Vysokohodnotný a samozhunitelný beton

Transkript

1 Vysokohodnotný a samozhunitelný beton doc. Ing. Milena Pavlíková, Ph.D. K123, D , milena.pavlikova@fsv.cvut.cz

2 Vysokohodnotný beton (HPC)

3 ÚVOD

4 ÚVOD Aplikace: Původně na sloupy výškových budov. Nosné zdi, opěrné zdi, mostové nosníky. Konstrukce vystavené nadměrné zátěži povrchy dálničních mostů a parkovišť.

5 ÚVOD Historie: Na poč. 70. let 20. st. nebylo možné ekonomicky vyrábět beton o pevnosti > 60 MPa nebyly dostupné plastifikátory nelze překročit dávkování, dojde ke zpomalení tuhnutí a nadměrnému provdušnění. Betony z cementů druhu I, II. Pro snížení vodního součinitele betony s velmi nízkou konzistencí. Koncem 60. let nastupují superplastifikátory (Německo, Japonsko) na bázi polykondenzovaných sulfonovaných naftalenů. Patent na superplastifikátor udělen 1938 (Tucker 1932) první použití křemičitého úletu v Norsku V 80. letech 20. st. zavedení křemičitého úletu jako příměsi do betonu rozšířeno během pěti let do celého světa.

6 VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ Požadavky na záměs: Velmi nízké v/c užití minerálních příměsí vhodnější poměr v/cement než v/pojivo běžně poměr 0,20-0,35 (voda/cement), voda kg/m 3 (normální beton kg/m 3 ). Ztekucení (rozlivová zkouška) mm plastifikátory.

7 VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ Požadavky na záměs: Zlepšení pevnosti tranzitní zóny u běžného betonu 0,05-0,1mm, mikrostruktura charakterizována velkými póry a velkými krystalickými hydratačními produkty Zhydratuje pouze část pojiva, zbytek jako mikrofiller.

8 VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ Cement: Důležitý obsah C 3 S, C 3 A, síranů a jemnost mletí. Co nejméně C 3 A musí být v reaktivnější kubické formě důležitý obsah dobře rozpustných síranů rychlá a účinná tvorba ettringitu Podle ASTM doporučeno 4% C 3 S, 0,2% síranů, jemnost mletí podle Blaina 375 cm 2 /g. Nezbytné ověřit kompatibilitu cementu, přísad a superplastifikátoru. Typický obsah kg/m 3.

9 VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ Minerální přísady: Náhrada části cementu popílkem, vysokopecní struskou, přírodními pucolány, mikrosilikou atd. zpomalení počátečních hydratačních reakcí delší doba zpracovatelnosti. Popílek redukuje množství záměsové vody a tudíž plastifikátoru. Vysoká jemnost mikrosiliky přídavné pevnosti (výplň v cementové pastě) přispívá k vyšším počátečním pevnostem. Př. Celkový obsah hydratujících složek 542 kg/m 3 z toho 60% strusky+10% mikrosiliky +30% PC beton s pevností 137 MPa

10 VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ Minerální přísady: Lze užít kombinaci přísad, např. struska + mikrosilika Mikrosilika 7 10 x dražší než PC - náhrada 10 15% ekonomicky i kompozičně optimální Doporučené dávkování minerálních přísad Přísada Náhrada cementu (%) Poznámky Popílek třída F Ztráta žíháním 3% Popílek třída C Vysokopecní struska Přírodní pucolán Mikrosilika 5 15 Vyžaduje větší množství superplastifikátoru.

11 VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ Kamenivo: Vysoce kvalitní Bez trhlin Kulatá či krychlová zrna Velikost 9,5 25 mm. Kulatozrnný písek, s propadem přes síta s velikostí ok 300 mm a 150 mm.

12 VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ Chemické přísady: Nezbytné a zásadní. Zlepšení zpracovatelnosti, snížení v/c, snížení obsahu cementu (omezení problémů s vysokým hydratačním teplem). Většinou kombinace superplastifikátoru a zpomalovače tuhnutí. Pokud dojde ke snížení zpracovatelnosti během práce možno dodat superplastifikátor.

