TESTSSÉG 1
Porózus anyagok sség és fajlagos súly fogalomköre SÉG fogalomköre FAJLAGOS SÚLY fogalomköre m Tömeg kg 3 ; g kg Súly ( er) Tömeg Gyorsulás 2 Térfogat m cm 3 s Térfogat Térfogat 3 m Az 1 kg tömeg test súlya 9,81 ~ 10 N 1 tonna(súly) = 1000 kilogrammsúly = 9,8110 3 N ~ 10 kn A 100 tonnás törgép mérési tartománya 1000 kn = 1 MN Anyagsség Fajsúly N m A minta (pl. 0,2 mm alá porított szemek) térfogata nem tartalmaz pórusokat Testsség Térfogatsúly A minta (pl. porítatlan szemek) térfogata tartalmaz pórusokat Halmazsség Halmazsúly A minta (pl. szemhalmaz) térfogata pórusokat és a szemek között hézagokat tartalmaz 2 3
A laza homok halmazssége a víztartalom függvényében Halmazsség, kg/m 3 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 Homok számított halmazssége, kg/m 3 Homok 870 cm 3 Halmazvíztartalma térfogatú ség edényben mért tömeg [tömeg%] [g] [kg/m 3 ] 0 1355 1557 2 996 1145 4 947 1089 6 968 1113 8 1019 1171 900 800 Homok 870 cm 3 térfogatú edényben mért tömege, g 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Víztartalom, tömeg% 3
4 FAJLAGOS SSÉG FOGALOMKÖRE Tömörség Testtérfogat Anyagtérfogat Anyagsség Testsség Tömörség T A A T A T V V V M V M t / / Porozitás Testtérfogat térfogata Hézagok Testtérfogat Anyagtérfogat Testtérfogat Anyagssg Testsség Anyagsség Porozitás Porozitás Tömörség 1 t V V V M V M V M p T A A T A A T A szemcse 1 1 / / /
Látszólagos porozitás [térfogat%/100] p látszólagos Látszólagos porozitás Pórusokba felvett víz Testtérfogat térfogata = a test vízfelvétele térfogat arányban, azaz térfogat%-ban és osztva 100-zal p látszólagos V Víz, p V T M Víz, p M / / T Víz M Víz, p Víz / M T M Víz, p M T Víz n T Víz ahol n = vízfelvétel [tömeg%/100], nevezetlen szám, n Vízfelvétel Vizes tömeg Száraz Száraz tömeg tömeg M Víz, p M = a test vízfelvétele tömeg arányban, azaz tömeg%-ban és osztva 100-zal: 5
MEGJEGYZÉS: A látszólagos porozitás összefüggésében a T Víz hányados neve az anyag relatív testssége. A relatív testsség nevezetlen szám, és azt mutatja meg, hogy az anyag testssége hányszorosa a víz sségének. A relatív testsség szerepel például az MSZ EN 934-2:1998 (Adalékszerek betonhoz, habarcshoz és injektálóhabarcshoz. 2. rész: Betonadalékszerek. Fogalommeghatározások, követelmények, megfelelség, jelölés és címkézés) európai szabvány 1. táblázatában 6
Példa a látszólagos porozitásra Legyen egy anyag anyagssége: A = 3000 kg/m 3 testssége: T = 2400 kg/m 3, amibl a tömörsége: t = 2400/3000 = 0,8 porozitása: p = 1 0,8 = 0,2 látszólagos porozitása: p látszólagos = víztérfogat/testtérfogat = 200/1000 = 0,2, azaz a látszólagos porozitás teljes víztelítés esetén a porozitás közelít értéke, vízfelvétele teljes víztelítés esetén: n = 200/2400 = 0,08333 < 0,2 = p és a látszólagos porozitása: p látsz = n T Víz ) = 0,083332400/1000 = 0,2 Ha az építanyag testssége a víz sségénél nagyobb, azaz a relatív testsség 1-nél nagyobb, akkor a látszólagos porozitás (p látszólagos = n T Víz ) a vízfelvételnél nagyobb, és fordítva 7
Példák különböz építanyagok látszólagos porozitására 8
A következ ábra azt mutatja be, hogy beton esetén növekv víz-cement tényezhöz és csökken adalékanyag legnagyobb szemnagysághoz növekv látszólagos porozitás tartozik. Ez egyik magyarázatát adja annak, hogy betontervezés során a pórustartalom alacsony szinten tartása érdekében is törekszünk kis víz-cement tényez és megengedheten nagy adalékanyag legnagyobb szemnagyság alkalmazására. 9
10
Abszolút halmaztömörség Abszolut halmaztömörség Halmazsség Anyagsség H A M / V M / V H A V V A H t Abs halmaz Halmazporozitás = Összporozitás = Porozitás + HézagtérfogatTömörség, ahol a HézagtérfogatTömörség szorzat az anyagsségre vonatkoztatott hézagtérfogat. Anyagsség Halmazsség Halmazporozitás Anyagsség Anyagsség Testsség Anyagsség Testsség Halmazsség Testsség Testsség Anyagsség Anyagsség Testsség Anyagsség Testsség Halmazsség Anyagsség Anyagsség Halmazsség Anyagsség 1 Abszolut halmaztömörség A A H V 1 V A H 1 t Abs halmaz 11
12 Halmaztömörség halmaz H T T H T H t V V V M V M Testsség Halmazsség Halmaztömörség / / Hézagtérfogat = Szemcsék közötti hézagosság Halmaztömörség V V Testsség Halmazsség Testsség Hézagtérfogat H T T H T 1 1
Egy anyagon belül általában nagyobb testsséghez nagyobb nyomószilárdság tartozik. 13
ség Nyomószilárdság, N/mm 2 Gázbeton (pórusbeton) nyomószilárdsága a tests függvényében 8 7 6 5 4 3 2 400 500 600 Tests 700 800 3 ség, kg/m 14
15
A beton legfontosabb tulajdonsága a szilárdság, ezért a szilárdságot befolyásoló tényezk vizsgálata mindig a figyelem középpontjában állt. Megfigyelték, hogy a nagyobb testsség megszilárdult beton általában nagyobb szilárdsággal is rendelkezik. Ezt mutatja be a nyomószilárdság =f( testsség ) összefüggés: a testsség növekedésének általában vonzata a nyomószilárdság növekedés, miközben a trendvonal körüli ingadozások, szórások jelentsek. Hallgatólagosan azt is feltételezzük, hogy a testsség növekedése a beton tömörsége növekedésének, pórus- illetve levegtartalma 16 csökkenésének következménye.
