Ústav stavebního zkušebnictví Středisko radiační defektoskopie STVEBNÍ LÁTKY Beton I. Ing. Lubomír Vítek Definice ČSN EN 206 1 Beton je materiál ze směsi cementu, hrubého a drobného kameniva a vody, s přísadami a příměsemi nebo bez nich, který získá své vlastnosti hydratací cementu čerstvý beton je beton, který je zcela zamíchán a je ještě v takovém stavu, který umožňuje jeho zhutnění zvoleným způsobem ztvrdlý beton je beton, který je v pevném stavu a má již určitou pevnost Definice ČSN EN 206 1 typový beton je beton, pro který jsou výrobci specifikovány požadované vlastnosti a doplňující charakteristiky betonu a výrobce zodpovídá za dodání betonu vyhovujícího požadovaným vlastnostem a doplňujícím charakteristikám normalizovaný beton je beton, jehož složení je předepsáno v normě platné v místě použití betonu (v ČR se jeho zavedení nepředpokládá) beton předepsaného složení je beton, pro který je výrobci předepsáno složení betonu včetně používaných složek a výrobce zodpovídá za dodání betonu předepsaného složení 1
Rozdělení betonů podle druhu použitého pojiva stupně vlivu prostředí konzistence čerstvého betonu způsobu dopravy čerstvého betonu způsobu uložení čerstvého betonu do konstrukce způsobu zpracování čerstvého betonu objemové hmotnosti ztvrdlého betonu pevnostních tříd ztvrdlého betonu způsobu využití ztvrdlého betonu v konstrukci zvláštních požadavků na funkci betonu Druh použitého pojiva Největší objem betonů se vyrábí s cementy různých druhů a vlastností. Při vyslovení pojmu beton bez přesnějšího určení pojiva se předpokládá beton cementový. Dalšími pojivy jsou: sádra, vápno, živice, polymery, hlinitanový cement, případně jemně mletá vysokopevnostní struska aktivovaná alkaliemi. Použití těchto pojiv, s výjimkou asfaltu (živice), případně polymerních pojiv, není obvyklé. Stupeň vlivu prostředí Bez nebezpečí nebo narušení X0 Koroze vlivem karbonatace XC1 XC4 Koroze vlivem chloridů (ne mořské vody) XD1 XD3 Koroze vlivem chloridů z mořské vody XS1 XS3 Střídavé působení mrazu a rozmrazování X1 X4 Chemické působení X1- X3 2
Konzistence čerstvého betonu klasifikace podle sednutí kužele S1-S5 klasifikace podle VeBe V0-V4 klasifikace podle míry zhutnění C0-C3 klasifikace podle rozlití 1-6 Konzistence čerstvého betonu klasifikace podle sednutí kužele S1-S5 Konzistence čerstvého betonu klasifikace podle VeBe V0-V4 3
Konzistence čerstvého betonu klasifikace podle míry zhutnění C0-C3 Konzistence čerstvého betonu klasifikace podle rozlití 1-6 Způsob dopravy ČB Čerstvý beton se od míchačky dopravuje v přepravnících, pasy nebo v autodomíchávačích. Transportbeton je beton dodávaný včerstvém stavu osobou nebo organizací, která není odběratelem betonu. Sem patří beton vyráběný mimo staveniště nebo vyráběný na staveništi, ale ne odběratelem. Doba, kterou měříme od namíchání do uložení do bednění na stavbě by neměla přesáhnout 45 minut, případně 90 minut při použití vhodného zpomalovače tuhnutí. 4