13 METODY NÁVRHU HPC 1. Volba zpracovatelnosti a pevnosti poměr vody a superplastifikátoru 2. Určení maximálního zrna kameniva volit maximální zrno co nejmenší s ohledem na ukládání, zpracování a pevnost betonu 3. Odhad dávky vody a provzdušnění zajištění dostatečné konzistence po potřebnou dobu 4. Volba vodního součinitele individuální dle použitých příměsí 5. Obsah cementu 6. Obsah hrubého kameniva 7. Obsah drobného kameniva dopočítání dávky písku 8. Úprava vlhkosti zohlednění vlhkosti kameniva 9. POKUSNÁ ZÁMĚS

14 VLASTNOSTI TVÁRNÉHO BETONU Chová se odlišně od běžného betonu: Konzistence medu větší kohezivita Při použití mikrosiliky velmi malé odlučování vody (pocení betonu) HSC s popílkem a superplastifikátorem doporučený rozliv 25 až 50 mm X HPC s popílkem bez superplastifikátoru - doporučený rozliv 50 až 100 mm Běžně se užívá rozliv 180 až 200 mm pro v/c 0,2 0, 35 dokonalejší promíchání záměsi Velmi rapidní ztráta tekutosti nelze předvídat chování záměsi nutno ověřit laboratorními testy Přidání korektního množství superplastifikátoru - snížení odmísení X předávkování odměšování a zpomalení tvrdnutí

15 VLASTNOSTI TVÁRNÉHO BETONU Obsah vody: Ekonomické co nejméně pojiva a nízký obsah vody Poměr v/c závisí na: Požadované konečné pevnosti Době, kdy má být této pevnosti dosaženo Vývoji pevnosti Použitých přísadách Kvalitě a velikosti kameniva Obvykle v/c = 0,22 0,50

16 VLASTNOSTI TVÁRNÉHO BETONU Obsah vzduchu v záměsi: Důležité pro v/c > 0,24 vzroste mrazuvzdornost Obtížné stabilizovat vzduchové bubliny v betonu nutné sladit působení provzdušňovače a superplastifikátoru Pozor na ztrátu pevnosti 5% ztráta na 1% vzrůstu obsahu vzduchu v záměsi

17 VLASTNOSTI TVÁRNÉHO BETONU Vývoj pevnosti v tlaku:

18 STAVEBNÍ PROVEDENÍ Dávkování a míchání: Velmi kvalitní a uniformní cement. Kamenivo přesná granulometrie. Před mícháním vhodné saturovat kamenivo. Přísady lépe vmíchat až po zvlhčení cementu. Vhodná teplota C (pod 10 C naftalenový superplastifikátor tuhne obtížně se zamíchá ve vodě). Uložení, finální úprava a tvrdnutí: Rychlá ztráta zpracovatelnosti rychlé ukládání. Obtížné závěrečné uhlazování povrchu. Nutno zabránit odpařování vody kropení, mlžení, opatřit nepropustným nátěrem nejméně 3 dny Nízké v/c neproběhne kompletní hydratace

19 VLASTNOSTI HPC se liší od běžného betonu: Vyšší hustota. Větší homogenita. Nižší porózita. Mikrotrhliny: Nižší výskyt než u běžných betonů Působením sil mezi CSH gelem a pevnějším složkám a díky nezhydratovaným částicím cementu

20 VLASTNOSTI Pevnosti: Rychlý vývoj pevností křehčí beton. Voda/cement + příměsi 0,40-0, ,35-0, ,30-0, ,25-0,20 > 125 Očekávaná pevnost v tlaku (Mpa)

21 VLASTNOSTI Smrštění: Rozporuplná data některé HPC vyšší, jiné nižší hodnoty než běžný beton Vyšší hodnoty betony s mikrosilikou Efekt v/c a obsah kameniva na tečení: Tečení: Nižší hodnoty než běžný beton.

22 VLASTNOSTI Trvanlivost: Nižší propustnost. Hustší matrice (přispění pucolánů) nižší obsah vody, snížená propustnost pro pronikající ionty v roztocích, odolává ASR Beton s křemičitým úletem změna tranzitní zóny cementová pasta kamenivo snížení porózity a zvýšení hustoty matrice vznikem CSH dodatečné snížení Nezreagovaná zrna cementu dodatečná možnost hydratace samohojení betonu Mrazuvzdornost: Vzrůst odolnosti proti mrazovým cyklům.

23 VLASTNOSTI Chemické působení: Velký nárůst odolnosti proti působení chemických látek. Pucolány redukují obsah CH zvýšená odolnost vůči síranové korozi Omezena ASR. Abraze: Zlepšení abrazivzdornosti Vzrůst odolnosti vůči vodní erozi Koroze výztuže: Redukce ph pórového roztoku kompenzováno snížením propustnosti a zvýšením odolnosti. Vysoké teploty: Vyšší výskyt trhlin a odloupávání při vyšších teplotách než u běžného betonu.

