TESTS
SÉG
1
Porózus anyagok s SÉG fogalomköre Tömeg kg g ; 3 Térfogat m cm3
ség és fajlagos súly fogalomköre FAJLAGOS SÚLY fogalomköre
Súly (er ) Tömeg Gyorsulás Térfogat Térfogat
kg
m
s2 m3
N m3
Az 1 kg tömeg test súlya 9,81 ~ 10 N 1 tonna(súly) = 1000 kilogrammsúly = 9,81 103 N ~ 10 kN A 100 tonnás tör gép mérési tartománya 1000 kN = 1 MN Anyags ség Fajsúly A minta (pl. 0,2 mm alá porított szemek) térfogata nem tartalmaz pórusokat Tests ség Térfogatsúly A minta (pl. porítatlan szemek) térfogata tartalmaz pórusokat Halmazs ség Halmazsúly A minta (pl. szemhalmaz) térfogata pórusokat és a szemek között hézagokat tartalmaz 2
A laza homok halmazs
sége a víztartalom függvényében
1600
1500
870 cm térfogatú edényben mért tömeg
Halmazség
[tömeg%] 0 2 4 6 8
[g] 1355 996 947 968 1019
[kg/m ] 1557 1145 1089 1113 1171
ség, kg/m
3
1400
1300
Halmazs
1200
Homok számított halmazs
3
Homok víztartalma
3
3
sége, kg/m
1100
1000
900
3
Homok 870 cm térfogatú edényben mért tömege, g 800 0
1
2
3
4
5
Víztartalom, tömeg%
6
7
8
9
3
FAJLAGOS S
SÉG FOGALOMKÖRE
Tömörség
Tömörség
Tests ség Anyags ség
Anyagtérfogat Testtérfogat
t
T A
M /VT M /V A
VA VT
Porozitás Porozitás
Anyags s ég Tests ség Anyags s g Testtérfogat Anyagtérfogat Testtérfogat
Porozitás 1 Tömörség
p szemcse
Hézagok térfogata Testtérfogat
A
T A
M / V A M / VT M /V A
1
VA VT
1 t
4
Látszólagos porozitás [térfogat%/100]
p látszólagos
Látszólagos
porozitás
Pórusokba
felvett víz Testtérfogat
térfogata
= a test vízfelvétele térfogat arányban, azaz térfogat%-ban és osztva 100-zal plátszólago s
ahol
VVíz , p VT
MVíz , p / Víz M/ T
MVíz , p Víz
n = vízfelvétel [tömeg%/100],
n Vízfelvétel
Vizes
tömeg Száraz
Száraz tömeg
/
M
MVíz , p
T
T
M
Víz
n
T Víz
nevezetlen szám, tömeg
M Víz, p M
= a test vízfelvétele tömeg arányban, azaz tömeg%-ban és osztva 100-zal:
5
MEGJEGYZÉS: A látszólagos porozitás összefüggésében a T Víz hányados neve „az anyag relatív tests sége”. A relatív tests ség nevezetlen szám, és azt mutatja meg, hogy az anyag tests sége hányszorosa a víz s ségének. A relatív tests ség szerepel például az MSZ EN 934-2:1998 (Adalékszerek betonhoz, habarcshoz és injektálóhabarcshoz. 2. rész: Betonadalékszerek. Fogalommeghatározások, követelmények, megfelel ség, jelölés és címkézés) európai szabvány 1. táblázatában 6
Példa a látszólagos porozitásra Legyen egy anyag anyags tests
sége: sége:
A
= 3000 kg/m3
3 = 2400 kg/m , T
amib l a tömörsége: t = 2400/3000 = 0,8 porozitása: p = 1 – 0,8 = 0,2 látszólagos porozitása: plátszólagos = víztérfogat/testtérfogat = 200/1000 = 0,2, azaz a látszólagos porozitás teljes víztelítés esetén a porozitás közelít értéke, vízfelvétele teljes víztelítés esetén: n = 200/2400 = 0,08333 < 0,2 = p és a látszólagos porozitása: plátsz = n
T
Víz)
Ha az épít anyag tests azaz a relatív tests
= 0,08333 2400/1000 = 0,2 sége a víz s
ségénél nagyobb,
ség 1-nél nagyobb, akkor
a látszólagos porozitás (plátszólagos = n
T
a vízfelvételnél nagyobb, és fordítva
Víz)
7
Példák különböz épít anyagok látszólagos porozitására
8
A következ ábra azt mutatja be, hogy beton esetén növekv víz-cement tényez höz és csökken adalékanyag legnagyobb szemnagysághoz növekv látszólagos porozitás tartozik. Ez egyik magyarázatát adja annak, hogy betontervezés során a pórustartalom alacsony szinten tartása érdekében is törekszünk kis víz-cement tényez és megengedhet en nagy adalékanyag legnagyobb szemnagyság alkalmazására. 9
10
Abszolút halmaztömörség
Abszolut
Halmazs Anyags
halmaztömö rség
ség ség
M /VH M /V A
H A
VA VH
t Abs halmaz
Halmazporozitás = Összporozitás = Porozitás + Hézagtérfogat Tömörség, ahol a Hézagtérfogat Tömörség szorzat az anyags
Halmazporozitás
Anyags
ség Halmazs Anyags ség
ségre vonatkoztatott hézagtérfogat.
ség
Anyags ség Tests Anyags ség
ség
Tests
ség Halmazs Tests ség
ség
Anyags ség Tests Anyags ség
ség
Tests
ség Halmazs Anyags ség
ség
Anyags
ség Halmazs Anyags ség
ség
A
H A
1
VA VH
Tests ség Anyags ség
1 t Abs halmaz
1 Abszolut halmaztömö rség 11
Halmaztömörség
Halmaztömö rség VT VH
Halmazs ség Tests sé g
H T
M /VH M / VT
t halmaz
Hézagtérfogat = Szemcsék közötti hézagosság Hézagtérfogat VT 1 VH
Tests
ség Halmazs Tests ség
ség
T
H T
1 Halmaztömörség
12
Egy anyagon belül általában nagyobb tests séghez nagyobb nyomószilárdság tartozik.
