Betonin ominaisuudet 9.11.2017 Lähdeaineistoa: By201 Betonitekniikka 2012 Rudus Info 1/2010 Betonin kutistuma ja sen huomioiminen Finnsementin www sivut 1
Paino Kuutio tavanomaista raudoitettua betonia painaa n. 2400 kg ja sisältää suunnilleen: - kiveä 1850 kg - sementtiä 270 kg - vettä 190 kg - terästä 80 kg - ilmaa 20 litraa Lujuuden yksikkö on megapascal (Mpa) (1 MPa = 1 MN/m2). Lujuus Betonille on ominaista hyvä puristuslujuus, mutta sen vetolujuus on vain 1/10 puristuslujuudesta. Betonin lujuus arvostellaan yleensä 28 vuorokaudeniässä, vaikka lujuuden kehitys jatkuu jopa vuosia. 2
Lieriölujuus alempi koska korkeuden ja leveyden suhde suurempi > murtuminen Tiivistys parempi alaosissa. Yläosaa heikentää plastiset muodonmuutokset 3
Puristuslujuusluokat / Betoninormi By 50 / sivu 107 Betonityypit Notkeus Notkeudella tarkoitetaan betonimassan kykyä muuttaa muotoa ja mukautua betonivalumuotin muotoihin niin, että ne tarkoin täyttyvät. Notkeuteen vaikuttaa sementin, veden, ilman ja kiviaineksen keskinäiset seossuhteet sekä KA-rakeisuusominaisuudet ja rakeiden pinta. TYÖSTETTÄVYYTTÄ > MASSA NOTKEUS PAINUMAKARTIO LEVIÄMÄ VB-muodonmuutosaika 4
Nestemäinen saadaan nesteyttimillä. Helposti leviävää ja tiivistyvää. Vetelä leviää kaadettaessa helposti itsestään. Sopii: pienten ja tiheään raidoitettujen rakenteisiin. Yleisin Notkea leviää kaadettaessa hitaasti itsestään pysyen kuitenkin hyvin koossa. Siitä ei voi käsissään muodostaa koossa pysyvää palloa. Plastinen ei kaadettaessa leviä itsestään, mutta esim. työntökärryllä painuu helposti kokoon ja muodostaa tasaisen pinna. Voidaan tehdä betonipallo. 5
Jäykkä kaadettaessa muodostaa huokoisen, hupullisen kasan, käytetään elementtitehtaissa joissa on muottitäryttimet. Vaatii voimakkaan tärytyksen. Hyvin jäykkä selkeä kasa. Painettaessa jalalla vesi nousee pintaan. Maakostea vesi nousee vain voimakkaan tärytyksen jälkeen pintaan. Putkien ja renkaiden valmistamiseen. Sementin sitoutuminen ja kovettuminen 6
Betonin hydratoituminen Tekevät betonin emäksiseksi > suojaa raudoitusta BETONIMASSA Betoni on plastisessa tilassa sitoutumiseen asti, joka tapahtuu 2-4 tuntia sekoituksesta +20 o C Sitoutumisen jälkeen betoni alkaa kovettua ja tuottaa samalla hydrataatioreaktion tuloksena lämpöä. Koska kyseessä kemiallinen reaktio, tarkoittaa 10 asteen muutos reaktioaikaan puoliintumista tai kaksinkertaistumista. Kylmällä ilmalla sitoutuminen voi kestää 7
Sitoutuminen Hydrataatioreaktio alkaa välittömästi joka tarkoittaa neulamaisten kiteiden kasvamista sementtihiukkasista Iso w/c pieni w/c Mitä suurempi vesisementtisuhde, sitä kauemmin kestää ennen kuin kiteet kasvavat yhteen ja massa sitoutuu sekä sitä alhaisemmaksi jää betonin lopullinen lujuus. kuva siv. 53 by 201 Kovettuminen alkaa noin 4 6 tunnin kuluttua. Tapahtumassa, jossa sementtiliima muuttuu sementtikiveksi, voidaan erottaa kaksi vaihetta sitoutuminen ja kovettuminen. Sementtiliima pysyy sekoituksen jälkeen jonkin verran notkeana, mutta muuttuu hiljalleen kiinteään muotoon. Sitä aikaa, joka kuluu sekoituksesta jäykistymiseen alkuun, sanotaan sitoutumisajaksi. Muuttuu juoksevasta jäykäksi. Sementille saadaan haluttu sitoutumisaika lisäämällä siihen valmistusvaiheessa kipsiä. Ilman kipsiä sitoutuminen alkaisi heti veden lisäyksen jälkeen. > Normeissa määritelty esim. normaalisti kovettuva sementti 2 4 tuntia ( vaatimus 1 6 tuntia) 8
