Stavební hmoty a dílce: Beton, železobeton a výrobky předem vyrobené z betonu a železobetonu - prefabrikáty

Transkript

1 Stavební hmoty a dílce: Beton, železobeton a výrobky předem vyrobené z betonu a železobetonu - prefabrikáty Celkový přehled Ing. Martin Schmieder Technický a zkušební ústav stavební Praha, s.p. pobočka Plzeň 1

2 Co je to beton? Beton Směs pojiva, plniva a vody. Mikro snímek (50x) Makro snímek 2

3 Beton Co je to beton? Kompozitní materiál Kde matrici tvoří hydraulické pojivo a výztuž anorganické plnivo. Po smíchání hydraulického pojiva s vodou dochází k chemické reakci slínkových minerálů (trikalcium silikát, dikalcium silikát, trikalcium aluminát a tetrakalcium aluminoferit), vytvoří se hydrosilikátový C-S-H gel ze kterého postupně krystalizuje etrringit jehož krystaly tvoří, vzájemným prorůstáním, pevnou hmotu. Jedná se o exotermickou reakci. 3

4 Beton Beton je: Beton je kompozitní materiál na bázi silikátového pojiva a anorganického plniva. Při tuhnutí váže okolní pevné materiály a po tvrdnutí tvoří pevnou strukturu. nejčastěji: Cementový beton (cement - hydraulické pojivo) ale taky: Asfaltový beton obalovaná směs z asfaltu a kameniva tzv: balená směs, balená (asfalt druh živice, složená z uhlíku, vodíku a kyslíku Organická chemie) Slovník pojmů: Kompozitní materiál (kompozit): matrice s výztuží, složen ze dvou nebo více látek (materiálů) jenž ve své kombinaci mají nové (lepší) vlastnosti než samostatně. Zjednodušeně, principem kompozitních materiálů je docílit aby platilo: = 3 Silikáty: křemičitany, jsou kyslíkové sloučeniny křemíku SiO 2 Hydraulicita: schopnost reagovat s vodou s následným tvrdnutím Cement: hydraulické pojivo, anorganický materiál který po smíchání s vodou vytváří kaši a následně tuhne a tvrdne Pojivo: látka schopná vázat ostatní materiály v pevný celek Plnivo: pevná látka (materiál) dodávající pevnost celku Tuhnutí: změna z tekutého stavu do pevného Tvrdnutí: lidově zváno zrání, období kdy ještě probíhají chemické reakce a materiálu narůstá pevnost 4

5 Beton Složky betonu Cement, voda, kamenivo, přísady a příměsi Přísady přidávají se do vody Příměsi přidávají se do kameniva Jednotlivé komponenty: Cement Norma: ČSN EN Cement Část 1: Složení, specifikace a kriteria shody cementů pro obecné použití CEM I Portlandsky cement CEM II Portlandsky cement směsný CEM III Vysokopecní cement CEM IV Pucolánový cement CEM V Směsný cement Voda Norma: ČSN EN 1008 Záměsová voda do betonu. () Kamenivo Norma: ČSN EN Kamenivo do betonu Původ (lom, výrobce), druh (těžené, plavené, recyklované), frakce» kamenivo (přírodní, umělé, recyklované)» hutné kamenivo (2 000 kg/m 3 až3 000 kg/m 3 )» pórovité kamenivo» těžké kamenivo ( nad kg/m 3 ) 5

6 Cement Hydratace cementu 4/4 Stupeň reakce Chemicképrocesy Fyzikální procesy Mechanickévlastnosti I. Předindukční perioda (první minuty) Rychlépočáteční rozpouštění alkalických síranů a aluminátů. Počáteční hydratace C 3 S. Vznik fáze AFt. Vysoká rychlost uvolňování hydratačního tepla. Změny ve složení kapalnéfáze mohou ovlivnit tuhnutí. II. Indukční perioda (první hodiny) Úbytek silikátů. Tvorba nukleí CH a C-S-H, Ca 2+ vroztoku dosahuje úrovně přesycení. Tvorba produktů počáteční hydratace. Nízká rychlost uvolňování hydratačního tepla. Postupný růst viskozity. Vznik AFt a ATm fází ovlivňující pevnost. Hydratace vápencových silikátů určuje počátek a konec indukční periody. III. Urychlující stupeň (3-12 hodin) Rychlá chemickáreakce C 3 S za vzniku C-S-H a CH. Snížení stupně přesycení Ca 2+ ionty. Rychlátvorba C-S-H vedoucí kreálnéstruktuře za současného snížení pórovitosti. Rychlý vývin hydratačního tepla. Změna plastickévpevnou konzistenci (počátek a konec tuhnutí). Vznik počátečních pevností. IV. Konečný stupeň Vznik fází C-S-H a CH řízený difuzí. Přeměna ettringitu vmonosulfát. Výraznáhydratace belitu. Snížení vývinu tepla. Postupnésnižování pórovitosti. Vývoj pevnéstruktury. Postupný nárůst pevností. Pórovitost a morfologie hydratovaného systému předurčuje konečnou pevnost a trvanlivost cementu. 6