24 Samozhutnitelný beton (SCC)

25 ÚVOD Původně vyvinutý v Japonsku v 90. letech 20. st. nový materiál vyžaduje moderní techniky ukládání a inovace klasické technologie betonu Původně označovaný jako vysokopevnostní, dnes se vyrábí ve všech pevnostních třídách Spojeno s vývojem plastifikátorů

26 ÚVOD Beton s vysokou pohyblivostí a schopností tečení bez působení vnějších dynamických sil. s velkou odolností proti rozměšování a segregaci hrubých složek betonové směsi. Hrubé kamenivo je udržováno stále ve vznosu a viditelně plave na povrchu betonu, bez známek odlučování vody. Vlastností je dosaženo použitím speciálních superplastifikačních přísad na bázi polykarboxylátů a vhodným složením kameniva a příměsí. Aplikace: vhodný zejména pro konstrukce složitých tvarů, které jsou velmi hustě vyztužené Vlastnosti: Výrazně se neodlišují od běžného betonu. Vlivem nízkého vodního součinitele betony dosahují vyšších pevností v tlaku. Velký podíl jemných částic zaručují hutnou strukturu vodotěsné.

27 ÚVOD Vývoj SCC SCC: Zlepšení pracovního prostředí Zlepšení pracovních podmínek Snížení spotřeby energie Snížení vibrací Růst produktivity práce Snižení hlučnosti Čerstvý beton, který má schopnost téci pouze působením vlastní hmotnosti, vyplnit veškerý požadovaný prostor v bednění a vytvořit hutný a dostatečně homogenní materiál bez další vnější potřeby hutnění.

28 ÚVOD První výzkumné práce na samozhutnitelném betonu započaly v Japonsku (v roce 1983 prof. Okamura na Kochi University of Technology a v roce 1986 prof. Ozawa na University of Tokio). K rozvoji samozhutnitelného betonu došlo v roce 1992, kdy se začal používat na běžných stavbách. V roce 1997 bylo v Japonsku uloženo 167 mil. m 3 samozhutnitelného betonu. Kanada vyrábí se 25 % z celkové produkce betonu. První rozsáhlou aplikací na území ČR je betonáž železničního mostu na trati Praha Plzeň. Zde se prokázalo, že samozhutnitelný beton představuje plnohodnotnou alternativu ke klasickému betonu. Bez jakékoli vibrace a hutnění beton dokázal zaplnit bednění a vyplnil všechna místa s hustou armaturou, hrubé kamenivo bylo stále ve vznosu a beton nejevil známky segregace.

29 VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ CSS vyžaduje vysoký obsah jemných podílů a nízkou hodnotu poměru vody ku jemným podílům Cement + dvě až tři příměsi Cement: většinou Portlandský lze použít cementy vyhovující ČSN EN 197 1

30 VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ Kamenivo: Dle ČSN EN 12620, trvanlivost dle ČSN EN drobné těžené kamenivo 0-4 mm hrubé kamenivo s velikostí zrna mm (použito i 40 mm) vhodný tvarový index, dle ČSN EN Recyklát pozor na zvýšenou nasákavost Lehké kamenivo okolo kg/m3 velkovýroba prefabrikovaných stavebních dílců Důležité rozložení granulometrie dílčích frakcí Využití plynulé křivky zrnitosti

31 VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ Minerální příměsi: mleté vápence, popílky, strusky a mikrosilika TYP I inertní nebo částečně inertní minerální plnivo (vápenec, dolomit, atd.) pigmenty TYP II pucolánové popílek vyhovující ČSN EN 450 hydraulické křemičitý úlet vyhovující ČSN EN jemně mletá granulovaná vysokopecní struska (pokud není součástí cementu vyhovujícího EN 197-1, lze použít národní normy do doby, než bude vydána nová ČSN EN 15167)

