KIVONAT

A cikk első részében különböző cementekkel (CEM I 52,5 R; CEM I 42,5 R; CEM I 42,5 N-SR0 és CEM II/A-S 42,5 N) készített, különböző víz–cement tényezőjű (x=0,3; 0,35, 0,4; 0,45, 0,5; 0,6) pépek terülési, folyási és vérzési hajlamának, valamint viszkozitásának eredményeit ismertetjük.

Az első részben megállapítjuk, hogy a folyósítószer-adagolású, csökkentett víz–cement tényezőjű pépek (x=0,35–0,45) terülése jelentősen felülmúlhatja a folyósítószer-mentes, de nagy víz–cement tényezőjű (x=0,5-0,6) pépek terülését. A pépterülés növekedése azonban ritkán társul a folyási sebesség növekedésével és a dinamikai viszkozitás csökkenésével.

Méréseink szerint a folyósítószer adagolása révén csökkentett víz–cement tényezőjű pépekre általában jellemző, hogy a jobb terülőképesség esetén a viszkozitás növekszik és a folyási sebesség csökken.

Az egyszerű mérőeszközökkel elvégzett terülési és folyási mérések eredményei leginkább a kis nyírási sebességgel (50 s-1) végzett viszkozitásmérés eredményeivel korreláltak. A víz–cement tényező növelése, tehát a cementpépek vízzel való hígítása nagymértékben csökkentette a dinamikai viszkozitást, de a terülést csak kismértékben növelte. Ezzel szemben az adalékszerekkel megfolyósított, kis víz–cement tényezőjű pépek (x=0,35–0,45) terülése viszont jelentősen megnőtt annak ellenére, hogy a viszkozitásuk (belső súrlódásuk) minden esetben meghaladta a nagy víztartalmú (x=0,6) cementpépekét, néha elérte azok 5–10-szeresét is.

A cementpépeken mért terülőképességből tehát nem vonhatók le egyértelmű következtetések a pépek reológiai jellemzőire, csakúgy, mint a frissbetonok terülési mértékéből sem adódik azok jó vagy rossz szivattyúzhatósága, ragadóssága, vibrálással történő bedolgozhatósága, simíthatósága.

BEVEZETÉS

A beton, vasbeton szerkezetek legfontosabb jellemzője a teljesítőképesség, mely a friss- és megszilárdult betonnal szemben támasztott követelmények együttes teljesülését jelenti.

A gyakorlati tapasztalatok szerint a kis víz–cement tényezőjű betont többnyire nehéz szivattyúzni, tömöríteni, ezért megnő a fészkesedés, különösen a betonfedés tömörségromlásának veszélye. A szivattyúzhatóság és tömöríthetőség javításához napjainkban már szinte kizárólag olyan betonösszetételeket használnak, melyek a vízcsökkentést és a folyósítást egyidejűleg elősegítő adalékszert tartalmaznak. Számos gyakorlati eset igazolja, hogy a különböző folyósítószerek túlzott mértékű vagy a kötőanyaghoz nem jól megválasztott adagolása a frissbeton vérzéséhez, esetenként annak ülepedéséhez vezet.

Fentiekből következik, hogy a megfelelő teljesítőképesség eléréséhez olyan mozgékonyságú cementpép szükséges, mely a frissbeton jó bedolgozhatóságát és vérzésmentességét együttesen eredményezi.

A cementpép jellemzői kitüntetett jelentőségűek a frissbeton mozgékonysága és a szilárd beton szövetszerkezete, valamint alakváltozási hajlama szempontjából, ennek ellenére túl kis hangsúlyt kapnak a jelenlegi betonszabványokban.

Ez a kutatásunk is igazolja a hazai betontechnológus szakemberek (Lányi György, Rejtő Péter, Sulyok Tamás, Zsigovics István, Erdélyi Attila) gyakorlati tapasztalatait, miszerint a pép mennyiségi és minőségi jellemzőitől nagymértékben függ a vízcsökkentő folyósítószerek beton konzisztenciára gyakorolt hatása [1, 2, 3, 4].

A rendszerszemléletű betontechnológiai tervezés megvalósítása céljából a megszilárdult betonnak a víz–cement tényezőn alapuló nyomószilárdsági tervezését kapcsolta össze Ujhelyi János a cementpép folyósságával arányos, reológiai szemléletű összetétel-tervezéssel [5].

