BETONI VISOKIH. Uvod. pritisku granicu od 100 MPa. em rezultat primene određenih postupaka tokom proizvodnje i ugrađivanja betonskih mešavina.

Transcript

1 BETONI VISOKIH ČVRSTOĆA Uvod Zahvaljujući intenzivnom razvoju u oblasti teorije i tehnologije betona, danas se na bazi cementa kao veziva mogu dobiti i betoni kod kojih čvrstoće pri pritisku premašuju granicu od 100 MPa. Ovako visoke čvrstoće su u najvećem em broju slučajeva rezultat primene određenih postupaka tokom proizvodnje i ugrađivanja betonskih mešavina avina. 1

2 Međutim, praktično svi takvi postupci svode se na dobijanje betona izuzetno visoke kompaktnosti, što se postiže smanjivanjem sadržaja aja vode u svežem em betonu, uz primenu različitih itih dodataka za obezbeđenje povoljne ugradljivosti, kao i primenom odgovarajućih sredstava za kompaktiranje betona tokom procesa ugrađivanja. Drugi, pak, pravac kojim se takođe može delovati u smislu dobijanja betona visokih mehaničkih karakteristika je iniciranje određenih dodatnih hemizama u sklopu procesa hidratacije cementa, čiji će produkti takođe dati svoje doprinose čvrstoćama betona. 2

3 Treba, međutim, istaći da se i uticaji ovih hemizama najčešće izražavaju avaju kroz efekte smanjivanja ukupne poroznosti betona, tako da se, generalno posmatrano,, i u ovom slučaju ostvareni doprinosi čvrstoći mogu posmatrati kroz prizmu povećanja kompaktnosti. Osim napred navedenih osnovnih faktora koji omogućavaju dobijanje betona visokih čvrstoća, treba imati u vidu i to da ovakvi betoni najčešće zahtevaju primenu nešto većih doza cementa od uobičajenih (uglavnom preko 400 kg/m 3 ), kao i primenu cemenata viših ih klasa i bržih prirasta čvrstoća. 3

4 Ako se u daljem pođe od stava da su betoni visokih čvrstoća betoni čije su marke veće od MB 60, u našim uslovima za ovakve betone mogla bi se preporučiti samo primena cementa klase 52.5, izuzetno klase 42.5R, pri čemu, logično no, prednost treba dati "čistom" portland cementu. Pored ovoga,, u obzir za primenu dolaze i samo agregati visokih mehaničkih svojstava, kao što su kvarcit (čvrstoća pri pritisku f p = MPa), kvarc (f p = MPa), granit (f p = MPa), dijabaz (f p = MPa), jedar krečnjak (f p = MPa) ) i dr. 4

5 S obzirom na napred izloženo eno, načelno bi se mogli definisati sledeći osnovni pravci delovanja, ukoliko se želi dobijanje betona visokih mehaničkih svojstava: - Fizičko delovanje, koje se sastoji u primeni niskih vodocementnih faktora uz korišćenje aditiva tipa plastifikatora i superplastifikatora,, i odgovarajućih sredstava za kompaktiranje betonskih mešavina tokom procesa ugrađivanja; na ovaj način mogu se dobiti betoni sa čvrstoćama pri pritisku između 60 i 100 MPa. - Izrada betona sa dodatkom silikatne prašine ine, sa ili bez plastifikatora odnosno superplastifikatora, uz primenu autoklavnog očvršćavanja na optimalnoj temperaturi od oko 175 o C i pri pritisku od oko 8 bara; primenom ovog postupka mogu se, u prvom redu zahvaljujući iniciranju i intenziviranju pojedinih hemijskih reakcija prisutnih tokom procesa hidratacije cementa, dobiti betoni sa čvrstoćama pri pritisku i do cca 250 MPa. 5

