docbeton – vztah mezi strukturou a vlastnostmi - K123
download 
Stížnost Transkript
beton – vztah mezi strukturou a vlastnostmi - K123
KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE BETON – VZTAH MEZI STRUKTUROU A VLASTNOSTMI BETON – vztah mezi strukturou a vlastnostmi KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E • 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 p porozity y na vlastnosti betonu Pevnost Permeabilita Tepelná p vodivost • Vliv vnějších podmínek na vlastnosti betonu Působení vysokých teplot Vliv nízkých teplot Destrukce betonu vlivem působení agresivních látek KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 Chemistryy and Physic y for Civil Engineers, g , Bauverlag GMBH, Berlin, 1980. • Powers T. C., The Physical Structure and Engineering Properties of Concrete,, Research and Develop. p 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 1981, 657s.. Úvod I/VI KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E • 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 cihlyy a produkty z jílů - 39 Stavební kámen 0.3 1 A f lt Asfalt _ 2 Neželezné kovy _ 29 Ú d II/VI Úvod KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E • Důvod časté aplikace betonu ve stavebním průmyslu je zdůvodnit následujícími výhodami betonu: Výhody ý y Nevýhody ý y Možnost odlití specifických tvarů Nízká pevnost v tahu Ek Ekonomické i ké výhody ýh d Ní ká ttažnost Nízká ž t Trvanlivost Objemová nestálost Požární odolnost Nízký poměr pevnosti ku hmotnosti Energetické výhody?? Možnost produkce přímo na stavbě Estetické vlastnosti Úvod III/VI KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E • První významný krokem pro širší produkci betonu představuje poznání hydraulických vlastností vápenných pojiv obsahujících jílové minerály. 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 p byla y výplní ýp z lité maltyy 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, vápna sopečného tufu 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. cement • Prudký rozvoj průmyslové výroby v 17. a 18. století znamenal i rozvoj výroby staviv, především betonu. • V roce 1796 získal ískal Angličan James Parker patent na přírodní hydraulický cement – výroba kalcinací nečistého vápence obsahujícího jíl. • Obdobný Obd b ý proces je j možné ž é pozorovatt ve Francii F ii o 6 llett později. ději V roce 1813 připravil Vicat (Vicatův přístroj pro stanovení doby tuhnutí cementu) umělé hydraulické vápno kalcinací syntetické směsi vápence a jílu 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“ Ú d IV/V Úvod KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E • 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 20. století. • Kvantitativním skokem v poznání kompozitního charakteru betonu b l až byla ž práce á T. T C C. Powerse, P kt ý prokázal, který ká l žže pevnost, t trvanlivost, t li t mrazuvzdornost a vodopropustnost jsou funkcí porozity struktury betonu. Úvod VI/VI KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E • Současné výzkumné a vývojové práce jsou v podstatě založeny na snaze snížit porozitu betonového kompozitu na minimum 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 ý se p pevnost a sníží se p pórovitost . maximálnímu zhutnění,, zvýší Princip výroby cementu (opakování) 1. Výroba surovinové moučky Na základě přesných chemických analýz se upraví poměr jednotlivých složek surovinové směsi. 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. 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. 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E (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. 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, ocelárenské kaly (korekce Fe2O3), bauxit KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E (korekce Al2O3), křemičitý písek, křemelina (korekce SiO2) j cenu finálního výrobku ý - p použití odpadních p látek - snaha o co nejnižší namísto přírodních surovin - pomocné suroviny – použití v malém procentním obsahu, upravují vlastnosti lastnosti surovinové s ro ino é směsi za a syrova s ro a nebo v průběhu průběh výpalu ýpal - 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, 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Hydraulický modul Hm = CaO Al2O3 + Fe2O3 + SiO2 Nízký hydraulický modul – nižší hydratační teplo, pro vyšší hodnoty hydraulického modulu získáváme vysokou počáteční pevnost, optimální p hodnota p pro hydrataci y 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. R k v surovinové Reakce i é směsi ě i během běh výpalu ý l portlandského l d kéh slínku lí k KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 Al2O3·2SiO 2SiO2 + 5CaCO3 → (před C2S), dále C2F CaO·Al2O3+ 2CaO·SiO2 + 5CO2 2CaCO3 + Fe203 → 2CaO·Fe2O3 + 2CO2 900 - 1000 rozklad vápence, vápence vznik 2CaO 2CaO·SiO SiO2 CaCO3 → CaO + CO2 a CaO·Al2O3 5CaO + 2SiO2 + Al2O3 → 2(2CaO·SiO2) + CaO·Al2O3 1000 - 1300 vznik dalšího C2S, S dále vznik C4AF a zkrácené vzorce: C2A, 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E V ik hlavních Vznik hl í h složek l ž k slínku lí k v závislosti á i l i na teplotě l ě výpalu ý l JEMNOST MLETÍ KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 ý na jjemné mletí. Přísady používané při mletí portlandského slínku: - hlavní hl í (regulátory ( lát t h tí) sádrovec, tuhnutí): ád d dnes v podobě d bě energo- nebo b chemosádrovce, - vedlejší j ((upravují p j směsnost,, jjde o p přísady y s hydraulickými y ý vlastnostmi): ) vysokopecní granulovaná struska, přírodní nebo umělé pucolány, - speciální (upravují průběh mletí nebo provzdušňovací plastifikační, provzdušňovací, plastifikační hydrofobizační). hydrofobizační) vlastnosti cementu – KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E VÝPAL Ý SLÍNKU Í – 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 C3S 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E • Porovnání rychlosti hydratace slínkových minerálů KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 a tím i zcela odlišných vlastností - z pohledu využití jednotlivých typů cementů ve stavebnictví dělíme cementy na: • cementy t pro obecné b é použítí žítí • cementy speciální Cementy pro obecné použití definuje technická norma ČSN EN 197-1, která je platná od 1. 4. 2002. 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, 32 5 42,5 42 5 a 52,5. 52 5 U rychlovazných cementů dosahujících vysokých počátečních pevností se připojuje označení třídy cementu R. Cementy, která mají standardní dobu tuhnutí, se označují N. • CEM I Portlandský cement – obsahuje portlandský slínek a max. 5% minoritních přísad KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E • 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. KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E • Například v USA se pro klasifikaci cementu používá norma ASTM C150, pro směsné cementyy 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: KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E • 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 – vyrábí se z bílých vysokoprocentních vápenců a kaolinu s nízkým í ký obsahem b h oxidů idů železa ž l ( 1%) (< • 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 • síranovzdorný cement – navržen pro použití v prostředí s vysokou koncentrací síranových iontů, musí mít obsah C3A < 3% • cementy upravené přísadami – hydrofobními, plastifikačními, fungicidními, provzdušňujícími apod. KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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. k konstrukčně) t kč ě) vzniká iká v b betonu t ttahové h é napětí, ětí které kt é může ůž být doprovázeno d á 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) KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Smrštění betonu při vysoušení - Portlandský cement KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Smrštění betonu při vysoušení expansivní cement KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Složení expanzivních cementů ů 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, S - liší se původem ů d hli hlinitanové it é sloučeniny, l č i ze kt které é jje následně při hydrataci tvořen etringit Hlinitan vápenatý ápenatý + S S_ + H etringit Zreagovaný hlinitan vápenatý nahradí C3A v cementu, přičemž vápenaté křemičitany zajišťují dlouhodobé vlastnosti materiálu Příklad: typ E-1(K) E 1(K) – využíván jenom v USA USA, složen z calcium sulfoaluminate (C4A3S_) s anhydritem (CS_) – CaSO4, společně s volným vápnem zvyšují množství etringitu a tím i j expanzi p materiálu objemovou KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Hlinitanový cement I/III - HC jje hydraulické y p pojivo j p pro výrobu ý betonů určených ý p pro monolitické či prefabrikované stavby pecí a vyzdívky, tzv. žárobetonů (do 1600°C), betony odolné vyšším teplotám (nad 200 C) 200°C) - surovinovou směs tvoří čistý vápenec a bauxit - 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 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/III KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E - 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/III KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E - 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 Žárobeton, beton odolný vyšším teplotám - kamenivo KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E - 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 h d ý i kkamenivy i jjsou křemenná kř ák kameniva i a žžula. l Křemenná Kř á 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E krystalová teorie Le Chateliera (1882): 1. fáze – postupné rozpouštění cementu ve vodě (h d lý (hydrolýza+hydratace), h d t ) výsledkem ý l dk h hydráty d át přesycený ř ý roztok t k 2. fáze – krystalizace z roztoku a vylučování jehličkovitých, vzájemně zplstěných krystalů koloidní teorie Michaelisova (1892): 1. fáze – částečné rozpouštění, tvorby koloidní hmoty z CS CS-,, CA- a CF-hydrátů, vznikají tzv. C-S-H gely 2. fáze – smrštění hydrogelu vlivem „vnitřního odsávání“ vody j ště nehydratovanými ještě h d t ý i zrny cementu t • 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 názoru, že tvrdnutí a tvorba pevné cementové matrice probíhá na principu gelověkrystalické teorie. Hydratace cementu - probíhá ve třech indukčních periodách 1. p perioda: (10 ( – 15 minut)) KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E - 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.Al2O3.3CaSO 3CaO 3CaSO4.32H 3 2O + 2(3CaO.Al (3CaO 2O3) + 4H2O 3(3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O) monosulfát KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 2. perioda: ( končí po 12 – 24 hodinách) - spojena s přechodem cementové pasty do tuhého skupenství - základní hydratační reakce trikalcium silikátu se rozvíjí za vzniku dl h lák itéh kkalciumhydrosilikátu dlouhovláknitého l i h d ilikát a zvětšených ětš ý h krystalků k t lků portlanditu - dochází k nárůstu měrného povrchu systému až 100x - zrna cementu se k sobě přibližují prorůstáním krystalů hydratačních produktů - p probíhá hydratace y ferritové fáze 4CaO.Al2O3.Fe203 + 4CaO(OH)2 + 22H2O + 4CaO 4CaO. Fe203.13H 13H2O 4CaO.Al2O3.13H2O Hydratace cementu III KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 přída cích a vodním přídavcích odním so součiniteli. činiteli S rostoucí rosto cí teplotou teploto se rychlost r chlost reakcí zvyšuje. KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Pokročilé stádium hydratace C3S KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Hydratace cementu IV Velký 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 literatury) KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Struktura betonu I Makrostruktura – hodnocená podle řezu betonového prvku a hodnocena pouhým okem okem, ukazuje beton jako dvousložkový materiál 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, rozdílná zdánlivě homogenní pojivo má porézní strukturu o různé velikosti a tvaru pórů propojení póry je závislé především na vodním součiniteli součiniteli, složení betonu a ošetřování během hydratačního procesu mikrostruktura betonu Struktura betonu III Elektronová mikroskopie umožnila identifikovat čtyři základní pevné složky zhydratované cementové pasty: KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Kalcium silikát hydrát (C-S-H) Kalcium hydroxid (C-H) Kalcium sulfoalumináty (C-S-A-H) Nezhydratovaná N h d t á cementová t á zrna KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E CSH CSH KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Etringit Portlandit (CH) KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Pozorování a detekce ASR v betonu pomocí SEM II Tvorba alkalicko-křemičitého alkalicko křemičitého gelu v trhlinách betonu V části trhlin je přítomen také etringit KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Struktura betonu IV Kalcium silikát hydrát (C-S-H), C-S-H gel - zaujímá jí á 50 50-60% 60% objemu bj a jje určujícím č jí í ffaktorem kt vlastností l t tí cementového gelu - má variabilní morfologický obraz a je charakteristický existencí k t li ký h vláken krystalických lák až ž po vláknité lák ité mřížkovité řížk ité útvary út - 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Struktura betonu V Kalcium hydroxid (C-H), portlandit - zaujímá jí á 20 – 25% objemu bj pevné é fá fáze zhydratované h d t é cementové t é 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 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. KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 á i lá na vnějším ější prostředí tř dí uloženého l ž éh b betonu, t změna ě jejího j jíh 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Chemicky vázaná voda - je j součástí čá tí sloučenin l č i vzniklých iklý h h hydratací d t í cementu t - její odstranění je možné pouze působením vysokých teplot a vede k samotné destrukci (rozpadu) betonu model Feldman, Sereda Póry v hydratovaném cementovém pojivu KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 l é póry, ó kkapilární ilá í póry ó a ttechnologické h l i ké póry ó (vzniklé ( iklé při ři 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 p metod a zařízení nemění se však definice gelových pórů, které jsou definovány jako součást struktury C-S-H C S H gelu Kl ifik Klasifikace pórů ó ů v hydratované h d t é cementové t é pastě tě KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Původní Pů d í představa ř d t uspořádání řádá í C C-S-H S H gelu l podle dl P Powerse a Brownyarda KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E M d l struktury Model t kt C-S-H C S H gelu l podle dl F Feldmana ld aS Seredy d Vnitřní a vnější faktory ovlivňující porézní strukturu chemický proces tvrdnutí betonu je ovlivněn celou řadou vnitřních a vnějších faktorů faktorů, které rozhodují o jeho výsledných vlastnostech KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E - velikost pórů i jejich distribuce jsou časově závislé parametry chemické složení slínku jemnost mletí slínku vodní d í součinitel či it l v/c / 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Rozdělení R děl í pórů ó ů dle dl jjejich ji h velikosti lik ti v ttvrdnoucí d í cementové t é pastě tě po různé době hydratace Kum mulativní ob bjem pórů (cm m3/g pasty) KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Vliv vodního součinitele na distribuci pórů betonu Vodní součinitel P ů ě pórů Průměr óů Velké kapiláry Malé kapiláry Gelové póry zásadní vliv na strukturu porézního prostoru hydratované cementové pasty má velikost vodního součinitele 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E za hraniční teplotu je považována teplota -10°C nastartování hydratace při nižší teplotě vede k tvorbě struktury s j podílem dobře vyvinutých y ý krystalů y tobermoritu převažujícím (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) Vliv porézního prostoru na vlastnosti betonu I KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E porézní struktura je charakterizována porozitou, měrným objemem pórů specifickým povrchem pórů a jejich distribuční funkcí pórů, vliv na pevnost v tlaku betonu S = S 0 ⋅ e − kp S pevnost hmoty o dané porozitě p porozita S0 pevnost materiálu o nulové porozitě k konstanta k t t (charakteristika ( h kt i tik materiálu) t iál ) 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. KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Pevnostt v tlaku P tl k vs. porézní é í prostor t pro různé ů éd druhy h cementových t ý h malt po 28 dnech KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Zá i l t pevnostiti v tlaku Závislost tl k na porozitě itě ztvrdlé t dlé cementové t é pasty t Vliv porézního prostoru na vlastnosti betonu II KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E vliv na tepelnou vodivost - tepelná t l á vodivost di tb betonu t jje závislá á i lá na pórovitosti ó it ti a s tí tím spojeném j é obsahu vody v pórech, přičemž stupeň nasycení ovlivňuje hodnotu součinitele tepelné vodivosti více než porozita KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Vliv porézního prostoru na vlastnosti betonu III permeabilita bilit K ((propustnost) t t) - určuje průchodnost kapalin betonem a má přímou vazbu na trvanlivost s ohledem na odolnost proti působení cyklického zmrazování á í a vysušování š á í (vnitřní ( itř í namáhání áhá í porézní é í struktury) t kt ) - definována Darcyho zákonem dq ΔH =K⋅ dt Lμ -dq/dt rychlost toku kapaliny - μ viskozita kapaliny - ∆H gradient tlaku - A plocha tělesa - L tloušťka tělesa KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Změna Z ě vodopropustnosti d t ti cementové t é pasty t v závislosti á i l ti na postupující hydrataci (v/c = 0.7) KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E -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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Termická analýza vzorků hydratovaného cementového pojiva KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Křemen – polymorfní materiál Polymorfismus (mnohotvárnost): existuje několik forem M difik Modifikace: v současnosti č ti známo á 22 fforem β−křemen (nízkoteplotní) romboedrická r=2,65 g cm-3 γ-tridymitromboedrická 2,26 g cm-3 cristobalit tetragonální 2,32 g cm-3 β- KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Fázový diagram křemene Vliv nízkých teplot na vlastnosti betonu - rozrušování porézní struktury cementové pasty je způsobeno KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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) KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 C S H a C-H. C H. Účinnost a rychlost škodlivých reakcí je funkcí agresivity daných substancí a porozity. porozity Široká škála látek, které jsou agresivní vůči betonu – běžně se v ovzduší a spodní vodě vyskytuje např. např CO2, SO2, SO3, SO4, N0x a ClReakce vzdušného CO2 s Ca(OH)2 vede ke vzniku CaCO3 v povrchové zóně betonu, betonu kde klesá postupně pH až pod hodnotu 9 9.0, 0 která je považována za mezní pasivační hranici zaručující přirozenou ochranu ocelové koroze vůči korozi – objemový nárůst profilu výztuže vytváří y napětí p v betonu,, odloupávání, p , destrukce. Účinek látek obsahujících ionty NO3, SO4 a Cl je dán tvorbou krystalických y ý látek vzniklých ý reakcemi s hydratačními y sloučeninami cementové pasty – výkvěty, rekrystalizace, krystalizační tlaky narušují vnitřní strukturu betonu KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Klasifikace betonu – ČSN EN 206-1 206 1 podle objemové hmotnosti Obyčejný 2 000 - 2 600 kg m-33 Lehký < 2 000 kg m-3 Těžkýý > 2 600 kg g 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 8/9, LC 12/13 12/13, LC 80/88 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Podle konzistence čerstvého betonu → stupně podle jednotlivých zkušebních metod Podle sednutí kužele S1-S5 Podle VeBe V0-V4 Podle zhutnitelnosti C0-C3 P dl rozlití Podle lití F1 F1-F6 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 P dl úč účelu l použití žití (f (funkce): k ) Konstrukční Výplňový Podle doplňkové funkce betonové konstrukce: Vodostavební Konstrukčněizolační (pórobeton) Silniční Masivní Dekorační (pohledový) KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Specifikace betonu = souhrn všech požadavků na vlastnosti nebo složení čerstvého i ztvrdlého betonu pro jeho výrobu, výrobu přepravu, přepravu ukládání ukládání, zhutňování zhutňování, ošetřování a další úpravu - nedílnou součástí projektu betonové konstrukce i zadáním pro výrobce ý b b betonu t Musí obsahovat: • Způsob použití čerstvého i ztvrdlého betonu • Podmínky ošetřování betonu • Údaje o rozměrech konstrukce (vzhledem k vývoji hadratačního tepla) • Informace o působícím prostředí • Požadavky P ž d k na ú úpravu povrchu h • 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Zákl d í požadavky Základní ž d k specifikace ifik od d objednatele: bj d t l 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 p 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Pevnostní třída betonu v tlaku Specifikace typového betonu III KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Pevnostní třída lehkého betonu v tlaku Specifikace typového betonu IV KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 vodyy 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E - 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 odp o ání cemento cementových ých zrn rn KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Cementová zrna bez aplikace plastifikátoru – shluky zrn Aplikace plastifikátorů KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Adsoprce p plastifikátorů na p p povrchu cementových ý zrn Disperze cementových zrn a uvolnění vázané vody – zvýšení tekutosti směsi Plastifikátory - jsou také známy jako látky snižující množství záměsové vody – j vytvořit y beton o stejné j zpracovatelnosti při nižším poměru umožňují w/c nárůst pevnosti a trvanlivosti při stejném obsahu cementu KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E - 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E zpracovatelnosti g g water reducers - označoványy jjako high-range - 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 g y ((MLSs)) – čisté chemické složení lignosulfanových plastifikátorů s vyšší molekulovou hmotností – KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E vyšší účinnost 2. Sulfonované melamine formaldehyd kondensáty (SMFs) – sodná sůl 3. Sulfonované naphtalen formaldehyd c kondensáty (SNFs)- sodná sůl 4. Polymery obsahující skupiny kyseliny karboxylové, např. Polykarboxyláty (PCLs) – polyakryláty, akrylové ethery (PCE polycarboxylatethery), l b l t th ) sulfonované lf é polystyreny l t – vyvinuty i t nedávno, označovány jako superplastifikátory nové generace - princip i i působení ů b í superplastifikátorů l tifikát ů je j obdobný bd b ý působení ů b í plastifikátorů – způsobují vzájemné odpuzování cementových zrn a KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E prostorovou blokace cementových zrn molekulami vody Steric hindrance – prostorová blokace cementových zrn molekulami vody – působením pl. a superplastifikátorů dojde k vytvoření pomocí molekul vody, y jjejichž j orientace zabraňuje j ochranného štítu p kontaktu cementových zrn MLMs, SMFs, SNFs – elektrostatické odpuzování cementových zrn PCLs – p prostorová blokace p působí ve stejné j míře jako j elektrostatické odpuzování - formování molekul polycarboxylového superplastifikátoru na povrchu cementových zrn KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E “Hřebenovité“ Hřebenovité molekuly polycarboxylového superplastifikátoru na povrchu cementových zrn KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Příklad ztekucovacího efektu různých plastifikačních přísad měřeného pomocí zkoušky rozlivu na cementové maltě Ch á í superplastifikátorů Chování l tifikát ů ve vazbě bě na jejich j ji h přímé ří é působení ů b ív betonu KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E chování jakékoliv kombinace superplastifikátoru a cementu závisí na celé řadě vnějších a vnitřních faktorů - především na typu přísady 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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. viz obrázek KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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) KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E - plastifikátor Woerment FM 375 – krátké základní řetězce (dlouhé postranní ř tě řetězce) ) – slabší l bší spojení j í s cementovým t ý zrnem – převažuje ř ž j prostorové t é 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 tuhnutí KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E - zvyšují a zrychlují podíl hydratované části cementové pasty během hydratace – zvýšení počáteční pevnosti pevnosti, snížení času ošetřování ošetřování, možnost rychlejšího odformování, zkrácení doby tuhnutí v případě betonáže za snížené teploty - v minulosti byl jako urychlovač tuhnutí používán CaCl2 – snadno dostupná látka a velmi účinná - CaCl2 vstupuje do reakce s C3A, sádrovcem a C4AF - zrychlení tuhnuté 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 – hlinitan hli it sodný, d ý trietanolamin ti t l i - zvýšení teploty hydratace! KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E Vliv přidání chloridu vápenatého na a) dobu tuhnutí 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E delší vzdálenost kontrola tuhnutí ve velkých pórech – tuhnutí a tvrdnutí výrazně pomalejší – snaha o současné tuhnutí veškerých částí betonového prvku (vzorku) – vyvarování se tzv tzv. studených spojů a diskontinuit – získání homogenních vlastní (jednotné pevnosti) celého odlitého p prvku - velmi efektivními retardéry jsou sacharóza a kyselina citrónová X je velmi obtížné kontrolovat jejich efekt - využití lignosulfonanů s významným obsahem cukru – v současnosti preferovány – modifikace formování a tvorby produktů z počátečních hydratačních period KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E bublin průměr ů vyvozených vzduchových bublin je typicky v rozsahu 0.02 – 0.1mm s průměrnou vzdáleností 0.25 mm zformované f éb bubliny bli jjsou d dostatečně t t č ě stálé, tálé aby b nedošlo d šl k jejich j ji h 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 ) Provzdušňovače - Air entraining agents (AEAs) II nejčastěji používaná chemická činidla pro provzdušnění mohou být rozdělena do čtyřech základních skupin: KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 t h á z kkořenů ř ů borovice b i a rafinována fi á – vyráběna ábě 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) III Faktory ovlivňují provzdušnění betonu: - uměle vytvořený systém vzduchových pórů je ovlivněn materiály KATED DRA MATERIÁLOVÉHO IN NŽENÝRSTV VÍ A CHEMIE E 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 b t betonové é směsi ě i - naopak provzdušnění snižuje nárůst jemnosti mletí cementu
