Проф. др Мирко АћићПроф. др Драгица Јевтић

МИКРОАРМИРАНИ МАЛТЕРИ И БЕТОНИ - САСТАВ, СВОЈСТВА И ПРИМЕНА

Савремено грађевинарство поставља све јасније и оштрије захтеве квалитета које грађевински материјал треба да задовољи, у функцији њихове намене, а све превасходно у циљу трајности и економичности грађевинских конструкција. Композити типа агломерата као и микроармирани композити, о којима је реч у овом раду, дају велике могућности комбиновања и изналажења нових решења која задовољавају савремене трендове. Нови материјали типа композита имају побољшана физичко-механичка, деформациона, реолошка, технолошка, експлоатациона и друга својства у односу на већ постојеће, уобичајене материјале.

Развој савремених сложених материјала - композита омогућила је, пре свега, филозофија науке о материјалима, тј. структуралистички концепт, према коме се услови формирања одређених материјала и детерминисање њихових својстава, у највећој мери, своде на функционалну релацију која повезује својства материјала и њихов састав, односно структуру. При овоме, због комплексности проблематике о којој је реч, својства материјала, се морају сагледавати и кроз фактор технологије, тако да се, у оквиру науке о материјалима својства материјала увек разматрају као резултат симултаног деловања следећих утицајних параметара: састава, технологије производње и остварене структуре. Ова зависност може се приказати путем шеме дате на слици 13 3.

Слика 1. Зависност "компоненте - технологија - структура -

својства материјала"

Табела 1. Важнија својства различитих типова влакана

Врста влакнаСпецифична

масаs g/cm3

Чврстоћапри затезању

fz MPa

Модул еластичности

E GPa

Издужењепри кидању

uk %

Макс.темп.T C

Отпорносту алкалној

средини

Челична 7,8 500-2600 200 0,5-3,5 отпорна

Стаклена (AR) 2,5-2,7 1500-3700 75 1,5-3,5 отпорна

Полипропилен-ска 0,9 300-750 3,5-12,0 6,0-25,0 160 отпорна

Полиестерска 1,4 800-1100 10,0-19,0 5,0 240 неутрална

Полиетиленска 0,9 20-30 0,12-0,40 300-700 100 неутрална

Поливинил-алкохол 1,3 800-900 26,0-30,0 5,0-7,5 240 отпорна

Акрилна 1,1-1,2 600-900 15,0-20,0 6,0-9,0 150 отпорна

Најлонска 1,1-1,4 700-800 7,0-13,0 16,0-20,0 400 неутрална

Вештачка свила 1,5 400-600 6,0-7,0 10,0-25,0

Карбонска 1,6-1,9 550-2600 30-230 1,0-2,0 3000 отпорна

Целулозна 1,2-1,5 200-500 5,0-40,0 3,0 неотпорна

Памучна 1,5 400-700 4,0-5,0 3,0-10,0 неотпорна

Слика 2. - дијаграм за различита влакна

Слика 3. Утицај микроарматуре на својства композита

Слика 4. Утицај фактора облика (l/d) на обрадљивост

Слика 5. Бетонски цилиндри након испитивања чврстоће при притиску: композит без додатка влакана (лево) и микро-армирани бетон (десно)

Присуство влакана у оквиру цементног камена смањује апсорпцију воде, а самим тим повећава отпорност композита на дејство мраза, као и отпорност на пенетрацију соли за одмрзавање, што је од посебног значаја код конструкција типа мостова, коловозних плоча и аеродромских писта. Такође, додатак микроарматуре доприноси и смањењу запреминских дилатација скупљања, а нарочито пластичне компоненте овог реолошког својства бетона и малтера, о чему говоре и експериментални резултати аутора који ће бити приказани у даљем тексту.

Редукцијом запреминских деформација скупљања, као и деловањем у правцу смањења броја прслина и њихових димензија, влакна додатно затварају могуће путеве за продор воде и других штетних материја у унутрашњост композита (слика 6). Уколико као илустрацију узмемо монофиламентна полипропиленска влакна, можемо да кажемо да она својим изузетно великим бројем у јединици запремине (више стотина милиона у 1 м3), својим равномерним дисперговањем у свим правцима и веома малим димензијама, успешно пресецају систем отворених капиларних пора преко кога се врши комуникација између композита и спољашње средине.

