Universitatea Politehnica din Timisoara Facultatea de constructii Departamentul CCIA
IOSIF BUCHMAN
BETOANE SPECIALE
Timisoara 2009
CUPRINS 1.
Betoane de înalte performanţe.............................................................
3
2.
Betoane de ultra înalte performanţe....................................................
13
2.1. Betoane din pudre reactive...........................................................
13
2.2. Betonul special industrial.............................................................. 18
3.
2.3. Betonul compact cu fibre de oţel..................................................
21
Betonul autocompactant......................................................................
24
2
1. BETOANE DE ÎNALTE PERFORMANŢE 1. Introducere. Principiile obţinerii Betoanele de înalte performanţe sunt betoanele care au o rezistenţă la compresiune mai mare de 60 N/mm2, precum şi alte caracteristici îmbunătăţite printre care: modulul de elasticitate, deformaţiile, durabilitatea ş.a. La ora actuală se clasifică numai în funcţie de rezistenţa la compresiune în: - betoane de înalte performanţe, cu o rezistenţă medie la compresiune la 28 zile cuprinsă între 60 şi 80(100) N/mm2 ; - betoane de foarte înalte performanţe, cu o rezistenţă medie la compresiune la 28 de zile ce depăşeşte 80(100) N/mm2. Pentru obţinerea acestor betoane trebuie respectate următoarele: -
reducerea raportului A/C, cu menţinerea lucrabilităţii cerute, prin folosirea unui aditiv superplastifiant;
-
creşterea compactităţii betonului prin completarea scheletului granular al acestuia cu materiale granulare ultrafine;
-
utilizarea unor agregate cu atât mai rezistente (dure) cu cât rezistenţele cerute sunt mai ridicate;
-
folosirea unui ciment de clasă superioară.
Un material granular ultrafin care dă rezultate foarte bune este silicea ultrafină. Utilizarea numai a aditivilor superplastifianţi permite obţinerea unor rezistenţe considerabile, dozajul de apă scăzând cu adăugarea aditivului. Poate rezulta o rezistenţă la compresiune de 60-80 N/mm2. Folosirea silicei ultrafine fără aditiv superplastifiant nu contribuie la o creştere semnificativă a rezistenţelor betonului din cauza unui consum suplimentar de apă impus de flocularea granulelor fazei liante ( ciment + silice ultrafină ). Combinând însă cei doi produşi se ajunge la dispersarea uniformă a granulelor de silice ultrafină între granulele de ciment atingându-se astfel domeniul betoanelor de foarte înalte performanţe cu o rezistenţă la compresiune ce depăşeşte 80(100) N/mm2.
3
2. Materiale componente Materialele
componente
sunt:
cimentul,
agregatele,
apa,
aditivul
superplastifiant şi materialul granular ultrafin. Componenţii specifici ai betoanelor de înalte şi foarte înalte performanţe sunt aditivii superplastifianţi şi materialele granulare ultrafine. Aditivii superplastifianţi sunt produşi obţinuţi prin policondensare, care au molecule de sinteză pure, caracterizate prin efecte secundare neînsemnate şi în consecinţă pot fi folosiţi în dozaje superioare faţă de aditivii obişnuiţi. Aceasta poate conduce la o reducere a cantităţii de apă chiar până la cantitatea de apă strict necesară hidratării cimentului, ceea ce asigură o creştere însemnată a compactităţii betonului. La ora actuală există mulţi producători de aditivi superplastifianţi. Materialele granulare ultrafine care se pot utiliza sunt: filerele calcaroase, filerele silicioase şi silicea ultrafină. Au granule de dimensiuni mici de 0,01 μm până la 10 μm, astfel că pot completa granulometria cimentului caracterizat prin granule de dimensiuni de 5 la 80 μm. Aceasta conduce la creşterea compactităţii betonului. În plus unele dintre acestea, cum este cazul silicei ultrafine şi a filerelor silicioase, reacţionează în timp cu Ca(OH)2 rezultat la hidratarea cimentului (reacţie puzzolanică) ceea ce conduce la o structură foarte densă şi la obţinerea unor compuşi suplimentari de cimentare. În tabelul 1 sunt arătate efectele materialelor granulare ultrafine. Tabelul 1 Efectele materialelor granulare ultrafine Tipul materialului
Efecte Granulometric
Puzzolanic
Filer calcaros
DA
NU
Filer silicios
DA
DA
DA-pronunţat
DA-pronunţat
Silice ultrafină
Cele mai eficace şi in consecinţă cele mai utilizate materiale granulare ultrafine sunt siliciile ultrafine care completează granulometria amestecului şi dau reacţii puzzolanice. Filerele calcaroase contribuie doar la completarea granulometriei
4
amestecului, iar cele silicioase dau şi reacţii puzzolanice dar nu sunt atât de reactive ca siliciile ultrafine. Siliciile ultrafine (SUF) sunt subproduse (deşeuri) rezultate la obţinerea siliciului şi a aliajelor sale. Se prezintă sub formă de pulberi, fiind constituite din granule sferice, amorfe, de dimensiuni foarte mici (0,01-10 μm). Sunt caracterizate de o densitate apropiată de 2200 kg/m3, o suprafaţă specifică mare (în jur de 20 m2/g faţă de 0,30,4 m2/g cât are cimentul) şi o densitate în grămadă de cca 200 kg/m3. Conţinutul în SiO2 reprezintă 85-98 % din masa totală, restul fiind reprezentat de alţi oxizi metalici, eventual de câteva alcalii. Forma sferică a granulelor de silice contribuie la îmbunătăţirea lucrabilităţii betonului ceea ce reprezintă un avantaj suplimentar al acestui material granular. La noi în ţară silice ultrafină s-a găsit la FEROM S.A. Tulcea. Compoziţia acesteia este dată în tabelul 2. Tabelul 2 Compoziţia silicei ultrafine, livrată de FEROM S.A. Tulcea %SiO2
%Fe2O3
%Al2O3
%CaO
%MgO
%MnO
91,07
1,83
4,63
0,50
0,50
1,04
S-a constatat că agregatele sunt mai solicitate la betoanele de înalte performanţe decât la betoanele obişnuite, ceea ce reclamă o calitate superioară a lor. În literatura de specialitate se apreciază că gama betoanelor de înalte performanţe (cu rezistenţa medie la compresiune de 60-100 N/mm2) se poate realiza cu agregate curente (obişnuite) de râu sau concasate. Rolul nisipului este considerat mai puţin important pentru comportarea mecanică a betonului, iar fineţea lui nu reprezintă un parametru primordial având în vedere prezenţa materialelor granulare ultrafine; în schimb forma granulelor nisipului influenţează lucrabilitatea betonului. Cimentul, care trebuie să facă parte din categoria cimenturilor de clasă superioară, se alege în funcţie de compatibilitatea sa cu superplastifiantul. În acest context este de dorit un ciment cu un conţinut cât mai scăzut în C3A. Aceasta, întrucât creşterea conţinutului în C3A determină creşterea raportului A/C pentru o aceiaşi lucrabilitate şi de asemenea conduce la o scădere rapidă a lucrabilităţii betonului după prepararea acestuia. 5
3. Compoziţiile betoanelor de înalte şi foarte înalte performanţe Stabilirea compoziţiei unui beton de înalte sau foarte înalte performanţe este mai complexă decât la betonul obişnuit, întrucât intervin parametri noi şi anume: aditivul superplastifiant şi silicea ultrafină. Optimizarea compoziţiei unui astfel de beton ar necesita, din cauza numărului crescut de parametri, un număr mai mare de amestecuri de probă. Acesta este motivul pentru care unii cercetători au căutat să simplifice modul de stabilire a compoziţiei unui beton de înalte sau foarte înalte performanţe. În acest context în cadrul Laboratorului Central de Poduri şi Şosele din Paris a fost stabilită "Metoda pastelor". Exemple de compoziţii de betoane de înalte şi foarte înalte performanţe, realizate în Franţa, sunt prezentate în tabelul 3. Tabelul 3 Compoziţii de betoane de înalte şi foarte înalte performanţe Ciment
