Hydrataatiotuotteiden tilavuusjakauma ja sementtikiven koostumus. Betonin lisäaineet ja notkistetun betonin suhteitus

Transkriptio

1 Hydrataatiotuotteiden tilavuusjakauma ja sementtikiven koostumus Betonin lisäaineet ja notkistetun betonin suhteitus

2

3

4

5

6

7 Tehtävä 1 Betonirakenteesta irrotettiin näyte, joka kuivattiin 105 C lämpötilassa. Sementin hydrataatioasteeksi määritettiin 0,5. Kuivatuksessa vettä poistui 80 kg/m 3. Betonin suhteitettu koostumus oli 1 : 6,0 : 0,6 ja ilmapitoisuus 3 %. Mikä oli betonista ennen kuivausta haihtuneen veden määrä? Mitkä ovat hydratoitumattoman sementin, sementtigeelin kiintoaineksen, geeliveden, kapillaariveden ja supistumishuokosten tilavuus näytteenottohetkellä? Entä kapillaarihuokostilavuus?

8 Ratkaisu Suhteitettu koostumus 1 : 6,0 : 0,6 3 % ilmaa Betonin perusyhtälö: + 0,6C + 30 = 1000 ( ) = 970 C = 306 kg/m 3 Betonin tiheys = 7,6*C = 2326 kg/m 3 Wo = 0,6 * 306 kg/m 3 = 184 kg/m 3

9 a) Kuivattaessa haihtui 80 kg/m 3 Haihtumiskykyistä vettä olisi pitänyt olla Wo WN = 184 0,25*0,5*306 = = 146 kg/m 3 W N = 0,25* * C Ennen kuivausta oli haihtunut = 66 kg/m 3

10 b) TILAVUUSOSUUDET - Hydratoitumaton sementti VCHTON WCHTON = 306 0,5*306 = 153 kg/m 3 VCHTON = 153/3,1 = 49,4 l/m 3 - Geelin kiintoaines Vg.s = hydratoitunut sementti Vch + kemiallisesti sitoutunut vesi VN -supistumishuokoset Vsup Vg.s = Vch + VN Vsup = Vch + VN 0,25VN = = + = 78,0 l/m 3 + 0,25 0,25

11 Geelivesi Vgh = 28 % geelin kokonaistilavuudesta Vgh/ (Vgh + Vgs) = 0,28 (Vgs on sem.geelin kiintoaines) Vgh = 0,28/0,72 * Vgs = 0,28/0,72 * 78,0 l/m 3 = 30,3 l/m 3 Supistumishuokoset Vsup = 0,25 * VN = 0,25*,25* *C = 9,6 l/m 3 Haihtumiskykyinen vesi eli haihtunut vesi 80 kg/m 3 on kapillaarivettä ja geelivettä. Wkap + Wgh = 80 kg/m 3 Wkap = 80 kg/m 3 30 kg/m 3 = 50 kg/m 3 Vkap = Wkap V = 50 l/m 3 Kapillaarihuokostilavuus = Vo VN Vgh = = 116 l/m 3

12 Tehtävä 2 Erään betonin sementtimäärä on 350 kg/m 3 ja vesimäärä 135 kg/m 3. Laske betonin hydrataatioaste a) ilman ulkopuolista vettä ja b) kun jälkihoitona on kostea jälkihoito. Laske myös sementtigeelin huokostilavuus (litroina) käyttäen laskemaasi hydrataatioastetta.

13 Tehtävä 2, ratkaisu Suurin hydrataatioaste v kw =0 1.Ei ulkopuolista vettä α max 2. Kostea jälkihoito v kw +v p =0 α max θ = 1,4 (1 θ ) = θ 1,2 (1 θ ) 1 1 θ = w c w c + ρ ρ w c

14 v/s = 135/350 = 0,386 v c = 1/3.1 = 0,323 (maks) = ((v/s)/((v/s)+ ( v c)))/ (1,4 x (1- (v/s)/((v/s)+ ( v c)) ei ulkopuolista vettä tai (maks) = ((v/s)/((v/s)+ ( v c)))/ (1,2 x (1- (v/s)/((v/s)+ ( v c)) )) kostea jälkihoito huokoisuus on siis = 0,544 ja hydrataatioaste (maks) = 0,852 (ei jälkihoitoa) tai 0,994 (kostea jälkihoito).

