1. Betonin rakenne ja ominaisuudet. Kertausta, mekaaniset ominaisuudet : LUJUUS : kokeellisesti määritetty jännityksen arvo, jonka materiaali kestää murtumatta. kappaleen muoto, kuormitusolosuhteet ja muut koejärjestelyt vaikuttavat tulokseen, edellyttää standardisointia. tilastollinen suure, ominaisuuksissa aina hajontaa. JÄNNITYS : kappaleeseen vaikuttavan kappaleeseen vaikuttavan voiman ja voimaan nähden kohtisuoran pinta-alan suhde. Oltava aina vähemmän kuin lujuus. Lujuus = maximijännitys kokeessa = max = F max / A 1
Eräs näkemys materiaalitekniikan kehityksestä : Suhteellinen osuus! Määrät voivat silti kasvaa. Aineet voidaan jakaa myös : Tiiviit aineet : Metallit. Kallioperä. Huokoiset aineet : Kuitumaiset aineet; mineraalivilla, tekstiilit. Rakeiset aineet; maa-aines, kevytsora -maalajit, kevytsora. Kiinteät huokoiset aineet; tiili, laastit, betoni. 1 m 3 = 1000 dm 3 = 1000 l ruostumaton teräs 7700 kg/m 3 betoni 2300 kg/m 3 teräsbetoni 2500 kg/m 3 kuusi 410 kg/m3 puuvilla 81 kg/m 3 jää 917 kg/m 3 vesi (4 o C) 1000 kg/m 3 vesihöyry 0,598 kg/m 3 Huokoisuus (tyhjää / tilavuus) e : - Betoni 11% - Mänty 68 % - Mineraalivilla 98 % Rakennukset ovat siis suurimmaksi osaksi ilmaa. 2
Esimerkki kimmokertoimen ja tiheyden välisestä yhteydestä : -Kimmomoduuli : - elastisuusmoduuli, Youngin moduuli. - kuvaa kappaleen venymistä venyttävän voiman vaikutuksesta, jäykkyyttä. = E x = L / L 1000* Lämpötilakertoimia ( 1 / 0 C ) : Lämpötilakertoimia vaihtelevat aineilla yllättävän paljon : alumiini 0,000024 betoni 0,000012 = 12x10-6 1 / 0 C teräs 0,000012, lasi 0,000008 ruostumaton teräs 0,000024 Ominaislämpökapasiteetti ( kj / kg K ) : Ominaislämpökapasiteetit eroavat myös paljon : alumiini 0,88 kupari 0,38 lyijy 0,13 teräkset 0,42..0,5 Tuotekäytössä tiheys on ratkaisevaa Betoni 0,75 vuolukivi 0,9 vesi nesteenä 4,2 ; jäänä 2,1. ilma 1,01 3
Betonirakentamisen lähtökohdat : + Halpa, helposti valmistettava materiaali. + Erittäin hyvä puristuslujuus, säädettävissä. + Massiivisena hyvä ääntäeristävä materiaali. + Palonkestävä ja säänkestävä, pitkäikäinen materiaali. + Plastinen, muotoiltava materiaali. Erittäin huono vetolujuus, vaatii raudoittamisen. Painava, vaikea työstää kovettuneena. Harmaa, vaikea värjätä ja saada pinnoittamatta sileää pintaa. Tuo paljon rakennekosteutta rakennuksiin, kapillaarinen ja hygrosk. Hankala ja kallis korjattava. Vaikea kierrättää. Raskas CO2 jalanjälki. Käsitteet : Betoni : Sideaine,lisäaineet, runkoainet, vesi ja ilma. Tuore betoni, massa, kun betoni ei ole vielä kovettunut. Sitoutunut betoni, kovettuminen on alkanut, lujuus pieni. Kovettunut betoni, betoni on saavuttanut riittävän lujuuden. Sideaine : Sementti tai portlandsementti, joka on jauhettu eri hienouteen. Seosaineet; kalkkikivi, masuunikuona, lentotuhka ja silika. Lisäaineet; kiihdyttimet, hidastimet, notkistimet, pakkasenkest. Runkoaine : Luonnon- tai murskesora, hiekka ja filleri (vähint. 3 jaetta.) Kevytsora, pellettikuona, lentotuka, betonimurske, kumirouhe, olki. Sementtirakenteita ei voi käyttää rakentamiseen. 4
