1 Betonin rakenne ja ominaisuudet

9/14/2015
1. Betonin rakenne
ja ominaisuudet.
Kertausta, mekaaniset ominaisuudet :
• LUJUUS :
– kokeellisesti määritetty jännityksen arvo, jonka materiaali kestää
murtumatta.
– kappaleen muoto, kuormitusolosuhteet ja muut koejärjestelyt
vaikuttavat tulokseen, edellyttää standardisointia.
– tilastollinen suure, ominaisuuksissa aina hajontaa.
• JÄNNITYS :
– kappaleeseen vaikuttavan kappaleeseen vaikuttavan voiman ja
voimaan nähden kohtisuoran pinta-alan suhde.
– Oltava aina vähemmän kuin lujuus.
Lujuus = maximijännitys kokeessa =
max
= Fmax / A
1
9/14/2015
Eräs näkemys materiaalitekniikan kehityksestä
:
Suhteellinen osuus ! Määrät voivat silti kasvaa.
Aineet voidaan jakaa myös :
• Tiiviit aineet :
– Metallit.
– Kallioperä.
• Huokoiset aineet :
– Kuitumaiset aineet;
mineraalivilla, tekstiilit.
– Rakeiset aineet; maa-aines,
kevytsora -maalajit, kevytsora.
– Kiinteät huokoiset aineet; tiili,
laastit, betoni.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1 m3 = 1000 dm3 = 1000 l
ruostumaton teräs 7700 kg/m3
betoni 2300 kg/m3
teräsbetoni 2500 kg/m3
kuusi 410 kg/m3
puuvilla 81 kg/m 3
jää 917 kg/m3
vesi (4o C) 1000 kg/m3
vesihöyry 0,598 kg/m 3
Huokoisuus (tyhjää / tilavuus) e :
- Betoni 11%
- Mänty 68 %
- Mineraalivilla 98 %
Rakennukset ovat
siis suurimmaksi
osaksi ilmaa.
2
9/14/2015
Esimerkki kimmokertoimen ja tiheyden
välisestä yhteydestä :
-Kimmomoduuli :
=Ex
-
elastisuusmoduuli, Youngin moduuli.
-
kuvaa kappaleen venymistä venyttävän voiman
vaikutuksesta, jäykkyyttä.
= L/L
1000*
Lämpötilakertoimia ( 1 / 0C ) :
• Lämpötilakertoimia vaihtelevat aineilla yllättävän paljon :
–
–
–
–
–
alumiini
betoni
teräs
lasi
ruostumaton teräs
0,000024
0,000012 = 12x10-6 1 / 0C
0,000012
,
0,000008
0,000024
Ominaislämpökapasiteetti ( kJ / kg K ) :
• Ominaislämpökapasiteetit eroavat myös paljon :
–
–
–
–
–
–
–
–
alumiini 0,88
kupari 0,38
lyijy 0,13
teräkset 0,42..0,5
Betoni 0,75
vuolukivi 0,9
vesi nesteenä 4,2 ; jäänä 2,1.
ilma 1,01
Tuotekäytössä tiheys on ratkaisevaa
3
9/14/2015
Betonirakentamisen lähtökohdat :
+
+
+
+
+
Halpa, helposti valmistettava materiaali.
Erittäin hyvä puristuslujuus, säädettävissä.
Massiivisena hyvä ääntäeristävä materiaali.
Palonkestävä ja säänkestävä, pitkäikäinen materiaali.
Plastinen, muotoiltava materiaali.
Erittäin huono vetolujuus, vaatii raudoittamisen.
Painava, vaikea työstää kovettuneena.
Harmaa, vaikea värjätä ja saada pinnoittamatta sileää pintaa.
Tuo paljon rakennekosteutta rakennuksiin, kapillaarinen ja hygrosk.
Hankala ja kallis korjattava.
Vaikea kierrättää.
Raskas CO2 jalanjälki.
Käsitteet :
• Betoni :
–
–
–
–
Sideaine,lisäaineet, runkoainet, vesi ja ilma.
