Više od stoljeća, koliko se primjenjuje, beton je pokrivao preko 70% potreba u građenju i postao infrastrukturni i urbani temelj savremenog života.
Piše: prof.dr. Azra Kurtović, dipl.ing.građ
Građevinski fakultet Sarajevo
BETON – MATERIJAL BEZ KOJEG NE MOŽEMO
OD RIMSKOG BETONA DO BETONSKIH KONSTRUKCIJA 21.ST.
Više od stoljeća, koliko se primjenjuje, beton je pokrivao preko 70% potreba u građenju i postao infrastrukturni i urbani temelj savremenog života. Od početka primjene je smatrano da je beton ne samo trajan, gotovo vječan, nego da sa starošću postaje sve čvršći i bolji. Dostupan u pogledu cijene, prilagodljiv oblicima i uvjetima. Uz pametnu uporabu kemijskih i mineralnih dodataka uporabljiv za različite uvjete. Dominantan građevni materijal (oko 70% svjetskog stanovništva živi u građevinama koje sadrže beton) Ostvaren velik napredak u tehnologiji, uz još mnogo prostora za još bolji i kvalitetniji beton u okviru novih građevinskih projekata
Materijal današnjice i budućnosti
Svojstva svježeg betona utiču u velikoj mjeri i na svojstva očvrslog betona, naročito preko stepena zbijenosti, tj. zavisno od efikasnosti ugrađivanja i završne obrade. Mogućnost kvalitetnog ugrađivanja i završne obrade zavise od reoloških svojstava svježeg betona i od obučenosti i opremljenosti radnika koji obavljaju ove operacije.
Svježa betonska mješavina spada u tzv. elastično-plastične viskozne sisteme. To znači da betonska mješavina pri opterećenju koje raste od nule u početku, pri niskom nivou opterećenja ima elastično ponašanje, a kada opterećenje dostigne određeni nivo pri kojem se iscrpi strukturna čvrstoća svježe betonske mješavine, tada betonska mješavina počinje da teče kao viskozna tečnost. U slučaju svježeg betona može se primijeniti zavisnost:
Do pojave tečenja dolazi tek kada se dostigne granično smičuće naprezanje to. Ako na betonsku mješavinu počnu da djeluju neki mehanički uticaji, na pr. vibracije, tada unutrašnje sile koje povezuju zrnca cementa i zrna agregata počinju da se smanjuju i betonska mješavina gubi strukturnu čvrstoću. Tada svježi beton dobiva svojstva bliska teškim tečnostima. Ako zatim dođe do prestanka mehaničkog djelovanja, betonska mješavina dolazi u stanje mirovanja i ponovo prelazi u elastično-plastično- viskozni sistem – TIKSOTROPIJA , reološko svojstvo materijala.
Ovakvo ponašanje svježe betonske mješavine koristi se u praksi za zbijanje betona vibriranjem ili na drugi pogodan način, pri čemu se beton privremeno prevodi u stanje blisko teškoj tečnosti. U takvom stanju betonska mješavina ispunjava sve prazne prostore u oplati, pri čemu se ostvaruje optimalna zbijenost ugrađenog betona.
Kod nenjutnovskih sistema razlikuju se tri tipa proticanja :
1) tiksotropno ; 2) reopektičko ; 3) viskoelastično
Tiksotropija je pojava da neki koloidni rastvori (soli) pri mirovanju prelaze u gel, a mehaničkim dejstvom, miješanjem ili mućkanjem, ponovo prelaze u stanje sola. Tiksotropija se još naziva sol -gel-sol transformacija. Pojavu tiksotropije pokazuju oni koloidni sistemi kod koji se koloidne čestice povezuju slabim vezama (vodikovim ili vezama elektrostatičke prirode), tako da se stvara trodimenzionalna rešetka u kojoj su uklopljeni molekuli rastvarača tj. obrazuje se gel struktura. Tiksotropijom raspolažu najčešće sistemi sa solvatisanim asimetričnim ili linearnim makromolekulama (rastvori polimera, masti, maziva, boja u organskim ratvaračima, bentonita i dr.).
Mehaničkim djelovanjem raskidaju se slabe veze između koloidnih čestica , dolazi do rušenja uspostavljene gel strukture i orijentacije koloidnih čestica, opadanja prividne viskoznosti, odnosno vraćanje u stanje sola.
