Proprietatile betonului intarit

Proprietatile betonului intarit

 Structura betonului intarit

Betonul intarit este un material compozit, cu o structura complexa, compusa din matrice si agregat.

Este un material poros si microfisurat cu o concentrare a defectelor structurale in zona de interfata matrice-agregat.

Datorita varietatii materialelor componente, proportiilor dintre ele, cat si tehnologiilor de punere in lucrare si tratare ulterioara, proprietatile betonului variaza in limite largi.

Matricea inveleste granulele de agregat si umple golurile scheletului format din acestea.

Adeziunea dintre partea lianta si agregatele mari variaza in functie de compozitia mineralogica a cimentului si agregatelor, de starea suprafetei granulelor de agregat, de proportia de apa, modul de punere in lucrare, conditiile de intarire, etc.

Caracteristicile zonei de contact dintre matrice si granulele de agregat reprezinta un factor hotarator al calitatii betonului.

O aderenta defectuoasa intre piatra de ciment si granulele de agregat afecteaza in mare masura atat rezistentele mecanice ale betonului cat si alte proprietati cum sunt: coeficientul de impermeabilitate, rezistenta la agresiuni fizice si chimice, etc.

In linii mari, adeziunea matricei la suprafata granulelor de agregat se poate realiza astfel:

adeziune mecanica, prin ancorarea in asperitatile suprafetei granulelor de agregat. Acesta este tipul de aderenta care se realizeaza in mod curent intre matrice si agregatele din beton si se manifesta mai accentuat la agregatele de concasare, datorita rugozitatii suprafetei si la agregatele usoare cu porozitate deschisa;

adeziunea prin epitaxie, o sudura directa a produsilor de hidratare ai cimentului pe suprafata granulelor de agregat si care apare atunci cand exista concordanta de structura intre acestia si orientare favorabila. Acest tip de aderenta se intalneste la betoanele cu anumite agregate calcaroase si se accentueaza odata cu trecerea timpului, datorita carbonatarii hidroxidului de calciu;

 adeziunea chimica se stabileste in urma unor interactiuni chimice care au loc intre produsii de hidratare-hidroliza ai cimentului si agregatele silicioase. Se manifesta curent la betoanele cu agregate cuartoase intarite prin autoclavizare. In acest caz, intre hidroxidul de calciu rezultat din hidroliza cimentului si bioxidul de siliciu activ din agregat, au loc reactii chimice cu formarea de hidrosilicati de calciu.

Cantitatea de apa utilizata la prepararea betonului are o mare influenta asupra structurii betonului intarit.

Din necesitatea asigurarii lucrabilitatii betonului, raportul apa-ciment are valori cuprinse in mod obisnuit intre 0,35 si 0,70, deci mult mai mari decat cel al pastelor de ciment de consistenta normala (0,23-0,29). De aceea, porozitatea matricei din beton este mai mare decat a pietrei obtinute prin intarirea unei paste de ciment si distributia dimensionala a porilor este diferita.

Porozitatea matricei este mai mare in apropierea granulelor de agregat, acestea fiind inconjurate de o "zona de tranzitie" a carei grosime creste cu cresterea proportiei de apa si scade in timp, in urma proceselor de hidratare-hidroliza.

Atat compozitia cat si structura matricei sunt mult influentate de agregatele cu dimensiunea sub 0,2 mm, acestea avand o mare activitate fizica (toate rocile utilizate ca agregate sunt alcatuite din minerale cu structura ionica sau cu legaturi covalente, polarizate).

In afara de porozitatea matricei, in beton exista si macropori, rezultati prin antrenarea aerului la amestecarea si punerea in lucrare a betonului.

Neomogenitatea structurii betonului se datoreste si alcatuirii lui din materiale cu densitati diferite si dimensiunilor variabile ale granulelor componentilor.

