläge. [10] DIN EN 1097-3:1998-06 Prüfverfahren für mechanische und physikalische Eigenschaften von Gesteinskörnung - Teil 3: Bestimmung von Schüttdichte und Hohlraumgehalt, Beuth. [11] S. Kordts, Herstellung und Streuung der Verarbeitbarkeitseigenschaften selbstverdichtender Betone, Berlin, 2005. [12] DIN EN 12350-8:2019-09 Prüfung von Frischbeton - Teil 8: Selbstverdichtender Beton - Setzfließversuch, Beuth. [13] DIN EN 12350-9:2010-12 Prüfung von Frischbeton - Teil 9: Selbstverdichtender Beton - Auslauftrichterversuch, Beuth. [14] DIN EN 12350-12:2010-12 Prüfung von Frischbeton - Teil 12: Selbstverdichtender Beton - Blockierring-Versuch, Beuth. [15] DIN EN 12350-10:2010-12 Prüfung von Frischbeton - Teil 10: Selbstverdichtender Beton - L-Kasten Versuch, Beuth. [16] DIN EN 12350-7:2019-09 Prüfung von Frischbeton - Teil 7: Luftgehalte - Druckverfahren, Beuth. [17] DIN EN 206:2021-06 Beton - Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität, Beuth . [18] DIN EN 12390-7:2021-01 Prüfung von Festbeton - Teil 7: Rohdichte von Festbeton, Beuth. [19] DIN EN 12390-3:2019-10 Prüfung von Festbeton - Teil 3: Druckfestigkeit von Probekörpern, Beuth. [20] DIN EN 12390-13:2014-06 Prüfung von Festbeton - Teil 13: Bestimmung des Elastizitätsmoduls unter Druckbelastung (Sekantenmodul), Beuth.