BETON
BETON
• cz :beton ≡ fr. béton [ hrubá malta] z latinského betunium = kamenná malta X • anglicky concrete !!! z latinského concrescere - tuhnouti
HISTORIE • historie betonu sahá až do roku 3600 př.n.l, kdy v Egyptě existovaly sloupy z umělého kamene • kolem roku 1000 př.n.l stavěli Féničané v Jeruzalémě velké vodní cisterny a vodní přivaděče =>objev hydraulické vlastnosti směsi vápna a sopečného tufu • Na tyto znalosti navazovali Řekové, kteří ve 2. století př. n. l. začali používat novou zdicí techniku. Masivní zeď byla tvořena dvěma lícovými stěnami z tesaného kamene. Různě široká mezera mezi nimi byla pak vyplňována litou maltou, prokládanou lomovým kamenem. Lícové stěny tedy plnily i funkci »ztraceného bednění«. Tento druh zdiva, nazývaný Řeky »emplekton«,nepochybně výrazně zracionalizoval a urychlil zdění a lze jej považovat za předchůdce dnešního betonu.
HISTORIE • používání hydraulických malt mimořádně propracovali a rozvinuli Římané • používali lité zdivo = drcený kámen nebo štěrk (jemný sopečný prášek) s maximálním zrnem obvykle do 70 mm, který byl důkladně promíchán s maltou, skládající se z hydraulického pojiva a písku tak, že vznikla homogenní směs => po smíchání s vodou došlo ke ztvrdnutí
• vzniklou betonovou maltu smíchali s drobnými kameny či úlomky cihel a udusali nebo nalili (resp. ručně „uplácali“) do dřevěného bednění, případně mezi vnější a vnitřní lícní zdivo (např. z cihel), které tak vlastně tvořilo “bednění” (srovnej s nedávnou výrobou škvárobetonu)
v mokrém stavu oproti dnešním betonům hustší
Řím 115 - 125 n.l. Pantheon • první klenutá betonová stavba • z vnějšku obložena cihlami a překryta betonovou kupolí o průměru 43,2 m !!! • i přes neznalost vyztuženého betonu (→malá tahová pevnost) • pevnost v tlaku i chemické složení přibližně stejné jako dnes
následně tisíciletá doba „temna“
17.-18.století • rozvoj průmyslové výroby • pokusy o získání hydraulického pojiva uměle (tj. smísením běžně dostupných surovin) • 1774 John Smeaton – pod vodou tvrdnoucí malta (maják v Eddystonu) • 1796 James Parker – patent tzv. románského cementu (popis postupu drcení a pálení vápencové suroviny s příměsí hliněných součástí)
• 1816 první betonový most – Souillac ve Francii • 1824 Joseph Aspdin – patent na pojivo -Portlandský cement (výsledný produkt svou šedou barvou a pevností připomínal portlandský vápenec) • 1844 I.Ch.Johnston - nutnosti pálení suroviny až na mez slinutí-zdokonalení výrobního postupu → rozšíření portlandského cementu • to již začíná éra vodních staveb a objektů v oblastech se spodní vodou • avšak stále nevyřešena problematika nízké pevnosti v tahu !!!
• snaha o provzdušnění a zeštíhlení staveb nutnost velké pevnosti v tahu
předpjatý beton, nebo-li železobeton J. Monier - tajný rakouský patent na »konstrukce ze železa a cementu pro prahy, kanály, mosty, schody a podobné druhy«
• 1916 obrovské hangáry pro vzducholodě na letišti v Orly u Paříže • 1930 první celobetonový dům • 1970 HSC (High Strength Concrete) – vysokopevnostní betony (pevnost v tahu až 200 MPa !!!) X (ocel ČSN 10 000 max. 490 MPa) • dnes dosaženo ještě větší pevnosti – tzv.UVPB (ultravysokopevnostní beton)
• 1988 Japonsko – beton SCC (Self Compacting Concrete), beton o vyšší tekutosti oproti tradičním betonovým směsím, bez zhutnění vyplní prostor bednění,a to i při husté výztuži samozhutnitelný beton • na počátku 20.stol. pevnost v tahu betonu 10 – 15 MPa • dnes pevnost až 200 MPa !!!
Most u Kalikovského mlýna v Plzni – největší železobetonový most v Rakousku-Uhersku
Kompozitní stavební materiál Základní složky betonu:
PLNIVO např: kamenivo (liapor, perlit, struska) recyklovaný drcený beton, písek
+
POJIVO většinou portlandský cement
Doplňkové složky:
PŘÍSADY
PŘÍMĚSY práškové látky
Anorganické pojivo (portlandský cement)
Tekutá suspenze
Kaše
+
+ Plnivo (písek)
Vytvrzení
Tekutá suspenze
Voda
Kaše
Betonový výrobek
spojení anorganického pojiva se zrnitým materiálem je dáno adhezí jejich vzájemných povrchů (tj. interakce mezi atomy (molekulami) povrchů po přiblížení na určitou, dostatečně těsnou vzdálenost) •
•Čím větší část povrchu pojiva a plniva se dostane do vzájemné interakce, tím je dosaženo pevnějšího spojení (tj. nutná podmínka: povrch plniva musí být tekutým pojivem dostatečně smáčen)
Zrna pojiva musí být dostatečně jemná, aby natekla do všech pórů materiálu
Boj o póry = boj o pevnost betonu Čím více pórů, tím menší pevnost betonu !!!
Pórobeton x HSC betony
•Pokud zůstane pór nevyplněný pojivem, pevnost výrobku rapidně klesá. •Velké množství vody v pojivu voda nateče do póru místo pojiva, ta se časem odpaří a pór zůstane nezaplněn.
Výztuž betonářská ocel (pruty, sítě) předpjatá výztuž rozptýlená výztuž (dráty, vlákna)
• většinou oceli ČSN 10 472, 10 492, 10 512 • s minimální mezí kluzu 360 – 400 MPa
BETON
PLNIVO
POJIVO
PŘÍSADY
PŘÍMĚSI
VÝZTUŽ
Anorganická pojiva •
dle aplikací:
b) Stavební (maltoviny) – cementy, vápna, sádry c) Technická – vodní sklo •
dle prostředí, ve kterých jsou schopné pojiva ztvrdnout:
b) Pojiva vzdušná – vzdušné vápno, sádra - ztvrdnou na vzduchu, nejsou odolná vůči působení vody b) Pojiva hydraulická – cementy - ztvrdnou na vzduchu i ve vodě, jsou trvale odolná vůči působení vody
Cement • cement (dnes prakticky jen portlandský) je práškovitá směs řady anorganických látek o různém poměru
Dle převažující složky dělíme
Umístění různých typů maltovin v třísložkovém grafu podle obsahu složek:
cementy na:
2. vápno
c) Cementy křemičitanové
3. hydraulické vápno
d) Cementy hlinitanové
4. portlandský cement
e) Cementy speciální (např. silniční, přehradní, rozpínavé, barevné)
5. románský cement 6. vysokopecní struska 6. hlinitanový cement
Křemičitanové cementy CaO M H= SiO2 Al 2 O3 Fe 2 O 3 hydraulický modul – udává procentuální hmotnostní obsah • Portlandský cement – MH = 2 • MH < 1,7 – nízká pevnost • MH > 2,4 – nízká objemová stálost Hlavními složkami jsou oxidy: CaO (60 – 69 hm. %), SiO2 (18 – 24 hm. %), Al2O3 (4 – 8 hm. %), Fe2O3 (1 – 8 hm. %), MgO (méně než 6 hm. %). Škodlivými oxidy jsou: oxidy alkalických kovů, SO3 – ty negativně ovlivňují výrobu a vlastnosti hotového cementu.
