eurÓpai uniÓ strukturÁlis alapok É p Í t Ő a n y a g o k · eurÓpai uniÓ strukturÁlis...

E U R Ó P A I U N I Ó STRUKTURÁLIS ALAPOK

„Az építész- és az építőmérnök képzés szerkezeti és tartalmi fejlesztése”

HEFOP/2004/3.3.1/0001.01

ÉÉ PP ÍÍ TT ŐŐ AA NN YY AA GG OO KK II..

BMEEOEMAT12 segédle t a BME Épí tőmérnök i Kar ha l lgató i részére

Dr. Balázs L. György Építőanyagok I. 1

Építőanyagok I. (BMEEOEMAT12)

TARTALOMJEGYZÉK Jelen óravázlat felosztása 1. A TÁRGY CÉLJA. ÉPÍTŐANYAGOK AZ ÉPÍTÉS TÖRTÉNETÉBEN.

ÉPÍTŐANYAGOK A TERVEZÉS ÉS A KIVITELEZÉS FOLYAMATÁBAN

2. ÉPÍTŐANYAGOK FIZIKAI TULAJDONSÁGAI. TÖMEGELOSZLÁS

3. IDEALIZÁLT σ-ε DIAGRAMOK. FESZÜLTSÉG, SZILÁRDSÁG, ALAKVÁLTOZÁS, RUGALMASSÁGI MODULUS

4. ANYAGVIZSGÁLATOK. FÁRADÁS. WÖHLER-DIAGRAM. KIFÁRADÁSI HATÁR

5. ACÉLVIZSGÁLATOK. ACÉL SZAKÍTÓVIZSGÁLAT. FAJLAGOS ÜTŐMUNKABÍRÁS. ACÉL KEMÉNYSÉG

6. BETONVIZSGÁLATOK. NYOMÓSZILÁRDSÁG. HAJLÍTÓ-HÚZÓSZILÁRDSÁG. HASÍTÓ-HÚZÓSZILÁRDSÁG

7. ADALÉKANYAG. SZEMELOSZLÁSI GÖRBE. FINOMSÁGI MODULUS

8. KÖTŐANYAGOK. CEMENT. KLINKERÁSVÁNYOK. HIDRATÁCIÓ. CEMENTTÍPUSOK

9. FRISS BETON JELLEMZŐI. KONZISZTENCIA ÉRTELMEZÉSE ÉS MÉRÉSE. ADALÉKSZEREK

10. MEGSZILÁRDULT BETON JELLEMZŐI. NYOMÓSZILÁRDSÁG ÁTLAGÉRTÉKE ÉS KARAKTERISZTIKUS ÉRTÉKE.

11. BETONTERVEZÉS. A BETON JELE. KÖRNYEZETI OSZTÁLYOK. RECEPTURA. PRÓBAKEVERÉS

12. FÉMEK JELLEMZŐI. BETONACÉLOK. FESZÍTŐBETÉTEK. HŐMÉRSÉKLET HATÁSA. HEGESZTÉS. ACÉL KORRÓZIÓ

13. FÉLÉVKÖZI SZÁMONKÉRÉSES VIZSGA ZÁRTHELYI

14. RONCSOLÁSMENTES BETONVIZSGÁLATOK. ISMÉTLÉS. FELADATBEADÁS A laboratóriumi gyakorlatok témakörei (segédletek a tantárgy honlapján) M Munkavédelem 1 Kötőanyagok 2 Tömegeloszlás 3 Adalékanyagok 4 Acél húzószilárdság 5 Adalékanyag tervezés 6 Betontervezés 7 Számítási gyakorlatok 8 Friss beton 9 Szilárd beton 10 Roncsolás mentes beton vizsgálatok 11 Matematikai statisztika + minősítés


1. hét: Tárgy célja. Építőanyagok története. Építőanyagok a tervezés és a kivitelezés folyamatában

ÉPÍTŐANYAGOK I. (BMEEOEMAT12)

BME Építőmérnöki Kar Szerkezet-, Infrastruktúra- és Geoinformatika- építőmérnöki ágazat

kötelező építőmérnöki törzstárgy Rövid, féléves tantárgyprogram: A legszélesebb körben használt építőanyagok fő tulajdonságainak bemutatása: fizikai, hidrotechnikai és hőtechnikai jellemzők, szilárdságtani alapfogalmak, alakváltozási jellemzők, fáradás, kúszás, relaxáció, szívósság, ridegség, keménység. Kötőanyagok. Mész, gipsz. Cementek előállítása és tulajdonságai, klinkerásványok. Beton. Adalékanyagok, adalékszerek, frissbeton, konzisztencia, betontervezés, szilárdság értelmezése és vizsgálata. Fémek, vas, acél, folyási határ, szakítószilárdság, szakadó nyúlás, hőmérséklet hatása, hegeszthetőség. Mechanikai tulajdonságok, zsugorodás, duzzadás. 1. TÁRGY CÉLJA. ÉPÍTŐANYAGOK TÖRTÉNETE. ÉPÍTŐANYAGOK A TERVEZÉS ÉS

A KIVITELEZÉS FOLYAMATÁBAN 1.1. BEVEZETÉS Az Építőanyagok tárgy célja, hogy megismerjük a szerkezetépítéshez felhasznált anyagok tényleges tulajdonságait. Ez ugyan olyan fontos feladat mérnökök számára, mint az anatómia ismerete az orvosok számára. Elengedhetetlen ismeretek a mérnöki tanulmányok folytatásához. A félév végéig az anyagismeret olyan szintjére kell eljutnunk, hogy az alapvető anyagtulajdonságok terén való tájékozottságon túlmenően a szerkezettervezéshez szükséges kiinduló adatokat is megismerjük.

Úgy szoktunk fogalmazni, hogy az Építőanyagok tárgy maga, vagy az építőanyagok viselkedésének ismerete az építőmérnökök általános műveltségét adja. Az építőanyagok, ill. a szerkezeti anyagok ismerete legalább annyira szükséges a leendő tervezők, mint leendő kivitelezők vagy kutatók számára.

A természet maga is építkezik, és mi is formáljuk környezetünket. Egy kőből kialakult, természetes ívhíd látható az 1.1. ábrán és egy vasbetonból készült, kecses ívhíd (amit Robert Maillart tervezett) az 1.2. ábrán.

1.1. ábra: A természet alkotta ívhíd 1.2. ábra: Salginatobel híd Svájcban. Gargano, Olaszország Tervezte: Robert Maillart, épült: 1930 (fib, 1999)



E félév keretébe az alapvető anyagismeret és a legszélesebb körben alkalmazott szerkezeti anyagok (elsősorban acél és beton) megismerése tartozik bele.

Az Építőanyagok II. tárgyban majd ezen alapismereteinket ki fogjuk egészíteni további anyagok és anyagtulajdonságok megismerésével. Az Építőanyagok I. és II. tárgyak kiegészítésének tekinthetők többek között a Fa- falazott- és kőszerkezetek című tárgyban elhangzó ismeretek.

Lássuk például mit mondott Pier Luigi Nervi, a XX. század talán legismertebb építő- és építészmérnöke a vasbetonról: „Il cemento armato è il più bel sistema costruttivo che l’umanità abbia saputo trovare fino ad oggi. Il fatto di poter creare pietre fuse, di qualunque forma, superiori alle naturali perché capaci di resistere a tensioni, ha in sé qualche cosa di magico. La proprietà più caratteristica delle strutture in cemento armato è la monoliticità ed è anche quella dalla quale possono nascere le sue più brillanti e specifiche soluzioni statiche. Se si aggiungono l’alta capacità di resistenza a carichi di compressione, la indeteriorabilità agli agenti atmosferici, la facilità esecutiva di forme anche complicate e, infine il relativo basso costo, si vede che il cemento armato è veramente il più interessante e fecondo materiale costruttivo di cui l’umanità oggi disponga.” (Pier Luigi Nervi: született 1891. június 21-én Sondrioban, mérnöki oklevelét Bolognaban szerezte.)

„A vasbeton a legcsodálatosabb szerkezeti anyag, amit az emberiség napjainkig képes volt létrehozni. Már magában az a tény is varázslatos, hogy sikerült olyan tetszőlegesen formázható, mesterséges követ előállítani, ami jobb, mint az eredeti kő, mert húzó igénybevételeket is fölvesz. A vasbeton szerkezetek legjellemzőbb tulajdonsága a helyszíni elkészíthetősége és sajátos statikai megoldásai. Ha hozzátesszük, hogy a beton nyomószilárdsága nagy, a légköri hatásokkal szemben ellenálló, bonyolult formák is létrehoztatók belőle és aránylagos olcsósága mutatják, hogy a vasbeton tényleg a legfontosabb és legbőségesebben rendelkezésünkre álló építőanyag, amivel az emberiség ma rendelkezik” (Balázs L. Gy. fordítása).

A félév végére meg fogjuk érteni ennek az üzenetnek a jelentését anyagtani szempontból is.

1.2. ÉPÍTŐANYAGOK AZ ÉPÍTÉS TÖRTÉNETÉBEN Elődeink már több ezer év óta céltudatosan használják a természetben rendelkezésünkre álló anyagokat az időjárás viszontagságai elleni védelemként, a közlekedés elősegítésére vagy más célra. A természetben fellelhető anyagok három fő csoportba sorolhatók:

1. nagy nyomó-, de relatíve kis húzószilárdságú anyagok, pl.: kő 2. közel azonos húzó- és nyomószilárdságú anyagok, pl.: fa 3.nagy húzószilárdságú, de elhanyagolható nyomószilárdságú anyagok, pl.: indák.

A napon szárított agyag téglát vagy a természetes szálakkal erősített vályog téglát már őseink is használták. Elmondhatjuk, hogy a természetes anyagok felhasználása iránti igény újra és újra előtérbe kerül, miközben keressük az egyéb tartós, és magas igényeket kielégítő anyagokat is.



Mesterséges (előállított) építőanyagok körébe soroljuk a következő anyagokat, amelyek mai formájukig lépésenkénti fejlődés eredményeként jutottak el

− égetett kerámiák, − öntöttvas → vas → acél → feszítőacél, − beton → vasbeton → feszített vasbeton, − üveg termékek, − fa termékek, − műanyagok. Az 1.3. ábra egy teljes mértékben természetes anyagok felhasználásával épült

nádkunyhót mutat, míg az 1.4. ábra egy vasbeton keretvázat üveghomlokzattal.

1.3. ábra: Nádkunyhók, India 1.4. ábra: Üvegfelületű magasépület.

Németország

Az 1.5. ábra egy kis fesztávolságú függőhidat mutat, míg az 1.6. ábra a világ legnagyobb nyílású függőhídját Kobe mellett Japánban. Mindkét híd fő tartószerkezeti elemei az acél függesztőkábelek.

1.5. ábra: Kis függőhíd egy patak felett 1.6. ábra: Akashi Kaikio-híd,

Kobe, Japán, támaszköz: 1992 m


1. hét: Tárgy célja. Építőanyagok története. Építőanyagok a tervezés és a kivitelezés folyamatában 1.3. ÉPÍTŐANYAGOK A TERVEZÉS ÉS A KIVITELEZÉS FOLYAMATÁBAN A szerkezettervezés célja, hogy egy adott igény kielégítésére (pl. lakások kialakítása vagy forgalom átvezetése folyó felett) lehetséges tartószerkezetet hozzunk létre a feladathoz leginkább illő anyagok és szerkezetépítési mód kiválasztásával. Az építményeknek az 1.3.1-1.3.4. pont szerinti követelményeket kell kielégíteniük. Ezen követelmények teljesülését segítjük elő a következőképpen:

− építőanyagok helyes megválasztásával, − építőanyagok tulajdonságainak helyes figyelembevételével, − építőanyagok helyes beépítésével továbbá a − használatban lévő szerkezet megfelelő üzemeltetésével és fenntartásával.

1.3.1. Teherbírási követelmények A szerkezet teherbírásának kimerülése bekövetkezhet törés vagy stabilitásvesztés következtében. Amikor a szerkezet teherbírásának határához ér (és azt követően már összeomolna), azt teherbírási határállapotnak (a teherbírási határállapot megnevezése angolul: Ultimate Limit States) nevezzük. A teherbírási követelmények teljesítése során azt kell igazolnunk, hogy a szerkezet nem omlik össze.

A teherbírási határállapotra való méretezés alapelve, hogy a terhekből és hatásokból származó igénybevételek tervezési éréke nem haladhatja meg a teherbírás tervezési értékét.

A szerkezet teherbírása nem kizárólagosan a tervezőasztalon dől el, hanem jelentős befolyást gyakorolnak rá a tényleges anyagválasztás és a kivitelezési körülmények is.

Az 1.7. ábra egy 2007. aug. 8-án leszakadt hídszerkezetet mutat annak igazolására, hogy mérnökként óriási felelőséggel rendelkezünk akár tervezőként, akár kivitelezőként, akár kutatóként dolgozunk.

1.7. ábra: Leszakadt hídszerkezet, http://en.wikipedia.org/wiki/I-35W_Mississippi_River_bridge

2007. aug. 8., Mississipi, USA


1. hét: Tárgy célja. Építőanyagok története. Építőanyagok a tervezés és a kivitelezés folyamatában 1.3.2. Használhatósági követelmények A használhatósági követelmények kielégítése során azt kell igazolnunk, hogy a szerkezet, használhatóságát rendeltetésszerű használat során nem kell korlátozni. A használhatóság korlátozódása bekövetkezhet túlzott mértékű lehajlások, repedéstágasságok (vasbeton esetén) és vibráció esetén. A használhatósági határállapotok megnevezése angolul: Serviceability Limit States (SLS).

Vasbeton födém túlzott lehajlását mutatja az 1.8. ábra. A lehajlás olyan mértéket ért el, hogy a födémre akasztott csővezeték függesztőrúdja már kihajlott, vagyis nyomóerő volt benne, ahelyett, hogy húzóerő lett volna benne. Az 1.9. ábra betonfelület túlzott repedezettségét mutatja.

1.8. ábra: Túlzott lehajlás 1.9. ábra: Túlzott repedezettség

1.3.3. Tartóssági követelmények A tartóssági követelmények teljesítésével azt szándékozunk elérni, hogy a szerkezet használati élettartama (service life) alatt ne igényeljen jelentős fenntartást.

Az 1.10. ábrán bemutatott hídszerkezet leromlása szigetelési okokra volt visszavezethető. A pályaszerkezetről a víz (télen hideg, sós víz) közvetlenül a szélső tartóra folyt, és így annak gerince valamint alsó öve jelentős korróziós károsodást szenvedett. A szélső tartó megerősítését azóta már elvégezték.



a) Oldalnézet b) Korróziós nyomok a hídgerenda gerincén és alsó övén

1.10. ábra: Szélső hídgerenda korróziós károsodása (Csörnöc patak híd, Körmend) A tartósság (durability) elemzésekor ismernünk kell a beépített anyagok lehetséges

leromlási folyamatait a nem erőteher jellegű hatásokra is, mint például: víz, vegyi anyagok, gázok, UV sugárzás, magas hőmérséklet stb.

1.3.4. Esztétikai követelmények Az esztétikai (aesthetics) követelmények megfogalmazása viszonylag egyszerű, de elérése esetenként már jóval nehezebb. Elvárjuk, hogy legyen a szerkezet tetszetős önmagában és a környezetbe illesztve is. Erre való törekvés belső igény kell legyen bennünk, építőmérnökökben is. A magasabb esztétikai igények sok esetben jelentenek összetettebb számításokat is, de a fáradság megéri. Az 1.11. ábra mutat szép példát a templom építészetből beton felhasználásával.

1.11. ábra: Bahai templom, Új-Delhi, India


1. hét: Tárgy célja. Építőanyagok története. Építőanyagok a tervezés és a kivitelezés folyamatában 1.4. A témakörhöz tartozó fő kifejezések angolul structural materials: szerkezeti anyagok Ultimate Limit States (ULS): teherbírási határállapot Serviceability Limit States: használhatósági határállapot durability requirements: tartóssági követelmény aesthetical requirements: esztétikai követelmény service life: használati élettartam 1.5. Irodalom fib: „Structural Concrete – Textbook on Behaviour, Design and Performance”, Int. Associate

for Structural Concrete, Sprint-Druck Stuttgart, 1999, ISBN 2-88394-041-X Nervi, P. L. Jr. – Positani, G.: „Pier Luigi Nervi”, a cura di Paolo Desidere Zamichelli Editore

Bologna, 1983


2. hét: Építőanyagok fizikai tulajdonságai. Tömegeloszlás 2. ÉPÍTŐANYAGOK FIZIKAI TULAJDONSÁGAI, TÖMEGELOSZLÁS 2.1. ÉPÍTŐANYAGOK FIZIKAI TULAJDONSÁGAI Az építőanyagok fizikai tulajdonságain azon tulajdonságokat értjük, amelyek a mechanikai igénybevételtől általában függetlenül szolgálnak az anyag jellemzésére, és fontosak a mérnöki felhasználás szempontjából. Az építőanyagok mechanikai tulajdonságain azokat az anyagtulajdonságokat értjük, amelyek az anyagok terhelhetőségével és a terhekből származó alakváltozásaival kapcsolatosak. A mechanikai tulajdonságokkal a későbbiekben részletesen foglalkozunk, ezért itt előrevetítünk néhány fontos fizikai tulajdonságot. 2.1. TÖMEGELOSZLÁSSAL KAPCSOLATOS TULAJDONSÁGOK 2.1.1. Sűrűség Az általános definíció szerint a sűrűség (ρ), a tömeg m (kg) és a térfogat (V) hányadosa:

Vm

=ρ , kg/m3.

A számítás elvégzésénél azonban figyelembe kell vennünk az anyag (2.1. ábra) szerkezeti felépítését. Tömör anyagok esetén az anyag esetén nem kell módosítást végeznünk. Pórusokat (és esetleg üregeket) tartalmazó anyagok esetén (2.1.b-d) a vizsgált test tömegét és teljes befoglaló térfogatát kell behelyettesíteni (azaz m = mt és V = Vt), s az így kapott mennyiség neve testsűrűség (ρt).

2.1. ábra: Az anyag tömegével kapcsolatos tulajdonságok

a) tömör anyag b) porózus anyag c) porózus szemcsékből

felépülő anyag d) üreges porózus anyag

Halmazszerű anyagok esetén pedig a hézagokat is tartalmazó tömeg valamint a halmaz

teljes térfogata kerül behelyettesítésre (azaz m = mh és V = Vh). Mindezek után a sűrűségszámítás szempontjából megkülönböztetendő három anyag csoport:

a) tömör anyagok (pl. fém, üveg, műanyag): ρ = m/V b) porózus anyagok (pl. beton, tégla): ρ = mt/Vt = ρt c) halmazok (pl. homokos kavics, zúzottkő): ρ = mh/Vh = ρh.


2. hét: Építőanyagok fizikai tulajdonságai. Tömegeloszlás

Porózus anyagoknál is értelmezhető a tömör anyag sűrűsége a pórusok nélkül. Az anyagsűrűség mérését piknométerrel végezzük. A piknométeres méréshez az anyagot olyan mértékig porítani kell, hogy átessen a 0,2 mm lyukbőségű szitán. A piknométeres mérés lényege, hogy meghatározzuk a porított anyag térfogatát a folyadék kiszorítás elve alapján (gyakorlaton bemutatjuk).

2.1.2. Tömörség és porozitás A tömörség a tömör anyag részarányát jelenti, az egészhez, dimenziótlan mennyiség. Tömör anyag tömörsége egységnyi (100%). A porozitás a pórusok részarányát jelenti a teljes térfogathoz képest, dimenziótlan mennyiség. Tömör anyag porozitása mellett.

A porozitásnak – mint látni fogjuk – nagyon fontos szerepe van a betonok szilárdsága, fagyállósága és vízzárósága szempontjából.

A porozitás fogalmán belül megkülönböztetünk látszólagos porozitást, ami a vízzel feltölthető pórusok (kapillárisok) részarányát jelenti.

A laboratóriumi gyakorlaton részletesen bemutatjuk a sűrűség, a tömörség és a porozitás egyes értelmezési lehetőségeit. A tömegeloszlás laboratóriumi gyakorlaton bemutatásra kerülnek (lásd gyakorlati segédlet):

− anyagsűrűség piknométerrel − testsűrűség − tömörség − pórusok fajtái (zárt üreg, nyitott pórusok, kapillárisok) − porozitás − látszólagos porozitás − üregtérfogat (pl. soklyukú téglák) − halmazsűrűség (pl. szemcsés, ill. darabos anyagok).

meghatározása. Gyakorlati mérés 1: Szabályos alakú test testsűrűsége Gyakorlati mérés 2: Pórusos anyag anyagsűrűsége (piknométerrel) Gyakorlati mérés 3: Soklyukú tégla testsűrűsége és üregtérfogata Gyakorlati mérés 4: Halmazsűrűség Gyakorlati mérés 5: Szabálytalan alakú test térfogata és testsűrűsége


2. hét: Építőanyagok fizikai tulajdonságai. Tömegeloszlás 2.2. FAJLAGOS FELÜLET MEGHATÁROZÁSA BLAINE-KÉSZÜLÉKKEL A fajlagos felületet cementek és más finom őrlemények őrlési finomságának a jellemzésére használjuk.