Silice
CPA
ultra-
Apă,
beto-
55
fină,
kg/m3
nului
HTS,
Agregate, kg/m3
Tipul
SuperA/(C+SUF)
plastifiant,
0-5mm
5-12,5mm
12,5-20mm
kg/m3
kg/m3
kg/m3
652
411
854
415
-
132
0,32
6,4
638
402
854
421
24,1
112
0,25
9,3
Beton de înalte performanţe 28
fc =70 N/mm
2
Beton de foarte înalte performanţe 28
fc =110 N/mm
2
Se constată din compoziţiile prezentate că scheletul granular al betoanelor este aproape identic; variază puţin dozajul de ciment şi mai mult raportul A/(C+SUF), dozajul de superplastifiant şi dozajul de silice ultrafină. Analiza mai multor compoziţii de betoane de înalte performanţe, existente în literatura de specialitate, conduce la concluzia că adăugarea în compoziţiile unor betoane obişnuite de clase superioare (C40/50-C50/60) a 1-2% aditiv superplastifiant
6
(faţă de masa liantului: C+SUF) şi a cca 10% silice ultrafină (faţă de masa cimentului) conduce la obţinerea de betoane de înalte performanţe de clasele C60/75-C70/85. Pe baza acestei concluzii la Laboratorul de Materiale de construcţii al Facultăţii de Construcţii din Timişoara s-a realizat, pornind de la un beton obişnuit de clasă C32/40, un beton de înalte performanţe de clasă C56/70. Compoziţiile reale ale betonului obişnuit şi ale betonului de înalte performanţe sunt date în tabelul 4. Tabelul 4 Compoziţia unui beton obişnuit şi a unui beton de înalte performanţe ( cu tasarea de cca 7 cm ) Silice SuperAgregate, kg/m3
Ciment
ultra-
Apă,
beto-
I
fină,
kg/m3
nului
42,5R,
Tipul
0-3,15 mm
3,15-
7,1-16mm
kg/m3
kg/m3
A/(C+SUF)
plastifiant, kg/m3
7,1mm Beton obişnuit C 32/40
437,6
422
703,4
572,7
-
239,2
0,418
-
437,6
422
703,4
572,7
57,31)
200,8
0,319
6,32)
Beton de înalte performanţe C 56/70
1) 10% din masa cimentului 2) 1% din masa liantului ( ciment + silice ) Rezultă că un mod acoperitor de stabilire a compoziţiei unui beton de înalte performanţe presupune următoarele etape: - se stabileşte compoziţia unui beton obişnuit de clasă de 1,5 ori mai mică decât clasa dorită pentru betonul de înalte performanţe; - se completează compoziţia betonului obişnuit cu 10% silice ultrafină (faţă de masa cimentului) şi 1-2% aditiv superplastifiant ( faţă de masa ciment+silice ); - la preparare se reduce cantitatea de apă pentru ca betonul de înalte performanţe să aibă o consistenţă identică cu a betonului obişnuit; - se verifică rezistenţa la compresiune a betonului de înalte performanţe obţinut, urmând, dacă este cazul, să se întreprindă corecţii asupra dozajelor de ciment, silice ultrafină, superplastifiant.
7
4. Caracteristici ale betoanelor de înalte şi foarte înalte performanţe 4.1. Rezistenţele mecanice Rezistenţa la compresiune la 28 zile a betoanelor de înalte performanţe depăşeşte 60 N/mm2. În fig.1 (preluată din literatura de specialitate) este prezentată variaţia în timp a rezistenţei la compresiune pentru trei tipuri de betoane: obişnuit (seria1), de înalte performanţe (seria 2) şi de foarte înalte performanţe (seria 3).
2
(N/mm ) 120 fc
110
101
100
92 85
90 80
77
72
70
Seria 1
57 49
50
45
40 27
30
10
81
64
60
20
114
110
Seria 2 Seria 3
33
27
23
49
46
16 8
0 1
3
7
14
28
90
365
t (zile)
Fig. 1. Variaţia în timp a rezistenţei la compresiune pentru: Seria 1 beton obişnuit; Seria 2 - beton de înalte performanţe; Seria 3 - beton de foarte înalte performanţe În fig.1 poate fi urmărită viteza de creştere a rezistenţei la compresiune. Astfel rezultă: - pentru betonul obişnuit fc3z /fc28z = 51%; - pentru betonul de înalte performanţe fc3z/fc28z = 64%; - pentru betonul de foarte înalte performanţe fc3z/fc28z = 71%. Viteza de creştere a rezistenţei la compresiune mai ridicată pentru betoanele de înalte performanţe poate fi atribuită modificării cineticii de hidratare a acestora (datorită efectului puzzolanic al silicei ultrafine).
8
Rezistenţa la întindere a betoanelor de înalte performanţe nu creşte atât de spectaculos ca şi rezistenţa la compresiune. Motivele nu sunt încă elucidate. Ordinul de mărime al unor caracteristici mecanice ale betoanelor de înalte şi foarte înalte performanţe este prezentat în tabelul 5. Tabelul 5 Ordinul de mărime al caracteristicilor mecanice ale betoanelor de înalte şi foarte înalte performanţe Caracteristica Betoane de înalte Betoane de foarte înalte performanţe performanţe Rezistenţa la compresiune 60-80 N/mm2 80-120 N/mm2 Modulul de elasticitate
45-48 kN/mm2
48-53 kN/mm2
5-5,3 N/mm2
5,5-6,5 N/mm2
Rezistenţa la întindere prin despicare 4.2. Deformaţiile în timp Deformaţiile în timp sunt: - contracţia endogenă datorită formării compuşilor hidrataţi; - contracţia la uscare, în urma scăderii conţinutului de apă din beton; - curgerea lentă, produsă sub acţiunea de durată a încărcărilor. În tabelul 6 se prezintă aceste deformaţii pentru un beton de foarte înalte performanţe în comparaţie cu aceleaşi deformaţii pentru un beton obişnuit. Tabelul 6 Deformaţiile în timp ale unui beton de foarte înalte performanţe, comparativ cu deformaţiile unui beton obişnuit Beton obişnuit Beton de foarte înalte BFIP Caracteristica ( BO ) performanţe BO ( BFIP ) Modulul de elasticitate 36 800 N/mm2 53 400 N/mm2 1,45 Contracţia endogenă
120x10-6
220x10-6
1,83
Contracţia la uscare
530x10-6
120x10-6
0,22
330x10-6
229x10-6
0,69
Curgerea lentă ( la 30% din σr )
Din tabelul 6 se constată că faţă de betonul obişnuit, betonul de foarte înalte performanţe are: - contracţia endogenă aproape dublă; - contracţia la uscare de cca 5 ori mai mică; - curgerea lentă redusă la 70%. 9
4.3. Rezistenţa la îngheţ-dezgheţ Datele privind această rezistenţă sunt încă contradictorii. Betonul de înalte performanţe pare să fie mai rezistent la îngheţ-dezgheţ, faţă de betonul obişnuit, dar necesită totuşi un aditiv antrenor de aer. Betonul de foarte înalte performanţe pare a fi complet insensibil la îngheţ-dezgheţ, datorită permeabilităţii foarte mici (de 10 ori mai mică faţă de un beton obişnuit). 4.4. Durabilitatea Permeabilitatea scăzută, slaba lor porozitate, cantitatea mai redusă de var liber (datorită reacţiei puzzolanice a silicei ultrafine) fac ca betoanele de înalte performanţe să fie mai puţin sensibile la acţiunile agresive exterioare. Cercetări experimentale efectuate în străinătate şi în ţară evidenţează următoarele îmbunătăţiri privind durabilitatea unui beton de înalte performanţe, faţă de de un beton obişnuit: -
rezistenţă mai bună în mediu agresiv sulfatic; s-a constatat că la un beton de înalte performanţe preparat cu 15% silice ultrafină se poate renunţa la utilizarea unui ciment rezistent la sulfaţi;
-
rezistenţă semnificativ îmbunătăţită la atacul ionilor de amoniu; după o păstrare timp de 400 zile într-o soluţie saturată de nitrat de amoniu proba din beton obişnuit a pierdut 75% din rezistenţa la compresiune, în timp ce proba din beton de înalte performanţe nu a prezentat nici o modificare;
-
reducerea procesului de carbonatare; betoane de înalte performanţe cu 10% şi 20% silice ultrafină au arătat o reducere de până la 50% a adâncimii de carbonatare, faţă de un beton obişnuit ;
-
reducerea penetrării ionilor de clor; concentaţia ionilor de clor care a penetrat o epruvetă păstrată într-o soluţie saturată de NaCl a rezultat de 10 ori mai mică, faţă de un beton obişnuit.
