predmet: specijakna poglavlja betonskih konstrukcija …imksus.grf.bg.ac.rs/nastava/beton-novi...

Predmet: SPECIJAKNA POGLAVLJA BETONSKIH KONSTRUKCIJA

Tema: NOVE VRSTE BETONA

dr Jelena Dragaš

Beograd, 2018

2Sa

drž

aj

• Uvodni deo

• Uticaj betona na životnu sredinu

• Karakteristike betona

• Nove vrste betona

• Betoni specijalnih namena

• Standardi za beton

• Zaključak

3Uv

od

ni

de

oBeton – Concrete

concresco, concrescere, concrevi, concretus (latinski): stvrdnuti se, očvrsnuti.

Pre nove ere

• 7600 pne Lepenski vir

• 6500 pne Sirija i Jordan (Nabataea)

• 3000 pne Kina I Egipat

• 600 pne Grčka

• 300-200 pne Rim

.

Posle nove ere

• 1824 Portland Cement (Joseph Aspdin)

• 1849 Armirani beton (Joseph Monier)

• 1854 Prva kuća od armiranog betona

Nabataea

Egipatske piramide i kamen od kog su napravljene

Rimski koloseum

Panteon

4Uv

od

ni

de

oBeton danas

Beton je veštački materijal koji nastaje očvršćavanjem mešavine agregata, cementa i vode u određenim proporcijama.

• Beton je, posle vode, najčešće korišćeni materijal na svetu – 25 milijardi tona godišnje1

• Danas ima mnogo širu primenu nego nekada:

• Mikroarmirani betoni

• Betoni visokih čvrstoća

• Providni betoni

• Samozaceljujući betoni

• 2016 Prva kuća napravljena 3D štampom

TRADICIONALNI BETON

CEM

ENT

SITA

N A

GR

EGA

T

KR

UPA

N A

GR

EGA

TV

OD

A

1WBCSD, 2009. The Cement Sustainability Initiative. World Bus. Counc. Sustain. Dev. URL http://www.wbcsdcement.org/pdf/CSIRecyclingConcrete-FullReport.pdf2 Fisher, C., Werge, M., 2011. EU as a Recycling Society. ETC/SCP Work. Pap. 2. URL scp.eionet.europa.eu/wp/ETCSCP 2per2011

Da li je beton zelena ili siva opcija za životnu sredinu?

5.

Uti

caj

be

ton

a n

a ž

ivo

tnu

sre

din

u

1 Tam, V.W.Y., Soomro, M., Evangelista, A.C.J., 2018. A review of recycled aggregate in concrete applications (2000-2017). Constr. Build. Mater. 172, 272–2922Gálvez-Martos, J.-L., Styles, D., Schoenberger, H., Zeschmar-Lahl, B., 2018. Construction and demolition waste best management practice in Europe. Resour. Conserv. Recycl. 136, 166–178

Prirodni agregat – 40 milijardi tona 2014 godine1

Tokom izgradnje novih objekata – 25 kg otpada po m2

izgrađenog prostora

Tokom rušenja objekata – 800 kg otpada po m2 srušenog prostora

Cement – 4.6 milijardi tona 2015 godine1

Da li je beton zelena ili siva opcija za životnu sredinu?

• 1 tona cementa = 1 tona CO2

• 7-10% ukupne količine CO2

koja se ispusti u atmosferu2

6.

Uti

caj

be

ton

a n

a ž

ivo

tnu

sre

din

u

Effects of increased greenhouse gas emissions. https://climate.nasa.gov/ International Energy Agency. CO2 Emissions from Fuel Combustion 2012. Paris: Organization for Economic Co-operation and Development, 2012.

Povećanje kiselosti okeana Promene u razvoju biljaka Zagađenje vazduha Oštećenje ozonskog omotača

1 Fisher, C., Werge, M., 2011. EU as a Recycling Society. ETC/SCP Work. Pap. 2. URL scp.eionet.europa.eu/wp/ETCSCP 2per20112Scrivener, K.L., Vanderley, J.M., Gartner, E.M., 2016. Eco-efficient cements: Potential, economically viable solutions for a low-CO2, cement based materials industry. Paris.

https://climate.nasa.gov/

Analiza životnog ciklusa – Life cycle assessment LCA

Tehnika koja proučava aspekte zaštite životne sredine i moguće uticaje na

životnu sredinu tokom celokupnog životnog veka proizvoda kroz:

• Izradu inventara relevantnih ulaza i izlaza datog sistema proizvoda

• Vrednovanje potencijalnih uticaja na životnu sredinu datih ulaza i izlaza

• Interpretaciju rezultata inventara analize i faze procene uticaja u odnosu

na postavljane ciljeve studije

7.

Uti

caj

be

ton

a n

a ž

ivo

tnu

sre

din

u


8.

Uti

caj

be

ton

a n

a ž

ivo

tnu

sre

din

u

http://rediscoverconcrete.com/en/sustainability/a-better-building-material/concrete-lca-en.html

http://rediscoverconcrete.com/en/sustainability/a-better-building-material/concrete-lca-en.html


9.

Uti

caj

be

ton

a n

a ž

ivo

tnu

sre

din

u


Metodološka struktura studije ocenjivanja životnog ciklusa - ISO 14040

• ISO 14040: 2008– Ocenjivanje životnog ciklusa – Principi i okvir (Life Cycle Assessment – Principles and Framework)

• ISO 14044: 2008 – Ocenjivanje životnog ciklusa – Zahtevi i uputstva za primenu(Life Cycle Assessment – Requirements and Guidelines)

• ISO 14041:1998 – Definisanje cilja i predmeta i analiza inventara,

• ISO 14042: 2000 – Ocenjivanje uticaja životnog ciklusa,

• ISO 14043: 2000 – Interpretacija životnog ciklusa.

10.