Plastinen painuma ja plastinen kutistuma Betoni on plastisessa tilassa sitoutumiseen asti, joka tapahtuu 2-4 tuntia sekoituksesta +20 o C Plastinen painuma Plastinen kutistuma Pystysuuntainen kutistuma Vaakasuuntainen kutistuma Plastinen painuma KA ja sementti painavampana vajoaa alaspäin vajoaminen estetty syntyy halkeama Sementin sitoutumisajan piteneminen lisää vedenerottumista ja näin ollen plastista painumaa Betonin vesimäärä, sen kasvu lisää erottuvan veden määrää 9
Plastinen kutistuma Betoni on plastisessa tilassa sitoutumiseen asti, joka tapahtuu 2-4 tuntia sekoituksesta +20 o C Plastisella kutistuminen on betonimassan kutistumista vaakatasossa, joka aiheutuu veden haihtumisesta betonipinnalta muutaman tunnin sisällä valussa Syynä on betonipinnan kuivuminen ennen massan sitoutumista Kuva sivulta 73 By 201 A) Veden haihtuessa ja pinnan kuivuessa, muodostuu pinnan lähelle olevien hiukkasten, lähinnä sementtihiukkasten välille kaarevia pintoja B) Veden pintajännityksen ja veden sekä sementtihiukkasten välisen vetovoiman vaikutuksesta muodostuu pintaan kalvojännitystila, jonka aiheuttaman vetovoiman seurauksena betonimassa kutistuu. B) Samalla kapillaarihuokosissa syntyy alipaine, joka pyrkii imemään syvemmältä vettä pintaan. C) Niin kauan kuin kiviainesrakeet ja sementtihiukkaset pystyvät liikkumaan alaspäin ja täyttämään haihtuvan veden tyhjäksi jättämän tilan, on betonin tilavuuden pieneneminen yhtä suuri kuin haihtuvan veden määrä, eikä halkeamia tällöin muodostu D) Kun runkoainerakeet ja hiukkaset sisäisenkitkan kasvun johdosta eivät enää kykene liikkumaan, syntyy kalvovoimista aiheutuvien vetovoimien vaikutuksesta pintaan vetojännityksiä, jotka voivat aiheuttaa plastisen kutistuman halkeamia 10
Kutistuminen Betonin kutistuma ja sen huomioiminen Rudus info 1/2010 Betonin kuivattaminen ja kuivumisnopeuteen vaikuttavat tekijät Jälkihoidon tavoitteena on betonin pitäminen kosteana ja riittävän lämpimänä, niin että sementin hydratoituminen pääsee tapahtumaan keskeytyksettä. Betonin liian varhainen kuivuminen aiheuttaa kutistumista. Jos vastavalettu betoni pääsee kuivumaan, voi betonirakenne mennä pilalle kuivumiskutistumisesta aiheutuvan halkeilun tai taipuman takia. 11
