Systematyka betonów cementowych

Historia
Historia spajania materiału kamiennego różnymi
spoiwami i lepiszczami w celach budowlanych sięga kilku tysięcy lat p.n.e. Geneza materiałów wiążących i betonu jest szeroko opisywana we wstępach do większości monograficznych opracowań
o cemencie (np. Kurdowski – Chemia cementu
[26]) i betonie (np. Budownictwo betonowe pod
red. Bukowskiego [27] czy Właściwości betonu Neville’a [28]). Kalendarium dziejów cementu i betonu (ilustracja poniżej) nie wyjaśnia jednak
jednoznacznie podstaw etymologicznych dzisiejszego nazewnictwa funkcjonującego w obszarze
kompozytów mineralnych.
o
w
b
u
d
o
w
n
i
c
t
Systematyka
betonów cementowych (I)
Kalendarium wydarzeń z historii cementu i betonu (na
podstawie [8,9,26,27,29])
Podstawy systematyki betonów. Rodzaje betonów
W słownikach polskich beton pojawia się dopiero
w słowniku Rykaczewskiego (1866) [18] i w tzw.
„Słowniku warszawskim” Karłowicza (1900) [19].
W słowniku Lindego (1807-14) [20] słowo beton jeszcze nie występuje. Aktualne słowniki języka polskiego definiują beton następująco: Mieszanina piasku, żwiru lub innego kruszywa z roztworem cementu albo innych materiałów wiążących,
osiągająca po stwardnieniu dużą wytrzymałość
(Słownik języka polskiego pod red. S. Dubisza,
PWN, Warszawa 2006 [22]). Podobne są definicje w starszych słownikach Doroszewskiego [21],
Szymczaka [24] czy Zgółkowej [23]. We wszystkich współczesnych definicjach słownikowych beton definiowany jest więc z punktu widzenia jego
składników, a dopiero w dalszej kolejności głównych właściwości (zdolność wiązania, wytrzymałość).
We współczesnej systematyce betonów dwa wymienione najważniejsze kryteria – składniki i wła-
• Bliski Wschód – reakcja łupka naftowego i wapienia w wyniku samozapłonu – powstanie
naturalnego „kompozytu cementowego” (odkrycia geologiczne z lat 1960-70)
• Egipt – muł nilowy zmieszany ze słomą, zaprawą gipsową i wapienną w piramidach
• Chiny – spoiwa mineralne wapienno-popiołowe używane jako uszczelnienie łodzi
i budulec Wielkiego Muru
• Grecja – zaprawa wapienna (wapień, muszle, tuf santoryński)
przewyższająca wytrzymałością późniejsze zaprawy rzymskie
• Babilon i Asyria – asfalt naturalny jako spoina murów z kamienia
• Rzym – „caementum” z wapna palonego i popiołów wulkanicznych z Pozzuoli użyte jako spoiwo przy budowie Via Appia, Łaźni Rzymskich, Koloseum, Panteonu i mostu Pont du Gard;
wg Witruwiusza 1 cz. wapna + 4 cz. piasku, użycie krwi zwierzęcej i mleka jako domieszek
• ograniczenie użycia wapna palonego i pucolan na kilkaset lat
• Joseph Moxon, Anglia – opis procesu gaszenia wapna palonego
• Bry Higgins, Anglia – pierwszy patent na „cement hydrauliczny” (stiuki)
• John Smeaton, Anglia – wapno hydrauliczne – pierwsze spoiwo odporne na działanie
wody – użycie w remoncie Latarni Morskiej w Eddystone w Kornwalii
• James Parker, Anglia – patent na „naturalny cement hydrauliczny” – wypalanie wapienia zanieczyszczonego gliną – Cement Parkera lub Cement Romański
• Edgar Dobbs, Anglia – patenty na hydrauliczną zaprawę, stiuki i tynki, ale słabej jakości ze
względu na niewłaściwy proces wypału, początki spoiw w USA („cement” z Rosendale)
• Louis Vicat, Francja – pierwsze sztuczne wapno hydrauliczne z wapienia i gliny
• Joseph Aspdin, Anglia – patent na cement portlandzki: rozdrobniona
kreda i glina spiekane do pełnego uwolnienia CO2
• I.K. Brunel, Anglia – pierwsze inżynierskie użycie c.p. – naprawa Thames
Tunnel
• Isaac Johnson, Anglia – wypalanie c.p. w wyższej
temperaturze – klinkieryzacja
• Pierwsza cementownia w Polsce (Grodziec k. Będzina – 5. w Europie)
• Joseph Monier, ogrodnik miasta Paryż – zbrojenie drutem stalowym cementowych doniczek na kwiaty – początek żelbetu
46
• Henri Le Chatelier, Francja – proporcje tlenkowe klinkieru,
nazewnictwo (alit, belit), badania nad hydratacją
lipiec – wrzesień 2010
ściwości – stanowią łączną podstawę klasyfikacji
betonów na cztery rodzaje różniące się materiałem
wiążącym (także mechanizmem wiązania i twardnienia) – trzy główne: cementowe, żywiczne (polimerowe) i asfaltowe (rys. 1) oraz czwarty, obejmujący inne materiały o strukturze lub właściwościach podobnych do betonu, ale powstałe na bazie innych materiałów wiążących (np. siarkobeton,
gipsobeton).
