BETON VZTAH MEZI STRUKTUROU A VLASTNOSTMI
BETON vztah mezi strukturou a vlastnostmi Úvod Chemie cementu složení, typy, aplikace Vznik porézní struktury betonu Definice betonu Hydratace cementu Struktura betonu Voda v hydratované cementové mikrostruktuře Póry v hydratované cementové mikrostruktuře Vnitřní a vnější faktory ovlivňující porézní strukturu betonu Vliv porozity na vlastnosti betonu Pevnost Permeabilita Tepelná vodivost Vliv vnějších podmínek na vlastnosti betonu Působení vysokých teplot Vliv nízkých teplot Destrukce betonu vlivem působení agresivních látek
Literatura Chemie ve stavebnictví, O. Henning, V. Lach, SNTL/ALFA, 1983. Stavební hmoty, L. Svoboda a kolektiv, JAGA Group s.r.o., Bratislava, 2004. Czernin, W., Cement Chemistry and Physic for Civil Engineers, Bauverlag GMBH, Berlin, 1980. Powers T. C., The Physical Structure and Engineering Properties of Concrete, Research and Develop. Bull. Of Portland Cement Ass. Skokie, No. 90, 1958. Feldman, R. F., Sereda, P. J., A New Model for Hydrated Portland Cement and its Practical Applications. Engng. Jour. (Canda), 53, 1970, 8-9, 53-59. Midness, S., Young, J. F., Concrete, Prantice-Hall, Inc., New Jersey, 1981, 657s..
Úvod I/VI Jeden z historicky nejstarších stavebních materiálů. V současnosti je to nejčastěji používaný materiál ve stavebnictví důvodem jeho časté aplikace je především všestrannost a univerzálnost vlastností. Množství stavebního materiálu použitého v USA, 2000 Materiál Objem (10 6 m 3 ) Hmotnost (10 6 t) Stavební dřevo 107 - Beton 275 640 Cement 33 105 Ocel 2 13 Pálené cihly a - 39 produkty z jílů Stavební kámen 0.3 1 Asfalt _ 2 Neželezné kovy _ 29
Úvod II/VI Důvod časté aplikace betonu ve stavebním průmyslu je možné zdůvodnit následujícími výhodami betonu: Výhody Možnost odlití specifických tvarů Ekonomické výhody Trvanlivost Požární odolnost Energetické výhody?? Možnost produkce přímo na stavbě Estetické vlastnosti Schopnost tepelné akumulace Nevýhody Nízká pevnost v tahu Nízká tažnost Objemová nestálost Nízký poměr pevnosti ku hmotnosti
Úvod III/VI První významný krokem pro širší produkci betonu představuje poznání hydraulických vlastností vápenných pojiv obsahujících jílové minerály. Historický přehled (vývoj Portlandského cementu): Prvou hmotou, kterou vzhledem k použitým surovinám, způsobu výroby i vlastnostem, můžeme považovat za materiál podobný betonu, byla směs vápna, drcených cihel a sopečného tufu používaná Féničany již kolem roku 1000 př. Kr. ke stavbě vodovodních přivaděčů a zásobních cisteren na vodu. Féničané navazovali nepochybně na starší empiricky získávané znalosti starověkého stavitelství. Ve druhém století př. Kr. vynalezli Řekové novou zdící techniku, kdy masivní kamenná zeď s mezerou uprostřed byla výplní z lité malty a lomového kamene zpevňována a vytvářela zdivo nazývané emplekton
Úvod IV/VI Od Řeků převzali emplekton Římané, propracovali složení výplňové malty skládající se z vápna, sopečného tufu, drceného kamene s pískem a tuto maltu nazvali opus caementum Tento termín se v průběhu vývoje změnil až na dnes jednotný název hydraulického pojiva - cement. Prudký rozvoj průmyslové výroby v 17. a 18. století znamenal i rozvoj výroby staviv, především betonu. V roce 1796 získal Angličan James Parker patent na přírodní hydraulický cement výroba kalcinací nečistého vápence obsahujícího jíl. Obdobný proces je možné pozorovat ve Francii o 6 let později. V roce 1813 připravil Vicat (Vicatův přístroj pro stanovení doby tuhnutí cementu) umělé hydraulické vápno kalcinací syntetické směsi vápence a jílu. V roce 1822 zavedl proces výroby hydraulického vápna v Anglii James Frost. Konečně v roce 1824, Joseph Aspdin (stavitel z Leedsu) obdržel patent na výrobu portlandského cementu
Úvod IV/V Po poznání hydraulických vlastností vápenných pojiv s přidáním jílových minerálů se následující vývoj soustředil výhradně na zdokonalení pojivé složky cementu (úprava složení vstupní suroviny, pece pro výrobu cementu, mlýny, atd.) Během vývoje betonu byla formulována celá řada technologických zásad, které přetrvávají v drobných změnách až do padesátých let 20. století. Kvantitativním skokem v poznání kompozitního charakteru betonu byla až práce T. C. Powerse, který prokázal, že pevnost, trvanlivost, mrazuvzdornost a vodopropustnost jsou funkcí porozity a struktury betonu. Isle of Portland
Úvod VI/VI Současné výzkumné a vývojové práce jsou v podstatě založeny na snaze snížit porozitu betonového kompozitu na minimum. Prvním krokem byl úspěšný vývoj nových typů plastifikátorů umožňujících podstatně snížit obsah záměsové vody a tím snížit množství pórů vzniklých při jejím vypařování během hydratace. Další vývoj přinesl přidání jemných pojiv s latentně hydraulickými vlastnostmi (pucolány), díky čemuž bylo možné zvýšit homogenitu směsi a umožnit dokonalejší hydrataci snížení porozity, nárůst pevnostních charakteristik současných nových typů betonu. Aplikace mikroplniv např. mikrosilika amorfní SiO 2 -křemičitý úlet z výroby kovového křemíku. Mikropřísady mají schopnost vyplnit mikropóry, sníží se tak množství použité vody, dochází k maximálnímu zhutnění, zvýší se pevnost a sníží se pórovitost, reagují také s Ca(OH) 2 dokonalejší prohydratování.
Princip výroby cementu (opakování) 1. Výroba surovinové moučky Na základě přesných chemických analýz se upraví poměr jednotlivých složek surovinové směsi. Jsou to především vápence znečištěné příměsí silikátů a železité konkrece. Surovinová směs je mleta v oběhových kulových mlýnech - homogenizace směsi zároveň je směs sušena. Hotová moučka se poté dopravuje do železobetonových zásobních a homogenizačních sil. 2. Výpal portlandského slínku Nejdůležitějším procesem výroby cementu je výpal slínku. Surovinová moučka prochází výměníkem tepla, ve kterém dochází k předehřátí suroviny na teplotu 800 C. Ve výměníku dochází k využití tepla kouřových plynů a k dokonalému zachycení oxidu siřičitého, který se přeměňuje na síran vápenatý (sádru). Pálením až na mez slinutí (cca 1450 C) se tvoří umělé, tzv. slínkové minerály, které se následným prudkým zchlazením v chladiči stabilizují a vzniká slínek. Slínek je následně dopraven do zásobních sil. 3. Mletí cementu Ze slínkových sil se slínek odebírá pro mletí v cementových mlýnech, kde se mele společně s regulátory tuhnutí (energosádrovec), případně dalšími složkami (struskou, popílkem a jinými) na hotový produkt cement, který je veden do cementových sil a následně expedován.
