PergolyZačátek tuhnutí cementu: Klíčový proces pro kvalitu betonu
Cement je nejrozšířenější pojivo dneška, užívané ve všech oblastech stavitelství. Je to typická stavební hmota soudobé civilizace. Jedná se o práškové hydraulické pojivo, jemně mletou anorganickou látku, která má po smíchání s vodou schopnost tuhnout a následně tvrdnout. Ve stavebnictví má nezastupitelné místo při výrobě betonových a maltových směsí. Cement jako hlavní složka betonu má rozhodující funkci při stanovování požadovaných vlastností jednotlivých druhů betonu.
Historie a výroba cementu
Prvními pojivy vyráběnými tepelným zpracováním byly sádra a vápno. Zbytky staveb na území Sýrie postavených 7000 let př. n. l. ukazují na jejich použití. Stejná pojiva používali i Egypťané při stavbě pyramid. Velký rozvoj využití pojiva na bázi cementu se datuje do období starověkého Říma (okolo roku 200 př. n. l.), kdy se začal používat sopečný produkt „pucolán“ jako přírodní pojivo pro stavbu hrází, mostů nebo akvaduktů. Mnohé z těchto významných staveb můžeme obdivovat ještě dnes. Za pucolány jsou dnes označovány přírodní materiály na bázi křemičité nebo křemičito-hlinité látky. Znalost používání hydraulických pojiv byla pravděpodobně zapomenuta se zánikem římské říše a znovuobjevena až v souvislosti s novověkými pokusy ve stavebnictví.
Již v roce 1756 však anglický inženýr J. A. Smeaton vystavěl maják v Eddystonu za použití hydraulické maltoviny. Patent na výrobu cementu byl udělen až v roce 1796 Angličanu J. Parkerovi, který jej nazývá cementem románským. Roku 1824 přihlásil J. Aspdin patent s názvem Zlepšení ve výrobě umělého kamene a v roce 1825 založil továrnu, v níž vyráběl pojivo pod obchodním názvem portlandský cement. Zatvrdlá maltovina se totiž barvou a vlastnostmi podobala stavebnímu kameni vyskytujícímu se v okolí města Portland. Větší průmyslová výroba cementu započala v roce 1840 ve Francii. V Čechách byl cement vyráběn až od roku 1860 v Bohosudově u Teplic.
Základní surovinou pro výrobu cementu je vápenec. Dalšími přísadami jsou vápenné slíny, hlinité břidlice, křemičitý písek, železité rudy, vysokopecní struska nebo popílek v závislosti na požadovaném druhu cementu. K výrobě 1 tuny slínku je potřeba v průměru 1,52 tuny surovin. Klasický cement se vyrábí pálením směsi vápenců, slínů, hlíny a hlinitých břidlic s přísadou sádrovce. Jemně umletá směs se pálí v pecích při teplotě zhruba 1450 °C a následným prudkým ochlazením vzniká nový produkt - portlandský slínek o velikosti zrn dva až tři centimetry, který se po vychlazení mele spolu se síranem vápenatým.
Typy cementu a jejich vlastnosti
Výběrem, skladbou surovin a technologickým postupem výroby cementu lze ovlivnit jeho vlastnosti, a tím jej předurčit pro co nejširší použití nebo naopak pro užití speciální. Podle evropských norem se cementy rozlišují na základě několika parametrů. Hlavním parametrem, se kterým se můžete setkat, je uváděná pevnostní třída. Hodnoty 32,5; 42,5 a 52,5 znamenají pevnost v tlaku v MPa. Tyto hodnoty doprovází označení R nebo N, které značí cement s vysokými (R) nebo normálními (N) počátečními pevnostmi.
Čtěte také: moderní metody urychlování betonu
Jedním z parametrů je směsnost, tj. obsah dalších příměsí v cementu. Zde hovoříme o cementu pro obecné použití s označením CEM I až CEM V - cement portlandský, portlandský směsný, vysokopecní, pucolánový a směsný. Dále se můžeme setkat s cementy se speciálními nebo doplňkovými vlastnostmi a odlišným mechanismem tuhnutí.
Portlandský cement (CEM I) je nejčastěji používaným druhem cementu při výrobě betonu a malty. Obsahuje směs oxidů kovů alkalických zemin vápníku, dále pak oxidy křemíku a hliníku. Portlandský cement a podobné materiály jsou vyráběny pálením vápence (zdroj vápníku) s jílem nebo s pískem (zdroj křemíku), čímž vzniká tzv. slínek, ke kterému se v procesu mletí přidá sádrovec, který slouží jako regulátor tuhnutí.