Betony zaliczają się do materiałów kompozytowych (faza ciągła materiału wiążącego i faza rozproszona kruszywa oraz porów powietrznych), zatem powszechnie używane są także terminy: kompozyty mineralne (w tym cementowe), kompozyty
polimerowe i kompozyty asfaltowe.
Dalsza systematyka betonów powinna być rozpatrywana z uwzględnieniem zasadniczo różnej specyfiki trzech głównych rodzajów materiałów wiążących. Systematyka betonów polimerowych została opracowana w ramach działań RILEM Technical Committee TC-105. Obejmuje ona także zasady skrótowego (kodowego) zapisu odmian betonów
polimerowych przy pomocy ciągu liter, informujących kolejno o: obecności polimeru, sposobie jego
wprowadzenia do betonu, sposobie działania polimeru, rodzaju polimeru, zawartości i rodzaju porów w betonie [9]. Systematyka betonów asfaltowych, której podstawą jest opis struktury wynikającej z charakterystyki uziarnienia kruszywa (typy
MMA – betonowy, makadamowy i pośredni) jest
publikowana w wielu monografiach, np. [10].
Odmiany betonów cementowych
W obszarze betonów cementowych istnieje wiele klasyfikacji i podziałów, publikowanych w literaturze i zamieszczanych w normach. Przyjmują one zwykle tylko wybrane kryteria klasyfikowania i opierają się na różnych definicjach podstawowych pojęć. Elementy systematyki betonów
cementowych można znaleźć m. in. w pracach
Brandta [29], Jamrożego [30], Śliwińskiego [31],
Rusina [32], Małolepszego [33], Osieckiej [34],
Jasiczaka [35] i wielu innych autorów. Problemu systematyki nie podejmuje natomiast Neville
w swoich „Właściwościach betonu” [28].
Próbę pewnego usystematyzowania betonów podjął kilka lat temu Pietras [36], wykorzystując pojęcie „wartości betonu”, odnoszone do wypadkowej czterech „filarów” oceny betonu: przydatności
technologicznej, przydatności konstrukcyjno-funkcjonalnej, trwałości podstawowej w warunkach naturalnych i trwałości w środowisku agresywnym.
Celem tej systematyki była ocena jakościowa. Propozycja ta nie jest jednak przytaczana w późniejszych publikacjach.
Brak kompleksowej, wielokryterialnej systematyki
betonów cementowych rodzi pytanie o sens i potrzebę takiego porządkowania. Zdaniem autora
ogromna różnorodność terminologiczna funkcjonująca w dziedzinie betonów cementowych, zwłaszcza w zestawieniu z często spotykaną dowolnością
interpretacyjną terminów, prowadzi do nieporozumień i błędów zarówno w specyfikacjach technicznych jak i w wykonawstwie. Niezwykłe bogactwo
świata betonów i jego ciągły rozwój, prezentowany np. w postaci często publikowanej tzw. krzywej
rozwoju betonów wg Czarneckiego [14] są dodatbudownictwo • technologie • architektura
kowym argumentem przemawiającym za potrzebą
usystematyzowania.