ZÁKLADNÍ SUROVINY PRO VÝROBU CEMENTU Rozlišujeme tři základní typy surovin pro výrobu cementu: - základní tvoří hlavníčást surovinové směsi: vápenaté vápence, jílovité vápence, slínovce, krystalické vápence (mramory) hlavním minerálem je kalcit (CaCO 3 ), nevhodné jsou dolomitické vápence, tj. karbonátové horniny s vyšším podílem dolomitu CaMg(CO 3 ) 2,-MgOzpůsobuje rozpínání cementu Optimální obsah CaCO 3 ve vápenci je udáván zhruba v rozmezí 75 až 80 hm. %, zbytek připadá na jílovité složky, křemen, sloučeniny železa apod. K takovéto surovině pak není potřeba přidávat jíl nebo další složky obsahující SiO 2,Al 2 O 3,Fe 2 O 3. - jílovité (sialitické) - hlíny, jíly, slíny, jílovce, jílovité břidlice - horniny sedimentárního původu, obsahující zejména jílové minerály (fáze tvořené SiO 2,Al 2 O 3, popř. Fe 2 O 3 a dalšími oxidy) Tyto složky se do surovinové směsi přidávají v případě, že základní složkou směsi je vysokoprocentní vápenec, obsahující příliš mnoho CaCO 3.
- vedlejší suroviny (korigující) přidávají se v menším množství, korekce obsahu hydraulických oxidů, např. Fe 2 O 3,SiO 2 - loužence - kyzové výpražky (při výrobě kys. sírové), ocelárenské kaly (korekce Fe 2 O 3 ), bauxit (korekce Al 2 O 3 ), křemičitý písek, křemelina (korekce SiO 2 ) - snaha o co nejnižší cenu finálního výrobku - použití odpadních látek namísto přírodních surovin - pomocné suroviny použití v malém procentním obsahu, upravují vlastnosti surovinové směsi za syrova nebo v průběhu výpalu - intenzifikátory pro výpal slínku: látky, které při malém přídavku snižují viskozitu kapalné fáze fluorit CaF 2 - pro mletí slínku: látky, které zkracují dobu mletí - mineralizátory: látky, které ovlivňují tvorbu některých slínkových minerálů, - regulátory tuhnutí: látky, které slouží k regulaci průběhu tuhnutí cementu po jeho rozdělání s vodou sádrovec CaSO 4.2H 2 O
Cementářské moduly definují zastoupení hlavních surovin v cementářské směsi Hydraulický modul Nízký hydraulický modul nižší hydratační teplo, pro vyšší hodnoty hydraulického modulu získáváme vysokou počáteční pevnost, optimální hodnota pro hydrataci 1.75 2.4. Silikátový modul H m S m Al 2 CaO 2O3 Fe2O3 SiO2 SiO2 Al O Fe O 3 Čím je větší, tím pomaleji cementy tvrdnou, typické hodnoty se pohybují v intervalu 1.7 2.7. Al2O3 A Aluminátový modul m Fe O 2 Hodnoty v rozsahu 1.5 2.5 čím vyšší, tím vyšší hydratační teplo cementy vyvíjejí. 3 2 3
Reakce v surovinové směsi během výpalu portlandského slínku Teplota ( C) Reakce Chemická rovnice 20-200 vypuzení volné vody (sušení) - 200-450 vypuzení adsorbované vody - 450-600 rozklad jílu, vnik metakaolinitu Al 4 (OH) 8 Si 4 O 10 2(Al 2 O 3 2SiO 2 )+4H 2 O 600-900 reakce metakaolinitu vznik C 2 S a CA (před C 2 S), dále C 2 F Al 2 O 3 2SiO 2 + 5CaCO 3 CaO Al 2 O 3 +2CaO SiO 2 +5CO 2 2CaCO 3 +Fe 2 0 3 2CaO Fe 2 O 3 +2CO 2 900-1000 rozklad vápence, vznik 2CaO SiO 2 acao Al 2 O 3 CaCO 3 CaO + CO 2 5CaO + 2SiO 2 + Al 2 O 3 2(2CaO SiO 2 ) + 1000-1300 vznik dalšího C 2 S, dále vznik C 4 AF a C 3 A, dosavadní reakce bez účasti taveniny (v tuhé fázi) 1300-1450 vznik taveniny (slinování), reakce za účasti taveniny, vázání přebytku C na C 2 S za vzniku hlavního slínkového minerálu C 3 S CaO Al 2 O 3 zkrácené vzorce: 2C + S C 2 S CA + 2C C 3 A CA + 3C + F C 4 AF C 2 S+C C 3 S
Vznik hlavních složek slínku v závislosti na teplotě výpalu
JEMNOST MLETÍ Jemnost mletí je zásadní výrobní operací vzhledem k použití cementu. Jemně mleté cementy rychle hydratují (mají větší měrný povrch), mají větší počáteční a konečné pevnosti, vyvíjejí větší hydratační teplo, při zpracování jsou plastičtější. Minimální jemnost mletí Portlandského cementu je 225 m 2.kg -1. Mletí slínku může být jednostupňové (troubové mlýny s otevřeným nebo uzavřeným okruhem) nebo dvoustupňové, skládající se z krátkého mlýna na hrubé mletí a většího mlýna na jemné mletí. Přísady používané při mletí portlandského slínku: - hlavní (regulátory tuhnutí): sádrovec, dnes v podobě energo- nebo chemosádrovce, - vedlejší (upravují směsnost, jde o přísady s hydraulickými vlastnostmi): vysokopecní granulovaná struska, přírodní nebo umělé pucolány, - speciální (upravují průběh mletí nebo vlastnosti cementu provzdušňovací, plastifikační, hydrofobizační).
VÝPAL SLÍNKU tepelná pásma: do 200 C sušící 200 800 C - předehřívací 800 1200 C - kalcinační (dekarbonizatační) 1300 C exotermické 1400 C 1450 C slinovací 1100 C 1000 C - chladící název vzorec označení zastoupení (%) hydratační teplo (kj.kg -1 ) rychlost hydratace trikalciumsilikát C 3 S alit 37-75 500 rychlá dikalciumsilikát C 2 S belit 5-40 250 střední trikalciumaluminát C 3 A amorfní fáze 3-15 910 tetrakalciumaluminát ferit C 4 AF brownmillerit (celit) velmi rychlá 9-14 420 rychlá oxid vápenatý CaO volné vápno < 4 1160 pomalá oxid hořečnatý MgO periklas < 6 pomalá
Porovnání rychlosti hydratace slínkových minerálů
Základní druhy cementu - v závislosti na složení vstupních surovin, jejich poměru, aplikací dalších pomocných a přídavných látek získáváme celou řadu cementů s odlišným chemickým a mineralogickým složením a tím i zcela odlišných vlastností - z pohledu využití jednotlivých typů cementů ve stavebnictví dělíme cementy na: cementy pro obecné použítí cementy speciální Cementy pro obecné použití definuje technická norma ČSN EN 197-1 ed.2. V této normě jsou cementy pro obecné použití označovány jako CEM a jsou děleny do pěti základních skupin. Všechny tyto cementy mají za základní složku portlandský slínek. Kromě výše uvedeného dělení cementů pro obecné použití do pěti základních kategorií se v označení cementů uvádí také hodnota jejich pevnostní třídy, která představuje pevnost cementové pasty po 28 dnech hydratace. VČeské republice se v současné době vyrábějí pevnostní třídy cementů 32,5, 42,5 a 52,5 (22,5). U rychlovazných cementů dosahujících vysokých počátečních pevností se připojuje označení třídy cementu R. Cementy, která mají standardní dobu, tuhnutí, se označují N.
