1

3. dio: KERAMIKA, BETON I DRVO

Prof.dr.sc. Lidija Ćurković

BETON je heterogeni polifazni kompozitni materijal.

Prostim okom vide se u presjeku betona zrna agregata u matrici cementnog kamena.

U cementnom kamenu i oko zrna agregata mogu se prostim okom vidjeti pore veličine i do nekoliko mm i pukotine od nekoliko desetinki mm.

BETON se pravi miješanjem:- agregata ili granulata (pijesak i zrnje stijena, krupni i fini agregat),

BETON

- cementa (veziva),- vode,- dodataka (aditiva).

CEMENTρ ≅ 3 t/m3

AGREGATρ ≅ 2,65 t/m3

VODAρ ≅ 1 t/m3

ADITIVI

+

+

+

BETONρ ≅ 2,35 t/m3

BETON je najviše korišten materijal na svijetu (10-12 milijardi tona godišnje).

Čovjek koristi samo još vodu u toj količini.

2

ZRA

K I

SLO

BO

DN

A

VO

DA

CEMENTNI KAMEN

NEHIDRATIZIRANI I HIDRATIZIRANI

CEMENTN

VEZANA VODA

PIJESAK

KAMEN

AGREGAT

PORE ČVRSTI MATERIJAL

KAMENI SKELETMORT (MATRICA)

65–75 % KEMIJSKI PRAKTIČNO INERTNA ISPUNA25-30 % VEZIVO

8-16% CEMENT

ZRA

K

17-20 % VODA

VOLUMNI UDJELI OSNOVNIH SASTOJAKA U BETONU

Približno ¼ prostora ispunjena je cementnim kamenom. To je temeljni materijal jer on betonu daje čvrstoću i omogućava njegovu uporabu kao konstrukcijskog materijala.

Agregat čini približno ¾ volumena mase betona. Veličine čestica agregata:- sitni pijesak najčešće do 32 mm (riječni ili od stijene drobljeno zrnje)¸- kod nekih betona najveća zrna mogu biti desetak i više cm.

Za proces hidratacije cementa potrebno je određeno vrijeme, odgovarajuća vlaga i temperatura.Vrijeme tijekom kojeg beton mora biti u povoljnim termičkim i higrometrijskim uvjetima nazivamo vrijeme njegovanja betona.

Odmah nakon miješanja počinje kemijski vrlo složen proces hidratacije, koji traje vrlo dugo (godinama).

Svježe pomiješani cementni prah s vodom tvori cementnu pastu.

Tim procesom cementna pasta prelazi u cementni kamen, koji očvršćava. Kemijsku reakciju prate određeni fizikalni procesi, pri čemu važnu ulogu ima voda.

3

Odabire se tako da se postignu zadovoljavajuća svojstva:

- SVJEŽEG BETONA u svim fazama obrade, od miješanja preko transporta do ugradbe,

UDIO OSNOVNIH SASTOJAKA

- OČVRSLOG BETONA obzirom na čvrstoće i druga mehanička svojstva, te trajnost i deformabilnost,

- MINIMALNI TROŠKOVI za prihvatljivu kakvoću.

Nakon ugradbe ostaje u cementnom kamenu određena količina zahvaćenog zraka. U dobro sastavljenom svježem betonu neizbježna količina zahvaćenog zraka ne prelazi 2 do 5 % volumena betona.To su nepoželjne šupljine u betonu.

Pod pojmom VEZIVA podrazumijevaju se materijali koji služe za spajanje različitog građevinskog materijala. Veziva imaju svojstvo da se u određenom trenutku, pod utjecajem sredine, određenim kemijskim procesima otvrdnu.

Prema načinu otvrdnjavanja VEZIVA se dijele na:- ZRAČNA (ona veziva koja pomiješana s vodom stvrdnjavaju na zraku, a nisu otporna

prema djelovanju vode, npr. gips, glina),

- HIDRAULIČNA (ona veziva koja stvrdnjavaju na zraku i u vodi, a nakon otvrdnjavanja su otporna prema djelovanju vode, npr. cementi).

4

Uloga cementnog kamena u svježem betonu:

- cementna pasta zajedno s najsitnijim dijelom agregata (mort) treba dati plastičnost i kohezivnost,

- viskoznost svježeg betona regulira se količinom vode.

Cementni kamen je nosilac SKUPLJANJA i PUZANJA betona.

To su nazivi za dugotrajne deformacije betona, koja su posljedica smanjenja vlažnosti betona u slučaju SKUPLJANJA, odnosno djelovanja dugotrajnog opterećenja u slučaju PUZANJA.

Uobičajene količine cementa u m3 betona su 200 -400 kg.

Uloga cementnog kamena u očvrslom betonu:

- da slijepi zrna agregata i betonu dade odgovarajuću čvrstoću,

- da ispuni prostor među česticama agregata i s njime tvori nepropusnu masu.

Svojstva cementnog kamena ovise o:

- karakteristikama cementa,

- omjeru mase vode i cementa (vodocementni faktor, v/c-faktor),

- količini cementa (kg/cm3),

- stupnju hidratacije cementa i zrelosti betona.

Za određeni cement i agregat, poroznost strukture i čvrstoća cementnog kamena ovise u prvom redu o v/c-faktoru.

Što je v/c manji, veće su čvrstoće.

Povećanje količine cementa radi smanjenja v/c faktora, povećava se količina cementnog kamena, pa i skupljanje i puzanje betona i toplina oslobođena hidratacijom, a to sve povećava vjerojatnost pojave pukotine.

5

Uloga agregata u betonu:- zrna agregata čine skelet, koji daju krutost betonu,- daje dimenzijsku stabilnost betonu, tj. umanjuje dugotrajne volumne promjene

svojstvene za cementni kamen,- relativno je jeftin, osigurava ekonomičnost betonskih konstrukcija.

Svojstva određene vrste agregata, koja bitno utječu na svojstva betona:

- mineraloški sastav utječe na mehaničke karakteristike i trajnost očvrslog betona,

- granulometrijski sastav utječe na obradljivost svježeg betona, gustoću i ekonomičnost betona,

- oblik i tekstura zrna utječu na obradljivost svježeg betona i prionjivost cementnog kamena i agregata u očvrslom betonu.

