V LIV TRHLIN NA TRANSPORTNÍ VLASTNOSTI

Transkript

1 SV TAVEBNÍ ĚDA A VÝZKUM KONSTRUKCE V LIV TRHLIN NA TRANSPORTNÍ VLASTNOSTI VYSOKOHODNOTNÝCH B E T O N Ů THE EFFECT OF C R A C K S ON TRANSPORT C H A R A C T E R I S T I C S OF H I G H PERFORMANCE CONCRETE E VA VEJMELKOVÁ, M ILENA PAVLÍKOVÁ, PAVEL P ADEVĚT, PETR KONVALINKA, R OBERT ČERNÝ Mechanické, tepelné a vlhkostní parametry vysokohodnotného betonu náležejí ke kritickým parametrům pro navrhování a užívání komplexních spolehlivostních modelů předpovědi životnosti betonových konstrukcí. Většinou se předpokládá, že materiál je kompaktní bez zřejmých trhlin, což však v řadě případů neodpovídá skutečnosti. V tomto článku je prezentováno srovnání výsledků měření vlastností nezatíženého vysokohodnotného betonu a betonu o stejném složení, který byl vystaven tepelnému namáhání za účelem vzniku nerovnoměrně distribuovaných trhlin. Mechanical, thermal and hygric parameters of high performance concrete belong to the most critical parameters in designing and using complex reliability based models for service life prediction of concrete structures. However, mostly it is supposed that the material is compact without any significant cracks, which is not always true. Therefore, in this paper a comparison of properties of reference high performance concrete with the same concrete which was exposed to thermal load to induce appearance of randomly distributed cracks is presented. Obr. 1 Zkušební stroj DSM 2500 Fig. 1 Testing device DSM 2500 V oblasti stavebních hmot dochází neustále k dynamickému vývoji nejen v použití nových technologií výroby, ale především ve složení jednotlivých materiálů. Při výrobě speciálních druhů betonů se dnes běžně využívá nových přísad a příměsí, jako jsou plastifikátory, zpomalovače atd., které dokáží významně ovlivnit chování jak v jednotlivých fázích přípravy daného materiálu, tak i v různém stadiu jeho životnosti. Při výrobě vysokopevnostních a obecně vysokohodnotných betonů se stále častěji využívají minerální příměsi, jako jsou např. pucolány, elektrárenské či teplárenské popílky. Mezi relativně nově aplikované materiály, které zlepšují jakost betonu, náleží ultra jemné křemičité materiály všeobecně označované jako křemičité úlety. K posuzování kvality materiálů slouží řada metod, které objektivně hodnotí fyzikální parametry po stránce kvalitativní i kvantitativní. Jedná se zejména o parametry mechanické, tepelné a vlhkostní. Tyto parametry se řadí mezi tzv. kritické a patří k základní parametrům, které charakterizují transportní procesy v materiálech. Problematika transportních procesů zahrnuje širokou oblast fyzikálních jevů souvisejících s transportem látky a energie, respektive tepla. Jejím hlavním úkolem je studium transportních mechanizmů v materiálech různých typů a různého charakteru. Aktuálním vědeckým i praktickým problémem, a to nejen u silikátových materiálů, je studium transportu tepla a vlhkosti v podobě vodní páry a kapalné vody v materiálech a následně jejich matematické formulování. Efektivním způsobem modelování a řešení transportních jevů je počítačové modelování. Předpokladem jeho uplatnění je hledání matematických modelů fyzikálního problému, jejich řešení a fyzikální výklad získaných výsledků. Podmínkou řešení transportních jevů v materiálech je studium vlivu materiá- Obr. 2 Měření sorpčních izoterm Fig. 2 Measurement of sorption isotherms 38 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 5/2007

