zde - K123-Katedra stavebních materiálů

Transkript

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE
BETON – VZTAH MEZI STRUKTUROU A VLASTNOSTMI
BETON – vztah mezi strukturou a vlastnostmi
• Úvod
• Chemie cementu – složení, typy, aplikace
• Vznik porézní struktury betonu
Definice betonu
Hydratace cementu
Struktura betonu
Voda v hydratované cementové mikrostruktuře
Póry v hydratované cementové mikrostruktuře
Vnitřní a vnější faktory ovlivňující porézní strukturu betonu
• Vliv porozity na vlastnosti betonu
Pevnost
Permeabilita
Tepelná vodivost
• Vliv vnějších podmínek na vlastnosti betonu
Působení vysokých teplot
Vliv nízkých teplot
Destrukce 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/VI
• Jeden z historicky nejstarších stavebních materiálů.
• V současnosti je to nejčastěji používaný materiál ve stavebnictví –
důvodem 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
640
Cement
33
105
Ocel
2
13
Pálené cihly a
produkty z jílů
-
39
Stavební kámen
0.3
1
Asfalt
_
2
Neželezné kovy
_
29
Úvod II/VI
• Důvod časté aplikace betonu ve stavebním průmyslu je možné
zdůvodnit následujícími výhodami betonu:
Výhody
Nevýhody
Možnost odlití specifických
tvarů
Nízká pevnost v tahu
Ekonomické výhody
Nízká tažnost
Trvanlivost
Objemová nestálost
Požární odolnost
Nízký poměr pevnosti ku
hmotnosti
Energetické výhody??
Možnost produkce přímo na
stavbě
Estetické vlastnosti
Schopnost tepelné akumulace
Úvod III/VI
• První významný krokem pro širší produkci betonu představuje
poznání hydraulických vlastností vápenných pojiv obsahujících jílové
minerály.
Historický přehled (vývoj Portlandského cementu):
• Prvou hmotou, kterou vzhledem k použitým surovinám, způsobu
výroby i vlastnostem, můžeme považovat za materiál podobný
betonu, byla směs vápna, drcených cihel a sopečného tufu
používaná Féničany již kolem roku 1000 př. Kr. ke stavbě
vodovodních přivaděčů a zásobních cisteren na vodu.
• Féničané navazovali nepochybně na starší empiricky získávané
znalosti starověkého stavitelství.
• Ve druhém století př. Kr. vynalezli Řekové novou zdící techniku, kdy
masivní kamenná zeď s mezerou uprostřed byla výplní z lité malty a
lomového kamene zpevňována a vytvářela zdivo nazývané
emplekton
Úvod IV/VI
• Od Řeků převzali emplekton Římané, propracovali složení výplňové
malty skládající se z vápna, sopečného tufu, drceného kamene s
pískem a tuto maltu nazvali opus caementum
• Tento termín se v průběhu vývoje změnil až na dnes jednotný název
hydraulického pojiva - cement.
• Prudký rozvoj průmyslové výroby v 17. a 18. století znamenal i
rozvoj výroby staviv, především betonu.
• V roce 1796 získal Angličan James Parker 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
patent 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 a struktury
betonu.
Isle of Portland
Úvod VI/VI
• 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 pojiv s latentně hydraulickými
vlastnostmi (pucolány), díky čemuž bylo možné zvýšit homogenitu
směsi a umožnit dokonalejší hydrataci – snížení porozity, nárůst
pevnostních charakteristik současných nových typů betonu.
• Aplikace mikroplniv – např. mikrosilika – amorfní SiO2 - křemičitý
úlet z výroby kovového křemíku. Mikropřísady mají schopnost
vyplnit mikropóry, sníží se tak množství použité vody, dochází k
maximálnímu zhutnění, zvýší se pevnost a sníží se pórovitost,
reagují také s Ca(OH)2 – dokonalejší prohydratování.
Princip výroby cementu (opakování)
1. Výroba surovinové moučky
Na 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 - homogenizace směsi – zároveň je směs sušena.
Hotová moučka se poté dopravuje do železobetonových zásobních a
homogenizačních sil.
2. 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 zchlazením
v chladiči stabilizují a vzniká slínek. Slínek je následně dopraven do
zásobních sil.
3. Mletí cementu
Ze 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.
ZÁKLADNÍ SUROVINY PRO VÝROBU CEMENTU
Rozlišujeme tři základní typy surovin pro výrobu cementu:
- základní – tvoří hlavní část surovinové směsi:
vápenaté – vápence, jílovité vápence, slínovce, krystalické vápence
(mramory) – hlavním minerálem je kalcit (CaCO3), nevhodné jsou
dolomitické vápence, tj. karbonátové horniny s vyšším podílem dolomitu –
CaMg(CO3)2, - MgO způsobuje rozpínání cementu
Optimální obsah CaCO3 ve vápenci je udáván zhruba v rozmezí 75 až 80
hm. %, zbytek připadá na jílovité složky, křemen, sloučeniny železa apod.
K takovéto surovině pak není potřeba přidávat jíl nebo další složky
obsahující SiO2, Al2O3, Fe2O3.
- jílovité (sialitické) - hlíny, jíly, slíny, jílovce, jílovité břidlice - horniny
sedimentárního původu, obsahující zejména jílové minerály (fáze tvořené
SiO2, Al2O3, popř. Fe2O3 a dalšími oxidy)
Tyto složky se do surovinové směsi přidávají v případě, že základní složkou
směsi je vysokoprocentní vápenec, obsahující příliš mnoho CaCO3.
- vedlejší suroviny (korigující) – přidávají se v menším množství, korekce
obsahu hydraulických oxidů, např. Fe2O3, SiO2
- loužence - kyzové výpražky (při výrobě kys. sírové), ocelárenské kaly
(korekce Fe2O3), bauxit (korekce Al2O3), křemičitý písek, křemelina
(korekce SiO2)
- snaha o co nejnižší cenu finálního výrobku - použití odpadních látek
namísto přírodních surovin
- pomocné suroviny – použití v malém procentním obsahu, upravují
vlastnosti surovinové směsi za syrova nebo v průběhu výpalu
- intenzifikátory pro výpal slínku: látky, které při malém přídavku snižují
viskozitu kapalné fáze – fluorit CaF2
- pro mletí slínku: látky, které zkracují dobu mletí
- mineralizátory: látky, které ovlivňují tvorbu některých slínkových minerálů,
- regulátory tuhnutí: látky, které slouží k regulaci průběhu tuhnutí cementu
po jeho rozdělání s vodou – sádrovec CaSO4 . 2 H2O
Cementářské moduly – definují zastoupení hlavních surovin v
cementářské směsi
Hydraulický modul
Hm 
CaO
Al2O3  Fe2O3  SiO2
Nízký hydraulický modul – nižší hydratační teplo, pro vyšší hodnoty
hydraulického modulu získáváme vysokou počáteční pevnost,
optimální hodnota pro hydrataci 1.75 – 2.4.
Silikátový modul
SiO2
Sm 
Al2O3  Fe2O3
Čím je větší, tím pomaleji cementy tvrdnou, typické hodnoty se
pohybují v intervalu 1.7 – 2.7.
Aluminátový modul
Am 
Al2O3
Fe2O3
Hodnoty v rozsahu 1.5 – 2.5 – čím vyšší, tím vyšší hydratační teplo
cementy vyvíjejí.
Reakce v surovinové směsi během výpalu portlandského slínku
Teplota (°C)
Reakce
Chemická rovnice
20 - 200
vypuzení volné vody (sušení)
-
200 - 450
vypuzení adsorbované vody
-
450 - 600
rozklad jílu, vnik metakaolinitu
Al4(OH)8Si4O10 →2(Al2O3·2SiO2) + 4H2O
600 - 900
reakce metakaolinitu vznik C2S a CA Al2O3·2SiO2 + 5CaCO3 →
(před C2S), dále C2F
CaO·Al2O3+ 2CaO·SiO2 + 5CO2
2CaCO3 + Fe203 → 2CaO·Fe2O3 + 2CO2
900 - 1000
rozklad vápence, vznik 2CaO·SiO2
CaCO3 → CaO + CO2
a CaO·Al2O3
5CaO + 2SiO2 + Al2O3 → 2(2CaO·SiO2) +
CaO·Al2O3
1000 - 1300
vznik dalšího C2S, dále vznik C4AF a zkrácené vzorce:
C3A,
dosavadní
reakce
bez
účasti 2C + S → C2S
taveniny (v tuhé fázi)
CA + 2C → C3A
CA + 3C + F → C4AF
1300 - 1450
vznik taveniny (slinování), reakce za C2S + C → C3S
účasti taveniny, vázání přebytku C na C2S
za vzniku hlavního slínkového minerálu
C3S
Vznik hlavních složek slínku v závislosti na teplotě výpalu
JEMNOST MLETÍ
Jemnost mletí je zásadní výrobní operací vzhledem k použití cementu.