VODA

- količinom vode se regulira viskoznost svježeg betona,

- količina vode se mijenja u uskim granicama – od 160 do 200 litara na m3 betona,

- povećanje količine preko one koja je potrebna za hidrataciju cementa → povećanje količine pora → smanjenje čvrstoće, trajnosti i drugih temeljnih svojstava betona,

- voda za piće je najčešće dobra i za spravljanje betona.

6

DODACI BETONU ILI ADITIVI

- tvari, najčešće organskog podrijetla, koje dodane u svježu mješavinu modificiraju svojstva svježeg ili očvrslog betona, ili morta, ili cementne paste,

- dodaju se u promilima ili postocima od udjela cementa u mješavini, jer vrlo efikasno kemijskim ili fizikalnim djelovanjem mijenjaju svojstva paste.

SVOJSTVA BETONA U USPOREDBI S DRUGIM MATERIJALIMA

2,280

VlačnaTlačna

100040900-2200Polimeri

12700800

Savojna čvrstoća500Drvo

300001/10 tl. č.10-602320Beton

7300030-90700-8002500Staklo

70000> 602710Aluminij210000> 3007860Čelik

Modul elastičnosti

(N/mm2)

Čvrstoća (N/mm2)Gustoća (kg/m3)

Materijal

7

RADNI DIJAGRAM (za kratkotrajna opterećenja)

0,1 0,2 0,3 ε, %

40

30

20

10

σ, MPa

A

B

C A - stijena (agregat)

B – beton

C – cementni kamen

PREDNOSTI BETONAEKONOMIČNOST- niska cijena sastojaka betona,- niska cijena ugradnje,- niska cijena održavanja.

UŠTEDA ENERGIJEDOSTUPNOST SASTOJAKA(agregata, cementa, vode)

OBLIKOVLJIVOST

ODRŽIVOST

POŽARNA OTPORNOST

VODOOTPORNOST

TRAJNOST

KRUTOST- veća krutost i masa betona smanjuju oscilacije (vjetar)

MOGUĆNOST RECIKLAŽE

8

NEDOSTACI BETONANISKA VLAČNA ČVRSTOĆA- ~ 0,1 fc → pojava pukotina ukoliko nije odgovarajuće armiran.

VOLUMNE PROMJENE- skupljanje i puzanje.

RELATIVNO NISKA ČVRSTOĆA PO JEDINIČNOM VOLUMENU- fc (čvrstoća na tlak – compresive)~ (5-10 % od čelika),- zahtjeva se veći volumen,- veći rasponi se rade u čeliku.

VRSTE BETONA

Prema gustoći beton se dijeli na:- obični beton (gustoća između 2000 i 2600 kg/m3),

- lagani beton (gustoća ispod između 800 i 2000 kg/m3),

- teški beton (gustoće veće od 2600 kg/m3).

Prema mjestu proizvodnje beton se dijeli na:- beton proizveden u tvornici betona (centralna betonara),

- beton proizveden u betonari na gradilištu za potrebe tog gradilišta,

- beton proizveden u betonari pogona za predgotovljene betonske elemente.

Gotovo sva fizikalna i mehanička svojstva betona (čvrstoća, ispunjenost, vodljivost topline, vodljivost zvuka, otpornost na temperaturu, otpornost na mraz, otpornost na koroziju i sl.) ovise o strukturi, a osobito o gustoći - količini mase (tvari) po jedinici volumena.

9

VRSTE BETONA

Prema zahtjevima iz specifikacije (tehnički uvjeti) beton se proizvodi kao:- projektirani beton (zadavanjem svojstava),

- beton zadanog sastava,

- beton normiranog zadanog sastava.

Prema tlačnoj čvrstoći beton se dijeli na:- beton normalne čvrstoće: < 55 MPa,

- beton visoke čvrstoće ≥ 55 MPa, ≤ 100 MPa,

- beton ultra visoke čvrstoće > 100 MPa.

SPECIJALNI BETONI

Obični beton

IzgledToplina

hidratacije

Skupljanje i puzanje

Trajnost

ft<<fcρ=2,35 g/cm3

DEKORATIVNI BETONI

- UVALJANI BETON

- PUCOLANSKI DODACI

- STABILIZACIJA

- PREPAKT

- EKSPANZIVNI CEMENT

- IMPREGNIRANI BETONI (polimeri, sumpor, parafin)

- POLIMERNI PORTLAND-CEMENTNI BETON (PPCC)

- VATROBETONI

- MIKROARMIRANI BETON

- FEROCEMENT

- POLIMERNI BETON (PC)

- POLIMERNI PORTLAND-CEMENTNI BETON (PPCC)- TEŠKI BETONI

- LAKI BETONI

fc – čvrstoća na tlak (compressive)ft – čvrstoća na vlak (tensil)fb – čvrstoća na savijanje (bending)fs – čvrstoća cijepanjem (splitting)

10

TEHNOLOGIJA BETONA

PROIZVODNJA U CENTRALNIM BETONARAMA

PRIJEVOZ SPECIJALNIM VOZILIMA NA GRADILIŠTE

LOKALNI TRANSPORT DO MJESTA UGRADNJE

UBACIVANJE U KALUPE (OPLATU)

ZBIJANJE DO PROPISANE GUSTOĆE

OBRADA POVRŠINE

NJEGOVANJE DO POTREBNE ZRELOSTI

PROIZVODNJA NA GRADILIŠTU -UKOLIKO SE RADI O VELIKIM KOLIČINAMA ILI NEPRIKLADNOM VANJSKOM TRANSORT-

BETON je heterogeni polifazni kompozitni materijal.

Prostim okom vide se u presjeku betona zrna agregata u matrici cementnog kamena.

STRUKTURA I PRIRODA BETONA

U cementnom kamenu i oko zrna agregata mogu se prostim okom vidjeti pore veličine i do nekoliko mm i pukotine od nekoliko desetinki mm.

Pomoću svjetlosnog mikroskopa može se kvalitativno odrediti učestalost, veličina i oblik pora i pukotina u betonu.

