Lapszámok

KIVONAT
A cikksorozat jelenlegi befejező számában különböző cementfajták közül (CEM I 52,5R; CEM I 42,5R; CEM I 42,5NSR0 és CEM II/A-S 42,5N) terjedelmi okok miatt részletesen csak a CEM I 52,5R esetén ismertetjük a kiegészítőanyagok (granulált kohósalak, kőszénpernye, kétféle metakaolin, szilikapor) hatását a cementpépek állagára, mozgékonyságára.
Összefoglaljuk a legfontosabb megállapításokat.

A cikksorozatban az ábrák, táblázatok és szakirodalmi hivatkozások számozása folyamatos

KIEGÉSZÍTŐANYAGOK HATÁSA A PÉPEK REOLÓGIAI JELLEMZŐIRE
A CEM I 42,5 R és 52,5 R cementhez háromféle mennyiségben (20, 40 és 60%), kohósalakot, 5% szilikaport, 15%-ban kétféle metakaolint (MK-1 és MK-2), 18% kőszénpernyét, valamint a metakaolinok és kőszénpernye 7%+18% keverékét adagoltunk. Vizsgáltuk a terülési, folyási és viszkozitási jellemzőket. A felhasznált cementek és kiegészítőanyagok fajlagos felületét, szemcseméretét a 3. táblázat tartalmazza.

3. táblázat: A cementek és kiegészítőanyagok jellemzői

A CEM I 42,5 N-SR0 cementhez is ezeket a kiegészítőanyagokat adagoltuk, de eltérő mértékben (35% kohósalak, 10% szilikapor, 15% metakaolin, valamint 10% metakaolin+15% kőszénpernye).

A vizsgált két- és háromösszetevős kötőanyagú, 72 db pép (x=0,35) összetételét a 4. táblázat tartalmazza, de terjedelmi okok miatt a kiegészítőanyagok hatását csak egy cementtípus (CEM I 52,5 R) esetén részletezzük.

4. táblázat: A két- és háromösszetevős kötőanyagú pépek összetétele

*A szilikaszuszpenzió szárazanyag-tartalma 50% volt. A megadott mennyiségek a szilikapor-szárazanyagtartalmat jelentik. A keverések során a vízadagolást minden esetben csökkentettük a szuszpenzió víztartalmának figyelembevételével.

A 12. ábra a CEM I 52,5 R cement esetén mutatja a vizsgált kiegészítőanyagok, ill. azok kombinációinak, valamint az F1 folyósítószer 0,4%-os adagolásának hatását (x=0,35 víz–kötőanyag tényező mellett) a pépek viszkozitására, ill. az esetenként előforduló vérzésre. A dinamikai viszkozitás nyírási sebességtől függő tendenciái láthatók a 12. ábrán (D=50s-1, 150s-1, 500s-1 és 1000s-1), azaz a legkisebb és a legnagyobb nyírási sebességhez tartozó viszkozitás-értékek is. Az egyes színek sötétebb árnyalata a folyósítószermentes, a világosabb árnyalat a folyósítószeres pépekre utal.

12. ábra: Két- és háromösszetevős, x=0,35 víz–kötőanyag tényezőjű CEM I 52,5 R pépek dinamikai viszkozitása 0,4% F1 folyósítószerrel és anélkül

A 12. ábra alapján a folyósítószer nélkül – az alkalmazott kiegészítőanyagok mindegyikével – megnőtt a pépek kis nyírási sebesség melletti viszkozitása. Nagy nyírási sebességnél viszont a kohósalak háromféle adagolása (20%, 40% és 60%) és a kőszénpernye 18%-os bevitele csökkentette a viszkozitást. A kohósalak és a pernye tehát folyósítószer nélkül is segítheti a frissbeton tömöríthetőségét az intenzív vibrálás és sajtolás során, mert lecsökken a frissbeton pépfázisának folyás közbeni kohéziója, vagyis a nagy nyírási sebességhez tartozó viszkozitása. Mivel ehhez a könnyebb tömöríthetőséghez még társul a kis nyírási sebességnél megnövekvő viszkozitás, ezért a vibrálást követő azonnali kizsaluzáskor várható a nagyobb „zöld állékonyság”, ami az előregyártásban elterjedt „Dry Cast Concrete” technológiáknak kedvez.