Jemně mleté cementy rychle hydratují (mají větší měrný povrch), mají větší
počáteční a konečné pevnosti, vyvíjejí větší hydratační teplo, při
zpracování jsou plastičtější. Minimální jemnost mletí Portlandského
cementu je 225 m2.kg-1.
Mletí slínku může být jednostupňové (troubové mlýny s otevřeným nebo
uzavřeným okruhem) nebo dvoustupňové, skládající se z krátkého mlýna
na hrubé mletí a většího mlýna na jemné mletí.
Přísady používané při mletí portlandského slínku:
- hlavní (regulátory tuhnutí): sádrovec, dnes v podobě energo- nebo
chemosádrovce,
- vedlejší (upravují směsnost, jde o přísady s hydraulickými vlastnostmi):
vysokopecní granulovaná struska, přírodní nebo umělé pucolány,
- speciální (upravují průběh mletí nebo
provzdušňovací, plastifikační, hydrofobizační).
vlastnosti
cementu
–
VÝPAL SLÍNKU – tepelná pásma:
do 200°C – sušící
200 – 800°C - předehřívací
800 – 1200°C - kalcinační (dekarbonizatační)
1300°C – exotermické
1400°C – 1450°C – slinovací
1100°C – 1000°C - chladící
hydratační
rychlost
teplo
hydratace
(kJ.kg-1)
vzorec
označení
zastoupení
(%)
trikalciumsilikát
dikalciumsilikát
C 3S
C 2S
alit
belit
37 - 75
5 - 40
500
250
rychlá
střední
trikalciumaluminát
C3A
amorfní fáze
3 - 15
910
velmi
rychlá
tetrakalciumaluminát ferit
C4AF
brownmillerit
(celit)
9 - 14
420
rychlá
oxid vápenatý
CaO
volné vápno
<4
1160
pomalá
oxid hořečnatý
MgO
periklas
<6
název
pomalá
• Porovnání rychlosti hydratace slínkových minerálů
Základní druhy cementu
- v závislosti na složení vstupních surovin, jejich poměru, aplikací dalších
pomocných a přídavných látek získáváme celou řadu cementů s odlišným
chemickým a mineralogickým složením a tím i zcela odlišných vlastností
- z pohledu využití jednotlivých typů cementů ve stavebnictví dělíme
cementy na:
• cementy pro obecné použítí
• cementy speciální
Cementy pro obecné použití definuje technická norma ČSN EN 197-1 ed.2.
V této normě jsou cementy pro obecné použití označovány jako CEM a
jsou děleny do pěti základních skupin. Všechny tyto cementy mají za
základní složku portlandský slínek.
Kromě výše uvedeného dělení cementů pro obecné použití do pěti
základních kategorií se v označení cementů uvádí také hodnota jejich
pevnostní třídy, která představuje pevnost cementové pasty po 28 dnech
hydratace. V České republice se v současné době vyrábějí pevnostní třídy
cementů 32,5, 42,5 a 52,5 (22,5) . U rychlovazných cementů dosahujících
vysokých počátečních pevností se připojuje označení třídy cementu R.
Cementy, která mají standardní dobu, tuhnutí, se označují N.
Stanovení pevnosti cementu
- pevnost je nejdůležitější vlastností, zjišťuje se pevnost v tahu za ohybu na
trámečcích 40 x 40 x 160 mm a pevnost v tlaku na jejich zlomcích ve stáří 28
dnů
Příprava malty pro zkoušení cementu:
- zkušební tělesa se zhotovují ze záměsi plastické malty obsahující:
 jeden hmotnostní díl cementu (450 ± 2g),
 tři hmotnostní díly normalizovaného písku CEN (3 x 450 g = 1350 ± 5 g),
 0.5l vody (225 ± 1 g),
 vodní součinitel voda/cement 0,50.
Zkoušky pevností se nejčastěji provádějí po: 24 hodin ± 15 minut / 48 hodin ±
30 minut / 72 hodin ± 45 minut / 7 dnů ± 2 hodiny / 28 dnů ± 8 hodin.
• CEM I Portlandský cement – obsahuje portlandský slínek a max.
5% minoritních přísad
• CEM II Portlandský cement směsný – obsahuje portlandský
slínek a max. 35% dalších složek
• CEM III Vysokopecní cement – tvořen portlandským cementem a
vyšším procentuelním zastoupením vysokopecní strusky
• CEM IV Pucolánový cement – obsahuje portlandský cement a
max. 55% pucolánových příměsí
• CEM V Směsný cement – tvořen portlandským cementem,
vysokopecní struskou, elektrárenským popílkem a pucolánovými
příměsemi
• Výše uvedené typy cementů se používají v Evropě.
• Například v USA se pro klasifikaci cementu používá norma ASTM
C150, pro směsné cementy norma ASTM C595.
• Je nutné zmínit odlišné chápání směsných cementů v Evropě a v
USA, neboť směsné cementy v evropském smyslu se v USA
produkují velmi málo, neboť minerální příměsi jsou do struktury
betonu přidávány nejčastěji až při míchání čerstvé betonové směsi.
Speciální cementy:
• od běžných typů cementů liší svým složením, výrobou, a následným
mechanismem tuhnutí
• silniční – charakteristický limitovaným obsah C3A ve slínku (< 8% ) a
pevností v tahu za ohybu minimálně 6,5 MPa (musí odolávat zvýšenému
tahovému a smykovému namáhání), mele se na měrný povrch maximálně
350 až 370 m2/kg)
• hlinitanový cement
• expanzivní cement
• vysokohodnotný cement - obsahuje vysoké procento C3S, jemně mletý,
• bílý cement (barevné cementy) – vyrábí se z bílých vysokoprocentních
vápenců a kaolinu s nízkým obsahem oxidů železa (< 1%), přidání
pigmentů
• barnatý a strontnatý cement - při výrobě je vápník nahrazen baryem a
stronciem, betony vytvořené z tohoto cementu odolávají vlivům mořské
vody, jsou chemicky stálé a pohlcují škodlivé paprsky jaderného záření
(BaCO3)
• síranovzdorný cement – navržen pro použití v prostředí s vysokou
koncentrací síranových iontů, musí mít obsah C3A < 3%
• cementy upravené přísadami – hydrofobními, plastifikačními, fungicidními
(sila), provzdušňujícími apod.
Expanzivní cementy
 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 smrštění bráněno (např.
konstrukčně) vzniká v betonu tahové napětí, které může 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 konstrukcí tak 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 nesmí proniknout.
 Jako logické řešení problému smrštění se jeví možnost vnesení počátečního
objemového rozpínání v betonu v rámci počátečního stádia hydratace a
tvrdnutí – viz. Obr.
 ačkoli běžný Portlandský cement vykazuje velmi malou počáteční
rozpínavost během mokrého procesu jeho ošetřování, jeho rozpínavost
může být cíleně modifikována – shrinkage control (expanzivní cementy)
Smrštění betonu při vysoušení - Portlandský cement
Smrštění betonu při vysoušení expansivní cement
Složení expanzivních cementů
 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 původem hlinitanové sloučeniny, ze které je
následně při hydrataci tvořen etringit
Hlinitan vápenatý + S_ + H
etringit
 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/IV
- 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 (Al2O3·2 H2O)
- výroba je velmi nákladná
 elektrické 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 prášek
- slínek se skládá z 45% Al2O3 (žárovzdorné až 81%), 40% CaO,
zbytek tvoří oxidy železa a křemíku a zbytkové příměsi. Výsledné
vlastnosti betonu také ovlivňuje nemalou měrou použité kamenivo
- slínkové minerály v hlinitanovém cementu CA
(monokalciumaluminát, hlinitan monovápenatý)
C2A (dikalciumaluminát)
C3A5, C3A2, C2AS, C4AF, C5A3
Hlinitanový cement II/IV
- slínek po smíchání s vodou rychle hydratuje na CaO. Al2O3.10H2O,
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 → C2AH6+2AH3
30°C
3CA+12H → C3AH6+2AH3
nad 30°C
3CA+10H → C3AH6+2AH3+18H
vysoká pórovitost, tvorba trhlinek → pokles pevnosti, proto je nutné
snižovat poměr v/c.
Hlinitanový cement III/IV
- při nedostatečném ošetřování betonu (vlhčení a to ihned po zatuhnutí),
vzniká nebezpečí tvorby málo pevného C3AH6
- na to má vliv i rychle hydratující C5A3 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
V současné době se hlinitanový beton používá pro nenosné, dočasné
nebo vysokoteplotní aplikace:









výroba žárobetonů,
urychlení tuhnutí a tvrdnutí OPC,
havarijní oprava betonových konstrukcí a krytů vozovek,
nádrže pro minerální vody, kanalizace (odolnost vůči kyselinám),
betonování a opravy za nízkých teplot,
průmyslové podlahy, podlahové potěry a samonivelační stěrky,
rozpínavé malty a lepidla na dlaždice,
ochranné povlaky, těsnící hmoty, podkladové a správkové malty,
těsnění trhlin, lokální bariéry proti prosakující vodě.
Pro praktické využití hlinitanového cementu (betonu) je možno
zohlednit tyto jeho výhody:
 extrémně vysoké počáteční pevnosti (jednodenní pevnosti hlinitanového
cementu jsou vyšší než osmadvacetidenní pevnosti portlandského
cementu),
 vysoká odolnost proti působení síranů,
 značný vývin hydratačního tepla (vhodné pro zimní betonáž),
 odolnost proti působení vysokých teplot,
 odolnost vůči biokorozi,
 vyšší odolnost vůči mrazu ve srovnání s portlandským cementem.
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
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 anebo 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.
Obecně je možné se přiklonit k názoru, že tvrdnutí a tvorba
pevné cementové matrice probíhá na principu gelověkrystalické teorie.
Hydratace cementu
- probíhá ve třech indukčních periodách
1. perioda: (10 – 15 minut)
- téměř okamžitě reaguje podstatná část C3S za vzniku
hydrosilikátového gelu a krystalického portlanditu
2(3CaO.SiO2) + 6H2O
3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2
- zároveň probíhá také reakce C3A za přítomnosti sádrovce na
hexagonálně krystalický ettringit, který postupně přechází na
monosulfát tvořící destičky
3CaO.Al2O3 + 3CaSO4.2H2O + 26H2O
3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O
3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O + 2(3CaO.Al2O3) + 4H2O
3(3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O) monosulfát
vznik elektrické dvojvrstvy, dané
nepohyblivou silikátovou vrstvou a
pohyblivými ionty Ca2+ - uvolňování
Ca2+ a OH
nukleace a krystalizace hydratačního produktu na
konci indukční periody
Počáteční stádia hydratace C3S
Hydratace cementu II
2. 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.Al2O3.Fe203 + 4CaO(OH)2 + 22H2O
+ 4CaO. Fe203.13H2O
4CaO.Al2O3.13H2O
Hydratace cementu III
3. perioda:
- časově neohraničený úsek tvrdnutí betonu zahrnující hydrataci C2S
- dozrávání,hydratace dosud nezhydratovaného podílu cementových
zrn a rekrystalizace hydratačních produktů vlivem difúze vody z
vnějšího prostředí
2(2CaO.SiO2) + 4H2O
3CaO.2SiO2.3H2O + 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.
Pokročilé stádium hydratace C3S (Afwillit – CSH gel nedokonalé
krystalické formy, CSH I (lístečkovité útvary) a CSH II (vláknitý)
Struktura ettringitu, portlanditu a
C-S-H gelu v hydratujicim
portlandskem, cementu,
zvětšeni 3500x
Hydratující reaktant
Produkt hydratace
C3S
C2S
C3A
C3A
C3A
C3A
C3A
C4AF
CaO
C3S.3H2O
C2S.2H2O
C3A.6H2O
C2A.8H2O
CA.10H2O
CA.11,6H2O
C3A.3CaSO4.32H2O
Ca(OH)2
Celkové hydratační
teplo [J/g]
502,3
259,5
866,5
983,7
1050,7
1092,5
1452,5
418,6
1167,5
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 pórů
 propojení 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
CSH
CSH
Etringit
Portlandit
(CH)
Pozorování a detekce alkalicko-křemičité reakce v betonu pomocí SEM
Přenos trhlin do okolního cementového gelu
Křemičité kamenivo s extenzivními vnitřními trhlinami v důsledku ASR
Pozorování a detekce ASR v betonu pomocí SEM II
Tvorba alkalicko-křemičitého gelu v trhlinách betonu
V části trhlin je přítomen také etringit
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 C4ASH18, který tvoří
hexagonální krystaly
- zhoršuje odolnost betonu vůči síranům
 Nezhydratovaná cementová zrna – jejich přítomnost a množství
jsou závislé na vodním součiniteli betonové směsi, velikosti
cementových zrn a kameniva, stupni hydratace.
Průběh hydratace cementového zrna
1 – nezhydratovaný zbytek zrna, 2 – vnitřní C-S-H hydrát, 3 – vnější
C-S-H hydrát, 4 – dendritické krystalky portlanditu, 5 – hranice zrna
na počátku hydratace
Voda v hydratovaném cementovém pojivu I
Voda 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 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 viskózní
suspenze na pevnou formu hmoty)
 gelové póry, kapilární póry a technologické póry (vzniklé při
míchání stržením okolního vzduchu, uzavřené kulové póry úmyslně
vytvořené 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 (zpracovatelnost betonové směsi)
 ošetření betonu
 teplota, při které probíhá hydratace
značná disperze zrn cementu ve vodě, během
následného zrání zůstává část záměsové vody
v kapilárních pórech (v/c např. 0.8)
nízký vodní součinitel (např. 0,4) - při zamíchání zrna
cementu v bližším kontaktu, následně se vytvoří vyšší
objemový podíl hydratačních produktů
Rozdělení pórů dle jejich velikosti v tvrdnoucí cementové pastě
po různé době hydratace
Kumulativní objem pórů (cm3/g pasty)
Vliv vodního součinitele na distribuci pórů betonu
Vodní
součinitel
Průměr pórů
Velké kapiláry
Malé kapiláry
Gelové
póry
zásadní vliv na strukturu porézního prostoru hydratované cementové pasty
má velikost vodního součinitele, případně vliv přidání plastifikačních a
superplastifikačních přísad, které v podstatě snižují množství záměsové vody
až na minimální hodnoty z pohledu zpracovatelnosti betonové směsi.
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, doprovázená
zužováním kapilár – rychlost odpařování vody)
Zpracovatelnost betonové směsi
• zpracovatelnost je vlastnost betonové směsi se pohybovat a být
zhutňována
• nutné sledovat pro dopravu, čerpání, ukládání a vhodné zalití
ocelové výztuže (pohyblivost)
• zhutnitelnost je nezbytná vlastnost pro vypuzení zachyceného
vzduchu z čerstvého betonu pomocí vibrace – zajištění vysoké
hutnosti betonu a soudružnosti s výztuží
• měření zpracovatelnosti pomocí sednutí kužele (ČSN EN 12350-2 Zkoušení čerstvého betonu - Část 2: Zkouška sednutím):
- pokles výšky betonového vzorku, který je naplněn do formy tvaru
kužele (Abramsův kužel) o výšce 300 mm
- stanovení tříd konzistence S1 – S5
Rozdílné sednutí kužele betonů s různou třídou konzistence
Příklady sednutí a použití betonů s různou konzistencí
- volba vhodné zpracovatelnosti je ovlivněna typem konstrukce
(hustotou výztuže, tvarem a velikostí konstrukce) a hutnící technikou
- kromě válcovaného betonu a posuvného bednění je pro většinu bet.
konstrukcí vhodná zpracovatelnost S3 (měkká) – S5 (tekutá)
- čím více výztuže a složitější tvar konstrukce (bednění) tím vyšší
třída zpracovatelnosti
Měření zpracovatelnosti – zkouška VeBe (ČSN EN 12350-3)
- použití pro zavlhlé směsi, u nichž se neprojeví sednutí kužele
- měří se čas, za kterou bude celá deska v kontaktu s betonem
Zpracovatelnost a spolehlivost konstrukcí
- dobře zpracovatelný beton vyžaduje méně účinné zhutňování
(menší požadavky na kvalitu pracovní čety)
Účinek vibrace na strukturu betonů
