Technologie Materiałów BudowlanychWykład 5
Beton zwykły i wysokowartościowy
Korozja chlorkowa
Typowe środowiska, w których beton jest narażony na oddziaływanie soli chlorkowych to wody morskie, zasolony wody gruntowe, solanki, kopalnie i niektóre obiekty przemysłowe
Do soli, z którymi najczęściej kontakt ma beton to NaCl, MgCl2, CaCl2, KCl
Agresywność soli chlorkowych: MgCl2 > CaCl2 > NaCl > KClCa(OH)2 + MgCl2 CaCl2 + żel Mg(OH)2
Powstający Mg(OH)2 w postaci żelu (nie mającego właściwości wiążących) odbiera z zaczynu aniony hydroksylowe – rozpuszczalność CaCl2 wynosi 680 000 mg/dm3 a Ca(OH)2 tylko 1230 mg/dm3
Korozja stali zbrojeniowej w betonie
BETON STAL
Obszarkatodowy
e
Obszaranodowy
eObszar katodowy
BETON
Fe(OH)2
H2O
O2
Cl-
OH-
warstwa pasywująca
Fe3O4 Fe3O4
Fe2+
Korozja stali zbrojeniowej w betonie
Proces anodowy: 2Fe 2Fe2+ + 4e4Fe2+ 4Fe3+ + 4e
Proces katodowy: 2H2O + O2 + 4e 4OH-
z kationów Fe2+ i anionów OH- powstaje Fe(OH)2
2Fe2+ + 4OH- 2Fe(OH)2
a w dalszej kolejności Fe(OH)3
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3
Mieszanina wodorotlenków tworzy rdzę, która gromadzi się na zbrojeniu, objętość rdzy może być 4x większa od żelaza stąd na powierzchni elementu betonowego pojawiają się rysy wzdłuż skorodowanych prętów zbrojenia, lub otulina może odpaść
Oddziaływanie mrozu na beton
Podczas przemiany w fazę stałą woda zwiększa objętość o 9%
Beton nasycony woda ulega zniszczeniu podczas mrozu, jednak tylko przy wielokrotnym cyklicznym zamrażaniu/odmrażaniu
Stopniowej destrukcji ulega tylko ta część betonu, którego stopień nasycenia jest większy niż 90%
Po kolejnych cyklach zamrażania/ odmrażania wzrasta nasiąkliwość, nasycenie wodą i propagacja rys w betonie
Beton nasycony wodą po zamrożeniu ulega pęcznieniu
Oddziaływanie mrozu na beton
Przyczyną pęcznienia betonu są dwa źródła: Ciśnienie hydrauliczne (wynikające ze wzrostu objętości
zamarzającej wody) Ciśnienie osmotyczne, które wywołuje dyfuzję wody i
jonów (roztworu porowego), prowadzącą do powstawania bardzo małych bryłek (soczewek) lodu
Reakcja alkalia-kruszywo
W warstwie kontaktowej względna zawartość wodorotlenków sodu i potasu jest największa. Dodatkowo w obszarze tym jest duża zawartość Ca(OH)2, koniecznego do wystąpienia reakcji alkalia-krzemionka
W betonie mogą wystąpić trzy formy reakcji alkalia-kruszywo: alkalia-krzemionka alkalia-węglany alkalia-krzemiany
Reakcja alkalia-krzemionka
Reaktywna krzemionka występuje w kilku odmianach krystalicznych (kwarc, chalcedon, opal, trydymit, krystobalit) oraz jako krzemionka bezpostaciowa
Głównym produktem reakcji alkalia-krzemionka jest żel uwodnionego krzemianu sodu lub potasu, mający zdolność do pęcznienia pod wpływem wchłaniania wody
Wzrost objętości żelu wywołuje ekspansję ziaren kruszywa i ich pękanie, rysowanie warstwy kontaktowej, pęcznienie betonu, a w konsekwencji tworzenie głębokich rys o rozwarciu do kilku milimetrów
Reakcja alkalia-węglany
Druga grupą skał mogących ulegać szkodliwej reakcji z alkaliami są zdolomityzowane wapienie
Proces niszczenia związany z ekspansją ziaren kruszyw, a następnie całego betonu wiąże się z reakcją rozpuszczonych w zaczynie alkaliów i kruszywa
CaMg(CO3)2 + (Na, K)OH Mg(OH)2 + CaCO3 + (Na, K)2CO3
Powstające produkty – kalcyt i wodorotlenek magnezu w postaci koloidalnej lub krystalicznej – nie wiążą kationów sodu i potasu, które pozostają w roztworze porowym i reagują ponownie z dolomitem – proces dedolomityzacji może naruszyć strukturę zbitego kalcytu i dolomitu
Reakcja alkalia-kruszywa
Najbardziej podatne na ekspansję alkaliczną z grupy skał węglanowych są wapienie dolomityczne i dolomity wapienne, a więc o zbliżonej zawartości kalcytu i dolomitu oraz o strukturze drobnoziarnistej z minerałami ilastymi w ilości >2%
