VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ AKULTA STAVEBNÍ Prof. Ing. Jiří Adámek, CSc. a kolektiv STAVEBNÍ LÁTKY MODUL BI01-M03 BETON STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU ORMOU STUDIA
Jazyková korektura nebyla provedena, za jazykovou stránku zodpovídá autor. Prof. Ing. Jiří Adámek, CSc.
Stavební látky OBSAH 1 ÚVOD...7 1.1 Cíle...7 1.2 Požadované znalosti...7 1.3 Doba potřebná ke studiu...7 1.4 Klíčová slova...7 2 BETON...8 2.1 Definice (ČSN EN 206-1)...8 2.2 Rozdělení betonů podle...9 2.2.1 Druh použitého pojiva...9 2.2.2 Stupeň vlivu prostředí (tabulka 1 v ČSN EN 206-1)...9 2.2.3 Konzistence čerstvého betonu (tab. 3-6 ČSN EN 206-1)...9 2.2.4 Způsob dopravy čerstvého betonu...10 2.2.5 Způsob uložení čerstvého betonu do konstrukce...10 2.2.6 Způsob zpracování čerstvého betonu...10 2.2.7 Objemové hmotnosti ztvrdlého betonu (ČSN EN 206-1)...11 2.2.8 Pevnostní třídy ztvrdlého betonu (ČSN EN 206-1)...11 2.2.9 Využití ztvrdlého betonu v konstrukcích...12 2.2.10 Zvláštní požadavky na funkci betonu...12 2.3 Složky čerstvého betonu...12 2.3.1 Cementy...12 2.3.2 Kamenivo...14 2.3.3 Záměsová voda...14 2.3.4 Přísady...15 2.3.5 Příměsi...16 2.4 Složení čerstvého betonu...17 2.4.1 Přehled výpočtových metod...17 2.4.2 Návrh složení čerstvého betonu...17 2.4.3 Vodní součinitel...18 2.4.4 Konzistence čerstvého betonu...18 2.4.5 Teplota čerstvého betonu...19 2.5 Technologie výroby betonu...19 2.5.1 Dávkování složek betonu...19 2.5.2 Mísení čerstvého betonu...20-3 (49) -
2.5.3 Ukládání a zhutňování čerstvého betonu... 20 2.5.4 Ošetřování a povrchová ochrana tvrdnoucího betonu... 22 2.5.5 Urychlování tuhnutí a tvrdnutí betonu... 22 2.5.6 Betonování za nízkých a vysokých teplot... 22 2.6 Klasifikace betonů... 23 2.6.1 Klasifikační třídy betonu podle podmínek prostředí... 23 2.6.2 Čerstvý beton... 23 2.6.3 Ztvrdlý beton... 24 2.7 Požadavky na ztvrdlý beton (ČSN 206-1, část 5.5)... 25 2.7.1 Pevnost v tlaku... 26 2.7.2 Pevnost v příčném tahu... 26 2.7.3 Objemová hmotnost... 26 2.7.4 Odolnost vůči průsaku tlakovou vodou... 26 2.7.5 Odolnost proti požáru... 26 2.8 Vlastnosti betonů... 26 2.8.1 Pevnost betonu (ČSN EN 206-1)... 26 2.8.2 Pevnost statistická... 31 2.8.3 Objemová hmotnost... 32 2.8.4 Modul pružnosti a přetvárnosti... 32 2.8.5 Odolnost betonu vůči průsaku tlakové vody... 33 2.8.6 Odolnost betonu vůči střídavému zmrazování a rozmrazování 34 2.8.7 Objemové změny betonu... 34 2.8.8 Teplotní roztažnost betonu... 34 2.8.9 Trvanlivost betonu... 34 2.9 Druhy betonů... 35 2.9.1 Prostý beton... 35 2.9.2 Železový beton... 35 2.9.3 Předpjatý beton... 36 2.9.4 Vodostavební beton... 37 2.9.5 Beton s rozptýlenou výztuží... 38 2.9.6 Vozovkový beton... 38 2.9.7 Živičné betony... 39 2.9.8 Těžký beton... 39 2.9.9 Vysokopevnostní betony (HSC)... 39 2.9.10 Samozhutnitelný beton (SCC)... 40-4 (49) -
Stavební látky 2.9.11 Lehký beton...40 2.9.12 Zvláštní druhy betonů...43 2.10 Kontrolní otázky...46 2.11 Korespodenční úkol...46 2.12 Autotest...47 2.13 Klíč...47 2.13.1 Ke kontrolním otázkám...47 2.13.2 Ke korespodenčnímu úkolu...48 2.14 Závěr...49 2.14.1 Shrnutí...49 2.15 Studijní prameny...49 2.15.1 Seznam použité literatury...49 2.15.2 Seznam doplňkové studijní literatury...49 2.15.3 Odkazy na další studijní zdroje a prameny...49-5 (49) -
Stavební látky 1 ÚVOD 1.1 Cíle Předkládaná učební pomůcka je určena studentům prezenčního a kombinovaného studia v prvních ročnících pobytu na stavební fakultě. Získané znalosti se stanou nezbytnými vstupy při studiu odborných předmětů všech směrů ve vyšších ročnících. Nezbytným doplňkem těchto textů jsou kontrolní otázky, korespondenční úkol, autotest s klíčem ke kontrolním otázkám a korespondenčnímu úkolu, doporučená studijní literatura a seznam norem. V této části studijního textu se seznámíte vlastnostmi betonů, jejich rozdělením a klasifikací. 1.2 Požadované znalosti Pro porozumění studijního textu jsou nezbytné znalosti středoškolské fyziky a a základní laický přehled o problematice. Základní údaje jsou v úvodu studijního textu zopakovány a vysvětleny. 1.3 Doba potřebná ke studiu Doba studia závisí na znalostech čtenáře, obecně se dá říci, že na studium tohoto studijního textu 6 až 8 hod. studia. 1.4 Klíčová slova Beton, cement, přísady, rozdělení betonů, klasifikace betonů - 7 (49) -
2 BETON 2.1 Definice (ČSN EN 206-1) Beton je 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 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 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 - 8 (49) -
Stavební látky 2.2 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 2.2.1 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. 2.2.2 Stupeň vlivu prostředí (tabulka 1 v ČSN EN 206-1) Působení prostředí: takové chemické a fyzikální působení, kterým je vystaven beton, jehož účinky na beton nebo na výztuž nebo na zabudované kovové vložky nejsou uvažovány jako zatížení konstrukce (tabulka 1). Beton je klasifikován ve stupních 1 6. 1. Bez nebezpečí nebo narušení X0 2. Koroze vlivem karbonatace XC1 XC4 3. Koroze vlivem chloridní (ne mořské vody) XD1 XD3 4. Koroze vlivem chloridů z mořské vody XS1 XS3 5. Střídavé působení mrazu a rozmrazování X1 X4 6. Chemické působení XA1- XA3 2.2.3 Konzistence čerstvého betonu (tab. 3-6 ČSN EN 206-1) Pro klasifikaci konzistence čerstvého betonu platí: - 9 (49) -