La betoanele plastice si mai ales la cele fluide, la punerea in lucrare se poate produce o segregare a componentilor. In urma procesului de intarire, in functie de cantitatea de apa in exces, sub agregatele mari se vor forma pori capilari sau goluri lenticulare de dimensiuni mai mari, care vor influenta mult compactitatea si aderenta si prin aceasta si celelalte caracteristici ale betonului intarit (fig. V.5).

Figura 1 Reprezentare a porilor din beton

In timpul intaririi betonului, datorita contractiei la uscare, in matrice apare un sistem de microfisuri care se amplifica in timp sub actiunea factorilor exteriori.

Existenta micro si macroporilor, capilarelor, cavernelor, micro si macrofisurilor, reprezinta defecte de structura care reduc calitatea betonului. Proprietatile betonului sunt influentate esential de valoarea porozitatii totale, precum si de natura, marimea si distributia porilor.

Porozitatea betonului este formata din:

pori de gel - cu dimensiunea de regula sub 100 Å, greu permeabili pentru apa lichida;

pori capilari - cu dimensiuni mai mari de 100 Å, cu proprietati hotaratoare asupra tuturor caracteristicilor betonului; ei nu sunt uniform raspanditi in matrice, iar pe parcursul intaririi se umplu partial cu noile produse de hidratare;

pori sferici - rezultati la amestecarea betonului (aer oclus), fie la folosirea aditivilor antrenori de aer (aer antrenat), cu dimensiuni intre 50 - 100 mm;

pori cu dimensiuni mai mari de 200 mm, apartin defectelor de structura, iar volumul lor trebuie sa fie limitat in betonul bine alcatuit si compactat.

Prin folosirea aditivilor antrenori de aer se poate dirija, in mod corespunzator, volumul, dimensiunea si distributia aerului antrenat, cu consecinte favorabile asupra gradului de impermeabilitate si a rezistentei la inghet-dezghet repetat.

Toate incercarile de a stabili relatii de dependenta a rezistentei mecanice de factori de compozitie si structura ajung, intr-o forma simplificata, la stabilirea unor relatii intre rezistenta si porozitate.

Pentru asigurarea unei compactitati maxime si a unei structuri cat mai omogene, conditii esentiale pentru betoane de rezistenta, compozitia betonului judicios stabilita, trebuie corelata cu mijloacele optime de compactare si cu masuri pentru asigurarea conditiilor favorabile de intarire.

Caracteristicile fizice, mecanice si chimice ale betonului intarit prezinta interes deosebit pentru calculul dimensional si pentru stabilirea domeniului de folosire. Dintre proprietatile fizico-mecanice si chimice, cele mai importante sunt preezentate in continuare.

Proprietati

Densitatea aparenta

Densitatea aparenta a betonului intarit, r_a, se determina pe corpurile de proba pregatite pentru determinarea rezistentelor mecanice.

Deoarece betonul are capacitatea de a ceda sau absorbi apa, densitatea aparenta se poate determina atat in stare uscata cat si de umiditate naturala.

Compactitatea

Deoarece la betoanele grele obisnuite densitatea (r) variaza foarte putin cu compozitia, se considera ca se poate aprecia compactitatea suficient de exact, in dependenta de variatia densitatii aparente (r_a). In cazul acestor betoane, compactitatea este preponderent determinata de cea a matricei precum si de zona de tranzitie matrice-agregat.

Compactitatea este o caracteristica importanta intrucat influenteaza: permeabilitatea, rezistenta la inghet-dezghet, rezistentele mecanice, rezistenta la actiunile chimice agresive, conductivitatea termica, etc.

In practica nu se pot realiza betoane cu compactitate 100% si datorita structurii microporoase si microfisurate a betonului. In mod conventional, un beton se considera compact cand porozitatea totala este 5-7%.

Pentru marirea compactitatii se iau masuri la stabilirea compozitiei betonului (folosirea de agregate cu granulozitate foarte buna, reducerea raportului apa-ciment cu pastrarea unei bune lucrabilitati, folosirea de aditivi plastifianti), la punerea in lucrare (prin utilizarea de mijloace energice de compactare) precum si la tratarea ulterioara.

