Pobierz Abc betonu budownictwo i więcej Egzaminy w PDF z Język polski tylko na Docsity!
WSTĘP
Współczesne budownictwo stawia coraz wyższe wymagania materiałom budowlanym. Wznoszone budowle muszą być bezpieczne, trwałe, przyjazne dla środowiska, równocześnie muszą spełniać odpowiednie kryteria ekonomiczne. Te wszystkie wymagania spełnia beton, pod warunkiem, że zostanie prawidłowo zaprojektowany i wykonany.
Często jednak beton postrzegany jest jako nieskomplikowany materiał budowlany, którego technologia jest banalnie prosta. Takie podejście prowadzi w praktyce do wielu elementarnych błędów technicznych. A przecież beton, jak każdy produkt wysokiej jakości musi być wykonany z odpowiednio wyselekcjonowanych składników i z zachowaniem ustalonych zasad technologicznych.
abc BETONU jest przewodnikiem po rozległym obszarze technologii betonu. Zwracając uwagę na podstawowe problemy związane z technologią betonu mamy nadzieję, że niniejszy poradnik będzie pomocny tym wszystkim, którzy projektują, produkują i użytkują ten materiał budowlany.
Na wstępie należy zwrócić uwagę, że nazwa „beton” nie określa jednoznacznie materiału budowlanego, gdyż obecnie wytwarza się wiele rodzajów i odmian betonów różniących się właściwościami, a co za tym idzie zakresem stosowania w budownictwie.
Przekazywany Państwu poradnik przedstawia najczęściej stosowany rodzaj betonu - beton zwykły.
CEMENT
Cementem nazywamy sproszkowany materiał wiążący o właściwościach hydraulicznych, a więc materiał, który po zarobieniu z wodą twardnieje i zachowuje swoje cechy wytrzymałościowe zarówno w powietrzu jak i w wodzie. Początki produkcji cementu sięgają XIX wieku. Anglik Joseph Aspdin w roku 1824 uzyskał patent na wytwarzanie cementu portlandzkiego, a rok później rozpoczęto produkcję tego spoiwa. Pierwszą cementownią na ziemiach polskich była cementownia w Grodźcu, która powstała w 1857 roku. W owym czasie była to 6 cementownia na świecie.
Produkcja cementu Podstawowym półproduktem przemysłu cementowego jest klinkier portlandzki. Surow- cami używanymi do produkcji klinkieru są wapień, margle oraz glina. Są to surowce
ABC BETONU
Proces produkcyjny może być prowadzony dwoma podstawowymi metodami: mokrą i suchą. W pierwszej metodzie surowce wprowadzane są do pieca w postaci szlamu. Zaletą tej metody jest łatwość mieszania i korygowania mieszaniny surowcowej natomiast wadą – duże zużycie energii. Zaletą metody suchej jest niskie zużycie energii, a co za tym idzie wyraźnie niższe
Popiół - spalaniu węgla w zakładach ener- getycznych towarzyszy powstawanie odpadu jakim jest popiół. W wyniku oczyszczania gazów spalinowych (w elektrofiltrach) wytrącane są tzw. popioły lotne, które wykorzystuje się jako dodatek do cementu.
koszty produkcji. Istotną sprawą jest to, że jakość produktu (klinkieru portlandzkiego) nie zależy od stosowanej metody produkcji (sucha, mokra). W jednej i drugiej metodzie uzyskuje się porównywalne parametry jakościowe klinkieru.
Po wypaleniu mieszaniny surowcowej uzyskuje się produkt (klinkier), zawierający cztery podstawowe minerały klinkierowe: Alit - C3S - krzemian trójwapniowy Belit - C2S - krzemian dwuwapniowy C3A - glinian trójwapniowy Brownmilleryt - C4AF - glinożelazian czterowapniowy
Skróty używane w chemii cementu: CaO - C, AL2O3 - A, H2O - H, SiO2 - S, Fe2O3 - F, SO3 - S
DODATKI Żużel - powstaje jako produkt uboczny w procesie wielkopiecowym (produkcja surówki). W wyniku gwałtownego schłodzenia stopionego żużla wielkopie- cowego uzyskuje się granu-lowany żużel wielkopie- cowy, który jest bardzo wartościowym dodatkiem mineralnym do cementów.
zasobne w CaO, SiO2 oraz zawierające znaczne ilości Al2O3 i Fe2O3. Mieszanina surow- ców jest mielona, a następnie wypalana w piecu obrotowym w temperaturze ok. 1450°C.
