Prostý beton a jeho vlastnosti v ohybu: principy a testování

Beton je materiál vznikající ztvrdnutím směsi několika složek - cementu hrajícího roli pojiva, kameniva (písek, štěrk, drť) zastávajícího funkci plniva a vody. Jedná se o velmi odolné, pevné, trvanlivé a spolehlivé stavivo. Vznik betonu a historie sahá až do roku 3600 př. n. l. do starého Egypta, kde byl beton používán pro stavbu sloupů. Tehdy byl beton ještě nazýván umělým kamenem. Pozdější název beton vznikl z francouzského slova „béton“ - hrubá malta.

Vlastnosti betonu jsou ovlivňovány poměrem jednotlivých složek a zvláštních vlastností betonové směsi se dosahuje přidáváním příměsí a přísad. Beton je stavivem s velkou pevností v tlaku. Zpravidla se beton používá v kombinaci s různými druhy výztuží a tím splňuje též požadavky pro namáhání v tahu. Monolitické konstrukce vynikají výbornou přizpůsobivostí a vyhoví tak pro velká rozpětí, výšky a zatížení. Pro všechny tyto vlastnosti je dnes nejčastěji používaným stavivem, ze kterého lze vytvářet mimořádně hospodárné a bezpečné konstrukce. Monolitickým propojením vznikají prostorově tuhé soustavy, které spolupůsobí ve všech směrech.

Druhy betonu a jejich výroba

Způsoby výroby různých druhů betonu se dramaticky liší. Smícháním portlandského cementu a vody se rychle vytváří gel, vzniklý řetězením prosypaných frakcí. Tyto stále více reagují s původním fluidním gelem. Jak se beton zpracovává, konkrétní řetězce krystalů se spojí a tvoří pevnou konstrukci, která slepí jednotlivé částice k sobě na jediné možné místo. Z tohoto důvodu se nazývá beton slepencem. V té době se neustále zlepšují fyzikální a chemické vlastnosti betonu.

• Železobeton: beton obsahující ocelové výztuže. Ocelovými výztužemi železobetonu jsou většinou ocelové dráty, případně ocelová lana. Výztuže jsou do betonu zalévány tak, aby byly při větším zatížení natahovány.
• Sklobeton: jedná se o materiál složený z tzv. portlandského cementu, anorganického plniva a samozřejmě skleněných vláken.
• Polymerbeton: moderní materiál složený z organické matrice a anorganického plniva. Výrobky z polymerbetonu se vyrábí odléváním do forem.

Příprava betonové směsi

Důkladné promíchání je základem pro výrobu jednolitého, vysoce kvalitního betonu. Proto je pro účinné míchání betonových směsí nutné správné vybavení a postupy. Samostatné míchání cementové pasty ukázalo, že vmíchání cementu a vody do pasty, ještě před smícháním těchto materiálů s ostatními agregáty, může zvýšit kompresní pevnost vzniklého betonu. Cementová pasta je obecně míchána při vysokých rychlostech ve smykovém typu míchače při poměru vody a cementu od 0,30 po 0,45 hmotnosti. Při předmíchání cementové pasty můžeme přidat příměsi, např. urychlovače nebo zpomalovače, změkčovače, pigmenty nebo plynosilikát. Ten se přidává později k vyplnění mezer mezi částicemi cementu. To snižuje vzdálenost částic a vede ke zvýšení finální tlakové pevnosti a vyšší nepropustnosti pro vodu.

Zpracovatelnost betonu

Zpracovatelnost je schopnost čerstvé (plastické) betonové směsi vyplnit za pomoci vibrací nebo bez nich správně formu, aniž by došlo ke snížení kvality betonu. Zpracovatelnost závisí na obsahu vody, kameniva (tvar a rozdělení dle velikosti), obsahu cementu a stáří (stupni hydratace) a může být změněna přidáním chemických přísad. Zvýšení obsahu vody či přidání chemických příměsí zvýší zpracovatelnost betonu. Nadměrné množství vody vede ke zvýšenému odvzdušnění (povrchová voda) a oddělení jednotlivých složek, což vede k výsledné nižší kvalitě betonu.

