Receptura referenčního cementu a jeho vliv na vlastnosti betonu

Cement je hydraulické pojivo, tj. jemně mletá anorganická látka, která po smíchání s vodou vytváří kaši, která tuhne a tvrdne v důsledku hydratačních reakcí a procesů. Po zatvrdnutí zachovává svoji pevnost a stálost také ve vodě. Beton tvrdne a tím pádem může být konstrukčním materiálem díky hydrataci cementu, což je souhrn chemických reakcí cementu a vody. Z hlediska dosažení co nejlepších vlastností betonu je důležité, aby hydratace cementu proběhla optimálně. Je důležité beton řádně ošetřovat zejména v počátečních fázích jeho zrání, aby proces hydratace nebyl negativně ovlivněn.

Definice a specifikace cementů

Účelem evropských norem je stanovit složení, požadavky a kritéria shody cementů pro obecné použití. Zahrnují všechny cementy pro obecné použití, které byly příslušnými národními normalizačními orgány v rámci CEN označeny jako tradiční a dobře osvědčené. Byly zavedeny druhy, vycházející ze složení a třídění založeného na pevnosti s cílem zařadit různé cementy. Norma definuje a určuje specifikace pro 27 jmenovitých cementů pro obecné použití, 7 síranovzdorných cementů pro obecné použití, jakož i pro 3 jmenovité vysokopecní cementy s nízkou počáteční pevností a 2 síranovzdorné vysokopecní cementy s nízkou počáteční pevností a pro jejich složky.

Definice každého cementu zahrnuje poměry složek, jejichž kombinací je možno vyrobit určitou skupinu výrobků v rozsahu devíti pevnostních tříd. Definice zahrnuje rovněž požadavky na složky, které musí být splněny, a mechanické, fyzikální a chemické vlastnosti. Norma určuje rovněž kritéria shody a postupy pro jejich stanovení.

Cement podle EN 197-1, označovaný jako cement CEM, musí při odpovídajícím dávkování a smíchání s kamenivem a vodou umožnit výrobu betonu nebo malty zachovávající po dostatečnou dobu vhodnou zpracovatelnost. Cementy CEM jsou složeny z různých látek a ve svém složení jsou statisticky homogenní.

Složky cementu

• Portlandský slínek: Vyrábí se pálením nejméně do slinutí přesně připravené surovinové směsi obsahující prvky, obvykle vyjádřené jako oxidy CaO, SiO2, Al2O3, Fe203 a malá množství jiných látek. Portlandský slínek je hydraulická látka, která musí sestávat nejméně ze dvou třetin hmotnosti z křemičitanů vápenatých (3CaO · SiO2 a 2CaO · SiO2). Hmotnostní podíl (CaO) / (SiO2) nesmí být menší než 2,0.
• Granulovaná vysokopecní struska: Vzniká rychlým ochlazením vhodně složené struskové taveniny vznikající při tavení železné rudy ve vysoké peci. Struska musí být nejméně ze dvou třetin hmotnosti sklovitá a při vhodné aktivaci musí vykazovat hydraulické vlastnosti.
• Pucolány: Jsou přírodní látky křemičité nebo křemičito-hlinité, popřípadě kombinace obou. Pucolány po smíchání s vodou samy netvrdnou, avšak jsou-li jemně semlety, reagují v přítomnosti vody za normální teploty s rozpuštěným hydroxidem vápenatým (Ca(OH)2) a tvoří sloučeniny křemičitanů vápenatých a hlinitanů vápenatých, které jsou nositeli narůstající pevnosti.
• Popílek: Získává se elektrostatickým nebo mechanickým odlučováním prachových částic z kouřových plynů topenišť otápěných práškovým uhlím. Popílek může být svou podstatou křemičitý nebo vápenatý. Křemičitý popílek je jemný prášek převážně sestávající z kulových částic s pucolánovými vlastnostmi. Vápenatý popílek je jemný prášek, který má hydraulické a/nebo pucolánové vlastnosti.
• Kalcinovaná břidlice: Vyrábí se ve speciální peci při teplotě přibližně 800 °C a obsahuje slínkové fáze, volný oxid vápenatý, síran vápenatý a značný podíl pucolanicky reagujících oxidů.
• Křemičitý úlet: Vzniká při redukci křemene vysoké čistoty uhlím v elektrické obloukové peci při výrobě křemičitých nebo ferrokřemičitých slitin a sestává z velmi jemných, kulovitých částic obsahujících nejméně 85 % hmotnosti amorfního oxidu křemičitého.
• Doplňující složky: Jsou zvlášť vybrané anorganické přírodní látky nebo anorganické látky pocházející z procesu výroby slínku, které zlepšují fyzikální vlastnosti cementu.
• Síran vápenatý: Přidává se k ostatním složkám cementu v průběhu jeho výroby za účelem úpravy tuhnutí.
• Přísady: Látky přidávané pro usnadnění výroby nebo pro úpravu vlastností cementu. Celkové množství přísad nesmí překročit 1,0 % hmotnosti cementu (s výjimkou pigmentů).