A Blaine-féle felületmérés elve az, hogy a vizsgálandó őrleményből ismert porozitású réteget készítenek a készülék mintatartó cellájában, majd megmérik a réteg levegőáteresztő képességét. A fajlagos felület képlete:

( )t

eeKAf ⋅⋅−

=ηρ1

3

1

ahol K1 a készülék állandója (ismert fajlagos

felületű őrleménnyel való mérés alapján számítható ki, fenti egyenlet alkalmazásával),

e = ρ⋅

−V

m1 a réteg porozitása,

m az anyag tömege, g, V1 a mintatartó cellának a minta

befogadására alkalmas térfogata, mℓ, ρ a minta sűrűsége, g/mℓ, t a Blaine-készülék U csövében előzőleg

felszívott folyadék süllyedési ideje, a csőre maratott két jel között, s,

η a levegő viszkozitása a kísérleti hőmérsékleten, 10-1 N · s/m2.

A vizsgálat során mind a készülék, mind a vizsgálandó anyag hőmérsékletének 20 ± 2ºC-nak kell lenni. Az állandó porozitást, amelyet 0,500 ± 0,005-re választanak, úgy érik el, hogy az anyag sűrűségétől függő tömegű mintát mérnek a készülék mintatartójába:

m = 0,5V · ρ.

2.2. ábra: Blaine-készülék, méretek mm-ben 1: U alakú üvegcső, 2: szintjelek, 3: csiszolt csatlakozó rész, 4: mintatartó cella, 5: perforált lemez, 6: szűrőpapír korongok, 7: U csőhöz csatlakozó csiszolt felület, 8: tömörítő dugattyú, 9: felfekvő elem



A Blaine-féle készülék U alakú üvegcső (2.2. ábra), amelynek egyik szára légmentesen

kapcsolódik a mintatartó cellához, a másik szára nyitott. A mintatartó cellához kapcsolódó csőszáron négy bekarcolt jel van. A csövét az alsó jelig nem illó, nem higroszkópos folyadékkal (pl. paraffinolaj, dibutil-ftalát) fel kell tölteni. Majd az m tömegű mintaanyagot el kell helyezni a mintatartóban. A minta alatt a perforált lemezen és felette is szűrőpapír korongot kell elhelyezni.

A minta térfogatát úgy biztosítják, hogy a tömörítő dugattyút a mintatartó felső szárával ütköztetik. A mintatartóba 105 ± 2ºC hőmérsékleten kiszárított anyagot kell elhelyezni. Majd a tömörítő dugattyút kivéve a mintatartót óvatosan ráhelyezik a cső négy bekarcolt jelű szárára. A minta alól kiszívják a levegőt úgy, hogy a folyadék a legfelső jelig emelkedjék. Majd a csap elzárása után a folyadékszint süllyedni kezd. Azt a t időt kell stopperórával megmérni, amíg a folyadékszint a második jeltől a harmadik jelig süllyed. A mérés pontossága tizedmásodperc nagyságrendű kell legyen.

A mérés előtt kell meghatározni ismert fajlagos felületű őrleménnyel a műszerállandót az előző képlettel. 2.3. HIDROTECHNIKAI TULAJDONSÁGOK A porózus anyagok vízfelvételre képesek, amely víz azonban kiszárítással el is távolítható. A víztartalom %-os értéke a vizsgálandó (vizes) anyag tömege (m) csökkentve a kiszárított tömeggel (md) és az vonatkoztatva a kiszárított tömegre:

%100⋅−

=d

d

mmmw .

A porózus anyagokban a víz mozgása is lehetséges. Az átfolyó vízmennyiséget

(vízáteresztés) a Darcy-törvény segítségével becsülhetjük:

tAdhkQ ⋅⋅⋅= ,

ahol

Q az áteresztett vízmennyiség, m3, A a próbatest keresztmetszeti területe, m2, t a szivárgás időtartama, s, h a nyomást előidéző vízoszlop magassága, m, d a szivárgási hossz (a próbatest vastagsága) m,

i = dh a hidraulikus gradiens,

k az áteresztési együttható, m/s.



A képletből a vízáteresztési együttható

tAiQk⋅⋅

= ,

tehát az a vízmennyiség, amely egységnyi hidraulikus gradiens esetén egységnyi felületen egységnyi idő alatt átfolyik.

A vízzáróság fogalma definiálható lenne az időegység alatt átfolyó vízmennyiséggel. A laboratóriumban való vizsgálhatóság érdekében azonban ehelyett inkább a víz behatolási mélységét mérjük adott idő alatt megadott nyomásviszonyok között. Beton vízzáróságának vizsgálata esetén a víznyomás általában 5 bar 72 órán át.

A fagyállósági vizsgálat célja, hogy annak megállapítása, hogy a szerkezeti anyag belsejében a téli napszakok folyamán ciklikusan megfagyó, majd felengedő víz milyen mértékű anyagszerkezeti károsodást okoz. A vizsgálat során ezért az anyagokat adott számú fagyasztási-felolvasztási (általában 50, 100 vagy 150) ciklusnak vetjük alá. Végezetül megvizsgáljuk, hogy mennyi volt a ciklusok során a tömegveszteség (max. 5% megengedett) és mennyi volt a szilárdságcsökkenés a fagyasztás nélkül vízben tárolt próbatestek szilárdságához képest (max. 30% megengedett). 2.4. HŐTÁGULÁSI EGYÜTTHATÓ Hőmérséklet emelkedés hatására általában az anyagok kitágulnak (megnövekszik hosszúk, térfogatuk) és hőmérséklet csökkenés hatására összehúzódnak. A kitágulás és összehúzódás jelentős igénybevételeket és elváltozásokat eredményezhet még a szabványos hőmérsékleti tartományban is. A hosszváltozás (∆ℓ) általában számítható az eredeti hossz (ℓ, mm), a lineáris hőtágulási együttható (α, 1/ºC) és a hőmérsékletkülönbség (∆ + ºC) függvényében a következő képlettel:

∆ℓ = α· ℓ · ∆t, mm.

A lineáris hőtágulási együttható pozitív előjelű szám (kivéve egyes műanyagokat, amelyek negatív értéket is felvehetnek – lásd Új anyagok és technológiák c. tárgy).

2.5. A témakörhöz tartozó fő kifejezések angolul density: sűrűség mass: tömeg volume: térfogat porosity: porozitás water permeability: vízáteresztő képesség freez-thaw resitance: fagyállóság coefficient of thermal expansion: lineáris hőtágulási együttható


2. hét: Építőanyagok fizikai tulajdonságai. Tömegeloszlás 2.6. Irodalom Balázs Gy.: „Építőanyagok és kémia”, Tankönyv, Műegyetemi Kiadó 1994, J94493, pp. 67-

88. Neville, A. M.: „Properties of Concrete”, Fourth Edition, 1995, Longman Group Limited, pp.

24-25. Gyakorlati segédlet


3. hét: Idealizált σ-ε diagramok. Feszültség, szilárdság, alakváltozás, rugalmassági modulus 3. IDEALIZÁLT σ-ε DIAGRAMOK. FESZÜLTSÉG, SZILÁRDSÁG, ALAKVÁL-

TOZÁS, RUGALMASSÁGI MODULUS 3.1. IDEALIZÁLT σ-ε DIAGRAMOK Mérnökök számára az anyagtulajdonságok közül talán legfontosabb a σ-ε diagramok vagyis a feszültség és alakváltozás összefüggések ismerete. A σ-ε diagram ordinátája a feszültség (felületegységre eső erő):

σ = F/A, N/mm2

abszcisszója az alakváltozás (fajlagos megnyúlás):

ε = ∆ℓ/ℓ, – ahol ∆ℓ a megnyúlás és ℓ az eredeti hossz. Az ε dimenziótlan mennyiség általában százalékban vagy ezrelékben (mm/m) kifejezve.

A szilárdság az elérhető legnagyobb feszültséget jelenti, dimenziója szintén N/mm2, mint a feszültség. Jele f (korábban R = resistance).

A mechanikai tanulmányok során először a 3.1. ábra bemutatott idealizált σ-ε diagramok jelennek meg, ezért először ezeket mutatjuk be, majd hamarosan rátérünk tényleges anyagviselkedés bemutatására.

3.1. ábra: Idealizált σ-ε diagramok a) lineárisan rugalmas b) lineárisan rugalmas-tökéletesen képlékeny c) merev-tökéletesen képlékeny d) lineárisan rugalmas-lineárisan felkeményedő


3. hét: Idealizált σ-ε diagramok. Feszültség, szilárdság, alakváltozás, rugalmassági modulus

Az idealizált szó arra utal, hogy a tényleges anyagviselkedést leegyszerűsítve vesszük figyelembe, annak érdekében, hogy számításaink viszonylag egyszerűek lehessenek. A lineárisan rugalmas diagramot (3.1.a ábra) rugalmas anyagok (acél és kis terhelésű beton); a lineárisan rugalmas-tökéletesen képlékeny diagramot (3.1.b ábra) kezdetben rugalmas, majd képlékeny állapotba került acél; a merev-tökéletesen képlékeny diagramot (3.1.c ábra) képlékeny állapotba került beton és a lineárisan rugalmas-lineárisan felkeményedő (3.1.d ábra) feszítőbetétek teher alatti viselkedésének leírására használjuk elsősorban. A nyilak a terhelés ill. tehermentesítés irányait jelölik ki.

A lineárisan rugalmas diagram megfeleltethető a lineárisan rugalmas rugó viselkedésnek (3.2.a ábra); a merev-tökéletesen képlékeny diagram megfeleltethető a de Saint Venant-féle súrlódó test viselkedésének (3.2.b ábra); a lineárisan rugalmas-tökéletesen képlékeny diagram a lineárisan rugalmas rugó és a sorba kapcsolt súrlódó test egyidejű viselkedésének (3.2.c ábra); továbbá a lineárisan rugalmas-lineárisan felkeményedő diagram a párhuzamosan kapcsolt lineárisan rugalmas rugó valamint a rugó és a súrlódó test együttes viselkedésének (3.2.d ábra).

Ezekből az alapmodellekből további modellek képezhetők bonyolultabb feladatok megoldására azok sorba, ill. párhuzamos kapcsolásával. Mindezen modellek az idő tényezőt, mint paramétert még nem veszik figyelembe. A 3.2. ábrákból látható továbbá, hogy az anyagviselkedés értelmezhető húzó- és nyomóerő esetére egyaránt, de a viselkedés nem feltétlenül szimmetrikus. Általában szimmetrikus viselkedést mutat az acél, de aszimmetrikus viselkedést mutat pl. a kő és a beton.

3.2. ábra: Idealizált σ-ε diagram modelljei

A Hooke-törvény megadja, hogy a feszültség (σ) arányos az alakváltozással (ε) és az

arányossági tényező a rugalmassági modulus (E):

σ = E · ε N/mm2

A rugalmassági modulus kísérleti meghatározásához is a Hooke-törvényt használhatjuk, ahol mért eredményként a feszültség változását ∆σ és a fajlagos alakváltozás változatosságát felhasználva

E = ∆σ/∆ε N/mm2



3.3. ábra: Rugalmassági modulusok

Nem lineáris σ-ε diagram mentén a következő rugalmassági modulusokat értelmezhetjük (3.4. ábra).

Kezdeti rugalmassági modulus (Eo): a σ-ε diagram origójában húzható érintő iránytangense.

Húrmodulus (Eh): a σ-ε diagram adott pontjához tartozó feszültség és a teljes alakváltozás hányadosa.

Érintő modulus (Eσ): a σ-ε diagram valamely pontjához húzható érintő iránytangense.

Acél esetén ν = 0,3 beton esetén ν = 0,1-0,35. Ezen definíciók értelmében a

rugalmassági modulus a σ-ε diagram iránytangensét vagy érintőjének iránytangense is jelenti.

Szilárd anyagok terhelése során azt tapasztalhatjuk, hogy alakváltozás nem csak az erő irányában következik be, hanem arra merőlegesen is. Hosszirányú húzás esetén megnyúlás jelentkezik hosszirányban és rövidülés keresztirányban. Nyomóerő esetén fordítva. A jelenség neve: harántkontrakció. A kereszt- (εy) és hossz- (εx) irányú alakváltozások aránya a Poisson-tényező (ν)

ν = x

y

εε

–

3.4. ábra: Harántkontrakció

3.2. TERHEK ÉS HATÁSOK Szerkezeteinket érő terhek lehetnek:

− mechanikai: önsúly, hasznos teher, koptatás − fizikai: hőmérséklet ingadozás (beleértve fagyás-olvadást), nedvesség

ingadozás, hangterjedés, tűzhatás − kémiai: agresszív folyadékok és gázok − biológiai: mikroorganizmusok.

Önsúly teher a szerkezet beépített terheiből származik. H.... teher a szerkezetnek az a terhe, amelynek viselésére a szerkezetet építettük (pl. lakóteher), ill. az önsúlyon túlmenően figyelembe veendő (pl. hó, szél).



a) statikus teher b) tartós teher c) sokszorosított teher d) impulzus jellegű teher 3.5. ábra: Terhek jellege

A terheket jellegük szerint a következő csoportokba sorolhatjuk (3.5. ábra). A statikus teher rövid idejűen működik és intenzitását fokozatosan növekvőnek tekintjük, miközben a terhelési sebesség viszonylag kicsi (nem okoz különbséget az anyagszilárdságban). A tartós tehernek az időben állandó (vagy közel állandó) terhet tekintjük (pl. könyvek a könyvtárban). A sokszorismételt teher intenzitása ciklikusan változik (pl. kamionok egymást követően áthaladnak a hídon). Az impulzus szerű teher kifejtéséhez időtartama infinitenzinálisan kicsi, de a teher értéke nagy (pl. gépjármű ütközése hídfőnek). 3.3. A témakörhöz tartozó fő kifejezések angolul stress: feszültség (σ) dead load: önsúly teher strength: szilárdság (f vagy R) live load: hasznos teher strain: alakváltozás (ε) long term load: tartós teher loading: terhelés cyclic load: ismételt teher unloading: tehermentesítés loading rate: terhelési sebesség Posson ratio Poisson tényező modulus of elasticity = Young’s modulus: rugalmassági modulus monotonically increasing load: statikus teher 3.4. Irodalom Balázs Gy.: „Építőanyagok és kémia”, Tankönyv, Műegyetemi Kiadó 1994, J94493, pp.114-

127. Gyakorlati segédlet


4. hét: Anyagvizsgálatok. Fáradás. Wöhler-diagram. Kifáradási határ 4. ANYAGVIZSGÁLATOK. FÁRADÁS. WÖHLER-DIAGRAM.

KIFÁRADÁSI HATÁR 4.1. ANYAGVIZSGÁLATOK Az anyagvizsgálatok célja a felhasznált anyagok tulajdonságainak megismerése olyan részletességgel, hogy a szerkezetekkel szemben támasztott követelmények igazolhatók legyenek a szerkezet élettartamának minden időpontjában. Ez értelemszerűen roppant nehéz feladat. Sok esetben előre kell megmondanunk a jövőbeni körülmények pontos ismerete nélkül. 4.1.1. Roncsolásos vizsgálatok A tényleges anyagtulajdonságok meghatározási módjának tekintjük az un. roncsolásos vizsgálatokat (destructive testing). A roncsolásos vizsgálatok esetén:

− a vizsgálatot a szerkezet anyagaival azonos anyagból készült próbatesten vagy kivett mintán végezzük,

− a próbatest (vagy minta) a vizsgálat során tönkremegy. A roncsolásos vizsgálatok csoportjába tartoznak alapvetően a szilárdsági (vagy törési)

vizsgálatok. 4.1.2. Roncsolásmentes vizsgálatok Az anyagtulajdonságok közelítő meghatározására roncsolásmentes (non-destructive testing) vizsgálatokat végezhetünk. Roncsolásmentes vizsgálat esetén:

− az elem nem megy tönkre (legfeljebb minimális felületi elváltozás következik be) − a vizsgálat általában tetszőleges számban ismételhető.

Mérési elvét és végrehajtási módját tekintve sok féle roncsolásmentes vizsgálat alakult ki, ill. van kialakulóban. Ide tartoznak például:

− felületi keménység mérésén alapuló vizsgálatok a szilárdság becslésére, − ultrahang terjedési sebességének mérésén alapuló vizsgálatok szintén a szilárdság

becslésére, − hangemissziós vizsgálatok a belső tönkremeneteli folyamatok követésére, stb.

4.2. SZILÁRDSÁGI VIZSGÁLATOK A terhek jellegétől (és előjelétől) valamint az anyagok felépítésétől függően különféle roncsolásos szilárdságvizsgálati módokat ismerünk. Ezen vizsgálatok egy része anyagtól független, de túlnyomó részük anyagtól függő. A szilárdság értelmezése összefügg a tönkremeneteli móddal, ill. a próbatest alakjával. Értelemszerűen olyan vizsgálatot igyekszünk végezni, aminek eredménye arra az anyagra jellemző, és viszonylag könnyel elvégezhető.


4. hét: Anyagvizsgálatok. Fáradás. Wöhler-diagram. Kifáradási határ

A fő anyagvizsgálatokat a következőképpen csoportosíthatjuk: 1. Fáradási vizsgálat:

Az anyag sokszorismételt teherrel szembeni ellenállását vizsgáljuk. Végezhető acélon, betonon és más anyagokon egyaránt.

2. Acélvizsgálatok (lásd 5. hét anyaga):

− húzóvizsgálat (a szilárdsági és alakváltozási jellemzők meghatározására) − Charpy-féle fajlagos ütőmunkabírás (acélok rideg törési hajlamának vizsgálatára) − felületi keménység vizsgálat (felületi keménységméréssel következtethetünk a

húzószilárdságra). 3. Betonvizsgálatok (megszilárdult betonon) (lásd 6. hét anyaga):

− nyomószilárdság vizsgálat (a nyomószilárdság meghatározására) − központos húzószilárdsági vizsgálat (a központos húzószilárdság meghatározására) − hajlító vizsgálat (a hajlító-húzószilárdság meghatározására) − hasító vizsgálat (a hasító húzó-szilárdság meghatározására).

4.3. FÁRADÁSI SZILÁRDSÁG, WÖHLER-DIAGRAM Fáradási (fatigue) jelenséget ismételt terhelés esetén tapasztalunk. Az ismételt terhelés hatására az anyag tönkremenetele a statikus teherhez tartozó szilárdságnál alacsonyabb szinten következik be. Ezt hívjuk fáradási szilárdságnak (fatigue strength). A halmozódó alakváltozások következtében a tönkremenetel bekövetkezik annak ellenére, hogy a statikus szilárdságnak megfelelő terhet egyszer sem fejtettük ki. A fáradási szilárdság ismerete ezért roppant fontos minden olyan szerkezet vagy szerkezeti elem esetén, amelyek ismételt terhet kapunk.

Az ismételt terhet általában egy alsó (σmin) és egy felső (σmax) feszültségszint közötti ciklikus változásként adhatjuk meg (4.1.a ábra). (Az alsó szint reprezentálhatja pl. a híd önsúlyából, míg a felső a híd önsúlyából és gépjárműterhéből származó feszültségeket. A kettőnek az átlagértéke a középfeszültség. A felső és az alsó feszültségszint különbsége az amplitúdó. Kísérletek esetén először középfeszültséget fejtünk ki, és a σmax-σmin amplitúdó felét alkalmazzuk ciklikusan ettől lefelé és felfelé. 4.3.1. Az ismételt teher értelmezése A relatív teherszint és a tönkremenetelhez tartozó ismétlésszám függvényben két esetet különböztetünk meg: − teherismétlések száma nagy, de a relatív teherszint viszonylag kicsi (high cycles fatigue)

pl. hidak esetén, − teherismétlések száma kicsi, de a relatív teherszint nagy (low cycles fatigue) pl.

földrengésnek kitett szerkezetek esetén.



Az ismételt teher által létrehozott feszültségek előjele szempontjából megkülönböztetünk (4.1.b ábra): − lüktetőfeszültségeket, amikor σmin és σmax előjele azonos (cyclic load vagy repeated load)

• lüktető-húzófeszültség: (σmin > 0 és σmax > 0) • lüktető-nyomófeszültség: (σmin < 0 és σmax < 0) • null kezdésű lüktető feszültség: σmin = 0 vagy σmax = 0.

− lengő feszültség, amikor σmin és σmax eltérő előjelű (4.1.b ábra). Ez tipikusan a földrengés esete, de máskor is előfordulhat (pl. szélteher).

4.3.2. Wöhler-diagram A Wöhler-diagram (angolul S-N curve) (4.1.a ábra) megadja a sokszorismételt terhelés során tönkremenetelt okozó teher.... és a hozzátartozó ismétlésszám logaritmusának összefüggését.

4.1. ábra: Sokszorismételt teher és fáradási szilárdság a) σmin és σmax definíciója teherciklusok során b) fárasztófeszültség megnevezése c) a Wöhler-diagram



A Wöhler-diagram vonala közvetlenül a fáradt törést jelenti. Az alatta lévő terület a biztonsági tartomány, vagyis az arra eső értékpárok esetén nem következik be fáradt törés. A felette lévő terület fizikai lehetetlenség.

A Wöhler-diagram a szokásos feltételezések szerint aszimptotikusan végértékhez tart. Ezen végérték neve kifáradási határ (endurance limit). A kifáradási határ dimenziója N/mm2. A kifáradási határ alatti teherszintek elvileg végtelenszer ismételhetők. 4.4.3. A fáradási folyamat értelmezése Elgondolkodtató, hogy miért kisebb a fáradási szilárdság, mint a statikus szilárdság? Másként fogalmazva, miért következik be az anyag tönkremenetele sokszorismételt teher alatt anélkül, hogy a statikus szilárdságot kifejtettük volna?

