KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ
A CHEMIE
BETON BETON ––
VZTAH MEZI STRUKTUROU A VLASTNOSTMIVZTAH MEZI STRUKTUROU A VLASTNOSTMI
BETON –
vztah mezi strukturou a vlastnostmi•
Úvod
•
Chemie cementu
–
složení, typy, aplikace•
Vznik porézní
struktury betonu
Definice betonuHydratace cementuStruktura betonuVoda v hydratované
cementové
mikrostruktuře
Póry v hydratované
cementové
mikrostruktuřeVnitřní
a vnější
faktory ovlivňující
porézní
strukturu betonu
•
Vliv porozity na vlastnosti betonuPevnostPermeabilitaTepelná
vodivost
•
Vliv vnějších podmínek na vlastnosti betonuPůsobení
vysokých teplot
Vliv nízkých teplotDestrukce betonu vlivem působení
agresivních látek
Literatura
•
Chemie ve stavebnictví, O. Henning, V. Lach, SNTL/ALFA, 1983.•
Stavební
hmoty, L. Svoboda a kolektiv, JAGA Group
s.r.o.,
Bratislava, 2004.•
Czernin,
W., Cement Chemistry and Physic for Civil Engineers,
Bauverlag
GMBH, Berlin, 1980.•
Powers T. C., The Physical Structure
and
Engineering
Properties
of
Concrete, Research
and
Develop. Bull. Of
Portland Cement Ass. Skokie, No. 90, 1958.
•
Feldman, R. F., Sereda, P. J., A New
Model for
Hydrated
Portland Cement and
its
Practical
Applications. Engng. Jour. (Canda), 53,
1970, 8-9, 53-59.•
Midness, S., Young, J. F., Concrete, Prantice-Hall, Inc., New
Jersey,
1981, 657s..
Úvod I/V•
Jeden z historicky nejstarších stavebních materiálů.
•
V současnosti je to nejčastěji používaný materiál ve stavebnictví
– důvode jeho časté
aplikace je především všestrannost a
univerzálnost vlastností.
Množství
stavebního materiálu použitého v USA, 2000
Materiál Objem
(106
m3) Hmotnost
(106
t)Stavební
dřevo 107 -
Beton 275 640Cement 33 105Ocel 2 13Pálené
cihly a
produkty z jílů- 39
Stavební
kámen 0.3 1Asfalt _ 2Neželezné
kovy _ 29
Úvod II/V•
Důvod časté
aplikace betonu ve stavebním průmyslu je zdůvodnit
následujícími výhodami betonu:
Výhody NevýhodyMožnost odlití
specifických
tvarůNízká
pevnost v tahu
Ekonomické
výhody Nízká
tažnostTrvanlivost Objemová
nestálost
Požární
odolnost Nízký poměr pevnosti ku hmotnosti
Energetické
výhody??Možnost produkce přímo na stavběEstetické
vlastnosti
Úvod
III/V•
První
významný krokem pro širší
produkci betonu představuje
poznání
hydraulických vlastností
vápenných pojiv obsahujících jílové minerály.
Historický přehled (vývoj Portlandského cementu):•
V roce 1796 získal Angličan James patent na přírodní
hydraulický
cement –
výroba kalcinací
nečistého vápence obsahujícího jíl. •
Obdobný proces je možné
pozorovat ve Francii o 6 let později. V
roce 1813 připravil Vicat (Vicatův přístroj pro stanovení
doby tuhnutí cementu) umělé
hydraulické
vápno kalcinací
syntetické
směsi
vápence a jílu.•
V roce 1822 zavedl proces výroby hydraulického vápna v Anglii James Frost.
•
Konečně
v roce 1824, Joseph Aspdin (stavitel z Leedsu) obdržel patant na výrobu „portlandského cementu“
Úvod IV/V•
Po poznání
hydraulických vlastností
vápenných pojiv s přidáním
jílových minerálů
se následující
vývoj soustředil výhradně
na zdokonalení
pojivé
složky –
cementu (úprava složení
–
vstupní
suroviny, pece pro výrobu cementu, mlýny, atd.)
