Embed Size (px)
Citation preview
Betonin tiivistyvyys; Reologinen näkökulmaBetonitukimusseminaari 30.10.2019
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Motivaatio Reologia Betonin tiivistyminen ja erottumisen mallitus Tuloksia Johtopäätökset Kiitokset
Esityksen sisältö
Reologia
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Reologia on oppi joka tutkiimateriaalin muodonmuutoksia javirtausta. Reologia sijoittuu perinteisen
virtausopin ja kiinteän aineen välille. Polymeerit, ketsuppi, betoni,
majoneesi ovat esimerkkejäreologian tutkimuskohteista.
Kuva 1. Reologia -termi juontuu kreikan kielenajatelmasta πάντα ῥεῖ (panta rhei) – kaikki virtaa.
Reologia
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Materiaalienmuodonmuutosominai-suudet voidaan jakaanewtonlaisiin ja ei-newtonlaisiinmateriaaleihin. Betoni on ei-
newtonlainen materiaalijolla on myötöraja (t0).
Kuva 2. Materiaalien jako newtonlaisiin ja ei-newtonlaisiinmateriaaleihin. Pienikin voima aiheuttaa Newtonlaisenmateriaalin muodonmuutoksen.
Reologia
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Materiaalienmuodonmuutosominai-suudet voidaan jakaanewtonlaisiin ja ei-newtonlaisiinmateriaaleihin. Betoni on ei-
newtonlainen materiaalijolla on myötöraja (t0).
Kuva 2. Vaihtoehtoinen esitystapa. Ei-newtonlaisten materiaalienviskositeetti ennen myötörajaa on erittäin korkea.
Reologia
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Betoni on ei-newtonlainen materiaalijolla on myötöraja (t0). Betonin reologisiin ominaisuuksiin
vaikuttavat lisäaineet, pastaosuus, kiviaineksen muoto yms… Tärkeä ominaisuus on notkistimien
betonin myötörajaa alentavavaikutus. (vrt.) • Ei-newtonlainen newtonlainen• Ketsuppi moottoriöljy
Kuva 3. Ilman (A), veden (W) ja notkistimen (SP) vaikutus betonin reologiaan*.
*
Betonin tiivistymien ja erottuminenyksinkertaistettu malli
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Tiheyseroista johtuen betonin kiviaines pyrkiierottumaan ja ilmahuokoiset nousevat pintaan. Kun ilmakuplan noste > betonin myötöraja
kuplat liikkuvat spontaanisti ylöspäin. Nousunopeuden määrittää nosteen aiheuttaman
voiman kompensoiva nesteen vastus (drag force). Nesteen aiheuttama vastus on verrannollinen
nesteen viskositeettiin.
Kuva 4. Ilmakuplan nousunopeuteenvaikuttavat tekijät. Ilmakuplan kaasuunvaikuttava painovoima on jätetty huomiotta.
Betonin tiivistymien ja erottuminenyksinkertaistettu malli
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Tiheyseroista johtuen betonin kiviaines pyrkiierottumaan ja ilmahuokoiset nousevat pintaan. Kiviaineksen tiheyserosta aiheutuva erottuminen
> betonin myötöraja kiviaines erottuu. Kiviainesten tapauksessa nesteen aiheuttama
vastus hidastaa kiviaineksen erottumista. Nesteen aiheuttama vastus on verrannollinen
nesteen viskositeettiin.
Kuva 5. Kiviaineksen erottumiseenvaikuttavat tekijät.
Betonin tiivistymien ja erottuminenyksinkertaistettu malli
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Betonia tiivistettäessä betonimassaa liikutetaansuurella nopeudella edestakaisin. Reologisessa mielessä vibraaminen vastaa
suurta leikkausnopeutta. Leikkausnopeuden perusteella voidaan
määrittää betonin viskositeetti vibrauksessa, josta voidaan laskea kuplien nousunopeus jakiviaineksen erottumisnopeus. Laskennalla voidaan määrittää betonin
luonnollinen erottumistaipumus ja vibrauksenaiheuttama tiivistyminen & erottuminen.
Kuva 6. Yksinkertaistettu malli.
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Yksinkertaistetulla mallilla laskettiin notkistimen, ilman ja vedenvaikutus betonin tiivistymiseen, erottumiseen ja tiheyteen. Laskenta toteutettiin eri tärytysajoilla ja määritettiin betonin
maksimitiheyden tärytysaika, erottumisaste ja tiivistymisaste. Tiivistämätön referenssibetoni:
• Sementti 350 kg/m3
• Vesi 129,5 kg/m3
• Kiviaines 1841,3 kg/m3 0/32mm Fullerin jakauma• Ilma 10 % 0/32mm Fullerin jakauma• t0 300 Pa• n 40 Pas
Tutkimuskohteet
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Tiivistyksen alkaessakiviainekset alkavaterottumaan ja ilmahuokoisetnousevat pintaan. Kun ilman poistuminen on
nopeamaa kuin kiviaineksenerottuminen, betonin tiheyskasvaa. Kun erottuminen on
nopeampaa kuin ilmanpoistuminen tiheys laskee.
Tuloksia
Kuva 7. Referenssibetonin tiivistyshuokoisten määrä, betoninerottuminen ja tiheys tiivistysajan funktiona.
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Tiivistyksen alkaessakiviainekset alkavaterottumaan ja ilmahuokoisetnousevat pintaan. Kun ilman poistuminen on
nopeamaa kuin kiviaineksenerottuminen, betonin tiheyskasvaa. Kun erottuminen on
nopeampaa kuin ilmanpoistuminen tiheys laskee.