15 Sementtigeelin huokostilavuus? 2 kaavaa: 1) Vg.h = 0,2 * * C (katso LH3, kaavan johtamiseksi) tai 2) Geeliveden tilavuusosuus v gw = 0,6 (1 θ ) α (opetusmonisteesta)

16 Kaava1: Vgh = 0,2 * 0,994 * 350 = 69,6 dm 3 tai Kaava2: vgh = 0,6 x (1-0,544) x 0,994 = 0,272 HOX! Tämä on vasta suhteellinen osuus koko tilavuudesta!!! Siis 0,272 x (350/3, /1) = 67,4 dm 3 Mistä kaavoilla 1 ja 2 laskettujen tulosten ero voisi johtua?

17 Tehtävä 3 Miten tehtävän 2 hydrataatioaste muuttuu, jos suhteituksessa korvataan 7 % sementistä (painosta) silikajauheella? Entä miten muuttuu hydratoitumattoman sementin tilavuus?

18 Ratkaisu, tehtävä 3 s = 2200 kg/m 3

19 s = 350*0,07 =24,5 kg/m 3 c = ,5 = 325,5 kg/m 3 v/c = 135 / 325,5 = 0,4147 kg/m 3 v c = 1000 / 3100 = 0,323 v s = 1000/ 2200 = 0,455 s/c = 24,5 / 325,5 = 0,07527 ksil = 1/(1+1,4*0,07527) = 0,9047 = 0,4147 / (0,4147+0,323+0,455*0,07527) = 0,537

20 Nyt (maks) voidaan laskea kaavojen (maks) = / (ksil*(1,4+1,6*s/c)*(1- ) ) tai = / (ksil*(1,2+0,9*s/c)*(1- ) ) mukaan jolloin saadaan (maks) = 0,537 /(0,9047*(1,4+1,6*0,07527)*(1-0,537)) = 0,844 (ei jälkihoitoa) tai (maks) = 0,537 /(0,9047*(1,2+0,9*0,07527)*(1-0,537)) = 1,012 = 1 koska (maks) 1

21 Tehtävän 2 hydratoitumattoman sementin tilavuusosuus on siis vc = (1-0,544)*(1-0,852) tai vc = (1-0,544)*(1-0,994) vc = 0,067 tai 0,003 Eli tilavuus on siis 0,067 * (350/3, /1) = 16,6 dm 3 tai 0,003 x (350/3, /1) = 0,7 dm 3 Silikan kanssa hydratoitumattoman sementin tilavuusosuus on vc = 0,9047* (1-0,537)*(1-0,844) = 0,065 Eli tilavuus on siis 0,065 * (325,5/3,1 + 24,5/2,2+ 135/1) = 16,3 dm 3

22 1. harjoituksessa suhteitettiin betoni - tavoitepainuma, eli notkeus 90 mm - suunnittelulujuus 35 MPa - sementin koestuslujuus 49,5 MPa Suhteitetaan sama betoni käyttäen notkistinta, jolloin betonimassan vettä voidaan vähentää 10 % notkeuden pysyessä samana. a) Paljonko betonin lujuus kasvoi, jos sementtimäärää ei vähennetä? b) Paljonko sementtimäärään voitaisiin vähentää, jos lujuus pidetään ennallaan?