Stanovení pevnosti cementu - pevnost je nejdůležitější vlastností, zjišťuje se pevnost v tahu za ohybu na trámečcích 40 x 40 x 160 mm a pevnost v tlaku na jejich zlomcích ve stáří 28 dnů Příprava malty pro zkoušení cementu: - zkušební tělesa se zhotovují ze záměsi plastické malty obsahující: jeden hmotnostní díl cementu (450 ± 2g), tři hmotnostní díly normalizovaného písku CEN (3 x 450 g = 1350 ± 5 g), 0.5l vody (225 ± 1 g), vodní součinitel voda/cement 0,50. Zkoušky pevností se nejčastěji provádějí po: 24 hodin ± 15 minut / 48 hodin ± 30 minut / 72 hodin ± 45 minut / 7 dnů ± 2 hodiny / 28 dnů ± 8 hodin.
CEM I Portlandský cement obsahuje portlandský slínek a max. 5% minoritních přísad CEM II Portlandský cement směsný obsahuje portlandský slínek a max. 35% dalších složek CEM III Vysokopecní cement tvořen portlandským cementem a vyšším procentuelním zastoupením vysokopecní strusky CEM IV Pucolánový cement obsahuje portlandský cement a max. 55% pucolánových příměsí CEM V Směsný cement tvořen portlandským cementem, vysokopecní struskou, elektrárenským popílkem a pucolánovými příměsemi
Výše uvedené typy cementů se používají v Evropě. Například v USA se pro klasifikaci cementu používá norma ASTM C150, pro směsné cementy norma ASTM C595. Je nutné zmínit odlišné chápání směsných cementů vevropě av USA, neboť směsné cementy v evropském smyslu se v USA produkují velmi málo, neboť minerální příměsi jsou do struktury betonu přidávány nejčastěji až při míchání čerstvé betonové směsi.
Speciální cementy: od běžných typů cementů liší svým složením, výrobou, a následným mechanismem tuhnutí silniční charakteristický limitovaným obsah C 3 Aveslínku(<8%)a pevností v tahu za ohybu minimálně 6,5 MPa (musí odolávat zvýšenému tahovému a smykovému namáhání), mele se na měrný povrch maximálně 350 až 370 m 2 /kg) hlinitanový cement expanzivní cement vysokohodnotný cement - obsahuje vysoké procento C 3 S, jemně mletý, bílý cement (barevné cementy) vyrábí se z bílých vysokoprocentních vápenců a kaolinu s nízkým obsahem oxidů železa (< 1%), přidání pigmentů barnatý a strontnatý cement -při výrobě je vápník nahrazen baryem a stronciem, betony vytvořené z tohoto cementu odolávají vlivům mořské vody, jsou chemicky stálé a pohlcují škodlivé paprsky jaderného záření (BaCO 3 ) síranovzdorný cement navržen pro použití v prostředí s vysokou koncentrací síranových iontů, musí mít obsah C 3 A<3% cementy upravené přísadami hydrofobními, plastifikačními, fungicidními (sila), provzdušňujícími apod.
Expanzivní cementy Jednu z hlavních nevýhod betonu na bázi Portlandského cementu představuje jeho objemová kontrakce, ke které dochází při jeho vysychání během hydratace (smrštění) pokud je tomuto smrštění bráněno (např. konstrukčně) vzniká v betonu tahové napětí, které může být doprovázeno vznikem trhlin. Náhodné trhliny v betonové kci. jsou jednak neestetické, ale závažnější problém je, že ve svém důsledku mohou narušit integritu celé konstrukce. Z tohoto důvodu je nezbytné již v návrhu konstrukcí tak při jejich provádění zohlednit vliv případného smrštění. Vznik trhlin je kritický zejména pro konstrukce zadržující kapalnou vodu (přehrady, nádrže) a pro konstrukce, ke kterým voda nesmí proniknout. Jako logické řešení problému smrštění se jeví možnost vnesení počátečního objemového rozpínání v betonu v rámci počátečního stádia hydratace a tvrdnutí viz. Obr. ačkoli běžný Portlandský cement vykazuje velmi malou počáteční rozpínavost během mokrého procesu jeho ošetřování, jeho rozpínavost může být cíleně modifikována shrinkage control (expanzivní cementy)
Smrštění betonu při vysoušení - Portlandský cement
Smrštění betonu při vysoušení expansivní cement
Složení expanzivních cementů Všechny tyto cementy jsou založeny na formaci podstatného množství etringitu v počátečním stádiu hydratace (během prvního týdne) V podstatě se vyrábějí tři základní varianty těchto cementů, K, M a S, - liší se původem hlinitanové sloučeniny, ze které je následně při hydrataci tvořen etringit Hlinitan vápenatý + S_ + H etringit Zreagovaný hlinitan vápenatý nahradí C 3 A v cementu, přičemž vápenaté křemičitany zajišťují dlouhodobé vlastnosti materiálu- Příklad: typ E-1(K) využíván jenom v USA, složen z calcium sulfoaluminate (C 4 A 3 S_) s anhydritem (CS_) CaSO 4, společně s volným vápnem zvyšují množství etringitu a tím i objemovou expanzi materiálu
Hlinitanový cement I/IV - HC je hydraulické pojivo pro výrobu betonů určených pro monolitické či prefabrikované stavby pecí a vyzdívky, tzv. žárobetonů (do 1600 C), betony odolné vyšším teplotám (nad 200 C) - surovinovou směs tvoří čistý vápenec a bauxit (Al 2 O 3 2 H 2 O) - výroba je velmi nákladná elektrické tavení v obloukové elektrické peci při 1500-1600 C (tzv. elektrotavený korund), tavenina se pomalu ochlazuje tak, aby vznikl krystalický CA, který se následně mele na prášek - slínek se skládá z 45% Al 2 O 3 (žárovzdorné až 81%), 40% CaO, zbytek tvoří oxidy železa a křemíku a zbytkové příměsi. Výsledné vlastnosti betonu také ovlivňuje nemalou měrou použité kamenivo - slínkové minerály v hlinitanovém cementu CA (monokalciumaluminát, hlinitan monovápenatý) C 2 A (dikalciumaluminát) C 3 A 5, C 3 A 2, C 2 AS, C 4 AF, C 5 A 3
Hlinitanový cement II/IV - slínek po smíchání s vodou rychle hydratuje na CaO. Al 2 O 3.10H 2 O, za uvolnění značného tepla 550-650 J/g (PC 270-400 J/g) a dosahuje vysokých počátečních pevností 20-60 MPa/24 hod Druh a složení hydrátů závisí na teplotě hydratace: 22 C CA+10H CAH 10 22-30 C 2CA+11H C 2 AH 6 +2AH 3 30 C 3CA+12H C 3 AH 6 +2AH 3 nad 30 C 3CA+10H C 3 AH 6 +2AH 3 +18H vysoká pórovitost, tvorba trhlinek pokles pevnosti, proto je nutné snižovat poměr v/c.
Hlinitanový cement III/IV - při nedostatečném ošetřování betonu (vlhčení a to ihned po zatuhnutí), vzniká nebezpečí tvorby málo pevného C 3 AH 6 - na to má vliv i rychle hydratující C 5 A 3 s nestabilní strukturou, která se může projevit snižováním pevnosti betonu během času - to se potvrdilo i několika haváriemi betonových konstrukcí, proto se od roku 1985 u nás nesmí HC používat k výrobě betonu nosných konstrukcí V současné době se hlinitanový beton používá pro nenosné, dočasné nebo vysokoteplotní aplikace: výroba žárobetonů, urychlení tuhnutí a tvrdnutí OPC, havarijní oprava betonových konstrukcí a krytů vozovek, nádrže pro minerální vody, kanalizace (odolnost vůči kyselinám), betonování a opravy za nízkých teplot, průmyslové podlahy, podlahové potěry a samonivelační stěrky, rozpínavé malty a lepidla na dlaždice, ochranné povlaky, těsnící hmoty, podkladové a správkové malty, těsnění trhlin, lokální bariéry proti prosakující vodě.
