Beton : struktura, svojstva, tehnologija 9536267004 [PDF]

Zitiervorschau

Izdavač

ALCOR, Zagreb

Velimir Ukrainczyk

Za izdavača Boris Morić Recenzenti Doc. dr. Dubravka Bjegović Prof. Marko Čalogović Prof. dr. Vinko Rogić Tehnički urednik dr. Branko Kekić

BETON Struktura Svojstva Tehnologija

Objavljivanje ovog sveučilišnog udžbenika odobrio je Odbor za znanstvenonastavnu literaturu Sveučilišta u Zagrebu rješenjem broj:02-1120/1-1993. od 24. siječnja 1994.

CIP- Katalogizacija u publikaciji Nacionalna i sveučilišna biblioteka, Zagreb

UDK

691.3(075.8) 666.9(075.8)

UKRAINCZYK, Velimir Beton: struktura, svojstva, tehnologija I Velimir Ukrainczyk. - Zagreb : ALCOR, 1994. 304 str: ilustr. ; 24 cm. - (Udžbenici Sveučilišta u Zagrebu= Manualia Universitatis studiorum Zagrabiensis) Bibliografija: str. 293-297. - Kazalo.

ISBN 9~3-6267-00-4 940314136

ALCC:>R ZAGREB

Kompjutorski slog i tisak ALCOR, Zagreb

Knjiga je tiskana uz

novčanu pomoć

ovih poduzeća:

HRVATSKE CESTE, 41000 Zagreb, Vončinina 3 MEĐIMURJE, Visokogradnja, 42300 Čakovec, Mihovljanska 70 MEĐIMURJE, Beton, 42300 Čakovec, Zrinsko Frankopanska bb IRMA, Inštitut za raziskavo materiala in aplikacije, 61000 Ljubljana, TEHNIKA, 41000 Zagreb, Zeleni trg 3a HIDROELEKTRA, 41000 Zagreb, Zeleni trg 6a KONSTRUKTOR-INŽENJERING, 58000 Split, Svačićeva 4 GORTAN, 41000 Zagreb, Heinzelova 96

Slovenčeva

95

SADRŽAJ

1. PREDGOVOR . . . . . . . . . . . . 2. BETON POLIF AZNI KOMPOZIT Sastav betona . . . . . . . . . . . . Uloga cementnog kamena i agregata Struktura i priroda betona . Tehnologija betona . . . . . . . . . .

3 5 6

8

r(3.\CEMENT

'\·~)

Pojmovi i definicije . . . . . . . . . . Proizvodnja portland cementa . . . . Kemijski i mineralni sastav po:tland cementa Hidratacija cementa . . . . . . . . . . . . Toplina hidratacije i čvrstoća Sf~ ":~:.r>;o."-'.". Fizikalna struktura h.·c.p. . . Stanja vode u h.c.p. . . . . . Modeli strukture cementnog kamena Građevinska ispitivanja cementa Dodaci cementima Podjela cemenata . . . . . . . .

\

~

·~ 22 23 . 29

c34-.{ . "35 )

\

I 4JGREGAT \

Podjela i o.dabir agregata . . . . Proizvodnja agregata za beton . Uzimanje uzoraka agregata za ispitivanje . Mineraloško-petrografska analiza Fizikalna svojstva agregata . Granulometrijski sastav . . . . . . Mehanička svojstva agregata . . . Temperaturna svojstva agregata . . Štetni sastojci i nepovoljni agregati . Prijevoz i skladištenje agregata

·

5. :KVALITETA VODE Voda za spravljanje betona Voda za njegovanje betona

I

\ 6.) ADITIVI ·

·. l \

Nazivi i klasifikacija . . . Površinski aktivne tvari . . Kemikalije koje utječu na vezanje i očvršćavanje

69 70

~ 73 77

VII

12. PROIZVODNJA BETONA

7. SVJEŽI BETON Definicije i zahtjevi na svježi beton . . . . . . . . . Metode mjerenja obradljivosti . . . . . . . . . . . Utjecaj raznih čimbenika na svojstva svježeg betona Ispitivanje svježeg betona . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . 81

. . . .

Uvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Doprema i uskladištenje sastojaka betona Doziranje i miješanje . . . . . . . Vanjski transport . . . . . . . . . . . . . Gradilišni transport i ugradba . . . . . . . . . Zbijanje betona i završna obrada površine . . Njegovanje mladog betona . . . . . . . . . . . . . Betoniranje u ekstremnim klimatskim okolnostima Oplate i skele . . . . . . . Plan betoniranja . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.. :j,3~' . •. 93 /.

·(9.f)

8. ČVRSTOĆA BETONA Značaj čvrstoće

betona . . . . . . . . . . . . Testiranje čvrstoće betona . . . . . . . . . . Utjecaji strukture i stanja na čvrstoću betona . Prionlj ivost betona i armature . . . . . . . . . . . Varijabilnost čvrstoće betona i dokazivanje MB . Čvrstoća betona u konstrukciji . . . . . . . . . . Teorijsko predviđanje tlačne čvrstoće betona . . .

. ........... d!JlO

......... -... /1

.. . . .. . . .. .. ~

. . . . . . . ' . . . . . 126-)

. . . . . #-t.1 .Vii~MB.(t±t· . .. . . . . . . .. 130 . . . . .. . . . 132

10. DEFORMACIJEBETONA VOLUMNE PROMJENE BETONA . Plastično skupljanje i bubrenje . . . . . . . . . . . Skupljanje očvrslog betona uslijed sušenja . . . . . . . . Skupljanje uslijed karbonatizacije . . . . . . . . . . . . Testiranje skupljanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Čimbenici koji određuju veličinu skupljanja . . . . . . . . Skupljanje prema našim propisima . . . . . . . . . . . . . Temperaturni utjecaji na volumne promjene . . . . . . . . DEFORMACIJE BETONA POD DJELOVANJEM SILA Modul elastičnosti betona . . . . . . Poissonov koeficijent betona . . . . Dinamički modul elastičnosti betona Puzanje betona . . . . . . . . . . . Uzroci puzanja, skupljanja i bubrenja betona . . Praktično izračunavanje puzanja . . . . . . . . Veličina puzanja prema koeficijentima iz propisa . Posljedice puzanja . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . ..

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

13. SPECIJALNI BETONI Laki betoni . . . . . . . . . . . . . . Beton visokih čvrstoća i performansi . Tekući beton . . . . . . . . Mikroarmirani betoni . . . . Ferocement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Masivni beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uvaljani beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vatrobetoni . . . . . . . . . . . . . . . . Polimerima modificirani betoni . . . . Teški betoni . . . . . . . . . . . . . . Sumpor-betonski kompoziti . . . . . . . . . . .

9. SASTAV BETONA ZADANE OBRADLJIVOSTI I ČVRSTOĆE Osnovni pojmovi i definicije . . . . . . . . . . . . Statistički kriteriji za projektiranu čvrstoću betona . Iskazivanje sastava betona . . . . . . . . . . . . . Osnovne zavisnosti pri projektiranju sastava betona . . . . . . Redoslijed projektiranja sastava betona . . Kategorije betona . . . . . . . . . . . Upravljanje kvalitetom betona . . . . . .

. . . . . .

f33

134 136 . . . 136

.ITTD

,-~~

142.. J

. 143

... .-:w 147

. . . .. .. .. ..

254 258 258 259 264 266 267

.. 268 .. 268

.. 270 . . 270

14. POSEBNE TEHNOLOGIJE BETONA Ubrzano dozrijevanje betona Prepakt beton . . . . . . . . Betoniranje pod vodom . . . Vakuumirani beton . . . . .

147 148 149

G

150

152 . . . . . . 153

I-

.... ·/1'55)

..... ~ 160

161 166

171

.. 274 .. 276 .. 277

KONTROLA I OSIGURANJE KVALITETE Uvodno o osiguranju kvalitete građenja . . . . Sustav osiguranja kvalitete građenja betonom .

PREGLED POVIJESTI BETONA .

159

.. 273

•..

/

~'-O

···~ . . . 289

IZVORI . . . .

. 293

POJMOVNIK.

. 298

173

174

11. PATOLOGIJA BETONA Uvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trajnost i sigurnost betonskih konstrukcija . Uzroci oštećenja betonskih konstrukcija . . Svojstva relevantna za trajnost i proračun životnog vijeka . . VIII

175 176 177

196

I

IX

1. PREDGOVOR

Beton je najviše upotrebljavana gradivo, od mostova do zgrada, od hidrotehničkih i prometnih do industrijskih objekata. Beton prave i ugrađuju graditelji, dok većinu drugih gradiva primaju gotova na gradilište, dakle samo ugrađuju. Proces počinje dizajniranjem svojstava betona u projektnoj dokumentaciji, zatim, nakon provedenih prethodnih ispitivanja, projektira se njegov sastav, izvođači ga proizvode u centralnoj betonari ili na gradilištu, te ugrađuju i kontroliraju postignutu kakvoću. Medjutim, suprotno očekivanju, veliki broj oštećenja i zakazivanja betonskih konstrukcija ukazuje da graditelji ne znaju dovoljno o betonu, znatno manje nego o konstruktorskom dizajniranju, ugovaranju ili obračunu radova. Projektanti bi trebali bolje razumijevati kako se beton ponaša u

l cementni kamen l Nehldratlziranl

teg a t

1 hldratlzitanl l cement ~ Vezana voda

Kamen

I

Slika 2.1. Orijentacijski volumni udjeli osnovnih sastojaka u betonu.

Približno četvrtina prostora, koju ne zauzima agregat, ispunjena je Čementnim kamenom. To je temeljni materijal, jer on betonu daje čvrstoću i omogućuje njegovu uporabu kao konstrukcijskog gradiva. Beton je heterogeni kompozit, ali i sam cementni klmen je heterogeni materijal, koji se sastoji od produkata hidratacije cementa, pora vrlo različite veličine, adsorbirane i kapilarne vode i ostataka još nehidratiziranog cementnog klinkera. Nakon ugradbe, čak i uz vrlo pažljivo zbijanje, ostaje u cementnom kamenu izvjesna količina zahvaćenog zraka. U dobro sastavljenom svježem betonu neizbježna količina zahvaćenog zraka ne prelazi 2 do 5 posto volumena betona. To su nepoželjne šupljine u betonu. Međutim, u modernoj tehnologiji betona, primješavaju se dodaci betonu, kojima se namjerno uvlače male zračne pore u količini 3 do 8 posto volumena betona. Ove pore veličine 1O do 300 mikrometara povoljne su za obradljivost svježeg i trajnost očvrslog betona. Cementni kamen, zbog raznih fizičkih promjena tijekom hidratacije, zadobiva mikropukotine u zoni kontakta s agregatom. Zato je još u neopterećenom stanju, beton prožet kapilarama i pukotinama mikroskopske veličine. Dodaci betonu su beznačajni po volumenu, no vrlo djelotvorni na svojstva svježeg i očvrslog betona. Doziraju se u promilima ili postocima od količine cementa. To su kemijski ili fizikalno vrlo aktivni materijali, koji se dodaju betonu prilikom miješanja, da bi se dobio obradljiviji svježi beton ili ubrzao prirast čvrstoće ili poboljšala trajnost očvrsloga betona, itd. Za proces hidratacije cementa potrebno je određeno vrijeme, odgovarajuća vlaga i temperatura. Vrijeme tijekom kojega beton mora biti u povoljnim termičkim i higrometrijskim uvjetima nazivamo vrijeme njegovanja betona. U procesu građenja ono obično traje od 3 dana do tri tjedna, zavisno od konfiguracije i dimenzija betonskog elementa i klimatskih okolnosti. U laboratorijskim ispitivanjima radi dokazivanja svojstava betona, uzorci se njeguju 28 dana, i rezultati dobiveni ispitivanjem takvih uzoraka uzimaju se kao referentni. Prema tome mogu se očekivati znatne razlike između svojstava betona u konstrukciji i svojstava određenih normiranim postupcima. Cementni kamen, pa prema tome i beton, su izrazito bazični mediji, s pH vrijednošću 11 do 13, što ima značajne posljedice za trajnost betona. Komple.ksna struktura cementnog kamena i betona osim temeljnog svojstva, čvrstoće, ima i brojne druge karakteristike, promjenljive u vremenu i zavisne u prvom redu od termohigrometrijskog stanja u trenutku ispitivanja. Te su karakteristike još uvijek predmet opsežnih istraživanja s mnogo nepoznanica i novih otkrića. 4

... U s::ježem betonu, dakle u fazi njegove obrade, cementna pasta zajedno s na·sitplastičnost i kohezivnost. Uobiča~ene kohcme cementa u kubnom metru betona su 200 do 400 kg, što odgovara 7 do 14 J volumena. posto Vis~.oznost . betona za date komponente betona regulira se količinom vod .znaci, da P?trebnoj za hidrataciju cementa treba pridodati vodu za zelJene svježeg betona. Za vrlo široki raspon konzistenci}a be.:on~ (bez pn?Jene po.sebmh ~odataka za smanjenje količine vode), količina vode se mijenja u relativno uskim gramcama od 160 do 200 litara odnosno 16 do 20 t uku n ol O č. . . . , pos o P og vv u:nena.. va mjemca ima odlučujuću ulogu u podešavanju sastava svježeg beto~a traz~mh svojstava. ~vako povećanje količine vode preko one koja je potrebna za h1~rat.ac~u cei;ienta ~nač~ ?oveć~nje količine pora u očvrslom betonu. Posljedica je sm~nJe.nJe.cvrs_t?ce,.trajnostJ, 1 d~gih tei:-ieljnih s~~jstava betona. Zato su veliki napori ulozem u 1straz:vanJa mogucnostJ smanjenja kohč1rie vode u svježem betonu. Viskoznost b~tona moze se (a u .1.11o~emoj tehnologije se to $Ve češće i čini) regulirati raznim doda:~ma .. To poseb~? vnjed1 za superplastifikatore, čijim dodavanjem se može postići prakticno ista obradlj 1vost s I Odo 30 posto manjom količinom vode nego u betonu bez

