Stavební hmoty a dílce: Beton, železobeton a výrobky předem vyrobené z betonu a železobetonu - prefabrikáty Celkový přehled Ing. Martin Schmieder Technický a zkušební ústav stavební Praha, s.p. pobočka Plzeň 1
Co je to beton? Beton Směs pojiva, plniva a vody. Mikro snímek (50x) Makro snímek 2
Beton Co je to beton? Kompozitní materiál Kde matrici tvoří hydraulické pojivo a výztuž anorganické plnivo. Po smíchání hydraulického pojiva s vodou dochází k chemické reakci slínkových minerálů (trikalcium silikát, dikalcium silikát, trikalcium aluminát a tetrakalcium aluminoferit), vytvoří se hydrosilikátový C-S-H gel ze kterého postupně krystalizuje etrringit jehož krystaly tvoří, vzájemným prorůstáním, pevnou hmotu. Jedná se o exotermickou reakci. 3
Beton Beton je: Beton je kompozitní materiál na bázi silikátového pojiva a anorganického plniva. Při tuhnutí váže okolní pevné materiály a po tvrdnutí tvoří pevnou strukturu. nejčastěji: Cementový beton (cement - hydraulické pojivo) ale taky: Asfaltový beton obalovaná směs z asfaltu a kameniva tzv: balená směs, balená (asfalt druh živice, složená z uhlíku, vodíku a kyslíku Organická chemie) Slovník pojmů: Kompozitní materiál (kompozit): matrice s výztuží, složen ze dvou nebo více látek (materiálů) jenž ve své kombinaci mají nové (lepší) vlastnosti než samostatně. Zjednodušeně, principem kompozitních materiálů je docílit aby platilo: 1 + 1 = 3 Silikáty: křemičitany, jsou kyslíkové sloučeniny křemíku SiO 2 Hydraulicita: schopnost reagovat s vodou s následným tvrdnutím Cement: hydraulické pojivo, anorganický materiál který po smíchání s vodou vytváří kaši a následně tuhne a tvrdne Pojivo: látka schopná vázat ostatní materiály v pevný celek Plnivo: pevná látka (materiál) dodávající pevnost celku Tuhnutí: změna z tekutého stavu do pevného Tvrdnutí: lidově zváno zrání, období kdy ještě probíhají chemické reakce a materiálu narůstá pevnost 4
Beton Složky betonu Cement, voda, kamenivo, přísady a příměsi Přísady přidávají se do vody Příměsi přidávají se do kameniva Jednotlivé komponenty: Cement Norma: ČSN EN 197-1 Cement Část 1: Složení, specifikace a kriteria shody cementů pro obecné použití CEM I Portlandsky cement CEM II Portlandsky cement směsný CEM III Vysokopecní cement CEM IV Pucolánový cement CEM V Směsný cement Voda Norma: ČSN EN 1008 Záměsová voda do betonu. () Kamenivo Norma: ČSN EN 12620 Kamenivo do betonu Původ (lom, výrobce), druh (těžené, plavené, recyklované), frakce» kamenivo (přírodní, umělé, recyklované)» hutné kamenivo (2 000 kg/m 3 až3 000 kg/m 3 )» pórovité kamenivo» těžké kamenivo ( nad 3 000 kg/m 3 ) 5
Cement Hydratace cementu 4/4 Stupeň reakce Chemicképrocesy Fyzikální procesy Mechanickévlastnosti I. Předindukční perioda (první minuty) Rychlépočáteční rozpouštění alkalických síranů a aluminátů. Počáteční hydratace C 3 S. Vznik fáze AFt. Vysoká rychlost uvolňování hydratačního tepla. Změny ve složení kapalnéfáze mohou ovlivnit tuhnutí. II. Indukční perioda (první hodiny) Úbytek silikátů. Tvorba nukleí CH a C-S-H, Ca 2+ vroztoku dosahuje úrovně přesycení. Tvorba produktů počáteční hydratace. Nízká rychlost uvolňování hydratačního tepla. Postupný růst viskozity. Vznik AFt a ATm fází ovlivňující pevnost. Hydratace vápencových silikátů určuje počátek a konec indukční periody. III. Urychlující stupeň (3-12 hodin) Rychlá chemickáreakce C 3 S za vzniku C-S-H a CH. Snížení stupně přesycení Ca 2+ ionty. Rychlátvorba C-S-H vedoucí kreálnéstruktuře za současného snížení pórovitosti. Rychlý vývin hydratačního tepla. Změna plastickévpevnou konzistenci (počátek a konec tuhnutí). Vznik počátečních pevností. IV. Konečný stupeň Vznik fází C-S-H a CH řízený difuzí. Přeměna ettringitu vmonosulfát. Výraznáhydratace belitu. Snížení vývinu tepla. Postupnésnižování pórovitosti. Vývoj pevnéstruktury. Postupný nárůst pevností. Pórovitost a morfologie hydratovaného systému předurčuje konečnou pevnost a trvanlivost cementu. 6
