BETONI VISOKIH ČVRSTOĆA I SPECIJALNI BETONI
Općenito o betonu: Beton – vjerojatno najšire korišteni materijal na svijetu. Počeci upotrebe betona datiraju iz 7000 g.pr.n.e. Koloseum u Rimu 82 g.pr.n.e; Temelji ovog najvećeg i najznačajnijeg amfiteatra napravljeni su od ‘gustog’ betona, dok je lagani beton korišten za neke lukove i svodove. Beton je kompozitni materijal sastavljen od veziva (cementa), tucanika ili šljunka, pijeska i vode. Poznat je još u doba Egipta, Rima, a poznavale su ga čak i neke neolitičke civilizacije. Rimljani su vulkanski pepeo, nazvan pucolan (po mjestu Puzzoli, ispod Vezuva) miješali s vapnenim mortom i tako dobivali gradivo otporno na vodu. Nakon propasti Rimskog carstva način njegovog spravljanja je gotovo izgubljen, da bi se tek ‘nedavno’ nanovo otkrio. Naime, 1824. patentiran je Portland cement, jedno od najznačajnijih veziva u istoriji betona.
BETONI VISOKIH ČVRSTOĆA Sam naziv beton visokih čvrstoća (High Strength Concrete - HSC) rabi se za betone koji imaju tlačnu čvrstoću veću od određene vrijednosti koja je vremenom polako rasla. Pedesetih godina ovog stoljeća ta je vrijednost bila 30 MPa, dok je ona danas u većini zemalja 60 MPa. Beton visokih čvrstoća, osim što ima veliku tlačnu čvrstoću, posjeduje i ostala mehanička svojstva koja mu daju veću trajnost i otpornost na sve agresivnije djelovanje okoliša. Dobra zaštita armature, trajnost, velike rane čvrstoće, visoka otpornost na mraz i na habanje i laka ugradljivost svježeg betona češće su razlog primjene betona visokih čvrstoća nego sama velika tlačna čvrstoća betona. Zbog toga se u Francuskoj ovi betoni zovu betoni visokih sposobnosti (High Performance Concrete - HPC). Primjena ovakvih betona smatra se pravim odgovorom na činjenicu da su objekti od običnog betona, koji se smatrao vječnim gradivom, u vrlo lošem stanju zbog brojnih agresivnih djelovanja okoline. Visoka čvrstoća betona omogućuje smanjenje dimenzija nosača, što dovodi do smanjenja težine konstrukcije, smanjenja inercijalnih sila pri potresu i omogućuje povećanje raspona nosača. Također smanjenje težine nosača i veće rane čvrstoće betona daju nove mogućnosti montažnom načinu gradnje objekata.
Betoni visokih čvrstoća Većina nacionalnih pravilnika za beton ima najveću vrijednost za tlačnu čvrstoću betona 50 do 60 MPa. Ova je činjenica usporavala primjenu betona visokih čvrstoća. Ipak, postoje zemlje kod kojih je najveća vrijednost tlačne čvrstoće betona preko 100 MPa, kao što su: Norveška, Finska, Nizozemska i Njemačka. Također, propisi za beton u SAD-u i Kanadi nemaju ograničenje tlačne čvrstoće betona. Prema Pravilniku za beton i armirani beton iz 1987. godine, najveća vrijednost tlačne čvrstoće betona je 60 MPa. Prema EC-2, maksimalna tlačna čvrstoća na kocki je također 60 MPa. Načini dimenzioniranja u stanju granične nosivosti i postupci provjere graničnog stanja uporabljivosti armirano betonskih nosača dobiveni su uglavnom na osnovi iskustava s betonima s tlačnom čvrstoćom manjom od 40 MPa. U devedesetim godinama ovog stoljeća primjena betona visokih čvrstoća više nije samo u građevinama s posebnim zahtjevima, već polako prelazi i na uobičajene građevine. Ostvarivanje čvrstoće betona na gradilištu od 100 MPa više nije veliki problem i može se reći da je beton ovih čvrstoća napustio laboratorije i polako se širi po gradilištima u čitavom svijetu. U nastavku će se dati pregled nekih izgrađenih objekata od betona visokih čvrstoća.
NORVEŠKA: Pronalazak nafte u Sjevernom moru u blizini obale Norveške krajem šezdesetih godina ovoga stoljeća izazvao je veliko povećanje gradnje u Norveškoj. Osim za izgradnju naftnih platformi, novac dobiven prodajom nafte se troši i za prometno povezivanje sjevera s jugom zemlje. I kod gradnje naftnih platformi i kod gradnje mostova velikih raspona ili plutajućih mostova kao vodeće gradivo nametnuo se beton visoke čvrstoće. Primjena betona visoke čvrstoće pri izgradnji novih objekata je zahtijevala i opsežno pokusno ispitivanje. Rezultati tih pokusa su doprinijeli da se beton visokih čvrstoća uključi u norveške propise NS 3479 iz 1989. godine. U proteklih dvadeset pet godina izgrađeno je više velikih betonskih naftnih platformi u vodama Sjevernog mora. Prva primjena betona za ove svrhe bila je 1971. godine na naftnom polju Ekofisk u Sjevernom moru. Dubina vode gdje su ovi objekti izgrađeni kreće se od 45 do 350 m. Ovi se objekti nalaze u vrlo agresivnoj okolini. Objekti su izloženi agresivnom djelovanju morske vode, udaru valova visine do 30 m, jakom djelovanju vjetra, niskim temperaturama i potresu. Zahtjevi za trajnost i obradivost betona vrlo su visoki. Platforme se računaju na vijek trajanja najmanje 50 godina, dok se beton ugrađuje s pumpama visokog tlaka u betonske elemente, gdje je količina armature od 500 do 1000 kg/m3 betona. Sve ove zahtjeve može ispuniti samo beton visokih čvrstoća, koji ima i ostale osobine znatno bolje od običnog betona. Uobičajena čvrstoća betona ostvarena na ovim objektima je 65-75 MPa. U sve naftne platforme je ugrađeno oko 2.500.000 m3 betona visoke čvrstoće.
Za platforme u Sjevernom moru beton mora ispuniti sljedeće uvjete: vodocementni faktor < 0.40 koeficijent vodopropusnosti < 10-12 m/s temperatura hidratacije < 70 oC najmanji zaštitni sloj armature 50 mm obična arm. 70 mm arm. za PNP kvaliteta cementa C3A=5-8 % punilo odabir kemijski inertnog punila Primjer sastava betonske mješavine uzet je od naftne platforme Troll GBS. Tražena kvaliteta betona je bila C80, a sastav mješavine m3 betona je sljedeći: cement HS 65 420 kg kremena prašina 8 kg superplastifikator 8 kg vodocementni faktor 0.38 Pokusni rezultati betona starosti 28 dana su bili sljedeći: gustoća betona 2400 kg/m3 karakteristična čvrstoća kocke od 100 mm 82 MPa modul elastičnosti 29500 MPa slijeganje svježeg betona 240-260 mm.
