BETON - CHARAKTERYSTYKA

lekki

do 1800(2200)kg/m3


bezkruszywowy kruszywowy

Produkuje się wiele gatunków i odmian betonów lekkich. W zależności od technologii produkcji można wyróżnić: betony komórkowe (gazobeton, pianobeton); betony lekkie kruszywowe jamisty, półzwarty, zwarły). Cechą charakterystycznątych betonów jest bardzo niski współczynnik przewodności cieplnej -1,2 W/mK) oraz stosunkowo niska wytrzymałość na ściskanie (przeciętnie 1,0-20MPa). Stosowane są jako materiały izolacyjne (izolacjatermiczna) lubizolacyjno-konstrukcyjne.

zwykły

od 1800-2600
(2000-2800)
kg/m3


struktura betonu zwykłego

Beton zwykły jest jednym z podstawowych materiałów budowlanych. Jako materiał konstrukcyjny przewyższa właściwościami mechanicznymi wyroby ceramiki czerwonej. Z betonu zwykłego produkuje się zarówno małe elementy jak np. betonowa kostka brukowa, jak i potężne konstrukcje monolityczne np. tamy, zapory wodne. Beton zwykły jest doskonałym materiałem do budowy dróg, mostów i innych elementów infrastruktury.

ciężki

powyżej 
2600(2800)
kg/m3

Technologia betonu ciężkiego jest podobna do technologii betonu zwykłego, a zasadnicza różnica polega na wykorzystaniu kruszyw ciężkich, których gęstość przekracza 4000 kg/m3 (baryt, magnetyt, niekiedy ołów). Beton ciężki stosowany jest jako materiał zabezpieczający przed szkodliwym promieniowaniem jonizującym. Wykonuje się z niego osłony reaktorów jądrowych, zbiorniki odpadów radioaktywnych itp.

PROJEKTOWANIE SKŁADU BETONÓW ZWYKŁYCH

Beton zwykły wytwarza się z: kruszywa grubego, piasku, cementu i wody oraz ewentualnych dodatków mineralnych i domieszek chemicznych. W praktyce stosuje się następujące metody projektowania składu betonu:

  • doświadczalne
  • obliczeniowe
  • obliczeniowo-doświadczalne

We wszystkich tych metodach, opierając się na podstawowych równaniach: wytrzymałości, szczelności i wodożądności, dąży się do uzyskania pożądanych cech świeżej mieszanki i stwardniałego betonu przy minimalnym zużyciu cementu i maksymalnej ilości kruszywa.

Definicje:
-zaczyn cementowy - mieszanina cementu i wody
-zaprawa - mieszanina cementu, wody i piasku
-mieszanka betonowa - mieszanina wszystkich składników przed związaniem betonu
-beton - "sztuczny kamień", powstały z mieszanki betonowej po zakończeniu wiązania Projektowanie betonu polega na ilościowym ustaleniu optymalnego udziału poszczególnych składników betonu, w celu uzyskania wymaganych właściwości świeżej mieszanki betonowej i stwardniałego betonu.

Podstawy teoretyczneKruszywo i piasek tworzy w betonie szkielet kamienny, który powinien spełniać dwa warunki:

maksymalnie wypełniać objętość tak, aby ilość "pustek" była możliwie mała całkowita powierzchnia szkieletu powinna być jak najmniejsza, aby minimalizować zużycie cementu. Zaczyn cementowy pełni funkcję "kleju", którego jakość zależy od stosunku wody do cementu (w/c). Wartość tego wskaźnika powinna być możliwie niska. W celu uzyskania szczelnego stosu ziarnowego (szkieletu kamiennego) zostały opracowane graniczne krzywe uziarnienia kruszywa (PN-88/B-06250) dla kruszyw o różnym maksymalnym wymiarze ziaren:16,0; 31,5 i 63,0mm.

Zalecane krzywe uziarnienia piasku frakcji 0 do 2mm

 

Najdrobniejszym kruszywej jest piasek, którego uziarnienie mieści się w granicach

0 - 2 mm.

  przeciętne betony
  betony o wysokiej wytrzymałości
 
 
Krzywe uziarnienia (łączne) grup frakcji kruszywa:

0 - 16,0 mm

0 - 31,5 mm

0 -63,0 mm

   
 