На тај начин, код сасвим "младих" малтера и бетона спречава се неконтроли сано издвајање воде на површини (тзв. bleeding) - појава која је веома лоша са стано вишта отпорности композита на дејство мраза (слика 7). Наиме, заједно са водом на површини се издвајају и најфиније честице цемента и агрегата, стварајући при томе површински филм слабих механичких својстава, који је самим тим изузетно осетљив на ниским температурама. Уколико се процес смрзавања и одмрзавања циклички понавља, врло брзо може доћи до настанка озбиљних прслина, а затим и до мрвљења, круњења и отпадања површинског слоја композита.

Слика 6. Утицај микроарматуре на контролу прслина

Слика 7. Утицај микроарматуре на издвајање воде (bleedinд)

МИКРОАРМИРАНИ МАЛТЕР НА БАЗИ ЧЕЛИЧНИХ ВЛАКАНА

Историјат микроармирања челичним влакнима почиње микроарматуром која се добијала сечењем праве челичне жице, уз високо процентуално учешће ове микро арматуре, што је стварало низ проблема у смислу груписања влакана и стварања тзв. "грудви". Савремени хемијски додаци типа пластификатора и суперпластификатора, уз употребу закривљених влакана и латентних пунилаца, типа силикатне прашине, донели су велики напредак на овом пољу, као и нове могућности пројектовања и примене предметних композитних материјала (на пример, у области санације и реконструкције објеката). Количине дозираних челичних влакана у малтерима и бетонима који се данас примењују, најчешће се крећу у границама од 20 до 80 kg/m3 свежег уграђеног композита, док се количине силикатне прашине крећу у границама 10-15% у односу на масу везива-цемента. Као резултат оваквог микроармирања, добијају се композити високих перформанси и повећане трајности 6, 8, 9.

Усвојене рецептуре, односно састави малтера "E" (еталона) и малтера "V" (микро армираног малтера), биле су идентичне у погледу количина основних компонентних материјала: цемента, песка и силикатне прашине, као допунског цементног материјала. Код другог типа малтера (ознака "V") била је присутна микроарматура у количини од 60 kg/m3 као и додатак типа суперпластификатора. Присуство суперпластификатора било је потребно из разлога постизања исте конзистенције овог композита, као и код еталонског малтера. Количина воде била је у обе мешавине она која одговара распростирању малтера од 180 ± 20 mm.

Табела 2. Основна својства влакана декларисана од стране произвођача фирме: "Спајић"

ПАРАМЕТРИ ДЕКЛАРИСАНА СВОЈСТВА

Врста и облик Челична влакна савијена на крајевима

Попречни пресек Кружни

Чврстоћа при затезању min. 1100 MPa

Тачка топљења cca. 1500C

Угао савијања на крајевима мин. 45

Укупна дужина (А) 30 2 mm

Дебљина (Е) 0,6 0,1 mm

Дужина дела који није савијен (B) 20 1 mm

Дужина савијеног дела (C) 4,5 1 mm

Слика 8. Облик челичних влакана која су коришћена као микроарматура

Слика 10. Упоредни приказ чврстоћа при савијању у облику хистограма

3,4

4,55

7,9

6

8,9

6,65

9,5

7,3

9,8

0

123456789

10Čv

rsto

ća p

ri sa

vija

nju

(MPa

)

2 dana 4 dana 7 dana 28 dana 90 dana

"E"

"V"

Слика 12. Упоредни приказ чврстоћа при притиску у облику хистограма

21 24,529

38,234

46,353

68,5 66

85,3

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90Čv

rsto

ća p

ri pr

itisk

u (M

Pa)

2 dana 4 dana 7 dana 28 dana 90 dana

"E"

"V"

МИКРОАРМИРАНИ БЕТОН НА БАЗИ ЧЕЛИЧНИХ ВЛАКАНА

Као други пример приказаће се резултати испитивања добијени на бетонима микроармираним такође челичним влакнима.Што се тиче усвојених рецептура, састави бетона I (еталона) и бетона II (микроармираног бетона) били су идентични, у смислу примењених врста и количина основних компонентних материјала - воде, цемента и агрегата. Једина разлика односила се на додатак напред приказаних челичних влакана бетону ознаке II, у количини од 25 kg/m3 (тј. 0,3% у односу на запремину бетона). С обзиром да се за справљање микроармираних бетона у принципу користе агрегати са крупноћом зрна која је мања него код класичних бетона, одлучено је да се, за предметна испитивања, усвоји трофракцијски речни агрегат Моравац, са номинално најкрупнијим зрном D=16 mm. Као основни услов квалитета бетона усвојена је марка бетона MB30, као најчешће примењивана марка у оквиру армиранобетонских конструкција. У функцији практичне примене предметног бетона усвојена је пластична конзистенција, што значи да је пројектована мера слегања према Abramsu износила 6-10 cm.