•
3 základní složky křemičitanových cementu: 2. alit (především 3CaO.SiO2)
16/51
3. belit (zejména 2CaO.SiO2) 4. celit – spojovací hmota s vysokým podílem železa a s krystalickým brownmilleritem o složení 4CaO.Al2O3.Fe2O3 směs těchto minerálních látek vzniká vypálením vápence CaCO3 společně s hlínami a jíly v rotační peci při 1 450°C a následně se rychle ochladí vzniklý slínek se rozemele na jemný prášek, k němuž se přidává sádrovec CaSO4.H2O (případně vysokopecní struska)
Portlandský slínek • • •
Je směsí krystalických i skelných (amorfních) fází Identifikováno přes 20 krystalických sloučenin Slínkové minerály jsou tuhé roztoky krystalických fází (C3S, C2S, C4AF) s oxidy (MgO, Na2O, K2O, Fe2O3). • C3S, C2S, C4AF udává barevnost cementů (C4AF dává cementu šedou barvu) Mineralogický název
Vzorec
Zkrácený vzorec
Obsah (hm.%)
Alit
3Cao.SiO2
C3S
44 - 77
Belit
2CaO.SiO
C2S
9 - 33
Aluminoferit vápenatý Celit
Světlá mezerní hmota (sklovina +4CaO.Al2O3.Fe2O3 )
C4AF
4 - 10
Aluminát vápenatý
Tmavá mezerní hmota (sklovina+3CaO.Al2O3)
C3A
6 - 13
Hlinitanové cementy •
Obsahují více než 35 hm.% Al2O3 – dodáno vstupní surovinou bauxitem [NaAl(OH)4].
•
Hlavním slínkovým minerálem je: CaO.Al2O3
•
Dosahuje, na rozdíl od křemičitanových cementů, rychleji konečné pevnosti. • Časem ale jeho pevnost klesá (na rozdíl od portlandského cementu, kde s časem roste !!!) nesmí se používat pro výroby nosných konstrukcí. • Je odolný vůči agresivním prostředí a vůči teplotám výroba žárovzdorných betonů.
Tuhnutí betonu • podstatou tuhnutí je celá řada reakcí cementu s vodou • složky cementu reagují s vodou za vzniku tepla (tj.reakce exotermní) • všechny reakce jsou hydratace 1) 3CaO.Al2O3 + 6 H2O → Ca3Al2(OH)12 + teplo
nejrychlejší
2) 2CaO.SiO2 + x H2O → Ca2SiO4.x H2O + Ca(OH)2 teplo 3) 3CaO + SiO2 + (x+1) H2O → Ca2SiO4.xH2O + Ca(OH)2 + teplo nejpomalejší
2) 2CaO.SiO2 + x H2O → Ca2SiO4.x H2O + Ca(OH)2 + teplo 3) 3CaO + SiO2 + (x+1) H2O → Ca2SiO4.xH2O + Ca(OH)2 + teplo
rychlost
1) 3CaO.Al2O3 + 6 H2O → Ca3Al2(OH)12 + teplo
• Největší vliv má hydratace alitu. • Za 28 dní je beton uspokojivě tvrdý. • Ve skutečnosti proces tvrdnutí a zpevňování probíhá neustále a nikdy není zcela ukončeno ! • odlišné rychlostí jednotlivých hydratací lze využít k přípravě cementů s různou rychlostí tvrdnutí
• • • • • •
•
pevnost betonu se stářím zpočátku roste rychle, později pomalu konečné hodnotě pevnosti se přibližuje až po 10 až 20 letech !!! hlavní příčinou zvyšující se pevnosti je neustále probíhající hydratace ustálení nastane: - podle druhu cementu - podle okolního prostředí se stářím ale může dojít i k poklesu pevnosti, ke zvratu a novému růstu, avšak pevnost trvale roste příčinou pozdějších změn mohou být: - tvorba trhlinek - rozpínání (u objemově nestálých cementů) - únava v tahu (opakované účinky mrazu a změn vlhkosti u betonů vlhčených nebo chráněných před vysycháním roste pevnost dlouho (17 až 20 let !!!)
X u betonů chráněných před vlhkostí a nebo v budovách vytápěných se růst brzy zastaví
Růst pevnosti betonu se stářím ve srovnání s jeho minimální, průměrnou a maximální pevností za 28 dní
Proměna poměrné pevnosti se stářím: A - uložení ve vlhkém prostředí B - uložení v suchém prostředí C - při trvalém zatížení D1- při postupném zvětrávání
Z praktické stránky je důležité vše, co má vliv na růst pevnosti do stáří 28 až 90dní, protože ta je pro využití staveb rozhodující.
Největší význam mají:
• vlastnosti cementu • poměr mísení • vodní součinitel • způsob uložení • vlhkost • teplota prostředí Růst pevnosti se stářím ve srovnání s jeho pevností za 28 dní pro tři různé konzistence betonové směsi a dva druhy cementu
Vliv teploty •
nejvýznamnější vliv, nejhůře simulovatelné, špatné odvození závislostí (Složitost se zvětšuje různým množstvím cementu, jehož hydratace je sama zdrojem oteplování, různou tepelnou citlivostí cementů různých značek a druhů, ale i velikostí těles, protože i při velké vodivosti čerstvého betonu je doba potřebná ke sdělení změny teploty všemu betonu velmi různá a to je příčinou složitých změn při průběhu hydratace. Kromě toho rozdíly teploty povrchových vrstev a jádra, jež jsou důsledkem šíření změn teploty, způsobují napětí, která mohou soudržnost neztvrdlého betonu, a tím i pevnost a její další vzrůst změnit. Proto se výsledky zkoušek vlivu teploty na malých tělesech v laboratořích neshodují s chováním betonu v díle, a proto se také liší výsledky zkoušek nejen co do velikosti, ale často i co do znaménka rozdílů. Nejnepříznivěji se ovšem uplatňují všechny náhlé změny teploty (šoky)).
Pevnost v čase se vyvíjí příznivě, jestliže po počátečním tvrdnutí při nižších teplotách následuje tvrdnutí při teplotách vyšších.