Ako se prati brzina smicanja u zavisnosti od porasta smicajnog naprezanja, a zatim povratno smanjivanjem smicajnog naprezanja, kod tiksotropnih sistema dobija se tzv. tiksotropna petlja, koja karakteriše tiksotropno tijelo. Kod tiksotropnih tijela pod djelovanjem velikih smicajnih naprezanja dolazi do potpunog razrušavanja krute (gel) strukture, pa se smanjivanjem smicajnog naprezanja ponašaju kao njutnovski sistemi ukoliko je vrijeme dovoljno kratko tako da nije došlo do ponovnog tiksotropskog strukturiranja. Međutim, kod tiksotropno plastičnih pseudotijela ni pri velikim smicajnim naprezanjima ne dolazi do potpunog urušavanja tiksotropne strukture, tako da se pri povratnom smicanju pokazuju svojstva Bingamovskih plastičnih sistema. Ovi sistemi se nazivaju i tiksotropna Bingamovska tijela.
Proces urušavanja unutrašnje strukture tiksotropnog sistema je povratan, pa po prestanku djelovanja spoljašnje sile dolazi do ponovnog uspostavljanja predhodno razrušenih veza i uspostavljanja gel strukture. Ovaj proces je znatno sporiji od prethodnog (razrušavanja unutrašnje strukture) i može da traje od nekoliko minuta do nekoliko sati i dana, zavisno od vrste tiksotropnog sistema. Na tiksotropna svojstva sola utiče koncentracija dispergovanih čestica, tako da treba ispitati pri kojim koncentracijama dolazi do pojave tiksotropije. Veoma značajno reološko svojstvo za ocjenu upotrebljivosti građevinskih materijala (mineralna i ugljovodonična veziva, malteri, betoni i dr.) je konzistencija. Konzistencija je svojstvo njutnovskih, pseudoplastičnih i plastičnih materijala koja se mjeri bilo dinamičkim bilo strukturnim viskozitetom. Reopeksija je pojava da kod nekih koloidnih sistema dolazi pri laganom miješanju do bržeg obrazovanja tiksotropne strukture (očvršćavanja), odnosno porasta viskoznosti. Neki koloidi (npr. koncentrovani rastvori i rastopi linearnih makromolekula, želatin i dr.) pod određenim uslovima imaju svojstva i čvrstih i tečnih tijela, odnosno viskozna i elastična svojstva, pa se nazivaju viskoelastični sistemi.
Konzistencija svježe betonske mješavine
Tipovi konzistencije: kruta, slaboplastična, plastična, tečna
Konzistencija je skup svojstava svježeg betona od kojih zavisi ugradljivost i obradljivost svježe betonske mješavine i pripada reološkim svojstvima materijala. Ugradljivost i obradljivost svježeg betona predstavljaju sposobnost svježeg betona da uslijed zbijanja određenim prihvatljivim postupkom u potpunosti ispuni sve prostore unutar oplate.
Ocjena ugradljivosti i obradljivosti zasniva se na pokretljivosti, krutosti i povezanosti betonske mješavine pa su to ujedno i osnovni parametri za definisanje konzistencije svježeg betona.
Za kvantitativno utvrđivanje se koriste standardne metode: metoda slijeganja („slump“), vebe metoda, metoda rasprostiranja, metoda slijeganja vibriranjem (metoda zbijanja). Metoda slijeganja utvrđuje konzistenciju mjerenjem pokretljivosti svježeg betona. Koristi se Abramsov zarubljeni konus koji se puni u tri sloja približno iste debljine. Svali sloj se nabija standardnom šipkom sa 25 udaraca. Zatim se gornja površina betona izravna i poslije 30 sec. konus pažljivo podigne. Kao mjera slijeganja služi veličina Dh. Metoda je naročito pogodna za plastičnije betonske mješavine koje se odlikuju većom pokretljivošću.
