Lapszámok

A beton és vasbeton szerkezeteknek a tartószerkezeti kritériumokon túl gyakran esztétikai követelményeknek is meg kell felelniük. A betonfelületek esztétikus megjelenésének eléréséhez komoly beton- technológiai tervezés és pontos kivitelezés szükséges. Munkánk során egy látszóbetonelemeket gyártó üzem igényeinek megfelelő speciális tulajdonságú látszóbeton-öszszetételt terveztünk. Kísérletsorozatunkban vizsgáltuk a rendelkezésre álló adalékanyagot, kipróbáltunk többféle cement- és adalékszer-típust. 

Jelen cikk a 2023. évi OTDK konferencia Anyagtudomány, anyagvizsgálat 1 tagozatban elhangzott dolgozat kivonata.

1. Bevezetés
A beton esztétikus megjelenését már a XX. században is kihasználták, napjainkban pedig egyre nagyobb teret hódít a látszóbeton a modern építészetben, melyet a minimalista, letisztult stílus jellemez. Mindezen jegyeket magában hordozza a beton is, ezért a kortárs építészek előszeretettel alkalmazzák végleges látszó felületként. A látszóbeton felhasználási területének csak a képzeletünk szabhat határt: látszóbeton tartószerkezet, beton bútor, szobor, üvegbeton, pixelbeton stb. Ugyanakkor gyakran találkozhatunk látszólag jól megtervezett és kivitelezett látszóbeton-felületekkel, amelyek megrepedeztek vagy pórusosak, esetleg fehéres szürke foltok, kivirágzások jelennek meg rajtuk. Kutatásunk során olyan speciális látszóbeton-receptúrák kidolgozásával foglalkoztunk, melyek kevésbé érzékenyek az ilyen és ehhez hasonló hibákra.

2. A látszóbetonról
2.1. A látszóbeton összetétele
Receptúra-tervezéskor a szokásos betontechnológiai követelményeken túl sajátos esztétikai elvárásoknak is meg kell felelni. A tervezett minőségű felület eléréséhez kiemelten fontos a megfelelő alapanyagok használata. Érdemes gömbölyű szemű adalékanyagot választani, amelynek a szemmegoszlási görbéje nem lépcsőzetes, emellett folytonos. Amennyiben van rá lehetőség, az adalékanyagot különféle frakciókból kell összeállítani, úgy, hogy a 4–8 mm közötti frakció mennyisége ne legyen túl nagy, a maximális szemnagyságot érdemes 24 vagy 32 mm-re megválasztani. [1], [2] Amennyiben a szerkezet egyéb követelményei szerint nincs korlátozva a kötőanyag típusa, akkor bármely cement használható látszóbeton-készítéshez. A cement színe a látszóbeton esetében esztétikai kérdéssé válik. Amennyiben utólag megmunkált felületről van szó, akkor célszerű az adalékanyag és a cement színét megvizsgálni és az igények szerint egyeztetni azokat. [2], [3] Technológiailag a látszóbeton legfontosabb alkotórészei a lisztfinomságú szemek, ezek növelik a beton pépmegtartó képességét, csökkentik a kivérzési és szétosztályozódási hajlamát, és kedvezően befolyásolják a tömöríthetőséget. A lisztfinomságú szemek túl nagy adagolása esetén viszont megnövekszik a beton vízigénye, az elkészült felület kopás- és fagyállósága csökken. [4]

2.2. Öntömörödő látszóbeton
Az öntömörödő beton olyan nagy teljesítőképességű beton, amely newtoni folyadékként viselkedik, kiegészítő tömörítési energia (vibrálás) nélkül, saját súlyánál fogva szétosztályozódás és kivérzés nélkül közel szintkiegyenlítésig lassan folyik, légtelenedés közben tömörödik (1. kép), miközben a vasalás köztes tereit és a zsaluzatot teljesen kitölti, és megtartja a homogenitását. A látszóbetonok készítésénél világszerte elterjedt az öntömörödő betonok használata, ami esztétikus, minimális pórustartalmú, homogén betonstruktúrát biztosít, amellett, hogy bonyolult geometriák öntését is lehetővé teszi. Az öntömörödő mechanizmus csökkenti a helyszíni élőmunkaigényt, kiküszöbölhetők a nem megfelelő tömörítésből adódó esztétikai és szilárdsági hibák. Azonban a pontos betontechnológiai tervezés és kivitelezés nagy technológiai fegyelmet kíván, illetve nagyobb költséggel jár, mint a normál beton készítése. Az öntömörödő képesség megállapításának jelenleg egységesen elfogadott módszere még nem áll rendelkezésre, csak ajánlások vannak. [5], [6]

