Nagyszilárdságú öntömörödő betonok (HSSCC) szilárdulási folyamatai I. = Hardening process (I) of high-strenght self-compacting concretes

66 ÉpítĘanyag 59. évf. 2007. 3. szám ANYAGTUDOMÁNY Nagyszilárdságú öntömörödĘ betonok (HSSCC) szilárdulási folyamatai I. Dr. Salem G. Nehme PhD. – BME ÉpítĘanyagok és Mérnökgeológia Tanszék Dr. Kovács Imre PhD. – Debreceni Egyetem MĦszaki FĘiskolai Kar, ÉpítĘmérnöki Tanszék Kovács József BSc. – Debreceni Egyetem MĦszaki FĘiskolai Kar, ÉpítĘmérnöki Tanszék Hardening process (I) of high-strenght self-compacting concretes The hardening processes of high strength self-compacting concretes are generally described with natural logarithm functions. The aim of this publication is the overall investigation of these processes in order to analyse the impacts of concrete-technological characteristics especially on the graph of the function. Keywords: self-compacting concrete, high-strength concrete, relative compressive strength, early strength Kulcsszavak: öntömörödĘ beton, nagyszilárdságú beton, relatív nyomószilárdság, korai nyomószilárdság 1. Bevezetés Napjaink betontechnológiája a korszerĦ adalékszereknek köszönhetĘen lehetĘvé teszi az egyre nagyobb teljesítĘképességĦ és tartósságú betonstruktúrák megvalósítását. A nagy korai szilárdságú és több mint 150 N/mm2 nyomószilárdságú betonok, valamint a bedolgozás elĘtt hosszabb idĘn keresztül stabilizálható betonkeverékek errĘl meggyĘzĘ bizonyítékot nyújtanak. Az elmúlt évtizedben egyre szélesebb körben terjedtek el az öntömörödĘ és a nagyszilárdságú betonok. Ez a fejlĘdés világszerte új lehetĘségeket biztosít az ipar számára, melyet a nagyszilárdságú és az öntömörödĘ betonok különleges tulajdonságainak egyesítése jelenthet. Amennyiben a betontechnológia fejlĘdésének tendenciáit fi gyelemmel kísérjük, ráébredünk, hogy a nagy teljesítĘképesség és az egyszerĦ bedolgozhatóság mellett a szilárdulási folyamat az ipar által felhasznált betonokkal szemben támasztott alapvetĘ követelmények közé tartozik. Ennek jelentĘsége abban rejlik, hogy mind az elĘregyártott, mind a helyszíni betonok esetében a nagy korai szilárdság a gyártás, valamint a kivitelezés idejét csökkentheti. Cikkünk célja a nagyszilárdságú, öntömörödĘ betonok kivitelezés és gazdaságosság szempontjából meghatározó jelentĘségĦ szilárdulási folyamatainak vizsgálata különbözĘ betontechnológiai paraméterek mellett. 2. Fogalommeghatározás Az öntömörödĘ beton zsaluzatba töltésekor szükségtelen a beton bármilyen tömörítése, minden kiegészítĘ tömörítési energia nélkül, csupán a nehézségi erĘ hatására üregmentesen kitölti a legösszetettebb zsaluzatot is, önállóan tömörödik, szinte tökéletesen kiegyenlítĘdik szétosztályozódás és kivérzés nélkül (ha elsĘsorban a konzisztencia feltétel teljesül). Az öntömörödĘ beton összetétele a szokványos betonoktól eltérĘ. Legfontosabb a nagy fi nomrész tartalom, mely „mint görgĘs csapágy” mĦködik a betonban (1. ábra). 