Beton z cementu portlandského
Beton z cementu hlinitanového
Srovnání růstu pevnosti betonů z cementu portlandského (vlevo) a hlinitanového (vpravo) při teplotách nižších a vyšších, než je teplota normální.
Vliv vlhkosti •
při vlhkém uložení a ve vlhkém prostředí vzrůstá pevnost s časem (dochází k prodlužování procesu hydratace)
•
tvrdne-li beton v suchém prostředí, probíhá hydratace neúplně, nebo se úplně zastaví → pevnost se zastaví na hodnotě získané počátku, kdy bylo vody dostatek
•
pevnosti betonu uloženého na vzduchu jsou tím menší, čím je menší nasycení vzduchu parami ( AVŠAK POZOR !!! na vzduchu s vlhkostí 100% je pevnost nižší (o 10%), než při uložení ve vodě)
•
pro konečnou pevnost je důležité, jak dlouho se udržuje vlhčení betonu zpočátku jeho tvrdnutí.
Vliv času Jsou-li betonové konstrukce vystaveny povětrnostním vlivům, tvrdne beton za opakované rozmanité proměny teploty a vlhkosti. S rostoucím stářím se vliv těchto změn na jeho pevnost postupně zmenšuje, až nakonec zaniká. Proto se pevnost betonu různého stáří ustaluje na různých hodnotách a její proměnu lze považovat za funkci času
•
Z hlediska pevnosti jsou portlandské cementy rozděleny do pevnostních tříd (ČSN EN 197). Označení R charakterizuje cementy s vysokou počáteční pevností. Třída
Pevnost v tlaku [MPa]
Počátek tuhnutí [min.]
2 dny
7 dní
28 dní
22,5
-
≥ 13
≥ 22,5≤ 42,5
≥ 60
32,5
-
≥ 16
≥ 32,5≤ 52,5
≥ 60
32,5-R
≥ 10
-
≥ 32,5≤ 52,5
42,5
≥ 10
-
≥ 42,5≤ 62,5
42,5-R
≥ 10
-
≥ 42,5≤ 62,5
52,5
≥ 20
-
≥ 22,5
52,5-R
≥ 30
-
≥ 22,5
≥ 45
• při stavbě objemných přehradních zdí je požadováno pozvolné tuhnutí, neboť je nutné aby uvolňované teplo stavbu příliš nepřehřívalo použití cementů s nízkým obsahem 3CaO.SiO2
rychletvrdnoucí cementy → zvýšení produktivity práce (bednění lze odstraňovat rychleji)
Bednění •
Bednění je pomocná konstrukce vytvářející formu pro uložení výztuže a čerstvého betonu při výrobě betonových a železobetonových konstrukcí
• •
opakovaně užité: systémové, tesařské jednorázově užité: - odbedňované - ztracené (neodbedňované)
• Bednící plášť je plocha bednění, která je v přímém styku s uloženou betonovou směsí (prkna, vodovzdorná překližka, laťovka, třívrstvá deska)
27/51
Struktura betonu je otiskem pláště
Koroze betonu
• Ve vodním prostředí může probíhat rozpouštění Ca(OH)2, čímž dojde ke zvýšení již tak dost vysoké pórovitosti betonu. To může (ale nemusí) mít za následek snížení jeho pevnosti. • V kyselých roztocích dochází také navíc k rozpouštění hydratovaných křemičitanů a hlinitokřemičitanů, což může opět vést ke snížení pevnosti betonu. • Rychlost koroze se odvíjí od složení vody; nejagresivnější jsou vody s vysokým obsahem CO2, vody kyselé, s vysokým obsahem chloridových iontů, vody s nízkým obsahem solí (Ca, Mg) a vody s vysokým obsahem síranových iontů. Silniční stavby x posypová sůl !!! • síranové ionty – tzv. síranová koroze; vytváří se nová fáze, jejíž vznik je doprovázen značnou objemovou expanzí ⇒ destrukce betonové konstrukce
Ochrana betonových konstrukcí
1) 3CaO.Al2O3 + 6 H2O → Ca3Al2(OH)12 + teplo 2) 2CaO.SiO2 + x H2O → Ca2SiO4.x H2O + Ca(OH)2 + teplo 3) 3CaO. SiO2 + (x+1) H2O → Ca2SiO4.xH2O + Ca(OH)2 + teplo
pokud slínek obsahuje dikalciumsilikát 2CaO.SiO2, nebo trikalciumsilikát 3CaO.SiO2
vzniká reakcí s vodou hydroxid vápenatý Ca(OH)2
pH Ca(OH)2 = 12 – 13 …velmi alkalické prostředí
bezpečná ochrana ocelové výztuže v betonu opravdu bezpečná
→ problém karbonatace – působením kyselých plynů, zejména vzdušného CO2
difuzní průnik do pórů betonu ve vodě nerozpustný, „návrat k přírodnímu stavu“
CO2 + Ca(OH)2 + H2O = CaCO3 + …
snížení alkality na pH = 10 !!! → ztráta přirozené ochrany výztuže…
Ochrana betonových konstrukcí 1. Primární (tzv.vnitřní) • vhodná volba cementu (pojiva) • kvalita vody, kvalita kameniva
2. Sekundární • používá se také u již porušených konstrukcí • penetrace, různé nátěry • nátěry musí mít odolnost a difůzní otevřenost vůči vodním parám, ale zároveň musí mít nepropustnost vůči CO2 • ochrana betonového povrchu nátěry (syntetické polymerátové, alkydové, epoxidové, polyuretanové, akrylátové) polystyren, chlorkaučuk: ochrana bazénů
• Alkydové nátěry: - poměrně měkké - úprava svislých, méně namáhaných ploch (bazény, silážní jámy, odpadní jímky,…) • Epoxidové pryskyřice: - nejpoužívanějším typem pojiv pro nátěry na beton - vysoká mechanická a chemická odolnost (avšak na světle mají sklon ke ztrátě lesku a křídování) - i pro dekorativní účely • Polyuretanové nátěry: a) jednosložkové - vytvrzované vzdušnou vlhkostí (pozor při skladování!!!) - vynikající mechanická a chemická odolnost, odolávají povětrnostním vlivům b) dvojsložkové - vynikající mechanická a chem.odolnost - díky tvrdidlu odolávají povětrnostním vlivům
Příprava betonu • vlastní beton se připraví smícháním cementu s vodou a pískem (event. hrubým kamenivem) • aby proběhla hydratace, je nutné minimální množství vody
pokud málo vody → nízká pevnost betonu pokud přespříliš vody → 1. nízká pevnost 2. při vysychání velké smršťování a vznik trhlinek
• použité množství vody je tedy kompromisem mezi požadovanou pevností hotového betonu a zpracovatelností mokré betonové směsi • hmotnostní poměr vody/betonu = 0,45 – 0,55 • beton vždy obsahuje určitý podíl vzduch →záměrné vnášení vzduchu → lepší izolační vlastnosti • objemový poměr písek : cement = 2,3 : 1 • dodáním hrubého kameniva lze snížit množství cementu • zrnitost kameniva 4-8 mm→snížení cementu o 100 kg na m3 (dokonce lepší beton než při použití písku)