1. kép Öntömörödő beton légtelenedése

2.3. A látszóbeton ellensége: a kivirágzások
A látszóbetonnal szemben támasztott követelmények közül talán az esztétikus megjelenés a legfontosabb. Gyakran találkozhatunk olyan betonfelülettel, melyeken fehéres, szürkés foltok, azaz kivirágzások vannak, ezek általában mindössze esztétikai problémát jelentenek, viszont előfordulhat, hogy tartóssági vagy szilárdsági problémákat is okoznak.

2. kép: Karcsú látszóbeton homlokzatburkolat

A kivirágzások leggyakoribb formája a mészkivirágzás, amiért elsősorban a cement hidratációja során keletkező kalcium-hidroxid (Ca(OH)2), vagy más néven portlandit a felelős. A portlandcement klinkert alkotó kalcium-szilikát (főleg alit) hidratációja során kb. 20 m%-nyi portlandit keletkezik. Ez a folyamat elkerülhetetlen, viszont hasznos is, mert a portlandit lúgos kémhatású (pH ~13), ami megvédi a betonacélokat a korrózióval szemben. A portlanditot a víz oldja, és a kapillárisokon keresztül a felszínre jutva a levegő szén-dioxidjával (CO2) reagálva kalcium-karbonáttá (CaCO3), azaz mészkővé alakul, ami megtapad a felületen. [4]

3. Látszóbeton-összetétel tervezése
Egy előregyártó üzem által megfogalmazott igények szerint 3 különböző látszóbeton-összetétel szerepelt a kísérleti tervünkben. A feladatunk az volt, hogy a meglévő összetételt átdolgozva vagy új összetételek tervezésével kielégítsük a megrendelői igényeket. Az első (továbbiakban 1-es összetétel) kidolgozása során a legfőbb szempont volt, hogy gazdaságos kivitelben pórus- és repedésmentes felületet kapjunk. Egyéb különleges követelmény pl. szín, zsaluminta, nagy szilárdság stb. nem volt. A második (továbbiakban 2-es összetétel) legfőbb tervezési szempontja az esztétikus megjelenés mellett a nagy szilárdság és az öntömörödő képesség volt, hogy karcsú szerkezetek készítésére is alkalmas legyen a receptúra. A harmadik (továbbiakban 3-as összetétel) specifikuma a kivirágzásnak való ellenállás volt. Ezt az összetételt főleg talajjal érintkező átszóbetonelemek készítéséhez fejlesztettük. Kísérleteink első lépéseként megvizsgáltuk az előregyártó üzem által használt alapanyagokat, a beton keverési metódusát és összetételét, majd frissbetonon elvégeztük a terülésvizsgálatot és készítettünk próbatesteket, melyeknek a szabványos 28 napos nyomószilárdságát mértük meg.

Az eredeti összetételben kötőanyagként CEM I 52,5 R típusú cement szerepelt, finomrészként mészkőlisztet adagoltak, adalékszerként olyan folyósítószert alkalmaztak, ami a konzisztencia hosszú eltarthatóságát biztosítja. 

2. ábra: Az eredeti és az 1-es látszóbeton-összetétel tulajdonságainak összehasonlítása

Az 1-es összetétel tervezésekor mindöszsze az eredeti keverékben használt alapanyagok arányán változtattunk, illetve más típusú folyósítószert alkalmaztunk. Az 2. ábrán látható a beton különböző tulajdonságainak (v/c – víz–cement tényező, terülés t0 – terülésmérés a keverést követően, terülés t30   terülésmérés a keverést követő 30. percben, fcmcube150   szabványos nyomószilárdsági érték 28 napos korban) változása az eredeti receptúrához képest százalékos formában. Ezen változtatásokkal a víz cement tényezőt 36%-kal csökkentettük, ez jelentős szilárdságnövekedést eredményezett, valamint a terülésmérés során nem tapasztaltunk kivérzést, mint az eredeti összetételnél.