Napjaink kutatásai rámutattak (pl. hangemissziós vizsgálatok), hogy az anyagban a teherismétlések során mikro-repedések, belső diszlokációk keletkeznek, annak ellenére, hogy a teherszint nőne. A belső mikro-repedések és diszlokciók valójában észlelhetők az alakváltozások növekedése révén. Ezek halmozódása vezethet végül tönkremenetelhez (4.2. ábra).

4.2. ábra: Ismételt teher alakváltozást növelő hatásának érzékeltetése σ-ε diagramon

A fáradási vizsgálatokat laboratóriumban általában 2·106 ismétlésszámig végzik, ill. végezték. A mai forgalomszámlálási adatok ennék jóval nagyobb 107 és 108 áthaladási számokat is mutatnak.


4. hét: Anyagvizsgálatok. Fáradás. Wöhler-diagram. Kifáradási határ 4.4. A témakörhöz tartozó fő kifejezések angolul destructive testing: roncsolásos vizsgálat cyclic loading: sokszorismételt teher non-destructive testing: roncsolásmentes vizsgálat aconstic emission: hangemisszió earthquake: földrengés fatigue: fáradás S-N diagram: Wöhler-diagram endurance limit: kifáradási határ reversed cyclic loading: előjelváltó teherismétlések number of load cycles: teherismétlések száma high cycles fatigue: nagy ismétlőszámhoz tartozó fáradás low cycles fatigue: kis ismétlőszámhoz tartozó fáradás 4.5. Irodalom Balázs Gy.: „Építőanyagok és kémia”, Tankönyv, Műegyetemi Kiadó 1994, J94493, pp.103-

113.


5. hét: Acélvizsgálatok. Acél szakítóvizsgálat. Fajlagos ütőmunkabírás. Acél keménység 5. ACÉLVIZSGÁLATOK. ACÉL SZAKÍTÓVIZSGÁLAT.

FAJLAGOS ÜTŐMUNKABÍRÁS. ACÉL KEMÉNYSÉG Jelen fejezetben megismerjük az acéloknál leginkább használatos vizsgálati módokat, és bemutatjuk az eredményül kapható anyagjellemzőket. 5.1. ACÉL HÚZÓVIZSGÁLAT Az acélok legismertebb és legszélesebb körben használt vizsgálati módja az acél szakító- (vagy húzó-) vizsgálata. Hasonló jellegű vizsgálatot végezhetünk más anyagok pl. fa, műanyag és szálas anyagok esetében is.

A szakítóvizsgálat célja, hogy meghatározzuk az acél tényleges σ-ε diagramját egészen a tönkremenetelig, és leolvassuk a diagram jellemző értékeit, amelyek alapadatul fognak szolgálni tervezőink számára. A tényleges szó itt egyúttal föl kívánja hívni a figyelmet a 3. hét anyagában tárgyalt idealizált σ-ε diagramhoz viszonyított különbségekre is.

Az acél húzóvizsgálathoz az 5.1.a ábrán bemutatott jellegű próbatesteket készítünk. A próbatest végének kiszélesítése a szakítógépbe való biztonságos befogást szolgálja, annak érdekében, hogy a szakadás keresztmetszete ne a befogás főkeresztmetszetében legyen.

A szakítóvizsgálat során az erőt (F) és a megnyúlást (∆ℓ) folyamatosan mérjük. Ezekből számítjuk (és esetleg már ábrázoljuk közvetlenül a mérés során) a feszültséget a kiindulási keresztmetszettel (Ao) való osztás révén:

σ = F/Ao, N/mm2. Az alakváltozást (ε) az eredeti hosszal való osztás révén kapjuk:

ε = ∆ℓ/ℓo, mm/mm.

A σ-ε diagram jellege szerint az acélokat és az acélbetéteket két csoportba soroljuk: tényleges folyási határral rendelkező acélok és tényleges folyási határral nem rendelkező acélok. 5.1.1. Tényleges folyási határral rendelkező acél σ-ε diagramja A tényleges folyási határral rendelkező acél σ-ε diagramja (5.2.a ábra) kezdetben lineáris, vagyis követi a Hooke-törvényt. A linearitás fönnáll az un. arányossági határig. Az egyenes meredeksége a rugalmassági modulus (Es). Kísérlettel meghatározva: Es = ∆σ/∆ε, ahol ∆σ és ∆ε feszültség, ill. alakváltozás növekményt jelentenek a lineáris szakaszon mérve.


5. hét: Acélvizsgálatok. Acél szakítóvizsgálat. Fajlagos ütőmunkabírás. Acél keménység

a) b) c)

5.1. ábra: Acélvizsgálatok a) acél húzóvizsgálat b) Charpy-féle ütővizsgálat c) keménységmérés, Poldi-kalapács

Az arányossági határt követően a σ-ε diagram befordul vízszintesbe, vagyis a folyás

jelenségét tapasztaljuk. A fémek folyása: feszültség növekedés nélküli alakváltozás növekedést jelent. A folyás befejeztével felkeményedés tapasztalható, ami a feszültségek további növekedését jelenti. A felkeményedő ág tetőpontja a húzószilárdság vagy szakítószilárdság (jele: Rt,t, újabban ft), ami az elérhető legnagyobb feszültséget jelenti. A húzószilárdság meghatározásához elosztjuk a húzóvizsgálatok során mért legnagyobb húzóerőt (Fmax), amelynek a kiindulási állapothoz tartozó keresztmetszeti területtel (Ao). A számításban tehát nem vesszük figyelembe a vizsgálat során tapasztalható keresztmetszet csökkenést. Tönkremenetel közelében a keresztmetszet valójában csökken, és ezzel adódna az 5.2.a ábra szerinti szaggatott vonal. A szilárdságot követően létezik még egy rövid leszálló ág, amelynek végpontjához tartozó alakváltozás a szakadó nyúlás (εsu).

A tervezési feladatok megoldása során a felkeményedő ágtól a biztonság javára általában eltekintünk, s így marad a lineáris kezdeti szakasz és a folyást reprezentáló vízszintes szakasz (5.3. ábra). A folyási feszültség (fy) veszi át ebből kifolyólag a legnagyobb feszültség (a szilárdság) részét is, ezért a tervezés során folyási határként (yield strength) fogjuk említeni (dimenziója N/mm2). Ezt a feszültséget ill. ennek 5% alulmaradási valószínűséggel meghatározott értékét (neve: a folyási háttér karakterisztikus értéke: fyk, N/mm2) fogjuk felhasználni tönkretevő feszültségként.

A tényleges határral rendelkező acélok σ-ε diagramjai a melegen hengerelt acélok viselkedésének leírására szolgálnak. Ezen acélok σ-ε diagramja húzásra és nyomásra gyakorlatilag azonosnak tekinthetők. 5.1.2. Tényleges folyási határ nélküli acél σ-ε diagramja A hidegen alakított (cold worked) acélok húzási viselkedése a tényleges folyási határ nélküli acélok σ-ε diagramjával jellemezhető (5.2.b ábra). A feszített vasbeton elemek gyártásához tartozó feszítőbetétek például mind ebbe a csoportba tartoznak.



A kezdeti, lineáris szakaszt nem-lineáris növekedés követi a szilárdság eléréséig. Végül rövid leszálló ág tapasztalható. Annak érdekében, hogy a folyás fogalmát fenntarthassuk – beleértve a hidegen alakított acélokat is – bevezetésre került az egyezményes folyási határ (nominal yield strength).

Az egyezményes folyási határ definíciójának általában a 0,2% maradó alakváltozáshoz tartozó feszültséget tekintjük. Megszerkesztése (korábban grafikusan, ma számítógéppel) úgy történik, hogy az ε = 0,2% pontból párhuzamosat húzunk a σ-ε diagram kezdeti, lineáris szakaszával, és leolvassuk az ordinátán a kiadódó feszültséget. A kiadódó feszültség az egyezményes folyási határ, és jele: fy,0,2 az új európai tervezési előírásokban Ry,0,2 (a korábbi gyakorlatban).

A húzóvizsgálat során meghatározható még a kontrakció és a szakadó nyúlás.

a) b) 5.2. ábra: Acélok σ-ε diagramjának jellemzői

a) tényleges folyási határral rendelkező acél σ-ε diagramja b) tényleges folyási határral nem rendelkező acél σ-ε diagramja

5.3. ábra: Acélok σ-ε diagramja, ahogy a tervezéshez használjuk

σs

εs

εsu

εsu’

fy

fy’


5. hét: Acélvizsgálatok. Acél szakítóvizsgálat. Fajlagos ütőmunkabírás. Acél keménység 5.1.3. Kontrakció A húzószilárdság elérése közelében azt tapasztaljuk, hogy a vizsgált acél próbatest keresztmetszete nagy mértékben (szabad szemmel is látható módon) csökken, és végezetül bekövetkezik a szakadás (5.4.a ábra). Kontrakciónak (befűződésnek, jele: Z) nevezzük a szakadás keresztmetszetében tapasztalható keresztmetszet csökkenést. Számítása:

Z = %100⋅−

o

co

AAA , –

amelyben Ao [mm] az eredeti keresztmetszeti terület, Ac [mm] pedig a szakadást követően meghatározható legkisebb keresztmetszeti terület. 5.1.4. Szakadó nyúlás Szakadó nyúlás meghatározása érdekében az acél próbatest felületére megadott távolságban vonalakat karcolunk (lásd 5.1.a és 5.4. ábra). A bekarcolt jelek egyenkénti távolsága általában a vizsgált betét átmérője (ha kör keresztmetszetű próbapálcáról van szó) vagy mm-ben megadott érték (pl. 10 mm). Szakadás után a próbapálca két darabja könnyen összeilleszthető és leolvasható a megnyúlt (és a képlékeny alakváltozás következtében úgy maradt) hossz (5.4.b ábra).

A szakadó nyúlás (A) a szakítóvizsgálat után az eredeti teljes jeltávolságon mért maradó hossznövekedésnek (ℓu-ℓo) az eredeti, teljes jeltávolságra (ℓo) vonatkoztatott értéke:

A = %100⋅−

o

ou

l

ll –

Ha betonacél vizsgálatáról van szó, akkor a teljes jeltávolság az acélbetét átmérőjének 5

vagy 10-szerese, s így az ezen hosszra vonatkoztatott szakadó nyúlás jele A5Ø, ill. A10Ø, amelyben Ø az acélbetét névleges átmérője.

Vasbetonszerkezeti tervezés során a szakadó nyúlás jele: εsu, amelyben az u index a szakadásra utal (lásd 5.3. ábra). 5.1.5. Névleges átmérő Bordás acélbetéteken (deformed bars) az átmérő mérhető a bordák tövénél vagy a bordák csúcspontjánál. Mind az anyagfelhasználás, mind pedig tervezés szempontjából azonban értelmezhető ezen kívül egy un. névleges (ekvivalens) átmérő (dekv), ami elkent módon veszi figyelembe a bordákat. Az ekvivalens átmérő a próbapálca tömegének (m) és hosszának (ℓ) mérésével könnyen meghatározható, figyelembe véve az acél sűrűségét:

,85,7

4

2 =⋅

Π==

lekvs d

mVmρ g/mℓ


5. hét: Acélvizsgálatok. Acél szakítóvizsgálat. Fajlagos ütőmunkabírás. Acél keménység ebből

dekv = 12,74 l/m m[g] = tömeg, ℓ[mm] = hossz.

Vasbetonszerkezetek tervezésénél az ekvivalens átmérő helyett a névleges átmérő (nominal diameter, jele: Ø) használjuk, ami mm-re kerek számértéket vesz föl, de definíciója azonos az ekvivalens átmérőjével.

5.4. ábra: Acél próbapálca

a) szakítóvizsgálat előtt b) szakítóvizsgálat után

5.2. FAJLAGOS ÜTŐMUNKABÍRÁS A fémek rideg töréssel szembeni érzékenységének meghatározására a Charpy-féle vizsgálatot használjuk. A berendezés jellegzetes alakja miatt a Charpy-kalapács elnevezést kapta. A vizsgálatot az 5.1.b ábra mutatja. A vizsgálat során a H magasságból induló kalapácsfej lökésszerű igénybevételt fejt ki a mozgáspályájának mélypontján elhelyezett kis, fém próbatestre, ami úgy van kialakítva, hogy az ütés hatására kettétörjön. A próbatest eltörését követően a kalapácsfej tovább lendül, de a kiindulásánál kisebb magasságra jut fel (h). A próbatest eltöréséhez szükséges munkavégzés a kalapácsfej kiindulási és átlendülés utáni potenciális energiájának különbségéből adódik (eltekintve a kalapács csapágyainál jelentkező súrlódási munkától). Az így kapott energia (munka) értéket a próbatest A törési felületével elosztjuk. A kapott mennyiség neve:

fajlagos ütőmunkabírás: ( ) ,A

hHF − 2mm

J

Annak érdekében, hogy a próbatest törése bekövetkezzen a kalapácsfej alatt, a próbatest

közepén bemetszést készítünk. Az A keresztmetszet csupán a megmaradt keresztmetszeti részt jelöli.

b)

a)



A vizsgálati eredmények igazolták, hogy fajlagos ütőmunkabírás jelentősen függ az anyag hőmérsékletétől is. A fajlagos ütőmunkabírás mérését és hőmérséklet függését (-20, 20 és 80ºC-on) bemutatjuk a laboratóriumi gyakorlaton. 5.3. ACÉL KEMÉNYSÉG A keménység egy anyag ellenállóképességét jelenti idegen test behatolásával szemben. Korábbi vizsgálatok igazolták, hogy fémek esetén az anyag felületi keménységéből következtethetünk annak szilárdságára. Ennek a felismerésnek óriási gyakorlati jelentősége van, hiszen segítségével beépített elemek szilárdsága is becsülhető egyszerű helyszíni vizsgálattal

A Poldi-kalapács (5.1.c ábra) egy kis kézi keménységvizsgáló eszköz. A készülékbe behelyeznek egy ismert szilárdságú acél rudat (etalon jele. az ábrán: e), és tetszőleges nagyságú ütést mérnek a kalapács fejére. A kalapács hegyénél lévő kis golyó (jele az ábrán: a) be fog nyomódni egyidejűleg a vizsgálandó felületbe (jele az ábrán: p) és az etalon felületébe. A benyomódási átmérők összehangolásával egy már korábban kidolgozott táblázatból a húzószilárdság becsült értéke kiolvasható. A mérnöki acélszerkezetek ellenőrzéséhez a folyási határra van szükségünk, amire általában az így meghatározott húzószilárdságból következtethetünk. A vizsgálat során a Poldi-kalapácsnak merőlegesnek kell lennie a vizsgálandó elem felületére.

Ha a vizsgálandó acél anyag kivett darabkáját laboratóriumba tudjuk szállítani, akkor a további keménységmérési módszerek állnak rendelkezésünkre.

A Brinell-keménység mérése során (MSZ 105-9 lap) d átmérőjű golyót F erővel nyomnak a megvizsgálandó anyagba és tehermentesítés után megmérik a keletkezett benyomódás d1 átmérőjét. A jó mérés feltétele, hogy a vizsgálandó felület legyen fémtiszta, sima és sík. A megvizsgálandó minta szilárd alapon feküdjék. A golyó átmérőjét és a hozzá tartozó terhelést úgy kell megválasztani, hogy a golyónyom átmérője 0,25 d1 – 0,6 d1 között maradjon és a próba hátlapján semmi alakváltozás ne legyen észlelhető. A Brinell-keménység (HB) az F terhelőerő (N) és a benyomódás gömbsüvege mm2-ben számított felszínének a hányadosa:

( )21

2

2dddd

FHB−−⋅

=π

, N/mm2.

Ez azt jelenti, hogy az anyag 1000 HB keménységű, a vizsgálatot 5 mm (d) átmérőjű

golyóval, 7500 N terheléssel (F) és 15 másodperc nyomóidővel végezték. A Brinell-módszerhez hasonló elven működik a Vickers-módszer. A különbség az, hogy

ebben az esetben egy gyémántgúlát nyomnak az acélfelületbe. A Vickers-keménység (HV) az F terhelőerő (N) és a gúla alakú maradó benyomódás felületének (mm2) a hányadosa:

2854,1aFHV = .



A Vickers-keménység jele pl: 2500 HV 300, ami azt jelenti, hogy az anyag 2500 N/mm2 keménységű és 300 N volt a terhelőerő.

A Rockwell-keménységmérés során a próbadarab kellően sík felületébe szabványos alakú kúpot vagy golyót nyomnak be két fokozatban. A második fokozatban létrejövő maradó benyomódás mélységét e egységekben megmérik. A Rockwell-keménység az e méretből ill. a benne foglalt 0,002 mm-es egységek számából adódik.

A laboratóriumi gyakorlaton bemutatjuk a különféle keménységmérő eszközöket, mérési módot és kiértékelő táblázatokat 5.4. A témakörhöz tartozó fő kifejezések angolul σ-ε diagram: σ-ε ábra cold worked steel: hidegen alakított acél yielding: folyás deformed bar: bordás betonacél hardenning: felkeményedés plain bar: sima betonacél yield stress: folyási feszültség nominal diameter: névleges átmérő yield strength: folyási határ hardness: keménység nominal yield strength: névleges folyási határ steel with yield plateau: tényleges folyási határral rendelkező acél steel without yield plateau: tényleges folyási határ nélküli acél 5.5. Irodalom Balázs Gy.: „Építőanyagok és kémia”, Tankönyv, Műegyetemi Kiadó 1994, J94493, pp.90-

95. és pp. 103-108. Gyakorlati segédlet


6. hét: Betonvizsgálatok. Nyomószilárdság. Hajlító-húzószilárdság. Hasító-húzószilárdság 6. BETONVIZSGÁLATOK. NYOMÓSZILÁRDSÁG.

HAJLÍTÓ-HÚZÓSZILÁRDSÁG. HASÍTÓ-HÚZÓSZILÁRDSÁG Porózus anyagok húzó- és nyomószilárdságának meghatározásához az acélvizsgálatoknál megismert módszerek általában nem használhatók, mert a húzószilárdság jóval kisebb, mint a nyomószilárdság. Szem előtt kell még azt is tartani, hogy a vizsgálatoknak könnyen elvégezhetőnek és kiértékelhetőnek is kell lennie azon túlmenően, hogy a kapott számításoknak jellemzőnek kell lennie az anyagra. 6.1. NYOMÓSZILÁRDSÁG A nyomószilárdság vizsgálat a nagy nyomószilárdsággal rendelkező anyagok legismertebb és leggyakrabban használt vizsgálati módszere. A nyomószilárdság vizsgálatához készíthetünk mi magunk is próbatesteket vagy vehetünk ki mintát (pl. fúrással) a vizsgálandó szerkezetből.

A nyomószilárdság (fc korábban Rc) számítható a legnagyobb elérhető erő (Fmax, N) és az erőre merőleges (terhelés előtti) felület (A, mm2) hányadosaként

fc = Fmax/A N/mm2.

A nyomószilárdság meghatározható kockán, hengeren vagy hasábon. A kapott

szilárdsági értéket ennek megfelelően kocka-, henger-, hasábszilárdságnak nevezik. Azonos anyagból készített próbatesteken meghatározott nyomószilárdság nem lesz

feltétlenül azonos, hanem az alaknak, a méretnek, a nyomólapok állapotának és porózus anyagok esetében a pórusok vízzel telítettségének a függvénye. Mindez a törésmechanizmusukkal magyarázható. Porózus anyagok esetében a pórusok vízzel telítettségének a függvénye. Ugyanis nyomás hatására a próbatest az erő irányában összenyomódik, az erőre merőlegesen kitágul. A kövek és kőszerű anyagok 6.1.a ábra szerint törnek. Ennek oka, hogy a húzószilárdságuk kicsi és akkor mennek tönkre, amikor keresztirányban a nyúlásuk eléri a nyúlóképességüket, a nyúlás által előidézett húzófeszültség pedig eléri a húzószilárdságukat. Kivételt képez a fa, amely rostjainak cső alakú szerkezete következtében a cső alakú cellák kihajlása miatt megy tönkre.

A nyomószilárdság szolgál a betonok osztályba sorolására, amit a Betonok fejezetben adunk meg részletesen.

A nyomószilárdságot több tényező befolyásolja, amelyeket a következő alpontokban ismertetünk.

6.1.1. A kocka élhosszúságának hatása A 6.1.a ábra szerinti töréskép azért alakulhat ki, mert a törőgép nyomóalapjai közvetlenül érintkeznek a próbatesttel, és a köztük fellépő súrlódás meggátolja a keresztirányú nyúlást a nyomólapok mentén. A nyomólapok környezetében háromtengelyű feszültségállapot alakul ki. A legnagyobb nyíróigénybevétel a gátolt és a nem gátolt alakváltozás területe közötti határon lép fel, és ott csúszótörést hoz létre. Emiatt a kis kocka szilárdsága nagyobb, mint a nagy kockáé (6.1.b ábra).


6. hét: Betonvizsgálatok. Nyomószilárdság. Hajlító-húzószilárdság. Hasító-húzószilárdság

6.1. ábra: Kőszerű anyagok nyomószilárdsága

a) kocka törésképe; b) a kocka élhosszának hatása a nyomószilárdságra c) a hasáb magasságának, valamint a nyomólapok és a próbatest közötti

súrlódásnak hatása a nyomószilárdságra

6.1.2. A magasság és élhossz arányának hatása Az azonos alapterületű, de különböző magasságú próbatesteknek annál nagyobb a szilárdsága, minél kisebb a magassága (6.1.a ábra). Ha a próbatest magassága az alapélének legalább a háromszorosa, akkor a próbatest középső részén a súrlódás gátló hatása már nem érvényesül.

