PTE Műszaki és Informatikai Kar Építőmérnök Tanszék 7624 Pécs, Boszorkány út 2. Építőanyagok MSC Építőmérnök MSc hallgatók részére Betonok minősítése és jelölése (MSZ 4798 szabvány) - Cementek fajtái és legújabb jelölései - Frissbetonok konzisztenciája és legújabb jelölései - Betonok minősítése és jellemző nyomószilárdsága - A betonok megfelelőségének ellenőrzése - Betonok tartóssága, kitéti osztályok és követelményeik - Betonok jelölései az MSZ 4798 szabvány szerint Különleges betonok és betontechnológiák - Különleges tulajdonságú- és rendeltetésű betonok - Különleges betontechnológiák és eljárások Nanotechnológia építőipari alkalmazása - Hatékony hőszigetelő anyagok - Öntisztuló falfelületek és épülethomlokzatok - Betontechnológiai alkalmazások Mérnöki létesítmények károsodása és rehabilitációja Korszerű építőanyagok (meghívott előadók és termékgazdák) A tananyagot összeállította: Dr. Orbán József professor emeritus orbanj@mik.pte.hu Pécs, 2017 1
Betonok minősítése és jelölése az MSZ 4798 szerint 1. Cementek fajtái és jelölései Az újfajta cementek ismertetése előtt át kell tekinteni a cementek hidratációs és szilárdulási folyamatait, különös tekintettel az adagolt kiegészítő anyagoknak (kohósalak, pernye hidraulitok) a cement tulajdonságára gyakorolt hatására. Cementek hidratációja (alit klinkerásvány): 2(3CaO SiO 2 ) + 6H 2 O = = 3CaO 2SiO 2 3H 2 O + 3Ca(OH) 2 + Q (ph>11) Cementek jelölései: Portlandcement: CEM I 42,5R Kohósalak portlandcement: CEM II/A-S 42,5N Pernye portlandcement: CEM II/A-V 42,5N Kompozit p. cement: CEM II/B-M(V-L)32,5N Kohósalak cement: CEM III/B-S32,5N- S* CEM - Európai cement I; II - cement fajta: I - portlandcement II - kohósalak-, pernye portlandcement III - kohósalak cement A; B - hidraulit mennyiség (> 5; >20%) S; V; L - kohósalak, pernye, mészkőpor M(V-L) - kompozit (pernye és mészkőpor) 42,5 - jellemző nyomószilárdság f ck (N/mm 2 ) R - nagy kezdőszilárdság (Rapid) N - normális szilárdulású S* - szulfátálló (AM = 0,54) Kohósalak cementek: CEM III/A-S32,5N-LH mérsékelten szulfátálló CEM III/B-S32,5N-S szulfátálló AM < 0,7 A cement-hidratáció és szilárdulás folyamata: - a cement felületén kolloidális oldat keletkezik - a gél rétegből kristályok nőnek ki, átfonódnak - a cementpép megdermed, kőszerűvé válik A kohósalak és pernyeadalékos cementek hidratációs folyamatai: Cementszerű (puccolán) kötés: Ca(OH) 2 + SiO 2 = CaO SiO 2 H 2 O (CSH) V/C hatása a cement hidratációjára Puccolán reakciótermékek a pernye felületén Mészkőliszt adalékos cement hidratációja: C 3 S + H 2 O + CaCO 3 = C 3 S CaCO 3 H 2 O kálcium-carbo-szilikát-hidrát Adalékanyagok hatása a cementkő és a beton tulajdonságára: - tömörség és vízzáróság - szilárdság és kötés hő - ph csökkenés és korrózió V/C hatása a beton szilárdságára 2
2. Friss betonok konzisztencia vizsgálatai és jelölései A beton konzisztenciája a friss betonkeverék mozgékonyságát és folyékonyságát jellemzi. Konzisztenciák jelölései (MSZ 4714): AFN - alig földnedves FN - földnedves KK - kissé képlékeny K - képlékeny F - folyós Ö - önthető Konzisztencia meghatározása (mérő eszközök): 1. Abrams-féle roskadásmérő kúp (S - roskadási mérték mm) 2. Terülést mérő ejtő asztal (F - terülési mérték mm) 3. Vebe méter, vibrációs átformálási idő (V - átformálási idő sec) 4. Walz-féle