Způsob uložení ČB do konstrukce monolitické betony, kdy se čerstvý beton dopravuje na stavbu, nasype nebo čerpadly se naplní bednění, ve kterém se zhutní, zatvrdne, ošetřuje se a po ztvrdnutí se odbední prefabrikované betony, kdy konstrukční prvek je vyráběn ve výrobně nebo přímo na staveništi, po dosažení požadované pevnosti se odformuje, uloží se na skládce k dozrávání, ošetřuje se a po dosažení transportní pevnosti se dopraví na staveniště, kde je uložen do konstrukce Způsob zpracování ČB betony vibrované betony dusané betony lité betony stříkané betony válcované betony vibrolisované betony odsávané (vakuované) betony odstředěné betony čerpané Objemové hmotnosti ztvrdlého betonu lehké betony, které po vysušení v sušárně mají objemovou hmotnost větší než 800 kg/m3 a menší než 2000 kg/m3 obyčejné betony, které po vysušení mají objemovou hmotnost větší než 2000 kg/m3, nepřevyšující 2600 kg/m3 těžké beton s objemovou hmotností po vysušení větší než 2600 kg/m3 5
Pevnostní třídy ztvrdlého betonu Charakteristická pevnost je hodnota pevnosti, pro kterou lze očekávat nižší hodnoty nejvýše u 5 % základního souboru všech možných výsledků hodnoceného objemu betonu. Charakteristická pevnost v tlaku zjištěná na válcích Ø 150 mm a výšce 300 mm ve stáří 28 dnů nebo charakteristická pevnost v tlaku zjištěná na krychlích o rozměru 150 mm ve stáří 28 dnů. Pevnostní třídy ztvrdlého betonu Pevnostní třídy ztvrdlého betonu 6
Využití ztvrdlého betonu v konstrukcích Beton se využívá jako: tepelně izolační samonosný, výplňový nosný prostý vyztužený - železový předpjatý stínící těžký beton s rozptýlenou kovovou nebo polymerní výztuží Zvláštní požadavky na funkci betonu trvanlivé vodostavební mrazuvzdorné provzdušněné rozpínavé korozivzdorné žáruvzdorné tepelně izolační korozivzdorné odolné vůči záření Složky čerstvého betonu Cementy portlandský I portlandský směsný II portlandský struskový II/-S, II/B-S portlandský s křemitý úletem II/-D portlandský pucolánový II/-P, II/B-P, II/-Q, II/B-Q portlandský popílkový II/-V, II/B-V, II/-W, II/B-W portlandský s kalcilovanou břidlicí II/-T, II/B-T portlandský s vápencem II/-M, II/B-M vysokopecní III III/, III/B, III/C pucolánový IV IV/, IV/B směsný V V/, V/B hlinitanový (v ČR zákaz používání pro nosné konstrukce, vyrábí se v Maďarsku) 7
Složky čerstvého betonu Cementy Třídy cementů jsou dány nejnižší pevností v tlaku zjištěné na zlomcích trámečků 40/40/160 mm po zkoušce tahu ohybem. Třídy: 32,5, 42,5 a 52,5 případně 32,5 R, 42,5 R a 52,5 R, kdy písmeno R (Rapid) znamená, že se jedná o cementy s vyššími počátečními pevnostmi. Dávky cementů Minimální dávka cementu CEM II/B-S 32,5 pro nosný beton B5 je 140 kg na 1 m3 čerstvého betonu (dle DIN 1045). Pro konstrukční železový beton C 12/15 je minimální dávka 240 kg na 1 m3 č. b při zavlhlé směsi a 300 kg při měkké směsi (dle DIN 1045). Doporučené minimální dávky cementu dle ČSN EN 206-1 jsou uvedeny v příloze, tab. 1. Nejvyšší dávka cementu se doporučuje 450 kg na 1 m3 č. b. Zvyšování této dávky se již výrazně na pevnosti betonu neprojeví. U vysokopevnostních betonů se dávky pohybují i nad 550 kg na 1 m3 č.6 Optimální dávka cementu je taková, aby cementový tmel obalil všechna zrna kameniva, ocelovou výztuž a vyplnil mezery mezi nimi. Je snahou vhodnou skladbou kameniva snížit objem cementového tmele a tím i cementu. Složky čerstvého betonu Kamenivo zaujímá 75 80 % objemu betonu má vytvořit pevnou kostru v betonu s minimální mezerovitostí musí obsahovat různě veliká zrna ve vhodném poměru max. velikost zrna je 125 mm ( 0/4, 4/8, 16/22, 16/32 ) podle původu těžené - přírodním