Pro praktické využití hlinitanového cementu (betonu) je možno zohlednit tyto jeho výhody: extrémně vysoké počáteční pevnosti (jednodenní pevnosti hlinitanového cementu jsou vyšší než osmadvacetidenní pevnosti portlandského cementu), vysoká odolnost proti působení síranů, značný vývin hydratačního tepla (vhodné pro zimní betonáž), odolnost proti působení vysokých teplot, odolnost vůči biokorozi, vyšší odolnost vůči mrazu ve srovnání s portlandským cementem.
Žárobeton, beton odolný vyšším teplotám - kamenivo - pro výrobu hutných žárobetonů s objemovou hmotností vyšší než 1500 kg na metr kubický, vystavených teplotám do 700 C postačí přírodní kamenivo Přírodní kamenivo nesmí při vyšší teplotě měnit své mechanické vlastnosti a nesmí se vlivem vysoké teploty smršťovat. Nejvhodnějšími přírodními kamenivy pro hutné žárobetony je čedič, diabas a nebo andezit. Naprosto nevhodnými kamenivy jsou křemenná kameniva a žula. Křemenná kameniva vlivem vysoké teploty pukají a žula se vlivem vysoké teploty nadměrně smršťuje. - pro hutné žárobetony vystavené teplotám v rozsahu 800 C až 1000 C již nelze použít přírodní kamenivo Pro tyto teploty lze použít buď drcený keramický střep a nebo drcenou pomalu chlazenou vysokopecní strusku. Pro teploty nad 1000 C lze použít jako kamenivo drcený šamot, korund, karborundum, drcený bauxit anebo chromit.
Vznik porézní struktury betonu Definice betonu: Z pohledu materiálového inženýrství můžeme beton definovat jako heterogenní soustavu kameniva propojenou cementovým gelem s rozptýlenými póry. Beton nelze považovat za hmotu, jejíž vlastnosti jsou neměnné - probíhají v něm časově závislé změny, ke kterým dochází v pojivu (ztvrdlé cementové maltě) a v zóně mezi touto hmotou a kamenivem vlivem krystalizace hydratačních sloučenin, odpařování vody z pórů i vlivem vnějšího působení na beton Vznik betonu je vázán na přeměnu pojivé složky cementu, který po smíchání s vodou chemicky reaguje a mění svou počáteční konzistenci vysokoviskózní vodné suspenze cementové pasty, na pevnou formu hmoty - cementový gel
Teorie tvrdnutí cementu krystalová teorie Le Chateliera (1882): 1. fáze postupné rozpouštění cementu ve vodě (hydrolýza+hydratace), výsledkem hydráty přesycený roztok 2. fáze krystalizace z roztoku a vylučování jehličkovitých, vzájemně zplstěných krystalů koloidní teorie Michaelisova (1892): 1. fáze částečné rozpouštění, tvorby koloidní hmoty z CS-, CA- a CF-hydrátů, vznikají tzv. C-S-H gely 2. fáze smrštění hydrogelu vlivem vnitřního odsávání vody ještě nehydratovanými zrny cementu gelově krystalová teorie Bajkova (1923) teorie tvorby mikrostruktury Rebinděra a Polaka (1960) teorie struktury gelu Powerse (1961) atd. Obecně je možné se přiklonit k názoru, že tvrdnutí a tvorba pevné cementové matrice probíhá na principu gelověkrystalické teorie.
Hydratace cementu - probíhá ve třech indukčních periodách 1. perioda: (10 15 minut) -téměř okamžitě reaguje podstatná část C 3 S za vzniku hydrosilikátového gelu a krystalického portlanditu 2(3CaO.SiO 2 ) + 6H 2 O 3CaO.SiO 2.3H 2 O + 3Ca(OH) 2 - zároveň probíhá také reakce C 3 A za přítomnosti sádrovce na hexagonálně krystalický ettringit, který postupně přechází na monosulfát tvořící destičky 3CaO.Al 2 O 3 + 3CaSO 4.2H 2 O + 26H 2 O 3CaO.Al 2 O 3.3CaSO 4.32H 2 O 3CaO.Al 2 O 3.3CaSO 4.32H 2 O + 2(3CaO.Al 2 O 3 ) + 4H 2 O 3(3CaO.Al 2 O 3.CaSO 4.12H 2 O) monosulfát
vznik elektrické dvojvrstvy, dané nepohyblivou silikátovou vrstvou a pohyblivými ionty Ca 2+ -uvolňování Ca 2+ a OH nukleace a krystalizace hydratačního produktu na konci indukční periody Počáteční stádia hydratace C 3 S
Hydratace cementu II 2. perioda: ( končí po 12 24 hodinách) - spojena s přechodem cementové pasty do tuhého skupenství - základní hydratační reakce trikalcium silikátu se rozvíjí za vzniku dlouhovláknitého kalciumhydrosilikátu a zvětšených krystalků portlanditu - dochází k nárůstu měrného povrchu systému až 100x - zrna cementu se k sobě přibližují prorůstáním krystalů hydratačních produktů - probíhá hydratace ferritové fáze 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 0 3 + 4CaO(OH) 2 + 22H 2 O 4CaO.Al 2 O 3.13H 2 O + 4CaO. Fe 2 0 3.13H 2 O
3. perioda: Hydratace cementu III - časově neohraničený úsek tvrdnutí betonu zahrnující hydrataci C 2 S - dozrávání,hydratace dosud nezhydratovaného podílu cementových zrn a rekrystalizace hydratačních produktů vlivem difúze vody z vnějšího prostředí 2(2CaO.SiO 2 ) + 4H 2 O 3CaO.2SiO 2.3H 2 O + Ca(OH) 2 Množství hydratačního tepla závisí na mineralogickém složení, jemnosti mletí a teplotě, při níž hydratace probíhá, přísadách a přídavcích a vodním součiniteli. S rostoucí teplotou se rychlost reakcí zvyšuje.
