BETONI VISOKIH PERFORMANSI

Uvod Zahvaljujući intenzivnom razvoju u oblasti

teorije i tehnologije betona, danas se na bazi cementa kao veziva mogu dobiti i betoni kod kojih čvrstoće pri pritisku premašuju granicu od 100 MPa.

Ovako visoke čvrstoće su u najvećem broju slučajeva rezultat primene određenih postupaka tokom proizvodnje i ugrađivanja betonskih mešavina.

UvodOpštiji termin: Betoni visokih performansi

(umesto termina: betoni visokih čvrstoća), s obzirom da se od ovih kompozita osim visokih (ili ultra-visokih) čvrstoća obično zahtevaju i veće otpornosti na različite uticaje (mraz, mraz+soli, habanje, abraziju, hemijsku koroziju, reološke deformacije –skupljanje i tečenje,itd.), kao i povećana trajnost.

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

Međutim, praktično svi takvi 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.

Drugi, pak, pravac kojim se takođe može delovati u smislu dobijanja betona visokih mehaničkih karakteristika je iniciranje određenih dodatnih hemizama u sklopu procesa hidratacije cementa, čiji će produkti takođe dati svoje doprinose čvrstoćama betona.

Treba, međutim, istaći da se i uticaji ovih hemizama najčešće izražavaju kroz efekte smanjivanja ukupne poroznosti betona, tako da se, generalno posmatrano, i u ovom slučaju ostvareni doprinosi čvrstoći mogu posmatrati kroz prizmu povećanja kompaktnosti.

Osim napred navedenih osnovnih faktora koji omogućavaju dobijanje betona visokih čvrstoća, treba imati u vidu i to da ovakvi betoni najčešće zahtevaju primenu nešto većih doza cementa od uobičajenih (uglavnom preko 400 kg/m3), kao i primenu cemenata viših klasa i bržih priraštaja čvrstoće.

Ako se u daljem pođe od stava da su betoni visokih čvrstoća betoni čije su marke veće od MB 60, u našim uslovima za ovakve betone mogla bi se preporučiti samo primena cementa klase 52.5, izuzetno klase 42.5R, pri čemu, logično, prednost treba dati "čistom" portland cementu.

Pored ovoga, u obzir za primenu dolaze i samo agregati visokih mehaničkih svojstava, kao što su kvarcit (čvrstoća pri pritisku fp = 250-400 MPa), kvarc (fp = 200-300 MPa), granit (fp = 150-200 MPa), dijabaz (fp = 150-200 MPa), jedar krečnjak (fp = 100-200 MPa) i dr.

S obzirom na napred izloženo, načelno bi se mogli definisati sledeći osnovni pravci delovanja, ukoliko se želi dobijanje betona visokih mehaničkih svojstava:- Fizičko delovanje, koje se sastoji u primeni niskih vodocementnih faktora uz korišćenje aditiva tipa superplastifikatora, i odgovarajućih sredstava za kompaktiranje betonskih mešavina tokom procesa ugrađivanja; na ovaj način mogu se dobiti betoni sa čvrstoćama pri pritisku između 60 i 100 MPa.

- Izrada betona sa dodatkom silikatne prašine, sa ili bez superplastifikatora, uz primenu autoklavnog očvršćavanja na optimalnoj temperaturi od oko 175oC i pri pritisku od oko 8 bara; primenom ovog postupka mogu se, u prvom redu zahvaljujući iniciranju i intenziviranju pojedinih hemijskih reakcija prisutnih tokom procesa hidratacije cementa, dobiti betoni sa čvrstoćama pri pritisku i do 250 MPa.

Obični betoni visokih čvrstoća

Kako teorijska razmatranja i rezultati eksperimentalnih ispitivanja pokazuju da mehaničke karakteristike, kao i niz drugih svojstava betona, bitno zavise od ostvarene poroznosti cementnog kamena, čvrstoće betona se u najvećoj meri mogu smatrati za funkcije primenjenog vodocementnog faktora.

Stoga se u literaturi i sreće veći broj empirijskih i poluempirijskih formula koje definišu zavisnost između vodocementnog faktora i čvrstoće betona pri pritisku. Ilustacije radi, na sl. 4.9, dat je grafički prikaz funkcionalnih zavisnosti vodocementni faktor (=mv/mc) - čvrstoća betonske kocke pri starosti od 28 dana (fk,28) prema poznatoj formuli Skramtajeva, pri čemu se napominje da slične krive daje i drugi poznati obrazac koji se kod nas primenjuje - Fereov obrazac.

Kao što se vidi iz prikazanih dijagrama, betoni visokih čvrstoća mogu se dobiti samo pri srazmerno niskim vodocementnim faktorima - između 0,30 i 0,40. Međutim, kao što je poznato, betonske mešavine koje odgovaraju datom intervalu vrednosti vodocementnog faktora su izuzetno krute konzistencije i zahtevaju moćna mehanička sredstva u fazi ugrađivanja betona.

Ukoliko se ugrađivanje ne bi izvršilo na efikasan način, ne bi se dobile krive izvučene punim linijama prikazane na sl. 4.9, već bi se dobile krive izvučene isprekidano, što znači da se ne bi mogao dobiti beton visoke čvrstoće pri pritisku.

Ovde se napominje da se pri primeni formule Skramtajeva može uzeti u obzir i kvalitet upotrebljenog agregata, a da prikazane krive u principu odgovaraju agregatu normalnog kvaliteta.

Ako bi se, pak, radilo sa agregatom visokog kvaliteta, za svaku vrednost dobile bi se za oko 8% veće čvrstoće.

Pored primene odgovarajućih sredstava za ugrađivanje betona, danas se u cilju eliminisanja opadajućih delova krivih prikazanih na sl. 4.9 (isprekidane linije), sve više u praksi koriste aditivi - dodaci betonu tipa plastifikatora i superplastifikatora.

Uloga ovih dodataka sastoji se u tome da se kod određenog betona sa niskim sadržajem vode obezbedi povoljna konzistencija koja će garantovati njegovu dobru ugradljivost i završnu obradljivost.

Naime, za dobijanje betona vrlo visokih čvrstoća pri pritisku, ukoliko se ne primenjuju napred navedeni dodaci, morale bi se koristiti betonske mešavine vrlo krute konzistencije sa sleganjem konusa prema Abramsu veličine maksimum 1-2 cm

Međutim, primenom plastifikatora ili superplastifikatora, ovakve mešavine dobijaju potrebnu plastičnost, tako da se za njih, u zavisnosti od primenjene količine dodatka, mogu dobiti sleganja reda veličine 6-10 cm (plastična konzistencija).

Prema tome, primenom niskih vodocementnih faktora, uz korišćenje plastifikatora ili superplastifikatora, dobijaju se betonske mešavine potpuno zadovoljavajuće ugradljivosti i obradljivosti, koje u očvrslom stanju daju betone vrlo visokih čvrstoća pri pritisku.

Na sl. 4.10 prikazan je mehanizam delovanja plastifikatora tipa površinski aktivnih materija, s tim što treba reći da isti mehanizam, ali uz značajnije izražene efekte, imaju i superplastifikatori istog tipa.

Kao što se vidi, radi se o svojevrsnom "podmazivanju" zrna cementa u masi betona, što se obavlja posredstvom jednog monomolekulskog filma (premaza) dobijenog orijentisanjem dugih apsorbovanih molekula plastifikatora, tako da se ostvaruje efekat "dlaka u četki".

Stoga jedan deo vode postaje višak u odnosu na funkciju podmazivača čestica cementa, pa se slobodno može izvršiti odgovarajuće smanjivanje vode u betonu. Upotrebom ovakvih plastifikatora smanjuje se potrebna količina vode u betonu za 10-15%, dok upotreba superplastifikatora omogućava redukciju vode i do 30%.

O efektu primene superplastifikatora veoma ilustrativno govore krive prikazane na sl. 4.11 sa primenom određenog superplastifikatora, a za količinu vode od, na primer, 180 kg/m3, može se dobiti beton ne slabo plastične, već plastične konzistencije, tako da se u datom slučaju pri primeni količine cementa od 500 kg/m3

( = 0,36), svakako može računati sa dobijanjem betona čije će čvrstoće biti između 60 i 80 MPa (zavisno od klase upotrebljenog cementa).

Ovde se napominje da dosadašnja iskustva sa betonima visokih čvrstoća govore da u okviru takvih betona ne bi trebalo koristiti agregat sa zrnima krupnoće iznad 20 mm.

Ovo stoga, što se pri primeni krupnijih zrna, u masi betona oko takvih zrna javljaju značajne koncentracije napona koje, sasvim razumljivo, utiču na smanjivanje čvrstoće.

Kao primer za ilustraciju betona visoke čvrstoće ovde se navodi slučaj jednog betona sa čvrstoćom fk,28 = 74 MPa, čija je mešavina imala sledeće karakteristike:

- sadržaj cementa PC 30 z 45 B 420 kg/m3

- vodocementni faktor (bruto - u obzir - uzet i superplastifikator - tečnost) 0,34- zapreminska masa svežeg betona 2510 kg/m3

- sadržaj superplastifikatora (u odnosu na masu cementa) 1,2 %- sleganje konusa po Abramsu 5,5 cm

Napominje se da je predmetni beton spravljen sa krečnjačkim (drobljenim) agregatom srazmerno niskih mehaničkih svojstava, a kao što se iz napred datih podataka vidi, primenjen je i cement koji nije bio najviše klase.

Može se zaključiti da se dobijena čvstoća fk,28 vrlo dobro slaže sa računskom vrednošću prema formuli Ferea.

Ukoliko bi se, međutim, za spravljanje istog betona primenio cement najviše klase (52.5) i neki agregat boljih mehaničkih karakteristika (na pr. kvarcit), na osnovu Fereove formule sledi da bi se pod svim ostalim nepromenjenim uslovima, u datom slučaju mogao dobiti i beton sa čvrstoćom fk,28 = 90 - 100 MPa.

Betoni sa dodatkom silikatne prašine

U poslednje vreme, najvredniji i najtraženiji pucolanski materijal u proizvodnji betona postala je tzv. silikatna prašina (silica fume), koja se dobija kao nusproizvod pri proizvodnji fero legura.

Znalačkom i stručnom upotrebom ovih ultra sitnih čestica amorfnog SiO2, kao i korišćenjem pogodnih superplastifikatora, mogu se dobiti betoni sa čvrstoćama koje su i do 3-5 puta veće od čvrstoća klasičnih betona.

Pored ovoga, betoni sa dodatkom silikatne prašine u svežem stanju, po pravilu, imaju poboljšanu obradljivost i smanjeno izdvajanje vode, a u očvrslom stanju manju propustljivost za tečnosti i gasove, bolju otpornost na delovanje mraza i soli i veću trajnost u hemijski agresivnim sredinama.

Ultra fine čestice silikatne prašine utiču na svojstva svežeg i očvrslog betona putem svog sfernog oblika i veličine, koja je 10 -100 puta manja od veličine čestica cementa, tako da se, osim velikih specifičnih površina, može govoriti i o tzv. "gustom pakovanju", odnosno pokoravanju čestica poznatim geometrijskim i kinematičkim principima.

Naime, cementna pasta kojoj je dodata silikatna prašina, i to najviše do 25% u odnosu na masu cementa, ima vrlo visok sadržaj čvrstih čestica u tečnom medijumu, tako da zrnca silikatne prašine vrlo efikasno popunjavaju prostore između inače gusto upakovanih čestica cementa (sl. 4.12), pri čemu sama pasta ima veoma visoku kohezivnost.

Povećana potreba za vodom pri primeni silikatne prašine, uslovljena veoma velikim specifičnim površinama, kod spravljanja betona uspešno se kompenzira upotrebom dodataka betonu tipa superplastifikatora, tako da se zahvaljujući ukupnim efektima primene silikatne prašine i superplastifikatora mogu dobiti betoni sa čvrstoćama pri pritisku između 80 i 150 MPa, a sa čvrstoćama pri savijanju od 6 do 12 MPa.

Pored fizičkog dejstva napred pomenutog "gustog pakovanja", ultra fine čestice SiO2u hidratisanom cementnom kamenu hemijski reaguju sa kalcijum-hidroksidom Ca(OH)2, što znači da se obavlja i reakcija pucolanizacije - vezivanja SiO2 i Ca(OH)2u produkte slične cementnom gelu.

Na ovaj način povećava se količina produkata na kojima se zasniva čvrstoća cementnog kamena, a ujedno se smanjuje količina Ca(OH)2, koji bi tokom eventualne korozije betona bio ispran i na taj način uticao na povećanje poroznosti cementnog kamena.

Ilustracije radi, u nastavku se daje sastav jednog betona sa dodatkom silikatne prašine koji je imao čvrstoće prema dijagramu prikazanom na sl. 4.13:

- sadržaj cementa 400 kg/m3- sadržaj silikatne prašine 133 kg/m3- kvarcni pesak 0,25/1 mm 141 kg/m3- kvarcni pesak 1/4 mm 566 kg/m3- drobljeni granit 8/16 m 1153 kg/m3- sadržaj superplastifikatora 13,5 kg/m3- voda 100 kg/m3- Sveži beton o kome je reč imao je

plastičnu konzistenciju (sleganje 6-7 cm).

Autoklavirani betoni sa dodatkom silikatne prašine

Postupkom autoklaviranja betona sa dodatkom silikatne prašine mogu se dobiti kako visoke čvrstoće u veoma kratkom vremenu, tako i znatno veće konačne čvrstoće ovakvih betona.

Pri primeni autoklaviranja veoma je važan period predgrevanja betona pre nego što se postigne optimalna temperatura od oko 175oC i optimalni pritisak od oko 8 bara. Ispitivanja su pokazala da je u ovom slučaju najpovoljniji sledeći režim:

-predgrevanje na 20oC 8 - 10 časova,-zagrevanje na 60oC pri jednom nižem pritisku

5 - 8 časova,-zagrevanje na 180 - 200oC pri maksimalno

usvojenom pritisku (cca 8 bara)cca15 časova.

Treba napomenuti da se za dobijanje autoklaviranih betona sa dodatkom silikatne prašine po pravilu koriste specijalno pripremljeni cementi, tzv. "binderi", u čiji sastav ulaze cementi visokih klasa i brzih priraštaja čvrstoća, silikatna prašina i posebni tipovi superplastifikatora.

Takođe se za spravljanje ovakvih betona najčešće primenjuju drobljeni kvarcni agregati.

Na sl. 4.14 prikazan je ternerni dijagram koji daje zavisnost između odnosa voda/binder, sadržaja kvarca u agregatu i čvrstoće pri pritisku jednog od ovakvih betona.

U tabeli 4.1 date su recepture za dva betona, jednog običnog sa čvrstoćom fk,28 = 40 MPa i jednog autoklaviranog, čija je čvrstoća odmah nakon autoklaviranja iznosila 160 MPa.