DIPLOMSKA NALOGA VISOKOŠOLSKI STROKOVNI ŠTUDIJSKI PROGRAM PRVE STOPNJE OPERATIVNO GRADBENIŠTVOLjubljana, 2021

(1)

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo

DIPLOMSKA NALOGA

VISOKOŠOLSKI STROKOVNI ŠTUDIJSKI PROGRAM PRVE STOPNJE OPERATIVNO GRADBENIŠTVO

Ljubljana, 2021

Hrbtna stran: 2021

JAKA KRNC

LASTNOSTI BETONOV Z ŽLINDRINIM CEMENTOM

KRNC JAKA

(2)

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo

Kandidat/-ka:

Mentor/-ica: Predsednik komisije:

Somentor/-ica:

Član komisije:

Ljubljana, _____________

Diplomska naloga št.:

Graduation thesis No.:

JAKA KRNC

LASTNOSTI BETONOV Z ŽLINDRINIM CEMENTOM

PROPERTIES OF SLAG CEMENT CONCRETE

prof. dr. Violeta Bokan Bosiljkov

(3)

Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom. I Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

POPRAVKI – ERRATA

Stran z napako Vrstica z napako Namesto Naj bo

(4)

II Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

»Ta stran je namenoma prazna«

(5)

Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom. III Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

ZAHVALA

Za pomoč in strokovne napotke pri izdelavi diplomske naloge se iskreno zahvaljujem mentorici prof.

dr. Violeti Bokan-Bosiljkov. Zahvaljujem se tudi gospodu Franciju Čeponu, za pomoč in vodenje pri izvedbi laboratorijskih preiskav.

Zahvaljujem se tudi svoji družini, prijateljem in sošolcem za vso podporo in pomoč v času študija.

(6)

IV Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

(7)

Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom. V Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

BIBLIOGRAFSKO-DOKUMENTACIJSKA STRAN IN IZVLEČEK

UDK: 691.32(497.4)(043.2)

Avtor: Jaka Krnc

Mentor: prof. dr. Violeta Bokan-Bosiljkov

Naslov: Lastnosti betonov z žlindrinim cementom

Tip dokumenta: diplomska naloga

Obseg in oprema: 44 str., 21 sl., 14 pregl., 10 graf.

Ključne besede: beton, žlindrin cement, preskus s posedom, preskus z razlezom, tlačna trdnost, ultrazvok, modul elastičnosti, strižni modul, Poissonov koeficient

Izvleček

V diplomski nalogi so obravnavane lastnosti betonskih mešanic, katerih vezivo predstavlja žlindrin cement CEM III/B 32,5 N-LH/SR, z nizko toploto hidratacije. Za pridobitev podatkov o lastnostih različnih mešanic so bile opravljene laboratorijske preiskave svežega in strjenega betona. Na svežih mešanicah so bile opravljene preiskave za določitev konsistence (metoda s posedom in metoda z razlezom), na strjenih vzorcih pa so bili določeni tlačna trdnost s porušno metodo in elastični parametri z uporabo ultrazvočne preiskave. Enake preiskave so bile opravljene tudi na betonih s Portlandskim cementom CEM II/B-M (LL-V) 42,5 N. Cementi CEM II/B so najpogosteje uporabljena vrsta cementa v slovenski gradbeniški praksi. Sledila je analiza rezultatov in njihova medsebojna primerjava. Rezultati so pokazali, da so betoni z žlindrinim cementom bolj tekoče konsistence, kot betoni s Portlandskim cementom. Zgodnje vrednosti mehanskih lastnosti, kot so tlačna trdnost ter dinamični modul elastičnosti in strižni modul, so občutno nižje pri betonih z žlindrinim cementom, zaradi počasnejšega oblikovanja produktov hidratacije. Po osemindvajsetih dneh hidratacije pa se razlika tlačnih trdnosti in elastičnih parametrov med betoni z žlindrinim cementom in betoni s Portlandskim cementom bistveno zmanjša.

V nekaterih primerih betoni z žlindrinim cementom dosežejo celo višje 28-dnevne vrednosti mehanskih lastnosti.

(8)

VI Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

(9)

Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom. VII Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

BIBLIOGRAPHIC-DOCUMENTALISTIC INFORMATION AND ABSTRACT

UDC: 691.32(497.4)(043.2)

Author: Jaka Krnc

Supervisor: prof. Violeta Bokan-Bosiljkov, Ph. D.

Title: Properties of slag cement concrete

Document type: Graduation Thesis

Notes: 44 p., 21 fig., 14 tab., 10 graph.

Keywords: concrete, slag cement, slump test, flow table test, compressive strength, ultrasound, modulus of elasticity, shear modulus, Poisson's ratio

Abstract

The graduation thesis deals with the properties of concrete mixtures prepared with slag cement CEM III / B 32.5 N-LH / SR with low heat of hydration. Laboratory tests of fresh and hardened concrete were performed to obtain data on the properties of different mixtures. Slump test and flow table test were performed to determine the consistency of fresh concrete. Compressive strength was determined on hardened samples and elastic parameters were measured using the ultrasonic technique. The same tests were performed on concretes with Portland cement CEM II / B-M (LL-V) 42.5 N. CEM II / B types of cement are the most commonly used cements in Slovenian construction practice. After completed laboratory tests, an analysis of the test results and their comparison followed. The obtained results showed that slag cement concretes have a more liquid consistency than Portland cement concretes. Due to the slower formation of hydration products, early age mechanical properties, such as compressive strength and dynamic modulus of elasticity and shear modulus, are significantly lower in the slag cement concretes. After twenty-eight days of binder hydration, the difference in compressive strength and elastic parameters between the slag cement concrete and Portland cement concrete decreases significantly. In some cases, slag cement concrete achieves even higher mechanical properties after twenty eight days.

(10)

VIII Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

(11)

Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom. IX Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

KAZALO

POPRAVKI – ERRATA ... I ZAHVALA ... III BIBLIOGRAFSKO-DOKUMENTACIJSKA STRAN IN IZVLEČEK ... V BIBLIOGRAPHIC-DOCUMENTALISTIC INFORMATION AND ABSTRACT ... VII KAZALO ... IX KAZALO SLIK ... XI KAZALO PREGLEDNIC ... XIII KAZALO GRAFIKONOV... XV

1 UVOD ... 1

2 MASIVNI BETON ... 3

2.1 Cement ... 3

2.1.1 Vrste cementov po standardu SIST EN 197-1 ... 4

2.1.2 Sestava cementnega klinkerja ... 6

2.1.3 Proizvodnja cementa ... 8

2.1.4 Mineralni dodatki ... 9

2.1.4.1 Elektrofiltrski pepel ... 10

2.1.4.2 Granulirana plavžna žlindra ... 10

2.1.4.3 Mikrosilika ... 10

2.2 Agregat ... 10

2.2.1 Zrnavostna sestava in maksimalno zrno ... 11

2.2.2 Trdnost agregata ... 12

2.2.3 Vlažnost agregata ... 12

2.3 Voda ... 13

2.4 Kemijski dodatki ... 13

2.4.1 Plastifikatorji in superplastifikatorji ... 13

2.4.2 Aeranti ... 14

2.4.3 Pospeševalci in zaviralci vezanja ... 14

3 POTEK PREISKAV ... 15

3.1 Določitev vlažnosti agregatov ... 15

3.2 Priprava betonske mešanice ... 15

3.3 Določitev konsistence betona ... 17

3.3.1 Metoda s posedom ... 17

3.3.2 Metoda z razlezom ... 18

3.4 Vgradnja vzorcev betona v kalupe ... 19

3.4.1 Standardni preizkušanci ... 19

3.4.1.1 Standardna kocka ... 19

3.4.1.2 Standardna prizma ... 19

3.4.2 Izdelava vzorcev ... 20

3.5 Nega vzorcev ... 21

3.5.1 Nega vzorcev med vgradnjo in razkalupljanjem ... 21

3.5.2 Razkalupljanje vzorcev ... 22

(12)

X Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

3.5.3 Nega vzorcev po razkalupljenju ... 22

3.6 Določitev tlačne trdnosti s porušno metodo ... 22

3.7 Ultrazvočna preiskava... 23

3.7.1 Določitev Poissonovega količnika ... 24

3.7.2 Določitev dinamičnega modula elastičnosti ... 25

3.7.3 Določitev strižnega modula ... 25

4 BETONSKE MEŠANICE ... 27

4.1 Uporabljene komponente v mešanicah ... 27

4.1.1 Agregat ... 27

4.1.2 Cement ... 27

4.1.2.1 Portlandski cement CEM-II ... 27

4.1.2.2 Žlindrin cement CEM-III ... 27

4.1.3 Voda ... 28

4.1.4 Superplastifikator Hiperplast 182... 28

4.2 Betonska mešanica MB-1 ... 28

4.5 Betonska mešanica MB4 ... 30

5 ANALIZA ... 31

5.1 Posed ... 31

5.2 Razlez ... 33

5.3 Tlačna trdnost ... 35

5.3.1 Prirast tlačne trdnosti ... 37

5.4 Elastični parametri ... 38

5.4.1 Poissonov količnik ... 38

5.4.2 Dinamični modul elastičnosti ... 39

5.4.3 Strižni modul ... 40

6 ZAKLJUČEK ... 41

VIRI ... 43

(13)

Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom. XI Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

KAZALO SLIK

Slika 1: Označevanje cementov v skladu s standardom SIST EN 197-1 [5] ... 5

Slika 2: Razvoj trdnosti značilnih mineralov Portland cementnega klinkerja [7] ... 8

Slika 3: Shema proizvodnega procesa cementa [8] ... 8

Slika 4: Shema rotacijske peči ... 9

Slika 5: Priporočene mejne krivulje zrnavosti za mešanico agregata 0/32 mm [14] ... 12

Slika 7: Razmerje med količino vode in razlezom betona s in brez superplastifikatorja [10] ... 14

Slika 8: Tehtanje vzorca agregata ... 15

Slika 9: Agregat in cement ... 16

Slika 10: Agregat in cement v mešalnem bobnu pred mešanjem ... 16

Slika 11: Beton po mešanju ... 17

Slika 12: Meritev poseda ... 18

Slika 13: Meritev razleza... 18

Slika 14: Kalup standardne kocke ... 19

Slika 15: Kalupi standardnih prizem ... 20

Slika 16: Betonski vzorci, vgrajeni v standardne kocke ... 21

Slika 17: Pokriti betonski vzorci ... 21

Slika 18: Betonski vzorec star 24 ur med razkalupljanjem ... 22

Slika 19: Nega betonskih vzorcev v vodi ... 22

Slika 20: Betonski vzorec ob porušitvi ... 23

Slika 21: Postavitev sond na obravnavanem vzorcu ... 24

(14)

XII Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

(15)

Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom. XIII Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

KAZALO PREGLEDNIC

Preglednica 1: Zgoščena predstavitev proizvodov iz družine običajnih cementov [4] ... 5

Preglednica 2: Trdnostni razredi običajnih cementov po SIST EN 197-1 [6]... 6

Preglednica 3: Kemijska sestava Portland cementnega klinkerja in okrajšave značilnih oksidov [5, 6] 7 Preglednica 4: Glavni minerali Portland cementnega klinkerja [4] ... 7

Preglednica 5: Stanja vlažnosti agregata [2] ... 13

Preglednica 6: Sestava betonske mešanice MB-1 ... 28

Preglednica 10: Posed betonskih mešanic ... 31

Preglednica 11: Razredi posedov ... 32

Preglednica 12: Razlezi betonskih mešanic ... 33

Preglednica 13: Razredi razleza ... 34

Preglednica 14: Povprečne tlačne trdnosti betonskih mešanic ... 35

(16)

XIV Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

(17)

Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom. XV Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

KAZALO GRAFIKONOV

Grafikon 1: Posedi mešanic... 31

Grafikon 2: Padci posedov ... 32

Grafikon 3: Razlezi mešanic ... 33

Grafikon 4: Padci razlezov ... 35

Grafikon 5: Tlačne trdnosti vzorcev MB-1 in MB-2 ... 36

Grafikon 6: Tlačne trdnosti vzorcev MB-3 in MB-4 ... 37

Grafikon 7: Prirast tlačnih trdnosti ... 37

Grafikon 8: Poissonov količnik vzorcev MB-1 in MB-2 ... 38

Grafikon 9: Dinamični modul elastičnosti vzorcev MB-1 in MB-2... 39

Grafikon 10: Strižni modul vzorcev MB-1 in MB-2 ... 40

(18)

XVI Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

(19)

Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom. 1 Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo..

1 UVOD

Beton je najpogostejši konstrukcijski material v sodobnem gradbeništvu. Proizvedemo ga z mešanjem agregatnih zrn, cementa, vode in dodatkov. Razmerja med njimi in vrsta uporabljene sestavine vplivajo na lastnosti betona. Začetki uporabe predhodnikov sodobnega betona segajo v čas antičnega Rima. Nato so se tehnologija, proizvodnja in uporaba betona skozi zgodovino spreminjale. Dejanski začetek sodobnega betona sega v leto 1824, ko je britanski kamnosek Joseph Aspdin patentiral Portland cement, ki predstavlja osnovno sestavino betona, ki ga poznamo danes. Njegov postopek je izpopolnil I. C.

Johnson, ki je ugotovil, da Portland cement doseže višjo trdnost, če je surovina med proizvodnjo žgana do sintranja pri temperaturi do 1500 °C [1].

Zaradi možnosti poljubnega oblikovanja v svežem stanju, s pomočjo opažev, ter enakega koeficienta temperaturnega raztezka strjenega betona in jeklene armature, ki prevzame natezne napetosti v armiranem betonu, se je beton razvil do te mere, da ga uporabljamo kot glavni konstrukcijski material tako v najenostavnejših, kot najzahtevnejših objektih. Ker pa se potreba po lastnostih betona spreminja v odvisnosti od armirano-betonskega objekta in okolja, v katerem je, se razlikujejo tudi betonske mešanice, ki jih proizvajamo. Razlike so med vrstami in količinami komponent, ki sestavljajo beton.

Za masovno uporabo armiranega betona danes pa so odgovorne še druge njegove pozitivne lastnosti.

Beton je odporen proti vplivom delovanja vode, zato se pogosto uporablja za izgradnjo hidrotehničnih objektov. Že v času antičnega Rima so uporabljali beton pri gradnji akvaduktov in konstrukcij v pristaniščih. Zelo pomemben razlog predstavljata tudi cena in dostopnost.. Cene betona so v primerjavi z ostalimi gradbenimi materiali relativno nizke, surovine za njegovo proizvodnjo pa so lokalno dostopne skoraj povsod po svetu. Ostali prednosti betona pred drugimi materiali sta tudi požarna odpornost in enostavno vzdrževanje [2].

Ena od skupin betonov s posebnimi lastnostmi so tudi masivni betoni oziroma betoni za gradnjo masivnih konstrukcij. Masivne betonske konstrukcije so konstrukcije, pri katerih lahko vplivi hidratacije veziva pri zgodnji starosti, kot sta toplota hidratacije in avtogeno krčenje, povzročijo oblikovanje razpok [3].

V okviru te diplomske naloge smo preverjali vpliv cementov z relativno nizko toploto hidratacije na osnovne standardne lastnosti betona, ki je potencialno primeren za gradnjo masivnih konstrukcij. Namen diplomske naloge je ugotoviti, kakšne so razlike med lastnostmi betonskih mešanic, če se te razlikujejo samo po vrsti cementa. V laboratoriju smo izvajali preiskave na betonskih mešanicah štirih različnih receptur (MB-1, MB-2, MB-3 in MB-4). Vse mešanice vsebujejo kombinacijo drobljenega in naravnega rečnega agregata, razlikujejo pa se v vrsti in količini cementa. Mešanici MB-1 in MB-3 vsebujeta cement CEM II (portlandski cement z mineralnimi dodatki), mešanici MB-2 in MB-4 pa cement CEM III (žlindrin cement). Svežemu betonu smo določili konsistenco s posedom in razlezom ter opazovali spreminjanje konsistence s časom. Na strjenih vzorcih pa smo opazovali razvoj tlačne trdnosti in elastičnih parametrov, kot so dinamični modul elastičnosti E, dinamični strižni modul G in dinamični Poissonov količnik µ. Po opravljenih analizah rezultatov in njihovi primerjavi smo podali zaključke o prednostih in slabostih posameznih mešanic in primernosti njihove uporabe v praksi.

(20)

2 Krnc, J. 2021. Lastnosti betonov z žlindrinim cementom.

Dipl. nal. Ljubljana, UL FGG, Visokošolski študijski program prve stopnje Operativno gradbeništvo.