•
Během vývoje betonu byla formulována celá
řada technologických zásad, které
přetrvávají
v drobných změnách až
do padesátých let
20. století. •
Kvantitativním skokem v poznání
kompozitního charakteru betonu
byla až
práce T. C. Powerse, který prokázal, že pevnost, trvanlivost, mrazuvzdornost a vodopropustnost jsou funkcí
porozity
struktury
betonu.
Úvod V/V•
Současné
výzkumné
a vývojové
práce jsou v podstatě
založeny na
snaze snížit porozitu betonového kompozitu na minimum.
•
Prvním krokem byl úspěšný vývoj nových typů
plastifikátorů umožňujících podstatně
snížit obsah záměsové
vody a tím snížit
množství
pórů
vzniklých při jejím vypařování
během hydratace.
•
Další
vývoj přinesl přidání
jemných plniv s latentně
hydraulickými vlastnostmi, díky čemuž
bylo možné
zvýšit homogenitu směsi a
umožnit dokonalejší
hydrataci –
snížení
porozity, nárůst pevnostních charakteristik současných nových typů
betonu.
Hlavní
složky PC
Schéma výroby slínku, resp. cementu
Princip výroby cementu (opakování)
Výroba surovinové
moučkyNa základě
přesných chemických analýz se upraví
poměr jednotlivých složek surovinové
směsi. Jsou to především vápence znečištěné
příměsí
silikátů
a železité
konkrece. Surovinová
směs je mleta v
oběhových kulových mlýnech a současně
se sušena. Hotová
moučka se poté
dopravuje do železobetonových zásobních a homogenizačních sil.Výpal portlandského slínku
Nejdůležitějším procesem výroby cementu je výpal slínku. Surovinová
moučka prochází
výměníkem tepla, ve kterém dochází
k
předehřátí
suroviny na teplotu 800 °C. Ve výměníku dochází
k
využití
tepla kouřových plynů
a k
dokonalému zachycení
oxidu siřičitého, který se přeměňuje na síran vápenatý (sádru). Pálením až
na mez slinutí
(cca 1450 °C) se tvoří
umělé, tzv. slínkové
minerály, které
se následným prudkým schlazením v
chladiči stabilizují
a vzniká
slínek. Slínek je následně
dopraven do zásobních sil.
Mletí
cementuZe slínkových sil se slínek odebírá
pro mletí
v
cementových mlýnech, kde se mele společně
s
regulátory tuhnutí
(energosádrovec), případně
dalšími složkami (struskou, popílkem a jinými) na hotový produkt –
cement, který je veden do cementových sil a následně
expedován.
•
Porovnání
rychlosti hydratace slínkových minerálů
Křemičitanové
(silikátové) cementy
-
portlandský cement (p-cement) a další
křemičité
cementy jsou prášková
hydraulická
pojiva, která
se vyrábí
rozemletím křemičitanového slínku se sádrovcem, po smísení
s
vodou rychle tuhne v
odolnou hmotu.
•
typy PC –
vysokohodnotný (obsahuje vysoké
procento C3
S, jemně
mletý), silniční, rozpínavý, bílý (na spáry obkladaček,
neobsahuje oxidy železa)
Směsné
cementy•
latentně
hydraulické
látky (zásaditá
struska), aktivní
nehydraulické
látky (pucolány)•
budičem hydrauličnosti -
Ca(OH)2
•
tvrdnou pomaleji než
PC, vyvíjejí
méně
hydratačního tepla, proto se hodí
pro masivní
betonáž, pro vodní
stavby a pro
zakládání
staveb•
Směsné
cementy mohou také
zvýšit trvanlivost betonu –
nižší
pórovitost, vyšší
pevnost v tahu, tlaku v čase
SmSměěsnsnéé
cementycementy
-
V USA jsou směsné
cementy definovány vlastní
specifikací dle normy ASTM C 595.
-
Je nutné
zdůraznit, že v USA se směsné
cementy používají velmi zřídka, neboť
minerální
příměsi jsou do struktury betonu
přidávány až
při míchání
čerstvé
betonové
směsi.
-
Na druhé
straně, všechny evropské
cementy jsou v podstatě směsné.