Na osnovi iskustava s uporabom lakog betona visoke čvrstoće na gradnji naftnih platformi odlučeno je da se izgradi mali pokusni pješački most od istoga gradiva, dužine oko 30 m (most Endrestø). Most je izgrađen 1987. godine. Laki beton kvalitete LC60 je imao sljedeću recepturu za m3 betona: cement PZ 55 385 kg kremena prašina 15 kg pijesak 0-4 mm 650 kg Liapor 8, 4-8 mm 290 kg Liapor 8, 8-16 mm 360 kg vodocementni faktor 0.45 Uporabljeni su i plastifikatori i aeranti kao dodaci betonu. Pokusni rezultati betona su bili sljedeći: gustoća betona na zraku 1896 kg/m3 gustoća betona u vodi 1921 kg/m3 srednja čvrstoća kocke od 100 mm 75.8 MPa modul elastičnosti 24800 Mpa Most je sagrađen 1987. godine. Ukupna količina betona je bila 25 m3. Ovaj mali most je poslužio za stjecanje iskustava u uporabi lakog betona visoke čvrstoće pri gradnji mostova. Ova iskustva su se rabila pri gradnji većih mostova. Liapor – granule ekspandirane gline
Sandhornøya je prvi most od lakog betona visoke čvrstoće koji je građen postupnim prepuštanjem. Most je građen od lipnja 1988. godine do listopada 1989. godine. Ukupna dužina mosta je 374 m, a sastoji se od tri raspona dužina 110154-110 m. Krajnji rasponi su građeni od lakog betona klase LC55, a glavni raspon od običnog betona klase C45. Uporaba lakog betona visoke čvrstoće uštedjela je u cijeni materijala 2 %, dok je krajni raspon duži 25 m nego kod tradicionalno građenog mosta postupnim prepuštanjem. Ali je najveća vrijednost kod ovog mosta, iskustvo u građenju s ovim gradivom koje se može primijeniti za kasnije duže mostove. Laki beton kvalitete LC55 je imao sljedeću recepturu za m3 betona: cement P30 385 kg kremena prašina 25 kg pijesak 0-8 mm 575 kg liapor 8, 4-8 mm 250 kg liapor 8, 8-16 mm 400 kg betokem P 3l rescon HP(s) 6l rescon L(t) 0.15 l Pokusni rezultati betona su bili sljedeći: voda 172 l gustoća svježeg betona 1850 - 1900 kg/m3 vodocementni faktor 0.40 Sr. čvr. kocke od 100 mm 59.8 MPa slijeganje 20 cm. modul elastičnosti 22300 MPa.
Most Salhus je sagrađen krajem 1993. godine. Most se sastoji iz dva dijela. Prvi dio je ovješeni most i vijadukt dužine 369 m, dok je drugi dio plutajući most ukupne dužine 1246 m. Nosači i kolnička ploča ovog dijela mosta izgrađeni su od lakog betona visoke čvrstoće LC55 s gustoćom betona od 1900 kg/m3. Krajnji raspon ovog dijela mosta je izgrađen od običnog betona kvalitete C45 s gustoćom betona 2350 kg/m3. Ostvarene čvrstoće lakog betona su bile oko 70 MPa, dok je modul elastičnosti lakog betona bio 20 GPa. Ukupna količina lakog betona je oko 1100 m3. Plutajući dio mosta ima 11 raspona od 113.25 m, s deset pontona kao oslonaca. Ovaj dio mosta je u vodoravnoj krivini. Sama konstrukcija mosta je od čeličnih cijevi koje su oslonjene na pontone od lakog betona kvalitete LC55. Na početku ovog dijela mosta put je u nagibu da bi se podigao na razinu ovješenog mosta. Pontoni se sastoje od devet zatvorenih komora ukupnih dimenzija 20.5 x 42.0 m i 6.8-8.5 m visine. Debljina unutarnjih zidova komora je 20 cm a vanjskih 30 cm. Donja ploča je debela 30 cm, a gornja 20 cm. Ukupna količina lakog betona je oko 8500 m3.
Most Varodd je izgrađen krajem 1994. godine. Ukupna dužina mosta je 660 m a sastoji se od pojedinačnih raspona dužine 120 - 260 - 200 - 80 m. Poprečni presjek mosta je sandučasti s visinom iznad glavnog stupa od 14.0 m, dok mu je visina u sredini glavnog polja 3.0 m. Širina mosta je 14.0 m, debljina zida sanduka je 40 cm, dok se debljina ploča mijenja od 80 do 30 cm. Način građenja mosta je bio postupnim prepuštanjem. Kvaliteta betona u glavnim stupovima i rasponskoj konstrukciji je bila C65. Beton visoke čvrstoće je odabran iz dva razloga. Prvi razlog je smanjenje količine betona i armature, dok je drugi razlog bio dobra zaštita armature u ovakvom betonu.
FRANCUSKA: U Francuskoj se rabi naziv beton visokih sposobnosti (High Perfomance Concrete – HPC), jer se ne uzima u obzir samo visoka čvrstoća betona već i ostale poboljšane osobine ovoga gradiva. U prvom razdoblju uporabe ovakvog betona od 1984. do 1988. godine, razlog uporabe ovog betona su bile njegova trajnost, dobra otpornost na niske temperature i na utjecaj morske vode, te velike rane čvrstoće betona. U ovom razdoblju izgrađeno je niz mostova koji su rabili beton visokih sposobnosti:
Ile de Ré Most je rađen u razdoblju od 1986. do 1988. godine. Dug je skoro 3 km s rasponima po 110 m. Rađen je prepusnom gradnjom od predgotovljenih elemenata dužine 3.8 m. Projektirana klasa betona je bila 35 MPa, dok je ostvarena bila 60 MPa. Količina utrošenog betona visoke čvrstoće je bila 33000 m3. Zahvaljujući čvrstoći od 15 MPa betona starog deset sati bilo je moguće ugraditi više od 150 komada predgotovljenih elemenata za jedan mjesec. Još jedan razlog za uporabu betona visoke čvrstoće bila je dobra otpornost na morsku vodu.
Sylans-Glaciére most Ostvarena čvrstoća betona bila je B60, dok je projektirana bila B37. Količina ovakvog betona je bila oko 12.000 m3. Poprečni presjek ovog mosta je vrlo osebujan, s bočnim dijelovima betonskog sanduka od štapova dimenzija 20 x 20 cm koji čine prednapetu betonsku mrežu. Razlog uporabe betona visoke sposobnosti bila je dobra ugradljivost bez segregacije svježeg betona.
Most preko rijeke Roize Most se sastoji od tri raspona dužine 36 - 40 - 36 m, širine je 10.5 m i ima vodoravnu krivinu R=535 m. Sagrađen je od 1990. godine. Projektiran je s ciljem da mu vlastita težina bude što manja. Zbog toga se nosivi sklop sastoji od prostorne trokutne rešetke od čelika i vrlo tanke kolničke ploče od prednapetog betona visoke čvrstoće (d=14 cm). Rabljeno je više receptura za mješavinu svježeg betona i sve su ostvarile čvrstoću betona preko 95 MPa. Receptura betona: pijesak 0-5 mm šljunak 4-10 mm šljunak 10-14 mm cement CPA/HPR kremena prašina plastifikator RH 2000 PF voda vodocementni koeficijent čvrstoća 1 dan čvrstoća 7 dana čvrstoća 28 dana
736 kg 451 kg 667 kg 450 kg 45 kg 19.5 kg 130 l 0.289 36 MPa 72 MPa 111 MPa
Most Normandie Ovaj ovješeni most s glavnim rasponom od 856 m drugi je po rasponu ovješeni most na svijetu. Ukupna dužina mosta je 2141 m. Širina kolničke ploče je 21.20 m i ona je betonska osim središnjeg dijela mosta u dužini od 624 m, gdje je od čelika. Za ovaj most utrošeno je 35.000 m3 betona visoke čvrstoće B60.