Munkánk következő szakaszában megkezdtük az igen összetett 2-es receptúra tervezését. Az volt a célunk, hogy a karcsú szerkezetekhez szükséges nyomószilárdságot (~70 N/mm²) elérjük úgy, hogy megőrizzük az öntömörödő képességet, hogy bonyolult geometriák öntéséhez is alkalmazható legyen az összetétel, illetve kiküszöböljük a tömörítésből adódó hibákat.

Kísérleti tervünk készítése során, mely a 3. ábrán látható, úgy döntöttünk, hogy ezt a speciális összetételt több lépésből álló kísérlettel dolgozzuk ki. A célunk az volt, hogy első lépésben elérjük a megfelelő szilárdságot, majd beállítsuk a szükséges frissbeton-konzisztenciát és végül az eltarthatóságot legalább 30 percre növeljük.

3. ábra: Kísérleti terünk a 2-es összetételhez

Első lépésben egy nagy szilárdságú öszszetételt terveztünk, ennek átlag nyomószilárdsága 28 napos korban 99,8 N/mm² lett, ezt magas cementtartalommal és metakaolin adagolásával értük el. Ezt követően a frissbeton optimális konzisztenciája érdekében különböző típusú és adagolású folyósítószerekkel kísérleteztünk, ezzel párhuzamosan az adalékanyag adagolását is optimalizáltuk. Célunk a szabványos B szemmegoszlási görbe elérése volt (hiszen ez az ajánlott látszóbeton készítéséhez), ennek érdekében adalékanyag-keveréket hoztunk létre, melyet két különböző frakciójú (0/4 és 4/8) adalékanyagból állítottunk össze. A legjobban úgy tudtuk közelíteni a B szemmegoszlási görbét, hogy 65% 0/4 és 35% 4/8 frakciójú adalékanyagot kevertünk össze (4. ábra).

4. ábra: Szemmegoszlási görbék (kék: A görbe, piros: B görbe, narancs: C görbe, zöld: általunk előállított adalékanyag-keverék szemmegoszlási görbéje

Sikerült elérni a nagy szilárdságot, az öntömörödéshez szükséges konzisztenciát (5. ábra) és az optimális adalékanyag-keveréket.

5. ábra: A 2-es receptúrák frissbeton vizsgálatainak eredménye az öntömörödő látszóbetonok bedolgozhatósági tartományának függvényében (Zsigovics alapján [2])

Kísérleti tervünk harmadik lépéseként az öntömörödéshez és a bedolgozáshoz szükséges eltarthatóságot (~30 perc) kellett elérnünk. Ennek érdekében egyszerre alkalmaztunk folyósító- és kötéskésleltető adalékszert (úgy, hogy jelentősen ne változtassa a frissbeton-tulajdonságokat), így sikerült elérni, hogy a keverés végétől legalább 30 percen keresztül megtartotta a bedolgozáshoz és az öntömörödéshez szükséges megfelelő konzisztenciáját a frissbeton.

1. táblázat: Puccolán tulajdonságú kiegészítőanyagok által elhasznált Ca(OH)2 [7]

Munkánk utolsó szakaszában megterveztük a 3-as összetételt, mely ellenáll a kivirágzásnak. A receptúratervezés elve az volt, hogy úgy válogattuk össze az alapanyagokat, hogy azok minél kevesebb kalcium-hidroxidot termeljenek a kötési folyamat során, így CEM III/A 32,5 típusú cementet használtunk, amely 50 m%-kal kevesebb kalcium-hidroxidot termel a tiszta portlandcementhez képest. Ezen felül a korábban kiegészítőanyagként alkalmazott mészkőlisztet lecseréltük metakaolinra, hogy egyrészt növelje a szilárdságot (így kisebb cementtartalom mellett érhető el ugyanaz a szilárdság, ezért kevesebb kalcium-hidroxid keletkezik), másrészt a reakciója során fogyassza a kalcium-hidroxidot (1. táblázat). Ezekkel erősen csökkentve a kivirágzási hajlamot.

4. Összefoglalás és eredmények
Munkánk során egy meglévő látszóbeton-receptúra 3 különböző célú optimalizálásával és speciális igényeknek megfelelő látszóbeton-receptúrák kidolgozásával foglalkoztunk. A tervezés során elsődleges cél a látszóbeton magas esztétikai követelményeinek való megfelelés volt az ipari bedolgozhatóság, az optimális anyagjellemzők és a gazdaságosság figyelembevétele mellett. Kísérleteink során 3 különböző igény kielégítésére szolgáló látszóbeton-összetételt dolgoztunk ki.