7 Hydratující cement, který již dospěl do fáze kdy se vytvořily jehličkovité útvary etrringitu Cement 7

8 Ettringit, 10 μm Cement 8

9 Cement Ettringit, 20 μm 9

10 Beton dle ČSN EN Beton Definován: ČSN EN Beton Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda Status: určená EN norma Značení betonu: Ztvrdlý beton: C = concrete (ENG) = beton (CZ) Pevnost: C 8/10 až C 100/115, LC 8/9 až LC 80/88 Stupeň vlivu prostředí: X0, XC1 až XC4, XD1 až XD3, XS1 až XS3, XF1 až XF4, XA1 až XA3 Čerstvý beton: Sednutí kužele, S1 až S5 Zkouška Vebe, V0-V4 Zhutnitelnost, C0 až C3 Rozlití, F1 až F6 Dle třídy největší frakce kameniva: D max Třída objemové hmotnosti (jen u LC betonu): D 1,0 až D 2,0 (po 0,2) Tato norma neplatí pro: pórobeton, pěnobeton, beton s otevřenou strukturou, jednozrnný beton), beton s objemovou hmotností menší než 800 kg/m3, žáruvzdorný beton 10

11 Složky betonu Terminologie beton (concrete): 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 (fresh concrete): beton, který je zcela zamíchán a je ještě v takovém stavu, který umožňuje jeho zhutnění zvoleným způsobem ztvrdlý beton (hardened concrete): beton, který je v pevném stavu a má již určitou pevnost beton vyráběný na staveništi (site-mixed concrete): beton, který byl odběratelem vyroben na staveništi pro vlastní potřebu transportbeton (ready-mixed concrete): beton, dodávaný v čerstvém stavu osobou nebo organizací, která není odběratelem betonu; transportbeton ve smyslu této normy je také: beton vyráběný odběratelem mimo staveniště; beton vyráběný na staveništi, ale ne odběratelem. prefabrikovaný betonový výrobek (precast concrete element): betonový výrobek zhotovený a ošetřovaný na jiném místě, než je jeho konečné použití obyčejný beton (normal-weight concrete): beton, který má po vysušení v sušárně objemovou hmotnost větší než kg/m 3, ale nepřevyšující kg/m 3 lehký beton (light-weight concrete): beton, který má po vysušení v sušárně objemovou hmotnost větší než 800 kg/m 3 a menší než kg/m 3 ; je vyráběn zcela nebo jen zčásti z pórovitého kameniva těžký beton (heavy-weight concrete): beton, který má po vysušení v sušárně objemovou hmotnost větší než kg/m 3 vysokopevnostní beton (high-strength concrete): beton, který má pevnostní třídu v tlaku větší než C 50/60 pro obyčejný a těžký beton a LC 50/55 pro lehký beton 11