A reológiai szemléleten alapuló receptúratervezés továbbfejlesztésére Pekár Gyula tett javaslatot a dimenzió nélküli betonösszetételi jellemzőkön alapuló tervezési modellel [6]. A modell szerint a betonkeverékek konzisztenciáját – mind a pépfázis térfogataránya, mind pedig a pépfázison belüli folyadékfázis térfogataránya mellett – jelentősen befolyásolja a szilárd szemcséjű betonalkotók (pl. adalékanyagok) térfogati fajlagos felülete (m2 /m3 )[7], amely a szokásos szemmegoszlási vizsgálatok eredményeiből számítható. A modell alkalmazásával és továbbfejlesztésével magyarázatot kaphatunk a frissbetonok egyes tulajdonságaira, amely elősegítheti a keverékek tudatosabb összetétel-tervezését.

Az építéshelyszíni betonozásokhoz kiszállított, szivattyúzással továbbított és merülő vibrátorokkal tömörített frissbetonok könnyebb kezelhetőségét kívántuk elősegíteni azzal, hogy a pépek reológiai vizsgálatakor a híg cementpépeken (Vpor/Vpép=34–39%, azaz x≈0,6–0,5) mért jellemzőket vettük alapul a csökkentett víz– cement tényezőjű pépek vizsgálata során.

Példa a cementpép por-, ill. szárazanyag-tartalmának („paste solid volume fraction”) számítására: ha a cement sűrűsége ρ=3,09 g/cm3 , a vízé pedig 1 g/cm3 és x=0,6, akkor az alábbi összefüggésből adódik a cementpép por-, azaz szárazanyag-tartalma: Vcement/(Vcement+Vvíz)*100, vagyis pl. (100/3,09) / ((100/3,09) +60)*100=35,0 V%.

A KUTATÁS CÉLJA ÉS EREDMÉNYEI

A kutatási feladatok indoklása
Munkánk túlnyomó része a transzportbeton cementpépek felhasználási területére fókuszált. Célul tűztük ki olyan pépek kiválasztását, melyek a nagy szárazanyag-tartalom mellett is (Vpor/Vpép=41–49%, azaz x≈0,45–0,35) elegendően nagy folyási sebességet, vérzésmentességet és mérsékelt viszkozitást mutatnak.

A folyósítószermentes transzportbetonokhoz alkalmazott x=0,6 víz–cement tényezőjű pép általában már megfelelő bedolgozhatósági jellemzőjű, ha a frissbeton péptartalma Vpép=260–280 ℓ/m3 [8], ill. cementpéppel való túltelítettsége ΔVpép,min= +30 ℓ/m3 [9], valamint a finomrész-tartalom (0,25 mm alatti szemcsék mennyisége) eléri dmax=16 mm esetén a 450 kg/m3 értéket [9].

A vasbetonok használati élettartamának növeléséhez fontos a víz–cement tényező csökkentése (x≈0,4). Ez viszont megnöveli az adott konzisztenciájú frissbeton pépigényét, ill. túltelítettségét, valamint az erre visszavezethető száradási zsugorodás mértékét és a repedésérzékenységet [9].

A víz–cement tényező csökkentésével elérhető élettartam- és szilárdságnövekedés jelentősen megnöveli a betonok ún. „kémiai” zsugorodását is. Ezt a jelenséget érzékelteti az EC-2 szabvány „Kúszás és zsugorodás” című pontja, melynek összefüggéseiből számítható a kémiai zsugorodás/teljes zsugorodás mértéke [10].

A csökkentett víz–cement tényezőjű transzportbetonok megfelelő zsugorodási jellemzőinek szempontjából fontos, hogy a cementpép reológiai minősége kis péptartalom mellett is biztosítsa a betonkeverék jó bedolgozhatóságát.

A cementkiegészítő anyagok és a folyósító adalékszerek jelentősége tehát nem csak a kis víz–cement tényezőjű frissbetonok könnyebb bedolgozhatóságában és a szilárd betonok tartósságának javításában, hanem a kisebb péptartalom és az ezzel összefüggő csökkenő zsugorodás lehetőségében is megmutatkozik.

Ezért fontos az x≤0,4 víz–kötőanyag tényezővel is jól bedolgozható transzportbetonok cementpépjeit (cement, kiegészítőanyag, folyósítószer típusa, mennyisége) gondosan megválasztani. A cikk 2. részében foglalkozunk a kiegészítőanyagok cementpép reológiai jellemzőire gyakorolt hatásával.