13
ség
Nyomószilárdság, N/mm
2
Gázbeton (pórusbeton) nyomószilárdsága a tests függvényében 8 7 6 5 4 3 2 400
500
600 Tests
700
800
3
ség, kg/m
14
15
A beton legfontosabb tulajdonsága a szilárdság, ezért a szilárdságot befolyásoló tényez k vizsgálata mindig a figyelem középpontjában állt. Megfigyelték, hogy a nagyobb tests ség megszilárdult beton általában nagyobb szilárdsággal is rendelkezik. Ezt mutatja be a nyomószilárdság=f( tests ség) összefüggés: a tests ség növekedésének általában vonzata a nyomószilárdság növekedés, miközben a trendvonal körüli ingadozások, szórások jelent sek. Hallgatólagosan azt is feltételezzük, hogy a tests ség növekedése a beton tömörsége növekedésének, pórus- illetve leveg tartalma 16 csökkenésének következménye.
17
Ha a következ ábrán a beton kísérleti eredményeket a leveg tartalom szerint rendezzük, természetes, hogy a leveg tartalom növekedésével a nyomószilárdság csökken. A lleveg tartalom) nyomószilárdság=f( tests ség, összefüggés ábráján belátható, hogy a tests ség növekedése a nyomószilárdság növekedésével és a beton leveg tartalmának csökkenésével jár, mint azt az oda fekete vonallal berajzolt nyomószilárdság=f( tests ség) görbe szemlélteti. 18
19
Az ábrából az is kiolvasható, hogy azonos vagy csak kissé csökken leveg tartalom mellett hiába növekszik a tests ség, azt olyan körülmény okozza, hogy a szilárdság csökkenni, jobb esetben stagnálni fog. Ennek az a magyarázata, hogy a pórustartalom csökkenés nélküli tests ség növekedés a kisebb cementtartalom, kisebb cementpép-, cementk -tartalom következménye, ami a szilárdság alakulására kedvez tlenül hat. 20
Ennek hátterében az áll, hogy amíg az adalékanyag tests sége 2450 - 2850, átlagban 2650 kg/m3, addig a cementk tests sége csak mintegy 1900 kg/m3. Powers szerint ugyanis a cementk porozitása a hidratáció kezdeti és végs állapotában például x = 0,35 érték vízcementtényez esetén 0,52 - 0,30 vagy például x = 0,60 érték víz-cementtényez esetén 0,65 0,49. Ez azt jelenti, hogy ha változatlan beton pórustartalom mellett a cementk :adalékanyag arányt csökkentjük, akkor a beton tests sége 21 növekedni fog.
A beton voltaképpen egy négyfázisú, heterogén, durva diszperz rendszer, amely friss állapotában inkoherens, durva szuszpenzió (szilárd részek folyékony közegben), megszilárdult állapotában pedig koherens, kváziviszkózus fázissal (cementk ) és rugalmas fázissal (adalékanyag) rendelkez viszkóelasztikus anyag. 22
A beton fázisdiagramja
Tests
ség, kg/m
3
3000
Adalékanyag Víz
2500 Cementk
Beton
Cementk
2000 Adalékanyag 1500 + Leveg
1000 Víz 500
Fázisok Beton = Adalékanyag + Cementk + Víz (a cementk kapilláris vize és a szabad víz) + Leveg 23
A beton tulajdonságait befolyásoló tényez k Összetétel min ség
Adalékanyag
mennyiség
min ség
Cement
mennyiség
Víz
kötött
Cementk
mennyiség
kötetlen min ség
Adalékszer
mennyiség
eloszlás
Leveg
mennyiség
Struktúra tömörség, homogenitás, hidratációs fok, felületi kötés, póruseloszlás és jelleg Beton kora száradás, szilárdulás, spontán alakváltozás Környezeti hatások klimatikus körülmények, kémiai és mechanikai terhelés
24
25
A beton tömörsége és leveg tartalma a cementk (megszilárdult cementpép) tömörítettségét l függ, ami kihat a cementk tests ségére és nyomószilárdságára, továbbá a beton ugyanezen jellemz ire. A vibrálással tömörített cementk tests sége tehát csak mintegy 1900 kg/m3, szemben a homokos kavics adalékanyag átlagos 2650 kg/m3 érték tests ségével, és porozitásuk hozzávet legesen úgy viszonylik egymáshoz, mint 0,38:0,15. Ezért mondhatjuk, hogy a beton tests ségét a cementk :adalékanyag tömegarány is befolyásolja. 26
Következtetés: Ha változatlan beton pórustartalom mellett a cementpép:adalékanyag, illetve cementk :adalékanyag arányt növeljük, akkor a beton tests sége csökkenni fog, de a beton tests ségében változás állhat be akkor is, ha például az adalékanyag tests sége változik meg. Ezért a környezeti osztályok feltételeinek ellen rzése során nem az ott el írt legkisebb beton tests séget kell alapul venni, hanem a beton összetételéb l (beleértve a tervezett leveg tartalmat is) ki kell számítani a friss beton tervezett tests ségét, és a friss beton bedolgozása akkor megfelel , ha a friss beton „tapasztalati” tests sége próbatesten mérve a tervezett értéknél legfeljebb 2 százalékkal kisebb. (Ez 20 liter/m3 leveg tartalomnak felel meg, ami 27 rendkívül nagy érték.)
A 28 napos korú, szilárd, (60 ± 5) C mérsékleten tömegállandóságig szárított beton várható tests ségét viszonylag jó közelítéssel a cement tömegére vetített 30 tömegszázalék el nem párologtatható víz, azaz (v/c - 0,3) c liter/m3 elpárolgó kever víz feltételezésével lehet kiszámítani. 28
Példa a cementtartalom változásának a beton tests x = 0,55 1. példa
kg/m3
MC =
280
MV = MA =
Összesen:
C
= 3100
A
= 2640
cem.-pép
= 1776
m3/m3
2. példa
kg/m3
VC =
0,090
MC =
310
VC =
0,100
154
VV =
0,154
MV =
171
VV =
0,171
1942
VA =
0,736
MA =
1873
VA =
0,710
VL =
0,020
VL =
0,020
2376
1,000
Összesen:
Pórusmentes beton tests 2376 / 0,98 =
ségére tett hatására
2425
2354
2354 / 0,98 =
=
friss beton
- (x-0,3) · MC =
1,000
sége, kg/m3 2402
A szilárd, kiszárított állapotú beton várható tests 2306
m3/m3
sége, kg/m3
2276
feltéve, hogy a cementk be a cement mintegy 30 tömeg%-át kitev víz épül be.