Sementin valmistus : Sementin valmistus vaatii erittäin korkeita lämpötiloja ja fossiilia polttoaineita : Uuniin voidaan syöttää jonkin verran energia sisältäviä palavia aineita. Keksitty Englannissa 1854 ( Aspdin) Paraisten kalkin sementin tuotanto alkoi 1914.Tuontisementtiä 1856 asti. Sementin valmistus jatkuu... Sementin valmistuksessa käytetään kalkkikiveä, savea, rautamalmia ja muita seosaineita mm. rautapitoisuuden säätämiseksi : Aineet ovat erittäin yleisiä maaperässä. Silikaattikemiaa. Vain epäorgaanisia aineita. Valkosementti tuodaan Suomeen. Aluminaattisementti erittäin nopeasti lujittuva, mutta ei sovi rakenteisiin. Rotary kiln 5
Impact of cement on worlwide CO 2 production : More silicate chemistry : 6
Sementtituotteet : Sementti sisältää klinkkeriä 60 95%, kipsiä 2 4% (hidastaa sitoutumista), kalkkikiveä 2 10 % ja kuonaa 1 30 %. Betonista keskeistä : Geeli Hydrataatio Alliitti, belliitti, celliitti ja ferriitti... Muokkautuvuus vaatii Hydrataatio, lujuus vaatii 7
Runkoaine (60 70 %) : Runkoaineen raekokojakauma ja raemuoto vaikuttavat ominaispinta-alaan, massan muokkautuvuuteen ja sementin kulutukseen. Vaatimukset runkoaineelle, täyteaineelle : Pakkautuu, täyttää hyvin kolot Betonimassa pysyy hyvin koossa ja massa tiivistyy hyvin. Tavallinen luonnon sora kelpaa yleensä runkoaineeksi, rakeisuus tarkistettava. Humusta ei saa olla juuri lainkaan. Suurin sallittu raekoko riippuu rakenteen mitoista : enintään 0,8 kertaa raudoitusterästen vapaa väli enintään 0,25 kertaa rakenteen pienin mitta Täytekivet asetettiin ennen (ei nykyään) muotissa olevan betonin joukkoon sementin säästämiseksi. Vesi : Tavallinen vähähumuksinen joki-, järvi- ja jopa Suomen rannikoiden merivesi kelpaa. Vaatimukset : Veden on oltava puhdasta, Pääsimme ph ei alle 4-5, tähän kalvoon suolapitoisuus alle 3,5 %, viime kerralla sulfaattipitoisuus alle 0,5 %, ei humusta ja ei sokeria. Veden määrää voidaan vähentää lisäaineilla. VSS; vesisementtisuhde määrittää huokoisuuden ja betonin ominaisuudet. 8
Betonin lisäaineet : Notkistimet ja nesteyttimet : massa saadaan notkeammaksi. Itse-tiivistyvä betoni. Lisähuokostusaineet : lisää säänkestävyyttä. Kiihdyttimet : nopeutetaan sitoutumista tai kovettumista Hidastimet : hidastetaan sitoutumista tai kovettumista. pesubetoni tehdään sivelemällä hidastinta muotin pintaan. Tiivistysaineet. Injektioaineet : sisältävät hidastinta, notkistinta ja paisunta-aineita Erikoisaineet : saadaan pakkasessa tai veden alla valettavia betonimassoja. Betonin ominaisuudet : Betonin ominaisuudet ovat seurausta sen huokoisuudesta : Huokoisuus määräytyy betonin vesisementtisuhteen peusteella, ( oikeammin vesiilma-sementtisuhteen perusteella.) Huokoisuus muuttuu ajan kuluessa hitaasti betonin kovettuessa, karbonatisoituessa ja massavirtausten seuruksena. Betoniin käytetään yleensä liikaa vettä (kem. reaktio tarvitsee vain vähän vettä) työstettävyyden vuoksi. Ylimääräisen veden on haihduttava, ennen kuin betonia voi päällystää kosteusaralla pinnoitteella. 9
Betonin huokoisuus : Ilmahuokoset tiivistyshuokoset suojahuokoset. Kapillaatihuokoset Geelihuokoset Kapillaarinen vesi Vapaa vesi Pintajännitys muovaa pyöreäksi Betonin kidevesi Rajat hyvin liukuvia, eivät muodosta jatkuvia systeemejä, jos VSS pieni Onko pysyvä ominaisuus? Betonimassan sekoitus : Pakkosekoittimet betoniteollisuudessa. Vapaapudotussekoittimet työmaalla. 10
