SHR - Přednáška 7. Stavební hmoty PŘEDNÁŠKA 7

Transkript

1 Stavební hmoty PŘEDNÁŠKA 7 1

2 Hydratace cementu hydratace = chemická reakce cementu s vodou hydratce hydraulických pojiv tuhnutí a tvrdnutí, vznikají pevné, nerozpustné, soudržné a časově stálé sloučeniny, schopné pojit částice kameniva a vytvářet kompaktní pevný produkt (beton) smíchání pojiva, vody a plniva (kameniva) produkt beton 2

3 Hydratace několik zrn cementu ve vodě vrstva hydratačních produktů vlákna hydratačních produktů zpevnění 3

4 Hydratace jednotlivých slínkových minerálů hydratace C 3 S (60-75 % slínku) rychlá počáteční nárůst pevnosti - vysoké hydratační teplo (zimní betonáž) Příklad hydratační reakce: Ca(OH) 2 vysoké ph 2CS 3 6H CSH CH voda C-S-H fáze nositel pevnosti hydratované křemičitany vápenaté hydratace C 2 S pomalejší, menší hydratační teplo 4

5 Hydratace slínkových minerálů hydratace C 4 AF 5-15 % slínku vzniká C 3 FH 6 a C 3 AH 6 krystalizují z roztoku poměrně rychlá, vysoké hydratační teplo hydratace C 3 A 5-15 % slínku rychlá, velmi vysoké hydratační teplo CA 6H CAH C-A-H fáze hydratované hlinitany vápenaté Souhrnný chemický průběh hydratace portlandského cementu: slínkové minerály (C 3 S; C 2 S; C 4 AF; C 3 A) + H 2 O CSH; C 3 AH 6 ; C 3 FH 6 ; CH sádrovec (několik %) ettringit 5

6 Téměř úplně zhydratované zrno cementu krystaly Ca(OH) 2 vnější CSH/CAH hydrát vnitřní CSH/CAH hydrát nezhydratovaný zbytek (většina cementu) původní zrno cementu (průměr cca 20 μm) 6

7 Složení cementového kamene 1. C-S-H a C-A-H hydráty - hlavní nositelé pevnosti (až 2/3 objemu kamene) 2. nezhydratovaný slínek (obalený hydráty) 3. krystaly Ca(OH) 2 (až 25 % objemu) 4. gelové póry (průměr v nm) 5. kapilární póry (průměr v desítkách nm až μm) 6. technologické póry (μm až mm) 7

8 Průběh hydratace p-slínku jako celku 1. indukční perioda: 1-2 hodiny smáčení zrn cementu tvoří se zárodky CSH, Ca(OH) 2 a ettringitu pevnost < 0,1 MPa 2. tuhnutí: do 24 hodin probíhá hydratace C 3 S, C 3 A a C 4 AF tvoří se dlouhovláknitý C-S-H pevnost 1-20 MPa 3. tvrdnutí: do 28 dní hydratace, pak zrání (léta) probíhá hydratace C 2 S tvoří se krátkovláknitý C-S-H dosahuje se konečná pevnost indukce tuhnutí tvrdnutí 8

9 Příspěvky slínkových minerálů k pevnosti cementového tmelu 9

10 Hydratace portlandského slínku v přítomnosti sádrovce CaSO 4.2H 2 O Sádrovec slouží jako zpomalovač hydratace (tuhnutí) Sádrovec reaguje s C 3 A (i C 4 AF): C3A 3 CS 32 H C3A.3CS.32H Sádrovec CaO.SO 3 Ettringit Trisulfát, AFt 3CaO.Al 2 O 3.3CaSO 4.32H 2 O Síranové ionty blokují na povrchu zrn cementu reaktivní místa a tak brání dočasně jeho hydrataci zpomalení tuhnutí. Po několika hodinách sírany vytvoří ettringit a monosulfát a přestávají brzdit hydrataci. 10