A kocka-, henger- és hasábszilárdság egymáshoz viszonyított értékeire a következő arányok vehetők figyelembe közelítőleg:

viszonyított arány próbatest méret 1 kocka 150x150x150 mm

3/4 henger Ø150, ℓ = 300 mm 2/3 hasáb 150x150x450 mm



6.2. ábra: Vízben, ill. szabadlevegőn való tárolás hatása a szilárdságra 6.1.3. A nyomólap anyagának hatása Ha a nyomólapokon csökken a súrlódás, akkor csökken a keresztirányú nyúlást gátló hatás is. Ez a körülmény úgy hat, mintha a h/b arány nőne (6.2.c ábra). Ha a nyomólap és a próbatest közötti réteg poli(tetrafluor-etilén) másnéven Teflon (PTFE, akkor a keresztirányú nyúlás a próbatest teljes magassága mentén azonos, és a próbatest töréskor függőleges repedések mentén esik darabokra. Ugyanis a Teflon súrlódási tényezője kicsi, és a nyomóerő növelésével tovább csökken. Ha a közbenső réteg gumi, akkor annak nagyobb a keresztirányú nyúlása, mint a próbatesté, ez csökkenti a szilárdságot. 6.1.4. A beton víztartalmának hatása A víz gyakorlatilag összenyomhatatlan, tehát nyomás hatására növeli a keresztirányú nyúlást, csökkenti a nyomószilárdságot. A 6.2. ábra jól szemlélteti, hogy vízzel telített állapotban legnagyobb a beton hajlító-húzószilárdsága és legkisebb a nyomószilárdsága.

A nyomószilárdság csökkenése a víztartalom növekedésével betonban annak ellenére bekövetkezik, hogy a víz folyamatos jelenléte növeli a beton kötőanyagának, a cementnek a hidratációs mértékét (lásd kötőanyagok fejezet). 6.1.5. A terhelési sebesség hatása A terhelési sebesség is befolyásolja a mérhető szilárdsági értékét. A terhelési sebesség növelésével látszólag nő a szilárdság értéke. Ez a megnövelt szilárdság a gyakorlatban csak akkor használható ki, ha a teher valóban nagy sebességgel hat (pl. ütközés). A nyomószilárdság terhelési sebességtől való függésének elkerülésére a vizsgálatok előírják a kísérlet során alkalmazható legnagyobb terhelési sebességet. A terhelési sebesség megadható a feszültség (vagy erő) növekmény, ill. a szilárdság (törőerő) eléréséig tartó legrövidebb időtartammal.


6. hét: Betonvizsgálatok. Nyomószilárdság. Hajlító-húzószilárdság. Hasító-húzószilárdság 6.2. HÚZÓSZILÁRDSÁG Porózus anyagok húzószilárdságának meghatározása sokkal összetettebb feladat, mint a fémek húzószilárdságának meghatározása. Az anyag inhomogenitása és esetleges korai repedései (pl. zsugorodásból) idő előtti tönkremenetelhez vezethetnek. A beton húzószilárdságának meghatározására három, eltérő módszer alakult ki, amelyek értelemszerűen eltérő eredményre is vezetnek. Közülük adott esetben azt kell felhasználni, amelyik az adott esethez tartozó kérdés megválaszolását leginkább szolgálja. 6.2.1. Központos húzószilárdság A központos húzószilárdság meghatározásához készíthetünk két végén kiszélesedő próbatestet vagy nagyobb elemből kifúrt próbatestet közepén befűrészelve, hogy ott szakadjon el (utóbbit nagy száltartalmú betonokhoz használjuk). A húzószilárdság vizsgált kritikus pontja a terhelő erő központosságának biztosítása.

Minimális excentricitás is már hajlítást okozhat a keresztmetszetben idő előtti tönkremenetellel. A tiszta húzószilárdsági kísérletet ezért szinte csak tudományos jellegű vizsgálatokhoz használjuk. A tiszta húzószilárdság (ft, kisebb Rt) értéke a legnagyobb, mert húzóerő (Fmax, N) és a szakadási keresztmetszet (A, mm2) hányadosából adódik:

ft = Fmax/A N/mm2.

6.2.2. Hajlító-húzószilárdság A hajlítóvizsgálathoz hasáb alakú gerendát készítenek (6.3.a ábra) és azt kéttámaszú tartóként tartóközépen (központos terhelés) vagy a tartó harmadaiban ható erővel (harmadpontos terhelés) terhelik. A gerenda középső harmadában törik el.

Hajlítás hatására a gerenda felső részén nyomások, az alsó részén húzások lépnek fel. Azt a vonalat, amelyen a feszültség éppen előjelet vált, semleges tengelynek nevezik. A semleges tengely akkor esik egybe a keresztmetszet súlypontjait összekötő vonallal, ha az anyag σ-ε diagramja húzásra és nyomásra azonos. A Hooke-törvény érvényességének feltételezésével gumiból készített hasábon könnyen igazolható, hogy hajlítás hatására az eredetileg vízszintes vonalak meggörbülnek, az eredetileg függőleges vonalak a meggörbült vízszintes vonalakra merőlegesek és egyenesek lesznek. Ebből következik, hogy a keresztmetszetek elfordulnak ugyan, de síkok maradnak. Ez a Bernoulli-Navier-hipotézis, és ennek segítéségével – a σ-ε diagramok ismeretében – a keresztmetszetben a feszültségi diagramok felrajzolhatók. A legnagyobb hajlításból származó húzófeszültség

ft,fℓ = Rt,f =

62

12

2max

3max

bhMh

bhM

=⋅



Központos terhelés (three point bending) esetén a terhelő erő a támaszköz

középpontjában hat, és előnye, hogy egyszerűbb, de csúcsos nyomatéki ábrát eredményez. A harmadpontos terhelés (four point bending) esetén két terhelőerő van a támaszköz harmadában szimmetrikusan elhelyezve, és előnye, hogy a próbatest középső szakaszán a nyomaték konstans. 6.2.2.1. A méret és a terhelési mód hatása A központos és harmadpontos terhelésből adódó hajlító-húzószilárdsági értékek összehasonlítását mutatja a 6.4. ábra, amelyből levonható következtetések:

− központos terhelés esetén nagyobb hajlító-húzószilárdság érhető el harmadpontos terheléshez képest,

− a próbatestként alkalmazott kis gerenda a magassági méretének növekedtével csaknem a hajlító-húzószilárdság értéke mindkét terhelési mód esetén.

6.2.2.2. A beton víztartalmának hatása Porózus anyagok húzószilárdsága legnagyobb vízzel telített állapotban. Az ok, hogy a száradó porózus anyag zsugorodik. A betonhasáb azonban a felszínén gyorsabban szárad és jobban zsugorodik, mint a belsejében. A beton belseje gátolja a felszínközeli részek alakváltozását, emiatt szélen húzás, belül nyomás lép fel (6.2. és 6.4. ábra). Ez a húzófeszültség csökkenti a vízzel telített anyag hajlító-húzószilárdságát. Ez a csökkenés a vízből való kivétel után néhány nappal a legnagyobb és időbeni alakulása a környezet hőmérsékletétől és nedvességtartalmától, valamint a próbatest méreteitől függ. A teljesen kiszáradt betonban meg is szűnhet. A zsugorodás pedig lényegesen függ a mérettől. 6.2.3. Hasító-húzószilárdság Hasítóvizsgálat (6.3.c és d ábra) során a próbatesteket a felületükön két párhuzamos, egymással szemben fekvő egyenes mentén nyomják. Nyomás hatására a terhelés síkjában nyomó-, arra merőlegesen húzófeszültségek lépnek fel, tehát kéttengelyű feszültségállapot jön létre. Az anyagot rugalmasnak, a feszültségeloszlást síkbelinek és a terhelést egyenes mentén vonal alakúnak feltételezve a hasító-húzószilárdság a terhelés síkjára merőlegesen:

ft,sp = Rt,s = hd

F⋅⋅π

max2 , N/mm2

ahol F a terhelőerő, N, d a henger átmérője, mm, h a henger magassága, mm.

Ha a próbatest nem henger, hanem kocka vagy hasáb alakú, akkor a berajzolható henger méretei lesznek a mértékadók (6.3. ábra).



6.3. ábra: A húzószilárdság vizsgálata a) hajlítóvizsgálat; b) tiszta húzóvizsgálat; c) hasítóvizsgálat hengeren; d) kockán és hasábon



6.4. ábra: A beton hajlító-húzószilárdságát befolyásoló tényezők a) a méret és a terhelés módja, hatása; b) az egyenlőtlen kiszáradás okozta zsugorodás hatása


6. hét: Betonvizsgálatok. Nyomószilárdság. Hajlító-húzószilárdság. Hasító-húzószilárdság 6.3. A témakörhöz tartozó fő kifejezések angolul cube strength: kocka szilárdság tensile strength: húzószilárdság cylinder strength: henger szilárdság axial tensile strength: központos húzószilárdság prism strength: hasáb szilárdság flexural tensile strength: hajlító-húzószilárdság water content: víztartalom splitting tensile strength: hasító-húzószilárdság loading rate: terhelési sebesség three point bending: központos hajlítás compressive strength: nyomószilárdság four point bending: harmadpontos hajlítás 6.4. Irodalom Balázs Gy.: „Építőanyagok és kémia”, Tankönyv, Műegyetemi Kiadó 1994, J94493, pp.96-

102. Neville, A. M.: „Properties of Concrete”, Longman Group Limited, Essex, Fourth Edition

1995, pp. 581-618. Gyakorlati segédlet


7. hét: Adalékanyag. Szemeloszlási görbe. Finomsági modulus 7. ADALÉKANYAG. SZEMELOSZLÁSI GÖRBE. FINOMSÁGI MODULUS Az adalékanyagok a beton egyik fő alkotó részét jelentik. A megszilárdult cementpéppel együtt alkotják a beton vázát. Nagyon sokféle adalékanyag használható betonhoz. Léteznek természetes eredetűek vagy mesterségesek, könnyűek vagy nehezek. Az adalékanyagok megválasztása jelentősen befolyásolja a beton viselkedését lévén, hogy annak jelentős részét alkotják. A beton adalékanyagok néhány jellegzetes példája:

− szokványos betonok alkotói: folyami vagy bánya homok és kavics zúzott homok és zúzott kő,

− könnyűbetonok alkotói: vulkáni tufa, habkő, téglazúzalék, kohósalak, műanyag hab,

− nehézbetonok adalékanyagai: barit, magnetit, hematit, acélsörét, vashulladék.

7.1. AZ ADALÉKANYAGOK JELLEMZÉSE Hazánkban a leggyakrabban használt adalékanyag a homokos kavics és a zúzott kő. Homokos kavics adalékanyagok szemnagyság szerinti csoportosítását a 7.1. táblázatban foglaltuk össze. Az adalékanyagok méret szerint szétosztályozásához szitavizsgálatot végezünk 7.1. táblázat: Homokos kavics szemnagyság

szerinti csoportosítása 7.1. ábra: Szabványos szitasor

A szitavizsgálathoz általában a 7.1. ábrán látható szitasort használjuk (a lyukbőségi méretek könnyen megjegyezhetőek (1 mm felett 2-vel szorozva, ill. 1 mm alatt 2-vel osztva).

A szitavizsgálat során a tömegállandóságig kiszárított adalékanyag halmazt fölülről a szitasorra töltjük, és addig végezzük a szitálást, amíg meg nem szűnik a szemek áthullása. A vizsgálat eredményeként lemérjük az egyes szitákon fennmaradt adalékanyag tömegét. Kiszámítjuk minden szitához a áthullott mennyiséget is. Az eredményt a szemeloszlási görbén ábrázoljuk.

Szemnagyság mm Megnevezés >32 nagy szemű kavics 16-32 8-16 durva kavics

4-8 apró kavics 1-4 durva homok 0,125-1 finom homok 0,063-0,125 homok liszt 0,02-0,063 por 0,002-0,02 iszap <0,002 agyag


7. hét: Adalékanyag. Szemeloszlási görbe. Finomsági modulus

A szemeloszlási görbe abszcisszáján a 7.1. ábra szerinti szita lyukbőségének

logaritmusát és ordinátáján az áthullott anyagmennyiségét tömegszázalékban (m%) ábrázoljuk. Két jellegzetes szemeloszlási görbét mutat a 7.2. ábra. Folyamatos szemmegoszlásúnak nevezzük az olyan adalékanyagot, amelyik a legnagyobb szemnagyságig minden szitához tartozó szemnagyságot tartalmaz. Lépcsős szemmegoszlásnak nevezzük azt az adalékanyagot, amelyből egy vagy több frakció hiányzik. A legnagyobb szemnagyság (dmax) annak a szabványos szitasornak a lyukbősége, amelyen legfeljebb 5 m% anyag marad fenn a szitavizsgálat során. A legnagyobb szemnagyság fontos tervezési szempont az acélbetétek legkisebb távolságának meghatározásánál és a betonba esetlegesen kevert szálak legkisebb hosszának meghatározásánál. A szemeloszlási görbékből számoljuk ki az adalékanyagok egyik fő jellemzőjét a finomsági modulust.

A finomsági modulus a 7.1. ábrán bemutatott szitasoron fennmaradt tömeg%-ok összege (vagyis a szemeloszlási görbe fölötti ordináták összege szitánként összegezve). A 7.1. ábrától eltérő, esetlegesen alkalmazott közbenső sziták eredményeitől a finomsági modulus számításakor eltekintünk. A 7.2. ábra alján megtalálható a finomsági modulus számítása mindkét bemutatott szemeloszlási görbére.

Az adalékanyag jellemzése és osztályba sorolása érdekében A, B és C jelű határgörbéket adunk meg (7.3. ábra) (legkedvezőbb az A, legkedvezőtlenebb a C). Első osztályúnak tekintjük az adalékanyagot, ha az A és a B határgörbék közé esik, és másodosztályúnak, ha a B és a C határgörbék közé esik.

A finomsági modulussal kapcsolatos a betontechnológia Abrams-féle első tétele, miszerint: két adalékanyag betontechnológiailag azonos, ha finomsági modulusuk azonos. Későbbiekben a tétel pontosításra került, és így a betontechnológia Popovics-féle második tétele szerint: két adalékanyag betontechnológiailag azonos értékűek, ha finomsági modulusuk és a fajlagos felületük azonosak.

7.2. ábra: Folyamatos és lépcsős szemeloszlási görbék a finomsági modulus számításával



7.3. ábra: Szemeloszlási határgörbék (A, B és C) dmax= 32 esetén 7.2. ADALÉKANYAG TERVEZÉS Az adalékanyag tervezés célja, hogy ismert finomsági modulusú és szitagörbéjű szemhalmazokból előírt finomsági modulusú szemhalmazt állítsunk elő keveréssel. Itt két egyszerű példát mutatunk be adalékanyagok tervezésére, amit további példákkal egészítünk ki a betontervezési gyakorlatok folyamán.

Az 1. esetben pl. osztályozzuk az adalékanyagot homokra és kavicsra (7.4.a ábra), és állapítsuk meg a keverési arányt úgy, hogy a javított szemeloszlási görbe finomsági mérőszáma m0 legyem. Külön megállapítjuk a homok (mh) és a kavics (mk) finomsági mérőszámát és az a1 illetve a2 keverési arányt az alábbi egyenletből számíthatjuk:

a1mh+a2mk=m0

a1+a2=1

A keresett szemmegoszlási görbe a0 áthullott értékeit a következő képletből kaphatjuk meg:

a1ah+ a2ak=a0

Hasonlóan számíthatjuk a keverési arányt a második esetben (7.4.b ábra) is, csak mh helyett me (e=eredeti), mk helyett mj (j=javító) finomsági modulusokat kell helyesíteni.



7.4. ábra: Az adalékanyag szemeloszlásának javítása a) két frakcióra bontással megfelelő arányú keveréssel b) adalékfrakciók megfelelő arányú összekeverésével

7.3. ADALÉKANYAGOK TULAJDONSÁGAI Az adalékanyagok fő tulajdonságai betonhoz való alkalmazhatóságának vonatkozásában a következő: tisztaság, szilárdság, szemszerkezeti tulajdonságok, tömeggel kapcsolatos jellemzők, víztartalmi tulajdonságok és időállóság. Itt bemutatjuk a tisztasági jellemzők közül az agyag-iszap tartalom értelmezését (mint egyik tisztasági jellemzőt) valamint a víztartalom hatását. 7.3.1. Agyag-iszap tartalom

A 7.1. táblázatban az adalékanyag legfinomabb alkotóit pornak, agyagnak, iszapnak és homoklisztnek neveztük. A megnevezés ez esetben nem jelenti az alkotó minőségét csak szemnagyságát. Az agyag sem jelenti, hogy azt feltétlenül agyagásványok alkotják. Nem feltétlenül károsak a finomrészek, ha mennyiségük kicsi és egyenletesen elosztottak. Az első három szemcsoport mindig káros, ha mennyisége nagy, mert növeli a beton cementpépigényét, zsugorodását és rontja a fagyállóságát.



Kis mennyiségben is károsak, ha az adalékanyag szemcsékre tapadva nem dörzsölődnek le és rontják a cementpép adalékanyag közti tapadást. Károsak, ha rögök formájában maradnak, mert ez folytonossági hiányt jelent a betonban, nő az acélbetétek korróziójának veszélye a vasbetonban. Ezért a korszerű adalék-előkészítés során ezeket kimossák az adalékanyagból, illetve betonfajtánkként megkötik a megengedhető mennyiséget. Ezzel szemben a 0,0063-0,25 mm-es frakciók mennyisége mind a szivattyúzhatóság, mind a beton tömöríthetősége és cementtakarékosság miatt igen lényeges és, ha kimosták volna célszerű pótolni.

A finom szemcsék szemeloszlása meghatározható hidraometrálással. A munkahelyen azonban legtöbbször kielégítő az agyag-iszaptartalom meghatározása térfogatos ülepítővizsgálattal. A vizsgálat során a ki nem szárított természetes állapotú adalékkeverékből tiszta csapvízzel a 4 mm alatti adalékrészbe mossák az összes finom szemcsét. A mosóvizet ülepítik, ha kitisztul leöntik és a teljes maradékot (4 mm-nél kisebb szemcsék a mosóvíz zagyszerű része) 1 literes menzúrába öntik úgy, hogy a magasság felét vagy két harmadát töltse ki. A menzúrát vízszintes tartásban igen alaposan összerázzák. 1 óra elteltével a zagyot újra felrázzák, hogy a tapadó finom szemcsék kioldódjanak, majd 24 órás függőleges tárolás után leolvassák a teljes (h1) és az agyag-iszap alatti vastagságot (h2). A közelítő agyagiszap mennyisége (7.5. ábra)

.100%)(2

1

hhVi =

7.5. ábra: Az agyag-iszaptartalom meghatározása

7.3.2. Az adalékanyag halmazsűrűsége a nedvességtartalom függvényében Az adalékanyag víztartalma jelentősen befolyásolja a beton tulajdonságait, ezért keverés azt előtt meg kell mérni. Ez lehetséges kiszárítással, de beépített szándék segítségével is.

A laboratóriumi gyakorlatok során bemutatjuk, hogy az adalékanyag halmazsűrűsége függ a nedvességtartalomtól (7.6. ábra). Teljesen kiszárított állapothoz viszonyítva a nedvességtartalom növekedésével az adalékanyag halmazsűrűsége csökken (vagyis kevesebb anyagot tudunk visszatenni az edénybe). A víztartalom jelentős növekedésével viszont ismét növekedni fog a halmazsűrűség.

A 7.6. ábra kezdeti leszálló ága felhívja a figyelmet a jól ismert Murphy-törvény jogosultságára, miszerint ha kibontunk egy gilisztakonzervet és kivesszük a dobozból a gilisztákat, akkor ha vissza akarjuk tenni őket a dobozba, egy számmal nagyobb dobozra lesz szükségünk.



7.6. ábra: Az adalékanyag halmazsűrűsége a nedvességtartalom függvényében 7.4. A témakörhöz tartozó fő kifejezések angolul aggregate: adalékanyag crushed stone: zúzottkő gravel: kavics grading curve: szemeloszlási görbe sand: homok fineness modulus: finomsági modulus 7.5. Irodalom Balázs Gy.: „Építőanyagok és kémia”, Tankönyv, Műegyetemi Kiadó 1994, J94493, pp.224-


108-181. Gyakorlati segédletek (adalékanyagok és adalékanyag tervezés)


8. hét: Kötőanyagok. Cement. Klinkerásványok. Hidratáció. Cementtípusok 8. KÖTŐANYAGOK. CEMENT. KLINKERÁSVÁNYOK. HIDRATÁCIÓ.

CEMENTTÍPUSOK Jelen fejezetben az építőipar számára fontos kötőanyagokat mutatjuk be (meszet és gipszet röviden és a cementet részletesebben). További kiegészítések találhatók az Építőipari kémia (BMEEOEMAT02) című tárgyban és jelen tárgy laboratóriumi gyakorlati anyagában. 8.1. A KÖTŐANYAGOK FOGALMA ÉS OSZTÁLYOZÁSA Kötőanyagnak nevezzük azokat az anyagokat, amelyek kémiai vagy fizikai folyamatok hatására képesek folyékony vagy porszerű állapotból szilárd állapotba átalakulni, és a hozzájuk kevert anyagokat (adalékanyagokat) összeragasztani. A kötőanyagok adalékanyag nélkül is tudnak szilárdulni, de ha keverünk hozzá adalékanyagot, akkor egy kompozit anyagot hozunk létre, amelynek tulajdonságai függeni fognak mind a kötőanyag, mind az adalékanyag továbbá a köztük kialakult tapadás jellemzőitől.