JAPAN: U laboratoriju Sveučilišta u Tokiju dobio se beton čvrstoće 102 MPa već 1940 godine. Dobiven je s mješavinom za obični beton, ali s vodocementnim koeficijentom 0.22 i primjenom tlaka od 10 MPa za vrijeme prvog dana očvršćivanja betona. Ovaj beton je trebao biti uporabljen umjesto čeličnih zaštita u podmorskom željezničkom tunelu Kanmon. Danas se u Japanu rabi beton visokih čvrstoća najčešće u predgotovljenim elementima koji se proizvode u tvornicama betona i kasnije odvoze na gradilišta. Čvrstoće betona od 60 do 70 MPa se dobivaju od mješavina koje su kao kod običnog betona, ali se posebnim mjerama ugradnje i tretmana svježeg betona s niskim vodocementnim koeficijentom. Tek se u posljednje vrijeme beton visokih čvrstoća dobiva uporabom plastifikatora i kremene prašine. U Japanu je najveći dio betonskih mostova napravljen od betona koji imaju čvrstoću manju od 40 MPa. Ipak, postoji i nekoliko mostova kod kojih je rabljen i beton veće čvrstoće od 60 MPa.
Most Iwahana Sagrađen 1973. Most je prednapregnuta betonska rešetka raspona 45 m. Štapovi rešetke rađeni su u tvornici betona, a na gradilištu su rađeni betonski čvorovi rešetke. Ostvarena čvrstoća betona kod štapova bila je 84 MPa s koeficijentom varijacije manjim od 4 %. Mješavina 1 m3 betona bila je sljedeća: cement 600 kg voda 138 kg pijesak 650 kg šljunak 1080 kg plastifikator 9 kg vodocementni faktor 0.23 slijeganje 12 cm Iako je čelična rešetka bila jeftinija, odabrana je betonska rešetka zbog problema buke i vibracija mosta kod čelične rešetke.
Most Aomori Ovo je ovješeni most s rasponom od 240 m. Stup visine 81.6 m je sagrađen od betona čvrstoće 60 MPa. Mješavina betona je imala vodocementni koeficijent 0.31 0.35, i rabljen je portland cement u količini 386 - 400 kg/m3 betona. Beton je bio ugrađen s betonskim pumpama.
SAD I KANADA: U šezdesetim godinama ovog stoljeća rađen je beton čvrstoće 60 do 75 MPa za razne vojne građevine. Ova čvrstoća betona se dobivala iz mješavina koje su imale količinu cementa do 650 kg/m3 betona i niske vodocementne koeficijente. Nije bilo dodataka cementu. Zbog velike količine cementa pri očvršćivanju betona razvijala se velika temperatura, koja je zahtijevala posebne mjere njegovanja mladog betona. Danas se u SAD i Kanadi rabi beton visokih čvrstoća s čvrstoćom cilindra i do 140 MPa, najčešće kod izgradnje vrlo visokih zgrada, mostova, robnih kuća, parkirališnih garaža, naftnih platforma i objekata za tešku industriju. U tablicama koje slijede prikazani su najznačajnije visoke zgrade i mostovi urađeni od betona visokih čvrstoća.
Građevina
Mjesto
Godina
Čvrstoća [MPa]
Helmsley Palace Hotel
New York
1978
55.2
68 katova
Trump Tower
New York
55.2
68 katova
55.2
52 kata
City Center Project
Minneapolis
1981
Opaske
Collins Place
Melbourne
55.2
44 kata
499 Park Avenue
New York
58.6
27 katova
Royal Bank Plaza
Toronto
1975
60.7
110 MPa za godinu dana, 43 kata
Richmond-Adelaid Centre
Toronto
1978
60.7
33 kata
300 West Monroe
Chicago
1973
62.1
Midcontinetal Plaza
Chicago
1972
62.1
50 katova
Frontier Towers
Chicago
1973
62.1
55 katova
Water Tower Place
Chicago
1975
62.1
h=262 m, 75 katova, 69000 m3 lakog betona
River Plaza
Chicago
1976
62.1
56 katova, dva stupa 75.8 MPa
Mercantile Exchange
Chicago
1982
62.1
40 katova, dva stupa 96.5 MPa
Columbia Center
Seattle
1984
65.5
76 katova
Interfirst Plaza
Dallas
1983
69.0
73 kata
96.5
47 katova
Dain Bosworth Tower
Minneapolis
Scotia Plaza Tower
Toronto
1988
70.0
68 katova, 13000 m3
BCE Place
Toronto
1991
70.0
52000 m3
Jack Davies Building
Victoria
1993
70.0
300 m3
Paine Plaza
Chicago
1976
75.8
1990
85.0
Concordia University
20000 m3
Bay-Adelaide Building
Toronto
1989
85.0
900 North Michigan Garage
Chicago
1986
96.5
Concordia University
Canada
1990
100.0
4 pokusna stupa
La Laurentienne Building
Montreal
1984
120.0
dva stupa 18 m3 betona
Upotrebljene recepture (po m3) i ostvarene čvrstoće betona za neke građevine Water Tower Place, Chicago 1975.
La Laurentienne Building, Montreal 1984.
voda (kg)
195
135
145
130
cement (kg)
505
500
315
513
leteći pepeo (kg)
137
kremena prašina (kg) sitno punilo (kg) Plastifikator (l)
Two Union Square, Seattle 1988.
60
zgura (kg) krupno punilo (kg)
Scotia Plaza, Toronto 1987.
30
36
43
1030
1100
1130
1080
630
700
745
685
0.975
9.0
Usporivač (l)
1.8
Superplastifikator (l)
14
5.9
15.7
0.35
0.27
0.31
0.25
fc' 28 dana (Mpa)
65
93
83
119
fc' 91 dan (Mpa)
79
107
93
145
vodocementni koeficijent
Two Union Square, Seattle Scotia Plaza, Toronto
Water Tower Place, Chicago La Laurentienne Building, Montreal
Neki mostovi od betona visokih čvrstoća
Most
Mjesto
Godina
Opaske
Čvrstoća [MPa]
Willows Bridge
Toronto
1967
41.4
l=158 m
Houston Ship Canal
Texas
1981
41.4
l=114+229+114 m, segmentno građenje
San Diego to Coronado
California
1969
41.4
l=140 m, laki beton
Linn Cove Viaduct
N.Carolina
1979
41.4
segmentna gradnja samo u jednom smjeru, l=379 m
Pasco-Kennewick Intercity
Washington
1978
41.4
51.7MPa, l=299 m
Coweman River Bridges
Washington
48.3
l=146 m
Huntington to Proctorville
W.Virginia
1984
55.2
Portneuf Bridge
Quebec
1992
60.0
5 pregotovljenih nosača, 150 m3 zračnog betona, 75 MPa, l=24.8 m
Highway 50 Overpass
Mirabel
1993
60.0
450 m3 zračnog betona
St. Eustache Bridge
Quebec
1992
70.0
11 pregotovljenih nosača, 115 m3 betona
Highway 19 Pedestrian Walkways
Laval
1992
70.0
100 m3 betona, l=35 m
OSTALE ZEMLJE: BELGIJA D3 - “Espace Leoplod” Brüssel, Belgija Beton visokih čvrstoća rabio se kod 200 prefabriciranih stupova za 4 parkirališna kata u objektu od 24 kata. Tražena čvrstoća od 80 MPa se dobila uporabom mješavine betona s 450 kg/m3 cementa, 45 kg/m3 kremene prašine, superplastifikatora 12.8 l/m3, pijeska 790 kg/m3 i šljunka 1080 kg/m3. Razlozi uporabe ovakvog betona su smanjenje poprečnog presjeka stupova i smanjenje količine armature, brzina izgradnje i jeftinija gradnja od gradnje s spregnutim stupovima koji se sastoje od čelika i betona. Objekt je urađen 1992. godine.
TAJLAND Baiyoke-2 Tower Bangkok, Tajland Toranj ima 90 razina i sagrađen je 1993. godine. Pumpani beton visoke čvrstoće ugrađen je u ploče i stupove jezgre tornja. Čvrstoća betona do 65 razine bila je 60 MPa, a za ostali dio bila je 50 MPa. Utrošena količina pumpanog betona bila je 75.000 m3.