Betonimassan ominaisuudet : Betonia voidaan valmistaa nestemäisestä.. puristustärytettävään kaikilla notkeuksilla lisäaineiden avulla. Tuoreen betonin kokeet : Muokkautuvuuskoe painumakartio leviämä vajoama VB- muodonmuutos-aika Ilmapitoisuuskoe. Kaaviokuva sementin ja sementtikiven rakenteesta : Sementin jauhatus, hienous vaihtelee eri sementtituotteissa. Sementin seosaineet; kalkkikivi, masuunikuona, lentotuhka, silika reakoivat pinnaltaan mutta toimivat myös fillerinä : Hydratoitumaton sementti on myös filleriä. 11
Sementin sitoutuminen ja kovettuminen : a) Sementtihiukkaset veden ympäröimänä. b) Hydrataatiotuotteet alkavat laajeta sementin pinalta vesitilaan. c) Reaktiotuotteet ovat toisissaan kiinni, sitoutuminen alkaa. d) Hydrataatioaste on jo suuri ja rakenne on saavuttanut suuren lujuuden. Vahvasti yksinkertaistaen! Sementin kovettuminen : Alussa aluminaatit reagoivat sementti-partikkelin pinnalla. Kipsi pysäyttää reaktion, että sitoutuminen ei tapahdu liian nopeasti. Silikaatit alkavat regoida, murtautuvat ulos, rakenne saa lujuuden. Emäksinen kalsiumhydroksidi liuos käynnistää pozzolaanien reaktiot. Lujuus seuraa silikaateista, kalsiumhydroksidin lujuus on hyvin pieni. 12
Sementin kovettuminen jatkuu... 1. Reaktiot alkavat sementtipartikkelin pinnalla. 2. Silikaattigeeliä. 3. Etringiittiä syntyy vähäisessä määrin kipsilisäyksen takia hydrataation alussa Sementin lujuudenkehitys : Sementin lujuus seuraa sementin laadusta vesisementtisuhteesta ja kuormitusiästä. MPa Sementin hydrataatioreaktiot jatkuvat koko sen eliniän ajan. 13
Sementin lujuuskehitys : Lujuuskäyrä muuten samanlainen paitsi matalalämpösementillä : Seosaine-, kuonapitoisuus selittää eron. Jos betonin pinnalla on mustaa väriä : Huonolaatuinen lentotuhka voi sisältää myös vähän hiiltä. Betonin lujuus : Seurausta sementin lujuudesta : Sementin laatu ja VSS tärkeimmät muuttujat. Käytetty runkoaine vaikuttaa lujuuteen. Luonnon ja murskattu sora lujempia kuin sementtikivi. Kevytsora sementtikiveä heikompaa. 14
Betonin lujuus : Betonilla on hyvä puristuslujuus ja huono vetolujuus : Rakenteisiin syntyy halkeamia, kun betonin vetolujuus ylittyy, jolloin rakenteen jäykkyys ja toimintatapa muuttuvat merkittävällä tavalla. Rakenteet on raudoitettava. Raudoittamattomia rakenteita kuten esimerkiksi perusanturoita mitoitettaessa on betonin vetolujuus määräävä tekijä. Puristuslujuus Vetolujuus 10-15 % puristuslujuudesta Erikoisbetonit : Raskaat betonit : runkoaine on raskasta, malmikiveä. säteilysuojabetonia. Korkealujuusbetonit : lujuus 60... 150 MPa. alhainen vesisementtisuhde, notkistimet ja täytetaineet, silika ja lentotuhka. erittäin tiivis, hyvä säilyvyys. vaatii kaikissa valmistusprosessin vaiheissa erittäin suurta tarkkuutta. Tulevaisuuden erikoislujat betonit : tutkijat saavuttaneet 150... 300 Mpa lujuuksia. ei toistaiseksi käytössä. Kuitubetonit : teräskuidut parantavat betonin vetolujuutta. käytössä lattioissa, kulutuskestävyys. Ferrobetoni : tiheillä teräsverkoilla raudoitettu betoni. betoniveneet 15
Kovettuneelle betonille tehtävät kokeet : Puristuslujuuskoe - kuutio tai lieriö. Halkaisuvetolujuuskoe - lieriö Taivutusvetolujuuskoe - prisma Vesitiiviyskoe - lieriö Pakkasenkestävyyskoe - kuutio Puristuslujuus Vetolujuus Murtopuristuma = cu Betonin kutistuminen : Kutistumaa rajoittaa : Kiviaines; raekoko, laatu, rakeisuus. Kutistuu : Sideaines; vesi + ilma + lisäaineet = sementtipasta Kutistuminen on seurausta tuoreen betonin kokoonpainumisesta (plastinen kutistuma) ja kovettuneella betonilla veden poistumisesta (kuivumiskutistuma) ja sementtikiven kemiallisista reaktioista (mm. karbonatisoituminen). kuivumiskutistuminen 1,2... 0,5 x 10-3, RH muuttuu 50... 90 %. Laastit Betonit 16