A kötőanyagok lehetnek szervetlen eredetűek: cement, mész, gipsz, magnézia, vagy szerves eredetűek: bitumen, kátrány, gyanta.

Kötőképességük szerint lehetnek fizikai folyamat révén szilárdulók: bitumen, enyv vagy kémiai folyamat révén szilárdulók: cement, mész, gipsz, műgyanta.

A szervetlen kötőanyagok lehetnek hidraulikus kötőanyagok, amelyek levegőn és vízben egyaránt szilárdulni képesek (cementek), vagy nem hidraulikus kötőanyagok, amelyek csak levegőn képesek szilárdulni (mész, gipsz, magnézia). 8.2. MÉSZ Építési mésznek nevezzük a mészkőből és dolomitos mészkőből építőipari célra előállított mészfajtákat. Az építési meszet főként falazó és vakoló habarcsokhoz használjuk. 8.2.1. A mész körfolyamata A mész körfolyamatának (8.1. ábra) nevezzük azt a folyamatot, amely során a természetben fellelhető mészkő (CaCO3) általunk történt feldolgozása (égetés, őrlés, oltás és szilárdulás) során visszaalakul kémiailag azonos anyaggá (CaCO3), de most már a beépítés helyén. A körfolyamat első lépésként a kibányászott mészkőből 900-1100ºC-os kemencében darabos égetettmeszet állítunk elő. Az égetés során CO2 eltávozik:

CaCO3 → CaO + CO2.

Megemlítjük, hogy az előírtnál magasabb hőmérsékleten égetve lassan oltódó, agyonégett mész keletkezik, amelynek neve: mészkukac.


8. hét: Kötőanyagok. Cement. Klinkerásványok. Hidratáció. Cementtípusok

8.1. ábra: A mész körfolyamata

A darabos égetett mészhez őrlés nélkül vagy őrlést követően vizet adva Ca(OH)2 keletkezik, amely folyamatot oltásnak nevezünk:

CaO + H2O = Ca(OH)2.

Az oltás jelentős hőfejlődéssel jár, amivel szemben megfelelőképpen védekeznünk kell. Az oltott meszet a levegő széndioxid tartalmától el kell zárni (pl. földtakarással).

Az oltott mészből homokkal, vízzel (továbbá esetenként kis mennyiségű cementtel keverve) kapjuk a habarcsot.

A mész szilárdulása során a következő kémiai folyamat zajlik:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O vagyis a habarcsban lévő kalcium-hidroxid a levegőből elvont szén-dioxiddal mészkővé alakul vissza. A szilárdulás képletéből kiolvasható, hogy (1) a szilárduláshoz szén-dioxidra (nem melegre) van szükség, (siettethető szén-dioxid hozzáadásával), (2) a szilárdulás során víz válik ki (vagyis a fal a szilárdulás során nedvesedni fog, s így várni kell a tapétázással).


8. hét: Kötőanyagok. Cement. Klinkerásványok. Hidratáció. Cementtípusok 8.2. Gipsz Az építési gipszet elsősorban válaszfalelemek készítéséhez, fémszerkezetek tűzvédelmére és esztétikailag igényes felületek kialakításához használjuk.

Az építési gipsz a hidrátvizet tartalmazó gipszkő (CaSO4 · 2H2O) 110-180ºC-on való égetésével állítható elő:

CaSO4 · 2H2O → CaSO4 + 21 H2O +

23 H2O.

Az építési gipsz elsődleges előnye, hogy gyorsan szilárdul. Hátránya viszont, hogy szilárdsága nedvesen jóval kisebb, mint szárazon, továbbá kis pH értéke miatt az acélbetétek korrózióvédelmét nem tudja biztosítani, arról külön gondoskodni kell. 8.3. Cement Az építőipar legfontosabb kötőanyaga a cement. Emlékezzünk csak vissza, mit mondott Nervi: a beton a legcsodálatosabb szerkezeti anyag, amit az emberiség napjainkig képes volt feltalálni (lásd idézet az 1. óra anyagában). Mindez a cement, mint kötőanyag nélkül nem lett volna lehetséges. A vasbeton feltalálása óta (XIX. század közepe) számtalan felhasználásra lelt, s így vált a világviszonylatban legszélesebb körben felhasznált építőanyaga. Világszerte építettek cementgyárakat (és betongyárakat). A portlandcement – amit ma is elsősorban használunk – Aspdin 1824-es szabadalma alapján terjedt el. Elnevezését onnan kapta, hogy a cement égetéséhez az angliai Portland szikláit használta fel kezdetben. 8.3.1. Cementgyártás A portlandcement klinkert 75-80%-ban mészkőből (mész bevitele) és 25-20 m% agyagból (SiO2, Aℓ2O3, Fe2O3 bevitele) égetik. A klinkerégetés célja, hogy a klinkeralkotó oxidokkal hidraulikus tulajdonságokkal rendelkező klinkerásványokat állítsunk elő. A klinkerégetést általános forgókemencében végzik, aminek vázlata a 8.2. ábrán látható. Azért nevezik forgókemencének, mert a klinkerégető kemence egy hosszú, nagy átmérőjű, hőálló anyaggal kibélelt cső, amelyben meleg levegő áramlik, és működés közben állandóan forog.

A klinkerégetés során a bevitt nyersanyagot végezetül 1450ºC-ra melegítik. A kezdeti előmelegítés során (450-550ºC) az agyagásványok elvesztik hidrátvizüket. Környezetvédelmi okokból egyes cementgyárakban előmelegítés céljául elhasznált autó gumiköpenyt is égetnek. 1200ºC-ra hevítve kezdődnek a szilikátképződési reakciók. A lehűlt klinker a cementgyártás alapanyaga. A különböző portlandcementfajtákat portlandcement klinker valamint gipszkő és esetleg hidraulikus pótlékok együttfinomőrlésével állítják elő. Hidraulikus pótlékok lehetnek

(1) kohósalak a nyersvas gyártás mellékterméke, (2) pernye a porszén tüzelésű kazánok hamuja vagy (3) trasz, ami min. 70% SiO2-t tartalmazó vulkáni tufa finom őrleménye. A hidraulikus pótlékot is tartalmazó cementet heterogén cementnek nevezzük. A kyotoi

egyezmény (1997) létrejötte óta (ami országonként korlátozza a maximálisan kibocsátható CO2 mennyiségét, jelentősen megnőtt az érdeklődés a heterogén cementek iránt, lévén, hogy a hidraulikus pótlékot már nem kell újra égetni, csupán őrölni.



8.2. ábra: Portlandcement égetéséhez használt forgókemence vázlata 8.3.2. A porltandcement összetétele és szilárdulása A portlandcementek tulajdonságait a klinker kémiai összetétele döntően befolyásolja (fontos szerepe van még az őrlési finomságnak is). Jó minőségű portlandcement klinker összetétele (oxidos összetétel) a következő (zárójelben adjuk meg a cement kémiai rövidítését):

Klinkerásvány mennyiség, m%

CaO (= C) 60-67 m%

SiO2 (= S) 19-24 m%

Aℓ2O3 (= A) 2-8 m%

MgO 1-5 m%

CaO (szabad) 0-4 m%

H2O (= H) 0-4 m%

egyéb: Na2O, K2O, TiO2, SO3 stb. 0-3 m%

Most megadjuk a négy fő klinkerásvány nevét, összetételét és szilárdulási folyamatát. A cement szilárdulási folyamata elsősorban az alkotó klinkerásványok jellemzőiből és az adott cementben lévő anyagoktól függ.

Alit: C3S = 3CaO · SiO2, trikalcium-szilikát. A cementben részaránya 37-60 m%. A legfontosabb klinkerásvány. Nagy kezdőszilárdságú és nagy végszilárdságú (8.3. ábra). Hatszögű kristályokat alkot.

Belit: C2S = 2CaO · SiO2, dikalcium-szilikát. A cementben részaránya 15-37 m%. Négy

módosulata közül a β(béta)-módosulat a legfontosabb. Kis kezdőszilárdságú (ami kis kezdeti hőfejlesztést jelent, de nagy végszilárdságú.



Trikalcium-aluminát: C3A = 3CaO · Aℓ2O3. A cementben részaránya 7-15 m%. Relatíve

gyors kezdőszilárdságú (8.3. ábra), de a végszilárdság abszolút értéke viszonylag kicsi. Azokat a cementeket, amelyekből a C3A hiányzik vagy mennyisége kicsi, szulfátálló cementeknek tekintjük.

Trikalcium-aluminát-ferrit: C4AF = 4CaO · Aℓ2O3 · Fe2O3. A trikalcium-aumináthoz

hasonlóan relatíve gyors kezdőszilárdság, de a végszilárdság abszolút értéke kicsi, legkisebb a négy klinkerásvány közül.

A vízzel összekevert cementpép kezdetben tetszőlegesen formázható. Kötésnek nevezzük azt az időtartamot, ameddig a cementpép körömmel karcolható. Ezt követi a szilárdulás folyamata. A cement szilárdulása során a víz beépülésével kálcium-szilikát-hidrátok és kálcium-aluminát-hidrátok képződnek. Ezt a folyamatot nevezzük hidratációnak. A hidratáció folyamán hő fejlődik.

8.3. ábra: A portlandcement klinkerásványok szilárdulási folyamata 8.3.3. Cementfajták A cementeket összetételüknek megfelelően öt csoportba soroljuk (ezt a felosztást és jelölést az európai cement szabvány írja elő).


8. hét: Kötőanyagok. Cement. Klinkerásványok. Hidratáció. Cementtípusok 8.3.3. Cementfajták A cementek megnevezését és összetételét a 8.1. táblázat mutatja.

8.1. táblázat: Cementfajták megnevezése és alkotórészei


8. hét: Kötőanyagok. Cement. Klinkerásványok. Hidratáció. Cementtípusok 8.3.4. A cementkő szilárdságát befolyásoló tényezők − A cement fajlagos felületek növekedtével csökken mind a kötésidő kezdete, mind a

kötésidő vége.

− A cementpép bekeveréskori (kiindulási) hőmérséklet emelkedtével nő a hidratáció során kialakuló hőmérséklet (8.4. ábra).

− A cementkő porozitásának növekedtével csökken a cementkő nyomószilárdsága (8.5. ábra).

− A külső relatív légnedvességtartalom csökkenésével nő a cementkő zsugorodása (8.6. ábra).

− Hőérlelés (magas hőmérsékletű párás térben tartás) ill. NaCl2 hozzákeverése gyorsítja a hidratációs folyamatot. Citromsav lassítja a hidratációs folyamatot (8.7. ábra). Ma már nem szabad kloridot hozzákeverni a friss betonhoz a hidratáció gyorsítása érdekében, az acélbetétek korróziós veszélye miatt.

8.4. ábra: A hidratációhő alakulása a kiindulási hőmérséklet függvényében

8.5. ábra: A cementkő nyomószilárdsága porozitásának függvényében

8.6. ábra: Cementkő zsugorodása és

duzzadása a relatív légnedvességtartalom függvényében

8.7. ábra: Cement szilárdulási folyamatának

gyorsítása és lassítása


8. hét: Kötőanyagok. Cement. Klinkerásványok. Hidratáció. Cementtípusok 8.4. A témakörhöz tartozó fő kifejezések angolul lime: mész clinker minerals: klinkerásványok mortar: habarcs cement production: cementgyártás gipsum: gipsz slag: kohósalak cement: cement fly ash: pernye clinker: klinker hydration: hidráció hydration heat: hidratáció hő cement type: cementfajta 8.5. Irodalom Balázs Gy.: „Építőanyagok és kémia”, Tankönyv, Műegyetemi Kiadó 1994, J94493, pp. 205-


62-107. Gyakorlati segédletek


9. hét: Friss beton jellemzői. Konzisztencia értelmezése és mérése. Adalékszerek 9. FRISS BETON JELLEMZŐI. KONZISZTENCIA ÉRTELMEZÉSE ÉS MÉRÉSE.

ADALÉKSZEREK A friss beton a beton anyagainak olyan építési célra készített keveréke, amelyen a cementkötés még nem érzékelhető, és amelyet a zsaluzatba még nem dolgoztak be. 9.1. FRISS BETONNAL KAPCSOLATOS FOGALMAK A víz-cement tényező a víz (mw) és a cement mc tömegének hányadosa w/c=mw/mc (9.1)

A vízmennyiségbe bele kell számítani az adalékanyag vízmennyiséget (kivéve a könnyű adalékanyag által magába szívott vizet).

A bedolgozási tényező a beton előállításához felhasznált adalékfrakciók külön-külön mért halmaztérfogati összegének és a belőle készített, bedolgozott frissbeton térfogatának hányadosa.

A konzisztencia a frissbeton bedolgozhatóságának mértéke. A konzisztencia jellemzésére konzisztencia osztályok szolgálnak. A konzisztenciának mérése adott kialakítású eszközzel, adott módon lehetséges (további részleteket a 9.2. pont tartalmaz).

A péptelítettség annak a mérteke, hogy a bedolgozott frissbetonban a cementpép az adalékváz hányadát milyen mértékben tölti ki (9.1. ábra). Telítettnek nevezzük a betont, ha a cementpép éppen kitölti az adalékváz hézagait, telítetlennek, ha nem egészen tölti ki, és túltelítettnek, ha az adalékszemek úsznak a cementpépben.

9.1. ábra: A péptelítettség értelmezése

A friss beton eltarthatósága az az időtartam a keveréstől számítva, amelyen belül a friss beton konzisztenciája még nem változik meg a megengedetnél jobban (ez a gyakorlatban általában azt jelenti, hogy nem lép ki a keveréskori konzisztencia osztályból).


9. hét: Friss beton jellemzői. Konzisztencia értelmezése és mérése. Adalékszerek

A zöldszilárdság a bedolgozott friss beton azon tulajdonsága, ami a bedolgozás utáni

azonnali kizsaluzást lehetővé teszi. Az elnevezés ellenére még nem tényleges szilárdság, hanem a friss beton kohézióján és súrlódásán alapuló tulajdonság. A zöldszilárdságnak nagy szerepe lehet előregyártott beton elemek gyártásánál, például folyamatos gyártású körüreges födémpanel, amely esetben a zsaluzókocsi az üregképző elemekkel együtt a bedolgozást követően rögtön lassan halad tovább.

A szétosztályozódás a frissbeton azon tulajdonsága, hogy a keverék egyenletességében helyi változások következnek be. A szétosztályozódás legjellemzőbb megjelenési formája, hogy a nagyobb adalékszemek levándorolnak az elem alsó részébe. Szétosztályozódás bekövetkezhet például túlzott magasságkülönbségekkel való betonozáskor, ill. túlvibráláskor.

A kivérzés a cementben feldúsult keverővíz egy részének kiválása az elem felületén. Bekövetkezhet túlzottan hosszú idejű vibrálás esetén. Hátránya, hogy ez a felületi réteg a zsugorodásra és ezáltal repedezettségre jelentős mértékben hajlamos lesz a kialakult nagy cementtartalom miatt. 9.2. A FRISS BETON LÉGTARTALMÁNAK MEGHATÁROZÁSA A friss beton légpórustartalmának meghatározására szolgáló eljárások közül az ún. nyomásmódszer a leggyakoribb. Ez a Boyle- Mariotte- törvényen alapszik, amely szerint az ideális gáz p nyomásának és térfogytának szorzata állandó hőmérsékleten változatlan marad (pV=konstans). Kis elhanyagolásokkal ezt a törvényt használják a friss betonban lévő levegőre. A vizsgálat során ismert térfogatú edénybe (9.2. ábra) ugyanúgy bedolgozzák a betont, minta készítendő szerkezetbe. Az edényt fedéllel lezárják (9.2.a ábra) és a beton és a fedő közti teret megtöltik vízzel (9.2.b ábra). A fedélen V1 térfogatú nyomókamra van és azt megtöltik p1 nyomású levegővel. A szelep kinyitása után p1 nyomású levegővel. A szelep kinyitása után a p1 légnyomás a vízben és a betonon átadódva, összeadódva, összenyomja a betonban lévő V1 levegőt. Ezenközben a levegő összes térfogata V2=V1+Vl mértékűre nő, míg nyomása p2-re csökken (c ábra).

A számítás a következőképpen végezhető el:

( ) 12121122211 VpVpVVpVpVp ⋅+⋅=+=⋅=⋅ ,

( )2

211

2

12111 p

ppVp

VpVpV −=

⋅−⋅= .

A lépórustartalom úgy számítható, hogy Vℓ térfogatot a beton (edény) térfogatát (V=Vc) kell vonatkoztatni.

100c

ll V

VV = (V%)

A készülékek számlapját V1, p1, és V2 ismeretében V%-ra kalibrálják.



9.2. ábra: A frissbeton pórustartalmának mérése 9.3. A FRISS BETON KONZISZTENCIÁJÁNAK VIZSGÁLATA A friss beton konzisztenciájának mérésére sok féle módszert dolgoztak ki, amelynek mindegyike azon törekvést mutatja, hogy valamilyen mérőszámot kapjunk a gyakorlat számára a friss beton bedolgozhatóságának jellemzésére. A különféle építési technológiát eltérő bedolgozhatóságú betonokat igényelnek, ezért nem mondhatjuk egyik konzisztencia mérő módszerre sem, hogy az a legjobb. Csupán azt mondhatjuk, hogy milyen felhasználás esetén vannak az egyik módszernek előnyei vagy hátrányai. Magyarországon a legelterjedtebb konzisztencia mérés a terülés mérés, ezért ennek ismertetésével kezdjük. 9.3.1. Terülésmérés A terülés vizsgálat során egy alul 200 mm és felül 130 mm átmérőjű csonka kúpoz fémlemez borítású ejtőlapra teszünk és az előírt módon megtöltjük friss betonnal (9.3. ábra). Az ejtőasztal felső síkját 12-szer 40 mm magasra emeljük és visszaejtjük (9.3. ábra). Ezt követően két merőleges irányban lemérve átlagoljuk az elterült beton átmérőjét. A kapott átmérőt a 9.3. ábra szerint F1…F6 konzisztencia osztályokba soroljuk (F = flow). Minél nagyobb a szám, annál mozgékonyabb a beton. A terülési mérték 200 és 800 mm közé eshet.


9. hét: Friss beton jellemzői. Konzisztencia értelmezése és mérése. Adalékszerek a)

b)

c)

9.3. ábra: Terülésmérés

a) terülésmérő eszköz (Balázs, 1994) b) a terülésmérés folyamata (Kausay, 2006) c) terülési mérték (Kausay, 2006)


9. hét: Friss beton jellemzői. Konzisztencia értelmezése és mérése. Adalékszerek 9.3.2. Roskadásmérés A roskadás mérés során alul 200 mm és felül 100 mm átmérőjű csonka kúpot előírt módon megtöltünk friss betonnal. A roskadási mérték a csonkkúp eltávolítása után a friss beton tetőpontjának süllyedése mm-ben kifejezve. A kapott süllyedés mértéke a 9.4.c ábra szerinti S1…S6 roskadási osztályokba sorolható (S = slup). A roskadás mértéke 10 és 250 mm közé eshet. (A roskadás mérési módszer acél szálerősítésű betonok konzisztencia vizsgálatára nem javasolt.) a)

b)

c)

9.4. ábra: Roskadásmérés

a) roskadásmérő eszköz (Balázs, 1994) b) a roskadásmérés folyamata (Kausay, 2006) c) roskadási mérték (Kausay, 2006),



Az előadáson illetve a gyakorlaton még bemutatásra kerülnek a következő konzisztencia

mérési módok: - Walz féle tömörödési mérték - Glanville- féle tömörödési szám - átformálódási ütésszám - Vebe-méteres átformálódási idő

9.4. ADALÉKSZEREK Adalékszereknek tekintjük a betonba azt a kis mennyiségben bekevert anyagot (folyadékot vagy port), amely a beton egyes tulajdonságait kedvezően befolyásolja. Mellékhatásként eközben valamely más tulajdonság esetleg korlátozott mértékben romolhat. (Az adalékszereket az adalékanyagtól tehát elsősorban az különbözteti meg, hogy a beton tulajdonságait nem alapvetően határozzák meg, hanem csak befolyásolják.) Alábbiakban röviden ismertetjük a jellegzetes adalékszer típusokat. Felhasználásuk során pontosan be kell tartani adagolással előírt mérékét és módját. Az adalékszerek adagolását általában a cement tömeg egységére vonatkozatott százalékban adják meg. 9.4.1. Konzisztencia javítók A konzisztencia javító szerek a friss beton bedolgozhatóságát segítik elő. A javítás szó a konzisztencia mértékek növelését jelenti, vagyis az F vagy S szám növelését. A konzisztencia-javítószerek között megkülönböztetünk képlékenyítő és folyósító szereket.

A képlékenyítőszerek úgy fejtik ki hatásukat, hogy csökkentik a víz (keverővíz) felületi feszültségét, s ezáltal fokozzák a frissbeton mozgékonyságát tömöríthetőségét, anélkül, hogy a víz-cement tényezőt növelnünk kellett volna.

A folyosítószereknek a képlékenyítőszereknél intenzívebb hatású konzisztencia javítókat nevezzük. A folyósítók hatásukat nem a felületi feszültség csökkentésén alapulva fejtik ki, hanem a pórusrendszert igyekeznek vízzel telítetté tenni. A folyósító szerekkel önterülő képességű betonokat is készíthetünk. 9.4.2. Fagyállóságot fokozó adalékszerek A víz jéggé válása során 10%-os térfogatnövekedéssel jár. Az ebből következő feszítőerő elkerülésének érdekében adalékszerek segítségével un. hatékony légpórusokat viszünk a friss betonba annak érdekében, hogy legyen helye a kitáguló víznek. A hatékony légpórusok mérete 20-300 µm.