Tuloksia
Kuva 7. Referenssibetonin tiivistyshuokoisten määrä, betoninerottuminen ja tiheys tiivistysajan funktiona.
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Maksimitiheys saavutetaannäiden kahden tapauksenvälissä. Tulosten perusteella
maksimitiheyteen vaikuttaaainoastaan kiviaineksen jahuokoisten määrä jajakauma, koska huokoiset jakiviaines “uivat samassavedessä”.
Tuloksia
Kuva 7. Referenssibetonin tiivistyshuokoisten määrä, betoninerottuminen ja tiheys tiivistysajan funktiona.
TuloksiaNotkistimen vaikutus
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Notkistimen lisäys ei juuri vaikuta tiivistysaikaan.
Kuva 8. Notkistimen vaikutus betonin maksimitiheyteenjohtavaan tiivistysaikaan myötörajan funktiona.
TuloksiaNotkistimen vaikutus
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Notkistimen lisäys ei juuri vaikuta tiivistysaikaan. Syy: viskositeetti määrittää
muutosten nopeuden vibratessarakennetta.
Kuva 9. Notkistimen vaikutus betonin maksimitiheyteenjohtavaan tiivistysaikaan viskositeetin funktiona.
TuloksiaNotkistimen vaikutus
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Notkistimen lisäys ei juuri vaikuta tiivistysaikaan. Syy: viskositeetti määrittää
muutosten nopeuden vibratessarakennetta. Rakenteessa on edelleen paljon
tiivistyshuokoisia 400s tiivistyksen jälkeen. Kiviaines ei juuri erotu.
Kuva 10. Notkistimen vaikutus betonin tiivistymiseen jaerottumiseen maksimitiheydessä ja 400s tiivistyksellä.
TuloksiaHuokoistuksen vaikutus
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Huokoistus vaikuttaa suuresti tiivistysaikaan.
Kuva 11. Huokoistimen vaikutus betonin maksimi-tiheyteen johtavaan tiivistysaikaan myötörajan funktiona.
TuloksiaHuokosituksen vaikutus
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Huokoistus vaikuttaa suuresti tiivistysaikaan. Viskositeetin laskiessa tiivistysaika
lyhenee.
Kuva 12. Huokoistimen vaikutus betonin maksimi-tiheyteen johtavaan tiivistysaikaan viskositeetin funktiona.
TuloksiaHuokoistuksen vaikutus
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Huokoistus vaikuttaa suuresti tiivistysaikaan. Viskositeetin laskiessa tiivistysaika
lyhenee. Huokoiset poistuvat tehokkaammin
mutta myös erottuminen voimistuu.
Kuva 13. Huokoistimen vaikutus betonin tiivistymiseen jaerottumiseen maksimitiheydessä ja 400s tiivistyksellä.
TuloksiaVeden vaikutus
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Veden vaikutus on reologisestiyhdistelmä notkistinta ja huokoistinta.
Kuva 14. Vesimäärän vaikutus betonin maksimitiheyteenjohtavaan tiivistysaikaan myötörajan funktiona.
TuloksiaVeden vaikutus
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Veden vaikutus on reologisestiyhdistelmä notkistinta ja huokoistinta. Myötöraja ja viskositeetti laskevat
vedenlisäyksen myötä.
Kuva 15. Vesimäärän vaikutus betonin maksimitiheyteenjohtavaan tiivistysaikaan viskositeetin funktiona.
TuloksiaVeden vaikutus
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Veden vaikutus on reologisestiyhdistelmä notkistinta ja huokoistinta. Myötöraja ja viskositeetti laskevat
vedenlisäyksen myötä. Vibrauksen aiheuttama erottuminen
vastaava kuin huokoistuksenaiheuttama.
Kuva 16. Vesimäärän vaikutus betonin tiivistymiseen jaerottumiseen maksimitiheydessä ja 400s tiivistyksellä.
Johtopäätökset
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Betonin tiivistymistä ja erottumista voidaan arvioida edellä esitetyllä mallilla.• Malli on rakennettu ilman kokeellisia parametreja.• Tulokset vaikuttavat järkeviltä. Tällä hetkellä mallilla voidaan tehdä vain kvalitatiivisia päätelmiä.
• Tiivistysaikoja yms. voidaan arvioida kun malliin saadaan kokeellista dataatuotantobetoneista.
• Lisäksi tarvitaan kokeellista verifiointia optimitiheyden, erottuminen, yms., osalta.
• Lisäksi täytyy arvioida mahdolliset vuorovaikutukset ja muodon vaikutus.• Tiivistämättömän betonin ilman huokoiskoon kokeellinen määrittäminen.
Johtopäätökset
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Betonin viskositeetti määrittää tiivistämiseen tarvittavan ajan.• Painumaluokan perusteella ei voida arvioida betonin tiivistämiseen
tarvittavaa aikaa. • Tiivistyksen ohjearvot tulisi antaa viskositeettia mittaavan kokeen
perusteella.• TAI betonin kuutiollisen vesi+ilmamäärän perusteella. Pienten huokoisten poistuminen betonista on hidasta. Yhdistetty huokoistin+notkistin lisäys vaikuttaa betonin reologiaan
veden tavoin.
Kiitokset
30/10/2019 VTT – beyond the obvious
Aalto yliopistolle tutkimussuunnan käynnistämisestä. Mallin rahoituksesta:
• Suomen Akatemia NESTA projekti (grant 297278).• VTT