17
Ha a következ ábrán a beton kísérleti eredményeket a levegtartalom szerint rendezzük, természetes, hogy a levegtartalom növekedésével a nyomószilárdság csökken. A nyomószilárdság =f( testsség, l levegtartalom ) összefüggés ábráján belátható, hogy a testsség növekedése a nyomószilárdság növekedésével és a beton levegtartalmának csökkenésével jár, mint azt az oda fekete vonallal berajzolt nyomószilárdság =f( testsség ) görbe szemlélteti. 18
19
Az ábrából az is kiolvasható, hogy azonos vagy csak kissé csökken levegtartalom mellett hiába növekszik a testsség, azt olyan körülmény okozza, hogy a szilárdság csökkenni, jobb esetben stagnálni fog. Ennek az a magyarázata, hogy a pórustartalom csökkenés nélküli testsség növekedés a kisebb cementtartalom, kisebb cementpép-, cementk-tartalom következménye, ami a szilárdság alakulására kedveztlenül hat. 20
Ennek hátterében az áll, hogy amíg az adalékanyag testssége 2450-2850, átlagban 2650 kg/m 3, addig a cementk testssége csak mintegy 1900 kg/m 3. Powers szerint ugyanis a cementk porozitása a hidratáció kezdeti és végs állapotában például x = 0,35 érték vízcementtényez esetén 0,52-0,30 vagy például x = 0,60 érték víz-cementtényez esetén 0,65-0,49. Ez azt jelenti, hogy ha változatlan beton pórustartalom mellett a cementk:adalékanyag arányt csökkentjük, akkor a beton testssége 21 növekedni fog.
A beton voltaképpen egy négyfázisú, heterogén, durva diszperz rendszer, amely friss állapotában inkoherens, durva szuszpenzió (szilárd részek folyékony közegben), megszilárdult állapotában pedig koherens, kváziviszkózus fázissal (cementk) és rugalmas fázissal (adalékanyag) rendelkez viszkóelasztikus anyag. 22
A beton fázisdiagramja Testsség, kg/m 3 3000 2500 2000 1500 1000 500 Víz Adalékanyag Cementk Beton Víz Adalékanyag + Leveg Cementk Fázisok Beton = Adalékanyag + Cementk + Víz (a cementk kapilláris vize és a szabad víz) + Leveg 23
minség A beton tulajdonságait befolyásoló tényezk Összetétel Adalékanyag mennyiség minség Cement mennyiség Cementk Víz kötött mennyiség kötetlen minség Adalékszer mennyiség eloszlás Leveg mennyiség Struktúra tömörség, homogenitás, hidratációs fok, felületi kötés, póruseloszlás és jelleg Beton kora száradás, szilárdulás, spontán alakváltozás Környezeti hatások klimatikus körülmények, kémiai és mechanikai terhelés 24
25
A beton tömörsége és levegtartalma a cementk (megszilárdult cementpép) tömörítettségétl függ, ami kihat a cementk testsségére és nyomószilárdságára, továbbá a beton ugyanezen jellemzire. A vibrálással tömörített cementk testssége tehát csak mintegy 1900 kg/m 3, szemben a homokos kavics adalékanyag átlagos 2650 kg/m 3 érték testsségével, és porozitásuk hozzávetlegesen úgy viszonylik egymáshoz, mint 0,38:0,15. Ezért mondhatjuk, hogy a beton testsségét a cementk:adalékanyag tömegarány is befolyásolja. 26
Következtetés: Ha változatlan beton pórustartalom mellett a cementpép:adalékanyag, illetve cementk:adalékanyag arányt növeljük, akkor a beton testssége csökkenni fog, de a beton testsségében változás állhat be akkor is, ha például az adalékanyag testssége változik meg. Ezért a környezeti osztályok feltételeinek ellenrzése során nem az ott elírt legkisebb beton testsséget kell alapul venni, hanem a beton összetételébl (beleértve a tervezett levegtartalmat is) ki kell számítani a friss beton tervezett testsségét, és a friss beton bedolgozása akkor megfelel, ha a friss beton tapasztalati testssége próbatesten mérve a tervezett értéknél legfeljebb 2 százalékkal kisebb. (Ez 20 liter/m 3 levegtartalomnak felel meg, ami 27 rendkívül nagy érték.)
A 28 napos korú, szilárd, (60 ± 5) C mérsékleten tömegállandóságig szárított beton várható testsségét viszonylag jó közelítéssel a cement tömegére vetített 30 tömegszázalék el nem párologtatható víz, azaz (v/c - 0,3)c liter/m 3 elpárolgó kevervíz feltételezésével lehet kiszámítani. 28
Példa a cementtartalom változásának a beton testsségére tett hatására x = 0,55 C = 3100 A = 2640 cem.-pép = 1776 1. példa kg/m 3 m 3 /m 3 2. példa kg/m 3 m 3 /m 3 M C = 280 V C = 0,090 M C = 310 V C = 0,100 M V = 154 V V = 0,154 M V = 171 V V = 0,171 M A = 1942 V A = 0,736 M A = 1873 V A = 0,710 V L = 0,020 V L = 0,020 Összesen: 2376 1,000 Összesen: 2354 1,000 Pórusmentes beton testssége, kg/m 3 2376 / 0,98 = 2425 2354 / 0,98 = 2402 A szilárd, kiszárított állapotú beton várható testssége, kg/m 3 2306 = friss beton -(x-0,3) M C = 2276 29 feltéve, hogy a cementkbe a cement mintegy 30 tömeg%-át kitev víz épül be.