tömörítés mérő edény (C - tömörítési mérték) Vizsgálati módszerek A konzisztenciák mérőszámai Ugyanaz a beton-összetételű friss beton, mint tixotróp anyag, különböző típusú igénybevételek esetén (terülés, vibrálás) eltérő konzisztenciát mutat. A folyékony kategóriából több szükséges. Konzisztencia osztályok (MSZ 4798): AFN FN KK K F Ö -_ Roskadási o.: - S1 S1 S2 S3 S4 S5 Terülési oszt.: - F1 F2 F3 F4 F5 F6 VEBE osztály: - V1 V2 V3 V4 - - Tömörítési o.: C0 C1 C1 C2 C3 - - MSZ 4714 és 4798 értékeinek összehasonlítása 3
Betonjelölések változása: B280; C25; C25/30 3. Betonok minősítése és jelölése A próbatest alakjának és méretének hatása a beton nyomószilárdságára Minősítés fck - jellemző szilárdság alapján Minősítés átlagszilárdság (B280) alapján Átlagos nyomószilárdság: f cm = f ck + t szórás érték (2 6 N/mm 2 ) t darabszám tényező t = 2,28 N = 3 db t = 1,645 N > 40 db t = 1,48 N = db Példa: C20/25 f ck = 20 t = 1,645 1 = 3 2 = 5 f cm1 = f ck + t 1 = 20 + 1,645 3 = 25 Szórás hatása a cementszükségletre Egyenletes minőség: 1 < 2 f cm1 < f cm2 C 1 < C 2 kevesebb cement MSZ 4798 szerint: f cm = f ck + t x σ (N > 15 t = 1,48 = 3) f cm = f ck + 4 fck - jellemző szilárdság értelmezése Eurocode 2 szerint: f cm = f ck + 8 4
4. A betonok megfelelőségének ellenőrzése A megfelelőség ellenőrzése - MSZ EN 206-1: 2002 európai betonszabvány az 50 évre tervezett beton tartóssági követelményeinek kielégítésére, környezeti osztályok alkalmazását írja elő. - MSZ 4798-1: 2004 betonszabvány tárgyalja és kibővíti az európai szabvány magyarországi alkalmazási feltételeit, valamint értelmezi a környezeti osztályokat és azok követelményeit. - MSZ 15022 beton szabvány alapján tervezett vasbeton szerkezetek betonját, továbbra is az MSZ 4719 és az MSZ4720 betonszabványok szerint kell ellenőrizni. A nyomószilárdság és betonösszetétel megfelelősége A beton nyomószilárdságának tervezett értékét meghatározzák: - A betonszerkezet teherbíró képessége és a beton igénybevétele alapján meghatározott nyomószilárdság. - A használati élettartam és a környezeti hatások alapján a tartóssági követelményeket figyelembe vevő nyomószilárdság. - Megfelelő tartósságot és ellenálló képességet biztosító, környezeti hatásoknak megfelelő betonösszetétel. A betonok nyomószilárdságának megfelelősége 1. Megfelelőségi feltétel: - folyamatos gyártás esetén: f cm,test > f ck + 1,48 - kezdeti gyártás esetén : f cm,test > f ck + 4 ( = 3) Eurocode 2 szerint: f cm,test > f ck + 8 2. Megfelelőségi feltétel: f ci,min > f ck - 4 Lőtt betonok esetén: Minősítés a szerkezetből kifúrt próbatest alapján: f ci,min > 0,85 f ck - 4 Értékelés a tételek szilárdságának megfelelősége alapján A mintavétel legkisebb gyakorisága 1. Kezdeti gyártás esetén: a.) Gyártásellenőrzési tanúsítás nélkül: 3 minta = 3 3 db/ az első 50m3 betonból b.) Gyártásellenőrzési tanúsítással: 1 minta/200m 3, vagy 2 minta/termelési hét 2. Folyamatos gyártás esetén a.) Gyártásellenőrzési tanúsítás nélkül: 1 minta/150m 3, vagy 1 minta/termelési nap b.) Gyártásellenőrzési tanúsítással: 1 minta/400m 3, vagy 1 minta/termelési hét Értékelés betoncsalád-elv alapján Azonos alapanyagokból, azonos gyártási feltételek mellett készített valamennyi betonkeveréket egy családba tartozónak tekintik, és bármelyik egyedi családtag vizsgálati eredményeiből az egész család (valamennyi betonkeverék) megfelelőségére következtetnek. 5
