7. Í mo ś ń w praktyce betonów o podwy szonych ... · j.jasiczak, p.mikołajczak –...

7. Możliwości zastosowań w praktyce betonów o podwyższonych właściwościach 1

J.Jasiczak, P.Mikołajczak – Technologia betonu modyfikowanego domieszkami i dodatkami Alma Mater

7. Możliwości zastosowań w praktyce betonów o podwyższonych

właściwościach 7.1 Wprowadzenie do zagadnienia W budownictwie betonowym stosowanie betonów o wysokiej wytrzymałości ma już półwieczną tra-dycję. Początki związane są przede wszystkim z konstrukcjami sprężanymi struno− i kablobetonowymi, które dla lepszego wykorzystania cech wytrzymałościowych stali sprężającej oraz zmniejszenia strat sprężenia muszą być wykonywane z betonów o wytrzymałości średniej ponad 40 MPa. Ta właśnie wy-trzymałość była przez lata granicą między betonami konstrukcyjnymi zwykłymi i wysokowytrzymałymi. Zastosowanie betonów wysokowartościowych do dużo bardziej rozpowszechnionych konstrukcji żelbe-towych było aż do lat 60−tych naszego stulecia raczej sporadyczne. Przyczyn takiego stanu rzeczy należy się dopatrywać w dobrej współpracy betonów zwykłych ze stalą miękką przy różnych stanach wytężenia konstrukcji. Znaczący był fakt, iż w większości przypadków wytrzymałość betonu była wystarczająca do przeniesienia działających obciążeń. Dla silnie obciążonych budynków przyjmowano, że optymalnym rozwiązaniem, jest stosowanie do wysokości ok. 20−tej kondygnacji szkieletu żelbetowego, a powyżej stalowego. Z biegiem czasu dostrze-żono, że rozwiązania te są jednak obarczone pewnymi mankamentami, do których należy zaliczyć nastę-pujące czynniki: • małą trwałość konstrukcji z betonów zwykłych w warunkach coraz bardziej skażonego środowi-

ska, • małą odporność ogniową konstrukcji stalowych oraz dużych kosztów ich zabezpieczeń, • relatywnie wysokie ceny konstrukcji stalowych w stosunku do konstrukcji żelbetowych [14]. Czynniki te oraz wysoki stopień rozwoju gospodarczego warunkujący rozwój nowych technologii w budownictwie w najbardziej uprzemysłowionych krajach świata wpłynęły na zmianę trendów w budow-nictwie, w dziedzinie technologii betonowych stosowanych np. w budowlach wysokich. W liczących się metropoliach świata wysokie ceny gruntów spowodowały dążność do wznoszenia coraz wyższych bu-dowli. W innej dziedzinie eksploatacja złóż ropy naftowej z dna mórz spowodowała rozwój potężnych konstrukcji platform wydobywczych typu „off−shore”, co miało znaczący wpływ na poszukiwanie no-wych generacji betonów wysokowartościowych. Do początku lat 80-tych wysoką wytrzymałość betonu uzyskiwano głównie przez staranny dobór tradycyjnych składników betonu (cement, kruszywo, dodatki i domieszki) oraz stosowanie odpowiednich technik zagęszczania mieszanki. Z początkiem lat 80−tych pojawia się nowa generacja betonów wysokowartościowych z dodatkiem pyłów krzemionkowych oraz superplastyfikatorów. W ten sposób możliwe okazało się uzyskanie tworzywa o znacznie zwiększonej wytrzymałości, małej nasiąkliwości i wodoprzepuszczalności oraz dużej mrozoodporności, co w efekcie składa się na znacznie większą trwałość tego materiału [14]. W dynamicznym rozwoju w tej dziedzinie przeszkadza brak podstaw normatywnych i zaleceń do ob-liczania konstrukcji z BWW. Dla przykładu wystarczy stwierdzić, iż na polskim gruncie ekstrapolacja dotychczasowych przepisów zawartych w normach PN−84/B−03264 i PN−88/B−06250, których tablice kończą się na klasie B−50, jest co najmniej ryzykowna. Zwłaszcza w sytuacji, gdy dane dla B40 i B50 budzą już pewne wątpliwości. Niewiele więcej prezentują Eurocode 2 (C 50/60) i projekt PN−ENV 1992. Najlepszym źródłem są dziś normy skandynawskie, głównie norweska NS 3473−1989, gdyż dotyczy be-tonów wysokowartościowych do B120 (czyli C105) [2]. Ilustracją tych słów niech będzie realizacja bu-dynku biurowca bankowego we Frankfurcie nad Menem (z betonu B85), albowiem konieczne tu było specjalne zezwolenie władz nadzoru budowlanego wskutek wykraczania poza obowiązujące normy. Mia-ło to miejsce w 1992 roku [3]. Trzeba także obiektywnie stwierdzić, że dotychczasowe coraz bardziej powszechne zastosowania fibrobetonu na świecie są także oparte w znacznie większym stopniu na wyni-kach poprzedzających je badań eksperymentalnych i na doświadczeniu inżynierskim, niż na analizach teoretycznych. Wynika to głównie ze złożonej struktury tego kompozytu i jego cech, odmiennych od konwencjonalnego betonu [60].



Zastanówmy się chwilę nad celowością stosowania betonów wysokowartościowych z punktu widzenia ekonomicznego. Betony te są niewątpliwie droższe od tradycyjnych, ale różnice kosztów nie przekraczają kilkudziesięciu procent. Niemniej wykonane z nich konstrukcje mogą okazać się tańsze od takich samych z materiałów o gorszych właściwościach [8]. Jest to podyktowane znacznymi oszczędnościami w ogólnej kubaturze budowli ze względu na możliwość zmniejszenia przekroju elementów, ponadto stosując beton o dużej wytrzymałości do silnie obciążonych elementów ściskanych możemy zaoszczędzić istotne ilości zbrojenia. Niebagatelne znaczenie ma także w dłuższej perspektywie czasu podniesienie trwałości wyko-nywanych elementów i konstrukcji w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami z betonów konwen-cjonalnych [25,60]. Koszt materiału stanowi tutaj typowe z punktu widzenia optymalizacyjnego kryterium konfliktowe. Albowiem podwyższenie wytrzymałości materiału, jego trwałości i urabialności podnosi cenę samego materiału, jednakże może pogorszyć inne właściwości mechaniczne i użytkowe. Dla przykładu zwiększe-nie wytrzymałości na ściskanie może łączyć się ze zwiększeniem kruchości materiału i zmniejszeniem krytycznych wartości mechaniki pękania, lepsza urabialność może wiązać się z pogorszeniem trwałości betonu, itd [8]. W dobie dominacji parametrów ekonomicznych stosowanie poszczególnych dodatków w zakresie modyfikacji właściwości betonu, podporządkowane powinno być efektywności ekonomicznej. Wstępnie ocenić ją można na podstawie empirycznie ustalonej nierówności uwzględniającej możliwość uzyskania tej samej wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach dla betonów o tej samej konsystencji i urabialności, bez wzrostu kosztów 1 m3. Naturalnie dotyczy to betonów z tych samych składników głównych (cement, kruszywo):

