Cenosfery w betonie odpornym na wysoką temperaturę: wyniki badań do 1000°C

Czym są cenosfery i dlaczego stosuje się je w betonie?

Cenosfery to lekkie, puste w środku cząstki glinokrzemianowe powstające w procesach spalania węgla. Ich kulisty kształt, niewielka gęstość i zamknięta wewnętrzna pustka pozwalają zastąpić część cięższego kruszywa lub wypełniacza. W kompozycie cementowym mogą więc obniżać masę objętościową, modyfikować reologię oraz ograniczać transport ciepła.

Nie oznacza to jednak, że każda cenosfera lub każda receptura zapewni odporność ogniową. Znaczenie mają między innymi rozkład wielkości cząstek, wytrzymałość ich ścianek, udział objętościowy, skład mineralny, wilgotność, kompatybilność z zaczynem cementowym oraz sposób mieszania. Omawiana publikacja pokazuje wynik jednej dokładnie opisanej formulacji i dlatego stanowi punkt odniesienia, a nie gotową deklarację dla dowolnego produktu.

Jaki był skład badanego kompozytu ULCC?

Autorzy przygotowali ultralekki kompozyt cementowy bez kruszywa grubego. Na 1 m³ mieszanki przypadało 776 kg cementu CEM I 42,5R, 67 kg pyłu krzemionkowego, 354 kg cenosfer, 234 kg wody i 19 kg superplastyfikatora polimerowego. Rozpływ mieszanki wynosił 125 mm.

Próbki miały postać beleczek 40 × 40 × 160 mm. Po rozformowaniu dojrzewały przez 28 dni w wodzie, a badania wysokotemperaturowe wykonano po około sześciu miesiącach. Tak długi czas dojrzewania ogranicza wpływ wczesnych zmian hydratacyjnych na porównanie wyników.

Jak przebiegało badanie w wysokiej temperaturze?

Próbki referencyjne badano w temperaturze 20°C. Kolejne serie suszono lub nagrzewano do 105, 400, 600, 700, 800 i 1000°C, następnie pozostawiano do naturalnego ostygnięcia. Dopiero po chłodzeniu określano gęstość i wytrzymałość resztkową na ściskanie.

Termin „wytrzymałość resztkowa” jest tutaj kluczowy: opisuje materiał po zakończeniu ekspozycji termicznej. Nie jest to pomiar nośności w trakcie pożaru ani klasyfikacja odporności ogniowej konkretnego elementu budowlanego. Taką klasyfikację ustala się dla całego rozwiązania konstrukcyjnego w odpowiedniej procedurze badawczej lub obliczeniowej.

Pełne wyniki: wytrzymałość resztkowa i gęstość

W temperaturze odniesienia kompozyt osiągnął 52,5 MPa przy gęstości 1443 kg/m³. Po suszeniu w 105°C wytrzymałość wzrosła do 58,1 MPa, czyli 111% wartości początkowej. Następnie malała stopniowo, lecz nawet po 1000°C próbki zachowały 30,5 MPa.

Jak interpretować wzrost wytrzymałości po 105°C?

Wzrost ze 100 do 111% nie oznacza, że pożar „wzmacnia beton”. W zakresie około 105°C usuwana jest część wody wolnej, a dalsza hydratacja wcześniej niezwiązanych składników może lokalnie uszczelnić matrycę. Jednocześnie wynik zależy od wilgotności początkowej, szybkości nagrzewania, wieku próbki i sposobu chłodzenia.

Dla projektanta ważniejszy jest trend w całym zakresie temperatur. Do 400°C wynik pozostawał bliski wartości początkowej, przy 600–700°C kompozyt nadal zachowywał 89–92%, a wyraźniejsza degradacja pojawiła się przy 800 i 1000°C.

Dlaczego cenosfery mogą ograniczać skutki nagrzewania?

Pusta struktura cenosfer obniża gęstość i może wydłużać drogę przepływu ciepła przez kompozyt. W publikacji przewodność cieplna materiału w temperaturze pokojowej wynosiła 0,60 W/(m·K), czyli mniej niż w wielu typowych betonach konstrukcyjnych. Wolniejsze przewodzenie ciepła może opóźniać wzrost temperatury głębiej położonych warstw i zbrojenia.

