Grunnleggende betongteknologi 8291414262 [PDF]

Zitiervorschau

Betongkompetanse

Grunnleggende betongteknologi Pål Gjerp Morten Opsahl

BA forlaget

© 1998 BA forlaget Bygg og Anlegg Media AS ISBN 82-91414-26-2

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndverksloven og fotografiloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk.

Alle henvendelser kan rettes rettes til: BA forlaget Bygg og Anlegg Media AS Postboks 5486 Majorstua 0305 Oslo

Redaktør: Tom Ekeli Omslag: Klaus Brinkmann Layout og førtrykk: David Keeping Produksjon: Falch Hurtigtrykk

2

Forord Denne boken er et resultat av en offensiv satsing fra bygg- og anleggsbransjen for å formidle ny kunnskap om betongteknologi og -rehabilitering. Som en del av BA-næringens strategi for kompetanseutvikling ble FoU-prosjektet ”Kompetanseutvikling i BA-næringen" gjennomført i 1996 og 1997. Hovedideen for prosjektet var at kompetanseutvikling bør skje i tilknytning til konkrete bygg- og anleggsprosjekter. Prosjektet ble støttet av Norges Forskningsråd og StatensNærings- og Distriktsutviklingsfond. Et av delprosjektene hadde som mål å gjennomføre en systematisk opplæring i betongrehabilitering for personell som er knyttet til et konkret rehabiliteringsprosjekt. Resultatet av prosjektet ble bl.a. en kurspakke bestående av et utprøvd kursopplegg med fire moduler, en instruktørveiledning og tre lærebøker som er tilpasset ca. 88 timer teoriundervisning. Utviklingen av lærebøkene har fått økonomisk støtte fra omtalte FoUprosjekt i tillegg til Norsk Betongforening, Norsk Forening for Betongrehabilitering og Statens vegvesen. Lærebøkene vil også være egnet til fagopplæring gjennom skoleverket. Vi vil på denne måten takke forfatterne Morten Opsahl, Høgskolen i Oslo, avdeling for ingeniør­ utdanning og Pål Gjerp, PA Entreprenør AS for et godt samarbeide. Likeledes har Sivilingeniør Bente Lillestøl og Forlagsredaktør Tom Ekeli vært viktige støttespillere for å få fram boken.

Redaksjonsutvalget for boken har bestått av: Lars Juterud, Entreprenørforeningen - Bygg og Anlegg Knut R. Berg, Magne Maage og Birger Søpler/ra Norsk Betongforening Bjørn Stockmann, Norsk Forening for Betongrehabilitering Sigmund Lønset. Statens vegvesen. Møre og Romsdal Rannveig Ravnanger Landet, Statens vegvesen, Veglaboratoriet

Oslo, september 1998 Norsk Betongforening/Norsk Forening for Betongrehabilitering

3

GRUNNLEGGENDE BETONGTEKNOLOGI

1 Reaksjonen mellom vann og sement............................ l .I 1 .2

9

Reaksjonsproduktene...................................................................................................................................9 Poretyper og porefordeling..................................................................................................................... 10 Kontrollspørsmål ........................................................................................................................................ 13

2 Betongens bestanddeler......................................................................................................... 15 2.1

2.2

2.3

2.4

Tilslaget........................................................................................................................................................ 15 2.1.1

Korngradering.................................................................................................................................................................. 15

2.1.2

Kornform og overflate................................................................................................................................................... 18

2.1.3

Fuktinnhold i tilslag........................................................................................................................................................19

Sementer......................................................................................................................................................... 19 2.2.1

Sementproduksjon.......................................................................................................................................................... 20

2.2.2

Kjemisk sammensetning................................................................................................................................................ 21

2.2.3

Fasthetsutvikling............................................................................................................................................................ 21

2.2.4

Varmeutvikling .............................................................................................................................................................. 21

2.2.5

Finhet.............................................................................................................................................................................. 22