rozpadem hornin drcené - podrcením lomového kamene předrcené - obsahuje 40-80% drcených zrn hrubé kamenivo velikost zrn 4 125 mm (štěrk, drť) drobné kamenivo velikost zrn do 4 mm (písek) jemné kamenivo do velikosti zrnek 0,25 mm (moučka, filer) Granulometrie kameniva - zrnitost kameniva vyjadřuje skladbu různě velikých zrn o různém tvaru. Cílem je dosažení nejhutnější skladby s minimálním objemem dutin mezer. Síťový rozbor - slouží ke stanovení velikosti zrn a jejich zastoupení rakce množina zrn zachycená na sítě Normová sada sít: 0.063 0.125 0.5 1 2 4 8 16 32 63 125 mm Složky čerstvého betonu Záměsová voda Voda záměsová je potřebná k vytvoření dobře zpracovatelné směsi a k hydrataci cementu. Pro vlastní hydratační proces je třeba asi 20 až 25% vody z hmotnosti cementu. Tato dávka zajistí přeměnu slinkových minerálů z cementu v hydrokřemičitany a hydrohlinitany. Množství záměsové vody však musí být vyšší, neboť přispívá ke zmenšení tření mezi zrny kameniva při zpracování bet. směsi. Vodní součinitel poměr hmotnosti vody k hmotnosti betonu w = v / c Hodnota w se pohybuje od 0,35 do 0,8. V průběhu procesu tuhnutí a tvrdnutí se záměsová voda rozdělí do 3 forem: chemicky vázané uvolňuje se z betonu při teplotách 200-7000C fyzikálně vázané absorbované na povrchu jemných částic volné obsažena v dutinách a pórech - odpařuje se Zákon vodního součinitele zvyšující se w snižuje pevnost b. 8
Složky čerstvého betonu Záměsová voda V praxi se uvažuje s množstvím vody odpovídajícímu vodnímu součiniteli v rozmezí 0,35 0,80 Vodní součinitel w je mírou pro vytvoření hodnoty pevnosti cementového kamene a je definován jako hmotnostní poměr množství vody a cementu. 1 0 0% 80 PEVNOST BETONU V TLKU (%) 60 40 20 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 W VODNÍ SOUČINITEL Složky čerstvého betonu Přísady Plastifikátory redukují potřebné množství vody pro dosažení stejné zpracovatelnosti čerstvého betonu o více jak 5%. Superplastifikátory redukují potřebné množství vody o 12%. Stabilizující - zadržují vodu, redukují odmísení vody Provzdušňující vytváří uzavřené vzduchové póry lepší odolnost vůči mrazu a mořské vodě. Urychlující tuhnutí betonu zkracují dobu přechodu čerstvého betonu z plastického do tuhého stavu (má být delší než 30 ) Urychlující tvrdnutí betonu urychlují vývoj počátečních pevností betonu (120 % za 24 hod.) Zpomalující tuhnutí prodlužují dobu přechodu čerstvého betonu z plastického stavu do stavu tuhé látky počátek doby tuhnutí má být o 90 delší a konec o 360 než u obyč. betonu. Složky čerstvého betonu Příměsi práškové látky přidávané do čerstvého betonu za účelem zlepšení některých vlastností nebo k docílení zvláštních vlastností. Přidávají se v množství, které nepříznivě neovlivní vlastnosti betonu. Může to být 10 až 40% z hmotnosti cementu. Typ I. inertní příměsi kamenné moučky barevné pigmenty Typ II. pucolány n. latentně hydraulické látky létavý popílek křemičité látky, úlety 9