1. ábra. A normál beton és az öntömörödĘ beton összetevĘi [V%], (Okamura–Ouchi, 2003) Fig. 1. Components of normal and self-compacting concrete (V %) (Okamura–Ouchi, 2003) ÉpítĘanyag 59. évf. 2007. 3. szám 67 A betonokat elsĘsorban a nyomószilárdság szerint szokták osztályozni. A német szabályozás (DAfStb-Richtlinie für Hochfester Beton) nagyszilárdságú betonnak a B65– B115 közötti betonokat nevezi, amely az európai jelölések szerint C55/67 – C100/115 közötti betonoknak felel meg. A CEP-FIB munkacsoportja 1990-ben az alábbiak szerint határozta meg a nagyszilárdságú beton fogalmát: „Azokat a betonokat, amelyeknek a henger nyomószilárdsága a jelenlegi nemzeti elĘírásokban létezĘ határok, azaz 60–130 N/mm2 között van, nagyszilárdságú betonoknak nevezzük.” 3. Kísérleti terv A Budapesti MĦszaki és Gazdaságtudományi Egyetem ÉpítĘanyagok és Mérnökgeológia Tanszék Laboratóriumában kísérleteket végeztünk nagyszilárdságú öntömörödĘ betonokkal. Vizsgálataink közvetlen célja különbözĘ kiegészítĘ adalékanyagok és cementtípusok hatásának vizsgálata volt a szilárdulási folyamatra, valamint a 28 napos nyomószilárdságra. Kísérleteinkben változó paraméternek tekintettük a cement típusát (CEM II/A-S 42,5, CEM II/B-S 32,5 R), a felhasznált cement mennyiségét (400 kg/m3, 440 kg/m3), a kiegészítĘfi nomrész típusát (kohósalak, mészkĘliszt, szilikapor), továbbá a teljes (cement+por) fi nomrésztartalmat (600 kg/m3, 630 kg/m3). Kísérleti állandóink az adalékanyag szemmegoszlási görbéje (0/4 OH frakció 45%, 4/8 OK frakció 25%, 8/16 OK frakció 30%, dmax = 16 mm) és a víztartalom (v = 162 l/m3) voltak. 3.1. Betonösszetétel Adalékanyagként mosott, osztályozott és szárított homok és kavics frakciókat alkalmaztunk. Az adalékanyagot ennek megfelelĘen három különbözĘ frakcióból kevertük. A homok frakció szemcsenagysága 0,063–4 mm között, a kavics frakciók szemcsenagysága 4–8 mm, ill. 8–16 mm között változott. A homok fi nomrész tartalmát (d  0,125 mm) szitavizsgálattal határoztuk meg (3 m%). Ezen értéket a pépvizsgálat során fi gyelembe vettük. A megfelelĘ konzisztencia elérésének érdekében Glenium 51 nagyteljesítményĦ folyósítószert alkalmaztunk, mely polikarboxiléter alapú komplex rugalmas óriásmolekulákból áll, eltérĘ lánchosszúsággal és többfajta funkciós csoportokkal. A Glenium 51 hatása kétféle mechanizmusból tevĘdik össze. A molekulák adszorbeálódnak a cementszemcsék felületén, melynek hatására elektrosztatikus taszítóerĘ alakul ki, így a cementszemcsék erĘsen diszpergálódnak. Ennek köszönhetĘen a frissbeton jobban bedolgozható. A molekulák hosszú oldalláncai térbeli akadályt képeznek, emiatt a kötési folyamat közben egyes hidratációs termékek közötti kapcsolódás nem jön létre. A beton összetételét Dr. Salem G. Nehme határozta meg. 3.2. Kísérleti elrendezés Az eltérĘ betonösszetételektĘl 12 db, 150 mm élhoszszúságú próbakockát készítettünk. Semmilyen tömörítést nem végeztünk, a próbatestek a nehézségi erĘ hatására tömörödtek. A próbakockákat az MSZ 4798-1:2004 elĘírásainak megfelelĘen a kizsaluzástól a törés elĘtti 15. percig vízben tároltuk. A beton nyomószilárdságát 2, 7, 14, ill. 28 napos korban, 3-3 db próbakockán határoztuk meg, FORM+TEST típusú 3000 kN-os erĘvezérelt terhelĘ-berendezéssel, az MSZ 4798-1:2004 elĘírásainak megfelelĘen, 11,20 kN/s erĘléptékkel. 