Tabulka 3 - klasifikace podle sednutí kužele S1-S5 Tabulka 4 - klasifikace podle VeBe V0-V4 Tabulka 5 - klasifikace podle míry sednutí C0-C3 Tabulka 6 - klasifikace podle rozlití 1-6 Konzistence čerstvého betonu se stanoví nejvhodnější metodou podle tab. 3 až 6. Stupně konzistence v těchto tabulkách nejsou přímo vzájemně srovnatelné. Pro postupy při stanovení zpracovatelnosti platí EN 12350 1 až 6. 2.2.4 Způsob dopravy čerstvého betonu Čerstvý beton se od míchačky dopravuje v přepravnících, pasy nebo v autodomíchávačích. Transportbeton je beton dodávaný v čerstvém 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. 2.2.5 Způsob uložení čerstvého betonu do konstrukce Jsou to: monolitické betony, kdy se čerstvý beton dopravuje na stavbu některým ze způsobů uvedených v 2.2.4, 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 2.2.6 Způsob zpracování čerstvého betonu Způsobů zpracování čerstvého betonu je celá řada: betony vibrované betony dusané betony lité betony stříkané betony válcované betony vibrolisované betony odsávané (vakuované) betony odstředěné betony čerpané - 10 (49) -
Stavební látky O způsobu zpracování čerstvého betonu se rozhoduje ve fázi návrhu výroby konstrukce, v tzv. technologickém předpisu výroby. Způsobu zpracování musí odpovídat složení a konzistence čerstvého betonu a technologické zařízení na zpracování čerstvého betonu. 2.2.7 Objemové hmotnosti ztvrdlého betonu (ČSN EN 206-1) Podle objemových hmotností rozeznáváme: lehké betony, které po vysušení v sušárně mají objemovou hmotnost větší než 800 kg/m 3 a menší než 2000 kg/m 3 obyčejné betony, které po vysušení mají objemovou hmotnost větší než 2000 kg/m 3, nepřevyšující 2600 kg/m 3 těžký beton s objemovou hmotností po vysušení větší než 2600 kg/m 3 Dále platí tabulka 9 klasifikace lehkého betonu podle objemové hmotnosti. Betony jsou rozděleny do 6 tříd od D1,0 do D2,0. 2.2.8 Pevnostní třídy ztvrdlého betonu (ČSN EN 206-1) Pro klasifikaci betonu podle jeho pevnosti v tlaku platí tabulka 7 pro těžký a obyčejný beton a tabulka 8 pro lehký beton. V tabulkách jsou uvedeny 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. Charakteristická pevnost je hodnota pevnosti, pro kterou lze očekávat nižší hodnoty nejvýše u 5 % základního souboru všech možných výsledků hodnoceného objemu betonu. Podle tabulky 7 jsou označeny betony s charakteristickou pevností třídou v tlaku od C 8/10 až C 100/115, u lehkého betonu s charakteristickou pevností LC 8/9 až LC 80/88, vysokopevnostní betony C 55/67 a výše a LC 55/60 a výše. - 11 (49) -
2.2.9 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 2.2.10 Zvláštní požadavky na funkci betonu Stavební praxe vyžaduje betony vyráběné podle zvláštních požadavků na jejich funkci: trvanlivé vodostavební mrazuvzdorné provzdušněné rozpínavé korozivzdorné žáruvzdorné tepelně izolační korozivzdorné odolné vůči záření 2.3 Složky čerstvého betonu 2.3.1 Cementy 2.3.1.1 Druhy cementů (ČSN EN 197-1), [2 tab. II.7 str.63] portlandský I portlandský směsný II o portlandský struskový II/A-S, II/B-S - 12 (49) -
Stavební látky o portlandský s křemitý úletem II/A-D o portlandský pucolánový II/A-P, II/B-P, II/A-Q, II/B-Q o portlandský popílkový II/A-V, II/B-V, II/A-W, II/B-W o portlandský s kalcilovanou břidlicí II/A-T, II/B-T o portlandský s vápencem II/A-M, II/B-M vysokopecní III o III/A, III/B, III/C pucolánový IV o IV/A, IV/B směsný V o V/A, V/B hlinitanový (v ČR zákaz používání pro nosné konstrukce, vyrábí se v Maďarsku) 2.3.1.2 Třídy cementů 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. 2.3.1.3 Dávky cementů Minimální dávka cementu CEM II/B-S 32,5 pro nosný beton B5 je 140 kg na 1 m 3 čerstvého betonu (dle DIN 1045). Pro konstrukční železový beton C 12/15 je minimální dávka 240 kg na 1 m 3 č. b při zavlhlé směsi a 300 kg při měkké směsi (dle DIN 1045). Nejvyšší dávka cementu se doporučuje 450 kg na 1 m 3 č. b. Zvyšování této dávky se již výrazně na pevnosti betonu neprojeví. U vysokopevnostních betonů se dávky pohybují i nad 550 kg na 1 m 3 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. Při návrhu složení betonové směsi pro danou třídu betonu pro požadovanou konzistenci směsi a podle místa uložení v konstrukci se v závislosti na zrnitosti kameniva vypočte potřebná dávka cementu. - 13 (49) -
2.3.2 Kamenivo Vhodnost kameniva je prokázána, pokud vyhovuje pr EN 12620:2000 pro hutné a těžké kamenivo a pr EN 13055-1:1997 pro pórovité kamenivo. Běžně se do betonu přidávají frakce kameniva: 0/4, 4/8, 8/16, 16/22 a 16/22 mm. Mezi kameniva drobná zařazujeme kameniva s maximálním zrnem 4 mm, hrubá kameniva v rozmezí 4 32 mm. Těžené a drcené drobné kamenivo písek lze dělit na nejjemnější s max. zrnem do 0,25 mm, jemné s max. zrnem do 1 mm a hrubé od 1 do 4 mm. Hrubé těžené kamenivo od 4 do 32 mm se nazývá štěrk, hrubé drcené kamenivo stejné velikosti drť. Při výběru kameniva, zrnitosti a kategorii, např. plochost zrn, odolnost proti střídavému působení mrazu a rozmrazování, odolnost proti obrusu, jemné částice, je nutno vzít v úvahu: provádění prací konečné použití betonu podmínky okolního prostředí působící na beton případné požadavky na obsažené kamenivo, povrchové úpravy nebo kamenivo pro hlazený povrch Maximální jmenovitá horní mez frakce kameniva (D max ) musí být určena s ohledem na nutnost vytvoření betonové krycí vrstvy výztuže a šířku minimální mezery. Štěrkopísek podle pr EN 12620:2000 je možné použít do betonu pevnostní třídy v tlaku nejvýše C 12/15. Kamenivo získané vypráním čerstvého betonu se může použít jako kamenivo do betonu. Znovu použité, neroztříděné kamenivo se nesmí použít ve větším množství než 5 % z celkového množství kameniva. Pokud kamenivo obsahuje formy SiO 2 reagující na působení alkálií (Na 2 O a K 2 O z cementu nebo jiného původu) a jestliže je beton vystaven vlhkému prostředí, musí se preventivně prokázat jeho vhodnost, aby se zabránilo škodlivým účinkům alkalicko křemičité reakce. 2.3.3 Záměsová voda (ČSN 732028 změna a) 9/1982) K průběhu chemických a fyzikálních pochodů v tuhnoucím a tvrdnoucím betonu je zapotřebí záměsová voda. Ta poskytuje čerstvému betonu určitou poddajnost, aby se dal dobře zpracovávat a hutnit. Pro vlastní hydratační proces je třeba cca 20 25 % vody z hmotnosti cementu, kdy je tato voda spotřebována na úplnou hydrataci cementu, dalších zhruba 15-14 (49) -