Pevnostní třídy a počátek tuhnutí

Normalizovaná pevnost cementu je pevnost v tlaku, stanovená podle EN 196-1 po 28 dnech. Rozeznávají se tři třídy normalizované pevnosti: třída 32,5, třída 42,5 a třída 52,5. Počáteční pevností se rozumí pevnost v tlaku buď po 2 dnech, nebo po 7 dnech. Rozeznávají se tři třídy počáteční pevnosti pro každou třídu normalizované pevnosti: třída s normálními počátečními pevnostmi značená písmenem N, třída s vysokými počátečními pevnostmi značená písmenem R a třída s nízkou počáteční pevností značená písmenem L. Počátek tuhnutí a objemová stálost (rozepnutí) musí odpovídat normativním údajům.

Čtěte také: Kreativní průvodce betonových hub

Experimentální vyhodnocení vlivu doby hydratace cementu

Cílem experimentu bylo vyhodnocení vlivu doby hydratace cementu na sledované charakteristiky betonu. Pro zkoušky byl použit referenční beton, jehož receptura je předmětem Tabulky 1. Objemová hmotnost čerstvého betonu byla dle normy [5] stanovena na hodnotu 2320 kg/m³.

Všechna zkušební tělesa byla po betonáži přikryta PE fólií a uložena v normálních laboratorních podmínkách. Po 24 hodinách byla zkušební tělesa odformována a umístěna na předem stanovenou dobu do vodního uložení. Např. zkušební tělesa, u nichž byla hydratace zastavena po 7 dnech zrání (sada s označením 7D), byla 1 den ve formě, poté 5 dní ve vodní lázni a 1 den byla umístěna v sušičce při 105 °C. Doba ve formě (1 den) a v sušičce (také 1 den) byla pro všechny sady zkušebních těles stejná, měnila se pouze doba uložení ve vodě. Takto zvolený postup měl zajistit omezenou dobu na tvorbu hydratačních produktů, což se mělo projevit na vývoji pórové struktury betonu a tím také na jeho mechanických vlastnostech.

Měřené vlastnosti betonu

• Pevnost v tlaku: Byla stanovena na zkušebních krychlích a hranolových tělesech ve zkušebním lisu FORM+TEST ALPHA 3-3000 podle normy [8].
• Dynamický modul pružnosti: Určen ultrazvukovou impulzovou metodou (UZ) podle normy [9] a rezonanční metodou podle normy [10].
• Statický modul pružnosti: Zjištěn na třech zkušebních hranolech podle normy [13] po nedestruktivním stanovení dynamických modulů pružnosti.

Výsledky experimentu

Hodnoty dynamického modulu pružnosti zjištěné pomocí obou nedestruktivních metod prokázaly předpoklad, že doba hydratace cementu má vliv na jejich velikost. Čím déle má beton možnost hydratačního procesu, tím je jeho modul pružnosti vyšší. Stejný trend potvrdily i výsledky zkoušky statického modulu pružnosti. Stejný závěr jako u modulu pružnosti betonu byl učiněn také u pevnosti v tlaku. I zde se prokázalo, že výsledná hodnota této charakteristiky závisí na délce hydratace cementu. Čím déle beton hydratuje, tím vyšších pevností v tlaku dosahuje.

U zkušebních hranolů s délkou hydratace cementu 2 dny byl zjištěn průměrný statický modul pružnosti 21,6 GPa, zatímco zkušební tělesa, u kterých byl umožněn hydratační proces normových 28 dní, dosahovala průměrné hodnoty statického modulu pružnosti 25,8 GPa. V případě, že byla hydratace pozastavena již po 2 dnech zrání betonu, vykazoval beton průměrnou pevnost v tlaku 34,5 MPa. Cíl se podařilo splnit a výsledky odpovídají předpokladům.

Použití k-hodnoty a indexu účinnosti pro elektrárenský popílek

Článek se zabývá možnostmi stanovení tzv. k-hodnoty a indexu účinnosti pro elektrárenský popílek v kombinaci s cementem CEM II/(A‑S) 42,5 R. k-hodnoty byly stanoveny na základě vztahu vodního součinitele a pevnosti v tlaku cementových malt s různými množstevními náhradami cementu elektrárenským popílkem. Z dosažených k-hodnot byly vytvořeny závislosti k-hodnoty na množství náhrady cementu elektrárenským popílkem.