Permeabilitatea betonului fata de gaze sau lichide

Este o proprietate determinanta pentru durabilitatea sa. Betonul permeabil este mai vulnerabil la inghet-dezghet si la coroziune (inclusiv a armaturii din betonul armat). Patrunderea apei in beton afecteaza negativ si rezistentele mecanice si proprietatile de izolare termica.

Deplasarea apei pe o anumita adancime in beton depinde atat de presiunea coloanei de apa cat si de diferenta de umiditate corespunzatoare celor doua fete ale elementului de beton sau de efecte osmotice.

Permeabilitatea la apa este determinata de porozitate, distributia, dimensiunile si tipul porilor (inchisi, interconectati). Ea este influentata de natura si dozajul in ciment (cresterea dozajului reduce permeabilitatea), de raportul a/c (fig. V.6), varsta, conditii de exploatare, etc.

Figura 2. Variatia coeficientului de permeabilitate cu raportul a/c

Determinarea permeabilitatii la apa a betonului este dificila avand in vedere complexitatea structurii materialului si caracterul evolutiv al acestuia.

Teoretic permeabilitatea la apa poate fi apreciata prin coeficientul de permeabilitate (K) dat de formula lui Darcy:

[m/s]

unde

Q - cantitatea de apa (m³) scursa in timpul t (s);

A - suprafata transversala a probei (m²);

l - grosimea probei (m);

DP - caderea presiunii coloanei de lichid in proba (metri coloana de apa).

Practic determinarea gradului de impermeabilitate (P) se realizeaza prin metode standardizate si se apreciaza conventional prin adancimea in beton pe care a penetrat apa supusa unei anumite presiuni, intr-un anumit interval de timp.

Rezistenta la inghet-dezghet

Este proprietatea acestuia de a rezista la actiuni de inghet-dezghet, fara a suferi deteriorari, in conditii de exploatare, deci de interactiune cu factorii de mediu.

Rezistenta la inghet-dezghet repetat in conditii de laborator este data prin gradul de gelivitate. Acesta se defineste prin numarul maxim de cicluri inghet-dezghet succesive (in conditii normalizate) pe care epruvetele din beton saturat cu apa, incepand cu o varsta de cel putin 28 de zile, pot sa le suporte fara ca reducerea rezistentei la compresiune sa fie mai mare de 25% fata de epruvetele martor (metoda distructiva) sau reducerea modulului de elasticitate dinamic cu mai mult de 15% (metoda nedistructiva).

Distrugerea betonului prin inghet-dezghet este o consecinta a structurii sale capilar-poroase si a gradului de saturare cu apa, in conditiile unor temperaturi negative, cand marirea de volum de circa 9% a apei care ingheata in porii si capilarele sale, determina eforturi ce depasesc rezistenta la intindere a betonului.

Temperatura la care ingheata apa prezenta in beton depinde de tipul si marimea porilor in care se gaseste.

Apa din micropori si canale capilare este supusa la presiuni importante, a caror valoare este cu atat mai mare cu cat diametrul lor este mai redus si, in consecinta, ingheata la temperaturi mai scazute decat apa libera. Cele mai mari transformari in structura betonului se produc in intervalul de temperatura cuprins intre -10° si -40° C (fig. V.7).

Figura 3. Variatia temperaturii de solidificare a apei din pori cu diametrul acestora

Daca matricea betonului are bule de aer (datorate actiunii aditivilor antrenori de aer), cu dimensiuni de 20-200 mm, la presiune normala ele nu sunt pline cu apa, deoarece actiunea fortelor capilare este mai redusa decat actiunea gravitationala si constituie astfel rezervoare de descarcare a presiunii, imbunatatind comportarea la inghet-dezghet repetat.

Rezistenta la inghet-dezghet repetat a unui beton la un anumit grad de saturare cu apa, depinde de compactitate, de marimea, forma si modul de distributie a sistemului de pori si capilare, de tipul si dozajul de ciment, natura agregatelor, etc.