9. hét: Friss beton jellemzői. Konzisztencia értelmezése és mérése. Adalékszerek 9.4.3. Kötéskésleltetők és kötés gátlók A kötéskésleltető adalékszerek célja, hogy lassítsák a hidratáció sebességét és ezáltal csökkentsék hidratáció során létrejövő legmagasabb hőmérsékletet. Alkalmazásukra főként nyári melegben való betonozáskor lehet szükséges, de technológiai oka is lehet egymást követő betonozási rétegek hidratációjának közelítése érdekében. Megfelelő cementválasztással is elősegíthetjük a hidratáció sebesség csökkentését. 9.4.4. Kötés- és szilárdulás gyorsítok A hidratáció gyorsítására az építési folyamat (betonozási ciklusuk, zsaluzat eltávolítása) miatt lehet szükség. A kötés és szilárdulás gyorsítását megfelelő cement választásával (nagy kezdőszilárdságú cementek) is elősegíthetjük. 9.4.5. Vízzáróságát fokozó A vízzáróság fokozásának eszköze elsősorba a megfelelő (folytonos) szemeloszlású adalékanyag használata, ami elegendő finom szemeket is tartalmaz a nagyobb szemek közti hézagok kitöltésére. Mindezt fokozhatjuk vízzáróságot fokozó (tömítő) adalékszerrel is. 9.5. FELÜLETI KEZELŐSZEREK A zsaluzott felületek épségének biztosítására (mind előregyártásban, mind monditikus építés esetén) fontos a zsaluzat felületének olajozása (zsaluolaj vagy formaleválasztó felhasználásával).

A friss beton vízveszteségének megakadályozására (pl. ipari padló) elterjedten használunk párazáró adalékszereket, amiket spray technikával hordunk fel egyenletesen a felületre. 9.2. A témakörhöz tartozó fő kifejezések angolul fresh concrete: friss beton ready mix concrete: transzportbeton water to cement ratio: víz-cement-tényező vibrating table: vibroasztal mixing water: keverő víz vibrator: vibrátor consistancy: konzisztencia pumped concrete: szivattyúzott beton cement paste: cement pép flow table test: terülésmérés bleeding: kivérzés flow: terülési mérték segregation: szegregáció, slump test: roskadásmérés szétosztályozódás slump: roskadás casting: betonozás admixture: adalékszer


9. hét: Friss beton jellemzői. Konzisztencia értelmezése és mérése. Adalékszerek 9.3. Irodalom Balázs Gy.: „Építőanyagok és kémia”, Tankönyv, Műegyetemi Kiadó 1994, J94493, pp. 267-

282. Kausay T.: „A friss beton konzisztenciája”, VASBETONÉPÍTÉS 2006/4, pp. 106-115. Neville, A. M.: „Properties of Concrete”, Fourth Edition, 1995, Longman Group Limited, pp.



10. hét: Megszilárdult beton jellemzői. Nyomószilárdság átlagértéke és karakterisztikus értéke 10. MEGSZILÁRDULT BETON JELLEMZŐI. NYOMÓSZILÁRDSÁG

ÁTLAGÉRTÉKE ÉS KARAKTERISZTIKUS ÉRTÉKE Eddigiekben megismertük az adalékanyagok, a cementek és a friss betonok fő jellemzőit, amik jó alapot jelentenek a megszilárdult beton jellemzőinek megismeréséhez. Mikor is tekinthető a beton megszilárdultnak. A beton szilárdulása hosszú folyamat. Természetes szilárdulás esetén a 28 napos szilárdsági értéket tekintjük referencia értéknek, amire számításainkat és egyéb megfontolásainkat sok esetben vonatkoztatjuk. Tiszta portlandcementtel készült betonok esetén 28 napos korra a végszilárdság túlnyomó részét (általában > 90%) elérjük. Hidraulikus kiegészítő anyagot tartalmazó cementtel készült betonok esetén a 28 napos kort követő szilárdság növekedés még jelentős lehet.

Szoktuk azt is mondani, hogy a beton egy élő anyag, nem csak a kezdeti szilárdság növekedés miatt, hanem mert szilárdság növekedés következhet be akár hosszú idő elteltével, ha a még teljesen nem hidratálódott cement szemcsék ismét vizet kapnak. 10.1. A BETON σ-ε DIAGRAMJA NYOMÓERŐ ESETÉN A megszilárdult beton vizsgálatok jellegzetes módjait a 6. hét anyagában ismertettük. A 10.1. ábra mutatja különböző nyomószilárdságú betonok σ-ε diagramjait nyomó igénybevétel esetén. Látható, hogy a σ-ε diagramok kezdetben lineárisak, majd nemlineárissá válnak. A szilárdság elérését leszálló ág követi. A kezdeti lineáris szakasz hossza függ a beton összetételétől és a víztartalmától. A σ-ε diagramok egymás közötti összehasonlítása további három következtetés levonását teszi lehetővé. A nyomószilárdság növekedtével:

1. nő a kezdeti rugalmassági modulus (vagyis nő az origóhoz illesztett érintő iránytangense),

2. csökken a törési összenyomódás (vagyis csökken az elvárható legnagyobb alakváltozás,

3. nő a szilárdsághoz tartozó alakváltozás értéke (vagyis az ábrák max. pontjához tartozó alakváltozás növekedik).

10.1. ábra: Betonok σ-ε diagramjai különböző

szilárdságú betonok esetén


10. hét: Megszilárdult beton jellemzői. Nyomószilárdság átlagértéke és karakterisztikus értéke 10.2. A BETON NYOMÓSZILÁRDSÁG ÉRTELMEZÉSE, OSZTÁLYBA SOROLÁSA A beton nyomószilárdság valószínűségi változó (matematikai statisztikai értelmezésében) vagyis nincs neki determisztikus értéke, hanem egy várható érték körül szóródnak a vizsgálati eredmények, ha vizsgálatot végzünk. A 10.2. ábra mutatja azonos keverékből készült próbatestek nyomószilárdsági eredményeit. 10.2.1. Gyakorisági hisztogram és szórás A 10.2.a ábrán lévő un. gyakorisági hisztogram a különböző szilárdság értékekhez tartozó vizsgálatok darabszámát mutatja darabszámmal, ill. vonatkoztatva az összes vizsgálat darabszámára (ez a relatív gyakoriság):

20 MPa: 14 db 18 és 22 MPa: 11 és 11 db 16 és 24 MPa: 5 és 5 db 14 és 26 MPa: 2 és 2 db

Ezekből a relatív gyakoriság számítható:

nnf i

i =

amelyre

∑ ==

k

iif

11.

A 10.2.a ábra szerinti relatív gyakorisági értékét balról fokozatosan összegezve kapjuk a 10.2.b ábra szerinti empirikus eloszlásfüggvényt, amelynek ordinátái:

0,11

≤∑==

k

iii fF .

A relatív gyakorisági hisztogram felhasználásával a következő matematikai statisztikai jellemzők határozhatók még meg. Számtani középérték:

∑==

k

iiim fxx

1,

ahol xi az egyes mérési eredményeke jelenti.

10.2. ábra: A nyomószilárdság mérési

eredmények matematikai statisztikai ábrázolása a) gyakorisági hisztogram; b) empirikus eloszlásfüggvény.

A vizsgált anyag 20 MPa, átlagos kockaszilárdságú beton.


10. hét: Megszilárdult beton jellemzői. Nyomószilárdság átlagértéke és karakterisztikus értéke

A tapasztalati módus (Mo) a leggyakrabban előforduló érték. Szimmetrikus eloszlás esetén a gyakorisági hisztrogram maximumához tartozó érték.

A tapasztalati medián (Me) az a mérési eredmény, amelynél kisebb és nagyobb eredmények előfordulási valószínűsége 0,5.

A terjedelem a mintában előforduló legnagyobb és legkisebb érték közötti eltérés:

1xxx m −=∆ .

A tapasztalati szórás az átlagos négyzetes eltérésből négyzetgyökvonással számított mennyiség:

( )∑ −+==

n

imix xx

ns

1

21 .

A szórás azt juttatja kifejezésre, hogy a mérési eredmények milyen mértékben ingadoznak az átlagérték körül.

A minta szórásának torzítatlan becslését, korrigált szórásnak nevezik:

xx sn

ns1

*

−=

A középérték, a szórás, továbbá a terjedelem dimenziója a méréseredményekével egyezik meg. Dimenzió nélküli jellemző a variációs tényező:

m

x

xsv = .

Ez azt veszi figyelembe, hogy kis szórás és kis középérték esetén ugyanolyan variációs együttható kapható, mint a nagy szórás és nagy középérték esetén.

10.3. ábra: A küszöbérték (fraktilis) definíciója közös középértékű eloszlások esetén


10. hét: Megszilárdult beton jellemzői. Nyomószilárdság átlagértéke és karakterisztikus értéke 10.2.2. Gauss-féle normális eloszlás A gyakorisági és az eloszlási hisztogramokat gyakorisági és eloszlásfüggvényekkel szokás helyettesíteni. Ezeket folytonos eloszlásúnak nevezzük akkor, ha egy intervallumon belül a valószínűségi változó minden értéket felvehet. Az eloszlás függvényéből F(x) a sűrűségfüggvény f(x), amely a gyakorisági hisztogramot modellezi, differenciálással előállítható:

dxxdFxf )()( = .

Az építőanyagok minősítéséhez legfontosabb szerepet játszó folytonos eloszlás a normális eloszlás. A normális eloszlás sűrűségfüggvénye, a Gauss-féle haranggörbe a következő képlettel írható fel:

2

21

21)(

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−

= σ

πσ

mx

exf ,

érvényes – ∞ < x < + ∞ esetén. A normális eloszlás sűrűség- és eloszlásfüggvényében a szórás jele s helyett σ, a

középérték jele xm helyett m. Az eloszlásfüggvény:

dtexFx mt

∫=∞−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−2

21

21)( σ

πσ.

10.2.3. Küszöbérték Az eloszlásfüggvénynek x helyen vett értéke, F(x) megmutatja, hogy mekkora az x-nél kisebb érték előfordulásának a valószínűsége. A küszöbérték ezért matematikailag a következőképpen definiálható:

xk = xm –t · s.

Az anyagokkal szemben támasztott minőségi követelmények nem abszolút jellegűek, hanem bizonyos kockázatot vállalni kell, és ennek mértéke meghatározható. Tehát a középértékből (xm) a szórás (s) annyiszorosát (t) kell levonni, hogy a kockázat éppen a tervezett legyen. Tehát t a kockázattól függő szám.

Vagyis a küszöbérték olyan érték, amelynél kisebb, adott statisztikai jellemzőkkel és eloszlástípussal rendelkező halmazban csak egy előre meghatározott – rendszerint nem nagy – valószínűséggel fordulhat elő. Ez a módszer lehetővé teszi, hogy a kockázat mértéke független legyen a középértéktől és a szórástól, tehát a cég munkájának minőségétől.

A küszöbérték. Méretezési szabványaink és a termékszabványaink is a szilárdságok karakterisztikus (jellemző) értékének általában az 5%-os alulmaradási valószínűségi szinthez tartozó küszöbértékét tekintik. Ez a küszöbérték normális eloszlás esetén (ha a vizsgált tulajdonság szilárdság és a próbatestek száma elég nagy)

fk = fm – 1,645 · s

képlettel számítható. Ebből az következik, hogy a karakterisztikus érték az 1,645-szörös szórással csökkentett átlagérték.



Az 5%-os alulmaradási szint azt jelenti, hogy 100 mérési eredményből legfeljebb 5 érték lehet kisebb, mint a karakterisztikus érték.

Ha a vizsgálat során a szórást is és a középértéket is meg kell határozni, akkor a tévedés valószínűségének a csökkenése érdekében a nyomószilárdság küszöbértékét a következőképpen képlet alapján számítjuk:

fck = fcm – t · s

ahol fck a betonszilárdság karakterisztikus értéke (korábbi jele Rck), fcm a betonszilárdság átlagértéke (korábbi jele Rcm).

A t a Student-eloszlás alapján meghatározott tényező és értéke a következőktől függ: hány darabból áll a minta, milyen előfordulási gyakorisággal határozzuk meg a jellemző értéket, milyen valószínűséggel óhajtjuk kizárni annak a veszélyét, hogy tévesen ítéljük meg a tétel minőségét a véletlenszerű próbavétel során.

A próba elemszámának a növelésével t értéke csökken és 5% esetében több mint 40 eredmény esetén 1,645-tel egyezik meg. A t tényező lehetséges értékeit a 10.1. táblázat mutatja. 10.1. táblázat: A vizsgálatok darab számától függő t tényező A vizsgá-latok száma, n

3 10 12 14 16 18 20 25 30 40 >40

t 2,28 1,79 1,77 1,75 1,73 1,72 1,71 1,70 1,69 1,68 1,645

10.2.4. A beton nyomószilárdság értelmezése A betonok osztályba sorolása a nyomószilárdság karakterisztikus értéke alapján történik. A nyomószilárdsági osztályokat szokványos betonokra és nehézbetonokra a 10.2. táblázatban adjuk meg, ahol:

1. oszlop a szilárdsági osztály 2. oszlop a legkisebb jellemző hengerszilárdság (fck, cyl vagy röviden fck) 3. oszlop a legkisebb jellemző kockaszilárdság (fck, cube).

A 2. és 3. oszlopban lévő számok azonosak az első oszlopban lévő jel C mögötti számaival, például C40/50.

C: beton (concrete) és nyomó (compressive) szilárdsági osztály

40: a nyomószilárdság karakterisztikus értéke 28 napos korban, 150 mm átmérőjű és 300 mm magasságú hosszon mérve 40 N/mm2.

50: ugyanezen beton nyomószilárdságának karakterisztikus értéke 28 napos korban, 150 mm élhosszúságú kockán mérve 50 N/mm2.



A vizsgált beton abba a beton szilárdsági osztályba sorolható, amelyre éppen teljesül,

hogy:

fck, test ≥ fck

vagy konkrétan kiírva a próbatest típusát is (henger vagy kocka)

fck,cyl,test ≥ fck,cyl, ill. fck,cube,test ≥ fck,cube,

amely képlet bal oldalán a vizsgálatokból levezetett karakterisztikus érték szerepel, a jobb oldalon pedig a szilárdsági osztálynak megfelelő mérési érték a 10.2. táblázat szerint

10.2. táblázat: Beton szilárdsági osztályok

10.3. A beton zsugorodása és a zsugorodást befolyásoló tényezők A megszilárdult (ill. szilárduló) beton változtatja a térfogatát. A térfogatváltozás túlnyomó része a beton kapillárisain keresztüli vízvándorlással függ össze.

A beton zsugorodásának (shrinkage) nevezzük a beton kiszáradása folyamán, időben bekövetkező térfogat csökkenést (10.4. ábra). Változatlan körülmények között a zsugorodás aszimptotikusan végértékhez tart. Ábrázolni általában az εsh zsugorodási alakváltozást szoktuk, de közvetlenül a térfogatváltozás is ábrázolható. A zsugorodás zérus terhelés esetén is bekövetkezik.



10. 4 ábra: A beton kiszáradási zsugorodása

10.5. ábra: A beton zsugorodása a cementtartalom és a víz-cement tényező függvényében

A beton kiszáradása először a felületén következik be. A külső rétegek zsugorodását

gátolja a belső rétegek lassúbb zsugorodása. Ebből kifolyólag a beton külső rétegeiben húzás, és az erőegyensúly biztosítása érdekében a belső részeken nyomás jön létre, ami már a fiatal beton felületén is repedéseket okozhat.



A beton kiszáradási zsugorodásának mértékét elsősorban a következő tényezők

befolyásolják: − a középső levegő relatív nedvességtartalma, − a betonkeverék cementtartalma (10.5. ábra), − a készítéskori víz-cement tényező (10.5. ábra) és − az adalékanyag zsugorodása. A 10.5. ábrából leolvasható, hogy a cementtartalom és a víz-cement tényező

növekedtével a zsugorodás mértéke nő. Betonelemekben a zsugorodás figyelembe vétele feltétlenül szükséges már a tervezési

fázisban is. A zsugorodás repedéseket okoz, húzóerőt ébreszt és csökkenti a feszítőerőt. 10.4. A BETON KÚSZÁSA ÉS BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐI A beton kúszása (creep) a beton konstans teher alatt időben bekövetkező alakváltozás növekményét jelenti (10.6. ábra).

10.6. ábra: A beton kúszása A kúszás mértékét elsősorban a következő tényezők befolyásolják:

− a tartós terhelés nagysága a beton szilárdságához viszonyítva, − a tartós terhelés időtartama, − a beton rugalmas alakváltozása megterhelésének időpontjában, − a beton szilárdsága a megterhelés időpontjában, − a beton kora megterheléskor, − a beton víz-cement tényezője készítéskor, − relatív légnedvességtartalom.

A beton kúszását a kúszási tényező (10.7. ábra) segítségével vesszük számításba. A tartós teher alatti alakváltozás növekedést okoz.



10.7. ábra: Kúszási tényező és idealizált rugalmassági modulus definíciója

A kúszás hatását a beton σ-ε diagramjában úgy tudjuk figyelembe venni, hogy (10.7.

ábra), a tartós terhelés kezdéséhez tartozó pontot jobbra eltoljuk az ε tengely mentén. A hozzá tartozó rugalmassági modulust idealizált rugalmassági modulusnak szokták nevezni, ami a következőképpen számítható:

ϕε

εεσ

εεσ

+=

+=

+=

1)(1

1)(

0Ett

E

el

creepelcreepeli .

amelyben a kúszási tényező az idő függvényében:

el

creep tt

εε

ϕ)(

)( = .

Így az ideális rugalmassági modulus (Ei) a vasbetonszerkezeti számításokban a kezdeti rugalmassági modulus (Eo) (1+φ)-vel való osztásaként kapható. 10.5. A BETON HŐTÁGULÁSA A zsugorodáson és kúszáson túlmenően nem szabad elfeledkeznünk róla, hogy a hőmérséklet változás is alakváltozásokat okoz a betonban, amit lehetővé kell tenni a szerkezeten (pl. dilatációval) vagy fel kell vinni acélbetéteket. A beton lineáris hőtágulási együtthatója (lásd 2. hét anyaga) legnagyobb mértékben az adalékanyag fajtájától függ: kvarc adalékanyag esetén kb. 13 · 20-6/K, míg mészkő adalékanyag esetén kb. 7,8 · 10-6/K.


10. hét: Megszilárdult beton jellemzői. Nyomószilárdság átlagértéke és karakterisztikus értéke 10.6. A témakörhöz tartozó fő kifejezések angolul hardened concrete: megszilárdult beton concrete grade: beton nyomószilárdsági osztály shrinkage: zsugorodás drying shrinkage: száradási zsugorodás creep: kúszás creep coefficient: kúszási tényező 10.7. Irodalom Balázs Gy.: „Építőanyagok és kémia”, Tankönyv, Műegyetemi Kiadó 1994, J94493, pp. 169-

188., 237-241. és 293-299. Neville, A. M.: „Properties of Concrete”, Fourth Edition, 1995, Longman Group Limited, pp.



11. hét: Betontervezés. A beton jele. Környezeti osztályok. Receptura. Próbakeverés 11. BETONTERVEZÉS. A BETON JELE. KÖRNYEZETI OSZTÁLYOK.

RECEPTURA. PRÓBAKEVERÉS A betontervezés célja a megadott feltételeket kielégítő receptura meghatározása. Az alábbiakban a betontervezés Bolomey-Palotás módszert ismertetjük röviden. A laboratóriumi gyakorlat során részletes számpélda megoldására is sor kerül. A hallgatóknak betontervezés házi feladatot is meg kell oldaniuk.

A betontervezés kiinduló lépéseként részletesen áttekintjük a beton jelében szereplő paraméterek jelentését. A beton jele legyen:

C30/37-XC4-XF1-16-F3-MSZ 4798-1:2004 C30/37-XC4-XF1-16-F3 MSZ 4798-1:2004

C = concrete (szokványos beton: 2000 kg/m3 < ρt ≤ 2600 kg/m3 testsűrűséggel).

30: a nyomószilárdság karakterisztikus értéke 28 napos korban, ∅150 mm átmérőjű és 300 mm magas henger alakú próbatesten mérve, N/mm2-ben

fck ( = fck,cycl) = 30 N/mm2

37: a nyomószilárdság karakterisztikus értéke 28 napos korban, 150 mm élhosszúságú kockán mérve, N/mm2-ben

f ck,cube = 37 N/mm2 C30/37-XC4-XF1-16-F3 MSZ 4798-1:2004

Környezeti osztályok (jelük X, ezért X osztálynak is hívjuk őket) 1. X0 nincs korróziós kockázat 2. XC karbonátosodás okozta korrózió 3. XD klorid korrózió (nem tengervíz) 4. XS klorid korrózió (tengervíz) 5. XF fagyás-olvadási korrózió 6. XA kémiai korrózió Ezen környezeti osztályok részletes bemutatása:

karbonátosodás okozta korrózió XC1 száraz vagy tartósan nedves XC2 nedves ritkán száraz XC3 mérsékleten nedves XC1 váltakozva száraz vagy nedves

klorid korrózió (nem tengervíz) XD1 mérsékelt nedvesség XD2 nedves, ritkán száraz XD3 váltakozva száraz vagy nedves


11. hét: Betontervezés. A beton jele. Környezeti osztályok. Receptura. Próbakeverés

klorid korrózió ( tengervíz)

XS1 sós levegőnek kitéve, de nincs közvetlen érintkezés a tengervízzel

XS2 állandóan tengervízbe merülve XS3 árapállyal, felcsapódással vagy permettel érintkező zónák

fagyás olvadási korrózió XF1 mérsékelt víztelítettség jégolvasztó anyag nélkül XF2 mérsékelt víztelítettség jégolvasztó anyaggal XF3 nagymérvű víztelítettség jégolvasztó anyag nélkül XF4 nagymérvű víztelítettség jégolvasztó anyaggal

kémiai korrózió XA1 enyhén agresszív kémiai környezet XA2 mérsékelten agresszív kémiai környezet XA3 nagymértékben agresszív kémiai környezet.