Az előregyártó üzemekben alkalmazott sablonvibrátoros, vibropréseléses, extrudálásos stb. tömörítési módszerek, a transzportbetonoknál szokásoshoz képest töményebb, azaz nagyobb szárazanyag-tartalmú pépet igényelnek (Vpor/Vpép=45–55%). Az előregyártásban elterjedt „Dry Cast Concrete” technológiáknál [11] fontos a tömörítést, majd az azonnali kizsaluzást követő jó állékonyságot („zöldszilárdságot”) és a szinte pórusmentes felületek kialakulását elősegítő olyan kiegészítőanyag-/adalékszer-kombinációk megválasztása, melyek nagy nyírási sebességeknél (pl. vibrálás) a pép kis viszkozitását, de kis nyírási sebességeknél (pl. vibrálás megszűntekor, kizsaluzásnál) a viszkozitás ugrásszerű növekedését eredményezik.

A transzportbetonok és az említett előregyártó üzemi technológiák pépfázisai alapvetően nyírásra „vékonyodók” („shear-thinning behavior”), vagyis külső energia hatására csökken a viszkozitásuk; a tömörítést, a felületi megjelenést és az állékonyságot jelentősen meghatározza az adott tömörítéshez illeszkedő pépfázis folyási határfeszültsége („yield stress”) és dinamikai viszkozitása [12].

Mivel a transzportbetonok döntő többsége szivattyúzható kell hogy legyen, ezért a kutatók már régóta foglalkoznak ennek feltételeivel. A képlékenyítő-folyósítószerekkel végzett vizsgálatok alapján Browne és Bamforth megállapította [13], hogy a terülés/roskadás mérése nem elegendő a szivattyúzhatóság megítéléséhez („slump is an insufficient measure of pumpability”). Neville szerint [14] viszont az 50–150 mm roskadású betonok szivattyúzhatók. A gyakorlati tapasztalatok azt mutatták, hogy a szivattyúcső dugulása együtt jár a kavicsszemcsék torlódásával, amit a túlzottan gyenge kohéziójú (nagyon kis viszkozitású) cementpép kavicsszemcsék közül való kifolyása okoz. Ezért O. Wallevik [12] és D. Kaplan [15] a szivattyúnyomás hatására fellépő vérzés mértékét, valamint a viszkozitás/folyási határfeszültség arányát javasolta a szivattyúzhatóság feltételéül szabni („pressurized bleeding and plastic viscosity/ yield shear stress ratio has been proposed as pumpability criterion”). (Megj.: a „plastic viscosity” a nagy nyírási sebességhez tartozó viszkozitást jelenti, a „yield shear stress” pedig azt a kis nyírási sebességhez tartozó viszkozitást, ill. az ennek számítási alapját képező nyírási határfeszültséget, ahol a pép, ill. beton mozgékonysága megindul.)

Az öntömörödő, valamint az UHPC technológiák pépfázisai még nagyobb töménységűek (Vpor/Vpép=50–65%, azaz x≈0,33–0,18). A mozgékonnyá tett nagy portartalmú pépek reológiai sajátosságaira már többnyire nem a nyírásra „vékonyodó” viselkedés, azaz pl. vibrálás hatására csökkenő viszkozitás, hanem a newtoni (azaz nyírásra nem változó), ill. a nyírásra „vastagodó”, azaz növekvő ellenállást mutató („shear-thickening behavior”) viselkedés jellemző. E technológiáknál a szükséges reológiai jellemzők eléréséhez legtöbb esetben nélkülözhetetlen a több összetevős kötőanyag-kombinációk, a lisztfinomságú szemcsék és a leginkább illeszkedő folyósító- és stabilizálószer célzott megválasztása [16, 17, 18].

A kis víztartalmú pépfázis miatt megnövekvő viszkozitás és az esetenkénti nyírásra vastagodó viselkedés problémájának megoldásáról, s ezáltal a felhőkarcolók építéséhez szükséges 400–600 m magasságba szivattyúzott, 600–700 mm roskadási terülésű HPC és UHPC (C60-C120) betonok összetételéről hat példa alapján számol be H. Li [18]. Az ilyen betonok 2 és 3 összetevős kötőanyagúak voltak, ahol kiegészítőanyagként pernyét, ill. pernyét+szilikaport jelölt meg. A szerző által közölt hatféle összetételből számolt, szokásos tömegarányok szerinti víz–kötőanyag tényező x≈0,2–0,35, a beton péptartalma Vpép≈337–421 ℓ/m3 , a pép szárazanyag-tartalma Vpor/Vpép≈50,1–63,1%, a folyósítószer és a pép szárazanyag-tartalmának aránya Vfoly.szer/Vpor≈3–10% közötti lehetett. A reológiai jellemzők közül csak a roskadási terülésről tett említést.

Aki már készített akár laboratóriumban, akár betongyárban olyan betonkeveréket, amelyben a Vpor/Vpép>60% volt, az tudja igazán értékelni ezt a teljesítményt.