Uti

caj

be

ton

a n

a ž

ivo

tnu

sre

din

u

Tehnički komitet ISO/TC 207, Upravljanje zaštitom životne sredine, Potkomitet SC 5, Ocenjivanje životnog ciklusa. ISO International standard organizationOcena životnog ciklusa LCA (Life Cycle Assessment) kao instrument u strateškom planiranju upravljanja otpadom, Hristina Stevanović Čarapina , Aleksandar Jovović, JasnaStepanov


• LCA je instrument koji uzima u obzir sve operacije vezane za jedanproizvod ili uslugu

• Studija LCA obuhvata četiri faze i zaključna razmatranja

1. Faza definisanja cilja, područja primene, i obima LCA

2. Faza prikupljanje podataka i formiranja inventara LCI (Life cycle inventory)

3. Faza ocenjivanja uticaja životnog ciklusa - LCIA (Life cycle impact assessment)

4. Faza interpretacije rezultata primene LCA - Zaključna razmatranja

11.

Uti

caj

be

ton

a n

a ž

ivo

tnu

sre

din

u


12.

Uti

caj

be

ton

a n

a ž

ivo

tnu

sre

din

u


• Raspoređivanje štetnih uticaja na primarni i nus proizvod• Bez alokacije: otpadni materijal • Masena alokacija: štetan uticaj se raspodeljuje na primarni proizvod i nus

proizvod prema njihovim masama• Ekonomska alokacija: štetan uticaj se raspodeljuje na primarni proizvod i

nus proizvod prema njihovim cenama

• Funkcionalna jedinica – ? m3 betona• Konstrukcijski betoni:

‒ ista nosivost‒ ista upotrebljivost (ugibi i prsline)‒ ista trajnost‒ ista otpornost na dejstvo požara

• Nekonstruktivni betoni

13.

Uti

caj

be

ton

a n

a ž

ivo

tnu

sre

din

u

Snežana Marinković, On the selection of the functional unit in LCA of structural concrete, International Journal of Life Czcle Assesment, 2017.

Karakteristike betona

• Fizičke karakteristike

• Mehaničke karakteristike

• Karakteristike trajnosti

14Ka

rak

teri

stik

e b

eto

na

Ugradljivost

Vreme vezivanja

Procenat uvučenog vazduha

Segregacija i izdvajanje vode

Toplota hidratacije





15Ka

rak

teri

stik

e b

eto

na

Čvrstoća pri pritisku

Čvrstoća pri zatezanju

Modul elastiočnosti

Skupljanje

Tečenje





16Ka

rak

teri

stik

e b

eto

na

Otpornost na karbonatizaciju

Otpornost na dejstvo hlorida

Otpornost na dejstvo sulfata

Otpornost na mraz

Otpornost na mraz i so

17Ka

rak

teri

stik

e b

eto

na

PREDNOSTI MANE

18No

ve

vrs

te b

eto

na

Novi vezivni materijal Nove vrsta agregata

Betoni sa dodatkom vlakana

Betoni specijalnih namena

19No

ve

vrs

te b

eto

na




• Nove vrste cementa• Betoni sa letećim pepelom• Betoni sa zgurom iz visokih peći• Betoni sa silikatnom prašinom• Alkalno aktivirani betoni

20https://www.britannica.com/technology/cement-building-material

Proizvodnja cementaN

ov

e v

rste

be

ton

a

• 60% CO2 potiče od hemijske reakcije koja se odvija tokom zagrevanja krečnjaka - klinkera

• 40% CO2 potiče od potrošnje energije tokom procesa proizvodnje cementa

21

Vrste cementa

SRPS EN 197-1: 2013 Cement — Deo 1: Sastav, specifikacije i kriterijumiusaglašenosti za obične cemente

• Komponente cementa:‒ Portland cement‒ Granulisana zgura visokih peći‒ Prirodni pucolanski materijali – vulkansi pepeo, sedimentne stene‒ Leteći pepeo – silikatni i karbonatni ‒ Krečnjak‒ Silikatna prašina

• Vrste cementa‒ CEM I – Portland cement‒ CEM II – Portland kompozitni cement sa dodatkom zgure, pucolana, letećeg

pepela ili krečnjaka‒ CEM III – Metarulški cement‒ CEM IV – Pucolanski cement‒ CEM V – Kompozitni cement

No

ve

vrs

te b

eto

na

22

SRPS EN 197-1: 2013 Cement — Deo 1: Sastav, specifikacije i kriterijumi usaglašenosti za obične cemente

No

ve

vrs

te b

eto

na

Vrsta cementa EN 197-1 Klinker Leteći pepeo

Zgura Krečnjak Silikatna prašina

Portland CEM I 95-100 - - - -

Portland sa letećimpepelom

CEM II/A-V 80-94 6-20 - - -

CEM II/B-V 65-79 21-35 - - -

Portland sa zgurom CEM II/A-S 80-96 - 6-20 - -

CEM II/B-S 65-79 - 21-35 - -

Portland sa krečnjakom

CEM II/A-L 80-94 - - 6-20 -

Portland sa silikatnom prašinom

CEM II/A-D 90-94 - - - 6-10

Metalurški CEM III/ACEM III/B

35-7420-34

--

36-6566-80

--

--

Pucolanski CEM IV/ACEM IV/B

--

11-3536-55

--

--

--

23

SRPS EN 197-1: 2013 Cement — Deo 1: Sastav, specifikacije i kriterijumi usaglašenosti za obične cemente

No

ve

vrs

te b

eto

na

Vrsta cementa fpc 3d fpc 28d fpc 90d Ugra. Skup. Temp.

Portland

Portland sa LP

Portland sa krečnjakom

Portland sa SP

Metalurški

Pucolanski

Good

Moderate

Low

24Komljenović, M., Baščearević, Z., Bradić, V., 2010. Mechanical and microstructural properties of alkali-activated fly ash geopolymers. J. Hazard.Mater. 181, 35–42.