NJEMAČKA BfG zgrada, Frankfurt na Majni, Njemačka Ovdje je prvi put u Njemačkoj rabljen beton visokih čvrstoća. Zgrada je visoka 186 m i ima 47 nadzemnih i 4 podzemnih etaža. Za 4 stupa i jedan dio zida rabljen je beton kvalitete B85. Ostali dio zgrade rađen je od betona kvalitete B45. Razlog uporabe betona visoke čvrstoće je bio smanjenje dimenzija stupa i smanjenje količine armature. Za jedan m3 betona miješalo se 450 kg portland cementa (45 F), kremene prašine 35 kg, pijeska 660 kg, šljunka 1170 kg, vode 155 l, superplastifikatora 12 l i usporivača 1.8 l. Ostvarena srednja čvrstoća betona nakon 56 dana bila je 112 MPa. Čvrstoća betona na vlak pri savijanju je bila 4.1 MPa, dok je modul elastičnosti betona bio 36 GPa. Objekt je sagrađen 1992. godine.
DANSKA Most i tunel Veliki Belt (Great Belt), Danska U Danskoj je 1998. godine sagrađena prometna veza između skandinavskih zemalja i Danske. Prometna veza se sastoji od dva podmorska željeznička tunela dužine po 8000 m, cestovnog mosta dužine 6800 m (Istočni most) i mješovitog mosta dužine 6600 m (Zapadni most). Središnji dio Istočnog mosta je ovješeni most s glavnim rasponom od 1624 m i visinom glavnog stupa od 254 m. Zapadni most se sastoji od više raspona dužine po 110 m koji su sastavljeni od prefabriciranih betonskih nosača. Razlog primjene betona visokih čvrstoća je njegova trajnost i dobra zaštita armature od kemijskog djelovanja morske vode. Tražena čvrstoća betona za razne dijelove mostova i tunela kreće se između 50 i 65 MPa. Također se zahtijeva da razlika temperatura pri hidrataciji betona , mjerena u središtu i na vanjskom licu betonskog tijela, ne smije biti veća od 20o C. Ovo se zahtijeva zbog sprečavanja nastanka mikropukotina u betonu. Korištena su dva tipa mješavina za beton: tip "A" tip "B" voda / vezivo < 0.35 < 0.40 leteći pepeo / vezivo > 0.10 > 0.10 kremena prašina / vezivo 0.05 - 0.8 0.5 - 0.08 l.pepeo+k.prašina / vezivo < 0.25 < 0.25 voda < 135 l < 140 l. Tip "A" betona rabi se za prefabricirane betonske elemente za tunel i dijelove betona ispod razine mora za mostove. Za glavni stup Istočnog mosta i za prefabricirane nosače Zapadnog mosta rabi se beton tipa "B". Ukupna količina betona bila je oko 1.000.000 m3.
MALEZIJA Ova građevina je, s visinom od 450 m, najviši objekt na svijetu. Nosiva jezgra i stupovi zgrade predviđeni su spregnutog sastava od čeličnog vanjskog dijela i ispune od betona visoke čvrstoće. Za niže dijelove objekta predviđen je beton kvalitete 80 MPa, dok se viši dijelovi objekta građeni od betona kvalitete 60 i 40 MPa. Kvaliteta betona je karakteristična čvrstoća betona na kockama od 15 cm. Zahtijevalo se da beton kvalitete 80 MPa ima modul elastičnosti veći od 35.5 GPa, da temperatura svježeg betona ne smije biti veća od 35 oC i da slijeganje svježeg betona bude oko 20 cm zbog ugradnje betonskim pumpama. Također, zahtijevano je da vodocementni koeficijent bude 0.27. Za jedan m3 betona korišteno je 520 kg cementa, 30 kg kvarcne prašine i superplastifikatora u količini da slijeganje svježeg betona bude oko 20 cm. Ugrađeno je oko 3000 m3 betona kvalitete 80 MPa.
Osnovne upute za izradu Betona visokih čvrstoća -
-
Upotrijebljeni agregat mora biti čvrst i trajan. Nije neophodno da ima jako veliku čvrstoću, ali mora biti kompatibilan s cementnom pastom, u smislu krutosti i čvrstoće. Agregat također mora imati ograničenu količinu sitnih čestica (nule). Betonska mješavina za izradu betona visokih čvrstoća ima relativno veliku količinu cementa, što povećava hidratacijsku toplinu, a također i skupljanje. Zato se kod izrade betona visokih čvrstoća koriste različiti dodaci, kao što su leteći pepeo (fly ash), zgura visokih peći (ground granulated blast furnace slag), silicijska prašina (silca fume), metakaolin i prirodni pucolanski materijali (natural puzzolanic materials), da bi se smanjila količina cementa. Mješavina također mora imati niski vodocementni faktor (poželjno 0.23-0.35), što je moguće postići samo uz veće količine dodataka koji smanjuju potrebnu količinu vode (superplastifikatori). Ukupna količina cementa je obično oko 415 kg/m3, ali ne veća od 650 kg/m3.
Znatniju pažnju valja posvetiti betonima kod kojih se osim čvrstoće zahtijevaju i neke druge karakteristike: otpornost na mraz, mali koeficijent puzanja i sl. Teoretski, malo puzanje i skupljanje i veliki modul elastičnosti postiže se u betonima s više agregata i manje paste. Smanjenjem maksimalnog zrna agregata na npr. 10 mm, postižu se velike čvrstoće, ali i veće puzanje i skupljanje. U svakom slučaju potrebno je provesti vrlo detaljno ispitivanje na uzorcima u svakom pojedinom slučaju izrade betona visokih čvrstoća.
Osnovne upute za izradu Betona visokih čvrstoća Kao što je napomenuto, bitan sastojak betona visoke čvrstoće je punilo. To je sastojak koji može zamijeniti jedan dio cementne smjese, a to mogu biti troske iz visoke peći, leteći pepeo ili silicijska prašina koja se najčešće i rabi. Silicijska prašina je otpadni dimni materijal koji se sabire u filtrima tvornica ferolegura i silicijskog materijala. Ovaj materijal sadržava 85% do 98% silicijskog dioksida i ekstremno fine staklene čestice promjera manjeg od 1 µm. Zbog male gustoće, a zbog mogućeg transporta i doziranja betonu, silicijska prašina se suspendira u vodi ili se homogenizira s cementom. Betoni načinjeni s cementom u koji je umiješana silicijska prašina velike specifične površine, mimo očekivanja, ne zahtijevaju više vode u odnosu na konvencionalni beton. Naime, čestice silicijske prašine ultra malog promjera popunjavaju pore manje od zrnaca cementa, pa uz pomoć superplastifikatora osiguravaju dostatnu obradivost betona i kod vrlo malog vodocementnog faktora, čak manjeg od 0.35, čime se bitno smanjuje količina slobodne vode, odnosno poroznost, povećava čvrstoća, trajnost i druga poželjna svojstva. Silicijska prašina vrlo je aktivna, tako da 1 kg tog materijala može zamijeniti 3 do 4 kg cementa, a da se čvrstoća betona ne mijenja. Kada su potrebni betoni čvrstoća 60-100 MPa, upotreba silicijske prašine je nezamjenjiva. Betoni s dodatkom silicijske prašine su otporni na smrzavanje i odmrzavanje, pa i onda kad se upotrebljava natrijev klorid za otapanje. Također su otporni na kemijske agresije (sulfatna, kloridna, morska voda), te alkalno-silikatne i alkalnokarbonatne reakcije.