Rodzaj cementu LH
CEM I do CEM V
Ciepło hydratacji po 41 godzinach poniżej 270 J/g (oznaczone metodą semiadiabatyczną) Ciepło hydratacji po 7 dniach poniżej 270 J/g (oznaczone metodą ciepła rozpuszczania)
Wymagania
Rodzaj cementu HSR
CEM I do CEM V
CEM II/B-V
CEM III
CEM IVd
Wymagania
Cementy specjalne wg PN-B-
Cementy specjalne spełniają wymagania normy PN-EN 197-1. Dodatkowe wymagania dla cementów specjalnych przedstawiono poniżej.
Cement siarczanoodporny HSR
C3A ≤ 3%a Zawartość Al2O3 ≤ 5% Wartość ekspansji w roztworze Na2SO po1 roku ≤ 0,5%b C3A ≤ 10% (w klinkierze), udział popiołu krzemionkowego Vc ≥ 25%, Wartość ekspansji w roztworze Na2SO po 1 roku ≤ 0,5%b Udział granulowanego żużla, S ≥ 55% Wartość ekspansji w roztworze Na2SO po 1 roku ≤ 0,5%b C3A ≤ 10% (w klinkierze) Udział sumy pyłu krzemionkowego D i popiołu lotnego krzemionkowego Vc ≥ 25% Wartość ekspansji w roztworze Na2SO po 1 roku ≤ 0,5%b
a) Zawartość glinianu trójwapniowego obliczana jest w % masy z równania C3A = 2,65 Al2O3 – 1,65 Fe2O Wyniki analizy chemicznej cementu przeliczone na substancje wyprażoną (bez strat prażenia) należy korygować o zawartość CaCO3 i CaSO4. Zawartość CO2 oznaczana jest wg PN-EN 196- b) Badanie sprawdzające wykonywane 2 razy w roku c) Nie dopuszcza się składników innych niż klinkier i popiół lotny krzemionkowy (V). Popiół lotny krzemionkowy (V) powinien spełniać wymagania: -Zawartość reaktywnego CaO mniejsza niż 5,0% -Zawartość reaktywnego SiO2 nie mniej niż 25,0% -Zawartość strat prażenia poniżej 5,0% d) W cementach CEM IV nie dopuszcza się składników głównych innych niż klinkier, pył krzemionkowy (D) i popiół lotny krzemionkowy (V). Udział popiołu lotnego krzemionkowego (V) w cementach CEM II/B-V i CEM IV (V) lub udział sumy pyłu krzemionkowego (D) i popiołu lotnego krzemionkowego (V) w cementach CEM IV (D-V) obliczana jest w % masy z równania: V=NRx1,28 gdzie NR stanowi zawartość pozostałości nierozpuszczalnej w cemencie oznaczana wg PN-EN 196-2.
Rodzaj cementu HSR Wymagania
Cement niskoalkaiczny NA
Klasy wytrzymałości
CEM I CEM II CEM IV CEM V CEM II/B-S
≤ 0,6% Na2O (^) eqb
≤ 0,7% Na2O (^) eqb
Udział granulowanego żużla wielkopiecowego, S ł 21%
CEM III/A
CEM III/B
CEM III/C a) z wyjątkiem CEM II/B-S
≤ 0,95% Na2O (^) eqb
Udział granulowanego żużla wielkopiecowego, S ł 49%
≤ 1,10% Na2O (^) eqb
Udział granulowanego żużla wielkopiecowego, S ł 50%
≤ 2,0% Na2O (^) eqb
Skład wg EN 197-
≤ 2,0% Na2O (^) eqb
Skład wg EN 197-
b) Na 2 O (^) eq=Na 2 O+0,658K2O
Podstawowym kryterium klasyfikującym cementy jest ich klasa tj. wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach twardnienia (wyrażona w MPa) zaprawy normowej wykonanej z danego cementu. Obecnie Polska Norma (PN-B-19701) przewiduje następujące klasy cementów: 32,5; 42,5; 52,5.