6 Obični betoni visokih čvrstoća Kako teorijska razmatranja i rezultati eksperimentalnih ispitivanja pokazuju da mehaničke karakteristike, kao i niz drugih svojstava betona, bitno zavise od ostvarene poroznosti cementnog kamena, čvrstoće betona se u najvećoj meri mogu smatrati za funkcije primenjenog vodocementnog faktora. Stoga se u literaturi i sreće veći broj empirijskih i poluempirijskih formula koje definišu zavisnost između vodocementnog faktora i čvrstoće betona pri pritisku. Ilustacije radi, na sl. 4.9, dat je grafički prikaz funkcionalnih zavisnosti vodocementni faktor (ω=m v /m c ) - čvrstoća betonske kocke pri starosti od 28 dana (f k,28 ) prema poznatoj formuli Skramtajeva, pri čemu se napominje da slične krive daje i drugi poznati obrazac koji se kod nas primenjuje - Fereov obrazac. 6

7 Kao što se vidi iz prikazanih dijagrama, betoni visokih čvrstoća mogu se dobiti samo pri srazmerno niskim vodocementnim faktorima - između 0,30 i 0,40. Međutim, kao što je poznato, betonske mešavine koje odgovaraju datom intervalu vrednosti vodocementnog faktora su izuzetno krute konzistencije i zahtevaju moćna mehanička sredstva u fazi ugrađivanja betona. 7

8 Ukoliko se ugrađivanje ne bi izvršilo ilo na efikasan način in,, ne bi se dobile krive izvučene punim linijama prikazane na sl. 4.9, već bi se dobile krive izvučene isprekidano, što znači da se ne bi mogao dobiti beton visoke čvrstoće pri pritisku. Ovde se napominje da se pri primeni formule Skramtajeva može uzeti u obzir i kvalitet upotrebljenog agregata,, a da prikazane krive u principu odgovaraju agregatu normalnog kvaliteta. Ako bi se, pak, radilo sa agregatom visokog kvaliteta, za svaku vrednost ω dobile bi se za oko 8% veće čvrstoće. 8

9 Pored primene odgovarajućih sredstava za ugrađivanje betona, danas se u cilju eliminisanja opadajućih delova krivih prikazanih na sl. 4.9 (isprekidane( linije), sve više u praksi koriste aditivi - dodaci betonu tipa plastifikatora i superplastifikatora. Uloga ovih dodataka sastoji se u tome da se kod određenog betona sa niskim sadržajem ajem vode obezbedi povoljna konzistencija koja će garantovati njegovu dobru ugradljivost i završnu obradljivost. Naime, za dobijanje betona vrlo visokih čvrstoća pri pritisku, ukoliko se ne primenjuju napred navedeni dodaci,, morale bi se koristiti betonske mešavine vrlo krute konzistencije sa sleganjem konusa prema Abramsu veličine ine maksimum 1-22 cm Međutim, primenom plastifikatora ili superplastifikatora, ovakve mešavine dobijaju potrebnu plastičnost nost, tako da se za njih,, u zavisnosti od primenjene količine ine dodatka, mogu dobiti sleganja konusa reda veličine ine 6-10 cm (plasti( plastična konzistencija). 9

10 Prema tome, primenom niskih vodocementnih faktora, uz korišćenje plastifikatora ili superplastifikatora, dobijaju se betonske mešavine potpuno zadovoljavajuće ugradljivosti i obradljivosti, koje u očvrslom stanju daju betone vrlo visokih čvrstoća pri pritisku. Na sl prikazan je mehanizam delovanja plastifikatora tipa površinski aktivnih materija,, s tim što treba reći da isti mehanizam, ali uz značajnije ajnije efekte, imaju i superplastifikatori istog tipa. 10

11 Kao što se vidi, radi se o svojevrsnom "podmazivanju" zrna cementa u masi betona, što se obavlja posredstvom jednog monomolekulskog filma (premaza) dobijenog orijentisanjem dugih apsorbovanih molekula plastifikatora, tako da se ostvaruje efekat "dlaka u četki". 11

