Vliv vyšší konzistence na kvalitu betonu a jeho zpracovatelnost

Beton je jedním z nejpoužívanějších stavebních materiálů na světě, jehož vlastnosti jsou klíčové pro moderní stavebnictví. Již 192 let od patentování portlandského cementu je beton definován jako kompozitní materiál, který se v průběhu času vyvinul z třízložkového materiálu (cement, voda a kamenivo) na pětizložkový materiál s příměsemi a přísadami. Tyto přísady jsou nezbytné pro dosažení specifických požadavků na beton a pro optimalizaci nákladů na cement. Beton má vlastnosti přírodního kamene - je trvanlivý, objemově stálý a pevný. Je snadno tvarovatelný a umožňuje s pomocí bednění vytvořit v rámci statických možností rozmanité tvary. Má vysokou pevnost v tlaku, je odolný vůči chemickým látkám i vysokým teplotám. V čerstvém stavu je dobře zpracovatelný, ztvrdlý beton má vysokou pevnost v tlaku, je trvanlivý a nehořlavý, lze jej opravit i recyklovat.

Důraz je kladen nejen na statické vlastnosti nově projektovaných staveb, ale i na jejich trvanlivost a odolnost, která zajišťuje co možná nejdelší dobu bez nutné rekonstrukce či opravy dílčích částí. V moderních konstrukcích se setkáváme nejčastěji se železobetonem, který je tvořen betonem vyztuženým ocelovými pruty a sítěmi, případně drátky, tzv. rozptýlenou výztuží. Beton přitom ve stavitelství není žádnou novinkou. Cement, nejdůležitější složka betonu, která pojí dohromady ostatní složky, byl objeven již v antickém Římě. Moderní beton, jak ho známe dnes, pak vznikl v první polovině 19. století (portlandský cement byl patentován v roce 1824) a od přelomu 19. a 20. století se masivně rozšířil.

Plastifikační přísady a jejich vliv na zpracovatelnost betonu

Pro dosažení čoraz specifičtějších požadavků na beton a současnou optimalizaci nákladů na cement se využívají různé přísady. Prakticky neodmyslitelnou součástí betonu jsou plastifikační přísady. Účinnými složkami plastifikačních přísad jsou povrchově aktivní látky. Tyto látky jsou při zamíchání do cementových kompozitů adsorbovány na povrchu cementových zrn a dávají jim záporný elektrický náboj. To vede k vzájemnému odpuzování zrn cementu, k jejich dispergaci, deflokulaci a k stabilizaci cementové disperze. Plastifikátory a superplastifikátory zlepšují zpracovatelnost betonu a snižují množství vody potřebné k dosažení požadované konzistence. To vede k vyšší pevnosti a menší pórovitosti betonu. Plastifikátory snižují obsah vody o 5-15 %. Superplastifikátory mohou snížit obsah vody až o 30 %.

Konzistence čerstvého betonu je výrazně ovlivňována dávkou plastifikační přísady. Při velmi malých dávkách je tento vliv málo výrazný. S narůstáním dávky se konzistence postupně zlepšuje - až do určité dávky. Superplastifikátory se bežne dávkují v množství 0,6 až 1 % přísady z hmotnosti cementu. Čas přidání přísady taktéž ovlivňuje účinnost přísady a tedy i konzistenci čerstvého betonu. Konzistence čerstvého betonu se mění s časem odležení. Tato vlastnost se označuje jako ztráta zpracovatelnosti. Počítat s ní je třeba hlavně při transportbetonu, kde může doprava trvat i relativně dlouhý čas. Ve všeobecnosti lze říci, že při aplikaci plastifikačních přísad je ztráta zpracovatelnosti rychlejší, hlavně v případě superplastifikátorů. Většina plastifikačních přísad na bázi lignosulfonanů se vyznačuje i zpomalovacím účinkem. Rychlejší ztráta zpracovatelnosti betonů s plastifikátory je dána mechanismem působení těchto látek. Plastifikační účinek trvá tak dlouho, dokud je v roztoku dostatek molekul přísady na obalení jednotlivých zrn cementu a produktů hydratace. S pokračující hydratací však narůstá množství produktů hydratace a postupně se spotřebovává i plastifikační přísada, její zásoba se stává nedostatečná a rapidně se ztrácí zpracovatelnost čerstvého betonu.