Čtěte také: Jak na šrafy a čáry v AutoCADu pro stavebnictví

Zpracovatelnost může být měřena pomocí testu propadu betonu, je to měření plasticity čerstvé várky betonu dle zkušební normy ASTM C 143 nebo EN 12350-2. Propad je obvykle měřen zkouškou rozlitím a vzorkem z dávky čerstvého betonu. Abramsův Kornout je umístěn širokým koncem dolů na úroveň neabsorbujícího povrchu. Je naplněn ve třech vrstvách o stejném objemu, přičemž každá vrstva je napěchována ocelovou tyčí s cílem vrstvu upevnit. Když je kornout opatrně odstraňován, určité množství vloženého materiálu propadne díky váze. Relativně suchý vzorek propadne velmi málo s hodnotou propadu 25 - 50 mm. Propad může být zvýšen přidáním chemických přísad, jako je voda o širokém či vysokém obsahu redukčních činidel (superplastifikátorů), aniž by došlo ke změně poměru voda / cement. Ztekucený beton, jako je samozhutňující beton, je testován dalšími průtokovými měřícími metodami.

Vytvrzování betonu

Vždy když přichází v úvahu použití betonu, musí být učiněno vše pro dosažení maximální pevnosti a tvrdosti. To se děje po definitivním umístění betonu. Cement vyžaduje vlhkost a kontrolované prostředí, aby získal sílu a plně vytvrdnul. Tuhnutí cementové pasty připomíná obrácený poločas rozpadu. Zpočátku tuhne poměrně rychle, ale zůstává velmi slabá, a na síle získává v následujících dnech a týdnech. Hydratace a tuhnutí betonu během prvních tří dní je kritické období. Nadměrně rychlé vysušení a smrštění kvůli takovým vlivům, jako je odpařování větrem, může vést ke zvýšenému tahovému pnutí v době, kdy ještě beton nezískal dostatečnou pevnost, což v závěru vede k většímu praskání následkem smrštění.

Výsledná pevnost betonu může být zvýšena, pakliže je udržován stále vlhký po delší dobu během procesu vytvrzování. Vyloučením předčasného zatížení docílíme minimalizace popraskání. Během tohoto období musí být beton v podmínkách s kontrolovanou teplotou a vlhkostí vzduchu. V praxi je tohoto dosaženo kropením či pocákáním povrchu betonu vodou, čímž je betonová masa chráněna před nevhodnými účinky okolních podmínek. Správné vytvrzení betonu vede ke zvýšení pevnosti, snížení vodopropustnosti a zamezuje praskání povrchu při předčasném vyschnutí. Je třeba též dbát, aby bylo zamezeno zmrznutí či přehřátí betonu. Vzhledem k tomu, že cement vydává při tuhnutí teplo, používá se potrubí s chladící kapalinou, které zabrání přehřátí (Hoover - Dam).

Pevnostní vlastnosti betonu

Beton má relativně vysokou pevnost v tlaku, ale výrazně nižší pevnost v tahu. Je reálné předpokládat, že v porovnání pevnosti v tahu činí něco kolem 10 - 15 % pevnosti v tlaku. Výsledkem toho je fakt, že beton takřka vždy selže díky náporu v tahu - i přestože je zatížený tlakově. Železobeton je nejčastější forma betonu. Výztuha bývá nejčastěji z oceli (roxor - pletivo, šroubovice, tyče a další formy). Beton též může být předpjatý, čímž se předchází náporu v tahu. Používají se vnitřní ocelové výztuže, které umožňují výrobu trámů či desek s větším rozpětím než má prostý železobeton.