Na osnovu toga može se zaključiti npr. o trajnosti betona, mehanici loma itd.

Promatranjem uzoraka betona pod SEM omogućeno je promatranje i određivanje karakterističnih pojedinosti mikrostrukture (npr. produkti hidratacije, veličina pora, tumače se pojave skupljanja i puzanja).

11

Istraživanja su pokazala da je struktura granične površine cementni kamen-zrno agregata bitno različite strukture od cementnog kamena: veće je poroznosti, pa i drukčijeg mineralnog sastava. Zbog toga je granična površina najslabiji dio betona.

To je područje kojim prolaze pukotine pri drobljenju betona.

Graničnom površinom prolazi najvećim dijelom voda i druge tvari kada penetriraju u beton i zato pri smrzavanju ili koroziji taj dio najprije bude oštećen.

Poboljšanjem granične površine moguće je poboljšati i svojstva betona.

TEHNOLOGIJA BETONA

Beton se proizvodi u centralnim tvornicama betona.

Proizvodnja betona može se organizirati i na samom gradilištu, ukoliko se radi o ogromnim količinama ili neprikladnom vanjskom transportu.

Osnovni je problem dobiti beton zadovoljavajuće kakvoće uz razumne troškove.

Beton zadovoljavajuće kakvoće je onaj koji ima odgovarajuća sljedeća svojstva:

- MEHANIČKA SVOJSTVA, kao npr. tlačna čvrstoća, savojna čvrstoća, modul elastičnosti, otpornost na koroziju.

- SVOJSTVA SVJEŽEG BETONA TIJEKOM OBRADE, kao npr. da ne segregira, da dobro zapunjava kalup, pumpabilnost,

- SVOJSTVA TRAJNOSTI, kao npr. otpornost na mraz, kemijsku koroziju,

- FIZIKALNA SVOJSTVA, kao npr. dimenzijska stabilnost, izolacijska svojstva,

- POSEBNA SVOJSTVA, kao npr. rani prirast čvrstoće, povoljni razvoj topline hidratacije.

12

CEMENT - definicije

CEMENT je praškasti materijal, koji s primiješanom vodom, kemijskim reakcijama i pratećim fizikalnim procesima prelazi u očvrslu cementnu pastu ili cementni kamen.

Postoji veliki broj vrsta cemenata, a najčešće se upotrebljava PORTLAND CEMENT.

Time postepeno razvija svoja kohezijska i adhezijska svojstva, koja omogućavaju, da poveže zrna stijena i minerala u kontinuiranu, čvrstu masu betona.

CEMENT je skupno ime za hidraulično građevno vezivo koje se samostalno očvrsne na zraku i pod vodom.

PORTLAND CEMENT je hidraulični cement proizveden mljevenjem klinkera, koji sačinjavaju uglavnom hidraulični kalcij silikate različitih formi uz istovremeno mljevenje i homogenizaciju s dodatkom sadrovca ili anhidrida.

CEMENT

Važnije vrste cemenata pored portland cementa su:

- aluminatni cement,

- pucolanski cement,

- metalurški cement,

- ekspanzivni cement,

- supersulfatni cement.

13

Osnovne sirovine za dobivanje PORTLAND CEMENTA moraju sadržavat okside kalcija, silicija, aluminija i željeza, koji se nalaze u prirodi u VAPNENCU i GLINI.

Transformacija osnovnih sirovina (vapnenaca i gline) u očvrslu cementnu pastu odvija se u dvije faze:

VAPNENAC i GLINA sastoje se uglavnom od kalcij karbonata i oksida silicija, aluminija i željeza.

Jedna od najboljih sirovina za proizvodnju portland cementa je LAPOR ili TUPINA (to je prirodna smjesa vapnenca i gline).

- u prvoj fazi sirovine se sinteriraju pri čemu nastaju spojevi cementa,

- druga faza je hidratacija cementa kao dijela betonske mješavine da bi nastala očvrsla ili hidratizirana cementna pasta (h.c.p.).

PROIZVODNJA PORTLAND CEMENTA

PROCES PROIZVODNJE

VAPNENAC + GLINA HOMOGENIZACIJA

MOKRI POSTUPAK (u vodi)

SUHI POSTUPAK (u struji zraka)

ROTACIJSKA PEĆ–sinteriranje oko 1400°C

CEMENTNI KLINKER (granule 3 – 25 mm) HLAĐENJE

MELJEVENJE (sitna prašina), HOMOGENIZACIJA

PORTLAND CEMENT

+ GIPS

(radi sprečavanja trenutnog vezanja)

Vapnenac prelazi u vapno + CO2 (otplini)

Uobičajena proizvodnja moderne rotacijske peći je 6000 tona klinkera dnevno.

14

PROIZVODNJA PORTLAND CEMENTA

- najprije se vapnenac i glina usitne i homogeniziraju u vodi u obliku mulja (mokri postupa) ili se mješavina samljevenih osnovnih sastojaka transportira u struji zraka(suhi postupak).

- homogenizirana mješavina se uvodi na početak rotacijske peći u postepeno zagrijavanje, najprije voda ishlapi, pa se vapnenac razgradi na vapno i CO2 koji otplini iz peći.

- Zatim dolazi do sinteriranja pri temperaturi od 1400 °C, a mješavina prelazi u kalcij silikate i kalcij aluminate i manji dio u druge spojeve.

- tako nastane CEMENTNI KLINKER, veličine granula 3 – 25 mm, koji nakon izlaska iz rotacijske peći hladi i uskladišti.

- KLINKER se zatim, uz dodatak gipsa (kalcij sulfata), melje i time istovremeno homogenizira u sitnu prašinu, PORTLAND CEMENT.

Četiri glavna konstituenta (minerali) portland cementnog klinkera su:

Osim četiri glavna konstituenta (minerali), u portland cementu postoje male količine alkalnih oksida (Na2O i K2O), gipsa dodanog prilikom mljevenja, magnezij oksid (MgO), te oko 2 % drugih manje važnih spojeva.

tetrakalcij aluminat feritC4AF4CaO ⋅ Al2O3 ⋅ Fe2O3

trikalcij aluminatC3A3CaO ⋅ Al2O3

dikalcij silikatC2S2CaO ⋅ SiO2

trikalcij silikatC3S3CaO ⋅ SiO2

NazivKraticaMineral

15

Četiri glavna konstituenta (minerali) portland cementa su nosioci svojstava cementa!

