Könnyűbetonok jellemzői és alkalmazásuk 1.

Átírás

1 Könnyűbetonok jellemzői és alkalmazásuk szeptember 16. A betonok csoportosítása Testsűrűség szerint: szerint: normálbeton: C 2-26 kg/m 3 nehézbeton: HC > 26 kg/m 3 könnyűbeton: LC < 2 kg/m 3 A készítés helye szerint: helyszíni beton transzportbeton A felhasználás helye szerint: helyszíni beton előregyártott beton A felhasználás típusa szerint: szivattyúzott beton lövellt beton, stb. Dr. Nemes Rita 1 2 Könnyűbetonok Betonok testsűrűség szerinti csoportosítása: normálbeton: C 2-26 kg/m 3 nehézbeton: HC > 26 kg/m 3 könnyűbeton: LC < 2 kg/m 3 Egyszemcsés (szemcsehézagos) könnyűbeton ( no fines beton - Einkornbeton) Könnyűbetonok testsűrűség szerinti csoportosítása: hőszigetelő 6-1 kg/m 3 hőszigetelő és teherbíró 1-16 kg/m 3 teherbíró (LC 8) 16-2 kg/m 3 Szerkezet szerint: egyszemcsés adalékanyagos sejtesített 3 A tömör vagy porózus, kb. azonos méretű (1-2 mm átmérőjű), adalékanyag-szemcséket felületükön cementpéppel vonják be, a szemcsék között hézag marad. A péphiányos beton csak a szemek érintkezési pontjánál van összeragasztva. 4 Adalékanyagos könnyűbeton Sejtesített könnyűbeton, pórusbeton -Az adalékanyag szemcsék pórustartalma határozza meg a jellemzőket, a könnyű adalékanyag teszi könnyűvé a betont. -Készíthető kvarchomokot vagy könnyű pórusos homokot és cementet tartalmazó habarcsvázzal, adalékszerrel (pl. légpórusképzővel). -A mész, cement, illetve cement és mész kötőanyaggal készített habarcsban a pórusképzésre gázfejlesztő anyagot vagy habot alkalmaznak és nyomás alatti gőzérleléssel (pórusbeton) vagy természetes úton (habbeton) szilárdítják. 5 6

2 Történeti áttekintés Ókor - Pantheon Ókor: pl.: Pantheon, Colosseum Újkor: USA, Dánia Ma: USA, Kanada, Japán, skandináv országok, Németország 7 8 Ókor - Colosseum Történeti áttekintés - XX. század A szerkezeti könnyűbetont az újkorban először az Egyesült Államokban alkalmazták elsősorban hidaknál és toronyházak építésénél. 9 Pl: Park Plaza Hotel (Saint Louis, 1928), South Western Bell Telephone Company (Kansas City, 1928), Oakland-Bay-híd pályalemeze (San Fransisco, 1936), Prudenntial Life Building födémjei, (Chicago), Om Shell Plaza, (Houston) Magyarországon 1865 salakbeton első szakirodalmi fellelhetősége 1898 nagy olvasztó salak, porfír.,téglatörmelék felhasználása 192 Tufabeton falazóelem gyár Andokházán 195-es évek hazai kutaások 1957 Tufabeton üzem Bodrogkeresztúr kohóhabsalak adalékanyagú öntött könnyűbeton lakóházak Szigetszentmiklóson 1992-ig további 1 lakás Bp.-en 1995 Műszaki Irányelv Magyarországon ma Még nincs nagyszilárdságú szerkezet Hidakban nem engedélyezték referencia hiányában, bár számos próbálkozás volt már 29 Margit híd ideiglenes pályalemeze LC2/22 16 kg/m 3 testsűrűségű agyagkavics adalékanyagos könnyűbeton 11 12

3 Speciális betonok 13 Speciális betonok 14 Világban ma - hidak Stolma híd Grenland híd Stovset híd Hidak Stolma híd 17 18

4 Sou Az Oakland-Bay-híd építés közben és ma (1936-ban épült duzzasztott agyagkavics adalékanyagos könnyűbetonból) Nordhordland úszó híd Könnyűbeton híd példák a világból Az alkalmazott könnyűbeton testsűrűsége kg/m Építés éve Hidak könnyűbetonjának testsűrűsége az építés éve szerint ábrázolva 35 3 Magasépítési szerkezetek Legnagyobb nyílás m Építés éve Marina City Towers (Chicago) a két 18 m magas torony födémlemezeibe 1962-ben összesen 19 m kg/m 3 testsűrűségű könnyűbeton felhasználásával készítették (fib, 2) Hidak legnagyobb nyílása az építés éve szerint ábrázolva 24

5 Magasépítési szerkezetek Olajfúró tornyok South Arne platform 1999 Heidrun platform 1995 Guggenheim Museum, Bilbao Könnyű adalékanyagok csoportosítása -előállítás módja szerint - mechanikai -hőkezeléses - feldolgozás nélküli - származás szerint - természetes eredetű -ipari előállítású Könnyű adalékanyagok Természetes anyagok: - vulkáni tufák - lávasalak -habkő (riolit, kvarc) - perlit - vermikulit Mesterséges anyagok: kazán- és kohósalak pernyekavics téglazúzalék műanyaghab duzzasztott agyagkavics duzzasztott üveg (habüveg) - újrafelhasznált könnyűbeton Szabványok 1. Adalékanyag szabvány: (MSZ) EN : 22 Beton szabványok: Szabványok 2. Halmazsűrűség Szemcse-testsűrűség Anyagsűrűség Halmaz-önszilárdság Kémiai összetétel Szabvány Testsűrűség (kg/m 3 ) Anyag MSZ nincs megkötés ME-4.19:1995 EN 26-1 MSZ alatti nincs megkötés ásványi anyag adalékanyagos beton 29 3

6 Szabványok 3. Szerkezeti szabványok: A szerkezeti könnyűbetonokra általában a betonokkal foglalkozó szabványok, illetve azok kiegészítései, ha léteznek érvényesek. A szabályozás mára nagyjából egységes Európában. A készítéssel és a minősítéssel az EN 26-1 (magyar nemzeti változata MSZ ), a méretezéssel az EN (közismert nevén az Eurocode 2). Kiegészítések: fib Bulletin-ek ModelCode 9-hez Könnyűbetonok jellemzői és alkalmazásuk 2. Könnyű adalékanyagok Pernyekavics Duzzasztott agyag 214. szeptember 23. Habkő Duzzasztott üveg Dr. Nemes Rita Duzzasztott agyagkavics Termékek: Liapor Magyarországon is beszerezhető Leca Materialite Arlita Norlite Baypor Solite Duzzasztott üvegkavics = habüveg Termékek: Liaver Magyarországon is beszerezhető Poraver Magyarországon is rendelhető Geofil magyar termék! Előnyök: hulladékfelhasználás nem kell bányászni (nincs tájseb) jól beállítható termék tulajdonság (átmérő, felület, szilárdság) nincs földrajzilag helyhez kötve 35 36

7 A duzzasztott üveg előállítása A duzzasztott agyagkavics előállítása LIAPOR hulladéküveg forgókemence granulálás Geofil habüveg Könnyű adalékanyagoktól elvárt tulajdonságok kis halmaz- (12 kg/m 3 -ig) és szemcse-testsűrűség (2 kg/m 3 -ig) nyomásállóság hőszigetelő képesség mechanikai és vegyi ellenállóképesség formatartóság tűzállóság fagyállóság Felhasználási lehetőségek könnyűbetonhoz adalékanyagnak könnyű feltöltésnek falazóelem adalékanyagaként (cement, gipsz kötőanyaggal) zajvédő falakhoz hőszigetelő vakolathoz zöldtető feltöltésnek kertészeti, szőlészeti víz és tápoldat tároló 39 4 Tömegeloszlási jellemzők ANYAGSŰRŰSÉG: MSZ EN hagyományos piknométeres vizsgálat,9 mm-nél kisebb szemcséken SZEMCSE-TESTSŰRŰSÉG: MSZ EN HALMAZSŰRŰSÉG: MSZ EN SZEMMEGOSZLÁS (mennyiség, ábrázolás) Áthullott összes anyag, tömeg% Szemmegoszlás MSZ EN szerint, szitán folytonos szemmegoszlás nagyobb testsűrűségűek,63,125,25, , Szita lyukbősége, mm (log lépték) jellegzetesen egyszemcsés kisebb testsűrűségűek Áthullott összes anyag, tömeg% ,63,125,25, , Szita lyukbősége, mm (log lépték) 41 42

8 Szemcse-önszilárdság vizsgálat Szemcse-önszilárdság vizsgálat Halmaz-önszilárdság testsűrűség összefüggése Halmaz-önszilárdság testsűrűség összefüggése crusing resistance to 1% compression [N/mm 2 ] expanded glas gravel / sand expanded clay crushed brick used bricks used mixed rubble LWA particle density [kg/m 3 ] 45 Eigenfestigkeit [N/mm 2 ] Blähglas Typ A Blähglas Typ B Blähglas Typ C Kornrohdichte [kg/m 3 ] 46 Vízfelvétel Vízfelvétel vizsgálat Időtartam: 1 és 24 órás ill. teljes Mérési módszer: víz alá helyezés, mérés előtti letörölgetés Számítás: olg ½ órás - 1 órás vízfelvétel teljes vízfelvétel (p látsz ) w (m%) = (m n -m sz )/m sz Eredmények:,1-4 m% Hátrány: bedolgozási problémák Előny: belső utókezelő hatás Vízfelvétel [m%] 12, 1, 8, 6, 4, 1 napos max. 2, 47, Szemcse-testsűrűség [kg/m 3 ]

9 Konstruktionsleichtbeton mit Blähglaszuschlagstoff Wasseraufnahmefähigkeit Konstruktionsleichtbeton mit Blähglaszuschlagstoff Wasseraufnahmefähigkeit 6 6 Wasseraufnahme (m%) Blähton Ziegelsplitte Blähglas Wasseraufnahme (m%) Type A (Blähton) Type A (Ziegelsplitte) Type A (Blähglas) Type B (Blähglas) Type C (Blähglas) BME Kornrohdichte (kg/m 3 ) BME Kornrohdichte (kg/m 3 ) Department of Consrtuction Materials and Engeneering Geology Department of Consrtuction Materials and Engeneering Geology 5 5 adalékanyag fajta halmazsűrűség [kg/m 3 ] szemcsetestsűrűség [kg/m 3 ] anyagsűrűség [kg/m 3 ] átlagos szemcseporozitás [%] tufa lávasalak vermikulit horzsakő ~ kazánsalak duzzasztott agyagkavics habüveg (eddigi szakirodalmi adatok alapján) tégla- és cseréptörmelék perlit duzzasztott kohósalak duzzasztott polisztirol 2-5 ~1 ~ Hagyományos betonok esetén: kívánt szilárdság megválasztása v/c meghatározása cementtartalom meghatározása adalékanyag megválasztása mennyiség szemmegoszlás Betontervezés elve Könnyűbetonok jellemzői és alkalmazásuk szeptember 3. Dr. Nemes Rita 54

10 Betontervezés elve Teherviselés módja Hagyományos betonok esetén: Könnyűbetonok esetén: kívánt szilárdság megválasztása v/c meghatározása cementtartalom meghatározása adalékanyag megválasztása mennyiség szemmegoszlás a szilárdság ás a testsűrűség egyaránt követelmény adalékanyag megválasztása homok és kavics külön kezelendő (teherhordó csak term. homokkal!) szemmegoszlási görbe térfogatos számítása (lényegesen eltérő testsűrűségek) nem a telített beton a cél normál beton könnyű-adalékanyagos beton (Romic, Lazic) Feszültségeloszás Könnyűbeton szilárdsága R KB = (R a. V a + R h. V h )/(V a + V h ) habarcs szilárdsága cement típusa cement mennyisége v/c (ált. kicsi adalékszer kell) adalékanyag szilárdsága Probléma! PÁRHUZAMOS KÖVETELMÉNY: ρ KB = (ρ a. V a + ρ h. V h ) (Ujhelyi) Adalékanyag mennyiségének megválasztása Túltelített beton kell! Adalékanyag-mennyiség meghatározása Hézagosság kiszámítása: H = 1 - ρ H / ρ T Ha a szemcsék egyforma méretűek H=23% +min. 2% túltelítettség Habarcsrész min. aránya egy átlagos könnyűbetonban: Minimális túltelítettség: kb. 2% =,2 +,23.,8 =,36 Adalékanyag max. mennyisége: kb.,64 Még reális min. mennyiség: kb. max./2 =,

11 Adalékanyag szilárdsága Hagyományos adalékanyagok (homokos kavics, zúzottkő): aprózódás vizsgálat dinamikus Los Angeles Deval statikus Hummel Könnyű adalékanyagok: statikus vizsgálat összenyomhatóság crusing resistance to 1% compression [N/mm 2 ] Halmaz-önszilárdság testsűrűség összefüggése expanded glas gravel / sand expanded clay crushed brick used bricks used mixed rubble LWA particle density [kg/m 3 ] Adalékanyag szilárdsága A tönkremenetelek lehetséges módjainak modellje könnyűbetonok esetén Grübl szerint (Grübl, 1979; Laister, 2) (Ujhelyi) 63 Jelölés Testsűrűségi osztály (D ill. ρ LC ) Száraz testsűrűség átlaga [kg/m 3 ] 1, 8-1 1, , , , ,

12 Adalékanyag nedvességtartalma Hagyományos adalékanyagok (homokos kavics, zúzottkő): gyakorlatilag nincs vízfelvétele de homok víztartalmának figyelembe vétele Könnyű adalékanyagok: nagy vízfelvevő képesség többlet vízre van szükség 3 mód többletvíz adagolása beáztatás vizes előkeverés MENNYI VÍZ KELL? Konstruktionsleichtbeton mit Blähglaszuschlagstoff Wasseraufnahmefähigkeit BME Department of Consrtuction Materials and Engeneering Geology Wasseraufnahme (m%) 6 Type A (Blähton) 5 Type A (Ziegelsplitte) 4 Type A (Blähglas) Type B (Blähglas) 3 Type C (Blähglas) Kornrohdichte (kg/m 3 ) Tervezési segédlet könnyű adalékanyagos betonok tervezéséhez (Faust, 23; fib, 29) Vizsgált összefüggések a könnyű adalékanyag mennyiségének hatása a beton szilárdságára a könnyű adalékanyag halmaz-önszilárdságának hatása a beton szilárdságára a cementkő szilárdságának hatása a könnyűbeton szilárdságára OPTIMUM KERESÉS Néhány összetétel javaslat könnyűbetonokra (Faust, 23; fib, 29) Optimum: Az elérhető maximális beton nyomószilárdság a lehető legkisebb beton testsűrűség mellett. 72

13 További vizsgált összefüggések a rugalmassági modulus és a nyomószilárdság összefüggése zsugorodási viselkedés az adalékanyag típusa és mennyisége és a habarcs függvényében a hőtágulási együttható az adalékanyag fajtája és mennyisége függvényében Würfelfestigkeit [N/mm 2 ] Betonszilárdság Az adalékanyag tartalom hatása Bereich 1 Bereich V% 47-5 V% V% 1 Linear (47-56 V%) Linear (38-46 V%) Betonrohdichte [kg/m 3 ] A kiválasztott adalékanyag: habüveg (Szemcse-testsűrűség: 114 kg/m 3, Halmaz-önszilárdság: 3,9 N/mm 2 ) Betonszilárdság Az adalékanyag testsűrűségének hatása Betonszilárdság A habarcs szilárdságának hatása Würfelfestigkeit [N/mm 2 ] V% V% Quarzkies V% 1,2-2, kg/l,8-1,2 kg/l,3-,6 kg/l Betonrohdichte [kg/m 3 ] Druckfestigkeit des Betons [N/mm 2 ] Quarzkies 2,65 kg/l 3 Blähglas 1,6 kg/l 2 Blähglas,64 kg/l Blähglas,6 kg/l 1 Blähglas,31 kg/l Druckfestigkeit des Mörtels [N/mm 2 ] Betonszilárdság A habarcs szilárdságának hatása Húzószilárdság A húzó- és a nyomószilárdság aránya Druckfestigkeit [N/mm 2 ] Quartzkies 2,65 kg/l Mörtel (Etalon) Blähglas 1,6 kg/l Blähglas,64 kg/l Blähglas,6 kg/l Blähglas,31 kg/l Betonrohdichte [kg/m 3 ] Biegezugfestigkeit [N/mm 2 ] mit Blähglas mit Quarzkies Druckfestigkeit [N/mm 2 ]

14 Töréskép Normál és könnyű homok esete Eigenfestigkeit / Biegezugfestigkeit [- 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, Versagen der Haftung Gemischter Bruch Spaltung im Zuschlagstoff Betonrohdichte / Kornrohdichte [-] További szempontok a statikus számára rugalmassági modulus Poisson tényező kúszás zsugorodás betonacél védelme kitéti osztályoknak való megfelelés A rugalmassági modulus függ a nyomószilárdságtól. Számítható (pl. CEB-FIP MODEL CODE 199): E = 2,15 1 1/ 3 f cm, átrendezve: 3 Ec = 1 1 f cm 4 c ahol: E c a beton rugalmassági modulusa N/mm 2 f cm a beton nyomószilárdsága (átlagérték) N/mm 2 ρ 22 η = 2 Rugalmassági modulus Könnyűbetonok esetén még egy tényező szükséges (fib Bulletin 8, 2) ahol: η csökkentő tényező könnyűbeton esetén ρ a könnyűbeton testsűrűsége Viszont: A könnyűbeton noymószilárdságából közvetlenül is becsülhető a rugalmassági modulus Rugalmassági modulus vizsgálata Rugalmassági modulus Próbatest E (N/mm 2 ) r(kg/m 3 ) E/r G24 6% ,2 G23 6% ,7 etalon ,7 83 fib bizottság ajánlás ή = ( ρ H / 22 ) 84

15 1, 4 1, 2 1,, 8, 6, 4, 2, -, 2 -, 4 Habüveg adalékanyagos könnyűbetonok rugalmassági modulusa Elastizitätsmodul [N/mm 2 ] 3, 25, 2, 15, 1, 5,, E 7 m = 3, fcm Blähglas (gemessene Werte) Blähglas (nach MC9+fib-B8) Blähglas (neu, nur aus Festigkeit gerechnet) Druckfestigkeit [N/mm 2 ] ahol: E m a könnyűbeton rugalmassági modulusa (átlagérték) N/mm 2 f cm a könnyűbeton nyomószilárdsága (átlag, hasábon 12x12x36 mm) N/mm 2 85 Könnyűbetonok jellemzői és alkalmazásuk október 7. Dr. Nemes Rita 86 Zsugorodás Az adalékanyag típusának hatása Zsugorodás A habarcs összetételének hatása Zeit [Tage] ,5 Zeit [Tage] ,5 Schwindung [ o/ oo ] -1-1,5-2 -2,5 o/ oo ] Schwindung [ -1-1,5-2 -2, ,5 Mörtel (Z1) Blähglas Quarzkies Ziegelsplitt Blähton -3,5 Mörtel Z1 Mörtel Z2 Mörtel Z3 Blähglas (Z1) Blähglas (Z2) Blähglas (Z3) Quarzkies (Z1) Quarzkies (Z2) Zsugorodás A habarcs összetételének hatása Hőtágulási együttható Az adalékanyag hatása o/ oo ] Schwindung [ Zeit [Tage], ,5-1, -1,5-2, -2,5-3, Blähglas % Blähglas 2% Blähglas 47% Abgeleste Werte [mm x1-2 ] Blähglas Blähton Ziegelsplitt Quartzkies Temperatur [ o C] 89 9

16 Hőtágulási együttható Az adalékanyag testsűrűségének hatása Hőtágulási együttható Az adalékanyag mennyiségének hatása Wärmedehnzahl [1-6 /K] Kornrohdichte [kg/m 3 ] Blähglas Linear (Blähglas) /K] -6 Wärmedenzahl [ Volumen des Blähglas [V%] Szabványos betonkísérletek Fáradás vizsgálat eredménye különböző adalékanyagok esetén (Sparks, Menzies,1973) Jelmagyarázat: kör: Lytag (duzz. agyag), négyzet: kvarckavics, háromszög: mészkő nyomószilárdság hajlító-húzó szilárdság hasító-húzó szilárdság rugalmassági modulus vízzáróság fagyállóság zsugorodás összehasonlító vizsgálat A Model Code 21 is azonosan kezeli a könnyűbetonok fáradását a hagyományos betonokéval. 94 Időállósági jellemzők túltelített beton, tömör habarcsvázzal jó vízzáróság, jó fagyállóság VÍZZÁRÓSÁG VIZSGÁLATA Pl. - 5 bar nyomás -72 óráig - vízbehatolás mélysége betonacél kémiai védelme megoldott kitéti/környezeti osztályoknak való megfelelés (a szilárdsági jel sokkal kisebb is lehet, kivétel: kopásállóság) 2 l/m 95 Könnyűbeton 96

17 Környezeti osztályok figyelmebe vétele Duzzasztott agyagkaviccsal készített próbatesten mért vízbehatolási mélység: 1 12 mm. 97 Könnyűbeton 98 (Schnellenbach-Held) Speciális kérdés: öntömörödő beton Méretezés (Fenyvesi - Nemes - Nehme) 99 Könnyűbeton 1 Méretezés Statikai számítás 11 (Schnellenbach-Held) 12

18 Statikai számítás Statikai számítás Statikai számítás Statikai számítás Eredeti változat (NWC) Könnyűbeton változat (LWAC) Felszerkezet vastagsága [cm] Beton mennyiség [m 3 ] Vasalás [t] Döntéshelyzetek: Baross híd Győrben - tervváltozatok kisebb keresztmetszet (gazdaságosabb, de nem mindig lehet) kisebb szilárdság (ha a tartósság a legszigorúbb követelmény, acélbetétek kihasználtak) nagyobb szilárdság (ha alakváltozásra megfelelt, beton kihasznált) azonos szilárdság (ha a geometria módosítható) 17 18

19 Kivitelezési problémák felúszás, szétosztályozódás speciális bedolgozási módok pl. szivattyúzhatóság kérdése kis szilárdságú szemcsék széttöredezése a keverés során tömörítés kérdése utókezelés Födémfelújítás 19 (Simon - Nemes) 11 Mixer kocsis keverés Gazdaságosság Költség növelő tényezők: 1. normál betont könnyűbetonra cserélni 2. technológia váltás 3. szállítási költség Költség csökkentő tényezők: 1. könnyűbeton keresztmetszete kisebb 2. kevesebb lágyvasalás, kevesebb feszítőbetét 3. kevesebb földmunka 4. (más megvalósítható változat) Cobiax Cobiax Name Country Year of Completion Total surface [m²] Millenium Tower Netherlands 2 8. City Hall and Offices, Glostrup Denmark Mainova Headquarters Germany Faculty of Letters, L Aquila University Italy Media City, Copenhagen Denmark Bonn Shopping Center Germany Shopping Mall Paladium Czech Republic St. Jakob Turm Switzerland Elbphilharmonie, Hamburg Germany

20 Könnyűbetonok jellemzői és alkalmazása Kösz nöm a figyelmet! Dr. NEMES Rita, adjunktus BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék H-1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. nemes.rita@gmail.com 115