- beton o vyšší zpracovatelnosti je spolehlivější – zajištění pevnosti a
celistvé struktury i bez vibrování
- kaverny u S1 představují riziko z pohledu koroze výztuže i betonu
Stupeň zhutnění
- stupeň zhutnění (dc) betonové konstrukce se stanovuje z jádrového
vývrtu z konstrukce a ze vzorku dokonale zhutněného betonu, který
byl zhotoven pro zkoušky 28denní pevnosti
dc= d/d0
d ….. objemová hmotnost jádrového vývrtu
d0 … objemová hmotnost dokonale zhutněného vzorku
Stupeň zhutnění ve vztahu k pevnosti betonu
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 v tlaku
S  S 0  e  kp
S pevnost hmoty o dané porozitě
p porozita
S0 pevnost materiálu o nulové porozitě
k 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
(transition zone).
Pevnost v tlaku vs. porézní prostor pro různé druhy cementových
malt po 28 dnech
Pevnost v tlaku v závislosti na čase tvrdnutí a změna pórovitosti v čase
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
H
K
dt
L
-dq/dt rychlost toku kapaliny
-  viskozita kapaliny
- ∆H gradient tlaku
- A plocha tělesa
- L tloušťka tělesa
Změna vodopropustnosti cementové pasty v závislosti na
postupující hydrataci (v/c = 0.7)
Vliv vnějšího prostředí na ztvrdlou porézní strukturu cementového
pojiva I
 účinek vysokých teplot
- komplexní jev, který závisí především na:
• složení betonu (w/c, typu a obsahu kameniva, typu cementu)
• hutnosti a homogenitě betonu
• zatížení betonové konstrukce během požáru – teplota, doba
vystavení apod.
pojiva II
 působení vysokých teplot
- negativní vliv zvýšení teploty okolního prostředí na beton je spojen
se ztrátou vody v cementovém pojivu provázené se zásadními
změnami pórovitosti
- volná a kapilární voda se postupně odpařují – změna objemu,
smršťování
pojiva III
 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 573°C beta
formu SiO2 na alfa
- úplné rozložení cementového pojiva nastává při teplotě vyšší než
800°C – úplný rozklad CaCO3
- měření pomocí termické analýzy
Termická analýza vzorků hydratovaného cementového pojiva
Termická analýza vzorků hydratovaného cementového pojiva,
materiál ZR
Křemen – polymorfní materiál
Polymorfismus (mnohotvárnost): existuje několik forem
Modifikace: v současnosti známo 22 forem
křemen (nízkoteplotní)
romboedrická
=2,65 g cm-3
-tridymitromboedrická 2,26 g cm-3
cristobalit
tetragonální
2,32 g cm-3
-
Fázový diagram křemene
Chování betonu při požáru
- trvanlivost betonové konstrukce při vystavení žáru může být
definována jako její schopnost zachovat v případě požáru původní
funkci – udržet statické vlastnosti, ochrana ocelové výztuže
- vliv teploty na pevnost v tlaku betonu s křemičitým kamenivem
Chování betonu při požáru II
- pokud je teplota žáru nižší než 750°C je snížení pevnosti betonu u
betonu s uhličitanovým kamenivem nižší než v případě křemenného
kameniva
- vysvětlováno vyšší spotřebou tepla na endotermickou reakci při
rozkladu na oxid uhličitý při teplotě cca 800°C
Chování betonu při požáru III
- lehké betony s expandovaným jílem vykazují při požáru vyšší
odolnost
- zároveň mají i lepší tepelně-izolační vlastnosti – ochrana výztuže
Ochrana ocelové výztuže v betonu – krytí výztuže
- ocelová výztuž ztrácí svoje mechanické vlastnosti při teplotách 450
– 500°C
- zásadní význam má tloušťka a vlastnosti krycí vrstvy, která by měla
udržet teplotu výztuže pod 450°C
- beton v krycí vrstvě musí být dobře zhutněn (v případě lokálních
poruch z důvodu nedostatečného zhutnění mohou horké plyny
pronikat až k výztuži a zahřívat ji)
- tepelná vodivost výztuže vyšší než betonu (cca 50 W/mK > 2 W/mK)
– větší deformace výztuže (rozpínání) – porušení vazby mezi výztuží
a betonem – oddělení krycí vrstvy
- čím tlustší je krycí vrstva, tím nižší riziko lokálních trhlin vedoucích k
výztuži
ŽB konstrukce po požáru
 Vliv nízkých teplot na vlastnosti betonu
- rozrušování porézní struktury cementové pasty je způsobeno
změnou skupenství vody v kapilárních pórech
- pro beton vystavený působení mrazu musí být použito
mrazuvzdorné kamenivo
- přeměna je provázena objemovým nárůstem o cca 9% - vnitřní pnutí
→ tahové napětí ve struktuře betonu
- porušení betonu může dojít pouze tehdy, když je stupeň nasycení
(objem vody/objem pórů) vyšší než určitá prahová hodnota, tzv.
kritické nasycení – závislé na porézní struktuře betonu
 Tři základní faktory pro zajištění mrazuvzdornosti betonu
1. Snížení objemu kapilárních pórů (0.1 – 10m) v cementové pastě –
dosáhneme snížením vodního součinitele – zabránění pronikání
vody z vnějšího prostředí do betonu (snížení nasákavosti)
2. Provzdušnění betonu - zanesení uzavřených pórů (bublin) o
průměru 100 – 300 m do struktury betonu, vzdálenost těchto
pórů (spacing) 50 - 250 m, celkový objem dutin cca 4-6% z
objemu betonu – uvolnění vnitřního napětí v betonu – se
vzrůstajícím objemem ledu je do těchto pórů tlačena tekutá voda –
nutnost blízkosti vzduchových bublin a kapilárních pórů, kde se
mohou tvořit první krystalky ledu
Při tání je voda transportována z velkých pórů opět do malých
kapilárních pórů.
3. Použití hutného, mrazuvzdorného kameniva (účinek provzdušnění
funguje pouze pro cementovou matrici)
 Po vícenásobném zatížení zmrazovacími cykly může dojít k
částečnému zaplnění vzduchových bublin hydratačními produkty –
betonová konstrukce může po určitém čase ztratit svou
mrazuvzdornost!!!
Mrznutí a tání v prostředí nasyceném rozmrazovacími solemi:
- mostní konstrukce (desky, nosníky, uzávěry) vozovky, chodníky,
apod.
- jako rozmrazovací prostředky se používá nejčastěji NaCl, CaCl2
- nutno počítat také s jejich doprovodnými účinky:
Působení NaCl
• účinek chloridových iontů, které způsobují korozi výztuže
• účinek Na+ iontů – možnost alkalicko-křemičité reakce s reaktivním
kamenivem
 Příklady koroze ocelové výztuže
Fe → FeO → Fe3O4 →Fe2O3 →Fe(OH)2 →Fe(OH)3 →Fe(OH)3·3H20
nárůst objemu korozních
produktů
Působení CaCl2
• opět porušení pasivační vrstvy výztuže – koroze ŽB konstrukcí
• reakce mezi CaCl2 a cementovou pastou (portlanditem) –
odlupování a vyluhování betonu – vznik oxichloriduvápenatého
3(Ca(OH)2) + CaCl2 + H2O → 3CaO·CaCl2·15H2O
koroze výztuže – odlupování
krycí vrstvy
koroze výztuže, tvorba trhlin
v důsledku koroze
rozpad betonových desek na mostě po působení
CaCl2 jako posypové soli
Hodnocení mrazuvzdornosti betonu
• před dodáním betonu na stavbu musí být laboratorně ověřena jeho
mrazuvzdornost – stanovení součinitele mrazuvzdornosti k (%)
• v ČR nejčastěji dle ČSN 73 1322 Stanovení mrazuvzdornosti betonu
- výpočet z dynamických modulů pružnosti, pevností v tahu za ohybu,
pevností v tlaku
k = 100 · En/E0
En (Mpa) dynamický modul pružnosti po n zmrazovacích cyklech
(-20°C/20°C – 4h), měřeno nedestruktivně z rychlosti šíření
ultrazvukových vln v materiálu
En (Mpa) dynamický modul pružnosti po 28 dnech ošetřování betonu
bez zmrazovacích cyklů
- mezní hodnota součinitele mrazuvzdornosti pro mrazuvzdorný beton
je 75%
Vliv součinitele prostorového rozložení vzduchových pórů