• kolik vody? …ve spádové míchačce by se měl převalovat, po vysypání musí tvořit kužel bez odlučování vody • (řidký beton odlučuje vodu, po vytvrdnutí je prašný, tvorba trhlin, drolí se, je velmi nasákavý - ↓ mrazuvzdornosti)
• mrazuvzdorný beton – buď dokonale hutný, nebo prostoupen vzduchovými póry do 0,25 mm (speciální provzdušnovací přísady, JAR) • uložení do konstrukce co nejdříve po vyrobení + nutnost zhutnění (zhutnění = vypuzení velkých vzduchových bublin, lze nahradit řidším betonem)
• 1% velkých vzduch.bublin = ↓ pevnosti o 6% • 10% vzduch.bublin = ↓pevnosti o ½ !!! • během zrání betonu nesmí dojít k jeho vyschnutí (zastavení chemických reakcí) zvláště u tenkých desek (překrytí PE folií) • optimální teplota výroby a pokládky betonu +15°C - + 25°C (pod +5°C se zastavuje tvrdnutí betonu) • pokud pokládáme pod +5°C, nutno aby směs měla alespoň +10°C
ŽELEZOBETON Pevnost v tahu betonu = 1/6 až 1/10 pevnosti v tlaku (heterogenní struktura a přítomnost pórů)
vyztužení ocelovými tyčemi, dráty, rohožemi dnes: polymerní vlákna (odolnost vůči korozi) beton odolává velkému namáhání v tlaku, ocelový prut zajišťuje pevnost při namáhání v tahu
Struktura betonu: obsahuje mnoho dutin a pórů (černé plochy) = příčina křehkosti
• •
ocelová výztuž pomáhá odolávat tahovému zatížení výhodnější varianta: kovová výztuž se předepne → struktura betonu je vystavena TLAKU • dva způsoby předepnutí: 5) výztuž se napne do rámu ještě před ztuhnutím betonové směsi; po ztuhnutí betonu se z rámu uvolní 6) vyrobí se betonový díl s podélnými kanálky, kterými se protáhnou ocelové tyče, předepnou a nechají se v trvale přepjatém stavu po celou dobu životnosti konstrukce
oba materiály – beton i ocel mají stejnou tepelnou roztažnost !!!
Předválečné opevnění ČSR (1934-1938) Vzor 37
Vzor 36
Lehké opevnění vzor 37(řopíky) •
1-2 lehké, nebo těžké kulomety byly zalafetovány v ocelolitinových střílnách
•
zalomený vstup byl opatřen mříží a pancéřovými dveřmi
• osádka: 5 – 7 mužů • konstrukce objektu: ŽELEZOBETONOVÁ síla stropu a čelní stěny: 80 mm, nebo 120 mm (normální, zesílená odolnost) ze strany nepřítele pevnůstka opatřena kamennou rovnaninou a zemním záhozem
normální verze odolávala zásahům střel ráže 105 mm zesílená verze odolávala zásahům střel ráže 155 mm !!!!
• za pouhé tři roky vybudováno: - přes 10 000 lehkých objektů - 226 těžkých objektů - rozestavěno 9 tvrzí
Konec železobetonu ? Schématické znázornění polymerního betonu: písková zrna jsou spojena polymerním pojivem (např. epoxidovou pryskyřicí); neobsahuje žádné dutiny → ohybová pevnost se blíží běžným ocelím - materiál na pražce vysokorychlostních kolejí
běžný beton
Konec železobetonu ? Silniční most poblíž severošpanělského letiště Asturias Airport
Nosníky nejsou vyrobeny z železobetonu, ale z lehkého uhlíkového kompozitního materiálu kompozit = směs dvou a více různých materiálů (polymer + určitý druh vláken; vlákna uhlíková (nejdražší), skleněná (nejlevnější)) + : - nízká hmotnost (jen 15% hmotnosti železobetonu) - jednoduší a rychlejší stavba (usazení nosníků jen za 3 dny x měsíce) - levnější - nekorodují (sůl z posypu vozovky)
Žárobeton obecně •
žáruvzdornost…..deformační teplota alespoň 1580°C → u betonu pokud je odolný teplotám nad 200°C = žárobeton Beton při vysokých teplotách
Rozklad hydratačních produktů betonu
Rozpad kameniva
Kamenivo: nevhodné: žula, křemenná kameniva!!! → pukají!!! - do 700°C……..přírodní kamenivo, nesmí se smršťovat a měnit své mechanické vlastnosti (čedič, diabaz, andezit) - nad 700 °C……umělé kamenivo
Kameniva: - 800 až 1000°C……..drcený keramický střep, drcenou pomalu chlazenou vysokopecní strusku - nad 1000°C…………drcený šamot, korund, karborundum, drcený bauxit… HUTNÉ ŽÁROBETONY
objemová hmotnost vyšší než 1500 kg/m3
LEHČENÉ ŽÁROBETONY
objemová hmotnost nižší než 1500 kg/m3
Kameniva: - lehká kameniva (keramzit, křemelina, lehčený šamot, expandovaný perlit, drcená pemza)
Hydraulická pojiva žárobetonu: nejvhodnější: hlinitanový cement nejméně vhodný: portlandský cement optimální: směsný cement (málo portlandského slínku, více příměsí na bázi popílku, strusky,…) Proč ne portlandský cement ? - po ztrátě chemicky vázané vody (vázané v hydratačních produktech) podléhá teplotnímu rozpadu Jak zvýšit teplotní odolnost ? - přidáním jemného cihlářského prachu, šamotového prachu, elektrárenského popílku, jemně mletého chromitu, jemně mleté vysokopecní strusky Jak vyrobit žárobeton s vysokou chemickou odolností ? - přidáním sodného vodního skla (Na20 . nSiO2)
• žáruvzdorný beton se vyrábí stejným postupem jako normální beton • nutno počítat s rozdílnou tepelnou roztažností (vysokou) jednotlivých částí konstrukce → nutno dělat spáry • každý žárobeton nutno vypálit prvním pomalým ohřevem
Samozhutňující beton • SCC (Self-compacting concrete) • jedná se o extrémně ztekucený beton (ztekucovače na bázi polykarboxylových éterů) • nelze použít na všechny betonové konstrukce !!! + : - snadné čerpání a lití - snadné vyplnění bednění a forem - netřeba vibračního zařízení → zlepšení hygieny práce - ekonomická úspora - dokonalý vzhled výrobku bez povrchových vad, pískových hnízd, povrchových bublin
• nutno dodržet technologické zásady- „krvácení betonu“ • nutno použít těžené kamenivo (drcené zhoršuje tekutost) • nutný obsah jemných částic o velikosti zrn do 0,125 mm (příměs kvalitního popílku, kamenné moučky) • výroba pouze v míchačkách s nuceným oběhem (ne ve spadových – problém konzistence polykarboxylátu, nutno intenzivně míchat ďelší dobu) • srovnatelná odolnost s běžnými betony, nižším odolnost než betony vysokopevnostní • negativní vliv chemických rozmrazovačů !!!