Leteći pepeo - LP

• Leteći pepeo je nus produkt sagorevanja uglja u termoelektranama

• Čestice najčešće sferičnog oblika

• Veličina čestica 1 – 200 m

• Minerološki sastav je pokazatelj aktivnost LP

• Poseduje prirodnu radioaktivnost

Be

ton

i sa

le

teći

m p

ep

elo

m

25ASTM C618, “Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined NaturalPozzolanforUseinConcrete,”2015

Leteći pepeo

• 70% električne energije u Srbiji proizvodi se u termoelektranama

• Godišnja proizvodnja > 7 miliona t LP

• Trenutno deponovano > 300 miliona t LP

• Leteći pepeo klase F (ASTM C618)

• Neujednačen kvalitet

• Niska cena

Be

ton

i sa

le

teći

m p

ep

elo

m

26

Upotreba letećeg pepela u betonu

• 1930 Prva upotrebu LP u betonu tokom izgradnje brane

• Koristi se kao delimična zamena cementa ili peska

• Delimičnom zamenom cementa samnjuje se cena betona

• Smanjenje količine cementa dovodi do smanjenja štetnog uticaja

Be

ton

i sa

le

teći

m p

ep

elo

m




Otpornost na mraz





Skupljanje

Tečenje

Ugradljivost

Vreme vezivanja



Toplota hidratacije

27

Standard za upotrebu letećeg pepela u betonu

Klasifikacija LP prema EN 197-1:• Silikatni LP — V: sadrži procenat aktivnog CaO manji od 10%

• Kalcijumski LP — W: sadrži procenat aktivnog CaO veći od 10%

• Kategorija A: LOI nije veći od 5% mase

• Kategorija B: LOI nije veći od 7% mase

• Kategorija C: LOI nije veći od 9% mase

• Kategorija N: sadrži manje od 40% ostatka LP na situ 45µm

• Kategorija S: sadržimanje od 12% ostatka LP na situ 45µm

LOI – gubitak žarenjem – loss on ignition

Be

ton

i sa

le

teći

m p

ep

elo

m

CEN, European Standrad 197-1: Cement - Part 1: Composition, specifications and conformity criteria for common cements. Brussels: European Committee for Standardization, 2011.

28

Standard za upotrebu letećeg pepela u betonuB

eto

ni

sa l

ete

ćim

pe

pe

lom

CEN, European Standard 450-1: Fly ash for concrete — Part 1: Definition, specifications and conformity criteria. Brussels: European Committee for Standardization, 2012.

2015) i EN 450-1 (CEN 2012)

Parametar ASTM C618 EN 450-1

Klasa C Klasa F A / B / C

SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, (%, min) 50 70 70

SO3, (%, max) 5 5 3

Vlažnost, (%, max) 3 3 -

LOI, (%, max) 6 6 (12) 5 / 7 / 9*

Reaktivni CaO, (%, max) - - 10

Ukupan sadržaj alkalija, (%, max) - - 5

MgO, (%, max) - - 4

P2O5, (%, max) - - 5

Ostatak na situ 45µm, (%, max) 34 34 40 / 12**

Indeks aktivnosti na 7/28/90 dana, (% referentnog, min)

75 / 75 /- 75 / 75 /- - / 75 / 85

Potrebna količina vode, (% referentog, max) 105 105 95***

Autoklavno širenje/skupljanje (%, max) 0.8 0.8 -

* Kategorija A / B / C ** Kategorija N / S ***primenjuje se samo za LP kategorije S

29


• U manjim količinama LP se koristi kao mineralni dodatak (filer)

• U većim količinama se koristi kao delimična zamena cementa sa

masom i do 70% od ukupne mase vezivnih materijala

• Zbog svoje finoće, LP se može koristiti i kao delimična zamena sitnog

agregata tj. peska

Be

ton

i sa

le

teći

m p

ep

elo

m

ASTM C618, “Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined NaturalPozzolanforUseinConcrete,”2015

30


Standard EN 206-1:

1. Koncept k-vrednosti (k-value concept)

2. Koncept ekvivalentnih performansi betona (equivalent concrete

performance concept)

3. Koncept kombinovanih ekvivalentnih performansi betona (equivalent

performance of combinations concept)

Be

ton

i sa

le

teći

m p

ep

elo

m

CEN, European Standrad 206-1:2013: Concrete – Part 1: Specification performance, production and conformity. European Committee for Standardization, 2011.

31


Koncept k-vrednosti:

• voda/vezivni materijal voda/(cement + k · pucolan) < wmax*

• Minimalna količina cementa (cement + k · pucolan) > mc,min*

• Minimalna čvrstoća pri pritisku shodno klasi izliženosti

• Maksimalna količina LP koja se može uzeti kao vezivni materijal:

– LP/cement ≤ 0.33 mase, za CEM I cement

– LP/cement ≤ 0.25 mase, za CEM II/A cement

– k=0.4 *

Be

ton

i sa

le

teći

m p

ep

elo

m

* CEN, European Standrad 206-1:2013: Concrete – Part 1: Specification performance, production and conformity. European Committee for Standardization, 2011.

32


Koncept ekvivalentnih performansi betona i koncept kombinovanih

ekvivalentnih performansi betona

• Koncept koji pruža tačnije rezultate

• Potvrda da beton sa LP (kombinacijom više vrsta cementa i pucolanskih

materijala) i referentni cementni beton imaju iste karakteristike u odnosu na

zadatu klasu izloženosti i zadate parametre trajnosti

• Zahteva eksperimentalno ispitivanje

Be

ton

i sa

le

teći

m p

ep

elo

m

CEN, European Standrad 206-1:2013: Concrete – Part 1: Specification performance, production and conformity. European Committee for Standardization, 2011.