Hydratující cement, který již dospěl do fáze kdy se vytvořily jehličkovité útvary etrringitu Cement 7
Ettringit, 10 μm Cement 8
Cement Ettringit, 20 μm 9
Beton dle ČSN EN 206-1 Beton Definován: ČSN EN 206-1 Beton Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda Status: určená EN norma Značení betonu: Ztvrdlý beton: C = concrete (ENG) = beton (CZ) Pevnost: C 8/10 až C 100/115, LC 8/9 až LC 80/88 Stupeň vlivu prostředí: X0, XC1 až XC4, XD1 až XD3, XS1 až XS3, XF1 až XF4, XA1 až XA3 Čerstvý beton: Sednutí kužele, S1 až S5 Zkouška Vebe, V0-V4 Zhutnitelnost, C0 až C3 Rozlití, F1 až F6 Dle třídy největší frakce kameniva: D max Třída objemové hmotnosti (jen u LC betonu): D 1,0 až D 2,0 (po 0,2) Tato norma neplatí pro: pórobeton, pěnobeton, beton s otevřenou strukturou, jednozrnný beton), beton s objemovou hmotností menší než 800 kg/m3, žáruvzdorný beton 10
Složky betonu Terminologie beton (concrete): materiál ze směsi cementu, hrubého a drobného kameniva a vody, s přísadami nebo příměsemi nebo bez nich, který získá své vlastnosti hydratací cementu čerstvý beton (fresh concrete): beton, který je zcela zamíchán a je ještě v takovém stavu, který umožňuje jeho zhutnění zvoleným způsobem ztvrdlý beton (hardened concrete): beton, který je v pevném stavu a má již určitou pevnost beton vyráběný na staveništi (site-mixed concrete): beton, který byl odběratelem vyroben na staveništi pro vlastní potřebu transportbeton (ready-mixed concrete): beton, dodávaný v čerstvém stavu osobou nebo organizací, která není odběratelem betonu; transportbeton ve smyslu této normy je také: beton vyráběný odběratelem mimo staveniště; beton vyráběný na staveništi, ale ne odběratelem. prefabrikovaný betonový výrobek (precast concrete element): betonový výrobek zhotovený a ošetřovaný na jiném místě, než je jeho konečné použití obyčejný beton (normal-weight concrete): beton, který má po vysušení v sušárně objemovou hmotnost větší než 2 000 kg/m 3, ale nepřevyšující 2 600 kg/m 3 lehký beton (light-weight concrete): beton, který má po vysušení v sušárně objemovou hmotnost větší než 800 kg/m 3 a menší než 2 000 kg/m 3 ; je vyráběn zcela nebo jen zčásti z pórovitého kameniva těžký beton (heavy-weight concrete): beton, který má po vysušení v sušárně objemovou hmotnost větší než 2 600 kg/m 3 vysokopevnostní beton (high-strength concrete): beton, který má pevnostní třídu v tlaku větší než C 50/60 pro obyčejný a těžký beton a LC 50/55 pro lehký beton 11