Stwardniały zaczyn cementowy wypełniony jest gęsto ułożonymi produktami hydratacji, pomiędzy którymi występują wolne przestrzenie zwane porami. Zawartość i kształt porów ma decydujące znaczenie dla wytrzymałości i trwałości zaczynu cementowego. Niewielkie pustki (pory żelowe od 0,1 do 0,01 μm) nie mają dużego znaczenia, jednak większe pory kapilarne powodują znaczne obniżenie jakości betonu.
Czystość wody jest podstawowym wa- runkiem prawidłowej hydratacji cementu. Wody zawierające chlorki, siarczany, czy też związki organiczne nie mogą być stosow- ane w produkcji betonu. Woda wydzielają- ca zapach, nieprzeźroczysta musi zostać zbadana laboratoryjnie w celu potwierdze- nia przydatności do produkcji betonu.
Pospolite określenie „kamień”, powszechnie używane nawet przez fachowców budow- lanych, ma związek z drugoplanowym traktowaniem kruszywa i często prowadzi do bagatelizowania jego jakości. A przecież kruszywo zajmuje największą objętość betonu (ok. 70%) i ma decydujące znaczenie dla uzyskania wysokiej jakości świeżej mieszanki betonowej i stwardniałego betonu.
- powstały w wyniku naturalnych procesów przyrodniczych takich jak wietrzenie skał
Pory kapilarne są przede wszystkim wynikiem stosowania większej ilości wody niż wynika to z rzeczywistego zapotrzebowania mieszanki betonowej. Dlatego też bardzo ważnym czyn- nikiem jest odpowiedni stosunek ilości wody do cementu (w/c), którego wartość wpływa bezpośrednio na jakość betonu. Niska wartość wskaźnika wodno-cementowego (w/c) pozwa- la uzyskać betony wysokiej jakości, i przeci- wnie - nadmiar wody (wysoka wartość w/c) znacznie pogarsza wszystkie parametry betonu.
i erozyjne działanie wody. Okruchy skalne, które przemieszczały się w korytach rzek uzyskały okrągły kształt i nazywane są kruszywem otoczakowym.
WŁAŚCIWOŚCI KRUSZYW
Czystość kruszyw jest niezbędna dla uzyskania wysokiej jakości betonu. Zanieczyszczenia organiczne, głównie kwasy humusowe (powstają z rozkładu części roślin), wpływają niekorzystnie na przebieg wiązania cementu.
Pyły mineralne, za które uważa się ziarna mniejsze od 0,063mm, oblepiają ziarna kruszywa, zmniejszając powierzchnię kontaktu zaczynu cementowego z kruszywem. Są również niepożądane ze względu na wchłanianie dużej ilości wody - duża wodożądność.
Kształt ziaren Kruszywa łamane mają kształt zbliżony do graniastosłupów o wyraźnych, ostrych krawędziach; kruszywa naturalne są zaokrąglone i mają kształt zbliżony do kuli. W obu przypadkach są to ziarna o najkorzystniejszym kształcie ze względu na mały stosunek powi- erzchni do objętości, co minimalizuje zużycie cementu na pokrycie powierzchni ziaren.
Kruszywa łamane
- powstają w wyniku mechanicznego kruszenia skał. Najczęściej są to skały magmowe (granit, sjenit, bazalt) i skały węglanowe (wapień, dolomit). Kruszywa uzyskane ze skał magmowych charakteryzują się wyso- ką wytrzymałością na ściskanie i są używane do produkcji betonów wysokich klas.
Beton zwykły wytwarza się z: kruszywa grubego, piasku, cementu i wody oraz ewentu- alnych 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 maksymal- nej ilości kruszywa.
Definicje:
- mieszanina cementu i wody
- mieszanina cementu, wody i piasku
- mieszanina wszystkich składników przed związaniem betonu beton - „sztuczny kamień”, powstały z mieszanki betonowej po zakończeniu wiązania. Projektowanie betonu polega na ilościowym ustaleniu optymalnego udziału poszczegól- nych składników betonu, w celu uzyskania wymaganych właściwości świeżej mieszanki betonowej i stwardniałego betonu.