- nema značajnijeg utjecaja na svojstva,

- utječe jedino na boju cementa (više C4AF → sivi cement, manje C4AF → svjetliji cement).

C4AF

- doprinosi ranoj čvrstoći (velika toplina hidratacije),

- reakcijom sa sulfatima stvara etringit – NEPOŽELJNO,

- za sulfatnootporne cemente treba smanjiti količinu C3S.

C3A

- sporo hidratizira i očvršćava,

- utječe na kasniji prirast čvrstoće (niska toplina hidratacije),

- za cemente niske topline hidratacije treba povećati količinu C2S.

C2S

- vrlo brzo hidratizira i očvršćava,

- doprinosi ranoj čvrstoći (povećana toplina hidratacije),

- za cemente većih ranih čvrstoća treba povećati količinu C3S.

C3S

Utjecaj na svojstvaSastojak

HIDRATACIJA CEMENTA

CEMENT + VODA → odmah započinje PROCES HIDRATACIJE.

HIDRATACIJA → molekule vode obavijaju ione čvrstih čestica cementa i omogućavaju njihovo bolje sređivanje u novonastale gel i kristalne strukture.

Silikati i aluminati pritom formiraju produkte hidratacije (HIDRATE), a zamiješana cementna pasta postepeno prelazi u očvrslu HIDRATIZIRANU CEMENTNU PASTU.

Produkti hidratacije (kalcij silikat hidrati) nazivaju se C-S-H gel (cementna pasta).

HIDRATACIJA → EGZOTERMAN PROCES – oslobađanje topline (toplina hidratacije).

Ovisno o kemijskom sastavu cementa oslobađa se toplina do 500 J/g.

16

Ovisno o kemijskom sastavu cementa oslobađa se toplina do 500 J/g,

419C4AF

867C3A

260C2S

502C3S

Toplina hidratacije (J/g)

Mineralni sastojak

SHEMATSKI PRIKAZ KONSTITUENATA PORTLAND CEMENTNOG KLINKERA I PRODUKATA HIDRATACIJE (veličina pravokutnika odgovara približno volumnom

udijelu sastojaka)

C3S

C2S

C3A

C4AFGIPS

C-S-H

Ca(OH)2PORTLANDIT

KOLOIDI RAZNOG SASTAVA

PRETEŽNO KRISTALNI HIDRATI

SO4-Fe Al HIDRATI

NEHIDRATIZIRAN PRODUKTI HIDRATACIJE

BRZO

SPORO

BRZO ALI USPORENO S GIPSOM

HIDRATACIJA CEMENTA

17

PODJELA CEMENTA PREMA HRN EN 197-1

27 VRSTA ZA OPĆE NAMJENE

CEM I – portland cement

CEM II – portland cement s miješanim dodatkom

CEM III – cement sa zgurom visokih peći (metalurški cement)

CEM IV – pucolanski cement

CEM V – miješani cement

CEM II/A-MCEM II/B-M

PORTLAND MIJEŠANI CEMENT

CEM II/A-LCEM II/B-LCEM II/A-LLCEM II/B-LL

PORTLAND CEMENT S DODATKOM VAPNENCA

CEM II/A-TCEM II/B-T

PORTLAND CEMENT S DODATKOM PEČENOG ŠKRILJEVCA

CEM II/A-VCEM II/B-VCEM II/A-WCEM II/B-W

PORTLAND CEMENT S DODATKOM LETEĆEG PEPELA

CEM II/A-PCEM II/B-PCEM II/A-OCEM II/B-O

PORTLAND CEMENT S DODATKOM PUCOLANA

CEM II/A-DPORTLAND CEMENT S DODATKOM SiO2 PRAŠINE

CEM V/ACEM V/B

MIJEŠANI CEMENTCEM V

CEM IV/ACEM IV/B

PUCOLANSKI CEMENTCEM IV

CEM III/ACEM III/BCEM III/C

METALURŠKI CEMENTCEM III

CEM II/A-SCEM II/B-S

• PORTLAND CEMENT S DODATKOM ZGURE

CEM II

CEM I• PORTLAND CEMENETCEM I

27 VRSTA CEMENTA ZA OPĆE NAMJENEGlavne vrste

18

CEMENTOdmah nakon što se zamiješaju cement i voda počinje proces hidratacije (egzotermna reakcija-oslobađa se toplina hidratacije).

Stanja vode u h.c.p. (hidratizirana cementna pasta):

- Kemijski vezana vodaTo je voda vezana jakim kemijskim vezama tijekom hidratacije, naziva se još voda za hidrataciju.

- Međuslojna voda Voda koja penetrira u međukristalne prostore.

- Adsorbirana vodaTo je voda adsorbirana na površini CS-hidrata djelovanjem površinskih sila.

- Slobodna vodaSlobodna voda nalaz se u kapilarama i većim porama.

- Vodena paraPore koje nisu ispunjene vodom sadrže zrak i neku količinu vodene pare, zavisno od temperature i relativne vlažnosti.

POSEBNE VRSTE CEMENTA

- Cement opće namjene niske topline hidratacije (< 270 J/g) ,

- Metalurški cement niske rane čvrstoće,

- Posebni cement vrlo niske topline hidratacije (< 220 J/g),

- Sulfatnootporni cement,

- Aluminatni cement .

19

DODACI CEMENTIMA

Tijekom mljevenja i homogenizacije cementnom klinkeru se osim gipsa mogu dodavati i neki drugi :

- kemijski i - mineralni dodaci.

Kemijski dodaci se dodaju u vrlo malim količinama da bi se npr. olakšalo mljevenje ili da se modificiraju svojstva cementa.

Mineralni dodaci dodaju se prvenstveno radi uštede energije, koja se troši na pečenje portland cementnog klinkera. To mogu biti npr.:- GRANULIRANE ZGURE VISOKIH PEĆI (troska, šljaka) to je otpadni produkt iz proizvodnje sirovog željeza. Sadrži uglavnom iste okside kao i portland cementni klinker.