Valun jälkeisen ensimmäisen 24 tunnin aikana tapahtuva varhaiskutistuma voi olla suuruudeltaan jopa 0,7 prosenttiyksikköä (7 mm/m), jos valuolosuhteet ovat huonot ja betonin pinta on kosketuksissa liian kuivan ilman (RH 20...40 %) kanssa tai tuulen vaikutukselle alttiina. Valuolosuhteita voidaan kontrolloida mm. tuulisuojauksen käytön ja ilmankostutuksen avulla sekä varjostamalla suoraa auringonvaloa. Varhaisvaiheen kutistuma on suurimmillaan rakenteen pinnassa. Varhaisvaiheen kutistuman kannalta kriittisin aika alkaa valuhetkestä ja kestää betonin sitoutumista seuraavien kahden tunnin ajan. Tänä aikana betonista haihtuneen veden määrästä voidaan arvioida varhaisvaiheen kutistuman suuruus seuraavasti: Varhaisvaiheen kutistuma (mm/m) = 2,2 * Haihtunut vesimäärä (kg/m3) -0,5. Betonista haihtuvan veden määrä voidaan arvioida ACI:n nomogrammin avulla (ks. kuva 1), kun tunnetaan betonin sitoutumiseen kuluva aika, ilman lämpötila ja suhteellinen kosteus, betonin lämpötila sekä tuulen nopeus. 12
Betonilaaduista voimakkaasti notkistetut tai tehonotkistetut, säänkestävät sekä korkealujuuksiset betonilaadut vaativat yleensä varhaisjälkihoitoa niiden vähäisen vedenerottumisominaisuuden johdosta. Varhaisjälkihoidon tarpeellisuuden raja-arvona pidetään veden haihtumisnopeutta 1 kg/m2,h, kuva 3. Vesi-sementtisuhde W W= v/s V= vesimäärä paino-osina S = sementti-määrä painoosina 13
14
Kovettunut betoni 1. Huokosrakenne 2. Jäätymislujuus 3. Muottien purkamislujuus 4. Kimmokerroin 5. Viruma. KOVETTUNUT BETONI Sementtikivi Betoni on yhdistelmämateriaali, jossa sementtikivi liimaa betonin kiviainekset muodostaen lujan kokonaisuuden SEMENTTIKIVELLÄ tarkoitetaan sementin ja veden eli SEMENTTILIIMA (SEMENTTIPASTAN) kovettumistulosta. Sementtikivi ankkuroi tartunnallaan myös betonirakenteissa käytettävän raudoituksen betoniin siten, että teräsbetonirakenteiden toiminta tulee mahdolliseksi 15
Huokosrakenne Geelihuokoset Vesi ei jäädy Kapillaarihuokoset Ei toivottuja Ylimääräisestä vedestä v/s alle 0,40 Suojahuokoset Huokostimella Parannetaan betoninpakkasenkestävyyttä Tiivistyshuokoset Valun aikana muottia vasten olevissa pinnoissa Ilma ja vesi tärytyksessä kerääntyy 16
Lujuus Lujuuden yksikkö on megapascal (Mpa) (1 MPa = 1 MN/m2). Betonille on ominaista hyvä puristuslujuus, mutta sen vetolujuus on vain 1/10 puristuslujuudesta. Betonin lujuus arvostellaan yleensä 28 vuorokaudeniässä, vaikka lujuuden kehitys jatkuu jopa vuosia Muottien purkamislujuus 17
Jäätymislujuus Kovettuvan betonin lujuuden tulee olla ennen jäätymistä niin suuri, että se kestää veden jäätymisestä aiheutuvat sisäiset rasitukset. Jäätymislujuus on kaikilla lujuusluokilla 5 MN/m 2. Jäätymislujuus ilmoittaa rajan, jonka alapuolella betoni jäätyessään pysyvästi vaurioituu. Kun jäätymislujuus on saavutettu, betoni kestää yhden jäätymisen vaurioitumatta. http://70-luvulta.blogspot.fi/2013/04/lahdenpaasiaisihmeesta-50-vuotta.html BETONIN MUODONMUUTOS- OMINAISUUDET Kun kiinteää kappaletta kuormitetaan, sen muoto muuttuu Jos kappaleen muoto palaa ennalleen, kun kuormitus poistetaan, puhutan KIMMOISESTA MUODONMUUTOKSESTA. Jos osa muodonmuutoksesta ei palaudu, on se PLASTISTA MUODONMUUTOSTA, kappale on plastisoitunut 18