2 Složení záměsi [kg] Záměs CEM I SiO 2 Kamenivo Woerment Lentan Vodní 52,5 R suspenze FM 794 VZ 33 součinitel BI ,74 2,58 0,36 BII ,17 2,35 0,33 BBI ,74 2,58 0,38 BBII ,17 2,35 0,35 PI ,67 0,31 PII ,34 Tab. 1 Tab. 1 Základní složení studovaných cementových záměsí Basic composition of studied cement mixtures lu na příslušný transportní jev a studium transportních materiálových charakteristik. Zjištěné veličiny pak slouží jako výchozí např. pro návrh a užití spolehlivostních modelů předpovědi životnosti materiálů. T ESTOVANÉ MATERIÁLY Základním studovaným materiálem je vysokohodnotný beton C90/105 s přídavkem křemičitého úletu ve formě vodní suspenze (BI). Mechanické, tepelné a vlhkostní vlastnosti tohoto betonu jsou porovnávány s vlastnostmi betonu C60/75 bez přídavku křemičitých úletů (BII). Aby bylo možné rozlišit vliv jednotlivých komponent betonové směsi na jeho vlastnosti, jsou dále experimentálně stanovovány mechanické, tepelné a vlhkostní parametry cementové pasty (P) a cementové malty (BB) odvozené od základní varianty (jednak bez kameniva a dále s kamenivem o maximální zrnitosti 8 16 mm), a to opět s přídavkem křemičitých úletů (PI, BBI) a bez jejich přídavku (PII, BBII). Složení jednotlivých záměsí je uvedeno v tabulce 1. Po namíchání byly záměsi odlity do standardních forem o velikosti 100 x 100 x 400 mm a ponechány 28 d vytvrdnout ve vodní lázni. Pro každý specifický experiment byly z těchto trámců nařezány vzorky požadované velikosti. Vlastní měření bylo provedeno na betonech nezatížených a na betonech se strukturou poškozenou viditelnými trhlinami, kterých bylo dosaženo vystavením materiálu teplotnímu zatížení 600 C. Vzorky byly nejprve postupně zahřívány s nárůstem teploty 10 C/min. Po dosažení cílové teploty byly na této teplotě 2 h temperovány a poté byly nechány postupně vychladnout v peci. Účelem tohoto namáhání bylo získat poškozenou strukturu betonu s náhodně distribuovanými trhlinami, která může simulovat stav v materiálu po extrémním zatížení např. požárem. Studované betonové směsi byly vyrobeny podle stejných receptur, aby bylo možno provést kvalifikované posouzení vlivu trhlin na sledované parametry. M ETODY MĚŘENÍ Mechanické vlastnosti Pevnost betonu byla měřena na zkušebních tělesech pomocí zatěžovazího stroje DSM 2500 [1], který je vhodný pro zkoušení kvazikřehkých materiálů (obr. 1). Plně automatický, elektronicky řízený hydraulický zkušební stroj umožňuje zkoušky těles v tahu i tlaku, přičemž maximální tlaková síla, kterou může být těleso zatěžováno, je kn, a v tahu je možné zatížit maximální sílou kn. Tahové i tlakové zatěžování je umožněno konstrukcí hydraulického zatěžovacího válce, do něhož je médium přiváděno nad i pod píst. Hydraulika stroje ve spolupráci s řídící elektronikou a servoventily dovoluje maximální odlehčení 700 kn/4 ms. Velmi rychlé odlehčení v kombinaci s velmi tuhým rámem je zárukou zachycení popevnostního chování materiálu. Tuhost zkušebního rámu je dána hodnotou 15 MN při deformaci 1 mm. Zkušební stroj může být řízen silou a poměrnou