HLAVNÍ POŽADAVKY: - zpracovatelnost odpovídající prostředku pro hutnění - pevnost, hutnost, cena

Transkript

1 DocIng Karel Trtík CSc Přednáška: 2 Strana: 1 NÁVRH SLOŽENÍ BETONOVÉ SMĚSI OBECNÉ KROKY NÁVRHU SLOŽENÍ BETON SMĚSI: 1 Definice vlastností betonové směsi a betonu 2 Výběr technologického vybavení (zejména prostředky pro míchání, dopravu a hutnění) 3 Výběr složek (technické vlastnosti x cena) 4 Stanovení charakteristik složek 5 Volba návrhové metody 6 Vlastní návrh složení betonu 7 Ověření vlastností betonové směsi a betonu (průkazní zkoušky) 8 (Pokud některé vlastnosti betonu nevyhovují, je třeba návrh opakovat návratem na některou z úrovní 1-6) 9 Výroba betonu doprovázená kontrolními zkouškami METODY NÁVRHU SLOŽENÍ BETONU: výpočtové empirické kombinace předcházejících HLAVNÍ POŽADAVKY: betonová směs beton beton v konstrukci - zpracovatelnost odpovídající prostředku pro hutnění - pevnost, hutnost, cena - stejnoměrný vzhled Poznámky: Zpracovatelností se rozumí schopnost betonové směsi vyplnit při uvažovaném způsobu hutnění betonovaný objem betonem s požadovanou hutností Je ovlivněna vnitřním třením v betonové směsi K dosažení odpovídající hutnosti je třeba tření překonat postačující intenzitou prostředku pro zpracování směsi a odpovídající dobou zpracování Hutnost betonu - bývá kontrolována měřením obsahu vzduchu v čerstvém betonu (pomocí tzv airmeterů) Pokud se nejedná o betony provzdušněné, má být obsah vzduchu v čerstvém betonu minimální

2 DocIng Karel Trtík CSc Přednáška: 2 Strana: 2 Stejnoměrný vzhled betonu v konstrukci není v tomto případě požadavkem estetickým Jen u betonu jehož vzhled je stejnoměrný lze totiž předpokládat, že i jeho technické vlastnosti budou ve všech místech konstrukce dostatečně stejnoměrné POŽADAVKY NA BETONOVOU SMĚS: BĚŽNÉ: Maximální velikost zrn kameniva D max : Čím větší je velikost D max, tím obvykle beton vykazuje vyšší pevnost, lepší trvanlivost a obvykle i nižší cenu Volba D max má tudíž zásadní vliv na hospodárnost návrhu Musí však být přizpůsobena charakteristikám konstrukce (minimální rozměr konstrukčního prvku, velikost krycí vrstvy výztuže, vzdálenost výztužných prutů) i výrobního zařízení (např u čerpaných betonů parametrům čerpadla i potrubí) Homogenita betonové směsi: Jen homogenní betonová směs, směs ve které jsou řádně promíšeny všechny složky, je zárukou betonu se stejnorodými vlastnostmi v celém betonovaném objemu Podmínkou homogenní směsi je dostatečná intenzita a dostatečná doba míchání složek Podmínka homogenní směsi je obzvláště důležitá u betonových směsí, ve kterých je použito přísad Zpracovatelnost betonové směsi: Nemá-li betonová směs přijatelnou zpracovatelnost, nemůže být garantována prakticky žádná vlastnost výsledného betonu Z tohoto důvodu má být nejen návrhu, ale i kontrole zpracovatelnosti věnována mimořádná pozornost Hutnost čerstvého betonu: Odchylka hutnosti betonu od hutnosti požadované má zásadní vliv na pevnost i trvanlivost betonu SPECIÁLNÍ: Doba tuhnutí: Důležitá vlastnost u všech betonů, mimořádně důležitá u betonů vyráběných ze směsí dopravovaných na větší vzdálenosti Vývin hydratačního tepla: Důležitá vlastnost zejména v případě užití betonu v masivních konstrukcích, kde by mimořádný vývin tepla mohl ohrozit celistvost povrchových oblastí konstrukce nebo ohrozit proces hydratace ve vnitřních částech betonovaných objemů POŽADAVKY NA ZTVRDLÝ BETON: BĚŽNÉ: Pevnost betonu: Většinou pevnost v tlaku zjišťovaná na krychlích nebo válcích, u některých betonů (např betony silniční) pevnost v tahu, u speciálních betonů (např betony vyztužené vlákny) mohou být předepsány a garantovány pevnosti obě Objemová hmotnost: Bývá předepisována a pečlivě kontrolována zejména u lehkých nebo těžkých betonů, důležitá je u všech betonů