Klarowna i kompleksowa systematyka powinna
stanowić podstawę wspólnego języka uczestników powstawania obiektów z betonu, którzy różnią się przygotowaniem, jak i zakresem potrzebnej wiedzy wynikającym z ich roli w procesie budowlanym. Warto tu podkreślić, że najpowszechniej stosowany beton monolityczny jest materiałem
szczególnym, ze względu na bardzo istotny udział
w kształtowaniu jego finalnych właściwości całego
łańcucha uczestników procesu budowlanego – poczynając od projektanta konstrukcji, poprzez producentów składników, wytwórcę i dostawcę mieszanki betonowej aż po wykonawcę robót na budowie. Wszystkie inne materiały konstrukcyjne (stal,
drewno, ceramika, prefabrykaty) trafiają do procesu budowlanego jako fabryczne wyroby o ustalonych właściwościach, relatywnie nieco mniej wrażliwe na warunki wykonawcze na budowie.
Pełna systematyka betonów cementowych powinna obejmować uwarunkowania wynikające
z trzech zasadniczych obszarów identyfikacji odmian betonów (rys. 2): składniki, właściwości,
trwałość, z jednoczesnym uwzględnieniem technologii wykonania betonu (produkcja, transport, wbudowanie).
Wyróżnione obszary odpowiadają podstawowym
formułom konceptualnym inżynierii materiałowej –
material concept i performance concept [37]. Niezależnie można rozpatrywać uwarunkowania formalne, które jednak z natury rzeczy mają charakter ograniczony lokalnie (branżowy, krajowy, europejski).
Można zatem wyróżnić 6 głównych kryteriów klasyfikacyjnych betonów cementowych (rys.1):
– składniki
– właściwości (użyteczność)
– zastosowanie (przeznaczenie)
– wytwarzanie i transport
– wbudowywanie
– specyfikowanie.
Każde z wymienionych kryteriów głównych może
stanowić podstawę dalszego systematyzowania odmian betonów, z zachowaniem dominującej roli tego kryterium. Układ graficzny systematyki
(rys. 3 – rys. 8) prowadzi od kryterium głównego
poprzez kolejne poziomy kryteriów pomocniczych
do nazewnictwa odmian betonów, umieszczonego
na ciemniejszych polach schematów. Stosowane
nazewnictwo zaczerpnięte jest z normalizacji (np.
recepturowy, zwykły) i podstawowej literatury fachowej (np. fibrobeton, beton wysokowartościowy) ale także z potocznego języka praktyków (np.
szybkowiążący, wysokocementowy). W wielu przypadkach brak ogólnie przyjętych wartości kryterialnych pozwalających systematyzować beton wg danej cechy, co sprawia, że terminy używane są raczej zwyczajowo niż formalnie. W wielu praktycznych aspektach działań budowlanych ostre granice klasyfikacyjne nie zawsze są jednak, zdaniem
autora, konieczne, zwłaszcza gdy stosowane słownictwo ma charakter pomocniczy przy określaniu
szczegółowych zasad technologicznych prowadzenia robót i pozwala zwrócić uwagę na istotną specyfikę poszczególnych odmian betonu.
Warto zwrócić uwagę, że tylko w nielicznych przy-
47
Rys. 1. Podstawy systematyki betonów
Rys. 2. Obszary identyfikacji odmian betonów cementowych
48
padkach dwa różne ciągi kryteriów klasyfikacyjnych prowadzą do praktycznie tej samej nazwy
materiału finalnego (przykładowo – kryterium:
składniki; kruszywo; ilościowo: „bezkruszywowy”
beton komórkowy oraz kryterium: właściwości;
faza eksploatacyjna; właściwości dojrzałego betonu: struktura porów – mikro
beton komórkowy).
Znacznie częściej występuje sytuacja, kiedy w wyniku dwóch ciągów kryteriów klasyfikacyjnych pojawiają się odrębne pojęcia, które jednak w powszechnym odczuciu praktycznym są prawie synonimami (przykładowo – kryterium: właściwości;
faza eksploatacyjna; właściwości dojrzałego betonu: gęstość
beton ciężki oraz kryterium: przeznaczenie; funkcja: konstrukcyjno-izolacyjna
beton do konstrukcji osłonowych przed promieniowaniem jonizującym). Jest to jeszcze jeden dowód
na bogactwo terminologiczne świata betonów i potrzebę jego porządkowania.