Čtěte také: komplexní přehled o transportu cementu

Aktivní příměsi se používají do betonu jako náhrada cementu z několika důvodů. Při navrhování betonu s aktivními příměsmi se v ČR používá koncepce tzv. k-hodnoty, která je jen zběžně popsána v ČSN EN 206+A2 [1]. k-hodnota se používá pro stanovení maximálního vodního součinitele a minimálního množství pojiva v betonu s aktivní příměsí s ohledem na jednotlivé stupně prostředí podle přílohy F.1.

Koncepce k-hodnoty je preskriptivní metoda založená na porovnání trvanlivosti (nebo pevnosti) referenčního betonu s cementem A a betonu, v němž je část cementu A nahrazena příměsí. Tato příměs je započítána jako funkce vodního součinitele a množství příměsi ve tvaru v/(c + k∙p) [2]. Efektivní vodní součinitel se číselně rovná vodnímu součiniteli betonu pouze s cementem stejné pevnosti ve stejném čase jako uvažovaný beton s příměsí. Pro betony s příměsí je příměs v rovnici voda/cement uvažována jako náhrada části cementu, která je opatřena hodnotou k, kde w0 je vodní součinitel betonu bez příměsi [-], v obsah vody použité v betonu s příměsí [kg/m3], c obsah cementu v betonu s příměsí [kg/m3] a p obsah příměsi [kg/m3].

Index účinnosti Iu [%] je jednou z možností popisu vlivu aktivních příměsí (v tomto případě elektrárenského popílku) na pevnost v tlaku cementových malt, kde fc,a je pevnost v tlaku cementové malty s příměsí [MPa] a fc,ref pevnost v tlaku referen­ční cementové malty [MPa].

Experiment s popílkem

Předmětem experimentu bylo stanovení vlastností cementových malt s náhradou portlandského směsného cementu CEM II/A‑S 42,5 R popílkem MVM Mátrai Energia v množství 10, 20, 30 a 40 % hmotnosti cementu. Byly vyrobeny cementové malty se stejným vodním součinitelem, přičemž vodní součinitel byl brán jako poměr hmotnosti vody ku součtu hmotnosti cementu a elektrárenského popílku. Jako referenční malty byly použity malty vyrobené pouze s cementem CEM II/A‑S 42,5 R.

Na všech vzorcích byla sledována konzistence podle ČSN EN 1015 - 3 [7], na ztvrdlých cementových maltách pak pevnosti v tlaku a tahu za ohybu podle ČSN EN 196 - 1 [8]. Index účinnosti byl stanoven podle ČSN EN 450 - 1 [9]. Zrání vzorků probíhalo ve vodním uložení.

Čtěte také: Analýza cementu: Mangan a chemické složení

Ve všech zkoušených stářích můžeme vidět, že se zvyšující se náhradou elektrárenským popílkem se pevnost v tlaku snižuje. K nejvyššímu poklesu dochází ve stáří 7 dní. Cementová malta se 40% náhradou cementu elektrárenským popílkem dosahuje pouze 50 % pevnosti v tlaku referenční cementové malty. Pro následující stáří byl pokles pevností v tlaku menší, resp. na 65 % pevnosti v tlaku referenčních vzorků, a to pro malty se 40% náhradou cementu popílkem. Index účinnosti je poměr pevnosti v tlaku malty s částečnou náhradou cementu elektrárenským popílkem a pevnosti v tlaku referenční malty. Z tohoto důvodu průběh indexů účinnosti odpovídá průběhům pevností v tlaku.

Stanovené k-hodnoty mají obdobný průběh jako pevnosti v tlaku. Nejvyšší k-hodnoty jsou pro 10% náhradu cementu elektrárenským popílkem a s vyšší náhradou cementu popílkem se snižují. Ovšem v tomto případě se nejedná o tak velký pokles jako u pevností v tlaku. Závěrem byly stanoveny k-hodnoty na základě vztahu vodního součinitele a pevnosti v tlaku. Uvedené k-hodnoty dosahují vyšších hodnot než doporučená k-hodnota uvedená v ČSN EN 206+A2, která je rovna 0,4 pro elektrárenský popílek v kombinaci s cementem CEM II v maximální náhradě 25 %.

