Materiały pomocnicze do nauki przedmiotu „Materiały budowlane” na kierunku „Budownictwo” na Wydziale Inżynierii WAT. Na prawach rękopisu. Prawa autorskie zastrzeżone. Wyrażam zgodę na kserowanie wyłącznie na potrzeby studentów Wydziału Inżynierii WAT. mgr inż. Tadeusz Błażejewicz

WŁAŚCIWOŚCI MIESZANEK BETONOWYCH

Mieszanką betonową nazywa się całkowicie wymieszane składniki betonu, które są jeszcze w stanie umożliwiającym zagęszczenie wybraną metodą (przed rozpoczęciem procesu wiązania). Właściwości mieszanek określają nor-my PN-EN 206-1 : 2003 „Beton. Część 1 : wymagania, właściwości, produkcja i zgodność „ oraz PN-B-06265 : 2004 „Krajowe uzupełnienie PN-EN 206-1”.

1. KONSYSTENCJA (ciekłość).

Przyjmuje się ją zamawiając beton towarowy lub przystępując do projektowania betonu w zależności od:

• stopnia skomplikowania przekroju (dla przekrojów cienkościennych, o skomplikowanym kształcie mieszanki bardziej ciekłe);

• od gęstości zbrojenia (przy dużym zagęszczeniu prętów bardziej ciekłe);

• od przyjętego sposobu zagęszczania.

Dla betonów wytwarzanych bez domieszek upłynniających ciekłość mieszanki zwiększa się przez dodanie wody (rzadko wody i cementu), co jest najgorszym sposobem regulacji konsystencji, gdyż zwiększenie ilości wody obniża wytrzymałość betonu, zwiększa skurcz i nasiąkliwość. Dla otrzymania betonu o wysokiej jakości należy dobierać konsystencje mieszanki jak najbardziej suche, ale jeszcze takie, które można prawidłowo zagęścić dostępnym sprzętem. Przy zastosowaniu mieszanki zbyt suchej do zagęszczenia, spadki wytrzymałości i trwałości betonu będą znacznie większe, niż dla mieszanek zbyt ciekłych. Najlepszym sposobem regulacji konsystencji mieszanki jest dodanie niewielkich ilości superplastyfikatorów. Podwyższenie konsystencji uzyskuje się najczęściej przez dodanie piasku (o dużej wodożądności). Wg archiwalnej obecnie normy PN-88/B-06250 „Beton zwykły” konsystencję mieszanki badano metodą VeBe lub stożka opadowego i wyróżniano następujące konsystencje:

• K1 - wilgotna (czas wibrowania ponad 28 s);

• K2 - gęstoplastyczna (14 ÷ 27 s);

• K3 - plastyczna (czas wibrowania 7 ÷ 13 s, opad stożka 2 ÷ 5 cm);

• K4 - półciekła (czas poniżej 6 s, opad 6 ÷ 11 cm);

• K5 - ciekła (opad stożka 12 ÷ 15 cm).

Przy wyładunku z betoniarki na placu budowy konsystencja była często oceniania metodą „na oko” wg następujących zasad:

• konsystencja wilgotna: mieszanka bez połysku, silnie ściśnięta w dłoni zachowuje kształt i nie rozsypuje się:

• konsystencja gęstoplastyczna: prawie bez połysku, daje się ugniatać jak glina, zachowuje kształt, ubijana nie wydziela wody;

• konsystencja plastyczna: z wyraźnym połyskiem, uformowana w stożek powoli osiada, przy ubijaniu lub silnym nacisku wydziela krople wody;

• konsystencja półciekła: z silnym połyskiem, rozpływa się poziomo, zasklepia otwory po wetkniętym drążku;

• konsystencja ciekła: ma charakter cieczy, rozlewa się płasko, łatwo wydziela wodę, łatwo oddzielić ziarna kruszywa.