3 DocIng Karel Trtík CSc Přednáška: 2 Strana: 3 SPECIÁLNÍ: Vodotěsnost betonu: Schopnost betonu odolávat průniku vody při předepsané hladině zatížení vodním sloupcem Trvanlivost betonu: Obvykle zjišťovaná jako mrazuvzdornost, tj schopnost odolat předepsanému počtu cyklů zmrazení x tání, aniž by došlo k podstatnému snížení pevnosti betonu v tahu za ohybu a snížení hmotnosti testovaných vzorků V současnosti je odolnost vůči střídavému zmrazování a tání garantována obsahem pórů vložených do betonu provzdušňující přísadou Odolnost vůči agresivnímu prostředí Obsah vzduchových pórů ZJEDNODUŠENÝ POHLED NA PROBLEMATIKU NÁVRHU SLOŽENÍ BETONU Při maximálním možném zjednodušení problematiky lze tuto úlohu definovat jako snahu o nalezení potřebného množství kameniva, cementu a vody, které při řádném promísení dají vzniknout betonové směsi s přijatelnou zpracovatelností a po jejím uložení, zhutnění a ošetření potom betonu požadované pevnosti Množství těchto složek pak musí vést k výrobě očekávaného objemu hotového betonutakto definovaná úloha, hledání hmotností tří složek, vyžaduje znalost tří závislostí, ze kterých lze hledaná množství stanovit, tj vztah definující pevnost, zpracovatelnost a garantující objem vyrobeného betonu Těmito vztahy jsou: pevnostní rovnice vztah garantující zpracovatelnost objemová rovnice Pro charakterizování vlastností jednotlivých základních složek je třeba znát následující údaje: KAMENIVO: DRUH KAMENIVA: Přírodní těžené: Má obvykle vyšší pevnost a předpoklad pro lepší zpracovatelnost směsi Přírodní drcené: V současnosti dostupnější Vhodnější pro betony, u kterých požadujeme vyšší tahovou pevnost Umělé: Používané obvykle v do lehkých betonů Recyklovaný beton: Velmi perspektivní materiál, zejména v případě betonů, u kterých není požadována špičková pevnost Významný přínos z hlediska ekologie

4 DocIng Karel Trtík CSc Přednáška: 2 Strana: 4 CHARAKTERISTIKY PRO NÁVRH: D max Zastoupení jednotlivých frakcí: Čára zrnitosti Objemová hmotnost (hustota): ρ v k Sypná hmotnost v setřeseném stavu: ρ t k Kamenivo musí mít i dostatečnou pevnost, hutnost a vhodný tvar zrn a nesmí být znečištěno látkami, které by mohly ohrozit průběh hydratace nebo zabránit přilnutí cementového kamene k částicím kameniva CEMENT: Druh a třída cementu musí být zvoleny v závislosti na charakteru konstrukce a podmínkách, ve kterých bude sloužit CHARAKTERISTIKY PRO NÁVRH: Vaznost cementu R c : Míra schopnosti pojit kamenivo v umělý slepenec vyhodnocovaná jako pevnost stanovená na trámečcích z cementové malty vystavených působení tahu za ohybu Objemová hmotnost (hustota): ρ v c VODA: Funkce vody v betonové směsi a betonu: Podílet se na hydrataci minerálů obsažených v cementu (na 1 kg cementu je třeba cca 0,23 litru vody) Zajistit zpracovatelnost betonové směsi Tato voda nebude ve výsledném betonu vázána ke struktuře betonu a je tedy vodou z hlediska hydratace nadbytečnou Její výskyt je tudíž příčinou vzniku pórů v zatvrdlém betonu Zlepšuje zpracovatelnost, ale snižuje pevnost betonu Její množství by proto mělo být co nejmenší Z uvedeného je zřejmé, že množství vody v betonu se v čase mění a mění se i pórovitost betonu, pokud za póry pokládáme místa, která jsou vyplněna vzduchem Na grafu č2 je znázorněn vývoj pórovitosti betonu v čase a naznačeno jaký vztah ke struktuře může voda v betonu mít Voda by také měla vyplnit eventuální póry v kamenivu, neboť tyto by mohly v betonu odčerpat vodu potřebnou na hydrataci Kamenivo s póry zaplněnými vodou nazýváme kamenivem saturovaným Musí zaručit i tak zvané vnitřní ošetřování struktury vznikajícího betonu, které je ohroženo postupující fyzikální vazbou vody k produktům hydratace