Dimenzioniranje elemenata od Betona visokih čvrstoća: PRORAČUN GRANIČNOG STANJA NOSIVOSTI Granično stanje nosivosti može se definirati kao stanje u nosaču neposredno prije sloma. Za to stanje je računska vrijednost rezne sile Sd jednaka nosivosti presjeka Rd. Obje ove veličine imaju stohastični karakter, pa se reprezentativna vrijednost opterećenja i karakteristična vrijednost za čvrstoću materijala određuju na načelu vjerojatnosti. Potrebna sigurnost pri proračunu se ostvaruje primjenom koeficijenata sigurnosti za opterećenje i materijal. Način dimenzioniranja armiranobetonskih presjeka metodom granične nosivosti načelno je jednak za betone visokih čvrstoća kao i za betone niže čvrstoće. Jedina razlika je u obliku računskog dijagrama za beton. U daljnjem tekstu bit će prikazan oblik računskog dijagrama betona iz pravilnika nekih zemalja koje imaju u svojim pravilnicima i betone visokih čvrstoća.
PREDLOŽAK PROPISA CEB-FIP MC '90 Klasa betona (C) je određena kao 5% fraktilna vrijednost jednoosne tlačne čvrstoće betonskih cilindara 15x30 cm s starošću od 28 dana. Najmanja klase betona je C12, dok je najveća klasa betona C80. Računski dijagram betona C70 prikazan je na slici. Vrijednosti Ec1, Ec i εcu za betone C12 do C80 dane su u tablici, dok je εc1 za sve kvalitete betona 2.2 ‰. fcm
napon
Za ξ ≤ ξu je: σc = fcn·(mξ-ξ2) / (1+(m-2)·ξ), a za ξ > ξu je: σc = fcn / ((n/ξu-2/ξu2)·ξ2 + (4/ξu-n)·ξ). Gdje je: ξ = εc / εcu m = Ec / Ec1 n = 4·(ξu2·(m-2)+2·ξu-m) / (ξu·(m-2)+1)2.
Ec1
Ec
deformacija
BETON
C12
C20
C30
C40
C50
C60
C70
C80
Ec (GPa)
27.0
30.5
33.5
36.5
38.5
41.0
42.5
44.5
Ec1 (GPa)
9.0
12.5
17.5
22.0
26.5
31.0
35.5
40.5
εcu (‰)
5.0
4.3
3.6
3.3
3.0
2.8
2.6
2.4
εc1
εcu
NORVEŠKI PRAVILNIK NS 3473 (1992) Najveća karakteristična vrijednost čvrstoće betonskih kocki dužine stranice 10 cm fck je po ovim propisima 105 MPa. Karakteristična vrijednost određuje se kao 5% fraktila. Do kvalitete betona od 55 MPa može se koristiti tradicionalni računski dijagram betona u obliku parabole i vodoravnog pravca, s karakterističnim deformacijama betona od 2.0 ‰ i 3.5 ‰ . Za betone visokih čvrstoća računski dijagram betona dan je na slici. Za betone čija je karakteristična čvrstoća kocke fck do 85 MPa dani su izrazi za proračun modula elastičnosti Ecn i deformacije betona εco i εcu , dok za veće čvrstoće ove vrijednosti treba odrediti pokusom. Za deformaciju εcu > εc ≥ εco σc = fcn Za deformaciju εco > εc ≥ 0.6·fcn / Ecn σc = Ecn·εc + (m-1)·fcn·((Ecn·εc+0.6·fcn) / ((0.6-m)·fcn)) (m-0.6)/(m-1) Za deformaciju 0.6·fcn / Ecn > εc > 0 σc = Ecn·εc f Ecn = 9500·(fcn)0.3 (MPa) εcn = fcn / Ecn εco = (0.004·fcn + 1.9) / 1000 εcu = (2.5·m - 1.5)·εcn m = εco / εcn napon
cn
fcd = fcn / γm = (0.56·fck + 2.8) / 1.4 0.6ε cn
deformacija
ε co
ε cu
ACI 318-89 (SAD) Karakteristična čvrstoća beton fcc određuje se na cilindrima 152/304 mm (6/12 inča). Nije ograničena najveća vrijednost kvalitete betona. Uobičajeni oblik računskog dijagrama betona prikazan je na slici. Vrijednost koeficijenta β1 je 0.85 za betone čvrstoće fcc ≤ 27.6 MPa i smanjuje se za 0.05 za svako povećanje čvrstoće betona od 6.89 MPa. Najmanja vrijednost ovog koeficijenta je 0.65. Smanjenje ovog koeficijenta s povećanjem čvrstoće betona je zbog toga što je stvarni oblik zavisnosti napona i deformacije betona visokih čvrstoća bliži trokutu nego pravokutniku.
NIZOZEMSKI PRAVILNIK U pravilnicima NEN 6720, NEN 5950 i NEN 6722 najveća klasa betona je do čvrstoće 65 MPa. Dodatkom na ove pravilnike ta se granica podigla na 105 MPa. Čvrstoća betona se ispituje na kockama od 150 mm starim 28 dana. Računska čvrstoća betona se računa po formuli: fcd = k·fcck / γc klasa betona fcd (MPa) εc1 (‰ ) εcu (‰ ) gdje je : B65 39 1.75 3.50 fcck = karakt. čvrstoća kocke u MPa, 45 1.75 3.25 B75 γc = 1.2, koeficijent sigurnosti za beton, B85 50 1.80 3.00 k = (785 - fcck) / 1000, koeficijent kojim se B95 55 1.85 2.75 uzima razlika između čvrstoće kocke i B105 60 1.90 2.50 čvrstoće betona u nosačima. 70 60
1,9
B65 B75 B85 B95 B105
50
napon (MPa)
Računski dijagram za beton je pravocrtni do deformacije betona εc1. Napon betona između deformacija εc1 i εcu jednak je računskoj čvrstoći betona. Najveća deformacija betona označena je s εcu. Vrijednosti ovih deformacija dane su u tablici
40
2,5
1,85 1,8
2,75 3
1,75
3,25
1,75
3,5
30 20 10 0 0
0,5
1
1,5
2
deformacija (%o)
2,5
3
3,5
4
DOPUNA DIN-a 1045 (1996.) Rasprava o prijedlogu pravilnika za beton visokih čvrstoća još nije završena. Po ovom prijedlogu najveća čvrstoća betona je 115 MPa. Ova čvrstoća je karakteristična vrijednost određena na kockama od 20 cm. Ako se rabi drugačiji oblik pokusnog uzorka popravlja se čvrstoća betona prema sljedećim izrazima: beton βwN (MPa) βws (MPa) βw200 = 0.92·βw100 B65 65 71 βw200 = 0.95·βw150 75 82 B75 βw200 = 1.10·βc150/300 B85 85 93 Za betone veće kvalitete od B95 potrebno je pokusom odrediti sve potrebne vrijednosti za proračun. U tablici su dane vrijednosti karakteristične čvrstoće betona βwN i srednje vrijednosti čvrstoće betona βws za klase betona do B115. beton βR (MPa)
95
104
B105
105
115
B115
115
126
B75
B85
B95
B105
B115
40
45
50
55
60
64
εbs (‰ )
2.04
2.07
2.10
2.14
2.17
2.20
εbu (‰ )
3.1
2.7
2.5
2.4
2.3
2.2
n
2.0
1.9
1.8
1.7
1.6
1.55
βR
NAPON
Računski dijagram betona je parabola i pravac. Do deformacije εbs zavisnost između naprezanja i deformacije dana je izrazima: σb = βR·(1-(1-εb / εbs)n) gdje je: βR = 0.85 · 0.85 · 0.95 · (1-βwN / 600) · βwN - računsko naprezanje betona εb = deformacija betona. Za deformacije betona od εbs do εbu naprezanje u betonu je βR. Vrijednosti potrebne za određivanje računskog dijagrama betona dane su u tablici.