kx

x kk

x kk

kc

m d

d

c d

d

cm( . . )0 35 1351

1

2

2

+ ⋅ − ≥

gdzie: • xm − dodatek mikrokrzemionki w stosunku do masy cementu, • xd1 − wielkość dotychczas stosowanego dodatku lub domieszki do betonu (porównawczego) w stosunku do masy cementu, • xd2 − wielkość obowiązkowo stosowanego superupłynniacza w betonach z mikrokrzemionką w stosunku do masy cementu, • kc,d1,d2,m − koszt pozyskania 1 kg (cena, transport, praca i koszty

dodatkowych urządzeń przechowujących i dozujących), odpowiednio: cementu, dodatków lub domieszek, mikrokrzemionki.

W przypadku niespełnienia warunku nierówności należy wykonać doświadczalny test porównawczy pod kątem zespołu badanych właściwości uznanych za decydujące w warunkach pracy konstrukcji [54]. Wracając do głównego nurtu omawianych tutaj zagadnień zwróćmy uwagę na kierunki zastosowań BWW u liderów w tej dziedzinie w kontekście sytuacji jaka panuje w tym zakresie w rodzimym budownictwie. Największy rozwój badań i zastosowań praktycznych BWW i BBWW notuje się w Norwegii, USA, Japonii, Kanadzie, Francji, Szwecji. Jak już wspomniano najlepiej rozwiniętymi podstawami normatywnymi legitymuje się Norwegia i tam też imponujące są osiągnięcia w zastosowaniach BWW. Największe obiekty: konstrukcje platform wiertniczych, sięgające już obecnie 345 m poniżej poziomu morza (platforma Heidrun), a projektowane już do głębokości 450 m, wykonuje się z betonów C80, a coraz częściej z LC70 (z lekkim kruszywem LECA ze spiekanych glin). Podobnie godne uwagi są osiągnięcia norweskie w zakresie mostownictwa, np. przęsło mostu podwie-szonego „Skarnsundet” legitymuje się rozpiętością 530 m [3,14]. W tej dziedzinie intensywny postęp na-stąpił we Francji, gdzie w ostatnich latach wybudowano kilka dużych konstrukcji mostowych z betonów > B60, w tym także obiekty o niekonwencjonalnym rozwiązaniu, np. wiadukt „Sylaus” (1268 m długo-ści). To właśnie francuski most „Normandie” szczyci się najdłuższą rozpiętością przęsła środkowego (856 m) [60]. Ale już np. w przypadku nawierzchni drogowych z betonu prymat znów przypada Norwe-gom, gdzie beton C120 jest już stosunkowo powszechny. Jedynie w dziedzinie wysokiego budownictwa miejskiego, wobec zamiłowania Norwegów do obiektów niskich, oddali inicjatywę w tym polu USA i Japonii, a w Europie Niemcom [8]. Nieco więcej informacji na temat zastosowania BWW w budynkach wysokich zostanie przedstawionych w ostatnim punkcie tego rozdziału. Przechodząc na krajowy grunt w zakresie realizacji konstrukcji z BWW należy stwierdzić, że w tej dziedzinie nasze opóźnienie techniczne w stosunku do najbardziej rozwiniętych krajów świata wynosi



średnio ok. 10 lat. Nie mniej jednak nie musimy „przecierać” dróg prowadzących do wdrożeń mając do dyspozycji doświadczenia liderów w tej dziedzinie. Nie bez znaczenia jest także ożywienie badań doty-czących betonów wysokowartościowych przeprowadzanych w czołowych ośrodkach akademickich w kraju. W praktyce budowlanej rozwój technologii BWW prócz możliwości technicznych ograniczają ba-riery wynikające z zakorzenionych przyzwyczajeń i zahamowań mentalnych dotyczących nowych i śmia-łych rozwiązań. Nie zmienia to faktu, że proces rozwoju w tej dziedzinie jest nieuchronny [14]. 7.2 Zastosowanie betonów zbrojonych włóknami stalowymi lub syntetycznymi U podstaw uzasadniających użycie fibrobetonu na bazie włókien stalowych leży uzyskanie znacznie lepszej trwałości i cech użytkowych oraz znacznie mniejsza kłopotliwość robót (np. eliminacja dwuwar-stwowego narzucania betonu w przypadku stosowania konwencjonalnych siatek). Istotne znaczenie ma także zmniejszenie zużycia materiałów tradycyjnych, z nawiązką rekompensujące wyższą cenę jednost-kową tego kompozytu w porównaniu do konwencjonalnego betonu [60]. Z racji powyższych wyraźnie korzystnych cech, a zwłaszcza cech mechanicznych betony zbrojone włóknami stalowymi znalazły szerokie zastosowanie w budownictwie komunikacyjnym, przemysłowym i lądowym. Mam tutaj na myśli następujące dziedziny zastosowań: • nawierzchnie na odcinkach specjalnych dróg i autostrad, parkingach, przejściach granicznych,

miejscach pobierania myta na autostradach, na przystankach autobusowych, • nawierzchnie na mostach, • obudowa tuneli drogowych, kolejowych, górniczych, • betonowe szlaki kolejowe, • nawierzchnie lotniskowe − najbardziej obciążone: odcinki dróg startowych, drogi kołowania,

miejsca postojowe, i place prób, gdzie potrzebna jest odporność na wysoką temperaturę gazów odlotowych,