- pokud je vzdálenost vzduchových pórů > 300 m → výrazný pokles
součinitele mrazuvzdornosti pod limitní hodnotu – nutno upravit
množství provzdušňovací přísady, případně složení betonové směsi
 Destrukční chemické reakce
V 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, N0x a ClReakce 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 Beton - Část 1: Specifikace,
vlastnosti, výroba a shoda
 podle objemové hmotnosti
Obyčejný 2 000 - 2 600 kg m-3
Lehký  2 000 kg m-3
Těžký > 2 600 kg m-3
 podle pevnosti
podle 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 100/115
LC 8/9, LC 12/13, LC 80/88
 Podle konzistence čerstvého betonu → stupně podle jednotlivých zkušebních metod
Podle sednutí kužele S1-S5
Podle VeBe V0-V4
Podle zhutnitelnosti C0-C3 (Směs velmi tuhá, tuhá, plastická, měkká)
Podle rozlití F1-F6
 Podle největší frakce kameniva
 Podle způsobu (technologie) výroby
Přímo na staveništi
Transportbeton
 Podle vyztužení
Prostý (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):
Konstrukční
Výplňový
 Podle doplňkové funkce betonové konstrukce:
Vodostavební
Konstrukčně-izolační (pórobeton)
Silniční
Masivní
Dekorační (pohledový)
Light transmiting concrete (Litracon)
• beton obsahující 4 hm. % optických skleněných vláken
• vykazuje dostatečné pevnosti pro použití do nosných konstrukcí (pevnost v
tlaku až 49 MPa, pevnost v ohybu 7.7 MPa)
• vyráběn jako prefabrikované prvky a panely
• používá se především pro architektonické prvky a design
Evropská brána, Komárom, Maďarsko
Vstup do muzea Cella Septichora, Pécs, Maďarsko
Fruängen Church, Stockholm, Švédsko
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 betonu
• údaje o rozměrech konstrukce (vzhledem k vývoji hydratačního
tepla)
• informace o působícím prostředí
• požadavky na úpravu povrchu
• požadavky na max. jmenovitou horní mez frakce kameniva
• omezení pro použití některých složek
Beton specifikován jako typový, nebo předepsaného složení
Specifikace typového betonu – základní požadavky ČSN EN
206 - 2
Základní požadavky specifikace od objednatele:
 Pevnostní třída betonu v tlaku
 Stupeň vlivu prostředí – bez nebezpečí koroze nebo narušení,
koroze vlivem karbonatace, koroze vlivem chloridů (ne z mořské
vody), koroze vlivem chloridů z mořské vody, působení mrazu a
rozmrazování s rozmrazovacími prostředky nebo bez nich, chemické
působení
 Max. jmenovitá horní mez frakce kameniva
 Kategorie obsahu chloridů
 Stupeň konzistence nebo určená hodnota konzistence
(transportbeton)
 Pro lehký beton – objemová hmotnost, nebo její třída
Podrobně v Stavební hmoty, L. Svoboda a kol., JAGA, Bratislava
2004.
Specifikace typového betonu II
 Pevnostní třída betonu v tlaku
Specifikace typového betonu III
 Pevnostní třída lehkého betonu v tlaku
Specifikace typového betonu IV
 Stupeň vlivu prostředí – podrobně pdf
1.
2.
3.
4.
5.
Bez nebezpečí koroze nebo narušení
Koroze vlivem karbonatace
Koroze vlivem chloridů, ne však z mořské vody
Koroze vlivem chloridů z mořské vody
Působení mrazu a rozmrazování (mrazové cykly) s
rozmrazovacími prostředky nebo bez nich
6. Chemické působení
7. Koroze vlivem mechanického působení (obrus)
Přísady do betonu
Plastifikátory
Superplastifikátory
Urychlovače tuhnutí a tvrdnutí
Zpomalovače (retardéry) tuhnutí a tvrdnutí
Provzdušňovací činidla
Přísady – chemické látky, které se do betonové směsi přidávají těsně
před nebo v průběhu míchání – významně mění počáteční vlastnosti
betonu i betonu zatvrdlého – přínos k optimalizaci fyzikálních
vlastností betonu – ekonomický benefit
- přísad se do betonu aplikuje pouze malé množství – typicky v
rozsahu 1 až 2% hmotnosti cementu (i méně)
Plastifikátory
- nárůst tekutosti a zpracovatelnosti cementové pasty, malty a betonu
- jedná se o polymerní látky s dlouhým řetězcem
- hlavní typy založeny na kyselině lignosulfonové a
hydroxycarboxylové a jejich různých solích
- jsou relativně levné, na druhou stranu však obsahují velké množství
nečistot
- plastifikační účinek je způsoben povrchovou aktivitou polymerních
molekul, které jsou adsorbovány na povrchu cementových zrn –
tvorba negativního náboje v rozsahu milivoltů – vzájemné
elektrostatické odpuzování cementových zrn
Cementová zrna bez aplikace plastifikátoru – shluky zrn
Aplikace plastifikátorů
Adsorpce plastifikátorů na povrchu cementových zrn
Disperze cementových zrn a uvolnění vázané vody – zvýšení tekutosti směsi
Plastifikátory
- jsou také známy jako látky snižující množství záměsové vody –
umožňují vytvořit beton o stejné zpracovatelnosti při nižším poměru
w/c
nárůst pevnosti a trvanlivosti při stejném obsahu cementu
- od svého vzniku v 50. letech minulého století nárůst jejich aplikace
Významné a pro některé aplikace nežádoucí vlastnosti plastifikátorů
- působí také jako zpomalovače – zpomalení doby tuhnutí a snížení
počáteční pevnosti
- mohou také provzdušnit beton v důsledku vzniku vzduchových bublin
- problémem je jejich nečisté chemické složení – na druhou stranu se
jedná o látky relativně levné a jsme schopni jejich reakci cíleně
modifikovat a optimalizovat
Superplastifikátory
- více účinné než plastifikátory – použití pro dosažení tekutosti a
zpracovatelnosti
- označovány jako high-range water reducers
- na trh poprvé uvedeny v šedesátých letech 20. století – od té doby
byly nepřetržitě modifikovány a stále častěji používány v praxi
- mají vysokou molekulární hmotnost a vyrábí se v podstatně vyšší
kvalitě (čisté látky) než plastifikátory
- může být dosaženo jejich vysokého primárního účinku bez
sekundárních nepříznivých efektů
- superplastifikátory představují jednu z nejdůležitějších složek
vysokohodnotných a vysokopevnostních betonů
V současnosti se používají čtyři základní druhy superplastifikátorů
1. Modifikované lignosulfonany (MLSs) – čisté chemické složení
lignosulfanových plastifikátorů s vyšší molekulovou hmotností –
vyšší účinnost
2. Sulfonované melaminformaldehyd kondensáty (SMFs) – sodná sůl
3. Sulfonované naftalenformaldehyd kondensáty (SNFs)- sodná sůl
4. Polymery obsahující skupiny kyseliny karboxylové, např.
Polykarboxyláty (PCLs) – polyakryláty, akrylové ethery (PCE polycarboxylatethery), sulfonované polystyreny – vyvinuty
nedávno, označovány jako superplastifikátory nové generace
Chemická struktura superplastifikátorů – q, p – počet monomerů
etylenoxidu (EO) v řetězci PC, PE, SLCA
- princip působení superplastifikátorů je obdobný působení
plastifikátorů – způsobují vzájemné odpuzování cementových zrn a
prostorovou blokaci cementových zrn molekulami vody
Steric hindrance – prostorová blokace cementových zrn molekulami
vody – působením pl. a superplastifikátorů dojde k vytvoření
ochranného štítu pomocí molekul vody, jejichž orientace zabraňuje
kontaktu cementových zrn
MLMs, SMFs, SNFs – elektrostatické odpuzování cementových zrn
PCLs – prostorová blokace působí ve stejné míře jako elektrostatické
odpuzování
- formování molekul polycarboxylového superplastifikátoru na
povrchu cementových zrn