Typy PC v EvropTypy PC v Evropěě::
Pro klasifikaci Portlandského cementu se používají v technické praxi dvě hlavní normy: ASTM C150 používanápředevším v USA a evropská norma EN-197. cementy typu CEM I, II, III, IV, a V dle normy EN-197 nekorespondují se stejně pojmenovanými typy cementů dle ASTM C 150.EN 197-1 definuje 5 typů cementů, které mají za základnísložku portlandský cement:I Portlandský cement - Portlandský cement a max. 5% minoritních přísadII Portlandský cement směsný - Portlandský cement a max. 35% dalších složekIII Vysokopecní cement – Portlandský cement a vyššíprocentuelní zastoupení vysokopecní struskyIV Pucolánový cement- Portlandský cement a max. 55% pucolánových příměsíV Směsný cement - Portlandský cement, vysokopevnostnístruska, pucolánové příměsi, popílek
ExpanzivnExpanzivníí
cementycementy
Jednu z hlavních nevýhod betonu na bázi Portlandského cementu představuje jeho objemová kontrakce, ke které dochází při jeho vysychání během hydratace (smrštění) – pokud je tomuto smrštěníbráněno (např. konstrukčně) vzniká v betonu tahové napětí, kterémůže být doprovázeno vznikem trhlin.Náhodné trhliny v betonové kci. Jsou jednak neestetické, ale závažnější problém je, že ve svém důsledku mohou narušit integritu celé konstrukce. Z tohoto důvodu je nezbytné již v návrhu konstrukcítak při jejich provádění zohlednit vliv případného smrštění.Vznik trhlin je kritický zejména pro konstrukce zadržující kapalnou vodu (přehrady, nádrže) a pro konstrukce, ke kterým voda nesmíproniknout. Jako logické řešení problému smrštění se jeví možnost vnesenípočátečního objemového rozpínání v betonu v rámci počátečního stádia hydratace a tvrdnutí – viz. Obr.ačkoli běžný Portlandský cement vykazuje velmi malou počátečnírozpínavost během mokrého procesu jeho ošetřování, jeho rozpínavost může být cíleně modifikována – shrinkage control(expanzivní cementy)
Smrštění
betonu při vysoušení
(a) Portlandský cementand (b) expansivní
cement
Smrštění
betonu při vysoušení
(a) Portlandský cementand (b) expansivní
cement
SloSložženeníí
expanzivnexpanzivníích cementch cementůů
Všechny tyto cementy jsou založeny na formaci podstatného množství etringitu v počátečním stádiu hydratace (během prvního týdne)V podstatě se vyrábějí tři základní varianty těchto cementů, K, M a S, - liší se původe hlinitanové sloučeniny, ze které je následně při hydrataci tvořen etringit
Hlinitan vápenatý + S_ + H ettringite
Zreagovaný hlinitan vápenatý nahradí C3A v cementu, přičemž vápenaté křemičitany zajišťují dlouhodobé vlastnosti materiálu-
Příklad: typ E-1(K) – využíván jenom v USA, složen z calcium sulfoaluminate (C4A3S_)s anhydritem (CS_) – CaSO4, společně s volným vápnem zvyšují množství etringitu a tím i objemovou expanzi materiálu
Hlinitanový cement I/III
-
HC je hydraulické
pojivo pro výrobu betonů
určených pro monolitické
či prefabrikované
stavby pecí
a vyzdívky, tzv.
žárobetonů
(do 1600°C), betony odolné
vyšším teplotám (nad 200°C)
-
surovinovou směs tvoří
čistý vápenec a bauxit-
výroba je velmi nákladnáelektrické tavení v obloukové elektrické peci při 1500-1600°C (tzv. elektrotavený korund), tavenina se pomalu ochlazuje tak, aby vznikl krystalický CA, který se následně mele na prášekvypalování briket v keramických pecích při 1250°C, ochlazením opět vzniká CA
-
slínek se skládá
z
45% Al2
O3
(žárovzdorné
až
81%), 40% CaO, zbytek tvoří
oxidy železa a křemíku a zbytkové
příměsi. Výsledné
vlastnosti také
ovlivňuje nemalou měrou použité
kamenivo -
slínkové
minerály v hlinitanovém cementu CA
(monokalciumaluminát, hlinitan monovápenatý)C2
A (kalciumdialuminát, dihlinitan vápenatýC3
A5
, C3
A2
, C2
AS, C4
AF, C5
A3
Hlinitanový cement II/III
-
slínek po smíchání
s
vodou rychle hydratuje na CaO. Al2
O3
.10H2
O, za uvolnění
značného tepla 550-650 J/g (PC 270-400 J/g) a
dosahuje vysokých počátečních pevností
20-60 MPa/24 hod
Druh a složení
hydrátů
závisí
na teplotě
hydratace:
22°C
CA+10H→CAH10
22-30°C
2CA+11H→C2
AH6
+2AH3
30°C
3CA+12H→C3
AH6
+2AH3
nad 30°C
3CA+10H→C3
AH6
+2AH3
+18H
vysoká
pórovitost, tvorba trhlinek→pokles pevnosti, proto je nutné snižovat poměr v/c.
Hlinitanový cement III/III
-
při nedostatečném ošetřování
betonu (vlhčení
a to ihned po zatuhnutí), vzniká
nebezpečí
tvorby málo pevného C3
AH6
-
na to má
vliv i rychle hydratující
C5
A3
s
nestabilní
strukturou, která
se může projevit snižováním pevnosti betonu během
času. -
to se potvrdilo i několika haváriemi betonových konstrukcí, proto se od roku 1985 u nás nesmí
HC používat k
výrobě
betonu nosných konstrukcí
Žárobeton, beton odolný vyšším teplotám - kamenivo
-
pro výrobu hutných žárobetonů
s objemovou hmotností
vyšší než
1500 kg na metr kubický, vystavených teplotám do 700°C
postačí přírodní
kamenivo-
pro hutné
žárobetony vystavené
vyšší
teplotě
než
700°C je
třeba použít umělého kameniva. Přírodní
kamenivo nesmí
při vyšší
teplotě
měnit své
mechanické
vlastnosti a nesmí
se
vlivem vysoké
teploty smršťovat. Nejvhodnějšími přírodními kamenivy pro hutné
žárobetony je čedič, diabas a nebo
andezit. Naprosto nevhodnými kamenivy jsou křemenná kameniva a žula. Křemenná
kameniva vlivem vysoké
teploty
pukají
a žula se vlivem vysoké
teploty nadměrně
smršťuje.-
pro hutné
žárobetony vystavené
teplotám v rozsahu 800°C až
1000°C již
nelze použít přírodní
kamenivo. Pro tyto teploty lze použít buď
drcený keramický střep
a nebo drcenou
pomalu chlazenou vysokopecní
strusku. Pro teploty nad 1000°C lze použít jako kamenivo drcený šamot, korund, karborundum, drcený bauxit a nebo chromit.
Vznik porézní
struktury betonu
Definice betonu:Z pohledu materiálového inženýrství
můžeme beton definovat
jako heterogenní
soustavu kameniva propojenou cementovým gelem s rozptýlenými póry.
Beton nelze považovat za hmotu, jejíž
vlastnosti jsou neměnné
–-probíhají
v něm časově
závislé
změny, ke kterým dochází
v
pojivu (ztvrdlé
cementové
maltě) a v zóně
mezi touto hmotou a kamenivem vlivem krystalizace hydratačních sloučenin, odpařování
vody z pórů
i vlivem vnějšího působení
na beton
Vznik betonu je vázán na přeměnu pojivé
složky cementu, který po smíchání
s vodou chemicky reaguje a mění
svou počáteční
konzistenci vysokoviskózní
vodné
suspenze –
cementové
pasty, na pevnou formu hmoty -
cementový gel
Teorie tvrdnutí
cementu
krystalová teorie Le Chateliera (1882): 1. fáze –
postupné
rozpouštění
cementu ve vodě
(hydrolýza+hydratace), výsledkem hydráty přesycený roztok
2. fáze –
krystalizace z
roztoku a vylučování
jehličkovitých, vzájemně
zplstěných krystalů
koloidní teorie Michaelisova (1892): 1. fáze –
částečné
rozpouštění, tvorby koloidní
hmoty z
CS-,
CA-
a CF-hydrátů, vznikají
tzv. C-S-H gely
2. fáze –
smrštění
hydrogelu vlivem „vnitřního odsávání“
vody ještě
nehydratovanými zrny cementu
•
gelově
krystalová
teorie Bajkova (1923)•
teorie tvorby mikrostruktury Rebinděra a Polaka (1960)
•
teorie struktury gelu Powerse (1961)•
atd.
Hydratace cementu-
probíhá
ve třech indukčních periodách
1. perioda: (10 –
15 minut)
-
téměř
okamžitě
reaguje podstatná
část C3
S za vzniku hydrosilikátového gelu a krystalického portlanditu
2(3CaO.SiO2
) + 6H2
O 3CaO.SiO2
.3H2
O + 3Ca(OH)2
-
zároveň
probíhá
také
reakce C3
A za přítomnosti sádrovce na hexagonálně
krystalický ettringit, který postupně
přechází
na
monosulfát tvořící
destičky
3CaO.Al2
O3
+ 3CaSO4
.2H2
O + 26H2
O 3CaO.Al2
O3
.3CaSO4
.32H2
O
3CaO.Al2
O3
.3CaSO4
.32H2
O + 2(3CaO.Al2
O3
) + 4H2
O
3(3CaO.Al2
O3
.CaSO4
.12H2
O) monosulfát
Hydratace cementu II2. perioda: ( končí
po 12 –
24 hodinách)
-
spojena s přechodem cementové
pasty do tuhého skupenství-
základní
hydratační
reakce trikalcium silikátu se rozvíjí
za vzniku
dlouhovláknitého kalciumhydrosilikátu a zvětšených krystalků portlanditu
-
dochází
k nárůstu měrného povrchu systému až
100x-
zrna cementu se k sobě
přibližují
prorůstáním krystalů
hydratačních
produktů-
probíhá
hydratace ferritové
fáze
4CaO.Al2
O3
.Fe2
03
+ 4CaO(OH)2
+ 22H2
O 4CaO.Al2
O3
.13H2
O+ 4CaO. Fe2
03
.13H2
O
Hydratace cementu III3. perioda:
-časově
neohraničený úsek tvrdnutí
betonu zahrnující
hydrataci C2
S-dozrávání,hydratace dosud nezhydratovaného podílu cementových zrn a rekrystalizace hydratačních produktů
vlivem difúze vody z
vnějšího prostředí
2(2CaO.SiO2
) + 4H2
O 3CaO.2SiO2
.3H2
O + Ca(OH)2
Množství
hydratačního tepla závisí
na mineralogickém složení, jemnosti mletí
a teplotě, při níž
hydratace probíhá, přísadách a
přídavcích a vodním součiniteli. S
rostoucí
teplotou se rychlost reakcí zvyšuje.
Hydratace cementu IVVelký vliv na průběh hydratace má
vodní
součinitel čerstvé
betonové
směsi v/c.znázornění
složení
hydratačního produktu při teoreticky 100% hydrataci
publikoval ve své
knize W. Czernin (viz. seznam použité
literatury)
Struktura betonu I
Makrostruktura
–
hodnocená
podle řezu betonového prvku a hodnocena pouhým okem, ukazuje beton jako dvousložkový materiál, který obsahuje kamenivo různých velikostí
a tvarů
a pojivo, jako
nesouvislou vrstvu zhydratovaného cementu propojující
kamenné plnivo
makrostruktura betonu
Struktura betonu II
Mikrostruktura
–
mikroskopické
pozorování
např. elektronovým mikroskopem –
struktura pojiva je v různých místech značně
rozdílná,
zdánlivě
homogenní
pojivo má
porézní
strukturu o různé
velikosti a tvaru pórůpropojení póry je závislé především na vodním součiniteli, složení
betonu a ošetřování během hydratačního procesu
mikrostruktura betonu
Struktura betonu III
Elektronová
mikroskopie
umožnila identifikovat čtyři základní
pevné složky zhydratované
cementové
pasty:
Kalcium silikát hydrát (C-S-H)
Kalcium hydroxid (C-H)
Kalcium sulfoalumináty (C-S-A-H)
Nezhydratovaná cementová zrna
Struktura betonu IV
Kalcium silikát hydrát (C-S-H), C-S-H gel-
zaujímá
50-60% objemu a je určujícím faktorem vlastností
cementového gelu-
má
variabilní
morfologický obraz a je charakteristický existencí
krystalických vláken až
po vláknité
mřížkovité
útvary-
tvorba C-S-H gelu začíná
růstem vláknitých útvarů
na cementových
zrnech vlivem reakce s vodou-
s postupem času se tloušťka hydratující
složky zvyšuje a stává
se
pro další
vodu nutnou k postupu reakce překážkou –
snižuje se hydratační
rychlost
Struktura betonu V
Kalcium hydroxid (C-H), portlandit-
zaujímá
20 –
25% objemu pevné
fáze zhydratované
cementové
pasty- vytváří rozměrné
hexagonální
krystaly
-
je mu přisuzován nepříznivý vliv na chemickou odolnost betonu především v kyselém prostředí
Kalcium sulfoalumináty (C-S-A-H)-zaujímají
15 –
25% objemu
-
v počátečním stádiu tvrdnutí
jsou zdrojem tvorby etringitu, který posléze transformuje na monosulfát hydrát C4
ASH18
, který tvoří hexagonální
krystaly
- zhoršuje odolnost betonu vůči síranůmNezhydratovaná cementová zrna – jejich přítomnost a množství
jsou závislé na vodním součinitele betonové směsi, velikosti cementových zrn a kameniva, stupni hydratace.
Voda v hydratovaném cementovém pojivu IVoda je stálou složkou mikrostruktury ztvrdlé
cementové
pasty
(cementové
gelu).
Kapilární voda-
volná
voda v makropórech
(>0,05 mm) a v technologických dutinách
závislá
na vnějším prostředí
uloženého betonu, změna jejího množství
nemá
podstatný vliv na mechanicko-fyzikální
parametry
betonu-
voda přítomná
v malých kapilárách
je oproti tomu pevně
poutána a
její
ztráta se projevuje smršťováním-
fyzikálně
adsorbovaná
voda
na povrchu struktury hydratačních
útvarů
– při vysušování
betonu se projevuje smršťováním-
uvnitř
C-S-H struktury je monomolekulární
vrstva vody pevně
zakotvená
vodíkovými můstky –
při relativní
vlhkosti nižší
než
11% vede k razantní
objemové
změně
ztvrdlé
cementové
pasty
Voda v hydratovaném cementovém pojivu II
Chemicky vázaná voda- je součástí
sloučenin vzniklých hydratací
cementu
-
její
odstranění
je možné
pouze působením vysokých teplot a vede k samotné
destrukci (rozpadu) betonu
model Feldman, Sereda
Póry v hydratovaném cementovém pojivu
póry ve struktuře betonu je třeba dělit a klasifikovat v souladu s jejich vznikem při výrobním procesu (přechod z heterogenní viskóznísuspenze na pevnou formu hmoty)
gelové póry, kapilární póry a technologické póry (vzniklé při míchání stržením okolního vzduchu, uzavřené kulové póry úmyslněvytvořené přidáním přísad, póry kameniva )
póry kameniva se obvykle pohybují v rozsahu 1 – 5%, vápenec např. 24%
představy o uspořádání porézní struktury C-S-H se měnily v závislosti na kvalitě experimentálních metod a zařízení
nemění se však definice gelových pórů, které jsou definovány jako součást struktury C-S-H gelu
Klasifikace pórů
v hydratované
cementové
pastě
Původní
představa uspořádání
C-S-H gelu podle Powerse a Brownyarda
Model struktury C-S-H gelu podle Feldmana a Seredy
Vnitřní
a vnější
faktory ovlivňující
porézní
strukturu
chemický proces tvrdnutí betonu je ovlivněn celou řadou vnitřních a vnějších faktorů, které rozhodují o jeho výsledných vlastnostech
velikost pórů i jejich distribuce jsou časově závislé parametry
chemické složení slínku
jemnost mletí slínku
vodní součinitel v/c
ošetření betonu
teplota, při které probíhá hydratace
Rozdělení
pórů
dle jejich velikosti v tvrdnoucí
cementové
pastě po různé
době
hydratace
Vliv teploty hydratace na porézní
strukturu betonu
obecně platí, že zvýšená teplota hydrataci urychluje a její pokles vede ke snížení reakční rychlosti hydratace – zastavení hydratace
za hraniční teplotu je považována teplota -10°C
nastartování hydratace při nižší teplotě vede k tvorbě struktury s převažujícím podílem dobře vyvinutých krystalů tobermoritu (Ca5[Si3O8(OH)]2·2-5H2O – zvýšení celkové pevnosti
rychlá počáteční hydratace při zvýšené teplotě vytváří tlustší zónu kolem zrn slínku, která je málo propustná pro vnější vodu a hydratace se zbrzdí
vliv na průběh a velikost smršťování (tahová napětí, doprovázenázužováním kapilár – rychlost odpařování vody)
Vliv porézního prostoru na vlastnosti betonu I
porézní
struktura je charakterizována porozitou, měrným objemem pórů, specifickým povrchem pórů
a jejich distribuční
funkcí
vliv na pevnost betonu
S
pevnost hmoty o dané
porozitěp
porozita
S0
pevnost materiálu o nulové
porozitěk
konstanta (charakteristika materiálu)
U betonu komplikuje otázku vztahu porozity a pevnosti v tlaku problém mikrotrhlin, které
vznikají
v průběhu zrání
smršťováním
především v zóně
mezi ztvrdlou cementovou pastou a kamenivem.
0kpS S e−= ⋅
Pevnost v tlaku vs. porézní
prostor pro různé
druhy cementových malt po 28 dnech
Závislost pevnosti v tlaku na porozitě
ztvrdlé
cementové
pasty
Vliv porézního prostoru na vlastnosti betonu II
vliv na tepelnou vodivost -
tepelná
vodivost betonu je závislá
na pórovitosti a s tím spojeném
obsahu vody v pórech, přičemž
stupeň
nasycení
ovlivňuje hodnotu součinitele tepelné
vodivosti více než
porozita
Vliv porézního prostoru na vlastnosti betonu III
permeabilita K (propustnost)-
určuje průchodnost kapalin betonem a má
přímou vazbu na
trvanlivost s ohledem na odolnost proti působení
cyklického zmrazování
a vysušování
(vnitřní
namáhání
porézní
struktury)
- definována Darcyho zákonem
-dq/dt
rychlost toku kapaliny- μ viskozita kapaliny- ∆H
gradient tlaku
- A
plocha tělesa- L
tloušťka tělesa
dq HKdt Lμ
Δ= ⋅
Změna vodopropustnosti cementové
pasty v závislosti na postupující
hydrataci (v/c = 0.7)
Vliv vnějšího prostředí
na ztvrdlou porézní
strukturu cementového pojiva I
působení vysokých teplot -
negativní
vliv zvýšení
teploty okolního prostředí
na beton je spojen
se ztrátou vody v cementovém pojivu provázené
se zásadními změnami porozity-
volná
a kapilární
voda se postupně
odpařují
–
změna objemu,
smršťování
Vliv vnějšího prostředí
na ztvrdlou porézní
strukturu cementového pojiva II
působení vysokých teplot -při teplotě
150°C dochází
ke ztrátě
gelové
vody a krystalické
vody
sulfoaluminátu-
cca od 500°C se začíná
rozkládat portlandit (narušení
mikrostruktury
cementového pojiva)-
betony obsahující
křemenné
pojivo mění
při teplotě
cca 650 alfa
formu SiO2
na beta-
úplné
rozložení
cementového pojiva nastává
při teplotě
vyšší
než
800°C –
úplný rozklad CaCO3
- měření
pomocí
termické
analýzy
Termická
analýza vzorků
cementového pojiva
Křemen –
polymorfní
materiálPolymorfismus (mnohotvárnost): existuje několik foremModifikace: v současnosti známo 22 forem
β−křemen (nízkoteplotní)romboedrická
r=2,65 g cm-3
γ-tridymit romboedrická
2,26 g cm-3
β-cristobalit
tetragonální 2,32 g cm-3
Fázový diagram křemene
Vliv nízkých teplot na vlastnosti betonu
-
rozrušování
porézní
struktury
cementové
pasty je způsobeno změnou skupenství
vody v makropórech a kapilárách
- přeměna je provázena objemovým nárůstem o cca 9% -
vnitřní
pnutí-
proto má
na výslednou odolnost betonu proti zmrazovacím cyklům
vliv hlavně
vodní
součinitel (omezení
pórovitosti)-
na odolnost má
také
vliv tvar a velikost pórů
–
betony s přísadou
provzdušňovadel tvořících kulové
póry, které
se zcela nezaplní
vodou (rezerva pro objemový nárůst ledu)
Destrukční chemické reakceV zásadě
všechny látky, jejichž
pH je menší
než
12,5 snižují
alkalitu
tekutiny vyplňující
póry a vytvářející
rovnováhu mezi hlavními složkami zhydratované
cementové
pasty C-S-H a C-H.
Účinnost a rychlost škodlivých reakcí
je funkcí
agresivity daných substancí
a porozity.
Široká
škála látek, které
jsou agresivní
vůči betonu –
běžně
se v ovzduší
a spodní
vodě
vyskytuje např. CO2
, SO2
, SO3
, So4
, Nox
a Cl-
Reakce vzdušného CO2
s Ca(OH)2
vede ke vzniku CaCO3
v povrchové
zóně
betonu, kde klesá
postupně
pH až
pod hodnotu 9.0,
která
je považována za mezní
pasivační
hranici zaručující
přirozenou ochranu ocelové
koroze vůči korozi –
objemový nárůst profilu výztuže
vytváří
napětí
v betonu, odloupávání, destrukce.
Účinek látek obsahujících ionty NO3
, SO4
a Cl je dán tvorbou krystalických látek vzniklých reakcemi s hydratačními sloučeninami cementové
pasty –
výkvěty, rekrystalizace, krystalizační
tlaky narušují
vnitřní
strukturu betonu
Klasifikace betonu –
ČSN EN 206-1
podle objemové hmotnostiObyčejný 2 000 -
2 600 kg m-3
Lehký <
2 000 kg m-3
Těžký > 2 600 kg m-3
podle pevnostipodle charakteristické
pevnosti v tlaku v MPa zjištěné
na válcích o
průměru 150 mm a výšce 300 mm (číslo před lomítkem)
podle charakteristické
pevnosti v tlaku v MPa zjištěné
na krychlích o hraně
150 mm ve stáří
28 dní
(číslo za lomítkem)
C8/10, C12/15, C 16/20, C 20/25, C 100/115LC 8/9, LC 12/13, LC 80/88
Podle konzistence čerstvého betonu → stupně podle jednotlivých zkušebních metodPodle sednutí
kužele S1-S5Podle VeBe V0-V4Podle zhutnitelnosti C0-C3Podle rozlití
F1-F6Podle největší frakce kamenivaPodle způsobu (technologie) výroby
Přímo na staveništiTransportbeton
Podle vyztuženíProstý (neobsahuje výztuž
se statickou funkcí)Železobeton (vyztužený ocelovými pruty nebo svařovanými sítěmi)Předpjatý beton (ocelová
výztuž
je předepnuta)Vláknobeton (obsahuje vlákna různých materiálů)
Podle účelu použití (funkce):KonstrukčníVýplňový
Podle doplňkové funkce betonové konstrukce:VodostavebníKonstrukčněizolační
(pórobeton)SilničníMasivníDekorační
(pohledový)
Specifikace betonu
= souhrn všech požadavků
na vlastnosti nebo složení
čerstvého i ztvrdlého betonu pro jeho výrobu, přepravu, ukládání, zhutňování, ošetřování
a další
úpravu
-
nedílnou součástí
projektu betonové
konstrukce i zadáním pro výrobce betonu
Musí
obsahovat:Způsob použití
čerstvého i ztvrdlého betonu
Podmínky ošetřování
betonuÚdaje o rozměrech konstrukce (vzhledem k vývoji hadratačního tepla)Informace o působícím prostředíPožadavky na úpravu povrchuPožadavky na max. jmenovitou horní
mez frakce kameniva
Omezení
pro použití
některých složekBeton specifikován jako typový, nebo předepsaného složení
Specifikace typového betonu
Základní
požadavky specifikace od objednatele:
Pevnostní třída betonu v tlaku
Stupeň vlivu prostředí
Max. jmenovitá horní mez frakce kameniva
Kategorie obsahu chloridů
Stupeň konzistence nebo určená hodnota konzistence
Podrobně
v Stavební
hmoty, L. Svoboda a kol., JAGA, Bratislava 2004.
Top Related