Reološka svojstva očvrslog betona i trajnost

Transcript

1 Reološka svojstva očvrslog betona i trajnost Predavanje, Pripremili: Doc.dr. Merima Šahinagić-Isović Asis. Marko Ćećez

2 Reološke osobine očvrslog betona Osnovne reloške karakteristike betona su: Skupljanje betona Tečenje betona Relaksacija napona Zavise od učešća cementnog kamena u makrostrukturi betona, te od mikrostrukture samog cementnog kamena Parametri koji utiču: vrsta i količina cementa vodocemnetni faktor granulometrijski sastav agregata uslovi sredine (temperatura i vlažnost) način ugrađivanja i njege dimenzije betonskih elementa i dr.

3 Reološke osobine očvrslog betona Skupljanje betona Tri komponente skupljanja su: a) skupljanje usljed kontrakcije produkata hidratacije (hidrataciono skupljanje) b) skupljanje usljed isparavanja vode tokom perioda vezivanja cementa (plastično skupljanje) c) skupljanje nakon završetka procesa vezivanja (hidraulično skupljanje) Plastično skupljanje

4 Reološke osobine očvrslog betona Plastično skupljanje nije od značaja za naponska stanja konstukcije Hidrataciono i hidrauličko skupljanje (zbirni efekt) utiču na naponska i deformaciona stanja konstrukcija Hidraulično skupljanje se odvija dok se ne uspostavi ravnoteža između vlažnosti sredine i vlažnosti betona Vlažnost betona je funkcija hidratacije cementa, F(kapilarne poroznosti) kriva 1 kondicionirani termohigrometrijski uslovi ki kriva 2 spoljašnja j sredina

5 Reološke osobine očvrslog betona Skupljanje betona komparateri, deformetri, ekstenzometri JUS U.M1.029: 2 h/a 4, a 4D (3 uzorka) 24h, T= 20 C, RH= 90% (u kalupima) 48h u pijaćoj vodi, T= 20 C nakon 72h vade se iz vode i izlažu termohigrometrijskim uslovima (T=20 C, RH= 40, 70 ili 90%) nulto očitavanje 72h mjerenja nakon 4, 7, narednih 7 dana, ne manje od 3 mjeseca d m = 2A b O b

6 Reološke osobine očvrslog betona Skupljanje betona Relativna vlažnost sredine (%) Srednja debljina presjeka Zavisnost skupljanja betona od vremena ε b (t)/ε b Vrijeme t poslije prestanka njegovanja betona (dani/godine) elementa d m (cm) g. 10 0,20 0,28 0,38 0,60 0,85 0,95 40% 20 0,10 0,15 0,23 0,40 0,68 0, ,05 0,07 0,10 0,20 0,45 0, ,16 0,23 0,30 0,50 0,75 0,90 70% 20 0,08 0,13 0,18 0,30 0,58 0, ,03 0,05 0,08 0,15 0,35 0,63

7 Reološke osobine očvrslog betona Tečenje betona uređaji na principu opruge ili na principu poluge Dva karakteristična slučaja: stabilizacija procesa tečenja (mali naponi-radni naponi,deformacije teže nekoj konačnoj vrijednosti) ne dolazi do stabilizacije procesa (veliki naponi-20-30% manji od čvrstoće pri karatkotrajnom opterećenju,lom uzorka)

8 Reološke osobine očvrslog betona Linearno tečenje betona JUS U.M1.027: (0,3-0,5)f p linearno tečenje 9 uzorka: 3 uzorka za mjerenje skupljanja ε s (t)( a ) 3uzorkazaodređivanje za određivanje f p ( b ) (b) 3 uzorka za mjerenje ukupnih deformacija ε(t) pod konstantnim naponom σ k ( c ) nulto očitavanje 72h ( a i c ), c), a zatim nakon 4, 7, narednih 7 dana, ne manje od 3 mjeseca u vremenu t k ( b ), konstantan napon σ k f p /3 ( tt, ) ( t) ( t) ( t) ε =ε ε ε teč k s el ε ϕ( ϕ tt ) = ε teč, k el ( tt, k ) ( t)

9 Reološke osobine očvrslog betona Linearno tečenje betona mlađi betoni imaju veće deformacije tečenja PBAB 87: cca T=20 C Starost betona u trenutku opterećenja t k (dani) Odnosi koeficijenata tečenja betona u trenutku vremena t i konačne vrijednosti koeficijenata tečenja φ(t,t k k) )/φ φ Trajanje opterećenja (t-t k ) (dani/godine) g , , , , , ,85 28 do 90 0,15 0,23 0,30 0,48 0,68 0, ,10 0,18 0,25 0,43 0,56 0,80