Według PN-EN 206-1 : 2003 ciekłość mieszanki charakteryzuje się klasami konsystencji. Konsystencja mieszanki może być badana:

• metodą Vebe (klasy konsystencji VO, V1, V2, V3 i V4).;

• metodą opadu stożka (klasy konsystencji S1, S2, S3, S4 i S5);

• metodą rozpływu (klasy konsystencji F1, F2, F3, F4, F5 i F6);

• metodą oznaczania stopnia zagęszczalności (klasy C0, C1, C2 i C3).

Nie ma zależności umożliwiających przeliczenie konsystencji oznaczonej jedną z w/w metod na konsystencję wg innej metody, dlatego w zamówieniu na beton należy podać, jaka metodą ma być badana klasa konsystencji. Klasy konsystencji badane metodą Vebe lub opadu stożka i określone w PN-EN 206-1 nie mają odpowiedników w tradycyjnych nazwach konsystencji wg PN-88/B-06250 (np.: dawna konsystencja gęstoplastyczna odpowiadała czasowi wibrowania 14 ÷ 27 sekund; obecna klasa konsystencji V1 odpowiada czasowi wibrowania 21 ÷ 30 sekund, a klasa V2 czasowi 11 ÷ 20 sekund).

Dla mieszanek o dużej ciekłości (np.: z dodatkiem superplastyfikatorów) najlepszą metodą badania konsystencji jest metoda rozpływu. Dla mieszanek półciekłych najlepszą metodą jest metoda opadu stożka, a dla mieszanek o małej i średniej ciekłości metodą Vebe. Metoda badania zagęszczalności jest mało znana i rzadko stosowana. Metoda Vebe polega na uformowaniu z mieszanki stożka ściętego i wibrowaniu go w naczyniu pomiarowym na stoliku wibracyjnym do momentu, gdy mieszanka uformuje płaską powierzchnię górną. Miarą konsystencji wg Vebe jest czas wibrowania (tym dłuższy, im bardziej sucha jest mieszanka). Metoda opadu stożka polega na uformowaniu z mieszanki stożka ściętego o znormalizowanych wymiarach, zagęszczonego przez sztychowanie w określony normą sposób. Miarą konsystencji jest opad stożka w cm pod własnym ciężarem. Metoda rozpływu polega na uformowaniu z mieszanki stożka ściętego i wibrowaniu go w określony sposób na ręcznym stoliku wstrząsowym. Miarą konsystencji jest średnica (w mm) placka, na który rozpływa się mieszanka. Metoda oznaczania stopnia zagęszczalności polega na wibrowaniu mieszanki na stoliku wibracyjnym Vebe, w pojemniku 20 x 20 x h = 40 cm i pomiarze objętości mieszanki przed i po zagęszczeniu. Miarą konsystencji jest stopień zagęszczalności podający, ile razy zmniejszyła się objętość mieszanki podczas wibrowania.

2. URABIALNOŚĆ

Mieszanka jest dobrze urabialna, jeżeli łatwo wypełnia skomplikowane kształty (bez dużego nakładu pracy na zagęszczanie) i gdy nie ulega rozsegregowaniu. Zwiększenie ciekłości mieszanki (obniżenie konsystencji) poprawia łatwość układania i zagęszczania, ale zwiększa tendencję do rozsegregowania. Łatwość układania zależy od ilości zaprawy (cząstek o wymiarach do 2 mm, tj. cementu, piasku i wody) w mieszance. Zaprawa stanowi rodzaj „smaru” umożliwiającego przesuwanie się ziaren kruszywa grubego. Im więcej zaprawy, tym lepsza urabialność. Ilość zaprawy w mieszance nie może być też za duża, gdyż ze wzrostem ilości zaprawy maleje moduł sprężystości betonu (beton staje się nadmiernie odkształcalny), rośnie skurcz przy wiązaniu i wzrasta nasiąkliwość. Ilość zaprawy musi być tym większa, im drobniejsze jest kruszywo w betonie (bo mniejsze ziarna mają większą powierzchnię właściwą) oraz im bardziej skomplikowany kształt ma element. Kruszywa łamane i piaski kopalne dają mieszanki o gorszej urabialności, niż kruszywa otoczakowe. W dobrym betonie zaprawa powinna zajmować około 50% objętości (500 l/m³) i kruszywo grube około 50%. Ilość zaprawy w mieszance wylicza się z wzoru:

, gdzie:

• Z - objętość zaprawy w l/m³,

• F - ilość piasku (do 2 mm) w kg/m³,

• ς_F - gęstość piasku w kg/l (dla kwarcowego 2,65 kg/l),

• C - ilość cementu w mieszance w kg/m³,

• ς_c - gęstość cementu równa 3,1 kg/l,

• W - objętość wody w litrach.

Zalecane ilości zaprawy wynoszą:

• dla mieszanek na kruszywie do 32 mm (konstrukcje o najmniejszym wymiarze przekroju 6 ÷ do 50 cm) od 450 do 550 l/m³;

• dla mieszanek na kruszywie do 16 mm (konstrukcje cienkościenne, o grubości poniżej 6 cm) od 500 do 550 l/m³ (a nawet do 600 l/m³);

Właściwa ilość zaprawy jest zapewniona przez punkt piaskowy kruszywa około 33% i zawartość cementu powyżej 300 kg/m³. Jeżeli w mieszance jest za mało cząstek 0/0,125 (bardzo wodożądnych), zaczyn cementowy nie jest utrzymywany w kruszywie siłami napięcia powierzchniowego wody i może wypływać z betonu podczas zagęszczania. Wówczas na powierzchniach pionowych i dolnych elementów konstrukcyjnych powstają pustki pomiędzy ziarnami kruszywa grubego, tzw. „raki” (np.: przy wypływaniu zaczynu przez nieszczelności szalunku), a na powierzchniach poziomych górnych (np.: na posadzkach betonowych) występuje samoczynne, nadmierne wydzielanie mleczka cementowego (angielska nazwa „bleeding”). Jeżeli powierzchnia taka jest zacierana mechanicznie, może nastąpić wtarcie mleczka cementowego pod powierzchnię, gdzie na głębokości kilku milimetrów tworzy się słaba warstwa i powoduje powierzchniowe łuszczenie się posadzek. Ilość drobnych frakcji wylicza się ze wzoru:

, gdzie:

• V_0/0,125 - objętość drobnych frakcji w l/m³,

• F_0/0,125 - ilość frakcji 0/0125 piasku w kg.

Zalecane ilości drobnych frakcji wynoszą:

• dla mieszanek o uziarnieniu do 63 mm co najmniej 70 l/m³,

• dla mieszanek o uziarnieniu do 32 mm co najmniej 80 l/m³,

• dla mieszanek o uziarnieniu do 16 mm co najmniej 95 l/m³.

Ilość drobnych frakcji w mieszance można zwiększyć przez dodatek drobnego piasku, popiołu lotnego lub zwiększenie ilości cementu.

3. STOSUNEK W/C (lub C/W)

Od W/C zależy nasiąkliwość i mrozoodporność betonu oraz odporność korozyjna, bo odparowujący z mieszanki nadmiar wody pozostawia kapilary. Od stosunku W/C zależy skurcz fizyczny betonu spowodowany wysychaniem (skurcz fizyczny stanowi 2/3 całego skurczu). Od stosunku W/C zależy wytrzymałość betonu. Możliwy do uzyskania stosunek W/C zależy od wodożądności kruszywa - obniżając wodożądność (np.: stosując grube piaski) można zmniejszyć ilość wody w mieszance i obniżyć W/C. Obniżkę stosunku W/C jest najłatwiej uzyskać przez stosowanie plastyfikatorów lub superplastyfikatorów.

Podczas projektowania betonu stosunek W/C wylicza się ze wzoru Bolomeya:

gdy: 2,5 >
≥ 1,2 ,

albo:

gdy: 3,2 ≥
≥ 2,5 .

(c/w wylicza się z dokładnością do 0,01).