Ezek a Kínában épült felhőkarcolók kétségkívül nem előzmény nélküliek, pl. a Beton újság 1999 szeptemberi számában is megjelent, hogy Chicagóban már 1990-ben elkészült a 292 m magas, akkor világelső betonépület, a „South Wacker Drive” irodaház [19].

Napjainkban hatalmas fejlődésnek indult a 3D betonnyomtatás, amelyhez jól alkalmazható a CEM I 42,5 N-SR0 cementet, 10% metakaolint és 15% kőszénpernyét, valamint 0,4% folyósítószert tartalmazó, tehát 3 összetevős kötőanyagrendszer. Az x=0,35 víz–kötőanyag tényezőjű pép nagy kezdeti nyírási feszültség ( τ0 , mért >400 Pa) ellenére megfelelő terülőképességgel is rendelkezik. A nyomtatott keverék jó állékonyságára a dinamikai viszkozitás kis nyírási sebesség mellett mért magas értékéből (D=50 s-1 mellett mért η>8.000 mPa·s) következtettünk. Azért tartjuk ígéretesnek ezt a pépet a 3D nyomtatáshoz, mert nemcsak az egymásra nyomtatott rétegek stabilitásához kulcsfontosságú nagy kezdeti nyírási ellenállást és gyors tixotropizálódást mutatott, hanem a betonrétegek együttdolgozásához szükséges kismértékű terülőképességet is [20].

Kísérleti munkánkban vizsgáltuk egyes cementpépek reológiai viselkedését különböző cementfajták (CEM I 52,5 R; CEM I 42,5 R; CEM I 42,5 N-SR0 és CEM II/A-S 42,5 N), kiegészítőanyagok (metakaolin-1, metakaolin-2, granulált kohósalak, kőszénpernye, szilikapor) és folyósítószerek (F1, F2) esetén x=0,3–0,6 víz–cement tényező mellett. A reológiai tulajdonságokat a pépek terülésének, tölcséres kifolyási sebességének és a dinamikai viszkozitásának mérési eredményei alapján jellemeztük. A vérzésre, ill. annak mértékére a terülési lepények állagából, vizuális megjelenéséből következtettünk.

A cikk első részében ismertetjük a különböző cementekkel készített, különböző víz–cement tényezőjű (x=0,3; 0,35, 0,4; 0,45, 0,5; 0,6) kiegészítőanyag-mentes pépek terülési, folyási, vérzési hajlamát, valamint viszkozitását. A következő rész tartalmazza a fenti kiegészítőanyagmentes pépek dinamikai viszkozitása és a pépterülés, folyási sebesség összefüggéseit, valamint a CEM I fajtákhoz adagolt különböző kiegészítőanyagok (metakaolin-1, metakaolin-2, granulált kohósalak, kőszénpernye, szilikapor) és kétféle folyósítószer (F1, F2) hatását x=0,35 és x=0,45 víz–cement tényező mellett.

Az ilyen kiegészítőanyagok frissbeton konzisztenciájára, vízmegtartó képességére gyakorolt hatását azok szemeloszlása, fajlagos felülete függvényében Kausay Tibor tanulmányozta [21].

Vizsgált anyagok és összetételek
A kutatás során vizsgált cementek fajlagos felületét és szemcseméret-összetételét az 1. táblázat tartalmazza. Valamennyi cement, ill. folyósítószer ugyanattól a gyártótól származik.

1. táblázat: Cementek jellemzői

A 2. táblázat mutatja a kutatás első fázisában vizsgált 56 db cementpép összetételét.

2. táblázat: Cementpépek összetétele

A pépek terüléséhez az MSZ EN 12706 szerinti terülésmérő hengert [22], a folyási sebesség méréséhez a 6 mm átmérőjű kifolyónyílással rendelkező tölcsért (MSZ EN ISO 2431) [23], a viszkozitás méréséhez, ill. az adatgyűjtéshez pedig Brookfield R/S reométert és Rheo 3000 szoftvert alkalmaztunk. A dinamikai viszkozitást D=50–1000 s-1 nyírási sebesség tartományban mértük [24].

A folyási sebesség mérése során, vagyis a 100 cm3 térfogatú tölcsérbe töltött pép 70%-ának kifolyásához tartozó időt rendeltük. C. Ferraris megállapításával egyezően [25] azt tapasztaltuk, hogy a cementpép felületi tapadása, súrlódása miatt a kb. 70% péptérfogat kifolyása után megszűnik a folyási mennyiség időbeni linearitása.