• drogi dla sprzętu ciężkiego i czołgów, • nawierzchnie terminali i nadbrzeży kontenerowych, • konstrukcje narażone na nagłe zmiany temperatur np. ogniotrwałe wymurówki pieców (włókna

ze stali nierdzewnych), • stabilizacja zboczy, • budowle wodne narażone na obciążenia dynamiczne np. jazy, bystrza, niecki wypadowe, falo-

chrony, przelewy, mola, • prefabrykaty betonowe: rury, kręgi, płyty, elementy przepustów, obudowa segmentowa tuneli

tarczowych, • obiekty specjalne: schrony, magazyny materiałów wybuchowych, skarbce, fortyfikacje, funda-

menty maszyn, • nawierzchnie związane ze starymi nawierzchniami [24,49,50]. W ostatnim okresie czasu można stwierdzić wyraźny wzrost zastosowań fibrobetonu z włóknami z tworzyw sztucznych oraz szkła alkalioodpornego, a także z włókien węglowych. Zapobiegając powsta-waniu rys skurczowych znajdują zastosowanie jako dodatek do torkretowania na mokro, do betonów na-rażonych na uderzenia, dodatek do wylewek stropowych i przy wylewaniu ścian monolitycznych i posa-dzek przemysłowych oraz jako zamiennik spawanych siatek stalowych w posadzkach. Producenci tego rodzaju włókien podają analogiczne dziedziny zastosowań, jak w przypadku włókien stalowych [51,60]. Fibrobetony na bazie włókien węglowych zastosowano na przykład w kilku obiektach budowlanych w Japonii, usytuowanych na terenach sejsmicznych. Fakt, że obecność włókien nadaje ciągliwość kruchemu betonowi wykorzystano w połączeniach słupów mostowych z przęsłami i fundamentami, aby uzyskać konieczną w tych warunkach podatność tych połączeń. Sposoby układania i pielęgnacji fibrobetonu nie odbiegają w zasadzie od tych, które stosujemy dla betonów tradycyjnych, włączając w to pompowanie i torkretowanie. Wymaga to naturalnie starannego doboru proporcji mieszanki, odpowiednich włókien oraz dodatków i domieszek. Zazwyczaj konkretne



zastosowanie jest poprzedzone próbami i badaniami, aby uzyskać założone efekty przy minimalnych kosztach materiałowych [60]. Na szczególną uwagę zasługuje szerokie zastosowanie fibrobetonu w postaci torkretu. Tak więc np. Skandynawowie ponad 70% robót torkretowych wykonują z zastosowaniem włókien. Wynik ten jest po-dyktowany zaletami betonów tak modyfikowanych, o których już wspomniano (eliminacja siatek, zmniejszenie strat materiału, niższa pracochłonność). Najczęściej jest stosowana metoda „na mokro”. W Japonii, z uwagi na szczególnie częste zastosowanie fibrobetonów do torkretowania (głównie do budowy tuneli), opracowano w latach 80−tych metodę łączącą zalety metod „suchej” i „mokrej” [60]. Przejdźmy do zastosowań fibrobetonu na gruncie krajowym. Od drugiej połowy lat 60−tych zastoso-wano ten modyfikowany beton do obudowy wyrobisk górniczych, czy też do budowy i naprawy funda-mentów pod młoty udarowe. Nie były to jednak działania na szeroką skalę, lecz raczej incydentalne.

Rys. 7.1 Główne kierunki zastosowań fibrobetonu z Japonii [60] Ostatnio fibrobeton zastosowano jako warstwę ochronno−spadkową w moście kolejowym oraz do bu-dowy płyty podtorowej w warszawskim metrze. Zastosowano tutaj włókna polipropylenowe, aby położyć ponad 500 m podtorzy, nie narażonych na pęknięcia i rysy skurczowe betonu [23]. Główną dziedziną za-stosowań w Polsce betonów zbrojonych włóknami są posadzki przemysłowe. Jednak zainteresowanie fibrobetonem jest u nas w sensie aplikacyjnym dość ograniczone, co pozostaje w wyraźnej sprzeczności z tendencjami światowymi. Obserwacja tendencji rozwojowych pozwala przypuszczać, że skala zastosowań różnych odmian fi-brobetonu będzie w najbliższych latach wzrastać. Pewne sygnały wzrostu zainteresowania tym kompozy-tem można zauważyć i w Polsce. Dobrze pojęta analiza ekonomiczna wskazuje, że jest to materiał przy-noszący wymierne oszczędności konstrukcyjne i eksploatacyjne. Teza ta znajduje swe potwierdzenie w zastosowaniach w krajach uprzemysłowionych, o ugruntowanej gospodarce rynkowej. 7.3 Zastosowanie betonów modyfikowanych mikrokrzemionką i superplastyfika-