Kryterium: składniki
Podejście materiałowe (składnikowe) stanowi podstawową formę klasyfikowania materiałów budowlanych. Z punktu widzenia składników odmiany
betonu cementowego można sklasyfikować pod
względem rodzaju i ilości składników głównych
(spoiwo, kruszywo, dodatki) oraz pod względem
rodzaju domieszek i zbrojenia niekonstrukcyjnego
(rys. 3). W systematyce nie uwzględniono odmian
różniących się rodzajem wody zarobowej – np. wodociągowa, z własnego ujęcia głębinowego producenta, z recyklingu (tzw. popłuczyny). Klasyfikacja
ta ma jednak znaczenie właściwie tylko dla producentów betonu towarowego, ponieważ wszystkie
te rodzaje wody są traktowane jako zgodne z normą PN EN 1008. Odmiany wymienione na schemacie 3 stanowią przykłady nazewnictwa betonów
z każdej z grup, ale nie wyczerpują zakresu każdej z nich. Paradoksalnie klasyfikacja według kryteriów ilościowych jest z reguły „nieostra”, ponieważ w większości przypadków nie są ustalone ścisłe wartości kryterialne. Pojęcia „nisko-” i „wysokocementowe” są zwyczajowe i używane w różnych
kontekstach. W przypadku kruszyw kryterium ilościowe ma charakter całkiem umowny, ponieważ
termin „beton bezkruszywowy” odnosi się do betonów zawierających kruszywo, ale bardzo drobnych
frakcji, których rola często nie ogranicza się do
funkcji wypełniającej (np. popiołowy ABK, RPC).
W zakresie ilościowego podejścia do dodatków autorowi znana jest tylko jedna nazwa odmiany betonów – tzw. betony wysokopopiołowe (HVFAC), definiowane jako zawierające w spoiwie ponad 50%
popiołów lotnych.
Kryterium: właściwości
Klasyfikacja betonów ze względu na właściwości
(użyteczność) wymaga rozpatrywania zagadnienia
w odniesieniu do dwóch zasadniczych faz „życia”
betonu (rys. 4): technologicznej, obejmującej wytworzenie, transport, wbudowanie i dojrzewanie,
oraz eksploatacyjnej, związanej z docelowymi cechami betonu w użytkowanej konstrukcji.
W fazie technologicznej podstawą rozróżnienia odmian betonów są przede wszystkim cechy mieszanki betonowej związane z jej urabialnością
oraz cechy świeżego betonu związane z przebiegiem wiązania i twardnienia. Istotną cechą mieszanki betonowej jest także zawartość powietrza
celowo wprowadzonego. W odniesieniu do urabialności funkcjonuje klasyfikacja normowa wg PN EN
206-1 obejmująca klasy konsystencji, określane
wg czterech metod pomiaru. W powszechnym użyciu praktycznym jest także tradycyjne nazewnictwo opisowe konsystencji (ciekła, półciekła, plastyczna, gęsto plastyczna, wilgotna) czasem wzbogacane o dodatkowe kategorie ekstremalne (superciekła, konsystencja wilgotnej ziemi). Terminologia tradycyjna nie jest obecnie związana z żadnym aktualnym dokumentem odniesienia (ostatnim była norma PN B 06250:1988), ale ze względu na komunikatywne nazewnictwo i wieloletnią
tradycję będzie z pewnością jeszcze długo stosowana w praktyce. Zagadnienie utrzymywania konsystencji w czasie nie jest opisywane jednoznacznymi, ogólnie przyjętymi terminami. Zwykle podaje
się po prostu czas w minutach lub, tak jak to czynią producenci domieszek w swoich kartach technicznych, używa się ogólnych określeń jakościujących (długi, przeciętny, krótki). Również w zakresie napowietrzenia mieszanki betonowej stosowane jest tylko określenie podstawowe (napowietrzona) dla mieszanek, w których celowo wprowadzolipiec – wrzesień 2010
no pęcherzyki powietrza. W pozostałych przypadkach (tzn. mieszanek nienapowietrzonych) operuje się ewentualnie procentową zawartością powietrza, często określając je jako powietrze wprowadzone przypadkowo (uwięzione – ang. entrapped
air).