Występująca we wzorze wytrzymałość umowna
jest badana na próbkach sześciennych o krawędzi 15 cm, po 28 dobach dojrzewania w temperaturze 18 ±2^oC i wilgotności powietrza co najmniej 90%.

jest w przybliżeniu równa f_{cm, cube} wg PN-EN 206-1.

f_{cm, cube} jest badana na próbkach sześciennych 15 cm, zagęszczanych w warstwach nie grubszych od 10 cm, dojrzewających 28 dób w temperaturze 20 ±2^oC i wilgotności powietrza co najmniej 95% (w wodzie).

Współczynniki A₁ i A₂ są wyznaczane empirycznie i zależą od rodzaju (wytrzymałości) kruszywa (łamane o wyższej wytrzymałości) i klasy cementu.

Klasa cementu		32,5	42,5	52,5
Kruszywo naturalne, niekruszone	A1	18	21	23
		A2	12	14,5	15
	Kruszywo łamane	A1	20	24	26
		A2	13,5	16	17,2

Powyższe podawane w literaturze wartości współczynników A₁ i A₂ są ustalone z pewnym zapasem bezpieczeństwa (mogą być zawyżone o około 10 - 15%) i w betoniarniach pracujących stale na tym samym kruszywie mogą być określone bardziej dokładnie na podstawie doświadczeń własnych. Wzór Bolomeya można przekształcić matematycznie następująco:

Jest to równanie linii prostej, które mówi, że wytrzymałość betonu jest wprost proporcjonalna do stosunku C/W. Wytrzymałość betonu nie zależy od ilości cementu (bo można zrobić beton z dużą ilością cementu oraz dużą ilością wody, tj. o małym stosunku C/W, który będzie słaby i nasiąkliwy oraz o dużym skurczu), ale od stosunku C/W. Wzór Bolomeya obowiązuje, gdy jamistość mieszanki (zawartość powietrza w mieszance) jest nie większa od 2%.

Niski stosunek W/C (wysoki C/W) gwarantuje trwałość betonu w różnych warunkach eksploatacji. Najwyższe dopuszczalne wartości stosunku W/C w zależności od klasy ekspozycji (warunków eksploatacji betonu) podaje norma PN-EN 206-1 oraz norma PN-B-06265 (Załączniki do wykładu). Jeżeli przy projektowaniu betonu stosunek W/C wyliczony z wzoru Bolomeya jest większy, niż dopuszczalny wg PN-EN 206-1 ze względu na trwałość betonu, należy do wyliczenia składu mieszanki przyjąć wartość W/C z normy, gwarantującą trwałość betonu.

3. D_max

Dobór największego dopuszczalnego wymiaru ziaren kruszywa (przy projektowaniu lub zamawianiu betonu) zależy od:

• grubości otulin prętów zbrojeniowych;

• odległości miedzy zbrojeniem w świetle;

• najmniejszego wymiaru przekroju elementów.

Wg PN-B-03264 grubość otulin zbrojenia C powinna być nie mniejsza, niż D_max + 5 mm. Stąd:

D_max ≤ C - 5 mm.

Grubość otulin zależy od średnicy prętów zbrojeniowych (ze względu na przekazanie sił przyczepności betonu do prętów, grubość otulin nie powinna być mniejsza od średnicy prętów) oraz od klasy środowiska (od agresywności środowiska w stosunku do betonu i stali zbrojeniowej). Norma PN-B-03264 wyróżnia następujące klasy środowiska:

• 1 (środowisko suche, np.: wnętrze budynku);

• 2a (środowisko wilgotne, bez mrozu);

• 2b (środowisko wilgotne z mrozem);

• 3 i 4 (środowisko wilgotne, z mrozem i chlorkami);

• 5a (słabo agresywne chemicznie);

• 5b (umiarkowanie agresywne);

• 5c (silnie agresywne).