Az építési célnak beleértve a tartósságot is csak a kellen bedolgozott, megkövetelt tömörség, zárványmentes beton felel meg, ezért a bedolgozott friss beton levegtartalmát korlátozni kell. Magyarországon a friss beton bennmaradt levegtartalmának (a levegzárványoknak) ajánlott tervezési értéke a következ: 30
Légbuborékképz adalékszer nélküli fagyálló beton Beton Általában Vízzáró beton Kopásálló zúzottkbeton XF1 XF2(BV-MI) +Cl és XF3(BV-MI) Légbuborékképz adalékszerrel készített fagyálló beton, XF2 +Cl, XF3, XF4 +Cl Bontott adalékanyagú újrahasznosított beton, általában A friss beton ajánlott levegtartalma legfeljebb 2,0 térf.% legfeljebb 1,0 térf.% legfeljebb 3,0 térf.% legfeljebb 2,0 térf.% legfeljebb 1,5 térf.% bevitt levegtartalom legalább 4,0 térf.%; azaz összesen: (4,0 6,0) térf.% 0,5 térfogat%-kal több, mint 31 kavicsbeton esetén
100 év használati élettartamú (pl. hídszerkezeti, vízépítési) betonok esetén a friss, bedolgozott beton általában bennmaradt levegtartalma ne legyen nagyobb, mint vasbeton szerkezet esetén feszített vasbeton szerkezet esetén vízzáró beton esetén 2,0 térfogat%; 1,5 térfogat%; 1,0 térfogat%; 1,0 térfogat%; kopásálló zúzottkbeton esetén 2,0 térfogat% 32
légbuborékképz adalékszer nélkül készített fagyálló, függleges felület beton (XF1 )esetén, 1,5 térfogat%; légbuborékképz adalékszer nélkül készített fagyálló, vízszintes felület beton (XF3(BV-MI) ) esetén, 1,0 térfogat%; légbuborékképz adalékszer nélkül készített fagy- és olvasztósó-álló, függleges felület beton (XF2(BV-MI) ) esetén, 1,0 +Cl térfogat% 33
34 A friss beton testsségének tervezése a tervezett levegtartalom figyelembevételével: ] m [ kg / V M M M x M % L V C C A C C beton friss 3 100 1000 1 ahol az adalékanyag térfogata: ] m / [ m 100 V 1000 M x M 1 V 3 3 % L C C C A és az adalékanyag keverék súlyozott testssége: ] m [ kg /... 1 3 A
A friss beton pórusmentes cementpépjének testssége a víz-cement tényez és a cement anyagsségének függvénye: cementpép M V C C M V V V 1 C 1 x x 1000 A pórusmentes beton testssége: pórusmentes friss beton friss beton Mcementpép M % V Mcementpép M L 1 100 cementpép A A A [ kg / [ kg / m 35 3 m 3 ] ]
A szilárd beton testsségét kiszárított állapotban az MSZ EN 12390-7:2001 szerint, de (60 ± 5) C mérsékleten szárítva, kell megmérni. 1. Ha a testsség mérést a végig víz alatt tárolt, tehát vizes nyomószilárdság vizsgálati próbatesteken végezzük ( vizes ), akkor a nyomószilárdság vizsgálat után visszamaradó legalább 200 cm 3 térfogatú, betondarabon meg kell a víztartalmat állapítani (n), és ennek alapján kell a kiszárított állapotban értelmezett testsséget kiszámítani: 36
kiszárítot t 1 vizes n ahol: kiszárított és vizes testsség mértékegysége: kg/m 3 n = 1-nél kisebb nevezetlen szám 2. Másik lehetség, hogy végig víz alatt tárolt próbatestek esetén a testsséget külön e célra készített és (60 ± 5) C (nem 105-110 C!) mérsékleten tömegállandóságig szárított próbatesten határozzuk meg. 37
A vegyesen tárolt, szilárd közönséges beton és nehézbeton próbatestek testsségét szilárdságvizsgálat eltt, a légszáraz állapotú próbatesten kell megmérni. A vegyesen tárolt, szilárd könnybeton próbatestek testsségét (60 ± 5) C mérsékleten tömegállandóságig szárított, legalább 300 g tömeg próbadarabon kell meghatározni. 38
MSZ 4798-1:2004 3.1.7. Közönséges beton ( normál beton) Kiszárított állapotában 2000 kg/m 3 -nél nagyobb, de legfeljebb 2600 kg/m 3 (értékre tervezett) testsség, szilárd beton. Ha nincs külön megadva, akkor a szilárd beton testssége a beton 28 napos korára értend, egyéb esetben pedig a kort meg kell adni. Kiegészítésképp közölni kell, hogy a testsséget a beton légszáraz, (60 ± 5) C mérsékleten tömegállandóságig szárított, vagy vízzel telített állapotában mérték-e. 39
MSZ 4798-1:2004 3.1.9. Nehézbeton Kiszárított állapotában 2600 kg/m 3 -nél nagyobb testsség beton. A kiszárítást (60 ± 5) C mérsékleten, tömegállandóságig kell végezni. Ha nincs külön megadva, akkor a testsség a nehézbeton 28 napos korára értend. 40
MSZ 4798-1:2004 3.1.8. Könnybeton Kiszárított állapotában legalább 800 kg/m 3 és legfeljebb 2000 kg/m 3 (értékre tervezett) testsség, szilárd beton. Ezt teljesen vagy rész-ben könny adalékanyagok felhasználásával készítik. Ha nincs külön megadva, akkor a szilárd könnybeton testssége a könnybeton 28 napos korára értend, egyéb esetben pedig a kort meg kell adni. Kiegészítésképp közölni kell, hogy a testsséget a könnybeton légszáraz, (60 ± 5) C mérsékleten tömegállandóságig szárított, vagy 41 vízzel telített állapotában mérték-e.