29
Az építési célnak — beleértve a tartósságot is — csak a kell en bedolgozott, megkövetelt tömörség , zárványmentes beton felel meg, ezért a bedolgozott friss beton leveg tartalmát korlátozni kell. kell Magyarországon a friss beton bennmaradt leveg tartalmának (a leveg zárványoknak) ajánlott tervezési értéke a következ : 30
Beton
A friss beton ajánlott leveg tartalma
Általában Vízzáró beton Kopásálló zúzottk beton XF1| Légbuborékképz adalékszer nélküli XF2(BV-MI) |+Cl és fagyálló beton XF3(BV-MI) —
legfeljebb 2,0 térf.%
Légbuborékképz adalékszerrel készített fagyálló beton, XF2 |+Cl , XF3 —, XF4 — +Cl
bevitt leveg tartalom legalább 4,0 térf.%; azaz összesen: (4,0 – 6,0) térf.%
Bontott adalékanyagú újrahasznosított beton, általában
0,5 térfogat%-kal több, mint 31 kavicsbeton esetén
legfeljebb 1,0 térf.% legfeljebb 3,0 térf.% legfeljebb 2,0 térf.% legfeljebb 1,5 térf.%
100 év használati élettartamú (pl. hídszerkezeti, vízépítési) betonok esetén a friss, bedolgozott beton bennmaradt leveg tartalma ne legyen nagyobb, mint általában 2,0 térfogat%; vasbeton szerkezet esetén 1,5 térfogat%; térfogat% feszített vasbeton szerkezet esetén 1,0 térfogat%; térfogat% vízzáró beton esetén 1,0 térfogat%; kopásálló zúzottk beton esetén 2,0 térfogat% 32
légbuborékképz adalékszer nélkül készített fagyálló, függ leges felület beton (XF1 |)esetén, 1,5 térfogat%; térfogat% légbuborékképz adalékszer nélkül készített fagyálló, vízszintes felület beton (XF3(BV-MI) —) esetén, 1,0 térfogat%; térfogat% légbuborékképz adalékszer nélkül készített fagy- és olvasztósó-álló, függ leges felület beton (XF2(BV-MI) |+Cl ) esetén, 1,0 térfogat% 33
A friss beton tests ségének tervezése a tervezett leveg tartalom figyelembevételével: friss beton
MC
x MC
A
1
MC C
M V VL % 1000 100
[ kg / m 3 ]
ahol az adalékanyag térfogata: VA
1
MC C
x MC 1000
VL % 100
[ m3 / m3 ]
és az adalékanyag keverék súlyozott tests 1
sége:
[ kg / m 3 ]
A
...
34
A friss beton pórusmentes cementpépjének tests sége a víz-cement tényez és a cement anyags ségének függvénye: cementpép
MC VC
MV VV
1 x 1 C
pórusmentes friss beton
1
100
[ kg / m ]
x 1000
A pórusmentes beton tests friss beton VL%
3
sége:
M cementpép M A M cementpép M A cementpép
[ kg / m3 ]
A 35
A szilárd beton tests ségét kiszárított állapotban az MSZ EN 12390-7:2001 szerint, – de (60 ± 5) °C mérsékleten szárítva, – kell megmérni. ség mérést a végig víz alatt tárolt, tehát 1. Ha a tests vizes nyomószilárdság vizsgálati próbatesteken végezzük ( vizes), akkor a nyomószilárdság vizsgálat után visszamaradó – legalább 200 cm3 térfogatú, – betondarabon meg kell a víztartalmat állapítani (n), és ennek alapján kell a kiszárított állapotban értelmezett tests séget kiszámítani: 36
vizes kiszárítot t
ahol:
1 n
3 és tests ség mértékegysége: kg/m kiszárított vizes n = 1-nél kisebb nevezetlen szám
2. Másik lehet ség, hogy végig víz alatt tárolt próbatestek esetén a tests séget külön e célra készített és (60 ± 5) °C (nem 105-110 °C!) mérsékleten tömegállandóságig szárított 37 próbatesten határozzuk meg.
A vegyesen tárolt, szilárd közönséges beton és ségét nehézbeton próbatestek tests szilárdságvizsgálat el tt, a légszáraz állapotú próbatesten kell megmérni. A vegyesen tárolt, szilárd könny beton próbatestek tests ségét (60 ± 5) °C mérsékleten tömegállandóságig szárított, legalább 300 g tömeg próbadarabon kell meghatározni. 38
MSZ 4798-1:2004 3.1.7. Közönséges beton („normál” beton) Kiszárított állapotában 2000 kg/m3-nél nagyobb, de legfeljebb 2600 kg/m3 (értékre tervezett) tests ség , szilárd beton. Ha nincs külön megadva, akkor a szilárd beton tests sége a beton 28 napos korára értend , egyéb esetben pedig a kort meg kell adni. Kiegészítésképp közölni kell, hogy a tests séget a beton légszáraz, (60 ± 5) °C mérsékleten tömegállandóságig szárított, vagy vízzel telített állapotában mérték-e . 39
MSZ 4798-1:2004 3.1.9. Nehézbeton Kiszárított állapotában 2600 kg/m3-nél nagyobb tests ség beton. A kiszárítást (60 ± 5) °C mérsékleten, tömegállandóságig kell végezni. Ha nincs külön megadva, akkor a tests ség a nehézbeton 28 napos korára értend . 40
MSZ 4798-1:2004 3.1.8. Könny beton Kiszárított állapotában legalább 800 kg/m3 és legfeljebb 2000 kg/m3 (értékre tervezett) tests ség , szilárd beton. Ezt teljesen vagy rész-ben könny adalékanyagok felhasználásával készítik. Ha nincs külön megadva, akkor a szilárd könny beton tests sége a könny beton 28 napos korára értend , egyéb esetben pedig a kort meg kell adni. Kiegészítésképp közölni kell, hogy a tests séget a könny beton légszáraz, (60 ± 5) °C mérsékleten tömegállandóságig szárított, vagy 41 vízzel telített állapotában mérték-e .