Folyósítószer adagolásával viszont már lecsökkent a 40% és 60% kohósalak, valamint a 18% kőszénpernye-tartalmú pépek kis nyírási sebességhez tartozó viszkozitása is a kiegészítőanyag-mentes péphez képest. Ez azt jelzi, hogy a kohósalakot és/vagy pernyét és folyósítószert tartalmazó péppel kevert betonok terülése várhatóan megnő a csak folyósítószerrel lágyított betonéhoz képest, ami a transzportbetonok könnyebb bedolgozhatóságát segíti.

Nagy nyírási sebességnél a háromféle kohósalak-tartalom csökkentette a viszkozitást, ugyanúgy a 18% kőszénpernye, valamint az 5% szilikapor, ami azt jelzi, hogy e kiegészítőanyagok alkalmazása esetén várhatóan javul a beton szivattyúzhatósága. A cikk első részében említett 400–600 m magasságba szivattyúzott betonoknál is a pernye és a szilikapor adagolására utal a szakirodalom [18].

A kísérleteknél alkalmazott „erősebb” (F1) folyósítószer a 40% és 60% kohósalak-tartalmú pépeknél vérzést okozott.

A viszkozitást legnagyobb mértékben csökkentő kiegészítőanyagokat (kőszénpernye, granulált kohósalak) tartalmazó pépek (ld. 12. ábra) általunk vizsgált reológiai jellemzőkre gyakorolt hatását a 13. ábra szemlélteti.

A 13. ábra világosabb és a sötétebb szürke színű oszlopai a kiegészítőanyag-mentes pépeket jelölik. Világosszürke oszlopokkal jelöltük a nagyobb folyósítószer-adagolást (0,6%), sötétszürke oszlopokkal pedig azt a kisebb adagolást (0,4%), amivel az ábrán jelzett többi pép is készült. Az oszlopok kék színű felső része az adott pép vérzési hajlamára utal.

13. ábra: Kohósalak és kőszénpernye adagolásának hatása a pépek reológiai jellemzőire (CEM I 52,5 R, x=0,35 víz–cement tényező és 0,4% F1 folyósítószer)

A másik három cementfajtával ellentétben (lásd 3. táblázat) a CEM I 52,5R cementpépnél (x=0,35) az F1 folyósítószer 50%-kal megnövelt adagolása még vérzésmentesen nagyobb folyási sebességet és terülőképességet eredményezett. A folyási sebesség 2,4 cm³/s-ról 5,9 cm³/s-ra, a pépterülés Ø 85 mm-ről Ø 123 mm-re nőtt, valamint a kis nyírási sebességhez tartozó viszkozitás is jelentősen csökkent (1048 mPa·s-ról 450 mPa·s-ra). Mivel a megnövelt folyósítószer-adagolás (0,4%- ról 0,6%-ra) nagy nyírási sebesség mellett a viszkozitást alig csökkentette (185 mPa·s-ról 171 mPa·s-ra), ezért az ilyen péppel készült betonkeveréktől (x=0,35) jó mozgékonyság, nagy terülőképesség, vérzésmentesség, de nehéz szivattyúzhatóság várható.

Kőszénpernye adagolásával (13. ábrán zöld színű oszlopok) a pépterülés nagyobb, a folyási sebesség kétszerese, a kis és nagy nyírási sebességhez tartozó viszkozitás pedig kevesebb, mint fele volt a kiegészítőanyag-mentes, kisebb folyósítószer-adagolású pépekhez képest (sötétszürke oszlopok). A kohósalakot tartalmazó pépeket a kohósalak-tartalommal növekvő terülés és folyási sebesség, ill. a csökkenő viszkozitás jellemzi.