5 DocIng Karel Trtík CSc Přednáška: 2 Strana: 5 PEVNOSTNÍ ROVNICE: FE RETOVA ROVNICE: Vztah definovaný již cca před 100 lety určuje pevnost betonu takto: R b = A ( V c / ( 1 - V k )) 2 kde R b pevnost betonu A převodní součinitel V c, V k objem cementu resp kameniva v jednotce betonu Vztah naznačuje, že pevnost betonu roste s množstvím cementu a s množstvím kameniva v objemové jednotce Uvážíme-li, že ( 1 - V k ) = ( V c + V v + V p ), kde V v je objem vody a V p objem pórů, říká tento vztah také, že pevnost betonu vzrůstá s klesajícím objemem pórů v betonu Jakkoliv pravidlo o vlivu množství cementu platí jen do určitého množství, jsou zásady definované uvedeným vztahem platné BOLOMEY - FE RETOVA ROVNICE: R b = α R c ( m c / m v - β ) kde R c vaznost užitého cementu a součinitel závislý na typu použitého kameniva β součinitel uvažovaný pro obyčejné betony hodnotou 05 m c hmotnost cementu v 1 m 3 m v hmotnost vody v 1 m 3 Poměr m c /m v je nazýván cementovým součinitelem Častěji je používána jeho převrácená hodnota, tj výraz m v /m c, označovaná jako vodní součinitel Tento údaj je základní charakteristikou složení betonu a má významný vliv jak na zpracovatelnost betonové směsi tak i na pevnost betonu Na obr 1 je naznačena závislost pevnosti betonu na hodnotě vodního součinitele oblast 1: nevyhovující zpracovatelnost, oblast 2: interval v okolí optimální hodnoty w oblast3: oblast s nadby- tečným množstvím záměsové vody a zhoršenými vlastnostmi betonu Obr1: Závislost pevnosti betonu na hodnotě vodního součinitele

6 DocIng Karel Trtík CSc Přednáška: 2 Strana: 6 OBJEMOVÁ ROVNICE: Vztah, pomocí kterého se vyjadřuje schopnost složek vyplnit objemovou jednotku čerstvého betonu: V k + V c + V v + V p = 1 Objem pórů V p, jak již bylo naznačeno, má být minimální, pokud se nejedná o betony provzdušněné, u kterých je hodnota provzdušnění předepsána obvykle v mezích 5-10% VZTAH GARANTUJÍCÍ ZPRACOVATELNOST BETONOVÉ SMĚSI: Je vztahem, jehož jednoduchá matematická formulace je obtížná Jednotlivé návrhové metody jej proto nahrazují požadavkem minimálního množství cementu, minimálního množství vody nebo minimálního množství cementového tmelu NÁVRH SLOŽENÍ BETONOVÉ SMĚSI KENNEDYHO METODOU PRINCIP METODY: Pro výrobu betonu požadovaných vlastností je třeba použít takového množství cementového tmelu, jehož objem vyplní mezery mezi zrny setřeseného kameniva a navíc obalí veškerá zrna kameniva o velikosti větší než 0,25mm tenkým filmem z cementového tmelu Toto obalení je garancí zpracovatelnosti betonové směsi Poměr cementu a vody, vodní součinitel, musí odpovídat požadované pevnosti betonu Pro stanovení objemu cementového tmelu, potřebného na obalení kameniva, je třeba stanovit tzv specifický povrch kameniva, což je povrch zrn kameniva, která mají být obalena a jsou obsažena v 1m 3 betonu A t k = k ( ρ t k / ρ v k ) Σ ( p i / d i ) kde: k součinitel zohledňující odchylku povrchu skutečného kameniva od kameniva ideálně kulového tvaru ρ t k sypná hmotnost kameniva v setřeseném stavu ρ v k objemová hmotnost kameniva p i podíl i-té frakce kameniva definované velikostí otvorů normových sít d i a d (i+1) d i aritmetický průměr velikosti ok sít definujících podíl frakce kameniva p i JEDNOTLIVÉ KROKY NÁVRHU SLOŽENÍ: 1 Z pevnostní rovnice určit hodnotu vodního součinitele (garance pevnosti betonu) 2 Stanovit potřebné množství tmelu na vyplnění mezer mezi zrny zhutněného kameniva a na obalení kameniva cementových filmem (obalení zrn je garancí zpracovatelnosti betonové směsi)