MSZ 4798-1:2004 szabvány 4.3.2. Tests r ségi osztályok könny betonokra 9. táblázat: Könny betonok osztályozása a tests r ség szerint Tests rségi osztály
D 1,0 LC 1,0
D 1,2 LC 1,2
D 1,4 LC 1,4
D 1,6 LC 1,6
D 1,8 LC 1,8
D 2,0 LC 2,0
A tests r ség, kg/m3
800 és 1000
> 1000 és 1200
> 1200 és 1400
>1400 és 1600
> 1600 és 1800
> 1800 és 2000
MEGJEGYZÉS: A könny beton tests r ségét tervezett értékkel is el szabad írni. 42
NAD 4.6. MEGJEGYZÉS: A 9. táblázat a szilárd könny betonok tests ségi követelményeit adja meg. A szilárd beton tests ségét legalább 28 napos korban, (60 ± 5) C mérsékleten tömegállandóságig szárított próbadarabokon kell mérni. Tömegállandó a próbadarab akkor, ha a két legutolsó tömegmérés közötti különbség az utóbbinak 0,1 %-a. NAD 4.7. MEGJEGYZÉS: Magyarországon a szilárd könny beton 43 tests ségét LC jellel kell jelölni.
44
MSZ 4798-1:2004 3.1.25. Közönséges adalékanyag Kiszárított állapotában > 2000 kg/m3 és < 3000 kg/m3 szemtests ség adalékanyag, az MSZ EN 1097-6 szerint, – (105 ± 5) °C mérsékleten kiszárítva, – meghatározva 3.1.27. Nehéz adalékanyag Adalékanyag, amelynek az MSZ EN 1097-6 szerint, – (105 ± 5) °C mérsékleten kiszárítva, – megállapított szemtests sége 3000 kg/m3. 45
MSZ 4798-1:2004 3.1.26. Könny adalékanyag Ásványi eredet adalékanyag, amelynek kiszárított állapotában az MSZ EN 1097-6 szerint, – (105 ± 5) °C mérsékleten kiszárítva, – megállapított szemtests sége 2000 kg/m3, vagy kiszárított állapotában az MSZ EN 1097-3 szerint, – (105 ± 5) °C mérsékleten kiszárítva, – meghatározott laza halmazs sége 1200 kg/m3
46
Anyags kg/m3 Tests kg/m3
ség, ség,
Halmazs kg/m3
Tufa
Duzzasztott agyagkavics
2500-2800
2500-2600
1200 - 2500
650-1600
ség,
300-800
Duzzasztott perlit
Zúzott tégla
Duzzasztott üvegkavics 2050-2450
50-180
1950-2150
300-1450
980-1250
180-900
Porozitás, térfogat%
15-50
45-75
Vízfelvétel, tömeg%
2-25
20-50
15-25
1-60
6-80 N/mm2 (Nyomószilárdsá g szabályos alakú próbatesten mérve)
1,5-10,5 N/mm2 (20 mm-es összenyomódáshoz tartozó önszilárdság)
Hummel-féle szétmorzsolódási tényez : 1,2-2,8 A 20 mm-es összenyomódáshoz tartozó önszilárdság: 1,5-4,5 N/mm2
0,5-13,0 N/mm2 (20 mm-es összenyomódáshoz tartozó önszilárdság)
Könny beton tests sége, 3 kg/m
1300-2250
800-1800
200-750
1800-1900
600-1800
Könny beton nyomószilárdsága, N/mm2
5-40
8-45
0,2-3,5
12-25
2-45
Nyomószilárdság, önszilárdság
35-85
47
48
Duzzasztott agyagkavics, szemnagyság: 6/10 mm
Duzzasztott üvegkavics
49
Duzzasztott perlit, szemnagyság: 0/2 mm
50
Szó esett arról, hogy az MSZ 4798-1:2004 szerint a szilárd beton tests ségét (+ 60 ± 5) C
mérsékleten tömegállandóságig szárított állapotú próbadarabokon kell mérni. Ugyanakkor: • az MSZ EN 206-1:2002 szabvány nem adja meg a kiszárítás h mérsékletét; • a többi európai szabványban a szárítás ma is általában (110 ± 5) °C mérsékleten történik; • a korábbi nemzeti szabványaink is a (105-110) °C (pl. MSZ 4715-2:1972; MSZ 4715-3:1972), vagy a (105 ± 5) °C (pl. MSZ 18284-2:1979) h mérsékleten való szárítást írták el . Mi lehet az új magyar betonszabványban a szárítási mérséklet megváltoztatásának a magyarázata?51
DERIVATOGRÁFOS VIZSGÁLATOK Források: • Cementipari Kézikönyv. Szerkesztette: Dr. Talabér József. szaki Könyvkiadó, Budapest, 1966. • Szilikátipari laboratóriumi vizsgálatok. Szerkesztettte: Dr. Tamás Ferenc. szaki Könyvkiadó, Budapest, 1970. • Riesz Lajos: Cement és mészgyártási kézikönyv. Építésügyi Tájékoztatási Központ, Budapest, 1989. • Dr. Kertész Pál – Dr. Marek István – Dr. Gálos Miklós – Dr. Kausay Tibor: BME – SZIKKTI 3-44-III/79 sz. kutatási jelentés a zúzottk beton-adalékanyagokról, 1983. • Kocsányiné Dr. Kopecskó Katalin közleménye, 2006. 52
A vizsgálat lényege, hogy az el készített mintát folyamatosan hevítik 1000 °C fölé, közben mérik a h mérsékletet az id függvényében (T görbe), rbe és felveszik a tömegváltozást (TG görbe); rbe továbbá TG DTG
DTA
Inverz (csökken ) ordináta skála !
T
53
a tömegváltozás sebességét, azaz a TG görbe érint jét (azaz differenciál-görbéjét = DTG görbe ). Ha a tömegváltozás (vesztés) sebessége növekszik, akkor a TG görbe érint je (DTG görbe ) emelkedik, ha a sebesség- növekedés megáll, akkor a TG görbének infelxiós pontja és érint jének (DTG görbe ) széls értéke van; TG DTG
DTA
Inverz (csökken ) ordináta skála !