Megállapítható, hogy a 20% kohósalakot, vagy kőszénpernyét, illetve 5% szilikaport tartalmazó CEM I 52,5 R pépek nagy nyírási sebességhez tartozó viszkozitása már kisebb folyósítószer-adagolással (F1) is lényegesen kedvezőbb, mint a kiegészítőanyagokat nem tartalmazó, nagyobb folyósítószer-tartalmú pépeké.

A 14. ábra a CEM I 52,5 R cementfajta és a CEM II/A-S 42,5 N példáján érzékelteti a folyósítószeres és az anélküli pépek terülés-viszkozitás összefüggését a kis és nagy nyírási sebességek mellett a 4. táblázat szerinti kiegészítőanyagokkal. Az ábrán feltüntettük még a CEM II/A-S 42,5N pép az x=0,35 és x=0,45 mellett mért terülés és viszkozitás adatait is, mivel ez is jelzi a kohósalak kedvező hatását. A 14. ábrán a kis/nagy nyírási sebességhez tartozó viszkozitásokat a kisebb/nagyobb méretű kör, rombusz stb. alakzatok jelölik. A fehér kitöltő szín pedig a vérzésre utal.

14. ábra: CEM I 52,5 R pépek viszkozitása és terülése kis és nagy nyírási sebességnél

A CEM I 52,5R pépek valamennyi mérési adatát feldolgozó szaggatott vonalú hatványfüggvények ellaposodó jellege mutatja, hogy a növekvő szárazanyag-tartalmú, tehát a csökkenő víz–kötőanyag tényezőjű CEM I 52,5 R pépek viszkozitása a pépterülés jelentős növekedése ellenére csak kis mértékben csökken. A 14. ábrán jelölt mérési adatokhoz tartozó összetételek alapján fontosnak tartjuk kiemelni, hogy a transzportbetonokhoz alkalmas kiegészítőanyag hatékonyabb lehet, mint a folyósítószer adagolásának növelése.

Ezt jól érzékelteti a 14. ábra bekarikázott részén a zöld háromszög jelöléshez, vagyis a kiegészítőanyagos péphez és a bekarikázott rész fölötti piros rombusz jelöléshez, vagyis az 50%-kal megnövelt folyósítószer-tartalmú pép nagy nyírási sebesség melletti viszkozitás értékeinek összehasonlítása (76 mPa·s ‹—› 171 mPa·s). A pépviszkozitás ilyen mértékű csökkentésével még x=0,35 esetén is várhatóan jól szivattyúzható a beton, még az erre legkevésbé alkalmasnak tűnő CEM I 52,5 R cementtel is (lásd a cikksorozat 1/2 részében a 6. ábra alsó görbeserege barna színű pontozott vonalán az x=0,35-höz tartozó kb. 200 mPa·s értékeket).

A laborvizsgálatoknál előnyösnek bizonyult kőszénpernyés és kohósalakos kötőanyagokhoz hasonlító, de mindkettőt tartalmazó CEM II/A-S 42,5N cement + kőszénpernye összetevőjű betonból, egyedi gyártással – Csurgai Ferenc szobrászművész irányításával 2017-ben a Dolomit Kft.-ben – készítették a székesfehérvári Bory-várban található szobormásolatot. A szobor II. Endre magyar királyt és lányát, Árpád-házi Szent Erzsébetet ábrázolja.

A szoborkészítéshez használt vérzésés ülepedésmentes, nem ragadós, nagy folyósságú friss betonkeverék testsűrűsége 2414 kg/m³, a 4×4×16 cm-es Haegermann hasábokon mért hajlító-húzó/nyomószilárdság 1 hónapos korban 13,4/129 N/mm² volt.