A környezeti hatások kitéti osztályai I. X0 Nincs korróziós kockázat vasalás nélküli beton. vasalt beton száraz helyen II. XC1...4 Karbonátosodás okozta korrózió száraz, mérsékelten nedves váltakozva nedves és száraz III. XD1..3 Kloridok által okozott korrózió mérsékelten nedves váltakozva nedves és száraz IV. XS1..3 Tengervízből származó klorid által okozott korrózió V. XF1...4 Fagyási/olvadási ciklusok által okozott korrózió függőleges, sózás nélkül vízszintes, jégolvasztó só VI. XA1..3 Kémiai korrózió, agresszív hatás enyhén agresszív vegyi hatás nagymértékben agresszív környezet VII. XK1..4 Koptatóhatás okozta károsodás gyalogos.. nehéz teher és gördülő igénybevétel VIII. XV1..3 Igénybevétel víznyomás hatására vízbehatolás: 60, 40, 20 mm I. Nincs korróziós kockázat A beton és betonkeverék követelményei: X0 - Vasalás nélküli, korróziónak ki nem tett kitöltő és kiegyenlítő beton. Vasalt beton szárazhelyen. fck > C12/15 XN(H) - Korróziónak ki nem tett kis szilárdságú alárendelt jelentőségű aljazat betonok, beton alaprétegek. fck > C8/10 C > 165 kg V/C < 0.90 Vlev,friss beton < 2,5% X0b(H) - Vasalás nélküli, korróziónak ki nem tett kitöltő és kiegyenlítő beton. fck > C12/15 C > 230 kg V/C < 0.75 Vlev,friss beton < 2,0% X0v(H) - Legfeljebb 35% relativ páratartalmú, belső helyiségben lévő, vagy levegőtől teljesen elzárt, száraz helyen lévő vasbeton. Környezeti hatásoknak nem ellenálló vasalt alapbeton és vasbeton. fck > C16/20 C > 250 kg V/C < 0.70 Vlev,friss beton < 2,0% II. Karbonátosodás okozta korrózió A levegő CO 2 hatása: Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O ph < 10 (betonacél korrózió) Szénsav hatása: H 2 O + CO 2 (pl. savaseső) ---> H 2 CO 3 CaCO 3 + H 2 CO 3 --> Ca(HCO 3 ) 2 ph < 6 A karbonátosodás kitéti osztályai: XC1 - száraz, vagy tartósan nedves XC2 - nedves, ritkán száraz XC3 - mérsékelten nedves, szabadban XC4 - váltakozva nedves és száraz A vas Pourbaix (potenciál-ph) diagramja Az XC kitéti osztály követelménye és a javasolt szilárdsági osztály 6
III. Kloridok által okozott korrózió Kloridionok okozta korrózió: Betonkorrózió: 2NaCl + Ca(OH) 2 = CaCl 2 + 2Na(OH) Vaskorrózió: Fe 3+ + 3Cl - = FeCl 3 FeCl 3 disszociálódik ---> Fe 3+ + 3Cl - A kloridion hatás kitéti osztályai: XD1 - mérsékelt nedvesség jégolvasztó só nélkül XD2 - nedves, ritkán száraz ipari vizek, jégolvasztó só nélkül XD3 - váltakozva nedves és száraz fagynak nincs kitéve IV. Tengervízből származó klorid hatása: XS A kloridion vaskorróziója Az XD kitéti osztály követelménye és a javasolt szilárdsági osztály V. Fagyás/olvadási ciklusok által okozott korrózió Függőleges felületű fagyálló beton XF1 - Mérsékelt víztelítettségű, esőnek és fagynak kitett felület. fck > C30/37 C > 300 kg V/C < 0,55 XF2 - Mérsékelt víztelített., fagynak- és jégolvasztó sóknak kitett felület. * fck > C25/30 C > 300 kg V/C < 0,55 Vízszintes felületű fagyálló beton XF3 - Nagy víztelítettségű, esőnek és fagynak kitett felület. fck > C35/45 C > 320 kg V/C < 0,50 * fck > C30/37 C > 320 kg V/C < 0,55 XF4 - Nagy víztelítettségű, fagynak és jégolvasztó sózásnak kitett felület. * fck > C30/37 C > 340 kg V/C < 0,45 * Légbuborékképző adalékszerrel, lev. > 4% A beton fagy- és olvasztó só állósági vizsgálata - lapok kivágása, gumiréteggel körül ragasztás - körbe hőszigetelés, 3%-os NaCl oldat feltöltés - ciklikus fagyasztás után lehámló-tömeg mérés A betonréteg lehámlásának hatásmechanizmusa Az XF kitéti osztály követelménye és a javasolt szilárdsági osztály 7