23 Ratkaisu - tavoitepainuma, eli notkeus 90 mm - suunnittelulujuus 35 MPa - sementin koestuslujuus 49,5 MPa Suhteitusseokseksi saatiin: - Sementti 280 kg/m 3 - RA 1940 kg/m 3 - Vesi 168 kg/m 3 - Ilma 20 l/m 3

24 a) sementtimäärä ennallaan, vesimäärä 10 % pienemi (notkistin lasketaan osaksi vettä) SEOS: sementti 280 kg/m 3 vesi 168-0,1* ,2 kg/m 3 ilma 20 l/m 3 Betonin suhteitus lomakkeelta vesi-ilmasementtisuhde = 0,611

25

26 K s = 38,5 MPa Alkuperäinen suhteituslujuus oli 36 MPa, joten LUJUUS NOUSISI 2,5 MPa Runkoaineen määrä saadaan korjattua betonin perusyhtälöllä /3,1 151,2/1,0 20 = 738,5 dm 3 738,5 *2,68 kg/m 3 = 1979,1 kg/m 3

27 b) vähennetään sementtimäärää SEOS sementti?? kg/m 3 vesi 151,2 kg/m 3 ilma 20 l/m 3 Halutaan alkuperäinen lujuus, joten vesi-ilmasementtisuhde pysyy samana. Alkuperäinen Uusi sementti = 255,1 kg/m 3

28 sementtiä säästyy ,1 = 24,9 kg/m 3 Uusi runkoaineen määrä saadaan laskettua tehtävän a) tavoin betonin perusyhtälöllä ,1/3,1 151,2/1,0 20 = 746,5 dm 3 746,5 dm 3 * 2,68 = 2000,6 kg/m 3

29 Harjoitus 5 Mineraaliset seosaineet, Käyttö ja huomioonottaminen suhteituksessa

30 Mineraaliset seosaineet Lentotuhka Filleri Seosaine Masuunikuonajauhe Sideaine Erityisesti massiiviset ja sulfaatinkestävät rakenteet Silika Sideaine Erityisesti hyvää kemiallista kestävyyttä tai suurta lujuutta vaativat rakenteet

31 Seosaineiden käyttöä betonissa säätelevät Betoninormit Ohjaavat seosaineiden laadunvalvontaa Antavat suurimmat sallitut käyttömäärät Neuvovat seosainetta sisältävän betonin käytössä Antavat ohjeet betonin laadunvalvontaan

32

33

34 Seosaineiden käytön perusteet Säästetään ehtyviä luonnonvaroja hyödyntämällä muun teollisuuden sivutuotteita Parannetaan betonin ominaisuuksia tai annetaan betonille uusia hyödynnettäviä ominaisuuksia Käyttö kansantaloudellisesti kannattavaa

35 Lentotuhkan käytön perusteet Fillerinä parantaa betonin Työstettävyyttä Koossapysyvyyttä Pumpattavuutta Kuljetuksen kestävyttä Sideaineena parantaa betonin Loppulujuutta Saattaa vaikeuttaa huokostuksen onnistumista

36 Pozzolaaninen reaktio betonissa Yksinkertaistettu yhtälö: Vesi (H 2 O) + sementti (CaO, SiO 2 ) CSH (CaO SiO 2 H 2 O) + CH (Ca(OH) 2 ) Pozzolaani (SiO 2 ) + CH (Ca(OH) 2 ) CSH (CaO SiO 2 H 2 O)

37 Masuunikuonajauheen käytön perusteet Sideaineena tavallisessa betonissa Sideaineena erityiskohteissa Massiiviset rakenteet Masuunikuona vähentää kovettumisen aikaista lämmönkehitystä betonissa Jo 50 % sideaineesta tekee sideaineen alhaislämpösementin vaatimukset täyttäviksi Sulfaatinkestävyyttä vaativat rakenteet Betoni on sulfaatinkestävää, jos sen valmistukseen on käytetty sideainetta, joka sisältää vähintään 70 % erillisjauhettua masuunikuonaa

38 Silikan käytön perusteet Sideaineena parantaa betonin Lujuutta Tiiviyttä Kemiallista kestävyyttä Säilyvyyttä Erikoistapauksissa fillerinä parantaa betonin Koossapysyvyyttä Kuljetuskestävyyttä