Pentru obtinerea de betoane rezistente la inghet-dezghet repetat este necesar sa se realizeze betoane compacte, impermeabile, preparate cu cimenturi bogate in C₃S si cu continut cat mai redus in C₃A.

De asemenea, se recomanda folosirea aditivilor plastifianti, antrenori de aer, care determina formarea unor pori fini, uniform distribuiti, care intrerup capilarele si care in acelasi timp amortizeaza efectul presiunii produse de cristalizarea apei.

Se considera ca betonul de buna calitate (utilizand ciment portland unitar, raport a/c mai mic de 0,36, un grad de hidratare avansat, avand deci cantitati mici de apa inghetata) se comporta bine pentru temperaturi de pana la -30° C.

Conductivitatea termica

Conductivitatea termica variaza in limite largi, intrucat depinde de densitatea aparenta si umiditatea betonului, de porozitatea si natura agregatelor.

Pentru betoanele grele coeficientul de conductivitate termica (l) este de ordinul 1,28-1,74 W/mK.

Conductivitatea termica scade la temperaturi mai mari de 100°C, ca urmare a schimbarii continului de umiditate.

Rezistentele mecanice

In aprecierea comportarii betonului la solicitari mecanice trebuie sa se tina seama de structura lui specifica (material poros si microfisurat, cu concentrare a defectelor in zona de interfata matrice-agregat).

Ca si la alte materiale fragile, procesul de rupere al betonului trece prin trei faze:

initierea fisurarii;

propagarea fisurilor;

cresterea si dezvoltarea fisurilor.

Se considera ca la o incarcare sub 30% din s_max, curba caracteristica s e este aproximativ liniara.

La aceasta solicitare nu se produc modificari structurale esentiale, deformatiile sunt preponderent elastice iar fisurile preexistente in beton sunt stabile, avand o foarte mica tendinta de propagare.

Intre 30-50% din s_max, fisurile se propaga foarte incet, cea mai mare dezvoltare a acestora fiind la interfata matrice-agregat. Curba s e isi modifica panta.

La sarcini mai mari de 50% din s_max, fisurile incep sa se extinda in matrice conectandu-se cu fisurile preexistente, ajungand la dezvoltarea unui sistem continuu de fisuri. La o incarcare de 75% din s_max, apare o dezvoltare intensa a fisurilor in matrice, care formeaza un sistem de fisuri instabil si betonul cedeaza.

Numai tinand seama de structura specifica poate fi explicat caracterul treptat al ruperii betonului, prin smulgere, dupa directia deformatiei maxime.

In beton, fisurile nu se propaga in linie dreapta, ci urmeaza un drum sinuos in jurul agregatelor sau in jurul diferitelor faze din piatra de ciment. Agregatele ca si porii functioneaza ca blocanti ai fisurilor.

Pentru betonul de mare rezistenta sistemul de fisuri traverseaza si agregatul.

Rezistentele mecanice ale betonului (cat si alte proprietati) sunt influentate de factori de compozitie, metode de preparare si pastrare, de structura, de conditii de incercari, etc.

Rezistenta la compresiune

Rezistenta la compresiune este unul din principalele criterii de apreciere a calitatii unui beton. Cunoasterea rezistentei la compresiune da indicatii suficient de precise asupra rezistentei la alte solicitari precum si asupra celorlalte proprietati fizico-mecanice ale betonului.

Rezistenta betonului la compresiune depinde, in afara de calitatea betonului si de alti factori, cum ar fi: conditiile de incercare, forma si dimensiunile probei, modul de confectionare si pastrare, viteza de incarcare, etc. Pentru ca valorile obtinute sa fie comparabile si reproductibile trebuie respectate cu strictete conditiile de determinare prevazute in standarde.