10 Reološke osobine očvrslog betona Linearno tečenje betona k k Trenutna povratna deformacija ε el (t k2 ) ε el( t ) = k1, a el( tk2), el( tk1) el( tk2 ) E( t 1) ε = k E( tk2) ε >ε Tzv. povratno tečenje betona-reverzibilna viskoelastična deformacija Ireverzibilna viskoplastična deformacija σ σ

11 Reološke osobine očvrslog betona Linearno tečenje betona PBAB 87: cca T=20 C Starost betona u trenutku opterećenja t k (dani/godine) Srednja debljina presjeka elementa d m (cm) Konačne vrijednosti tečenja nearmiranog betona φ Relativna vlažnost sredine (%) 40% 70% 90% u vodi godine 10 4,3 3,1 1,7 20 4,1 2,9 1,6 40 3,8 2,7 1,6 10 4,0 2,9 1,6 20 3,8 2,7 1,5 40 3,6 2,5 1,5 10 3,7 2,6 1,6 20 3,6 2,6 1,5 40 3,4 2,5 1, ,7 20 2,0 13 1,3 20 2,8 2,1 1,3 40 2,9 2,1 1,3 10 1,7 1,3 1,0 20 1,8 1,4 1,1 40 2,0 1,5 1,1 10 0,9 0,8 0,7 20 1,1 0,9 0,8 40 1,2 1,0 0,8 1,4 1,3 1,3 1,2 1,0 0,8

12 Reološke osobine očvrslog betona Relaksacija napona Osnovni postulat: konstantna deformacija (u=const.) betonski, AB, prenapregnuti nosač sa prepustima (savijanje) regulišemo silu P=P(t), određujemo napone kod oslonca neposredno uz prepust (B) Zavisi od: početnog napona σ 0 starosti betona u vrijeme apliciranja napona σ 0 temperature i relativne vlažnosti sredine sastava betona

13 Reološke osobine očvrslog betona Relaksacija napona ( ) r t ( t ) ΔP ( t ) Δσ = 100 = k 100% σ P 0 0 κ=1,0 ( čist beton) κ<1,0 0 (armirani beton)

14 Reološke osobine očvrslog betona Reološki model betona Deformacije: elastične, plastične i viskozne Brzina prolaza ultrazvučnih talasa (skraćenje vremena prolaza ultrazvuka) σ e (granica elastičnog ponašanja) σ v (gornja granica plastičnih deformacija, max. vrijednost Poasonovog koeficijenta 0,5) (1) elastični elementi (2) opterećenje od trenja (3) viskozni element

15 Reološki model betona (1) elastični elementi (2) opterećenje od trenja (3) viskozni element

16 Korozija zavisi od: Karakteristika predmetne sredine Unutrašnje otpornosti materijala (betona i čelika): Hemijske, fizičke i minerološke karakteristike agregata Hemijske, fizičke i minerološke karakteristike cementa Zavisnost između sastava betonske mješavine i svojstava svježeg betona Makro i mikrostruktura očvrslog betona Eventualni defekti i nehomogenost strukture betona Mehanizam korozije čelika i korozine otpornosti pojedinih vrsta čelika

17 Koroziona otpornost agregata funkcija genetskog tipa stijenskog masiva: kamen magmatskog porijekla (granit, sijenit, gabro, bazalt, andezit) kamen sedimentnog porijekla (krečnjaci, dolomiti, pješčari) kamen metamorfnog porijekla (kvarcit,mermeri) aspekt tzv. alkalno-agregatnih reakcija u očvrslom betonu: alkalno-silikatna alkalno-karbonatna (dolomitna) reakcija proces vrlo spor (veći niz godina), manifestuje se u obliku potpunog raspadanja betona kod nas nema ovih pojava, koristi se cement sa dodacima (ne čisti PC)