torami − betonów wysokowartościowych 7.3.1 Dziedziny podstawowych zastosowań



Przedstawione tutaj zostaną propozycje systematyki zasadniczych kierunków zastosowań betonów modyfikowanych dodatkiem mikrokrzemionki i domieszką superplastyfikatora, zilustrowanych potwier-dzającymi je przykładami. Beton narażony na ścieranie erozyjne. Pierwsze większe zastosowanie mikrokrzemionki i upłynnia-czy do betonu w celu podniesienia odporności na ścieranie erozyjne miało miejsce w USA przy naprawie tamy Kinzua (zachodnia Pensylwania), gdzie o użyciu tego materiału zadecydowały wnikliwe badania laboratoryjne. Wytrzymałość 28 dniowa tego betonu wynosiła ok. 86 MPa przy udziale 18% pyłów krzemionkowych. Inspekcja wykonana po 7 latach tj. w roku 1990 wykazała bardzo nieznaczne zmiany elementów naprawionych, zdecydowanie mniejsze niż w przypadku betonów konwencjonalnych. Beton z mikrokrzemionką zastosowano także do naprawy dolnego sklepienia rzeki Los Angeles − uszkodzone-go erozyjnie. Stosowano tutaj zróżnicowaną ilość pyłów krzemionkowych uzyskując wytrzymałość na ściskanie 55÷72 MPa. Inne przykłady to naprawa tuneli Lowell Creek na Alasce (beton B70), naprawa jazów spływowych w stanie Idaho i Nowy Meksyk, czy wzmocnienie linii brzegowej jeziora Eire [73,75]. Beton odporny na ścieranie. Ze względu na dużą odporność na ścieranie beton modyfikowany głów-nie mikrokrzemionką znalazł zastosowanie na podłogi przemysłowe. Z kolei beton o bardzo wysokiej wytrzymałości 28 dniowej rzędu 138 MPa wykorzystuje się do budowy silnie obciążonych i narażonych na intensywne ścieranie pasów startowych np. w bazach sił powietrznych. Kolejnym zastosowaniem tak modyfikowanych betonów jest warstwa zewnętrzna nawierzchni mostowych (alternatywa dla modyfikacji lateksem) dzięki zwiększonej odporności na przenikanie chlorków do stali zbrojeniowej, zwiększonej odporności na ścieranie oraz zwiększenie wczesnych i późnych wytrzymałości. W samych Stanach Zjed-noczonych na przestrzeni kilkunastu ostatnich lat odnotowano ponad 100 realizacji w tym zakresie. Oprócz nawierzchni mostowych pył krzemionkowy i upłynniacze stosuje się także do elementów kon-strukcyjnych mostów. Wreszcie bardzo istotną dziedziną zastosowania są tutaj nawierzchnie drogowe w miejscach szczególnie narażonych na ścieranie. Norweskie badania eksperymentalne wykazały, że takie nawierzchnie z betonu wysokowartościowego charakteryzują się w praktyce 2÷3 razy większą odporno-ścią na ścieranie (przy udziale mikrokrzemionki 7.5÷10%) niż tradycyjne nawierzchnie z betonu asfalto-wego. Stopień ścieralności w funkcji wytrzymałości betonu ilustruje wykres 7.2. Odporność na ścieranie zadecydowała także o zastosowaniu betonów wysokowartościowych do pro-dukcji podkładów kolejowych podlegających ścieraniu piaskiem niesionym przez wodę, czy wiatr [68,73,75].

Rys. 7.2 Wpływ kostkowej wytrzymałości na ścieralność betonu i na ściskanie [68]

Beton z kruszywami reaktywnymi. Pyły krzemionkowe są z powodzeniem stosowane do zapo-biegania szkodliwej ekspansji wynikającej z reakcji alkalia−krzemionka w betonie. W porównaniu z in-nymi materiałami wykorzystywanymi w tym celu (popioły lotne, naturalne pucolany) mikrokrzemionka jest najefektywniejsza. Efekty na polu walki z korozją alkaliczną są bardzo widoczne, choćby w Islandii, gdzie od 1979r. nie odnotowano podyktowanej nią destrukcji betonu [75]. Beton o zredukowanym cieple hydratacji. Betony wysokich wytrzymałości charakteryzują się wy-sokim poziomem dozowania cementu, co wskutek wydzielanego ciepła hydratacji cementu powoduje samoocieplenie betonu. Powoduje ono spadek jego wytrzymałości o 10÷15% w stosunku do betonu tęże-jącego przez 28 dni w temperaturze normalnej 20°C. Z tej racji pyły krzemionkowe są stosowane jako zmiennik części cementu w celu zmniejszenia ilości ciepła wydzielanego podczas hydratacji. Aspekt ten



był decydujący w przypadku zastosowania betonu modyfikowanego mikrokrzemionką na potrzeby mostu Tjorn w Szwecji i tamy Alta w Norwegii [14,75]. Beton odporny na korozję chemiczną. Podwyższona gęstość matrycy zaczynu cementowego przy udziale mikrokrzemionki oraz plastyfikatora, pozwala uzyskać zmniejszoną przepuszczalność betonu, co uodparnia go na wpływ szkodliwych substancji, będąc atutem przy zapobieganiu różnym formom korozji chemicznej. Chociaż zastosowanie pyłów krzemionkowych nie eliminuje całkowicie destrukcji spowo-dowanej działaniem agresywnych czynników chemicznych, to zdecydowanie wydłuża okresy między kolejnymi naprawami. W tego rodzaju zastosowaniach dodatek pyłów krzemionkowych wynosi w grani-cach 10÷18% w stosunku do masy cementu. Szerokie pole zastosowań istnieje tu np. w zakresie posadzek przemysłowych, poddanych działaniom kwasów, w przemyśle chemicznym, spożywczym i in. Jedną z najistotniejszych dziedzin, gdzie możliwości zastosowania betonów wysokowartościowych, modyfiko-wanych mikrokrzemionką i superplastyfikatorami są bardzo szerokie, jest środowisko, w którym zachodzi penetracja jonów chlorkowych. Zredukowana przepuszczalność zmniejsza możliwość przenikania tych jonów wgłąb betonu, co jest w wielu krajach wykorzystywane do walki ze skutkami działania na beton soli odladzających. Szczególne świadectwo dużej odporności na wpływ chlorków daje statek „Crete Jo-ist”, który ponad pół wieku temu osiadł u wybrzeży Norwegii i poddawany jest nieustannie wpływom wody morskiej, mgły i przemarzaniu. Burty ma wykonane z żelbetowych płyt na bazie betonu o wytrzy-małości na ściskanie 75 MPa, a w niektórych żebrach nawet 120 MPa. Mimo tak długiego okresu oddzia-ływania czynników agresywnych zjawiska korozyjne zachodzą tutaj w bardzo niewielkim stopniu, a struktura betonu zachowała się w nadzwyczaj dobrym stanie. Dzięki omawianym tutaj właściwościom betony tak modyfikowane znalazły swe kolejne zastosowania przy budowie parkingów nowych i renowa-cji już istniejących (wyłożenie zewnętrznej warstwy grubości siedemdziesięciu kilku milimetrów, co w zupełności wystarczy zważywszy kilku lub kilkunasto milimetrową przenikalność chlorków przy użyciu mikrokrzemionki rzędu 5÷15%). Z tych samych względów betony wysokiej wytrzymałości znajdują sze-rokie zastosowanie do budowy nawierzchni mostów, które uodparniają na cykle zamarzania i tajania oraz na działanie soli odladzających. Ponadto betony takie stosuje się w różnego rodzaju zbiornikach na sub-stancje chemiczne, gdzie stanowią dodatkowe zabezpieczenie przed ich uwolnieniem [63,68,75]. Betony natryskowe − torkret. O zastosowaniach betonów modyfikowanych pyłem krzemionkowym oraz upłynniaczami decydują takie cechy jak urabialność, kohezyjność, wczesna wytrzymałość, dobra adhezyjność w stosunku do podłoża, niska przenikliwość, trwałość i wysoki poziom wytrzymałości. Spójrzmy dla przykładu jaki efekt dało zastosowanie mieszanek betonowych typu torkret zawierających także pyły krzemionkowe, do kotwiczenia kabli w betonie sprężonym. Torkret z pyłami był łatwiej pom-powalny, a kable zostały sprężone znacznie wcześniej i lepiej niż przy torkrecie bez pyłów. Na rynku amerykańskim są już producenci, w których ofercie znajduje się bezskurczowy beton pompowalny z do-datkiem mikrokrzemionki. Betony natryskowe modyfikowane w sposób tutaj omawiany, znajdują szero-kie zastosowanie do budowy tuneli, tak komunikacyjnych jak i odprowadzających wodę z gór. Prym wiodą tutaj z oczywistych względów takie państwa jak Austria, Szwajcaria, gdzie wykonuje się tunele mające od kilkuset do kilku tysięcy metrów długości [73,75]. Betony o wysokich wczesnych wytrzymałościach. Coraz bardziej docenianą właściwością wysoko-wytrzymałego betonu jest szybki wzrost wytrzymałości. Świadczy o tym wykres 7.3. Beton „in situ” o wysokiej wytrzymałości. Jak wiemy pyły krzemionkowe z dodatkiem odpowied-niej ilości superplastyfikatora są niezbędne do produkcji betonów klasy BWW i BBWW. Znalazły one szerokie zastosowanie przy wznoszeniu budynków wysokich, zwłaszcza w USA, o czym będzie mowa później. Dość powiedzieć, że w Seattle pyły krzemionkowe i upłynniacz zastosowano do wykonania be-tonu o wytrzymałości 131 MPa i module sprężystości 48 GPa [75].