4. Kísérleti eredmények 4.1. Frissbeton jellemzĘk Az 1. táblázat a különbözĘ betonreceptúrák (1–12) terülési értékeit foglalja össze. A terülések kísérleteink alatt 640 mm és 740 mm közötti értékekre adódtak, melyek megfelelnek az öntömörödĘ betonokkal szemben támasztott terülési követelményeknek. A konzisztenciaés a törésképvizsgálatok során szétosztályozódást nem tapasztaltunk. 4.2. Nyomószilárdság A megszilárdult betonra jellemzĘ tulajdonságokat (nyomószilárdság 2, 7, 14 és 28 napos korban, nyomószilárdság 28 napos korra vonatkoztatva 2, 7 ill. 14 napos korban, megszilárdult beton nedves testsĦrĦsége) a 2. táblázatban közöljük. 2. ábra. Nagyszilárdságú betonok követelményei (Nawy, 1996) Fig. 2. Requirements of high-strength concrete 68 ÉpítĘanyag 59. évf. 2007. 3. szám Receptúra száma Cement KiegészítĘ adalékanyag Finom-rész tartalom HĘmérsékleti adatok Terülés [mm] Típus Mennyiség [kg/m3] Típus Mennyiség [kg/m3] LevegĘ [°C] Beton [°C] 1 CEM II 32,5 400 Kohósalak 200 600 32,1 32,8 680 2 CEM II 42,5 400 Kohósalak 200 600 32,4 32,8 680 3 CEM II 32,5 440 Kohósalak 190 630 32,0 32,6 740 4 CEM II 42,5 440 Kohósalak 190 630 31,5 31,1 690 5 CEM II 32,5 400 MészkĘliszt 200 600 26,1 24,3 690 6 CEM II 42,5 400 MészkĘliszt 200 600 27,1 24 700 7 CEM II 32,5 440 MészkĘliszt 190 630 24,7 26,1 700 8 CEM II 42,5 440 MészkĘliszt 190 630 24,6 27,6 710 9 CEM II 32,5 400 MészkĘliszt 160 600 24,2 25,9 650 Szilikapor 40 10 CEM II 42,5 400 MészkĘliszt 160 600 24,3 27,2 660 Szilikapor 40 11 CEM II 32,5 440 MészkĘliszt 146 630 25,0 28,1 640 Szilikapor 44 12 CEM II 42,5 440 MészkĘliszt 146 630 25,4 27,6 660 Szilikapor 44 Receptúra sorszáma Nyomószilárdság 150 mm élhosszúságú próbakockán Relatív nyomószilárdság 28 napos korra vonatkoztatva, % Relatív nyomószil. 28 napos korra és 5. sz. receptúrára vonatkoztatva, % Megszilárdult beton testsĦrĦsége, kg/m3 2 7 14 28 2 7 14 28 Napos Napos 1 36,6 55,3 60,5 66,6 54,9 83,0 90,8 100 128,3 2347, 6 2 56,4 76,8 81,8 90,5 62,4 84,9 90,5 100 174,3 2399,5 3 35,3 56,6 62,9 73,2 48,3 77,3 85,9 100 141,0 2358,8 4 54,2 79,5 83,1 93,4 58,0 85,1 88,9 100 180,0 2418,6 5 26,4 38,1 43,6 51,9 50,8 73,4 84,1 100 100,0 2299,6 6 49,8 58,4 65,6 73,5 67,8 79,5 89,3 100 141,6 2423,1 7 29,9 43,8 52,0 59,1 50,6 74,1 87,9 100 113,9 2370,5 8 51,0 66,0 72,1 74,7 68,3 88,4 96,6 100 143,9 2255,2 9 27,1 50,2 62,7 67,4 40,2 74,5 92,9 100 129,9 2335,4 10 44,9 68,5 79,2 82,9 54,1 82,6 95,6 100 159,7 2386,5 11 31,2 51,7 63,4 71,0 44,0 72,8 89,2 100 136,8 2333,8 12 49,2 68,6 79,1 84,6 58,2 81,1 93,5 100 163,0 2388,2 1. táblázat Frissbeton tulajdonságok (Kovács J., Csicsely A., 2006), A vizsgálatokat ellenĘrizte Dr. Salem G. Nehme Properties of the fresh concrete (Kovács J., Csicsely A., 2006), Tests were controlled by Dr. Salem G. Nehme 2. táblázat Frissbeton tulajdonságok (Kovács J., Csicsely A., 2006), a vizsgálatokat ellenĘrizte Dr. Salem G. Nehme Properties of the fresh concrete (Kovács J., Csicsely A., 2006), Tests were controlled by Dr. Salem G. Nehme ÉpítĘanyag 59. évf. 2007. 