2.2.6

Norskproduserte sementer og deres egenskaper......................................................................................................... 22

2.2.7

Utenlandske sementer.................................................................................................................................................... 25

2.2.8

Benevnelser i henhold til norsk og europeisk sementstandard.................................................................................. 25

Tilsetningsstoffer.......................................................................................................................................... 27 2.3.1

Vannreduserende stoffer................................................................................................................................................ 28

2.3.2

R-stoffer.......................................................................................................................................................................... 30

2.3.3

A-stoffer.......................................................................................................................................................................... 31

2.3.4

L-stoffer.......................................................................................................................................................................... 31

2.3.5

Andre tilsetningsstoffer til spesielle formål.................................................................................................................32

Silikastøv....................................................................................................................................................... 33 2.4.1

Innvirkning på fersk betong...........................................................................................................................................33

2.4.2

Innvirkning på herdet betong........................................................................................................................................ 34

Kontrollspørsmål......................................................................................................................................... 36

3 Fersk betongs egenskaper..................................................................................................... 39 3.1

3.2 3.3 3.4 3.5

4

Støpelighet..................................................................................................................................................... 39 3.1.1

Hva er støpelighet?......................................................................................................................................................... 39

3.1.2

Konsistens og mobilitet.................................................................................................................................................40

3.1.3

Måling av konsistens..................................................................................................................................................... 40

3.1.4

Faktorer som påvirker betongens konsistens.............................................................................................................. 41

3.1.5

Separasjon/blødning (bleeding).................................................................................................................................... 43

3.1.6

Komprimerbarhet........................................................................................................................................................... 44

3.1.7

Tilpasning av betongens støpelighet............................................................................................................................ 44

Plastisk svinn................................................................................................................................................ 46 Plastisk setning............................................................................................................................................. 47 Pumpbarhet....................................................................................................................................................48 Forskalingstrykk...........................................................................................................................................48 Kontrollspørsmål ......................................................................................................................................... 50

INNHOLD

4 . Behandling av fersk og herdnende betong......................................................................... 51 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Utstøping/vibrering..................................................................................................................................... 52 Utstøping av vegger og søyler.................................................................................................................... 53 Utstøping av dekker..................................................................................................................................... 56 Etterbehandlingens betydning.................................................................................................................... 58 Frost i fersk og ung betong......................................................................................................................... 58 Forberedelser og etterarbeider.................................................................................................................... 59 Kontrollspørsmål......................................................................................................................................... 60

5 Egenskapene hos herdet betong........................................................................................... 61 5.1

5.2 5.3 5.4 5.5

Fasthet/stivhet............................................................................................................................................... 61 5.1.1

Faktorer som innvirker på betongens fasthet.............................................................................................................. 61

5.1.2

Prøving av fasthet......................................................................................................................................................... 63

Tetthet/permeabilitet.................................................................................................................................... 65 Uttørkingssvinn............................................................................................................................................ 66 Temperaturforskjeller i herdefasen............................................................................................................ 67 Frost i herdet betong.................................................................................................................................... 68 Kontrollspørsmål ......................................................................................................................................... 70

6 Herdeteknologi......................................................................................................................... 71 6.1

6.2 6.3 6.4

Fasthets- og temperaturutvikling ............................................................................................................... 72 6.1.1

Normert fasthetsutvikling............................................................................................................................................. 72

6.1.2

Herdetemperaturens innvirkning på fasthetsutviklingen........................................................................................... 72

6.1.3

Faktorer som innvirker på varmeutviklingen i betongen........................................................................................... 74

Styringsdiagram............................................................................................................................................ 75 EDB-simulert herdeutvikling..................................................................................................................... 76 Herdeoppfølging...........................................................................................................................................77 Kontrollspørsmål......................................................................................................................................... 78

7 Rammebetingelser ved utførelseav betongarbeid................................................................79 7.1 7.2