Przykłady kruszyw

PIASEK 0 - 2 mm

ŻWIR 4 - 16 mm

GRANIT 4 - 16 mm

BAZALT 4 - 8 mm

DOBÓR UZIARNIENIA
Przy doborze uziarnienia kruszywa należy kierować się zasadą, aby kruszywo było możliwie grube. Zbyt duży udział frakcji drobnych (piasek) w mieszaninie kruszyw prowadzi do nieuzasadnionego wzrostu zapotrzebowania na cement (pogorszenie ekonomicznych warunków produkcji betonu) oraz wodę. Powoduje to także pogorszenie wielu cech stwardniałego betonu. W praktyce, należy jednak uwzględnić dodatkowo pewne ograniczenia, wynikające z grubości elementu betonowego i stosowania zbrojenia

Maksymalny wymiar ziaren kruszywa nie może być większy niż:
a 1/3 najmniejszego wymiaru przekroju poprzecznego elementu
b 3/4 odległości między prętami zbrojenia

Należy dążyć do tego, aby w całej mieszance kruszyw obecne były (w odpowiednich proporcjach) wszystkie frakcje ziarnowe. Brak lub niedobór pewnych frakcji ziarnowych prowadzi do wyraźnego pogorszenia urabialności świeżej mieszanki oraz obniża jakość stwardniałego betonu.

Kształt elementu betonowego ograniczony jest formą (deskowaniem). Podczas zagęszczania mieszanki betonowej w pobliżu ściany / formy, kruszywo grube ma ograniczoną możliwość do ścisłego wypełnienia objętości (inaczej niż ma to miejsce w "środku" elementu betonowego).

Powstałe luki między grubymi frakcjami kruszywa muszą być wypełnione zaprawą i w efekcie zapotrzebowanie na nią w pobliżu ścian formy rośnie. Zjawisko takie określa się jako "efekt ściany". Mieszanka betonowa stosowana do produkcji cienkościennych elementów o skomplikowanym kształcie powinna zawierać większą ilość zaprawy niż mieszanki przeznaczone do betonowania dużych masywów.

Rodzaje wyrobów, elementów lub konstrukcji
Zalecana
ilość zaprawy
Żelbetowe i betonowe konstrukcje masywne o najmniejszym wymiarze przekroju większym niż 500 mm i kruszywie do 63 mm
400-450
Sprężone, żelbetowe i betonowe wyroby, elementy i konstrukcje o najmniejszym wymiarze przekroju większym niż 60 mm i kruszywie do 31,5 mm
450-550
Sprężone, żelbetowe i betonowe wyroby, elementy i konstrukcje o najmniejszym wymiarze przekroju nie większym niż 60 mm i kruszywie do 16 mm
500-550
WSKAŹNIK WODNO-CEMENTOWY (W/C)

KONSYSTENCJA W zależności od sposobu zagęszczania mieszanki betonowej (mechaniczny, ręczny) powinna zostać dobrana jej właściwa konsystencja (ciekłość).

UWAGA: W celu zwiększenia cieklości w żadnym wypadku nie wolno dodawać wody (pogorszenie w/c), można natomiast zwiększyć ilość zaczynu cementowego (proporcjonalne zwiększenie ilości wody i cementu) lub zastosować domieszki chemiczne.

Przykładowy skład betonu klasy B20, wykonanego z cementu klasy 32,5:

WILGOTNA

K-1

GĘSTOPLASTYCZNA

K-2

PLASTYCZNA

K-3

PÓŁCIEKŁA

K-4

CIEKŁA

K-5

PN-88/B-06250

Konsystencja i jej symbol

Sposoby zagęszczania i warunki formowania
(kształt przekroju, ilość zbrojenia)
Wilgotna K-1
mieszanki wibrowane (powyżej 100 Hz) i wibroprasowane; przekroje proste, rzadko zbrojone
Gęstoplastyczna K-2
mieszanki wibrowane lub ubijane ręcznie; przekroje proste, rzadko zbrojone
Plastyczna K-3
mieszanki wibrowane i ręcznie sztychowane, przekroje proste, normalnie zbrojone (około 1-2,5%) lub mieszanki wibrowane; przekroje złożone, rzadko zbrojone
Półciekła K-4
mieszanki wibrowane i ręcznie sztychowane, przekroje złożone, gęsto zbrojone lub ręcznie sztychowane; proste przekroje, normalnie zbrojone
Ciekła K-5
mieszanki ręcznie sztychowane