C30/37-XC4-XF1-16-F3 MSZ 4798-1:2004

16: az adalékanyag legnagyobb szemnagysága (dmax) (lásd adalékanyag fejezet, 7. pont)

C30/37-XC4-XF1-16-F3 MSZ 4798-1:2004 F3: konzisztencia osztály terülésmérési módszer alkalmazásával (lásd bejelölt sáv a terülési mérték ábráján) C30/37-XC4-XF1-16-F3 MSZ 4798-1:2004.


11. hét: Betontervezés. A beton jele. Környezeti osztályok. Receptura. Próbakeverés

A vonatkozó szabvány megnevezése: MSZ 4798-1: 2004 „Beton – 1. rész: Műszaki feltételek, teljesítőképesség készítés és

megfelelőség valamint az MSZ EN 206-1 alkalmazási feltételei Magyarországon.

11.1. BETONTERVEZÉS A betontervezés a gyakorlatokon kerül részletes bemutatásra. A hallgatóknak házi feladatként betontervezési példákat is meg kell oldaniuk.

A beton összetételének tervezésére több féle módszer ismert: matematikai módszerek, táblázatok, diagramok stb. A továbbiakban a betontervezés Bolomey-Palotás féle eljárását ismertetjük. A legegyszerűbb esetben is ki kell számítani azt a pépmennyiséget (cement+víz együtt), amely az összes adalékszemcsét bevonja és a szemcsék közötti hézagokat kitölti, úgy, hogy péptelített betont kapjunk. Továbbá meg kell határozni azt a víz-cement tényezőt v/c (ez a pép porozitására jellemző), amely kellő szilárdulási idő után biztosítja a megkívánt nyomószilárdságot, vízzáróságot, stb. Végül ki kell számítani, hogy a számított péptartalom alapján mekkora tömegű adalékanyagot kell kimérni 1 m3 betonhoz, hogy egy feltételezett légtartalmat figyelembe véve teljesüljön:

Vb = 1000 liter = Vc+Vv+Va+Vℓ

ahol: Vb a frissbeton térfogata, ℓ Vc a cement térfogata, ℓ Vv a keverővíz térfogata, ℓ Va az adalékanyag testtérfogata, ℓ Vℓ a levegő térfogata, ℓ.

Az alábbiakban ismertetett Bolomey-Palotás képletén alapuló matematikai módszer a 28 napos korú, vegyesen utókezelt, 200 mm-es élhosszúságú kockák átlagszilárdságára vonatkozik

A számítás telített betonokra vonatkozik, melynek az alapja a szilárdság és a cementtartalom közötti összefüggés.


11. hét: Betontervezés. A beton jele. Környezeti osztályok. Receptura. Próbakeverés Ismert: 30/37-XC4-XF1-16-F3

adalékanyag szemeloszlási görbéje m- finomsági modulus és dmax 1. Átl. kockaszilárdság: Rck = Rcm-kts (Rck = fck) és Rcm = fcm 2. Bolomey-Palotás: Rck=A(1/(v/c)-B)

ebből v/c meghatározható

3. Redukált v/c (v/c)0=(v/c)/(hkhchdmax) ahol hk konzisztenciától függő tényező hc a cement típusától függő tényező hdmax a dmax-tól függő tényező 4. Az mc és az m meghatározása (iterációval):

(v/c)0 = 0,1+23/mc(11-m)

5. Az adalékanyag megtervezése a számított m-hez. 6. Az adalékanyag, a cement és a keverővíz mennyiségének meghatározása. 7. Próbakeverés. A megtervezett recepturát lehetőség szerint próbakeveréssel ellenőrizni kell.

A fejezet végén lévő fekvő táblázatból kivehető az adott feladathoz (környezeti osztályhoz tartozó legnagyobb víz-cement tényező és legkisebb cementtartalom.

A következő táblázat mutat példát a betontervezés eredményére:

sűrűség ill. testsűrűség anyagok (száraz) javítás javított

anyag g/ml kg/m3 m3 kg kg/m3

cement 3,1 430 138,7 430

víz (v/c=0,472) 1,0 203 203 -13,8 189,2 feltételezett adalékszer 1,0 2,2 2,2 2,2

0/4 (41%) 691,2 13,8 705,0

4/8 (24%) 404,6 404,6 adalékany.

8/16 (35%)

2,64 1685,9

590,1

636,2

590,1

levegő - - 20

összesen 2321 1000 2321


Kitéti (környezeti) osztályok

Klorid okozta korrózió

A k

orró

zió-

nak

vagy

a

rozs

dá-s

odás

-nak

ni

ncs k

ocká

-zat

a

Karbonátosodás okozta korrózió Tengervíz

(Magyarországon csak különleges esetekben

használatos)

Nem tengervízből származó klorid

Fagyás-olvadás okozta korrózió

Agresszív kémiai hatás (Csak természetes

talaj és talajvíz környezetében)

XF2 XF3 XF4 Kitéti (környezeti) osztály jele

X0 XC1 XC2 XC3 XC4 XS1 XS2 XS3 XD1 XD2 XD3 XF1 Légbuborékképzőszerrel

XA1 XA2 XA3

A legnagyobb v/c - 0,65 0,60 0,55 0,50 0,50 0,45 0,45 0,55 0,55 0,45 0,55 0,55 0,50 0,45 0,55 0,50 0,45 A legkisebb szilárdsági osztály c)

C12/15 C20/25 C25/30 C30/37 C30/37 C30/37 C35/45 C35/45 C30/37 C30/37 C35/45 C30/37 C25/30 C30/37 C30/37 C30/37 C30/37 C35/45

A legkisebb cementtartalom, kg/m3

- 260 280 280 300 300 320 340 300 300 320 300 300 320 340 300 320 360

A legkisebb (képzett) levegőtartalom, térfogat-százalék

- - - - - - - - - - - 4,0 a) 4,0 a) 4,0 a) - - -

Legnagyobb megen-gedett testsűrűség

A friss beton megkövetelt testsűrűsége, kg/m3

- 2350 2350 2380 2390 2390 2400 2390 2360 2360 2400 2360

2260 2270 2280

2360 2380 2380

A kiszárított szilárd beton megkövetelt testsűrűsége, kg/m3

- 2260 2270 2310 2330 2330 2350 2340 2290 2290 2350 2290 2180 2200 2230 2290 2320 2330

Egyéb követelmények

- - - - - - - - - - Az MSZ EN 12620:2003 szerinti

kielégítő fagyás/olvadás állóságú adalékanyag

CEM II fajtájú kohó-salak- pc b)

Szulfátálló cement b)


Környezeti osztályok

A betonkorróziónak és/vagy a rozsdásodásnak nincs kockázata

Igénybevétel koptatás hatására Igénybevétel víznyomás hatására

XN(H) X0b(H) X0v(H) Környezeti osztály jele

XK1(H) XK2(H) XK3(H) XK4(H) XV1(H) XV2(H) XV3(H)

A legnagyobb v/c

- - - 0,50 0,45 0,40 0,35 0,60 0,55 0,50

A legkisebb szilárdsági osztály a)

C8/10 C12/15 C16/20 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C25/30 C30/37 C30/37

A legkisebb cementtartalom, kg/m3

- - - 310 330 350 370 300 300 300

Kavicsbeton

2370 2390 2380 2400

Zúzottkőbeton

A friss beton megkövetelt testsűrűsége, kg/m3

- - -

2440 2450 2450 2470

2360 2390 2410

Kavicsbeton

2310 2340 2330 2360

Zúzottkőbeton

A kiszárított szilárd beton megkövetelt testsűrűsége, kg/m3

- - -

2370 2400 2390 2430

2270 2310 2350

Egyéb követelmények

A homokos kavicsot, vagy a zúzottkövet vagy a különleges adalékanyagot az 5.5.7. szakasz

szerint kell kiválasztani.

A homokos kavics szemmegoszlása (M melléklet) az 5.5.3. szakasz

szerinti legyen. a) A legkisebb szilárdsági osztály, tájékoztató adat.


11. hét: Betontervezés. A beton jele. Környezeti osztályok. Receptura. Próbakeverés 11.2. A témakörhöz tartozó fő kifejezések angolul mix design: betontervezés environmental class: környezeti osztály carbonation: karbonátosodás cloride corrosion: klorid korrózió minimal cement content: legkisebb cementtartalom maximal water-cement ratio: legnagyobb víz-cement tényező 11.3. Irodalom Balázs Gy.: „Építőanyagok és kémia”, Tankönyv, Műegyetemi Kiadó 1994, J94493, pp. 330-

338. Gyakorlati segédlet


12. hét: Fémek jellemzői. Betonacélok. Feszítőbetétek. Hőmérséklet hatása. Hegesztés. Acél korrózió 12. FÉMEK JELLEMZŐI. BETONACÉLOK. FESZÍTŐBETÉTEK. HŐMÉRSÉKLET

HATÁSA. HEGESZTÉS. ACÉL KORRÓZIÓ 12.1. FÉMEK JELLEMZŐI A fémek fő jellemzői általában: jó elektromos vezetőképesség, jó alakíthatóság, nagy szilárdság. A fémek kristályos szerkezetűek. A fém atomok a rácspontokon helyezkednek el (12.1. ábra). A több atomból álló legkisebb geometriai alakzatot rácselemeknek nevezzük. A legtöbb fém rácsszerkezete 10-7 mm méretű.

12.1. ábra: Fémek rácselemei

A tiszta fémek olvadékokból kristályrácsként alakulnak ki. Az ötvözetek két vagy több

fém összekeverésekor vagy egymásban való oldása útján kapható. Ötvözéssel a fémek szilárdsági és technológiai tulajdonságait igyekszünk javítani. Egyes fémeknek több féle kristályos alakja is lehet, ezt allotrópiának nevezik.

12.1. táblázat: Fémek fizikai jellemzői Megnevezés Sűrűség,

kg/m3 Olvadáspont,

°C Lineáris

hőtágulás együttható

10-6/°C

Szakító-szilárdság,

N/mm2

Rugalmassági modulus, N/mm2

Acél

Feszítőacél

7 850

7 850

1450

1450

12

12

380-750

1400-1860

210 000

190 000

Alumínium 2 700 657 24 40-130 70 000

Réz 8 900 1083 17 200-370 110 000-14 0000

Ólom 11 340 327 29 10-20 15 000-20 000


12. hét: Fémek jellemzői. Betonacélok. Feszítőbetétek. Hőmérséklet hatása. Hegesztés. Acél korrózió

Néhány fém sűrűségét, olvadáspontját, lineáris hőtágulás együtthatóját és rugalmassági modulusát mutatja a 12.1. táblázatban. Látható, hogy az alumínium az acélhoz képest nem csak könnyebb, hanem kiesebb a rugalmassági modulusa (ezáltal nagyobb alakváltozást szenved) és az olvadáspontja is alacsonyabb. A vas és az acél jellemzői nem térnek el jelentősen. Amit ki kell már … nagy szilárdságúak (a feszített elemek tervezésekor figyelembe kell venni) hogy a fémbetétek rugalmassági modulusa kicsit kisebb, mint más vas és acél betéteké. 12.2. BETONACÉLOK ÉS FESZÍTŐBETÉTEK σ-ε DIAGRAMJAI A betonacélok jellegzetes σ-ε diagramját mutatja a 12. 2. ábra, amelyeket húzó(szakító)

12.2. ábra: A betonacélok jellegzetes σ-ε diagramjai

vizsgálattal állítottak elő. A legalsó diagram, a B 38. 24 jelű, jellegzetes, melegen hengerelt betonacélnak megfelelő viselkedést mutat.

A jel értelmezése: − B = betonacél, 38 : 380 N/mm2 = a szakítószilárdság karakterisztikus értéke, − 24 : 240 N/mm2 = a folyási határ karakterisztikus értéke. Ma már terjed egy új fajta jelölés, ami S = steel mögött csak a folyási határ

karakterisztikus értékét tartalmazza, s így ez S 240 lenne.



Ezen betonacél esetén a lineáris felszálló ág után hosszú folyási szakasz tapasztalható,

amit a felkeményedő ág követ. A szakító szilárdság elérése után rövid leszálló ág van. A teljes fajlagos nyúlás tönkremenetelig (szakadó nyúlás) nagyon nagy, mintegy 30%. Ezen betonacélt főleg földrengéses területen használjuk a nagy alakváltozó képessége miatt.

A szilárdságot növelve a B jelű betonacélok (új jele S 400 stb.) folyási alakváltozó képessége és a szakadó nyúlás csökken.

A 12.2. ábra legnagyobb szilárdságot mutató σ-ε diagramjai feszítőbetétekhez tartoznak, amelyek minden esetben hideg alakítással készülnek. A feszítőbetétek és a hidegen alakított betonacélok nem rendelkeznek tényleges folyási határral csak egyezményes folyási határral (lásd 3. hét anyaga). A lineáris szakaszt követően csak rövid, nem lineáris szakasz tapasztalható. A szakító szilárdság és az egyezményes folyási határ értéke a feszítőbetétek esetén nagyobb, mint a betonacélok esetén a teljes szakadó nyúlás viszont jóval kisebb, mint a betonacélok esetén.

A betonacélok bordázatának kettős szerepe van (1) egyrészt növeli az erőátadó képességet, (2) másrészt megkülönböztethetővé teszi egymástól a betonacélokat. A 12.3. ábra érdekességként majd száz éves betonacélok bordázatát mutatja az Egyesült Államokból.

12.3. ábra: A betonacélok bordázatai Az USA-ban 1913-ban (Abrams, 1913 )

A 12.4. ábra mutat napjainkból jellegzetes bordázatú betonacélt és jellegzetes kialakítású feszítőpászmákat.

A betonacél bordázatával kapcsolatosan felhívjuk a figyelmet, hogy a ferdén futó keresztbordák magassága nullára csökken, mielőtt belefutnának a hosszbordákba. Ennek oka, hogy elkerüljük a fáradásos tönkremenetelt a hossz és a keresztmetszet találkozásánál.



Feszítőpászmának nevezzük a több (2, 3, 7 stb.) huzalból összesodort feszítőbetétet. Feszítőpászmák névleges átmérőjén a összes huzal köré rajzolható kör átmérőjét (tehát nem tömeg és térfogat méréssel származtatott helyettesítési átmérő, mint a betonacélok esetén).

a) b) 12.4. ábra: Jellegzetes betonacél és feszítőbetét

a) jellegzetes betonacél bordázat (nyílbordás) b) feszítőpászmák

12.3. BETONACÉLOK HIDEG ALAKÍTÁSÁNAK HATÁSA

Technológiai okokból szükséges van vagy célszerű lehet a betonacélok hideg alakítása. A hideg alakítás végezhető pl. hidegen húzás vagy hidegen csavarás formájában. A hideg alakítás előtti és utáni σ-ε diagramokat mutatja összehasonlításként a 12.5. ábra. Az ábrából látható, hogy a hideg alakítás követelményei elsősorban a következők:

− megszűnik a tényleges folyási szakasz − kisebb lesz a szakadó nyúlás értéke − növekedhet a húzószilárdság értéke.

12.5. ábra: Betonacél hideg alakítás előtti és utáni σ-ε diagramjai



A folyási határ megszűnése és a szakadó nyúlás csökkenése közvetlenül is belátható,

hiszen a hideg alakítás csak úgy volt elérhető, hogy a folyási szakaszon túli (vagyis a felkeményedési ágra eső) alakváltozásra kényszerítik a betonacélt vissza nem nyerhető módon.

12.4. RELAXÁCIÓ

Feszítőbetétek tetszőleges időpontbeli feszültségeinek meghatározásához feltétlenül szükséges a relaxáció ismerete.

Relaxációnak nevezzük a konstans hosszon, idővel bekövetkező feszültségcsökkenést (12.6. ábra). Feltételezzük, hogy a feszültségcsökkenés aszimptotikusan végértékhez tart. A feszültségcsökkenés kezdetben gyors, aztán csökkenő. A relaxáció mértékét befolyásolja:

− a relatív teherszint (vagyis a kezdeti időponthoz tartozó feszültség (σo) és a

szilárdság (f) aránya (σo/f) − az eltelt idő − az acél típusa (összetétele).

12.6. ábra: Relaxáció

12.5. HŐMÉRSÉKLET HATÁSA A hőmérséklet emelkedés jelentős hatással van a fémek, azon belül az acélok mechanikai tulajdonságaira (12.7. ábra):

− a folyási határ és a húzószilárdság 400°C-ig már felére csökken, − a szakadó nyúlás (A10) valamint a kontrakció (z) (lásd 5. pont) viszont növekszik

(ami kedvező).

σ

l = const



12.7. ábra: Magas hőmérséklet hatása az acél mechanikai tulajdonságaira

Az acél σ-ε diagramjának változását mutatja emelkedő hőmérséklet esetén a 12.8. ábra. Ebből jól látható nem csak a folyási határ és a szakítószilárdság csökkenése, hanem a folyási jelenség megszűnése is.

12.8. ábra: Az acél σ-ε diagramjának változása a hőmérséklet emelkedésével (Reinhardt, 1973)

12.6. HEGESZTHETŐSÉG, SZÉNEGYENÉRTÉK Azok az acélok hegeszthetők, amelyek edződésre nem hajlamosak, vagyis kicsi a széntartalmuk.



A hegeszthetőség feltételét a szénegyenértékkel adjuk meg, amelyben a széntartalmon kívül figyelembe vesszük az egyéb ötvöző, ill. szennyező anyagokat is megadott súlyszámokkal m%-ban. A szénegyenérték meghatározásakor additív tagként figyelembe kell venni a légáteresztő lemez vastagságát (d) is.

.0024,045156

dMoCrNiMnCCekv +++++=

A teljesítendő feltétel, hogy

Cekv ≤ 0,3-0,6

acéltípustól függően. 12.7. HEGESZTÉSI VARRAT EDZŐDÉSE

Az acél hegesztésével kapcsolatosan fontos tudnivaló, hogy a hegesztés során létrehozott magas hőmérséklet a varrat környezetének edződését eredményezi (12.9. ábra).

12.9. ábra: Hegesztési varrat környezetének tulajdonságai a) hőhatásövezet, b) a varrat környezetének edződése az acél széntartalma függvényében


12. hét: Fémek jellemzői. Betonacélok. Feszítőbetétek. Hőmérséklet hatása. Hegesztés. Acél korrózió 12.8. ACÉL KORRÓZIÓ Az acélbetéteknél megkülönböztetünk kémiai és elektrokémiai korróziót. A kémiai korrózió során a levegő hatására egyenletes korrózió megy végbe. Az elektrokémiai korrózió kis helyre koncentrálva történik és alapvető feltétele a víz jelenléte. A korrózió két lépésben az acélbetét két térben elválasztott helyén, az anód- és a katódfelületen megy végbe (12. 8. ábra). Az anód és a katód között potenciálkülönbség alakul ki. A potenciál különbség hatására megindulhat az elektronáramlás.

12.8. ábra: A korróziós folyamat mechanizmusa (Balázs)

Az anódnál a vasionok oldódnak, és egyidejűleg elektronok szabadulnak fel

Fe→ Fe2++2 e-

Az elektronok acél közvetítésével a katódhoz vándorolnak és ott az oxigénnel és a vízzel hidroxid-ionokat képeznek.

4 e- +O2 + 4H+→ 2H2O pH<4 4 e- +O2 + 2H2O→ 4OH- pH>4 4 e- + 4H+→ 4H2 pH<4

Az elektrokémiai folyamat révén helyi elemek jönnek létre. Az elektromos erő, ugyan

nagyon kicsi azonban folyamatosan működve jelentős károkat tud okozni. Hatásuk úgy jelenik meg, hogy az oxidáció nem terjed ki az egész felületre, hanem kicsi (anódos helyekre koncentrálódik és ott lyuk keletkezik.

Az elektrokémiai korrózió létrejöttéhez három környezeti feltételnek kell teljesülnie: a) beton elveszítse erősen bázikus védőszerepét karbonátosodás következtében b) a betonok elektromos vezetőképessége legyen (víztartalom, ionkoncentráció) c) oxigén acélbetéthez jutáson (betonfedés vastagsága, tömörség, víztartalom).



Atmoszferikus korrózió: szabad levegőn acélon fellelhető korrózió. Ha az acél felületén vízcsepp van, akkor a cseppben lévő oxigén koncentráció különbsége miatt egy anódot és egy katódot tartalmazó helyi elektródáram alakul ki:

I Fe→Fe22+ + 2e-

II O2 + 2H2O + 4e- →4OH-

Ennek következtében a vízcsepp acéllal érintkező peremtartománya OH-ionokban feldúsul, és fokozatosan alkálikussá válik, és az acélfelületet a nedves lúgosság következtében passzivá teszi, míg a csepp közelében a vas oldódik:

III Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2

IV nFe(OH)2 + mO2 → vas(III)-oxid-hidrát=rozsda.