Pro zhotovování technicky méně náročných a méně významných konstrukcí je postačující rámcové působení plastifikačních přísad podle materiálové báze. Pro zhotovování technicky náročnějších konstrukcí - pohledové betony nebo konstrukce například s požadavkem na kontinuální betonáž - taková úroveň poznání nepostačuje. Z hlediska běžné betonářské praxe je pro sekundární dopravu, ukládání a zpracování čerstvého betonu klíčovým parametrem jeho konzistence. Pro konstrukční betony zákazníci často požadují konzistenci S3 nebo ještě lépe S4.

Čtěte také: Výběr terasových prken

Typy betonových aditiv a jejich vliv na vlastnosti betonu

Existuje několik hlavních typů betonových aditiv, které se používají ke zlepšení různých vlastností betonu:

  • Plastifikátory a superplastifikátory: Zlepšují zpracovatelnost betonu a snižují množství vody potřebné k dosažení požadované konzistence.
  • Urýchlovače tuhnutí: Zkracují dobu tvrdnutí betonu, což je výhodné při betonáži v chladném počasí nebo při potřebě rychlého dosažení pevnosti.
  • Zpomalovače tuhnutí: Prodlužují dobu zpracovatelnosti betonu, což je užitečné při betonáži za vysokých teplot nebo při složitých betonových konstrukcích.
  • Provzdušňovací přísady: Vytvářejí v betonu malé vzduchové bubliny, které zvyšují jeho odolnost proti mrazu a rozmrazovacím solím.
  • Těsnicí a hydrofobní přísady: Snižují nasákavost betonu a zvyšují jeho odolnost vůči vodě a chemickým látkám.

Správná kombinace betonových aditiv může výrazně zvýšit pevnost betonu a jeho odolnost vůči vnějším vlivům. Například superplastifikátory umožňují snížit obsah vody, což vede k vyšší pevnosti. Provzdušňovací přísady zvyšují odolnost betonu vůči mrazu. Těsnicí přísady chrání beton před agresivními chemikáliemi.

Vliv vodního součinitele a teploty na tvrdnutí betonu

Rychlost vývinu pevnosti betonu nezávisí jen na vlastnostech cementu a přísad, ale též na vodním součiniteli. Pevnost betonu roste rychleji s nižším vodním součinitelem než u betonu s vyšším vodním součinitelem, přičemž rychlost vývinu pevnosti ovlivňují podmínky ošetřování betonu, především teplota. Dobu tvrdnutí významně ovlivňuje vodní součinitel betonu. Čím více je v betonu vody, tím déle tvrdne. Mimo to je betonová konstrukce náchylná na tvorbu trhlin vlivem nadměrného smršťování betonu. Čím vyšší vodní součinitel je, tím více vody směs obsahuje a tím déle bude beton tuhnout a schnout.

Ideální teplota pro betonování je v rozmezí 15 - 25 °C. Při této teplotě dochází k optimálnímu procesu zrání betonu. Čím je teplota vyšší, tím beton rychleji tvrdne. Nízké teploty pod 5 °C naopak způsobí zamrzání vody, zastavení procesu hydratace, a tím i kompletní znehodnocení betonované plochy. Minimální teplota pro betonování je 5 °C. Teplota by rozhodně neměla klesnout pod bod mrazu. Dobu tvrdnutí betonu ovlivňuje výše zmíněná teplota okolního prostředí, ale také jiné povětrnostní podmínky, jako je intenzita větru a slunečního záření, které se podílí na rychlosti odpařování vody z konstrukce.

Betonování v zimě

Největším nepřítelem betonování v zimním období jsou samozřejmě nízké teploty. Při nich dochází ke zpomalení hydratace betonu, a tak přestává schnout. Podle ČSN 73 2400 nesmí teplota povrchu betonu klesnout pod 5 °C po dobu nejméně 72 hodin. Pro zlepšení hydratačních procesů lze do betonové směsi přidat přísady, které snižují množství záměsové vody a díky tomu urychlují tuhnutí a tvrdnutí betonu. Pro betonování v zimě se pak používají i speciální zimní přísady do betonáže. Při betonování v zimě je nutné zajistit, aby po dobu 2 až 3 dnů neklesla teplota tuhnoucího betonu pod 5 °C. Po této době (resp. ve chvíli, kdy bude pevnost betonu nad 4 MPa) se beton stane mrazuvzdorným.