A beton fagy- és olvasztó-só állósági vizsgálata A lehámlásos vizsgálat paraméterei: - 4 db betonkocka készül, 1 nap 20 C tárolás - 7 napig vizes kádban, 20 C tárolás - 7. nap után klímakamrában, 20 C tárolás - 21. nap kockákból 5 cm vtg. minták vágása - 25. nap öt oldalukon gumiréteggel körülragasztva, túlnyúló peremmel - 28. nap felöntés 3 mm ionmentes vízréteggel - 3 napig telítés, 20 C, majd hőszigetelés - 31. nap 3%-os NaCl oldattal feltöltés, letakarás, fagyasztókamrába helyezés - 56 napig fagyasztási-olvasztási ciklusok, diagram szerint (7, 14, 28 napos korban) - A fagyasztási-olvasztási 56 ciklust követően a lehámló tömegveszteség mérése. Minősítés: - a lehámlott anyag tömege kg/m 2 - tömegveszteség: XF4 < 250 g/m A vizsgálat modellje Az olvasztó só hatására előidézett lehámlás hatásmechanizmusa 8
A vegyi hatás kitéti osztályai: VI. Kémiai korrózió (agresszív vegyi hatás) XA1 - enyhén agresszív kémiai környezet XA2 - mérsékelten agresszív kémiai környezet XA3 - nagymértékben agresszív kémiai környezet Szulfátos korrózió (duzzadás) Na 2 SO 4 + Ca(OH) 2 = CaSO 4 2H 2 O + 2NaOH CaSO 4 2H 2 O + 3CaO Al 2 O 3 6H 2 O + 23H 2 O = = 3CaO Al 2 O 3 CaSO 4 31H 2 O (ettringit, térf.n.) Védelem: CEM I 32,5 S* (szulfátálló cement) AM = Al 2 O 3 /Fe 2 O 3 = 0,54 < 0,6 Nitrátos korrózió: (ammónium-nitrát) 2NH 4 NO 3 + Ca(OH) 2 ----> ---- > Ca(NO 3 ) 2 + 2NH 3 2H 2 O (kristályosodás) Vegyi hatások osztályba sorolása Minden egyes kémiai jellemzőre a legveszélyesebb érték határozza meg az osztályt! Ettringit kristályok növekedése a betonban Az XA kitéti osztály követelménye és a javasolt szilárdsági osztály VII. Koptató hatás okozta károsodás XK1 - gyalogos forg. mérsékelt koptató hatás XK2 - gördülő igénybevétel okozta koptat. XK3 - nehéz teher alatti gördülő igénybevétel XK4 - gördülő igénybevétel, erős kopt. hatás VIII. Igénybevétel víznyomás hatására XV1 - kis üzemi víznyomás, vízzáró beton jele: vz 60 vízbehatolás < 50 mm XV2 - fokozottan vízz. vízbehatolás < 35 mm XV3 - igen erős üzemi víznyomás, igen vízzáró beton, vízbehat. < 20 mm Az XK és XV kitéti osztályok követelményei és a javasolt szilárdsági osztályok 9
A friss és megszilárdult betonok tulajdonságainak vizsgálatai Kötés- és szilárdulás közbeni zsugorodási repedések A korai repedést kiváltó zsugorodás okai: - magas vízadagolás, folyós konzisztencia - gyors vízvesztést követő térfogatváltozás - utólagos vízadagolás és átkeverés - túlzott idejű keverés (> 2 óra) - túltelített beton (cementpép többlet) - telítetlen beton (kevés kötőanyag, 52,5) - túlzott finomrész tartalom (esetleg hiánya) - adalékanyag magas agyag-iszap tartalma A megszilárdult beton (kiszáradási) zsugorodása - utókezelés hiánya, egyenlőtlen vízvesztés - egyenlőtlen alakváltozás, húzófeszültség A beton vízzáróságának meghatározása 3 db. próbakockán: d = 75 mm körfelület 5 bár víznyomás, 72 óráig Vízbehatolás mértéke: < 50 mm, vízzáró beton jele: vz 50 XV1 < 35 mm, fokozottan vízzáró jele: vz 35 XV2 < 20 mm, igen vízzáró beton jele: vz 20 