18 Koroziona otpornost agregata Karakteristika Zapreminska masa (kg/m 3 ) Karakteristika nekih vrsta prirodnog kamena Vrsta kamena Granit Gabro Andezit Bazalt Krečnjak Dolomit Pješčar Kvarcit Mermer Poroznost (%) 0,2-3,5 0,3-1,5 0,5-5,5 0,1-1,0 0,4-2,0 0,5-20 1,0-18 0,1-0,5 0,4-2,0 Upijanje vode (%) 0,1-0,5 0,1-1,0 0,1-0,5 0,1-0,5 0,5-4,0 0,5-4,0 0,5-4,0 0,1-0,5 0,1-0,5 Skupljanje bubrenje (%) Čvrstoća pri pritisku (MPa) Otpornost na habanje po Beme-u (cm 2 /50 cm 2 ) zanem-arljivo zanem-arljivo zanem-arljivo zanem-arljivo do 0,1 0,1-0,2 do 0,07 zanem-arljivo zanem-arljivo <10 <8 <10 < <5 Koeficijent termičke dilatacije (1/ C x 10 5 ) 0,2-1,2 0,4-1,0 0,4-1,1 0,4-1,0 0,1-1,2 0,5-1,2 1,0-1,2 0,8-1,3 0,1-1,5 Postojanost na dobra do dobra do dobra do dobra do slaba do vrlo slaba do vrlo slaba do dobra do dobra do mrazu odlična odlična odlična odlična dobra dobra vrlo dobra odlična odlična Otpornost na atmosferske uticaje dobra dobra dobra dobra hrđava do dobra dobra hrđava do dobra vrlo dobra hrđava do dobra Otpornost prema kiselinama dobra dobra dobra dobra dobra uglavnom slaba dobra (osim krečnjačkog tipa) vrlo dobra slaba Postojanost na temperaturnim promjenama dobra dobra dobra dobra dobra do 800 C dobra do 800 C uglavnom dobra puca na cca 500 C dobra do 800 C

19 Koroziona otpornost cementnog kamena Tri osnovna oblika: (1) Rastvaranje i ispiranje kalcijumhidroksida (korozija usljed djelovanja mekih voda) (2) Obrazovanje lakorastvorljivih lji ih jedinjenja j j pri međudejstvu đ hemijskih agenasa i cementnog kamena-rastavranje dobijenjih jedinjenja i njihovo ispiranje (kiselinska i magnezitna korozija, korozija usljed djelovanja j mineralnih đubriva) ) (3) Obrazovanje u porama cementnog kamena takvih jedinjenja koja zauzimaju veći prostor od polaznih supstanci-izaziva pojavu unutrašnjih napona u cementnom kamenu i destrukciju njegove strukture (sulfatna korozija i alkalno-agregatna reakcija)

20 Osnovni oblici korozije betonskih konstrukcija Fizička korozija: Erozija: Kavitacija površina betona izložena mehaničkim djelovanjima (na vazduhu ili u vodi) površinsko razaranje betona pod uticajem vode Razaranje pod dejstvom mraza: nekompatibilnost koeficijenata termičke dilatacije cementnog kamena i agregata smrzavanje vode i ekspanzija leda u kapilarnim porama cementnog kamena Razaranje pod dejstvom mraza i soli: NaCl (kuhinjska so), CaCl 2, tzv. osmotski pritisak Razaranje pod dejstvom visokih temperatura: do 100 C gubi se slobodna kapilarna voda do 400 C gubi se fizički vezana voda (apsorbovana)-gelska voda preko 400 C gubi se hemijski vezana voda koja ulazi u sastav hidrosilikata, hidroaluminata, hidroferita kalcijuma (osnovnih hemijskih konstituenata cementnog kamena) Hemijska korozija Korozija armature u betonu

21 Osnovni oblici korozije betonskih konstrukcija Hemijska korozija: Prema PBAB opisno se izražava: slaba za elemente u unutrašnjosti objekta koji nisu izloženi vlazi, atmosferskim i korozionim uticajima; srednja za elemente koji su izloženi vlazi, atmosferskim i korozionim uticajima; jaka za elemente koji su izloženi jačim korozionim uticajima, tečnim ili gasovitim, uključujući i neposredan uticaj morske vode i vazduha u blizini mora.