Kuormituksesta ja sen kestosta riippuen voidaan betonissa erottaa hetkellinen muodonmuutos ja ajasta riippuva muodonmuutos (viruma). Hetkellinen muodonmuutos jaetaan Palautuvaan kimmoiseen muodonmuutokseen ja pysyvään plastiseen muodonmuutokseen. Kovettunut betoni käyttäytyy kimmoisasti jännitystason ollessa enimmillään 30 50 %. Tämän jälkeen pysyvä muodonmuutos lisääntyy betonin mikrohalkeilun seurauksena. Viruma jaetaan kahteen osaan, joista lineaarinen virumamuodonmuutos kasvaa suhteessa betonin jännitystilaan noin 40 50 % maksimijännitystilasta ja epälineaariseen virumamuodonmuutokseen. Kun kuormitus poistuu, hetkellisen muodonmuutoksen kimmoinen osuus palautuu välittömästi ja lineaarinen virumamuodonmuutos ajan kuluessa (kuva 28). Betoniin jää hetkellisen plastisen muodonmuutoksen ja epälineaariseen virumamuodonmuutoksen aiheuttama pysyvä muodonmuutos. Aika Viruma Materiaalilla on kuormitettuna ajasta riippuvaa muodonmuutosta niin kutsuttua VIRUMAA Viruman vaikutus kokonaismuodonmuutokseen on huomattava. 19
Viruma Suunnittelija ottaa viruman huomioon normin mukaisesti By 50 sivu 27 Kimmokerroin Kappaleeseen sitä kuormittaessa syntyvän jännityksen ja suhteellisen muodonmuutoksen suhde on nk. KIMMOKERROIN, Joka osoittaa kuinka voimakkaasti kyseinen aine vastustaa muodonmuutosta. Betonin kimmokerroin 16-39 GPa( K10-K60) 20
Kuivumiskutistuma Kuivumiskutistuma on seurausta ylimääräisen veden haihtumisesta kovettuneesta betonista.. Tavanomainen betonin kuivumiskutistuma on 0,4...0,6 promillea. 10 metrin laatta 4-6 mm Kutistuma on sitä suurempi mitä enemmän betonin valmistamiseen on käytetty vettä. Suuret kutistumat johtavat betonin halkeiluun. Kuivumiskutistuma Betonin kutistumaan vaikuttaa: Betonin koostumus veden määrä hienoainesmäärä Ympäristöolosuhteet Jälkihoito tärkeää 21
HALKEILU Tyypillistä Suunnittelulla ja toteutuksella Halkeamaväli ja halkeamaleveys pieni Vaikuttaa säilyvyyteen Laatu kärsii >läpäisevyys lisääntyy Haitalliset aineet tunkeutuvat Haitalliset yli 0,2-0,4 mm Laskennalliset halkeamaleveydet rajoitetaan suunnittelulla 0,1-0,3 mm By 50 sivu 66 Halkeamien itsetiivistyminen Tarkoitetaan ilmiötä, jossa halkeamaan kulkeutuu aineita, jotka tiivistävät sen. 1. Betonissa on hydratoitumatonta portlandsementtiä ja vettä 2. Halkeaman leveys ei vaihtele ajankuluessa 3. Läpivirtaava vesi ei ole kemiallisesti syövyttävää 4. Läpivirtaus ei ole niin voimakasta että tiivistymistuotteet huuhtoutuvat pois 5. Vesi voi haihtua betonin pinnalta Esim. ulkona sateelle alttiit rakenteet By 201 sivu 96 22
HALKEILU RAUDOITUKSEN KORROOSIO Miten betoni suojaa raudoitusta? Karbonatisoituminen ja Karbonatisoitumisnopeus? Kloridien vaikutus korroosioon? 23