Tuore betoni, massa, kun betoni ei ole vielä kovettunut.
Sitoutunut betoni, kovettuminen on alkanut, lujuus pieni.
Kovettunut betoni, betoni on saavuttanut riittävän lujuuden.
• Sideaine :
– Sementti tai portlandsementti, joka on jauhettu eri hienouteen.
– Seosaineet; kalkkikivi, masuunikuona, lentotuhka ja silika.
– Lisäaineet; kiihdyttimet, hidastimet, notkistimet, pakkasenkest.
• Runkoaine :
– Luonnon- tai murskesora, hiekka ja filleri (vähint. 3 jaetta.)
– Kevytsora, pellettikuona, lentotuka, betonimurske, kumirouhe, olki….
Sementtirakenteita ei voi käyttää rakentamiseen.
4
9/14/2015
Sementin valmistus :
• Sementin valmistus vaatii
erittäin korkeita lämpötiloja
ja fossiilia polttoaineita :
– Uuniin voidaan syöttää jonkin
verran energia sisältäviä
palavia aineita.
Keksitty Englannissa 1854 ( Aspdin)
Paraisten kalkin sementin tuotanto
alkoi 1914.Tuontisementtiä 1856 asti.
Sementin valmistus jatkuu . . .
• Sementin valmistuksessa käytetään
kalkkikiveä, savea,
rautamalmia ja
muita seosaineita mm.
rautapitoisuuden
säätämiseksi :
Rotary kiln
– Aineet ovat erittäin
yleisiä maaperässä.
– Silikaattikemiaa.
– Vain epäorgaanisia
aineita.
Valkosementti tuodaan Suomeen.
Aluminaattisementti erittäin nopeasti
lujittuva, mutta ei sovi rakenteisiin.
5
9/14/2015
Impact of cement on worlwide CO2 production :
More silicate chemistry :
6
9/14/2015
Sementtituotteet :
Sementti sisältää klinkkeriä 60 – 95% , kipsiä 2 – 4% (hidastaa
sitoutumista), kalkkikiveä 2 – 10 % ja kuonaa 1 – 30 %.
Betonista keskeistä :
Geeli
Hydrataatio
Alliitti, belliitti, celliitti ja ferriitti . . .
Muokkautuvuus
vaatii
Hydrataatio,
lujuus
vaatii
7
9/14/2015
Runkoaine (60 – 70 %) :
• Runkoaineen raekokojakauma ja raemuoto
vaikuttavat ominaispinta-alaan, massan
muokkautuvuuteen ja sementin kulutukseen.
• Vaatimukset runkoaineelle, täyteaineelle :
– Pakkautuu, täyttää hyvin kolot
– Betonimassa pysyy hyvin koossa ja massa
tiivistyy hyvin.
– Tavallinen luonnon sora kelpaa yleensä
runkoaineeksi, rakeisuus tarkistettava.
– Humusta ei saa olla juuri lainkaan.
• Suurin sallittu raekoko riippuu rakenteen
mitoista :
– enintään 0,8 kertaa raudoitusterästen vapaa väli
– enintään 0,25 kertaa rakenteen pienin mitta
• Täytekivet asetettiin ennen (ei nykyään)
muotissa olevan betonin joukkoon sementin
säästämiseksi.
Vesi :
• Tavallinen vähähumuksinen joki-, järvi- ja jopa Suomen
rannikoiden merivesi kelpaa.
• Vaatimukset :
– Veden on oltava puhdasta,
Pääsimme
– pH ei alle 4-5,
tähän kalvoon
– suolapitoisuus alle 3,5 %,
viime kerralla
– sulfaattipitoisuus alle 0,5 %,
– ei humusta ja
– ei sokeria.
• Veden määrää voidaan vähentää lisäaineilla.
• VSS; vesisementtisuhde määrittää huokoisuuden ja
betonin ominaisuudet.
8
9/14/2015
Betonin lisäaineet :
•
Notkistimet ja nesteyttimet :
– massa saadaan notkeammaksi.
– Itse-tiivistyvä betoni.
• Lisähuokostusaineet :
– lisää säänkestävyyttä.