(21)

2 MASIVNI BETON

Beton je kompozitni material, ki ga sestavljajo agregat, vezivo (cement), voda in dodatki. Ob zamešanju vseh komponent steče reakcija vezanja med vodo in cementom, ki omogoči, da cementna pasta, ki je lepilo v sestavi svežega betona, preide v trdno agregatno stanje cementnega kamna. Cementni kamen poveže agregatna zrna v homogen umetni kamen, beton. Reakciji vezanja rečemo tudi hidratacija cementa. Pri hidrataciji cementa se sprošča toplota, zato v primeru dovolj velikih dimenzij betonskih ali armirano-betonskih elementov nastanejo relativno velike razlike v temperaturah med jedrom in površino elementov, kar lahko pripelje do oblikovanja razpok. V takih primerih govorimo o masivnih betonskih konstrukcijah. V zadnjem času pa je pozornost raziskovalcev na tem področju usmerjena tudi v oblikovanje razpok zaradi avtogenega krčenja in zapoznelega oblikovanja etringita. Zapoznelo oblikovanje etringita je povezano s temperaturami okrog in nad 65 ℃ pri zgodnjih starostih. Zato je definicija masivnih betonskih konstrukcij v nedavnem dokumentu RILEM STAR Thermal Cracking of Massive Concrete Structures, novelirana [3]: »Masivne betonske konstrukcije so konstrukcije, pri katerih rezultati hidratacije hidravličnega veziva (cement in ostala hidravlična veziva), med njimi predvsem sproščanje toplote in avtogeno krčenje, pri zgodnji starosti betona povzročajo oblikovanje razpok. Sproščanje toplote zaradi hidratacije veziva in posledično naraščanje temperature pa ne generirata le temperaturnih gradientov v prostoru in času, ampak lahko privedeta tudi do zapoznelega oblikovanja etringita (Delayed Ettringite Formation – DEF), če temperatura mladega betona naraste do 65°C. Reakcija je ekspanzivna in povzroča dodatne poškodbe betonske strukture.«

Ker je vir sproščene hidratacijske toplote uporabljen cement ali mešanica cementa in mineralnih dodatkov, je primarni ukrep za zmanjševanje temperatur in temperaturnih gradientov v betonu uporaba čim nižje količine cementa ter uporaba cementa z nizko toploto hidratacije.

2.1 Cement

Cement je mineralno (neorgansko) hidravlično vezivo. V gradbeništvu ga uporabljamo kot vezivo v betonih in maltah. Zaradi masovne uporabe betona in armiranega betona v svetu je cement najpogosteje uporabljeno mineralno vezivo v gradbeništvu. Njegova lastnost je, da pomešan z vodo tvori cementno pasto. Cementna pasta je lepilo, ki uspešno poveže agregatna zrna v betonu, cementnem estrihu ter maltah za zidanje in omete. Zaradi kemijskih reakcij v procesu hidratacije cementa in spremljajočih fizikalnih procesov prehaja cementna pasta v procesu vezanja v cementni kamen. Prehod v trdno agregatno stanje omogoči vzdrževanje homogenosti betonskih konstrukcijskih elementov, ki ga v osnovi zagotavlja plastična betonska mešanica v svežem stanju. Strjevanje betona, ki sledi vezanju, pa omogoča naraščanje trdnosti betona in stika med betonom in jekleno armaturo ter s tem ustrezno nosilnost konstrukcijskih elementov iz armiranega betona. Istočasno se z ustrezno nego in starostjo povečuje trajnost teh elementov v različnih okoljih. [2].

Danes imamo na voljo različne vrste cementov, ki poleg Portland cementnega klinkerja vsebujejo še različne mineralne dodatke. Ti mineralni dodatkov so največkrat sekundarni produkti drugih industrij, kot so mleta granulirana plavžna žlindra, filtrski pepeli iz termičnih procesov, mikrosilika itd. Tukaj se bomo omejili na osnovne vrste cementov po slovenskem standardu SIST EN 197-1 [4].

(22)

2.1.1 Vrste cementov po standardu SIST EN 197-1

Slovenski standard SIST EN 197-1 določa in postavlja zahteve za 27 različnih običajnih cementov. V standardu so postavljene zahteve tudi za druge vrste cementov, kot so sulfatnoodporni in žlindrini z nizko zgodnjo trdnostjo. Tukaj bomo obravnavali le običajne cemente.

Standard razvršča običajne cemente na 5 glavnih vrst, glede na količino in vrsto mineralnega dodatka ali dodatkov, ki jih cement vsebuje:

CEM I Portlandski cement

CEM II Mešani portlandski cement CEM III Žlindrin cement

CEM IV Pucolanski cement CEM V Mešani cement

Običajni cementi so označeni z oznako CEM, ki ji sledi rimska številka, ki pove vrsto cementa. Sledijo oznake deleža in vrste mineralnih dodatkov, če jih cement vsebuje. Arabska številka predstavlja trdnostni razred cementa, ki se določa pri starosti 28 dni. Na koncu je črka R ali N; ta črka označuje visoko (R-rapid) ali običajno (N-normal) zgodnjo trdnost in je indikator hitrosti strjevanja cementa.

Končno vrsto cementa definirajo glavne sestavine, katerih masni delež predstavlja vsaj 5% skupne mase in dodatne sestavine (polnila), katerih skupna masa ne presega 5% mase glavnih komponent. Proizvodi, ki sodijo med običajne cemente, so v zgoščeni obliki prikazani v preglednici 1.

(23)

Preglednica 1: Zgoščena predstavitev proizvodov iz družine običajnih cementov [4]

Vrsta cementa

Vrsta glavne sestavine Oznaka proizvoda Delež klinkerja

/ mineralnega dodatka

CEM I Klinker Portlandski

cement

CEM I 95-100 / 0

CEM II Klinker in mineralni dodatki:

Granulirana plavžna žlindra,

mikrosilika*, pucolan,

elektrofiltrski pepel, žgani skrilavec, apnenec, mešani mineralni dodatek

Portlandski cement z dodatki

CEM II/A-mi 80-94 / 21-35

*90-94 / 6-10 CEM II/B-mi 65-79 / 21-35

CEM III Klinker in granulirana plavžna žlindra

Žlindrin cement

CEM III/A 35-64 / 36-65 CEM III/B 20-34 / 66-80 CEM III/C 5-19 /81-95 CEM IV Klinker, mikrosilika, pucolan,

elektrofiltrski pepel

Pucolanski cement

CEM IV/A 65-89 / 11-35 CEM IV/B 45-64 / 36-55 CEM V Klinker, granulirana plavžna

žlindra, mikrosilika, pucolan, elektrofiltrski pepel

Mešani cement

CEM V/A 40-64 / 36-60

CEM V/B 20-39 / 61-80

Slika 1: Označevanje cementov v skladu s standardom SIST EN 197-1 [5]

(24)

Indikator vrste mineralnih dodatkov M pomeni, da sta klinkerju dodana še vsaj dva mineralna dodatka.

Vsak dodatek ima svojo oznako: granulirana plavžna žlindra (S), mikrosilika (D), naravni pucolani (P), naravni kalcinirani pucolani (Q), silikatni elektrofiltrski pepel (V), karbonski elektrofiltrski pepel (W), žgani skrilavec (T) in apnenec (L, LL). Oznakam dodatkov sledi trdnostni razred, temu pa indikator hitrosti strjevanja: N – normalna hitrost strjevanja, R – pospešena hitrost strjevanja [6]. Trdnostni razred in indikator hitrosti strjevanja določamo v skladu s preglednico 2.

Preglednica 2: Trdnostni razredi običajnih cementov po SIST EN 197-1 [6]

Tlačna trdnost (MPa)

Trdnostni razred Zgodnja trdnost Standardna trdnost

2 dneva 7 dni 28 dni

32,5 N - 16,0 32,5 52,5

32,5 R 10,0 - 32,5 52,5

42,5 N 10,0 - 42,5 62,5

42,5 R 20,0 - 42,5 62,5

52,5 N 20,0 - 52,5

52,5 R 30,0 - 52,5

2.1.2 Sestava cementnega klinkerja

Cementni klinker je sestavljen iz več različnih vrst mineralov (preglednica 4). Vsakega izmed mineralov pa gradi kombinacija različnih osnovnih spojin (preglednica 3). Vsaka vrsta minerala predstavlja skupni delež celote klinkerja in mu daje svoje lastnosti [4, 6].