- PUCOLANI su silikatni i alumosilikatni materijali kao što su: vulkanski pepeli, leteći pepeo iz termoelektrana, ....

ZAHTJEVI ZA CEMENT

Proizvodnja i primjena cementa mora biti pod stalnom kontrolom.

Kontrola obuhvaća ispitivanja:• kemijskog i mineralnog sastava,• mehanička svojstva (normirana čvrstoća),• fizikalna svojstva (normirana konzistencija, vrijeme vezanja, postojanost volumena,

gustoća cementa i finoća mliva.

Sastav, svojstva, postupci uzorkovanja i pripreme uzoraka i ispitivanja pojedinih svojstava dana su pojedinim normama.

20

MEHANIČKA SVOJSTVA

Tlačna čvrstoća ispitana nakon 28 dana starosti prema normi HRN EN 196-1.

Osnovno svojstvo cementa prema kojem se određuje razred čvrstoće.

Ispituje se na 3 normirana uzorka, prvo se na uzorcima ispita vlačna čvrstoća savijanjem, a onda na 6 polovica tlačna čvrstoća i utvrdi njihova srednja vrijednost.

Normirana čvrstoća

Razred čvrstoće (MPa): - 22,5 (samo za posebne cemente vrlo niskih toplina hidratacije);- 32,5;- 42,5;- 52,5.

MEHANIČKA SVOJSTVA

Rana čvrstoća

Tlačna čvrstoća ispitana nakon 2 i 7 dana starosti prema normi HRN EN 196-1

Za svaki razred normiranih čvrstoća, mapa (32,5; 42,5 i 52,5) uključena su dva razreda rane čvrstoće:

- N - obična rana čvrstoća,- R – visoka rana čvrstoća.

Kod cementa sa zgurom niskih početnih čvrstoća oznaka je L.

21

Normirana konzistencija• Stanje cementne paste (cement + voda) u kojem ona ima minimum pora zbog max.

sila privlačenja između čestica cementa i vode.

• Određuje se potrebna količina vode koja pomiješana sa standardnom količinom cementa daje normiranu konzistenciju.

• Količina vode potrebna za normiranu konzistenciju je 23 – 31 % mase cementa.

FIZIKALNA SVOJSTVA

• Mjeri se Vicat-ovim aparatom → prodor valjka promjera 10 mm u zamiješanu cementnu pastu.

• Normirana konzistencija → prodor valjka 5 - 7 mm od dna cementne paste.

22

Vrijeme vezivanja

• Definira se početkom i krajem.

• Ispituje se prodorom igle na Vicat-ovom aparatu (površine presjeka 1 mm2) kroz ugrađenu cementnu pastu normne konzistencije.

• Početak: vrijeme od dodavanja vode do zaustavljanja igle 3-5 mm od dna.

• Kraj: vrijeme od dodavanja vode do zaustavljanja igle max. 0,5 mm od vrha.

FIZIKALNA SVOJSTVA

Postojanost volumena

• Mjera postojanosti cementa tijekom hidratacije i očvršćavanja.

• Uzroci nepostojanosti: zakašnjela hidratacija i kemijske reakcije u očvrslom cementnom kamenu.

Gustoća cementa i finoća mliva

• Gustoća cementa određuje se pomoću Le-Chatelier- ove tikvice.• Kreće se unutar vrijednosti 2,90 – 3,15 g/cm3.

• Brzina prirasta čvrstoće ovisi u prvom redu o finoći mliva.

• Određuje se pomoću dvije metode:- metodom sijanja,- metodom propusnosti zraka (Blaine metoda).

FIZIKALNA SVOJSTVA

23

≥ 45

(≤ 40)-≥ 52,5 (≥ 50,0)

≥ 20,0 (≥18,0)

≥ 30,0 (≥ 28,0)

52,5 N

52,5 R

≥ 60

(≤ 50)≤ 62,5≥ 42,5 (≥ 40,0)

≥ 10,0 (≥ 8,0)

≥ 20,0 (≥18,0)

42,5 N

42,5 R

≤ 10

(≤ 10)

≥ 75

(≤ 60)≤ 52,5≥ 32,5 (≥ 30,0)

≥ 20,0 (≥ 18,0)

≥ 10,0 (≥ 8,0)

32,5 N

32,5 R

28 dana7 dana2 dana

Normirana čvrstoćaRana čvrstoćaPostojanost volumena

(mm)

Početak vezivanja

(min)

Tlačna čvrstoća (MPa) prema normi HRN EN 196-1Razred čvrstoće

Mehanička i fizikalna svojstva dana kao karakteristične vrijednosti i granične vrijednosti za pojedinačne rezultate (u zagradi) za cemente opće namjene

AGREGATAgregat čini približno ¾ volumena betona, pa zbog toga ima veliki utjecaj na svojstva svježeg i očvrslog betona.

AGREGAT

UMJETNIPRIRODNI

PRIRODNI AGREGATI mogu se proizvesti iz:- vučenog nanosa koji se formira procesima erozije raznih vrsta stijena,- drobljenjem iz velikih komada prirodnih stijena.

UMJETNI AGREGATI se proizvode za neku posebnu namjenu, kao što je npr. lakoagregatni beton. To su agregati od ekspandirane i pečene gline, otpadni proizvodi ili sekundarne sirovine u industriji (pepeo termoelektrana, ekspandirana zgura, pluto, drobljena opeka). Također se upotrebljavaju ekspandirani polimeri, kao polistiren i poliuretan.

RECIKLIRANI AGREGATI

24

ULOGA AGREGATA U BETONU

SITNA ZRNA agregata:- zrna veličine između 0 - 4 mm + cement → MORT- zrna do 0,125 mm + cement→ MAZIVO (povećavaju kohezivnost betonu)- zrna veličine između 0,06 mm i 0,02 mm → kamena prašina- čestice < 0,02 mm → glina.

POPUNJAVA VOLUMEN

KRUPNA ZRNA agregata čine SKELET BETONA preko kojeg se, radi znatno veće krutosti cementnog kamena, prvenstveno prenose sile.