3. szám 69 3. ábra. Az átlagos nyomószilárdság alakulása az idĘ függvényében (Kovács J., Csicsely A., 2006) Fig. 3. Development of the average compressive strength as a function of time 4. ábra. Az relatív nyomószilárdság alakulása az idĘ függvényében (Kovács J., Csicsely A., 2006) Fig. 4. Development of the relative compressive strength as a function of time 70 ÉpítĘanyag 59. évf. 2007. 3. szám 5. ÖntömörödĘ betonok hatása a szilárdulási folyamatra 5.1. KiegészítĘ anyagok hatása a szilárdulási folyamatra Az alábbiakban azonos cementminĘségĦ, cementmenynyiségĦ, víz/cement tényezĘjĦ és azonos fi nomrész-tartalmú, de különbözĘ kiegészítĘ adalékanyag felhasználásával készült keverékeket hasonlítunk össze. A pontokra logaritmusos függvényeket helyeztünk, a korreláció értéke minden esetben 0,96 feletti. A3. ábra alapján megállapítható, hogy a kohósalakkal készített keverékek befolyásolják leghatékonyabban a nyomószilárdság átlagos értékét, ettĘl – CEM II 32,5 cement felhasználása mellett – kis mértékben tér el a mészkĘlisztbĘl és szilikaporból készített keverék. A mészkĘliszt felhasználásával elĘállított keverékek 28 napos átlagos nyomószilárdsága ~80%-a a kohósalakkal elĘállított keverék nyomószilárdságának. Ennek oka, hogy a kohósalak, mint gyengén hidraulikus kötĘanyag részt vesz a kötésben. A4. ábrán a relatív nyomószilárdságot (28 napos korra vonatkoztatva) ábrázoljuk az idĘ függvényében. Megállapítható, hogy a korai relatív szilárdság a mészkĘliszt felhasználásával készített keverékek esetén kiemelkedĘ, CEM II 42,5 cementminĘség mellett megközelíti a 70%-ot. A kohósalakkal készített keverékek esetében ez az érték 60% körüli, még a szilikapor adagolás a korai szilárdságot átlagosan 50% körüli értékĦre szorítja le. Megállapítható továbbá, hogy a nagyobb szilárdsági osztályú cement felhasználásával készített keverékek korai relatív nyomószilárdsága kedvezĘbb. 5.2. Cement típusa hatása a szilárdulási folyamatra Az 5. ábrából és 2. táblázatból megállapítható, hogy a CEM II 42,5-bĘl készült betonok nyomószilárdsága nagyobb, mint a CEM II 32,5-bĘl készült betonoké. Továbbá a relatív kezdeti szilárdság (2 napos korban) a CEM II 42,5-bĘl készült betonok esetén nagyobb (44,9%–56,4% között) volt, mint a CEM II 32,5-bĘl készült betonok (26,4%–36,6%) esetén. A6. ábrán a 28 napos nyomószilárdságot ábrázoljuk a víz/cement tényezĘ függvényében. Mivel a kohósalak gyengén hidraulikus anyag, a víz/cement tényezĘ meghatározása során a számított cementmennyiséget a keverékben lévĘ kohósalak mennyiség 20%-ával megnöveltük. E szerint a kohósalak felhasználásával