Raudoituksen korroosio Raudoituksen korroosio on sähkökemiallinen ilmiö, jossa raudan yhdisteet pyrkivät muuttumaan takaisin niiksi yhdisteiksi, joina niitä luonnossa esiintyy. Betonin teräskorroosiota ehkäisevä vaikutus perustuu sen fysikaaliseen ja kemialliseen suojavaikutukseen. Fysikaalinen suoja Betoni antaa fysikaalisen suojan raudoitukselle siten, että korroosion kannalta välttämättömien aineiden, hapen ja veden ja korroosiota edistävien aineiden kuten kloridien tunkeutuminen raudoituksen läheisyyteen hidastuu. Fysikaalisen suojan tehokkuus riippuu betonipeitteen tiiviydestä ja paksuudesta. Kemiallinen suojavaikutus Kemiallinen suojavaikutus perustuu betonin luontaiseen emäksisyyteen ja raudoituksen kykyyn muodostaa pinnalleen tiivis oksidikalvo emäksisessä ympäristössä. Betonin emäksisyys on peräisin pääasiallisesti sementin hydrataatiossa syntyneestä kalsiumhydroksidista. 24
Betonin ph-arvo Betonin huokosveden ph-arvo on tavallisesti noin 13...14. Kun betonin emäksisyys laskee arvon 9 alapuolelle, betonin kemiallinen suojavaikutus häviää ja raudoitus menettää passiivisuutensa. Tällöin teräksen korroosio voi alkaa. Kloridi Kloridipitoisessa betonissa raudoitteiden passiivikalvo tuhoutuu vaikka betonin emäksisyys olisikin korkea. Kloridikorroosion estämisessä betonirakenteen tiiviys on ensiarvoisen tärkeä.. Suoja kloridikorroosiota vastaan edellyttää myös halkeilun estämistä. Betonin karbonatisoituminen Karbonatisoitumisella tarkoitetaan ilman hiilidioksidin reagointia betonin kalsiumhydroksidin ja kalsiumsilikaattihydraattigeelin kanssa. Ilmiö tapahtuu ilmatilassa kaikilla betonipinnoilla ja sen seurauksena betonin pinta kerros neutraloituu. Kun neutraloitunut betonivyöhyke etenee raudoituksen läheisyyteen, teräksen korroosio alkaa. Karbonatisoitumisen on havaittu nopeutuvan ilman rikkiyhdisteiden vaikutuksesta. 25
Ulkoisista tekijöistä merkittävin on betonin kosteustila, sillä karbonatisoituminen on nopeimmillaan 50 60 % suhteellisessa kosteudessa. Sateelle alttiina oleva betoni karbonatisoituu samassa ajassa noin neljäsosan siitä mitä sateelta suojattu betoni. Karbonatisoitumissyvyys Julkisivu C30/37 > k = 3,8 ( K30) Betonipeite 35 mm Miten kauan kestää karbonatisoitumis rintama saavuttaa raudoituksen? d = 35 mm K= 3,8 T =? 26
BETONIN PAKKASENKESTÄVYYS Miten saadaan betoni pakkasenkestäväksi. Miten näkyy betonissa pakkasen aiheuttamat vauriot? Betonin vaurioituminen pakkasrasituksessa ilmenee lujuuden menetyksenä, tilavuuden kasvuna, läpäisevyyden lisääntymisenä, pinnan rapautumisena; viime kädessä näkyvinä halkeamina ja lohkeamisina Betonin huokoisuus on tärkein betonin pakkasenkestävyyttä säätelevä tekijä. Kovettuneen betonin huokoisuus vaihtelee välillä 12...18 prosenttia. Suojahuokoset Sopiva koko 0,025-0,05 mm etäisyys 0,2 mm > ilmaa 4-6 % Kapillaarihuokoset ovat pakkasenkestävyyde kannalta ongelmallisia. Korkea vesisementtisuhde saa aikaan betonissa suuren kapillaarihuokoisuuden ja vaikuttaa epäedullisesti huokosjakaumaan. Kapillaarihuokosissa oleva tai niihin tunkeutuva vesi jäätyy 0 C:een alapuolella. 27
Betonin palokestävyys Miten lämpötila vaikuttaa betoniin? 28
KEMIALLINEN KESTÄVYYS Mitkä ovat yleisimmät betonin kemialliset rasitukset? Miten ne vaikuttavat betoniin? 29