12 Beton dle ČSN EN Beton Prostý beton (tak jak ho zná ČSN EN 206-1) je odolný vůči působení tlaku, při zatížením tahem je jeho pevnost 0,10-0,15 pevnosti v tlaku. Proto se do betonu dává ocelová betonářská výztuž: Lehký betony jsou kromě běžného plniva (kameniva) opatřeny plnivem s výrazně nižší objemovou hmotností, cílem je snížení hmotnosti konstrukce nebo vylepšení tepelně technických parametrů materiálu např. kuličky polystyrenu, lehké kamenivo na bázi expandovaného jílu (Liapor / keramzit) Železobeton kde má beton přenášet tlakové namáhání a chránit výztuž před korozí a betonářská ocel přenáší tahová a smyková napětí, Předepjatý železobeton do ocelových lan je při výrobě (sestavování) vneseno napětí (ocelová lana se natáhnou ) a tím dojde po odformování k stažení betonu (ocel se snaží vrátit do původní délky). U subtilnějších prvků tím může dojít k viditelnému navýšení v polovině rozpětí vnesení opačné deformace (průhybu) než jak bude později prvek zatížen na stavbě Vlákno- a drátko- betony jsou beton doplněny o volně rozptýlenou výztuž. Výztuž je přidána do záměsy v míchačce, kontroluje se hmotnost vláken nebo drátků na 1 m 3 ztuhlého betonu 12

13 Beton dle ČSN EN Drátkobeton 13

14 Beton dle ČSN EN Beton v lomu 14

15 Beton dle ČSN EN Beton příklady značení LC 25/28 D1,6 XD1 D max 16 LC lehký beton 25/28 pevnost betonu v tlaku (válcová / krychelná) D1,6 objemová hmotnost betonu > a kg/m 3 XD1 třída odolnosti prostředí: středně mokré, vlhké D max 16 největší frakce kameniva C 35/45 XF4 D max 8 C beton (normální) 35/45 pevnost betonu v tlaku (válcová / krychelná) XF4 třída odolnosti prostředí: značně nasycen vodou s rozmrazovacími prostředky D max 8 největší frakce kameniva 15

16 Beton dle ČSN EN Dáno normou: ČSN ISO Zásady navrhování konstrukcí - Hodnocení existujících konstrukcí, Tabulka NC.1 Druhy a značky betonů v historii a dnes 16

17 Beton dle ČSN EN Mechanické vlastnosti betonu 17

18 Beton Betony jiné Další druhy betonu: Pěnobeton Vyrovnávací vrstvy podlah, objemová hmotnost kg/m3 Anhydrit lité podlahy, samonivelační podlahy beton s otevřenou strukturou (jednozrnný beton) beton s objemovou hmotností menší než 800 kg/m3 žáruvzdorný beton Hlinitanový cement Sklobeton (luxfera) je tvořen portlandským cementem, skleněnými vlákny a dalšími přísadami 18

19 Vše okolo betonů Hydratační teplo betonu 1/2 Během hydratace, jakožto chemické reakce, dochází kuvolnění tepelné energie (exotermická reakce). Teplo se ale neuvolňuje rovnoměrně po dobu hydratace, nýbrž je závislé na postupně reagujících slínkových minerálech a na jejich reaktivnosti. Kromě chemického složení slínku ovlivňuje hydrataci a vyvinuté hydratační teplo také jemnost mletí slínku a vodní součinitel. Reaktanty, reakční produkty a typické hydratační teplo je uvedeno v tabulce. Pozn: H v tabulce je zjednodušená chemická značka pro H 2 O. Reaktant I C 3 S β-c 2 S C 3 A C 3 A C 3 A C 3 A Reaktant II H H CH+H H CŜ. H 2 +H CŜ. H 2 +H Reakční produkt CSH+CH CSH+CH C 4 AH 19 C 3 AH 6 C 4 AŜ. H 12 C 6 AŜ 3. H 12 Hydratační teplo kj/kg kj/mol C 4 AF CH+H C 3 (A,F)H

20 Vše okolo betonů Hydratační teplo betonu 2/2 3,50 Všechny vzorky pcvc, prvních 24 hodin 3,25 3,00 Měrný hydratační výkon[mw/g] 2,75 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 pc vc 0,35_1 pc vc 0,35_2 pc vc 0,4_1 pc vc 0,4_2 pc vc 0,5_3 pc vc 0,6_1 pc vc 0,6_2 pc vc 0,7_1 pc vc 0,7_2 0,00 0:00:00 2:00:00 4:00:00 6:00:00 8:00:00 10:00:00 12:00:00 14:00:00 16:00:00 18:00:00 20:00:00 22:00:00 24:00:00 Čas [h:m:s] Pasta cementová, průběh hydratace, prvních 24 hodin hydratace 20

21 Vše okolo betonů Jemnost mletí cementu Specifický měrný povrch [m 2 /kg] 274 Rychlost tuhnutí počátek / konec [min] 355 / / / / 8 21