Uređaj se sastoji od vibro-stola (1), čeličnog lonca tačno definisanih dimenzija (2), ploče od pleksiglasa (4), vođice (5), šipke sa dizačem (6) i stativa (7). U lonac (2) se postavi Abramsov konus (3) koji se napuni betonom kao za slučaj ispitivanja mjerom slijeganja. Poslije 30 sekundi konus se ukloni, a ploča pleksiglasa pažljivo spusti u gornju površinu betona. Zatim se uključi vibro-sto (1) i istovremeno počinje mjerenje vremena. Uslijed vibracija beton se sliježe zajedno sa pločom od pleksiglasa. Kada beton u potpunosti podlije ploču od pleksiglasa (4), tj. kada pređe iz oblika zarubljenog konusa u cilindrični oblik, vibro sto se zaustavlja i prekida mjerenje vremena. Metoda rasprostiranja se koristi u slučaju betonskih mješavina plastične i tečne konzistencije. Ispitivanje se vrši primjenom potrebnog stočića i skraćenog Abramsovog konusa:
Svježi beton se sipa u dva sloja uz lagano nabijanje drvenom letvicom 4×4 cm (2×10 udaraca). Poslije 30 sekundi od završetka ugrađivanja betona, konus se pažljivo podigne. Zatim se izvrši 15 potresanja izdizanjem gornje ploče potresnog stočića svaki put za 4 cm i puštanjem da slobodno pada. Mjera rasprostiranja se utvrđuje kao srednja vrijednost između d1 i d2 .
Metoda slijeganja vibriranjem (metoda zbijanja) pogodna je za utvrđivanje konzistencije betona koji se zbijaju vibriranjem. U kalup se unosi beton specijalnom mistrijom na visinu pada od 10 cm, bez dodatnog zbijanja. Kada je kalup ispunjen betonom, izvrši se vibriranje betona do pune zbijenosti. Pri tome će doći do slijeganja betona za veličinu Dh = 40 – h (cm). Kao mjera slijeganja zbijanjem služi veličina z = 40/h.
Kod ispitivanja konzistencije ponekad je uočljiva nehomogenost betonske mješavine. Ona se manifestuje naročito izdvajanjem vode i segregacijom krupnijih zrna agregata, što je posljedica slabe povezanosti komponenata betona. Povezanost betonske mješavine u velikoj mjeri utiče na homogenost i svojstva očvrslog betona. Ako je povezanost slaba dolaziće u toku transporta i ugradnje betona do dehomogenizacije mješavine, što je posebno izraženo kod mješavina sa visokim sadržajem vode. Suvišna voda će se skupljati ispod krupnijih zrna agregata u vidu „džepova“, a nastupiće i raslojavanje betona, pri čemu će se krupniji agregat skupljati u nižim zonama, sitniji u višim, a na površini će dolaziti do izdvajanja vode.
Raslojavanje ili segregacija betonske mješavine može se spriječiti ako se koristi dovoljna količina sitnog agregata koji popunjava prostore između zrna krupnog agregata i povećava viskoznost cementne paste. Ispravna konzistencija svježeg betona bira se u svakom pojedinom slučaju u zavisnosti od vrste i dimenzija konstrukcije ili konstruktivnih betonskih elemenata, od gustine armature, načina i sredstava ugradnje i završne obrade betona. Ugradljivost i obradljivost zavise od sastava betona, u prvom redu od količine vode i granulometrijskog sastava agregata, dok je uticaj cementa značajniji tek pri količinama iznad 400 kg/m3.
Daleko najveći uticaj na konzistenciju svježeg betona ima količina vode u betonu.
Zato se u praksi pri utvrđivanju sastava betona, uvijek polazi od potrebne količine vode koja omogućava da se dobije beton tražene konzistencije, odnosno povoljne ugradljivosti i obradljivosti. U tu svrhu koriste se iskustveni podaci kao i različiti empirijski obrasci, grafikoni i tabele. Količina vode koja se koristi pri spravljanju betona ima dvostruku funkciju: ona kvasi zrna agregata i manjim dijelom se, praktično, gubi na račun, dijela vode koji upiju zrna agregata, veći dio vode kvasi zrna cementa i formira cementnu pastu koja procesima hidratacije omogućava vezivanje i očvršćavanje cementnog kamena, odnosno betona. Količina vode koja je potrebna za kvašenje zrna agregata i koju upijaju zrna agregata zavisi od stanja prirodne vlažnosti agregata, od kompaktnosti, odnosno poroznosti tih zrna i od njihove specifične površine. Sa povećanjem specifične površine, odnosno sa povećavanjem sadržaja sitnog agregata povećava se i potreba za ovim dijelom vode.