készített keverékeknél 400 kg/m3, kohósalak nélkül 440 kg/m3 cement felhasználása mellett értük el a 0,37-es értékĦ víz/cement tényezĘt. Az tendenciák alapján megállapítható, hogy CEM II 32,5 cement felhasználása esetén a szilikapor felhasználásával készített keverékek – azonos víz/cement tényezĘ mellett (0,37) – jobb nyomószilárdsági eredményeket adtak, mint a kohósalakkal vagy mészkĘliszttel készített keverékek. CEM II 42,5 cement felhasználása esetén, szintén azonos víz/cement tényezĘ mellett, ill. kevesebb cementtartalomnál azonban a kohósalak 8–10%-kal nagyobb átlagos nyomószilárdsági értékeket adott, mint a szilikaporral készített keverék. A csak mészkĘliszttel készített keverékek átlagos nyomószilárdsági értékei kb. 10–15%-kal elmaradnak a többi keverék nyomószilárdsági értékeitĘl. A7. ábrán 28 napos nyomószilárdsághoz viszonyított 2 napos szilárdságot ábrázoljuk %-ban kifejezve a víz/cement tényezĘ függvényében. Az ábra alapján megállapít5. ábra. A betonok idĘbeni nyomószilárdsági folyamata Fig. 5. Development of the compressive strength of concrete as a function of time ÉpítĘanyag 59. évf. 2007. 3. szám 71 ható, hogy kohósalak felhasználása mellett a víz/cement tényezĘ csökkenésének hatására a korai relatív szilárdság is csökkent, mészkĘliszt esetén nem változott, szilikapor esetén 5%-ot nĘtt. Megállapítható továbbá, hogy CEM II 42,5 cement felhasználása esetén 10–20%-os korai relatív szilárdság növekedés érhetĘ el. Figyelemre méltó eredmény a mészkĘliszttel készített keverékek közel 70%-os korai relatív nyomószilárdsága. 5.3. KiegészítĘ anyagok és a fi nomrész tartalom hatása a szilárdulási folyamatra Jelen fejezetben a nyomószilárdság változását vizsgáljuk a fi nomrész-tartalom függvényében. A fi nomrész-tartalom meghatározásánál a cement és a kiegészítĘfi nomrész mennyisége mellett fi gyelembe vettük a felhasznált homok 0,125 mm szemnagyság alatti mennyiségét is (3%). Megállapítható, hogy CEM II 32,5 cement felhasználása esetén 5%-os fi nomrész-tartalom növekedés esetén 5–15% nyomószilárdság növekedés érhetĘ el, ami mészkĘliszt kiegészítĘfi nomrész mellett a legintenzívebb (8. ábra). Nagyobb szilárdságú cement felhasználása esetén ez a szilárdság növekedés mindössze 3,5%. A9. ábrán 28 napos nyomószilárdsághoz viszonyított 2 napos szilárdságot ábrázoljuk %-ban kifejezve a fi nomrész-tartalom függvényében. A 9. ábra alapján megállapítható, hogy a fi nomrész tartalom növelése kohósalak esetén 7–12%-os korai relatív szilárdságbeli csökkenést okoz, még mészkĘliszt felhasználása esetén nem változtat az értéken. A szilikaport tartalmazó keverékek esetében azonban 10%-os növekedés tapasztalható. 