Stavební látky % je fyzikálně vázána ve ztvrdlém betonu. Voda musí odpovídat požadavkům ČSN 732028, musí být čistá, málo tvrdá a příslušně teplá (15 ºC). Nesmí obsahovat škodlivé organické látky, jako huminové kyseliny, rašelinu, tuky a oleje a fenolické látky. Při výrobě železového předpjatého betonu je povoleno maximálně 0,05 % hm. chloridů. Recyklovaná voda, získaná z výroby betonu, musí být použita v souladu s podmínkami pr EN 1008:1997. 2.3.4 Přísady Účelem dávkování přísad je zlepšení vlastností čerstvého nebo ztvrdlého betonu. Celkové množství přísad nesmí překročit maximální dávkování doporučené výrobcem a nesmí být vyšší než 50 g přísady na 1 kg cementu. Přísady používané v množství menším než 2 g/1 kg cementu je možné použít pouze rozptýleně v části záměsové vody. Do betonu se používají přísady: plastifikační ztekucující (superplastifikační) zpomalující tuhnutí urychlující tuhnutí provzdušňovávací Přísady se nechávají stejné, použijí-li se různé druhy cementů a záleží i na výrobci cementů. Vždy se musí provést průkazní zkoušky, kterými se prokazuje vhodnost přísady pro případ použití, dávka přísady k dosažení požadovaného účinku. Při využití přísady je nutno dodržet tyto požadavky: účinnost neškodnost nepřítomnost chloridů V některých případech lze používat kombinace přísad. 2.3.4.1 Plastifikační přísady Jsou to povrchově aktivní koloidní látky, které umožní rychlé a úplné smočení blízce uložených zrn cementu a jemnozrnných pevných látek. Zmenšují povrchové napětí na styku zrna cementu s přísadou ve vodním prostředí. Účinek - 15 (49) -
přísad spočívá ve snížení spotřeby vody a ve zlepšení zpracovatelnosti čerstvého betonu. 2.3.4.2 Ztekucující přísady Ztekucující přísady jsou dále vyvíjené plastifikační přísady. Mají silný ztekucující účinek, ale pouze na časově omezenou dobu (do 40 minut), potom ztekucující účinek přestává. Použitím přísady se sníží spotřeba vody, která se projeví zlepšením jakosti betonu, zvýšením počátečních pevností, jednoduchým ukládáním čerstvého betonu a umožněním výroby betonů s vysokými pevnostmi. 2.3.4.3 Zpomalující tuhnutí betonu Používá se tehdy, pokud je potřeba zachovat zpracovatelnost čerstvého betonu delší dobu, než by odpovídalo normálnímu tuhnutí. 2.3.4.4 Přísady urychlující tvrdnutí Tento druh přísad je určen pouze pro speciální použití. Používají se při použití stříkaného betonu nebo u oprav betonu, dochází-li k výronům vody. Dále se využívají tehdy, jde-li o zvýšení třídenních pevností a při ochraně betonu proti zmrznutí jeho povrchu. 2.3.4.5 Provzdušňovací přísady Používají se u betonů ve vodním, silničním a mostním stavitelství, které jsou vystaveny účinkům mrazů a rozmrazovacích solí. Použitím této přísady se ve struktuře betonu vytvoří určité minimální množství mikropórů < 0,3 mm, které nejsou vzájemně propojeny. yzikální procesy, které v betonu probíhají při promrznutí a tání, způsobují poškození v důsledku přítomnosti vody obsažené v betonu. Chemicky vázaná voda není schopna zmrznutí. U fyzikálně vázané vody v gelových pórech dochází k zmrznutí až za velmi nízkých teplot. Provzdušňovacími přísadami se uměle vytvoří prostor pro zvětšení objemu vody při zmrznutí. Provzdušnění se nejlépe má pohybovat mezi 4,0 až 7,0 %. 2.3.5 Příměsi Jsou to práškové materiály, které se přidávají do betonu za účelem zlepšení určitých vlastností nebo docílení speciálních vlastností. Příměsi se dělí na: téměř inertní (druh I) pucolány nebo latentní hydraulické příměsi (druh II) Příměsi druhu I a druhu II se musí použít v množství, které bylo použito při průkazních zkouškách (příloha A ČSN EN 206-1). Příměsi druhu II se mohou vzít v úvahu ve složení betonu pro obsah cementu a vodního součinitele. - 16 (49) -
Stavební látky Vhodnost koncepce k hodnoty je prokázána pro použití popílku a křemičitého úletu. Koncepce k hodnoty umožňuje vzít v úvahu příměsi druhu II při: nahrazení vodního součinitele součinitelem voda/(cement + k) požadavku na minimální obsah cementu (viz 5.3.2 ČSN EN 206-1) Skutečná hodnota k závisí na konkrétní směsi. Koncepce k hodnoty pro popílek podle EN 450. Maximální množství popílku, které lze uvažovat u koncepce k hodnoty, musí vyhovovat požadavku hmotnostního poměru: popílek / cement 0,33 Podobně pro křemičitý úlet: křemičitý úlet / cement 0,11 Mezi příměsi lze zařadit mleté horniny, přírodní moučky a barevné pigmenty. Tyto příměsi se používají především k výrobě samozhutnitelných betonů. 2.4 Složení čerstvého betonu Složení čerstvého betonu musí splnit požadavky na jeho budoucí pevnost, a další požadavky, např. uložení v agresivním prostředí, mrazuvzdornost a další. Ekonomickým kritériem je zajištění požadavků na jeho vlastnosti při minimální spotřebě cementu, který je nejdražší a energeticky nejnáročnější složkou betonu. 2.4.1 Přehled výpočtových metod Pro výpočet složení čerstvého betonu požadovaných vlastností existuje řada metod vycházejících z vlastností vstupních materiálů, požadavku na konzistenci čerstvého betonu a na výslednou pevnost betonu v tlaku. Existuje řada metod výpočtu: podle éreta, Bolomeye, Kennedyho, KVÚ, Abramse, Graffa, Webera a Říhy. Výsledné pevnosti betonů dosažené na zkušebních tělesech po 28 dnech zrání se liší poměrně málo. S rozvojem výpočetní techniky se výpočty značně zjednodušily a především urychlily. Existují software na výpočet složení betonu i podle nové např. ČSN EN 206-1, které zohledňují všechny její požadavky např. [6]. 2.4.2 Návrh složení čerstvého betonu Pro návrh složení čerstvého betonu se nejprve určí všechny požadavky na ztvrdlý beton podle [l]. Tyto požadavky se spolu s dalšími např. požadavky - 17 (49) -