DOZOWANIE l MIESZANIE SKŁADNIKÓW BETONU

Dozowanie składników może odbywać się objętościowo, wagowo i w sposób wagowo-objętościowy. Najlepszym rozwiązaniem jest metoda wagowa zapewniająca wysoką precyzję dozowania składników. Mieszanie składników betonu ma na celu uzyskanie maksymalnej jednorodności świeżej mieszanki betonowej. Kruszywo, cement, woda oraz ewentualne dodatki i domieszki muszą stanowić jednolitą masę o równomiernym rozmieszczeniu składników. Niezależnie od rodzaju urządzenia mieszającego (betoniarki) powinno być ono wypełnione składnikami mieszanki w ok. 70%. Czas mieszania uzależniony jest od konsystencji mieszanki, jednak nie może być krótszy niż 1 min. (w przypadku konsystencji półciekłej i ciekłej). W przypadku mieszanek o mniejszej ciekłości (wilgotna, gęstoplastyczna i plastyczna) należy czas mieszania wydłużyć dwu lub trzykrotnie. Kolejność wprowadzania składników może być różna, jednak nigdy cement nie może być wprowadzany jako pierwszy, ze względu na możliwość przyklejenia się do wilgotnych ścian urządzenia mieszającego.

UKŁADANIE l ZAGĘSZCZANIE BETONU

Zachowanie jednorodności mieszanki betonowej w trakcie układania jest podstawowym warunkiem uzyskania żądanych parametrów konstrukcji betonowych.

Nie wolno zrzucać mieszanek betonowych z dużych wysokości ze względu na możliwość segregacji składników betonu. W przypadku dużych wysokości należy stosować rynny lub rury.

DOBRZE
 
Zagęszczanie betonu można prowadzić ręcznie lub mechanicznie. Mieszanki o wysokiej ciekłości można zagęszczać ręcznie przez sztychowanie np. prętem stalowym. Zagęszczanie mechaniczne polega na wibrowaniu, a w niektórych technologiach stosuje się wibroprasowanie. Przekazanie drgań mechanicznych mieszance betonowej powoduje efekt uplastycznienia, w wyniku którego mieszanka uszczelnia się. Należy jednak pamiętać, żeby częstotliwość i amplituda drgań były tak dobrane, aby zachować jednorodność mieszanki betonowej. Zbyt niska częstotliwość drgań powoduje, że grube frakcje kruszywa opadają, a w górnej warstwie betonu gromadzi się zaprawa (segregacja składników).
ŹLE  

Prawidłowe sposoby układania mieszanki betonowej:

Poziomymi warstwami ciągłymi - mieszankę układa się na całej powierzchni elementu betonowego, sposób ten jest korzystny w przypadku niezbyt dużych powierzchni

Poziomymi warstwami ze stopniowaniem - sposób ten jest stosowany przy dużych powierzchniach i niewielkiej grubości

Warstwami pochyłymi - mieszanka układana jest na całą wysokość elementu betonowego, sposób ten stosuje się w przypadku wysokich elementów

Zagęszczanie mieszanki betonowej wibratorem wgłębnym

BETON TOWAROWY
Coraz większym powodzeniem cieszy się beton towarowy, który produkowany jest w specjalistycznych wytwórniach betonu gwarantujących wysoką jakość mieszanek betonowych. W takich warunkach najczęściej produkowany jest beton o konsystencji półciekłej i ciekłej, który z powodzeniem może być pompowany. Pompy betonu pozwalają na podawanie mieszanki betonowej nawet na odległość 300m i wysokość 35m.

PIELĘGNACJA BETONU
W początkowym okresie wiązania, beton narażony jest na utratę znacznych ilości wody. Woda wchłaniana jest przez chropowate deskowanie, ale bardziej niebezpieczne jest parowanie wody z powierzchni betonu. Słońce i silny wiatr są naturalnymi czynnikami wpływającymi na szybką utratę wody przez beton. Przyjmuje się, że w okresie letnim, z 1m2 świeżego elementu betonowego, w ciągu jednej godziny, wyparowuje ok. 2 litrów wody. Dlatego też powierzchnia betonu musi być odpowiednio zabezpieczona. Można to uzyskać np. przez pokrycie powierzchni betonu środkiem chemicznym zapobiegającym parowaniu wody lub osłonić beton folią. W przypadku świeżych konstrukcji betonowych dojrzewających w okresie letnim należy systematycznie polewać je wodą. Świeży beton należy również chronić przed silnym deszczem. Wypłukanie zaczynu cementowego z wierzchniej warstwy betonu odsłania kruszywo, które, słabiej związane, ulega łatwemu wykruszeniu. Powierzchnia betonu staje się chropowata, co dodatkowo pogarsza jej estetykę

OCHRONA STALI

Prawidłowo zaprojektowany i wykonany beton stanowi znakomite zabezpieczenie dla stali zbrojeniowej (pasywacja stali). W wyniku reakcji chemicznej na powierzchni stali zostaje utworzona szczelna warstwa żelazianu wapniowego chroniąca stal przed korozją. Aby uzyskać pożądany i trwały efekt ochronny, powierzchnia stali przed betonowaniem musi być oczyszczona z ewentualnych produktów korozji (rdza), a pręty stalowe muszą zostać otoczone odpowiedniej grubości warstwą betonu (otulina). Nie można dopuścić do tego, żeby w trakcie betonowania "zbrojenie" spoczywało bezpośrednio na deskowaniu.



