Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page 1 KÜLÖNLEGES BETONOK ÉS BETONTECHNOLÓGIÁK I.

Átírás

1 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page 1 KÜLÖNLEGES BETONOK ÉS BETONTECHNOLÓGIÁK I.

2 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page 2

3 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page 3 KÜLÖNLEGES BETONOK ÉS BETONTECHNOLÓGIÁK I. DR. BALÁZS GYÖRGY okl. mérnök prof. emeritus a mûszaki tudomány doktora Széchenyi-díjas A AKADÉMIAI KIADÓ, BUDAPEST

4 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page 4 Megjelent a Magyar Tudományos Akadémia, az Építés Fejlôdéséért Alapítvány és a Magyar Közút Kht. támogatásával Lektor DR. KAUSAY TIBOR PHD okl. mérnök okl. vasbeton-építési szakmérnök a BME tiszteleti egyetemi tanára a mûszaki tudomány kandidátusa ISBN Kiadja az Akadémiai Kiadó, az 1795-ben alapított Magyar Könyvkiadók és Könyvterjesztôk Egyesülésének tagja 1117 Budapest, Prielle Kornélia u Elsô magyar nyelvû kiadás: 2007 Balázs György, 2007 Minden jog fenntartva, beleértve a sokszorosítás, a nyilvános elôadás, a rádió- és televízióadás, valamint a fordítás jogát, az egyes fejezeteket illetôen is. Printed in Hungary

5 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page 5 Tartalom Elôszó Jelölések Különleges betonokról és betontechnológiákról általában A beton alkotói és vizsgálatuk A beton alkotóiról általában A cementek A homogén portlandcementek és jellemzésük A heterogén portlandcementek és jellemzésük A cementszilárdulás sebessége A cement hidratációs alakváltozásai A cementkô porozitása és tulajdonságai A porozitás fogalma A porozitás és a szilárdság A cementkô és a vízzáróság, fagyállóság A cementkô zsugorodása, lassú alakváltozása A hidratáció mértéke A cementminôsítés alapjául szolgáló tulajdonságok és vizsgálatok A kötési idô Az ôrlési finomság A kötôerô A térfogatállandóság A hidratációhô A hidratációhôrôl általában A vizsgálati módszerek Az új cementszabványok és a cementek új megnevezése A cementek jelölése korábbi szabványok szerint A cementek jelölése az érvényes szabvány szerint elején gyártott cementfajták

6 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page Az adalékanyag Az adalékanyagok jellemzése Az adalékanyagok tulajdonságai A tulajdonságokról általában A tisztasági jellemzôk és vizsgálatuk Szemszerkezeti vizsgálatok A szemmegoszlási görbe A szemmegoszlási görbe minôsítése A szemmegoszlás javítása és tervezése több frakcióból Adalékanyag-halmazok szilárdságának vizsgálata Los Angeles-vizsgálat Mikro-Deval-vizsgálat Hummel szétaprózódási vizsgálat Halmazszilárdság vizsgálata A szemalak vizsgálata A szemalak jellemzése a tengelyméretek alapján A homok szemalakjának a jellemzése A víztartalom meghatározása és jellemzése A cementkô és az adalékanyag közötti tapadás A tapadásról általában A tapadási szilárdság Határfelületi reakciók a betonban Adalékszerek Adalékszerek fogalma Konzisztenciajavító adalékszerek Képlékenyítô adalékszerek Folyósító adalékszerek Vízzáróságot fokozó adalékszerek Fagyállóságot fokozó adalékszerek Kötés- és szilárdulásgyorsító adalékszerek Kötéskésleltetôk, kötésgátlók Fagyásgátló adalékszerek Injektálást segítô adalékszerek Stabilizáló adalékszerek Korrózió ellen védô adalékszerek A beton korrózióját gátló adalékszerek Az acélbetét korrózióját gátló adalékszerek Biológiai korrózió ellen védô szerek Az adalékszerek összeférhetôsége Az adalékszerekkel szemben támasztott követelmények