39 Silikan kanssa käytetään aina notkistavaa lisäainetta Silikabetoni valitaan yleensä hieman normaalivaatimusta notkeammaksi Koossapysyvyyden parantumisen takia plastisen kutistuman vaara kasvaa, joten jälkihoito tulee aloitta heti tiivistyksen jälkeen

40 Seosainebetonin suhteitus Suhteitetaan betoni ilman seosainetta, jotta saadaan selvitettyä sementin perusmäärä eli ekvivalentti sementin määrä. Käytetään haluttu määrä seosainetta noudattaen Betoninormit 2004 ohjeita. Jaetaan seosaine aktiiviseen ja passiiviseen osaan aktiivisuuskertoimella eli sideaineeksi ja filleriksi, (huom. jako on laskennallinen) silloin kun seosaineen aktiivisuuskerroin alle 1. Jos aktiivisuuskerroin on yli 1, on koko seosaine sideainetta. Korvataan filleriä tilavuusosin seosaineen passiivisella eli runkoaineosalla, silloin kun aktiivisuuskerroin alle 1.

41 Harjoituksessa 1 suhteitettu betoni

42 Sementti 280 kg/m 3 Vesi 167 kg/m 3 Runkoaine 1936,8 kg/m 3 Hiekka 522,9 kg/m 3 Sora 484,2 kg/m 3 Somero 929,7 kg/m 3 Ilma 20 dm 3

43 Lentotuhkabetonin (LT) suhteitus Betonin rasitusluokan on kerrottu olevan XC4 (rasitusluokka määrää seosaineen sallitun määrän). Käytetään sementtiä CEM I. Sallittu lentotuhkamäärä on tällöin (100 - Q II )/0,75-100, jossa Q II = sementin itsessään sisältämä lentotuhkamäärä. Eli (100-0)/0, = 33,3 %

44 Jaetaan seosaine aktiiviseen ja passiiviseen osaan aktiivisuuskertoimella eli sideaineeksi ja filleriksi. Seosainebetonin sideaineseoksen tehollinen määrä saadaan arvioitua kaavasta: SA teh = C + k seosaine * SEOSAINE missä SA teh on tehollinen sideainemäärä kg/m 3 C on seosainebetonin sementtimäärä kg/m 3 SEOSAINE on seosaineen määrä kg/m 3 k seosaine on seosaineen tehokkuuskerroin

45 Betoninormit 2004 mukaan, kun lentotuhkaa on alle 33 % sementin määrästä, lentotuhkan aktiivisuuskerroin on 0,4 (ts. 40% sideainetta 60% filleriä). Jos lentotuhkaa on enemmän, yli 33% menevän lentotuhkamäärän aktiivisuuskerroin on 0.

46 Seosainebetoni saavuttaa saman 28vrk lujuuden kuin ilman seosainetta valmistettu Portlandsementtibetoni SA teh = C + k seosaine * LT teh = 280 kg SA teh = C + 0,4 * (0,33 * C) = 280 kg C = = 247,35kg LT teh = 0,33 * 247,35 = 81,63 kg Yli 33% menevän lentotuhkamäärän aktiivisuuskerroin on 0. Tätä lentotuhkaa on siis 0,003 * 247,35 = 0,74 kg LT = LT teh + LT t.ton = 81,63 + 0,74 = 82,37 kg

47 Lentotuhkan määrästä aktiivista on LT akt = LT teh * 0,4 = 81,63 * 0,4 = 32,65 kg Loppu on filleriä LT LT akt = 82,37-32,65 = 49,72 kg Vesimäärä pysyy samana kuin alkuperäisessä suhteituksessa = 167 kg/m 3

48 Vähennetään siis hienoimman runkoaineen määrää (kg) seosaineen (eli lentotuhkan) runkoainemäärällä (kg). Alkuperäisessä suhteituksessa hienoin RA oli hiekka 522,9 kg/m 3 522,9-49,72 = 473,18 kg Koska seosaineen tiheys poikkeaa sementin tiheydestä, on seosainebetonin tilavuus muuttunut. Tämän vuoksi tulee runkoaineen määrää vielä korjata betonin perusyhtälöllä.