Ostala svojstva svježeg betona
- 1. Zapreminska masa u svježem, zbijenom stanju je dobar pokazatelj svojstava očvrslog betona. Sa povećanjem zapreminske mase, povećava se gustina, odnosno smanjuje ukupna poroznost betona, pa se tada dobijaju betoni boljeg kvaliteta pri ostalim jednakim uslovima, što je posebno izraženo kod fizičko-mehaničkih osobina.
Zapreminska masa svježeg zbijenog betona se najčešće određuje u sklopu utvrđivanja sastava, odnosno recepture betona, kada se spravljaju odgovarajući uzorci, najčešće na zapremini od 8 dm3. Pri tome se beton ugrađuje na isti način kako će biti ugrađivan u konstrukciju .
- Temperatura svježeg betona
Temperatura svježeg betona je veličina koja se mijenja tokom vremena i koja zavisi od većeg broja uticajnih parametara:
- a) početne temperature betonske mješavine,
- b) temperature sredine,
- c) toplote hidratacije cementa,
- d) razmjene toplote betona sa okolinom (temperaturnog gradijenta ) i
Početna temperatura svježeg betona, tj. ona temperatura koja se dobija neposredno po završetku miješanja komponenata, može se dosta precizno odrediti putem jednačine toplotnog bilansa svježeg betona:
Fizičko-mehanička svojstva očvrslog betona
Zavise od niza faktora :
- količina i vrsta komponentnih materijala,
- tehnološki postupci vezani za spravljanje,
- transport
- ugradnja
- njegovanje ugrađenog betona,
- termohigrometrijski uslovi u fazi očvršćavanja betona,
- uslovi eksploatacije i
- drugi specifični momenti.
Svi navedeni činioci imaju uticaja na ostvarenu strukturu betona. Većina svojstava očvrslog betona zavisi od ostvarene strukture betona.
Struktura betona se formira po završetku ugradnje svježeg betona kao rezultat procesa hidratacije cementa.
Pri tome je veoma značajan uticaj vodocementnog faktora w=mv /mc . Ukoliko je w < 0,4 jedan dio cementa neće biti obuhvaćen hidratacijom. Ukoliko je w > 0,4 dobit će se cementni kamen povećane poroznosti zbog prisustva kapilarnih pora.
Ukupni sadržaj kapilarnih pora u betonu:
Formiranje strukture betona je usko povezano sa procesom hidratacije cementa. Ako se posmatra veza između čvrstoće i hidratacije cementa, onda se tu mogu definisati tri karakteristične etape:
- početna etapa kada se formira početna struktura postepenim prelazom u čvrsto
stanje u toku procesa vezivanja.
- 2. etapa postepenog formiranja strukture očvrslog betona praćena intenzivnim porastom čvrstoće.
- etapa stabilizacije strukture kada se čvrstoća na pritisak dostignuta u 2. etapi ne mijenja bitnije u toku dugog vremenskog perioda.
Tok i trajanje opisanog procesa podložan je određenim varijacijama zavisno od sastava svježeg betona, a posebno u slučaju primjene nekih aditiva.
U primjeni su metode za promjenu strukture betona u cilju postizanja ranih čvrstoća: tehnološke, hemijske i fizičke.
Tehnološke metode: upotreba odgovarajuće vrste i količine cementa (upotreba cementa, više klase i finijeg mliva postiže brži prirast čvrstoće betona u toku vremena) smanjenje vodocementnog faktora, smanjenje pora u betonu, revibriranjem betona.
Hemijske metode :
- upotreba dodataka betonu (aditiva) tipa akceleratora, plastifikatora superplastifikatora.
Fizičke metode :
kao najefikasniji postupci primjenjuju se postupci termičke obrade – hidrotermalne metode.