T
54
Az anyaggal közölt h energia nem csak széls esetben halmazállapot változást, hanem az anyag szilárd állapotában kristályfázis átalakulásokat is okoz. Ha hevítés közben a vizsgálandó anyagminta – és összehasonlásképpen sem h elnyelést, sem fejlesztést nem mutató inert anyag – mérsékletét, akkor megszerkeszthet a DTA görbe. rbe TG DTG
DTA
T
A lefele irányuló csúcs endoterm (h elnyel ), a felfelé irányuló exoterm (h fejleszt ) 55 folyamatot jelez.
A Paulik Ferenc – Paulik Jen – Erdey László rendszer derivatográf egyidej leg mind a négy görbe automatikus felvételére alkalmas. Dr. Paulik Ferenccel készült beszélgetés itt olvasható: http://www.kfki. hu/chemonet/ TermVil/tv2000/ tv0003/ eotvos2.html 56
A derivatogram néhány általában jellegzetes csúcsmegjelenési helye a következ : • ~ 100 °C-nál látható endoterm DTA csúcs (TG-n tömegveszteséggel jár) a minta abszorbeált (elnyelt) nedvességének elvesztését mutatja; • ~ 120-160 °C-nál látható endoterm DTA csúcs (TG-n tömegveszteséggel jár) az er sebben kötött víz elvesztését jelzi (pl. háromréteg agyagásványoknál a rétegközi kation hidrátburkának elvesztése); • ~ 300 °C-nál exoterm tömegveszteséggel járó csúcs jelzi a szerves anyagok bomlását, valamint a fémhidroxidok bomlását pl. Al(OH)3 Al2O3+H2O; 57
• 500-600 °C endoterm tömegveszteséggel
járó csúcs az agyagásványok szerkezeti vizének elvesztését jelzi; • ~ 573 °C kis endoterm DTA csúcsnál (tömegváltozással nem jár) az kvarc kristályosodik át. Jellemz , hogy csak a ~10 % kvarctartalom felett mutatkozik csúcs, illetve, hogy más csúcsok (pl. agyagásványok szerkezeti vizének elvesztése elfedhetik; 58
• 600-800 °C endoterm DTA csúcs (tömegveszteséggel jár) a MgCO3 dekarbonizációja. A tömegveszteség alapján a sztöchiometria alkalmazásával kiszámítható a minta MgCO3 tartalma. A csúcs jellemz je a szimmetrikus lefutás; • 720-950 °C endoterm DTA csúcs (tömegveszteséggel jár) a CaCO3 dekarbonizációja, CaCO3 CaO+CO2. A csúcs jellegzetesen aszimmetrikus. A tömegveszteségb l a minta CaCO3 tartalma kiszámítható. Dolomit tartalmú mintáknál el bb a MgCO3, majd a CaCO3 59 dekarbonizációja figyelhet meg.
A következ két derivatogramon két különböz cementb l készült, különböz korú, megszilárdult cementpép derivatogramja látható. Láthatóan alacsony mérsékleten a h közlés hatására mindkét mintában jelent s tömegcsökkenés ment végbe, mely a DTG görbe segítségével és a TG görbe adataival mennyiségileg is megadható a bemért minta tömegére vonatkozatva (m%-ban). 60
Az alacsony h mérséklet tömegváltozás általában több lépcs s folyamat, amelyet nem tulajdoníthatunk csak a „fizikailag” kötött nedvességtartalomnak. Alacsony mérsékleten elindulnak a klinkerásványok kötési folyamatában kialakuló ún. hidrátfázisok (hidratált klinkerásványok) tömegvesztési folyamatai is. Ezek már nem csak a környezet és a minta közötti egyensúly, vagy pl. az utókezelésb l származó víztartalmak, hanem rétegközi vagy kristályvizek is. 61
CEM III/A 32,5 cementb l készült 180 napos pépminta derivatogramja, 20 C-on szilárdult, a mérés az id függvényében, a minta tömeg62 vesztesége 35,8 C és 141,6 C között 11,40 m%
CEM I 42,5 cementb l készült 56 napos pépminta derivatogramja, 20 C-on szilárdult, a mérés az id függvényében, a minta tömegvesztesége 38,8 C és 63 131,6 C között 11,00 m%
A szilikát klinkerek (trikalcium-szilikát C3S, dikalcium-szilikát C2S) kötési folyamatuk során jelent s víztartalmú, de részben gél állapotú fázist hoznak létre. Legnagyobb részt ezek a fázisok adják a cementk szilárdságát, egy „meggyorsított”, magasabb h fokon végzett szárítás ezeket a szilárdsághordozó fázisokat is tönkre teheti. 64
TG DTG
DTA
T
CEM I 42,5 cementb l készült 7 napos pépminta, 20 C-on szilárdult, a mérés az id függvényében történt 65
A cementek kivétel nélkül tartalmaznak valamilyen aluminát klinkert eltér mennyiségben, még a szulfátálló is. Különösen az aluminátok hidratációja során keletkeznek olyan fázisok, melyek nagy mennyiség ilyen jelleg vizet (rétegközi vagy kristályvizet) tartalmaznak. A következ két ábrán aluminát pépminták derivatogramja látható. 66
Szintetikus C3A és gipsz 10:1 tömeg arányú keverékéb l, kötésvízzel készült pépminta derivatogramja, 180 napos, 20 C-on szilárdult. Tömegveszteség 39,8 67 C és 130,6 C között 23,38 m%
Szintetikus C4AF és gipsz 10:1 tömeg arányú keverékéb l, kötésvízzel készült pépminta derivatogramja, 180 napos, 20 C-on szilárdult. 68 Tömegveszteség 42,8 C és 134,9 C között 8,05 m%