Испитивања физичко-механичких својстава микроармираног бетона показала су, пре свега, значајно повећање чврстоће при смицању (видети слику), које је у конкретном случају износило cca 61% (у односу на еталон - бетон без додатка влакана). У нешто мањој мери, додатак челичних влакана допринео је и расту чврстоће при савијању бетона (cca 17%), док је њихов утицај на чврстоћу при притиску био знатно мањи (cca 10%). Овакви резултати били су и очекивани с обзиром на ранија искуства аутора при испитивању микроармираних композита, а што је у складу и са релевантном стручном литературом из ове области.

Ispitivanje čvrstoće pri smicanju

Uzorak betona nakon ispitivanja

Ispitivanje deformacionih svojstava betona

- dijagrami etalona i mikroarmiranog betona

05

1015202530354045505560

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

Dilatacija -

Napo

n (M

Pa)

Mikroarmirani betonEtalon

МИКРОАРМИРАНИ МАЛТЕР НА БАЗИ ПОЛИПРОПИЛЕНСКИХ ВЛАКАНА И РЕЧНОГ ПЕСКА КАО АГРЕГАТА

Наредни пример односи се на примену синтетичких полипропилен-ских влакана.

Експериментална испитивања о којима је реч предвиђала су справљање и испитивање својстава пет различитих врста малтера на бази додатка полипропиленских влакана. Ради лакше класифика-ције, поједини типови малтера означени су римским бројевима (I - V), од којих сваки број представља ознаку серије малтера. При томе, серија I односи се на малтер справљен без додатка полипропилен-ских влакана (еталон). Серије II, III, IV и V справљене су са додатком монофиламентних полипропиленских влакана типа "Fibrin" (енгле-ске производње), уз варијацију врсте и количине предметне микроарматуре. Тако је, у оквиру серије II употребљено 600 g/m3, а у оквиру серије III 900 g/m3 влакана типа "Fibrin 623" (дужине 6 mm). Серија IV била је справљена са додатком 600 g/m3 влакана "Fibrin 23" (дужине 12 mm), а серија V са 900 g/m3 истих влакана. При томе су учешћа цемента, воде и агрегата била константна код свих третира-них серија малтера. Такође, није мењан ни тип цемента, нити врста и гранулометријски састав агрегата (речног песка).

Синтетичка влакна FIBRIN 23 FIBRIN 623Основни материјал Полипропилен (100 %)Начин производње Истезањем и вучењемТип влакана Монофиламентна, таласаста влакнаПопречни пресек Кружни Пречник 0,018 mmДужина 12 mm 6 mmФактор облика (l/d) 667 333Број влакана / kg 300 милиона 600 милионаСпецифична површина ~ 230 m2/kgЧврстоћа при затезању 560 MPaМодул еластичности 4200 MPaТачка размекшавања 160 CПрепоручено дозирање 600 – 900 g/m3

Табела 10. Важнији технички подаци о полипропиленским влакнима ФИБРИН

Слика 13. Полипропиленски филм након испитивања чврстоће при

затезању

Слика 12. Дијаграм скупљања узорака малтера у току времена

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91

Vreme (dani)

Dila

taci

je s

kupl

janj

a (‰

)

Serija I

Serija II

Serija III

Serija IV

Serija V

ПРИМЕНА КОМПОЗИТА ТИПА МАЛТЕРА И БЕТОНА

У савременом грађевинарству, а нарочито у економски најразвијенијим земљама света, приметна је тенденција све шире употребе различитих типова влакана као специфичних додатака помоћу којих се врши микроармирање композита типа малтера и бетона. За очекивати је да ће се, у најскорије време, овакав тренд пренети и у нашу грађевинску праксу. Оваква очекивања могу се поткрепити чињеницом да смо се ми увек, у оквирима својих могућности, трудили да не заостајемо за светским кретањима у области грађевинске технике и технологије.

На овом месту навешћемо неке типове конструкција, код којих је примена микроармираног бетона данас најраспрострањенија:

– хидротехничке конструкције (бране, преливи, водотоци, аквадукти и сл.),

– аеродромске писте и коловозне конструкције аутопутева (сл. 19),

– индустријски подови (због повећане отпорности на хабање и температурне промене),

– коловозне конструкције друмских мостова,– облоге (подграде) од прсканог бетона код тунела, насипа,

усека и др.,– љуске, резервоари и силоси,– склоништа и друге конструкције које треба да буду отпорне

на дејство експлозије, земљотреса и/или пожара,– разни префабриковани елементи (плоче, цеви, стубови,

бетонски прагови за железницу и сл).