Większa powierzchnia właściwa kryształów dolomitu ułatwia reakcję dedolomityzacji bardzo szybko zachodzi reakcja kryształów mniejszych od 2m
Reaktywność skały węglanowej może być również związana z obecnością w niej aktywnej krzemionki. Stopień reaktywności zależy od postaci krzemionki, np. obecność opalu w ilości 2% może spowodować nieprzydatność skały do produkcji kruszywa do betonów
Zabezpieczanie betonu przed reakcją alkalia-kruszywa
Stosowanie cementów o niskiej zawartości alkaliów, tj. takich aby zawartość alkaliów w cemencie w przeliczeniu na ekwiwalent sodowy (Na2Oe = Na2O + 0,658 K2O) była mniejsza niż 0,6%
Wymaganie to może być nie wystarczające przy stosowaniu dużej ilości cementu do betonu (należy wtedy brać pod uwagę całą ilość alkaliów, jaka znajduje się w 1m3 betonu)
Zawartość alkaliów (Na2Oe) w betonie mniejsza niż 1,8 kg/m3
uznawana jest za bezpieczną Zawartość alkaliów (Na2Oe) w betonie większa niż 3,0 kg/m3
jest zdecydowanie szkodliwa przy stosowaniu kruszyw reagujących z (Na, K)OH
Beton wysokowartościowy (BWW)
Kompozyt cementowy z kruszyw wysokiej klasy o optymalnym składzie ziarnowym, którego stosunek wody do cementu (w/c) jest mniejszy niż 0,38, a mieszanka betonowa zachowuje konsystencję ciekłą lub półciekłą przez nie mniej niż ok. 1 godz.
Beton wysokowartościowy (BWW) -właściwości
Bardzo wysoka wytrzymałość na ściskanie betony bardzo wysokowartościowe (BBWW), gdy fc > 100 MPa betony ultrawysokowartościowe (BUWW), gdy fc > 150 MPa
Doskonała trwałość (wynika z małej przepuszczalności)
Beton wysokowartościowy (BWW)
do BUWW zaliczane są także betony zbrojone włóknami stalowymi,
polipropylenowymi lub węglowymi (dobrze przenoszą naprężenia rozciągające i w ten sposób zmniejszają kruchość matrycy)
betony z proszkiem reaktywnym (nie zawierają kruszywa grubego), wytrzymałość na sciskanie może przekraczać 200MPa
Domieszki do BWW
Plastyfikatory (PL) Superplastyfikatory (SP) Dzięki domieszkom zachodzi dyspersja ziaren cementu,
uwalniając częściowo wodę, co jest równoznaczne ze zwiększeniem płynności
Bardziej homogeniczny układ ziaren cementu stwarza możliwość jednolitego przebiegu hydratacji cementu przy niskim W/C oraz zastosowania dodatków o bardzo dużej powierzchni właściwej
BWW zalety
Dobre właściwości mechaniczne Wysoka trwałość, np. na agresję chemiczną, działanie
mrozu, ścieranie Dobre właściwości reologiczne, takie jak konsystencja,
małe pełzanie i kurcz Korzyści ekonomiczne i ekologiczne
Reologia
Reologia (od gr. rhéos płynący) – dział mechaniki ośrodków ciągłych zajmujący się plastycznymi deformacjami (odkształceniami) oraz płynięciem materiałów
Termin reologia został zaproponowany przez Eugene'a Binghama w 1920 r. pod wpływem sugestii Markusa Reinera, zainspirowanej przez słynne stwierdzenie Heraklita "panta rhei", czyli "wszystko płynie"
Zastosowanie BWW
Budynki wysokie Słupy, których nośność poprawiona a przekrój może być
zmniejszony nawet o ponad 60%, szczególnie przy gęstym zbrojeniu poprzecznym
Trzony przenoszące główne obciążenia ściskające, w których jako w centralnej części budynków sytuuje się szyby windowe i klatki schodowe
Stropy płytowo-słupowe, o siatce nawet ponad 10x10m Fundamenty bezpośrednie i pośrednie
Mosty i wiaduktyNawierzchnie drogowe i lotniskowe
Beton specjalny
Jest odpowiednikiem betonu zwykłego, ale jednak o wymaganych specjalnych właściwościach gwarantujących korzystniejszą użytkową trwałość budowli
Specjalne właściwości betonu można osiągnąć poprzez optymalny ilościowo-jakościowy dobór składników C, W, K, Dod, Dom; oraz poprzez dokonywanie na najwyższym poziomie czynności technologicznych (dozowanie, mieszanie, transport poziomy i pionowy, zagęszczanie, dojrzewanie, pielęgnacja)