33

Betoni sa velikim sadržajem letećeg pepela - BVSLP

• 1985 High volume fly ash concrete: Više od 50% LP u CM

• Masa cementa i LP obično veća od 400 kg/m3

• Mala količina vode - obično manje od 150 kg/m3

• Masa cementa je obično manja od 200 kg/m3

• Upotreba superplastifikatora

Be

ton

i sa

le

teći

m p

ep

elo

m

Advanced Concrete Technology Group CANMENT, Canada

34

Karakteristike i moguća primena BVSLP

Prednosti i mane• Manja poroznost, bolja ugradljivost i manja segregacija

• Niža toplota hidratacije

• Bolja otpornost na dejstvo hlorida, sulfata i mraza (mraz i so lošija)

• Manja mogućnost pojave alkalno agregatne reakcije

• Sporiji prirast čvrstoće

• Manje skupljanje, tečene i modul elastičnosti

Moguća primena• Kod izragnje brana

• Objekata izloženih dejstvu hlorida i sulfata

• Temelji konstrukcija

• Betoni umerenih čvrstoća zaštićenih od dejstva karbonatizacije

Be

ton

i sa

le

teći

m p

ep

elo

m

35

Nega BVSLP

• BVSLP zahteva dužu nego nego cementni beton

• Zaparivanje BVSLP

• Unutrašnja nega – Internal curing

Be

ton

i sa

le

teći

m p

ep

elo

m

36

Izvedeni objekti

• York University Computer Science (Toronto, Canada): beton sa 50% LP čvrstoće 25 MPa i 30 MPa korišćen za ploče, stubove i grede

• The Liu Centre for the Study of Global Issues, University of British Columbia(Vancouver, Canada): beton sa 50% LP za sve konstruktivne elemente izuzev prednapregnutih ploča koje su napravljene sa 33% LP. Čvrstoća pri pritisku 10 MPa nakon jednog dana, 32 MPa nakon 28 dana i 50 MPa nakon 90 dana.

Be

ton

i sa

le

teći

m p

ep

elo

m

37

Izvedeni objekti

• The Bayview (Vancouver, Canada), 2002 : beton sa 55% LP korišćen za izradu temelja

• The Nicola Valley Institute of Technology, University of the Cariboo (Merrit,British Columbia), 2001, EcoSmart concrete design (Michel et al. 2001): beton sa 50% LP korišćenog za izradu temelja i ploča

• De Young Museum (San Francisco, California, United States), 2005: beton sa 170 kg/m3 cementa i 170 kg/m3 LP korišćen za izradu temelja, ploča i greda

Be

ton

i sa

le

teći

m p

ep

elo

m

38

Primena standarda

• EN 206-1: Moguća je primena odredbi standarda uz zadovoljavanje kriterijuma jednog od tri prethodno pomenuta koncepta

• fib Model Code 2010: Date su napomene za ’’betone sa većom količinom letećeg pepela’’ :

– manje početne i veće krajnje čvrstoće pri pritisku i moduli elastičnosti

– manje skupljanje i tečenje betona

– veća gustina betona

• Eksperimentalni rezultati iz literature:

– Moguće je primeniti postojeće formule za određivanje mehaničkih karakteristika cementnih betona na BVSLP uz određene modifikacije*

– Moguće je primeniti postojeće formule za određivanje granične nosivosti na saviajnje i smicanje cementnih betona na BVSLP sa istom tačnošću*

– Manje skupljanje I tečenje**

Be

ton

i sa

le

teći

m p

ep

elo

m

CEB-FIB: International Federation For Structural Concrete, https://www.fib-international.org.*Jelena Dragaš, Ultimate capacity of high volume fly ash reinforced concrete beams, 2018, PhD thesis. Faculty of Civil Engineering, University of Belgrade.**Tošić Nikola, Behaviour Of Reinforced Concrete Beams Made With Recycled And Waste Materials Under Long-term Loading, 2017, PhD thesis. Faculty of Civil Engineering, University of Belgrade.

39

Granulisana zgura visokih peći - GZVP

• Otpadni materijal u procesu proizvodnje čelika

• Sadrži iste okside kao portland cement ali u različitom odnosu:

CaO 35-45%, SiO2 32-38%, Al2O3 8-16%

• Koristi se kao mineralni dodatak malteru i betonu, za nasipanje podloge naputevima ili za izradu zastora kod železnica

Be

ton

i sa

zg

uro

m v

iso

kih

pe

ći

40

Granulisana zgura visokih pećiB

eto

ni

sa z

gu

rom

vis

ok

ih p

eći

41

Granulisana zgura visokih peći

• Standard EN 15167-1, Ground granulated blast furnace slag for use in concrete,

mortar and grout — Part 1: Definitions, specifications and conformity criteria

Standard EN 206-1: Koncept k-vrednosti

• Maksimalna količina GZVP koja se može računati kao vezivni materijal:

– GZVP/cement ≤ 1.0 mase

– k=0.6

• Koncept ekvivalentnih performansi betona i koncept kombinovanih

ekvivalentnih performansi betona

Be

ton

i sa

zg

uro

m v

iso

kih

pe

ći

42

Fizičke, mehaničke i karakteristike trajnostiB

eto

ni

sa z

gu

rom

vis

ok

ih p

eći




Otpornost na mraz





Skupljanje

Tečenje

Ugradljivost

Vreme vezivanja



Toplota hidratacije

43

Izvedeni objekti

• Bryant Park Tower je napravljen od betona sa 55% cementa i 45% zgure

• Key Center Cleveland je napravljen sa 65% cementa, 27% zgure i 7% silikatne prašine

• Florida I-95 highway je napravljen sa 60% zgure

Be

ton

i sa

zg

uro

m v

iso

kih

pe

ći

Bryant Park Tower Key Center Cleveland Florida I-95 Highway

44

Silikatna prašina - SP

• Nus-proizvod pri proizvodnji silikatnih i ferosilikatnih legura

• Sadrži više od 90% SiO2 i manje od 1% Al2O3 i CaO

• Najkvalitetniji pucolan s najvećom pucolanskom aktivnošću

• Sitne čestice doprinose povećanju kohezije i zapunjavaju unutrašnju strukturu

Be

ton

i sa

sil

ika

tno

m p

raši

no

m

45

Silikatna prašina - SPB

eto

ni

sa s

ilik

atn

om

pra

šin

om

46

Standardi

• Standard EN 13263-1: Silica fume for concrete — Part 1: Definitions,

requirements and conformity criteria

Standard EN 206-1: Koncept k-vrednosti

• Maksimalna količina SP koja se može uzeti kao vezivni materijal:

– SP/cement ≤ 0.11 mase

– k=2

• Koncept ekvivalentnih performansi betona i koncept kombinovanih ekvivalentnih performansi betona