Cementpépek terülése
A terülésmérő hengerrel (1. kép) vizsgáltuk a pépterülést (2. kép), mely alapján a folyósítószermentes pépek terülését csak kismértékben befolyásolja a cementfajta, azaz meghatározó szerepe a víz–cement tényezőnek van.


1. kép: Cementpépek terülésmérése

A pépterülések eredményei (lásd 2. kép az x=0,6 terülési lepények közel azonos átmérőjét) alátámasztották azokat a betongyári tapasztalatokat, miszerint a megfelelően tervezett adalékváz és péptartalom esetén x≈0,6 víz–cement tényezővel szinte bármelyik cementfajta alkalmas a folyósítószermentes transzportbetonok szivattyúzására és vibrálással való jó tömörítésére.

2. kép: Cementpépek terülése

A CEM I 52,5 R cementből, x=0,35 és x=0,45 víz–cement tényezővel készült pépekhez adalékolt F1 és F2 folyósítószerek terülésre és vérzésre gyakorolt hatását a 3. kép szemlélteti.

Ez alapján megállapítottuk, hogy az x=0,35 mellett még terülésmentes pép az F1 és F2 adalékszerek 0,6%-os bevitelével nagy terülőképességűvé tehető (3. kép felső sora). A középső terülési lepény alakja a körformától már eltér, ami a vérzéshez, ülepedéshez közeli állapotra utal. Ez a víz–cement tényező növekedésével (x=0,45) fokozott mértékű (3. kép alsó sora), a középső lepény formája erős vérzést és ülepedést jelez.

3. kép: CEM I 52,5 R pépek terülése, v/c=0,35; 0,45 és F1 és F2 folyósítószerek alkalmazásával

Az 1. ábra szerint szinte minden esetben nagyobb pépterülést mutatnak a folyósítószerrel vízcsökkentett x=0,45, sőt akár az x=0,35 víz–cement tényezőjű pépek (Vpor/Vpép=41–49%) a folyósítószermentes, viszonylag híg pépekhez képest (lásd 1. ábra piros vonallal bekarikázott területén a Vpor/Vpép=34–38,5% értékekhez, azaz x=0,5–0,6-hoz tartozó pépterüléseket).

1. ábra: Mozgékony pépfázisok terülése és a betonkeverék becsülhető viselkedése

A folyósítószerrel terülőképessé tett, a szárazanyag-tartalmukat tekintve töményebb (nagyobb szárazanyag-tartalmú) pépeknél a túlzott folyósítószer-adagolás vagy a folyósítószer nem illeszkedő típusa miatt könnyen kialakulhat a vérzés, amint azt az 1. ábra felső részén a fehér színű jelölések mutatják.

A betontechnológiában szokásos szabványosított konzisztencia-vizsgálatok (pl. roskadás- vagy terülésmérés) nem adnak magyarázatot a kis víz–cement tényezőjű (x=0,38–0,45), de a folyósítószereknek köszönhetően jó terülésű frissbetonok igen nehéz szivattyúzhatóságára, gyakori ragadósságára, problémás bedolgozhatóságára.

Ilyen esetekben ha nem engedélyezett a víztartalom növelése, akkor a szabványok előírásait követő munkahelyi szakemberek folyósítószer ráadagolásával próbálják „kezelhetővé tenni” a problémás, ragadós, viszkózus betonkeveréket. Ez a folyósítószer-ráadagolás viszont igen sok esetben – a cement, kiegészítőanyag és a folyósítószer típusától függően – a frissbeton vérzését idézi elő. Ez önmagában is rontja a beton struktúráját, de különösen azért veszélyes, mert a vérzés a repedések kiindulási helye.

A pépvizsgálati eredményeket és a betongyári gyakorlati tapasztalatainkat összevetve megállapítható, hogy sem a cementpépek, sem pedig a frissbetonok terülésvizsgálata önmagában nem elegendő ahhoz, hogy a vízcsökkentett, de folyósítószerrel mozgékonnyá tett pépekkel készülő frissbeton szivattyúzhatóságára, bedolgozáskor várható ragadósságára megbízható következtetéseket vonjunk le. Ennek ellenére a cementpép vagy a frissbeton terülési mértékének és a vérzés jelenségének fotókkal való vizuális megjelenítése egyszerű és értékes vizsgálati módszer.

Pépvizsgálataink alapján a Vpor/Vpép≈38– 40% fölötti szárazanyag-tartalmú pépekkel készült betonkeverékek jó szivattyúzhatósága akkor várható, ha e viszonylag tömény pépek viszkozitása is nagymértékben csökkenthető. A következő részben ismertetjük az erre lehetőséget nyújtó megoldásokat.

(fotók: szerzők)

Következő számunkban folytatjuk.