Rys. 7.3 Wzrost wytrzymałości dla mieszanki B35 i B105 [68]

Beton prefabrykowany o wysokiej wytrzymałości. Dzięki modyfikacji betonu tak pyłem krzemion-kowym jak i superplastyfikatorami można podnosząc wytrzymałości niektórych elementów betonowych zredukować ich przekroje, co znacznie ułatwia transport i montaż [75]. Analogicznie można potraktować prefabrykowane elementy ramowe dla budowy biurowców, słupy oraz sprężone dźwigary o niewielkich wysokościach [69]. W elementach prefabrykowanych dodatek mikrokrzemionki pozwala uzyskać beton o 18 godzinnej wytrzymałości w granicach 21÷48 MPa. Szybki wzrost wytrzymałości daje możliwość szybkiego i pewnego użycia form. Wykorzystano ten fakt przy budowie parkingu na lotnisku w Montre-alu, do produkcji 3000 elementów prefabrykowanych. Z kolei producenci skarbców stosują beton z mi-krokrzemionką i domieszkami upłynniającymi oraz specjalnym kruszywem dla uzyskania betonów o wy-trzymałości w granicach 83÷138 MPa i wyższej [75]. Zatrzymajmy się chwilę przy tak szczególnym zastosowaniu prefabrykowanych elementów z BWW jak budowa tuneli. W tym przypadku prócz wymagań dotyczących wytrzymałości samego betonu, na pierwszy plan wysuwa się zadanie dużej trwałości w środowisku agresywnym. Obecne tendencje w budowie tuneli to prefabrykacja obudowy przy wymaganiach łatwości produkcji setek tysięcy elementów składowych płaszcza tunelu. W efekcie żąda się betonów o zredukowanym do maksimum stosunku W/C i doskonałej urabialności. Wobec tego odpowiednio modyfikowane betony wysokowartościowe znalazły zastosowanie np. w budowie tuneli szybkiej kolei francuskiej TGV wznoszonych w kierunku Atlantyku, gdzie użyto ponad 50 tys. elementów prefabrykowanych o średniej wytrzymałości betonu 57 MPa. Wysoka wytrzymałość betonu umożliwiła uzyskanie cieńszych elementów obudowy o znacznie zredukowanym ciężarze. Największym przedsięwzięciem budowlanym ostatnich lat była budowa tuneli pod kanałem La Manche. Są to trzy tunele, gdzie największy ma średnicę 7,6 m wykonane na głębokości 90 m pod lustrem wody. Tylko ze strony francuskiej wykonano ponad 200 tys. odcinków o dł. 1.5 m z betonu klasy 45÷55 MPa (stosunek W/C wahał się tutaj od 0.32 do 0.35). Ze względu na zmiany grubości obudowy ze strony angielskiej prefabrykaty miały wyższą średnią wytrzymałość kostkową, bo wynoszącą 75 MPa [11]. Zwróćmy jeszcze uwagę na to, jakie możliwości daje stosowanie betonów wysokowartościowych w odniesieniu do typowych rozwiązań prefabrykowanych, strunobetonowych belek mostowych realizowanych w USA. Możliwe jest więc znaczne zwiększenie rozpiętości przęseł przy zachowaniu standardowych wymiarów przekroju poprzecznego belek. Ponadto możliwa jest znaczna redukcja liczby belek w przęsłach mostowych, ponieważ zwiększenie wytrzymałości betonu pozwala na zwiększenie rozstawu belek w przekroju poprzecznym konstrukcji. Wynikające stąd oszczędności można oszacować na ok. 40%. Ostatecznie większa jest także efektywność sprężania przy wzroście wytrzymałości betonu belek [68]. Jak wykazały doświadczenia holenderskie, w przypadku betonowego mostu na Renie, podniesienie wytrzymałości betonowego łuku z B45 do B80 pozwoliło dzięki zmniejszeniu jego wymiarów na osiągnięcie oszczędności rzędu 1/3 całości nadbudowy [68]. Beton lekki. Modyfikowany beton lekki znajduje coraz szersze zastosowanie w budowlach morskich, mostownictwie (np. w Norwegii wykonano 5 mostów o rozpiętości 220 m każdy z betonu lekkiego z mikrokrzemionką o wytrzymałości 55÷65 MPa), do budowy nawierzchni parkingowych, czy też do produkcji płyt dachowych (Norwegia i Stany Zjednoczone) [75]. Betony do budowli morskich i przybrzeżnych. Jak już opisano wcześniej betony z dodatkiem mi-krokrzemionki i domieszką superplastyfikatora wykazują dużą odporność na penetrację jonów chlorko-wych, co stwarza możliwość ich wykorzystania w budownictwie morskim. Przykładem mogą tu być trzy