W zakresie właściwości twardniejącego betonu
głównym kryterium różnicowania jego odmian jest
rozwój wytrzymałości betonu. Wartością kryterialną, pozwalająca usystematyzować betony pod
względem tempa narastania wytrzymałości, może
być współczynnik, obliczany jako stosunek średnich wytrzymałości 2-dniowej i 28-dniowej (wg
PN EN 206-1 lub wg ENV 13670-1). Terminy opisujące przebieg wiązania (szybko-, wolnowiążący)
mają natomiast charakter potoczny i zwykle odnoszone są raczej do zapraw niż betonów.
W fazie eksploatacyjnej podstawą systematyki odmian betonu są właściwości użytkowe dojrzałego
betonu, które można zebrać w następujące grupy: gęstość, wytrzymałość, struktura porów, miary trwałości, wygląd powierzchni, ciepło hydratacji
i inne cechy. Gęstość, rozumiana jako gęstość objętościowa w stanie suchym, stanowi główną właściwość kryterialną betonów cementowych, pozwalającą na podział wszystkich betonów na trzy
odmiany: lekkie, zwykłe i ciężkie. Podział ten jest
traktowany przez wszystkich autorów opracowań
o betonie jako najogólniejszy, ze względu na odmienne zastosowanie, zasady technologiczne i metody badawcze dla tych trzech grup betonów.
Również w obecnej normie PN EN 206-1 podział ten jest traktowany jako nadrzędny w stosunku do pozostałych klasyfikacji, aczkolwiek większa część ustaleń normy jest zunifikowana dla
wszystkich trzech odmian gęstości. Drugim głównym kryterium eksploatacyjnej identyfikacji betonów jest ich wytrzymałość. Podstawowo jest
to wytrzymałość na ściskanie (klasy wytrzymałości wg PN EN 206-1), ale np. w normie PN EN
13877-2 dla betonu drogowego – także wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu. Wytrzymałość na ściskanie stanowi podstawę wyróżnienia betonów o normalnej wytrzymałości, wysokowytrzymałych BWW (ang. HSC, fr. BHR), bardzo
i ultrawysokowytrzymałych BBWW, BUWW (ang.
VHSC, UHSC), a także o kontrolowanej niskiej wytrzymałości (ang. CLSM). Granice są umowne, za
wyjątkiem wyróżnienia betonów o wysokiej wytrzymałości, do których wg PN EN 206-1 zalicza się
betony powyżej klasy C50/60 (LC50/55). W polskim słownictwie nie używa się zbyt szeroko terminu „beton o normalnej wytrzymałości”, często
spotykanego w językach zachodnich (ang. normalstrength concrete NSC, fr. béton à résistance normale BRN), a odnoszonego do betonów zgodnych
z PN EN 206-1 i niebędących betonami wysokiej
wytrzymałości. Często jest on zastępowany tradycyjnym terminem „beton zwykły” (w nawiązaniu
do kolejnych edycji krajowej normy PN B 06250),
który jednak dotyczy przede wszystkim określonego zakresu gęstości betonu, a dopiero w drugim
rzędzie – wytrzymałości.
Struktura porów jako kryterium wyróżnienia odmian betonów może być rozpatrywana w skali makro i mikro. W skali makro cecha ta jest podstawą wyróżniania trzech odmian betonu o zróżnicowanej makrostrukturze otwartych porów: jamisty,
półzwarty i zwarty. Najczęściej ta klasyfikacja jest
stosowana w odniesieniu do betonów lekkich, ale
jest także zasadna dla betonów o wymaganej przepuszczalności wody (drenaże, nawierzchnia przesiąkliwa). W skali mikro podstawą systematyki jest
charakterystyka niewielkich porów zamkniętych,
dotycząca zarówno ich ilości jak i sposobu powstawania (beton napowietrzony, beton komórkowy,
gazobeton, pianobeton).