Technologie výroby betonu Technologický předpis - musí zajistit požadované vlastnosti betonu Předepisuje: - postup dávkování složek - dobu míchání - způsob dopravy - způsob zpracování (zhutnění) - způsob ošetřování Poměr složek betonové směsi závisí: - na požadované kvalitě betonu (pevnost v tlaku, p) - na požadované zpracovatelnosti (snadné ukládání) - na ekonomických požadavcích Technologie výroby betonu Optimální složení kameniva pro beton musí splňovat: - malou mezerovitost - malý specifický povrch Pozn.: Tomu odpovídá poměr hrubého kameniva k jemnému 3:2 až 2 : 1 Při návrhu betonové směsi se předpokládá, že nosnou kostru betonu tvoří zhutněné kamenivo a výplň cementový tmel (po zatvrdnutí cementový kámen). Většina přírodních kameniv má pevnost v tlaku 2 až 2,5 krát vyšší nežli cementový kámen Výpočtové metody složení čerstvého betonu: podle éreta, Bolomeye, Kennedyho, KVÚ, bramse, Graffa, Webera,Říhy Technologie výroby betonu Mísení čerstvého betonu Čerstvý beton se vyrábí mísením jeho složek: ručním mícháním (zcela vyjímečně) strojně v míchačkách. Míchačky musí umožnit v dané době a požadované kapacitě dosáhnout stejnoměrné rozložení složek a jednotnou zpracovatelnost betonu po ukončení míchání. Při strojním mísení se používají míchačky:(od 0,125 m3 do 5 m3) spádové s nuceným oběhem materiálů kontinuální. Čerstvý beton se vyrábí buď přímo na stavbě, ve staveništních betonárnách, nebo v centrálních betonárnách umístěných v centru potřeby betonu. Oblastní betonárny zásobují oblast značně rozsáhlou. 10
Technologie výroby betonu Ukládání čerstvého betonu Čerstvý beton se po příjezdu autodomíchávače na stavbu přepravuje na místo jeho zpracování kolečky, japonkami, multikárami, dopravníky se sklopnou korbou, nákladními automobily s vanovými korbami, koši na jeřábu a čerpadly na čerstvý beton. Nejnovějšíčerpadla umožňují kontinuální dopravu čerstvého betonu do výšek přesahujících 15 m přesně na místo určení. zhutňování čerstvého betonu Nedokonalé zhutnění může způsobit snížení pevnosti betonu až o 40 % v porovnání s betonem dokonale zhutněným. Vibruje se tak dlouho, až přestanou z betonu unikat vzduchové bubliny, přičemž nesmí dojít k rozměšování složek čerstvého betonu. Technologie výroby betonu Způsob zhutnění: ručně, propichováním nebo pěchováním a dusáním strojně, vibrováním elektrické vibrátory pneumatické vibrátory hydraulické vibrátory vibrace betonů vnitřní venkovní povrchová Kombinovaná vnitřní vibrace ponorné vibrátory vibrační hlavice vibrační tyče venkovní vibrace povrchové vibrátory příložné vibrátory Technologie výroby betonu povrchová vibrace vibrační žehličky, latě, lišty Speciálním druhem zhutnění je také technologie stříkaného betonu (torkretování) 11
Technologie výroby betonu příložná vibrace příložné vibrátory upevněné na dno nebo vnější stěny bednění nebo formy vibrační stolice vibrační stolice s pneumatickým nebo magnetickým upínáním forem speciální druhy vibrace válcování a vibroválcování lisování a vibrolisování vibrotažení odstřeďování Technologie výroby betonu Ošetřování betonu během tuhnutí a počátkem tvrdnutí je nezbytné, aby beton byl udržován v normální teplotě a vlhkostních podmínkách ve vlhkém stavu má být udržován do dosažení 70% požadované krychelné pevnosti, cožčiní 7 dnů u PC a SPC a 14 dnů u VPC beton se má začít kropit po 12 až 14 hod. - aby se z povrchu nevyplavoval cement (nekropí se při teplotě menší než +5 C) k ochraně před odpařováním vody lze použít ochranných krytů, nátěrů, povlaků nebo fólií Technologie výroby betonu Betonování za nízkých teplot (méně než +5 C) nízké teploty a mráz; prodlužují proces