Más kiegészítőanyagok (pl. metakaolin, szilikapor) és folyósítószerek alkalmazása műszakilag előnyös lehet a vibrálás befejezését követően nagy „zöldállékonyságot” igénylő „Dry Cast Concrete” technológiáknál, a 14. ábrán jelölt zöld háromszögek értékei alapján. Eszerint a kis nyírási sebességnél (kisméretű háromszögek) néhány esetben jóval nagyobb a pépviszkozitás, azaz állékonyság, ill. a nagy nyírási sebességhez (nagyobb méretű háromszögek) pedig jóval kisebb pépviszkozitás, azaz könnyebb vibrálhatóság tartozik, mint a kiegészítőanyag- és folyósítószermentes, hasonló víz–cement tényezőjű pépeknél.

MEGÁLLAPÍTÁSOK

1. Az x=0,45 víz–cement tényező esetén a folyósítószer gondos megválasztásával mind a négy cementfajta alkalmassá tehető a kellően gyors folyásra, de a transzportbetonok szivattyúzhatóságára csak a pépek dinamikai viszkozitás-méréséből lehet pontosabban következtetni. A CEM I 52,5 R és 42,5 R pépekéhez képest kisebb viszkozitású volt a CEM I 42,5 N-SR0 és a CEM II/A-S 42,5 N pép, tehát az ilyen péppel készült betonok könnyebben szivattyúzhatók. Kísérleteink szerint a kétféle folyósítószerből azért célszerűbb az F2 alkalmazása, mert ezzel a vérzésmentesség nagy biztonsággal elérhető.
2. Az x=0,35 víz–cement tényezőnél a folyási sebesség csökkenése a folyósítószertől és a cementfajtától függően 40–90% közötti. A négy cementfajtából a CEM I 42,5 N-SR0 és a CEM II/A-S 42,5 N jelű mutatta a csökkenő víz–cement tényezők mellett a legkisebb mértékű viszkozitás-növekedést, ami a szivattyúzhatósághoz fontos, de ezek a cementfajták voltak vérzésre leginkább hajlamosak. Az x=0,35 víz–cement tényezőnél a CEM I 52,5 R cementtel és az F1 folyósítószerrel volt elérhető a gyors folyási sebesség és biztonságos vérzésmentesség.
3. Gyakorlati tapasztalataink és reológiai vizsgálataink szerint a V≈42% fölötti szárazanyag-tartalmú pépekkel (x<0,45) készült nagy terülőképességű betonkeverékek jó szivattyúzhatósága akkor várható, ha a nagy nyírási sebességhez tartozó pépviszkozitás jelentősen, de még vérzésmentesen csökkenthető.
4. Kis víz–cement tényezőjű, szivattyúzott betonok esetén (x<0,4) a megfelelő kiegészítőanyag(ok) használata előnyösebb lehet, mint a folyósítószer adagolásának növelése.
5. Az ilyen feladatok teljesítését elősegítheti a kiegészítőanyagok, különösen az őrölt granulált kohósalak és a kőszénpernye, valamint a kis mennyiségű szilikapor adagolása, továbbá a viszkozitást csökkentő, de a pép vérzését még nem okozó folyósítószer (folyósító+stabilizálószer) alkalmazása.
6. A vizsgált CEM I cementfajtákhoz adagolt kiegészítőanyag nem minden esetben eredményezte a viszkozitás csökkenését. Az előregyártásban szokásos „Dry Cast Concrete”, azaz vibrálást követően azonnali kizsaluzásos technológiáknál azért javasolható a CEM I 42,5 R és CEM I 52,5 R használata, mert ezekkel a fajtákkal nagyobb „zöldállékonyság” várható a cementpépen mért kis nyírási sebességhez tartozó nagy viszkozitásnak köszönhetően, mint a másik két cementfajta (CEM I 42,5 N-SR0 és a CEM II/A-S 42,5 N) esetén.
7. A betonkeverékek cementtípustól függő változása nem feltétlenül kompenzálható a megszokott folyósítószer mennyiségének módosításával; szükségessé válhat a folyósítószer minőségének változtatása is.
8. Új betonösszetételek vagy megváltozott alapanyagok esetén a próbakeverésekre fordított anyag- és munkaigény jelentősen csökkenthető a pépek előzetes reológiai vizsgálataival
    