nlJl::,1. dijelom agregata (mort) treba betonu dati

!o

v.~d1 obradlJ.IV~st1 (konzist~ncije)

~~~.

postizan~~

'

U očvr~lor;i betonu cementni kamen ima dvije glavne zadaće: • da ~hjep~ zrna agregata ~ be'.onu dade odgovarajuću čvrstoću, i • da 1spu~i prosto~ međ~ cestJca?a agregata i s njime tvori nepropusnu masu. Ce~entm kame.n !e nosilac dvaju karakterističnih svojstava betona: skupljanja i pu~anJa: To su naz1V1 za. dugotrajne. deformacije betona, koje su posljedica smanjenja vla~n.osti beto~a u slučaju s~pljanja, odnosno dugotrajnog djelovanja opterećenja u slucaju puzan~~· '.-J' o?a sluča~a.dolazi ~o .bitnih strukturnih promjena u cementnom kamenu od kojih Je dio reverzibilan, a d10 ireverzibilan. Svojstva cementnog kamena ovise u prvom redu o· • karakteristikama cementa . • om~~:u.mase vode i ceme~ta (vodocementni faktor, v/c-faktor) • kohcm1 cementa (kg!m3), ' • stupnju hidratacije cementa ili zrelosti betona. . Za određeni cement i agregat, poroznost strukture i čvrstoća cementnog kamena o;ise u prvom r~~u o v?docementnom faktoru. Što je v/c omjer manji, veće su čvrstoće. Time se poboljsava 1 vodonepropustljivost betona. Međutim, samo povećanjem količine cementa, radi smanjenja v/c faktora, povećava se količina cementnog ka1_11ena,. pa i skupljanje i puzanje betona 1 toplma oslobođena hidrataci~om ceme~ta, a to sve povećava vjerojatnost pojave pukotina. Do nedavno je glavni kriterij za izbor ~a~t.ava bet~na bila čvrstoća i odgovarajuc1 v/c omJer. Međutim uz modernu proizvodnju sve kvalitet~ijih cemenata i primjenu dodataka betonu dobivaju se veće čvrstoće od traženih već uz relativno veliki v/c omjer i malu S~~~~ 2.2. Izgled presjeka betona. Bijeli količinu cementa. kruž1c1 su zračni mjehurići uvučenog zraka.

5

Sve češće je trajnost mjerodavni kriterij za izbor v/c omjera. Naime, betonski ~e objekti grade u okolici, koja je kemijski ili fizički nepovoljna za beton, što postavlja zahtjev za što nepropusnijom i što gušćom strukturom cementnog k~~ena. . I konačno, obradljivost može uvjetovati veće minimalne kohčme cementa pn zadanoj količini vode, za betone manjih zahtijeva~ih čv~.stoća, zbog la~še h.o~o­ genizacije pri miješanju i manjeg razdvajanja sastoja~~ ttjek~m ru~ovanja .svjez1m betonom. Primjer za to je ručno spravljanje betona manjih zahtljevamh čvrstoca. Agregat u betonu ima tri osnovne zadaće: • zrna agregata čine skelet, koji daje krutost betonu, . • daje dimenzionalnu stabilnost betonu, tj. umanjuje dugotrajne volumne promjene svojstvene za cementni kamen, . .. • relativno je jeftin, pa to osigurava ekonomičnost betonskih kons.trukc1Ja: · Pri modeliranju svojstava betona uzima se, da je agregat samo mertna ispuna u matrici cementnog kamena, premda svi agregati, bilo kojeg mineraloško-petrografskog sastava, kemijski reagiraju s izrazito bazičnim sastojcima cementnog kame.na. Svojstva određene vrste agregata, koja bitno utječu na svojstva ~etona JeS~: . . • mineraloško petrografski sastav :utječe u prvom redu na mehamčke karal{Jensttke i trajnost očvrslog betona, .. . • • granulometrijski sastav utječe u prvom redu na obradlj1vost svJezeg betona, gustoću i ekonomičnost betona, . . .. • oblik i tekstura zrna utječu na obradljivost svježeg betona 1 pnonlJivost cementnog kamena i agregata u očvrslom betonu. ·

Struktura i priroda betona Beton je polifazni kompozitni materijal. Prostim okom vide se u presjeku betona zrna agregata u matrici cementnog kame.na. Zat~ se ~7~to puta mode.I strukture betona prikazuje kao dvofazni materijal. U prvoj aproks1mac1J1 mož~ se qzett, da.~a agregata reagiraju elastično na djelovanje .sila, ~ cei:nentni ~ame? v1skozno::~st1cn.o. Za kratkotrajna opterećenja modul elastičnosti ovih sastojaJ:a je vrlo ~~h~1t (Shka .~:3). U cementnom kamenu i oko zrna agregata mogu se prostim okom v1djet1 por: ;ehcme .do nekoliko milimetara i pukotine od nekoliko desetinki milimetra. Na ~oj r~.z1m, s~ručnjak za beton može uspješno procijeniti svojstva betona kao npr. stupanj zb1jenost1, homogenosti, količinu cementnog kamena, itd.

cr

Volumen koji zauzima dobro zbijeni svježi beton samo je malo veći od volumena zbijenog agregata, koji se nalazi u tom prostoru. To znači, da zrna agregata nisu u neposrednom dodiru, nego su razdvojena tankim slojem cementne paste. Razlika tih volumena je približno 3 posto, ali može biti i više, što onda govori o debljini sloja cementne paste, kojom su obavijena zrna agregata. Posljedica toga jest, da premda i agregat i cementni kamen imaju linearno elastično ponašanje do sloma (Slika 2.3), beton kao njihova kombinacija ima zakrivljeni oblik radnog dijagrama, koji se nalazi između radnih dijagrama cementnog kamena i agregata. Naprezanja uzrokovana vanjskim silama ili unutrašnjim promjenama se prenose s zrna agregata na mekši cementni mort preko interfacea. Pri tome nastaju vrlo složena prostorna stanja naprezanja u sastojcima betona, koji su vrlo različite čvrstoće . Ovo stanje ilustrira slika 2.4. krućih

Pomoću

\

svjetloshog mikroskopa može se kvalitativno odrediti učestalost, veličina i oblik pora i pukoti~a u betonu. Na osnovu toga može se zaključivati npr. o trajnosti betona, mehanici sloma itd. Promatranjem uzoraka betona pod scanning elektronskim mikroskopom i drugim modernim metodama proučavanja strukture materijala, omogućeno je motrenje i razabiranje karakterističnih pojedinosti mikrostrukture. Vidljivi su postali produkti hidratacije, međuprostori, pa i pojedini dijelovi produkata hidratacije. Moguće je procijeniti veličinu i učestalost gel pora veličine svega nekoliko nanometara. Na osnovu toga su razjašnjene pojave skupljanja i puzanja betona i mnoge druge pojave, koje su ranije proučavane fenomenološki (na inženjerskoj razini). Modernim metodama istraživanja se pokazalo, da je struktura interfacea cementni kamen/zrno agregata bitno različite strukture od cementnog kamena: veće je poroznosti, pa i drugačijeg mineralnog sastava. Posljedica toga jest, da je interface najslabiji dio betona. To je područje kojim prolaze pukotine pri drobljenju betona. Interfaceom prolazi najvećim dijelom voda i druge tvari kada penetriraju u beton i zato pri smrzavanju ili kemijskoj koroziji taj dio najprije bude oštećen. Prema tome, model strukture betona treba promatrati kao kompozit sastavljen od tri bitno različite faze. U prvom redu poboljšanjem interfacea moguća su poboljšanja svojstava betona, i to je područje, koje se danas intenzivno istražuje radi dobivanja betona vrlo velikih čvrstoća i betona poboljšane trajnosti. Na razini kemijskog i mineraloškog sastava betona korozije betona.

tumače

se

najčešće

pojave

~a

40

B)

JO 20

A - stijena {agregat} lD

B -

beton

c - cementni kamen

Slika 2.3. Radni dijagrami agregata, cementnog kamena i betona.

6

e o/oo Slika 2.4. a) Sheme prijenosa sila u strukturi betona. b) Koncentracije naprezanja zavisno od odnosa krutosti zrna agregata i matrice (prema hologramu).

7