7 DocIng Karel Trtík CSc Přednáška: 2 Strana: 7 3 Stanovit objem tmelu, který se vyrobí z 1 kg cementu 4 Stanovit předběžné množství cementu a vody Předběžné množství kameniva je shodné s jeho sypnou hmotností v setřeseném stavu 5 Vyčíslit objem betonu, kterého bude dosaženo při dokonalém zhutnění předběžných dávek 6 Úměrným zmenšením stanovit definitivní dávky cementu, vody a kameniva křivka a : celkový objem vody v betonu křivka b : objem vody chemicky vázané ve struktuře betonu křivka c : celkový objem vody vázané ve struktuře betonu křivka d : úbytek vody v povrchové vrstvě neošetřovaného betonu 1 : dávka vody při výrobě betonu 2 : objem vzduchových pórů v čerstvém betonu 3 : objem chemicky vázané vody 4 : objem vody vázané fyzikálně 5 : objem volné vody ve struktuře betonu 6 : objem odpařené volné vody 7 : objem pórů v betonu vyplněných vzduchem t 1 : okamžik ukončení ošetřování betonu Obr2: Změna obsahu vody a charakteru její vazby ke struktuře betonu v závislosti na čase

8 DocIng Karel Trtík CSc Přednáška: 2 Strana: 8 Dodatek 1: Základní zkoušky kameniva pro potřeby návrhu složení betonové směsi Jedná se o tyto zkoušky: 1 Zkouška objemové hmotnosti kameniva ρ vk 2 Zkouška sypné hmotnosti kameniva v setřeseném stavu ρ tk 3 Zkouška granulometrického složení směsi kameniva (stanovení podílu zrn podle jejich velikosti) 1 Zkouška objemové hmotnosti kameniva Vyjadřuje hmotnost jednoho krychlového metru horniny Pro její stanovení je nejčastěji používána metoda měření v odměrných válcích Postup zkoušky: - připraví se dávka kameniva - stanoví se jeho hmotnost m 1 - do odměrného válce se připraví takové množství vody V 0, aby po vsypání dávky kameniva byla hladina vody nad vrstvou kameniva - do vody se vsype připravená dávka kameniva - propichováním ocelovou tyčinkou se ze směsi vypudí zbytky vzduchu, které ulpěly mezi zrny kameniva - na odměrném válci se odečte společný objem vody a kameniva V 1 - rozdíl (V 1 - V 0 ) je objem kameniva o hmotnosti m 1 - hledanou objemovou hmotnost kameniva ρ vk stanovíme jako ρ vk = m 1 / (V 1 - V 0 ) Obr1: Postup zkoušky pro stanovení objemové hmotnosti kameniva

9 DocIng Karel Trtík CSc Přednáška: 2 Strana: 9 2 Zkouška sypné hmotnosti kameniva v setřeseném stavu Je velmi důležitou zkouškou, neboť vyjadřuje schopnost směsi kameniva vyplnit objemovou jednotku Čím je tato charakteristika vyšší, tím méně je pro vyplnění objemu budoucího betonu zapotřebí nákladného cementového tmelu Postup zkoušky: - připravíme si dostatečné množství směsi kameniva - směs vsypáváme do normové nádoby známého objemu V 0 a hmotnosti m 0 za současného účinku vibrace - po naplnění nádoby a urovnání povrchu kameniva stanovíme váhu m 1 kameniva, jehož bylo pro naplnění nádoby zapotřebí - hledanou hodnotu sypné hmotnosti směsi kameniva v setřeseném stavu ρ tk stanovíme jako ρ tk = m 1 / V 0 - na základě znalosti této hodnoty jsme schopni vyčíslit i objem mezer mezi zrny směsi kameniva v setřeseném stavu v jednotkovém objemu jako μ = 1 - ρ tk / ρ vk (m 3 ) 3 Zkouška granulometrického složení kameniva (prosévací zkouška) S její pomocí určujeme procentní podíl zrn jednotlivé velikosti v celkovém objemu kameniva Tato zkouška se obvykle provádí s nejjemnější frakcí směsi kameniva, kterou je písek Velikost jeho zrn je obvykle omezena velikostí 0 4 mm Postup zkoušky: - Připravíme sadu normových sít ( obvykle síta s velikostí otvorů 0,25, 0,50, 1, 2 a 4mm V některých případech se používá i sít s ještě menšími otvory 0,125 a 0,063mm Součástí sady je i dno, kterou je miska do které propadnou zrna o ještě menší velikosti, než je minimální charakteristika použitého síta - Před sestavením sady zvážíme prázdná síta - Připravíme si přiměřeně velký vzorek směsi kameniva a stanovíme jeho hmotnost - Na horní síto (síto s největším nominálním otvorem) nasypeme připravešný vzorek kameniva - Sadu sít připneme k prosévacímu strojku a po vhodnou dobu vzorek proséváme - Po ukončení sadu sít rozebereme a vážením stanovíme velikosti zbytků na jednotlivých sítech (vážíme vždy síto se zbytkem a velikost zbytku stanovíme odečtením známé váhy prázdného síta)