tuhnutí a tvrdnutí betonu a snižují jeho konečnou pevnost nejnebezpečnější je působení mrazu během tuhnutí (při začínající hydrataci) > hydratace se přeruší, beton se ledem poruší a po oteplení se rozpadne začne-li mráz po 24 hod., tuhnutí již proběhlo a účinek je méně nepříznivý. Po otepleni hydratace pokračuje, výsledná pevnost však bude nižší jako ochrana betonu při betonování v podmínkách ovzduší ± 0 C slouží předehřívání složek betonu, především vody, aby bet. směs po všech tepelných ztrátách měla při uložení nejméně +5 C. Zhutněný čerstvý beton se chrání tepelně izolačními rohožemi 12
a 2 b Nejdůležitější vlastnosti konstrukčních betonů jsou jeho mechanické a přetvárnostní vlastnosti a jeho trvanlivost v daném prostředí. Pevnost betonu (ČSN EN 206-1) Pevnost je nejdůležitější mechanická vlastnost betonu a vyjadřuje odpor betonu proti změně jeho tvaru a proti jeho porušení působením vnějšího zatížení. Pohlíží-li se na pevnost jako na experimentálně zjištěnou hodnotu pro stanovení výpočtových hodnot pro projektování a pro kontrolu jakosti použitých materiálů jedná se o pevnost technickou. Pevnost statistická je hodnota určená na základě teorie pravděpodobnosti a zajišťuje spolehlivost konstrukce i bez znalosti skutečných nebo teoretických pevností v konstrukci při současném uvažování technické pevnosti Pevnost v tlaku je pro hodnocení betonů nejzávažnější - zkouší se na krychlích - pevnost krychelná, válcích - pevnost válcová a hranolech - pevnot hranolná. Poměr výšky k šířce základny u hranolů bývá 3:1 nebo 4:1, válců 1:1 nebo 2:1. Na vývrtech z konstrukce bývá tento poměr proměnný a zjištěná pevnost se upravuje podle doporučených vztahů na základní rozměry vzorků Vztah mezi pevností krychelnou, hranolnou a válcovou je 1:0,75-0,8:0,7-0,83. pevnost v tlaku max R c = VÁLCOVÁ KRYCHELNÁ HRNOLOVÁ N ZLOMCÍCH TRÁMCŮ d a a1 a 1 a 2 2 d = π = a 2 4 1 a = a 1 a = a b 2 13
h Pevnost betonu v tahu a smyku Pevnosti betonu v tahu rozeznáváme: pevnost v prostém (osovém) tahu, pevnost v tahu ohybem, pevnost v příčném tahu (štípáním). Pevnost v prostém tahu se zjišťuje na hranolech nebo válcích namáháním osovým tahem v podélném směru. Pevnosti v osovém tahu se pohybují v rozmezí 1/8 až 1/15 pevnosti v tlaku. Pevnost betonu v tahu a smyku Pevnosti betonu v tahu rozeznáváme: pevnost v prostém (osovém) tahu, pevnost v tahu ohybem, pevnost v příčném tahu (štípáním). Pevnost v prostém tahu se zjišťuje na hranolech nebo válcích namáháním osovým tahem v podélném směru. Pevnosti v osovém tahu se pohybují v rozmezí 1/8 až 1/15 pevnosti v tlaku. Pevnost v příčném tahu se zjišťuje tlakovým namáháním válců nebo krychlí případně hranolků přes úzké, nejčastěji dřevěné, příložky Pevnosti v příčném tahu jsou opět podstatně nižší než pevnosti tlakové a dosahují hodnot od 1,5 do 4,0 MPa v závislosti na pevnosti betonu v tlaku. Pevnost v tahu ohybem se zjišťuje na trámcích 150/150/700 mm nebo 100/100/400 mm, které jsou zatěžovány ohybovým momentem Pevnost ve smyku se zjišťuje na tělesech takového tvaru, které umožní vyvolat požadovaná napětí ve smyku, ať jednostřižném nebo dvoustřižném Pevnost betonu v tahu Pevnost betonu v tahu ohybem b d l R t 3 l 2 b h max max = R f = 2 14