Premda je beton heterogeni materijal, s različitim svojstvima u raznim smjerovima (npr. obzirom na smjer ugrađivanja), u proračunu i dimenzioniranju konstrukcija uzima se radi pojednostavljenja proračunskih modela, da je beton izotropan i homogen. Uzorak na kojem se ispituju svojstva betona (reprezentativna ćelija) treba imati najmanju dimenziju barem tri puta veću od maksimalnoga zrna agregata u betonu, da bi se moglo reći, da je reprezentativan i da predstavlja homogeni izotropni kontinuum. Rasipanje rezultata ispitivanja betona istog nominalnog sastava, pa čak i betona iz iste mješavine, srazmjerno je veliko. Zbog toga se mehaničke karakteristike, kao što su modul elastičnosti i čvrstoće, mogu ispravno definirati samo metodama tehničke.statis­ tike, kao prosječne vrijednosti ili fraktili iz većeg broja rezultata ispitivanja. Međutim, takve aproksimacije nisu uvijek moguće. Nije rijetko, da je anizotropija betona upravo presudna za trajnost ili nosivost. U takvim slučajevima treba o heterogenosti i anizotropiji posebno voditi računa tijekom izvedbe i u eksploataciji betonske konstrukcije. To se postiže uvođenjem sistema osiguranja i kontrole kvalitete tijekom projektiranja i izvođenja radova.

Tehnologija betona Proizvodnja betona sve se vise koncentrira u centralnim tvornicama betona, kapaciteta do 100 i više m 3/sat. Odavle se beton prevozi specijalnim vozilima na gradilište, na udaljenosti do više desetaka kilometara, zatim lokalnim transportom prebacuje do mjesta ugradnje, ubacuje u kalupe (oplatu), zbija do propisane gustoće, površina se završno obrađuje i zatim beton njeguje do potrebne zrelosti. Proizvodnja betona može se organizirati i na samom gradilištu, ukoliko se radi o velikim količinama ili neprikladnom vanjskom transportu. U svakom slučaju, uz proces proizvodnje betona javlja se niz različitih zadataka kao što su: • snabdijevanje komponentama betona i drugim materijalima, • organizacija osoblja različitih struka (stojari, električari, kemičari-tehnolozi, geolozi), • snabdijeyanje energijom. U slučaju organizacije privremene proizvodnje betona, ova se pitanja rješavaju za svako konkretno gradilište na specifičan način. Sa stanovišta građevinskoga inženjera-tehnologa betona, osnovni je problem, dobiti beton zadovoljavajuće kakvoće uz razumne troškove. Beton zadovoljavajuće kakvoće je.onaj koji ima neophodna i željena svojstva (Slika 2.5): • mehanička svojstva, kao npr. tlačna čvrstoća, čvrstoća pri savijanju, modul elastičnosti, otpornost na eroziju, • svojstva svježeg betona tijekom obrade, kao npr. da ne segregira, da dobro zapunjava kalup, pumpabilnost, • svojstva trajnosti, kao npr. otpornost na mraz, kemijsku koroziju, • fizička svojstva kao npr. dimenzionalnu stabilnost, izolacijska svojstva, • posebna svojstva, kao npr. rani prirast čvrstoće, povoljni razvoj topline hidra- · tacije. Mnoga od navedenih svojstava često su u suprotnosti, pa rješavanje toga pitanja iziskuje optimalizaciju. Nije dovoljno npr. odabrati vodocementni faktor i izračunati potrebne količine komponenata betona, pa da se dobije beton zadovoljavajuće čvrstoće. Ako takva betonska mješavina nema dobru obradljivost neminovna će se u konstrukciji pojaviti gnijezda, segregacije i druga slaba mjesta. Mješavine s prevelikom količinom vode imaju slične nedostatke.

Slika 2.5. Shema relacija u tehnologiji betona

Današnje stanje tehnologije betona . t kv d . . . novih traženih svojstava bilo da se .~e .a ok a Je za svaki novi sastav betona, bilo provesti prethodna ispiti~anja Takv~;:7!a ·~·e a ~d komponenata betona, neophodno . . mješavinama ili tijekom proi;odnie po t p1 i~an~a p~ovode u laboratoriju na manjim . · ·. · U ~ s epemm 1zm1enama u sastavu betona . ·.: poraba betona znatno se proširila zahv r . „ 1 b . . . . 1• cima ugrađivanja betona Pri · . . a JUJu? ~OJmm novim specijalnim postup-

~· đ!vanje u kliznoj

oplati, ~azn~~~~~~i s~b~strudi~anJ~; tlači:mje, vaI

Proizvodnja agregata za beton

Proizvodnja agregata za beton iz šljunka dobivenog iskopom iz pozajmišta ili iz lomljenog kamena dobivenog u kamenolomu, može biti ponekad prilično jednostavna, ali ponekad i vrlo složena. S jedne strane, to zavisi od pristupačnosti, debljine pokrovnog sloja, čistoće i drugih relevantnih karakteristika pozajmišta. S druge strane, uvjeti kvalitete agregata za određenu namjenu diktiraju stupanj obrade sirovine za agregat za beton. Za proizvođača betona važno je dobro poznavanje detalja u proizvodnji agregata, radi njihova utjecaja na kvalitetnu i ujednačenu proizvodnju frakcija agregata.-~ ~ZY.OGHj1-ag~.egata_~_ll: 1. Predsijanje radi izdvajanja jalovinom onečišćenog materijala, ili najkrupnijih komada, da bi se odteretila sita i drobilice.

43

P07,A.!MIŠTF.

I ODVAJANJE

r--i

DROBILICA

,~[)

ISKOP ŠLJUNKA

SIJANJE! PRANJE

1-----' (?)MLIN

FRAKCIJE

AAAA VlŠAK FRAKCIJA

(J\; Sijanjem se šl'

.

·

obijena stijena razdvaja u frakcij

K d

dr?~Ue.~og ma.tenja a esto puta se .sij~ u suh~.uz o_~praši~anje, ali ako se želi :klon~ti naJsltmje čestice, onda se 1 drobljenr matenpl sije uz istovremeno pranje vod Šljunak se, budući da obično sadrži gline, najčešće sije uz istovremeno pranje vod~:·

či':1e. se ujedno poboljšava i pospješuje separiranje frakcija agregata. Utrošak vode j~ pnbhžno 2 m 3 vode za 1 m3 agregata. Sije se najčešće na vibracijskim sitima od čeličnih mreža, i to do veličine zrna od 4 mm. Ukoliko se sije tvrdi, abrazivni materijal, takva sita :r10 brzo .bu~u oš~~ć~na, pa i? ~reba pop'.~vljati ili zamijen.iti. U protivnom frakcije sad~e pr~vehke 1.yanjab~lne ko~1čme kru~mjth ~ma od deklanranih. Trajnija su_.sita od poltmemth matenjala, ah su uz istu površinu obično manjeg kapaciteta . . 4. Hi.drose ariran·~. rim· .: · . za razdvajan·e. s· .. „ • „ „ a. Postoji više vrsta ovakvog nacma pros1JavanJa, a sve se zasmvaJu na pnncipu različite brzine taloženja zrnaca pijeska različite veličine u struji vode. Tu uvijek postoji opasnost da se u struji vode odnese i dio pijeska sitniji od 0.09 mm, koji je vrlo poželjan u bet~nu radi njegove obradljivosti i nepropusnosti. Međutim, dobar granulometrijski sastav može se ~spješno dobiti kombiniranjem pijeska dobivenog hidrosepariranjem, s pijeskom nommalno iste veličine ,dobivenog samo drob ljenjim ili samo sijanjem šljunka.

Slika 4.2. Shema glavnih faza u proizvodnji agregata za beton iz šljunka.

- Uzimanje uzoraka agregata za ispitivanje Drobl'en·e i mreven'e di"ela materi'ala koji je krupniji od konačno proizvede~?g agr:gata. U tu azu obrade vraćaju se i eventualni viškovi pojedinih krupnijih frakcija, rad1 što boljeg iskorištavanja pozajmišta. Grubo drobljenje...se obično "rši ~ drobilicom t' · · ·avan'e udarnom drobilicom ili čekićarom a ~ajsit~.ije frakc_Jje u mlinovima. Pravilnim izborom strojeva za rugu fazuUsrtii]aVa~ja mat~nj.ala dobivaju se zrna agregata povoljnog oblika. Pogrešnim izborom drobilica dobivaju se duguljasti i pločasti oblici zrna, koji znatno smanjuju obradljivost svježeg betona, odnosno povećavaju potrebnu količinu vode i cementa. Drobljenjem krupnih ko1:1~da stijena odnosno šljunka, u ovoj fazi obrade, može se znatno smanjiti udio trosmh zrna, zrna nepovoljnog oblika i zrna s predisponiranim pukotinama. Ukoliko se drob~ vrl? ~vrste i tvrde eruptivne stijene, onda dijelovi drobilica u kontaktu sa stijenom mora~~ biti od i;iosebnih legura. U svakom slučaju njihovo trošenje je dosta brzo, pa se drob1hce moraju stalno podešavati, a pojedini elementi mijenjati, da bi se održala konstantnost proizvodnje. KA'>!ENOLO'.I