Beton dle ČSN EN 206-1 Beton Prostý beton (tak jak ho zná ČSN EN 206-1) je odolný vůči působení tlaku, při zatížením tahem je jeho pevnost 0,10-0,15 pevnosti v tlaku. Proto se do betonu dává ocelová betonářská výztuž: Lehký betony jsou kromě běžného plniva (kameniva) opatřeny plnivem s výrazně nižší objemovou hmotností, cílem je snížení hmotnosti konstrukce nebo vylepšení tepelně technických parametrů materiálu např. kuličky polystyrenu, lehké kamenivo na bázi expandovaného jílu (Liapor / keramzit) Železobeton kde má beton přenášet tlakové namáhání a chránit výztuž před korozí a betonářská ocel přenáší tahová a smyková napětí, Předepjatý železobeton do ocelových lan je při výrobě (sestavování) vneseno napětí (ocelová lana se natáhnou ) a tím dojde po odformování k stažení betonu (ocel se snaží vrátit do původní délky). U subtilnějších prvků tím může dojít k viditelnému navýšení v polovině rozpětí vnesení opačné deformace (průhybu) než jak bude později prvek zatížen na stavbě Vlákno- a drátko- betony jsou beton doplněny o volně rozptýlenou výztuž. Výztuž je přidána do záměsy v míchačce, kontroluje se hmotnost vláken nebo drátků na 1 m 3 ztuhlého betonu 12
Beton dle ČSN EN 206-1 Drátkobeton 13
Beton dle ČSN EN 206-1 Beton v lomu 14
Beton dle ČSN EN 206-1 Beton příklady značení LC 25/28 D1,6 XD1 D max 16 LC lehký beton 25/28 pevnost betonu v tlaku (válcová / krychelná) D1,6 objemová hmotnost betonu > 1 400 a 1 600 kg/m 3 XD1 třída odolnosti prostředí: středně mokré, vlhké D max 16 největší frakce kameniva C 35/45 XF4 D max 8 C beton (normální) 35/45 pevnost betonu v tlaku (válcová / krychelná) XF4 třída odolnosti prostředí: značně nasycen vodou s rozmrazovacími prostředky D max 8 největší frakce kameniva 15
Beton dle ČSN EN 206-1 Dáno normou: ČSN ISO 13822 Zásady navrhování konstrukcí - Hodnocení existujících konstrukcí, Tabulka NC.1 Druhy a značky betonů v historii a dnes 16
Beton dle ČSN EN 206-1 Mechanické vlastnosti betonu 17
Beton Betony jiné Další druhy betonu: Pěnobeton Vyrovnávací vrstvy podlah, objemová hmotnost 330 350 kg/m3 Anhydrit lité podlahy, samonivelační podlahy beton s otevřenou strukturou (jednozrnný beton) beton s objemovou hmotností menší než 800 kg/m3 žáruvzdorný beton Hlinitanový cement Sklobeton (luxfera) je tvořen portlandským cementem, skleněnými vlákny a dalšími přísadami 18
Vše okolo betonů Hydratační teplo betonu 1/2 Během hydratace, jakožto chemické reakce, dochází kuvolnění tepelné energie (exotermická reakce). Teplo se ale neuvolňuje rovnoměrně po dobu hydratace, nýbrž je závislé na postupně reagujících slínkových minerálech a na jejich reaktivnosti. Kromě chemického složení slínku ovlivňuje hydrataci a vyvinuté hydratační teplo také jemnost mletí slínku a vodní součinitel. Reaktanty, reakční produkty a typické hydratační teplo je uvedeno v tabulce. Pozn: H v tabulce je zjednodušená chemická značka pro H 2 O. Reaktant I C 3 S β-c 2 S C 3 A C 3 A C 3 A C 3 A Reaktant II H H CH+H H CŜ. H 2 +H CŜ. H 2 +H Reakční produkt CSH+CH CSH+CH C 4 AH 19 C 3 AH 6 C 4 AŜ. H 12 C 6 AŜ 3. H 12 Hydratační teplo kj/kg kj/mol 520 118 260 45 1160 314 910 245 1140 309 1670 452 C 4 AF CH+H C 3 (A,F)H 6 420 203 19
Vše okolo betonů Hydratační teplo betonu 2/2 3,50 Všechny vzorky pcvc, prvních 24 hodin 3,25 3,00 Měrný hydratační výkon[mw/g] 2,75 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 pc vc 0,35_1 pc vc 0,35_2 pc vc 0,4_1 pc vc 0,4_2 pc vc 0,5_3 pc vc 0,6_1 pc vc 0,6_2 pc vc 0,7_1 pc vc 0,7_2 0,00 0:00:00 2:00:00 4:00:00 6:00:00 8:00:00 10:00:00 12:00:00 14:00:00 16:00:00 18:00:00 20:00:00 22:00:00 24:00:00 Čas [h:m:s] Pasta cementová, průběh hydratace, prvních 24 hodin hydratace 20
Vše okolo betonů Jemnost mletí cementu Specifický měrný povrch [m 2 /kg] 274 Rychlost tuhnutí počátek / konec [min] 355 / 595 475 75 / 110 680 30 / 40 851 7 / 8 21