5. Domenii de utilizare ale betoanelor de înalte şi foarte înalte performanţe Rezistenţa la compresiune ridicată şi alte caracteristici îmbunătăţite ale betoanelor de înalte şi foarte înalte performanţe au determinat ultilizarea acestora într-o serie de aplicaţii specifice incluzând elemente şi structuri monolite sau prefabricate. Principalele aplicatii se referă la stâlpi pentru construcţii înalte, poduri şi structuri marine. 10
În tabelul 7 sunt prezentate aplicaţiile acestor betoane cu evidenţierea proprietăţilor valorificate. Tabelul 7 Aplicaţii ale betoanelor de înalte şi foarte înalte performanţe Aplicaţia Proprietăţile valorificate Stâlpii construcţiilor înalte Rezistenţa la compresiune Poduri, lucrări de artă Rezistenţa şi durabilitatea Structuri marine Rezistenţa mecanică şi la agresiuni chimice Prefabricate Rezistenţa la compresiune şi viteza de creştere a acesteia (spor de productivitate) Tuneluri Etanşeitate la apă, rezistenţa la ape agresive Etanşeitate la gaze cu condiţia evitării fisurării Construcţii nucleare datorate uscării la suprafaţă Unele construcţii la care s-au utilizat betoane de înalte şi foarte înalte performanţe sunt date în tab. 8 si tab.9. Tabelul 8 Construcţii executate cu betoane de înalte şi foarte înalte performanţe Construcţia Locul fc, N/mm2 Anul Nr. etaje Royal Bank Plaza Richmond-Adelaide Toronto Midcontinental Plaza Frontier Towers Water Tower Place River Plaza Chicago Mercantile Exchange Columbia Center Interfirst Plaza 900 N. Mich. Annex South Wacker Tower Grande Arche de la Defense Bibliotheque Nationale de France Two Union Square Pacific First Center Gateway Tower Moscheea Hasan II
Toronto Toronto (centru) Chicago Chicago Chicago Chicago
1975
43
61
1978 1972 1973 1975 1976
33 50 55 79 56
61 62 62 62 62
Chicago Seatle Dallas Chicago Chicago Paris
1982 1983 1983 1986 1989 1988
40 76 72 15 79
62 66 69 97 83 65
Paris Seatle Seatle Seatle Maroc
1993-1997 1989 1989 1989 1988-1989
18 ( 79 m ) 58 44 62
69-86,5 115 115 94 92
11
Tabelul 9 Poduri la care s-au utilizat betoane de înalte performanţe Rezistenţa la Anul Deschidecompresiune a Podul Locul execuţiei rea betonului, maximă, m N/mm2 Tower Road Bridge SUA 1981 49 62 Fukamitsu Highway Japonia 1974 26 69 Bridge Ootanabe Railway Bridge Japonia 1973 24 79 Akkagawa Railway Japonia 1976 46 79 Bridge Deutzer Brige Germania 1978 185 69 Pont L`ILE DE RE Franţa 1987 68 Viaductul SYLANS Franţa 198669-75 1988 Pont de Pertuiset Franţa 1988 110 65 Pont de Joigny Franţa 1988 60 Arc sur la Rance Franţa 1989 60 Boknasundet Norvegia 1990 190 60 Helgelandsbrua Norvegia 1990 425 65 Pont de Normandie Franţa 1994 > 60
12
2. BETOANE DE ÎNALTE ŞI ULTRA ÎNALTE PERFORMANŢE 2.1. BETOANE DIN PUDRE REACTIVE 1. Introducere. Principiile obţinerii Betonul din pudre reactive (BPR) este caracterizat printr-o ultra înaltă rezistenţă la compresiune, etanşeitate la apă şi gaze, punere în operă fără armături pasive ş.a. . Betoanele din pudre reactive (BPR) sunt realizate din prafuri: nisip fin , ciment, cuarţ, silice ultrafină, având granule ce nu depăşesc 600 μm (0,6 mm). Utilizarea unui superplastifiant şi a silicei ultrafine permite reducerea raportului apă/liant chiar sub valoarea 0,15. Caracteristicile deosebite ale BPR se realizează prin aplicarea a patru principii de bază: - îmbunătăţirea omogenităţii materialului prin eliminarea agregatelor mari; - creşterea compactităţii prin optimizarea amestecului granular şi, dacă este posibil, prin presarea înainte şi în timpul prizei; - îmbunătăţirea microstructurii prin tratament termic, aplicat după priză; - mărirea ductilităţii prin adăugarea de fibre de oţel. Performanţele BPR variază în funcţie de metoda de obţinere. Există astfel două game de betoane din pudre reactive: - BPR 200, cu rezistenţa la compresiune în jur de 200 N/mm2, care se obţin cu tratament termic la 900 C; - BPR 800, cu rezistenţa la compresiune în jur de 800 N/mm2, obţinute prin presare şi un tratament termic la 2500 C aplicat după priză. Betoanele din pudre reactive sunt caracterizate prin: -
porozitate foarte redusă;
-
grad foarte ridicat de impermeabilitate la apă, aer, agenţi agresivi, ioni de clor;
-
rezistenţă foarte mare la îngheţ-dezgheţ;
-
durabilitate excepţională.