deformací. Poměrná deformace je měřena třemi příložnými extenzometry. Ty mohou být k řízení použity samostatně, nebo ve formě průměrné hodnoty. Součástí stroje je také externí teplotní komora s teplotním rozsahem 50 až 600 C a triaxiální komora s volbou konstantního tlaku na plochy, které nejsou v ose zatěžování. Základní fyzikální vlastnosti Ze základních fyzikálních vlastností byly sledovány: objemová hmotnost ρ, otevřená pórovitost ψ 0, objemová hmotnost matrice ρ mat. Vlastní experiment pro měření jednotlivých parametrů, jako je např. měření objemu vzorků, hustota, pórovitost či maximální nasákavost, je založen na sycení vzorků vodou za sníženého tlaku a následného vážení vzorků maximálně nasycených a vzorků maximálně nasycených ponořených pod vodní hladinou, kdy se určuje tzv. Archimédova hmotnost. Jednotlivé vzorky byly nejdříve umístěny do sušárny a sušeny tak dlouho, dokud nebylo dosaženo jejich suché hmotnosti m d. Vzorky byly sušeny při teplotě 110 C. Vysušené vzorky byly následně umístěny do exsikátoru s převařenou destilovanou vodou, kde byly vakuovány minimálně po dobu 24 h a byla určena maximální nasákavost m w. Archimédova hmotnost m a byla stanovena vážením plně nasyceného vzorku pod vodou. Vlhkostní parametry Měření součinitele difúze vodní páry D, součinitele difúzní propustnosti δ a faktoru difúzního odporu vodní páry μ byla prováděna klasickou miskovou metodou bez teplotního spádu. Toto měření je založeno na jednorozměrném šíření vodní páry vzorkem a spočívá v měření difúzního toku vodní páry prošlé vzorkem při znalosti parciálních tlaků vodní páry ve vzduchu pod a nad měrným povrchem vzorku [2]. Vzorek je vzduchotěsně a parotěsně izolován a utěsněn technickou plastelínou ve speciálně vyrobené hliníkové misce naplněné buď sušicím médiem (silikagel či bezvodý CaCl 2 ) nebo roztokem s vysokým rovnovážným parciálním tlakem vodní páry (voda, K 2 SO 4 atd.). Miska se vzorkem je periodicky vážena a zjištěné úbytky či přírůstky hmotnosti jsou vynášeny v závislosti na době vážení do grafu. Po dosažení přímkového charakteru křivky se měření pokládá za ukončené. Určení vlhkostního absorpčního koeficientu A a součinitele vlhkostní vodivosti κ bylo prováděno přibližnou metodou založenou na měření nasákavosti [3]. Měřicí zařízení sestává z kovové konstrukce, do níž je upevněn po obvodu vodotěsně a parotěsně izolovaný vzorek, zavěšený na automatické digitální váze. Digitální váha leží na kovovém stojanu, který překlenuje nádobu s vodou, a je propojena s počítačem, což umožňuje kontinuální zaznamenávání hmotnostního přírůstku vzorku ponořeného 1 až 2 mm pod B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 5/

3 ρ [kg m -3 ] ρ mat [kg m -3 ] ψ [%] ρ [kg m -3 ] ρ mat [kg m -3 ] ψ [%] BI , ,27 BII , ,35 BBI , ,25 BBII , ,40 PI , ,68 PII , ,57 97/ % 25-30/ 97 % 97/ % 25 30/ 97 % D [m 2 s -1 ] μ [-] D [m 2 s -1 ] μ [-] D [m 2 s -1 ] μ [-] D [m 2 s -1 ] μ [-] BI 1,36E-06 16,94 1,14E-06 20,11 1,79E-06 12,82 1,50E-06 15,35 BII 1,48E-06 15,49 1,21E-06 18,94 2,21E-06 10,40 1,74E-06 13,24 BBI 1,50E-06 15,38 1,29E-06 17,87 2,04E-06 11,25 1,86E-06 12,37 BBII 1,51E-06 15,27 1,33E-06 17,29 2,16E-06 10,63 1,93E-06 11,91 PI 1,59E-06 14,47 1,43E-06 16,13 2, ,81 2,16E-06 10,67 PII 1,66E-06 