Kruszywo 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 opracow- ane graniczne krzywe uziarnienia kruszywa (PN-88/B-06250) dla kruszyw o różnym maksy- malnym wymiarze ziaren:16,0; 31,5 i 63,0mm.
Najdrobniejszym kruszywem jest piasek, którego uziarnie nie mieści się w granicach 0 - 2 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 prow- adzi do nieuzasadnionego wzrostu zapotrzebowania na cement (pogorszenie ekonomic- znych 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.
Krzywe uziarnienia (łączne) grup frakcji kruszywa:
Przykłady kruszyw
Maksymalny wymiar ziaren kruszywa nie może być większy niż: a 1/3 najmniejszego wymiaru przekroju poprzecz- nego elementu b 3/4 odległości między prętami zbrojenia
Należy dążyć do tego, aby w całej mieszance kruszyw obecne były (w odpowiednich proporc- jach) 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
Konsystencja W zależności od sposobu zagęszczania mieszanki betonowej (mechaniczny, ręczny) pow- inna zostać dobrana jej właściwa konsystencja (ciekłość).
Przykładowy skład betonu klasy B20, wykonanego z cementu klasy 32,5:
UWAGA:
W celu zwiększenia ciekłości w żadnym wypadku nie wolno dodawać wody (pogorszenie w/c), można nato- miast zwiększyć ilość zaczynu cemen- towego (proporcjonalne zwiększenie ilości wody i cementu) lub zastosować domieszki chemiczne.
DOZOWANIE I 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 ewentu- alne 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 wprowad- zany jako pierwszy, ze względu na możliwość przyklejenia się do wilgotnych ścian urządzenia mieszającego.
UKŁADANIE I ZAGĘSZCZANIE BETONU
Zachowanie jednorodności mieszanki betonowej w trakcie układania jest podstawowym warunkiem uzyskania żądanych parametrów konstrukcji betonowych. Nie wolno zrzucać mieszanek betonow- ych z dużych wysokości ze względu na możliwość segregacji składników betonu. W przypadku dużych wysokości należy stosować rynny lub rury.
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 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
POMPY DO BETONU
beton. Przyjmuje się, że w okresie letnim, z 1 m2 świeżego elementu betonowego, w ciągu 1 godziny, wyparowuje ok. 2 litrów wody.
OCHRONA STALI
Prawidłowo zaprojektowany i wykonany beton stanowi znakomite zabezpieczenie dla stali zbrojeniowej (pasywacja stali).
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 odpow- iedniej grubości warstwą betonu (otulina). Nie można dopuścić do tego, żeby w trakcie betonowania „zbrojenie” spoczywało bezpośrednio na deskowaniu.
Dlatego też powierzchnia betonu musi być odpowiednio zabezpieczona. Można to uzyskać np. przez pokrycie powierzchni betonu środkiem chemicznym zapobiegają- cym 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.
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 napowietrzające Wprowadzenie domieszek napowietrzających powoduje zmianę struktury betonu przez co uzyskuje się znaczną poprawę mrozoodporności.
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.
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.
KOROZJA BETONU
Korozja siarczanowa Wodne roztwory zawierające siarczany powodują jedną z najgroźniejszych w skutkach - korozję siarczanową. Niszczenie betonu wywołane siarczanami polega na powstaniu trudno rozpuszczalnych związków chemicznych i towarzyszącym temu zjawisku, wzroście objętości
Aby zrozumieć istotę działania domieszek uszczelniających należy pamiętać o istnie- niu porów (kapilar) w zaczynie cementowym (patrz struktura zaczynu). Pory kapilarne tworzą „sieć mikro- kanalików”, 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.
produktów reakcji. Znaczna objętość produktów korozyjnych prowadzi do powstania dużych naprężeń mechanic- znych, a w konsekwencji beton - ulega zniszczeniu. Typowym przykładem korozji siarczanowej jest korozja etryngi- towa - powstawaniu etryngitu towarzy- szy zwiększenie objętości aż o 168%.