mosty na Jeziorze Słonym. Także torkret z mikrokrzemionką jest stosowany do napraw w środowisku wody morskiej. Kolejnymi zastosowaniami omawianych tutaj betonów mogą być ściany betonowe w elektrowniach wykorzystujących energię ruchu fal morskich do wytwarzania energii elektrycznej. Wreszcie niezwykle istotną dziedziną zastosowań tych betonów są konstrukcje platform przybrzeżnych np. na szelfie kontynentalnym Morza Północnego. Pierwsza z nich Ekofisk−1 stojąca na głębokości 70 m wykonana została z B50. Od tego czasu powstało do dziś 25 platform na tym szelfie o głębokości od 70 do 345 m. Określone minimum 28 dniowej wytrzymałości podniesiono do B75. Co ciekawe decydującym kryterium wyboru mieszanki betonowej jest tutaj urabialność, dopiero na drugim miejscu jest wytrzyma-łość korzystna dla trwałości. Przyczyna leży w znacznym zagęszczeniu zbrojenia utrudniającego dobre zagęszczenie. Zazwyczaj ilość zbrojenia wynosi 300÷500 kg/m3, tylko miejscowo wzrasta do 800÷1000 kg/m3. Dodatkiem do tego jest zabetonowane wyposażenie mechaniczne. Najlepszą urabialność osiągnię-to dla relatywnie niskiego dodatku mikrokrzemionki, rzędu 2÷3% (wyższe zawartości procentowe pro-wadziły do lepkiego betonu utrudniającego deskowanie) [68,75]. Płynne mieszanki betonowe. Poprzez odpowiedni dobór mikrokrzemionki i superplastyfikatora mo-żemy uzyskać beton płynny, co pozwala wyeliminować mechaniczne zagęszczenie mieszanki. Uzysku-jemy ponadto bardzo jednolity beton, pozbawiony defektów strukturalnych. Wysoko wytrzymały beton otwiera nowe perspektywy, zapewniając wysoką plastyczność zaprawy betonowej nawet w zadeskowa-nych, względnie niedostępnych miejscach, jak i w obszarach gęstego uzbrojenia. Wysoka jednolitość i jakość tak zaprojektowanego betonu predystynuje go do wykorzystania w celu wykonania wymagających najwyższej jakości i trwałości fasad, szczególnie tych o bardziej skomplikowanej linii i formie [68].

Rys. 7.4 Zmiany ilości zbrojenia w żelbecie platform. na przestrzeni czasu [68]

7.3.2 Zastosowanie BWW w konstrukcjach szkieletowych 1. Szkielety belkowo−słupowe W klasycznych konstrukcjach szkieletowych, zwłaszcza w przypadku dużych rozpiętości i znacznej liczby kondygnacji, główne ustroje nośne przejmują poważne obciążenia. Efektywne wykorzystanie be-tonu wysokowartościowego w szkieletach belkowo−słupowych (monolitycznych lub prefabrykowanych) dotyczy głównie słupów, a zwłaszcza słupów niższych kondygnacji w budynkach wysokich. W USA oraz Kanadzie znalazły zastosowanie słupy, których wytrzymałość była stopniowana na wysokości obiektu. Prosty typ szkieletu oparty na BWW, stosowany nawet w kilkukondygnacyjnych budynkach to norweski system OHS. Istotny w tym wypadku jest sposób połączenia belek z słupami (na zaczep) powodujący duże koncentracje naprężeń w węzłach, co stanowi o konieczności stosowania tutaj betonów BWW. Po-łączenie takie musi przenieść reakcje od belek do 500 kN [2]. Szersze zastosowanie BWW w szkieletach belkowych, może być efektywne w wypadku konstrukcji zespolonych, w skład których wchodzą prefabrykaty z BWW i wykonane z betonu o przeciętnej wytrzy-