22 Vše okolo betonů Vodní součinitel c/v Vodní součinitel má zásadní vliv na pórovitost výsledného betonu a tímto se výrazně podílí na celkových mechanicko-fyzikálních vlastnostech betonu. Vodní součinitel označuje bezrozměrnou jednotku jenž je poměrem záměsové vody ku cementu. Vodní součinitel je podíl množství záměsové vody v betonu k množství cementu. Vpraxi se běžně používá v/c 0,55 až 0,65 bez použití plastifikátorů Jsou-li použity plastifikátory pak se vodní součinitel pohybuje v rozmezí 0,35-0,50 U vysokopevnostních betonů, kde jsou i jiné důležité parametry (vysoká jemnost mletí, použití plastifikátorů, vysokopevnostní kamenivo), se dosahuje hodnot vodního součinitele 0,24-0,40. Čistý cement potřebuje asi 23 % až 28 % vody, vztaženo na hmotnost cementu. Optimální množství vody je též ovlivněno chemickým složením cementu. Voda v betonu: kapilární vodu patří voda v malých pórech (póry o průměru < 0,05 mm), v makropórech (póry o průměru > 0,05 mm) a v technologických dutinách. V důsledku malého množství vody v malých kapilárách dochází ksmršťování betonu fyzikálně adsorbovaná voda na povrchu hydratujících prvků se při vysušování betonu projevuje smršťováním chemicky vázaná voda je součástí chemických reakcí jenž doprovázejí proces hydratace. Její odstranění je možné pouze vystavením betonu extrémně vysokým teplotám, což ovšem vede k destrukci betonu na molekulární úrovni. 22

23 Vše okolo betonů Betonářská ocel 1/2 Ocel pro vyztužení betonu betonářská ocel: ČSN EN Ocel pro výztuž do betonu - Svařitelná betonářská ocel Všeobecně ČSN EN ISO Ocel pro výztuž a předpínání do betonu - Zkušební metody - Část 1: Tyče, válcovaný drát a drát pro výztuž do betonu ČSN EN ISO Ocel pro výztuž a předpínání do betonu - Zkušební metody - Část 2: Svařované sítě ČSN EN ISO Ocel pro výztuž a předpínání do betonu - Zkušební metody - Část 3: Oceli pro předpínání ČSN Ocel pro výztuž do betonu - Svařitelná betonářská ocel žebírková a hladká ČSN Tyče kruhové pro výztuž do betonu z oceli značky Rozměry ČSN Kruhové ocelové dráty pro předpínací výztuž do betonu 23

24 Vše okolo betonů Betonářská ocel 2/2 ČSN ISO Zásady navrhování konstrukcí - Hodnocení existujících konstrukcí 24

25 Beton, železobeton, prefabrikáty Zkušebnictví / zkoušení betonu 1/5 Základní dělení: zkoušky čerstvého betonu a zkoušky ztvrdlého betonu Zkoušky čerstvého betonu Zkoušky a tělesa definována v normách řady ČSN EN až část 12 Zkouška sednutí rozlitím, zkouška V-nálevkou, zkouška L-truhlíkem, zkouška segregace při prosévání, zkouška J-kroužkem, zkouška sednutím, zkouška Vebe, stupeň zhutnitelnosti, zkouška rozlitím, objemová hmotnost, obsah vzduchu (tlakové metody) Zkoušky ztvrdlého betonu Plánované Zkoušky a tělesa definována v normách řady ČSN EN až část 11 pevnost betonu v tlaku, pevnost v tahu ohybem, pevnost v příčném tahu, hloubka průsaku tlakovou vodou, objemová hmotnost, chloridovzdornost betonu Dodatečné Vývrty, odtrhy, zatěžovací zkoušky, destrukční zkoušky, nedestrukční zkoušky 25