Kterýkoliv beton může prasknout nezávisle na tom, zda má či nemá dostatečnou pevnost v tlaku. Ve skutečnosti, mastný beton s vysokým podílem portlandského cementu může prasknout snáze kvůli vysokému stupni hydratace. Jak se beton během hydratace transformuje z plastického stavu do tuhého, materiál se smršťuje. Smrštěním vzniklé trhliny se mohou objevit záhy po navrstvení, během závěrečných operací, pokud je vysoký stupeň odpařování, např. při horkém počasí či za větrných dnů.

Čtěte také: Pohledový beton a bednění

Stanovení pevnosti betonu

Pevnost betonu v tlaku je základní mechanickou vlastností, která se určuje na krychlích 150×150×150 mm nebo válcích průměru 150 mm a výšky 300 mm. Pro širší možnost vyhodnocení bylo pro každou sérii zkoušek vyrobeno 6 krychlí a 3 válce. Konvenční vztah mezi krychelnou a válcovou pevností v tlaku je:

fc,cyl = 0,83 * fc,cube

kde fc,cube je krychelná pevnost v tlaku a fc,cyl válcová pevnost v tlaku.

Pevnost betonu v prostém tahu (Direct tensile strength) je zkouška, která se provádí na trámci, vyjímečně na válci nebo na jádrových vývrtech. Vždy se zkouší minimálně tři tělesa. Před vlastní zkouškou se ověří geometrie zkušebního tělesa. Vzorky, které se nestandardně poruší, se ze zkoušky vyloučí - předpokládá se u nich nějaká chyba. Zkouška betonu v prostém tahu se provádí jen výjimečně. Její provedení komplikuje nutnost přilepení ocelových desek ke vzorku. Přilepení musí mít perfektní geometrii a pevnost vyšší než je pevnost zkoušeného betonu.

Mezi nejrozšířenější způsoby testování pevnosti v tahu patří zkouška v příčném tahu. Je možné využít zkušebních těles ve tvaru krychle nebo válce. S ohledem na kapacitu laboratoře a provádění zkoušek bylo pro testování využito krychlí. Výpočet pevnosti v příčném tahu je:

Čtěte také: Jídelní stůl MDF beton: Co zvážit?

ft,sp = (2 * Pmax) / (π * l * d)

kde Pmax je maximální zatížení, l délka dotykové přímky tělesa a d je zvolený příčný rozměr tělesa.

Pevnost betonu v tahu za ohybu (Tensile bending strength of concrete) je zkouška, která se provádí na betonovém trámci rozměrů 400x150x150 mm. Vždy se zkouší nejméně tři vzorky. Před zkouškou je potřeba ověřit geometrii tělesa a pak ho správně osadit do zkušebního zařízení - lisu. Podle způsobu zatížení se jedná o tří- nebo čtyřbodové uspořádání. Čtyřbodové uspořádání zkoušky má vyšší vypovídací hodnotu o pevnosti betonu v tahu za ohybu - těleso se poruší ve střední třetině mezi oběma silami od zatížení. Protože jsou v této části nosníku při uvedeném zatížení posouvající síly rovny nule, dojde k porušení v oblasti namáhání čistým ohybem. U tříbodového uspořádání zkoušky se vždy jedná o kombinaci ohybu a smyku.

Výpočet pevnosti v tahu za ohybu pro tříbodovou zkoušku je:

fct,fl = (3 * Pmax * L) / (2 * b * (h - a0)^2)

kde Pmax je maximální zatížení; L, b a h jsou rozměry: rozpětí, šířka a výška průřezu a a0 je výška zářezu.

Výpočet pevnosti v tahu za ohybu pro čtyřbodovou zkoušku je:

fct,fl = (Pmax * L) / (b * (h - a0)^2)

kde Pmax je maximální zatížení; L, b a h jsou rozměry: rozpětí, šířka a výška průřezu a e je vzdálenost mezi podporou a silou.