(25)

Preglednica 3: Kemijska sestava Portland cementnega klinkerja in okrajšave značilnih oksidov [5, 6]

Spojina Delež Komponenta

CaO 60-67 % C

SiO2 17-25 % S

Al2O3 3-8 % A

Fe2O3 0,5-6 % F

SO3 1-3 % S

Alkalije (K2O, Na2O) 0,2-1,3%

Primesi nevezan CaO do 2% in MgO do 4%

Preglednica 4: Glavni minerali Portland cementnega klinkerja [4]

Mineral Oznaka Spojine Delež Lastnosti

Trikalcijev silikat (Alit) C3S 3CaO * SiO2 40-70 % Najpomembnejši, pospešuje proces hidratacije in povzroča visoke trdnosti

Dikalcijev silikat (Belit) C2S 2CaO * SiO2 5-30 % Zavira in podaljšuje proces hidratacije in strjevanja

Trikalcijev aluminat (Celit)

C3A 3CaO * Al2O3 7-15% Pospešuje strjevanj in razvoj hidratacijske toplote, občutljiv na sulfatno korozijo

Tetrakalcijev aluminoferit (Zelit)

C4AF 4Cao * Al2O3

* Fe2O3

10-20 % Zavira strjevanje, odporen na sulfatno korozijo

(26)

Slika 2: Razvoj trdnosti značilnih mineralov Portland cementnega klinkerja [7]

2.1.3 Proizvodnja cementa

Proces proizvodnje cementa se izvaja v več sklopih:

• Pridobivanje mineralnih surovin,

• Priprava (predhomogenizacija) mineralnih surovin

• Mletje surovinske moke

• Žganje cementnega klinkerja

• Mletje klinkerja in dodajanje mineralnih dodatkov

• Pakiranje, skladiščenje in transport.

Slika 3: Shema proizvodnega procesa cementa [8]

Mineralne surovine za proizvodnjo cementa pridobivamo v kamnolomu, z vrtanjem vrtin in miniranjem kamnine, ki vsebuje ustrezno razmerje mineralov za cementno industrijo, kot je na primer laporovec.

Kamnina mora biti mešanica različnih karbonatnih in silikatnih komponent. Pridobljena zrna so lahko dimenzij od nekaj milimetrov do 1,5 metra in več, zato jih je potrebno s prekucniki transportirati do drobilnika, kjer se zdrobi na 30 do 150 mm. Tako pridobljena surovina se analizira, da se določi njena dejanska kemijska sestava. Sledi proces predhomogenizacije, ki omogoča odvzemanje surovine enake

(27)

sestave iz posameznega kupa in njen transport do mlinov, kjer se proizvaja surovinska moka. Med mletjem surovinske moke se dodajajo različni dodatki za končno prilagoditev kemijske sestave surovinske moke. Ti dodatki so apnenec, kremenčev pesek. Železovi oksidi, ….

Pripravi surovin sledijo trije koraki termične obdelave. Prvi je sušenje, predgrevanje in dekarbonatizacija v toplotnem izmenjevalniku, ki mešanici dvigne temperaturo do okoli 900 ℃ in s tem omogoči termični razpad karbonatnih mineralov.. To je proces, pri katerem se zaradi povišane temperature izloča CO2, pri tem pa nastane žgano apno oziroma kalcijev oksid (CaO). Ker je toplotni izmenjevalnik segrel surovinsko moko, se skrajša čas žganja v rotacijski peči, ki je drugi korak termične obdelave. Dekarbonatizirana surovinska moka s temperaturo okrog 900 °C, vstopa v rotacijsko peč v hladnejšem delu in se postopoma pomika proti toplejšemu delu, kjer doseže najvišjo temperaturo 1450

℃. Pri okrog 1300 ℃ se material delno raztali. Pri tem začnejo potekati kompleksne kemijske reakcije, ki vodijo do nastanka klinkerskih mineralov belita, aluminata in ferita. V coni sintranja belit reagira s prostim apnom in nastane alit, najpomembnejši klinkerski mineral.

Rotacijska peč je blago nagnjen cilinder s premerom nekaj metrov in dolžine med 50 in 200 metrov, stene pa ima obložene z ognjevarnim materialom. Na spodnji strani se nahaja gorilnik, na zgornji pa je prostor za doziranje surovin. Njeno rotiranje okoli svoje daljše osi povzroča, da se material premika z višje točke proti nižji, kjer je tretji korak obdelave - ohlajanje.

Slika 4: Shema rotacijske peči

Rezultat žganja v rotacijski peči so zrna cementnega klinkerja premera med 1-25 milimetrov. Za proizvodnjo končnega produkta, cementa, je potrebno klinkerju dodati še mineralne dodatke, ter vse skupaj zmleti do te mere, da dobimo praškast material. Proizvode nato skladiščimo v silosih ali pa jih pakiramo v vreče. Sledi transport cementa v betonarne s cisternami [1, 4, 9].

2.1.4 Mineralni dodatki

Mineralni dodatki so snovi, ki jih dodamo Portland cementnemu klinkerju in lahko predstavljajo relativno velik delež skupne mase cementa. Njihova glavna prednost je, da ugodno vplivajo na tehnične lastnosti betona, kot so: kemična odpornost, preprečevanje razpokanosti, izboljšanje obdelavnosti svežega betona, tlačna trdnost in zmanjšanje hidratacijske toplote. Poleg tega služijo tudi kot polnilo v betonski mešanici.

(28)

V večini primerov mineralni dodatki predstavljajo sekundarno surovino, ki nastane v različnih proizvodnih procesih. Po preprosti obdelavi vzporednih produktov proizvodnje različnih industrij lahko tak »odpadek« postane uporaben dodatek betonu. Ker se sekundarne surovine porabljajo, govorimo o krožnem gospodarstvu, to pozitivno vpliva na okolje in zmanjšuje količino porabljene energije za proizvodnjo cementa [10].

2.1.4.1 Elektrofiltrski pepel

Med postopkom kurjenja uprašenega premoga v termoelektrarnah izgoreva ogljik, ostale primesi, kot so gline, glinenci in kremen pa se pri visokih temperaturah talijo. Takšni ostanki se med seboj združijo in strdijo v majhne delce, ki poletijo iz kotlov. Z uporabo elektrostatičnih ali vrečastih filtrov jih lahko zajamemo in uporabimo kot dodatek v cementu. Elektrofiltrski pepel vpliva na obdelavnost cementa in razvoj trdnosti betona ter učinkovito zmanjšuje toploto hidratacije[2].

2.1.4.2 Granulirana plavžna žlindra

Granulirana plavžna žlindra se pridobiva s hitrim hlajenjem žlindrine taline, ki je stranski produkt taljenja železove rude v plavžu ali taljenju jekla v elektroobločni peči. Delci žlindre so premera do 45 µm. Tisti, ki so manjši od 10 µm povečujejo zgodnjo trdnost betona, večji pa končno [2].

2.1.4.3 Mikrosilika

Mikrosilika so filtrirani kondenzirani hlapi, ki so stranski produkt v proizvodnji silicija in ferosilicija.

Med proizvodnjo se hlapi silicijevega oksida mešajo s kisikom in ob tem kondenzirajo v zelo majhna zrna s premerom 0,1 µm, kar je približno 1% premera cementnega zrna. Mikrosilika s takšnimi dimenzijami se praviloma dispergira v suspenziji, saj se le tako omogoči enakomerna porazdelitev delcev v betonu. Njene glavne prednosti so, da betonu zvišuje trdnost in podaljšuje trajnost [2, 10].

2.2 Agregat

Agregat predstavlja največji delež prostornine betona (60 do 80%). V osnovi služi kot polnilo, vendar močno vpliva na lastnosti betona. Poleg tega zrna agregata tvorijo skelet, ki betonu daje trdnost in togost.

Ker v stiku z vodo ne reagira, ovira krčenje, ki nastaja ob hidrataciji cementa. V primerjavi s cementnim kamnom je odpornejši proti obrusu in povečuje površinsko trdoto betona. Njegova pomemba lastnost je tudi, da povečuje požarno odpornost betona. Od njega so odvisne lastnosti, kot so: poroznost, vpijanje vode, oblika in površina betona, tlačna trdnost in modul elastičnosti. Pomemben vidik agregata v betonu je tudi njegova ekonomičnost, saj ima nižjo ceno kot cement in tako znižuje strošek proizvodnje končnega produkta.