“Hřebenovité“ molekuly polycarboxylového superplastifikátoru na povrchu
cementových zrn
schematické znázornění
působení PC
Schematické znázornění působení PE na cementová zrna
Příklad ztekucovacího efektu různých plastifikačních přísad měřeného pomocí
zkoušky rozlivu na cementové maltě
Chování superplastifikátorů ve vazbě na jejich přímé působení v
betonu
 chování jakékoliv kombinace superplastifikátoru a cementu závisí
na celé řadě vnějších a vnitřních faktorů - především na typu přísady,
složení cementu, jemnosti cementu a na vodním součiniteli w/c
 pro optimální přínos superplastifikátoru k vlastem betonu je vhodné
jeho dávkování cca 1 – 2 minuty po prvním kontaktu cementu se
záměsovou vodou
- v případě, že je superplastifikátor aplikován ve stejném čase jako
záměsová voda - jeho podstatná část je začleněna do rychlé reakce
C3A se sádrou – redukce zpracovatelnosti
 působení superplastifikátorů je časově limitováno – v některých
případech, jako např. při transportu na větší vzdálenost problematické
ztráta zpracovatelnosti superplastifikovaného betonu při teplotě 20°C
na bázi polykarboxylátu (PC) a sulfonovaného naftelenformaldehydu
(SNF)
Metody zpomalení superplastifikační reakce
- smíchání retardéru hydratace společně se superplastifikátorem
- přidání superplastifikační přísady na staveništi před aplikací betonu
- opakované přidání superplastifikačních přísad v malém definovaném
množství
 pro specifický poměr plastifikátoru/hm. % cementu existuje ztv. „bod
nasycení“ nebo optimální koncentrace, za kterou již nenarůstá
tekutost betonové směsi – viz. obrázek
Stupeň nasycení v závislosti na obsahu plastifikátoru vztaženého k
hmotnostním procentům cementu
Posun ukončení hydratace
- u běžného superplastifikátoru na PCE bázi je cca 6 hodin – dávkování 0.4%
z hmotnosti cementu (při vyšším dávkování časový posun vyšší)
- plastifikátor Woerment FM 375 – krátké základní řetězce (dlouhé postranní
řetězce) – slabší spojení s cementovým zrnem – převažuje prostorové
působení – polymer se může od cementového zrna oddělit a na jiném místě
zase přilnout – lepší reagovatelnost zrn cementu s vodou – vyšší počáteční
pevnosti v porovnání s běžnými PCE (výhodné např. pro betonáž v zimním
období)
Urychlovače tvrdnutí (tuhnutí)
- zvyšují a zrychlují podíl hydratované části cementové pasty během
hydratace – zvýšení počáteční pevnosti, snížení času ošetřování,
možnost rychlejšího odformování, zkrácení doby tuhnutí v případě
betonáže za snížené teploty – zvýšení poč. pevnosti (1-3denní)
- v minulosti byl jako urychlovač tuhnutí používán CaCl2 – snadno
dostupná látka a velmi účinná
- CaCl2 vstupuje do reakce s C3A, sádrovcem a C4AF
- zrychlení tuhnutí a tvrdnutí betonu – funguje jako katalyzátor
hydratačních reakcí C3S a C2S
- v důsledku aplikace CaCl2 dochází také k částečné modifikaci
struktury C-S-H gelů
- přítomnost chloridových iontů způsobuje iniciaci koroze výztuže –
CaCl2 nemůže být použit pro vyztužené a předepnuté betonové
konstrukce – vývoj nových typů akcelerátorů bez přítomnosti Cl iontů
– látky na bázi dusičnanu vápenatého (Ca(NO3)2), dusitanu
vápenatého (Ca(NO2)3), thiosíranu, tri-etanolaminu
- zvýšení teploty hydratace!
Vliv přidání chloridu vápenatého na a) dobu tuhnutí, b) počáteční pevnost
betonu
Retardéry
 působí proti akceleraci hydratace v důsledku zvýšené teploty okolí –
používají se zejména v případě, kdy má být beton transportován na
delší vzdálenost
 kontrola tuhnutí ve velkých pórech – tuhnutí a tvrdnutí výrazně
pomalejší – snaha o současné tuhnutí veškerých částí betonového
prvku (vzorku) – vyvarování se tzv. studených spojů a diskontinuit –
získání homogenních vlastní (jednotné pevnosti) celého odlitého
prvku
- velmi efektivními retardéry jsou sacharóza a kyselina citrónová X je
velmi obtížné kontrolovat jejich efekt
- využití lignosulfonátů s významným obsahem cukru – v současnosti
preferovány – modifikace formování a tvorby produktů z počátečních
hydratačních period
Vliv různých retardérů na počátek a konec tuhnutí čerstvé cementové směsi
Provzdušňovače - Air entraining agents (AEAs)
 organické materiály, které po přidání do záměsové vody rozptýlí v
materiálů kontrolované množství vzduchu ve formě mikroskopických
bublin
 průměr vyvozených vzduchových bublin je typicky v rozsahu 0.02 –
0.1mm s průměrnou vzdáleností 0.25 mm
 zformované bubliny jsou dostatečně stálé, aby nedošlo k jejich
změně během lití, umístění, hutnění, tuhnutí a tvrdnutí betonu
 hlavním důvodem cíleného provzdušňování je zvýšit odolnost
betonu proti zmrazovacím cyklům
 nárůst zpracovatelnosti čerstvé betonové směsi
 nárůst pórovitosti přináší pokles pevnosti 6% pokles pevnosti v
důsledku 1% pórů (tento negativní vedlejší efekt je částečně
kompenzován snížením w/c, které aplikace AEAs umožňuje )
Vliv míry provzdušnění (obsahu vzduchu) na pevnost betonu v
závislosti na vodním součiniteli
- u provzdušněného betonu je nezbytné kontrolovat objemu vzduchu
pomocí porozimetru – výroba mrazuvzdorného betonu dražší a
náročnější
Provzdušňovače - Air entraining agents (AEAs) III
 nejčastěji používaná chemická činidla pro provzdušnění mohou být
rozdělena do čtyřech základních skupin:
1. soli pryskyřic na bázi dřeva,
2. syntetické detergenty,
3. sole kyseliny naftenové,
4. mastné a pryskyřičné kyseliny a jejich soli.
Do 80. let 20. století převládala aplikace pryskyřic na bázi dřeva např.
na bázi neutralizované Vinsolové pryskyřice.
Vinsol resin – tmavě červeno-hnědá pryskyřice, termoplastická,
extrahována z kořenů borovice a rafinována – vyráběna
exklusivně firmou Aqualon v Brunswicku, Georgia, USA
V současné době je vyvinuta celá řada nových typů a v podstatě se
aplikují všechny výše uvedené principy jejich složení.
Provzdušňovače - Air entraining agents (AEAs) IV
 Faktory ovlivňují provzdušnění betonu:
- uměle vytvořený systém vzduchových pórů je ovlivněn materiály
použitými v betonu a technologií jeho výroby
- bylo zjištěno, že provzdušnění betonu bude při dodání stejného
množství provzdušňovacího činidla tím větší, čím větší bude alkalita
betonové směsi
- naopak provzdušnění snižuje nárůst jemnosti mletí cementu
Provzdušnění rozptýlené
v matrici betonu
Recyklovaný beton
 recyklace materiálů pro využití ve stavebním průmyslu je jeden ze
stěžejních parametrů udržitelného rozvoje související s ochranou
životního prostředí a zachování přírodních zdrojů surovin pro další
generace
 použití popílků, strusky, křemičitých úletů – využití v cementářském
průmyslu
 možnost využití také materiálů, které přicházejí přímo jako odpady
ze stavební výroby a především z použití betonu
Recyklace konstrukcí a demolic v Evropě
8
Recyklace konstrukcí a demolic v Evropě II
Recyklovaný beton IV
 kvalita betonu z recyklovaného kameniva závisí na kvalitě materiálu,
který byl k recyklaci použit
 nejdůležitější je původ materiálu – zda jde o betonovou konstrukci,
prvek, demolice celé budovy včetně cihel a dalších odpadů
Recyklace betonu z demolic