13,85 1,53E-06 15,06 3, ,04 2,46E-06 9,24 A [kg m -2 s -1/2 ] κ [m 2 s -1 ] A [kg m -2 s -1/2 ] κ [m 2 s -1 ] BI 0,0078 4,09E-09 0,048 9,17E-08 BII 0,0180 2,93E-08 0,042 1,14E-07 BBI 0,0259 2,74E-08 0,081 2,47E-07 BBII 0,0294 4,22E-08 0,062 1,97E-07 PI 0,0386 1,78E-08 0,277 5,46E-07 PII 0,0454 2,53E-08 0,159 2,00E-07 BI BII BBI BBII PI PII u [kg kg -1 ] λ [W m -1 K -1 ] c [J kg -1 K -1 ] u [kg kg -1 ] λ [W m -1 K -1 ] c [J kg -1 K -1 ] 0 1, , ,03 1, ,048 1, ,051 2, ,068 1, , , ,03 2, ,052 1, ,0464 3, ,062 2, , , ,03 2, ,04 2, ,068 4, ,072 2, , , ,03 2, ,042 1, ,064 3, ,079 3, , , ,09 0, ,142 0, ,146 0, ,194 1, , , ,09 0, ,128 0, ,143 0, ,193 0, vodní hladinu v závislosti na čase. K udržení konstantní výšky vodní hladiny v nádobě během nasákání slouží tzv. Mariottova láhev, což je vodou naplněná láhev se zapuštěnými kapilárami. Jedna kapilára s vnitřním průměrem 2 mm je umístěna pod vodní hladinu v nádobě, druhá s vnitřním průměrem 5 mm se hladiny dotýká. Při poklesu vodní hladiny v nádobě vnikne do kapiláry vzduchová bublina, která způsobí vytlačení takového množství vody z druhé kapiláry, které je dostatečné pro vzestup hladiny na původní úroveň. Tímto jednoduchým mechanizmem jsou zajištěny podmínky pro zachování konstantních podmínek Tab. 2 Tab. 2 Tab. 3 Tab. 3 Tab. 4 Tab. 4 Tab. 5 Tab. 5 Základní materiálové parametry Basic material parameters Transportní parametry vodní páry Water vapour transport parameters Transportní parametry vody Water transport parameters Tepelné parametry Thermal parameters měření. Z naměřených dat je sestrojena závislost kumulativního obsahu vlhkosti na odmocnině času, ze které se pomocí lineární regrese přímo určí vlhkostní absorpční koeficient. Měření sorpčních izoterm bylo provedeno v laboratorních podmínkách při průměrné teplotě 23 C. Byla použita tzv. exsikátorová metoda (obr. 2). Vzorky byly umístěny v exsikátorech s různými solnými roztoky, nad kterými byla simulována známá konstantní vlhkost vzduchu odpovídající příslušnému roztoku a dané teplotě. Počátečním stavem vzorků pro určení sorpční izotermy byl vysušený materiál. Pro měření desorpční izotermy byl počáteční stav nasyceného vzorku v prostředí o relativní vlhkosti 97,5 %. Vzorky byly váženy paralelně ve všech exsikátorech. Hmotnost vzorků byla sledována až do ustálení a následně byla vypočtena hodnota vlhkosti ve vzorcích. Metody pro určení základních tepelných parametrů K měření součinitele tepelné vodivosti, součinitele teplotní vodivosti a objemové měrné tepelné kapacity byl použit přístroj ISOMET 2104 (Applied Precision) [4]. ISOMET je mikroprocesorem řízený přenosný přístroj pro přímé měření termofyzikálních vlastností pevných a kapalných materiálů. ISOMET je vybaven vyměnitelnými sondami, jehlovou pro sypké materiály a plošnou pro pevné materiály. Každá sonda obsahuje zabudovanou paměť, ve které jsou uložené její kalibrační konstanty. Měření je založené na analýze průběhu časové závislosti teplotní odezvy na impulsy tepelného toku do analyzovaného materiálu. Tepelný tok se vytváří rozptýleným elektrickým výkonem v rezistoru sondy, která je tepelně vodivě spojená s analyzovaným materiálem. Teplota je vzorkována a jako funkce času přímo vyhodnocena pomocí polynomi- 40 B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 5/2007