XV3 Vízzáróság vizsgáló berendezés MSZ 12390-8 A betonszilárdulás közben keletkező zsugorodási repedések A vízzáróság követelményei MSZ 4798 A friss beton levegőtartalmának meghatározása Plasztikus állapotban keletkezett repedések Repedések kialakulása az armatúra felett A friss beton betontechnológiai jellemzői A beton telítettsége: telítetlen, telített, túltelített A mérőedény szerkezeti felépítése Telítettség hatása a beton tulajdonságaira: (szilárdság, tömörség, vízzáróság) Cementpép igény és mennyiség: adalékanyag hézagtérfogata: 220 300 lit./m 3 optimális cementpép: 250 lit/m 3 optimális cement mennyiség: 300 kg/m 3 Cementmárka és betonszilárdság összehangolása: C16/20 esetén CEM 32,5; C40/45 esetén CEM 52,5 10
5. Betonok jelölése (építmények betonjelölései) C25/30 - XC3 - XF4-16 - S2 - L - 100 év CEM II/B- M(V- L)32,5 N-S C - Concrete, normál beton testsűrűség (2100 2500 kg/m 3 ) 25-25 N/mm 2 fck,cyl jellemző szilárdság (hengeren) 30-30 N/mm 2 fck,cube jellemző szilárdság (15 cm-es kockán) XC3 - környezeti osztály, karbonátosodás mérsékelten nedves környezetben ajánlott nyomószilárdság (C30/37) XF4 - környezeti osztály, fagyhatásnak fagyási/olvadási ciklusok hatása nagymérvű víztelítettség + jégolvasztó só ajánlott nyomószilárdság (C30/37) 16 - adalékanyag dmax (mm) S2 L - konzisztencia, roskadás 50 90 mm - légbuborék képző adalékszer adagolása 100 - használati élettartam legalább 100 év CEM II/B - M(V - L) 32,5 N - S - pernye és mészkőpor adagolású 32,5 N/mm 2 szilárdságú normális szilárdulású szulfátálló cement alkalmazásával A mértékadó nyomószilárdsági osztály meghatározása Az erőtani számítás eredménye alapján megállapított szükséges nyomószilárdsági osztály (C25/30) és a környezeti feltételek alapján az MSZ 4798 szabványban ajánlott legkisebb nyomószilárdsági osztály (C30/37) közül a nagyobb nyomószilárdsági osztályt kell mértékadónak tekinteni. Ha az erőtani számítás alapján megállapított szükséges nyomószilárdsági osztály a környezeti hatásoknak ellenálló beton készítéséhez elegendő, akkor az erőtani számítás eredménye alapján megállapított nyomószilárdsági osztályt lehet mértékadónak tekinteni. Statikusok helytelen gyakorlata: Már az erőtani számításoknál figyelembe veszik és mértékadónak tekintik a környezeti feltételek alapján a táblázatban javasolt (pl.: XV3 kitéti osztályhoz C35/45) nyomószilárdsági osztályt. Betontechnológiai eszközökkel, a vízzáró betont ennél kisebb nyomószilárdsággal is elő lehet állítani. Építmények vasbeton szerkezeteire javasolt kitéti osztályok (példa) A betonok jelölésében alkalmazható adatok: HC30/37 - nehéz betonok t > 2600 kg/m 3 LC 20/22 - könnyű betonok t = 800 2000 kg/m 3 LC 55/60 - nagyszilárdságú könnyűbetonok t = 800 2000 kg/m 3 D1,0 - könnyű betonok testsűrűségei t = 800 1000 kg/m 3 bazalt - adalékanyag megnevezése andezit, riolit tufa, üvegkavics Cl 1,00 - megengedett klorid tartalom % Cl 0,4; Cl 0,2; Cl 0,1 0,1% feszített. Vasbeton szerkezetek betonacél fedései A környezeti osztálytól függő betonacél fedések az MSZ 4798 szerint Korrekciók a betonacél fedésben: - Ha a beton nyomószilárdsági osztálya nagyobb mint a környezeti osztály követelménye, a betonfedés 5 mm-rel csökkenthető. - Üzemi előregyártott vasbeton elemeknél, az acélfedés vastagsága 5 mm-rel csökkenthető. 11