proces recyklace vychází ze čtyřech základní procesů:
1. Výběr odpadu
2. Podrcení bloků betonu
3. Odstranění kontaminujících produktů
4. Smíchání s přírodním kamenivem

z betonu musí být odstraněna výztuž, asfalt, zemina, chloridy,
sklo, sádrokarton, papír, plastické hmoty, dřevo, krytina, apod.

recyklační linky: mobilní – na místě demolice, kde bude
recyklovaný beton použit pro výrobu nového betonu
centrální – dokonalá automatizace, vyšší produktivita – kompenzace
větší dopravní vzdálenosti
Kroky recyklace stavebního odpadu pro výrobu betonu
Recyklované kamenivo - vlastnosti

objemová hmotnost, nasákavost, přítomnost znečišťujících látek
Recyklované kamenivo – vlastnosti II
 nasákavost
- u recyklovaného kameniva výrazně vyšší (4 - 9% pro max. zrno 4 – 32
mm)
- přírodní kamenivo (0.5 – 2.5%)
- drobné recyklované kamenivo – až 12%
- problémy s dodržením vodního součinitele – kamenivo spotřebovává
více vody
- recykl. kamenivo musí být před použitím dokonale nasáklé a pak
ponechané 2 – 3 hodiny na suchu – nasáklé, povrchově suché kamenivo
(NPSK)
Recyklované kamenivo – vlastnosti III
 látky kontaminující recyklované kamenivo
- odstranění kontaminujících látek z recyklátu představuje stěžejní
problém pro jeho aplikaci při výrobě betonu
• sádrovec – složka omítkových malt při demolici budov – obsah SO3 <
1% - možná reakce s C-A-H s C-S-H – tvorba ettringitu a taumasitu –
porušení betonu v důsledku nárůstu objemu
• chloridy – mohou být v recyklátu z posypových solí, možnost praní
kameniva v horké vodě (chloridy jsou dobře rozpustné)
• papír, dřevo, bitumeny, sklo, hliník – porušení omezeno na snížení
pevnosti – recyklát s obsahem těchto látek je používán pouze pro betony
o pevnosti ≤ 15 MPa nebo do podkladů
• MgO (konstrukce se žáruvzdornými cihlami) – tvorba Mg(OH)2 rozpínání
 požadavky na recyklované kamenivo v závislosti na typu betonu dle
doporučení RILEM
Konstrukční lehký beton
 objemová hmotnost (300 – 1800 kg/m3) < běžný beton (2200 – 2400)
- z tohoto důvodu prvky z lehkého betonu nemusejí přenášet tak vysoké
zatížení vlastní tíhou – menší průřezy a základy konstrukcí, menší
náklady na dopravu
- rozlišujeme několik základních způsobů vylehčení betonu:
• použití expandovaných anorganických jílů jako kameniva
• aplikace pěnového polystyrénu
• vylehčení díky plynu vznikajícího v cementové pastě (pórobeton)
• napěněním – provzdušněním
• možnost použití lehkého přírodního kameniva (pemza, tufy) – zdroje
omezeny pouze na určité oblasti
Vzorek betonu s expandovaným jílem, polystyrenem, provzdušněním.
Lehký beton v Pantheonu v Římě
- revoluční použití konstrukčního lehkého betonu
- původní stavba pochází z roku 27 př.n.l. (Marcus Vipsanius Agrippa)
- po požáru stavba přestavěna v r. 123 (Publius Aelius Hadrianus)
- kopule s pr. 43.4 m o stejné výšce – nejvyšší nevyztužená klenba v
dějinách architektury
Lehký beton v Pantheonu v Římě
- s nárůstem výšky klenby klesá objemová hmotnost použitého betonu
Materiál: beton z vápna, pucolánu, písku a tufu (pemzy)
- s nárůstem výšky klesá také průřez stěny klenby
Rozdělení lehkých betonů
- třídíme je dle objemové hmotnosti a pevnosti (28denní):
 tepelně-izolační lehké betony: pevnot 0.5 – 7 MPa, objemová
hmotnost ve vysušeném stavu: 300 – 800 kg/m3 – použití v místech,
kde není požadována vysoká pevnost ale izol. vlastnosti
 lehké betony střední pevnosti – 800 – 1 400 kg/m3, krychelná
pevnost 7 – 18 MPa
 konstrukční lehké betony: 1 400 – 2 000 kg/m3 – většinou vyráběny s
použitím kameniva z expandovaných jílů, pevnost v tlaku 18 – 70 MPa
Nasákavost lehkého kameniva
- základní parametr ovlivňující ukládání a čerpatelnost betonu
- v případě vysoké nasákavosti je nezbytné kamenivo nechat 1 – 2 dny
nasákávat vodou, aby nedocházelo k odběru vody z cementové pasty
(zhoršení zpracovatelnosti)
Konstrukční lehký beton:
- může být použit pro běžně vyztužené i předpjaté konstrukce
- přestože je dražší než běžný beton, může být jeho aplikace
ekonomická, neboť můžeme snížit průřez betonových prvků v
důsledku nižší hmotnosti kce.
- s tím souvisí i možnost založení na méně únosném podloží a základu
- při aplikaci v seismicky aktivních oblastech problém s nízkou
duktilitou – vhodné, když se beton deformuje plasticky, aby mohl pohltit
velké množství vnitřní energie konstrukce (použití třmínků)
Konstrukční lehký beton II:
- nízké dopravní náklady – vhodnost na výrobu dílců
- lepší izolační vlastnosti – zlepšení požární odolnosti
Konstrukční lehký transportbeton – příklady
1. Beton s expandovaným jílem
vysoká pevnost v tlaku a tahu za
ohybu
nižší statický modul pružnosti
vyšší dotvarování a smrštění
vyšší trvanlivost – může být vliv
pucolánové aktivity – lepší odolnost
proti korozi a karbonataci
Typy pórovitého kameniva:
- za pórovité kamenivo lze označit sypký anorganický materiál s
pórovitou strukturou a objemovou hmotností menší než 2000 kg /m3
Rozdělení pórovitého kameniva podle původu:
1. Přírodní pórovitá kameniva
2. Průmyslové odpady používané jako pórovité kamenivo bez
větších úprav
3. Průmyslové odpady upravované na pórovité kamenivo
4. Uměle vyráběná pórovitá kameniva
I. Přírodní pórovitá kameniva:
- vulkanické tufy a tufity
- lehké lávy
- přírodní pemza
- vápenný tuf
- spongility
- diatomity
II. Průmyslové odpady používané jako pórovité kamenivo bez
větších úprav:
- škvára
- elektrárenský popílek
- cihelná drť a cihloporit
- odpad pěnového skla
III. Průmyslové odpady upravované na pórovité kamenivo:
- zpěněná struska
- popílkový agloporit
IV. Uměle vyráběné pórovité kamenivo:
- keramzit
- kavitit
- expandit
- expandovaný perlit
- vermikulit
Druhy kameniva používané pro výrobu lehkých betonů
vulkanické tufy, tufity, přírodní pemza, vápenný tuf,
spongility, diatomity
škvára, popílek, cihelná drť, odpadní pěnové sklo, zpěněná struska
popílkový agloporit, cihloporit, keramzit, vermikulit, perlit
organické (přírodní):
piliny, organické přírodní pazdeří
výplně sláma
umělé - pěnový PS
Vulkanické tufy a tufity
• jsou to lehké horniny sopečného původu, jejichž průběh a způsob
uložení je však analogický spíše horninám sedimentárním
• příbuznost k vyvřelé hornině (tufy andezitové, ryolitové, čedičové
nebo dacitové)
• u nás byly nejvíce prozkoumány, ale v současné době se pro výrobu
lehkých betonů již takřka nepoužívají a proto jejich význam
spatřujeme hlavně v tom, že na nich byly prověřeny různé
technologické vlastnosti lehkých betonů tzn., že ovlivnily celý další
vývoj technologie výroby lehkých betonů u nás
• v zahraničí jsou stále používané a to hlavně kvůli příznivějším
geologickým podmínkám (menší rozrušení tufových lokalit
geologickými zlomy).
• vysoká pórovitost a nízká objemová hmotnost (1000-1600 kg/m3)
Bohužel jsou to heterogenní horniny s velmi nerovnoměrným
složením
2. Lehké lávy
Nazýváme tak opět lehké horniny sopečného původu, které se