4 ální regrese. Koeficienty získané touto regresí jsou použity ke stanovení měřených veličin. E XPERIMENTÁLNÍ VÝSLEDKY A DISKUSE Měření všech sledovaných parametrů probíhala za konstantních podmínek v klimatizované laboratoři při 23±1 C a relativní vlhkosti 25 až 30 %. Jako počáteční hmotnost byla brána hmotnost vysušeného materiálu. Prezentované výsledky jsou průměrnou hodnotou tří až pěti měření. Mechanické vlastnosti Obr. 3 ukazuje pevnosti v tlaku studovaných materiálů zatížených vysokými teplotami. Je zřejmé, že pro základní směs s křemičitými úlety nejvyšší pevnosti dosáhla cementová pasta PI, nejnižší cementová malta BBII. Pevnosti v tlaku všech materiálů kromě BBII byly v základním stavu vyšší než 60 MPa. Beton je tedy skutečně možno klasifikovat jako vysokopevnostní. Po teplotním zatížení došlo u všech testovaných materiálů k poklesu pevnosti v tlaku, a to až o 80 %. To je způsobeno vznikem makroskopických trhlin. Vliv křemičitých úletů se ovšem po zatížení vysokými teplotami na pevnostech výrazně neprojevil. Materiály s křemičitými úlety i bez nich dosahovaly velice blízkých hodnot pevností. Určitým neočekávaným prvkem v naměřených hodnotách pevností jsou vyšší hodnoty dosažené pro cementovou pastu než pro základní betonovou směs až do teplotního zatížení na 325 C. Pravděpodobný důvod tohoto zjištění je, že cementové pasty jsou více homogenní než betonové směsi, u kterých lze předpokládat porušení v zóně mezi kamenivem a cementovým tmelem při měření pevnosti v tlaku. Porušení cementového tmelu tepelným zatížením vede ke vzniku trhlin, a tím i k výraznému snížení pevnosti v tlaku daného materiálu, což zřejmě nastává právě kolem teploty 325 C. Základní fyzikální vlastnosti Tabulka 2 ukazuje základní parametry měřených materiálů. Vlivem teplotního zatížení a vznikem trhlin došlo u všech měřených vzorků ke zřetelnému poklesu hodnot objemové hmotnosti ve srovnání s hodnotami pro vzorky teplotně nezatížené a zároveň došlo k nárůstu pórovitosti o 17 až 36 % pro jednotlivé materiály v porovnání s nezatíženými vzorky. Obr. 3 Pevnosti v tlaku Fig. 3 Compressive strengths Vlhkostní parametry Hodnoty součinitele difúze vodní páry stejně jako hodnoty faktoru difúzního odporu se pro všechny materiály lišily poměrně málo (tab. 3), což bylo pravděpodobně způsobeno významným porušením všech materiálů trhlinami. Vyšších hodnot faktoru difúzního odporu dosáhly ve všech případech materiály s obsahem křemičitých úletů, což dokazuje jejich příznivý vliv i po zatížení vysokými teplotami. Porovnání výsledků získaných pro materiály a pro neporušené materiály ukázalo, že u materiálů došlo k výraznému nárůstu hodnot součinitele difúze vodní páry a odpovídajícímu poklesu faktoru difúzního odporu pro všechny sledované typy vysokohodnotného betonu. Maximální nárůst byl až dvojnásobný ve srovnání s hodnotou u vzorku, a to v případě cementových past P. Součinitel vlhkostní vodivosti materiálů (tab. 4) se v porovnání se základními materiály zvýšil zhruba o jeden řád, což je ještě vyšší nárůst než u součinitele difúze vodní páry. Relativně nejnižší hodnoty součinitele vlhkostní vodivosti dosáhl vysokohodnotný beton BI, ale u ostatních materiálů se vliv křemičitých úletů příznivě