Pokročilé stádium hydratace C 3 S (Afwillit CSH gel nedokonalé krystalické formy, CSH I (lístečkovité útvary) a CSH II (vláknitý)
Struktura ettringitu, portlanditu a C-S-H gelu v hydratujicim portlandskem, cementu, zvětšeni 3500x
Hydratující reaktant Produkt hydratace Celkové hydratační teplo [J/g] C3S C3S.3H2O 502,3 C2S C2S.2H2O 259,5 C3A C3A.6H2O 866,5 C3A C2A.8H2O 983,7 C3A CA.10H2O 1050,7 C3A CA.11,6H2O 1092,5 C3A C3A.3CaSO4.32H2O 1452,5 C4AF - 418,6 CaO Ca(OH)2 1167,5
Struktura betonu I Makrostruktura hodnocená podle řezu betonového prvku a hodnocena pouhým okem, ukazuje beton jako dvousložkový materiál, který obsahuje kamenivo různých velikostí a tvarů a pojivo, jako nesouvislou vrstvu zhydratovaného cementu propojující kamenné plnivo makrostruktura betonu
Struktura betonu II Mikrostruktura mikroskopické pozorování např. elektronovým mikroskopem struktura pojiva je v různých místech značně rozdílná, zdánlivě homogenní pojivo má porézní strukturu o různé velikosti a tvaru pórů propojení póry je závislé především na vodním součiniteli, složení betonu a ošetřování během hydratačního procesu mikrostruktura betonu
Struktura betonu III Elektronová mikroskopie umožnila identifikovat čtyři základní pevné složky zhydratované cementové pasty: Kalcium silikát hydrát (C-S-H) Kalcium hydroxid (C-H) Kalcium sulfoalumináty (C-S-A-H) Nezhydratovaná cementová zrna
CSH CSH
Etringit Portlandit (CH)
Pozorování a detekce alkalicko-křemičité reakce v betonu pomocí SEM Přenos trhlin do okolního cementového gelu Křemičité kamenivo s extenzivními vnitřními trhlinami v důsledku ASR
Pozorování a detekce ASR v betonu pomocí SEM II Tvorba alkalicko-křemičitého gelu v trhlinách betonu V části trhlin je přítomen také etringit
Struktura betonu IV Kalcium silikát hydrát (C-S-H), C-S-H gel - zaujímá 50-60% objemu a je určujícím faktorem vlastností cementového gelu - má variabilní morfologický obraz a je charakteristický existencí krystalických vláken až po vláknité mřížkovité útvary - tvorba C-S-H gelu začíná růstem vláknitých útvarů na cementových zrnech vlivem reakce s vodou - s postupem času se tloušťka hydratující složky zvyšuje a stává se pro další vodu nutnou k postupu reakce překážkou snižuje se hydratační rychlost
Struktura betonu V Kalcium hydroxid (C-H), portlandit - zaujímá 20 25% objemu pevné fáze zhydratované cementové pasty - vytváří rozměrné hexagonální krystaly -je mu přisuzován nepříznivý vliv na chemickou odolnost betonu především v kyselém prostředí Kalcium sulfoalumináty (C-S-A-H) - zaujímají 15 25% objemu -v počátečním stádiu tvrdnutí jsou zdrojem tvorby etringitu, který posléze transformuje na monosulfát hydrát C 4 ASH 18, který tvoří hexagonální krystaly - zhoršuje odolnost betonu vůči síranům Nezhydratovaná cementová zrna jejich přítomnost a množství jsou závislé na vodním součiniteli betonové směsi, velikosti cementových zrn a kameniva, stupni hydratace.
Průběh hydratace cementového zrna 1 nezhydratovaný zbytek zrna, 2 vnitřní C-S-H hydrát, 3 vnější C-S-H hydrát, 4 dendritické krystalky portlanditu, 5 hranice zrna na počátku hydratace
Voda v hydratovaném cementovém pojivu I Voda je stálou složkou mikrostruktury ztvrdlé cementové pasty (cementové gelu). Kapilární voda - volná voda v makropórech (>0,05 mm) a v technologických dutinách závislá na vnějším prostředí uloženého betonu, změna jejího množství nemá podstatný vliv na mechanicko-fyzikální parametry betonu - voda přítomná v malých kapilárách je oproti tomu pevně poutána a její ztráta se projevuje smršťováním - fyzikálně adsorbovaná voda na povrchu struktury hydratačních útvarů při vysušování betonu se projevuje smršťováním - uvnitř C-S-H struktury je monomolekulární vrstva vody pevně zakotvená vodíkovými můstky při relativní vlhkosti nižší než 11% vede k razantní objemové změně ztvrdlé cementové pasty
Voda v hydratovaném cementovém pojivu II Chemicky vázaná voda - je součástí sloučenin vzniklých hydratací cementu - její odstranění je možné pouze působením vysokých teplot a vede k samotné destrukci betonu model Feldman, Sereda
Póry v hydratovaném cementovém pojivu póry ve struktuře betonu je třeba dělit a klasifikovat v souladu s jejich vznikem při výrobním procesu (přechod z heterogenní viskózní suspenze na pevnou formu hmoty) gelové póry, kapilární póry a technologické póry (vzniklé při míchání stržením okolního vzduchu, uzavřené kulové póry úmyslně vytvořené přidáním přísad, póry kameniva ) póry kameniva se obvykle pohybují v rozsahu 1 5%, vápenec např. 24% představy o uspořádání porézní struktury C-S-H se měnily v závislosti na kvalitě experimentálních metod a zařízení nemění se však definice gelových pórů, které jsou definovány jako součást struktury C-S-H gelu
Klasifikace pórů v hydratované cementové pastě
Původní představa uspořádání C-S-H gelu podle Powerse a Brownyarda
Model struktury C-S-H gelu podle Feldmana a Seredy
Vnitřní a vnější faktory ovlivňující porézní strukturu chemický proces tvrdnutí betonu je ovlivněn celou řadou vnitřních a vnějších faktorů, které rozhodují o jeho výsledných vlastnostech - velikost pórů i jejich distribuce jsou časově závislé parametry chemické složení slínku jemnost mletí slínku vodní součinitel v/c (zpracovatelnost betonové směsi) ošetření betonu teplota, při které probíhá hydratace
značná disperze zrn cementu ve vodě, během následného zrání zůstává část záměsové vody v kapilárních pórech (v/c např. 0.8) nízký vodní součinitel (např. 0,4) - při zamíchání zrna cementu v bližším kontaktu, následně se vytvoří vyšší objemový podíl hydratačních produktů
Rozdělení pórů dle jejich velikosti v tvrdnoucí cementové pastě po různé době hydratace
Vliv vodního součinitele na distribuci pórů betonu Kumulativní objem pórů (cm 3 /g pasty ) Velké kapiláry Průměr pórů Malé kapiláry Vodní součinitel Gelové zásadní vliv na strukturu porézního prostoru hydratované cementové pasty má velikost vodního součinitele, případně vliv přidání plastifikačních a superplastifikačních přísad, které v podstatě snižují množství záměsové vody až na minimální hodnoty z pohledu zpracovatelnosti betonové směsi. póry
Vliv teploty hydratace na porézní strukturu betonu obecně platí, že zvýšená teplota hydrataci urychluje a její pokles vede ke snížení reakční rychlosti hydratace zastavení hydratace za hraniční teplotu je považována teplota -10 C nastartování hydratace při nižší teplotě vede k tvorbě struktury s převažujícím podílem dobře vyvinutých krystalů tobermoritu (Ca 5 [Si 3 O 8 (OH)] 2 2-5H 2 O zvýšení celkové pevnosti rychlá počáteční hydratace při zvýšené teplotě vytváří tlustší zónu kolem zrn slínku, která je málo propustná pro vnější vodu a hydratace se zbrzdí vliv na průběh a velikost smršťování (tahová napětí, doprovázená zužováním kapilár rychlost odpařování vody)
Zpracovatelnost betonové směsi zpracovatelnost je vlastnost betonové směsi se pohybovat a být zhutňována nutné sledovat pro dopravu, čerpání, ukládání a vhodné zalití ocelové výztuže (pohyblivost) zhutnitelnost je nezbytná vlastnost pro vypuzení zachyceného vzduchu z čerstvého betonu pomocí vibrace zajištění vysoké hutnosti betonu a soudružnosti s výztuží měření zpracovatelnosti pomocí sednutí kužele (ČSN EN 12350-2 - Zkoušení čerstvého betonu - Část 2: Zkouška sednutím): - pokles výšky betonového vzorku, který je naplněn do formy tvaru kužele (Abramsův kužel) o výšce 300 mm - stanovení tříd konzistence S1 S5
Rozdílné sednutí kužele betonů s různou třídou konzistence
Příklady sednutí a použití betonů s různou konzistencí - volba vhodné zpracovatelnosti je ovlivněna typem konstrukce (hustotou výztuže, tvarem a velikostí konstrukce) a hutnící technikou - kromě válcovaného betonu a posuvného bednění je pro většinu bet. konstrukcí vhodná zpracovatelnost S3 (měkká) S5 (tekutá) - čím více výztuže a složitější tvar konstrukce (bednění) tím vyšší třída zpracovatelnosti
Měření zpracovatelnosti zkouška VeBe (ČSN EN 12350-3) - použití pro zavlhlé směsi, u nichž se neprojeví sednutí kužele -měří se čas, za kterou bude celá deska v kontaktu s betonem
Zpracovatelnost a spolehlivost konstrukcí - dobře zpracovatelný beton vyžaduje méně účinné zhutňování (menší požadavky na kvalitu pracovní čety)
Účinek vibrace na strukturu betonů - beton o vyšší zpracovatelnosti je spolehlivější zajištění pevnosti a celistvé struktury i bez vibrování - kaverny u S1 představují riziko z pohledu koroze výztuže i betonu
Stupeň zhutnění - stupeň zhutnění (d c ) betonové konstrukce se stanovuje z jádrového vývrtu z konstrukce a ze vzorku dokonale zhutněného betonu, který byl zhotoven pro zkoušky 28denní pevnosti d c = d/d 0 d.. objemová hmotnost jádrového vývrtu d 0 objemová hmotnost dokonale zhutněného vzorku
Stupeň zhutnění ve vztahu k pevnosti betonu
Vliv porézního prostoru na vlastnosti betonu I porézní struktura je charakterizována porozitou, měrným objemem pórů, specifickým povrchem pórů a jejich distribuční funkcí vliv na pevnost betonu v tlaku S S e kp 0 S pevnost hmoty o dané porozitě p porozita S 0 pevnost materiálu o nulové porozitě k konstanta (charakteristika materiálu) U betonu komplikuje otázku vztahu porozity a pevnosti v tlaku problém mikrotrhlin, které vznikají v průběhu zrání smršťováním především v zóně mezi ztvrdlou cementovou pastou a kamenivem (transition zone).