11 Hydratační teplo teplo uvolněné při hydratačních reakcích každá hydratační reakce má své reakční teplo měří se celek vzrůst teploty cementové pasty během hydratace teplota hydratační teplo cement+voda 11

12 Vliv teploty na průběh hydratačních reakcí rychlost všech chemických reakcí silně závisí na teplotě o 10 C vyšší teplota zrychlí reakci 2x vliv teploty na hydrataci cementu: pod 5 C velmi pomalá 5-10 C pomalá (ale výsledný beton je velmi dobrý) zimní betonáž: použít cement s vyšším hydratačním teplem (hodně C 3 S a C 3 A) uvolněné hydratační teplo zvyšuje teplotu hydratující betonové směsi ochrana uloženého betonu před chladem protimrazová přísada 12

13 Urychlení hydratace urychlování tuhnutí betonu zejména při výrobě prefabrikátů Vyšší teploty ohřev vody a kameniva Propařování betonových výrobků propařování zrací komora teplo, vlhko autoklávování vysoká teplota, atmosféra vodní páry velmi rychlá hydratace (hydrotermální podmínky) výroba pórobetonu 13

14 Objemové změny cementového tmelu při hydrataci, ošetřování betonu smršťování betonu během hydratace (několik týdnů) probíhá smršťování betonu vznikají trhliny zejména v plošných konstrukcích smrštění μm/m Vyšší obsah vody = větší smrštění Vyšší obsah cementu = větší smrštění uložený beton se musí několik dní (podle počasí a vlhkosti vzduchu) udržovat vlhký ošetřovat hydratace, aby nepopraskal 14

15 Hydratace latentně hydraulických látek a pucolánů latentně hydraulické látky podobné p-cementu, ale pro rychlé tuhnutí a tvrdnutí musíme přidat Ca(OH) 2 z vnějšího zdroje - vysokopecní struska používá se ve směsi s portlandským slínkem (CEM II, CEM III), hydratuje díky Ca(OH) 2, který se uvolňuje při hydrataci slínkových minerálů pucolány obsahují reaktivní křemičitany, zapojují se do hydratace opět díky Ca(OH) 2 z vnějšího zdroje využití v betonech i maltách na bázi Ca(OH) 2 - mikrosilika, metakaolin, sopečný popel pucolánová reakce: C + S + H CSH 15

16 Popište průběh hydratace portlandského cementu (proč to tuhne) Co to je hydratační teplo? Jaký vliv má teplota na průběh hydratace? hydratace latentně hydraulických látek a pucolánů 16

17 Vzdušná pojiva Dokončení 17

18 Sádrokarton sádrové jádro (sádra, rozvlákněný papír, skelná vlákna) + karton 18

19 Druhy sádrokartonových desek stěnové desky (druh A) stěnové desky se sníženou absorpcí vody (H 1 - H 3 ) plášťové desky (druh E) stěnové desky se zvýšenou pevností jádra při vysokých teplotách (druh F) podkladové desky (druh P) desky s kontrolovanou objemovou hmotností (D) desky se zvýšenou pevností (R) desky se zvýšenou tvrdostí povrchu (I) 19

20 Značení sádrokartonových desek ČSN EN

21 Speciální desky protipožární akustické izolační 21

22 Použití sádrokartonu normální desky do 65% vlhkosti impregnované desky trvale do 75 % vlhkosti krátkodobě až 100 %? sklepy, sprchy, mokré provozy 22

23 Sádrovláknité desky sádra (80%) + celulózová vlákna (20 %) nemají karton na povrchu vyšší objemová hmotnost vyšší pevnost lepší požární odolnost vhodné i do vlhkých prostor 23

24 Sádrové desky PCM PCM phase change materials při teplotě okolo 25 C mění látkové skupenství zvýšení akumulace při nižší hmotnosti 10 cm 1,5 cm 24

25 Anhydrit bezvodý CaSO 4 + budič jako budič se užívá: vápno, cement, sírany i v přítomnosti budičů je tvrdnutí pomalé použití na samonivelační vrstvy 25

26 Samonivelační podlahy obsahují plastifikátor, zlepšující tekutost směsi tekuté směsi se při tuhnutí smršťují => součástí směsi je plnivo (1:1 1:2) 26

27 Další síranová pojiva Keenův cement sádrovec + kamenec Scottova sádrovina - sádrovec + vápno De Wyldeho sádrovina - sádrovec + vodní sklo Pariánská sádrovina - sádrovec + borax 27

28 Vodní sklo koloidní roztok křemičitanů alkalických kovů sodné, draselné, lithné výroba z křemičitého písku (tavení za přítomnosti alkalických tavidel (soda,potaš) nebo rozpouštění v autoklávu) tvrdnutí - po styku s kyselým tvrdidlem (kyselina octová, uhličitá) plnivo - minerální moučky 28

29 Použití vodního skla kyselinovzdorné tmely žáruvzdorné vyzdívky silikátové nátěry nástřiky pro protipožární ochranu nátěrové hmoty v kombinaci s cementem pro výrobky s dřevěným plnivem 29

30 Hořečnaté pojivo pojivo na bázi MgO a MgCl 2 smíchání měkce páleného oxidu hořečnatého s roztokem hořečnatých solí (hl. chloridu hořečnatého). vysoká pevnost a tvrdost poměrně pružné Sorelův cement neodolává vlhkosti 30

31 Xylolit kamenné dřevo, směs z magnesiového cementu a drtin (dřevěné moučky) pod velikým tlakem lisovaná. Všelijak se formuje a potřebuje na podlahy, stoly, tabule, ozdobné částky nábytku. Vzdoruje vlhku (?), ohni, nebortí se, dobře se vrtá Ottův slovník naučný 31

32 Geopolymery anorganické uměle vyrobené (polymerní) materiály, připravované alkalickou aktivací základních hlinito-křemičitanových minerálů (struska, popílek, metakaolin) za normální teploty a tlaku 32

33 Geopolymery Prof. Joseph Davidovits ,- /1kg ,- /1kg ,- /1kg Od 2015 neprodává se 33

34 Geopolymerní betony + vysoká pevnost + požární odolnost + nižší spotřeba energie při výrobě pojiv + chemická odolnost + trvanlivost - cena - výkvěty - obtížnost přípravy 34

35 Beton 35

36 Beton jest stavivo z cementu, písku, vody a štěrku, kterážto směs na vzduchu i pod vodou tuhne v pevnou látku. Tato směs, jež podle množství vody je buď zavlhlá, měkká nebo i tekutá, se sype nebo lije do bednění nebo forem, obejímajících tvar příští stavby, ve kterých se podle potřeby a možnosti zpěchuje a ponechá do úplného utvrdnutí, načež se bednění odstraní. Ottova encyklopedie (1908) 36

37 Složky betonu pojivo plnivo voda příměsi (do 5 % hm. cem.) přísady (práškové) výztuž (bet.ocel, předpjatá výztuž, rozptýlená výztuž) 37

38 Pojmy (ČSN EN 206-1) beton - materiál ze směsi cementu, hrubého a drobného kameniva a vody, s přísadami nebo příměsemi nebo bez nich, který získá své vlastnosti hydratací cementu. čerstvý beton - beton, který je zcela zamíchán a je ještě v takovém stavu, který umožňuje jeho zhutnění zvoleným způsobem ztvrdlý beton - beton, který je v pevném stavu a má již určitou pevnost 38

39 Složení betonu typové - výrobce čerstvého betonu garantuje požadované a objednané vlastnosti betonu předepsané složení - odběratel předá výrobci recepturu složení betonu a výrobce čerstvého betonu již negarantuje vlastnosti betonu, pouze dodržení poměru mísení složek 39

40 Typy betonů podle objemové hmotnosti Obyčejný beton ( kg.m -3 ) Lehký beton ( kg.m -3 ) Těžký beton (> 2600 kg.m -3 ) 40

41 Výroba betonu Beton vyráběný na staveništi lokálně připravený odběratelem v místě použití pro vlastní potřebu Transportbeton beton, dodávaný v čerstvém stavu staveništní centrální betonárna (transport potrubím, přeprava jeřábem) specializovaná betonárka (autodomíchávač) 41

42 Zpracování čerstvého betonu míchání doprava ukládání zhutňování odformování (ošetřování) 42

43 Ruční výroba betonu na staveništi 43

44 Centrální výroba betonu na staveništi 44

45 Výroba v betonárně 45

46 Doprava betonu 46

47 Zhutňování betonu statické lisování, válcování dynamické střásání, propichování, vibrování (ponorné, příložné vibrátory) kombinované vibrolisování chemicko-fyzikální vakuování, plastifikace 47

48 Ošetřování betonu ochrana proti povětrnostním vlivům, otřesům a nárazům k minimalizaci smrštování je třeba beton během tuhnutí a na počátku tvrdnutí udržovat ve vlhkém stavu (min 12 hod) 48

49 Metody ošetřování betonu vlhčení přikrytí speciální nástřik 49

50 Minimální doba ošetřování betonu SHR - Přednáška 7 50

51 Složky betonu 51

52 Cement pojivo smíchání s vodou cementový tmel cementový kámen musí vyhovovat ČSN EN nejdražší složka betonové směsi minimalizace dávkování 52

53 Dávkování cementu Minimální: prostý beton: 200 kg /1 m 3 hotového betonu železobeton : - chráněná expozice: 240 kg/1 m 3 - nechráněná expozice: 260 kg/1m 3 - vodohosp. stavby: 300 kg/1 m 3 Pevnost betonu roste do množství 450 kg/1 m 3 vyšší dávkování není ekonomické! 53

54 Jiná pojiva umělé pryskyřice živice a asfalty na bázi síry sádra jíly + vysoká pevnost, odolnost vůči agres. prostředí, rychlé tvrdnutí - výroba, cena, hořlavost dopravní a hydrotechnické stavby + bleskový nárůst pevnosti, odolnost vůči agres. prostř. - hořlavost, neodolává vyšším teplotám 54

55 Kamenivo 55

56 Kamenivo - hodnocení ČSN EN Kamenivo do betonu - pro hutné a těžké kamenivo ČSN EN Pórovité kamenivo - Část 1: Pórovité kamenivo do betonu, malty a injektážní malty ČSN EN pro kamenivo pro asfaltové ČSN EN směsi 56

57 Rozdělení kameniva 57

58 Kamenivo - výběr druh zrnitost maximální velikost zrna obsah jemných částic tvar zrn specifické vlastnosti (odolnost proti mrazu, obrusu, alkalicko-křemičité reakci) 58

59 Kamenivo - druhy podle objemové hmotnosti: těžké (r v > 3000 kg/m 3 ) hutné (r v = kg/m 3 ) pórovité (r v < 2000 kg/m 3 ) podle původu: přírodní těžené, drcené umělé recyklované 59

60 Vlastnosti hornin 60

61 Kamenivo pro lehké betony Liapor: Experlit: 61

62 Kamenivo pro těžké betony 62

63 Recyklované kamenivo granulovaná vysokopecní struska betonový recyklát cihelný recyklát škvára zpěněná struska popílkové sbalky 63

64 Maximální zrno kameniva max. 1/3 až 1/2 nejmenšího rozměru konstrukce (vodorovná deska max.1/2, sloupy max.1/4) 1/3 průměru potrubí u transportbetonů max. 1,3 násobek krycí vrstvy výztuže C nejmenší vzdálenost prutů výztuže S minus 5 mm Snahou je použít co největší zrno 64

65 Zrnitost Ideální vyplnění prostoru Apollonius z Pergy ( př.n.l.) 65

66 Ideální zrnitost Fullerova křivka yi 100 d i D max Bolomey, EMPA, Kenedy, Hummel, Valete mezerovitost kameniva M - minimální objem cementového tmele, který musí zaplnit dutiny mezi zrny kameniva M = 1 - r S /r K (r S - sypná hm., r k - objemová hm. kam.) minimálně dvě frakce, lépe tři D : H = 1: (1,5 2) 66

67 Ideální křivka zrnitosti (pro max. zrno 32) 67

68 Další fyzikální vlastnosti jemné ( odplavitelné ) částice (< 0,063 m) < 3% cizorodé látky nasákavost mrazuvzdornost odolnost vůči drcení (test Los Angeles) odolnost proti otěru (mikro-deval) pevnost 68

69 Obsah organických látek humusovité látky (zbytky po tlení rostlin) - kolorimetrická zkouška (NaOH, KOH) světle žlutá až žlutohnědá bobtnající látky (dřevo, uhlí) < 0,5% drobné k. obsah uhlíku < 0,5% < 0,1% hrubé k. organické látky, ovlivňující tvrdnutí betonu (cukry, rozpustné soli) nesmí snižovat pevnost o více než 15 % 69

70 Obsah síry v kamenivu celkový obsah síry v přepočtu na SO 3 max. 1% sulfidy (sirníky FeS 2, PbS) zdroj síranů sírany (sulfáty CaSO 4, PbSO 4 ) příčina síranové koroze (ettringit) 70

71 Sloučeniny korodující ocel chloridy, dusičnany a ostatní halogenidy kromě fluoru železobeton max. 0,04 % Cl - předpjatý beton - max. 0,02 % Cl - prostý beton - max. 0,1 % Cl - 71

72 Reaktivní křemen mohou ho obsahovat kameniva z dolomitického vápence a křemene způsobuje výrazné objemové změny kameniva porušení betonu - dedolomitizace - alkalicko-křemičitá reakce 72

73 Alkalicko-křemičitá reakce - ASR - dlouhodobé objemové změny - reakce SiO 2 s hydroxidy alk. kovu (NaOH) za přít. vlhkosti - vzniká hustý alkalicko-křemičitý gel 2 NaOH + SiO 2 +nh 2 O Na 2 SiO 3.nH 2 O 73

74 Voda 74

75 Voda záměsová hydratační tuhnutí a tvrdnutí reologická zpracovatelnost ošetřovací 75

76 Záměsová voda Klasifikace vod (ČSN EN 1008) Pitná voda vhodná pro použití do betonu bez zkoušení Voda získaná při recyklaci v betonárně (z autodomíchávačů a z výplachu míchacího jádra) běžně vhodná pro použití do betonu nutno ověřit nepoužívá se pro betony vysokých tříd a provzdušněné Podzemní voda nutno ověřit Povrchová voda a odpadní průmyslová voda nutno ověřit Mořská nebo brakická voda může se používat do betonu bez výztuže Splašková voda není vhodná pro použití do betonu 76

77 Hodnocení záměsové vody 77

78 Chemické vlastnosti záměs. vody 78

79 Vodní součinitel v/c = 0,35-0,8 pro hydrataci minimálně 0,23 l / 1 kg cementu 79

80 Voda v betonu NIKDY nepřidávejte vodu do hotového betonu! 80

81 Přísady 81

82 Přísady ČSN EN 934: chemické sloučeniny, které se přidávají během míchání do betonu v množství od 0,2 do 5 % hmotnosti cementu za účelem modifikace vlastností čerstvého nebo tvrdnoucího betonu. celkové množství přísad nesmí překročit maximální dávkování doporučené výr. převážně tekuté 82

83 Rozdělení přísad vodoredukující/plastifikační silně vodoredukující/superplastifikační stabilizační (zadržující vodu) provzdušňovací urychlující tuhnutí urychlující tvrdnutí zpomalující tuhnutí těsnící (hydrofobizační, odpuzující vodu) 83

84 Plastifikátory a superplastifikátory redukují množství vody nutné pro dobrou zpracovatelnost čerstvého betonu o 5 15 % (> 12% - superplastifikátor) upravují povrchovou aktivitu cementu cementová zrna se chovají jako stejně nabité částice odpuzují se - snižuje se tření 84

85 Plastifikátory lignosulfonáty (odpad při výrobě papíru) sodné soli karboxylových hydroxykyselin (citronové, vinné, glukonové, heptonové) hydrolizovaný škrob (kukuřičný) 85

86 Superplastifikátory sůl polymethylenpolynaftalensulfonové kyseliny SNF kondenzát sulfonovaného melaminu a formaldehydu SMF polykarboxyláty PCL (samozhutnitelné betony) 86

87 Provzdušňující přísady zvyšují odolnost vůči mrazu!!! uzavřené vzduchové póry 0,01 0,03 mm, ve vzájemné vzdálenosti do 0,2 mm ideální provzdušení 4 6 % objemu pevnost betonu klesá o 5% na každé 1 % provzdušnění 87

88 Přísady zpomalující tuhnutí prodlužují dobu přechodu čerstvého betonu z plastického stavu do stavu tuhé látky betonování v teplém podnebí nebo v případě, kdy by příliš rychlý vývin tepla mohl zhoršit mechanické vlastnosti zpomalení počátku tuhnutí omezení prudkého vývinu hydratačního tepla betonáž masivních konstrukcí delší doba zpracování betonu 88

89 Přísady urychlující tuhnutí urychlovače tuhnutí zkracují dobu přechodu čerstvého betonu z plastického do tuhého stavu betonování v chladném období rychlé utěsnění betonování pod studenou vodou pro stříkané betony (tuhnutí za několik min) 89

90 Přísady urychlující tvrdnutí urychlovače tvrdnutí urychlují vývoj počátečních pevností betonu mohou a nemusí urychlovat tuhnutí betonu betonování v chladném období zkrácení odformovací doby (prefabrikace) zkrácení nutné doby pro ochranu betonu a uplatnění zimních opatření 90

91 Stabilizující přísady proti odmísení volné vody (krvácení betonu) a sedimentací tuhých částic krvácení betonu (bleeding): nežádoucí jev, kdy uniká cement s vodou z čerstvého betonu při jeho přepravě, ukládání nebo z bednění či formy. obvyklou příčinou je špatný návrh složení čerstvého betonu 91

92 Další přísady Inhibitory koroze Adhezní zlepšují přídržnost betonu k podkladu Injektážní (expanzní) Biocidní (fungicidní) Plynotvorné chemickou reakcí vzniká plyn, vylehčující beton Pěnotvorné během míchání se do betonu dostává velké množství vzduchových bublin pěnobeton Odpěňovací (pohledový beton) 92

93 Přísady pokud se používá více než jedna přísada, pak se musí jejich vzájemná snášenlivost ověřit při průkazních zkouškách. některé přísady jsou navzájem nemísitelné - dávkování oddělenými dávkovači nebo propláchnutí dávkovače vodou před naplněním druhé přísady jestliže celkové množství tekuté přísady převyšuje 3 l/m 3 betonu, pak se musí toto množství vody vzít v úvahu pro výpočet vodního součinitele 93

94 Příměsi většinou práškovité látky, dodávané do betonu za účelem zlepšení některých vlastností nebo k docílení zvláštních vlastností ve větším množství než přísady (10 40 %) je nutno započítat je do betonu při výpočtu obsahu složek zlepšení zrnitosti, čerpatelnosti a zhutnění, odmísení, odlučování vody(bleedingu) zvyšují potřebné množství vody 94

95 Příměsi inertní kamenné moučky, jemně mletý vápenec, pigmenty pucolánové ** a latentně hydraulické * popílek, křemičitý úlet, struska * Latentní hydraulicita je schopnost látky tvrdnout ve vodním prostředí za normální teploty za přítomnosti budiče hydraulicity ** Pucolánové látky (s vysokým obsahem aktivního SiO 2 ) reagují v alkalickém prostředí s CaOH 2 za vzniku pevných látek 95