7.3 7.4 7.5

Lover og forskrifter..................................................................................................................................... 79 Norske standarder.........................................................................................................................................80 7.2.1

Kontrollklasser............................................................................................................................................................... 80

7.2.2

Krav til kompetanse.......................................................................................................................................................81

7.2.3

Krav til bestandighet......................................................................................................................................................82

7.2.4

Løpende byggeplasskontroll......................................................................................................................................... 82

Bestilling og mottak av fabrikkbetong......................................................................................................84 Europeiske standarder................................................................................................................................. 87 Egenkontroll ved utførelse av betongarbeid............................................................................................. 88 7.5.1

Kontrollplaner, sjekklister............................................................................................................................................ 88

7.5.2

Avviksbehandling......................................................................................................................................................... 89

Kontrollspørsmål......................................................................................................................................... 90

5

GRUNNLEGGENDE BETONGTEKNOLOGI

8 Bestandighet............................................................................................................................ 91 8.1

8.2

8.3

8.4

Egenskaper knyttet til betongsammensetningen..................................................................................... 92 8.1.1

Vann/sement-forhold (masseforhold).......................................................................................................................... 92

8.1.2

Sementmengde.............................................................................................................................................................. 92

8.1.3

Sementtype.................................................................................................................................................................... 93

8.1.4

Pozzolane tilsetningsmaterialer................................................................................................................................... 93

8.1.5

Tilslagsmaterialer..........................................................................................................................................................94

8.1.6

Reologiske egenskaper................................................................................................................................................. 95

8.1.7

Tilsetningsstoffer...........................................................................................................................................................95

Utformingen av konstruksjonen................................................................................................................ 96 8.2.1

Miljøklasser................................................................................................................................................................... 96

8.2.2

Statiske beregninger..................................................................................................................................................... 97

8.2.3

Detaljløsninger.............................................................................................................................................................. 97

8.2.4

Armeringsmengde...................................................................

8.2.5

Armeringsføring............................................................................................................................................................99

8.2.6

Overdekning.................................................................................................................................................................. 99

99

Egenskaper knyttet til utførelsen............................................................................................................. 100 8.3.1

Forskaling..................................................................................................................................................................... 100

8.3.2

Utstøping......................................................................................................................................................................100

8.3.3

Etterbehandling............................................................................................................................................................ 101

Vedlikehold................................................................................................................................................. 103 Kontrollspørsmål....................................................................................................................................... 104

9 NEDBRYTINGSMEKANISMER.............................................................................................. 105 9.1

9.2

Armeringskorrosjon................................................................................................................................... 105 9.1.1

Karbonatisering............................................................................................................................................................106

9.1.2

Kloridinntrenging........................................................................................................................................................ 107

Betongnedbryting ....................................................................................................................................... 108 9.2.1

Frost.............................................................................................................................................................................. 108

9.2.2

Mekanisk nedbryting...................................................................................................................................................109

9.2.3

Kjemisk nedbryting..................................................................................................................................................... 109

9.2.4

Syreangrep................................................................................................................................................................... 110

9.2.5

Sulfat- og nitratangrep................................................................................................................................................. 110

9.2.6

Alkalireaksjoner........................................................................................................................................................... 110

Kontrollspørsmål..................................................................................................................................... 111

Vedlegg....................................................................................................................................... 113 Referanser.................................................................................................................................. 121 Stikkord....................................................................................................................................... 122