7 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page A beton egyéb anyagai Színezô anyagok Elektromosan vezetô anyagok Gázképzôk, habképzôk Felületi kezelôszerek Kiegészítô anyagok A beton és vizsgálata Az új betonszabvány Fogalmak A frissbeton A megszilárdult beton A frissbeton vizsgálata A frissbeton konzisztenciájának vizsgálata A roskadásmérés A tömörödési tényezô mérése Az átformáláshoz szükséges vibrációs idô meghatározása Vebe-méterrel A terülésmérés Az átformálási ütésszám A tömörítési mérték A régi és az új konzisztenciaosztályok összehasonlítása A betonalkotók mennyiségének meghatározása A víztartalom meghatározása A testsûrûség meghatározása A cementtartalom meghatározása A víz cement tényezô számítása Az adalékanyag-tartalom kiszámítása A légbuborék-tartalom meghatározása A keverési arány számítása A keverési arány számítása az alapanyagok fizikai jellemzôi ismeretében A keverési arány meghatározása a frissbeton testsûrûségének elôzetes becslésével A péptelítettség közelítô számítása A megszilárdult beton tulajdonságai és azok vizsgálata A testsûrûség meghatározása A nyomószilárdság vizsgálata A húzószilárdság és vizsgálata A hidrotechnikai tulajdonságok és vizsgálatuk A víztartalom

8 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page A vízfelvétel A vízzáróság és vizsgálata A vízáteresztés és vizsgálata A fagyállóság és vizsgálata A kopásállóság és vizsgálata Böhme-koptatás Gary-homokfúvási koptatás A Duna-módszer A beton hôtechnikai jellemzôi és mérésük A hômérséklet és mérése A lineáris hôtágulási együttható A hô terjedését kifejezô anyagjellemzôk A fajhô Ajánlás a betonösszetétel határértékeire A beton szilárdulása hidegben Az egyenértékû kor Az egyenértékû kor heterogén portlandcementekre A kísérlet A kísérleti eredmények és értékelésük A hômérséklet alakulása a bedolgozott betonban Egyszeri megfagyás hatása a beton természetes szilárdulására A kritikus szilárdság Kutatásaink Tömegbetonok hidratációhô okozta repedései és megelôzésük A tömegbeton fogalma A kéreg- és átmenô repedések fogalma A hidratációhôt befolyásoló tényezôk A hidratációhô meghatározása hôáramlásos kaloriméterben A cement hidratációhôjét befolyásoló tényezôk A cement kémiai és ásványi összetételének hatása Az ôrlési finomság hatása a hidratációhôre A kezdeti hômérséklet hatása a hidratációhôre A kötésszabályozó adalékszerek hatása a hidratációhôre A víz cement tényezô hatása a hidratációhôre A cementek hidratációhôje és a cementhabarcs szilárdsága közötti összefüggés A tömegbetonok hôtechnikai vizsgálata A tömegbetonok hôtechnikai jellemzôi

9 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page A betonban keletkezô hômérséklet közelítô számítása A legnagyobb hômérséklet meghatározására szolgáló közelítô képletek Kéregrepedések veszélyének közelítô számítása Kényszerfeszültségek és átmenô repedések közelítô számítása A repedésveszély becslése gépi számítással Bevezetés A hômérséklet-számítás elve A kéregrepedések keletkezése valószínûségének vizsgálata Az egyes tényezôk hatása a kéregrepedés veszélyére A kéregrepedésekrôl a tapasztalat alapján Az átmenô repedések veszélyének számítása A tömegbetonban kialakuló repedésveszély csökkentésének lehetôségei A csökkentés lehetôségei általában A hidratációhô csökkentése A beton alkotóinak hûtése A beton belsô csôhûtése A csôvezetékes hûtôrendszer számítása A hômérséklet okozta feszültségek csökkentése a betonfelület védelmével Az építéstechnológia megfelelô megválasztása Nagy szilárdságú cementek (550 pc) felhasználásában rejlô lehetôségek Bevezetés A cementgyártás energiafelhasználása Az elôregyártás helyzete hazánkban a 80-as évek végén Az évi laboratóriumi kísérletek Kísérletek külföldi cementekkel Kísérletek 550 pc-tel ben Laboratóriumi kísérletek A hidratációhô energiatartalma Az 550 pc öregedése Félüzemi kísérletek az egykori BVM (Beton és Vasbetonipari Mûvek) Alsózsolcai Gyárában Félüzemi kísérletek a volt Szolnok megyei ÁÉV elôregyártó telepén A nagy cementtartalom hatása a szilárdságra Az évi laboratóriumi kísérletek