Determinarea rezistentei la compresiune se face distructiv sau nedistructiv. Determinarea se executa pe cel putin trei epruvete de forma cubica (rezistenta cubica, R_b), sau pe cilindri (rezistenta cilindrica, R_cil) (tab.1).

Tabelul 1. Valorile rezistentei la compresiune a unor betoane, determinata pe epruvete de forma diferita

Ruperea se produce in general prin matrice si zona de contact dintre matrice si agregate, unde se concentreaza mare parte a defectelor din structura betonului.

Rezistenta la compresiune se determina:

in cadrul incercarilor preliminare, care au ca scop stabilirea compozitiei betonului ce urmeaza a fi folosit la executarea lucrarii, stabilirea regimului de tratare termica;

in cadrul incercarilor de control in diferite faze ale procesului de executie (decofrare, tratare termica, transfer, manipulare, dare in exploatare etc);

pentru verificarea clasei betonului in cursul executiei;

pentru verificarea calitatii betonului din elemente de constructii.

Clasa betonului reprezinta o valoare conventionala privind rezistenta la compresiune luata in consideratie la proiectare si care trebuie realizata de betonul pus in lucrare.

Verificarea clasei se efectueaza pe epruvete confectionate, pastrate si incercate conform standardelor la varsta de 90 zile pentru betoane hidrotehnice masive si la 28 zile pentru betoanele destinate celorlate categorii de constructii.

Pentru evaluarea rezistentei betonului s-au efectuat cercetari multiple, incercandu-se stabilirea unei relatii care sa cuprinda in mod corespunzator, toti factorii care influenteaza sensibil aceasta caracteristica.

Cea mai cunoscuta si utilizata este relatia Bolomay-Skramtaev, aplicata betoanelor lucrabile:

unde:

R_b - reprezinta rezistenta la compresiune a betonului la 28 zile;

R_c - rezistenta reala la compresiune a cimentului la aceeasi varsta cu a betonului;

c/a - inversului raportului apa/ciment;

K - coeficient, a carui valoare se ia egala cu 0,50 pentru agregate de concasare, pentru cimenturi uzuale si pentru un raport apa/ciment cuprins intre 0,4-0,65 si se ia valoarea 0,45 cand agregatele sunt de balastiera, restul conditiilor ramanand constante.

Relatia poate fi folosita pentru calcularea compozitiei betonului, rezultand raportul apa/ciment pentru R_b, R_c si K cunoscute.

Rezistenta la compresiune a betonului este influentata de calitatea componentilor sai, de proportia lor, de calitatea adeziunii din matrice si agregate, de modul si conditiile de punere in lucrare, de factorii fizici si chimici care intervin in timpul exploatarii, de varsta betonului, etc.

Rezistenta la compresiune, in conditii favorabile creste logaritmic in timp, cresterea depinzand de natura cimentului, de conditiile de intarire etc.

Rezistenta la intindere

Rezistenta la intindere axiala a betonului, R_t, este cea mai mica dintre rezistentele sale, reprezentand doar 1/6-1/20 din rezistenta la compresiune, functie de clasa betonului (tabelul V-8).

Spre deosebire de compresiune, unde in prima etapa se produce o compactare a masei betonului prin inchiderea microfisurilor initiale, la intindere, procesul de afanare a structurii interne se dezvolta odata cu cresterea efortului unitar.

Ruperea este brusca, prin smulgere, iar deformatiile sunt aproximativ de 10 ori mai mici decat in cazul compresiunii, comportare caracteristica materialelor fragile. Sistemul de fisuri format este mai instabil decat cel format in cazul solicitarii prin compresiune.

Tabelul 2. Corelatia dintre rezistenta la intindere axiala R_t (daN/cm²) si clasa betonului

Rezistenta la intindere axiala se poate determina pe epruvete cilindrice sau prismatice, la capetele carora se lipesc cu adezivi piese metalice cu ajutorul carora epruvetele se centreaza si se supun la tractiune directa (fig.3) si se calculeaza cu relatia:

N/mm² ,daN/cm², MPa (5.4)

in care:

F - forta maxima care produce ruperea, in N sau daN;

A - suprafata de rupere, in mm² sau cm².