• Koristi se za dobijanje betona visokih čvrstoća

Be

ton

i sa

sil

ika

tno

m p

raši

no

m

47

Fizičke, mehaničke i karakteristike trajnostiB

eto

ni

sa s

ilik

atn

om

pra

šin

om




Otpornost na mraz





Skupljanje

Tečenje

Ugradljivost

Vreme vezivanja



Toplota hidratacije

48

Silikatna prašina

• Hotel Burj Al Arab, Dubai – 10% silikatne prašine

• Trump Palace

• Petronas Towers

Be

ton

i sa

sil

ika

tno

m p

raši

no

m

Hotel Burj Al Arab Trump Palace Petronas Towers

49

Alkalno-aktivirani materijali

• Dve glavne vezivne komponente su pucolanski materijal i alkalni aktivator

• Kao pucolani se koriste:– Leteći pepeo

– Zgura visokih peći

– Metakaolin

– Silikatna prašina

– Crveno blato

• Kao alkalni aktivator:– Natrijum silikat

– Natrijum hidroksid

– Kalijum hidroksid

Alk

aln

o-a

kti

vir

an

i b

eto

ni

Leteći pepeo Kaolin Zgura Cementni beton

Pucolanski materijal

Alkalni aktivator

Vezivni materijal

Nega

50

Betoni sa alkalno-aktiviranim LP - BAALPA

lka

lno

-ak

tiv

ira

ni

be

ton

i

• Leteći pepeo / zgura(400 - 500 kg/m3)

• Alkalni aktivator (150 - 250 kg/m3)

• Voda • Superplastifikator• Agregat (zasićen)

51

Betoni sa alkalno-aktiviranim LP - BAALP

• Vodocementni faktor koji se koristi kod cementnih betona je zamenjen faktorom odnosa aktivatora i LP

• Preporučuje se odnos aktivatora i LP u granicama od 0.30 do 0.45

Alk

aln

o-a

kti

vir

an

i b

eto

ni

Perth, Australia, Curtin University of TechnologyFaculty of Engineering and Computing Department of Civil Engineering DjwantoroHardjito, 2005

Department of Civil and Environmental Engineering,Villanova University, Villanova, Joseph Robert Yost, Aleksandra Radlinska, Stephen Ernst , Michael Salera 2013.

52

Nega BAALP

• Nega na temperaturama od 60 do 90oC u trajanju od 6h do 24h

• Zagrevanje se vrši “suvim” zagrevanjem ili zaparivanjem

• Zagrevanjem se postiže početna čvrstoća koje predstavlja 90-95% od ukupne čvrstoće betona

• Zahtev za zagrevanjem u početnih 24h ograničava primenu ovih betona za prefabrikovane elemente

Alk

aln

o-a

kti

vir

an

i b

eto

ni

http://www.mabeton.com/archivos_web/image070.jpg

53

Fizičke, mehaničke i karakteristike trajnosti BAALPA

lka

lno

-ak

tiv

ira

ni

be

ton

i




Otpornost na mraz





Skupljanje

Tečenje

Ugradljivost

Vreme vezivanja



Toplota hidratacije

54

Karakteristike i moguća primena BAALP

Prednosti i mane• Upotreba otpadnih materijala

• Veća trajnost

• Gušća matrica

• Neophodno zagrevanje

• Lošija ugradljivost

• Visoka cena

• Kvalifikovana radna snaga

Moguća primena• Prefabrikovani AB i PN elementi

• Rezervoari za skladištenje organskog i neorganskog nuklearnog otpada

Alk

aln

o-a

kti

vir

an

i b

eto

ni

55

Primena BAALP u praksi

• Prefabrikovani betonski elementi

• ZEOBOND je kompanija iz Australije koja je počela komercijalnu primenu geopolimer betona (http://www.zeobond.com)

Alk

aln

o-a

kti

vir

an

i b

eto

ni

http://www.zeobond.com/

56

Primena BAALPA

lka

lno

-ak

tiv

ira

ni

be

ton

i

TBM-bored Legacy Way Highway, Tunnel in BrisbaneSegmenti od alkalno-aktiviranog betona

http://tunneltalk.com/images/TunnelTech/Earth-Friendly-Concrete-2-EFC-tunnel-segments-b.jpg

http://tunneltalk.com/images/TunnelTech/Earth-Friendly-Concrete-4-EFC-tunnel-segments-d.jpg

57

Primena BAALP u praksiA

lka

lno

-ak

tiv

ira

ni

be

ton

i

Queensland’s University GCI E-crete Precast Panels for fire resisting

„ZEOBOND“и“ECOBA” Salmon St bridge panels

58

Primena BAALP u praksi

• Stambene zgrade od alkalno-aktiviranih betona

Alk

aln

o-a

kti

vir

an

i b

eto

ni

Lipetsk, Russian Federation, 1987-1989

Mariupol, Ukraine, 1960

59

Uporedna analiza različitih betonaA

lka

lno

-ak

tiv

ira

ni

be

ton

i

Vrsta cementa OPC BVSLP BAALP

Emisija CO2 3 1 2

Korišćenje prirodnih resursa

Ugrađivanje betona

3 1 2

1 2 2

Rane čvrstoće 2 3 1

Konačne čvrstoće 1 1 2

Zahtevana nega 1 1 3

Trajnost betona 3 1 1

Moguća primena 1 1 2

Cena 3 1 2

18 12 17

60

Ostali alakalno-aktivirani materijali

• Termoizolacioni materijal (peno-beton)

• „One-part geopolimer paste“

...