Svojstva šljunka odnosno stijene u kamenolomu određuju se na reprezentativnom uzorku, koji ~e ~~ra uzimat~ u p~mištu ;greg~t!!, dakle prije proizvodnje frakcija agregata, zatim !l,Jsl.kgm pro1zvodn1e 1 na eponŠama proi~denog agregata, te na mjest;: proizv~dnje betona ~~li~om P.re~zimanja. ::~junak i agregat, a posebno krupnije frakcije sklom su segregaciji (izdvajanju) krupmjth zrna. Zato je prikladno osnovni uz?ra~ sast~viti miješanjem određenih količina uz~.tih s više mjesta na deponiji ili najbolje u više zahvata s transportne trake. Na depomJi se reprezentativni uzorak uzima iz dub!~e, a nikako ne s površine ili pri d~u deponije, gdje se zbog veće mase dokotrljaju krupnija ~a: os.novn?g uzorka se zatim, .E?stupkon: 9~trvrtanja {Slika 4.4) pripremi uzorak za 1sp1t1van1e svojstava agregata. Propisane koli.čme uzorka za ispitivanje zavise

!z

I

JA.LOVINA

MLIN0)

Slika 4.3. Shema glavnih faza u proizvodnji agregata za beton iz lomljenog kamena.

44

Slika 4.4. Pos~p~k četvrt~nja agregat:i. n~ n-:doj čisto) p~~1šini. Postupak četvrtanja sastoji se u miješanju uzo~ka, ..fomm~nJU u ~bhku kupe, duelJenja na četm Jednaka dijela dvim dijagonalama, odbacivanja dvaju dijelova 1 ponavlJanJem postupka s ostatkom uzorka agregata, dok se ne dobije propisana količina uzorka za ispitivanje.

45

od veličine najvećeg zrna agregata (Tablica 4.2). Na pripremljenom uzorku, odnosno njegovim dijelovima mogu se obaviti sva potrebna ispitivanja. U Tablici 4.3. navedena su obvezna ispitivanja za uzorke šljunka odnosno drobljenog kamena iz pozajmišta, koje će poslužiti za proizvodnju frakcija agregata za beton.

r

\Y

Mineraloško-petrografska analiza

Tablica 4.3. Obvezna ispitivanja na uzorku agregata prirodne mješavine, koja će se koristiti za proizvodnju agregata za beton. Redni

I. 2.

Mineraloško-petrografske analize reprezentativnih uzoraka stijene iz kamenoloma ili šljunka izvučenog nanosa rade mineralozi i petrografi prije otvaranja pozajmišta, a zatim tijekom eksploatacije najmanje svakih šest mjeseci. Prilikom uzimanja uzoraka geolozi procjenjuju količine raspoložive za eksploataciju. Rijetko kada će se desiti, da je materijal iz pozajmišta po svim svojstvima idealan za primjenu u betonu. Međutim, kako izbor lokalne sirovine za agregat diktiraju prvenstveno ekonomski kriteriji, to se materijal tijekom prerade poboljšava, a u tehnologiji betona se izborom drugih konstituenata i prikladnih postupaka spravljanja i njegovanja betona može svaki agregat učiniti uporabivim za beton. U tom poslu mineraloško-petrografska analiza je važno polazište. Ona će dati osnovne podatke..o štetnim materijalima, koje treba tijekom proizvodnje agregata ukloniti, zavisno od tvrdoće materijala, koje strojeve odabrati za usitnjavanje i prosijavanje, koja su moguća područja primjene toga agregata u betonima, i konačno, koji cementi i koji aditivi neće izazvati nepoželjne kemijske reakcije u betonu Prema tipu stijena, agregati mogu biti vulkanskog, sedimentnog i metamorfnog podrijetla. U vučenom nanosu najčešće su zastupljena sva tri tipa, a kod drobljenog agregata najčešće je to po mineralnom sastavu homogena stijena. Neki su agregati pretežno silikatnog, a drugi pretežno karbonatnog mineralnog sastava, no ova klasifikacija najčešće nema većega značenja za određivanje prikladnosti agregata za spravljanje uobičajenih vrsta betona. Važnija od toga je forma u kojoj se pojavljuju glavni minerali, kao i prisutnost sekundarno zastupljenih minerala. Tako npr. amorfni oblici Si0 2 ili pojedini dolomitni vapnenci mogu u nekim okolnostima uzrokovati razaranje betona ~agregatn~),. Stijene koje sadrže že~~ a bile su u geološkoj prošlosti dulje vremena potoplj~on ponovnog kontakta sa zrakom nastavljaju pro~,s limonitizacije (Slika: 4.5). Sastojci koji mogu biti štetni za beton su;_JI~~~.

3. 4.

5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17.

Ispitivanje Mineralno-petrografski sastav Sastojci koji sprečavaju hidrataciju cementa Volumna masa zrna Upijanje vode Otpornost protiv drobljenja u valjku Postojanost na djelovanje mraza Ukupni S0 3 Kloridi Sadržaj organskih tvari Oblik zrna Granulometrijski sastav Količina sitnih čestica Količina grudica gline Količina trošnih zrna Količina lak.ih čestica Obavijenost površine zrna Otpornost protiv drobljenja i habanja Volumna masa u nasutom stanju

Norma

Uvjet kvalitete

rus B.B8 004

ne smije sadržati

rus B.Bs 031 rus B.Bs 031 rusu.Ms 030 rus B.Bs 044 rus B.Bs 042 rus B.BS 042 rus B.Bs 039 rus B.Bs 049 rus B.B8 029 rus B.B8 036 rus B.Bs 038 rus B.B8 037 rus B.BS 034 rus B.Bs 004 rus B.B8045 rus B.Bs 030

2000 .. .3000 kgfm3 najviše 1,5% mase 30% mase gubitak 12% mase 1,0%mase 0,1%mase boja svijetlija od normirane 0,18 I) 1) 1) 1) 1) 1) Koef. Los Angeles ~t agregata na udarce. Obično se određuje slično kao 1 ikohlJ1vost agregata, ah se na uzoralca~daraca s batom standardne mase 62

TVRDOĆA

To je otpornost protiv prodiranja i paranja, a klasificiraju se agregati prema poznatoj Mohsovoj skali. Tvrdoća i žilavost su svojstva važna za betone, koji su izloženi mehaničkim trošenjima (eroziji), kao što su abrazija vodom ili vjetrom nošenim česticama, habanje trenjem i-kayitacija. ~andardni te,stkojim se p__rikia_d.n~iti--Oba--s:v~~ ~g~qrak~gr_egata određene graml.lacije ~zajedno s čeličnigi kuglama u čelični bubanj i rotira, obično 500 puta.Nakon toga se agregatpmsij~imi~ri postotak razbije~aterij_ala. Koeficijent R_~~_!,os Ang_eles izražayll__s_e kao omjer mase zrna koj~jJSQQl!Jla sj!Jl_9_tyor!!_L~f!!_ipočetne mase uzorka koji se i~ituje, postocima. Taj koeficijent ne bi smio bitlveć1 od 30. ---- - -,-------· ·---"'--------- ---------··-- _,, _____ - ---- -------

lzraženau ~--:-.:--------

-~~--------·---~·

-

_

- Temperaturna svojstva agregata Tri toplinska svojstva agregata mogu biti važna za svojstva betona. To su koeficijent toplinske dilatacije (a, Tablica 4.12), specifični toplinski kapacitet (c) i toplinska vodljivost (A.). Sva tri imaju odlučujući utjecaj na iste takve koeficijente betona, ali i na druga njegova svojstva. Koeficijent toplinske dilatacije agregata može imati veliki utjecaj na trajnost betona izloženog većim temperaturnim promjenama, ukoliko se od koeficijenta toplinske dilatacije morta razlikuje više od 5.5xI0- 6/K. Tako je npr. (Slika 11.15) u slučaju, ako je mort napravljen od kvarcnog pijeska (a= 7.1 x10- 6), a krupna frakcija agregata je od vapnenca (a = l.4xI0- 6), trajnost betona izloženog čestim temperaturnim promjenama manja je nego što bi bila, da je mort napravljen od karbonatnog pijeska (a= 4.7xI0- 6).

Tablica 4.12. Linearni koeficijent temperaturne dilatacije raznih tipova stijena [ 4.4] Tip stijene Granit Diorit, andezit Gabro, bazalt, dijabaz Pješčar

Dolomit Vapnenac Će rt Mramor

Termički koeficijent, a, 10-6/K

1,8 do 11,9 4,1do10,3 3,6 do 9,7 4,3 do 13,9 6,7 do 8,6 0,9 do 12,2 7,4 do 13,1 1,1do16,0

Štetni sastojci i nepovoljni agregati Postoji velik broj sastojaka u šljunku odnosno stijenama, koji svojim fizičkim svojstvima ili kemijskim djelovanjem mogu umanjiti njegovu uporabivost kao agregata za beton (Tablica 4.13). Njihovo djelovanje može se svesti na nečistoće, koje sprečavaju dobru prionljivost agregata i cementnog kamena, sastojke koji utječu 63

nepovoljno na proces hidratacije, pojedina zrna male čvrstoće i nepostojana zrna. Postoje također agregati, koji kemijski reagiraju s cementnom pastom tako, da nastaju spojevi, koji naknadno razaraju beton, o čemu će biti govora u poglavlju o trajnosti

betona i alkalnoagregatnoj reakciji. Tablica 4.13. Pregled nepovoljnih karakteristika agregata 1. Fizičke 1.1. Vanjske • inkrustacije i obavijenost • vrlo trošna površina • vrlo glatka površina • nepovoljan oblik zrna • suviše sitni pijesak 1.2. Unutrašnje • nepovoljna poroznost • velike volumne promjene uslijed sušenja/vlaženja • kalavost i pukotine • trošna meka i slaba zrna • nepovoljna termička promjena volumena • materijali koji bujaju (škriljci, liskuni, ugljen, drvo)