małości uzupełnienia monolityzujące. Już przy kilkukondygnacyjnym budynku, w którym słupy, belki szkieletu i elementy stropowe wykonane są głównie z betonu o przeciętnej jakości (B20÷B25) z niewiel-kim udziałem elementów sprężonych (B35÷B40), powstające siły wewnętrzne są bardzo wysokie i decy-dują o dużych przekrojach szkieletu, a zwłaszcza słupów. Rośnie zdecydowanie ciężar własny konstruk-cji. Przeprowadzona w tym wypadku analiza wykazała, że przy zachowaniu ogólnego charakteru szkiele-tu, w słupach korzystniej będzie zastosować beton B60. Należy także podnieść wytrzymałość w przypad-ku prefabrykowanych elementów stropowych (do B80). W efekcie przekonstruowania elementów przed-stawianego systemu w wypadku zastosowania BWW jawi się możliwość redukcji ciężaru całego szkieletu o ok. 18%, a przede wszystkim pożądanego ze względów funkcjonalnych zmniejszenia wymiarów prze-kroju słupów i wysokości konstrukcyjnej stropów. Zastosowanie BWW w wysokich lub o dużych roz-stawach podpór szkieletach belkowych wyznacza nowe możliwości rozwiązań, dotąd uznawane za niemal niemożliwe technicznie lub ekonomicznie. Specyficzną grupę stanowić tu będą szkielety o wymaganej dużej podatności poziomej ze względu na wpływy dynamiczne, np. na terenie szkód górniczych. Przykła-dem mogą tutaj być budynki bezścianowe, jak choćby wielopoziomowe parkingi. Konieczne są tutaj słu-py o dużej nośności i o niskiej sztywności zginania, odporne na wielokrotne wpływy poziome. Optymal-nym rozwiązaniem będą tutaj sprężone słupy z betonu o podwyższonych parametrach, które zachowując niewielki przekrój, przeniosą bezpiecznie momenty zginające dzięki sprężeniu, a znaczne siły ściskające właśnie dzięki wysokiej wytrzymałości betonu [2]. 2. Szkielety płytowo−słupowe Już lata 60−te przyniosły pierwsze próby ze szkieletami płytowo-słupowymi o konstrukcji zespolonej, w których prefabrykowane były głowice z betonu wysokiej wytrzymałości, obwodowo sprężane. Inne rozwiązanie zaproponowali Norwegowie w stropach grzybkowych ze słupami i głowicami wykonanymi z BWW. Co ciekawe założono, że słupy będą miały wysokość 3 kondygnacji. W ustrojach płytowo słupo-wych bez głowic fragmenty przypodporowe płyt stropowych są najbardziej wytężone. Duże siły ściskają-ce występują także w słupach niższej kondygnacji. Skłania to do konstruowania szkieletu zespolonego, gdzie słupy i części przypodporowe wykonane będą z betonu wysokowartościowego jako prefabrykaty, a same płyty stropowe, jako monolityczne z betonu zwykłego. W ustrojach płytowo−słupowych wykony-wanych metodą podnoszenia stropów także bardzo wskazane jest wprowadzenie BWW, zwłaszcza w słu-pach. Są one bowiem zazwyczaj prefabrykowane i zwykle mają wysokość kilku kondygnacji. Celowość stosowania w słupach betonu BWW warunkują: • znaczna długość poziomo transportowanych elementów, • sprężenie istotne tak w fazie realizacji jak i eksploatacji, • lokalne osłabienia, wycięcia na obwodzie, • koncentracja sił w miejscach zamocowania płyt stropowych. Konkludując należy stwierdzić, że zastosowany w dotychczasowych realizacjach beton B40 w tego ro-dzaju obiektach jest wystarczający, wszakże wymaga dużych wymiarów przekroju. Pożądana z punktu widzenia ekonomicznego i funkcjonalnego redukcja wymiarów wymaga wprowadzenia betonów wyso-kowartościowych [2]. 7.3.3 Zastosowanie BWW w budynkach wysokich Nierozerwalnie z rozwojem betonów wysokiej jakości wiąże się ich zastosowanie w konstrukcjach nośnych budynków wysokich, dotyczy to zwłaszcza słupów, dla których wysoka wytrzymałość jest za-wartą w projekcie cechą konstrukcyjną. Zredukowane wymiary wąskich słupów w budynkach tych są podyktowane nie tyle względami estetycznymi, co głównie ekonomicznymi. Redukcja przekroju słupa w budynku mającym kilkaset metrów wysokości, zlokalizowanym w samym centrum jednej ze światowych metropolii pozwala wygospodarować dodatkowy metraż do wynajęcia, co przy astronomicznych staw-kach czynszu w takich miejscach ma swoje znaczenie. Ponadto wysokowytrzymały beton daje korzyść w postaci większej sztywności materiału, wpływającej na zmniejszenie odkształceń wysokich i wąskich struktur. Przykładem na istotność wzrostu wytrzymałości betonu dla projektu słupa niech będzie kolumna wykonana na pewnym odcinku swej wysokości z B120, co pozwoliło zredukować przekrój z 70x70 cm (dla B60) do 40x40 cm, a tym samym oznacza to obniżkę o 32% oryginalnej powierzchni przekroju [68]. Jak widać jednym z podstawowych parametrów warunkujących rozwój budynków wysokich, jest sto-sowanie w coraz szerszym zakresie BWW. Przykładem możliwości w tej dziedzinie niech będzie projekt



budynku „Miglin−Beitler−Tower”, którego wysokość miała być rekordowa: 609 m. W słupach szkieletu zewnętrznego sięgających 110 kondygnacji zaproponowano użycie betonu o wytrzymałości ok. 100 MPa.

Rys. 7.5 Miglin Beitler Tower: przekrój pionowy i rzut typowej kondygnacji [28]

W początkowym okresie rozwoju budynków wysokich preferowanym materiałem do konstrukcji była stal. Mimo niewątpliwych zalet beton przez długi czas nie był brany pod uwagę, głównie ze względu na swój ciężar. Przekroje słupów i stosunek powierzchni przekroju do objętości wskazywały, że stosowanie konwencjonalnego betonu np. B25 jest nieekonomiczne w odniesieniu do budynków wysokich. Dopiero lata 50−te tego stulecia pozwoliły na opanowanie technologii wytwarzania betonu o wytrzymałości 36 MPa, uważanego wówczas za BWW. Dzięki temu wzniesiono w 1959 r. w Chicago „Executive House Hotel” o wysokości ok. 110 m. Odtąd dzięki uzyskiwaniu coraz większych wytrzymałości betonu możliwe było wznoszenie betono-wych budynków o coraz większej wysokości. W latach 1972−84 wzniesiono w USA 20 budynków o wy-sokości powyżej 30 kondygnacji z użyciem betonu klasy C60. Zaczęły padać kolejne rekordy wysokości osiągane w grupie budynków o konstrukcji wykonanej z betonu wysokowartościowego, a pod koniec lat 80−tych i w latach 90−tych bardzo wysokowartościowego [68]. Przykłady zastosowań betonów wysoko-wytrzymałych i bardzo wysokowytrzymałych do wznoszeniabudynków wysokich zaprezentowano na rysunku 7.6. W kilku przytoczonych niżej przykładach skrótowo scharakteryzowano przyjęte rozwiązania kon-strukcyjne oraz dane na temat praktycznego zastosowania BWW w budownictwie wysokościowym. Dane te dotyczą wprawdzie głównie lidera w tej dziedzinie − USA, ale także mamy przykłady z Niemiec i Hong−Kongu.