• Kiihdyttimet :
– nopeutetaan sitoutumista tai kovettumista
• Hidastimet :
– hidastetaan sitoutumista tai kovettumista.
– pesubetoni tehdään sivelemällä hidastinta muotin pintaan.
• Tiivistysaineet.
• Injektioaineet :
– sisältävät hidastinta, notkistinta ja paisunta-aineita
• Erikoisaineet :
– saadaan pakkasessa tai veden alla valettavia betonimassoja.
Betonin ominaisuudet :
• Betonin ominaisuudet ovat
seurausta sen
huokoisuudesta :
– Huokoisuus määräytyy
betonin vesisementtisuhteen
peusteella, ( oikeammin vesiilma-sementtisuhteen
perusteella.)
– Huokoisuus muuttuu ajan
kuluessa hitaasti betonin
kovettuessa,
karbonatisoituessa ja
massavirtausten seuruksena.
– Betoniin käytetään yleensä
liikaa vettä (kem. reaktio
tarvitsee vain vähän vettä)
työstettävyyden vuoksi.
Ylimääräisen veden on
haihduttava, ennen kuin
betonia voi päällystää
kosteusaralla pinnoitteella.
9
9/14/2015
Betonin huokoisuus :
Vapaa vesi
• Ilmahuokoset
Pintajännitys
muovaa pyöreäksi
– tiivistyshuokoset
– suojahuokoset.
• Kapillaatihuokoset
• Geelihuokoset
Kapillaarinen vesi
Betonin kidevesi
Rajat hyvin liukuvia,
eivät muodosta jatkuvia
systeemejä, jos VSS pieni
Onko pysyvä ominaisuus ?
Betonimassan sekoitus :
• Pakkosekoittimet
betoniteollisuudessa.
• Vapaapudotussekoittimet
työmaalla.
10
9/14/2015
Betonimassan
ominaisuudet :
• Betonia voidaan
valmistaa nestemäisestä..
puristustärytettävään
kaikilla notkeuksilla
lisäaineiden avulla.
• Tuoreen betonin kokeet :
– Muokkautuvuuskoe
•
•
•
•
painumakartio
leviämä
vajoama
VB- muodonmuutos-aika
– Ilmapitoisuuskoe.
Kaaviokuva sementin
ja sementtikiven
rakenteesta :
• Sementin jauhatus,
hienous vaihtelee eri
sementtituotteissa.
• Sementin seosaineet;
kalkkikivi, masuunikuona, lentotuhka,
silika reakoivat
pinnaltaan mutta
toimivat myös fillerinä :
– Hydratoitumaton
sementti on myös
filleriä.
11
9/14/2015
Sementin sitoutuminen ja kovettuminen :
a) Sementtihiukkaset veden
ympäröimänä.
b) Hydrataatiotuotteet alkavat
laajeta sementin pinalta
vesitilaan.
c) Reaktiotuotteet ovat
toisissaan kiinni,
sitoutuminen alkaa.
d) Hydrataatioaste on jo suuri
ja rakenne on saavuttanut
suuren lujuuden.
Vahvasti yksinkertaistaen !
Sementin kovettuminen :
• Alussa aluminaatit reagoivat
sementti-partikkelin pinnalla.
• Kipsi pysäyttää reaktion, että
sitoutuminen ei tapahdu liian
nopeasti.
• Silikaatit alkavat regoida,
murtautuvat ulos, rakenne saa
lujuuden.
• Emäksinen kalsiumhydroksidi
liuos käynnistää pozzolaanien
reaktiot.
• Lujuus seuraa silikaateista,
kalsiumhydroksidin lujuus on
hyvin pieni.
12
9/14/2015
Sementin kovettuminen jatkuu . . .
1. Reaktiot alkavat
sementtipartikkelin
pinnalla.
2. Silikaattigeeliä.
3. Etringiittiä syntyy
vähäisessä määrin
kipsilisäyksen takia
hydrataation alussa
Sementin lujuudenkehitys :
• Sementin lujuus seuraa sementin laadusta vesisementtisuhteesta ja
kuormitusiästä.
MPa
Sementin hydrataatioreaktiot jatkuvat koko sen eliniän ajan.
13
9/14/2015
Sementin lujuuskehitys :
• Lujuuskäyrä muuten
samanlainen paitsi
matalalämpösementillä :
– Seosaine-, kuonapitoisuus
selittää eron.
• Jos betonin pinnalla on
mustaa väriä :
– Huonolaatuinen
lentotuhka voi sisältää
myös vähän hiiltä.
Betonin lujuus :
• Seurausta sementin
lujuudesta :
– Sementin laatu ja VSS
tärkeimmät muuttujat.
– Käytetty runkoaine
vaikuttaa lujuuteen.
• Luonnon ja murskattu
sora lujempia kuin
sementtikivi.
• Kevytsora sementtikiveä
heikompaa.
14
9/14/2015
Betonin lujuus :
10 -15 %
puristuslujuudesta
• Betonilla on hyvä
puristuslujuus ja huono
vetolujuus :
– Rakenteisiin syntyy
halkeamia, kun betonin
vetolujuus ylittyy, jolloin
rakenteen jäykkyys ja
toimintatapa muuttuvat
merkittävällä tavalla.
Rakenteet on raudoitettava.
– Raudoittamattomia
rakenteita kuten esimerkiksi
perusanturoita mitoitettaessa
on betonin vetolujuus
määräävä tekijä.
Puristuslujuus
Vetolujuus
Erikoisbetonit :
• Raskaat betonit :
– runkoaine on raskasta, malmikiveä.
– säteilysuojabetonia.
• Korkealujuusbetonit :
– lujuus 60 ... 150 MPa.
• alhainen vesisementtisuhde, notkistimet ja
täytetaineet, silika ja lentotuhka.
– erittäin tiivis, hyvä säilyvyys.
– vaatii kaikissa valmistusprosessin vaiheissa
erittäin suurta tarkkuutta.
• Tulevaisuuden erikoislujat betonit :
– tutkijat saavuttaneet 150 ... 300 Mpa lujuuksia.
– ei toistaiseksi käytössä.
• Kuitubetonit :
– teräskuidut parantavat betonin vetolujuutta.
– käytössä lattioissa, kulutuskestävyys.
• Ferrobetoni :
– tiheillä teräsverkoilla raudoitettu betoni.
– betoniveneet
15
9/14/2015
Kovettuneelle betonille tehtävät kokeet :
• Puristuslujuuskoe - kuutio tai
lieriö.
• Halkaisuvetolujuuskoe - lieriö
• Taivutusvetolujuuskoe - prisma
• Vesitiiviyskoe - lieriö
• Pakkasenkestävyyskoe - kuutio
Puristuslujuus
Vetolujuus
Murtopuristuma =
cu
Betonin kutistuminen :
• Kutistumaa rajoittaa :
– Kiviaines; raekoko, laatu,
rakeisuus.
• Kutistuu :
– Sideaines; vesi + ilma +
lisäaineet = sementtipasta
• Kutistuminen on seurausta tuoreen betonin kokoonpainumisesta
(plastinen kutistuma) ja kovettuneella betonilla veden poistumisesta
(kuivumiskutistuma) ja sementtikiven kemiallisista reaktioista (mm.
karbonatisoituminen).
• kuivumiskutistuminen 1,2 ... 0,5 x 10-3, RH muuttuu 50 ... 90 %.
Laastit
Betonit
16
9/14/2015
Betonin ominaisuuksia :
• Kimmomoduli; 25 000 – 35 000 MPa.
– betonin viruminen,
pitkäaikaismuodonmuutokset
kuormitettuna suurentavat
muodonmuutoksia, jopa nelinkertaisiksi.
Puolessa vuodessa tapahtuu 60 %,
vuodessa n. 80 % virumisesta.
• seuraa kuormitusastetta ja
kosteuspitoisuutta.
= 8 ... 12 x 10-6 x1/0c
– yhtä suuri kuin teräksellä, runkoaineella
pieni vaikutus.
• Lämpöliike;
• Vesitiivys;
– rajoitetaan halkeilua.
– tiivis betoni, katkotaan kapillarit.
• Pakkasenkestävyys;
– lisätään betoniin suojahuokosia.
– alentavat lujuutta.
– tiivistävät betonia.
Voiko betonia paikata, liimata, täyttää kolot niin että sitä ei huomaa ?
Betonin palonkestävyys :
• Betonin palonkestävyys on
erittäin hyvä :
– palamaton materiaali.
– betonin sisältämän
kosteuden poistuminen
lisää sen
palonkestävyyttä.
– kidevedenpoistuminen
aloittaa betonin
hajoamisen.
– betonin väri muuttuu
tulipalon seurauksena,
sen kelpoisuus voidaan
arvioida muutoksen
perusteella.
– kevytsoraharkot,
erityisesti kevytbetonit
ovat erittäin hyviä
palonkestävyydeltään.
Tulipalon aikana
Tulipalon jälkeen
17
9/14/2015
Betonin vaurioituminen :
•
•
•
(Ca(OH)2 +CO2 > CaCO3 + H2O)
Betoni voi vaurioitua :
– Mekaanisesti ulkoisen voiman vaikutuksesta.
– Pakkasrapautumalla (toistuva jäätyminen ja
sulaminen).
– Sisäisesti alkalikiviainereaktion vaikutuksesta
rapautumalla.
– Kemiallisesta ulkoisesta vaikutuksesta rapautumalla.
– Karbonatisoitumalla. Liukenemalla (kalsiumhydroksidi).
– Home- ja värivauriot.
Betonille haitallisia aineita :
– Hiilidioksidi (yhdessä veden kanssa heikko happo).
– Hapot (betonin tuhoutuminen).
– Sulfaatit (betonin tuhoutuminen, raudoituksen
korroosio)
– Cloridit (raudoitusten ruostuminen,
pakkasrapautuminen)
– Magnesium- ja ammoniumsuolat.
Jos betoni on hyvin tiivistä sen kestävyys on myös hyvä :
– myös sementin laatu ja runkoaineen laatu vaikuttavat
betonin kestävyyteen.
Teräsbetonirakenteen vaurioituminen :
• Betoninen alkalisena ympäristönä riittää suojaamaan betoniteräksiä
korroosiolta :
– karbonatisoituminen pienetää alkaallisuutta, raudoitus alkaa
ruostumaan.
– Cloridit käynnistävät ruostumisen jo alkaalisessa betonissa.
– Voidaan suojata katodisella suojauksella.
– Alumiini, lyijy ja sinkki kestävät huonosti alkaalissa ympäristössä.
Suolojen kulkeutuminen
Koe paljastaa, että raudoitus on
karbonatisoituneessa vyöhykkeessä
18
9/14/2015
Teräsbetonirakenteen ympäristörasitusluokat :
Sementin käytön ABC :
• Ei liikaa vettä :
– JOT - juuri riittävä määrä työstettävyyden kannalta.
• Massa – alusta - olosuhteet oltava kohdallaan :
– > + 5 miel. +10 oC, paitsi pakkastuotteilla.
– Vältettävä auringon paistetta, ihannesää työhön yleensä
pilvinen, tuuleton +15 oC. Peitä huolella.
• Jälkihoito eli suojaus ja kostutus tärkeää :
– Pinnat viimeisteltävä oikeaaikaisesti.
– sumu tai pieni tihkusade hyväksi.
• Lämpö vaikuttaa voimakkaasti reaktionopeuteen
– työstöaikoihin ja lujuuden kehitykseen.
– massiivisissa valuissa joudutaan käyttämään
alhaislämpösementtejä tai jäähdytystä.
– Vältä myös ohuita ( < 50 mm) valuja.
19
9/14/2015
Ohjeita omatoimiselle :
Tee pieni koevalu, tarkista että vesi ja runkoaines on puhdasta.
Käytä betonisekoitinta.
Betonin lujuuden vaikutus tuotteen
kustannuksiin :
20