V več kot 90 odstotkih primerov uporabe betona se uporablja naravni mineralni agregat. Ta se deli glede na nastanek kamnin (sedimentne, metamorfne in magmatske). V Sloveniji se najpogosteje uporabljajo agregati iz sedimentnih kamnin, nevezanih (peski, prodi) ali vezanih (apnenci in dolomiti). Naravne agregate pridobivamo na dva načina. Prvi je pridobivanje proda oziroma gramoza z izkopom rečnih nanosov. Drugi pa je pridobivanje agregata v kamnolomu z miniranjem kamnine, ki se zdrobi in preseje do želenih frakcij. Prednost proda je, da je zaobljene oblike in pripomore k vgradljivosti betona v opaž ali kalup. V nasprotju z drobljencem pa ima lahko bolj gladke površine, zaradi brušenja, kar negativno vpliva na sposobnost sprijemanja s cementno pasto.

(29)

Poleg naravnih agregatov se lahko kot agregati uporabljajo tudi sekundarne surovine različnih industrij, ki so v granulirani obliki. Mednje sodi tudi črna jeklarska žlindra. Najpogosteje se takšni betoni uporabljajo za izdelavo prefabriciranih elementov. Prisotnost železovega sulfida lahko povzroči problematiko z obstojnostjo ali pa celo sulfatni napad na beton, zato je uporaba žlindre kot agregata dokaj omejena.

Tudi recikliran beton se lahko uporabi kot agregat v novem betonu. Prednost tega je, da se betonskih ruševin ne zavrže, ampak se jih reciklira in uporabi v novem proizvodu. Betoni, ki vsebujejo recikliran agregat, dosegajo zadovoljiv nivo trdnosti in elastičnega modula za določene namene uporabe in v manj agresivnih pogojih okolja. Poleg tega nimajo problemov z vgrajevanjem, trajnostjo in izpolnjevanjem zahtev [1, 2, 10, 11, 12].

2.2.1 Zrnavostna sestava in maksimalno zrno

Pri proizvodnji betona uporabljajo različne velikosti agregatnih zrn. Groba zrna tvorijo skelet betona in mu dajejo trdnost. Tako prenašajo največji del obremenitve. Drobna zrna pa skupaj s cementom in vodo tvorijo cementno malto in povezujejo vse komponente v celoto. Zaradi zagotavljanja optimalne zrnavostne sestave agregata in čim večjo zapolnjenost prostornine betona s kamnitimi zrni, se agregate običajno preseje po velikosti v frakcije. Da ima projektirani beton želene lastnosti, uporabimo določeno količino posameznih frakcij v mešanici. Pri tem nam pomagajo priporočene mejne krivulje zrnavosti v standardu SIST 1026. Frakcije označujemo z dimenzijo najmanjšega in največjega zrna, ki ga vsebuje, v milimetrih. Tako med fine frakcije uvrščamo frakcije 0/1 mm, 0/2 mm, 2/4 in 0/4 mm, ostale frakcije pa vsebujejo groba zrna. Večje kot je število uporabljenih frakcij v mešanici, višja je kvaliteta betona, ker se zrna lepše razporedijo in zapolnijo prostor v opažu oziroma kalupu. Največja velikost agregatnega zrna se določi na podlagi najmanjše izmere betonskega elementa ter najmanjše razdalje med vzporednima armaturnima palicama v armaturnem košu [1, 10, 11, 13].

(30)

Slika 5: Priporočene mejne krivulje zrnavosti za mešanico agregata 0/32 mm [14]

2.2.2 Trdnost agregata

Trdnost agregata močno vpliva na trdnost betona. Betoni visoke trdnosti zahtevajo uporabo agregata.

Agregat nizke trdnosti nam onemogoča izdelavo betona visoke trdnosti ne glede na količino ostalih komponent v mešanici. Najvišje trdnosti dosegajo agregati magmatskega izvora. Te segajo od 210 do 310 MPa. Trdnosti sedimentnih kamnin pa so občutno nižje in imajo večji razpon. Tlačne trdnosti sedimentnih agregatov segajo od 50 do 240 MPa. Tolikšne razlike lahko povzročijo veliko nepredvidljivost pri mehanskih lastnostih uporabljenih materialov [2].

2.2.3 Vlažnost agregata

Vlažnost agregata je pomemben parameter, ki ga pri določitvi količine vode, ki jo potrebujemo v določeni mešanici, moramo poznati. V nasprotnem primeru lahko pride do nenačrtovane spremembe vodocementnega razmerja. Če je agregat suh, lahko vpije vodo in vodocementno razmerje pade. Če pa je agregat moker, voda na površini agregatnih zrn (površinska vlažnost) poveča zamesno vodo v betonu in tako poveča vodocementno razmerje. Poznamo štiri stanja vlage v agregatih. Kadar so pore v zrnih zapolnjene z vodo in na površini ni sloja vode, rečemo, da je agregat v z vodo zasičenem površinsko suhem stanju. Če je poleg zapolnjenih por na površini še voda, je agregat v površinsko vlažnem stanju.

Običajno se v porah nahaja voda, vendar niso vse v celoti zapolnjene. V tem primeru rečemo, da je agregat zračno suh. Četrto stanje pa je, ko je agregat osušen v sušilnici pri 105 ± 5 ℃; v tem primeru tako v porah kot na površini ni vode. Za pripravo betona je najprimernejši agregat, ki je v z vodo zasičenem površinsko suhem stanju, saj je treba dodati le vodo za zahtevano konsistenco in/ali vodocementno razmerje [2]. Je pa zelo redko, da je agregat na betonarni v tem idealnem stanju.

Praviloma je zračno suh ali površinsko vlažen.

(31)

Preglednica 5: Stanja vlažnosti agregata [2]

Stanje Suho stanje Zračno suho

stanje

Z vodo zasičeno površinsko suho

stanje

Z vodo zasičeno površinsko vlažno stanje

Količina vode Nič Manj od možnega

vpijanja

Enako možnemu vpijanju

Več od možnega vpijanja

2.3 Voda

Voda je osnovna komponenta vsake betonske mešanice. Ker cementa pasta nastane samo v primeru stika cementa z vodo pomeni, da brez nje proces hidratacije cementa ni mogoč. Količina vode v betonski mešanici vpliva na njeno viskoznost in diktira način vgradnje. Običajno za mešanje betona v laboratoriju uporabljamo pitno vodo iz vodovodnega sistema, ker ta ne potrebuje dodatnih dokazil o primernosti za izdelavo betona. Za uporabo nepitne vode pri izdelavi betona je potrebno najprej izvesti analizo o morebitni vsebnosti škodljivih primesi, kot to predpisuje standard SIST EN 1008. Pod nepitno vodo uvrščamo vodo, pridobljeno iz procesov v industriji betona, podtalnico, naravno površinsko vodo (akumulacijska napajališča, potoki, studenci), komunalno vodo in morsko vodo. Morska voda se lahko uporablja v betonih brez vgrajene armature, ker lahko prisotnost kloridov povzroči korozijo jekla. Po opravljeni analizi lahko uporabimo vodo, ki ne vsebuje sulfatov, kloridov in organskih primesi. V primeru uporabe vode, ki je neprimerna za vgradnjo, lahko pride do spremembe poteka hidratacije cementa, prostorninske nestabilnosti cementnega kamna, korozije in zmanjšanja sprijemnosti cementne paste z agregatnimi zrni [1, 10, 11, 12, 15].

2.4 Kemijski dodatki

Kemijski dodatki so snovi, ki v osnovi niso potrebne za izdelavo betona, vendar se pogosto uporabljajo, ker mu močno izboljšajo lastnosti pri majhnem povečanju cene betona. Danes se na svetovni ravni dodatki pojavijo v 80 do 90 odstotkov proizvedenega betona [2]. V večini primerov so nameni uporabe dodatkov: izboljšanje vgradljivosti betona (povečanje plastičnosti brez dodajanja vode), pospeševanje ali zaviranje hidratacije cementa (kontrola časovnega razvoja vezanja betona), povečanje odpornosti proti ekstremnim temperaturam in temperaturnim nihanjem, preprečevanje razpokanosti in preprečevanje kemijskih napadov na beton [2].

2.4.1 Plastifikatorji in superplastifikatorji

Plastifikatorji in superplastifikatorji so kemijski dodatki, ki betonski mešanici povečujejo plastičnost brez dodajanja vode. Višja plastičnost pripomore k lažjemu vgrajevanju betona v opaže in omogoča

(32)

uporabo črpnega betona, ki je na sodobnih gradbiščih pogosto prisoten. Sestavljeni so iz dolgih molekul, ki se adsorbirajo na cementne delce in s svojim močnim negativnim nabojem znižujejo površinsko napetost vode, kar poveča plastičnost betonske mešanice. Njihova prednost v primerjavi z dodajanjem vode za povečanje plastičnosti je ta, da ne povzročajo kasnejšega izcejanja vode in segregacije. Lahko pa zmanjšajo količino in/ali kvaliteto zračnih por, če jih uporabljamo v kombinaciji z aeranti, in s tem zmanjšajo zmrzlinsko odpornost betona [2, 3].