MSZ 4798-1:2004 szabvány 4.3.2. Testsrségi osztályok könnybetonokra 9. táblázat: Könnybetonok osztályozása a testsrség szerint Testsrségi osztály D 1,0 LC 1,0 D 1,2 LC 1,2 D 1,4 LC 1,4 D 1,6 LC 1,6 D 1,8 LC 1,8 D 2,0 LC 2,0 A testsrség, kg/m 3 800 és 1000 > 1000 és 1200 > 1200 és 1400 >1400 és 1600 > 1600 és 1800 > 1800 és 2000 MEGJEGYZÉS: A könnybeton testsrségét tervezett értékkel is el szabad írni. 42
NAD 4.6. MEGJEGYZÉS: A 9. táblázat a szilárd könnybetonok testsségi követelményeit adja meg. A szilárd beton testsségét legalább 28 napos korban, (60 ± 5) C mérsékleten tömegállandóságig szárított próbadarabokon kell mérni. Tömegállandó a próbadarab akkor, ha a két legutolsó tömegmérés közötti különbség az utóbbinak 0,1 %-a. NAD 4.7. MEGJEGYZÉS: Magyarországon a szilárd könnybeton testsségét LC jellel kell jelölni. 43
44
MSZ 4798-1:2004 3.1.25. Közönséges adalékanyag Kiszárított állapotában > 2000 kg/m 3 < 3000 kg/m 3 szemtestsség adalékanyag, az MSZ EN 1097-6 szerint, (105 ± 5) C mérsékleten kiszárítva, meghatározva és 3.1.27. Nehéz adalékanyag Adalékanyag, amelynek az MSZ EN 1097-6 szerint, (105 ± 5) C mérsékleten kiszárítva, megállapított szemtestssége 3000 kg/m 3. 45
MSZ 4798-1:2004 3.1.26. Könny adalékanyag Ásványi eredet adalékanyag, amelynek kiszárított állapotában az MSZ EN 1097-6 szerint, (105 ± 5) C mérsékleten kiszárítva, megállapított szemtestssége 2000 kg/m 3, vagy kiszárított állapotában az MSZ EN 1097-3 szerint, (105 ± 5) C mérsékleten kiszárítva, meghatározott laza halmazssége 1200 kg/m 3 46
Tufa Duzzasztott agyagkavics Duzzasztott perlit Zúzott tégla Duzzasztott üvegkavics Anyagsség, kg/m 3 2500-2800 2500-2600 2050-2450 Testsség, kg/m 3 1200-2500 650-1600 1950-2150 300-1450 Halmazsség, kg/m 3 300-800 50-180 980-1250 180-900 Porozitás, térfogat% 15-50 45-75 35-85 Vízfelvétel, tömeg% 2-25 20-50 15-25 1-60 Nyomószilárdság, önszilárdság 6-80 N/mm 2 (Nyomószilárdsá g szabályos alakú próbatesten mérve) 1,5-10,5 N/mm 2 (20 mm-es összenyomódáshoz tartozó önszilárdság) Hummel-féle szétmorzsolódási tényez: 1,2-2,8 A 20 mm-es összenyomódáshoz tartozó önszilárdság: 1,5-4,5 N/mm 2 0,5-13,0 N/mm 2 (20 mm-es összenyomódáshoz tartozó önszilárdság) Könnybeton testssége, kg/m 3 1300-2250 800-1800 200-750 1800-1900 600-1800 Könnybeton nyomószilárdsága, N/mm 2 5-40 8-45 0,2-3,5 12-25 2-45 47
48 Duzzasztott agyagkavics, szemnagyság: 6/10 mm
Duzzasztott üvegkavics 49
Duzzasztott perlit, szemnagyság: 0/2 mm 50
Szó esett arról, hogy az MSZ 4798-1:2004 szerint a szilárd beton testsségét (+ 60 ± 5) C mérsékleten tömegállandóságig szárított állapotú próbadarabokon kell mérni. Ugyanakkor: az MSZ EN 206-1:2002 szabvány nem adja meg a kiszárítás hmérsékletét; a többi európai szabványban a szárítás ma is általában (110 ± 5) C mérsékleten történik; a korábbi nemzeti szabványaink is a (105-110) C (pl. MSZ 4715-2:1972; MSZ 4715-3:1972), vagy a (105 ± 5) C (pl. MSZ 18284-2:1979) hmérsékleten való szárítást írták el. Mi lehet az új magyar betonszabványban a szárítási mérséklet 51 megváltoztatásának a magyarázata?
DERIVATOGRÁFOS VIZSGÁLATOK Források: Cementipari Kézikönyv. Szerkesztette: Dr. Talabér József. szaki Könyvkiadó, Budapest, 1966. Szilikátipari laboratóriumi vizsgálatok. Szerkesztettte: Dr. Tamás Ferenc. szaki Könyvkiadó, Budapest, 1970. Riesz Lajos: Cement és mészgyártási kézikönyv. Építésügyi Tájékoztatási Központ, Budapest, 1989. Dr. Kertész Pál Dr. Marek István Dr. Gálos Miklós Dr. Kausay Tibor: BME SZIKKTI 3-44-III/79 sz. kutatási jelentés a zúzottk beton-adalékanyagokról, 1983. Kocsányiné Dr. Kopecskó Katalin közleménye, 2006. 52
A vizsgálat lényege, hogy az elkészített mintát folyamatosan hevítik 1000 C fölé, közben mérik a hmérsékletet az id függvényében (T T görbeg rbe), és felveszik a tömegváltozást (TG görbeg rbe); továbbá TG DTG DTA Inverz (csökken) ordináta skála! T 53
a tömegváltozás sebességét, azaz a TG görbe érintjét (azaz differenciál-görbéjét = DTG görbe ). Ha a tömegváltozás (vesztés) sebessége növekszik, akkor a TG görbe érintje (DTG görbe ) emelkedik, ha a sebesség- növekedés megáll, akkor a TG görbének infelxiós pontja és érintjének (DTG görbe ) szélsértéke van; TG DTG DTA T Inverz (csökken) ordináta skála! 54
Az anyaggal közölt henergia nem csak széls esetben halmazállapot változást, hanem az anyag szilárd állapotában kristályfázis átalakulásokat is okoz. Ha hevítés közben a vizsgálandó anyagminta és összehasonlásképpen sem helnyelést, sem fejlesztést nem mutató inert anyag mérsékletét, akkor megszerkeszthet a DTA görbeg rbe. TG DTG DTA T A lefele irányuló csúcs endoterm (helnyel), a felfelé irányuló exoterm (hfejleszt) 55 folyamatot jelez.