Autorzy zwracają również uwagę na dopasowanie odkształceń cieplnych i stan strefy przejściowej. Obrazy z mikroskopu skaningowego po 600°C nie wykazały wyraźnego uszkodzenia kontaktu cenosfera–matryca. To obserwacja dla badanej receptury, ale pomaga wyjaśnić utrzymanie wysokiej wytrzymałości resztkowej.

Co wykazały modele elementów konstrukcyjnych?

Publikacja uzupełnia badania materiałowe analizami numerycznymi belek żelbetowych oraz słupów typu CFST, czyli rur stalowych wypełnionych betonem. W modelowanych wariantach zastosowanie ULCC ograniczało temperaturę prętów zbrojeniowych nawet o 250°C w porównaniu ze zwykłym betonem.

Dla analizowanych słupów CFST średni przyrost obliczonego czasu odporności ogniowej wyniósł 97 minut, czyli 78%. Nie jest to uniwersalna premia czasowa. Wynik zależał od geometrii elementu, obciążenia, warunków pożarowych, parametrów termicznych i mechanicznych oraz założeń modelu.

Jakie są ograniczenia tego badania?

Badanie obejmuje jedną recepturę ULCC, określone cenosfery i konkretny harmonogram nagrzewania. Nie porównuje wszystkich dostępnych klas mikrosfer ani wpływu różnych granulacji, udziałów objętościowych czy metod przygotowania powierzchni cząstek. Wyników nie można więc automatycznie przypisać każdej mieszance z cenosferami.

Wytrzymałość po ostygnięciu nie zastępuje oceny zachowania podczas pożaru. W praktycznym projekcie trzeba uwzględnić także ryzyko odpryskiwania, wilgotność, pełzanie termiczne, rozszerzalność, przyczepność do zbrojenia, szczelność, trwałość i zmianę właściwości w czasie. Element budowlany wymaga weryfikacji zgodnie z właściwymi normami i scenariuszem zastosowania.

Jak przełożyć wnioski na projektowanie formulacji?

Cenosfery należy traktować jako funkcjonalny składnik objętościowy, a nie prosty zamiennik „kilogram za kilogram”. Ze względu na niską gęstość niewielka masa cząstek zajmuje dużą objętość i może mocno zmienić zapotrzebowanie na wodę, lepkość oraz urabialność mieszanki.

• Zdefiniuj cel: redukcja gęstości, izolacyjność, wytrzymałość resztkowa lub kompromis tych parametrów;
• Dobierz frakcję: maksymalny rozmiar cząstek musi pasować do grubości warstwy, geometrii formy i technologii aplikacji;
• Kontroluj mieszanie: zbyt intensywne ścinanie może uszkadzać puste cząstki i podnosić rzeczywistą gęstość kompozytu;
• Badaj pełną recepturę: sama karta cenosfer nie przewiduje właściwości gotowego betonu;
• Waliduj termicznie: przed wdrożeniem potrzebne są próby w docelowym zakresie temperatur oraz dla rzeczywistego elementu.

Wniosek: co publikacja rzeczywiście potwierdza?

Praca Szymkucia i Tokłowicza dostarcza mocnego dowodu koncepcyjnego: odpowiednio zaprojektowany, lekki kompozyt cementowy z cenosferami może łączyć gęstość około 1450 kg/m³, wytrzymałość ponad 50 MPa i stosunkowo wysoką wytrzymałość resztkową po silnym nagrzaniu. Po 600°C zachowano 92%, a po 1000°C 58% wartości odniesienia.

Najważniejszy wniosek dla przemysłu nie brzmi jednak „dodaj cenosfery i uzyskaj beton ogniotrwały”. Brzmi: cenosfery tworzą interesujące narzędzie do projektowania lekkich kompozytów o kontrolowanych właściwościach termicznych, ale efekt musi zostać potwierdzony dla konkretnej frakcji, receptury, procesu i elementu konstrukcyjnego.