Beton a žula pro průmyslové využití • Využití pro výrobu loží a rámů obráběcích strojů. • Při HSC obrábění extrémní hodnoty otáček vřetene a posuvových rychlostí posuvová rychlost = 50 – 60 m/min. rychloposuv = 100 m/min. zrychlení (zpomalení) = násobky gravitačního zrychlení
Nutnost zachycení řezných a setrvačných sil, schopnost absorbovat rázy a chvění.
Tlumení • -
Poměrné tlumení: litina D= 0,004 ocel D= 0,002 reálné tlumení mezi litinou a obrobkem D= 0,04 – 0,06 Hydrobeton D= 0,02 – 0,03
Proč tlumit? Urychlováním a zpomalováním vznikají rázy, které rozechvívají celý stroj, což má vliv na přesnost obrábění a dále dochází k přenosu tohoto chvění do základu a tím k ovlivnění stability stroje.
Hydrobeton • Jako výplň jednoduchých svařovaných ocelových loží ⇒ zvýšení tuhosti, hmotnosti, součinitele poměrného tlumení. • Součinitel teplotní roztažnosti podobný jako ocel, ale mnohem nižší koeficient tepelné vodivosti (λbeton=1 – 2 W.m -1.K-1, λocel s 0,2% C = 50 W.m -1.K-1 )
Dobré izolační vlastnosti – omezení přestupu tepla. Přidávány speciální příměsi pro zvýšení objemu při tuhnutí.
Hydrobeton • Malá odolnost vůči působení olejů, solí a jiných chemikálií ⇒ nutno povrch betonu ošetřit speciální nátěrem. • Pokud je nutné zlepšit vlastnosti betonového lože v tahu i ohybu ⇒ nutné vytvořit železobeton.
Polymerický beton Polymerický beton – někdy též minerální litina Pevnost 2 – 5x vyšší než u hydrobetonu. Odolnost vůči solím, chemikálím, povětrnostním vlivům.
Tuhnutí 5 – 10 min.
Lití Přirodní štěrk, umělá keramika Velikost částic 0 – 42 mm.
+
Syntetické pojivo 6 – 10 hm.%.
Míchání Tužidlo
• • • • • •
GRANITAN S 100 Pojivo: epoxidová pryskyřice Plnivo: pazourek, gabro, diorit, diabas….nerosty s vysokou pevností, s velkou hustotou, isotropní strukturou. Zrnitost plniva: 0,2 – 16 mm Zalévání prvků strojů podobně jako u hydrobetonu. Taktéž možnost vytvoření předpjatých konstrukcí
- vysoká pevnost v tlaku - velmi dobrá přilnavost k ocelovým materiálům - součinitel tepelné roztažnosti o 30% vyšší než ocel - vysoké vlastní tlumení (40x větší než ocel, 30x větší než litina) - velká odolnost vůči solím, kyselinám apod. - jednoduchá technologie výroby – „lití za studena“ Výroba loží, stojanů, příčníků ve formě monolitických bloků. Výrobci: Mikrosa, Schaudt, Studer, Colchester – lože u brusek Schneeberger, MBA, Epucret – výrobci směsí a dílů
Přírodní žula - Granit • • • •
Vhodně opracované monolitní bloky z přírodní žuly Původ: převážně Jižní Afrika Použití: pro velmi přesné a citlivé stroje a měřící přístroje Stoly a pravítka přesných souřadnicových měřicích strojů a speciálních, vysoce přesných obráběcích strojů (především souřadnicových vyvrtávaček) • Laboratorní technika • Většinou nepohyblivé stoly, lože, příčníky.
Otázky 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
Historie a vývoj betonu. Složení betonu. Cement – druhy a složení jednotlivých typů cementů; slínek. Tuhnutí betonu – popis, význam a podstata reakcí. Vliv prostředí na pevnostní charakteristiky betonů – vlhkost, teplota, čas. Značení betonů. Funkce a druhy bednění. Koroze betonu. Ochrana betonových konstrukcí. Výroba a pokládka betonů. Železobeton – funkce, použité materiály, způsoby výroby. Náhrada železobetonu. Žárobetony – vlastnosti, složení. Samozhutňující beton – výroba, vlastnosti, výhody. Beton a žula pro průmyslové aplikace – typy používaných materiálů, účel použití, vybrané vlastnosti použitých materiálů.
BETON 1
BETON • cz :beton ≡ fr. béton [ hrubá malta] z latinského betunium = kamenná malta X • anglicky concrete !!! z latinského concrescere - tuhnouti
2
HISTORIE • historie betonu sahá až do roku 3600 př.n.l, kdy v Egyptě existovaly sloupy z umělého kamene • kolem roku 1000 př.n.l stavěli Féničané v Jeruzalémě velké vodní cisterny a vodní přivaděče =>objev hydraulické vlastnosti směsi vápna a sopečného tufu • Na tyto znalosti navazovali Řekové, kteří ve 2. století př. n. l. začali používat novou zdicí techniku. Masivní zeď byla tvořena dvěma lícovými stěnami z tesaného kamene. Různě široká mezera mezi nimi byla pak vyplňována litou maltou, prokládanou lomovým kamenem. Lícové stěny tedy plnily i funkci »ztraceného bednění«. Tento druh zdiva, nazývaný Řeky »emplekton«,nepochybně výrazně zracionalizoval a urychlil zdění a lze jej považovat za 3 předchůdce dnešního betonu.
HISTORIE • používání hydraulických malt mimořádně propracovali a rozvinuli Římané • používali lité zdivo = drcený kámen nebo štěrk (jemný sopečný prášek) s maximálním zrnem obvykle do 70 mm, který byl důkladně promíchán s maltou, skládající se z hydraulického pojiva a písku tak, že vznikla homogenní směs => po smíchání s vodou došlo ke ztvrdnutí 4
• vzniklou betonovou maltu smíchali s drobnými kameny či úlomky cihel a udusali nebo nalili (resp. ručně „uplácali“) do dřevěného bednění, případně mezi vnější a vnitřní lícní zdivo (např. z cihel), které tak vlastně tvořilo “bednění” (srovnej s nedávnou výrobou škvárobetonu)
v mokrém stavu oproti dnešním betonům hustší
5
Řím 115 - 125 n.l. Pantheon • první klenutá betonová stavba • z vnějšku obložena cihlami a překryta betonovou kupolí o průměru 43,2 m !!! • i přes neznalost vyztuženého betonu (→malá tahová pevnost) • pevnost v tlaku i chemické složení přibližně stejné jako dnes
následně tisíciletá doba „temna“
6
17.-18.století • rozvoj průmyslové výroby • pokusy o získání hydraulického pojiva uměle (tj. smísením běžně dostupných surovin) • 1774 John Smeaton – pod vodou tvrdnoucí malta (maják v Eddystonu) • 1796 James Parker – patent tzv. románského cementu (popis postupu drcení a pálení vápencové suroviny s příměsí hliněných součástí) 7
• 1816 první betonový most – Souillac ve Francii • 1824 Joseph Aspdin – patent na pojivo -Portlandský cement (výsledný produkt svou šedou barvou a pevností připomínal portlandský vápenec) • 1844 I.Ch.Johnston - nutnosti pálení suroviny až na mez slinutí-zdokonalení výrobního postupu → rozšíření portlandského cementu • to již začíná éra vodních staveb a objektů v oblastech se spodní vodou • avšak stále nevyřešena problematika nízké 8 pevnosti v tahu !!!