22 Osnovni oblici korozije betonskih konstrukcija Hemijska korozija Faktor agresivnosti Agresivnost sredine slaba srednja jaka ph vrijednost 655 6,5-5,55 5,5-4,55 45 <4,5 Tvrdoća vode ( dh) <6 Sadržaj rastvorenog CO 2 (mg/l) >60 Sadržaj SO 3 (mg/l) * >1000* Sadržaj jona NH 4 + (mg/l) >60 Sadržaj jona Mg 2+ (mg/l) >1500 Sadržaj jona SO 2-4 (mg/l) * >3000* Ukupan sadržaj rastvorenih soli (g/l) >50 * Treba obavezno koristiti sulfatnootporne cemente

23 Osnovni oblici korozije betonskih konstrukcija Hemijska korozija Neorganske kiseline Organske kiseline Ostala organska jedinjenja slična po djelovanju Sumporna, sumporasta, Mliječna, sirćetna, humusna: Alkoholi: metil, etil i propil azotna, hlorovodonična: jako agresivne u svim koncentracijama jako agresivne Teninska i mravlja: slabo jako, glicerol i glikol - srednje agresivni agresivne Šećer: slabo do srednje Fosforna, fluorovodična: srednje agresivne (obično na površini betona formiraju tanak sloj produkata korozije koji štiti unutrašnjost mase) Ugljena: agresivnost zavisi od koncentracije Sumporvodonik: slabo agresivan Vinska i oksalna: neagresivne agresivni (u zavisnosti od temperature, viskoziteta i koncentracije) Fenolna kiselina: slabo agresivna Aldehidi: sami po sebi neagresivni, ali pomješani sa formaldehidima daju mravlju kiselinu koja je slabo agresivna

24 Osnovni oblici korozije betonskih konstrukcija Hemijska korozija Organske soli Anjoni Neorganske soli Katjoni Najčešće predstavljaju viskozne Sulfati i sulfidi: jako agresivni Magnezijum: jako agresivan. produkte biljnog ili životinjskog porjekla. Reaguju sa Ca(OH) 2 i obrazuju Ca soli masnih kiselina ili određene vrste sapuna. Nitrati: srednje do jako agresivni (amonijumnitrat) Pojačava intezitet sulfatne korozije Aluminijum: nitrati, hloridi, sulfati Agresivnost mineralnih ih ulja i masti zavisi od viskoziteta, odnosno od mogućnosti penetriranja u porni sistem betona. Temperatura utiče kako na snižavanje viskoziteta, tako i na same hemijske reakcije. Koroziona otpornost betona se obezbjeđuje visokom kompaktnošću i primjenom cemenata sa višim sadržajem pucolanskih dodataka. Karbonati, silikati i fluoridi: neagresivni Fosfat: generalno neagresivni; pojedini reaguju kiselo,,pa se beton od njih mora posebno štititi Hloridi: posebno visku agresivnost ispoljavaju prema armaturi čeliku u okviru konstrukcije od armiranog i prednapregnutog betona i sulfidi jako agresivni, i karbonati, oksalati i fluoridi - neagresivni

25 Osnovni oblici korozije betonskih konstrukcija Korozija o armature atu u betonu Hemijska i elektrohemijska korozija (proces korozije čelika u betonu) Alkanost sredine Ca(OH) 2 -antikorozivna zaštita čelika u betonu Oblici korozionih razaranja: a)površinska ravnomjerna, b)površinska neravnomjerna, c)mjestimična-plitka, d)mjestimična-duboka, e)tačkasta, f)slojevita, g)selektivna, h)međukristalna, i)transkristalna

26 Osnovni oblici korozije betonskih konstrukcija Korozija o armature atu u betonu Zaštitni slojevi betona i struktura betona

27 Osnovni oblici korozije betonskih konstrukcija Korozija o armature atu u betonu t 0 t s <<t k Agresivnost sredine prema PBAB-u 87 Stalno i dugotrajno promjenjivo Trajanje j uticaja Stalno, dugotrajno i kratkotrajno promjenjivo Slaba 0,20 0,40 Srednja 0,10 0,20 Jaka 0,05 0,10 Najveće vrijednosti graničnih širina prslina (mm)

28 Fizičko-mehanički i tehnološki faktori trajnosti betona Zapreminska masa (gustina): najpovoljniji granulometrijski sastav (optimalna upakovanost zrna) dovoljna količina cementa i čestica sitnijih od 0,25mm manje količine vode (niže vrijednosti v/c faktora) Zahtjevana marka betona (MB) Minimalna zapreminska masa svježeg ugrađenog betona (kg/m 3 ) Upijanje vode, F(p): Dvije osnovne metode: Metoda postupnog potapanja (nakon 48h zasićenost od 90%) Metoda kapilarnog upijanja (visina kvašenja i količina upijene vode) Upijanje ne bi trebalo da je veće od 5%, betoni sa v/c=0,40-0,50