Cechy charakteryzujące trwałość stanowią jedną
z podstaw oceny przydatności betonu do eksploatacji w różnorodnych środowiskach. W większoRys. 3. Odmiany betonu cementowego klasyfikowane
wg kryterium: składniki
49
budownictwo • technologie • architektura
ści przypadków nie ma w Polsce aktualnych dokumentów odniesienia formułujących zasady ogólnej
klasyfikacji betonów według tego kryterium. Kryteria są formułowane w odpowiednich normach
przedmiotowych, dotyczących np. określonych rodzajów konstrukcji czy wyrobów. Przykładami są
nowa norma na beton drogowy PN EN 13877-2,
podająca trzy klasy mrozoodporności betonu (FT0
-FT2), jednak bez odwołania do metody badawczej, czy normy na krawężniki PN EN 1340 i płyty
brukowe PN EN 1339, podające cztery klasy odporności na ścieranie (F, G, H, I). Istnieje ponadto
szereg lokalnych kryteriów klasyfikacyjnych o charakterze krajowym, np. szwedzka 4-stopniowa klasyfikacja mrozoodporności wg metody Boras (niedopuszczalny, dopuszczalny, dobry, bardzo dobry)
bądź litewska klasyfikacja mrozoodporności w krajowym uzupełnieniu do LST EN 206-1. Określenia z kategorii „miary trwałości” funkcjonują często także jako hasła opisujące ogólnie oczekiwany zbiór właściwości związany z warunkami eksploatacji (np. „beton mrozoodporny”), a nie jako
miary cech kryterialnych. W praktyce krajowej powszechnie stosowana jest ponadto kategoryzacja
odmian betonu wg wycofanej w 2003 roku normy
PN B 06250:1988, która podawała klasyfikację
stopni mrozoodporności (od F25 do F300) i stopni wodoszczelności (od W2 do W12). Stan ten wynika z braku nowszych wymagań, ale także z faktu, że zapisy oparte na tych klasyfikacjach znajdują się we wciąż obowiązujących branżowych aktach prawnych (Rozporządzenia Ministrów, Zarządzenia Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad itp.).
Do kategorii „trwałość” można także przypisać niektóre nowe rozwiązania w technologii betonu, nadające terminowi trwałość nową jakość, jak chociażby betony samonaprawialne czy samoczyszczące.
Kolejną grupą cech pozwalających wyróżniać specjalne odmiany betonu są cechy wizualne powierzchni. Charakterystyki te dotyczą betonów
eksponowanych w obiekcie w celach estetycznych
i obejmują teksturę (np. gładki), fakturę (np. z eksponowanym kruszywem), rysunek (np. fotobeton)
i kolor betonu, a ostatnio także zdolności do przepuszczania światła (LiTraCon).
Klasyfikacja betonów pod względem ciepła hydratacji jest przywoływana rzadko jako rozwinięcie
klasyfikacji cementów o niskim cieple hydratacji.
Spośród innych terminów używanych do scharakteryzowania odmian betonów z punktu widzenia
ich właściwości eksploatacyjnych należy zwrócić uwagę na pojęcie „wysokowartościowy” (ang.
high performance concrete, HPC), znaczeniowo
różne od pojęcia „wysokowytrzymały” (ang. high
strength concrete, HSC). Beton wysokowartościowy jest określany jako beton charakteryzujący się
zespołem wielu szczególnie dobrych cech, w tym
przede wszystkim wysoką trwałością i wytrzymałością. W praktyce te pojęcia są niesłusznie często utożsamiane, czemu sprzyja przyjęty w Polsce
skrót BWW, pasujący do obu terminów. W językach zachodnich rozróżnienie jest wyraźne, i tak
np. we francuskim funkcjonują określenia „beton
a haute resistance (BHR)” i „beton a haute performance (BHP)”. W sensie technologicznym często beton wysokiej wytrzymałości charakteryzuje się również wysoką jakością pod względem innych cech, ale nie zawsze jest to jednoznacznie
powiązane. Pojęcie betonu wysokowartościowego
(lepiej: betonu o wysokiej użyteczności wg Czarneckiego i Kapronia [37]) powinno stanowić odpowiedź na zbiór kryteriów użyteczności (w tym
także trwałości) dla danych warunków eksploatacji betonu, ale jak dotąd brak jest znormalizowanych procedur badania bezwzględnej użyteczności betonu.
dr inż. Piotr Woyciechowski
Katedra Inżynierii Materiałów Budowlanych
ciąg dalszy w nasępnym numerze
Rys. 4. Odmiany betonu cementowego klasyfikowane
wg kryterium: właściwości
50
lipiec – wrzesień 2010