svým složením blíží čedičovým tufům. Jejich výhodou oproti
vulkanickým tufům je to, že většina jejich pórů je uzavřená bez
kapilárních spojení - jsou méně náchylné k objemovým změnám a
mají větší pevnost.
3. Přírodní pemza
Je to lehké kamenivo vulkanického původu s nepatrnou
hygroskopicitou, ale vysokou pórovitostí - 73 až 85%. Přírodní
pemza je sice silně nasákavá, ale rychle vysychá a na rozdíl od
vulkanických tufů vykazuje při vysychání jen nepatrné objemové
změny. Je jedním z nejlepších přírodních pórovitých kameniv. Její
objemová hmotnost je 550-600 kg/m3.
II. Průmyslové odpady používané jako pórovité kamenivo bez
větších úprav
Některé průmyslové odpady, zvláště pak energetické, mají pro
použití ve stavebnictví velmi výhodné vlastnosti (jak. chemickým a
mineralogickým složením, tak strukturou). Naproti tomu nevýhodou
všech průmyslových odpadů je skutečnost, že tyto vlastnosti velmi
silně kolísají a odpady obsahují proměnlivé množství škodlivin,
které mohou jejich využití ve stavebnictví úplně znemožnit. Některé
z nich lze použít pro výrobu lehkého betonu přímo po podrcení a
vytřídění (např. škváru nebo cihelnou drť).
1. Škvára (škvárový beton)
• jsou to zpevněné, nikoli však úplně roztavené zbytky různých
druhů kamenného a hnědého uhlí, hořlavých břidlic a různých
jiných pevných paliv
• tyto zbytky obsahují také určité množství původního nebo
částečně přeměněného výchozího paliva, které je velmi nežádoucí
• v ČR jsou škváry jako pórovité kamenivo pro výrobu lehkých
betonů používány nejdéle, všechny škváry však nejsou vhodné
(škváry z lignitu nebo z palivových směsí obsahujících lignit se pro
velkou objemovou nestálost nesmějí vůbec používat)
• technologie výroby škvárového betonu se nijak podstatně neliší
od postupu výroby normálního betonu štěrkopískového
• škvárový beton se dnes používá již spíše jako vyrovnávací
materiál a jako výplňové stavivo, jeho objemová hmotnost je 13001700 kg/m3.
Škvára (škvárový beton) II
• v současnosti výrobky ze škvárového betonu dnes již nemají
velký význam, ale velkou roli sehrály v 50. letech při přechodu z
cihel na velkorozměrové zdicí materiály
Výrobky ze škvárobetonu:
a) škvárobetonové tvárnice - výplňové
- nosné
b) stropní vložky
c) různé kvádry (tzv. blokopanely) – vrcholem byly celostěnové
panely
2. Elektrárenský popílek
 popílky jsou nerostné zplodiny vznikající při spalování tuhých
paliv spalovaných většinou v jemně mletém stavu
 sestávají převážně z malých kuliček křemičitanového skla, které
ve velkém množství odpadá v tepelných elektrárnách
 je to křemičitá surovina s pucolánovými a jinými cennými
vlastnostmi, proto jsou vhodné pro přípravu maltovin a lehkých
stavebních látek
 vzhledem ke své velikosti slouží spíše jako součást lehkých
betonů s jiným pórovitým hrubozrnným kamenivem
 snižují mezerovitost a zlepšují zpracovatelnost
 mají malou objemovou hmotnost – volně sypaná je jen 550-900
kg/m3.
3. Popílek a struska ze spaloven komunálního odpadu
 obdobné složení a vlastnosti jako elektrárenské popílky, možnost
použít také jako kamenivo či pro doplnění křivky zrnitosti
4. Cihelná drť a cihloporit
• úlomky cihlových výrobků
• používání cihelné drtě ve stavebnictví bylo rozšířeno hlavně po 2.
světové válce, kdy jiná pórovitá kameniva prakticky vyráběna
nebyla a kdy se takto zužitkovávaly trosky rozbořených domů
• později se tímto způsobem zužitkovával průmyslový odpad a
zmetky z cihelen
• ještě později se u nás postupně dospělo až k záměrné výrobě
cihelného střepu
Cihloporit lze označit za kamenivo umělé, ale vzhledem k jeho
příbuznosti s cihlovou drtí je zařazeno k průmyslovým odpadům.
Cihloporit se začal vyrábět po vyčerpání „přirozených“ zdrojů z
rozrušených domů. Pro jeho výrobu jsou vhodné na písek chudé
mastné jíly - čím jsou tyto jíly plastičtější tím lepší. Při výrobě se k
jílu přimíchávají přísady, které způsobují zvětšení pórovitosti střepu
- výroba lehkých betonů.
III. Uměle vyráběné pórovité kamenivo
1. Keramzit (Liapor)
• získává se tepelným expandováním hlín (1100 – 1200°C)
vhodného chemického a mineralogického složení v rotačních
pecích
• výhodné vlastnosti: mrazuvzdorný, žáruodolný a zcela odolný vůči
povětrnostním vlivům
• objemová hmotnost 200-600 kg/m3
• vyrábí se z něj hlavně mezerovitý beton
• může se z něj vyrábět i beton hutný ke konstrukčním účelům
2. Expandovaný perlit
• vyrábí se tepelným zpracováním horniny sopečného původu –
perlitu, jehož chemické složení a vlastnosti jsou podobné jako sklo
• při teplotách 950 –1200°C upravená surovina expanduje, objem
zrnek se až 10 x zvětší
• výsledný produkt je jemně zrnitý, pórovitý materiál šedobílé barvy
ve formě drobných dutých kuliček
• expandovaný perlit je chemicky inertní
• nehořlavý (použitelný až do 900°C)
• odolný mrazu
• objemově stálý a má sypnou hmotnost od 60 do 250 kg/m3
• má velmi nízký koeficient tepelné vodivosti, cca 0.05 Wm-1K-1
• faktor difúzního odporu je roven hodnotě 4,4
• je vysoce nasákavý a prašný
• perlitbetony, lehčené izolační omítky, zdící malty
Perlitbeton
• chem. složení perlitu
SiO2 … … …min 66 %
Al2O3… … …max 18 %
Fe2O3… … …max 3 %
CaO + MgO… … …max 6 %
Na2O+K2O… … …max 8 %
• složení perlitbetonu (sypná hmotnost perlitu do 150 kg/m3),
zrnitost 0 – 2mm (min. 60% nad 0.5 mm)
PTB 300 PTB 450 PTB 550 PTB 600
Experlit EP 150 PB
l
125
125
125
125
Cement
kg
15
30
40
50
Objem.hmotnost
kg/m3
300
450
550
650
Pevnost v tlaku
MPa
0,6
1,8
2,2
2,8
W.m-1.K-1
0,083
0,125
0,15
0,175
Tepelný odpor při tl 5cm
m2.K.W-1
0,8
0,4
0,35
0,3
tl 8cm
m2.K.W-1
1,0
0,65
0,55
0,5
tl 10cm
m2.K.W-1
1,3
0,8
0,7
0,6
Souč.difuze vod.par
10-9 s
0,026
0,018
0,015
0,012
Požární odolnost
DIN
A1
1pytel(125 l)
cca
na 1,7
m2
tl. 5 cm
na 0,8
m2
tl. 10 cm
Souč.tepel.vodivosti
Vydatnost
3. Vermikulit
• tmavě hnědý až tmavě šedozelený, hydratovaný hořečnatohlinitý
slídovitý křemičitan, vzniklý zvětráváním jiných slíd
• složení: Mg 8,68%, Fe 9,97%, Al 23,01%, Si 5,57%, O 50,77%, H
2,0 %
• vzniká při pálení slídových minerálů, které zvětšují svůj objem (při
teplotách do 800 °C)
• používá se pro průmyslové tepelné izolace, tepelně izolační malty
a betony (ve stavebnictví se vzhledem k malé pevnosti v tlaku dá
použít jen jako tepelně izolační materiál)
• dále pro výrobu laků a barev v chemickém průmyslu

zde - K123-Katedra stavebních materiálů

Transkript

Podobné dokumenty

DoP CE prohlášení o vlastnostech

PROCHÁZKY CENTREM MĚSTA

MC aktiv 1/2009 - MC

Soupis majetkové podstaty Soud.: Městský soud v Praze, Slezská 9

Fakulta stavební - Stavební Inženýrství

izolační praxe 9.

stáhnout zde

Zpráva o výsledcích výzkumné a vývojové činnosti za - FMMI

journal 1/2015

Seznam dostupných diplomových prací FAST Rok

Poruchy ve stavebnictví

CI57_Specialni druhy betonu

Žárobetony na bázi Sic s vazbou sol-gel A

Podlahářský - Cech podlahářů ČR

to get the file

Stavební hmoty a dílce: Beton, železobeton a výrobky předem

CEMENT