B65
B95
DEFORMACIJA
ε bs
ε bu
PBAB 87, DIN 1045 I EC 2 Najčešći računski dijagram za betone do kvalitete betona 60 MPa je dijagram koji se sastoji od parabole drugog stupnja do deformacije od 2 ‰ i pravca između deformacija betona od 2 ‰ i 3.5 ‰.
σc
σc = fcd
fcd
σc =
fcd (4 − εc) εc 4
εc 2 2‰
3.5 ‰
Dimenzioniranje elemenata od Betona visokih čvrstoća: DIMENZIONIRANJE NA POPREČNU SILU Ponašanje armiranobetonskih nosača u području savijanja s poprečnim silama već od početka dvadesetog stoljeća predmet je pokusa većeg broja istraživača. Interes za ovim ispitivanjem postoji i danas, pogotovo za nosače od betona visokih čvrstoća. Usprkos činjenici da su izvršena opsežna pokusna i teorijska istraživanja i sada se nosači posebno dimenzioniraju na utjecaj momenta savijanja i posebno na utjecaj poprečnih sila. Različiti autori su predlagali, na osnovi rezultata svojih pokusa, postupke dimenzioniranja u području poprečnih sila, ali i dalje je u uporabi proračunski model rešetke. Proračunski model rešetke je manje ili više prilagođen model klasične Mörsch - Ritterove rešetke s početka ovog stoljeća. Model klasične rešetke je dan na osnovi rezultata pokusa s betonom male čvrstoće i armaturom slabe prionjivosti za beton. Klasična rešetka ima zglobno spojene štapove. Tlačni pojas rešetke je tlačni dio betona, a vlačni pojas rešetke je vlačna armatura. Ovi pojasevi su paralelni za nosače nepromjenjive visine, na osnom rastojanju koje odgovara kraku unutarnjih sila. Vlačna ispuna rešetke je posmična armatura nosača. Dio betona između kosih pukotina predstavlja tlačnu ispunu rešetke. Nagib tlačnih kosnika u modelu klasične rešetke uzima se pod kutom od 45 stupnjeva.
Rezultati pokusa, Leonhardta, Kania, Taylora, Thürlimanna i drugih, pokazuju da pretpostavke klasične rešetke daju suviše veliku sigurnost pri dimenzioniranju. Tlačni pojas rešetke nije paralelan vlačnom, već je u obliku luka čiji nagib zavisi od vrste opterećenja i oblika poprečnog presjeka. Tlačni štapovi rešetke su 4 do 20 puta krući od vlačnih tako da i okvirno ponašanje ispune dovodi do preraspodjele unutarnjih sila u nosaču. Nagib kosih pukotina je različit od 45 stupnjeva, što zavisi od oblika poprečnog presjeka i od odnosa posmične i uzdužne armature. Također, silu u posmičnoj armaturi smanjuju efekti zazubljenja zrna agregata, djelovanje uzdužne armature kao moždanika i doprinos vlačnog betona između pukotina. U većini zemalja dimenzioniranje na poprečne sile vrši se metodom granične nosivosti, gdje se nosači računaju na razinu opterećenje neposredno pred slom. Plastično ponašanje betona i armature u toj razini opterećenja dovodi do još većih razlika u unutarnjim silama nosača i onim računanim po metodi klasične rešetke koja bolje odgovara razini uporabnog opterećenja. Količina uzdužne armature, posmična vitkost nosača i visina nosača imaju osjetan utjecaj na nosivost nosača na posmik. Pokusi su pokazali da se posmična armatura aktivira tek poslije nastanka kose pukotine, a da armatura ne utječe na vrijednost opterećenja koje izaziva prvu kosu pukotinu.
Slom nosača opterećenog momentom savijanja i poprečnim silama može nastupiti na pet načina. Prva dva načina su slom momentom savijanja zbog kidanja vlačne armature ili drobljenjem tlačnog dijela betona. Kada nosač ima malu količinu poprečne armature, nastaje kosa pukotina u zoni utjecaja poprečnih sila. Ona s porastom opterećenja napreduje visoko u tlačnu zonu betona i dovodi do sloma nosača (slom 3). Kada nosač ima veću količinu poprečne armature, glavna kosa pukotina ulazi u tlačnu zonu betona, ali je ne presijeca. Zbog smanjenja tlačne zone betona slom izaziva moment savijanja (slom 4). Kod greda koje imaju veliku količinu poprečne i uzdužne armature, a imaju tanak hrbat, slom može nastati drobljenjem betona u tlačnim kosnicima betona (slom 5). Također moguć je slom nosača zbog lošeg sidrenja armature (slom 6). Ove vrste sloma nosača prikazane su na slici.
U većini zemalja vrijede jednostavni načini dimenzioniranja na poprečne sile, koji su više ili manje u skladu s navedenim saznanjima. Ukupna poprečna sila se umanji za dio sile koji nosač preuzima prije nastanka prve kose pukotine. Na ostali dio poprečne sile vrši se dimenzioniranje poprečne armature po izrazima koji su dobiveni na proračunskom modelu rešetke. Također se u većini zemalja dopušta promjenjiv nagib tlačnih kosnika betona. Dani su i izrazi kojima se dokazuje sigurnost protiv sloma tlačnih kosnika betona. EUROCODE-2 Proračun se radi u stanju granične nosivosti, gdje je računska poprečna sila opterećenja Vsd manja od računske poprečne sile nosivosti presjeka VRd. Postoje tri vrijednosti računske poprečne sile nosivosti: VRd1 - računska vrijednost poprečne sile koju može presjek bez dodatne pop. Armature; VRd2 - računska vrijednost poprečne sile koju armirani presjek može prihvatiti bez sloma tlačnih betonskih kosnika; VRd3 - računska vrijednost poprečne sile koju presjek armiran poprečnom armaturom može prihvatiti;
Računska vrijednost poprečne sile koju presjek može preuzeti bez dodatne armature: Prema EC2 VRd1 = [τRd·k·(1.2+40·ρI)+0.15·σcp]·bw·d (=Vcd) τRd – osnovna računska čvrstoća k=1.6-d > 1.0 – koeficijent visine presjeka ( u metrima) ρI – koeficijent armiranja uzdužnom armaturom σcp – središnji tlak (=Nsd/Ac) bw – najmanja širina nosača u vlačnoj zoni d – statička visina nosača Ac – površina poprečnog presjeka nosača Prema norveškom pravilniku NS 3473: Vcd = 0.33·kv·(ftd+100·ρ / γc)·bw·d kv = 1.5 - d (m), γc = 1.4. Prema američkim propisima (ACI 318-89): Vcd = φ·τvc·bw·d τvc = 0.166·- računska posmična čvrstoća betona kod pojednostavljenog proračuna, τvc = 0.158· + 17.24·ρs·Vu·h / Mu - računska posmična čvrstoća betona, fck - karakteristična čvrstoća betona na cilindru 15.2/30.5 cm (MPa), ρs - geometrijski stupanj armiranja uzdužne vlačne armature, Vu, Mu - računske vrijednosti poprečne sile i odgovarajućeg momenta savijanja Klasa betona τRd (MPa)
C 12/15
C 16/20
C 20/25
C 25/30
C 30/37
C 35/45
C 40/50
C 45/55
C 50/60
0.18
0.22
0.26
0.30
0.34
0.37
0.41
0.44
0.48
BETONI VRLO VISOKIH ČVRSTOĆA: BETONI OD REAKTIVNOG PRAHA – RPC Betoni od reaktivnog praha (RPC – Reactive Powder Concrete) je mikroarmirani beton vrlo visoke čvrstoće i drugih svojstava, kojeg su, početkom 20-ih godina XX st. otkrili znanstvenici u laboratoriju Bouygues u Francuskoj. RPC posjeduje vrlo visoke tlačne čvrstoće 200-800 Mpa, te vrlo velike svijajuće čvrstoće 25-150 Mpa. Valja ipak napomenuti da je u gradilišnim uvjetima do sada ostvarena tlačna čvrstoća od oko 250 Mpa. RPC 200 je moguće proizvoditi, ugrađivati i njegovati koristeći uobičajene metode kao kod običnog betona. Osnovna je pretpostavka RPC-a da će materijal s malim brojem nedostataka, kao što su mikropukotine i pore ostvariti veći postotak potencijalne čvrstoće definirane njegovim komponentama. Radi toga ovaj beton sadrži čestice manje od 0.1 µm, pa do približno 400-600 µm. Čelična vlakna koja se dodaju RPC-u duljine su 13 mm i promjera 0.15-0.175 mm, vrlo visoke vlačne čvrstoće od oko 2500 Mpa. Ako se usporedi zrno agregata RPC-a s maksimalnim zrnom kod običnog betona (32 mm), proizlazi da čelična vlakna u RPC-u predstavljaju isto što i šipke klasične armature duljine 1 m i promjera oko 10 mm u običnom betonu. U istraživanjima na Građevinskom fakultetu u Zagrebu postignuta je najveća tlačna čvrstoća od 184 Mpa i najveća svijajuća čvrstoća 75 Mpa.