A Paulik Ferenc Paulik Jen Erdey László rendszer derivatográf egyidejleg mind a négy görbe automatikus felvételére alkalmas. Dr. Paulik Ferenccel készült beszélgetés itt olvasható: http://www.kfki. hu/chemonet/ TermVil/tv2000/ tv0003/ eotvos2.html 56
A derivatogram néhány általában jellegzetes csúcsmegjelenési helye a következ: ~ 100 C-nál látható endoterm DTA csúcs (TG-n tömegveszteséggel jár) a minta abszorbeált (elnyelt) nedvességének elvesztését mutatja; ~ 120-160 C-nál látható endoterm DTA csúcs (TG-n tömegveszteséggel jár) az ersebben kötött víz elvesztését jelzi (pl. háromréteg agyagásványoknál a rétegközi kation hidrátburkának elvesztése); ~ 300 C-nál exoterm tömegveszteséggel járó csúcs jelzi a szerves anyagok bomlását, valamint a fémhidroxidok bomlását pl. Al(OH) 3 Al 2 O 3 +H 2 O; 57
500-600 C endoterm tömegveszteséggel járó csúcs az agyagásványok szerkezeti vizének elvesztését jelzi; ~ 573 C kis endoterm DTA csúcsnál (tömegváltozással nem jár) az kvarc kristályosodik át. Jellemz, hogy csak a ~10 % kvarctartalom felett mutatkozik csúcs, illetve, hogy más csúcsok (pl. agyagásványok szerkezeti vizének elvesztése elfedhetik; 58
600-800 C endoterm DTA csúcs (tömegveszteséggel jár) a MgCO 3 dekarbonizációja. A tömegveszteség alapján a sztöchiometria alkalmazásával kiszámítható a minta MgCO 3 tartalma. A csúcs jellemzje a szimmetrikus lefutás; 720-950 C endoterm DTA csúcs (tömegveszteséggel jár) a CaCO 3 dekarbonizációja, CaCO 3 CaO+CO 2. A csúcs jellegzetesen aszimmetrikus. A tömegveszteségbl a minta CaCO 3 tartalma kiszámítható. Dolomit tartalmú mintáknál elbb a MgCO 3, majd a CaCO 3 dekarbonizációja figyelhet meg. 59
A következ két derivatogramon két különböz cementbl készült, különböz korú, megszilárdult cementpép derivatogramja látható. Láthatóan alacsony mérsékleten a hközlés hatására mindkét mintában jelents tömegcsökkenés ment végbe, mely a DTG görbe segítségével és a TG görbe adataival mennyiségileg is megadható a bemért minta tömegére vonatkozatva (m%-ban). 60
Az alacsony hmérséklet tömegváltozás általában több lépcss folyamat, amelyet nem tulajdoníthatunk csak a fizikailag kötött nedvességtartalomnak. Alacsony mérsékleten elindulnak a klinkerásványok kötési folyamatában kialakuló ún. hidrátfázisok (hidratált klinkerásványok) tömegvesztési folyamatai is. Ezek már nem csak a környezet és a minta közötti egyensúly, vagy pl. az utókezelésbl származó víztartalmak, hanem rétegközi vagy kristályvizek is. 61
CEM III/A 32,5 cementbl készült 180 napos pépminta derivatogramja, 20C-on szilárdult, a mérés az id függvényében, a minta tömegvesztesége 35,8 C és 141,6 C között 11,40 62 m%
CEM I 42,5 cementbl készült 56 napos pépminta derivatogramja, 20C-on szilárdult, a mérés az id függvényében, a minta tömegvesztesége 38,8 C és 63 131,6 C között 11,00 m%
A szilikát klinkerek (trikalcium-szilikát C 3 S, dikalcium-szilikát C 2 S) kötési folyamatuk során jelents víztartalmú, de részben gél állapotú fázist hoznak létre. Legnagyobb részt ezek a fázisok adják a cementk szilárdságát, egy meggyorsított, magasabb hfokon végzett szárítás ezeket a szilárdsághordozó fázisokat is tönkre teheti. 64
TG DTG DTA T CEM I 42,5 cementbl készült 7 napos pépminta, 20 C-on szilárdult, a mérés az id függvényében történt 65
A cementek kivétel nélkül tartalmaznak valamilyen aluminát klinkert eltér mennyiségben, még a szulfátálló is. Különösen az aluminátok hidratációja során keletkeznek olyan fázisok, melyek nagy mennyiség ilyen jelleg vizet (rétegközi vagy kristályvizet) tartalmaznak. A következ két ábrán aluminát pépminták derivatogramja látható. 66
Szintetikus C 3 A és gipsz 10:1 tömeg arányú keverékébl, kötésvízzel készült pépminta derivatogramja, 180 napos, 20C-on szilárdult. Tömegveszteség 39,8 67 C és 130,6 C között 23,38 m%
Szintetikus C 4 AF és gipsz 10:1 tömeg arányú keverékébl, kötésvízzel készült pépminta derivatogramja, 180 napos, 20C-on szilárdult. 68 Tömegveszteség 42,8 C és 134,9 C között 8,05 m%
69
Az elsdlegesen képz ettringit különböz átalakulások során, víz jelenlétében a gyorsan köt trikalcium-aluminát (klinker ásvány) és gipsz egymásra hatásából keletkezik, tehát hidratációs termék: 3 CaO Al 2 O 3 3 CaSO 4 30 32 H 2 O vagy kevés gipsz jelenlétében (monoszulfát): 3 CaO Al 2 O 3 CaSO 4 10 12 H 2 O 70