49 Lentotuhkan tiheys on 2200 kg/m 3 Tarkastetaan runkoaineen määrä betonin perusyhtälöllä = 1000 (247,35/3,1 + 82,37/2, /1 +20) = 695,77 dm 3 Uusi runkoaineen määrä on siis 695,77*2,68 = 1864,7 kg/m 3

50 Lasketaan (tarkastetaan) lopuksi vielä seosainebetonin ainesosien määrät (kg) ja tilavuudet (dm 3 ) Sementtiä 247,35kg 79,8 dm 3 Lentotuhkaa 82,37 kg 37,4 dm 3 Vettä 167 kg 167 dm 3 RA 1864,7 kg Hiekka 473,18 kg 176,6 dm 3 Sora (=1864,7-473,18)*0,25= 347,88 kg 129,8 dm 3 Somero 1043,64 kg 389,4 dm 3 Ilma dm 3 Yhteensä 1000 dm 3 OK!

51 Kertauksena: Suhteituksen kulku 1. Selvitä lähtöbetonin koostumus 2. Laske seosainebetonin tehollinen sideainemäärä SA teh, jolloin saat seosainebetonin sementti- ja sideainemäärän 3. Jaa seosaine (kg) tehokkuuskertoimen mukaisesti sideaineeksi ja runkoaineeksi eli filleriksi (jos sideaineen tehokkuuskerroin on alle 1) ja vähennä hienoimman runkoaineen määrää (kg) seosaineen runkoainemäärällä (kg). Jos aktiivisuuskerroin on yli 1, on koko seosaine sideainetta. 4. Laske seosainebetonin tilavuus (muuttunut, koska seosaineen tiheys on eri kuin sementin) 5. Korjaa seosainebetonin tilavuudeksi 1000 dm 3 6. Laske /tarkasta seosainebetonin ainesosien määrät ja tilavuudet dm 3

52 Masuunikuonabetonin suhteitus, toinen tapa Masuunikuona 50/50 Käytetään sideaineseoksen aktiivisuusindeksiä EI MASUUNIKUONAN!!!!

53 28 vuorokauden arvosteluiässä sideaineseoksen (MK + sem) aktiivisuusindeksi on kuvan mukaan noin 90 % Suhteituslujuus Ks: 1,2 x 35 x 42,5 / 49,5*0,9 = 40,1 MPa Suhteitetaan tälle lujuudelle normaalisti. Käytetään lähtöbetonin yhdistettyä runkoainetta, jonka H = 413

54

55 Suhteitusnomogrammista saadaan Sementti 315 kg RA 1905 kg Vesi 168 kg Ilma 20 l Sideaineesta: MK 50 % = 157,5 kg Sementtiä 50 % = 157,5 kg

56 Tarkastetaan RA:n määrä betonin perusyhtälöllä RA:n tilavuusosuus = 1000 (157,5/3, ,5/3, ) = 708,7 dm 3 Runkoaineen määrä 708,7 * 2,68 = 1899,3 kg

57 Silikabetonin suhteitus Silikan tehokkuuskerroin on 1 kun vesi-sementtisuhde > 0,45 Silikan suurin sallittu määrä rasitusluokassa XC4 on jossa QII = sementin itsessään sisältämä silikan määrä. Eli (100-0)/9 = 11,1 % SA teh = C + k * SI = C + 1*(0,111*C) = 280 kg C = 252,0 kg SI = 28,0 kg Silikan tehokkuuskerroin 1, joten fillerivähennystä ei tarvitse tehdä.

58 Lasketaan runkoaineen määrä betonin perusyhtälöllä 1000 (252/3,1 + 28/2, ) = 758 dm 3 = 2031,4 kg