13
Adăugarea de fibre de oţel contribuie la creşterea rezistenţei la întidere şi la creşterea sensibilă a ductilităţii ceea ce permite utilizarea betoanelor din pudre reactive la realizarea unor elemente fără armături pasive. 2. Materiale componente La prepararea betoanelor din pudre reactive sunt necesare următoarele materiale: - ciment de clasă superioară; - nisip silicios fin; - cuarţ măcinat (numai pentru BPR 800); - silice ultrafină; - apă; - aditiv superplastifiant; - fibre de oţel. Cimentul trebuie să fie de clasă superioară (52,5). Alegerea cimentului nu poate fi separată de cea a superplastifiantului. Cimenturile cu conţinut redus de C3A dau cele mai bune rezultate. Pentru valori mici ale raportului apă/ciment utilizate la BPR, dozajul optim pentru superplastifiant este ridicat, de cca 1,6 % substanţă uscată faţă de masa cimentului. Supradozarea conduce la întârzierea prizei şi întăririi cimentului. Nisipul, conform unor cercetări efectuate privind optimizarea amestecului granular, poate avea granule cu dimensiuni cuprinse în intervalul 0,15-0,6 mm. Se poate utiliza nisip de concasaj sau natural. Este preferat nisipul natural a cărui granule au o sfericitate mai bună şi deci necesită mai puţină apă. Silicea ultrafină contribuie la: - umplerea golurilor dintre granulele de ciment; - îmbunătăţirea lucrabilităţii betonului datorită perfectei sfericităţi a granulelor; - producerea de hidraţi secundari prin reacţia puzzolanică cu varul rezultat la hidratarea cimentului. S-a constatat că raportul optim silice/ciment are valoarea de cca 0,25. Tratamentul termic la 900 C accelerează puternic reacţia puzzolanică. Cuarţul măcinat prezintă o reactivitate maximă în condiţiile unui tratament termic pentru o dimensiune medie a granulelor de 5-25 μm. El favorizează formarea
14
la un tratament termic de 2500 C a compuşilor TOBERMORIT-XONOLIT care conduc la rezistenţe mecanice semnificativ îmbunătăţite. Este indicat pentru BPR 800.
3. Compoziţiile betoanelor din pudre reactive. Aspecte tehnologice Experienţa dobândită de cercetătorii francezi privind obţinerea betoanelor din pudre reactive a permis stabilirea compoziţiilor prezentate în tabelul 1. Tabelul 1 Compoziţiile BPR de referinţă Materialul
BPR 200
BPR 800
Ciment CPA 55 HTS, kg/m3 Silice ultrafină ( SUF ), kg/m3 Cuarţ măcinat, kg/m3 Nisip silicios, kg/m3 Fibre de oţel cu l = 13 mm, kg/m3 Microfibre inox cu l = 3 mm, kg/m3 Superplastifiant ( substanţă uscată ), kg/m3 Apă, kg/m3 A/(C + SUF)
950 237 997 146 17 180 0,15
980 225 382 490 617 18 186 0,14
BPR 200 posedă o rezistenţă la compresiune în jur de 200 N/mm2. Este constituit din ciment, silice ultrafină, nisip (dmed = 250 μm), fibre de oţel ( cca 2% în volum ), un superplastifiant şi apă. Compactarea betonului se face prin vibrare în straturi succesive. După decofrare betonul se păstrează 7 zile în apă la 200 C, apoi este supus unui tratament termic de 4 zile în apă la 900 C şi 2 zile în aer uscat la 900 C. În aceste condiţii hidratarea cimentului este accelerată şi reacţia puzzolanică a silicei ultrafine activată. BPR 800 are o rezistenţă la compresiune ce poate ajunge până la 800 N/mm2. Compoziţia este apropiată de cea a BPR 200. Granulometria amestecului granular este completată cu cuarţ măcinat ( dmed = 10 μm ), iar fibrele de oţel cu lungimea de 13 mm sunt înlocuite cu microfibre din oţel inoxidabil cu lungimea de 3 mm, în cantitate mult mai mare. Betonul se presează înainte şi în timpul prizei la o presiune de 60 N/mm2 ceea ce permite eliminarea bulelor de aer şi a apei excedentare. Se măreşte astfel compactitatea betonului. 15
Materialul este tratat termic la 900 C iar apoi la 2500 C îndepărtându-se astfel apa liberă şi o parte din apa legată chimic. Produşii de hidratare amorfi sunt transformaţi astfel în produşi cristalini cu rezistenţe mecanice superioare. 4. Unele caracteristici mecanice ale betoanelor din pudre reactive Rezultatele
cercetărilor
experimentale
privind
unele
caracteristici
ale
betoanelor de ultra înalte performanţe de tip BPR, comparativ cu cele ale betoanelor obişnuite şi ale betoanelor de înalte performanţe sunt prezentate în tabelul 2. Tabelul 2 Caracteristici mecanice ale BPR, comparativ cu cele ale betoanelor obişnuite şi ale betoanelor de înalte performanţe Caracteristica
Beton de
Beton de ultra
înalte
înalte
performanţe
performanţe
( BIP )
( BPR )
20-50
60-80
200-800
4-8
6-10
15-140
130
140
1000-40000
100-150
100-150
2000-8000
Beton obişnuit ( BO )
Rezistenţa la compresiune, N/mm2 Rezistenţa la întindere din încovoiere, N/mm2 Energia de rupere, J/m2 Deformaţia maximă la întindere, 10-6 m/m
Se constată că aplicarea principiilor de bază enunţate la pct.1 permite obţinerea pentru BPR a unor caracteristici mecanice de-a dreptul spectaculoase. Verificări de laborator efectuate la L`ENS Cachan ( Paris-Franţa ) pe BPR 200 utilizând compoziţia prezentată în tabelul 1 au condus la următoarele valori: - pentru rezistenţa la compresiune stabilită pe cilindri de 7x14 cm: 186 N/mm2; - pentru rezistenţa la întindere din încovoiere stabilită pe prisme de 4x4x16 cm: 35,7 N/mm2. 5. Domenii de utilizare ale betoanelor din pudre reactive BPR 200, la a cărui obţinere nu este necesară presarea, se poate prepara şi pune în operă
( malaxare si vibrare ) la fel ca şi betonul de înalte performanţe. Este însă 16
necesară asigurarea condiţiilor de tratament termic, ceea ce este mai uşor în cazul prefabricatelor produse uzinal. şi mai greu pentru prefabricatele produse la şantier. Fiind caracterizat de o ductilitate mare este recomandat la elemente încovoiate din beton armat sau precomprimat fără armături pasive (grinzi şi dale). De asemenea se poate utiliza şi la elemente încovoiate solicitate axial , cum sunt grinzile cu zăbrele, unde diferenţa dintre rezistenţa la întindere şi rezistenţa la compresiune poate fi compensată prin precomprimare. La aceste structuri eforturile de întindere principale sunt preluate de precomprimare în timp ce eforturile secundare ( de tăiere etc. ) precum şi cele de compresiune sunt preluate numai de beton. Rezultă astfel structuri de cca 3 ori mai uşoare decât cele realizate din beton obişnuit. Efectele conjugate de eliminare a armăturii pasive, de reducere a încărcărilor permanente şi de micşorare a volumului de beton conduc la avantaje economice importante. BPR 800, care necesită o presare înainte de priză şi un tratament termic la 2500 C nu poate fi utilizat decât pentru elemente prefabricate uzinal. Se poate presupune, datorită performanţelor deosebite, că poate să înlocuiască oţelul. Materialul are rezistenţă deosebită la impactul proiectilelor şi poate fi utilizat pentru structuri şi echipamente militare. Pe lângă proprietăţile mecanice excepţionale se remarcă prin microstructura lui densă care-i conferă etanşeitate şi durabilitate. Poate fi astfel utilizat pentru stocarea deşeurilor industriale şi containere pentru stocarea deşeurilor radioactive (cu radioactivitate slabă şi durată lungă de viaţă).