71
VÍZTARTALMI ÁLLAPOTOK 72
73
Víztartalom. (Szokták nedvességtartalomnak is nevezni). Az építanyagtan felfogása szerint a víztartalom az anyag hidrotechnikai állapotjellemzje. Valamely anyag víztartalma (w tömeg% ) az adott idpontban, tömeg%-ban kifejezve, az adott idpontban az anyag pórusaiban lév víz tömege és a kiszárított anyag tömege hányadosának százszorosa: ahol: M Víz = Pórusokban lév víz tömege adott idpontban = Vizes anyag tömege adott idpontban - Kiszárított anyag tömege [g] M = Kiszárított anyag tömege [g] 74
Vannak ritka helyzetek, amelyekben a víztartalmat úgy adják meg, hogy a pórusokban vagy a szemhalmazban lév víz tömegét nem a kiszárított anyag tömegére, hanem a vizes anyag tömegére vonatkoztatják, azaz a (100*M víz/vizes anyag tömege) számértéket képezik, és ezzel a víztartalmat a vizes anyag tömeg%-ában fejezik ki. Ha ennek tényét nem hangsúlyozzák ki, akkor az kellemetlen félreértéseket okozhat: Vizes anyag tömege [g] Kiszárított anyag tömege [g] Kiszárított anyag tömegére vonatkoztatott w tömeg% víztartalom [tömeg%] Vizes anyag tömegére vonatkoztatott víztartalom [tömeg%] 3956,9 2677,2 47,8 32,3 75
Vízfelvétel. A vízfelvétel az anyag víztartalmának lehetséges legnagyobb értéke és ezért anyagjellemz. Vizsgálatához az anyagot vízzel kell telíteni, általában légköri nyomáson és fokozatos víztelítéssel. Ezt követen a vízzel telített próbatest víztartalmát kell meghatározni, ami fogalmainknak megfelelen nem más, mint az anyag vízfelvétele. A vízfelvételt (n tömeg% ) a kiszárított anyag tömegére vonatkoztatjuk és tömeg%-ban fejezzük ki. Szentgyörgyi Lóránt fényképe, 1998. 76
Homokalapú pórusbeton (YTONG) vízfelvétele az id függvényében A próbakocka mérete: 105*105*105 mm = 1157,625 cm 3 Testsség szárazon: 578,8 kg/m 3 Tömeg Id Vízfelvétel Id Id négy- Vízfelvétel g óra tömeg% óra zetgyöke tömeg% 670 0 0,0 0 0,000 0,0 830 0,5 23,9 0,5 0,707 23,9 952 3 42,1 3 1,732 42,1 1086 27 62,1 27 5,196 62,1 1084 47 61,8 47 6,856 61,8 1086 51 62,1 51 7,141 62,1 1088 54 62,4 54 7,348 62,4 77
Pórusbeton vízfelvétele az id függvényében Vízfelvétel, tömeg% 70 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Id, óra 78
Vízfelvétel, tömeg% 70 60 50 40 30 20 10 0 Pórusbeton vízfelvétele az id négyzetgyökének függvényében 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Id [óra] négyzetgyöke 79
Vannak szabványok (például MSZ 18284-3:1979, MSZ EN 1353:1999), amelyek a víztartalmat, a vízfelvételt nemcsak tömeg%-ban, hanem térfogat%-ban is kifejezik. A térfogat%-ban kifejezett vízfelvétel a látszólagos porozitással arányos mennyiség. Errl korábban már esett szó, az összefüggés azonban álljon itt még egyszer: 80
Minta kiszárításának idpontja. A vizsgálati minta kiszárításának idpontja a vízfelvétel vizsgálat során elvégezhet a próbatest vízzel való telítése után vagy eltt. 1. Az építési kanyagok MSZ 18284-3:1979, a beton-adalékanyagok MSZ ISO 6783:1993 és MSZ ISO 7033:1992 vizsgálati szabványa szerint a kiszárított állapotú minta vízfelvételét úgy kell meghatározni, hogy a mintát elbb vízzel kell telíteni, majd ezt követen kell kiszárítani. A betonok légritkított vagy túlnyomásos térben történ MSZ 4715-3:1972 szabvány szerinti vizsgálata során és az MSZ az eljárás sorrendje 81 ugyan ilyen.
2. Ezzel szemben a betonok MSZ 4715-3:1972, az égetett agyag falazóelemek MSZ 551-1:1988, az égetett agyag burkolóelemek MSZ 3555-1:1991 vizsgálati szabványa szerint a kiszárított állapotú próbatest vízfelvételét légköri nyomáson úgy kell meghatározni, hogy a próbatestet elbb ki kell szárítani, majd ezt követen kell vízzel kell telíteni. Az MSZ EN 933-1:1998 szitavizsgálati szabvány szerint a mintát elbb ki kell szárítani, azután a 0,063 mm nyílású szita felett meg kell mosni, majd meg kell szárítani, hagyni kell lehlni, és ezt követen kell a szitálást elvégezni. 82
Az (1.) szerinti sorrend elbb vízzel telít, majd kiszárít követése mellett az szól, hogy a kiszárítás során a párolgó vízbl - amely víz általában többkevesebb oldott sót tartalmaz - a sók kiválnak és a kapillárisokban visszamaradva, azokban méret és egyéb változásokat okozhatnak. Ha a vízzel való telítésre a kiszárítás után kerül sor (2. sorrend), akkor a vizsgálati anyag kezdeti víztartalmi állapotától függ sókiválás jelensége a vízfelvétel mértékét befolyásolhatja, míg az (1.) fordított sorrend esetén ilyen mérési hibával számolni nem kell. 83