Vše okolo betonů Vodní součinitel c/v Vodní součinitel má zásadní vliv na pórovitost výsledného betonu a tímto se výrazně podílí na celkových mechanicko-fyzikálních vlastnostech betonu. Vodní součinitel označuje bezrozměrnou jednotku jenž je poměrem záměsové vody ku cementu. Vodní součinitel je podíl množství záměsové vody v betonu k množství cementu. Vpraxi se běžně používá v/c 0,55 až 0,65 bez použití plastifikátorů Jsou-li použity plastifikátory pak se vodní součinitel pohybuje v rozmezí 0,35-0,50 U vysokopevnostních betonů, kde jsou i jiné důležité parametry (vysoká jemnost mletí, použití plastifikátorů, vysokopevnostní kamenivo), se dosahuje hodnot vodního součinitele 0,24-0,40. Čistý cement potřebuje asi 23 % až 28 % vody, vztaženo na hmotnost cementu. Optimální množství vody je též ovlivněno chemickým složením cementu. Voda v betonu: kapilární vodu patří voda v malých pórech (póry o průměru < 0,05 mm), v makropórech (póry o průměru > 0,05 mm) a v technologických dutinách. V důsledku malého množství vody v malých kapilárách dochází ksmršťování betonu fyzikálně adsorbovaná voda na povrchu hydratujících prvků se při vysušování betonu projevuje smršťováním chemicky vázaná voda je součástí chemických reakcí jenž doprovázejí proces hydratace. Její odstranění je možné pouze vystavením betonu extrémně vysokým teplotám, což ovšem vede k destrukci betonu na molekulární úrovni. 22
Vše okolo betonů Betonářská ocel 1/2 Ocel pro vyztužení betonu betonářská ocel: ČSN EN 10080 Ocel pro výztuž do betonu - Svařitelná betonářská ocel Všeobecně ČSN EN ISO 15630-1 Ocel pro výztuž a předpínání do betonu - Zkušební metody - Část 1: Tyče, válcovaný drát a drát pro výztuž do betonu ČSN EN ISO 15630-2 Ocel pro výztuž a předpínání do betonu - Zkušební metody - Část 2: Svařované sítě ČSN EN ISO 15630-3 Ocel pro výztuž a předpínání do betonu - Zkušební metody - Část 3: Oceli pro předpínání ČSN 42 0139 Ocel pro výztuž do betonu - Svařitelná betonářská ocel žebírková a hladká ČSN 42 5512 Tyče kruhové pro výztuž do betonu z oceli značky 10 216. Rozměry ČSN 42 6448 Kruhové ocelové dráty pro předpínací výztuž do betonu 23
Vše okolo betonů Betonářská ocel 2/2 ČSN ISO 13822 Zásady navrhování konstrukcí - Hodnocení existujících konstrukcí 24
Beton, železobeton, prefabrikáty Zkušebnictví / zkoušení betonu 1/5 Základní dělení: zkoušky čerstvého betonu a zkoušky ztvrdlého betonu Zkoušky čerstvého betonu Zkoušky a tělesa definována v normách řady ČSN EN 12350-1 až část 12 Zkouška sednutí rozlitím, zkouška V-nálevkou, zkouška L-truhlíkem, zkouška segregace při prosévání, zkouška J-kroužkem, zkouška sednutím, zkouška Vebe, stupeň zhutnitelnosti, zkouška rozlitím, objemová hmotnost, obsah vzduchu (tlakové metody) Zkoušky ztvrdlého betonu Plánované Zkoušky a tělesa definována v normách řady ČSN EN 12390-1 až část 11 pevnost betonu v tlaku, pevnost v tahu ohybem, pevnost v příčném tahu, hloubka průsaku tlakovou vodou, objemová hmotnost, chloridovzdornost betonu Dodatečné Vývrty, odtrhy, zatěžovací zkoušky, destrukční zkoušky, nedestrukční zkoušky 25
Zkušebnictví / zkoušení betonu 2/5 Beton, železobeton, prefabrikáty 26
Zkušebnictví / zkoušení betonu 3/5 Beton, železobeton, prefabrikáty 27
TZÚS Praha, s.p. - pobočka Plzeň Beton, železobeton, prefabrikáty Zkušebnictví / zkoušení betonu 4/5 28
Zkušebnictví / zkoušení betonu 5/5 Beton, železobeton, prefabrikáty 29