Slika 6: Razmerje med količino vode in razlezom betona s in brez superplastifikatorja [10]

2.4.2 Aeranti

Aeranti v betonski mešanici povzročijo formiranje zračnih mehurčkov velikosti med 50 in 100 µm, in tako prekinjajo kapilarne pore. Na ta način se betonu poveča zmrzlinska odpornost. Stranski učinek dodajanja zraka betonu je povečana obdelavnost, zmanjšanje mase in znižanje trdnosti. Zato se aeranti pogosto uporabljajo za proizvodnjo lahkih betonov. Ob morebitni uporabi prevelike količine aeranta lahko pride do zakasnitve hidratacije cementa in velikega zmanjšanja tlačne trdnosti betona [2, 10].

2.4.3 Pospeševalci in zaviralci vezanja

Njihova funkcija je pospešiti oziroma zakasniti proces hidratacije cementa. Potreba po njihovi uporabi je odvisna od temperature zraka v času vgradnje. Pospeševalce uporabljamo za vgradnjo pri nizkih temperaturah, zaviralce pa za vgradnjo pri visokih temperaturah [10].

(33)

3 POTEK PREISKAV

3.1 Določitev vlažnosti agregatov

Za določitev potrebne količine vode v različnih betonskih mešanicah je najprej treba določiti vlažnosti vseh frakcij agregatov, ki jih uporabimo pri izdelavi posamezne mešanice. Prosta voda se lahko nahaja na površini, ali pa v porah znotraj posameznih agregatnih zrn. Agregat, ki je bil uporabljen pri preiskavi, je bil separiran po frakcijah, zato je treba določiti vlago vsaki frakciji posebej. Skupno je bilo uporabljenih 5 različnih frakcij naravnega agregata. Količina vode v agregatu se določi s sušenjem vzorcev posameznih frakcij. Najprej se določi začetna masa posameznega vzorca (vsak reprezentativni vzorec je tehtal približno 500 g). Ko je znana natančna vrednost mase vzorca, začnemo s sušenjem, ki se izvaja v mikrovalovni pečici. Sušenje poteka po intervalih. Prvi je dolg 3 minute, vsak naslednji pa 2 minuti. Med vsakim intervalom se vzorec ponovno stehta. Sušenje izvajamo, dokler padec mase predstavlja manj kot en odstotek skupne mase vzorca (v tem primeru manj kot 5 g). Vedno se izvedeta vsaj dva intervala sušenja, tudi če je padec mase vzorca manjši od enega odstotka že po prvem intervalu.

Slika 7: Tehtanje vzorca agregata

Po zaključenem sušenju, se iz pridobljenih meritev izračuna vlažnost posameznih frakcij, v skladu z izrazom v nadaljevanju:

𝑤 =𝑀₁− 𝑀₂ 𝑀₂ ∗ 100 𝑤 − 𝑣𝑙𝑎ž𝑛𝑜𝑠𝑡 𝑣𝑧𝑜𝑟𝑐𝑎 [%]

𝑀₁− m𝑎𝑠𝑎 𝑣𝑙𝑎ž𝑛𝑒𝑔𝑎 𝑣𝑧𝑜𝑟𝑐𝑎 [𝑔]

𝑀₂− 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑢ℎ𝑒𝑔𝑎 𝑣𝑧𝑜𝑟𝑐𝑎 [𝑔]

3.2 Priprava betonske mešanice

Po določitvi potrebnih količin vode, agregata, cementa in dodatkov za izbrane mešanice, se začne fizična priprava betona. Stehtati je treba določene količine posameznih frakcij agregata (mase posameznih

(34)

frakcij se med seboj razlikujejo), potrebno količino cementa in vode. Z laboratorijsko tehnico, ki je večje natančnosti, pa se stehta potrebna količina dodatka (v našem primeru je to le superplastifikator), ki zagotavlja ustrezne lastnosti mešanice v svežem stanju in izpolnitev zahteve glede vodo-cementnega razmerja. Nato se suhe komponente betona (agregat in cement) dajo v površinsko navlažen boben mešalca. Temu sledi 30 sekund suhega mešanja, nato pa se začne dodajati voda. Ko je v mešalcu približno polovica potrebne vode, mešanici dodamo superplastifikator, nato pa še drugo polovico vode.

Beton se meša 3 minute, ker smo uporabili superplastifikator PCE, ki potrebuje daljše mešanje za optimalno delovanje.

Slika 8: Agregat in cement

Slika 9: Agregat in cement v mešalnem bobnu pred mešanjem

(35)

Slika 10: Beton po mešanju

3.3 Določitev konsistence betona

Konsistenco svežih betonskih mešanic smo določili po metodi s posedom (SIST EN 12350-2) in po metodi z razlezom (SIST EN 12350-5).

3.3.1 Metoda s posedom

Na razlezno mizo postavimo standardni prisekan stožec-konus (Φzg = 100 mm, Φsp = 200 mm, h = 300 mm) in ga napolnimo z betonsko mešanico v treh ločenih plasteh. Vsako posamezno plast prebodemo s standardno kovinsko palico (Φ16 z zaobljenim vrhom) 25-krat. Prvo plast prebadamo po celi višini, pri naslednjih pa s palico prebodemo do spodnje plasti. Po končanem zgoščevanju (s prebadanjem) odstranimo presežek betona in zgladimo zgornjo površino. Nato počasi dvignemo konus. Dvig poskušamo izvesti čimbolj enakomerno in navpično, da s tem ne vplivamo na vzorec betonske mešanice.

Odstranjen stožec postavimo ob vzorec betona in nanj postavimo kovinsko palico, da ta seže nad vzorec.

Z merilnim trakom izmerimo razliko višin, ki je mera za konsistenco betonske mešanice. Če med preiskavo pride do nepravilnega poseda (prestrig, porušitev), celoten postopek ponovimo. Posed mešanic je bil izmerjen takoj po mešanju in 30 ter 60 minut po končanem mešanju [16].

(36)

Slika 11: Meritev poseda

3.3.2 Metoda z razlezom

Na razlezno mizo postavimo standardni prisekan stožec-konus (Φzg = 130 mm, Φsp = 200 mm, h = 200 mm) in ga napolnimo z betonsko mešanico v dveh ločenih plasteh. Z lesenim nabijačem, ki ima prečni prerez 4x4 cm, zbijemo vsako plast z desetimi udarci. Po nabijanju zgornje plasti odstranimo presežek betona in zgladimo vrhnjo površino. Nato počasi odstranimo konus in stopimo na stopalko osnovnega okvirja razlezne mize, da zagotovimo čim boljšo stabilnost in preprečimo neželene premike. Zgornjo premično ploščo dvignemo do distančnika na osnovnem okvirju (h = 4 cm) in jo spustimo, da prosto pade. Postopek dviga in spusta ponovimo petnajstkrat, da se vzorec mešanice enakomerno razleze.

Betonski masi izmerimo dva med seboj pravokotna premera in določimo njuno povprečje, ki je mera za konsistenco. Razlez mešanic je bil izmerjen takoj po mešanju in 30 ter 60 minut po koncu mešanja [17].

Slika 12: Meritev razleza

(37)

3.4 Vgradnja vzorcev betona v kalupe

Za določitev mehanskih lastnosti strjenega betona, je treba beton vgraditi v kalupe standardnih dimenzij.

3.4.1 Standardni preizkušanci

V preiskavi so bili uporabljeni standardni preizkušanci v obliki kocke in pokončne prizme s kvadratnim prečnim prerezom (SIST EN 12390-1). Namen uporabe takšnih preizkušancev je primerljivost rezultatov preiskav. Kalupi, ki so primerni za izdelavo preizkušancev, morajo biti vodotesni in narejeni iz materiala, ki ne sme vpijati vode ali reagirati s cementom [18].

3.4.1.1 Standardna kocka

Vzorci vgrajeni v standardni kalup s stranico 150 mm, se uporabljajo pri določitvi tlačne trdnosti betona s porušno metodo in določitvi dinamičnega modula elastičnosti z uporabo neporušne metode (ultrazvočna preiskava).

Slika 13: Kalup standardne kocke

3.4.1.2 Standardna prizma

Vzorci vgrajeni v standardno prizmo s prečnim prerezom 100 mm x 100 mm in dolžino 400 mm, se uporabljajo pri določitvi dinamičnega modula elastičnosti.