10 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page A beton gôzölése A gôzölés fogalma A gôzölési diagram A struktúraromlás kémiai okai A struktúraromlás fizikai okai A beton alkotóinak eltérô hôtágulási együtthatója Vízforgalom a beton és a gôztér között Hômérsékleti feszültségek és repedések A hômérsékleti feszültségek számítása számítógéppel A hômérsékleti feszültségek közelítô számítása Hogyan védekezzünk a fizikai struktúraromlás ellen? A cementek gôzölhetôsége Egyenletek a gôzölhetôség elôrebecslésére A cementfajta hatása a gôzölés hatásfokára Optimális gôzölési hômérséklet Az ôrlési finomság hatása a gôzölhetôségre A gôzölés szabályai A beton szilárdulása gôzölés után Milyen mértékû utókezelést igényel a gôzölt beton? A fagy hatása a gôzölt beton szilárdulására Irodalom

11 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page 11 Elôszó 1950-ben szereztem mérnöki oklevelet. Attól kezdve mindig ugyanazon a tanszéken dolgoztam, bár neve változott és 1963 között II. sz. Hídépítéstani Tanszék, 1963 és 1999 között Építôanyagok Tanszék, 1999 óta Építôanyagok és Mérnökgeológia Tanszék a neve. A sokféle építôanyag közül elsôsorban betonnal foglalkoztunk. Kutatásainkat szerényen támogatta a Magyar Tudományos Akadémia Mûszaki Tudományok Osztálya, és igen jó kapcsolat alakult ki a Tanszék oktatói és az építôipari vállalatok között. Megengedték, hogy konkrét gyakorlati feladatok megoldását tudományosan megalapozzuk. A II. sz. Hídépítéstani Tanszéken elkészített kutatási jelentéseinket Balázs György: Beton és vasbeton V. A kutatás története (2004) c. könyv mellékletében, az Építôanyagok, majd Építôanyagok és Mérnökgeológia Tanszéken készítetteket a mellékletében foglaltam össze. A 45 oldalnyi felsorolásból jól látható, hogy a kutatások többsége a különleges betonokkal és betontechnológiákkal foglalkozott. 200-nál több kötetnyi kutatási jelentés tartalmazza csak azokat a kutatásokat, amelyeket irányítottam vagy amelyekben közremûködtem. Ujhelyi János: Mûszaki elôírás. Beton és vasbeton készítésére c. kitûnô könyvsorozatban (1955) 22. füzetben, logikai rendben felépített tanácsokat ad a beton tervezésével, építésével és ellenôrzésével foglalkozóknak a közönséges és a különleges betonok területérôl. Dr. Ujhelyi János: Betonismeretek (2005) c. tankönyvében ehhez az elvi alapokat is megadta. Azonban egyre inkább úgy éreztem, hogy közkinccsé kell tennem kutatási eredményeinket (szükség szerint másokéval kiegészítve), amelyek különösen a különleges betontechnológiák területén sok újat tartalmaznak. Ebben az is megerôsített, hogy évrôl évre nô azok száma, akik a Betontechnológia c. 2 éves szakmérnöki tanfolyamot elvégezik és megítélésem szerint kellô mélységben akarnak és tudnak foglalkozni a betontechnológiával. Egyébként nekik a különleges betonok és betontechnológiák c. könyvsorozat tankönyv is lesz. Persze meg kellett küzdenem olyan nehézséggel, hogy az elmúlt évtizedekben változtak a cementek, változtak a szabványok, változtak a jelölések. Gondoljunk csak arra, hogy forradalmi változást hozott az MSZ 4798:2004 szabvány, amely a tartósságra tervezés alapján áll és áttérve az EN szabványokra magával hozott új jelöléseket. De sem a szabványok, sem a jelölések nem forrtak ki, állandóan változhatnak. 11

12 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page 12 Én azonban a 80. évemmel már nem várhatom meg, hogy mindez nyugvópontra kerüljön. A könyv megírásához a Tanszéken készített tanulmányokat, szakcikkeket, korábban megjelent könyveimet használtam fel. Köszönetet mondok mindazoknak, akik ezekben a kutatásokban közremûködtek, külön köszönettel tartozom a tanszéki technikusoknak a fegyelmezett, pontos kutatási munkáért. Az Építôanyagok és Mérnökgeológia Tanszék vezetôjének, dr. Balázs L. Györgynek és a Tanszék dolgozóinak a könyv írásához nélkülözhetetlen nyugodt légkört, Sántha Gyuláné titkárnônek az adminisztratív segítséget köszönöm meg. A könyv kéziratát Polányi Aladárné gépelte tükörbe, a pausz ábrákat Bubb Zsuzsanna rajzolta, a cirill betûk latin betûkre ültetését Czenczi Ferencné általános iskolai tanár segítette. Segítségüket köszönöm. A kéziratot dr. Kausay Tibor PhD, a mûszaki tudomány kandidátusa, tiszteleti egyetemi tanár lektorálta. Lelkiismeretes munkájával, tanácsaival mint kiváló betontudósunk, az EN szabványok egyik legjobb ismerôje, sokat segített. Megengedte azt is, hogy néhány ábráját felhasználjam a könyvhöz. Segítségét köszönöm. A kötet szép kiállítása az Akadémiai Kiadó érdeme. Megköszönöm Nagy Tibor szerkesztônek, Tárnok Irén felelôs szerkesztônek és Hesz Margit termékmenedzsernek, a Kiadó és a Nyomda munkatársainak fegyelmezett segítôkész közremûködését. A szerzô 12