. BADANIE CECH BETONU - KONSYSTENCJA PN-88/B-06250

Konsystencja
Ve-Be STOŻEK

Wilgotna K1
> 28

Gęstoplastyczna K2
27-14 sek

Plastyczna K3 
13-7 sek

Półciekła K4 
6 sek

Ciekła K5

W Polsce stosowane są dwie metody pomiaru konsystencji mieszanki betonowej:

metoda Ve-Be - polega na pomiarze czasu potrzebnego do wypłynięcia zaczynu cementowego na powierzchnię mieszanki betonowej podczas wibrowania

metoda stożka opadowego - polega na pomiarze różnicy wysokości formy stożkowej i wysokości stożka utworzonego przez mieszankę betonową po zdjęciu formy

WYTRZYMAŁOŚĆ
Wytrzymałość betonu na ściskanie oznaczana jest na kostkach sześciennych o długości krawędzi 100, 150 i 200mm, formowanych lub wycinanych z konstrukcji betonowej. Badana kostka betonowa poddawana jest działaniu siły ściskającej aż do momentu zniszczenia. Wytrzymałość na ściskanie definiowana jest jako stosunek maksymalnej wartości siły ściskającej (niszczącej próbkę) do pola powierzchni ściskanej. Wytrzymałość wyrażana jest w MPa.

DOMIESZKI CHEMICZNE

Domieszki chemiczne stosuje się w celu polepszenia właściwości mieszanki betonowej i stwardniałego betonu. Substancje te dozowane są w ilościach nie przekraczających 0,2-5,0% masy cementu. Istnieje wiele domieszek chemicznych - do najważniejszych należą:domieszki uplastyczniające, domieszki napowietrzające, domieszki przyspieszające lub opóźniające wiązanie i twardnienie, domieszki uszczelniające.

DOMIESZKI UPLASTYCZNIAJĄCE

Działanie domieszek uplastyczniających można porównać z utworzeniem się śliskiej otoczki na ziarnach kruszywa i cementu. Otoczki te, zmniejszając tarcie, ułatwiają przemieszczanie się ziaren powodując w efekcie zwiększenie ciekłości mieszanki betonowej.


Zalety stosowania domieszek uplastyczniających:

zwiększenie ciekłości (konsystencja może się zmienić nawet o dwie jednostki)

ograniczenie ilości wody przy stałej konsystencji - obniżenie w/c, czyli zwiększenie wytrzymałości lub zmniejszenie zużycia cementu

DOMIESZKI NAPOWIETRZAJĄCE


Wprowadzenie domieszek napowietrzających powoduje zmianę struktury betonu przez co uzyskuje się znaczną poprawę mrozoodporności. W masie betonu powstają równomiernie rozłożone niewielkie pęcherzyki powietrza, które "przerywają" pory kapilarne (patrz struktura zaczynu cementowego). Woda zamarzając w kapilarach zwiększa swoją objętość, a powstający lód zamiast rozsadzać beton wciska się w powstałe pory powietrzne.


DOMIESZKI USZCZELNIAJĄCE
Domieszki uszczelniające stosuje się w celu poprawy wodoszczelności i zmniejszenia nasiąkliwości betonu. Prowadzi to do znacznego zwiększenia trwałości betonu. Aby zrozumieć istotę działania domieszek uszczelniających należy pamiętać o istnieniu porów (kapilar) w zaczynie cementowym (patrz struktura zaczynu). Pory kapilarne tworzą "sieć mikrokanalików", którymi woda lub czynniki agresywne wnikają w beton

Wyższą szczelność betonu wynikającą z działania domieszek chemicznych można uzyskać kilkoma sposobami:

wypełnienie porów przez pyły mineralne, wprowadzenie substancji reagujących z Ca(OH)2 (produkt hydratacji cementu), w wyniku, którego powstają trudno rozpuszczalne związki chemiczne wypełniające pory,zmniejszenie zwilżalności - hydrofobizacja - utrudniona penetracja czynników agresywnych, zmniejszenie ilości wody zarobowej - korzystne obniżenie wskaźnika w/c.