Beton, železobeton, prefabrikáty Statika betonu a železobetonu Od roku 2010 musí být veškeré statické návrhy, posouzení nosných částí objektů pozemních a dopravních staveb dle Eurokódu, tj. normy řady ČSN EN 199x Zásady a obecná pravidla: Řada ČSN EN 1990 ČSN EN 1990 Eurokód: Zásady navrhování konstrukcí Zatížení konstrukcí Řada ČSN EN 1991 ČSN EN 1991-1-1 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí -Část 1-1: Obecná zatížení -Objemové tíhy, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních staveb ČSN EN 1991-1-2 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí -Část 1-2: Obecná zatížení -Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru Betonové konstrukce: Řada ČSN EN 1992 ČSN EN 1992-1-1 Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí -Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby Zbytková česká norma: ČSN 73 1201 Navrhování betonových konstrukcí pozemních staveb 30
Prefabrikáty Betonové a železobetonové prefabrikáty Dle definice norem: Prefabrikovaný betonový výrobek (precast concrete element) betonový výrobek zhotovený a ošetřovaný na jiném místě, než je jeho konečné použití Obecně řečeno: Prefabrikace označuje hromadnou výrobu stavebních dílů. tzv. prefabrikátů (tedy předvýrobu). Jedná se o činnost, která je prováděna ve specializovaných výrobnách. Jednotlivé prefabrikáty bývají vyrobeny nejčastěji z betonu nebo jiné směsi, mohou být ale vyrobeny i z jiných materiálů jako je např. ocel, dřevo, plast apod. Jednotlivé prefabrikáty jsou pak na staveniště přiváženy z výroby a vlastní výstavba hrubé stavby probíhá formou montáže jednotlivých dílů. Prefabrikace výrazně urychluje, zlevňuje a zefektivňujevýstavbu, minimalizuje mokrý proces na stavbě a u prefabrikátů se dosahuje větších rozměrových přesností. Mezi nevýhody prefabrikace patří nutná přeprava dílců a menší tuhost ve spojích dílců. 31
Prefabrikáty Betonové prefabrikáty NO, Systém 2+ ČSN EN 1168 Dutinové panely ČSN EN 1520 Prefabrikované vyztužené dílce z mezerovitého betonu z pórovitého kameniva vyztuženénosnou a nenosnou výztuží ČSN EN 12737 Stájové rošty pro dobytek ČSN EN 12794 Základovépiloty ČSN EN 12839 Betonové prefabrikáty -Prvky pro ploty ČSN EN 12843 Stožáry a sloupy ČSN EN 13224 Žebrovéstropníprvky ČSN EN 13225 Tyčovénosnéprvky ČSN EN 13693 Speciální střešní prvky ČSN EN 13747 Stropní deskovédílce pro spřažené stropní systémy ČSN EN 13978-1 Prefabrikovanébetonovégaráže ČSN EN 14843 Schodiště ČSN EN 14844 Prostorové prvky pro inženýrské sítě ČSN EN 14991 Základovéprvky ČSN EN 14992 Stěnovéprvky ČSN EN 15037-1 Stropní systémy z trámů a vložek Část 1: Trámy ČSN EN 15037-2 Stropní systémy z trámů a vložek Část 2: Betonové stropní vložky ČSN EN 15050 Mostníprvky ČSN EN 15258 Prvky opěrných stěn 32
Prefabrikáty Betonové prefabrikáty NO, Systém 3 ČSN EN 845-2 Specifikace pro pomocné výrobky pro zděné konstrukce Část 2: Překlady Betonové prefabrikáty AO Všechny ostatní výrobky jenž nespadají do systému NO, ale patří mezi stanovené výrobky dle nařízení vlády č. 163/2002 Sb., ve znění nařízení vlády č. 312/2005 Sb. (definuje stavební výrobky jenž jsou stanovené dohled nad výrobky / výrobou provádí Autorizovaná osoba) Postupuje se dle určené normy (ČSN EN, ČSN) nebo Autorizovaná osoba vyhotoví Stavební technické osvědčení (STO) Např: Silniční panely (pro dočasné komunikace) Horizontální plošné prvky (plné stropní panely) Lícní panely (římsové panely) 33
Prefabrikáty 34
Prefabrikáty 35
Prefabrikáty 36
Prefabrikáty 37
Prefabrikáty 38
Prefabrikáty 39
Prefabrikáty 40
Prefabrikáty 41
42