Kapilláris vízfelszívás Legyen: mérséklet: t = 20,4 ºC d r cos = cos 0º = 1,00 h max [mm] [mm] [m] víz = 0,0729 N/m 1 0,5 0,030 0,03 víz = 998,147 kg/m 3 0,1 0,05 0,298 0,3 g = 9,8067 m/s 2 0,01 0,005 2,978 3 akkor: r [mm] h max [m] = 0,014895 0,015 0,001 0,0005 29,780 30 Megjegyzés: 1 N = 1 kg m/s 2 0,0001 5E-05 297,800 300 ahol: d a kapilláris névleges átmérje [mm] r a kapilláris névleges sugara [mm] h max a vízfelszívás legnagyobb magassága [m] r [ mm] h [ m] max 1000 2 [ N / mkg/ s ] víz 3 [ kg/ m ] [ m / s víz g 2 cos 2 ] 84
Kapilláris emelkedés a kapilláris sugara függvényében Kapilláris emelkedés, log hmax, m 1000,00 100,00 10,00 1,00 0,10 h max [m] = 0,014895.r -1 [mm] -1 [mm] 0,015.r 0,01 0,00001 0,00010 0,00100 0,01000 0,10000 1,00000 Kapilláris sugara, log r, mm 85
A víz felületi feszültsége ( víz ) a hmérséklet (t víz ) függvényében t víz [ºC] víz [N/m] 20,0 0,072960 víz = 0,076*(1-0,002*t ) [N/m] 20,1 0,072945 Forrás: http://www.physics.kee.hu/jegyzet/sztalag.html 20,2 0,072930 Budapesti Corvinus Egyetem fizika jegyzete az interneten 20,3 0,072914 20,4 0,072899 0,0729 20,5 0,072884 20,6 0,072869 20,7 0,072854 Néhány folyadék felületi feszültsége a levegre vonatkoztatva 20,8 0,072838 Forrás: http://www.szulo.hu/fizika/foly/foly3.htm 20,9 0,072823 Porkoláb Tamás: A folyadékok mechanikája III. 21,0 0,072808 21,1 0,072793 21,2 0,072778 21,3 0,072762 [10-2 N/m] 21,4 0,072747 21,5 0,072732 21,6 0,072717 21,7 0,072702 21,8 0,072686 21,9 0,072671 22,0 0,072656 Folyadék Víz Higany Étolaj Felületi feszültség 7,29 4,91 Petróleum 3,3 2,7 86
87
88
Elgzölhet és el nem gzölhet víz E fogalmakat elssorban a cementkben található víz tulajdonságainak leírására használjuk, de értelemszeren más építanyagok hidrotechnikai állapotának jellemzésére is alkalmazhatjuk. A cementkben lév víz egy része a hidratált cementszemcsék közötti pórusokat, hézagokat tölti ki, ezt pórusvíznek hívják, más része kémiailag kötött állapotban van, ennek kémiailag kötött víz a neve. E kétféle víz gyakorlati megkülönböztetésére vezette be 1948-ban Powers és Brownyard az elgzölhet és az el nem gzölhet víz fogalmát. 89
Az elgzölhet (elgzölöghet, elgzölögtethet) víz, azaz pórusvíz az a víz, amelynek gznyomása 23 C mérsékleten nagyobb, mint 6 10-4 Torr (=79,99 N/m 2 = 7,89 10-7 atm). Ez lényegében annak a víznek felel meg, amely 105-110 C hmérséklet szárítás során a testbl eltávozik. A cementkl elgzölhet víz, - más néven a pórus víz - szabad vízbl, kapilláris vízbl és gélvízbl áll. Az elgzölhet víz egyik, legmozgékonyabb része az ún. szabad víz, amely a hidratált cementszemcsék közötti pórusokban található. Kötereje viszonylag gyenge, a szabad víz molekulák akár el is párologhatnak. Elfordul (például a német szakirodalom- 90 ban), hogy a kapilláris víztl nem különböztetik meg.
Az elgzölhet víz másik része az ún. kapilláris víz, amely a nagyobb kapillárisokban helyezkedik el. A kapilláris víz a vízmolekulák hidrogénhíd-kötése és a kapilláris erk folytán vízfilmet képez a kapilláris falán. A kapilláris víz tulajdonképpen szabad vízként viselkedik, bár mozgása a kapilláris felületi feszültségek miatt a szabad vízénél nehezebb, de éppen a felületi feszültségek hatására a nehézségi er ellenében a kapillárpórusban felemelkedni képes. Ha a leveg relatív páratartalma 40 %-nál kisebb, akkor a cementk nem tartalmaz sem szabad, sem kapilláris vizet. Fagyhatás esetén a kapilláris víz (sótartalmától függen) általában -3 C hmérséklet 91 alatt megfagy.
A cementk gélpórusaiban lév ún. gélvíz az elgzölhet víz harmadik része. A gélvíz többnyire egy molekula vastagságnyi rétegben tapad a hidratációs termékek felületéhez fizikai adszorpcióval (folyadék vagy gáz kapcsolódása szilárd test felületéhez), ezért fizikailag kötött víznek is hívják. A gélvíz kötereje majdnem eléri a kémiailag kötött víz kötdését, ezért e kapcsolatot a olykor kémiai adszorpciónak nevezik. A gélvíz mennyisége a leveg páratartalmától és a hidratációs foktól függ, a cement tömegének 10±5 %-át teszi ki. A gélvíz felületén nagy felületaktív erk mködnek, ezért fagyhatás során a gélvíz csak mintegy -78 C 92 mérsékleten fagy meg.