Az 1-es összetétel esetén az üzemben eredetileg is használt keverék optimalizálásával egy általános igényeknek megfelelő látszóbeton-összetételt dolgoztunk ki. Sikerült elérni az optimális bedolgozáshoz szükséges konzisztenciát és annak eltarthatóságát a szükséges bedolgozási idő végéig. A nyomószilárdság megduplázása mellett a korábbinál homogénebb, esztétikusabb felületet kaptunk.

A 2-es receptúrát karcsú szerkezetek öntéséhez terveztük, ezért elengedhetetlen volt a nagy szilárdság és emellett a minél kisebb korai zsugorodási repedésérzékenység elérése. A tömörítésből származó hibák elkerülése és a megfelelő minőségű felület elérése érdekében öntömörödő képességű betont terveztünk. Sikerült kialakítani és az üzem bedolgozási idejéig megtartani az öntömörödő képességet az egyszerű bedolgozhatóság és a nagy szilárdság mellett. A repedésérzékenység csökkentése érdekében szálerősítést alkalmaztunk a betonban és az egyes betonösszetételi jellemzőket is módosítottuk. A 2-es receptúrával homogén felületű karcsú szerkezetek készíthetők.

3. kép: Látszóbeton szegélyelem

A 3-as látszóbeton-receptúrát mészkivirágzásnak ellenállóan terveztük meg talajjal érintkező szerkezetekhez. Fontos volt a homogén, repedésektől és pórusoktól mentes felület. Kohósalak tartalmú cementet használtunk és kiegészítőanyagként mészkőliszt helyett metakaolint alkalmaztunk, mivel az a puccolán reakciója során fogyasztja a Ca(OH)2-t, illetve önmaga nem tartalmaz meszet, ami később kimosódhat az anyagból. Sikerült ezzel a receptúrával egy kivirágzásnak ellenálló és egységes, letisztult felületű betont eredményező keveréket kidolgozni.

Kísérleteink alapján általánosságban megfogalmazható: A megfelelő konzisztencia elérése folyósító adalékszerrel, extra vízadagolás helyett javítja a beton szilárdságát, tömörségét és megjelenését, és nagyon fontos az adalékanyag víztartalmát beleszámolni a vízadagolásba.

A konzisztencia eltarthatósága tartós folyósító hatású folyósító adalékszerrel érhető el.

• Kötéskésleltető adagolásával megfelelően növelhető a konzisztencia eltarthatósága.
• Kísérletileg bebizonyítottuk, hogy a Glénium Sky 519 és a PowerFlow 3200 típusú adalékszerek használhatók együtt, sem egymásra, sem a beton tulajdonságaira nem hatottak negatívan a kísérleti keverések során.
• Metakaolin adagolásával a mészkőliszt-adagolású betonhoz képest a konzisztencia merevebbé válik, ezért kisebb terülési értékek érhetők el, a kifolyási idő viszont csökken, ami a keverék stabilitásának növekedését jelzi.
• Megfelelő típusú és mennyiségű adalékszer adagolása mellett heterogén cementből is készíthető esztétikus és megfelelő szilárdságú látszóbeton.

5. Hivatkozások
[1] Forrai J.: A beton összetétele, a beton alkotóelemei. Nemzeti Szakképzési és Felnőttképzési Intézet
[2] Kapu L.: Látszóbeton – Látványbeton. TERC Kereskedelmi és Szolgáltató Kft. 2014., ISBN: 9789639968394
[3] Kapu L.: Látványbeton felületek. Vasbetonépítés –,2011/2 - XIII. évfolyam, 2. szám, ISSN 1419-6441
[4] Pluzsik T., Sz. Kertész É., Urbán F., Zadravecz Zs.: Web CemBeton zsebkönyv. Magyar Cement-, Beton- és Mészipari Szövetség, 2017, ISBN 978-963-12-8133
[5] Nehme S. G.: Öntömörödő betonok tulajdonságai. Budapest, 2015. április. 30.
[6] Zsigovics I.: Öntömörödő beton PhD-értekezés. BME Építőmérnöki Kar Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék (2004)
[7] Nehme, S. G.: Kiegészítő anyagok hatása a szokványos és öntömörödő betonokra. Építőanyag folyóirat 67. évf. 1. szám. pp 28–33, Budapest, 2015. 02. 22. ISSN: 2064-4477 (fotók, ábrák: a szerzők)