12 Stoga jedan deo vode postaje višak u odnosu na funkciju podmazivača čestica cementa,, pa se slobodno može izvršiti iti odgovarajuće smanjivanje vode u betonu. Upotrebom ovakvih plastifikatora smanjuje se potrebna količina ina vode u betonu za 10-15%, dok upotreba superplastifikatora omogućava redukciju vode i do 30%. O efektu primene superplastifikatora veoma ilustrativno govore krive prikazane na sl sa primenom određenog superplastifikatora,, a za količinu inu vode od, na primer, 180 kg/m 3, može se dobiti beton ne slabo plastične ne, već plastične konzistencije, tako da se u datom slučaju pri primeni količine ine cementa od 500 kg/m 3 (ω = 0,36), svakako može računati sa dobijanjem betona čije će čvrstoće biti između 60 i 80 MPa (zavisno od klase upotrebljenog cementa). 12

13 Ovde se napominje da dosadašnja iskustva sa betonima visokih čvrstoća govore da u okviru takvih betona ne bi trebalo koristiti agregat sa zrnima krupnoće iznad 20 mm. Ovo stoga, što se pri primeni krupnijih zrna,, u masi betona oko takvih zrna javljaju značajne ajne koncentracije napona koje, sasvim razumljivo, utiču na smanjivanje čvrstoće. 13

14 Kao primer za ilustraciju betona visoke čvrstoće ovde se navodi slučaj jednog betona sa čvrstoćomom f k,28 = 74 MPa, čija je mešavina imala sledeće karakteristike: - sadržaj aj cementa PC 35S 3 42,5R 420 kg/m 3 - vodocementni faktor (bruto - u obzir - uzet i superplastifikator - tečnost nost) ) 0,34 - zapreminska masa svežeg eg betona - sadržaj aj superplastifikatora 2510 kg/m 3 (u odnosu na masu cementa) 1,2 % - sleganje konusa po Abramsu 5,5 cm Napominje se da je predmetni beton spravljen sa krečnja njačkim (drobljenim) agregatom srazmerno niskih mehaničkih svojstava, a kao što se iz napred datih podataka vidi, primenjen je i cement relativno niske klase K-42.5K 2.5. Može e se zaključiti da se dobijena čvstoća f k,28 vrlo dobro slaže e sa računskom vrednošću u prema formuli Ferea. 14

15 Ukoliko bi se, međutimm eđutim,, za spravljanje istog betona primenio cement klase K-52.5K i neki agregat boljih mehaničkih karakteristika, na osnovu Fereove formule sledi da bi se pod svim ostalim nepromenjenim uslovima, u datom slučaju mogao dobiti i beton sa čvrstoćom om f k,28 = MPa. Betoni sa dodatkom silikatne prašine U poslednje vreme, najvredniji i najtraženiji pucolanski materijal u proizvodnji betona postala je tzv. silikatna prašina (silica fume), koja se dobija kao nuzproizvod pri proizvodnji fero legura. 15

16 Znalačkom i stručnom upotrebom ovih ultra sitnih čestica amorfnog SiO 2, kao i korišćenjem pogodnih superplastifikatora, mogu se dobiti betoni sa čvrstoćama koje su 3-5 puta veće od čvrstoća klasičnih betona. Pored ovoga, betoni sa dodatkom silikatne prašine u svežem em stanju, po pravilu, imaju poboljšanu obradljivost i smanjeno izdvajanje vode,, a u očvrslom stanju manju propustljivost za tečnosti i gasove, bolju otpornost na delovanje mraza i soli i veću trajnost u hemijski agresivnim sredinama. Ultra fine čestice silikatne prašine utiču na svojstva svežeg eg i očvrslog betona putem svog sfernog oblika i veličine ine, koja je puta manja od veličine ine čestica cementa, tako da se, osim velikih specifičnih površina ina, može govoriti i o tzv. "gustom pakovanju", odnosno pokoravanju čestica poznatim geometrijskim i kinematičkim kim principima. 16