6

Innledning De tre viktigste byggematerialene i Norge er tre, stål og betong. Av disse igjen er betong det mest brukte. I utgangspunktet er betong en mer eller mindre flytende masse blandet sammen av vann (16-20 %). sement (10-15 %), sand og stein (60-70 %). Tallene i parentes angir grovt de enkelte delers andel av totalvolumet. Denne massen fylles i en form og vil, på grunn av en kjemisk reaksjon som foregår mellom sementen og vannet, utvikle fasthet. Riktig sammensatt, utstøpt og utformet betong gir også en bestandig konstruksjon. Disse egenskapene, stor styrke og bestandighet, sammen med at betongen kan støpes ut i hvilken som helst form og dimensjon, har gitt betong den dominerende stilling den har i vår byggevirksomhet. Betong er et byggemateriale som har vært benyttet i svært lang tid. ja flere tusen år. Det var allikevel først etter at armering ble tatt i bruk i betong at bruken som byggemateriale fikk noe omfang. Prinsippet med armering slo først gjennom rundt 1900. og vi finner i dag få armerte betongkonstruksjoner i Norge som er eldre enn 60 år. Den første armerte betongkonstruksjonen som ble bygget i Norge er en 10 cm tykk vegg ved Fjergen Dam i Kopperåa ved Meråker. bygget i 1916. Det første større byggverk med så vel vegger som etasjeskillere av armert betong var Havnelageret i Oslo, bygget i årene 1916-1920.

Typisk for de tidligste konstruksjoner av betong var grove dimensjoner. I tillegg var betongen sementrik. materialutnyttelsen var lav og arbeidenes framdrift var lav. Utviklingen gikk så videre mot stadig større materialutnyttelse, mer kompliserte og spesialiserte betongsammensetninger og stadig mer rasjonelle byggemetoder. Regelverket fulgte i denne perioden ikke i tilstrekkelig grad med i utviklingen og kompetansen hos så vel de prosjekterende som de utfør­ ende var mangelfull. Man hadde nærmest slått seg til ro med forestillingen om at betong var et evigvarende materiale. Resultatet er at vi i dag har skader på betong for milliarder av kroner, og at betong som bygge­ materiale sliter med sitt renomé.

Et viktig virkemiddel for å endre denne situasjonen er å bedre de involvertes kunnskap om betong som materiale.

7

8

1 Reaksjonen mellom vann og sement Hva er betong? To deler sement og en del vann vil mange svare. Og det er riktig det, nesten. Men for å få en bearbeidbar og bestandig betong, er det mange flere faktorer som spiller inn. Noen av disse vil du lære om i dette kapitlet. Først tar vi for oss reaksjonsproduktene, før vi går inn på poretypene, fra de bittesmå til de større, og ser på fordelingen av disse.

100-1 Vann ca 15-20 %

9080-

Sement ca 10-20 %

70-

~ c CD «

60-

bW

30-

Sand og stein ca 60-70 %

20-

10-

B

0^00

5040-

etong er i utgangspunktet et enkelt materiale, men når en går i dybden, blir det straks mer komplisert. I dette kapitlet er målet å belyse reaksjonen mellom to av betongens bestanddeler, sement og vann, og hvordan mengde fordelingen dem imellom påvirker betongens struktur.

o

0--

Figur 1.1 Omtrentlig volumfordeling av delmaterialene i betong

1.1 Reaksjonsproduktene Betong er sammensatt av sement, vann, tilslagsmaterialer, i de aller fleste tilfeller tilsetningsstoffer og i en stor del av tilfellene også tilsetningsmaterialer (f.eks. filler, silikastøv o.l.). Figur 1.1 viser omtrentlig volumfordeling av delmaterialene i alminnelige betonger. Tilsetningsstoffer og -materialer til­ settes i mindre mengder.

En blanding av sement og vann kalles sementpasta, sementlim eller bare pasta.

Vektforholdet mellom vann og sement kalles v/c-tallet. Er v/c-tallet større enn 0,32, vil volumet av vann være større enn volumet av sement. For v/c-tall større enn dette er sementkornene fullstendig omsluttet av vann, de “bader” i vann, jf. figur 1.2.