13 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page 13 Jelölések Az itt nem található jelöléseket elôfordulási helyükön adjuk meg. A cement kémiai és ásványi alkotói, cementhidratáció Jel Mennyiség Mértékegység C = CaO kalcium-oxid m% S = SiO 2 szilícium-dioxid m% A = Al 2 O 3 alumínium-oxid m% F = Fe 2 O 3 vas-oxid m% M = MgO magnézium-oxid m% Cs = CaSO 4 2H 2 O gipszkô (amit általában gipsznek neveznek) m% H = H 2 O víz m% C 3 S = 3CaO SiO 2 trikalcium-szilikát m% C 2 S = 2CaO SiO 2 béta-dikalcium-szilikát m% C 3 A = 3CaO Al 2 O 3 trikalcium-aluminát m% C 4 AF = 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 tetrakalcium-aluminát-ferrit m% CH = Ca(OH) 2 kalcium-hidroxid m% MH = Mg(OH) 2 magnézium-hidroxid m% CSH kalcium-szilikát-hidrát m% E = C 3 A 3Cs H 32, ill. C 3 AF 3Cs H 32 triszulfo-aluminát-hidrát = ettringit m% MS, ill. FMS = C 3 A Cs H 12, ill. C 3 AF Cs H 12 monoszulfo-aluminát (ferrit)-hidrát = monoszulfát m% T = C 3 A 3CaCl 2 H 30 trikloro-aluminát-hidrát m% F = C 3 A CaCl 2 H 10 monokloro-aluminát-hidrát = Friedel-só m% P H hidratáció mértéke a portlandit víztartalma alapján % CSH H E hidratáció mértéke a CSH szerkezeti víztartalma alapján Jirku szerinti optimális gipsztartalom, amelyet egyensúlyinak neveztünk és SO 3 (m%) = 6, C 3 A (m%) (cm 2 /g) képletbôl számítottunk. % m% 13

14 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page Feszültség, szilárdság F terhelôerô kn, MN terhelôfeszültség c kohézió súrlódási szög fok crit kritikus feszültség ct központos húzófeszültség f c, cube a beton nyomószilárdsága 150 mm élhosszú kockán vizsgálva a nyomószilárdság egyedi értéke 150 mm élhosszú kockán f ci, cube vizsgálva a nyomószilárdság átlagértéke 150 mm élhosszú kockán f cm, cube vizsgálva a nyomószilárdság tapasztalati átlagértéke 150 mm élhosszú f cm, cube, test kockán vizsgálva a nyomószilárdság elôírt jellemzô értéke 150 mm élhosszú f ck, cube kockán vizsgálva a nyomószilárdság tapasztalati jellemzô értéke 150 mm élhosszú kockán vizsgálva f ck, cube, test f c, cyl a beton nyomószilárdsága 150/300 mm hengeren vizsgálva a beton nyomószilárdság egyedi értéke 150/300 mm-es f ci, cyl hengeren vizsgálva a nyomószilárdság elôírt átlagértéke 150/300 mm-es hengeren vizsgálva f cm, cyl a nyomószilárdság tapasztalati átlagértéke 150/300 mm-es f cm, cyl, test hengeren vizsgálva a nyomószilárdság elôírt jellemzô értéke 150/300 mm-es f ck, cyl hengeren vizsgálva a nyomószilárdság tapasztalati jellemzô értéke 150/300 f ck, cyl, test mm-es hengeren vizsgálva f ti a beton hasító húzó szilárdságának az egyedi értéke (ha egy mintából 3 próbatest készült, annak átlaga egy vizsgálati eredménynek számít) a beton jellemzô hasító húzó szilárdságának elôírt jellemzô f tk értéke 150/150 mm méretû hengeren vizsgálva a beton hasító húzó szilárdságának tapasztalati átlagértéke f tm, test 150/150 mm-es hengeren vizsgálva f ci, fl a beton egyedi hajlító húzó szilárdsága f c, pr a beton hasábszilárdsága f ct központos húzószilárdság f ct, fl hajlító-húzószilárdság f ct, sp hasító-húzószilárdság f, tap nyíró tapadási szilárdság f,t húzó tapadási szilárdság