69
Az els dlegesen képz ettringit különböz átalakulások során, víz jelenlétében a gyorsan köt trikalcium-aluminát (klinker ásvány) és gipsz egymásra hatásából keletkezik, tehát hidratációs termék: 3 CaO·Al2O3·3 CaSO4·30 – 32 H2O vagy kevés gipsz jelenlétében (monoszulfát): 3 CaO·Al2O3·CaSO4·10 – 12 H2O 70
71
VÍZTARTALMI ÁLLAPOTOK
72
73
Víztartalom. (Szokták nedvességtartalomnak is nevezni). Az épít anyagtan felfogása szerint a víztartalom az anyag hidrotechnikai állapotjellemz je. Valamely anyag víztartalma (wtömeg%) az adott id pontban, tömeg%-ban kifejezve, az adott id pontban az anyag pórusaiban lév víz tömege és a kiszárított anyag tömege hányadosának százszorosa:
ahol: •M’Víz = Pórusokban lév víz tömege adott id pontban = Vizes anyag tömege adott id pontban - Kiszárított anyag tömege [g] •M = Kiszárított anyag tömege [g] 74
Vannak ritka helyzetek, amelyekben a víztartalmat úgy adják meg, hogy a pórusokban vagy a szemhalmazban lév víz tömegét nem a kiszárított anyag tömegére, hanem a vizes anyag tömegére vonatkoztatják, azaz a (100*M’víz/Vizes anyag tömege) számértéket képezik, és ezzel a víztartalmat a vizes anyag tömeg%-ában fejezik ki. Ha ennek tényét nem hangsúlyozzák ki, akkor az kellemetlen félreértéseket okozhat: Vizes anyag tömege [g]
3956,9
Kiszárított anyag tömege [g]
2677,2
Kiszárított anyag tömegére vonatkoztatott wtömeg% víztartalom [tömeg%]
47,8
Vizes anyag tömegére vonatkoztatott víztartalom [tömeg%]
32,3
75
Vízfelvétel. A vízfelvétel az anyag víztartalmának lehetséges legnagyobb értéke és ezért anyagjellemz . Vizsgálatához az anyagot vízzel kell telíteni, általában légköri nyomáson és fokozatos víztelítéssel. Ezt követ en a vízzel telített próbatest víztartalmát kell meghatározni, ami fogalmainknak megfelel en nem más, mint az anyag vízfelvétele. A vízfelvételt (ntömeg%) a kiszárított anyag tömegére vonatkoztatjuk és tömeg%-ban fejezzük ki. Szentgyörgyi Lóránt fényképe, 1998. 76
Homokalapú pórusbeton (YTONG) vízfelvétele az id függvényében A próbakocka mérete: 105*105*105 mm = Tests Tömeg g 670 830 952 1086 1084 1086 1088
ség szárazon: Id óra 0 0,5 3 27 47 51 54
Vízfelvétel tömeg% 0,0 23,9 42,1 62,1 61,8 62,1 62,4
1157,625
cm3
578,8
kg/m3 Id óra 0 0,5 3 27 47 51 54
Id négyzetgyöke 0,000 0,707 1,732 5,196 6,856 7,141 7,348
Vízfelvétel tömeg% 0,0 23,9 42,1 62,1 61,8 62,1 62,4
77
Vízfelvétel, tömeg%
Pórusbeton vízfelvétele az id függvényében
70 60 50 40 30 20 10 0 0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Id , óra 78
Vízfelvétel, tömeg%
Pórusbeton vízfelvétele az id négyzetgyökének függvényében
70 60 50 40 30 20 10 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
Id [óra] négyzetgyöke 79
Vannak szabványok (például MSZ 18284-3:1979, MSZ EN 1353:1999), amelyek a víztartalmat, a vízfelvételt nemcsak tömeg%-ban, hanem térfogat%-ban is kifejezik. A térfogat%-ban kifejezett vízfelvétel a látszólagos porozitással arányos mennyiség. Err l korábban már esett szó, az összefüggés azonban álljon itt még egyszer:
80
Minta kiszárításának id pontja. A vizsgálati minta kiszárításának id pontja a vízfelvétel vizsgálat során elvégezhet a próbatest vízzel való telítése után vagy el tt. 1. Az építési k anyagok MSZ 18284-3:1979, a beton-adalékanyagok MSZ ISO 6783:1993 és MSZ ISO 7033:1992 vizsgálati szabványa szerint a kiszárított állapotú minta vízfelvételét úgy kell meghatározni, hogy a mintát el bb vízzel kell telíteni, majd ezt követ en kell kiszárítani. A betonok légritkított vagy túlnyomásos térben történ MSZ 4715-3:1972 szabvány szerinti vizsgálata során és az MSZ az eljárás sorrendje 81 ugyan ilyen.
2. Ezzel szemben a betonok MSZ 4715-3:1972, az égetett agyag falazóelemek MSZ 551-1:1988, az égetett agyag burkolóelemek MSZ 3555-1:1991 vizsgálati szabványa szerint a kiszárított állapotú próbatest vízfelvételét légköri nyomáson úgy kell meghatározni, hogy a próbatestet el bb ki kell szárítani, majd ezt követ en kell vízzel kell telíteni. Az MSZ EN 933-1:1998 szitavizsgálati szabvány szerint a mintát el bb ki kell szárítani, azután a 0,063 mm nyílású szita felett meg kell mosni, majd meg kell szárítani, hagyni kell leh lni, és ezt követ en kell a szitálást elvégezni. 82