Mezi speciální cementy patří:
- Bílý cement: s využitím především na dekorativní prvky a pro povrchové úpravy. Přimíšením barevných pigmentů lze z něho vyrábět i barevný cement.
- Rozpínavý cement: vyznačuje se hydratací s objemovou kontrakcí.
- Hlinitanový cement: vyrábí se ze speciálního slínku z vápence a bauxitu. Vyznačuje se rychlým průběhem tuhnutí a tvrdnutí, vysokým hydratačním teplem a především zvýšenou odolností v agresivním prostředí. Používá se do žárobetonů nebo tam, kde se neočekává dlouhodobá stabilní pevnost, není tedy vhodný do konstrukčních betonů.
- Silniční cement: pro betonové vozovky se používá tzv. silniční cement vyznačující se vysokou pevností v tahu ohybem, malými objemovými změnami, dlouhodobou trvanlivostí v agresivním prostředí a vysokými počátečními pevnostmi.
- Fotokatalytický cement: Nejnovější přírůstek, schopný působením světla rozkládat široké spektrum organických i anorganických látek, z nichž většina je považována za přinejmenším zdraví škodlivé. To vše zvládá díky obsahu fotokatalyzátoru - speciálně připravené nanokrystalické látky.
Proces tuhnutí a tvrdnutí betonu
Základní vlastností cementu je schopnost hydratace. Za hydrataci označujeme chemický a fyzikální proces, při němž kašovitá cementová směs přechází do tuhého a tvrdého stavu. Při chemické reakci cementu s vodou vzniká teplo, které nazýváme hydratační teplo. Závisí na chemickém složení cementu, množství minerálů a na jemnosti mletí. Čím je cement jemněji mletý, tím má větší povrch, který je smáčen vodou, a tím rychleji se vyvíjí hydratační teplo. Hydratace probíhá nerušeně při optimální teplotě 15 až 25 °C.
Tuhnutí je další chemický a fyzikální pochod, při němž kašovitá směs cementu a vody tuhne v pevnou hmotu. Tuhnutí betonu je jeden z nejdůležitějších procesů, který probíhá bezprostředně po jeho uložení. Právě během tuhnutí beton přechází ze zpracovatelného stavu do pevné hmoty a vytváří se základ jeho budoucích mechanických vlastností. Po uložení betonu začíná chemická reakce mezi cementem a vodou. Vyšší teploty proces tuhnutí urychlují, zatímco nízké teploty jej zpomalují. Začátek tuhnutí je pro cementy obecného použití stanoven s ohledem na pevnostní třídu. Počátek tuhnutí běžných cementů je podle pevnostní třídy přibližně 45 minut až 12 hodin po smíchání cementu s vodou.
Čtěte také: Beton a jeho tuhnutí
Doba tuhnutí se reguluje již při samotné výrobě a mletí cementu a to přidáním sádrovce, maximálně 5 % hmotnosti cementu. Je to z toho důvodu, že je nutné počátek tuhnutí oddálit kvůli zajištění potřebné doby na výrobu betonové směsi, ale také se musí počítat s dopravou, uložením a nakonec i zpracováním. Pokud bychom použili portlandský cement pouze z portlandského slínku, začal by proces tuhnutí ihned po smíchání cementu s vodou.
Tvrdnutí je další krok, při němž se tuhá směs přeměňuje v tvrdou hmotu, která nabývá pokračující hydratací větší pevnosti. Rychlost tvrdnutí je dána chemickým složením a jemností cementu. Beton zraje celkem 28 dní, po kterých získává 100 % uváděné pevnosti. Tuhne vždy a jen pouze čerstvá betonová směs a při tvrdnutí se jedná o pevnost již ztuhlého betonu. Je ale pravdou, že většina urychlujících přísad tak spojuje oba dva účinky.
Faktory ovlivňující tuhnutí a tvrdnutí betonu
- Teplota: Vyšší teploty proces tuhnutí urychlují, zatímco nízké teploty jej zpomalují. Ideální teplota pro betonování je v rozmezí 15 - 25 °C. Při této teplotě dochází k optimálnímu procesu zrání betonu. S enormním objemem spotřeby cementu pro stavební průmysl je vliv jeho výroby na životní prostředí v popředí zájmu celé společnosti.
- Vodní součinitel: 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. Velice obecně se dá říci, že cca 25 litrů vody do 1 m3 betonu na víc, bez dalších úprav v návrhu receptury, sníží pevnost o cca 5 - 8 MPa.