Figura 3. Determinarea rezistentei la intindere axiala

Din cauza dificultatilor de centrare a fortei, in practica se admite ca determinarea lui R_t sa se faca direct pe baza solicitarilor la intindere din incovoiere sau prin despicare.

Rezistenta la intindere din incovoiere (R_ti) se determina pe prisme de 100 550 mm sau 150 600 mm, in functie de dimensiunea maxima a agregatului, solicitate conform fig.4.

Rezistenta la intindere din incovoiere, R_ti, este data de relatia:

N/mm² sau daN/cm², (5.5)

unde:

F - forta de rupere, in N;

l - distanta dintre reazeme, in mm;

b - latimea medie a sectiunii transversale, in mm;

h - inaltimea medie a sectiunii transversale, in mm.

Figura 4. Determinarea rezistentei la intindere din incovoiere

Rezistenta la intindere prin despicare prezinta avantajul unei incercari simple care se poate efectua pe cuburi, pe fragmente de prisme rezultate in urma incercarii la incovoiere sau pe cilindri. Solicitarea asupra epruvetei se face prin intermediul a doua fasii de carton sau a doua sipci de lemn, asezate intre fetele epruvetei si placile presei (fig. 5).

Rezistenta la intindere prin despicare, R_td, este data de relatia:

N/mm²

in care:

F - forta de rupere, in N;

b - latimea medie a sectiunii transversale de rupere, in mm;

h - inaltimea medie a sectiunii transversale la rupere; in mm.

Figura 5. Determinarea rezistentei la intindere prin despicare

In afara de forma si dimensiunile epruvetelor, rezistenta la intindere este functie de clasa betonului si rezulta ca este influentata de aceeasi factori ca si rezistenta la compresiune.

Rezistenta la oboseala

Se determina prin solicitarea alternativa a probelor de beton la o valoare ce variaza intre 0,5 si 0,8 din solicitarea statica care produce ruperea.

Sub efectul incarcarilor si descarcarilor repetate, betonul isi modifica lent structura, ajungand intr-un anumit stadiu la oboseala. Acest fenomen este caracterizat prin aparitia si dezvoltarea microfisurilor, care in cazul continuarii solicitarii se transforma in fisuri macroscopice care preced ruperea.

Rezistenta la oboseala a betonului se determina la solicitari ciclice de intindere axiala, compresiune, incovoiere, in functie de natura solicitarilor la care va fi supus elementul de beton in timpul exploatarii.

Rezistenta la oboseala este influentata de compozitie, de structura, varsta si conditiile de pastrare a betonului si de amplitudinea de oscilatie a eforturilor alternante. Ea este mai mica decat rezistenta statica, iar deformatiile sunt de 2-4 ori mai mari, cu o crestere atat a deformatiilor elastice cat si a deformatiilor plastice, ruperea avand un caracter exploziv.

Deoarece majoritatea structurilor ingineresti (stalpi, grinzi de beton armat, baraje, imbracaminti rutiere, piste de aterizare, etc) sunt supuse in timpul exploatarii la incercari variabile, este necesar sa se cunoasca comportarea betonului la astfel de solicitari.

Rezistenta la soc si uzura

Betonul utilizat la fundatii pentru masini, piloti, imbracaminti rutiere, piste de aterizare, pardoseli industriale, trebuie sa reziste la solicitari de soc si uzura.

Rezistenta la soc creste cu marca betonului, iar la rezistente egale, betoanele cu modul de elasticitate mai mic au o comportare mai buna.

Rezistenta la soc a betonului este mai buna decat a constituentilor luati separat, betonul fiind un material cu o buna capacitate de a absorbi energia aplicata prin soc.

Comportarea la uzura (abraziune) a betonului depinde de rezistenta la compresiune, de proprietatile agregatelor, starea si proprietatile suprafatelor.