Betonin ominaisuuksia : Kimmomoduli; 25 000 35 000 MPa. betonin viruminen, pitkäaikaismuodonmuutokset kuormitettuna suurentavat muodonmuutoksia, jopa nelinkertaisiksi. Puolessa vuodessa tapahtuu 60 %, vuodessa n. 80 % virumisesta. seuraa kuormitusastetta ja kosteuspitoisuutta. Lämpöliike; = 8... 12 x 10-6 x1/ 0 c yhtä suuri kuin teräksellä, runkoaineella pieni vaikutus. Vesitiivys; rajoitetaan halkeilua. tiivis betoni, katkotaan kapillarit. Pakkasenkestävyys; lisätään betoniin suojahuokosia. alentavat lujuutta. tiivistävät betonia. Voiko betonia paikata, liimata, täyttää kolot niin että sitä ei huomaa? Betonin palonkestävyys : Betonin palonkestävyys on erittäin hyvä : palamaton materiaali. betonin sisältämän kosteuden poistuminen lisää sen palonkestävyyttä. kidevedenpoistuminen aloittaa betonin hajoamisen. betonin väri muuttuu tulipalon seurauksena, sen kelpoisuus voidaan arvioida muutoksen perusteella. kevytsoraharkot, erityisesti kevytbetonit ovat erittäin hyviä palonkestävyydeltään. Tulipalon jälkeen Tulipalon aikana 17
Betonin vaurioituminen : (Ca(OH) 2 +CO 2 > CaCO 3 + H 2 O) Betoni voi vaurioitua : Mekaanisesti ulkoisen voiman vaikutuksesta. Pakkasrapautumalla (toistuva jäätyminen ja sulaminen). Sisäisesti alkalikiviainereaktion vaikutuksesta rapautumalla. Kemiallisesta ulkoisesta vaikutuksesta rapautumalla. Karbonatisoitumalla. Liukenemalla (kalsiumhydroksidi). Home- ja värivauriot. Betonille haitallisia aineita : Hiilidioksidi (yhdessä veden kanssa heikko happo). Hapot (betonin tuhoutuminen). Sulfaatit (betonin tuhoutuminen, raudoituksen korroosio) Cloridit (raudoitusten ruostuminen, pakkasrapautuminen) Magnesium- ja ammoniumsuolat. Jos betoni on hyvin tiivistä sen kestävyys on myös hyvä : myös sementin laatu ja runkoaineen laatu vaikuttavat betonin kestävyyteen. Teräsbetonirakenteen vaurioituminen : Betoninen alkalisena ympäristönä riittää suojaamaan betoniteräksiä korroosiolta : karbonatisoituminen pienetää alkaallisuutta, raudoitus alkaa ruostumaan. Cloridit käynnistävät ruostumisen jo alkaalisessa betonissa. Voidaan suojata katodisella suojauksella. Alumiini, lyijy ja sinkki kestävät huonosti alkaalissa ympäristössä. Suolojen kulkeutuminen Koe paljastaa, että raudoitus on karbonatisoituneessa vyöhykkeessä 18
Teräsbetonirakenteen ympäristörasitusluokat : Sementin käytön ABC : Ei liikaa vettä : JOT - juuri riittävä määrä työstettävyyden kannalta. Massa alusta - olosuhteet oltava kohdallaan : > + 5 miel. +10 o C, paitsi pakkastuotteilla. Vältettävä auringon paistetta, ihannesää työhön yleensä pilvinen, tuuleton +15 o C. Peitä huolella. Jälkihoito eli suojaus ja kostutus tärkeää : Pinnat viimeisteltävä oikeaaikaisesti. sumu tai pieni tihkusade hyväksi. Lämpö vaikuttaa voimakkaasti reaktionopeuteen työstöaikoihin ja lujuuden kehitykseen. massiivisissa valuissa joudutaan käyttämään alhaislämpösementtejä tai jäähdytystä. Vältä myös ohuita ( < 50 mm) valuja. 19
Ohjeita omatoimiselle : Tee pieni koevalu, tarkista että vesi ja runkoaines on puhdasta. Käytä betonisekoitinta. Betonin lujuuden vaikutus tuotteen kustannuksiin : 20