Основне области грађевинарства у којима се успешно примењују торкрет малтери и бетони обухватају: облоге тунела, осигурање темељних ископа и рудничких јама, стабилизацију тла код косина и клизишта, облагање челичних цеви, санацију различитих оштећења на бетонским конструкцијама, облагање и заштиту канала за наводњавање, резервоара и контејнера за одлагање отпада, итд.

Осим стандардних компонентних материјала (агрегат, цемент и вода), предметним композитима могу да се додају, на пример, полипропиленска влакна у уобичајеним количинама (600 - 900 g/m3), ради повећања дуктилности и смањења временских деформација скупљања. Такође, у случају примене код индустријских подова од којих се траже виша механичка својства (а пре свега отпорност на хабање), обично се у површинском слоју композита врши додавање извесне количине прашкастих материјала изузетне тврдоће (корунд, метални прах и сл.). По потреби, могу се примењивати и различите врсте адитива: пластификатори, суперпласти-фикатори, акцелератори, заптивачи, антифризи и др.

Осим код композита за справљање различитих индустријских подлога и подова потреба за материјалима, са напред наведеним својствима, може да се јави и код других типова грађевинских конструкција и објеката као што су: гараже и паркинг платформе, бензинске пумпе, механичарске складишта, утоварно-истоварне рампе, коловозне плоче, аеродромске писте, итд.

У последње време, широка примена поступка префабрикације код грађења бетонских конструкција довела је, између осталог и до бројних покушаја микроармирања префабрикованих елемената помоћу различитих типова влакана (челичних, карбонских, стаклених, полимерних и др.). Имајући у виду општа својства микроармираних композита, као и посебне захтеве који се у области технологије префабрикованих бетона постављају пред грађевинаре, истраживања која су усмерена у правцу повезивања и комбиновања ове две методе (префабрикације и микроармирања), чине се сасвим оправданим и логичним.

Додатак микроарматуре може да допринесе побољшању квалитета префабрикованих елемената у вези са већином захтева (уједначен квалитет, трајност, више вредности механичких својстава, убрзано очвршћавање). При томе, влакна могу да се користе као додатак, како композитима намењеним за "озбиљне" армиранобетонске и претходно напрегнуте конструкције (као што су мостови, индустријске хале, различити објекти у зградарству, хидротехничке конструкције и сл.), тако и у области префабрикације тзв. бетонске галантерије (ивичњаци, шахтови, мање плоче, цеви, железнички прагови, бетонски блокови, црепови, итд.). За све поменуте видове примене могу се употребљавати само челична, карбонска, полимерна или нека друга влакна, а могућа је и комбинација два различита типа микроарматуре (на пр. челична + полипропиленска влакна).

Полипропиленска влакна могу да нађу своје место и као додатак у оквиру малтерских облога и других типова малтерских композиција (шпахтл масе, шљеме, намази, премази, итд.) у случају примене композитних система за заштиту од пожара. На овај начин могуће је извршити облагање како армиранобетонских тако и челичних конструкција. Противпожарни малтери праве се на бази различитих врста везива (цемент, креч, гипс и комбинације креч+цемент, односно креч+гипс), док се као агрегати користе углавном лаки материјали: гранулисана и дробљена згура, рециклирана опека, шамот, перлит, керамзит, вермикулит и др. [14, 4]. Ипак, најповољнији резултати добијају се применом алуминатних цемената уз коришћење или рабиц мреже (челичне, полипропиленске, полиетиленске и сл.), или микроарматуре у виду различитих типова влакана.

Осим напред наведених најчешћих примена микроармираних композита у савременом грађевинарству треба споменути и следеће категорије малтера справљених уз додатак, на пример, полипропиленских влакана: фасадни малтери, репаратурни малтери, термоизолациони малтери, звукоизолациони малтери и хидроизолациони малтери.

У свим побројаним случајевима микроарматура тј. полипропиленска влакна могу да допринесу квалитету предметних композита. Испитивања су показала да бетонски елементи са полипропиленским влакнима, имају незнатна оштећења и при високим температурама (пожар). По сагоревању ових влакана на око 320оC, водена пара се "путевима" сагорелих влакана, евакукише и тиме не врши притисак на бетон и не разара га 18.

ХВАЛА НА ПАЖЊИ!ХВАЛА НА ПАЖЊИ!