17 Naime, cementna pasta kojoj je dodata silikatna prašina ina,, i to najviše do 25% u odnosu na masu cementa, ima vrlo visok sadržaj aj čvrstih čestica u tečnom medijumu, tako da zrnca silikatne prašine vrlo efikasno popunjavaju prostore između inače gusto upakovanih čestica cementa (sl. 4.12), pri čemu sama pasta ima veoma visoku kohezivnost. 17

18 Povećana potreba za vodom pri primeni silikatne prašine ine, uslovljena veoma velikim specifičnim površinama inama, kod spravljanja betona uspešno se kompenzira upotrebom dodataka betonu tipa superplastifikatora, tako da se zahvaljujući ukupnim efektima primene silikatne prašine i superplastifikatora mogu dobiti betoni sa čvrstoćama pri pritisku između 80 i 150 MPa,, a sa čvrstoćama pri savijanju od 6 do 12 MPa. Pored fizičkog dejstva napred pomenutog "gustog pakovanja", ultra fine čestice SiO 2 u hidratisanom cementnom kamenu hemijski reaguju sa kalcijum-hidroksidom Ca(OH) 2, što znači da se obavlja i reakcija pucolanizacije - vezivanja SiO 2 i Ca(OH) 2 u produkte slične cementnom gelu. 18

19 Na ovaj način povećava se količina ina produkata na kojima se zasniva čvrstoća cementnog kamena,, a ujedno se smanjuje količina ina Ca(OH) 2, koji bi tokom eventualne korozije betona bio ispran i na taj način uticao na povećanje poroznosti cementnog kamena. Ilustracije radi,, u nastavku se daje sastav jednog betona sa dodatkom silikatne prašine koji je imao čvrstoće prema dijagramu prikazanom na sl. 4.13: 19

20 - sadržaj aj cementa - sadržaj aj silikatne prašine 400 kg/m kg/m 3 - kvarcni pesak 0,25/1 mm 141 kg/m 3 - kvarcni pesak 1/4 mm 566 kg/m 3 - drobljeni granit 8/16 m 1153 kg/m 3 - sadržaj aj superplastifikatora - voda - Sveži beton o kome je re plastičnu konzistenciju 13,5 kg/m kg/m 3 je 7 cm). reč imao je konzistenciju (sleganje 6-7 cm). Autoklavirani betoni sa dodatkom silikatne prašine Autoklaviranje je obrada materijala pod visokim pritiskom, povećanom vlažnosti i pri visokoj temperaturi. Postupkom autoklaviranja betona sa dodatkom silikatne prašine mogu se dobiti kako visoke čvrstoće u veoma kratkom vremenu, tako i znatno veće konačne ne čvrstoće ovakvih betona. 20

21 Pri primeni autoklaviranja veoma je važan an period predgrevanja betona pre nego što se postigne optimalna temperatura od oko 175 o C i optimalni pritisak od oko 8 bara. Ispitivanja su pokazala da je u ovom slučaju najpovoljniji sledeći režim im: - predgrevanje na 20 o C 8-10 časova, - zagrevanje na 60 o C pri jednom nižem pritisku 5-8 časova, - zagrevanje na o C pri maksimalno usvojenom pritisku (cca 8 bara) cca 15 časova. Treba napomenuti da se za dobijanje autoklaviranih betona sa dodatkom silikatne prašine po pravilu koriste specijalno pripremljeni cementi, tzv. "binderi", u čiji sastav ulaze cementi visokih klasa i brzih priraštaja čvrstoća, silikatna prašina i posebni tipovi superplastifikatora. 21

22 Takođe se za spravljanje ovakvih betona najčešće primenjuju drobljeni kvarcni agregati. Na sl prikazan je ternerni dijagram koji daje zavisnost između odnosa voda/binder, sadržaja aja kvarca u agregatu i čvrstoće pri pritisku jednog od ovakvih betona. 22

23 U tabeli 4.1 date su recepture za dva betona, jednog običnog sa čvrstoćomom f k,28 = 40 MPa i jednog autoklaviranog, čija je čvrstoća odmah nakon autoklaviranja iznosila 160 MPa. 23

24 24

25 25