Pevnost v tlaku vs. porézní prostor pro různé druhy cementových malt po 28 dnech
Pevnost v tlaku v závislosti na čase tvrdnutí a změna pórovitosti v čase
Závislost pevnosti v tlaku na porozitě ztvrdlé cementové pasty
Vliv porézního prostoru na vlastnosti betonu II vliv na tepelnou vodivost - tepelná vodivost betonu je závislá na pórovitosti a s tím spojeném obsahu vody v pórech, přičemž stupeň nasycení ovlivňuje hodnotu součinitele tepelné vodivosti více než porozita
Vliv porézního prostoru na vlastnosti betonu III permeabilita K (propustnost) -určuje průchodnost kapalin betonem a má přímou vazbu na trvanlivost s ohledem na odolnost proti působení cyklického zmrazování a vysušování (vnitřní namáhání porézní struktury) - definována Darcyho zákonem dq dt K H L -dq/dt rychlost toku kapaliny - viskozita kapaliny - H gradient tlaku - A plocha tělesa - L tloušťka tělesa
Změna vodopropustnosti cementové pasty v závislosti na postupující hydrataci (v/c = 0.7)
Vliv vnějšího prostředí na ztvrdlou porézní strukturu cementového pojiva I účinek vysokých teplot - komplexní jev, který závisí především na: složení betonu (w/c, typu a obsahu kameniva, typu cementu) hutnosti a homogenitě betonu zatížení betonové konstrukce během požáru teplota, doba vystavení apod.
Vliv vnějšího prostředí na ztvrdlou porézní strukturu cementového pojiva II působení vysokých teplot - negativní vliv zvýšení teploty okolního prostředí na beton je spojen se ztrátou vody v cementovém pojivu provázené se zásadními změnami pórovitosti - volná a kapilární voda se postupně odpařují změna objemu, smršťování
Vliv vnějšího prostředí na ztvrdlou porézní strukturu cementového pojiva III působení vysokých teplot -při teplotě 150 C dochází ke ztrátě gelové vody a krystalické vody sulfoaluminátu - cca od 500 C se začíná rozkládat portlandit (narušení mikrostruktury cementového pojiva) - betony obsahující křemenné pojivo mění při teplotě cca 573 C beta formu SiO 2 na alfa - úplné rozložení cementového pojiva nastává při teplotě vyšší než 800 C úplný rozklad CaCO 3 -měření pomocí termické analýzy
Termická analýza vzorků hydratovaného cementového pojiva
Termická analýza vzorků hydratovaného cementového pojiva, materiál ZR
Křemen polymorfní materiál Polymorfismus (mnohotvárnost): existuje několik forem Modifikace: v současnosti známo 22 forem křemen (nízkoteplotní) romboedrická =2,65 g cm -3 -tridymitromboedrická 2,26 g cm -3 - cristobalit tetragonální 2,32 g cm -3
Fázový diagram křemene
Chování betonu při požáru - trvanlivost betonové konstrukce při vystavení žáru může být definována jako její schopnost zachovat v případě požáru původní funkci udržet statické vlastnosti, ochrana ocelové výztuže - vliv teploty na pevnost v tlaku betonu s křemičitým kamenivem
Chování betonu při požáru II - pokud je teplota žáru nižší než 750 C je snížení pevnosti betonu u betonu s uhličitanovým kamenivem nižší než v případě křemenného kameniva - vysvětlováno vyšší spotřebou tepla na endotermickou reakci při rozkladu na oxid uhličitý při teplotě cca 800 C
Chování betonu při požáru III - lehké betony s expandovaným jílem vykazují při požáru vyšší odolnost - zároveň mají i lepší tepelně-izolační vlastnosti ochrana výztuže
Ochrana ocelové výztuže v betonu krytí výztuže - ocelová výztuž ztrácí svoje mechanické vlastnosti při teplotách 450 500 C - zásadní význam má tloušťka a vlastnosti krycí vrstvy, která by měla udržet teplotu výztuže pod 450 C - beton v krycí vrstvě musí být dobře zhutněn (v případě lokálních poruch z důvodu nedostatečného zhutnění mohou horké plyny pronikat až k výztuži a zahřívat ji) - tepelná vodivost výztuže vyšší než betonu (cca 50 W/mK > 2 W/mK) větší deformace výztuže (rozpínání) porušení vazby mezi výztuží a betonem oddělení krycí vrstvy - čím tlustší je krycí vrstva, tím nižší riziko lokálních trhlin vedoucích k výztuži
ŽB konstrukce po požáru
Vliv nízkých teplot na vlastnosti betonu - rozrušování porézní struktury cementové pasty je způsobeno změnou skupenství vody v kapilárních pórech - pro beton vystavený působení mrazu musí být použito mrazuvzdorné kamenivo -přeměna je provázena objemovým nárůstem o cca 9% - vnitřní pnutí tahové napětí ve struktuře betonu - porušení betonu může dojít pouze tehdy, když je stupeň nasycení (objem vody/objem pórů) vyšší než určitá prahová hodnota, tzv. kritické nasycení závislé na porézní struktuře betonu
Tři základní faktory pro zajištění mrazuvzdornosti betonu 1. Snížení objemu kapilárních pórů (0.1 10 m) v cementové pastě dosáhneme snížením vodního součinitele zabránění pronikání vody z vnějšího prostředí do betonu (snížení nasákavosti) 2. Provzdušnění betonu - zanesení uzavřených pórů (bublin) o průměru 100 300 m do struktury betonu, vzdálenost těchto pórů (spacing) 50-250 m, celkový objem dutin cca 4-6% z objemu betonu uvolnění vnitřního napětí v betonu se vzrůstajícím objemem ledu je do těchto pórů tlačena tekutá voda nutnost blízkosti vzduchových bublin a kapilárních pórů, kde se mohou tvořit první krystalky ledu Při tání je voda transportována z velkých pórů opět do malých kapilárních pórů. 3. Použití hutného, mrazuvzdorného kameniva (účinek provzdušnění funguje pouze pro cementovou matrici)
Po vícenásobném zatížení zmrazovacími cykly může dojít k částečnému zaplnění vzduchových bublin hydratačními produkty betonová konstrukce může po určitém čase ztratit svou mrazuvzdornost!!! Mrznutí a tání v prostředí nasyceném rozmrazovacími solemi: - mostní konstrukce (desky, nosníky, uzávěry) vozovky, chodníky, apod. - jako rozmrazovací prostředky se používá nejčastěji NaCl, CaCl 2 - nutno počítat také s jejich doprovodnými účinky: Působení NaCl účinek chloridových iontů, které způsobují korozi výztuže účinek Na+ iontů možnost alkalicko-křemičité reakce s reaktivním kamenivem
Příklady koroze ocelové výztuže Fe FeO Fe 3 O 4 Fe 2 O 3 Fe(OH) 2 Fe(OH) 3 Fe(OH) 3 3H 2 0 nárůst objemu korozních produktů
Působení CaCl 2 opět porušení pasivační vrstvy výztuže koroze ŽB konstrukcí reakce mezi CaCl 2 a cementovou pastou (portlanditem) odlupování a vyluhování betonu vznik oxichloriduvápenatého 3(Ca(OH) 2 ) + CaCl 2 + H 2 O 3CaO CaCl 2 15H 2 O koroze výztuže odlupování krycí vrstvy
koroze výztuže, tvorba trhlin v důsledku koroze
rozpad betonových desek na mostě po působení CaCl 2 jako posypové soli
Hodnocení mrazuvzdornosti betonu před dodáním betonu na stavbu musí být laboratorně ověřena jeho mrazuvzdornost stanovení součinitele mrazuvzdornosti k (%) v ČR nejčastěji dle ČSN 73 1322 Stanovení mrazuvzdornosti betonu - výpočet z dynamických modulů pružnosti, pevností v tahu za ohybu, pevností v tlaku k = 100 E n /E 0 E n (Mpa) dynamický modul pružnosti po n zmrazovacích cyklech (-20 C/20 C 4h), měřeno nedestruktivně z rychlosti šíření ultrazvukových vln v materiálu E n (Mpa) dynamický modul pružnosti po 28 dnech ošetřování betonu bez zmrazovacích cyklů - mezní hodnota součinitele mrazuvzdornosti pro mrazuvzdorný beton je 75%
Vliv součinitele prostorového rozložení vzduchových pórů - pokud je vzdálenost vzduchových pórů > 300 m výrazný pokles součinitele mrazuvzdornosti pod limitní hodnotu nutno upravit množství provzdušňovací přísady, případně složení betonové směsi
Destrukční chemické reakce V zásadě všechny látky, jejichž ph je menší než 12,5 snižují alkalitu tekutiny vyplňující póry a vytvářející rovnováhu mezi hlavními složkami zhydratované cementové pasty C-S-H a C-H. Účinnost a rychlost škodlivých reakcí je funkcí agresivity daných substancí a porozity. Široká škála látek, které jsou agresivní vůči betonu běžně se v ovzduší a spodní vodě vyskytuje např. CO 2, SO 2, SO 3, SO 4, N0 x a Cl - Reakce vzdušného CO 2 s Ca(OH) 2 vede ke vzniku CaCO 3 v povrchové zóně betonu, kde klesá postupně ph až pod hodnotu 9.0, která je považována za mezní pasivační hranici zaručující přirozenou ochranu ocelové koroze vůči korozi objemový nárůst profilu výztuže vytváří napětí v betonu, odloupávání, destrukce. Účinek látek obsahujících ionty NO 3, SO 4 a Cl je dán tvorbou krystalických látek vzniklých reakcemi s hydratačními sloučeninami cementové pasty výkvěty, rekrystalizace, krystalizační tlaky narušují vnitřní strukturu betonu
Klasifikace betonu ČSN EN 206-1 Beton - Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda podle objemové hmotnosti Obyčejný 2 000-2 600 kg m -3 Lehký 2 000 kg m -3 Těžký > 2 600 kg m -3 podle pevnosti podle charakteristické pevnosti v tlaku v MPa zjištěné na válcích o průměru 150 mm a výšce 300 mm (číslo před lomítkem) podle charakteristické pevnosti v tlaku v MPa zjištěné na krychlích o hraně 150 mm ve stáří 28 dní (číslo za lomítkem) C8/10, C12/15, C 16/20, C 20/25, C 100/115 LC 8/9, LC 12/13, LC 80/88
Podle konzistence čerstvého betonu stupně podle jednotlivých zkušebních metod Podle sednutí kužele S1-S5 Podle VeBe V0-V4 Podle zhutnitelnosti C0-C3 (Směs velmi tuhá, tuhá, plastická, měkká) Podle rozlití F1-F6 Podle největší frakce kameniva Podle způsobu (technologie) výroby Přímo na staveništi Transportbeton Podle vyztužení Prostý (neobsahuje výztuž se statickou funkcí) Železobeton (vyztužený ocelovými pruty nebo svařovanými sítěmi) Předpjatý beton (ocelová výztuž je předepnuta) Vláknobeton (obsahuje vlákna různých materiálů) Podle účelu použití (funkce): Konstrukční Výplňový Podle doplňkové funkce betonové konstrukce: Vodostavební Konstrukčně-izolační (pórobeton) Silniční Masivní Dekorační (pohledový)
Light transmiting concrete (Litracon) beton obsahující 4 hm. % optických skleněných vláken vykazuje dostatečné pevnosti pro použití do nosných konstrukcí (pevnost v tlaku až 49 MPa, pevnost v ohybu 7.7 MPa) vyráběn jako prefabrikované prvky a panely používá se především pro architektonické prvky a design
Evropská brána, Komárom, Maďarsko
Vstup do muzea Cella Septichora, Pécs, Maďarsko
Fruängen Church, Stockholm, Švédsko
Specifikace betonu = souhrn všech požadavků na vlastnosti nebo složení čerstvého i ztvrdlého betonu pro jeho výrobu, přepravu, ukládání, zhutňování, ošetřování a další úpravu - nedílnou součástí projektu betonové konstrukce i zadáním pro výrobce betonu Musí obsahovat: způsob použití čerstvého i ztvrdlého betonu podmínky ošetřování betonu údaje o rozměrech konstrukce (vzhledem k vývoji hydratačního tepla) informace o působícím prostředí požadavky na úpravu povrchu požadavky na max. jmenovitou horní mez frakce kameniva omezení pro použití některých složek Beton specifikován jako typový, nebo předepsaného složení
Specifikace typového betonu základní požadavky ČSN EN 206-2 Základní požadavky specifikace od objednatele: Pevnostní třída betonu v tlaku Stupeň vlivu prostředí bez nebezpečí koroze nebo narušení, koroze vlivem karbonatace, koroze vlivem chloridů (ne z mořské vody), koroze vlivem chloridů z mořské vody, působení mrazu a rozmrazování s rozmrazovacími prostředky nebo bez nich, chemické působení Max. jmenovitá horní mez frakce kameniva Kategorie obsahu chloridů Stupeň konzistence nebo určená hodnota konzistence (transportbeton) Pro lehký beton objemová hmotnost, nebo její třída Podrobně v Stavební hmoty, L. Svoboda a kol., JAGA, Bratislava 2004.
Specifikace typového betonu II Pevnostní třída betonu v tlaku
Specifikace typového betonu III Pevnostní třída lehkého betonu v tlaku
Specifikace typového betonu IV Stupeň vlivu prostředí podrobně pdf 1. Bez nebezpečí koroze nebo narušení 2. Koroze vlivem karbonatace 3. Koroze vlivem chloridů, ne však z mořské vody 4. Koroze vlivem chloridů z mořské vody 5. Působení mrazu a rozmrazování (mrazové cykly) s rozmrazovacími prostředky nebo bez nich 6. Chemické působení 7. Koroze vlivem mechanického působení (obrus)
Přísady do betonu Plastifikátory Superplastifikátory Urychlovače tuhnutí a tvrdnutí Zpomalovače (retardéry) tuhnutí a tvrdnutí Provzdušňovací činidla Přísady chemické látky, které se do betonové směsi přidávají těsně před nebo v průběhu míchání významně mění počáteční vlastnosti betonu i betonu zatvrdlého přínos k optimalizaci fyzikálních vlastností betonu ekonomický benefit -přísad se do betonu aplikuje pouze malé množství typicky v rozsahu 1 až 2% hmotnosti cementu (i méně)
Plastifikátory - nárůst tekutosti a zpracovatelnosti cementové pasty, malty a betonu - jedná se o polymerní látky s dlouhým řetězcem - hlavní typy založeny na kyselině lignosulfonové a hydroxycarboxylové a jejich různých solích - jsou relativně levné, na druhou stranu však obsahují velké množství nečistot - plastifikační účinek je způsoben povrchovou aktivitou polymerních molekul, které jsou adsorbovány na povrchu cementových zrn tvorba negativního náboje v rozsahu milivoltů vzájemné elektrostatické odpuzování cementových zrn
Cementová zrna bez aplikace plastifikátoru shluky zrn Aplikace plastifikátorů
Adsorpce plastifikátorů na povrchu cementových zrn Disperze cementových zrn a uvolnění vázané vody zvýšení tekutosti směsi
Plastifikátory - jsou také známy jako látky snižující množství záměsové vody umožňují vytvořit beton o stejné zpracovatelnosti při nižším poměru w/c nárůst pevnosti a trvanlivosti při stejném obsahu cementu - od svého vzniku v 50. letech minulého století nárůst jejich aplikace Významné a pro některé aplikace nežádoucí vlastnosti plastifikátorů -působí také jako zpomalovače zpomalení doby tuhnutí a snížení počáteční pevnosti - mohou také provzdušnit beton v důsledku vzniku vzduchových bublin - problémem je jejich nečisté chemické složení na druhou stranu se jedná o látky relativně levné a jsme schopni jejich reakci cíleně modifikovat a optimalizovat
Superplastifikátory -více účinné než plastifikátory použití pro dosažení tekutosti a zpracovatelnosti - označovány jako high-range water reducers - na trh poprvé uvedeny v šedesátých letech 20. století od té doby byly nepřetržitě modifikovány a stále častěji používány v praxi - mají vysokou molekulární hmotnost a vyrábí se v podstatně vyšší kvalitě (čisté látky) než plastifikátory -může být dosaženo jejich vysokého primárního účinku bez sekundárních nepříznivých efektů - superplastifikátory představují jednu z nejdůležitějších složek vysokohodnotných a vysokopevnostních betonů
V současnosti se používají čtyři základní druhy superplastifikátorů 1. Modifikované lignosulfonany (MLSs) čisté chemické složení lignosulfanových plastifikátorů s vyšší molekulovou hmotností vyšší účinnost 2. Sulfonované melaminformaldehyd kondensáty (SMFs) sodná sůl 3. Sulfonované naftalenformaldehyd kondensáty (SNFs)- sodná sůl 4. Polymery obsahující skupiny kyseliny karboxylové, např. Polykarboxyláty (PCLs) polyakryláty, akrylové ethery (PCE - polycarboxylatethery), sulfonované polystyreny vyvinuty nedávno, označovány jako superplastifikátory nové generace
Chemická struktura superplastifikátorů q, p počet monomerů etylenoxidu (EO) v řetězci PC, PE, SLCA
-princip působení superplastifikátorů je obdobný působení plastifikátorů způsobují vzájemné odpuzování cementových zrn a prostorovou blokaci cementových zrn molekulami vody Steric hindrance prostorová blokace cementových zrn molekulami vody působením pl. a superplastifikátorů dojde k vytvoření ochranného štítu pomocí molekul vody, jejichž orientace zabraňuje kontaktu cementových zrn MLMs, SMFs, SNFs elektrostatické odpuzování cementových zrn PCLs prostorová blokace působí ve stejné míře jako elektrostatické odpuzování - formování molekul polycarboxylového superplastifikátoru na povrchu cementových zrn
Hřebenovité molekuly polycarboxylového superplastifikátoru na povrchu cementových zrn schematické znázornění působení PC
Schematické znázornění působení PE na cementová zrna
Příklad ztekucovacího efektu různých plastifikačních přísad měřeného pomocí zkoušky rozlivu na cementové maltě
Chování superplastifikátorů ve vazbě na jejich přímé působení v betonu chování jakékoliv kombinace superplastifikátoru a cementu závisí na celé řadě vnějších a vnitřních faktorů -především na typu přísady, složení cementu, jemnosti cementu a na vodním součiniteli w/c pro optimální přínos superplastifikátoru k vlastem betonu je vhodné jeho dávkování cca 1 2 minuty po prvním kontaktu cementu se záměsovou vodou -v případě, že je superplastifikátor aplikován ve stejném čase jako záměsová voda - jeho podstatná část je začleněna do rychlé reakce C 3 A se sádrou redukce zpracovatelnosti
působení superplastifikátorů je časově limitováno v některých případech, jako např. při transportu na větší vzdálenost problematické ztráta zpracovatelnosti superplastifikovaného betonu při teplotě 20 C na bázi polykarboxylátu (PC) a sulfonovaného naftelenformaldehydu (SNF)
Metody zpomalení superplastifikační reakce - smíchání retardéru hydratace společně se superplastifikátorem -přidání superplastifikační přísady na staveništi před aplikací betonu - opakované přidání superplastifikačních přísad v malém definovaném množství pro specifický poměr plastifikátoru/hm. % cementu existuje ztv. bod nasycení nebo optimální koncentrace, za kterou již nenarůstá tekutost betonové směsi viz. obrázek
Stupeň nasycení v závislosti na obsahu plastifikátoru vztaženého k hmotnostním procentům cementu
Posun ukončení hydratace -u běžného superplastifikátoru na PCE bázi je cca 6 hodin dávkování 0.4% z hmotnosti cementu (při vyšším dávkování časový posun vyšší) - plastifikátor Woerment FM 375 krátké základní řetězce (dlouhé postranní řetězce) slabší spojení s cementovým zrnem převažuje prostorové působení polymer se může od cementového zrna oddělit a na jiném místě zase přilnout lepší reagovatelnost zrn cementu s vodou vyšší počáteční pevnosti v porovnání s běžnými PCE (výhodné např. pro betonáž v zimním období)