17
2.2. BETONUL SPECIAL INDUSTRIAL 1.Introducere Se aseamănă cu betonul din pudre reactive. Spre deosebire de acesta nu necesită presarea lui înaintea sau în timpul prizei şi nici tratarea lui termică. În consecinţă poate fi folosit atât pentru elemente prefabricate cât şi pentru elemente monolite. Reprezintă un concurent pentru betonul din pudre reactive. 2. Materiale componente şi compoziţie Materialele componente ale BSI sunt: - ciment portland de clasă superioară (I 52,5); - agregat de dimensiuni 0...8 mm; - silice ultrafină; - superplastifiant; - apă, - fibre de otel. Compoziţia unui beton special industrial obţinut în Franţa şi,comparativ, compoziţia unui beton din pudre reactive sunt prezentate în tabelul 1. Tabelul 1 Compoziţia betonului special industrial comparativ cu compoziţia unui beton din pudre reactive Materialul Ciment, kg/m3 Silice ultrafină, kg/m3 Agregat (nisip), kg/m3 Fibre de oţel, kg/m3 Superplastifiant (substanţă uscată), kg/m3 Apă, kg/m3 A/(C + SUF)
Beton special industrial (BSI 150) 1074 163 (15% din ciment)
Beton din pudre reactive (BPR 200) 950 237 (25% din ciment)
1032 (0...8 mm)
997 (0...0,6 mm)
234 (l= 20(30) mm, 3% în volum)
146 (l= 13 mm, 1,86% în volum)
39 (3,15% din cim.+SUF)
17 (1,43% din cim.+SUF)
197 0,16
180 0,15
18
Comparativ cu betonul din pudre reactive din gama BPR 200, compoziţia betonului special industrial prezintă următoarele deosebiri: -
utilizarea unor dozaje uşor mai mari de ciment, agregat, apă;
-
utilizarea unor dozaje sensibil mai ridicate de fibre de oţel şi superplastifiant;
-
reducerea dozajului de silice ultrafină; creşterea dimensiunii agregatului de la 0,6 la 8 mm.
3. Aspecte tehnologice Prepararea betonului special industrial se poate face cu utilajele folosite la betonul obişnuit, recomandându-se malaxoarele cu palete şi cu ax vertical. Utilizarea unui dozaj ridicat de superplastifiant asigură o fluiditate mare, fiind suficientă o uşoară compactare prin vibrare. Avantajul de necontestat al BSI faţă de BPR îl constituie faptul că nu implică o întărire prin tratament termic, el atingându-şi performanţele printr-o întărire normală. 4. Caracteristici Rezistenţele mecanice ale BSI 150 şi ale BPR 200, ale căror reţete au fost prezentate în tab.1, sunt date în tabelul 2. Comparativ sunt arătate şi rezistenţele BIP. Tabelul 2 Rezistenţele mecanice ale BSI 150 şi ale BPR 200 Tipul betonului Beton special industrial
Rezistenţa la compresiune,
Rezistenţa la întindere
N/mm2
din încovoiere, N/mm2
150
17
170-230
30-60
60-80
6-10
BSI 150 Beton din pudre reactive BPR 200 Beton de înalte performanţe BIP
19
Se constată că betonul special industrial BSI 150 are rezistenţe mai mici decât betonul din pudre reactive din gama BPR 200, dar totuşi superioare betonului de înalte performanţe. Rezistenţa la întindere din încovoiere semnificativă este asigurată de fibrele de oţel, care, de alfel, îmbunătăţesc foarte mult şi ductilitatea acestui material. BSI posedă, ca şi BPR şi alte proprietăţi sensibil îmbunătăţite printre care: rezistenţa la gelivitate, rezistenţa la acţiuni chimice agresive, rezistenţa la uzură, rezistenţa la şoc ş.a. 4. Utilizări ale betonului special industrial Prima aplicaţie a betonului special industrial a avut loc în Franţa la renovarea structurilor interne ale refrigeratoarelor centralei nucleare de la Cattenom. S-au folosit grinzi şi grinzişoare din BSI precomprimat. S-a avut în vedere greutatea redusă a acestor elemente (cu o alură asemănătoare cu grinzile din oţel) care nu impunea consolidarea fundaţiilor existente. Deoarece BSI nu necesită tratament termic, este evident că se poate utiliza atât la elemente prefabricate executate pe şantier cât şi la elemente monolite. Se pot deci estima utilizări viitoare ale lui la execuţia unor lucrări de artă, a clădirilor înalte , a coşurilor de fum, a turnurilor de răcire ş a.
20
2.3. BETONUL COMPACT CU FIBRE DE OŢEL 1. Introducere Betonul compact cu fibre de oţel (BCFO), se poate considera după compoziţia şi performanţele sale ca facând parte din categoria betoanelor din pudre reactive. S-a dezvoltat în Danemarca în 1986 sub denumirea, păstrată şi astăzi, de Compact Reinforced Composite (CRC). Are la bază experienţa dobândită de Societatea AALBORG PORTLAND în urma utilizării aşa numitelor materiale DSP (betoane cu matrice granulară compactă, cu procente ridicate de superplastifiant şi silice ultrafină, cu agregate de mare rigiditate provenite din bauxită sau granit). 2. Materiale componente Betonul compact cu fibre de oţel (BCFO) are aceleaşi categorii de materiale componente ca şi betonul din pudre reactive. Se utilizează: - ciment de calitate superioară (52,5); - silice ultrafină; - agregate de mare rigiditate din bauxită calcinată sau granit; - dozaj ridicat de superplastifiant în dozaj ridicat, pentru a ajunge la un raport apă/liant foarte redus cu valori 0,15-0,16; pentru o consistenţă fluidă; - fibre de oţel scurte, rigide cu o rezistenţă la întindere ridicată, într-un procent volumetric de cca 3%. 3. Aspecte tehnologice Amestecarea componenţilor BCFO se poate face cu utilajele traditionale care se folosesc şi la betonul obişnuit. Pentru o bună omogenitate şi pentru a scurta durata de amestecare este indicată utilizarea unor malaxoare cu amestec forţat. Având în vedere consistenţa fluidă, compactarea se realizează fără probleme prin vibrare. Consistenţa fluidă cât şi valorile reduse ale dimensiunilor materialelor componente (inclusiv lungimea scurtă a fibrelor) permit realizarea unor elemente puternic armate cu o distanţă mică între armături.
21
4. Caracteristici ale betonului compact cu fibre de oţel Unele din proprietăţile BCFO sunt prezentate în tabelul 1.
Caracteristici ale betonului compact cu fibre de oţel Cacteristica
Tabelul 1
Beton compact cu fibre de oţel (BCFO)
Rezistenţa la compresiune, N/mm2
150-400
Rezistenţa la întindere din încovoiere,
100-300
N/mm2 Modulul de elasticitate, kN/mm2 Densitatea aparentă, kg/m3 Durabilitatea
50-100 3000-4000 Fără coroziune de la prima utilizare a BCFO (1986)
Faţă de alte betoane cu performanţe ridicate (BPR şi BSI) se observă următoarele asemănări şi diferenţe: rezistenţă la compresiune şi durabilitate comparabile; rezistenţă la întindere din încovoiere, modul de elasticitate şi densitate aparentă mai ridicate. 5. Domenii de utilizare Utilizarea BCFO a constituit obiectul a două proiecte de cercetare. Primul proiect, la care au participat specialişti din Danemarca şi Anglia, s-a finalizat prin folosirea a 42 000 de plăci din BCFO la calea ferată a unui tunel; s-a garantat integritatea plăcilor într-un mediu agresiv pentru o durată de exploatare de 100 ani. Al doilea proiect, rezolvat de specialişti din Danemarca, Franţa şi Spania, a urmărit utilizarea pe scară largă a acestui material la realizarea de stâlpi, grinzi şi îmbinări. Domeniile posibile de aplicare ale BCFO cât şi motivaţiile lor sunt date în tabelul 2. Funcţie de inspiraţia constructorilor este posibil ca şi alte aplicaţii să-şi găsească rezolvarea prin folosirea betonului compact cu fibre de oţel.