Az (1.) szerinti sorrend – el bb vízzel telít, majd kiszárít – követése mellett az szól, hogy a kiszárítás során a párolgó vízb l - amely víz általában többkevesebb oldott sót tartalmaz - a sók kiválnak és a kapillárisokban visszamaradva, azokban méret és egyéb változásokat okozhatnak. Ha a vízzel való telítésre a kiszárítás után kerül sor (2. sorrend), akkor a vizsgálati anyag kezdeti víztartalmi állapotától függ sókiválás jelensége a vízfelvétel mértékét befolyásolhatja, míg az (1.) fordított sorrend esetén ilyen mérési hibával számolni nem kell. 83
Kapilláris vízfelszívás Legyen: h max [m]
d [mm]
r [mm]
1
0,5
0,030
0,03
0,1
0,05
0,298
0,3
0,01 0,005 2,978 0,001 0,0005 29,780 0,0001 5E-05 297,800 ahol:
d r h max
r
[ mm ]
hmax
mérséklet: t = 20,4 ºC cos = cos 0º = 1,00 0,0729 N/m víz =
3 30 300
víz =
g= akkor:
r
[mm]
·hmax
[m]
kg/m
9,8067
m/s
= 0,014895
Megjegyzés: 1 N = 1 kg·m/s
3
998,147
0,015
2
a kapilláris névleges átmér je [mm] a kapilláris névleges sugara [mm] a vízfelszívás legnagyobb magassága [m]
[m]
1000
2
víz víz
[ N / m kg / s 2 ] [ kg / m 3 ]
g
2
cos
[m / s 2 ] 84
Kapilláris emelkedés a kapilláris sugara függvényében
Kapilláris emelkedés, log hmax , m
1000,00
hmax 100,00
[m]
-1 [mm]
= 0,014895.r
-1 [mm]
0,015.r
10,00
1,00
0,10
0,01 0,00001
0,00010
0,00100
0,01000
Kapilláris sugara, log r , mm
0,10000
1,00000 85
A víz felületi feszültsége ( t víz [ºC]
víz
víz )
a h mérséklet (t víz ) függvényében
[N/m]
20,0 20,1 20,2 20,3 20,4 20,5 20,6 20,7 20,8 20,9 21,0 21,1 21,2
0,072960 0,072945 0,072930 0,072914 0,072899 0,072884 0,072869 0,072854 0,072838 0,072823 0,072808 0,072793 0,072778
21,3 21,4 21,5 21,6 21,7 21,8 21,9 22,0
0,072762 0,072747 0,072732 0,072717 0,072702 0,072686 0,072671 0,072656
= 0,076*(1-0,002*t ) [N/m] Forrás: http://www.physics.kee.hu/jegyzet/sztalag.html Budapesti Corvinus Egyetem fizika jegyzete az interneten víz
0,0729
Néhány folyadék felületi feszültsége a leveg re vonatkoztatva Forrás: http://www.szulo.hu/fizika/foly/foly3.htm Porkoláb Tamás: A folyadékok mechanikája III. PetróFolyadék Víz Higany Étolaj leum Felületi feszültség 7,29 4,91 3,3 2,7 -2 [10 N/m]
86
87
88
Elg zölhet és el nem g zölhet víz E fogalmakat els sorban a cementk ben található víz tulajdonságainak leírására használjuk, de értelemszer en más épít anyagok hidrotechnikai állapotának jellemzésére is alkalmazhatjuk. A cementk ben lév víz egy része a hidratált cementszemcsék közötti pórusokat, hézagokat tölti ki, ezt pórusvíznek hívják, más része kémiailag kötött állapotban van, ennek kémiailag kötött víz a neve. E kétféle víz gyakorlati megkülönböztetésére vezette be 1948-ban Powers és Brownyard az elg zölhet és az el nem g zölhet víz fogalmát. 89
Az elg zölhet (elg zölöghet , elg zölögtethet ) víz, azaz pórusvíz az a víz, amelynek g znyomása 23 °C mérsékleten nagyobb, mint 6·10-4 Torr (=79,99 N/m2 = 7,89·10-7 atm). Ez lényegében annak a víznek felel meg, amely 105-110 °C h mérséklet szárítás során a testb l eltávozik. A cementk l elg zölhet víz, - más néven a pórus víz - szabad vízb l, kapilláris vízb l és gélvízb l áll. Az elg zölhet víz egyik, legmozgékonyabb része az ún. szabad víz, amely a hidratált cementszemcsék közötti pórusokban található. Köt ereje viszonylag gyenge, a szabad víz molekulák akár el is párologhatnak. El fordul (például a német szakirodalom90 ban), hogy a kapilláris vízt l nem különböztetik meg.
Az elg zölhet víz másik része az ún. kapilláris víz, amely a nagyobb kapillárisokban helyezkedik el. A kapilláris víz a vízmolekulák hidrogénhíd-kötése és a kapilláris er k folytán vízfilmet képez a kapilláris falán. A kapilláris víz tulajdonképpen szabad vízként viselkedik, bár mozgása a kapilláris felületi feszültségek miatt a szabad vízénél nehezebb, de éppen a felületi feszültségek hatására a nehézségi er ellenében a kapillárpórusban felemelkedni képes. Ha a leveg relatív páratartalma 40 %-nál kisebb, akkor a cementk nem tartalmaz sem szabad, sem kapilláris vizet. Fagyhatás esetén a kapilláris víz (sótartalmától függ en) általában -3 °C h mérséklet 91 alatt megfagy.
A cementk gélpórusaiban lév ún. gélvíz az elg zölhet víz harmadik része. A gélvíz többnyire egy molekula vastagságnyi rétegben tapad a hidratációs termékek felületéhez fizikai adszorpcióval (folyadék vagy gáz kapcsolódása szilárd test felületéhez), ezért fizikailag kötött víznek is hívják. A gélvíz köt ereje majdnem eléri a kémiailag kötött víz köt dését, ezért e kapcsolatot a olykor kémiai adszorpciónak nevezik. A gélvíz mennyisége a leveg páratartalmától és a hidratációs foktól függ, a cement tömegének 10±5 %-át teszi ki. A gélvíz felületén nagy felületaktív er k m ködnek, ezért fagyhatás során a gélvíz csak mintegy -78 °C 92 mérsékleten fagy meg.