Az el nem gzölhet víz, más néven a kémiailag (szerkezetileg) kötött víz a hidratáció során épül be a cementkbe, és 105-110 C mérséklet szárítás után is a cementkben marad. Az el nem gzölhet vizet a (pórus mentes) szilárd anyag alkotó elemének tekintjük. A kémiailag kötött víz mennyisége a cement mennyiségének legalább mintegy 15-18 tömeg%-a. 93
SZABAD VÍZ CEMENTKBEN LÉV VÍZ KAPILLÁRIS VÍZ GÉLVÍZ = FIZIKAILAG KÖTÖTT VÍZ PÓRUSVÍZ = ELGZÖLHET VÍZ EL NEM ZÖLHET VÍZ = KÉMIAILAG KÖTÖTT VÍZ 94
CEMENTK PÓRUSSZERKEZETE 95
Az adalékanyagnak is van pórusszerkezete. A cementk és az adalékanyag pórusszerkezetére jellemz, hogy a pórusok szilárd anyaggal ki nem töltött, tömeg nélküli, különböz terek, amelyekben gázállapotú anyag (többnyire leveg) vagy elgzölhet víz, ill. folyadék található. E tömeg nélküli tereket méreteik, mennyiségük, elhelyezkedésük, keletkezésük alapján különböztetjük meg. A cementk pórusai általában nyitottak, fajtái: légpórusok, esetleg kapillárpórusok és gélpórusok. légbuborékok, továbbá 96
A légpórusok (németül: Verdichtungsporen) a szilárduló cementkben akaratunk ellenére, de gondos tömörítés mellett is visszamaradó, viszonylag nagyobb méret, esetleges elrendezdés pórusok. Az olyan betont, amelyben a pórusok átmérje az 1 mm-t ersen meghaladja és keletkezésük gondatlan tömörítésre vezethet vissza, fészkes betonnak mondják, és az ilyen pórusok neve nem is pórus, hanem pl. üreg. A sejtbetonok (gázképzvel elállított gázbeton pórusbeton, vagy habképzvel elállított habbeton zárt sejtjeinek átmérje legfeljebb 2 mm. 97
A légbuborékok (németül: Luftporen) a beton fagyállóságának, olvasztósó-állóságának javítására légbuborékképz adalékszerrel a cementkben tudatosan létrehozott, közel gömb alakú, egymástól független pórusok. A légbuborék-eloszlásra követelmény, hogy az ún. távolsági tényez, azaz a cementk bármely pontjától a hozzá legközelebb es légbuborék felszínének távolsága nem lehet több, mint 0,2 mm. A frissbeton légbuborékképz adalékszerrel bevitt levegtartalma 4-6 térfogat%, a 28 napos korú légbuborékos beton nyomószilárdsága a légbuborékképzszer nélküli beton nyomószilárdságának legalább 75 %-a. 98
A cementkben lév kapillárpórusok (németül: Kapillarporen) a kevervíz mennyiségétl függen keletkeznek. A cement hidratációja során a cementkbe legfeljebb a cement mintegy 30-35 tömeg%-át kitev vízmennyiség épül be, ami 0,30-0,35 érték víz-cementtényeznek felel meg. Ha a beton ennél több vízzel készül, akkor a vízfelesleg finom, hajszálcsöves, gyakran összefügg pórusrendszert hoz létre, amelynek alkotói a beton felületére is kivezet kapillárpórusok. A kapillárpórusok mennyiségének növekedésével a cementk és a beton minsége romlik. A kapillárpórusokat egyszeren kapillárisoknak is 99 szokták nevezni.
A gélpórusok (németül: Gelporen) a hidratált cementszemcsén belül, a cementgélben helyezkednek el, és a cementgéllel együtt a cement hidratációja folyamán keletkeznek. A cementgél teljesen össze nem növ tábla-, lemez-, szálalakú hidratációs termékekbl áll, amelyek között a gélpórusok találhatók. A gélpórusok a folyadékokat és a gázokat gyakorlatilag nem eresztik át. A cement hidratáció elrehaladtával a hidratációs termékek mennyisége növekszik, a gélpórusok mennyisége csökken. 100
A cementkben lév pórusok hozzávetleges átmérje Megnevezés Átmér Légpórusok Légbuborékok Kapillárpórusok Gélpórusok 10-1000 m = 0,01-1 mm 300 m = 0,3 mm 0,1-10 m = 10-4 - 10-2 mm 0,001-0,1 m = = 10-6 - 10-4 mm 101
A pórusvíz fagyás pontja a pórusméret függvényében Forrás: Balázs György Tóth Ern: Beton- és vasbeton szerkezetek diagnosztikája I. Megyetemi Kiadó, 1997. Pórusméret mértékegységek szerint Pórus m méter mm milliméter m mikrométer nm nanométer Å ángström Pórusvíz fagyás pontja ºC 1 m 10-3 m 10-6 m 10-9 m 10-10 m Durva pórus > 10-3 > 1 > 10 3 > 10 6 > 10 7 0 (-3) Légpórus 10-5 10-3 10-2 1 10 10 3 10 4 10 6 10 5 10 7 0 (-3) Kapillárpórus 10-7 10-5 10-4 10-2 0,1 10 10 2 10 4 10 3 10 5 0 (-3) 10-8 10-7 10-5 10-4 10-2 0,1 10 10 2 10 2 10 3-15 Gélpórus 10-9 10-8 10-6 10-5 10-3 10-2 1 10 10 10 2-43 < 10-9 < 10-6 < 10-3 < 1 < 10-160 Légbuborék (adalékszerrel képzett) < 3 10-4 < 0,3 < 3 10 2 < 3 10 5 < 3 10 6 102
Repedések Szilárd anyaggal ki nem töltött, tömeg nélküli, terek a repedések is (ezeket azonban nem tekintjük a beton, illetve a cementk pórusszerkezete részének). 103
Szilárd anyaggal ki nem töltött, tömeg nélküli, terek a repedések is (ezeket azonban nem tekintjük a beton, illetve a cementk pórusszerkezete részének). A repedések fajtái okok szerint zsugorodási repedések; mérséklet változás hatására keletkez (tágulási-összehúzódási) repedések; süllyedésbl származó repedések; alakváltozási (pl. nem megfelel teherbírásból vagy merevségbl, megengedettet meghaladó terhekbl vagy dinamikus igénybevételbl, korrózióból ered stb.) repedések. 104
Repedések fajtái elhelyezkedés szerint stabil (megállapodott) nem stabil (terjed, mélyül) repedés; átmen felületi repedés; hosszrepedés, keresztrepedés, vízszintes repedés, függleges repedés; egyes repedés, párhuzamos repedések, hálós repedések, sugárirányú repedések stb. Repedések fajtái tágasság szerint Repedések fajtái tágasság szerint hajszálrepedés 0,1 mm; 0,1 mm < finom repedés 0,3 mm; 0,3 mm < közepes tágasságú repedés 0,5 mm; 0,5 mm < nagy tágasságú repedés 1,0 mm; 1,0 mm < durva repedés 105
KÖSZÖNÖM A FIGYELMÜKET 106