GUSTOĆA AGREGATA

AGREGAT ZA BETON – agregat gustoće zrna veće od 2000 kg/m3.

LAGANI AGREGAT ZA BETON – agregat gustoće zrna ne većom od 2000 kg/m3

ili nasipnom gustoćom ne većom od 1200 kg/m3.

25

GLAVNE FAZE U PROIZVODNJI AGREGATA ZA BETON IZ ŠLJUNKA

POZAJMIŠTE ISKOP ŠLJUNKA

ODVAJANJE BATUDE

DROBILICA

MLIN

SIJANJE I PRANJE

FRAKCIJE

VIŠAK FRAKCIJA

16-32 8-16 4-8 0-4 0-2 mmmm

POZAJMIŠTE ISKOP ŠLJUNKA

ODVAJANJE BATUDE

DROBILICA

SIJANJE I PRANJE

FRAKCIJE

VIŠAK FRAKCIJA

16-32 8-16 4-8 0-4 0-2

MLIN

GLAVNE FAZE U PROIZVODNJI AGREGATA ZA BETON IZ LOMLJENOG KAMENA

KAMENOLOM ODVAJANJE JALOVINE

DROBILICA

SIJANJE

JALOVINA

FRAKCIJE

VIŠAK FRAKCIJA16-32 8-16 4-8 0-40-2

MLIN

mmmm

26

PROIZVODNJA RECIKLIRANOG AGREGATA

GRAĐEVINA

KONSTRUKCIJE OD BETONA

KONSTRUKCIJE OD RAZLIČITIH MINERALNIH GRAĐEVINSKIH MATERIJALA

RUŠENJE

ZDROBLJENI PIJESAKZDROBLJENI KAMEN

ZDROBLJENI ŠLJUNAK

DOBIVENI OBLIK

OTPADNI MATERIJAL OD BETONA

MINERALNI OTPADNI MATERIJAL

Proizvodnja agregata za beton

Tipične faze u proizvodnji agregata za beton obuhvaćaju:

1. Predsijanje da bi se odredila sita i drobilice.

2. Drobljenje i mljevenje

3. Sijanje Sijanjem se šljunak odnosno izdrobljena stijena razdvaja u frakcije.

4. Hidrosepariranje Primjenjuje se za razdvajanje sitnijih frakcija pijeska.

27

KARAKTERIZACIJA AGREGATA

- mineralno-petrografska analiza

- fizikalna svojstva agregata: gustoća zrna agregata, poroznost i adsorpcija vode, šupljine u agregatu i volumna masa agregata, utjecaj vlažnosti na promjene volumena nastalog agregata, oblik i tekstura zrna.

- granulometrijski sastav agregata: sitena analiza.

- mehanička svojstva agregata: - prionjivost (oblik i tekstura zrna utječu na prionjivost, a time i na čvrstoću

betona, prvenstveno na vlačnu i savojnu čvrstoću), čvrstoća agregata,- čvrstoća agregata (iz stijene se ispili valjak ili kocka i testira, minimalna čvrstoća agregata za beton je 80 MPa),

- žilavost (otpornost agregata na udarce)- tvrdoća (to je otpornost protiv prodiranja i paranja).

Tvrdoća i žilavost su svojstva važna za beton.

Prema vrstama stijena:- vulkanskog podrijetla (granit, dijabaz, bazalt, itd.)- sedimentnog podrijetla (vapnenac, prapor, itd.)- metamorfnog podrijetla (mramor, škrinjac, itd.)

- toplinska svojstva agregata: - koeficijent toplinske dilatacije (α)- specifični toplinski kapacitet (c)- toplinska vodljivost (λ)

- štetni sastojci agregata: - nečistoće koje sprečavaju dobru prionjivost agregata i cementnog kamena,- glina može obaviti zrno agregata i tako da spriječi dobru vezu između agregata i cementnog kamena,- organske tvari (ako se nađu u agregatu moraju se isprati vodom),- soli (pijesak iz mora ili pokraj mora može sadržavati štetne količine klorida koje su vrlo opasne za koroziju armature u betonu, ako su prisutne treba ih isprati vodom),- npr. sastojci koji utječu nepovoljno na proces hidratacije.....

28

- količinu zahvaćenog zraka,- obradljivost, - indirektno na čvrstoću,- segregaciju,- kohezivnost,

GRANULOMETRIJSKI SASTAV UTJEČE NA:

- Udio pojedinih frakcija agregata u ukupnom optimalnom sastavu agregata u betonu određuje se tako da se dobije optimalna krivulja u željenom području dijagrama s dovoljnom količinom zrna pojedinih veličina,

- treba postići što gušće pakiranje, odnosno raspored zrna, koji u betonu daje minimum šupljina,

- granulometrijski sastav je glavni činitelj koji utječe na količinu zahvaćenog zraka u betonu određene konzistencije.

KVALITETA VODEKvaliteta vode je važna za beton i to kao voda koja se upotrebljava za spravljanje betona, voda za njegovanje betona i voda koja dolazi u kontakt s očvrslim betonom.

Pouzdano pitka voda (iz gradskih vodovoda) može se rabiti bez potrebe prethodne provjere uporabljivosti.Vodu koja se ne koristi za piće, a koristi se za izradu betona na osnovi provedenih ispitivanja, treba kontrolirati najmanje jednom u tri mjeseca.

Voda za spravljanje betona najčešće je prikladna i za njegovanje betona.

29

DODACI (ADITIVI) BETONUAditivi se dijele prema namjeni na:

- aernate,

- plastifikatore,

- superplastifikatore,

- fluidifikatore,

- usporivače vezivanja,

- ubrzivače vezivanja,

- ubrzivače vezivanja,

- zaptivače,

- dodatke za betoniranje pri niskim temperaturama,- itd.

30

SVJEŽI BETON

Sva svojstva očvrslog betona ovise o stupnju njegove zbijenosti i homogenosti usvježem stanju.

Pretpostavka za kvalitetan očvrsnuli beton:- lako transportiranje i ugradnja u svježem stanju,- bez segregacije,- dobra zbijenost.

SVJEŽI BETON - Svojstva.