15 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page 15 Alakváltozás fajlagos hosszváltozás x fajlagos hosszváltozás a terhelôerô irányában y fajlagos hosszváltozás a terhelôerô irányára merôlegesen μ = y x Poisson-tényezô 1 t szakadó nyúlás c törési összenyomódás c, sh a cementkô, a beton zsugorodása el a beton rugalmas alakváltozása c, l (t) a beton lassú alakváltozása t idôpontban () t = c, l (t) el a beton kúszási tényezôje t idôpontban E 0 kezdeti rugalmassági modulus E 0, t kezdeti rugalmassági modulus központos húzásból GPa E 0, c kezdeti rugalmassági modulus központos nyomásból GPa E terhelô feszültségtôl függô rugalmassági modulus GPa E a ill. E h az adalékanyag, ill. a habarcs rugalmassági modulusa GPa E id Eo a lassú alakváltozást figyelembe vevô, = 1+ ún. ideális rugalmassági modulus GPa 15

16 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page 16 Geometriai és tömegjellemzôk l támaszköz m, cm, mm d henger átmérôje, szita, ill. rosta lyukbôsége mm h henger hossza mm m tömeg kg/m 3 m w, m c, m h a víz, a cement, ill. a homok tömege kg/m 3 m% az anyag tömegére vonatkoztatott eredmény mw x = mc víz cement tényezô x o redukált víz cement tényezô sûrûség kg/m 3 t testsûrûség kg/m 3 V térfogat l, m 3 V% az anyag térfogatára vonatkoztatott eredmény V c, V w, V h, ill. V l, a cement, a víz, a homok, ill. a levegô térfogata l, m 3 V p pépmennyiség l, m 3 V p,0 péptelítettséghez tartozó pépmennyiség l, m 3 A Blaine szerinti fajlagos felület (alsó indexben a kötôanyag, pl. A c = cement fajlagos felülete cm 2 /g d max legnagyobb névleges adalékszemcse-méret mm m A Az Abrams szerinti finomsági modulus, a szabványos szitasoron fennmaradt tömegszázalékban kifejezett összege osztva 100-zal optimális finomsági modulus, ill. a finomsági modulus, m 0 amelyhez a pépigény minimális p = t porozitás V% p krit extrapolált porozitás zérus szilárdság esetére V% 16

17 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page A különleges betonokról és betontechnológiákról általában A közönséges betonok csoportjába azokat a betonokat soroljuk, amelyeket szokványos technológiával (keverés, szállítás, bedolgozás) állítanak elô, és velük szemben elôírt követelmény a betonkonzisztencia, valamint a testsûrûség és a nyomószilárdság, követelmény továbbá vasbeton és feszített vasbeton szerkezetek esetében az acélbetétek korrózió elleni védelme, amit rendszerint tömör beton készítésével és megfelelô betonfedéssel érünk el. Az ettôl eltérô betonok lehetnek különleges rendeltetésû és különleges technológiával készített betonok. A különleges rendeltetésû betonok: vízzáró beton, kopásálló beton, nagy nyomószilárdságú beton, nagy húzószilárdságú beton, könnyûbeton, szálerôsítésû beton, fagy- és sózásálló beton, agresszív hatásnak ellenálló beton, kis zsugorodású és kis kúszású beton, sugárvédô beton, hôálló és tûzálló beton, átlátszó beton. Különleges technológiával készített betonok: a beton szilárdulása hidegben, nagy szilárdságú cementek felhasználásában rejlô lehetôségek, gôzölt beton, nagy tömegû beton, látszóbeton, dermesztett beton, lövellt beton, kolkrétbeton, prepakt beton, pörgetett beton, 17

18 Balazs_beton_impr 6/8/07 2:23 PM Page 18 vákuum-, vibrovákuum beton, víz alatti beton, szövetszerkezetes építés, No-fines beton. Továbbiakban ismertnek tételezzük fel a szokványos betonok tervezését és tulajdonságait. Röviden ismertetjük a különleges rendeltetésû betonok tárgyalásához nélkülözhetetlen anyagismeretet, valamint betontulajdonságokat és azok vizsgálati módját. 18