Výsledná pevnost betonu je ovlivněna poměrem voda / cement, konstrukčními prvky a mícháním, umístěním a vytvrzovací metodou. Prostý beton s nižším poměrem vody k cementu bude pevnější, než beton tekutý. Celkové množství cementovitých materiálů (portlandský cement, struskový cement, pucolány) může mít vliv na pevnost, na požadavky na vodu, srážení, otěruvzdornost a hustotu. Inženýři obvykle specifikují požadovanou pevnost betonu v tlaku, která je většinou udávána jako tlaková pevnost po 28 dnech uváděná v megapascalech (MPa). Dvacet osm dní je dlouhá čekací doba ke zjištění, zda byla získána požadovaná pevnost, proto se využívá i měření po třech a sedmi dnech, které je dobré pro odhad konečné pevnosti betonu po 28 dnech. 25 % pevnosti dosahují betony mezi 7 a 28 dnem v případech, kdy je použit 100 % běžný portlandský cement, až 40 % pevnosti lze získat přidáním pucolánů a doplňkových cementovitých materiálů, jako jsou popílek či struskový cement. Získaná pevnost závisí na typu směsi, jejích složek, procesu standardního vytvrzování, řádném testování a péči o beton během přepravy, atd. Vzorky betonu se zpravidla odebírají během usazování hmoty, testovací protokoly požadují, aby byly vzorky vyšetřeny v laboratorních podmínkách (standardní zkouška). Dodatečné vzorky mohou být testovány i v terénu (nestandardní zkouška), jedná-li se například o zjištění co nejkratšího využitelného času, nutného k dosažení potřebné pevnosti pro možnost brzkého odbednění. Děje se tak postupným odbedňováním za plynulého vyhodnocování zkoušek.

Drátkobeton a jeho tahové charakteristiky

Beton patří ke kompozitním materiálům s výrazně rozdílnými pevnostmi v tlaku a tahu. Pevnost v tahu je obvykle pouze kolem 1/10 pevnosti v tlaku. Zvýšení pevnosti betonu v tahu je možné přidáním drátků do betonu. Drátkobeton patří do širší skupiny vláknobetonů. Vláknobeton existuje v celé řadě variant, které se liší použitým materiálem a tvarem vláken. V některých případech je výhodnější využití drátkobetonu ve srovnání s prostým betonem nebo železobetonem. Jedná se zejména o návrh průmyslových podlah a základů. V případě návrhu těchto konstrukcí je potřebný podrobný popis materiálových vlastností drátkobetonu.

Testování drátkobetonu

Testování pevnosti betonu v jednoosém tahu je však náročné a často vzniká rozptyl naměřených hodnot. Mezi obvyklejší metody zkoušení patří testování pevnosti v tahu za ohybu. Zde však existuje celá řada variant. Konfigurace testů se liší rozměry zkušebních vzorků, metodou zkoušení a úpravou vzorků. Jedná se zpravidla o tříbodové nebo čtyřbodové zkoušky, vzorky se často upravují s vrubem do 1/3 výšky průřezu nebo alternativně 25 mm. Použitá betonová směs patří do skupiny běžných betonů určených pro konstrukční účely (např. základy, podlahy). Příprava směsi proběhla na betonárně specializované na transportbeton v průběhu roku 2016. Maximální zrno betonové směsi bylo 16 mm a vodní součinitel 0,6. Pro beton byl použit portlandský rychle tuhnoucí cement 42,5 MPa. Beton obsahuje také plastifikátor Stacheplast. Na základě průzkumu trhu a dostupnosti byl zvolen typ drátku Dramix 3D 65/60 BG. Tyto drátky patří k běžně dostupným v betonárnách a výrobnách betonových prvků v České republice, ale také ve světě (Evropa, Brazílie, Čína, Turecko).