- Povětrnostní podmínky: Dobu tvrdnutí betonu ovlivňuje teplota okolního prostředí, ale také jiné povětrnostní podmínky, jako je intenzita větru a slunečního záření, které se podílí na rychlosti odpařování vody z konstrukce.
- Přísady a příměsi: Přísady, jako je chlorid vápenatý, zkracují čas tuhnutí, což má výsledný vliv na celkové tvrdnutí betonu. Také příměsi, jako popílek, ovlivňují mechanické vlastnosti výsledného betonu.
Betonování v zimním období
Největším nepřítelem betonování v zimním období jsou samozřejmě nízké teploty. Při nich dochází ke zpomalení hydratace betonu, a tak přestává schnout. Technologický proces betonování je pevně zakotven v normách, konkrétně např. v ČSN 73 2400. Podle ní nesmí teplota povrchu betonu klesnout pod 5 °C po dobu nejméně 72 hodin. To ale nutně neznamená, že se při nižších teplotách nedá pracovat s betonem.
Betonování je možné i při venkovních teplotách pod 5 °C. Je však nutné přijmout speciální opatření, která přinesou zajištění požadované teploty při jeho výrobě i tuhnutí a tvrdnutí. I betonárny jsou na betonování v zimě technologicky vybavené. Při výrobě a dopravě betonu používají nejen teplou vodu, ale často i ohřáté kamenivo. Když je potřeba spustit hydratační procesy betonu při nižších teplotách, používají se betony s větším vývinem hydratačního tepla. Řešením je využití cementů s vyšším obsahem slínku. Vhodný je portlandský cement typu CEM I nebo směsný portlandský cement typu CEM II. 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 vás čeká obtížný úkol - musíte 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. V některých případech se přistupuje i k aktivní ochraně foukáním horkého vzduchu pod zaplachtovanou konstrukci či zapnutím elektrického ohřevu umístěného v bednění. Vývoj stavebních materiálů jde stále kupředu. Díky tomu je možné betonovat až do venkovních teplot -10 °C.
Čtěte také: Kreativní průvodce betonových hub
Pokud se beton nechá zmrznout, dojde k jeho zničení. I v případě, že teploty neklesnou pod bod mrazu, beton bude tvrdnout mnohem pomaleji než za standardních podmínek. Při teplotách vzduchu pod -10°C nedoporučujeme provádět ukládání betonových směsí. Čerpání betonových směsí je možno do -5°C. V souladu s požadavky platné normy ČSN EN 206-1 změna Z3 kapitola 5.2.8. nesmí být teplota čerstvého betonu v době jeho dodávání menší než +5 °C. Po uložení betonu do konstrukce je nutné jej chránit vhodnými opatřeními tak, že teplota povrchu betonu neklesne pod + 5 °C dokud beton nedosáhne pevnosti, při které může odolávat mrazu bez poškození.
Betonování v letním období
Z hlediska výroby, dopravy, pokládky a ošetřování betonu v létě můžeme považovat za extrémní podmínky takové, kdy teplota vzduchu vystoupí nad +25 °C při vlhkosti vzduchu pod 40 %. Největším problémem při betonování v letním období je vysoká teplota vzduchu, která často překračuje 30 °C. Zvýšení teploty betonu vede též k urychlení chemických reakcí, které způsobují tuhnutí a tvrdnutí betonu a které se souhrnně označují jako hydratace cementu. Z čerstvého betonu se poměrně rychle odpařuje voda a tento proces začíná již v době jeho míchání, v podstatě ve stejný okamžik, kdy začíná proces tuhnutí. Udržení dostatečného obsahu vody v betonu rozhoduje o udržení požadované doby zpracovatelnosti v uvedené třídě. Je to rovněž hodně závislé na konkrétních podmínkách, teplotě prostředí a betonu.
Klimatické podmínky, mezi které patří teplota při výstavbě, ovlivňují rychlost nárůstu pevnosti betonu. Je potřeba chránit betonovou konstrukci před slunečním zářením přikrytím plachtou či kartonem. Vhodné je také konstrukce ošetřovat vodou, aby nedocházelo k nadměrnému vysychání betonu.
Složení betonu
Beton je směs cementu, hrubého kameniva a drobného kameniva, vody, přísad do betonu a příměsí do betonu. Pozn.: Pokud v textu hovoříme o cementu, myslíme tím portlandský cement, pokud není uvedeno jinak.