26 Zkušebnictví / zkoušení betonu 2/5 Beton, železobeton, prefabrikáty 26

27 Zkušebnictví / zkoušení betonu 3/5 Beton, železobeton, prefabrikáty 27

28 TZÚS Praha, s.p. - pobočka Plzeň Beton, železobeton, prefabrikáty Zkušebnictví / zkoušení betonu 4/5 28

29 Zkušebnictví / zkoušení betonu 5/5 Beton, železobeton, prefabrikáty 29

30 Beton, železobeton, prefabrikáty Statika betonu a železobetonu Od roku 2010 musí být veškeré statické návrhy, posouzení nosných částí objektů pozemních a dopravních staveb dle Eurokódu, tj. normy řady ČSN EN 199x Zásady a obecná pravidla: Řada ČSN EN 1990 ČSN EN 1990 Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí Zatížení konstrukcí Řada ČSN EN 1991 ČSN EN Eurokód 1: Zatížení konstrukcí -Část 1-1: Obecná zatížení -Objemové tíhy, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních staveb ČSN EN Eurokód 1: Zatížení konstrukcí -Část 1-2: Obecná zatížení -Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru Betonové konstrukce: Řada ČSN EN 1992 ČSN EN Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí -Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby Zbytková česká norma: ČSN Navrhování betonových konstrukcí pozemních staveb 30

31 Prefabrikáty Betonové a železobetonové prefabrikáty Dle definice norem: Prefabrikovaný betonový výrobek (precast concrete element) betonový výrobek zhotovený a ošetřovaný na jiném místě, než je jeho konečné použití Obecně řečeno: Prefabrikace označuje hromadnou výrobu stavebních dílů. tzv. prefabrikátů (tedy předvýrobu). Jedná se o činnost, která je prováděna ve specializovaných výrobnách. Jednotlivé prefabrikáty bývají vyrobeny nejčastěji z betonu nebo jiné směsi, mohou být ale vyrobeny i z jiných materiálů jako je např. ocel, dřevo, plast apod. Jednotlivé prefabrikáty jsou pak na staveniště přiváženy z výroby a vlastní výstavba hrubé stavby probíhá formou montáže jednotlivých dílů. Prefabrikace výrazně urychluje, zlevňuje a zefektivňujevýstavbu, minimalizuje mokrý proces na stavbě a u prefabrikátů se dosahuje větších rozměrových přesností. Mezi nevýhody prefabrikace patří nutná přeprava dílců a menší tuhost ve spojích dílců. 31

32 Prefabrikáty Betonové prefabrikáty NO, Systém 2+ ČSN EN 1168 Dutinové panely ČSN EN 1520 Prefabrikované vyztužené dílce z mezerovitého betonu z pórovitého kameniva vyztuženénosnou a nenosnou výztuží ČSN EN Stájové rošty pro dobytek ČSN EN Základovépiloty ČSN EN Betonové prefabrikáty -Prvky pro ploty ČSN EN Stožáry a sloupy ČSN EN Žebrovéstropníprvky ČSN EN Tyčovénosnéprvky ČSN EN Speciální střešní prvky ČSN EN Stropní deskovédílce pro spřažené stropní systémy ČSN EN Prefabrikovanébetonovégaráže ČSN EN Schodiště ČSN EN Prostorové prvky pro inženýrské sítě ČSN EN Základovéprvky ČSN EN Stěnovéprvky ČSN EN Stropní systémy z trámů a vložek Část 1: Trámy ČSN EN Stropní systémy z trámů a vložek Část 2: Betonové stropní vložky ČSN EN Mostníprvky ČSN EN Prvky opěrných stěn 32

33 Prefabrikáty Betonové prefabrikáty NO, Systém 3 ČSN EN Specifikace pro pomocné výrobky pro zděné konstrukce Část 2: Překlady Betonové prefabrikáty AO Všechny ostatní výrobky jenž nespadají do systému NO, ale patří mezi stanovené výrobky dle nařízení vlády č. 163/2002 Sb., ve znění nařízení vlády č. 312/2005 Sb. (definuje stavební výrobky jenž jsou stanovené dohled nad výrobky / výrobou provádí Autorizovaná osoba) Postupuje se dle určené normy (ČSN EN, ČSN) nebo Autorizovaná osoba vyhotoví Stavební technické osvědčení (STO) Např: Silniční panely (pro dočasné komunikace) Horizontální plošné prvky (plné stropní panely) Lícní panely (římsové panely) 33

34 Prefabrikáty 34

35 Prefabrikáty 35

36 Prefabrikáty 36

37 Prefabrikáty 37

38 Prefabrikáty 38

39 Prefabrikáty 39

40 Prefabrikáty 40

41 Prefabrikáty 41

42 42