22
Domenii de aplicare ale BCFO Domeniul de aplicare
Motivaţia
Stâlpi, grinzi şi dale de
Rezistenţa ridicată care permite reducerea
planşeu
dimensiunilor
Îmbinări de elemente
Aderenţa superioară care asigură reducerea
prefabricate
dimensiunilor îmbinării
Tabelul 2
Rezistenţa deosebită; Durabilitatea excepţională; Ductilitatea îmbunătăţită Structuri în zone seismice
Ductilitatea sporită; Comportarea favorabilă la oboseală
Platforme marine
Rezistenţa chimică ridicată; Ductilitatea şi rezistenţa la oboseală sporite
Structuri supuse la impact
Rezistenţa la compresiune foarte mare; Ductilitatea deosebită
Pardoseli
Rezistenţa mare la uzură
Protecţii anticorosive
Rezistenţa chimică superioară
23
3. BETONUL AUTOCOMPACTANT (BAC) 1. Introducere Conceptul de beton autocompactant a apărut şi s-a dezvoltat în Japonia din anul 1988, cu scopul de a se realiza structuri din beton durabile prin îmbunătăţirea calităţii procesului de punere în operă şi vibrare a betonului convenţional. Conform Codului de practică pentru producerea betonului CP012/1-2007 betonul autocompactant este un beton a cărui consistenţă a fost modificată prin utilizarea de aditivi speciali, la valori mari ale fluidităţii fără a prezenta segregare şi care poate fi pus în operă fără a fi vibrat. Calitatea de autocompactant este asigurată de: - abilitatea de a umple complet suprafeţele, colţurile şi volumele cofrajului în care este turnat; - abilitatea de a trece printre armături chiar şi în zonele puternic armate fără a se produce separarea constituenţilor sau blocarea acestora; - abilitatea de a reţine componentele grosiere ale amestecului în suspensie, pentru a evita segregarea componentilor. Se poate aprecia că gradul de compactare al betonului şi în consecinţă şi durabilitatea sa, este mai mult garantată dacă se utilizează un beton autocompactant pentru că se reduce riscul potenţial al erorilor umane ce apar în cazul unei vibrări incorecte şi neuniforme. Alte avantaje ale betonului autocompactant sunt: durata redusă de executie, evitarea poluarii fonice, calitate superioară a suprafetelor betonului, diversificarea formelor structurilor de beton proiectate. Pe de altă parte, prin folosirea betonului autocompactant, pe şantiere sau în fabricile de prefabricate este nevoie de un număr mai redus de muncitori calificaţi, necesari în procesul de punere în operă, vibrare şi finisare a suprafeţelor turnate pentru a obţine un beton de calitate.
Din cercetările existente s-a constatat că: 24
- rezistenţele la compresiune ale BAC sunt în general mai mari ca cele specifice clasei C 40/50; - la rapoarte similare A/C, betonul autocompactant are rezistenţe egale sau superioare betonului convenţional, iar evoluţia în timp a rezistenţelor este similară. 2. Compoziţia betonului autocompactant Datorită utilizării tot mai intense în lume a betonului autocompactant, au fost elaborate o serie de recomandări, ghiduri şi rapoarte în numeroase ţări din Europa, Japonia şi SUA. Prin acestea s-a avut în vedere: proiectarea amestecurilor, reglementarea metodelor de testare privind lucrabilitatea betoanelor, condiţii de punere în operă şi exploatare, domenii de utilizare propuse, etc. Dintre acestea, cele mai cunoscute sunt cele două ghiduri europene „Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete” apărut în 2002 , respectiv „The European Guidelines for Self-Compacting Concrete. Specification, Production and Use” din 2005, acesta din urmă aducând completări importante asupra tuturor aspectelor legate de producerea, testarea şi comportarea betonul autocompactant. Informaţii valoroase legate de betonul autocompactant sunt prezentate în publicaţiile din SUA: Raportul de cercetare realizat în 2007 de International Center for Aggregates Research (ICAR) nr. 108-2F „Aggregates in Self-Consolidating Concrete”, reprezintă o cercetare importantă ce investighează rolul agregatelor şi nu numai, în betonul autocompactant; „Interim Guidelines for the Use of SelfConsolidating Concrete in Precast/Prestressed Concrete Institute Member Plants” - PCI-TR-603/2003, creat în întâmpinarea interesului sporit faţă de folosirea betonului autocompactant în industria de prefabricate /precomprimate din SUA; recomandările companiilor: BASF Construction Chemicals, W.R. Grace Corporation, Sika Corporation Inc. completează cu succes datele legate de proiectarea şi producerea betonului autocompactant.
Materialele componente ale betonului autocompactant sunt cele uzuale folosite la prepararea betoanelor: ciment, agregate, apă, aditivi, adaosuri şi eventual fibre, cu următoarele precizări date in continuare. Ciment La prepararea betonului autocompactant se pot folosi toate tipurile de ciment reglementate de SR EN 197-1 , alegerea corectă a tipului de ciment rezultând din cerinţele specifice fiecărei aplicaţii. Adaosuri 25
Adaosurile se utilizează în scopul îmbunătăţirii şi menţinerii coeziunii, rezistenţei la segregare a amestecurilor de beton autocompactant precum şi pentru creşterea durabilităţii lor. Adaosurile, în funcţie de activitatea lor liantă în prezenţa apei, pot fi de 2 tipuri: •
Tip I -inerte sau semi-inerte-: filere minerale (de calcar, dolomitice, etc.), pigmenţi;
•
Tip II - puzzolanice-: cenuşă zburătoare (conform SR EN 450 ); - puzzolanice-: silicea ultrafină (conform SR EN 13263 ); - hidraulice-: zgură granulată de furnal măcinată. Filerele minerale utilizate cel mai des sunt cele bazate pe carbonat de calciu
datorită influenţei lor benefice asupra proprietăţilor betonului proaspăt respectiv gradului de finisare ridicat pe care-l conferă suprafeţelor de beton. Cea mai avantajoasă fracţiune granulometrică este cea sub 0,125 mm, cu recomandarea ca procentul de treceri pe sita de 0,063 mm să fie mai mare de 70%. Pigmenţii conform SR EN 12878, se utilizează la prepararea betonului autocompactant în acelaşi mod ca la betonul obişnuit vibrat, dispersia pigmenţilor fiind mai bună iar uniformitatea culorii mai ridicată la betonul autocompactant datorită fluidităţii amestecului. Cenuşa zburătoare şi silicea ultrafină îmbunătăţesc rezistenţa la segregare, rezistenţele mecanice şi durabilitatea betonului. Trebuie însă avut în vedere faptul că dozajul ridicat de cenuşă poate conduce la o pastă atât de coezivă încât să opună rezistenţă la curgerea betonului. Fineţea foarte mare precum forma sferică a granulelor de silice ultrafină determină o coeziune foarte bună şi o îmbunătăţire substanţială a rezistenţei la segregare a betoanelor în stare proaspătă în compoziţia cărora se foloseşte. Folosirea acestui adaos de tip II (puzzolanic) în betoane este indicat pentru obţinerea rezistenţelor mecanice mari, permeabilităţii reduse si implicit rezistenţei ridicate la atacul chimic. Silicea ultrafină deasemenea, reduce apa în exces din beton, astfel eliminând tendinţa de segregare dar putând ridica probleme legate de întărirea rapidă a suprafeţei betonului, în cazul turnărilor de beton întrerupte, discontinue, rezultând rosturi de construcţie sau defecte de suprafaţă.