neprojevil. Pravděpodobným důvodem pro velmi vysoký nárůst součinitele vlhkostní vodivosti je vznik preferenčních cest pro proudění vody v důsledku vzniku trhlin. Srovnáním sorpčních a desorpčních izoterem nezatíženého vysokohodnotného betonu a zatíženého tepelným namáháním (obr. 4a až f) lze u teplotně zatžených záměsí pozorovat nárůst sorpce vlhkosti jak v adsorpční, tak i desorpční oblasti. Toto zjištění by se dalo vysvětlit pomocí produktů vzniklých po zatížení vysokými teplotami, kdy se vypálením portlanditu Ca(OH) 2 uvolňuje voda a v materiálu zůstává volné vápno v práškové formě CaO. Toto volné vápno v přítomnosti vody (vlhkosti) následně reaguje za opětovného vzniku portlanditu. Získanou sorpční izotermu potom lze chápat jako zobecněný akumulační parametr, který kromě vlhkosti adsorbované běžným způsobem na povrchu pórů zahrnuje i vlhkost, která vznikla reakcí s volným vápnem za opětovného vzniku portlanditu. Tepelné parametry Porovnání výsledků dosažených u neporušených materiálů a materiálů porušených trhlinami v tabulce 5 vykazuje, že se vliv trhlin projevil u všech materiálů výrazným snížením součinitele tepelné vodivosti u všech vysušených vzorků: v případě cementových past o více než 20 % (P a P-T), pro cementové malty kolem 40 % (BB a BB-T) a pro základní betonové záměsi kolem 30 % (B a B-T). Výsledek je v kvalitativní shodě se zvýšením pórovitosti studovaných materiálů v důsledku zatížení vysokými teplotami (zab. 2). U materiálů s obsahem vlhkosti došlo u tepelně namáhaných vzorků ve všech případech ke snížení hodnot součinitele tepelné vodivosti, což bylo patrně způsobeno změnou distribuce a topologie pórů vlivem tepelného zatížení a obsahem vody v tomto pórovém systému. Na druhé straně změny měrné tepelné kapacity v důsledku vzniku trhlin nebyly prokázány, což souvisí zejména B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 5/

5 Obr. 4a) až f) Sorpční izotermy Fig. 4a) to f) Sorption isotherms s relativně vysokou chybou měření, která činí ±10 %. Z ÁVĚR Výsledky měření prezentované v článku prokázaly významný vliv přítomnosti trhlin ve struktuře, a to především na pevnost v tlaku a na transportní parametry tepla a vlhkosti studovaných vysokohodnotných betonů. Nejpodstatnějším výsledkem je zjištění, že v důsledku vzniku trhlin došlo u všech sledovaných materiálů k výraznému snížení pevnosti (až o 80 %) a významnému zhoršení odolnosti vůči průniku jak plynné, tak i kapalné vlhkosti (až o jeden řád), a to bez ohledu na přítomnost křemičitých úletů. Tento článek vznikl na základě podpory výzkumného záměru MŠMT MSM: Ing. Eva Vejmelková, Ph.D. Ing. Milena Pavlíková, Ph.D. Ing. Pavel Padevět, Ph.D. Doc. Ing. Petr Konvalinka, CSc. Prof. Ing. Robert Černý, DrSc. Fakulta stavební ČVUT v Praze Text článku byl posouzen odborným lektorem. Literatura: [1] SAF 301, uživatelský manuál ke zkušebnímu stroji DSM Inova Praha, 1996 [2] ČSN Měření součinitele difúze vodní páry stavebních materiálů metodou bez teplotního spádu. ČSNI, 2001 [3] Kumaran M. K.: Moisture Diffusivity of Building Materials from Water Absorption Measurements. IEA Annex 24 Report T3-CA -94/01, Ottawa, 1994 [4] Applied Precision ISOMET uživatelská příručka, Bratislava, B ETON TECHNOLOGIE KONSTRUKCE SANACE 5/2007