Glavna svojstva koja treba imati svježa betonska mješavina za vrijeme ugradnje su:

Fluidnost:Svježi beton mora biti dovoljno tekuć da se može ugraditi u oplatu i oko armature uz

pomoć odgovarajuće opreme. Na primjer, beton za slabo armiranu ploču ne mora biti jednako tekuć kao za vitki jako armirani stup.

Zbijenost:Sav ili gotovo sav zarobljeni zrak bi za vrijeme zbijanja pomoću predvibratora morao izaći.

Stabilnost ili kohezivnost: Beton bi trebao ostati homogena masa, tj. npr. mort se ne bi smio biti tako tekuć da se odvaja (segregira) od krupnog agregata.

Prva dva svojstva, fluidnost i zbijenost općenito se nazivaju jednim imenom: obradivost.

31

U praksi se OBRADIVOST najčešće definira pomoću KONZISTENCIJE betona.

Konzistencija (u reologiji) je svojstvo materijala kojim se on odupire trajnom mijenjanju oblika.Konzistencija se u praksi mjeri na više načina (koji nisu u direktnoj međusobnoj vezi), kao npr.: Slijeganjem s Abramsovim stošcem, VEBE postupak, rasprostiranjem i sl.

SVJEŽI BETON - Svojstva.

Fluidnost

ZbijenostOBRADIVOST

Veća obradivost betona → lakša ugradnja..

Povećanje obradivosti dodavanjem:- vode → NEPOŽELJNO → manja čvrstoća i trajnost- superplastifikatora → POŽELJNO.

NAJČEŠĆI POJMOVI KOJIMA SE DEFINIRAJU I MJERE SVOJSTVA SVJEŽEG BETONA:

obradivost – konzistencija,

izdvajanje vode,

segregacija,

vrijeme vezanja betona,

homogenost betonske mješavine,

temperatura,

sadržaj pora u svježem betonu.

32

REDOVNA KONTROLA ISPITIVANJA

Konzistencija

Gustoća betona

Temperatura

Sadržaj zraka

POVREMENO SE PROVODE JOŠ I SLOŽENIJA ISPITIVANJA:

analiza svježeg betona,

promjena obradivosti s vremenom i temperaturom,

izdvajanje vode,

vrijeme vezanja betona,

homogenost svježeg betona.

EMPIRIJSKI POSTUPCI MJERENJA KONZISTENCIJE

U našoj su zemlji normirani postupci ispitivanja konzistencije svježeg betona:

Slijeganje (normirani kalup od lima oblika krnjeg stožca napuni se betonom, kalup se

zatim oprezno podigne i mjeri se koliko je nakon toga beton slegnuo),

Vebe postupak,

Stupanj zbijenosti (prema Walz-u).

Rasprostiranje,

33

UTVRĐIVANJE SASTAVA BETONA

VRSTA MATERIJALA (cement, agregat,...)

ČVRSTOĆA TRAJNOST OBRADIVOST CIJENA

konzistencija,v/c omjer,

količina vode,količina zraka

količina dodataka

PRORAČUN SASTAVA ZA POKUSNU MJEŠAVINU

IZRADA I PODEŠAVANJE SASTAVA( min. 3 mješavine)

ISPITIVANJE OČVRSLOG BETONA

ODABIR SASTAVA

ZADANO

USVAJA SE NAKON REZULTATAPOČETNIH ISPITIVANJA

IZ PROJEKTABETONSKE KONSTRUKCIJE

ISPITIVANJE

DIJAGRAM TOKA UTVRĐIVANJA

SASATAVA BETONA

PRORAČUN SASTAVA

- Rabi se tzv. METODA APSOLUTNOG VOLUMENA, zbijeni beton će zauzimati volumen od 1 m3 jednak zbroju apsolutnih volumena svih sastavnih materijala:

1000 v ρm

ρm

ρm

ρm

zd

d

z(zps)

a

c

c

w

w =++++

mw, mc, ma, md – masa vode, cementa, agregata i dodataka.

ρw, ρc, ρz(zps), ρd –gustoća vode, cementa, agregata (zasićen, površinski suh) i dodataka.

34

ČVRSTOĆA BETONA

Očvrsli beton je krhki materijal, i čvrstoće na vlak ili smicanje su znatno manje nego na tlak.

Pri projektiranju konstrukcija uvijek se nastoji iskoristiti veća tlačna čvrstoća.

Ugrađeni svježi beton hidratacijom cementa i očvršćavanjem prelazi u čvrsto stanje.

Proces očvršćavanja traje neko vrijeme pa beton prije preuzimanja projektiranog opterećenja mora imati određenu starost.

Za većinu svojstava betona 28-dnevna starost se uzima kao mjerodavna pa se pri toj starosti i ispituje.

OČVRSNULI BETON

SVOJSTVA KOJA SE PROPISUJU:

OSNOVNO SVOJSTVO:- TLAČNA ČVRSTOĆA

DODATNA SVOJSTVA:

- VLAČNA ČVRSTOĆA – CIJEPANJEM I SAVIJANJEM,

- GUSTOĆA OČVRSLOG BETONA,

- MODUL ELASTIČNOSTI,

- SKUPLJANJE I PUZANJE,

- VODOPROPUSNOST,

- OTPORNOST NA SMRZAVANJE SA ILI BEZ SOLI ZA

ODMRZAVANJE,

- OSTALA TRAJNOSNA SVOJSTVA.

35

ISPITIVANJE TLAČNE ČVRSTOĆE BETON (prema normi HRN EN 12390-3

reprezentativna masa betona se ugrađuje u čelične ili plastične kalupe

d = 150 mm a = 150 mm

h = 300 mm

fck, valj fck, koc

Ispituje se pri starosti od 28 dana.

VLAČNA ČVRSTOĆA BETONA je cca 10 puta manja od tlačne čvrstoće.

U armiranom betonu :- beton preuzima tlačna naprezanja,- čelična armatura preuzima vlačna naprezanja.