2. Kemijske 2.1. Reakcije s cementom • alkalna reaktivnost • organske nečistoće (šećer, celuloza, humusne kiseline, organske tvari) • soli (sulfati, nitrati, kloridi) • izmjena bazičnih tvari (alkalije u agregatu) 2.2. Neovisno o cementu • Karbonatizacija • Tvari koje uvlače zrak • Oksidacija konstituenata agregata (npr. limonitizacija) GLINA I DRUGE SITNE ČESTICE

Glina može obaviti zrnje agregata tako, da spriječi dobru vezu između cementnog kamena i agregata. Slični, ali manje opasni utjecaj može imati kamena prašina. Iako se veliki dio tih čestica prilikom intenzivnog miješanja spere s površine agregata, ukupna količina gline mora se ograničiti, jer ona svojom velikom površinom utječe na povećanje potrebne količine vode i cementa, da bi se obavile sve čestice u mješavini. Za obične betone količina gline u ukupnom agregatu ne bi smjela biti veća od 5%, a ako je beton izložen abraziji treba biti manja od 3% mase. Količina sitnih čestica obično se određuje tzv. mokrim sijanjem. Odvagne se osušeni uzorak agregata i zatim ispire na garnituri sita veličine otvora: 1,0; 0,25; O, 125; 0,090 i 0,063 mm. Voda od ispiranja, koja sadrži u suspenziji čestice sitnije od 0,063 mm, skuplja se radi određivanja količine čestica sitnijih od 0,063 mm metodom areometriranja. Ostaci na sitima dobiveni mokrim sijanjem se suše na temperaturi 100 do 11 O°C, pa se zatim vaganjem odredi udio sitnih čestica. 64

Ako uzorak agregata osim čestica gline do 0,020 mm) sadrži i kamene prašine, onda se njihova ukupna količina ograničuje na 7,5% mase za drobljene agregate (kameno brašno) odnosno 4,5% (glina) za rječne agregate. U laboratoriju uz betonaru obično se količina sitnih čestica određuje samo mokrim sijanjem .na situ 0,090 mm, tako da se ne dobije točan podatak o količini čestica gline, nego je to prepušteno slobodnoj procieni. Točniji, ali manje precizan uvid u udio pojedinih sitnih čestica daje metoda određivanja taloženjem. U menzuru se stavi 0,5 kg pijeska i veća količina vode. To se intenzivno izmiješa višekratnim okretanjem začepljene menzure i zatim ostavi 24 sata, da se istaloži. U gornjem dijelu taloga mogu se onda vrlo jasno izmjeriti volumeni gline i kamene prašine (Slika 4.15). Za proračua mase uzima se, da je gustoća rabio nataloženih sitnih čestica približno 1, 1 g/cm 3 . Kod betona spravljenih s malom količinom cementa čestice kamene prašine djeluju povoljno na kohezivnost svježe mješavine. (veličina čestica

~~

/{',. Slika 4.15. Određivanje količine čes­ tica gline i kamene prašine metodom taloženja je manje precizno, ali točnije.

ORGANSKE TVARJ

Organske tvari, koje se vrlo često nađu u otpadnim vodama raznih industrija, ili kao produkt raspadanja organizama, sprečavaju normalni tijek procesa hidratacije cementa. Zato ako se nađu u agregatu mora ih se isprati, a vode koje ih sadrže ne smiju se upotrebljavati za pranje agregata. Kvalitativno, prisutnost organskih tvari jednostavno se odredi testom s 3o/o-tnom otopinom NaOH. Mješavina uzorka agregata i ove otopine ostavi se da stoji 24 sata. Što je veća količina organskih tvari to će biti tamnija boja otopine, od svijetlo žute do tamno smeđe. Ako je svijetlo žute boje, agregat neće imati štetni utjecaj na proces hidratacije cementa. Ako je boja tamnija, treba provesti dalja ispitivanja na uzorcima morta ili betona, uspoređivanjem čvrstoća uzoraka u raznim starostima, spravljenih od opranog i neopranog agregata.

SOLI

Pijesak iz mora ili pokraj mora može sadržavati štetne količine klorida, vrlo opasne za koroziju armature u betonu. Te soli mogu se isprati običnom vodom, a to se desi i ako je pijesak dosta dugo odležao na kiši. Količina soli mora se u svakom slučaju prije upotrebe pijeska odrediti, pa ocijeniti mogućnost uporabe. Kriteriji prihvatljivosti trebaju se odrediti u skladu s ukupno dozvoljenom količinom klorida u betonu. Agregati se moraju ispitati i u pogledu sadržaja sulfata, sulfida, nitrata i nitrita, radi njihova štetnog utjecaja na hidrataciju cementa i očvrsli cementni kamen. 65

LAKE ČESTICE, TROŠNA ZRNA I NEPOVOLJNI MINERALI Količine lakih čestica, trošnih zrna i nepovoljnih minerala ispituju se prilikom mineraloško petrografske analize. Njihova količina ograničena je propisima, zavisno od namjene agregata za beton. Minerali koji se kalaju, npr. mika, moraju također biti ograničeni na vrlo male postotke, jer narušavaju čvrstoću (Tablica 4.14). Agregati, predviđeni da se upotrijebe za proizvodnju betona izloženog djelovanju mraza, moraju se prethodno testirati u pogledu njihove otpornosti na kristalizacijske tlakove. Taj test (Brardov postupak) provodi se potapanjem uzoraka krupnih frakcija agregata u zasićenu otopinu natrij sulfata (Na 2S0 4 • lOHp). Prethodno potpuno osušeni uzorak drži se u otopini 16 do 18 sati i zatim ponovno osuši. Postupak se ponavlja potreban broj ciklusa, da bi se u porama agregata povećavala koncentracija soli. Prilikom sušenja soli kristaliziraju i pritišću na stijenke pora u agregatu. Agregat koji nije dovoljno otporan se izmrvi. Prosijavanjem agregata prije i poslije testiranja ustanovi se masa izmrvljenog agregata i izračuna u postotku od mase prije testiranja. Međutim, ovaj podatak nije konačno mjerodavan, jer se ispravnim tehnološkim postupcima s agregatom neotpornim na mraz može proizvesti i ispitivanjem dokazati, d~ beton otporan na mraz.

PRIHVATLJIVO

.~

Tablica 4.14. Dopuštene

količine

::.---~ (

nepovoljnih sastojaka u agregatu

cijev Mas.% Grudice gline Slabih zrnaca Lakih čestica (ugljen, bitumen, itd) Sitne čestice ~J:.9A'!.1:1.P_0treblj~.:".'._a_ti_~1ors_~~-°-®· 1J slučaju armir-anog-Đetona.ne smije se up_Q1rebJj_avati n.lD.rs.kJl_YQda_za_spraYljanje betona, jer to povećava rizikg\;korozije armature u betonu. --- --Osini-kemijskog ispitivanja vode i uspoređivanja s kriterijima prema tablici 5.1., voda se može jednostavno provjeriti ispitivanjem i u gradilišnom laboratoriju, tako da se izrade usporedbene serije mortnih prizmica, koristeći za jednu seriju vodu koja se

69

Tablica 5.1 Kriteriji graničnih količina tvari u vodi za spravljanje betona.

6.

Nearmirani beton

Armirani beton

Prednaneti beton

4,5-9,5

4,5-9,5 :000 ::>2700

4,5-9,5 s 100 s 1000 $', 100

pH

cr (mg/I) SOt(mg/I) s~ (mg/I) N03 (mg/I) P20 5 (mg/I) NaHC03 (mg/I) Potrošnja kalij permaganata (mg/I) Sadržaj topljivih soli (mg/I) Sadržaj netopljivih soli (mg/I) Razlika u vremenu vezanja cementne paste u odnosu na pastu s destiliranom vodom, minuta

o

s 2700 o

o

::>500 s 100 s 1000 s 200 s 5000 s 2000 ::>30

s 500 s 100 s 1000 s 200 s 5000 $'.2000 ::>30

ssoo

s 100 s 1000 ::>200 s 5000 $'.2000 ::>30

provjerava, a za drugu seriju poznatu kvalitetnu vodu (npr. pitku vodu). Ukoliko se ~1!.~i ispitivanja srdrnodnevne čvrstoće prizmica ovih paralelnih serija ne razlikuju ·

za više od 10 % može se smatrati, daje voda pogodna'ZiiSpravtj!rnjelJetona:---------------···---·-~---------- ·-~.

©Voda za njegovanje betona Voda za .~!'!-YUflJlje.betonanajčešćeje .prildadnaJ.za_ajegmranje_P~tona. Međutim, ~o sadrži_9~11filOkg UM :/mm

S ~

.

I•

~

Vebe

fiI I

lO

crn

•I

Faktor zbijanja