technologickými zadají jako vstupní hodnoty pro program např. UNIBET [6]. Jako vstupy se dále zadají údaje o použitém cementu, kamenivu, vodě, vodním součiniteli, zpracovatelnosti, použitých přísadách a příměsích, množství vzduchu v čerstvém betonu apod. Výsledkem je složení čerstvého betonu, který splní všechny požadavky příslušné normy [1], při uvažování vlastností všech vstupních materiálů a technologických požadavků. 2.4.3 Vodní součinitel Vodní součinitel w je mírou pro vytvoření hodnoty pevnosti cementového kamene a je definován jako hmotnostní poměr množství vody a cementu. Má základní význam, neboť vyjadřuje zákonitost, že za předpokladu úplného zhutnění, zvyšující se hodnota v/c na základě zvyšující se porozity projeví poklesem pevnosti. V praxi se uvažuje s množstvím vody odpovídajícímu vodnímu součiniteli v rozmezí 0,35 0,80. Tyto hodnoty platí pro betony, při jejichž výrobě nebyl použit plastifikátor, ani jiné přísady. Např. u betonů vystavených chemické agresivitě nesmí být překročen v/c = 0,4, příp. 0,55, i když by staticky odpovídající pevnost připouštěla vyšší hodnotu v/c a menší množství cementu (obr.1). 100% 80 PEVNOST BETONU V TLAKU (%) 60 40 20 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 W VODNÍ SOUČINITEL Obr. 2.1 Závislost pevnosti betonu na vodním součiniteli w 2.4.4 Konzistence čerstvého betonu Konzistence čerstvého betonu se vyjadřuje hodnotou zpracovatelnosti, tj. číselnou hodnotou a názvem zkušební metody, kterou se zpracovatelnost kontroluje. Zpracovatelnost se měří různými fyzikálními metodami, založenými na rychlosti přetvoření, rozlévání nebo sedání těles z čerstvého betonu. Podle ČSN EN 206-1 čl. 4.2.1 a EN 12350-2 až 5 rozeznáváme: Zkouška sednutím, kde hodnota zpracovatelnosti je hodnota sednutí komolého kužele z čerstvého betonu po jeho odformování v mm. Hodí - 18 (49) -
Stavební látky se pro řidší směsi a příkladem označení je např. sednutí kužele 120 mm. Stupně sednutí se značí S1 až S4. Zkouška VeBe udává hodnotu zpracovatelnosti jako dobu vibrace v sekundách, potřebnou k přetvoření čerstvého betonu ze tvaru komolého kužele do tvaru válce. Tato metoda je naopak vhodná pro hustší směsi a příkladem označení hodnoty zpracovatelnosti je např. 15 s VeBe. Velmi tuhé směsi mají hodnotu sednutí kužele menší než 10 mm, hodnotu VeBe větší než 30 s. Naopak tekuté směsi mají hodnotu sednutí kužele větší než 100 mm a hodnotu VeBe neměřitelnou, menší než 5 s (EN 12350-3). Stupně VeBe se označí V0 až V4. Zkouška stupně zhutnitelnosti udává tzv. index zhutnitelnosti podle EN 12350-4. Označují se C0 C3. Zkouška rozlitím udává průměr rozlití čerstvého betonu v mm. Klasifikace je v EN 12350-5. Stupně rozlití se označují 1 6. V tabulce 11 ČSN EN 206-1 čl. 5.4.1 jsou uvedeny příslušné tolerance pro určené hodnoty konzistence. 2.4.5 Teplota čerstvého betonu Teplota čerstvého betonu v době dodávání nesmí být menší než +5 ºC. Pokud se požaduje jiná minimální teplota betonu nebo se požaduje maximální teplota, pak musí být uvedena s dovolenými odchylkami. 2.5 Technologie výroby betonu Výroba betonu se provádí podle technologického předpisu, který musí zajistit při daném výrobním zařízení a dodaných základních materiálech požadované vlastnosti betonu. Technologický předpis předepisuje postup dávkování složek, dobu míchání, údaje o způsobu dopravy, zpracování betonové směsi předepsaným způsobem zhutnění a předepisuje způsob ošetřování hotového betonu. Předepisuje také rozsah a způsob kontroly vlastností vstupních materiálů, přesnosti dávkování a kontrolu kvality vyrobeného betonu. Uskladnění složek betonu a manipulace s nimi musí být taková, aby se významně nezměnily jejich vlastnosti. Dávkovací zařízení musí při běžných provozních podmínkách docílit a udržet požadovanou přesnost. 2.5.1 Dávkování složek betonu Hrubé a drobné kamenivo, cement a většina přísad se dávkuje hmotnostně, na vahách, které odpovídají příslušným požadavkům na přesnost. Voda, pórovité kamenivo, přísady a tekuté příměsi se většinou dávkují objemově, na nových mísících centrech hmotnostně. Některé přísady i příměsi se dávkují v procentech vztažených k hmotnosti cementu. - 19 (49) -
2.5.2 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: spádové s nuceným oběhem materiálů kontinuální. Nejvhodnější jsou míchačky s nuceným oběhem, ve kterých pohyb složek betonové směsi probíhá ve složitých křivkách. U tohoto typu míchaček se otáčí vodorovný buben a v protisměru nejčastěji tři lopatky. Obsahy míchaček jsou různé, většinou od 0,125 m 3 do 5 m 3, výjimkou jsou i s obsahem větším. 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, zásadně omezenou přepravními vzdálenostmi a především dobou nezbytnou pro zpracování betonu na stavbě, od jeho míchání v betonárně. Míchačky musí být takové, aby se během míchání dosáhlo rovnoměrného promíchání složek a stejnoměrné konzistence. Automíchače a autodomíchávače musí dodat čerstvý beton v homogenním stavu. 2.5.3 Ukládání a zhutňování 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. Nejnovější čerpadla umožňují kontinuální dopravu čerstvého betonu do výšek přesahujících 15 m přesně na místo určení. Nedokonalé zhutnění může způsobit snížení pevnosti betonu až o 40 % v porovnání s betonem dokonale zhutněným. Betonová směs se do formy nebo do bednění ukládá v několika vrstvách, které se zhutní a následuje další nezhutněná vrstva a její zhutnění. Při zhutňování nesmí dojít k posunu nebo poškození výztuže, kabelů, kotev a bednění. Vibruje se tak dlouho, až přestanou z betonu unikat vzduchové bubliny, přičemž nesmí dojít k rozměšování složek čerstvého betonu. Vibrační technika zaznamenala v posledních letech značný rozvoj a umožňuje téměř dokonale zhutnit čerstvý beton. Způsob zhutnění: ručně, propichováním nebo pěchováním a dusáním strojně, vibrováním - 20 (49) -
