Beograd, 2020.

Sva autorska prava autora prezentacije i/ili video snimaka su zaštićena. Snimak ili prezentacija se mogu koristiti samo za nastavu na daljinu studentaGrađevinskog fakulteta Univerziteta u Beogradu u školskoj 2020/2021. i ne mogu se koristiti za druge svrhe bez pismene saglasnosti autora materijala.

Univerzitet u Beogradu – Građevinski fakultet www.grf.bg.ac.rs

Studijski program: GRAĐEVINARSTVOModul: Menadžment, tehnologije i informatika u građevinarstvu

Godina/Semestar: III godina / V semestar

Naziv predmeta (šifra): TEHNOLOGIJA BETONA (B2M3TB)Nastavnik: V.prof. dr Dimitrije Zakić

Naslov predavanja: SPECIJALNE VRSTE BETONA

(3. predavanje FRC + HPC)Datum : 22.10.2020.

SPECIJALNE VRSTE BETONAPodela prema sastavu i svojstvima

Samozbijajući (samougrađujući) betoni, Mikroarmirani betoni, Betoni visokih performansi (čvrstoća), Uvaljani betoni, Polimer betoni, Polimerima modifikovani betoni, Torkret (prskani) betoni, Vidni (natur) betoni, Reciklirani betoni, "Zeleni" betoni, itd.

SPECIJALNE VRSTE BETONAMikroarmirani betoni

Poznato je da beton, kao kompozitni građevinski materijal, vrlo slabo prihvata ipodnosi napone zatezanja, za razliku od napona pritiska. Ova činjenica uvela je,kao praktično obaveznu, upotrebu čelične armature u zategnutim zonamabetonskih elemenata. Na taj način, sprezanjem dva suštinski različita materijala(betona i čelika), nastao je armirani beton - kompozitni materijal koji je u oblastigrađevinskog konstrukterstva obeležio 20. vek, a po svemu sudeći (uz određenemodifikacije i inovacije), ostaće vodeći građevinski materijal i u 21. veku.

Jedan od značajnih produkata ovakvog razvojnog trenda u oblasti građevinarstvaje i tzv. mikroarmirani beton (Fiber Reinforced Concrete), tj. beton sadodatkom vlakana koja predstavljaju svojevrsnu mikroarmaturu.

Generalno, mikroarmirani betoni predstavljaju kompozitne materijale dobijeneojačanjem cementne matrice pomoću ravnomerno raspoređenih - dispergovanihvlakana. Ovakva koncepcija ne predstavlja ništa novo – ona je prisutna ugrađevinskoj praksi znatno duže nego što je to slučaj sa upotrebom betona. Naprimer, vlakna dobijena od slame ili životinjske dlake korišćena su hiljadamagodina u cilju poboljšanja svojstava opeke.

SPECIJALNE VRSTE BETONAMikroarmirani betoni

Ideja: dodavanjem određene, optimalne količine vlakana organskog ilineorganskog porekla u svežu betonsku mešavinu, dobićemo kompozit sapovećanom trajnošću i unapređenim fizičko-mehaničkim svojstvima, kao što su naprimer: čvrstoća (pri zatezanju, savijanju ili smicanju), žilavost (duktilnost),mogućnost kontrolisanja broja i dimenzija prslina, otpornost na različite uticaje(skupljanje, tečenje, udar, abrazija, temp.promene, dejstvo mraza, požar, zamor, itd).

SPECIJALNE VRSTE BETONAMikroarmirani betoni - VRSTE VLAKANA

Prirodnog porekla

celulozna

pamučna

jutana

od konoplje

od bambusa, i dr.

Veštačkog porekla

čelična (od običnog ili nerđajućeg čelika)

polimerna (polipropilenska, najlonska, polietilenska, karbonska, itd.)

mineralna (staklena, azbestna i dr.)

SPECIJALNE VRSTE BETONAMikroarmirani betoni

3 D Raspored

PP vlakana

TIPOVI ČELIČNIH VLAKANA

Primer čeličnih vlakana

domaćeg proizvođača - firme SPAJIĆ

PARAMETRI DEKLARISANA SVOJSTVA

Vrsta i oblik Čelična vlakna savijena na krajevima

Poprečni presek Kružni

Čvrstoća pri zatezanju min. 1100 MPa

Tačka topljenja cca. 1500C

Ugao savijanja na krajevima min. 45

Ukupna dužina (A) 30 2 mm

Debljina (E) 0,6 0,1 mm

Dužina dela koji nije savijen (B) 20 1 mm

Dužina savijenog dela (C) 4,5 1 mm

SPECIJALNE VRSTE BETONAMikroarmirani betoni

RAZLIKA IZMEĐU MONOFILAMENTNIH I FIBRILIZOVANIH VLAKANA

Monofilamentna Fibrilizovana

SPECIJALNE VRSTE BETONAMikroarmirani betoni

1 2 3 4

Faze (tipovi) interakcije između vlakana i cementne matrice

Efekti premošćavanja prslina od strane vlakana"Bridging effect"

1. Fiber rupture (kidanje)2. Fiber pullout from the matrix (izvlačenje)3. Fiber bridging the crack and transferring the tensile force (premošćavanje prsline)4. Contact (interfacial) debonding between fiber and matrix (kontaktno odvajanje).

Mikroarmirani betoni obično podrazumevaju:

± Kompozite na bazi sitnog agregata (peska) krupnoće od 0/4 mmi krupnog agregata (maksimalne krupnoće zrna do 16 mm),

± Zatim veziva (pri čemu se uglavnom radi o cementu),± Uz dodatak neke vrste mikroarmature - vlakana. ± Količina vlakana koja se primenjuje značajno varira, u

zavisnosti od vrste vlakana i željenih karakteristika betona i kreće se u rasponu od 0,1% pa sve do 5% u odnosu na ukupnu zapreminu.

± Uobičajene količine čeličnih vlakana variraju između 20 i 80 kg po 1m3 svežeg ugrađenog betona (što predstavlja 0,25-1,0 % zapreminski).

± Što se tiče upotrebe polimernih vlakana, uglavnom se preporučuje niži sadržaj ovog tipa mikroarmature, limitiran u većini slučajeva na svega 0,1-0,2 %, tj. na oko 1-2 kg/m3 svežeg ugrađenog betona.

SASTAV MIKROARMIRANIH KOMPOZITA

± povećanje čvrstoće pri pritisku je generalno slabo izraženo,± promene vrednosti modula elastičnosti su zanemarljivo male,± izuzetno veliki porast žilavosti i duktilnosti, ± značajan porast čvrstoće pri zatezanju, čvrstoće pri savijanju i

čvrstoće pri smicanju,± smanjenje apsorpcije vode –čime se povećava otpornost na dejstvo

mraza, kao i otpornost na penetraciju soli za odmrzavanje,± smanjenje zapreminskih dilatacija skupljanja, a naročito plastične

komponente ove reološke karakteristike,± kontrola prslina – u smislu manjih dimenzija i sporije propagacije,± sprečavanje nekontrolisanog izdvajanja vode na površini svežeg

ugrađenog kompozita (tzv. bleeding),± povećanje otpornosti na habanje, bolja athezija za podlogu na

kontaktu starog i novog betona, povećanje otpornosti pri dinamičkim uticajima, povećanje otpornosti na dejstvo požara i dr.

FIZIČKO-MEHANIČKA SVOJSTVA MIKROARMIRANIH KOMPOZITA

Ispitivanje deformacionih svojstavapri pritisku FRC 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 -

Na

po

n

(MP

a)

Mikroarmirani beton

Etalon

Definicija: Žilavost (duktilnost) predstavlja kapacitet apsorbovanja energije nekog materijala, a koristi se u cilju karakterizacije njegove sposobnosti da se odupre lomukada je izložen statičkom ili dinamičkom opterećenju.Žilavost se može kvantifikovati i preko površine zahvaćene - dijagramom.

Ispitivanje i ocena žilavosti pri savijanju u skladu sa metodom ASTM C1609/C1609M

Dispozicija ispitivanja FRCprema standardu ASTM C1609

Primer P-Δl dijagrama sanaznačenim karakterističnim tačkama

Uzorak betona nakon ispitivanja čvrstoće pri savijanju

0

20

40

60

80

100

120

Sila [kN]

2 41 3 5Ugib [mm]

Ispitivanje čvrstoće pri smicanju

150 mm

15

0 m

m 35

+1

5+

25

=7

5 m

m

Sila

LVDT

Metoda CK – cepanje pomoću klina (Wedge Splitting Test)

Izgled i dimenzije uzorka za ispitivanje

Dispozicija ispitivanja

Metoda CK - izgled uzoraka nakon ispitivanja

Uzorak FRC tokom ispitivanja metodom CK

Izgled uzorka betona nakon loma usled cepanja pomoću klina

Dijagrami sila-deformacija (P-ŠOP) za različite serije ispitivanih betona(veća količina vlakana veća žilavost kompozita veća površina ispod dijagrama)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Serija 0

Serija 1Serija 2

Serija 3Serija 4

Serija 5Serija 6

Širina otvora prsline (ŠOP) mm

Sila

P

kN

Učešće pojedinih oblasti primene u ukupnoj proizvodnji SFRC u Nemačkoj

SPECIJALNE VRSTE BETONAMikroarmirani betoni - PRIMENA

LAKI MIKROARMIRANI BETONI

BETONI VISOKIH ČVRSTOĆA

(PERFORMANSI)

SPECIJALNE VRSTE BETONABetoni visokih čvrstoća (performansi)

Visoka čvrstoća (BAB-87):

MB ≥ 60 MPa

Vrlo visoka čvrstoća:

MB ≥ 100 MPa

Danas se dobijaju HPC

(High Performance Concrete)

koji bez problema premašuju

100 MPa, a mogu da

dostignu i preko 800 MPa.

SPECIJALNE VRSTE BETONABetoni visokih čvrstoća (performansi)

Opštiji termin: Betoni visokih performansi, s obzirom dase od ovih kompozita osim visokih (ili ultra-visokih)čvrstoća obično zahtevaju i veće otpornosti na različiteuticaje (mraz, mraz+soli, habanje, abraziju, hemijskukoroziju, reološke deformacije – skupljanje i tečenje,itd.),kao i povećana trajnost.

Predmetni kompoziti se po svom sastavu razlikuju (umanjoj ili većoj meri) od klasičnih betona – tj. betonauobičajenih čvrstoća (MB < 60 MPa).

Primer 3 recepture za HPC, koje su spravljene na bazidomaćih komponentnih materijala, daje se na sledećemslajdu.

SPECIJALNE VRSTE BETONABetoni visokih čvrstoća - PRIMER

Sastav mešavine(kg/m3)

UHSC 1 UHSC 2 UHSC 3

Cement 900 850 1050

Silikatna prašina 200 185 230

Kvarcni pesak 950 1050 900

Superplastifikator 28 33 24

Čelična vlakna 330 330 300

Voda 205 170 185

Vodovezivni faktor 0.186 0.164 0.144

SPECIJALNE VRSTE BETONABetoni visokih čvrstoća - PRIMER

Beton

Čvrstoća pri pritisku

[MPa]

Čvrstoća pri zatezanju savijanjem

[MPa]

2 dana 7 dana 28 dana 2 dana 7 dana 28 dana

UHSC 198.8 125.6 153.1 27.6 28.1 28.7

UHSC 296.9 135.6 153.6 23.9 25.7 26.7

UHSC 3103.1 124.4 155.0 23.1 25.3 28.1

Osnovni pravci delovanja, ukoliko se želidobijanje HPC betona:

- Fizičko delovanje,koje se sastoji u primeni niskihvodocementnih faktora uz korišćenjehemijskih dodataka tipa superplastifikatorai odgovarajućih sredstava za kompaktiranjebetonskih mešavina tokom procesaugrađivanja; na ovaj način mogu se dobiti betoni sačvrstoćama pri pritisku između 60 i 100 MPa.

Osnovni pravci delovanja, ukoliko se želidobijanje HPC betona:

- Termo-hemijsko delovanje,mešavina cementa, kvarcnog brašna+peska, silikatne prašine i hiperplastifikatora, izlaže se termičkom očvršćavanju (putem zaparivanja) ili postupku autoklavnog očvršćavanja natemperaturi od oko 175oC i pri pritisku od oko8 bara; primenom ovog postupka mogu se, zahvaljujući iniciranju i intenziviranju pojedinihhemijskih reakcija prisutnih tokom procesahidratacije cementa, dobiti betoni sačvrstoćama pri pritisku od 150 - 250 MPa.

Praktično, svi navedeni postupci svode se na dobijanje betona izuzetno visoke kompaktnosti, što se postiže smanjivanjem sadržaja vode u svežem betonu, uz primenu različitih dodataka za obezbeđenje povoljne ugradljivosti, kao i primenom odgovarajućih sredstava za kompaktiranje betona tokom procesa ugrađivanja.

- Pri tome, preporučuje se primena "čistog" portland cementa (CEM I) klase 52.5, izuzetno klase 42.5R, u količinama znatno većim od uobičajenih (mc >> 400 kg/m3) i sa veoma niskim v/c faktorima (ω < 0,30).

- Pored ovoga, u obzir za primenu dolaze samo agregati visokih mehaničkih svojstava, kao što su kvarcit (čvrstoća pri pritisku fp = 250-400 MPa), kvarc (fp = 200-300 MPa),

granit ili dijabaz (fp = 150-200 MPa).

- Često se dodaju i vlakna (SFRHPC).

UHPC vs Normal Concrete

Čvrstoća pri pritisku do 200 MPa Čvrstoća pri savijanju do 40 MPa Modul elastičnosti 50 do 55 GPa Otpornost na dejstvo mraza > 95% Duktilan, otporan, trajan Niska kapilarna poroznost Visoka otpornost na dejstvo soli za

odmrzavanje – MS 0 Značajno smanjena propustljivost za

vlagu, hloride i hemijski agresivneagense

Povećana otpornost na habanje, abraziju i koroziju

Čvrstoća pri pritisku 25 do 55 MPa Modul elastičnosti 27 do 35 GPa Otpornost na dejstvo mraza ? Ekstremno krt Relativno visoka kapilarna poroznost Niska čvrstoća pri zatezanju Visoka termička širenja i skupljanja

usled temperaturnih promena Relativno visoka propustljivost za

vlagu, hloride i hemijski agresivneagense

Relativno niska otpornost na habanje, abraziju i koroziju

PRIMENA UHPC

Pešački i drumski mostovi

Ojačanje stubova i greda

Arhitektonsko oblaganje objekata

Ultratanke balkonske ploče

Paneli otporni na udare i eksplozije