Alk

aln

o-a

kti

vir

an

i b

eto

ni

61


• Vezivni materijal na bazi alkalno aktiviranog vulkanskog pepela

Alk

aln

o-a

kti

vir

an

i b

eto

ni

62


• Alkalno aktivirana opeka

Alk

aln

o-a

kti

vir

an

i b

eto

ni

63


• Hibridni alkalno-aktivirani vezivni materijal na bazi cementa (<30%) i reciklirane opeke

Alk

aln

o-a

kti

vir

an

i b

eto

ni

64


• Vezivni materijal na bazi pepela šećerne trske i GZVP

Alk

aln

o-a

kti

vir

an

i b

eto

ni

65No

ve

vrs

te b

eto

na




• Nove vrste cementa• Betoni sa letećim pepelom• Betoni sa zgurom iz visokih peći• Betoni sa silikatnom prašinom• Alkalno aktivirani betoni

• Agregat od recikliranog betona• Agregat od reciklirane opeke• Agregat od reciklirane gume

66

Cirkularna ekonomija

• Novi ekonomski model koji zamijenjuje linearni model

Be

ton

i n

a b

azi

re

cik

lira

no

g a

gre

ga

ta

67

Životni vek konstrukcija

• Proizvodnja

• Upotreba

• Rušenje

Be

ton

i n

a b

azi

re

cik

lira

no

g a

gre

ga

ta

68


• Proizvodnja

• Upotreba

• Rušenje

• Otpad!

Be

ton

i n

a b

azi

re

cik

lira

no

g a

gre

ga

ta

69

Recikliranje betonskog otpada

• Nakon rušenja AB konstrukcija dobija se različiti otpad: beton, čelik, opeka, staklo, gips, drvo, plastika...

• Vrši se odvajanje štetnih primesa do dobijanja čistog betonskog otpada

Be

ton

i n

a b

azi

re

cik

lira

no

g a

gre

ga

ta

70


• U EU se godišnje proizvede 850 mil. tona građevinskog otpada (31% ukupnog otpada) od čega je 50% je betonski otpad

• Odlaganje otpada se vrši na predviđenim i divljim deponijama

• Recikliranjem betonskog otpada može se dobiti agregat od recikliranog betona (Recycled Concrete Aggregate – RCA)

• RAC je moguće iskoristiti na više načina:

• od podloge za kolovozne konstrukcije (open-loop, down-cycling)

• do proizvodnje konstrukcijskih betona (beton na bazi recikliranog agregata – Recycled Aggregate Concrete-RAC)

Be

ton

i n

a b

azi

re

cik

lira

no

g a

gre

ga

ta

71


Reciklažna postrojenja:

• mobilna (niži nivo obrade, rušenje i izgradnja na istom mestu)

• stacionarna (u blizini gusto naseljenih područja, kapacitet oko 200.000t/god, bolja kontrola kvaliteta)

Be

ton

i n

a b

azi

re

cik

lira

no

g a

gre

ga

ta

72


• Zemlje koje imaju malo nalazišta prirodnog agregata:

• Japan 98%

• Holandija 90%

• Danska 81%

• Zemlje koje nemaju problema sa izvorištima prirodnog agregata ili kapacitetima deponija:

• Italija 9%

• Španija 5%

• SAD 20-30%

Be

ton

i n

a b

azi

re

cik

lira

no

g a

gre

ga

ta

73


• Prepreke za veću primenu RAC:

1. Generalno loša slika o reciklažnom procesu, nedostatak poverenja

2. Tehnički razlozi (upijanje, zapreminska masa, reologija, trajnost)

3. Nedoumice u vezi sa tehnologijom spravljanja betona sa recikl. Agregatom

4. Nedostatak odgovarajuće regulative (zakonske, tehničke)

Problem u Srbiji – niska cena rečnog agregata

Be

ton

i n

a b

azi

re

cik

lira

no

g a

gre

ga

ta

74


• Neophodno je da zakonodavci prepoznaju recikliranje i korišćenje otpada kao korist za društvo:

• pooštravanje taksi za zagađivače (princip zagađivač plaća)

• pooštravanje taksi za odlaganje građevinskog otpada na deponije

• subvencionisanje reciklažne industrije i primene recikliranih materijala

• sprovođenje gore navedenog i eliminacija divljih deponija

• Stvaranje tržišta recikliranih proizvoda donosi korist:

– Proizvođačima otpada (ako se smanje troškovi odlaganja)

– Korisnicima agregata (ako su reciklirani proizvodi jeftiniji)

– Društvu u celini (ako trpi manje zagađenje)

Be

ton

i n

a b

azi

re

cik

lira

no

g a

gre

ga

ta

75


• Početak istraživanja: fizičko-mehaničke karakteristike

• Upotreba: u tampon slojevima

• Uvećavanjem broja istraživanja i širenjem polja interesovanja istraživača, počinje primena RAC:

• u konstruktivnim elementima

• izgradnja čitavih objekata od ovog betona

Be

ton

i n

a b

azi

re

cik

lira

no

g a

gre

ga

ta

76

Standardi • Velika Britanija: BS EN 12620 i BS 8500-2

• Japan: JIS A 5021 (2005)

• Nemačka: DIN 4226-100 (2002) i (DafStb, 1998)

• Kina: DG/TJ07-008

• EN 206-1 (krupni agregat):

Be

ton

i n

a b

azi

re

cik

lira

no

g a

gre

ga

ta

Ivan Ignjatović, GRANIČNA NOSIVOST ARMIRANOBETONSKIH GREDNIH NOSAČA OD BETONA SA RECIKLIRANIM AGREGATOM, 2013.

Tip agregata X0 XC1, XC2 XC3, XC4, XF1, XA1,

XD1

Za ostaleklase

Reciklirani agregat tipa A 50% 30% 30% 0%

Reciklirani agregat tipa B 50% 20% 0% 0%

77

Standardi • Međunarodno udruženje laboratorija za ispitivanje materijala i konstrukcija -

RILEM (RILEM Recommendation, 1994)

• Holandija: NEN 5905, 1997

• Tablica korekcionih faktora:

Be

ton

i n

a b

azi

re

cik

lira

no

g a

gre

ga

ta

Ivan Ignjatović, GRANIČNA NOSIVOST ARMIRANOBETONSKIH GREDNIH NOSAČA OD BETONA SA RECIKLIRANIM AGREGATOM, 2013.