Laboratorní program zkoušení

Laboratorní program zkoušení byl rozdělen do čtyř částí. Zkušební série zahrnují vzorky bez drátků a vzorky s drátky s dávkováním drátků 25, 50, 75 kg/m3.

Vyhodnocením zkoušek krychelné a válcové pevnosti v tlaku je možné velmi dobře rozlišit příznivý vliv drátků. Pevnost v tlaku však velmi výrazně závisí také na orientaci vláken a ta může mít za následek, že výsledná pevnost v tlaku s množstvím přidaných drátků klesá. Zkoušky v příčném tahu velmi dobře ilustrují vliv drátků na růst tahové pevnosti, a to i při množství drátků 25 kg/m3. S větším množství drátků však také roste rozptyl naměřených hodnot tahových pevností. Zejména to platí pro směs s drátky 75 kg/m3. Z provedených zkoušek je možné stanovit funkční závislost mezi množstvím drátků v betonu x a pevnosti v tahu za ohybu.

Porovnáním výsledných funkční závislostí mezi tří a čtyřbodovou ohybovou zkouškou se ukázalo, že nižší hodnoty mají tahové pevnosti čtyřbodové zkoušky. Důvodem je větší oblast, kde se tahová trhlina může lokalizovat. Metoda zkoušení při 3bodovém uspořádání se zkušebními tělesy opatřenými zářezem jasně definuje pozici vzniku trhliny, ale již nezohledňuje skutečné rozmístění vláken. Tento typ zkoušky má proto nutně větší rozptyl výsledků než výsledky zkoušek při 4bodovém uspořádání. Zkouška ohybem při tříbodovém uspořádání zatížení není vhodná pro stanovení materiálových parametrů u kompozitů s nehomogenní strukturou, jako je vláknobeton. Dvě výhody zkoušení při 4bodovém uspořádání zkoušky ohybem jsou, že je konstantní hodnota ohybového momentu ve střední třetině vzorku a že je v této oblasti zároveň eliminován vliv smykové síly. Na vzorcích, které nejsou opatřeny zářezem, se makro-trhlina šíří v místě nejslabšího průřezu, tedy v průřezu s nejmenším obsahem vláken, který je vystaven účinku největšího ohybového momentu.

V současnosti lze používat dvě velmi odlišné metodiky pro zjištění tahových charakteristik vláknobetonu - Model Code 2010 a ČSN P 73 2452. Výsledky destruktivních zkoušek podle uvedených metodik jsou natolik odlišné, že není možné pro testovaný vláknobeton definovat stejnou pevnostní třídu. Prudký rozvoj drátkobetonu, který ještě umocňují výrobci drátků a jejich zájem zavést drátkobeton do stavební praxe, kde může být uplatněn jeho přínos v podobě tahové odolnosti, vyústil v usnesení, že v současné době neexistuje jednotná metodika pro hodnocení tahové pevnosti.

Porovnání výsledků zkoušek na drátkobetonu

Zkoušení pevnosti v jednoosém tahu je náročné. Vzniká zde často velký rozptyl naměřených hodnot. Zkouška je citlivá na okrajové podmínky a to zejména na uchycení zkušebního tělesa. Právě tato mechanická vlastnost je však vyžadována jako fundamentální při využití pokročilých numerických simulací a analýz. Zkoušky pro určení tahové pevnosti v ohybu nebo pevnosti v příčném tahu je však možné využít k dopočtu pevnosti v jednoosém tahu pomocí známých vztahů, které jsou ověřeny na velkém množství experimentů. U betonu nižších pevností se doporučuje volit součinitele u dolní hranice.

tags: #prosty #beton #v #ohybu #vlastnosti #a

Oblíbené příspěvky:

• Vše o dřevěných lištách s ostrými hranami
• Sedlová střecha a moderní bydlení
• Jak izolovat plasmidovou DNA z gelu
• Vše o tloušťce skleněných tvárnic
• Přečtěte si o údržbě silniční zeleně a ochraně dřevin