Čtěte také: Průvodce výběrem dlažby

Cement jako základní složka betonu

Cement je hydraulické pojivo, jemně mletý anorganický materiál, který po smíchání s vodou vytváří kaši, která v důsledku chemické hydraulické reakce tuhne a tvrdne. Při styku s vodou dochází k jeho rozpuštění a následné krystalizaci (tuhne a tvrdne), čímž se vytváří pevná a zároveň pružná vazba mezi zrny plniva (kameniva). Po zatvrdnutí si zachovává svou pevnost a stálost. V současně platné evropské výrobkové harmonizované normě EN 197 - 1 z roku 2011 a její české verzi z roku 2012 (ed. 2) je uvedeno 27 jmenovitých druhů cementů pro obecné použití a kromě nich ještě charakteristiky pro cementy další - síranovzdorné, vysokopecní a s nízkými počátečními pevnostmi. Cementy se podle ČSN EN 197-1 dělí na pět druhů (CEM I až CEM V).

K výrobě konstrukčních betonů se nejčastěji používá cement portlandský (CEM I), troskoportlandský (CEM II) nebo vysokopecní (CEM III). Kromě těchto cementů se vyrábějí cementy určené pro betonové konstrukce se specifickými vlastnostmi nebo pro betonové konstrukce vyráběné ve specifických podmínkách, případně speciálními technologiemi (např. cestní portlandský cement (CPC), síranovzdorný portlandský cement (SVPC), puzolánový cement, směsový cement atd.). Cementy se zařazují do tříd podle dosahované pevnosti v tlaku. Obecně platí, že čím je vyšší pevnostní třída cementu a čím méně obsahuje příměsí, tím rychleji probíhá jeho tvrdnutí a tuhnutí a cement je vhodný např. do konstrukcí s požadavky na krátké odbedňovací lhůty nebo pro zimní betonáže. Naopak cementy nižších tříd s vysokým obsahem příměsí tuhnou a tvrdnou pomaleji a jsou vhodné např. pro masivní konstrukce nebo do chemicky agresivního prostředí.

Evropská cementářská norma EN 197 - 1 specifikuje dále také celou skupinu portlandských cementů CEM II. Tyto cementy obsahují kromě portlandského slínku ještě jedinou další hlavní složku. Jsou to např. portlandské struskové cementy CEM II/A‑S s 6 až 20 hm. % a CEM II/B‑S s 21 až 35 hm. % granulované vysokopecní strusky. Cementy mají na svém obalu normalizované značení podle normy EN 197 - 1, které může vypadat např. CEM II/B-S 32,5 N.

Směsné cementy a jejich vlastnosti

Díky možnosti kombinovat několik hlavních složek umožňuje portlandský směsný cement CEM II (M) využít výhody a naopak eliminovat nevýhody těchto jednotlivých hlavních složek. Takto lze přispět i k vytvoření robustnějších stavebních systémů. Přitom je třeba komplexně pohlížet nejen na výrobu cementu, ale i na jeho vlastnosti. Jedná se především o vliv cementu na vlastnosti betonu, např. na zpracovatelnost, nárůst pevností a především na trvanlivost betonu, která úzce souvisí s jeho hutností, a tedy nepropustností (difuzním odporem), jež dokáže zpomalit karbonataci, omezit průnik chloridů (např. ze rozmrazovacích solí) či sulfátovou agresivitu.

V Evropě v současné době činí podíl výroby portlandských směsných cementů CEM II (M) více než 35 % z celkové produkce. Tyto cementy, které odpovídají EN 197 - 1, nebývají bohužel v některých částech Evropy pro některé stupně vlivu prostředí používány. Obvyklá dávka cementu na 1 m3 betonu je v rozmezí 250 až 400 kg, záleží na zamýšleném použití.

Čtěte také: Zjistěte, jak se žije v betonovém domě

Vysokopecní granulovaná struska

Granulovaná vysokopecní struska vzniká rychlým ochlazením vhodně složené struskové taveniny tvořící se při tavení železné rudy ve vysoké peci. Struska musí být nejméně ze dvou třetin hmotnosti sklovitá a při vhodné aktivaci musí vykazovat hydraulické vlastnosti. Se struskou se běžně vyrábí portlandský struskový cement CEM II (S) a ve směsi s popílkem a vápencem portlandský směsný cement (M). Použitím cementu s podílem strusky nebo mleté strusky pro výrobu betonu se dosahují některé pozitivní vlastnosti betonu. Tyto cementy mají nižší teplotu při hydrataci a beton z něj vyrobený vykazuje vysokou trvanlivost, která je výsledkem nízké kapilární mezerovitosti. Je odolný proti penetraci chloridů a agresivnímu působení síranů. Dobré vlastnosti se projevují také při alkalicko-křemičité reakci a beton vykazuje nízkou náchylnost ke vzniku trhlin vlivem změny teplot, vysokou elektrolytickou odolnost a konzistentní světlou barvu. Takový beton má také velmi dobrou zpracovatelnost.