6. Megállapítások ABudapesti MĦszaki és Gazdaságtudományi Egyetem ÉpítĘanyagok és Mérnökgeológia Tanszékének laboratóriumában kísérleteket végeztünk nagyszilárdságú öntömörödĘ beton felhasználásával. Laboratóriumi vizsgálataink közvetlen célja a betontechnológiai jellemzĘk hatásának meghatározása a szilárdulási folyamatokra, ill. a 28 napos átlagos nyomószilárdságra. Kísérleti változók voltak: - a cement típusa CEM II/B-S 32,5 R; CEM II/A-S 42,5 - a cement tartalom 400 kg/m3; 440 kg/m3 - a kiegészítĘfi nomrész kohósalak; mészkĘliszt ; típusa mészkĘliszt + szilikapor - a fi nomrész-tartalom 600 kg/m3; 630 kg/m3 - a 2. és 4. pont hatására a víz/cement tényezĘ, mint kísérleti változó 6. ábra. A nyomószilárdság alakulása a víz/cement tényezĘ függvényében Fig. 6. Development of the compressive strength as a function of the water/cement ratio 7. ábra. A 2 napos relatív nyomószilárdság alakulása a víz/cement tényezĘ függvényében Fig. 7. The 2-day relative compressive strength as a function of the water/cement ratio 72 ÉpítĘanyag 59. évf. 2007. 3. szám Kísérleti állandók voltak: - az adalékanyag szemeloszlási görbéje - víztartalom v=162 l/m3 Kísérleteink során az alábbi vizsgálatokat végeztük el: - konzisztencia (terülés) - nyomószilárdság 150x150x150 mm méretĦ próbakockán mérve • 2, 7, 14, ill. 28 napos korban Kísérleti eredményeink alapján megállapítható: a) A kísérleteink során vizsgált kiegészítĘfi nomrész típusok közül a kohósalak befolyásolja legkedvezĘbben a korai és 28 napos nyomószilárdság értékét. b) Nagy korai relatív szilárdságú betonok készítéséhez a mészkĘliszt bizonyult a leghatékonyabbnak. c) Azonos víz/cement tényezĘjĦ keverékek esetén a kohósalak hidraulikus kötĘképessége miatt kevesebb cement mennyiség felhasználása mellett is nagyobb nyomószilárdsági értékek adódnak. d) A víz/cement tényezĘ leszorításával a korai relatív nyomószilárdság kohósalak felhasználása esetén csökkent, mészkĘliszt és szilikapor adagolás mellett növekedést tapasztaltunk. e) Kisebb szilárdsági osztályú cementfelhasználás esetén kis mértékĦfi nomrész-tartalom növeléssel is nyomószilárdság növekedés érhetĘ el. f) A fi nomrész-tartalom növelése kohósalak esetén kis mértékben csökkenti, mészkĘliszt esetén nem változtatja, szilikapor adagolás mellett növeli a korai relatív nyomószilárdságot. 7. Köszönetnyílvánítás Megköszönjük Csányi Erikának és Csicsely Attilának a laboratóriumi vizsgálatok során nyújtott segítségét. Irodalom [1] Edward G. Nawy (1996): Fundamentals of high strength high performance concrete, Logman Group Limited pp. 23 [2] Okamura, H. and Ozawa, K. (1995): „Mix-desing for self-compacting concrete.” Concrete, Library of JSCE, 25, 107–120. [3] Kovács J., Csicsely A. (2006): Nagyszilárdságú öntömörödĘ betonok, Tudományos, Diákköri Dolgozat [4] Okamura, H. and Ouchi, M. (2003): Self-compacting Concrete, Journal of Advenced Concrete Technology Vol. 1, No. 1, 5–15, April 2003. 8. ábra. Az átlagos nyomószilárdság alakulása a fi nomrész-tartalom függvényében Fig. 8. Development of the average compressive strength as a function of the fi ne particles content 9. ábra. A 2 napos relatív nyomószilárdság a fi nomrész-tartalom függvényében Fig. 9. The 2-day relative compressive strength as a function of the fi ne particles content