Prednosti RPC-a - RPC je bolja alternativa HPC-u (betoni visokih čvrstoća/perfomansi), i gotovo se može uspoređivati s čelikom - Njegova velika čvrstoća s velikim kapacitetom nosivosti značajno smanjuje dimenzije elemenata, te time i vlastitu težinu. - Zbog sposobnosti duktilnog sloma u vlaku, RPC se može koristiti i kod elemenata dominantno vlačno opterećenih. - RPC također smanjuje inercijske sile od potresa (zbog smanjenih dimenzija elemenata), a također, zbog veće duktilnosti, povećava apsorpcijsku energiju građevine. - Zbog svoje niske poroznosti penetracija plina i tekućina je gotovo zanemariva. Mane RPC-a - U uobičajenoj RPC mješavini, jeftine komponente normalnog betona su izbačene i zamijenjene (vrlo) skupim komponentama, pa cijena RPC prelazi cijenu normalnog betona 5-10 puta. Stoga, se RPC treba koristiti samo u situacijama kada potrebe konstrukcije to zahtijevaju.
Sherbrooke pedestrian bridge, Quebec, Canada Pokusna konstrukcija od RPC-a
FEROCEMENT (FERO-BETONI) Ferocement je atraktivan građevinski materijal, širokih mogućnosti uporabe i poželjnih fizičko-mehaničkih svojstava. Načinjen je od portland-cementnog morta i više slojeva “finih mreža” za izradu tankih elemenata. Mreže su najčešće od čeličnih žica, a rade se još od polipropilena, jute, vlakanaca bambusa i konoplje. Ferocement se razlikuje od konvencionalnog armiranog betona uglavnom po načinu armiranja, te uporabe samo sitnih frakcija agregata (pijeska) za izradu morta, što mu daje bitno drukčija svojstva i mogućnosti primjene. Kako je ugrađena armatura vrlo podatna, lako se savija u finalni oblik, pa se ferocement može upotrebljavati za izradu zakrivljenih ploha raznovrsnih oblika i namjena. U početku ferocement se uspješno upotrebljavao za izradu, a i sad se upotrebljava za izradu brodova i čamaca. Od objekata koji se grade na zemlji mogu se izdvojiti: silosi, spremnici za tekućine, bazeni, zračni tuneli, cjevovodi, a osobito tankostijene i naborane konstrukcije. Ferocement se također upotrebljava za sanaciju oštećenih armirano betonskih i prednapetih konstrukcija. Valja istaknuti da je ferocementom izgrađeno nekoliko impozantnih izložbenih hala i sportskih objekata velikog raspona. Građevine stare više od 40 godina u dobrom su stanju uz minimalne troškove održavanja. Zbog superiornog ponašanja pri raspucavanju, ferocement se rabi u građenju vodonepropusnih građevina i onih u agresivnoj sredini. Napomena: Detaljnije o Ferobetonu u knjizi: I. Tomičić “Betonske konstrukcije”
(1) Okvir od krute mreže obložen finom mrežom (3) Nanošenje betona na klupu
(4) Oblikovanje i bojanje
(2) Detalj (5) Gotov proizvod
BETONI ARMIRANI KRATKIM ČELIČNIM ŽICAMA (SHORT-WIRE REINFORCED CONCRETE) Ovi betoni se najčešće koriste za prskani beton (mlazni beton, torkret), tj. Tamo gdje je ugradnja armature vrlo teška ili skupa (primarna tunelska obloga). Odlika ovih betona je da su relativno jeftini jer se čelične žice (najčešće posebno oblikovane – slika) miješaju u miješalici skupa s betonom.
Kratke čelične žice: dužina žice 25 mm
Inače, prskani betoni (eng. Shotcrete, njem. Spritzbeton) su posebni betoni koji se ugrađuju prskanjem pomoću komprimiranog zraka. Prilikom sudara betona s podlogom, dio betona ostaje na podlozi i naziva se ugrađeni beton. Prskani beton se šire počeo primjenjivati 1957. pronalaskom stroja za prskanje rotorskog tipa, a razlikuju se suhi i mokri postupak. Kod suhog postupka prska se suha mješavina a voda (i aditiv) se dodaju na mlaznici, dok se kod mokrog postupka prska mokra mješavina kojoj se na mlaznici dodaje komprimirani zrak radi raspršivanja betona formiranja mlaza. Za sve prskane betone dobro je da maksimalno zrno agregata ne prijeđe 16 mm, jer veća zrna imaju veći odskok.