• snaha o provzdušnění a zeštíhlení staveb nutnost velké pevnosti v tahu
předpjatý beton, nebo-li železobeton J. Monier - tajný rakouský patent na »konstrukce ze železa a cementu pro prahy, kanály, mosty, schody a podobné druhy« 9
• 1916 obrovské hangáry pro vzducholodě na letišti v Orly u Paříže • 1930 první celobetonový dům • 1970 HSC (High Strength Concrete) – vysokopevnostní betony (pevnost v tahu až 200 MPa !!!) X (ocel ČSN 10 000 max. 490 MPa) • dnes dosaženo ještě větší pevnosti – tzv.UVPB (ultravysokopevnostní beton) 10
• 1988 Japonsko – beton SCC (Self Compacting Concrete), beton o vyšší tekutosti oproti tradičním betonovým směsím, bez zhutnění vyplní prostor bednění,a to i při husté výztuži samozhutnitelný beton • na počátku 20.stol. pevnost v tahu betonu 10 – 15 MPa • dnes pevnost až 200 MPa !!! 11
Most u Kalikovského mlýna v Plzni – největší železobetonový most v Rakousku-Uhersku
12
Kompozitní stavební materiál Základní složky betonu:
PLNIVO např: kamenivo (liapor, perlit, struska) recyklovaný drcený beton, písek
+ POJIVO většinou portlandský cement
Doplňkové složky:
PŘÍSADY
PŘÍMĚSY práškové látky
13
Anorganické pojivo (portlandský cement)
+
Tekutá suspenze
Plnivo (písek)
Kaše
+
Vytvrzení
Tekutá suspenze
Voda
Kaše
Betonový výrobek
spojení anorganického pojiva se zrnitým materiálem je dáno adhezí jejich vzájemných povrchů (tj. interakce mezi atomy (molekulami) povrchů po přiblížení na určitou, dostatečně těsnou vzdálenost) •
•Čím větší část povrchu pojiva a plniva se dostane do vzájemné interakce, tím je dosaženo pevnějšího spojení (tj. nutná podmínka: povrch plniva musí být tekutým pojivem dostatečně smáčen)
Zrna pojiva musí být dostatečně jemná, aby natekla do všech pórů materiálu
14
Boj o póry = boj o pevnost betonu Čím více pórů, tím menší pevnost betonu !!!
Pórobeton x HSC betony
•Pokud zůstane pór nevyplněný pojivem, pevnost výrobku rapidně klesá. •Velké množství vody v pojivu voda nateče do póru místo pojiva, ta se časem odpaří a pór zůstane nezaplněn.
15
Výztuž betonářská ocel (pruty, sítě) předpjatá výztuž rozptýlená výztuž (dráty, vlákna)
• většinou oceli ČSN 10 472, 10 492, 10 512 • s minimální mezí kluzu 360 – 400 MPa PLNIVO
BETON
POJIVO
PŘÍSADY PŘÍMĚSI VÝZTUŽ
16
Anorganická pojiva • dle aplikací: b) Stavební (maltoviny) – cementy, vápna, sádry c) Technická – vodní sklo • dle prostředí, ve kterých jsou schopné pojiva ztvrdnout: b) Pojiva vzdušná – vzdušné vápno, sádra - ztvrdnou na vzduchu, nejsou odolná vůči působení vody b) Pojiva hydraulická – cementy - ztvrdnou na vzduchu i ve vodě, jsou trvale odolná vůči působení vody 17
Cement • cement (dnes prakticky jen portlandský) je práškovitá směs řady anorganických látek o různém poměru
Dle převažující složky dělíme
Umístění různých typů maltovin v třísložkovém grafu podle obsahu složek:
cementy na:
2. vápno
c) Cementy křemičitanové
3. hydraulické vápno
d) Cementy hlinitanové
4. portlandský cement
e) Cementy speciální (např. silniční, přehradní, rozpínavé, barevné)
5. románský cement 6. vysokopecní struska 6. hlinitanový cement
18
Křemičitanové cementy M H=
CaO SiO2Al 2 O3Fe 2 O 3
hydraulický modul – udává procentuální hmotnostní obsah • Portlandský cement – MH = 2 • MH < 1,7 – nízká pevnost • MH > 2,4 – nízká objemová stálost Hlavními složkami jsou oxidy: CaO (60 – 69 hm. %), SiO2 (18 – 24 hm. %), Al2O3 (4 – 8 hm. %), Fe2O3 (1 – 8 hm. %), MgO (méně než 6 hm. %). Škodlivými oxidy jsou: oxidy alkalických kovů, SO3 – ty negativně ovlivňují výrobu a vlastnosti hotového cementu.
19
• 3 základní složky křemičitanových cementu: 2. alit (především 3CaO.SiO2)
16/51
3. belit (zejména 2CaO.SiO2) 4. celit – spojovací hmota s vysokým podílem železa a s krystalickým brownmilleritem o složení 4CaO.Al2O3.Fe2O3 směs těchto minerálních látek vzniká vypálením vápence CaCO3 společně s hlínami a jíly v rotační peci při 1 450°C a následně se rychle ochladí vzniklý slínek se rozemele na jemný prášek, k němuž se přidává sádrovec CaSO4.H2O (případně 20 vysokopecní struska)
Portlandský slínek • Je směsí krystalických i skelných (amorfních) fází • Identifikováno přes 20 krystalických sloučenin • Slínkové minerály jsou tuhé roztoky krystalických fází (C3S, C2S, C4AF) s oxidy (MgO, Na2O, K2O, Fe2O3). • C3S, C2S, C4AF udává barevnost cementů (C4AF dává cementu šedou barvu) Mineralogický Vzorec název
Zkrácený Obsah vzorec (hm.%)
Alit
3Cao.SiO2
C3S
44 - 77
Belit
2CaO.SiO
C2S
9 - 33
Aluminoferit Světlá mezerní hmota vápenatý - (sklovina Celit +4CaO.Al2O3.Fe2O3 )
C4AF
4 - 10
Aluminát vápenatý
C3A
6 - 13
Tmavá mezerní hmota (sklovina+3CaO.Al2O3)
21
Hlinitanové cementy • Obsahují více než 35 hm.% Al2O3 – dodáno vstupní surovinou bauxitem [NaAl(OH)4]. • Hlavním slínkovým minerálem je: CaO.Al2O3 • Dosahuje, na rozdíl od křemičitanových cementů, rychleji konečné pevnosti. • Časem ale jeho pevnost klesá (na rozdíl od portlandského cementu, kde s časem roste !!!) nesmí se používat pro výroby nosných konstrukcí. • Je odolný vůči agresivním prostředí a vůči teplotám výroba žárovzdorných betonů.
22
Tuhnutí betonu • podstatou tuhnutí je celá řada reakcí cementu s vodou • složky cementu reagují s vodou za vzniku tepla (tj.reakce exotermní) • všechny reakce jsou hydratace 1) 3CaO.Al2O3 + 6 H2O → Ca3Al2(OH)12 + teplo
nejrychlejší
2) 2CaO.SiO2 + x H2O → Ca2SiO4.x H2O + Ca(OH)2 teplo 3) 3CaO + SiO2 + (x+1) H2O → Ca2SiO4.xH2O + Ca(OH)2 + teplo nejpomalejší
23
2) 2CaO.SiO2 + x H2O → Ca2SiO4.x H2O + Ca(OH)2 + teplo 3) 3CaO + SiO2 + (x+1) H2O → Ca2SiO4.xH2O + Ca(OH)2 + teplo
rychlost
1) 3CaO.Al2O3 + 6 H2O → Ca3Al2(OH)12 + teplo
• Největší vliv má hydratace alitu. • Za 28 dní je beton uspokojivě tvrdý. • Ve skutečnosti proces tvrdnutí a zpevňování probíhá neustále a nikdy není zcela ukončeno ! • odlišné rychlostí jednotlivých hydratací lze využít k přípravě cementů s různou rychlostí tvrdnutí 24
• • • •
pevnost betonu se stářím zpočátku roste rychle, později pomalu konečné hodnotě pevnosti se přibližuje až po 10 až 20 letech !!! hlavní příčinou zvyšující se pevnosti je neustále probíhající hydratace ustálení nastane: - podle druhu cementu - podle okolního prostředí • se stářím ale může dojít i k poklesu pevnosti, ke zvratu a novému růstu, avšak pevnost trvale roste • příčinou pozdějších změn mohou být: - tvorba trhlinek - rozpínání (u objemově nestálých cementů) - únava v tahu (opakované účinky mrazu a změn vlhkosti • u betonů vlhčených nebo chráněných před vysycháním roste pevnost dlouho (17 až 20 let !!!)
X u betonů chráněných před vlhkostí a nebo v budovách vytápěných se růst brzy zastaví 25
Růst pevnosti betonu se stářím ve srovnání s jeho minimální, průměrnou a maximální pevností za 28 dní
Proměna poměrné pevnosti se stářím: A - uložení ve vlhkém prostředí B - uložení v suchém prostředí C - při trvalém zatížení D1- při postupném zvětrávání 26 D2 - vyluhování
Z praktické stránky je důležité vše, co má vliv na růst pevnosti do stáří 28 až 90dní, protože ta je pro využití staveb rozhodující.
Největší význam mají:
• vlastnosti cementu • poměr mísení • vodní součinitel • způsob uložení • vlhkost • teplota prostředí Růst pevnosti se stářím ve srovnání s jeho pevností za 28 dní pro tři různé konzistence betonové směsi 27 a dva druhy cementu
Vliv teploty • nejvýznamnější vliv, nejhůře simulovatelné, špatné odvození závislostí (Složitost se zvětšuje různým množstvím cementu, jehož hydratace je sama zdrojem oteplování, různou tepelnou citlivostí cementů různých značek a druhů, ale i velikostí těles, protože i při velké vodivosti čerstvého betonu je doba potřebná ke sdělení změny teploty všemu betonu velmi různá a to je příčinou složitých změn při průběhu hydratace. Kromě toho rozdíly teploty povrchových vrstev a jádra, jež jsou důsledkem šíření změn teploty, způsobují napětí, která mohou soudržnost neztvrdlého betonu, a tím i pevnost a její další vzrůst změnit. Proto se výsledky zkoušek vlivu teploty na malých tělesech v laboratořích neshodují s chováním betonu v díle, a proto se také liší výsledky zkoušek nejen co do velikosti, ale často i co do znaménka rozdílů. Nejnepříznivěji se ovšem uplatňují všechny náhlé změny teploty (šoky)).
Pevnost v čase se vyvíjí příznivě, jestliže po počátečním tvrdnutí při nižších teplotách následuje tvrdnutí při teplotách vyšších.
28
Beton z cementu portlandského
Beton z cementu hlinitanového
Srovnání růstu pevnosti betonů z cementu portlandského (vlevo) a hlinitanového (vpravo) při teplotách nižších a vyšších, než je teplota normální. 29
Vliv vlhkosti • při vlhkém uložení a ve vlhkém prostředí vzrůstá pevnost s časem (dochází k prodlužování procesu hydratace) • tvrdne-li beton v suchém prostředí, probíhá hydratace neúplně, nebo se úplně zastaví → pevnost se zastaví na hodnotě získané počátku, kdy bylo vody dostatek • pevnosti betonu uloženého na vzduchu jsou tím menší, čím je menší nasycení vzduchu parami ( AVŠAK POZOR !!! na vzduchu s vlhkostí 100% je pevnost nižší (o 10%), než při uložení ve vodě) • pro konečnou pevnost je důležité, jak dlouho se udržuje vlhčení betonu zpočátku jeho tvrdnutí. 30
Vliv času Jsou-li betonové konstrukce vystaveny povětrnostním vlivům, tvrdne beton za opakované rozmanité proměny teploty a vlhkosti. S rostoucím stářím se vliv těchto změn na jeho pevnost postupně zmenšuje, až nakonec zaniká. Proto se pevnost betonu různého stáří ustaluje na různých hodnotách a její proměnu lze považovat za funkci času 31
• Z hlediska pevnosti jsou portlandské cementy rozděleny do pevnostních tříd (ČSN EN 197). Označení R charakterizuje cementy s vysokou počáteční pevností. Třída
Pevnost v tlaku [MPa]
Počátek tuhnutí [min.]