Popílek

Popílek se získává elektrostatickým nebo mechanickým odlučováním prachových částic ze spalin při spalování jemného mletého černého nebo hnědého uhlí. Podle cementářské normy EN 197 - 1 je možné pro výrobu cementu použít pouze popílek získaný výše popsaným způsobem. Popílek může být svou podstatou křemičitý nebo vápenatý. První má pucolánové vlastnosti, druhý může mít navíc vlastnosti hydraulické. Vzhledem ke své pucolánové aktivitě jsou popílky přínosné i pro samotný beton. Popílek zlepšuje zpracovatelnost čerstvého betonu a díky kulovitým tvarům zrn částečně pomáhá redukovat potřebné množství záměsové vody. Pozitivně ovlivňuje také dlouhodobé pevnosti betonu, hloubku karbonatace a třeba i reverzibilní smrštění. Konečná úprava povrchu betonu s popílkem je snazší a jeho přítomnost v betonu omezuje míru odlučivosti vody z betonu v čerstvém stavu. Betony s příměsí popílku se projevují nižšími počátečními pevnostmi a pomalejším vývojem pevnosti plánované.

Vápenec

Vápenec je materiál bez skutečné hydraulické reaktivity. Přesto se stal jednou z hlavních složek portlandských cementů s vápencem nebo portlandských směsných cementů s podílem vápence, kde je schopen nahradit určité množství slínku. Mineralogické složení vápence z různých lomů se může výrazně lišit, odlišné složení však může mít i vápenec v rámci jednoho lomu. Jeho hlavní složkou je kalcit s mnoha dalšími možnými složkami, jako je křemen, jílové minerály nebo dolomit. Výzkum v posledních letech ukázal, že malá množství kalcitu mohou chemicky reagovat s dostupným oxidem hlinitým ze slínku. Hlavní objem vápence v cementu však dominuje jako plnivo.

Experimentální ověření působení přísad a teploty

Experimentální studie se zaměřila na ověření působení plastifikačních přísad v čase při běžných klimatických podmínkách a obvyklém dávkování. Pro zkoušky se použily dva druhy cementu CEM II/A-S 42,5 N a CEM II/A-LL 42,5 R, normový písek a pitná voda. Plastifikační přísady byly od dvou dodavatelů a reprezentovaly tři základní materiálové báze - lignosulfonany, naftaleny a polykarboxyláty. Overilo se působení přísad na různých materiálových bázach, avšak použitím ověřeného postupu společnosti Holcim (v současnosti CRH). Měřilo se působení přísad při běžných laboratorních podmínkách, přičemž teplota malty na počátku míchání byla vždy v intervalu (23-25) °C. V druhé části zkoušek se matice měření doplnila o měření při různých počátečních teplotách malty.

Referenční vzorek s CEM II/A-S 42,5 N vykazuje vyšší potřebu vody na dosažení požadované konzistence (v počáteční fázi i v konečné). S tímto je potřeba počítat při návrhu receptury čerstvého betonu s použitím daného cementu. Zvýšenou potřebu vody lze kvantifikovat na cca 5 %. Záměsi s přísadami na bázi lignosulfonanů při dávce 0,6 % vykazují obdobný trend ztráty konzistence jako referenční vzorky. Významnější rozdíl se spozoroval v případě polykarboxylátové přísady PC1.1. Tato přísada je poměrně silná (na začátku vyžaduje nízkou dávku doplňkové vody) a relativně dobře udržuje konzistenci v čase, obzvlášť v kombinaci s cementem A-S.

V souladu s očekáváním, referenční vzorky u obou cementů při teplotě 25 °C rychleji strácely konzistenci (zpracovatelnost) jako vzorky s teplotou 15 °C. V případě přísady na bázi lignosulfonanů (L) s CEM II/A-LL 42,5 R při teplotě 25 °C měla vzorka v počáteční fázi (do 30 minut) rychlejší ztrátu konzistence v porovnání s teplotou 15 °C. Výrazný vliv teploty na plastifikační účinek se zaznamenal při polykarboxylátové přísadě (PC). Při této přísadě došlo k výraznému stekutění zmesi při teplotě 15 °C u obou druhů cementů. Tento jev se však už neprokázal na vzorkách s teplotou 25 °C. Všeobecně PC přísada lépe reagovala při obou teplotách s A-S cementem. V případě všech použitých přísad se potvrdilo, že s nárůstem teploty dochází k rychlejší ztrátě konzistence (zpracovatelnosti) kromě přísady N, kde byl účinek teploty opačný i když rozdíl v konzistenci byl velmi malý. Všeobecně je také třeba zohlednit, že na dosažení stejné počáteční konzistence potřeboval CEM II/ A-LL 42,5 R méně vody než CEM II/A-S 42,5 N, což je znázorněno v tabulce níže.