Stavební látky o elektrické vibrátory o pneumatické vibrátory o hydraulické vibrátory vibrace betonů o vnitřní o venkovní o povrchová o kombinovaná vnitřní vibrace o ponorné vibrátory o vibrační hlavice o vibrační tyče venkovní vibrace o povrchové vibrátory o příložné vibrátory povrchová vibrace vibrační žehličky, latě, lišty příložná vibrace příložné vibrátory upevněné na dno nebo vnější stěny bednění nebo formy o vibrační stolice o vibrační stolice s pneumatickým nebo magnetickým upínáním forem speciální druhy vibrace o válcování a vibroválcování o lisování a vibrolisování o vibrotažení o odstřeďování. Speciálním druhem zhutnění je také technologie stříkaného betonu (torkretování), kdy se většinou suchá betonová směs stlačeným vzduchem dopravuje ke stříkacímu stroji. Voda se přimíchá až v trysce těsně před ústím pistole pod tlakem cca 0,6 MPa. Může se použít i mokrého způsobu, při kterém se suchá směs předem smíchá s vodou a takto vlhká se žene hadicí do trysky pistole. Prudkým tlakovým nanášením se získá dobrá přilnavost k podkladu a hutnost stříkané směsi. Aby neopadávala nanesená větší zrna kameniva, přidává se urychlovač tuhnutí, který působí během několika minut. Tento způsob se používá při výstavbě tunelů nebo při sanacích betonových konstrukcí. - 21 (49) -
2.5.4 Ošetřování a povrchová ochrana tvrdnoucího betonu Beton je třeba chránit před přímými účinky povětrnostních vlivů, především před přímými slunečními paprsky, před působením intenzivních větrů a před deštěm a mrazem po určitou dobu po zabetonování. Nejdůležitějším aspektem ošetřování betonu je jeho udržování ve vlhkém stavu jeho kropením až do doby dosažení alespoň 70 % požadované krychelné pevnosti. Tato doba je nejméně 7 dní, použije-li se portlandský cement, nebo až 14 dní, použijí-li se cementy směsné. S kropením je třeba začít ihned, jakmile beton dostatečně ztvrdne, aby se nevyplavoval z jeho povrchu cement. Tato doba závisí na způsobu urychlování jeho tvrdnutí a na okolní teplotě, jíž je beton vystaven. V letních měsících lze začít s kropením u neproteplovaných betonů již po 12 až 14 hodinách, u proteplovaných ihned po vyvezení na skládku. Kropit se nesmí, klesne-li teplota vzduchu pod +5 ºC. Beton nemá být vystaven účinkům otřesů a jiných vlivů. Kropení betonů lze nahradit aplikací souvislých těsnících nátěrů, povlaků nebo fólií do 24 hodin, které brání odpařování vody z betonu. Používání těchto metod má však i svá úskalí. Doba ošetřování závisí také na dosažení určité hodnoty nepropustnosti betonu vůči pronikání plynu nebo vody do povrchové oblasti (krycí vrstvy betonu). 2.5.5 Urychlování tuhnutí a tvrdnutí betonu Urychlování tuhnutí a tvrdnutí betonu se provádí fyzikálními nebo chemickými metodami, velmi často jejich kombinací. yzikální metody spočívají buď v odsávání nadbytečné vody z čerstvého betonu nebo na skutečnosti, že hydratační proces probíhá intenzivněji a rychleji při vyšších teplotách betonu. Teplota v betonu by neměla během prvních tří hodin po zamíchání překročit 30 ºC, do 4 hodin 40 ºC. Nárůst teplot nesmí překročit 20 ºC. h -1. Průměrná maximální teplota izotermního ohřevu v betonu by neměla překročit 60 ºC (65 ºC). Pokles teploty betonu při ochlazování nesmí být rychlejší než 10 ºC. h -1. Během proteplování a ochlazování musí být beton chráněn proti ztrátě vlhkosti. Chemické metody aplikují do betonu přísady urychlující tuhnutí a tvrdnutí betonu. Princip spočívá na změně rozpustnosti pojiv působením elektrolytů a nebo urychlujícím vznikem krystalizačních center hydratovaného pojiva vlivem katalyzátorů. Dále se používají přísady reagující s pojivem za vzniku různých sloučenin. Kombinace fyzikální a chemické metody je zvyšování měrného povrchu cementu, zvyšováním jeho jemnosti a zvyšováním jeho hydratačních schopností, aktivací domíláním cementu těsně před jeho použitím. 2.5.6 Betonování za nízkých a vysokých teplot Nižší teploty a zejména mráz prodlužují proces tuhnutí a tvrdnutí betonu. Snižují i jeho konečnou pevnost, obzvláště pak, může-li mráz působit na beton během tuhnutí, když již započala hydratace. V tomto případě se hydratace pře- - 22 (49) -
Stavební látky ruší a rozpínající se led zvětšením objemu poruší začínající soudržnost cementového tmelu a beton se po oteplení rozpadne. Začne-li mráz působit na směs u níž již tuhnutí proběhlo, tj. asi po prvních 24 hodinách od přidání vody, je účinek mrazu méně nepříznivý. Pevnost cementového tmelu je již dostatečná a je schopen se bránit silám vznikajícím od zamrzlé vody. Po oteplení hydratace pokračuje a pevnost betonu dále vzrůstá. Pevnosti betonu však budou nižší než kdyby tvrdnul za normálních teplot. Nerušeně probíhá proces hydratace při teplotách vyšších než + 5 ºC. Jako ochrana betonu při betonování v podmínkách ovzduší kolem ± 0 ºC slouží předehřívání složek betonu, především vody a kameniva tak, aby betonová směs po všech tepelných ztrátách měla při uložení nejméně + 5 ºC. Zhutněný čerstvý beton se chrání tepelně izolačními rohožemi, které brání úniku tepla z čerstvého betonu. Doba ochrany betonu proti mrazu musí být zajištěna dokud pevnost betonu v tlaku nedosáhne hodnoty nejméně 5 MPa, nebo není jinak stanovena projektem. Naopak v letních podmínkách je třeba beton chránit před přímým účinkem slunce a vysychání větrem. Masivní konstrukce je vhodné betonovat v noci. V případě potřeby lze beton chladit, převážně u masivních konstrukcí. S betonáží v letních podmínkách souvisí i doba od namíchání do uložení čerstvého betonu do bednění. Velmi často dochází ke změnám zpracovatelnosti. Je zakázáno používat vodu k rozředění čerstvého betonu s výjimkou ustanovení v ČSN EN 206-1. Jakékoliv požadavky na umělé zchlazování nebo oteplování betonu před jeho dodáním na stavbu musí být odsouhlasen předem mezi výrobcem a odběratelem. 2.6 Klasifikace betonů Klasifikace betonů ve smyslu ČSN EN 206-1 je dělena podle řady ukazatelů: 2.6.1 Klasifikační třídy betonu podle podmínek prostředí Pro klasifikaci betonu z hlediska stupně vlivu prostředí platí tabulka 1 ČSN EN 206-1 a beton je klasifikován v šesti stupních (kap. 2.2). 2.6.2 Čerstvý beton Čerstvý beton je klasifikován podle konzistence a podle největšího zrna použitého kameniva. Pro klasifikaci dle konzistence platí tabulky 3 až 6 ČSN EN 206-1 (2.3). Pokud se beton klasifikuje podle největší frakce kameniva, pak se musí označit podle jmenovité horní meze nejhrubší frakce kameniva v betonu D max. - 23 (49) -
2.6.3 Ztvrdlý beton Klasifikuje-li se beton podle pevnosti v tlaku pro obyčejný a těžký beton, platí tabulka 7 Pevnostní třídy obyčejného a těžkého betonu v tlaku a tabulka 8 pro lehké betony ČSN EN 206-1. Pro klasifikaci se použije charakteristická pevnost v tlaku zjištěná na válcích průměru 150 mm a výšce 300 mm ve stáří 28 dnů (f ck,cyl ) nebo charakteristická pevnost zjištěná na krychlích o hraně 150 mm ve stáří 28 dnů (f ck cu ). V tab. 2.1 a 2.2 jsou uvedeny pevnostní třídy obyčejných, těžkých a lehkých betonů. Tabulka 2.1 Pevnostní třídy obyčejného a těžkého betonu v tlaku Pevnostní třída v tlaku C 8/10 C 12/15 C 16/20 C 20/25 C 25/28 C 30/37 C 35/45 C 40/50 C 45/55 C 50/60 C 55/67 C 60/75 C 70/85 C 80/95 C 90/105 C 100/115 Minimální charakteristická válcová pevnost f ck,cyl N/mm 2 8 12 16 20 25 30 35 40 45 50 55 60 70 80 90 100 Minimální charakteristická krychelná pevnost f ck,cu N/mm 2 10 15 20 25 30 37 45 50 55 60 67 75 85 95 105 115-24 (49) -
Stavební látky Tabulka 2.2 Pevnostní třídy lehkého betonu Pevnostní třída v tlaku LC 8/9 LC 12/13 LC 16/18 LC 20/22 LC 25/28 LC 30/33 LC 35/38 LC 40/44 LC 45/50 LC 50/55 LC 55/60 LC 60/66 LC 70/77 LC 80/88 Minimální charakteristická válcová pevnost f ck,cyl N/mm 2 8 12 16 20 25 30 35 40 45 50 55 60 70 80 Minimální charakteristická krychelná pevnost f ck,cu N/mm 2 9 13 18 22 28 33 38 44 50 55 60 66 77 88 Pokud se lehký beton klasifikuje podle objemové hmotnosti, platí tabulka 2.3 (tab. 9 ČSN EN 2006-1) Třída objemové D 1,0 D 1,2 D 1,4 D 1,6 D 1,8 D 2,0 hmotnosti Rozsah objemové hmotnosti kg/m 3 800 a 1 000 > 1 000 a 1 200 > 1 200 a 1 400 > 1 400 a 1 600 > 1 600 a 1 800 > 1 800 a 2 000 2.7 Požadavky na ztvrdlý beton (ČSN 206-1, část 5.5) Podle ČSN EN 206-1 jsou specifikovány požadavky na : pevnost betonu v tlaku pevnot v příčném tahu objemovou hmotnost odolnost vůči průsaku vody odolnost proti požáru - 25 (49) -
2.7.1 Pevnost v tlaku Pevnost v tlaku se musí vyjádřit jako f c,cu, pokud je stanovena na zkušebních krychlích, a jako f ck,cyl,pokud je stanovena na válcích (EN 12390-1, -2, EN 12350-1). Pokud není stanoveno jinak, pevnost v tlaku se zkouší po 28 dnech. Charakteristická pevnost v tlaku musí být stejná nebo větší než je minimální charakteristická pevnost v tlaku pro požadovanou pevnostní třídu (tab. 2.1 a 2.2). 2.7.2 Pevnost v příčném tahu Pevnost v příčném tahu se musí stanovit podle EN 12390-6 obvykle ve stáří 28 dnů. Charakteristická pevnost betonu v příčném tahu musí být stejná nebo větší, než je požadovaná charakteristická pevnost v příčném tahu. 2.7.3 Objemová hmotnost Podle objemové hmotnosti ve vysušeném stavu je beton definován jako obyčejný, lehký a těžký. Objemová hmotnost se musí stanovit podle EN 12390-7. Připouští se tolerance ± 100 kg/m 3. 2.7.4 Odolnost vůči průsaku tlakovou vodou Odolnost vůči průsaku tlakové vody se určuje na zkušebních tělesech, metoda a kritéria zkoušky musí být odsouhlaseny specifikátorem a výrobcem, a provádí se podle EN 12390-8. 2.7.5 Odolnost proti požáru Beton, který je složen z přírodního kameniva, cementu, přísad, příměsí nebo jiných anorganických materiálů je zatříděn do Euro třídy A a nevyžaduje se zkoušení (ČSN EN 206-1, čl. 5.1.1 až 5.1.6). 2.8 Vlastnosti betonů Nejdůležitější vlastnosti konstrukčních betonů jsou jeho mechanické a přetvárnostní vlastnosti a jeho trvanlivost v daném prostředí. 2.8.1 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. - 26 (49) -
Stavební látky 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. 2.8.1.1 Pevnost betonu v tlaku Pevnost betonu (technická) se stanoví ze zjištěné únosnosti zkušebního vzorku za předpokladu, že se jedná o alespoň statisticky homogenní materiál. K výpočtu se použijí poučky nauky o pružnosti a pevnosti materiálů, ke kterým je prostě nezbytný uvedený předpoklad o homogenitě materiálu. 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. U vyšších poměrů u hranolů i válců bývá únosnost částečně vyčerpána ztrátou stability prvku a nikoliv dosažením pevnosti materiálu. Při zkoušení pevnosti betonu - jako křehkého staviva - se při tlakové zkoušce nezjistí skutečná pevnost v tlaku, protože o pevnosti rozhoduje překročení pevnosti v tahu od příčných napětí. Proto takto stanovenou pevnost v tlaku považujeme za dohodnutou pevnost v tlaku nebo též smluvní pevnost. Krychelná pevnost se liší od pevností hranolné i válcové. Při zatěžování působí mezi tlačnými deskami stroje a tlačnými plochami zkušebního vzorku značné tření, které zabraňuje příčnému roztahování tlačeného tělesa. Dochází k sevření tělesa na obou stranách vzorku, které zvyšuje jeho únosnost (obr.2.2). Z uvedených důvodů je krychelná pevnost vždy vyšší než pevnost zjištěná na hranolech nebo válcích. Tyto dvě pevnosti lépe vyjadřují pevnost betonu v tlaku v konstrukci a nazýváme ji pevností v dostředném tlaku. Vztah mezi pevností krychelnou, hranolnou a válcovou je 1:0,75-0,8:0,7-0,83. ČSN ENV 206 uvádí v tabulce 1 (2.3) vztah mezi válcovou a krychelnou pevností. Poměr se pohybuje v rozmezí od 0,8 do 0,83. - 27 (49) -
1 < PŘÍČNÁ DEORMACE SMĚR TRHLIN KLUZNÁ VRSTVA PŘÍČNÁ DEORMACE TRHLINY TLAKOVÁ ZKOUŠKA KRYCHLE 1 ZKOUŠKA BEZ TŘENÍ SMĚR TLAKU TLAČNÁ PLOCHA SMĚR HUTNĚNÍ BETONU ROZDRCENÁ KRYCHLE TVAR KRYCHLE a) b) Obr. 2.2 Schéma zkoušek krychlí se třením mezi čelistmi lisu a) bez kluzné vrstvy, b) s kluznou vrstvou STANOVENÍ PEVNOSTI V TLAKU: VÁLCOVÁ KRYCHELNÁ HRANOLOVÁ NA ZLOMCÍCH TRÁMCŮ d A A A a A b a 2 a 2 a 1 a 1 R c = A max 2 d A = π A a 1 a2 4 = A a 1 a2 = A = a b - 28 (49) -
Stavební látky V TAHU: OHYBU: b d h A l R t max max = R f = 2 A 3 2 b h l V PŘÍČNÉM TAHU: l a a d h b R t 2 max = π d l R t 2 max max = R π 2 t = π h a 2 b VE SMYKU: JEDNOSTŘIŽNÉM: DVOUSTŘIŽNÉM: b h h A b A R q = A max R q max = 2 A Obr. 2.3 Stanovení pevnosti v tlaku, tahu a smyku - 29 (49) -
2.8.1.2 Pevnost betonu v tahu Pevnosti betonu v tahu rozeznáváme: pevnost v prostém (osovém) tahu, pevnost v tahu ohybem, pevnost v příčném tahu (štípáním). Každá z těchto zkoušek se provádí jiným způsobem zatěžování a na různých tělesech. Schéma provádění zkoušek je zřejmé z obr. 2.3. Pevnost v prostém tahu se zjišťuje na hranolech nebo válcích namáháním osovým tahem v podélném směru. Přesně zabroušené, rovnoběžné užší plochy se nalepí vhodným lepidlem na robustní ocelové desky v tloušťkách nejméně 40-50 mm (u vysokopevnostních betonů), které ve středu mají závit pro zašroubování všestranně otočného kloubu s úchytnou tyčí, která se sevře do čelistí trhacího stroje. Při zkoušce je nutné naprosto přesné zabroušení stykových plošek tak, aby byly prokazatelně rovnoběžné. Dále je třeba při přípravě zkoušek věnovat značnou pozornost vystředění zkušebního hranolku nebo válce mezi čelistmi. Sebemenší excentricita zapříčiní skutečnost, že hranolek není namáhán tahem centricky (osově) nýbrž mimostředně, a získané výsledky jsou touto skutečností zkresleny. 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 (obr.2.3). Jde v podstatě o vyvození soustředěného namáhání, které uvnitř tělesa vyvodí příčné napětí v tahu, které následně rozštípne zkušební vzorek ve svislé ploše spojující obě tlačené příložky. Toto napětí se nazývá pevnost v příčném tahu. Částečně je zřejmá paralela s rozložením napětí po výšce zkušební krychle při zkoušce v tlaku. 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 vyvozeným dvěma osamělými břemeny ve třetinách rozpětí trámce podepřeného na obou koncích. Při postupném zatěžování vznikají ve spodních vláknech trámce tahová napětí a v horních vláknech napětí tlaková. Při porušení tahem ve spodní části trámce se únosnost vyčerpá překročením pevnosti betonu v tahu za současného vzniku trhliny, která se v betonu rychle rozšíří po celé výšce hranolu k tlačenému okraji. Trámec se zlomí, současně nastane částečné drcení betonu v horní tlačené zóně. Porušení hranolku nastane většinou v místě největšího ohybového momentu, tedy v případě betonu mezi břemeny v místě největší nehomogenity materiálu v této oblasti. Po zlomení vzniknou dva zlomky trámce, na kterých je možno stanovit pevnost v tlaku nebo pevnost v příčném tahu. Struktura betonu v oblasti poblíž podpor, kde ohybový moment byl minimální není totiž porušena. Pevnost ve smyku se zjišťuje na tělesech takového tvaru, které umožní vyvolat požadovaná napětí ve smyku, ať jednostřižném nebo dvoustřižném (obr.2.3.). Pevnost v kroucení se běžně nestanovuje. Zkušební těleso, většinou opět válec nebo hranol se nalepí na speciální čelisti a vyvozuje se v nich krouticí moment. - 30 (49) -
Stavební látky Pevnost v kroucení je dána maximálním krouticím momentem při porušení zkušebního tělesa. Podle způsobu zatěžování rozeznáváme pevnost statickou, kdy se zatížení konstantním způsobem zvyšuje v relativním klidu, a pevnost dynamickou, kdy jde o t.zv. pulzování, to znamená neustále se opakující mžikové zatížení. Počet pulzovacích cyklů se pohybuje řádově do 10 6 až 10 9 cyklů. Pevnost statická se stanovuje buď zatěžováním trvajícím několik vteřin nebo minut, potom jde o pevnost krátkodobou, nebo zatěžování trvá několik dnů, týdnů, měsíců i let, a potom se hovoří o pevnosti dlouhodobé. Mezi pevnost statickou a pevnost dynamickou, která má výrazně multicyklický charakter zařazujeme pevnost zkoušenou po cyklickém zatěžování, kdy počet zatěžovacích cyklů bývá velmi nízký a v praxi se podstatě jedná o opakované zatížení. Účinky tohoto způsobu zatěžování zkušebních vzorků a především celých konstrukcí, na př. mostů se projevují na velikosti této pevnosti po málocyklicky opakovaném namáhání. Mluví se o ní někdy jako o pevnosti únavové a zjevně závisí na počtu zatěžovacích cyklů a poměru tohoto namáhání k pevnosti statické. Struktura materiálu se vlivem opakovaného namáhání postupně narušuje,a aktuální pevnost je po každém cyklu nižší. Překročí-li se při tomto zatížení na př. u železobetonových mostů mez tvorby vnitřních mikrotrhlin, dochází po určitém časovém období k významným poruchám konstrukce. 2.8.2 Pevnost statistická Pevnosti betonu v jednotlivých místech zkušebního vzorku i pevnosti jednotlivých zkušebních těles mezi sebou, i když jsou vyrobena ze stejného materiálu a shodně ošetřována, nenabývají s ohledem na řadu technologických vlivů stejných hodnot. Zkoušenou pevnost uvažujeme za náhodnou veličinu. Rozptyl výsledků je tím větší, čím větší je počet různých činitelů ovlivňujících kladné nebo záporné pevnosti betonu. Čím je lépe dodržována technologie výroby, tím je tento rozptyl menší. Pevnost betonu nelze stanovit zkouškou jednoho vzorku betonu, ale je nezbytné provést zkoušek více. Jejich počet i způsob vyhodnocení získaných výsledků je nezbytné určit metodami teorie pravděpodobnosti a matematické statistiky. Na obr.2.4 je zobrazen vztah mezi tzv. směrnou a zaručenou pevností betonu při různých úrovních technologie výroby betonu. - 31 (49) -
ϕ % s=2,7 1 2 PRAVDĚPODOBNOST VÝSKYTU PEVNOSTI 5% 3 s=4,0 s=6,5 MPa 15 20 25 30 35 40 45 29,5 35,7 KRYCHELNÁ 31,6 PEVNOST 50 MPa Obr. 2.4 Vliv různých úrovní technologie výroby na směrnou pevnost betonu Uvádí-li se v jakémkoliv technickém podkladě pevnost betonu a dále se neupřesňuje kvalitativní a jiné technické údaje, jedná se o pevnost betonu v tlaku - o třídu betonu. Betony se podle pevnosti dělí do tříd a příslušné normy nebo standardy specifikují jaké vlastnosti musí mít beton uvedené třídy, jak se označuje, jak se stanovuje a jak se kontroluje (ČSN EN 206-1). Průkazní zkoušky se provádí před zahájením výroby betonu a prokazují vhodné složení betonové směsi zajišťující požadované vlastnosti betonové směsi a betonu a hospodaření s cementem ve vztahu k vlastnostem dosažitelných materiálů a navržené technologii výroby. Kontrolní výrobní zkoušky - slouží k průběžnému ověřování vlastností vyráběné betonové směsi a betonové konstrukce, prováděné v rámci vstupní kontroly jakosti. Provádějí se v procesu výroby. Vzájemné porovnání stávajícího a současného značení tříd betonů je uvedeno v [1] tab. IV.3 a IV.4 na str, 87 a 88). 2.8.3 Objemová hmotnost Hodnocení betonů dle objemové hmotnosti je uvedeno v části 2.2.7 tohoto textu. 2.8.4 Modul pružnosti a přetvárnosti Modul pružnosti betonu E je základní přetvárnostní charakteristikou betonu. Je definovaný jako poměr napětí σ k poměrné deformaci ε.pro případ smykového namáhání je modul pružnosti ve smyku G definován jako poměr tečného napětí τ a zkosu γ. Hookeův zákon platí v oboru pružných deformací, v oblasti deformací nepružných se stanovuje modul přetvárnosti, což je poměr napětí k celkovému po- - 32 (49) -
Stavební látky měrnému přetvoření. Jde-li o tlakové namáhání, jedná se o modul stlačitelnosti. Na obr. 2.5 je zobrazen pracovní diagram betonu v tlaku. Zatímco v pružné oblasti platí Hookův zákon, v oblasti nepružné platí mocninový zákon Bach- Schülleův, což je obdoba Hookova zákona. Součinitel n v mocnině napětí je číslo větší než 1, do 20-30% pevnosti betonu jej uvažujeme hodnotou n=1. 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. Příčná deformace při stlačování v podélném směru vyplývá ze změn ve struktuře zkušebního tělesa. Příčná deformace má vždy opačné znaménko než deformace podélná. Podélnému zkrácení odpovídá příčné roztažení a naopak. Hodnota Poissonova čísla 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). 2.8.5 Odolnost betonu vůči 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. V současné době nelze snadno a jednoznačně převést stávající označení na nové. Odolnost průsaku se stanoví dle ČSN EN 12 390-8 Zkoušení ztvrdlého betonu část 8: Hloubka průsaku tlakovou vodou se odolnost stanovuje jako maximální požadovaný - 33 (49) -
průsak vodou do zkušebního tělesa. Tento údaj se uvede ve specifikaci betonu jako jeden z nepovinných údajů. 2.8.6 Odolnost betonu vůči střídavému zmrazování a 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. Tento poměr nesmí klesnout pod hodnotu 0,75. Počet zmrazovacích cyklů je 50, 100, 150 a 250 (Příloha J ČSN EN 206-1). 2.8.7 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. Smrštění se nepříznivě projevuje vznikem napětí v betonu a posléze vznikem a rozvojem trhlinek. Pravidelným ošetřováním betonu vodou se smršťování sníží. Dotvarování je objemová změna, která vzniká působením trvalého nebo opakovaného zatížení betonové konstrukce. Velikost dotvarování závisí na hodnotě modulu pružnosti betonu, ale současně na podmínkách uložení betonu. Po odlehčení konstrukce se podstatná část deformace vrátí - její pružná část, ale část deformace je již nevratná. Této nevratné trvalé deformaci říkáme ploužení (creep), čisté dotvarování. Se smršťováním a především s dotvarováním je třeba uvažovat při statickém návrhu železobetonových a betonových konstrukcí a především u konstrukcí předpjatých 2.8.8 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. 2.8.9 Trvanlivost betonu Trvanlivost je schopnost betonu odolávat vlivům prostředí bez jeho porušení nebo podstatného snížení pevnosti po celou dobu předpokládané životnosti konstrukce. Nejvíce škodí účinky střídavého zmrazování a rozmrazování, kdy dochází k poruchám struktury betonu. Trvanlivý beton by měl být i vodotěsný aby mohl odolávat např. účinkům rozmrazovacích solí a podobně. Velmi ne- - 34 (49) -