Način ispitivanja vlačne čvrstoće :- čistim vlakom,- savijanjem,- cijepanjem uzoraka po izvodnici.

fc – čvrstoća na tlak (compressive)

ft – čvrstoća na vlak (tensil)

fb – čvrstoća na savijanje (bending)

fs – čvrstoća cijepanjem (splitting)

36

ELASTOPLASTIČNA BETONA

Za kratkotrajna opterećenja, do veličine dopuštenih naprezanja, beton se ponaša gotovo elastično.

Pod stalnim opterećenjem beton puže (teče) – deformacija se s vremenom povećava.

Elastoplastična svojstva su:- modul elastičnosti,- modul posmika,- Poissonov koeficijent,- skupljanje,- puzanje.

DEFORMACIJE BETONA

VOLUMNE DEFORMACIJE BETONA:- deformacije zbog promjene temperature,- deformacije nastale skupljanjem i bubrenjem betona.

DEFORMACIJE BETONA POD OPTEREĆENJEM:- deformacije pod kratkotrajnim opterećenjem,- deformacije pod dugotrajnim opterećenjem.

37

DEFORMACIJE ZBOG PROMJENE TEMPERATURE

αb ovisi o:- sastavu betona,

- toplinskom koeficijentu linearnog istezanja agregata (αa)- vlažnosti betona.

[ ]acpacp

acp kk1-gkk1

- ( g 2 -

//)

++=

αααα cpb

Toplinski koeficijent linearnog istezanja betona može se procijeniti pomoću formule:

kcp i ka – krutost cementne paste i agregata.

αb, αcp i αa – toplinski koeficijent linearnog istezanja betona, cementnog kamena i agregata.

DEFORMACIJE NASTALE SKUPLJANJEM I BUBRENJEM BETONA

BUBRENJE BETONA je vremenska deformacija betona uslijed povećanja vlažnosti, koja se manifestira u obliku povećanja dimenzija neopterećenih betonskih elemenata.

SKUPLJANJE BETONA je vremenska deformacija betona uslijed smanjenja vlažnosti, koja se manifestira u obliku smanjivanja dimenzija neopterećenih betonskih elemenata tijekom vremena, približno linearno u svim pravcima.

SKUPLJANJE može biti posljedica:- hidratacije cementa,- evaporacije vode iz betona,- karbonatizacije.

38

AUTOGENO SKUPLJANJE - volumen materijala koji ulazi u proces hidratacije je manji od volumena produkta hidratacije.

PLASTIČNO SKUPLJANJE - uslijed gubitka vode evaporacijom s površine betona, dolazi do smanjenja volumena dok je beton još u plastičnom stanju .

SKUPLJANJE USLIJED KARBONATIZACIJE:- djelovanjem CO2 iz okolice na cementni kamen dolazi do kemijskih reakcija. - CO2 + H2O →H2CO3, - nastala H2CO3 reagira s Ca(OH)2 u cementnom kamenu stvarajući CaCO3 i oslobađa se voda (i drugi spojevi cementnog kamena se razgrađuju).- udio CO2 u nezagađenoj atmosferi je oko 0,03 %, ali u gradovima i na autoputovima ima ga do 0,3 %.

DEFORMACIJE BETONA POD DJELOVANJEM SILA

DEFORMACIJE POD KRATKOTRAJNIM OPTEREĆENJEM

Ukupna deformacija (ε) se sastoji od dva dijela:

- elastičnog (εe) i

- plastičnog (εp) .

Ispitivanjem uzoraka betona s kratkotrajnim opterećenjem, dobivamo slijedeća svojstva betona:- modul elastičnosti (ispitivanje statičkog i dinamičkog modula elastičnosti),

u

p

εε

μ =

bb

b E 0,4 )2(1

E G =+

=μ

- Poissonov koeficijent (μ - odnos poprečne i uzdužne deformacije: ), za vlažni cementni kamen je cca 0,25; za suhi cementni kamen je cca 0,15)

- modul posmika ( , za μ = 0,25, Eb je modul elastičnosti betona, μ je Poissonov koeficijent.

39

DEFORMACIJE POD DUGOTRAJNIM OPTEREĆENJEM

PUZANJE – povećanje deformacije pod trajnim djelovanjem naprezanja, nakon što se oduzmu dugotrajne deformacije, koje su posljedica skupljanja i bubrenja i temperaturnih promjena.

PUZANJE ovisi o:- vlažnosti okoliša,

- veličini elementa koji se ispituje,- sastavu betona,- stupnju zrelosti betona.

PRAKTIČNO IZRAČUNAVANJE PUZANJA

Koriste se pojednostavljeni modeli

Preporuka CEB-e (Europkog komiteta za beton):

b

cp E

c Φ=

cp – specifično puzanje po jedinici naprezanja,

Φc – koeficijent puzanja,

Eb – modul elastičnosti betona.

Φc = kc ⋅ kd ⋅ kb ⋅ ke ⋅ kt

kc - predstavlja relativnu vlažnost okoline na opterećeni beton,

kd - izražava utjecaj starosti uzoraka u vrijeme opterećivanja, a pokazuje i razliku između dvaju najzastupljenijih vrsta cementa,

kb - predstavlja utjecaj sastava mješavine,

ke - uzima u obzir utjecaj veličine elemenata,

kt - obuhvaća utjecaj porasta deformacije puzanja pod stalnim opterećenjem s vremenom.

40

POSLJEDICE PUZANJA

povećava deformacije betona,prerano skinute podupore u betonskim elementima rezultiraju povećanjem puzanja mladog betona i širokim pukotinama,armiranobetonski stupovi: uslijed puzanja naprezanja se postepeno prenose s betona na armaturu,statički neodređene konstrukcije: dolazi do povoljnije preraspodjele naprezanja.

Čvrstoća betona se povećava: - ojačanjem čeličnom "armaturom" – žicama (D < 12 mm), šipkama (D > 12 mm),

mrežama i profilima. Armature se postavljaju u beton prije njegovog skrućivanja,- uvođenjem prednapetosti – postavljena se čelična armatura prije skrućivanja optereti

na vlak (ispod granice elastičnosti čelika). Nakon skrućivanja betona armatura se rastereti i ona pri svom skupljanju povlači za sobom skrućeni beton uspostavljajući u njemu trajnu tlačnu napetost.