Köszönetnyilvánítás: A Danucem (korábbi CRH) Magyarország Kft. támogatásával az NVKP-16-1-2016-0019 pályázat keretében végzett munka. A munkánkat segítő kollégáknak ezúton is szeretnénk köszönetet mondani.

Irodalom
[1] Lányi Gy., Rejtő P.: És mi csak betonozunk „pép nélkül”. Beton újság, IX. évf. 11. szám, 2001. november 3–5. oldal
[2] Sulyok T.: Beszámoló az M6 autópályán épülő alagutakról – betontechnológus szemmel. Beton újság, XVII. évf. 5. szám, 2009. május, 10–13. oldal
[3] Zsigovics I.: Öntömörödő beton, a betontechnológia forradalma. 3. Mészkőliszt adagolás hatása a friss és megszilárdult betonra. Vasbetonépítés, 2004/3, 72–79. oldal
[4] Erdélyi A.: Öntömörödő beton, Beton- és vasbeton szerkezetek védelme, javítása és megerősítése II. Esettanulmányok, Egyetemi tankönyv, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2002, 91–101. oldal; ill. a hivatkozás megtalálható még a Beton újság 2003. évi XI. évf. 3., 4. és 6. számában, rendre a 10–11., 3–6. és 11–13. oldalon
[5] Ujhelyi J.: Betonismeretek. Egyetemi tankönyv, Műegyetemi Kiadó. Budapest, 2005.
[6] Pekár Gy: Simple basic model for concrete and its application, http://en.epitoanyag.org.hu/static/ upload/10.14382epitoanyag-jsbcm.2013.22.pdf (megtekintve: 2022. 05. 06.)
[7] Kausay T.: Betonose könyv, I. kötet. Anyagtani fogalmak, tulajdonságok, követelmények, vizsgálatok. Magánkiadás, Budapest 2020, 72. old. http://real.mtak. hu/103024/ (megtekintve: 2022. 04. 20.)
[8] Zement Taschenbuch 2002, Verein Deutscher Zementwerke e.V. 271–272. old.
[9] MÉASZ ME-04.19:1995 Beton és vasbeton készítése
[10] MSZ EN 1992-1-1:2010 szabvány: Eurocode 2, Betonszerkezetek tervezése 1-1.rész: Általános és az épületekre vonatkozó szabályok
[11] https://precast.org/2015/09/top-10-factsabout-dry-cast-concrete/ (megtekintve: 2022. 04. 20.)
[12] J. Wallevik: Rheology of particle suspensions, 2003. https://ntnuopen.ntnu.no/ntnu-xmlui/bitstream/ handle/11250/236410/124984_FULLTEXT01.pdf?sequence=1(megtekintve: 2022. 04. 20.)
[13] R. Browne, D. Bamforth: Tests to establish concrete pumpability, ACI Journal May 1977, 193–203
[14] A. Neville: Properties of concrete. New York, John Wiley & Sons, Inc. (1997)
[15] D. Kaplan: Pompage des bétons. LCPC, 2001. https://www.ifsttar.fr/fileadmin/user_upload/editions/ lcpc/ERLPC/ERLPC-OA-LCPC-OA36.pdf (megtekintve: 2022. 04. 20.)
[16] Spránitz F.: Magas- és mélyépítési termékek újszerű gyártástechnológiái. Beton újság, XVI. évf. 2. szám, 2008. február, 14–16. oldal
[17] Spránitz F.: Érdemes-e küszködni az NT betonokkal? 4. rész – avagy milyen neműek a nagy teljesítőképességű betonok? Beton újság, XVII. évf. 1. szám, 2009. január, 3–7. oldal
[18] H. Li et. al: A Review on the Pumping Behavior of Modern Concrete, Journal of Advanced Concrete Technology Vol. 18, 352-363, June 2020 / Copyright © 2020 Japan Concrete Institute, https://www.jstage. jst.go.jp/article/jact/18/6/18_352/_pdf/-char/en, 360. oldal (megtekintve: 2022. 04. 20.)