32 VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ Minerální příměsi: Minerální mikroplnivo Báze uhličitanu vápenatého Frakce < 0,125 mm, propad > 70% sítem 0,063 mm Zlepšení čáry zrnitosti, snížení množství záměsové vody Popílek Zvýšení vnitřní soudržnosti čerstvého betonu Snížení citlivosti na kolísání obsahu záměsové vody Pozor na předávkování snížení tečení SCC Křemičitý úlet Zlepšení soudržnosti čerstvého betonu Zvýšení odolnosti proti rozměšování Jemně mletá granulovaná struska Velké množství ovlivní stabilitu záměsi snížení robustnosti, pomalejší tuhnutí, riziko rozměšování

33 VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ Přísady: Dle ČSN EN Superplastifikátory Minimalizace účinku kolísání množství záměsové vody, jemných podílů v písku nebo změn granulometrie kameniva. V počátcích melamin-formaldehydové a naftalen-formaldehydové superplastifikátory problémy kompatibility s cementem kratší doba zpracovatelnosti Na bázi polykarboxyléterů vyšší účinek ztekucení a stabilnější chování Účinek: Naváží se na povrch částic cementu, předají negativní náboj na povrch zrna elektrostatické odpuzování a deflokulace, voda se uvolňuje mezi zrna a roste pohyblivost Boční řetězce molekul od sebe oddělují cementové částice voda obklopí větší podíl povrchu zrn = sterické odpuzování Provzdušňující Zvýšení trvanlivosti

34 VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ Přísady modifikující viskozitu (VMA): Adsorpční adsorbují se na povrch částic cementu a vytvářejí mezi nimi přemostění Ve vodě rozpustné polymery na bázi celulózy a akrylátu Neadsorpční navazují se na vodu Ve vodě rozpustné mikrobiální polysacharidy (škroby) 0,025 0,017% z hmotnosti jemných podílů Pigmenty: Dle ČSN EN Mohou ovlivnit vlastnosti čerstvého betonu vždy ověřit působení Dobrý rozptyl

35 VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ Vlákna: Ocelová, polypropylenová, skelná. Snížení tečení a prostupnosti SCC ověřit zkouškami Zvýšení tahových vlastností - ocelová, polypropylenová vlákna Efektivní výztuž nutno brát ohled na vliv: Typu rozptýlené výztuže Rozměru rozptýlené výztuže Spojení rozptýlené výztuže s matricí Obsahu vláken Orientace vláken

36 HYDRATACE A MIKROSTURA Kombinace nižšího poměru vody a jemných podílů, plniva a superplastifikátorů hustší struktura a snížení porózity Objevuje se méně defektů a trhlin podstatně vyšší kvalitativní vlastnosti v čerstvém i zatvrdlém stavu oproti běžnému betonu Vliv na trvanlivost: Obsah alkálií v cementu a obsah cementu v betonu Vnější zdroje solí, alkálií Množství, velikost a reaktivita složek kameniva Přístup vlhkosti Teplota okolního prostředí

37 SLOŽENÍ BETONU Zásady návrhu: Tekutost a viskozita se upravuje dávkou cementu, příměsí, omezením v/c a přídavkem superplastifikátoru a přísad schopnost vyplňování, prostupnost a odolnost proti rozměšování. Řízení nárůstu teploty a regulace vzniku trhlin od teplotního smřšťování přídavek příměsí typu I a II. Optimální objem cementového tmelu plně obalená zrna, která kloužou. Snížení poměru mezi hrubým a jemným kamenivem jednotlivá zrna hrubého kameniva plně obklopena maltou snížení možnosti zaklínění zrn, zvýšení propustnosti. Méně hrubého kameniva Větší množství cementového tmelu Nižší vodní součinitel Účinný superplastifikátor Přísady ovlivňující viskozitu

38 POSTUP NÁVRHU SMĚSI SCC Výběr požadovaných vlastností podle požadavků odběratele Výběr složek. Návrh složení směsi. Vyhodnocení nových složek. Ověřit a upravit vlastnosti podle laboratorních zkoušek. Ověřit nebo upravit vlastnosti podle zkoušek na staveništi nebo ve výrobě.