Minimalne dopuszczalne grubości otulin dla poszczególnych klas środowiska wynoszą:

1 - 15 mm, 2a - 20 mm, 2b - 25 mm, 3 i 4 - 40 mm, 5a - 25 mm, 5b - 30 mm, 5c - 40 mm plus ochrona powierzchniowa. Przy projektowaniu konstrukcji minimalną grubość otulenia należy zwiększyć o odchyłkę Δc, zależną od poziomu wykonawstwa (Δc = 0 ÷ 5 mm dla prefabrykatów; Δc = 5 ÷ 10 mm dla konstrukcji monolitycznych).

Ze względu na odległości S_l w świetle (w poziomie i w pionie) miedzy prętami zbrojeniowymi:

D_max ≤ S_l - 5 mm.

Ze względu na minimalną szerokość przekroju a: D_max ≤ 1/3 a.

Przy ocenie najmniejszego wymiaru przekroju należy brać także pod uwagę podział przekroju betonu przez wkładki (profile dylatacyjne, izolacje itp.).

5. Minimalna zawartość cementu C_min.

Ze względu na trwałość betonu (zabudowanie porów kapilarnych podczas pielęgnacji mokrej) oraz ochronę stali zbrojeniowej przed korozją, mieszanka powinna zawierać cement w ilości nie mniejszej od C_min. C_min zależy od klasy ekspozycji (warunków eksploatacji betonu). Wartości C_min dla poszczególnych klas ekspozycji podaje PN-EN 206-1 (Załącznik do wykładu). Podczas projektowania betonu mogą występować przypadki, że ilość cementu wyliczoną z wzoru Bolomeya trzeba zwiększyć do wartości C_min dla zapewnienia trwałości betonu.

6. MAKSYMALNA DOPUSZCZALNA ZAWARTOŚĆ CEMENTU C_max.

Zawartość cementu w betonie powinna być ograniczona ze względu na niebezpieczeństwo spękań skurczowych. Dla betonów klas do C 30/37 (dawniej klasy B35) C_max nie powinno być większe od 450 kg/m³, a dla klas powyżej C 30/37 nie większe niż 550 kg/m³ (norma PN-EN 206-1 nie stawia wymagań dla C_max).

Gdy podczas projektowania betonu zalecane wartości C_max zostaną przekroczone, można zastosować następujące środki zaradcze:

• zwiększyć klasę cementu i obniżyć jego ilość;

• zmniejszyć ilość wody przez zastosowanie superplastyfikatora i zachowując stałe C/W obniżyć również zawartość cementu;

• zmniejszyć wodożądność kruszywa przez zastosowanie grubszych kruszyw.

7. STOPIEŃ NAPOWIETRZENIA MIESZANKI BETONOWEJ.

Zawartość powietrza w mieszance bada się aparatem ciśnieniowym, przy wykorzystaniu zależności pomiędzy ciśnieniem w aparacie i objętością gazu, wynikających z prawa Boyle'a-Mariotta. Mieszanka wychodząca z betoniarki może zawierać do około 18% objętościowych zaokludowanych pęcherzyków powietrza. Powietrze to podczas zagęszczania mieszanki powinno zostać usunięte do wartości poniżej 2% (wzór Bolomeya obowiązuje dla jamistości mieszanki poniżej 2%), gdyż wzrost jamistości o 1% powoduje spadek wytrzymałości betonu na ściskanie o około 3,5%. Dla betonów nawierzchniowych, narażonych na mróz i środki odladzające, istnieje wymagany normą obowiązek stosowania środków napowietrzających, które zwiększają mrozoodporność betonu. Wymagany stopień napowietrzenia zależy od klasy ekspozycji oraz od uziarnienia mieszanki (powinien być wyższy dla mieszanek drobnoziarnistych). Wymagana przy napowietrzaniu minimalna zawartość powietrza powinna wynosić 4%, a najwyższa nie powinna przekraczać wyspecyfikowanego minimum plus 4%. Przy wyliczaniu składu mieszanki należy uwzględnić fakt, że wskutek napowietrzania proporcjonalnie obniży się wytrzymałość betonu (do wzoru Bolomeya należy wstawić odpowiednio wyższą wartość wytrzymałości umownej).

---