W niektórych przypadkach istnieje konieczność zastosowania nietypowych składników (spoiwa, dodatku)
Beton specjalny
Beton hydrotechniczny Beton do nawierzchni sztywnych Beton mostowy Beton ekspansywny Beton odporny na podwyższoną temperaturę
Beton hydrotechniczny
Przeznaczony do obiektów budownictwa wodnego, które pozostają w ciągłym lub okresowym kontakcie z wodą i zmiennymi warunkami pogodowymi
Jest zagrożony oddziaływaniem roślin wodnych, związków chemicznie agresywnych, ścieraniem przez piasek i okruchy skalne niesione przez wodę oraz płynące kry
Typowe konstrukcje to: nabrzeża, pomosty, falochrony, wieże i platformy wiertnicze, śluzy, zapory, zbiorniki na wodę lub ścieki
Beton hydrotechniczny
Bardzo duże przekroje poprzeczne występujące w konstrukcjach wodnych (b > 150 cm), w większości monolitycznych lub zespolonych (np,. prefabrykowane skrzynie, kręgi, płyty) wymagają stosowania cementów o małym cieple twardnienia i w możliwie najmniejszej ilości
Akumulowane ciepło w betonie podczas reakcji cementu z wodą podnosi
temperaturę i w ten sposób coraz bardziej przyspiesza reakcję cementu z wodą
Nadmierny przyrost temperatury (występujący głównie w części środkowej przekroju) wprowadza naprężenie wewnętrzne, których wartość tym wyższa im i większy i szybszy przyrost temperatury i im
większa jest różnica temperatur w przekroju elementu
Beton hydrotechniczny Warunek małego ciepła twardnienia cementu i wysokiej
trwałości betonu ogranicza wybór cementu do: portlandzkiego belitowego, o małej powierzchni właściwej, zawierającego
< 50% C3S i < 3% C3A cementu hutniczego CEM III/B cementu pucolanowego CEM IV/B cementu wieloskładnikowego CCEM V/B
Stosowanie dodatku upłynniaczy oraz domieszek napowietrzających (poprawia mrozoodporność)
Stosowanie kruszywa o max średnicy ziaren 63 mm W warstwie wewnętrznej dopuszczalne jest stosowanie
kruszywa o d~120 mm, a także układanie kamieni (d~300 mm) –układanie ręczne, tak żeby nie pozostawały ze sobą w bezpośrednim kontakcie
Beton do nawierzchni sztywnych
Przeznaczony do nawierzchni drogowych, lotniskowych, przemysłowych
Musi spełniać szczegółowe wymagania dotyczące trwałości, właściwości mechanicznych oraz odporności na ścieranie
Nawierzchnie drogowe i lotniskowe narażone są na działanie zmiennych czynników atmosferycznych (ogrzewanie przez promieniowanie słoneczne, ochładzanie, nasycanie wodą, wysychanie, zamarzanie/ odmarzanie, oddziaływanie soli chlorkowych stosowanych zimą), wysoką temperaturę z dysz silników (do 200°C), zmienny nacisk kół
Beton odporny na podwyższoną temperaturę
Wartość temperatury w zakresie 20-2000°C w obiektach eksploatowanych klasyfikuje beton jako:
Beton w czasie pożaru Beton żaroodporny i ogniotrwały
Beton odporny na podwyższoną temperaturę
Łączenie kruszywa ceramicznego zaczynem cementowym (beton średniej ogniotrwałości)
Łączenie kruszywa ogniotrwałego, w dwóch etapach przy stosowaniu małej ilości zaczynu cementowego, a później dodatkowo przez spojenie ceramiczne ziaren kruszywa podczas wypalania
Materiały budowlane a Ochrona Środowiska??
Self-cleaning concrete
Future city
Powierzchnie samoczyszczącePotencjalne zastosowania
Biurowce/drapacze chmur (aluminiowe panele) Hotele, centra konferencyjne, wieże, centra
handlowe, dworce kolejowe, pociągi Okna szklane (mogą tracić na przejrzystości!!) Panele z tworzyw sztucznych
Powierzchnie samoczyszcząceZALETY
Redukcja kosztów oraz trudności utrzymania w czystości
Automatyczne usuwanie/destrukcja zanieczyszczeń w atmosferze pochodzących ze spalin samochodowych – i tym samym lepsza jakość powietrza w aglomeracjach miejskich
Technologia przyjazna środowisku
Mechanizm fotokatalizy heterogenicznej
Potencjał utleniający rodników hydroksylowych – 2,74 V
rodniki OH
Tkaniny namiotowe impregnowane TiO2
Top Related