- metoda zaparivanja betona pri atmosferskom pritisku
- metode ubrzanog očvršćavanja betona prethodnim zagrijavanjem komponenti (postupci toplog betona)
Ukupna poroznost betona (p) sastoji se od gelske poroznosti cementnog kamena (pG), kapilarne poroznosti cementnog kamena (pK) i poroznosti uslijed nedozvoljenog zbijanja i primjene aeranata (Dp) Najviše je štetna kapilarna poroznost koja nastaje pri w > 0,40. Zato treba w uvijek što više sniziti, ali da se time ne ugrozi ugradljivost betona. U takvim slučajevima se mogu očekivati i dobra fizičko-mehanička svojstva betona. Smanjivanje w na račun povećanja mc nije opravdano ni u tehničkom ni u ekonomskom smislu. Na taj način se povećava količina cementne paste i gelska poroznost cementnog kamena, a kapilarna poroznost se relativno malo smanjuje. Povećanjem količine cementa povećava se i skupljanje betona, a povećava se i cijena koštanja betona. Poroznost betona se najcjelishodnije može smanjiti ako se smanji količina vode pri čemu je vrlo efikasna primjena plastifikatora.
Kontaktni sloj između zrna agregata i cementnog kamena ima nešto veću poroznost od cementnog kamena. Time su i osobine tog sloja nešto lošije od osobina ostalog cementnog kamena što je bitno za osobine betona u cjelini. Čvrstoća veze između agregata i cementnog kamena zavisi od vrste agregata, njegove poroznosti i hrapavosti površine i od čistoće površine zrna. Posebno se javljaju nepovoljni efekti ako se koristi zaprljan agregat, a to je najčešći slučaj kada su zrna riječnog agregata obavijena tankim filmom gline ili kada su zrna drobljenog agregata obavijena prašinastim česticama.
Ugrađivanje betona
Ugradnja betona obuhvata razastiranje betona (ili punjenje oplate), zbijanje (kompaktiranje) i završnu obradu gornjih površina. Ugrađivanje betona se mora završiti prije početka vezivanja cementa. Orijentaciono se može uzeti da betone krućih konzistencija treba ugraditi pri suhom i toplom vremenu najkasnije za 1 sat, a po vlažnom i prohladnom vremenu najkasnije za 2 sata nakon spravljanja. Beton u kojem su počeli procesi vezivanja ne smije se ugrađivati.
Betonski elementi i konstrukcije materijalizuju se očvršćavanjem betonskih mješavina u odgovarajućim oplatama (kalupima) koji obezbjeđuju dobivanje potrebne geometrijske forme i dimenzija. Kvalitet dobivenih elemenata zavisi od svojstava betonske mješavine i tehnologije ugradnje, ali i od vrste i kvaliteta upotrebljene oplate. Oplata daje površini betona teksturu i time bitno utiče na izgled, ali i na druga svojstva betonskih elemenata uključujući i trajnost. Oplate se rade od rendisanih i nerendisanih dasaka, od panel-ploča, šper-ploča, lesonit-ploča, od metala (čelika), plastičnih masa i dr. One treba da zadovolje zahtjeve u pogledu predviđenih dimenzija i površinskog izgleda betonskih elemenata, a moraju da imaju i odgovarajuću mehaničku otpornost kako bi se suprotstavile pritisku svježeg betona i uticaju sredstava za zbijanje betona. Oplate se prije betoniranja premazuju iznutra oplatnim uljem što omogućava lakše skidanje oplate.
Oplata se puni neposredno sipanjem svježeg betona iz transportne posude ili posredno preko žljebova-vodilica. Pri ovome takođe treba voditi računa da ne dođe do segregacije betona, a to se postiže korištenjem konusnih ljevaka (kao u slučaju utovara iz mješalice u transportno sredstvo). Prilikom ugradnje u oplatu najveća dozvoljena visina sa koje beton slobodno pada iznosi 1,5 m. Pri tome treba voditi računa da se izbjegne segregacija betona.
Ako se radi o većim visinama tada unošenje betona u oplatu treba vršiti preko lijevaka-vođice ili kroz bočne otvore u oplati.