(38)

Slika 14: Kalupi standardnih prizem

3.4.2 Izdelava vzorcev

Pred vgradnjo betonske mešanice je treba notranjost kalupov premazati s tanko plastjo opažnega olja, ki ne reagira z betonom, da se ta ne sprime s stenami. V odvisnosti od konsistence betona, dimenzij kalupa in metode zgoščevanja, je treba dodajati betonsko mešanico po slojih, dokler ne dosežemo popolne napolnjenosti ob primerni zgoščenosti. Vgrajeno betonsko mešanico zgoščamo z uporabo vibracijske igle. Namen vibriranja je izdelava betonskih vzorcev, ki so čim bolj homogeni in ne vsebujejo delov, zapolnjenih z zrakom. Pri postopku vibriranja je potrebno upoštevati možnost pojava segregacije (usedanje večjih zrn in izcejanje vode z drobnejšimi delci), do katere pride, če na betonsko mešanico delujemo s preveč vibracijami. V tem primeru vgrajen vzorec ni primeren in ga je treba še enkrat premešati in ponovno pravilno vgraditi. Če vgrajen vzorec izpolnjuje pogoje pravilne vgradnje, mu zgladimo zgornjo plast in ga oštevilčimo. Ko je betonska mešanica vgrajena, odstranimo morebitne betonske madeže na zunanjosti kalupa in vse skupaj stehtamo [19].

(39)

Slika 15: Betonski vzorci, vgrajeni v standardne kocke

3.5 Nega vzorcev

Da so vgrajeni betonski vzorci primerni za nadaljnje preiskave, morajo biti pravilno negovani, da ne pride do neželenih učinkov in napak, do katerih lahko pride zaradi ne konstantnih ali ekstremnih razmer v okolici.

3.5.1 Nega vzorcev med vgradnjo in razkalupljanjem

Ko so vzorci vgrajeni, jih pustimo, da se začne proces hidratacije (vezanja) cementa. Da zagotovimo ustrezno visoko relativno vlažnost okoliškega zraka (nad 90 %), kalupe z betonom pokrijemo s predhodno navlaženo tkanino in neprepustno folijo. Posebej izdelan filc (slika 17) ima obe funkciji – vlaženje in preprečevanje izhlapevanja. Tak proces nege traja 24 ur.

Slika 16: Pokriti betonski vzorci

(40)

3.5.2 Razkalupljanje vzorcev

Po štiriindvajsetih urah vezanja in strjevanja, se vzorci razkalupijo. Kalupe odpremo in iz njih vzamemo betonske vzorce, ki jim zgladimo ostre robove. Vsak posamezni vzorec stehtamo in z uporabo kljunastega merila izmerimo njegove dimenzije. Odprte kalupe očistimo s krtačo in jih premažemo z opažnim oljem, da so pripravljeni za ponovno uporabo.

Slika 17: Betonski vzorec star 24 ur med razkalupljanjem

3.5.3 Nega vzorcev po razkalupljenju

Vzorce, ki so namenjeni preiskavam pri različni starosti betona, damo v kad z vodo, ki ima temperaturo okrog 20 ℃. Tako zagotovimo optimalno hidratacijo cementa in nadzorovane pogoje do preiskave, kar omogoča ponovljivost rezultatov v danem laboratoriju in obnovljivost rezultatov v različnih laboratorijih.

Slika 18: Nega betonskih vzorcev v vodi

3.6 Določitev tlačne trdnosti s porušno metodo

Za določitev tlačne trdnosti betona izvedemo standardno preiskavo (SIST EN 12390-3), ki poteka tako, da na vzorec nanašamo obremenitev, do porušitve. Najprej betonski vzorec, ki je površinsko suh,

(41)

vstavimo v prešo, na sredino stiskalnih površin, da tako zagotovimo centrično obremenitev. Prepričati se moramo, da so stiskalne površine ravne in očiščene, da je vzorec stabilen. Ko je vzorec pravilno vstavljen v prešo, začnemo z nanosom obremenitve. Najprej počasi nanesemo začetno obremenitev, ki ne presega 30% pričakovane končne obremenitve. Nato pa začnemo z nanašanjem obremenitve, ki ima konstantni prirast, dokler ne pride do porušitve vzorca. Maksimalna zabeležena sila je vrednost, ki jo uporabimo za določitev tlačne trdnosti betonske mešanice. Celoten postopek ponovimo na več vzorcih, da preverimo pravilnost in ponovljivost rezultatov. V primeru, da pride do nepravilne porušitve, se rezultat izključi iz analize. Tlačno trdnost določimo iz meritve sile ob porušitvi in površine vodoravnega prereza preizkušanca, z uporabo naslednjega izraza:

𝑓_𝑐= 𝐹 𝐴_𝑐

𝑓_𝑐− 𝑡𝑙𝑎č𝑛𝑎 𝑡𝑟𝑑𝑛𝑜𝑠𝑡 [MPa]

𝐹 − 𝑡𝑙𝑎č𝑛𝑎 𝑠𝑖𝑙𝑎 𝑜𝑏 𝑝𝑜𝑟𝑢š𝑖𝑡𝑣𝑖 [𝑁]

𝐴_c− 𝑝𝑜𝑣𝑟š𝑖𝑛𝑎 𝑣𝑜𝑑𝑜𝑟𝑎𝑣𝑛𝑒𝑔𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑟𝑒𝑧𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑖𝑠𝑘𝑢š𝑎𝑛𝑐𝑎 [𝑚𝑚²]

Slika 19: Betonski vzorec ob porušitvi [20]

3.7 Ultrazvočna preiskava

Postopek preiskave z ultrazvokom predpisuje standard SIST EN 12504-4. Oprema, ki jo potrebujemo za izvajanje meritev, je: generator valovanja, dve sondi in merilna naprava, ki meri čas prehoda valovanja. Naprava, ki je bila uporabljena, je zasnovana tako, da generira valovanje in meri čas prehoda.

Preiskavo začnemo tako, da površinsko suh vzorec postavimo na podporne noge z namenom, da se ultrazvočno valovanje ne širi v podlago. V merilno napravo vnesemo podatka o razdalji med merilnima sondama in gostoti obravnavanega vzorca in nanjo priklopimo sondi. Ena sonda služi kot oddajnik

(42)

valovanja, druga pa kot sprejemnik. Na vsako od sond nanesemo malo gela, da zapolni površinske nepopolnosti na vzorcih in zagotovi nemoten prehod valovanja od oddajnika do sprejemnika. Sondi postavimo na nasprotni si stranici vzorca in pričnemo z generiranjem ultrazvočnih impulzov s frekvenco nad 20 kHz. Ultrazvočno valovanje se širi z nihanjem delcev v vzorcu. Poznamo dve vrsti valov, in sicer vzdolžne oziroma longitudinalne (valovi P) in prečne oziroma transverzalne (valovi S). Vzdolžni valovi povzročajo deformacije v vzdolžni smeri širjenja valovanja, prečni pa strižne. Ker smo napravi predhodno podali razdaljo, ki jo opravi valovanje, nam ta kot rezultat poda hitrost P in S valov. Od teh hitrosti so odvisni elastični parametri, kot so dinamični modul elastičnosti E, strižni modul G in Poissonov količnik µ [21, 22].

