KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ

A CHEMIE

VYSOKOPEVNOSTNVYSOKOPEVNOSTNÍÍ

A VYSOKOHODNOTNÝ BETONA VYSOKOHODNOTNÝ BETON

OSNOVA PŘEDNÁŠKY

•Úvod

•Vývojové

etapy výroby betonu

•Řízené

tvrdnutí

cementového pojiva

•Zvyšování

pevnosti betonu

•Vysokohodnotný beton HPC (High

Performance Concrete)

•Betony ultravysokých

pevností

ÚVOD

•Beton je nejrozšířenější

a nejdůležitější

stavební

hmotou . Suroviny na výrobu betonu -

cementu i další

složky -

písku a

kameniva, jsou v

dostatečných zásobách v

obydlených oblastech všech kontinentů.

•Jednoduchá

technologie výroby a její

přizpůsobivost různým podmínkám i výhodné

mechanicko-fyzikální

vlastnosti, vytvářejí

předpoklady pro příznivé

ekonomické

hodnocení

v

tradiční individuální

i hromadné

výstavbě.

•Využití

koncepčně

nových zpracovatelských technologií

úzce souvisejících s

technologickým pokrokem (kontinuální

lití,

lisostřik, vypěňování) brání

dosud teoreticky sice vyřešené, ale prakticky zatím nezvládnuté

problémy.

PROBLÉMY

•Řízení

procesu hydratace cementu směrem k

podstatnému zkrácení

doby tvrdnutí

čerstvé

betonové

směsi

v

automatizované

kontinuální

výrobě.•Zvýšení

pevnosti betonu nad hranici 100 MPa

při zachování

jednoduchých technologiích zpracování

čerstvé

betonové směsi.

•Snížení

hmotnosti betonu při zachování

dobrých mechanicko- fyzikálních parametrů.

•Uplatnění

betonů

nižších kvalit, které

je možno vyrábět z méněhodnotných surovin a odpadů.

•1869 –

W.Michaelis

publikoval teorii chemismu tvrdnutí portlandského cementu. Přibližme si jednotlivé

historické

etapy

této cesty z

pohledu materiálového inženýrství.

Vývojové

etapy výroby betonu

1/3•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.n.l. ke stavbě

vodovodních přiváděčů

a zásobních cisteren na

vodu. Féničané

navazovali na starší

empiricky získávané znalosti starověkého stavitelství.

•2 stol.

př.n.l.

Řekové

vynalezli novou zdící

techniku, kdy masivní

kamenná

zeď

s

mezerou uprostřed byla výplní

z

lité

malty a lomového kamene zpevňována a vytvářela zdivo nazývané

emplekton.

•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.

Obr. 1 –

Opus spicatum, zbytky římských staveb(Aquincum,Budapešť)

Vývojové

etapy výroby betonu

2/3•Prudký rozvoj průmyslové

výroby v

17. a 18. století

znamenal

i rozvoj výroby staviv, především betonu. •J.Smeaton

(1724-1792)

–

pevnost zatvrdlého vápna závisí

na

chemickém složení

vápence určeného k

výrobě

hydraulického pojiva –

cementu

–

historický předěl ve výrobě

cementu a tedy

i betonu.•J.Parker

–

1791

J.Parker

přihlašuje anglický patent na způsob

výroby románského cementu pálením vápence vhodného chemického složení

s

příměsí

hlinitých součástí. Tento typ

pojiva betonu se stal převažujícím pojivem betonu v

období prvé

poloviny 19. století.

•F.Coignet

(1814-1888)

formuluje řadu zásad jejichž

realizace umožňuje rozšíření

betonu

–

důkladné

hutnění

čerstvého

betonu, užívání

minimálního množství

vody, drcení

kameniva před aplikací

do betonové

směsi. Formuluje

i statické

důvody

pro vyztužování

betonu ocelí.

Vývojové

etapy výroby betonu

3/3•1823-1906

J.Monier

(považovaný za otce železobetonu)

významně

přispěl k

rozšíření

tohoto dnes nejrozšířenějšího konstrukčního stavebního materiálu (železobetonové

příčky -

monierky).•1955 T.C.Powersem

– Klíčová

teoretická

práce -

nový

pohled na vztah mezi pevností

a strukturním uspořádáním betonu prokazující, že pevnost betonu je nepřímo úměrná

obsahu pórů

v

makrostruktuře. Všechny návrhy způsobů zvyšování

fyzikálních parametrů

betonu vycházejí, nebo přímo

souvisí

s

tímto faktem. •Je překročena magická

bariera pevnosti v

tlaku 110 MPa.

•Vyvíjí

se nový obor -

materiálové

inženýrství. •Dnes je průmyslově

vyráběn vysokohodnotný beton –

technologie jeho výroby je jednoduchá

a nevyžaduje použití speciálních technicky náročných metod.

Řízené

tvrdnutí

cementového pojiva•Od počátku minulého století

se používá

regulátor rychlosti

tuhnutí

směsi portlandského cementu s

vodou -

sádrovec. •Posunuje počátek tuhnutí

tak, aby mohla být čerstvá

betonová

směs dokonale zpracována i nejjednodušším způsobem. •Sádrovec reaguje s

aluminátovou

i ferrátovou

fází

slínku

ihned

po smíchání

s

vodou a oddaluje počátek tuhnutí

této soustavy. Mechanizmus a kinetika prvních reakcí

závisí

především na

obsahu trikalcium

aluminátu

C3

A ve slínku, ale také

na množství

sádrovce.

•Produkty reakcí

brzdí

další

hydrataci cementu a umožňují regulovat tuhnutí

čerstvé

betonové

směsi směrem k

dosažení

potřebné

manipulační

doby zpracování.•Zkrácení

počáteční

fáze přechodu systému cement-voda

z

kvazikapalné

formy na pevnou přinesla částečné

úspěchy často provázené

nepříznivými jevy, např. korozí

výztuže při

použití

nejrozšířenějších přísad na bázi chloridů.

Řízené

tvrdnutí

cementového pojiva•Proteplování

betonové

směsi v

průběhu výroby

prefabrikovaných stavebních dílců

zkrátilo technologický proces tvrdnutí

betonu za cenu energetických dotací.

•Ovlivnění

procesu tuhnutí

a tvrdnutí

cementového pojiva betonu je možné

provést změnou chemického složení

cementářských surovin spolu se změnou procesu výpalu –C3

S –

hlavní

nosič

pevnosti betonu po zatvrdnutí.

•Současný trend ve způsobu ovlivňování

rychlosti hydratace cementu –

náhrada sádrovce za jiné

regulační

systémy

složené

z

více substancí. •Synergický

efekt intenzifikátoru

mletí

a regulátoru tuhnutí

s

plastifikačními účinky umožňuje snížit vodní

součinitel čerstvé

betonové

směsi, zkrátit počátek tuhnutí

a dosáhnout

rychlejšího růstu počáteční

pevnosti. •Např. intenzifikační

účinek ligninu aplikovaného při mletí

slínku

s

přísadou vhodných typů

alkalických solí

–

vysoká jemnost portlandského cementu –

rychlý průběh hydratačního

procesu.

Tab. 1 –

Rychlost

tvrdnutí

cementové

kaše v

závislosti na specifickém povrchu cementových zrn.

Specifický povrch

[m2/kg]

Rychlost tuhnutí

poč./konec

[min]

274 355/595

475 75/110

680 30/40

851 7/8

Řízené

tvrdnutí

cementového pojiva

•Náhrada sádrovce za jiné

typy regulátorů

tuhnutí cementového pojiva přináší

s

sebou i změny v

technologii

výroby betonu.

•Kratší

interval zpracovatelnosti čerstvé

betonové

směsi vyžaduje přesné

dávkování

všech složek, dodržování

časového postupu míchání

jednotlivých substancí

i účinné ošetřování

betonu v

počáteční

fázi tuhnutí.

•Zvláště

náročná

je homogenizace všech složek ve směsi. Spádové

míchačky jsou málo vhodné, doporučuje se míchání

v

horizontálních míchačkách typu Cyklon.

Zvyšování

pevnosti betonu 1/3•Teoreticky, z

meziatomárních

sil odvozená

pevnost betonu

v

tlaku, je asi třikrát vyšší, než

je běžnými technologiemi dosažitelná, tj. 110 MPa.•Četné

nepravidelné

dutiny, póry a trhlinky jsou místa, u

kterých se koncentruje napětí

při zatěžování

a začíná

proces porušování

betonu.

•Tento proces nelze technologicky předem podstatně

ovlivnit. Úspěchu lze dosáhnout dodržením těchto zásad:

–

používat výhradně

portlandské

cementy o vaznosti minimálně

50 MPa

za 28 dní.–

obsah záměsové

vody udržovat v

mezích v/c = 0.25 -

0,40.–

používat kamenivo o pevnosti v

tlaku 1,5 x vyšší

než

je třída betonu, přičemž

mezerovitost ve zhutněném stavu musí

být nižší

než

34 %.–

používat podstatně

nižší

množství

písku, než

v

obvyklé

výrobě

běžných betonových směsí

tj. c/p = 1 / 0.8 -

0.6.

•Zhoršená

zpracovatelnost vyžaduje intenzivnější

zpracování

– vibrování. Nejvyšších pevností

lze dosáhnout pouze aplikací

tlaku.

Zvyšování

pevnosti betonu

2/3•1892 Féret

–

vztah mezi pevností

a strukturou betonu.

Pevnost v

tlaku je nepřímo úměrná

obsahu pórů v

makrostruktuře.

•Hlavním faktorem, který ovlivňuje pórovitost pojivé

složky betonu hydratované

cementové

pasty je poměr mezi objemy

vody a silikátové

fáze a množství

vzduchu zachyceného během míchání.

fc

je tlaková

pevnost hydratované

cementové

pasty c, v, a

jsou objemy cementu, vody a vzduchu a

k

je konstanta závislá

na druhu cementu.

2

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

++⋅=

avcckfc

a)

b)

Obr.2 Rozložení

zrn v hydratovaném cementovém pojivu(a) před(b) po

vyplnění

pórů částicemi mikrosilika

Obr. 3 –

Vztah mezi porozitou

a pevností

hydratovaného cementového pojiva

Zvyšování

pevnosti betonu

3/3•Při zhutňování

zabraňují

velká

zrna kameniva rovnoměrnému

rozložení

vody. Tranzitní

zóna široká

0,05 -

0,1 mm a obsahuje relativně

velké

vzduchové

póry a velké

krystaly hydratačních

produktů. Smrštění

v

průběhu tvrdnutí

vyvolává

tahová

napětí, vznikají

mikrotrhlinky

ve struktuře.

•Snížení

vodního součinitele a použití

mikroplniv

(křemičitých úletů)

–

zmenšení

tloušťky zóny mezi pojivem a plnivem.

•Nejslabší

článek

–

málo pevné

kamenivo. Při použití drceného kameniva, je třeba aby zrna obsahovala co nejmeně

defektů. Pokud jsou ve směsi cementu a vody nepatrné sférické

částice křemičitého úletu (příp. popílku), mohou vytlačit

vodu ze sousedství

cementových zrn a z

tranzitní

zóny .•Čím méně

vody

do betonu přidáno, tím vyšších pevností

se

dosáhne. Emulgátory redukují

sklon cementových zrn k

flokulaci

(shlukování) a mikrosilika

(popílek) vyplňuje póry ve

struktuře hydratované

cementové

pasty a zónu mezi pojivem a kamenivem v

betonu.

Mineralogické

složení

slínku:-

mineralogickým složením slínku

lze výrazně

usměrnit hydrataci

cementu-

poměrem C3

S a C2

S lze řídit uvolňování

tepla a rychlost nárůstu pevnosti v jednotlivých fázích hydratace

Obr. 4

–

Nárůst pevnosti jednotlivých slínkových minerálů

Vysokohodnotný beton HPC•50tá

léta 20. stol. –

T.C. Powers

–

kvalitativní

skok v poznání

kompozitního charakteru betonu –

pevnost betonu (trvanlivost, mrazuvzdornost, permeabilita) jsou funkcí

porozity

betonu•Další

poznatky, které

vedly k

návrhu technologie výroby

vysokopevnostních

betonů

jsou např. tyto:–

aplikací

látek s

plastifikačním účinkem do záměsové

vody se dosáhne vyššího stupně

rozptýlení

cementových zrn v

hydratujícím pojivu.–

následkem toho dojde v

lepšímu vyplnění

pórů

a dutin v

makrostruktuře betonu a tedy ke snížení

porozity

a eliminaci mikrotrhlin.

–

uplatněním cementů

o velkém měrném povrchu jeho částic se zvyšuje stupeň

hydratování

cementu.

•Použití

plastifikátorů, zvýšená

jemnosti mletí

slínků, přísady jemnozrnných popílků

= zvýšení

pevnosti betonu v

tlaku až

na

hranici 60 MPa. •Na počátku 70. let minulého století

bylo aplikací

nových typů

plastifikátorů

možné

snížit vodní

součinitel pod hranici v/c = 0,35.

Vysokohodnotný beton HPC•1981 –

H.H. Bache

–

snížení

vodního součinitele v/c pod

0,30:•pomocí

speciálního mikrocementu, vysokými dávkami

plasifikátorů

spolu s

příměsí

křemičitého úletu až

na hranici v/c = 0,16.

PEVNOST V TLAKU 280 MPaMožnost

ztenčení

podlah a zúžení

sloupů.

Pokrok

ve výrobě

vysokopevnostních

betonů

je

plodem spíše empirického přístupu, než

vědy.

Teoretické

práce ukázaly, že na zvyšování

pevnosti betonu se nepodílí

pouze snižování

vodního součinitele,

určujícího

porozitu

a v

důsledku toho pevnost cementového kamene ale i fakt, že nejslabším článkem ve struktuře betonu je rozhraní

mezi kamenivem a ztvrdlým cementovým pojivem.

Záleží

tedy na druhu, tvaru, velikosti a prostorové

uspořádáním plniva betonu a lokální

koncentraci pórů

ve struktuře.

Obr.

5

–

Výšková

budova River

Plaza v

ChicaguPrvní

velká

aplikace HPC

Obr. 7 –

Lávka pro pěší

a cyklisty v

Sherbrooke

z

HPC

Problémy, které

řeší

výzkum a dopracovává

stavební praxe se soustřeďují

na:

•

Hledání

nových účinných typů

plastifikátorů (superplastifikátorů) a ověřování

jejich komptability

s

hydratujícím cementem.

•

Zkoušky

trvanlivosti,

zvláště

mrazuvzdornosti se zaměřením na problematiku provzdušňování.

•

Snižování

hydratačního tepla v

průběhu tvrdnutí.

•

Snižování

autogenního počátečního smršťování.

Vysokohodnotné

betony ultravysokých

pevností

1/3

Vysokohodnotné betony jsou nejpevnější materiály, které lze vyrobit z portlandského cementu.

Ultravysoká pevnost těchto materiálů je založena na extremně nízké pórovitosti.

DSP betony (Densified

systems

with

Small

Particles)

H.H.Bache

(1989)

dosáhl pevnosti v

tlaku 150 až

200 MPa aplikací

mikrosiliky, plastifikací

užitím superplastifikátorů

a

použitím jemného kameniva typu žuly, diabasu nebo taveného bauxitu s

maximální

velikostí

zrn 4 mm.

Vysokohodnotné

betony ultravysokých

pevností

2/3

MDF betony (Macro

Defect

Free)

J.D.Birchall

(1986)

dosáhl pevnosti v

tahu za ohybu přísadou polymeru (polyvinylalkoholu), který fungoval jako dispergátor

a

zároveň

také

jako druhotné

reaktivní

pojivo tvořící

příčné

vazby s

ionty ve struktuře hydratujícího cementového pojiva.

Tak bylo dosaženo snížení

kritické

délky mikrotrhlin. Výsledný kompozit je systém obsahující

vzájemně

se prolínající

anorganickou a organickou matrici

Vysokohodnotné

betony ultravysokých

pevností

3/3

RPC betony (Reactive

Poder Concrete)

P.Richard (1994)

užitím vybraných komponentů

a technologií dosáhl pevnosti v

tlaku 800 MPa.

Výroba byla založena na použití

plniva s

maximální

velikostí zrn s

optimální

granulometrickou

křivkou, omezení

chemického

smršťování

tuhnutím pod tlakem, tepelném ošetření

, při kterém dochází

k

transformaci CSH gelu na tobermorit

a

aplikaci ocelových vlákem, které

zlepšily houževnatost výsledného betonového prvku.

Příklad skladby RPC aplikované

při stavbě

chladící

věže atomové

elektrárny Cattenom

v roce 1995:

složka

obsah v

kg ------------------------------------

písek 0,06-0,6 mm 380křemenná

moučka 16

křemičité

úlety 90Portlandský cement 420superplastifikátor

13

voda 81

Použitá

literatura

SEIDLEROVÁ,I.-DOHNÁLEK,J.“:Dějiny betonového stavitelství“.Inf. centrum ČKAIT, . . Praha,1999,328s.

Czernin,W.: Cement Chemistry

and

Physics

for

Civil Engineers.

Foreign

Publ. Inc., New

York,1980,196s.

AITCIN,P.C.: „Vysokohodnotný beton“

Inf.centrum ČKAIT. Praha, 2005,320s.

POWERS,T.C.:“Structure

and

Physical

Properties

of

Hardened Portland Cement Paste“, J.Am.Cer.Soc.,41,1958,pp

1-6.

MALIER,Y.:“High

Performance Concrete“. EANDfn Spon.,London,1992,542s.