Njega betona
Njega betona se sastoji u spriječavanju isparavanja vode iz ugrađenog betona. Na taj način se spriječava gubitak dijela vode iz betona koji je potreban za odvijanje procesa hidratacije cementa. Ako se takve mjere ne poduzmu blagovremeno i u dovoljnom obimu, tada postoji velika vjerovatnoća da će u mladom betonu čija je mehanička otpornost mala, doći do pojave prslina uslijed skupljanja betona. Polijevanjem betona i njegovim održavanjem u vlažnom stanju, mogu se odložiti procesi skupljanja dok beton ne postigne dovoljnu čvrstoću da se uspješno odupre nastanku prslina. Sa njegom betona treba početi vrlo rano kada se na površini betona više ne zapaža slobodna voda tj. kada započne proces vezivanja cementa u betonu. Dužina njegovanja zavisi od temperature i vlažnosti okoline, izloženosti betona neposrednom uticaju atmosferilija, značaja konstrukcije, sastava betona i dr. Na dužinu njege, u veoma velikoj mjeri, utiče brzina prirasta čvrstoće betona koja se definiše odnosom čvrstoće pri pritisku za starost betona od 2 dana i 28 dana. Preporučeni vremenski period (BAS EN 13670 – Izvođenje betonskih konstrukcija) tokom kojega treba njegovati betonski element, koliko je potrebno betonskim element da dostigne 50% karakteristične čvrstoće (70% karakteristične čvrstoće ) dat je u sljedećoj tabeli.
Minimalno trajanje njege betona za postizanje 50% (70%) karakteristične čvrstoće fck
Za veoma spore betone (r < 0,15) preporuke se daju u datim realnim uslovima izvođenja betonskih konstrukcija.
Za njegu betona se ne smije koristiti morska voda niti vode koje sadrže sulfate, hloride i druge agresivne supstance.
Beton se u vlažnom stanju najčešće održava povremenim polijevanjem vodom, ali se koristi i pokrivanje mokrim jutanim krpama i hasurama, plastičnim folijama i drugim sredstvima koja spriječavaju naglo isparavanje vode iz betona. Kada se radi o velikim betonskim površinama (kolovozi, aerodromske piste, industrijski radovi i sl.) često se koriste specijalni premazi koji se nanose na površinu svježeg betona četkom ili prskanjem i koji stvaraju tanak vodo i poronepropustljivi film koji se nakon određenog vremena sam razgrađuje.
Betoniranje u posebnim uslovima
Pod ovim se podrazumijevaju slučajevi kada se betoniranje vrši pri temperaturama
ispod +5oC i iznad +30oC.
- 1. Pri betoniranju ispod +5oC treba poduzeti niz određenih mjera koje se inače ne poduzimaju pri temperaturama iznad +5oC do +30oC :
koristiti cemente viših toplota hidratacije (cementi viših klasa i bez dodataka). Izuzetak su masivni betoni. izbjegavati cemente sa dodatkom pucolana i pucolanske cemente upotrebljavati povećane količine cementa (veća ukupna količina hidratacione toplote). koristiti aditive (antifrizi i ubrzivači vezivanja i očvršćavanja). Ove mjere, uz odgovarajuću njegu mogu obezbjediti betoniranje na temperaturama koje se spuštaju na -5oC do -10oC uz uslov da se ne koristi smrznut agregat i da se obezbjedi određena početna temperatura betona pri ugradnji, od minimalno: +5oC do +10oC. Pri tome se može korisno upotrijebiti grijanje vode za spravljanje betona (» do 70oC). Ako se radi o još nižim temperaturama, potrebno je pored svih navedenih mjera izvšiti i grijanje agregata .
Kada se vrši grijanje komponenti betona (vode i /ili agregata) pri spravljanju betona prvo se dozira agregat, zatim voda i na kraju cement.
Pored navedenog primjenjuju se i druge mjere u okviru betoniranja pri niskim temperaturama (termoizolacione oplate, zagrijavanje elemenata i dr.).
Prije prvog smrzavanja beton treba da ima najmanje 50% od predviđene čvrstoće, a u slučaju betona koji će biti izložen smrzavanju i odmrzavanju u eksploataciji ili i istovremenom djelovanju soli za odmrzavanje, mora da ima punu zahtjevanu otpornost prema ovim uticajima.
- Pri betoniranju na temperaturama iznad +30oC najveći problemi se javljaju u pogledu gubitka konzistencije, odnosno smanjene ugradljivosti i obradljivosti betona. Naročito pri većim transportnim dužinama kada je potrebno duže vrijeme od spravljanja do ugradnje betona.
U ovakvim slučajevima je potrebno: koristiti cemente što niže toplote hidratacije, koristiti najmanje moguće količine cementa, primjenjivati usporivače vezivanja, vršiti hlađenje oplate i agregata vodom, obavljati noćna betoniranja.