Pevnost betonu v příčném tahu l d a a h b R t 2 max = π d l 2 a 2 b max max R t = R π 2 t = π h Pevnost betonu ve smyku JEDNOSTŘIŽNÉM: DVOUSTŘIŽNÉM: b h h b R q = max R q max = 2 Modul pružnosti a přetvárnosti Modul pružnosti betonu E je základní přetvárnostní charakteristikou betonu. Je definovaný jako poměr napětí σ k poměrné deformaci ε. 15
Modul pružnosti a přetvárnosti Hookeův zákon platí v oboru pružných deformací, v oblasti deformací nepružných se stanovuje modul přetvárnosti, což je poměr napětí k celkovému poměrnému přetvoření. Jde-li o tlakové namáhání, jedná se o modul stlačitelnosti Hodnoty modulů pružnosti závisí na pevnosti v tlaku a objemové hmotnosti, pro určené třídy betonu jsou uvedeny v normách nebo Eurokódu 2 a pohybují se v rozmezí od 15.000 do 40.000 MPa. Součinitel příčného roztažení nebo také Poissonovo číslo udává poměr mezi příčnou a podélnou deformací osově namáhaného tělesa. Hodnota Poissonovačísla u betonu se pohybuje v rozmezí od 0,08 do 0,20. Hodnoty modulu pružnosti a součinitele příčného roztažení jsou vstupními parametry při výpočtu přetvoření konstrukcí (II. mezní stav). Odolnost betonu proti průsaku tlakové vody Odolnost betonu vůči průsaku tlakové vody má obrovský význam nejen pro vodohospodářské stavby, ale má vliv i na trvanlivost betonových a železobetonových konstrukcí, vystavených vlivům povětrnosti a agresivnímu prostředí. Zkušební vzorek, obvykle krychle o hraně 150 mm je vystaven působení tlakové vody po dobu 72 hodin. Výsledek je hloubka průsaku po stanovené době, která se změří po rozdrcení krychle příčným tahem. Odolnost betonu zmrazování, rozmrazování Je přímo ovlivněna množstvím pórů a dutin ve struktuře betonu. Tyto dutiny jsou prostorem pro hromadění vody, která při mrazech může zmrznout a zvětšením objemu způsobí porušení struktury betonu. Zlepšit mrazuvzdornost lze použitím provzdušňovacích přísad, které v čerstvém betonu vytvoří póry o průměru 0,05 až 0,2 mm, které nejsou vzájemně propojeny. Mírou mrazuvzdornosti je poměr pevnosti střídavě zmrazovaných a rozmrazovaných vzorků k hodnotě pevnosti srovnávacího vzorku nezmrazovaného. Zkouší se pevnost v tahu ohybem a pevnost v tlaku na zlomcích na trámcích 100/100/400 mm Počet zmrazovacích cyklů je 50, 100, 150 a 250 16
Objemové změny betonu Při zrání beton mění svůj objem, nejdříve ve vlhkém prostředí nabývá a potom se beton smršťuje. Tento proces je samovolný a lze jej částečně ovlivnit skladbou betonové směsi, především množstvím cementu a vody. Dotvarování je objemová změna, která vzniká působením trvalého nebo opakovaného zatížení betonové konstrukce. Po odlehčení konstrukce se podstatnáčást deformace vrátí - její pružná část, ale část deformace je již nevratná. (ploužení (creep) Teplotní roztažnost betonu Beton mění své rozměry v konstrukci i při změnách teplot. Při klesající teplotě se smršťuje, při vyšších teplotách se roztahuje. Do výpočtu se teplotní roztažnost uvažuje zavedením součinitele teplotní roztažnosti α = 12.10-6.K -1 Teplotní změny vyvolávají v konstrukcích napětí, která mohou být v extrémních případech nebezpečná. Je nezbytné eliminovat tyto vlivy např. dilatačními spárami apod. Trvanlivost betonu Trvanlivost je schopnost betonu odolávat vlivům prostředí bez jeho porušení nebo podstatného snížení pevnosti po celou dobu předpokládané životnosti konstrukce. 17