RILEM NEN 5905

Proračun prema EN 1992-1-1

Tip I Tip II Tip III ≥C25/30 <C25/30

Čvrstoća pri zatezanju 1 1 1 1 1

Modul elastičnosti 0.65 0.80 1 0.9 0.9

Koeficijent tečenja 1 1 1 1.1 1.3

Skupljanje 2 1.5 1 1.4 1.4

78

Fizičke, mehaničke i karakteristike trajnosti RACB

eto

ni

na

ba

zi r

eci

kli

ran

og

ag

reg

ata




Otpornost na mraz





Skupljanje

Tečenje

Ugradljivost

Vreme vezivanja



Toplota hidratacije

79

Karakteristike i moguća primena RAC

Prednosti i mane

• Upotreba otpadnih materijala

• Smanjenje korišćenja prirodnih resursa

• Veća otpornost na abraziju

• Slabija trajnost

• Veća poroznost

Moguća primena

• Konstrukcijski beton za objekte u umereno agresivnim sredinama

• Tampon slojevi

Be

ton

i n

a b

azi

re

cik

lira

no

g a

gre

ga

ta

80

Izgrađeni objektiB

eto

ni

na

ba

zi r

eci

kli

ran

og

ag

reg

ata

• Prvi objekat čija je konstrukcija izgrađena od RAC

“Vilbeler Weg”, Darmštat, Nemačka, novembar 1997.-februar 1998.

• Poslovni objekat sa otvorenom, višespratnom garažom

• Kompletna AB konstrukcija

(480m3) od RAC

• Zamenjeno 100% krupne

frakcije (Dmax=16 mm)

81

Izgrađeni objektiB

eto

ni

na

ba

zi r

eci

kli

ran

og

ag

reg

ata

• “Waldspirale”, Darmštat, Nemačka, novembar 1998.-septembar 1999.

• Arhitekta – Friedensreich Hundertwasser

• Samo krupna frakcija

• Svi unutrašnji elementi (stubovi, zidovi, grede) i temeljna ploča

82

Izgrađeni objektiB

eto

ni

na

ba

zi r

eci

kli

ran

og

ag

reg

ata

• Building research establishment (BRE), Watford, UK, 1995./96.

• Reciklirani agregat dobijen iz betonske konstrukcije srušene višespratnice iz centra Londona

• RAC beton u temeljnoj ploči,stubovima i kasetiranoj tavanici

• Samo krupna frakcija

• Pumpani beton

83

Ostali reciklirani materijaliB

eto

ni

na

ba

zi r

eci

kli

ran

og

ag

reg

ata

• Beton na bazi recikliranog agregata nije jedina mogućnost primene otpadnih i recikliranih materijala kao zamene za agregat

• Druge mogućnosti su:

• Reciklirana opeka

• Reciklirana guma

84No

ve

vrs

te b

eto

na




• Nove vrste cementa• Betoni sa zgurom iz visokih peći• Betoni sa silikatnom prašinom• Betoni sa letećim pepelom• Alkalno aktivirani materijali

• Staklena vlakna• Sintetička vlakna• Čelična vlakna• Organska vlakna


85

Mikroarmirani betoni - Fibre-reinforced concrete FRC

• Kompozitni materijal koji ima povećanu rezidualnu čvrstoću pri zatezanju nakon pojave prslina usled sposobnosti vlakana da premoste nastale prsline

• U antičkim vremenima korišćena je ovčija dlaka ili konjska dlaka tokom izvođenja “betonskih” konstrukcija

• Rimljani koristili vlakna od bambusa kao ojačanje konstruktivnih elemenata (Panteon)

• A. Bernard u Kaliforniji 1874. godine prvi put upotrebio čelična vlakna za ojačanje betona

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

86


• Dodaju se kako bi povećala čvrstoću duktilnih ili žilavost krtih betonskih mešavina

• Povećavaju otpornost na udar

• Vlakna su nasumično ali relativno uniformo raspoređena u betonskoj matrici

• Podela vlakana prema tipu:

– Sintetička vlakna

– Prirodna vlakna

• Podela vlakana prema veličini:

– Makro vlakna

– Mikro vlakna

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

87


• Količina vlakana 0.5-3 vol%

• Karakteristike kompozita zavise od:

– Karakteristika betonske matrice

– Čvrstoće i modula elastičnosti vlakana

– Veze vlakana i betonske matrice

– Količine vlakana

– Oblika i dužine vlakana

– Rasporeda vlakana u matrici

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

88


• Čelična vlakna (steel fibre-reinforced concrete SFRC)

– Veliki modul elastičnosti

– Velika čvrstoća pri zatezanju

– Velika duktilnost

• Čelična vlakna se najčešće koriste obzirom da imaju veliku trajnost u alkalnoj sredini

• Korozija nije problem osim vlakana koja se nalaze u zaštitnom sloju

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

89

Mikroarmirani betoni - Fibre-reinforced concrete (FRC)

• Vlakna i beton učestvuju u raspodeli opterećenja proporcionalno modulima elastičnosti

• Nakon otvaranja prsline šire od 0.15 mm, samo vlakna učestvuju u prenosu opterećenja u preseku (efekat ,,premošćavanja prslina”)

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

PROJEKTOVANJE ELEMENATA OD MIKROARMIRANOG BETONA PREMA fib MODEL CODE 2010 (2018) Bogdan Šakić, Nikola Tošić, In: Simpozijum Društva građevinskih konstruktera Srbije.