Rys. 7.6 Przykłady zastosowania BWW [32]

1. One Shell Plaza − Houston, Texas, USA. Budynek liczy 217 m wysokości (52 kondygnacje). Jest najwyższym w świecie budynkiem,

w którym zastosowano wysokowytrzymały beton lekki. Konstrukcję stanowi tzw. „trzon w trzonie”. Trzon zewnętrzny to ustrój ramowy o gęsto rozstawionych słupach i sztywnych ry-glach, a wewnętrzny to monolityczne ściany nośne. Słupy, ściany nośne, podciągi i płytę fun-damentową wykonano z betonu lekkiego o wytrzymałości 41 MPa. O efektywności lekkiego BWW świadczy fakt, że początkowo planowano wybudowanie budynku 35 kondygnacyjnego, a dopiero pomysł zastosowania betonu lekkiego wysokiej wytrzymałości oraz w/w rozwiąza-nia konstrukcyjnego pozwolił bez zmiany pierwotnie ustalonego kosztu budynku wzniesienie obiektu 52 kondygnacyjnego [28].

2. Water Tower Place − Chicago, Illinois, USA. Budynek 76 kondygnacyjny, liczący 262 m wysokości, jest dwudzielnej konstrukcji. Mamy

12 kondygnacyjną część dolną i 64−kondygnacyjną część wieżową. Obie części konstrukcji charakteryzują się różnym rozstawem słupów, więc wykonano 13−tą kondygnację dolną prze-kazującą obciążenia w postaci rusztu z żelbetowych trzymetrowych belek. Tutaj także zasto-sowanie znalazł beton lekki, lecz tylko w płytach stropowych. Zastosowano też stopniowanie wytrzymałości słupów wraz z wysokością budynku, przy czym 25 dolnych kondygnacji wy-konano z betonu o wytrzymałości 62 MPa [28].

3. Two Prudential Plaza − Chicago, Illinois, USA. Budynek 64 kondygnacyjny o wysokości 274 m. W pierwotnej wersji konstrukcyjnej zakła-

dano szkielet stalowy z wewnętrznym trzonem betonowym. O ostatecznym zastosowaniu BWW zadecydowała ekonomika oraz wyższa sztywność konstrukcji. Trzon wewnętrzny wy-konany jest z betonu o wytrzymałości 84 MPa, a powyżej wysokości 20 kondygnacji na słupy i ściany zastosowano beton o wytrzymałości 68 i 41 MPa [28].

4. 311. South Wacker Drive − Chicago, Illinois, USA. Ten 70-kondygnacyjny budynek mierzy 292 m wysokości. Co ciekawe rzut budynku zmie-

nia się wraz z wysokością (na 14 i 47 kondygnacji). Konstrukcję nośną budynku stanowi żel-betowy, monolityczny trzon wewnętrzny, współpracujący z zewnętrznym układem ramowym. Interesujący jest sposób zaprojektowania słupów. Otóż uczyniono to w taki sposób, aby prze-niosły one w przybliżeniu równe obciążenia i dzięki temu ograniczono nierównomierny wpływ pełzania i skurczu, co jest powszechnie spotykanym problemem w budynkach wyso-kich. Beton w dolnej partii obiektu charakteryzuje się wytrzymałością 84 MPa [28].



Rys. 7.7 South Wacker Drive − rzuty typowych kondygnacji [28]

5. Two Union Square − Seattle, Washington, USA. Jest to 226 metrowy budynek wyróżniający się oryginalną konstrukcją. To ze względu na

brak zewnętrznych usztywnień, oszklone naroża i szereg innych specyficznych uwarunkowań, co wymusiło zaprojektowanie i produkcję betonu o wytrzymałości rzędu 130 MPa na całej wysokości 56 kondygnacji. Żelbetowe słupy usytuowane na obwodzie budynku są również wykonane z betonu o tej wytrzymałości, co pozwoliło zredukować ich wymiary i wyelimino-wać stosowanie słupów pośrednich [28].

6. BFG−Hochhaus − Frankfurt nad Menem, Niemcy. Pierwszy w Niemczech budynek wykonany z betonu klasy B85 (realizacja 1990−92). Wy-

konano go podczas, gdy w Niemczech BWW nie są jeszcze dopuszczone do powszechnego stosowania, uzyskując na to jednostkową zgodę. Ze względu na pionierski charakter realizacji bardzo skrupulatnie kontrolowano jakość materiałów i konstrukcji. Dzięki tej dbałości o ja-kość udało się uzyskać po 56 dniach dojrzewania beton mający średnią wytrzymałość rzędu 112 MPa, przy wskaźniku zmienności ok. 6.1%, więc uzyskano w praktyce klasę B100. Dzię-ki temu udało się obniżyć ilość zbrojenia i gabaryty najbardziej obciążonych słupów [14,28].

7. Central Plaza − Hong Kong. Ten 78 kondygnacyjny budynek składa się z 2 członów: ramowego zewnętrznego i we-

wnętrznego trzonu nośnego złożonego ze ścian nośnych. Aby zredukować wymiary konstruk-cji użyto betonu B60. W wyniku poprzedzających badań stwierdzono, iż by wyeliminować efekty termiczne korzystne będzie ochłodzenie mieszanki betonowej przed jej ułożeniem w konstrukcji [28].

Rys. 7.8 Przekroje: poziomy i pionowy budynku wysokiego "BfG−Hochhouse" we Frankfurcie nad Menem [14]

8. Onterie Center − Chicago, Illinois, USA.



Ten 60 kondygnacyjny, wielofunkcyjny budynek jest o tyle ciekawy, że ponieważ konstruk-cja budynku wymagała elastyczności w układzie słupów i usytuowania trzonu wewnętrznego, więc trzon zewnętrzny przenosi tutaj wszystkie siły poziome. I dlatego niektóre otwory okien-ne zabetonowano tworząc układ krzyżulcowy. Beton zastosowany do wykonania zewnętrzne-go trzonu i słupów wewnętrznych ma tu wytrzymałość 52 MPa w części dolnej budynku i 28 MPa w części górnej [28].

Jak widać na podstawie przytoczonych przykładów dynamika wzrostu zastosowań BWW w tej dzie-dzinie jest znaczna. W przyszłości otwierają się możliwości realizacji nowych, jeszcze śmielszych roz-wiązań konstrukcyjnych oraz wraz z rozwojem inżynierii materiałowej w zakresie betonów wysokowar-tościowych i bardzo wysokowartościowych zwiększy się jeszcze wyraźniej przewaga konstrukcji żelbe-towych w stosunku do konstrukcji metalowych.

7. Í mo ś ń w praktyce betonów o podwy szonych ... · j.jasiczak, p.mikołajczak –...

Documents