Slika 20: Postavitev sond na obravnavanem vzorcu

3.7.1 Določitev Poissonovega količnika

Poissonov količnik je lastnost materiala, ki je definirana kot razmerje med relativno deformacijo v prečni smeri in relativno deformacijo v vzdolžni smeri. To nam pove, kolikšna je deformacija elementa v prečni smeri, ko ga obremenjujejo v vzdolžni smeri. Če poznamo hitrosti vzdolžnih in prečnih valov, ga lahko določimo z uporabo naslednjega izraza:

µ_𝑑= 𝑣_𝑃²− 2𝑣_𝑆² 2(𝑣_𝑃²− 𝑣_𝑆²) µ_𝑑− 𝑃𝑜𝑖𝑠𝑠𝑜𝑛𝑜𝑣 𝑘𝑜𝑙𝑖č𝑛𝑖𝑘

𝑣_𝑃− 𝐻𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠𝑡 𝑝𝑟𝑒ℎ𝑜𝑑𝑎 𝑣𝑧𝑑𝑜𝑙ž𝑛𝑖ℎ 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑣 [𝑚 𝑠] 𝑣_𝑆− 𝐻𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠𝑡 𝑝𝑟𝑒ℎ𝑜𝑑𝑎 𝑝𝑟𝑒č𝑛𝑖ℎ 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑣 [𝑚

𝑠] [22]

(43)

3.7.2 Določitev dinamičnega modula elastičnosti

Modul elastičnosti je fizikalna količina, ki je razmerje med napetostjo, ki deluje na element in relativno deformacijo, ki nastane pod to napetostjo v območju linearnih elastičnih deformacij. Ko določimo vrednosti Poissonovega količnika, nam to omogoča določitev dinamičnega modula elastičnosti, ki je odvisen tudi od gostote materiala. Ker smo vrednost gostote že predhodno vnesli v napravo, nam ta samodejno poda vrednost elastičnega modula preizkušanca. Vrednosti so določene z uporabo naslednjega izraza:

𝐸_𝑑= 𝑣_𝑃²𝜌(1 + µ𝑑)(1 − 2µ𝑑)

(1 − µ_𝑑) = 2𝑣_𝑆²𝜌(1 + 1µ_𝑑) 𝐸_𝑑 = 𝐷𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖č𝑛𝑖 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖č𝑛𝑜𝑠𝑡𝑖 [𝐺𝑃𝑎]

µ_𝑑− 𝑃𝑜𝑖𝑠𝑠𝑜𝑛𝑜𝑣 𝑘𝑜𝑙𝑖č𝑛𝑖𝑘

𝑣_𝑃− 𝐻𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠𝑡 𝑝𝑟𝑒ℎ𝑜𝑑𝑎 𝑣𝑧𝑑𝑜𝑙ž𝑛𝑖ℎ 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑣 [𝑚 𝑠] 𝑣_𝑆− 𝐻𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠𝑡 𝑝𝑟𝑒ℎ𝑜𝑑𝑎 𝑝𝑟𝑒č𝑛𝑖ℎ 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑣 [𝑚

𝑠] 𝜌 − 𝐺𝑜𝑠𝑡𝑜𝑡𝑎 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙𝑎 [𝑘𝑔

𝑚³] [22]

3.7.3 Določitev strižnega modula

Strižni modul je fizikalna količina, ki opisuje povezavo med strižno deformacijo telesa in strižno napetostjo, ki deluje nanj. Določimo ga lahko s povezavo med modulom elastičnosti in Poissonovim količnikom, ali pa gostoto materiala in hitrostjo prehoda strižnih valov. Za njegovo določitev uporabimo naslednji izraz:

𝐺_𝑑= 𝐸_𝑑

2 + 2µ_𝑑= 𝑣_𝑆²𝜌 𝐺_𝑑− 𝑆𝑡𝑟𝑖ž𝑛𝑖 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙 [𝐺𝑃𝑎]

𝐸_𝑑 = 𝐷𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖č𝑛𝑖 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖č𝑛𝑜𝑠𝑡𝑖 [𝐺𝑃𝑎]

µ_𝑑− 𝑃𝑜𝑖𝑠𝑠𝑜𝑛𝑜𝑣 𝑘𝑜𝑙𝑖č𝑛𝑖𝑘 𝑣𝑆− 𝐻𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠𝑡 𝑝𝑟𝑒ℎ𝑜𝑑𝑎 𝑝𝑟𝑒č𝑛𝑖ℎ 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑣 [𝑚

𝑠] 𝜌 − 𝐺𝑜𝑠𝑡𝑜𝑡𝑎 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙𝑎 [𝑘𝑔

𝑚³] [22]

(44)

(45)

4 BETONSKE MEŠANICE

V preiskavi so bile obravnavane štiri različne betonske mešanice. Mešanici MB-1 in MB-3 vsebujeta cement z oznako CEM II (portlandski cement z mineralnimi dodatki), mešanici MB-2 in MB-4 pa cement z oznako CEM III (žlindrin cement). Razlika med posameznimi mešanicami znotraj skupine z isto vrsto cementa je v količini cementa in superplastifikatorja.

4.1 Uporabljene komponente v mešanicah 4.1.1 Agregat

Agregat v vseh obravnavanih mešanicah predstavlja rečni naravni agregat različnih frakcij, odvzet iz reke Save. Najmanjši uporabljeni frakciji sta 0-4d in 0-4n. 0-4d so zrna premera med 0 in 4 mm pridobljena z drobljenjem večjih zrn, 0-4n pa so pridobljena s sejanjem naravnega agregata. Večje frakcije 4-8, 8-16 in 16-32 pa so vse pridobljene samo s sejanjem. Zrna agregata sestavljata pretežno apnenec in dolomit (92 %), peščenjaka je manj kot 5 %, meljevca pa manj kot 2 %. Vsebnost ostalih kamnin ali mineralov je pod 1 %.

Vse frakcije imajo majhno vpijanje vode. Največja vrednost (0,9 %) pripada naravnemu pesku frakcije 0/4, nekoliko nižja (0,8 %) je vrednost pri drobljeni frakciji 0/4, vse grobe frakcije pa imajo vpijanje vode enako 0,6 %.

Prostorninska masa zrn z vodo nasičenega površinsko suhega agregata je za drobne frakcije 0/4 2740 kg/m³, za grobe frakcije pa 2750 kg/m³.

4.1.2 Cement

4.1.2.1 Portlandski cement CEM-II

V mešanicah MB-1 in MB-3 je vezivo predstavljal cement proizvajalca Salonit Anhovo s komercialno oznako UNIVERSAL 42,5 N. Po standardu SIST EN 197-1 je to cement z oznako CEM-II/B-M (LL- V) 42,5 N. Ta oznaka pomeni, da je glavna sestavina cementa portlandski klinker z dodatkoma apnenca in silikatnega elektrofiltrskega pepela, cement je trdnostnega razreda 42,5 in ima normalno hitrost pridobivanja zgodnje trdnosti. Iz tehničnega lista lahko razberemo, da je specifična masa cementa (gostota cementnih zrn) enaka 2970 kg/m³, standardna tlačna trdnost po 28 dneh je 48 MPa, zgodnja tlačna trdnost po 2 dneh pa 24 MPa [23].

4.1.2.2 Žlindrin cement CEM-III

V mešanicah MB-2 in MB-4 je vezivo predstavljal cement proizvajalca Salonit Anhovo s komercialno oznako DURASAL. Po standardu SIST EN 197-1 je to cement z oznako CEM III/B 32,5 N-LH/SR.

DURASAL je žlindrin cement trdnostnega razreda 32,5 in običajnih zgodnjih trdnosti (N) s povišano sulfatno odpornostjo (SR) in nizko toploto hidratacije (LH). Granulirana plavžna žlindra predstavlja vsaj 66% cementa.

Iz tehničnega lista lahko razberemo, da je specifična masa cementa (gostota cementnih zrn) enaka 2900 kg/m³, standardna tlačna trdnost po 28 dneh je 40 MPa, zgodnja tlačna trdnost po 7 dneh pa 25 MPa.

Hidratacijka toplota po 7 dneh, določena v skladu s SIST EN 196-8, je 220 J/g [24].

(46)

4.1.3 Voda

V mešanicah je bila uporabljena voda iz vodovodnega omrežja, ki izpolnjuje pogoje, ki jih predpisuje standard SIST EN 1008.

4.1.4 Superplastifikator Hiperplast 182

V vse mešanice je bil dodan superplastifikator Hiperplast 182, ki znižuje potrebno količino vode ob nespremenjeni obdelavnosti betona, v primerjavi z mešanicami brez dodatka, zato se zvišuje tudi trdnost.

Dodatek povečuje posed in razlez mešanic in omogoča vzdrževanje ustrezne konsistence betona dalj časa.

Iz tehničnega lista [referenca] lahko razberemo, da je proizvod tekočina rumeno-rjave barve, z gostoto 1,08 ± 0,02 kg/dm³ [25].

4.2 Betonska mešanica MB-1

Preglednica 6: Sestava betonske mešanice MB-1

Komponenta Masa [kg]

CEM II 11,2

HIPERPLAST 182 0,0672

Voda 5,62

0-4d 26,50

0-4n 15,32

4-8 3,50

8-16 12,58

16-32 11,87

V preglednici 5 so navedene količine komponent mešanice MB-1 za 35 litrov betona, ob upoštevanju dejanske vlažnosti frakcij agregata. Vodocementno razmerje je 0,47. Cementna zrna zavzemajo 10,8 % prostornine betona. Gostota sveže betonske mešanice je 2450 kg/m³, gostota vzorcev ob razkalupljanju pa 2403 kg/m³.