10 DocIng Karel Trtík CSc Přednáška: 2 Strana: 10 - Výsledek zkoušky převedeme na relativní hodnoty a vyneseme do čáry zrnitosti, kterou jen graf na jehož vodorovné ose jsou naznačeny velikosti otvorů v jednotlivých sítech a na svislé ose hodnoty tzv celkové propady jednotlivými síty nebo celkové zbytky na jednotlivých sítech v % (%) (mm) a: velikost celkového propadu sítem s velikostí otvoru 1 mm (relativní váhový podíl všech zrn, která propadla tímto sítem b: velikost celkového zbytku na sítě s velikostí otvoru 1mm ( relativní váhový podíl všech zrn která zůstala na tomto sítu a všech sítech větších) Obr2: Skica čáry zrnitosti Úlohy: Nakreslete si libovolnou čáru zrnitosti kameniva a naznačte, jak se tato čára změní, jestliže z původního kameniva vyjmeme např všechna zrna velikosti 1 2 mm! A jak se původní čára změní, jestliže k původní směsi přidáme další zrna např velikosti 2 4 mm?

11 DocIng Karel Trtík CSc Přednáška: 2 Strana: 11 Dodatek 2: Modul zrnitosti kameniva Uskutečníme-li prosévací zkoušku směsi kameniva na sadě normových sít, lze její výsledky dokumentovat několika způsoby Nejobvyklejší je vykreslení tak zvané čáry zrnitosti, tedy grafu, ve které jsou na vodorovné ose označeny velikosti otvorů na sítech použité sady a na ose svislé sumy zbytků, které jednotlivým sítům odpovídají Hodnoty na svislé ose jsou převedeny na relativní čísla a tudíž největšímu sítu tudíž odpovídá pořadnice o velikosti 100% Druhou možností je tabulka, kde v jednom sloupci jsou uvedeny velikosti otvorů v sítech a ve druhém procentní podíl zbytků, které na jednotlivých sítech při prosévací zkoušce ulpěly Nevýhodou obou způsobů je skutečnost, že předkládají určitou množinu informací, respektive numerických hodnot, se kterými lze při pokusu o vzájemné srovnání dvou druhů kameniva jen obtížně operovat jinak, než komplikovaným slovním popisem Při porovnání dvou typů kameniva stojíme často před úlohou, vyjádřit odlišnost jejich granulometrického složení nějakým jednodušším způsobem Nejlépe takovým, jehož výsledek by byl jedinou číselnou hodnotou Taková charakteristika umožňuje jednoduché porovnání vlastností porovnávaných směsí, pokud tyto údaje můžeme a umíme správně interpretovat Touto charakteristikou je tak zvaný MODUL ZRNITOSTI KAMENIVA (MZ) Je definován jako suma celkových zbytků (vyjádřených v %) na všech sítech použité sady, dělená stem Představme si, že máme dvě kameniva z nichž prvé je velmi jemné, veškerá jeho zrna jsou takové velikosti, že propadnou všemi síty a zůstanou na nejmenším použitém, jehož velikost je 0,25mm Naproti tomu druhá směs je taková, že veškerá zrna propadnou největším sítem o velikosti 16mm, ale zůstanou na sítě pod tímto sítem, tj na sítě s velikostí otvorů 8mm Výsledek prosévací zkoušky obou typů kameniva a hodnoty celkových zbytků na jednotlivých sítech tudíž můžeme zobrazit v následující tabulce: Kamenivo A Kamenivo B Velikost síta zbytek na sítě celkový zbytek zbytek na sítě celkový zbytek , , podsítné 0 0 suma Modul zrnitosti směsi kameniva 1 6 Interpretace hodnoty MZ je tudíž následující: Kamenivo s vyšší hodnotou modulu zrnitosti obsahuje vyšší podíl větších zrn kameniva Poznámky: - Do úvah o hodnotě MZ nezahrnujeme kamenivo, které propadne i nejjemnějším použitým sítem, tak zvané podsítné

12 DocIng Karel Trtík CSc Přednáška: 2 Strana: 12 Hodnota celkového zbytku na sítě je takové poměrné množství kameniva, které by na uvažovaném sítu ulpělo, kdybychom ze sady sít odstranili veškerá síta s otvory většími, než je síto uvažované