Pokud budeme uvažovat normové požadavky na index účinnosti podle ČSN EN 450 - 1 [9], tak lze říci, že optimální náhrada cementu je v tomto případě 30 % a méně. Pomocí dosažených výsledků lze usoudit, že stanovené k-hodnoty jsou vhodné pro návrh cementových malt pro expoziční třídy XC a XD.

Ověření k-hodnoty pomocí trvanlivosti

Tento článek se zabývá možností posouzení k-hodnoty elektrárenského popílku pomocí trvanlivosti. Pro cementové malty s náhradou 10, 20 a 30 % portlandského směsného cementu elektrárenským popílkem byly stanoveny pevnosti v tlaku, indexy účinnosti, hloubka průsaku tlakovou vodou a hloubka karbonatace pro stáří 7, 28, 60 a 90 dní. Pro jednotlivé náhrady cementu byly pro dané stáří stanoveny k-hodnoty pomocí vztahu vodního součinitele a pevnosti v tlaku. Dle výsledků zkoušek trvanlivosti byly posouzeny stanovené k-hodnoty a byly určeny k-hodnoty, které jsou bezpečné pro použití elektrárenského popílku v agresivním prostředí XC a XD.

Elektrárenský popílek má vliv na vlastnosti čerstvého i ztvrdlého betonu. Například pevnost v tlaku betonu, ve kterém je část cementu nahrazena elektrárenským popílkem, je v počátečních stářích nižší než pevnost betonu bez popílku, ale v pozdějších stářích jsou pevnosti obou betonů téměř shodné [2].

Metodika a výsledky

V rámci experimentální práce byl použit cement CEM II/A-M 42,5 R a vysokoteplotní elektrárenský popílek Opatovice. Byly namíchány cementové malty s náhradami 0, 10, 20 a 30 % cementu elektrárenským popílkem Opatovice. V cementových maltách byl použit konstantní vodní součinitel 0,5 a množství cementu bylo použito stejné jako v EN 196-1: Metody zkoušení cementu - část 1: Stanovení pevnosti.

Na cementových maltách byla zkoušena ve stáří 7, 28, 60 a 90 dní pevnost v tlaku dle EN 196-1, stanovení hloubky karbonatace dle EN 13295 a odolnost proti průsaku tlakovou vodou dle EN 12390 - 8. Pomocí stanovených pevností v tlaku byla na základě vztahu vodního součinitele a pevnosti v tlaku stanovena k-hodnota.

Pevnosti v tlaku a indexy účinnosti jsou s portlandským směsným cementem vysoké již ve stáří 7 dní. Hloubka karbonatace je nejvyšší ve stáří 7 dní. U hloubky průsaku tlakovou vodou je ve stáří 7 a 28 dní průběh podobný jako u karbonatace. U referenční receptury je hloubka průsaku tlakovou vodou nižší než u cementových malt s přidaným elektrárenským popílkem. K-hodnoty stanovené podle vzorce 2 odpovídají průběhu pevností v tlaku, nejvyšší k-hodnoty jsou pro cementové malty s náhradou popílku 10 % a nejnižší s náhradou 30 %.

Z hlediska splnění aspektu trvanlivosti pro hloubku karbonatace dochází ke splnění požadavků CEN/TR 16639 pro všechny náhrady ve stáří 60 a 90 dní. Hloubka karbonatace a hloubka průsaku tlakovou vodou je ve stáří 7 a 28 dní nejnižší pro referenční cementovou maltu. Pomocí dosažených výsledků lze usoudit, že stanovené k-hodnoty jsou vhodné pro návrh cementových malt pro expoziční třídy XC a XD.

Doporučení pro výrobu betonu

Při míchání betonu doporučujeme dávkovat do stavební míchačky vždy jako první vodu, následně 3-4 lopaty kameniva a po promísení přidávat postupně celou vypočítanou dávku cementu. Po zamísení cementu postupně přidávejte štěrk, dokud nebude mít beton požadovanou konzistenci. Míchejte přibližně 3 - 5 minut. Vodu dávkujte přiměřeně; přebytečná voda snižuje pevnost betonu a jeho životnost. Vezměte v úvahu, že v kamenivu je běžně obsaženo asi 5 - 15 % vlhkosti. Obzvláště při výrobě vnitřních podkladových betonů a potěrů se vyvarujte předávkování vody. Pro výrobu většího množství betonu doporučujeme zakoupení již namíchaného betonu.

tags: #receptura #referenčního #cementu

Oblíbené příspěvky:

• správné provedení hydroizolace dveří
• betonová dlažba 40 x 40 vlastnosti
• EPS izolace pro zateplení podkroví
• Vše, co potřebujete vědět o panelech Seda Bauhaus
• Jak vybrat dětskou ohrádku?