Az el nem g zölhet víz, víz más néven a kémiailag (szerkezetileg) kötött víz a hidratáció során épül be a cementk be, és 105-110 °C mérséklet szárítás után is a cementk ben marad. Az el nem g zölhet vizet a (pórus mentes) szilárd anyag alkotó elemének tekintjük. A kémiailag kötött víz mennyisége a cement mennyiségének legalább mintegy 15-18 tömeg%-a. 93
SZABAD VÍZ
CEMENTK BEN LÉV
VÍZ
KAPILLÁRIS VÍZ
GÉLVÍZ = FIZIKAILAG KÖTÖTT VÍZ
PÓRUSVÍZ = ELG ZÖLHET VÍZ
EL NEM ZÖLHET VÍZ = KÉMIAILAG KÖTÖTT VÍZ
94
CEMENTK PÓRUSSZERKEZETE
95
Az adalékanyagnak is van pórusszerkezete. A cementk és az adalékanyag pórusszerkezetére jellemz , hogy a pórusok szilárd anyaggal ki nem töltött, tömeg nélküli, különböz terek, amelyekben gázállapotú anyag (többnyire leveg ) vagy elg zölhet víz, ill. folyadék található. E tömeg nélküli tereket méreteik, mennyiségük, elhelyezkedésük, keletkezésük alapján különböztetjük meg. A cementk pórusai általában nyitottak, fajtái: légpórusok, esetleg légbuborékok, továbbá kapillárpórusok és gélpórusok. 96
A légpórusok (németül: Verdichtungsporen) a szilárduló cementk ben akaratunk ellenére, de gondos tömörítés mellett is visszamaradó, viszonylag nagyobb méret , esetleges elrendez dés pórusok. Az olyan betont, amelyben a „pórusok” átmér je az 1 mm-t er sen meghaladja és keletkezésük gondatlan tömörítésre vezethet vissza, fészkes betonnak mondják, és az ilyen „pórusok” neve nem is pórus, hanem pl. üreg. A sejtbetonok (gázképz vel el állított gázbeton „pórusbeton”, vagy habképz vel el állított 97 habbeton zárt sejtjeinek átmér je legfeljebb 2 mm.
A légbuborékok (németül: Luftporen) a beton fagyállóságának, olvasztósó-állóságának javítására légbuborékképz adalékszerrel a cementk ben tudatosan létrehozott, közel gömb alakú, egymástól független pórusok. A légbuborék-eloszlásra követelmény, hogy az ún. távolsági tényez , azaz a cementk bármely pontjától a hozzá legközelebb es légbuborék felszínének távolsága nem lehet több, mint 0,2 mm. A frissbeton légbuborékképz adalékszerrel bevitt leveg tartalma 4-6 térfogat%, a 28 napos korú légbuborékos beton nyomószilárdsága a légbuborékképz szer nélküli beton nyomószilárdságának legalább 75 %-a. 98
A cementk ben lév kapillárpórusok (németül: Kapillarporen) a kever víz mennyiségét l függ en keletkeznek. A cement hidratációja során a cementk be legfeljebb a cement mintegy 30 - 35 tömeg%-át kitev vízmennyiség épül be, ami 0,30 0,35 érték víz-cementtényez nek felel meg. Ha a beton ennél több vízzel készül, akkor a vízfelesleg finom, hajszálcsöves, gyakran összefügg pórusrendszert hoz létre, amelynek alkotói a beton felületére is kivezet kapillárpórusok. A kapillárpórusok mennyiségének növekedésével a cementk és a beton min sége romlik. A kapillárpórusokat egyszer en kapillárisoknak99 is szokták nevezni.
A gélpórusok (németül: Gelporen) a hidratált cementszemcsén belül, a cementgélben helyezkednek el, és a cementgéllel együtt a cement hidratációja folyamán keletkeznek. A cementgél teljesen össze nem növ tábla-, lemez-, szálalakú hidratációs termékekb l áll, amelyek között a gélpórusok találhatók. A gélpórusok a folyadékokat és a gázokat gyakorlatilag nem eresztik át. A cement hidratáció el rehaladtával a hidratációs termékek mennyisége növekszik, a gélpórusok mennyisége csökken. 100
A cementk ben lév pórusok hozzávet leges átmér je Megnevezés Átmér Légpórusok Légbuborékok
10 - 1000 m = 0,01 - 1 mm 300 m = 0,3 mm
Kapillárpórusok 0,1 - 10 m = 10-4 - 10-2 mm Gélpórusok
0,001 - 0,1 m = = 10-6 - 10-4 mm 101
A pórusvíz fagyás pontja a pórusméret függvényében Forrás: Balázs György – Tóth Ern : Beton- és vasbeton szerkezetek diagnosztikája I. M egyetemi Kiadó, 1997.
Pórusméret mértékegységek szerint
Pórus
Durva pórus Légpórus Kapillárpórus
m
mm
m
nm
Å
méter
milliméter
mikrométer
nanométer
ángström
1m
10-3 m
10-6 m
10-9 m
10-10 m
> 10-3
>1
> 103
> 106
> 10 7
0 – (-3)
10-2 – 1
10 – 103
104 – 106
105 – 107
0 – (-3)
10-4 – 10-2
0,1 – 10
102 – 104
103 – 105
0 – (-3)
10-5 – 10-4
10-2 – 0,1
10 – 102
102 – 103
- 15
8
10-6 – 10-5
10-3 – 10-2
1 – 10
10 – 102
- 43
< 10-9
< 10-6
< 10-3
<1
< 10
- 160
< 3·10-4
< 0,3
< 3·102
< 3·105
< 3·106
10-5 – 103
10-7 – 105
10-8 – 107
Gélpórus
Légbuborék (adalékszerrel képzett)
10-9 – 10-
Pórusvíz fagyás pontja ºC
102
Repedések Szilárd anyaggal ki nem töltött, tömeg nélküli, terek a repedések is (ezeket azonban nem tekintjük a beton, illetve a cementk pórusszerkezete részének).
103
Szilárd anyaggal ki nem töltött, tömeg nélküli, terek a repedések is (ezeket azonban nem tekintjük a beton, illetve a cementk pórusszerkezete részének). A repedések fajtái okok szerint • zsugorodási repedések; • mérséklet változás hatására keletkez (tágulási-összehúzódási) repedések; • süllyedésb l származó repedések; • alakváltozási (pl. nem megfelel teherbírásból vagy merevségb l, megengedettet meghaladó terhekb l vagy dinamikus igénybevételb l, korrózióból ered stb.) repedések. 104
Repedések fajtái elhelyezkedés szerint • stabil (megállapodott) – nem stabil (terjed , mélyül ) repedés; • átmen – felületi repedés; • hosszrepedés, keresztrepedés, vízszintes repedés, függ leges repedés; • egyes repedés, párhuzamos repedések, hálós repedések, sugárirányú repedések stb. Repedések fajtái tágasság szerint • hajszálrepedés 0,1 mm; • 0,1 mm < finom repedés 0,3 mm; • 0,3 mm < közepes tágasságú repedés 0,5 mm; • 0,5 mm < nagy tágasságú repedés 1,0 mm; • 1,0 mm < durva repedés
105
KÖSZÖNÖM A FIGYELMÜKET
106