Figur 1.2 Fersk sementpasta 71/

Størkningsfasen

Sementkorn Reaksjonsprodukt

Vatn

Figur 1.3 Størkningsfasen 717

Sement er et hydraulisk bindemiddel, dvs. at det sammen med vann starter en kjemisk reaksjon som gir et fast reaksjonsprodukt. Når denne kjemiske reaksjonen pågår, sier vi at sementen hydratiserer. Når sementen hydratiserer, vokser det ut en nålformet reaksjonsmasse fra over­ flaten på sementkomet, jf. figur 1.3. Denne reaksjonsmassen kalles sementgel. Sementgelet består av: - fastkrystaller som gir betongen fasthet, stivhet og bestandighet. Disse fastkrystallene er en kalsiumsilisium-hydrat-forbindelse og kalles derfor gjerne CSH-fasen.

9

GRUNNLEGGENDE BETONGTEKNOLOGI

- løskrystaller av kalsiumhydroksid, Ca(OH)„ som ikke bidrar til å gi betongen fasthet, men gjør den svært basisk (ca. pH 13). At betongen har så høy pH, er svært gunstig fordi det gir et beskyttende oksidlag på armeringen og forhindrer den fra å korrodere.

- en del åpninger/porer, gelporer. Disse porene er fra starten av fylt med vann, betegnet som gelvann. Herda sementpasta

Uhydratisert sement Reaksjonsprodukt med gelporer

--------- Kapillarporer og krontraksjonsporer

Figur 1.4 Herdet sementpasta 71/

Betongens utvikling av fasthet deles i to faser. Den første fasen er fram til betongen har fått sin første lille fasthet og ikke lenger lar seg bearbeide. Denne fasen kalles størkningsfasen. Vi kan tenke oss at den er over når de nålformede reaksjonsproduktene har vokst så langt ut at de begynner å gripe inn i hverandre. Når størkningsfasen er over, starter herdefasen. Reaksjons­ produktene fyller en større del av volumet, og den uhydratiserte resten av hvert sementkorn er blitt mindre, jf. figurene 1.4 og 1.5.

1.2 Poretyper og porefordeling Når vann og sement reagerer, forbrukes vann på to måter: - En vannmengde tilsvarende et v/c-tall lik ca. 0,25 er nødvendig for selve den kjemiske reaksjonen. Dette vannet blir kjemisk bundet og inngår i CSH-fasen.

- En vannmengde tilsvarende et v/c-tall lik ca. 0,15 blir fysisk bundet til overflaten av reaksjonsproduktene som vann i gelporene, gelvann.

Figur 1.5 Rapidsement som har hydratisert i 6 døgn. Kalsiumsilikat-hydrat-nåler er tydelige. Forstørret ca. 3000 ganger. 72/

Disse to måtene å forbruke vann på foregår samtidig, og det er her ikke snakk om tørking selv om vannet tilsynela­ tende blir borte. Dette tilsier med andre ord at et v/c-tall på minst ca. 0,4 er nødvendig for å oppnå 100 % hydratisering av sementen, og at vi ved v/c = 0,4 i utgangspunktet bare har reaksjonsmasse og gelporer. Det fysisk bundne gelvannet kan under vanlige klimatiske forhold bare delvis fordampe. Det er for øvrig dette som er årsaken til uttørkingssvinn. For å få bort alt gelvannet må vi øke tem­ peraturen til noe over 100 °C. Det kjemisk bundne vannet kan også drives ut, men for å få dette til må temperaturen være enda høyere. Det kan f.eks. skje i en brannsituasjon. Sementlimet kan da dehydratiseres, og det vil miste mye av sin limeffekt.

Ved å forandre v/c-tallet forandrer vi forholdet mellom de­ lene i sementpastaen. Er v/c-tallet større enn 0,4, har vi mer vann i blandingen enn det som er nødvendig for at all se­ ment skal hydratisere. Dette vannet vil være jevnt fordelt i den ferske pastaen. Når pastaen herder, kan vannet for­ dampe. Her etterlates da relativt store porer, kapillærporer. En kapillærpore er 1000 ganger større enn en gelpore, jf. figur 1.6.