39 POSTUP NÁVRHU SMĚSI SCC V případě, že se nedosáhne vyhovujících vlastností, mělo by se zvážit provedení úplně nového návrhu směsi. V závislosti na daném problému, mohou být vhodné následující postupy: upravit poměr cementu k jemným podílům a poměr vody k jemným podílům a vyzkoušet tekutost a další vlastnosti cementového tmelu vyzkoušet jiné typy příměsí (pokud jsou k dispozici) upravit množství jemného kameniva a množství superplastifikátoru zvážit použití přísady upravující viskozitu pro snížení citlivosti směsi upravit množství nebo zrnitost hrubého kameniva

40 STAVEBNÍ PROVEDENÍ Výroba samozhutnitelného betonu nevyžaduje žádná mimořádná a technická opatření. Výjimku tvoří doba míchání betonové směsi prodloužena na dvojnásobek. Doba zpracovatelnosti čerstvé směsi min. 2 hod. v závislosti na vnějších klimatických podmínkách. Na základě provedených zkoušek se počátek tvrdnutí pohybuje v rozmezí 10 až 15 hodin. Po této inkubační době nastává strmý nárůst počátečních pevností (pevnost po 7dnech dosahuje obvykle cca 75 % výsledné pevnosti v tlaku). Plnění bednění od spodu

41 VLASTNOSTI Pevnost v tlaku: SCC se stejným v/c o něco vyšší pevnosti než tradičně vibrovaný beton absence procesu vibrování. Vývoj pevnosti obdobný. Pevnost v tahu: Stejná jako u normálního betonu Statický modul pružnosti: SCC nižší modul pružnosti než vibrovaný beton. Dotvarování: SCC vyšší objem cementového tmelu vyšší součinitel dotvarování než u běžného betonu stejné pevnosti Smršťování: Sníženo od vysychání, zvýšeno autogenní Výztuž tahová napětí v betonu a tlaková napětí ve výztuži

42 VLASTNOSTI Součinitel teplotní roztažnosti: Různý podle složení, stáří a vlhkosti betonu. Závisí na použitém kamenivu /K Soudržnost s výztuží: Ovlivněna umístěním výztuže a kvalitou betonu. SCC minimalizace segregace a nedostatečného obalení výztuže. Výborná tekutost a koheze SCC. Požární odolnost: Nehořlavý a nepomáhá šíření plamenů. Neprodukuje kouř ani toxické plyny. Malá tepelná vodivost účinná požární clona pro sousedící úseky. Zachová si při požáru většinu pevnosti. Přítomnost polypropylenových vláken zvýšení odolnosti proti vzniku trhlin.

43 VLASTNOSTI Kvalita povrchu: Hustá, uzavřená textura Jasně definované vnější a vnitřní rohy Dokonalá reprodukce textury a dalších designových prvků bednění Méně odchylek odstínu v důsledku vyloučení vibrováním

44 VLASTNOSTI Trvanlivost: SCC postrádá nedostatky vibrovaného a uhlazovaného povrchu méně slabých míst příhodných pro degradaci zvýšení trvanlivosti.

45 SPECIFIKACE SCC Vlastnost Pohyblivost Viskozita (z rychlosti tečení) Prostupnost odolnost proti blokaci Segregace Doporučená zkušební metoda Rozlití kužele Rozlití kužele T 500 nebo V trychtýř L box Zkouška odolnosti proti segragaci (síta) ČSN EN Beton - Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda ČSN EN Společná ustanovení pro betonové prefabrikáty Příloha B1, Zkoušení čerstvého betonu Zkouška rozlití kužele (Slump-flow test) Příloha B2, Zkoušení čerstvého betonu Zkouška V-trychtýřem (V-Funnel test) Příloha B3, Zkoušení čerstvého betonu Zkouška L-boxem (L-Box test) Příloha B4, Zkoušení čerstvého betonu Zkouška odolnosti proti rozměšování (Segregation resistence test)

46 SPECIFIKACE SCC Rozlití Abramsova kužele Tabulka A. 1 - Třídy rozlití kužele Třída Rozlití [mm] SF1 550 až650 SF2 660 až 750 SF3 760 až 850

47 SPECIFIKACE SCC Zkouška V trychtýřem Tabulka A. 3 - Třídy viskozity Třída T 500 [s] čas ze zkoušky V-trychtýřem [s] VS1/ VF1 2 8 VS2/ VF2 > 2 9 až 25

48 SPECIFIKACE SCC Zkouška L boxem Tabulka A. 2 - Třídy prostupnosti (L-box) Třída Prostupnost PA1 0,80 přes 2 výztužné pruty PA2 0,80 přes 3 výztužné pruty

49 Betonování desky ze samozhutnitelného betonu. Komerční centrum, Ferrara, Itálie.

50 Vyrovnávání povrchu samozhutnitelného betonu pomocí hladítka.

51 HSSCC vysokopevnostní samozhutnitelný beton třídy C80/95 Pevnost přes 100 Mpa