26
Zgura granulată de furnal măcinată (ground granulated blast furnace slag – ggbs) este un material cu proprietăţi hidraulice latente de liant, care este prezent şi în componenţa cimenturilor compozite CEM II sau CEM III. Folosit ca adaos în componenţa betonului autocompactant contribuie la îmbunătăţirea proprietăţilor în stare proaspătă a amestecurilor de beton, cu precizarea că proporţiile prea ridicate de zgură pot afecta stabilitatea betonului crescând deasemenea riscul segregării. Este eficient în reducerea căldurii de hidratare în structurile masive, unde trebuie controlată creşterea temperaturii rezultată prin degajarea iniţială a căldurii de hidratare a cimentului. Deseori este avantajoasă folosirea lui la îmbunătăţirea rezistenţei la atacul chimic. Agregate Agregatele trebuie să fie conform cerinţelor SR EN 12620 sau SR EN 13055-1 (cazul agregatelor uşoare) respectiv să corespundă cerinţelor de durabilitate din SR EN 206. Dimensiunea maximă a agregatelor se stabileşte în funcţie de cerinţele legate de particularităţile lucrării, în general fiind limitată la 20 mm. Fracţiunea de agregate de sub 0,125 mm contribuie la conţinutul în parte fină a amestecului de beton. Pentru menţinerea producţiei de beton autocompactant la un nivel calitativ constant se impune monitorizarea continuă a umidităţii, absorbţiei de apă, granulometriei şi variaţiei conţinutului în parte fină a agregatelor. Aditivi Aditivii preponderent utilizaţi sunt superplastifianţii sau aditivii mari reducători de apă, conform SR EN 934-2, care determină lucrabilitatea specifică betonului autocompactant. Aditivii modificatori de vâscozitate se folosesc pentru stabilitatea amestecului, reducerea riscului de segregare, fiind foarte utili în cazul variaţiei caracteristicilor materialelor în principal a gradului de umiditate. Condiţiile de admisibilitate, pentru aditivii modificatori de vâscozitate, din SR EN 934-2 se completează cu prevederile din ghidul elaborat de Comitetul Tehnic al Asociaţiei Ciment Aditivi (CAA) din Marea Britanie, precum şi din ghidul publicat de EFNARC şi EFCA în septembrie 2006. Conform cerinţelor se mai folosesc aditivi antrenori de aer pentru îmbunătăţirea rezistenţei la îngheţ-dezgheţ, întârzietori de priză, etc.
27
Fibre În producţia de beton autocompactant s-au utilizat fibre de oţel sau de natură polimerică, în proporţie redusă. S-a constatat existenţa riscului de a reduce capacitatea de curgere a betonului, fiind necesară stabilirea tipului, lungimii şi cantităţii optime ale fibrelor pentru atingerea caracteristicilor dorite atât pentru betonul proaspăt cât şi pentru cel întărit. Fibrele polimerice se pot utiliza pentru îmbunătăţirea stabilităţii betonului autocompactant precum şi pentru prevenirea fisurării datorită contracţiei betonului. Fibrele de oţel sau cele polimerice lungi s-au folosit pentru modificarea ductilităţii/tenacităţii betonului întărit. Lungimea şi cantitatea lor se alege în funcţie de mărimea maximă a agregatelor respectiv de cerinţele constructive specifice. Utilizarea betonului autocompactant cu fibre în structuri cu armătură obişnuită duce la creşterea semnificativă a riscului de blocare, ceea ce nu se întâmplă în cazul substituirii armăturii obişnuite cu fibre. Criterii de proiectare a compoziţiilor Conform “Ghidului European pentru Beton Autocompactant”, proiectarea eficientă a compoziţiilor de beton autocompactant se bazează pe reologia (comportarea în timp) a betonului proaspăt. Astfel: •
vâscozitatea pastei (parte fină, apă şi aditivi) din betonul autocompactant se ajustează prin limitarea raportului apă/pulbere, folosirea unui superplastifiant reducător de apă şi opţional folosirea unui aditiv modificator de vâscozitate;
•
creşterea fluidităţii şi reducerea frecărilor dintre agregate se obţine printr-un volum de pastă mai mare decât volumul de goluri al agregatelor;
•
creşterea abilităţii de trecere a betonului autocompactant rezultă prin reducerea raportului agregate grosiere/nisip. Proporţiile relative recomandate componentelor principale ale betonului
autocompactant sunt: -
pulbere totală: 380 – 600 kg / m3;
-
volumul de pastă: 300 – 380 l / m3;
-
agregate grosiere: 750 – 1000 kg / m3, respectiv în volum: 270 – 360 l / m3;
-
raportul apă / parte fină (în volum): 0,85 – 1,10;
-
conţinutul de nisip: 48 – 55% din masa totală a agregatului. 28
În cadrul unui program de cercetare efectuat la Facultatea de Construcţii din Timişoara-departamentul CCIA s-a obţinut următoarea compoziţie de beton autocompactant: -
ciment CEM I 42,5R: 477,2 kg/m3;
-
silice ultrafină: 53,5 kg/m3;
-
cenuşă de termocentrală: 53,5 kg/m3;
-
agregat de râu 0/4 mm: 987,3 kg/m3;
-
agregat de concasaj 4/8 mm: 526,5 kg/m3;
-
superplastifiant GLENIUM ACE 30: 7,2 kg/m3;
-
apă:198,8 kg/m3; raport A/C: 0,416
pentru care s-au obţinut: răspândirea 680 mm, cutia-L 0,92, pâlnia-V 15 sec (v.pct.3); fc28,cub=64 N/mm2.
3. Verificarea betonului în stare proaspătă Abilitatea de umplere şi stabilitatea betonului autocompactant în stare proaspătă poate fi definită prin patru caracteristici cheie. Aceste caracteristici reologice pot fi determinate prin una sau mai multe metode,unele fiind prezentate în tabelul 1. Tabelul 1 Caracteristica
Metode de testare
Curgerea
Răspândirea din tasare
Vâscozitate
Pâlnia - V
Abilitatea de trecere
Cutia – L
Segregarea
Rezistenţa la segregare (cu sita)
Diametrul masei de beton răspândit este o măsură a capacităţii de umplere a betonului autocompactant.Testul nu se foloseşte când diametrul granulei maxime de agregat este de peste 40 mm. Testul cu pâlnia – V se foloseşte pentru evaluarea vâscozităţii şi abilităţii de umplere a betonului autocompactant cu diametrul granulei maxime de agregat de 20 mm.