[19] E. Kern: A nagyszilárdságú beton technológiája I., Beton újság, VII. évf. 9. szám, 1999.szeptember, 3–6. oldal (fordította: Richter Klaudia, lektorálta: Asztalos István)
[20] https://www.researchgate.net/profile/ Freek-Bos/publication/350898509_Juxtaposing_ fresh_material_characterisation_methods_for_buildability_assessment_of_3D_printable_cementitious_mortars/links/6080a255907dcf667bb5ae0e/ Juxtaposing-fresh-material-characterisation-methods-for-buildability-assessment-of-3D-printable-cementitious-mortars.pdf (megtekintve: 2022. 04. 20.)
[21] Kausay T.: Beton. A betonszabvány néhány fejezetének értelmezése. Mérnöki Kamara Nonprofit Kft., Budapest, 2013. 225–226. old.
[22] MSZ EN 12706:2000 szabvány: Adhesives. Test methods for hydraulic setting floor smoothing and/or levelling compounds – Determination of flow characteristics
[23] MSZ EN ISO 2431:2019 szabvány: Paints and varnishes. Determination of flow time by use of flow cups
[24] MSZ EN ISO 3219-2:2021 szabvány: Rheology. Part 2: General principles of rotational and oscillatory rheometry
[25] C. Ferraris et al.: The influence of mineral admixtures on the rheology of cement paste and concrete, Cem. Conc. Res. 31 (2001)
[26] E. Wallevik et al.: Analyis of shear rate inside a concrete truck mixer, Cem. Conc. Res. 95 (2017)
[27] Opoczky L., Gável V.: A különőrlés előnyei kompozitcement előállításánál. Építőanyag 55. évf. 2003_1, 2–7. old. http://en.epitoanyag.org.hu/static/ upload/10.14382epitoanyag-jsbcm.2003.1.pdf (megtekintve: 2022. 04. 20.)
[28] F. Lange et al.: Dense packing of cement pastes and resulting cosequences on mortar properties, Cem. Concr. Res. 27 (10) (1997)
[29] E. Sakai et al.: The fluidity of cement paste with various types of inorganic powders, Proceedings of the 10th International Congress of the Chemistry of Cement, Sweden, 1997
[30] https://www.industrialcellulosics.com/ products/polyox/polyox-wsr-301 (megtekintve: 2022.04.20.)
[31] S. Jacobsen et al.: Pumping of concrete and mortar – State of the art, 2008. https://www.sintef. no/globalassets/upload/byggforsk/publikasjoner/ coin-no5.pdf (megtekintve: 2022. 04. 20.)
[32] F. Collins et al.: Effects of ultra-fines materials on workability and strength of concrete containing alkali-activated slag as the binder, Cem. Concr. Res. 29 (1999)
[33] M. Nehdi et al.: Statistical modelling of the microfiller effect on the rheology of composite pastes, Adv. Cem. Res. 9 (33) (1997)
[34] M. Sahmaran et al.: Evaluation of natural zeolit as a viscosity-modifying agent for cement-based grouts, Cem. Concr. Res. (38) (2008)
[35] C. Ferraris et al.: Role of Rheology an Achieving Succesful Concrete Performance, Concrete International, ACI, Vol. 39, No 6, June 2017, pp. 43–51.