_J&.QQ_J;!Q§.tupka-istl-if · ras rostiranja sličan st~ (Slika 7.3), ali nešto niži, izradi se na ploči, koja se može podizati 1 pu tati a padne. Nakon 15 takvih udaraca mjeri se promjer "pogače" nastale rasprostiranjem betona. Obje navedene metode vrlo su jednostavne i prikladne za praćenje stalnosti kakvoće nekog betona utvrđenog sastava, tijekom proizvodnje. ~ i s postupkom određivanja~ra zbijanEi. U kalup oblika prizme nasipa se beton i poravna. Zatim se z5tje na vibracijskom stolu do potpune zbijenosti.. Kvocijent visine nasu tog i zbijenog betona je faktor zbijanja. ~enija metoda. mjerenja preoblilc_ovanla_~yje;žeg beton~ Pno

Međutim,

čvrstoće

04

Odnos između čvrstoće cementa i čvrstoće betona je linearan, tako da je odnos v/c faktora i čvrstoće betona prikladno prikazati u normaliziranom obliku (Slika 8.11 ).

0.2

'"

~ 20

10

Napredovanjem hidratacije povećava se čvrstoća betona. Taj utjecaj pokazanje na slici 8.12. za betone pripravljene s običnim portland cementom. U svim dijagramima naveden je efektivni vodocementni faktor, što znači izračunati težinski omjer vode i cementa po odbitku vode adsorbirane u agregatu.

110

o.so

l.00

v/c faktor Slika 8.1 l. Dijagram odnosa v/c faktora i normirane čvrstoće betona.

R4

~S

R6

.~7

R8

R9

Vodocementni faktor Slika 8.12. Utjecaj v/c omjera i starosti na tlačnu čvrstoću betona od običnog portland cementa.

111

. PROŠIRENJE POWERSOVOG MODELA POROZNOSTI CEMENTNOG KAMENA NA BETON

Powersov model omogućava, za neki vodocementni faktor, proračunati poroznost cementnog kamena. Poroznost je parametar koji najbolje korelira s mehaničkim svojstvima i trajnošću betona. Taj model može se proširiti na beton zadanih omjera miješanja konstituenata. Neka je omjer cementa, pijeska i krupnog agregata zadan po masama sa C:AP:Ak, isto tako i v/c faktor, a volumen zraka neka je a. Ukupni volumen šupljina u betonu je: _

60

Agregat/Cement

co

~ co

o

6

5 4.5 J

ć

+

50

X

'pl2ata_g_fu._Polazište za proje tiranje sastava etoi1ilje P-fQjekt betona. Projekt betona je široki pojam, koji obuhvaća:

Parametri A i B odrec1uju se eksperimentalno za cement, agregat, aditive, starost betona, te način njegovanja i testiranja. Oblik ove fonnule, međutim, ne uvažava činjenicu, da se povećanjem količine cen:i~.nta preko neke granice, doduše smanjuje vodocementni faktor, ali se i povećava

kohcma cementne paste, a ona je kod običnih betona znatno manje čvrstoće od agregata. To se najbolje vidi pri povećanju maksimalnog zrna agregata uz isti vodo~e~~entni f?ktor (Slika 8.13) odnosno istu količinu cementa (Slika 4.12). Detaljmjom analizom odnosa čvrstoće betona i v/c faktora, količine vode i količine cementa, postupkom multiple regresijske analize dobije se (Popovics, [8.6]) proširena Abramsova fonnula: f = c

A

Bv/c + 0,000637c

Pa.rametri A i B su karakteristični za vrstu cemelita i agregata, pa se određuju pokusuna. Za konkretni skup eksperimentalnih podataka Popovics je dobio A=353,72 1 B=23,66 [8.1 O]. Ova fommla, kao i jednostavnija Abramsova fornmla ne sadrže podatak o količini zraka u betonu, dakle predpostavlja, neaerirani, odlično zbijeni beton. Ako se u analize uvede još i utjecaj količine zraka u postotku volumena betona onda formula dobiva oblik: ' f=---A _ _ __ c

Bv/c + 0,000637c + 0,0279a

. Je?nadžba jasno pokazuje'. u k.oJ.oj mjeri količina cementa nepovoljno mijenja utjeC~j v?docementnog faktora 1 kohcme zraka na čvrstoću betona. Povećanje čvrstoće smanjenjem vodocementnog faktora postepeno iščezava, zbog povećanja količine cem:nta (cen~entne paste), a to još pojačava učinak smanjenja čvrstoće radi povećanja relativnog udjela zraka u betonu.

132

• ~ahtijevana svojstva_be.toDaJLek§pl()_l!_t~_iji, • uvieJe :Z

{,,o

4911

2-S'r

.:;,S

1, z

(,5

3,5

o,s

.(,g

fio

:315

'313

02-

1,6

15"

35

Vlažnost

9/&'

0/1

Korigirana masa za lOOOL

kg

Dodatak betonu s vodom (1:10) Cement

J 75

Voda

163

'31-9

„ 101!5'

- 66,5

'::1::112

Za proračunati volumen betona doziraju se komponente betona i zamiješaju. Ispitivanje konzistencije. Prekorigira se količina vode, da bi se dobila

PROBNE MJEŠAVINE 12. Ispitivanje svojstava svježeg betona i iz_rada uzoraka za ispitivanje očvrslog betona

Provjerava se, da li su postignute projektirane za gustoću betona i količinu zraka.

veličine

PREMA POTREBI PONAVLJA SE OD 3. KORAKA, da bi dobili podatke za više mješavina, s različitim količinama cementa 13. • ....,

18

zanje betona pod konstantnom defonnacijom rezultira relaksacijom naprezanja [ 10.12].

Puzanje nakon (t-to} -r~-~~--~~~~_.._

=et-eo

Početna elastična

deformacija

O'o

E

to

Starost

t

Slika l 0.18. Puzanje pod djelovanjem konstantnog naprezanja. E je sekantni modul elastičnosti u trenutku t.,[ 10.12].

162

U slučajevima (b) do (d), a to su uobičajeni uvjeti mjerenja puzanja betona, potrebno je zasebno izmjeriti deformacije od skupljanja, bubrenja i od porasta temperature, da bi se izračunalo deformaciju od puzanja betona. Utjecaj puzanja može se promatrati i na drugi način. Ako je uzorak betona opterećen tako, da mu je pridodana konstantna deformacija, puzanje će se manifestirati kao postepeno smanjenje naprezanja s vremenom. To je relaksacija (Slika 10.19). Ako se dugotrajno opterećenje ukloni, deformacija betona će se trenutno smanjiti za elastični dio. Ova je defonnacija manja od početne elastične deformacije, jer se u međuvremenu povećao modul elastičnosti. Nakon ove kratkotrajne povratne deformacije, i dalje se s 163

------

0.400

~-~·

/~

,/• 0.200

• eksperimentalni podaci __ - logaritamska f. - - - hiperbolna f.

600

Vrijeme pod

opterećenjem

(t- '!J

1200 dani

Slika I 0.21. Eksperimentalni podaci i matematičke funkcije vrijeme-puzanje [ 10.8].

Druga je funkcija logaritam

oblika: i;c=

Slika I 0.20. Puzanje i povratno puzanje betona opterećenog pod vodom i na zraku nakon 28 dana njegovanja [ 10.12].

vremenom smanjuje deformacija betona. Taj drugi dio povratne deformacije zove se 119yratno puzanj§ (Slika 10.20). Povratno puzanje brže napreduje od puzanja, i manje je od puzanja. Prema tome puzanje nije u ci' losti reverzibilna pojava.

-------···~...

OPIS OBLIKA KRIVULJE PUZANJA

Oblik krivulja puzanja opisuje se različitim matematički izrazima. Oni se dobivaju traženjem funkcije, koja će se najbolje prilagoditi rezultatima eksperimenata provedenih uglavnom u laboratorijskim uvjetima. Tako dobivene funkcije valoriziraju se uglavnom prema tome, koliko dobro opisuju rezultate eksperimenata i kako se lako određuju njihovi koeficijenti. Dvije takve funkcije u usporedbi s podacima pokusa prikazane su na slici 10.2 l. Prva je hiberbolna funkcijg;

A+ B log (l+t-1).

Prema ovom izrazu puzanje u funkciji logaritma vremena ima oblik pravca, pa se opet lako mogu odrediti parametri A i B iz podataka pokusa aproksimiranih pravcem. Prema ovom izrazu puzanje nikada ne prestaje, bolje aproksimira početne rezultate mjerenja, ali daje prevelike dugoročne vrijednosti puzanja. Optereti li se iste uzorke betona u različitim starostima dobiva se familija krivulja pu_zanja, za koje se u računu uzima, da su afino pridružene (iako to egzaktno nisu). Te ~nvulJ~ mogu se aproksimirati površinom puzanja (Slika 10.22) Uzimajući u obzir linearni odnos puzanja i naprezanja, može se napisati: ep = cr • c/r, t -

1 ).

Dosa?ašnji mat::iiatič~i izrazi vrijedili su za slučaj konstantnog djelovanja naprezanja, a to znaci praktično za uzorke pri ispitivanju u laboratorijskim uvjetima.

gdje je t ukupna starost betona, 1 je vrijeme opterećivanja uzorka betona, tako da je (t -1) vrijeme uzorka pod opterećenjem. Prednost je ove jednadžbe u tome, da se može pisati u obliku:

i!..=..:Ll. = a+ b(t

1),

i;p

pa se rezultati testiranja puzanja mogu aproksimirati pravcem u dijagramu, kojem je lijeva strana ove jednadžbe ordinata, (t-1) apscisa, a konstanta b nagib pravca, konstanta a odsječak na ordinati. Prema ovoj jednadžbi, puzanje ima konačnu vrijednost, i;"'= l/b. Ova se funkcija dobro podudara s izmjerenim kasnijim rezultatima puzanja, ali obično daje premale ukupne konačne vrijednosti. 164

Slika 10.22. Površina funkcije puzanja [ 10.8}.

165

Kada je opterećenje funkcija vremena uzima se, da vrije~~ princip superpozic!je: ~i~ intervala naprezanja može se promatrati svaki za sebe, 1 nJthov rezultat se zbraja 1 č1111 ukupni efekt puzanja: t

Ec(t) =

Jck:,

t

t).

8cr(t) . dt. 8t

Ovaj se' integral obično rješava numerički, iako neki oblici izraza za direktna rješenja.

ep

omo-

gućavaju

isparljivi dio vlage cementnog kamena je jedan od ključnih sastojaka betona za tumačenje puzanja. Međutim, jednako je važno ustanoviti, da puzanja ima i tada kada nema transporta vlage iz betona u atmosferu. Veličina puzanja mijenja se zavisno od gustoće (poroznosti) cementnog kamena na sličan način kao i modul elastičnosti, a to znači zavisno od vodocementnog faktora i stupnja hidratacije. Pojava puzanja očito ima sličnosti sa skupljanjem betona, pa je vrlo vjerojatno, da su te dvije pojave u vezi. Fizikalni i kemijski procesi koji rezultiraju puzanjem betona, zbivaju se na molekularnoj razini, i nema direktnih dokaza o stvarnim promjenama. Pojave zapažene i izmjerene na inženjerskoj razini tumače se najvjerojatnijim fizikalnim fkemijskim promjenama, te mehaničkim efektima sprezanja agregata i cementnog kamena.

Uzroci puzanja, skupljanja i bubrenja betona Puzanje betonskog uzorka izoliranog od okoline je znatno manje od uzorka iz kojega istovremeno može evaporirati voda (Slika 10.23). Uobičajeno je, da se kao osnovno puzanje definira onaj dio puzanja, koji se izmjeri na posve izoliranom uzorku, tj. u uvjetima kada nema transporta vlage između uzorka i okoline. Kadaje evaporacija vlage iz uzorka moguća, dodatni dio deformacije naziva se skupljanje pri pu~a~ju. Taj dio deformacije je veći nego što bi bilo samo skupljanje istoga uzorka u istim termohigrometrijskim uvjetima. Većina agregata, pri uobičajenim naprezanjima u normalnom beto~u ponaša se potpuno elastično, pa je cementni kamen jedini taj koji puže. ~~-~:r:?an1enJ~m vlage .~.s~_.puzan.j~,ILRP_tp11I!Q._Suhi cerr:_e.1'1tni~~~~u~~~i:.e.P~!::_~e,

UTJECAJ DIFUZIJE VLAGE Opterećenje betohskog elementa izaziva promjene naprezanja u strukturi h.c.p„ tako da je poremećena termodinamička ravnoteža, pa se vlaga počinje gibati u smjeru nastalog gradienta. To znači transport vlage iz manjih u veće pore, koji se može odvijati na nekoliko razina strukture cementnog kamena: a) u kapilarnoj vodi, kao brza i reverzibilna promjena pritiska; b) u adsorbiranoj vodi, kao postepeni transport vlage iz zona u kojima je smanjena adsorpcija. Ovaj transport je vjerojatno reverzibilan nakon rasterećenja.

c) u međuslojnoj vodi koja vrlo sporo difundira u gel pore. Smatra se, da se prostori iz kojih izađe međuslojna voda zaklope te nastaju kemijske veze slojeva gela, što znači, da je barem dio ovih deformacija nepovratan. Premda puzanje sa skupljanjem ne rezultira mjerljivim smanjenjem mase uzorka, kao što je to slučaj kod samog skupljanja, ipak se uzima, da je gubitak vlage iz uzorka u atmosferu pod opterećenjem objašnjenje za pojavu dodatnog puzanja uz istovremeno skupljanje. Izoliranje uzorka betona ne može spriječiti tu pojavu, jer uvijek ima dovoljno šupljina u betonu u koje može interno difundirati vlaga.

1200

Prr::c_ijenjer:,o ~ vr1.Jeme susenJa i

PRILAGOĐAVANJA STRUKTURE

80

Zbog heterogene prirode hidratizirane cementne paste, u njenoj strukturi dolazi do koncentracije naprezanja, a posljedica toga je konsolidacija strukture u točkama najvećih naprezanja, i time čak povećanje ukupne čvrstoće presjeka. Koncentracije naprezanja imaju za posljedicu: a) Viskozno tečenje, pri čemu se susjedne čestice približavaju djelovanjem smičnih naprezanja. Smanjenje volumena koje prati puzanje, posljedica je popunjavanja pora u strukturi h.c.p. b) Rekri:;talizaciju, zbog koje djelovanjem velikih naprezanja dolazi do rastvaranja čvrstog materijala i zatim konsolidacije strukture i prodiranja materijala u područja manjih naprezanja.

400

o 10 28 90 dani

1 2.

5 10 2J ]() godine

c) Prekid veza, pri čemu se lokalno prekidaju primarne veze, omogućava kolaps strukture, koji zatim slijedi rekonstrukcija veza i poboljšanja lokalne čvrstoće. Utjecaj istovremenog kretanja vlage, ili stvaranja temperaturnog gradijenta, molekularni raspored, što omogućava veća podešavanja u strukturi. Svi ovi mehanizmi su u biti ireverzibilni, a postepeni napredak od metastabilnog stanja prema stabilnom u skladu je sa zapaženim smanjenjem gradijenta puzanja.

poremećuje

Slika 10.23. Puzanje uzoraka betona njegovanih 28 dana i zatim opterećenih jednakim silama u različitim higrometrijskih uvjetima. Ovo su rezultati ispitivanja koje je za počeo Davis 1920. godine [I 0.13].

166

167

MIKRO PUKOTINE

Zakazivanje betona počinje stvaranjem mikropukotina u h.c.p. i na interfaceu h.c.p. i agregata. Premda je puzanje koje se ovdje razmatra znatno ispod razine naprezanja pri kojem dolazi do značajnijeg širenja pukotina, ipak određeni stupanj širenja pukotina ima utjecaja na puzanje. Taj mehanizam ne znači podešavanje strukture, jer je popraćen lokalnim povećavanjem volumena i smanjenjem čvrstoće. Očito će doprinos mikropukotina biti veći pri većim naprezanjima, a posebno pri vlačnim naprezanjima. U betonu, koji se postepeno suši, postojanje gradijenta vlage očito će povećati naprezanja, rezultirajući povećanjem mikropukotina i povećavanjem puzanja. između

ODGOĐENA ELASTIČNA DEFORMACIJA

Ako je materijal koji puže spregnut paralelno s inertnim materijalom (cementni kamen s agregatom), dolazi do odgođene elastične deformacije. To znači, naprezanje u materijalu koji puže se smanjuje, kako se opterećenje prenosi na inertni materijal (agregat), koji se deformira elastično, kako se naprezanje u njemu postepeno povećava. Skidanjem opterećenja dolazi do isto takove postepene povratne defonnacije, tako da se inertni materijal postepeno vrati u svoje početno neopterećena stanje. Prema tome odgođena elastična deformacija je u potpunosti reverzibilna. Ova pojava zapažena je i kod h.c.p. i može se pripisati svakom gore opisanom mehanizmu, ako oni djeluju unutar i u vezi s rešetkastom strukturom h.c.p. Agregat, također, djeluje kao paralelni inertni materijal i ima znatni utjecaj na reverzibilne i ireverzibilne komponente puzanja. Odgođena elastično djelovanje može se dobro prikazati Kelvinovim reološkim modelom, prikazanim na slici 10.24. Agregat je predstavljen oprugom, koja je spojena paralelno s klipom, koji reprezentira cementnu pastu.

-

UTJECAJ VELIČINE ELEMENTA KOJI SE ISPITUJE

Sušenje betona je spori proces, i unutrašnjost betonskog elementa ostaje još dugo vlažna, nakon što se površinski slojevi prosuše. Usporedi li se ponašanje dvaju blokova različite veličine, onda veći treba dulje vremena da vlaga iz unutrašnjosti evaporira, pa prema tome imati će veću prosječnu vlažnost. To rezultira dvim efektima. Prvo, u bloku ima duže vremena dovoljno vlage za hidrataciju, i drugo, prosječna brzina kretanja

2.5

~1:

f;

f J

II

~.

:-...! 9-

.„,;c::