Figur 1.6 Poretyper i sementpasta og betong med relative størrelser 71/

10

1

10°-| Meter (m)

Konstruksjon

10~1-

10-2-

Tilslag

1(T3-

Millimeter (mm)

ur4-

Luftbobler

ur5-

Sement, filler, flygeaske

ur6-

Mikrometer (pm)

ur7-

Kontraksjonsporer, kapillarporer

Silikastøv

ur8ur910-1°-

Nanometer (nm)

Gelporer

Ångstrøm (Å)

Reaksjonsprodukt, vann/sement

Figur 1.7 Lengdeskalaen fra meter til KL'0 meter (ångstrøm) /!/

Herdet sementpasta med lavt v/c-tal

Herdet sementpasta med høyt v/c-tal

REAKSJONEN MELLOM VANN OG SEMENT

I betongfaget snakker vi om størrelser fra meter og nedover til ångstrøm. Ångstrøm er så liten at det går ti millioner ångstrøm på hver millimeter. Dette spenner over en dimensjonsforskjell på 1O10. For å gi et klarere begrep om dette, viser figur 1.7 den mest aktuelle delen av lengdeskalaen med antydning av hvor de ulike materialer, porer og reaksjonsprodukter finnes.

Figur 1.8 viser fordelingen mellom fast stoff og ulike porer i herdet sementpasta med varierende v/c-tall. Av figur 1.8 ser vi at de nevnte kapillærporene oppstår ved v/c = 0,4, og mengden tiltar kraftig med økende v/c-tall. Økende v/c-tall gir altså en økende andel av porer, mens faststoffandelen avtar. Det gir en stadig mer glissen struktur i den herdede pastaen. Dette er forklaringen på at fastheten synker og tett­ heten avtar raskt med økende v/c-tall. Når vektforholdet mellom sement og vann er mindre enn 0,4, er det for lite vann til at all sementen kan reagere. Dette er i og for seg ikke noe problem, fordi resultatet er et min­ dre porevolum, og den delen av sementkomene som ikke har reagert kjemisk, vil fungere som et sterkt og godt fyll­ stoff (tilslag). Dette er vist på figur 1.8. Også for v/c-tall større enn 0,4 vil det i praksis alltid være en del av sementkornene som ikke har reagert. Figur 1.8 viser øverst nok en poretype, kontraksjonsporer. Opphavet til disse porene er at reaksjonsproduktet mellom sement og vann har et litt mindre volum enn summen av utgangsmaterialene. Når så sementpastaen blir stiv når bare 0,5 % av vannet er kjemisk bundet, sier det seg selv at det vesentlige av denne volumreduksjon kommer etter dette. Det ytre volumet er uendret, og denne volumreduksjonen framkommer da som jevnt fordelte porer i den herdede sementpastaen, kontraksjonsporer. Disse porene er relativt store og oppfattes som en del av kapillærporesystemet. Da disse porene er et resultat av at sementen hydratiserer, er mengden av dem styrt av hydratiseringsgraden. Det gjelder for øvrig også gelporemengden. Som nevnt vil et økende v/c-tall gi en økende andel av po­ rer. For eksempel kan vi lese ut av figur 1.8 at ved v/c = 0,4 vil ca. 70 % være fast stoff og ca. 30 % porer. Økes v/ctallet til 0,6, vil faststoffandelen synke til vel 50 %, og porevolumet øker tilsvarende til nær 50 %.

Figur ] .8 Fordelingen mellom fast stoff og ulike porer i herdet sementpasta med varierende v/c-tall /!/

11

GRUNNLEGGENDE BETONGTEKNOLOGI Fersk betong Stein Sand

Sement

Vann

Luftboble

5 %

Luft

18 %

Vann (180 I)

10 %

Sement (300 kg) G »

X