29 Fizičko-mehanički i tehnološki faktori trajnosti betona Vodopropustljivost: koeficijent filtracije k f Starost t u danima k f (m/s) Trajnost zadovoljavajuća: JUS U.M1.015: V6, (mostovi V8) k Vrsta stijene f DIN 1048: h<5cm (veća agresivnost h<3cm) Qfv a = S Δ p t ( m ili cm ) s k f (m/s) s Vodocementni faktor cem.kamena iste vodopropustljivosti opust ost Kompaktan porfir 2,5x ,38 Kvarc-diorit 8,20x ,42 Mermer 2,4x ,48 Granit 58x10 5,8x ,66 Granit 5,4x ,70 Pješčar 1,2x ,71 Granit 1,6x ,71 Svjež beton 2x x x x x x10-12 t 6x10-13

30 Fizičko-mehanički i tehnološki faktori trajnosti betona Otpornost na dejstvo mraza: Trajnost zadovoljavajuća: JUS U.M1.016: M100, (mostovi M150) Klimatski uslovi na lokaciji građenja betonske konstrukcije Broj naizmjeničnih promjena nivoa vode u kontaktu sa površinom betona, odnosno broj ciklusa naizmjeničnog smrzavanja i odmrzavanja u toku jednog zimskog perioda do Umjereni M 50 M M 150 Surovi M M 150 M Homogenost: Defekti u strukturi betona: džepovi ispod zrna agregata nastavci betoniranja mjesta segregacije i sl.

31 Fizičko-mehanički i tehnološki faktori trajnosti betona Prsline: najizrazitijiji strukturni defekti i diskontinuiteti veličine otvora <0,3mm

32 Fizičko-mehanički i tehnološki faktori trajnosti betona Prsline: Uzorak nastanka Vrijeme nastanka Manifestacije Napomene Slijeganje (sjedenje) svježeg betona Prvih nekoliko sati Prsline duž linija pružanja armature i prsline na mjestima promjene oblika presjeka Prsline mogu da budu sa velikim otvorima i vrlo jako izražene (1-2 mm) Plastično skupljanje Prvih nekoliko sati po ugrađivanju Pojava mrežastih ili jednosmjerno orjentisanih prslina na površinama elementa koji se ne njeguju dovoljno intenzivno Prsline mogu da dosegnu i veličine 2-4 mm Termička naprezanja u mladom betonu Prvih nekoliko dana po ugrađivanju Prsline prouzrokovane spriječvanjem rada elementa (na primjer na spojevima zidova) Mogućnost pojave prslina (max. 1 mm) može se umanjiti regulisanjem toplotnog režima i primjenom odgovarajuće armature Skupljanje Ne više od nekoliko mjeseci po ugrađivanju Slično prslinama u elementima od savijanja ili zatezanja Prsline su obično male ukoliko je element odgovarajuće armiran (do 0,5 mm) Opterećenja tokom eksploatacije Zavisno od uslova eksploatacije Linije prslina su upravne na pravce djelovanja glavnih napona zatezanja Prsline su male ukoliko je konstrukcija korektno projektovana; veće orsline su indikacija neslaganja između projektovanog i eksploatacionog stanja

33 Uslovi kvaliteta i osnovni kriterijumi za izbor sastav betona s obzirom na agresivnost sredine Veća trajnost: spoljašnja zaštita i efikasno održavanje Vrsta konstrukcije Očekivani životni vijek (god) Aerodromske piste Mostovi 100 Brane Stambene zgrade 60 Luke 80 Industrijski objekti Administrativni, trgovački i drugi slični objekti Nema propisanih metoda, niti preciziranih kriterijuma Stepen agresivnosti sredine Sredina se ne smatra agresivnom Slabo agresivna sredina Srednje agresivna sredina Jako agresivna sredina Samo MB Uslovi kvaliteta i zaštite betona MB, VDP 5 cm, M-100, minimalna količina cementa 300kg/m 3, maksimalan vodocementni faktor 0,55 MB, VDP 3 cm, M-150, minimalna količina cementa 350kg/m 3, maksimalan vodocementni faktor 0,50, laka zaštita vodonepropustljivim premazima, zaštitni sloj armature 4 cm MB, VDP 3 cm, M-200, minimalna količina cementa 380kg/m 3, maksimalan vodocementni faktor 0,45, skupljanje ne preko 0,35 mm/m, intenzivna zaštita vodonepropustljivim materijalima, zaštitni sloj armature 4-5 cm

34 Slijedeće predavanje: PROJEKTOVANJE SASTAVA BETONA