90


• Pri naponima pritiska, mikroarmirani beton pokazuje značajno većuduktilnost od nearmiranog betona

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a


91


• fib Model Code 2010 predlaže dva tipa ponašanja nakon otvaranja prsline pri ULS-u: kruto-plastičan i linearan model

• Karakteristika FRC-a je rezidualna čvrstoća na zatezanje

• Lom na savijanje FRC-a se javlja kada je jedan od sledećih uslova ispunjen:– Dostizanje maksimalne dilatacije pritiska u SFRC-u

– Dostizanje maksimalne dilatacije zatezanja u armaturi ukoliko je prisutna

– Dostizanje maksimalne dilatacije zatezanja u SFRC-u

• U fib Model Code 2010 dati izrazi za određivanje granične nosivosti pri savijanju i smicanju SFRC elemenata

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a


92


• Primena: ploče (velika opterećenja), tuneli, brane

• Prednosti: smanjuje potrebnu količinu klasične čelične armature, povećava otpornos na udar, veća trajnost

• Mane: ugradnja, cena

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a


93


• Staklena vlakna

– Alkalno otporna

– Dužina 10-50 mm

– Količina koja se koristi do 10 vol%

– Osetljiva na abraziju zrna agregata tokom ugradnje

– Primena: Tokom renoviranja objekata, izgradnje drenažnih sistema, akustične barijere, fasadne obloge, ornamenti

– Mane: visoka cena

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

94


• Sintetička (Polimerna) vlakna– Smanjuju prsline nastale usled skupljanja u pločama, povećavaju čvrstoću

pri zatezanju, smanjuju prsline, povećavaju otpornost na urad, smanjuju izdvajanje vode

– Otporna na dejstvo korozije

– Moguća upotreba reciklirane plastike za njihovu proizvodnju

– Različite vrste vlakana:• Polietilenska

• Polipropilenska

• Akrilna

• Polivinil acetatna

• Poliamidna

• Poliesterska

• Karbonska

Mik

roa

rmir

an

i b

eto

ni

95


• Sintetička (Polimerna) vlakna

– Prva upotreba – vojna industrija za proizvodnju betona otpornih na eksplozije

– 2000-danas:

• Ultra high performance fibre-reinforced concrete UHPFRCC

• Engineered cement composites ECC

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

96



– Velike količine cementa (više od 600 kg/m3)

– Mineralni dodaci (silikatna prašina, leteći pepeo, drugi pucolanski materijali)

– Najveće zrno agregata 6 mm

– Upotreba većih količlina vlakana

– Upotreba hemijskih dodataka

– Mali vodovezivni faktor, manji od 0.25

– Samougrađujući betoni

– Nega na povišenim temperaturama - zaparivanje

– Vodonepropusni – trajnost

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

97



– Veća homogenost (ne koristi se krupna frakcija i bolja upakovanost zrna)

– Visoke čvrstoće pri pritisku (veće od 150 MPa) zatezanju (do 40 MPa) i moduli elastičnosti (do 90 GPa)

– Uticaj na životnu sredinu

– Primena: superstruktura mostova, elementi koji zahtevaju dobre mehaničke karakteristike i trajnost betona

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

Mediterranean Culture Museum in Marseille

98



Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

150 MPa čvrstoća pri pritisku

15 MPa čvrstoća pri zatezanju

Malaysia

99



Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a


Switzerland. Pedestrian bridge. Freiburg. 24 m

100



Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a


Czech Republic. Pedestrian bridge. 156 m

101



Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a


Abu Dhabi. Louvre Museum.

Paneli i rešetke debljine 10-15 mm

102



– Značano veća čvrstoća pri zatezanju i duktilnost

– Maksimalna dilatacija zatezanja 1-6%

– Samo sitan agregat (pesak/cement ≤ 0.5)

• Voda/cement ≤ 0.5

• Sintetička vlakna ≤ 2 vol%

• Velike količine cementa

• Hemijski dodaci

• Pucolanski materijali

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

103



– Mogućnost formiranja sitnih bliskih prslina širine do 0.1 mm

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

104


• Engineered cement composites ECC – Mikromehaničke karakteristike betona – odnos i karakteristike vlakana,

matrice i prelazne zone

– Najčešće se koriste polivinil alkohol vlakna i polietilenska vlakna velikog modula elastičnosti

– Ispitivanja kao konstrukcijskog betona, pod cikličnim opterećenjem, u stub-greda čvorovima

– Velika disipacija energije

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

105


• Karbonska vlakna

– C³-Carbon Concrete Composite projekat

– Zamena do 20% čelika karbonskim vlaknima

– Bolja otpornost na koroziju

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

106


• Potencijalna primena:

– Sanacije objekata

– Konstrukcijski beton

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

PAVILION IN KAHLA, GERMANY BRIDGE IN NAILA,

GERMANY

BRIDGE IN ALBSTADT-

EBINGEN, GERMANY

107

Mikroarmirani betoni - Fibre-reinforced concrete

• Prirodna vlakna

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

KonopljaLan

Juta Pamuk

108


• Prirodna vlakna

– Razgradiva, obnovljiva, nisu štetna za okolinu

– Upotreba lokalnih materijala

– Trajnost vlakana!

– Nestalnost kvaliteta vlakana

– Lošije mehaničke karakteristike u odnosu na sintetička vlakna

– Veće upijanje vode

Be

ton

i sa

do

da

tko

m v

lak

an

a

109No

ve

vrs

te b

eto

na




• Nove vrste cementa• Betoni sa zgurom iz visokih peći• Betoni sa silikatnom prašinom• Betoni sa letećim pepelom• Alkalno aktivirani materijali

• Staklena vlkana• Sintetička vlakna• Čelična vlakna• Organska vlakna


• Samozaceljujući betoni• 3D štampani betoni• Aktuelna istraživanja

110

3D štampani betonB

eto

ni

spe

cija

lnih

na

me

na

Dubai

111

3D štampani betonB

eto

ni

spe

cija

lnih

na

me

na

112

3D štampani betonB

eto

ni

spe

cija

lnih

na

me

na

113

Samozaceljujući materijaliB

eto

ni

spe

cija

lnih

na

me

na

114Za

klj

uča

k

2020

BAB 871. Granično stanje nosivosti2. Granično stanje upotrebljivosti3. Trajnost = zaštitni sloj

EN 1992-1-11. Granično stanje nosivosti2. Granično stanje upotrebljivosti3. Trajnost :

• Klase izloženosti• Klasa betona• Vodocementni faktor• Zaštitni sloj

fib Model Code 20101. Granično stanje nosivosti2. Granično stanje upotrebljivosti3. Trajnost:

• modeli predikcije

fib Model Code 20201. Granično stanje nosivosti2. Granično stanje upotrebljivosti3. Trajnost

• precizniji modeli predikcije

4. Održivost

predmet: specijakna poglavlja betonskih konstrukcija …imksus.grf.bg.ac.rs/nastava/beton-novi...

Documents