Elekrtokémiai korrózió:

(1) anódos részfolyamat Fe→Fe2

+ + 2e-

(2) katódos részfolyamat

4e- + O2 + 4 H + → 2H2O

4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Erősen savanyú közegben (pH<4) a következő folyamat is végbemehet:

4e- + 4 H+ → 2H2

A 12.8. ábra mutatja az acélkorrózió jellegzetes megjelenési formáit.

12.8. ábra: Az acélkorrózió jellegzetes megjelenési formái



12.9. A témakörhöz tartozó fő kifejezések angolul metal: fém prestressing bar: feszítőbetét steel: acél prestressing wire: feszítő huzal deformed bar: bordás betonacél prestressing strand: feszítő pászma plain bar: sima betonacél relaxation: relaxáció reinforcing bar: betonacél corrosion: korrózió eletrolitic corrosion: elektrolitikus korrózió 12.10. Irodalom Balázs Gy.: „Építőanyagok és kémia”, Tankönyv, Műegyetemi Kiadó 1994, J94493, pp. 417-

420, 437-469, 479-486. Gyakorlati segédlet


13. hét: Félévközi számonkérés és vizsga zárthelyi A vizsga zárthelyi az utolsó előadási órán kerül megírásra. Felkészüléshez az alábbi kérdések használhatók. A témakörök mellett meg vannak adva a Tankönyv vonatkozó fejezetei pontos oldalszámmal, amihez további segítségül a gyakorlatokhoz elektronikusan is rendelkezésre álló segédletek szolgálnak. A vizsgán segédeszköz nem használható. Számológépre szükség van.

ÉPÍTŐANYAGOK I. (Kód: BMEEOEMAT12) – BSc

Vizsgára való felkészülést segítő kérdések Ajánlott irodalom: Dr. Balázs György, "Építőanyagok és kémia", Műegyetemi Kiadó 1994.

+ gyakorlati anyagok és kiegészítések SZILÁRD ANYAGOK FŐ TÍPUSAI (Tankönyv 52-57.o. + gyakorlati anyagok) Sűrűség, testsűrűség, tömörség. Porózus anyagok, porozitás. A pórusok típusai (mikropórusok, makropórusok, mezopórusok, légpórusok, kapillárisok). Látszólagos porozitás. Vízfelvétel. Anyaghalmazok: szemcsés anyagok, szálas anyagok, lemezes anyagok. Halmazsűrűség. Kötőanyag. Szendvicsszerkezetek, szálerősítések, vasalások. IDEALIZÁLT σ-ε DIAGRAMOK (Tankönyv 125-127. o.) Idealizált σ-ε diagramok: lineárisan rugalmas, merev-képlékeny, lineárisan rugalmas-tökéletesen képlékeny, lineárisan rugalmas rugalmas-lineárisan felkeményedő anyagok. Terhelés, tehermentesítés. ÉPÍTŐANYAGOK ÁLTALÁNOS TULAJDONSÁGAI ÉS VIZSGÁLATUK (Tankönyv 67-125.o. + gyakorlati anyagok) Fizikai tulajdonságok. Sűrűségmérés (piknométer, merülő sűrűségmérő, hidrosztatikai lebegés elve, folyadékkiszorítás). A fajlagos felület definíciója és mérése, Blaine-készülék. Szemcseméret-eloszlás meghatározása (vizes osztályozó módszerek és hidrometrálás). Por szerű anyagok sűrűségmérésének elve. Hidrotechnikai tulajdonságok: víztartalom, vízfelvétel, nedvességfelvétel vagy szorpció, vízfelszívás, nedvességvezetés, páradiffúzió. Vízállóság, lágyulási tényező, vízáteresztési tényező, Darcy-törvény, fagyállóság, fagylágyulási tényező. Hőtechnikai anyagjellemzők: fajhő, hőmérséklet (a hőmérők típusai), lineáris hőtágulási együttható, hővezetési tényező, hőfokvezetési tényező, fajlagos hőelnyelési tényező, hőátadási tényező. A hővezetési tényezőt befolyásoló tényezők. Tűzállóság. Statikai és szilárdságtani alapfogalmak. Statikus vagy rövididejű teher, dinamikus teher, fárasztó vagy sokszor ismételt teher, tartós teher. Anyagvizsgálatok: roncsolásos vagy roncsolásmentes. Fémek húzóvizsgálata: feszültség, szilárdság, feszültség (σ) – alakváltozás (ε) ábra, arányossági határ, rugalmassági határ, folyáshatár, egyezményes (vagy névleges) folyáshatár, szakítószilárdság, szakadási nyúlás, kontrakció. Porózus anyagok húzószilárdsága: központos húzóvizsgálat, hajlítóvizsgálat (hajlító-húzó szilárdság), hasítóvizsgálat (hasító-húzó szilárdság). A beton hajlító-húzó szilárdságát befolyásoló tényezők. Kőszerű anyagok nyomószilárdsága, kockaszilárdság, hasábszilárdság, hengerszilárdság. A próbatest törésképe, keresztirányú alakváltozás. Nyírószilárdság. Közvetett szilárdsági jellemzők. Bauschinger-Böhme-féle koptatási vizsgálat. Keménység, Brinell-keménység (HB), Vickers-keménység (HV), Rockwell-keménység, Poldi kalapács.


13. hét: Félévközi számonkérés vizsga zárthelyi A keménységvizsgálati eredmények átszámítása. Keménység és szilárdság. Ütőmunkabírás, Charpy-kalapács. Wöhler-görbe, kifáradási határ, lüktetőszilárdság, lengőszilárdság. Smith-diagram. Goodman-diagram. Tartós szilárdság. Alakváltozási jellemzők: pillanatnyi rugalmas és pillanatnyi maradó alakváltozás, időben lejátszódó alakváltozások: késleltetett rugalmas és késleltetett maradó alakváltozás, hőtágulás vagy nedvesség okozta alakváltozás, kémiai reakció okozta alakváltozás, spontán alakváltozás. Rugalmas anyagok, rugalmas hiszterézis. Képlékeny anyagok. Rugalmas-képlékeny anyagok. Rugalmas-viszkózus anyagok, terhelés, tehermentesítés, hiszterézis. Időben lejátszódó (reológiai) folyamatok. Kúszás, lineáris kúszás, kúszási tényező, tartós szilárdság, kúszási határ. Relaxáció (ernyedés). Szívós anyagok. Rideg anyagok, rideg törés, a hőmérséklet és a terhelési sebesség szerepe. Rugalmassági modulusok: érintőmodulus, húrmodulus, kezdeti rugalmassági modulus, nyírási rugalmassági modulus. Idealizált σ-ε diagrammok: lineárisan rugalmas, lineárisan rugalmas-tökéletesen képlékeny vagy merev-tökéletesen képlékeny anyag. SZERVETLEN KÖTŐANYAGOK (Tankönyv 205-235o. + gyakorlati anyagok) Kötőanyagok fogalma. Kötőanyagok osztályozása. Levegőn szilárduló kötőanyagok. Építési mész, fogalma, körfolyamata, darabos égetett mész, őrölt égetett mész, mészhidrát, oltott mész, portartalom, oltási maradék, szaporaság, mészpép terülése. Az építőiparban használt mészfajták. A mész felhasználási terülte. A mész szilárdulása. A mész oltási ideje. Építési gipsz. Gipszfajták: félhidrátgipsz, esztrich gipsz, márványgipsz. A félhidrátgipsz minősítése alapjául szolgáló tulajdonságok: őrlési finomság, kötési idő kezdetének megállapítása Vicat-készülékkel. A gipsz megnevezése. A gipsz szilárdulása, felhasználási területe. A magnézia. A cement. Fogalma, a portlandcement előállítása, klinker, forgókemence, hőmérsékletek. A portlandcement kémiai összetétele. Klinkerásványok: alit (trikalcium-szilikát), belit (dikalcium-szilikát), trikalcium-aluminát, tetrakalcium-aluminát-ferrit. A szilárdulás mechanizmusa, hidratáció. A betonacélok korrózióvédelmének biztosítása, a beton pH-ja, betonfedés. Heterogén cementek, hidraulikus pótlék, kohósalak, trasz, pernye. A hidratáció sebességét befolyásoló tényezők, hőmérséklet, adalékszerek. szilárdulási sebesség, kezdeti szilárdság, végszilárdság. Hidratációs alakváltozások, térfogatállandóság, mészduzzadás, magnéziaduzzadás, gipszduzzadás, alkáliduzzadás. Hidratációhő, a hidratációhő időbeli alakulása, kötési idő. Vérzés. Kötött víz. A cementkő porozitása. A cementkő nyomószilárdsága a porozitás függvényében. A porozitás és a hidrotechnikai tulajdonságok összefüggése. A cementminősítés alapjául szolgáló tulajdonságok: kötési idő vizsgálata, őrlési finomság vizsgálata Blaine-készülékkel, térfogatállandóság vizsgálata főzőpróbával, a szilárdság vizsgálata. A cement kötési idejét befolyásoló tényezők: a víz-cement tényező, a fajlagos felület, adalékszerek, hőmérséklet. Az építőiparban használt cementek. A cementek jelölése. HABARCSOK (Tankönyv 339-355. o. + gyakorlati anyagok) Habarcsok kötőanyagai, adalékanyagai és adalékszerei. Konzisztencia, vízmegtartó képesség, tixotrópia, tapadóképesség szétosztályozódási hajlam, kötési idő. Megszilárdult habarcsok vizsgálata. Habarcsfajták: falazó-, vakoló-, ágyazó-, felületképző-, vízzáró-, különleges habarcsok.


13. hét: Félévközi számonkérés vizsga zárthelyi BETON (Tankönyv 237-300.o., 330-338.o. + gyakorlati anyagok) A beton fogalma, osztályozása. A beton jelölése és annak értelmezése. A betonok adalékanyagai és azok jellemzése. Agyag, iszap, homok, kavics. Adalékanyagok tulajdonságai. Homokegyenérték, agyag-iszap tartalom, szulfát tartalom, klorid ion tartalom, szerves szennyeződések (alkáli-adalék reakció). Adalékhalmazok szilárdsága, Los-Angeles vizsgálat, Hummel-féle szétaprózódás. Szemszerkezeti tulajdonságok. Szemeloszlási görbe. Finomsági modulus. A betontechnológia Abrams-féle tétele és annak továbbfejlesztése. Szemmegoszlás javítása, tervezése több frakció esetén. Megadott finomsági modulus eléréséhez tartozó feltételi egyenletek két vagy három adalékfrakció esetén. A szemmegoszlási görbe tervezése grafikus módszerrel. Adalékanyag szemalakja. Adalékanyag nedvességtartalma és vízfelvétele. Adalékanyag halmazsűrűsége a nedvességtartalom függvényében. Adalékszerek. konzisztenciajavítók, vízzáróságot fokozók, fagyállóságot fokozók, kötés- és szilárdulásgyorsítók, kötéskésleltetők és kötésgátlók, színezőanyagok, gázképzők, habképzők, felületi kezelőszerek. Alkalmazási módok. Frissbeton. Keverési arány, betonösszetétel. víz-cement tényező, víz-levegő-cement tényező, bedolgozási tényező, konzisztencia, bedolgozhatóság, próbakeverés, telítettség, a frissbeton eltarthatósága, szétosztályozódás. Konzisztencia vizsgáló módszerek, konzisztencia osztályok. A keverési arány számítása az alapanyagok fizikai jellemzői ismeretében. A keverési arány meghatározása a frissbeton testsűrűségének előzetes becslésével. A pórustartalom meghatározásának fizikai elve (Boyle-Mariotte törvény) és gyakorlati végrehajtása. Betonkeverő gépek. A betonszállítása, bedolgozása, tömörítése, utókezelése. Munkahézag. Próbakeverés során meghatározandó jellemzők. A levegőtartalom számítása és a betonalkotók mennyiségének meghatározása a próbakeverési adatokból. A megszilárdult beton tulajdonságai. A szilárdság értelmezése, a nyomószilárdság átlagértéke, jellemző értéke és szórása. A betonszilárdság sűrűség és eloszlásfüggvénye. A szilárdság eloszlásától és a próbatestek számától függő tényezők. Szilárdsági osztályokba sorolás. Nyomószilárdság meghatározása roncsolásmentes módszerekkel. Betonoszkópos és Schmidt-kalapácsos szilárdságmérés elve. A beton szilárdsága többtengelyű igénybevétel esetén. A beton fáradási szilárdsága. A beton húzószilárdsága és hajlító-húzó szilárdsága. A beton és a betonacél közötti kapcsolat (tapadás). Kapcsolati feszültség-relatív elmozdulás ábra. Kopásállóság, vízfelvétel, vízzáróság, fagyállóság. Betonok σ-ε diagramjai. Rugalmassági modulusok. Törési mechanizmus. Poisson-témyező. A beton zsugorodása. A zsugorodást befolyásoló tényezők. A beton lassú alakváltozása (vagy kúszása). A kúszást befolyásoló tényezők. Kúszási tényező. A beton lineáris hőtágulási együtthatója. Betontervezés. Betontervezés lépései: számítással, grafikonnal. Szükséges kiindulási paraméterek. FÉMEK (Tankönyv 417-420.o. + 437-469. o. + 479-486. o. + gyakorlati anyagok) A fémek általános jellemzése. A fémek rácsszerkezete. Allotrópia. Vas és acél. A vas lehűlési és felfűtési ábrája, α-vas, γ-vas, δ-vas. Az acél tulajdonságai. Betonacélok σ-ε diagramja. A szakítóvizsgálat eredményét befolyásoló tényezők. A szakítószilárdság becslése keménységvizsgálattal (Brinell-, Vickers-, Rockwell-módszer, Poldi kalapács). Acél fajlagos ütőmunkabírása a hőmérséklet függvényében (Charpy-kalapács, hidegtörékenység, kéktörékenység, vöröstörékenység). Az acélok fáradása. Ridegtörés bekövetkezésének feltételei. Relaxáció fogalma, befolyásoló tényezői. Relaxáció mértéke a különböző feszítőbetétek esetén.


13. hét: Félévközi számonkérés vizsga zárthelyi Relaxációs veszteség. Technológiai próbák. Vas- és acélfajták: acél, öntöttvas, lágyacél. A folyáshatár, a szakítószilárdság, a szakadó nyúlás és a kontrakció változása a széntartalom függvényében. A folyáshatár, a szakítószilárdság, a szakadó nyúlás és a kontrakció változása a hőmérséklet függvényében. Ötvözetlen szerkezeti acélok és a betonacélok fő jellemzői. Csövek. Hidegen alakított acélok. A melegen hengerelt és a hidegen alakított betonacélok σ-ε diagramjának összehasonlítása. A hidegen alakított betonacélok duktilitása. Hegesztett hálók. Feszítőbetétek: feszítőhuzalok és pászmák fő jellemzői. Kapcsolóelemek: szegecsek, csavarok. Különleges acélok. Hegesztési eljárások. A hegeszthetőség definíciója, a szénegyenérték. Varrattípusok. A hegesztési varrat környezetének tulajdonságai. Hegesztés miatt bekövetkező alakváltozások. Varratok ellenőrzése. Varrathibák. Alumínium. Alumínium ötvözetek. Az alumínium fő mechanikai jellemzői. Réz. Ólom. Ón. Horgany. Az acél korróziója. Az elektrokémiai korrózió folyamata, anód és katód kialakulása, anódos folyamat, katódos folyamat. A korrózió megjelenési formái: egyenletes korrózió, lyukkorrózió, lemezes korrózió, kristályközi korrózió, transzkrisztallin korrózió, filiform korrózió.


14. hét: Roncsolásmentes betonvizsgálatok. Ismétlés. Feladatbeadás 14. RONCSOLÁSMENTES BETONVIZSGÁLATOK. ISMÉTLÉS.

FELADATBEADÁS 14.1. RONNCSOLÁSMENTES BETONVIZSGÁLATOK Vasbetonszerkezetek esetén sokszor van szükség egyszerű vizsgálati módszerre aminek segítségével közelítőleg meg lehet állapítani a beépített beton szilárdságát anélkül, hogy abból mintát kellene vennünk. Ilyen roncsolásmentes szilárdsági vizsgálati módszer a:

a) a beton felületi rétegének keménységmérésén alapuló módszer eszköze a Schmidt-kalapács (14.1. ábra)

14.1. ábra: Schmidt kalapács felépítési vázlata, (Neville, 1995)

b) az akusztikai impulzusok (hang) terjedési sebességének mérésén alapuló módszer eszköze a betonoszkóp

A felületi keménység mérésen alapuló módszerekkel csak a beton felszínéhez közeli,

néhány mm vastag betonréteg tulajdonságait vizsgálják. Az eredményt befolyásolja az a körülmény, hogy a felület gyorsabban szárad, mit a beton belseje, így a cement is másképpen szilárdul. Továbbá a felületi rétegekben a kalcium-hidroxid kalcium karbonáttá alakul, ami keménység növekedéssel jár, de csupán a felületi rétegekben. Végül szerepet játszik a zsaluzat vízáteresztő és vízszívó képessége, a betonszétkeveredése. (Például vasbeton födémek alsó oldala mindig keményebb mint a felső). Kis péptartalmú betonban valószínűleg a cementkőnél nagyobb keménységű adalékanyag keménységét mérik meg.

A hang terjedési sebességének mérésén alapuló módszerekkel kapott eredményt befolyásolja a szerkezei elem alakja és mérete, az acélbetétek mennyisége és elhelyezése, a betonban lévő repedés.

Mindezeket figyelembe véve, a roncsolásmentes betonvizsgálatok általában nem helyesítik, hanem csak kiegészítik a roncsolásos betonvizsgálatokat.

A roncsolásmentes szilárdságbecslő eljárások alkalmazási területe: a) A roncsolásmentes vizsgálati módszerek elsősorban a beton minőség-

egyenletességének vizsgálatára alkalmasak, ha a cement- és adalékfajta azonos és a betonösszetétel nem változik jelentősen. A jó és rossz tartományokat jól körül lehet határolni. Ebben van a módszer igazi jelentősége.


14. hét: Roncsolásmentes betonvizsgálatok. Ismétlés. Feladatbeadás

b) A szilárdsági osztály becsülhető, ha az adott betonösszetételre és használt készülékre vonatkozó szilárdságbecslő görbe áll rendelkezésre, feltételezve az azonos zsaluzatot és az azonos szilárdulást. Annál megbízhatóbb a becsült szilárdság, minél közelebb voltak a hitelesítő beton tulajdonságai a vizsgált betonéhoz. Pl. a Schmidt-kalapácson feltüntetett szilárdságbecslő görbe minden betonra érvényes, a várható bizonytalanság nagy.

c) A nyomószilárdság viszonylag pontosan meghatározható olyan betonüzemben vagy nagy építkezésen, ahol a betonösszetétel alig változik, a szilrárdságkülönbségek az eltérő vízadagolásra és tömörítésre vezethetők vissza és a szilárdság-roncsolásmentes mérési eredmény (hang terjedési sebessége, visszapattanás) közötti összefüggést, a szilárdságbecslő görbét, ezen a betonon határozzák meg.

Borján mindkét vizsgálati módra új értékelési módszert dolgozott ki. Ebből az ultrahangos becslés módszerét mutatjuk be. A kockaszilárdság és az ultrahang terjedési sebessége között

lgRc,□ = 2,407 – av · 10-4(5760-v)

összefüggés áll fenn. A képletben

Rc,□ a kockaszilárdság, MPa (200 mm élhosszúságú kockára vonatkoztatva), v az ultrahang terjedési sebessége, m/s, av a betontechnológiai tényezőktől függő szorzótényező.

A függvény a 14.2. ábra szerinti sugársorral ábrázolható. Ha semmilyen betontechnológiai adatot nem ismerünk, akkor az 5% valószínűségű alsó küszöbgörbéhez tartozó érték av = 6,8. Ha a betonból magmintákat fúrtak, annak meghatározták az átlagos szilárdságát (a hengerszilárdságot át kell számítani kockaszilárdságra) és a hozzátartozó átlagos sebességet, ezen a ponton keresztül húzott sugár érvényes arra a betonra mint függvényre. Ha a betonnak ismertek a betontechnológiai paraméterei, akkor az 5%-os küszöbgörbéhez tartozó értéket módosítani kell

av = 6,8 – Σ∆v

értékkel, ahol ∆v értéke pl.

ha dmax ≤ 16 mm, akkor 0,5 ha a szemmegoszlás II. o., akkor 0,6 ha a beton telített, akkor 0,3.

Az így kiszámított av értékhez tartozó egyenes lesz a szilárdságbecslő függvény.


14. hét: Roncsolásmentes betonvizsgálatok. Ismétlés. Feladatbeadás

14.2. ábra: Ultrahangos szilárdságbecslés

14.2. A témakörhöz tartozó fő kifejezések angolul rebound hammer: Schmidt-kalapács ultrasonic puls velocity: ultrahangos terjedési sebesség 14.3. Irodalom Balázs Gy.: „Építőanyagok és kémia”, Tankönyv, Műegyetemi Kiadó 1994, J94493, pp. 285-

286. Borján J.: „Roncsolásmentes betonvizsgálatok”, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1981 Neville, A. M.: „Properties of Concrete”, Fourth Edition, 1995, Longman Group Limited, pp.

624-632.

eurÓpai uniÓ strukturÁlis alapok É p Í t Ő a n y a g o k · eurÓpai uniÓ strukturÁlis...

Documents