29
Testul cu cutia – L se foloseşte pentru evaluarea abilităţii de trecere a betonului autocompactant, de a curge prin spaţii înguste (spaţiile dintre barele de armătură sau alte obstacole) fără segregare sau blocare. Testul cu sita se foloseşte la evaluarea rezistenţei la segregare a betonului autocompactant. Aceasta se determină procentual, pe baza raportului dintre masa betonului trecut prin sită respectiv a betonului supus încercării. 4. Clasificarea betonului autocompactant Pentru betonul autocompactant sunt făcute clasificări functie de caracteristicile betonului proaspat. 4.1 După răspândirea din tasare Caracteristica de răspândire din tasare este reprezentativă şi se impune a fi efectuată pentru orice beton autocompactant Valorile caracteristice ale răspândirii din tasare sunt indicate în tabelul 2. Tabelul 2 Clasa de răspândire din tasare
Răspândirea (mm)
SF1
550 - 650
SF2
660 - 750
SF3
760 - 850 Clasele de răspândire din tasare pentru diferite domenii de utilizare sunt:
•
SF1 (550 – 650 mm) pentru: - elemente prefabricate nearmate sau slab armate; - punerea în operă se realizează cu sisteme de injectare; - secţiuni suficient de mici pentru a preveni curgerea orizontală (pile, fundaţii de adâncime);
•
SF2 (660 - 750 mm) pentru majoritatea aplicaţiilor (stâlpi, grinzi);
•
SF3 (760 - 850 mm) se realizează de regulă când diametrul granulei maxime este sub 16 mm şi se utilizează pentru elemente verticale în structuri cu forme complexe sau pentru umplerea cofrajelor de jos în sus. Clasa SF 3 conduce la grad îmbunătăţit de finisare a suprafeţei, dar rezistenţa la segregare este mai greu de controlat. 30
În unele aplicaţii speciale pot fi specificate pentru răspândire valori ţintă mai mari decât 850 mm, dar în acest caz se impune ca rezistenţa la segregare să fie riguros monitorizată. Se mai impune ca diametrul granulei maxime să fie sub 12 mm. 4.2. După vâscozitate Vâscozitatea betonului autocompactant poate fi evaluată prin determinarea vitezei de curgere cu pâlnia - V. Clasele de vâscozitate sunt indicate în tabelul 3. Tabelul 3
•
Clasa de vâscozitate
Timp pâlnia V (s)
VF1
T<9
VF2
9 ≤ T ≤ 25
Betonul autocompactant de clasa VF1 prezintă o bună capacitate de umplere, chiar şi în cazul elementelor puternic armate. Betoanele autocompactante din această clasă au capacitate de autonivelare şi prezintă cel mai înalt grad de finisare a suprafeţei. Dezavantajul betonului autocompactant clasa VF1 este rezistenţa mai redusă la segregare şi apariţia apei de mustire.
•
În cazul betonului autocompactant de clasa VF2, creşterea timpului de curgere reclamă limitarea presiunii hidrostatice asupra cofrajului sau creşterea rezistenţei la segregare. Gradul de finisare a suprafeţei este mai redus. 4.3. După abilitatea de trecere Abilitatea de trecere defineşte capacitatea unui amestec de beton
autocompactant proaspăt, de a curge prin spaţii înguste, fără segregare, pierderea uniformităţii sau blocare. Capacitatea de trecere se defineşte în raport cu geometria şi densitatea armării, cu capacitatea de curgere şi umplere şi diametrul granulei maxime. Valorile abilităţii de trecere pentru clasele PL1 şi PL2 sunt indicate în tabelul 4.
31
Tabelul 4 Clasa de abilitate de trecere
bilitatea de trecere
PL1
0,80 cu 2 bare de armătură
PL2
0,80 cu 3 bare de armătură
Dimensiunea care dictează cerinţa privind capacitatea de trecere este cea mai mică deschidere sau distanţă dintre barele de armătură, prin care betonul autocompactant trebuie să curgă, pentru a umple cofrajul. Exemple de utilizări pentru capacitatea de trecere sunt date mai jos: •
PL1 – elemente de structură la care distanţa minimă dintre barele de armătură este cuprinsă între 80 şi 100 mm (de exemplu, elemente de structuri la clădiri de locuit);
•
PL2 - elemente de structură la care distanţa minimă dintre barele de armătură este cuprinsă între 60 şi 80 mm (de exemplu, elemente de structuri la clădiri social culturale, industriale). Pentru elemente de planşeu cu grosime mică la care distanţa minimă dintre
barele de armătură este mai mare decât 80 mm şi pentru orice element de structură la care distanţa minimă dintre barele de armătură este mai mare decât 100 mm, nu se cere specificarea capacităţii de trecere. 4.4. După rezistenţa la segregare Rezistenţa la segregare este o cerinţă esenţială pentru omogenitatea şi calitatea betonului autocompactant. Segregarea poate apare în timpul sau după punerea în operă. Segregarea care survine după punerea în operă poate provoca diverse defecte ale suprafeţei (de exemplu, fisuri). Clasele de rezistenţă la segregare sunt indicate în tabelul 5. Tabelul 5 Clasa
de
rezistenţă
la Rezistenţa la segregare în %
segregare SR1
≤ 20
SR2
≤ 15
32
Rezistenţa la segregare devine cu atât mai importantă cu cât este mai mare clasa de răspândire sau cu cât este mai redusă clasa de vâscozitate, dar şi în cazul în care condiţiile de punere în operă induc o probabilitate mai mare a producerii segregării. •
Rezistenţa la segregare SR1 este în general aplicabilă pentru plăci subţiri şi pentru elemente de structură cu dezvoltare pe verticală, unde înălţimea de turnare a betonului autocompactant este sub 5 metri, iar distanţa maximă între barele de armătură este peste 80 mm.
•
Rezistenţa la segregare SR2 este specificată în general pentru elemente de structură cu dezvoltare pe verticală, unde înălţimea de turnare a betonului autocompactant este peste 5 metri, iar distanţa maximă între barele de armătură este peste 80 mm. Rezistenţa la segregare SR2 poate fi specificată şi pentru elemente de structură cu dezvoltare pe verticală, la care distanţa maximă între barele de armătură este sub 80 mm, dacă înălţimea de turnare este sub 5 metri. Dacă înălţimea de turnare este peste 5 metri, se recomandă adoptarea pentru rezistenţa la segregare a unei valori ţintă mai mici de 10 %. 5. Aplicaţii ale betonului autocompactant Datorită calităţilor sale deosebite se constată o extindere a utilizării betonului
autocompactant, în multe ţări europene producţia de BAC reprezentând peste 20% din producţia totală de beton realizată. În statisticile elaborate de membri ai Universităţii de Tehnologie din Kochi (Masahiro Ouchi, Japonia), al Asociaţiei PC Bridge Company Tokyo (Sada-aki Nakamura, Japonia), al companiei Swedish National Road Administration Borlange (Thomas Osterberg şi Sven-Erik Hallberg din Suedia) şi al Federal Highway Administration Washington D.C. (Myint Lwin din Statele Unite) sunt prezentate date referitoare la evoluţia spectaculoasă a BAC în SUA, Japonia şi Europa. O expresie a gradului de extindere pe scară largă a producţiei de beton autocompactant este graficul de prezentare a evoluţiei producţiei de BAC în Japonia (Fig.1).
33
cantitate de BAC (x 1000 m3) anii Fig 1. Cantitatea de BAC utilizata in Japonia Un studiu întocmit sub auspiciile Institutului Tehnologic Danez arată că la nivelul anului 2004, producţia de BAC în câteva ţări europene avea următoarea structură:
circa 1 % din producţia de beton marfă în Turcia, Slovacia şi Belgia;
2 % în Olanda, 5 % în Suedia şi Polonia, iar în Danemarca 25 % din producţia de beton marfă. Producţia de BAC în industria de prefabricate a cunoscut o dezvoltare
susţinută în perioada 1996-2004, ponderea fiind de 30 % în Danemarca, 50 % în Suedia şi 60 % în Olanda faţă de volumul total de beton prefabricat .
34