Spotřeba vody pro dosažení stejné počáteční konzistence

Cement Požadovaná konzistence Spotřeba vody (l/m³)
CEM II/A-S 42,5 N S3 ~180
CEM II/A-LL 42,5 R S3 ~170

Z výsledků analýzy vyplývá, že podle materiálové báze plastifikační přísady (případě podle poměru dávkování jejích složek) je možné očekávat ztrátu její účinnosti. Druhým kritickým ukazatelem je teplota čerstvého betonu. V závislosti od bežne dosahovaných teplot je možné očekávat různou ztrátu zpracovatelnosti.

Hodnocení existujících konstrukcí a metody měření

Hodnocení stavu betonových konstrukcí je velice důležitá a aktuální oblast, jejíž význam poroste s ohledem na historii betonového stavitelství. I když je beton nejrozšířenější stavební materiál a používá se více než 100 let, na hodnocení jeho trvanlivostních vlastností stále neexistuje jednoznačný názor. Jako rozhodující se stále jeví vlastnosti povrchové vrstvy betonu (tzv. „covercrete“) v tloušťce 25 ~ 50 mm a její propustnost pro vodu a vzduch. Lze konstatovat, že trvanlivost je funkcí propustnosti. Důležitým parametrem určující trvanlivost konstrukce je kvalita povrchové vrstvy, neboť ta je přímo vystavena působení okolního prostředí a svými parametry pak chrání celý betonový prvek.

Metody měření propustnosti

Pro měření propustnosti povrchových vrstev betonu existuje celá řada metod založených na podobných principech. Mezi ně patří metody TPT, GWT, ISAT a vysokotlakého permeametru. Všemi těmito postupy lze srovnávat kvalitu betonu, ovšem je třeba přihlédnout k vlastnímu charakteru měření, neboť každou uvedenou metodou je měřena nepatrně jiná vlastnost a snadno tak může dojít k desinterpretaci výsledků.

  • Metoda TPT (Torrent Permeability Tester): Stanovuje součinitel vzduchové propustnosti kT. Zařízení se skládá z dvoukomorové vakuové buňky a regulátoru tlaku.
  • Metoda ISAT (Initial Surface Absorption Test): Měří množství tlakové vody vtékající do betonu přes akrylátovou komůrku.
  • Metoda GWT (Germanns Water Permeability Test): Měří součinitel propustnosti tlakovou vodou k1. Používá se tlaková komůrka připevněná pomocí svorek.
  • Vysokotlaký Permeametr: Používá se pro experimentální stanovení hydraulické vodivosti na válcových vzorcích.

Metody zkoušení betonu v konstrukci

Metody určené pro zkoušení betonu v konstrukci jsou obsaženy ve čtyřech částech normy ČSN EN 12504. Z uvedených metod je bezesporu nejpřesnější metoda jádrových vývrtů, která ovšem představuje určitý destruktivní zásah do konstrukce. Proto je ideální nejprve beton konstrukce na velkém počtu zkušebních míst vyzkoušet nedestruktivně, a teprve po jejich vyhodnocení odebrat potřebné (minimální) množství vývrtů pro upřesnění nedestruktivních zkoušek.

  • Tvrdoměrné metody: Patří k nejpoužívanějším nedestruktivním metodám. Stanovuje hodnotu krychelné pevnosti v tlaku betonu na základě zjištěného ukazatele tvrdosti.
  • Ultrazvuková metoda: Má několik výhod proti tvrdoměrům. Není nutné brousit povrch na strukturu betonu a zjišťují se vlastnosti betonu v celé tloušťce. Je účinná pro stanovení pevnosti v tlaku v rozsahu od 5 MPa do 30 MPa.

Tento článek vznikl řešením úlohy „Působení přísad na konzistenci betonu v čase“, jejíž řešení podpořila STU v rámci Programu na podporu mladých výzkumníků.

tags: #kvalita #betonu #pri #vetsi #konzistenci #vliv

Oblíbené příspěvky: