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.