Kamenivo - kostra betonu
Kamenivo hraje v betonu nesmírně významnou roli. Představuje dvě třetiny až tři čtvrtiny jeho celkového objemu. Propůjčuje betonu lepší objemovou stabilitu a lepší trvanlivost. Kromě toho hraje kamenivo důležitou roli z hlediska pevnosti betonu. Nejnápadnějším rysem kameniva je jeho zrnitý charakter. Dle maximální velikosti zrn rozdělujeme kamenivo na drobné - písek (betonářské frakce 0/2, 0/4), nebo hrubé (betonářské frakce 4/8, 8/16, 11/22,16/22 apod.). Podle výroby pak na drcené, které vzniká v kamenolomu drcením větších kusů horniny a jejich následným tříděním (nepravidelná zrna s hrubým povrchem), nebo těžené, tj. kamenivo většinou říčního původu (zpravidla zrna oválného tvaru s hladkým povrchem). Následně existují další rozdělení dle vlastností charakterizující požadavky na výsledné vlastnosti betonu.
Voda - krev betonu
Bez vody by nebylo betonu, protože cement by nehydratoval a tedy ani netuhnul a netvrdnul. Ovšem přebytek vody může způsobit snížení kvality betonu, což se týká jak konečných pevností, tak i trvanlivosti. Voda použitá jako záměsová i ošetřovací musí být čistá, tj. bez chemických přísad a příměsí, které by mohly nepříznivě ovlivnit proces hydratace cementu. Pro přípravu i ošetřování betonu je vhodné použít pitnou vodu, ovšem i ta může být nevhodná, pokud obsahuje příliš velké množství minerálů.
Příměsi - výživa betonu
Minerální příměsi by měli být odlišovány od chemických přísad, především proto, že minerální příměsi se vyskytují v práškové podobě (popílky, křemičité úlety či jiné pucolánové látky) a jsou používány ve značně větším množství než chemické přísady. Přidávají se do betonu za účelem zlepšení určitých vlastností (regulace průběhu pevností, zvýšení konečných pevností, zlepšení čerpatelnosti apod.). Rozlišujeme dva typy příměsí, tj. inertní příměsi a latentně hydraulické příměsi. Inertní příměsi jsou inertní vůči procesu hydratace a ovlivňují vzhledové nebo mechanické vlastnosti betonu. Typickou inertní příměsí je pigment, viz barva na beton. Latentně hydraulické příměsi se účastní procesu hydratace cementu a obvykle mění mechanické vlastnosti výsledného betonu. Typickým příkladem je tzv. popílek.
Přísady - vitamíny betonu
Chemické přísady jsou většinou kapalné látky, které se používají v relativně malých množstvích (cca 0,1 - 10 kg/m3) pro zlepšení vlastností čerstvého i ztvrdlého betonu.
- Provzdušňovače: vytvářejí v čerstvém betonu velké množství uzavřených vzduchových pórů (miliardy drobných bublinek), používají se u betonů vystavených účinkům mrazu a při vysokých požadavcích na pevnost.
- Plastifikátory (tzv. vodoredukující přísady): zlepšuje zpracovatelnost betonové směsi.
- Urychlovače tuhnutí: urychlovač tvrdnutí je bezchloridová přísada do betonu.
- Superplastifikátory (tzv. změkčovadla): tyto přísady snižují obsah vody o 12 - 30% a přidávají se do betonů s nízkým sednutím a vodním součinitelem, aby zvýšily tekutost betonu.
Ošetřování betonu
Beton se v rané fázi tuhnutí musí ošetřovat a chránit především proto, aby se minimalizovalo tzv. povětrnostní podmínky, tj. ponechání působení deště na čerstvý beton, kdy dochází k vymývání cementu. Nerespektování požadovaných ošetření stran aktuálního počasí nebo tepelný šok způsobený zaléváním povrchu betonu vodou s příliš odlišnou teplotou může mít negativní dopad. Zákryt betonu suchou geotextilií nebo jiným nasákavým materiálem je důležitý pro udržení optimálních podmínek. V chladném a dokonce i v mrazivém počasí lze betonování za určitých podmínek provádět, je však potřeba zajistit správný technologický postup. Je především potřeba počítat s tím, že beton bude hydratovat (a tedy i tvrdnout) v zimních teplotách mnohem pomaleji.
Správné řízení procesu tuhnutí betonu je zásadní pro kvalitu betonových konstrukcí a podlah. Tuhnutí betonu je krátká, ale mimořádně důležitá fáze, která zásadně ovlivňuje kvalitu, pevnost a životnost betonových konstrukcí a podlah. Správné podmínky, ochrana betonu a dodržení technologických postupů během tuhnutí jsou nezbytné pro dosažení dlouhodobě spolehlivého výsledku.
tags: #pocatek #tuhnuti #cementu #informace