MIKROARMIRANI BETONI (FIBER REINFORCED CONCRETE) Armirani beton je vjerojatno najčešće korišteni materijal u građevinarstvu. Najčešća armatura koja se ugrađuje u armirani beton je u obliku čeličnih šipki ili mreža. Nedostatni zaštitni slojevi, loše izvedeni detalji ili prisutnost agresivne okoline dovode do raspucavanja betona i korozije armature. Na primjer, u SAD-u, 40% betonskih mostova imaju ozbiljnih nedostataka, a svake godine se taj postotak povećava. Stoga, mnogo zemalja studira uporabu mikroarmiranog betona (Fiber reinforced concrete) kao zamjenu za klasično armirani beton. Kompozitni vlaknasti materijali omotani polimernom smolom, moguća su alternativa čeličnim armaturnim šipkama/mrežama. Polimerna aramidna armaturna vlakna (aramid fiber reinforced polymer (AFRP), Karbonska polimerna armaturna vlakna (carbon fiber reinforced polymer (CFRP)), i staklena polimerna Notre-Dame Bolnica, Francuska armaturna vlakna (glass fiber reinforced polymer (GFRP) već predstavljaju komercijalni proizvod u građevinskoj industriji. Predviđena su za uporabu kao zamjena za armaturni i prednapeti čelik (ACI 440R 1996). S njima se izbjegava problem korozije, a imaju i neke druge poboljšane karakteristike u odnosu na obični čelik. Novi standardi, posebice u SAD-u i Kanadi, obrađuju ove materijale kao standardne građevinske materijale (ACI 440H 2000; CSA 2000; ISIS-Canada 2000). Keson i lučka građevina,
Beton armiran polimernim vlaknima je anizotropni materijal. Faktori kao što su tip i volumen vlakana i smole, orijentacija vlakna i kontrola kvalitete igraju vrlo važnu ulogu u mehaničkim karakteristikama završnog proizvoda. U slučaju Karbonskog FRP-a, kada se usporedi čelična šipka s vlaknom, granična vlačna čvrstoća je oko 3 puta veća kod karbonskih vlakana u odnosu na čelik. Modul elastičnosti karbonskih vlakana je oko 128 GPa, što je oko 65% od čelika. Ispitivanja na karbonskim vlaknima pokazuju i linearnu ovisnost naprezanja i deformacija do sloma, što ukazuje na krti lom. Što se tiče prionjivosti i karbonska vlakna i čelične šipke pokazuju gotovo istu prionjivost. Za staklena vlakna, vlačna čvrstoća se kreće oko 760 MPa, a modul elastičnosti je 40.8 GPa, što je znatno manje od čelika. Fiberglass šipke su pogodne za manje opterećene elemente: ograde, obložne panele i sl., te za betone izložene mrazu ili solima: luke, ploče mostova, autoputeve u ekstremnim uvjetima. Također su pogodni za betone u blizini elektromagnetske opreme: MRI sobe u bolnicama, trafostanice i sl. Prednosti: - Neosjetljivost na kloride i druge kemikalije - Vlačna čvrstoća veća od vlačne čvrstoće čelika - Težina ¼ težine čelika - Izolator za elektromagnetske valove i toplinu Mane - Velika cijena u odnosu na čelik (10-15 puta) - Velika ponuda različitih materijala na tržištu dovodi do konfuzije - Nema veliku prednost kod uobičajenih konstrukcija
Hall's Harbor, Havaji – ustava izgrađena potpuno od kompozitnih materijala
Sintetička vlakna za mikroarmirani beton
SAMOUGRAĐUJUĆI BETONI (SELF-PLACING CONCRETE) U pojedinim slučajevima ugradnja normalnog betona u oplatu je znatno otežana zbog oblika i položaja oplate ili količine ugrađene armature. Korištenje uobičajene tehnike izlijevanja i vibriranja betona dovodi do šupljikavog betona s ‘gnijezdima’. Osim ovog nedostatka ugradnja se u ovim slučajevima znatno poskupljuje jer je vrlo teška i zahtjevna.
Jedno od mogućih rješenja je samougrađujući beton (self-placing concrete), znan kao i samo-kompaktirajući beton (self-compactable concrete), samo-slijegajući beton (self-consolidating concrete), tekući beton (flowable concrete), ili ne-vibrirajući beton (non-vibration concrete). Samougrađujući beton se u osnovi bazira na normalnom betonu s dodacima koji smanjuje potrebnu količinu vode, a povećavaju želatinoznost smjese. Ova kombinacija proizvodi tekući beton s obično velikom čvrstoćom
Jedan od dodatka razvijen je u Meca Engineering Co., Ltd. u Koreji. Proizvod je nazvan MELFLOW i ima vrlo visoki postotak redukcije vode u mješavini, koji se bazira na spoju: sulfatni melamin formaldehid. Ovaj spoj ne dopušta segregaciju eliminirajući elektrostatičke sile između pozitivno i negativno nabijenih čestica cementa. Izvedeni veći objekti s samougrađujućim betonom su: Tunel u Yokohami, Japan, Piloni mosta Kiba-Park Large Bridge i ispuna stupova zgrade Landmark tower. MELFLOW je uspješno korišten kod gradnje zgrade Hyundai-a u Seulu.
Dakako da je samougrađujući beton nešto skuplji, ali ukupno gledano cijena smanjenog rada može biti prevladavajuća nad cijenom samog materijala. Osim toga, smanjena količina vode i bolja kompaktnost betona dodatno poboljšavaju neke karakteristike betona kao što su: čvrstoća, gustoća, trajnost, volumna stabilnost, prionjivost i otpornost na habanje.
LAGANI BETONI (LIGHTWEIGHT CONCRETE) Laki betoni su betoni betoni koji imaju volumnu masu od 600-1500 kg/m3, a iznimno do 2000 kg/m3. Manja volumna masa postiže se na jedan od sljedećih načina: - Upotrebom agregata s velikim sadržajem pora – lakoagregatni betoni, - Stvaranjem međuprostora između krupnih zrna agregata – betoni od jednozrnatog agregata, - Stvaranjem pora u cementnom mortu- ćelijasti, plino i pjeno betoni. Betoni od jednozrnatog agregata Jedna normalna frakcija kamenog agregata, primjerice 4-8 mm ima volumnu koncentraciju 0.55-0.60, pa se samo s ovom frakcijom može napraviti beton koji ima za 30-40% manju volumnu masu od običnog. Količina cementa treba biti najmanje 250 kg/m3. Betoni od lakog agregata Za izradu betona od lakog agregata najčešće se koriste određene vrste umjetnog agragata i to: - ekspandirana pečena glina, - ekspandirana granulirana zgura - ekspandirani perlit ili vermikulit, - ekspandirani polimerni materijal Napomena: Detaljnije vidjeti u knjizi P. Krstulović: “Svojstva i tehnologija betona”
LAGANI BETONI: PLINOBETONI I PJENOBETONI (LIGHTWEIGHT CONCRETE) Plinobetoni (Porobetoni) Plinobetoni se proizvode u autoklavima, na visokoj temperaturi i tlaku. Upotrebljavaju se za izradu blokova za zidanje i prefabriciranih elemenata. Najpoznatiji proizvodi su: Siporex (dodatak aluminijskog praha) i Ytong. Pjenobetoni Sirovina za proizvodnju pjenobetona su cement i sitni pijesak, te eventualno sitni laki agregat. Ćelijasta struktura dobiva se dodavanjem sredstva za pjenjenje u miješalicu. Pjenobtoni se mogu izrađivati i na gradilištu.
LAGANI BETONI: YTONG (LIGHTWEIGHT CONCRETE: YTONG) Začeci YTONG-a sežu u 1923. godinu, kada je Šveđanin, arhitekt Axel Eriksson izumio novi građevinski materijal. Upotrijebio je mješavinu kremenog pijeska, vapna, cementa i vode te uspio proizvesti tvrd, a relativno lagan materijal. Navedeni materijal proizvodio se lako i s malo energije koja je bila dostupna kao domaća sirovina, a što je bilo osobito važno u vrijeme ograničenih izvora sirovina i skupe energije za proizvodnju. Materijal je u isto vrijeme sadržavao sve pozitivne vrijednosti drva, kojeg se u navedeno vrijeme smatralo tradicionalnim materijalom u skandinavskim zemljama, te industrijski proizvedene opeke. Novi materijal je morao biti ekološki neškodljiv i prijatan za okolinu, s dobrom toplinskom i zvučnom izolativnošću te protupotresan i u isto vrijeme trajan, čvrst i negoriv. Porobeton - materijal poraste strukture, uspio je zadovoljiti sve navedene visoke kriterije. Prva industrijska linija za proizvodnju započela je 1928. godine u švedskom gradu Yxhult. Kombinacijom imena grada i švedskog naziva za porobeton (betong), nastala je najstarija robna marka među građevinskim materijalima na svijetu - YTONG.
KARBONSKE TRAKE ZA OJAČANJE KONSTRUKCIJA (Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) Laminates for Structural Strengthening ) Mjere ojačanja su potrebne kada konstrukcija mora prihvatiti dodatno ili povećano opterećenje. Jedan od načina je lijepljenje karbonskih lamela na betonsku ili čeličnu konstrukciju.