2 dny
7 dní
28 dní
22,5
-
≥ 13
≥ 22,5≤ 42,5 ≥ 60
32,5
-
≥ 16
≥ 32,5≤ 52,5 ≥ 60
32,5-R
≥ 10
-
≥ 32,5≤ 52,5
42,5
≥ 10
-
≥ 42,5≤ 62,5
42,5-R
≥ 10
-
≥ 42,5≤ 62,5
52,5
≥ 20
-
≥ 22,5
52,5-R
≥ 30
-
≥ 22,5
≥ 45
32
• při stavbě objemných přehradních zdí je požadováno pozvolné tuhnutí, neboť je nutné aby uvolňované teplo stavbu příliš nepřehřívalo použití cementů s nízkým obsahem 3CaO.SiO2
rychletvrdnoucí cementy → zvýšení produktivity práce (bednění lze odstraňovat rychleji) 33
Bednění • Bednění je pomocná konstrukce vytvářející formu pro uložení výztuže a čerstvého betonu při výrobě betonových a železobetonových konstrukcí • opakovaně užité: systémové, tesařské • jednorázově užité: - odbedňované - ztracené (neodbedňované)
• Bednící plášť je plocha bednění, která je v přímém styku s uloženou betonovou směsí (prkna, vodovzdorná překližka, laťovka, třívrstvá deska)
34 27/51
Struktura betonu je otiskem pláště
35
Koroze betonu
36
• Ve vodním prostředí může probíhat rozpouštění Ca(OH)2, čímž dojde ke zvýšení již tak dost vysoké pórovitosti betonu. To může (ale nemusí) mít za následek snížení jeho pevnosti. • V kyselých roztocích dochází také navíc k rozpouštění hydratovaných křemičitanů a hlinitokřemičitanů, což může opět vést ke snížení pevnosti betonu. • Rychlost koroze se odvíjí od složení vody; nejagresivnější jsou vody s vysokým obsahem CO2, vody kyselé, s vysokým obsahem chloridových iontů, vody s nízkým obsahem solí (Ca, Mg) a vody s vysokým obsahem síranových iontů. Silniční stavby x posypová sůl !!! • síranové ionty – tzv. síranová koroze; vytváří se nová fáze, jejíž vznik je doprovázen značnou objemovou expanzí ⇒ destrukce betonové konstrukce 37
Ochrana betonových konstrukcí
38
1) 3CaO.Al2O3 + 6 H2O → Ca3Al2(OH)12 + teplo 2) 2CaO.SiO2 + x H2O → Ca2SiO4.x H2O + Ca(OH)2 + teplo 3) 3CaO. SiO2 + (x+1) H2O → Ca2SiO4.xH2O + Ca(OH)2 + teplo
pokud slínek obsahuje dikalciumsilikát 2CaO.SiO2, nebo trikalciumsilikát 3CaO.SiO2
vzniká reakcí s vodou hydroxid vápenatý Ca(OH)2
pH Ca(OH)2 = 12 – 13 …velmi alkalické prostředí
bezpečná ochrana ocelové výztuže v betonu opravdu bezpečná ???
39
→ problém karbonatace – působením kyselých plynů, zejména vzdušného CO2
difuzní průnik do pórů betonu ve vodě nerozpustný, „návrat k přírodnímu stavu“
CO2 + Ca(OH)2 + H2O = CaCO3 + …
snížení alkality na pH = 10 !!! → ztráta přirozené ochrany výztuže…
40
Ochrana betonových konstrukcí 1. Primární (tzv.vnitřní)
2. Sekundární
• vhodná volba cementu (pojiva)
• používá se také u již porušených konstrukcí
• kvalita vody, kvalita kameniva
• penetrace, různé nátěry • nátěry musí mít odolnost a difůzní otevřenost vůči vodním parám, ale zároveň musí mít nepropustnost vůči CO2 • ochrana betonového povrchu nátěry (syntetické polymerátové, alkydové, epoxidové, polyuretanové, akrylátové) polystyren, chlorkaučuk: ochrana bazénů 41
• Alkydové nátěry: - poměrně měkké - úprava svislých, méně namáhaných ploch (bazény, silážní jámy, odpadní jímky,…) • Epoxidové pryskyřice: - nejpoužívanějším typem pojiv pro nátěry na beton - vysoká mechanická a chemická odolnost (avšak na světle mají sklon ke ztrátě lesku a křídování) - i pro dekorativní účely • Polyuretanové nátěry: a) jednosložkové - vytvrzované vzdušnou vlhkostí (pozor při skladování!!!) - vynikající mechanická a chemická odolnost, odolávají povětrnostním vlivům b) dvojsložkové - vynikající mechanická a chem.odolnost 42 - díky tvrdidlu odolávají povětrnostním vlivům
Příprava betonu • vlastní beton se připraví smícháním cementu s vodou a pískem (event. hrubým kamenivem) • aby proběhla hydratace, je nutné minimální množství vody
pokud málo vody → nízká pevnost betonu pokud přespříliš vody → 1. nízká pevnost 2. při vysychání velké smršťování a vznik trhlinek 43
• použité množství vody je tedy kompromisem mezi požadovanou pevností hotového betonu a zpracovatelností mokré betonové směsi • hmotnostní poměr vody/betonu = 0,45 – 0,55 • beton vždy obsahuje určitý podíl vzduch →záměrné vnášení vzduchu → lepší izolační vlastnosti • objemový poměr písek : cement = 2,3 : 1 • dodáním hrubého kameniva lze snížit množství cementu • zrnitost kameniva 4-8 mm→snížení cementu o 100 kg na m3 (dokonce lepší beton než při použití písku) 44
• kolik vody? …ve spádové míchačce by se měl převalovat, po vysypání musí tvořit kužel bez odlučování vody • (řidký beton odlučuje vodu, po vytvrdnutí je prašný, tvorba trhlin, drolí se, je velmi nasákavý - ↓ mrazuvzdornosti)
• mrazuvzdorný beton – buď dokonale hutný, nebo prostoupen vzduchovými póry do 0,25 mm (speciální provzdušnovací přísady, JAR) • uložení do konstrukce co nejdříve po vyrobení + nutnost zhutnění (zhutnění = vypuzení velkých vzduchových bublin, lze nahradit řidším betonem) 45
• 1% velkých vzduch.bublin = ↓ pevnosti o 6% • 10% vzduch.bublin = ↓pevnosti o ½ !!! • během zrání betonu nesmí dojít k jeho vyschnutí (zastavení chemických reakcí) zvláště u tenkých desek (překrytí PE folií) • optimální teplota výroby a pokládky betonu +15°C - + 25°C (pod +5°C se zastavuje tvrdnutí betonu) • pokud pokládáme pod +5°C, nutno aby směs měla alespoň +10°C 46
ŽELEZOBETON Pevnost v tahu betonu = 1/6 až 1/10 pevnosti v tlaku (heterogenní struktura a přítomnost pórů)
vyztužení ocelovými tyčemi, dráty, rohožemi dnes: polymerní vlákna (odolnost vůči korozi) beton odolává velkému namáhání v tlaku, ocelový prut zajišťuje pevnost při namáhání v tahu
Struktura betonu: obsahuje mnoho dutin a pórů (černé plochy) =
47
příčina křehkosti
• •
ocelová výztuž pomáhá odolávat tahovému zatížení výhodnější varianta: kovová výztuž se předepne → struktura betonu je vystavena TLAKU • dva způsoby předepnutí: 5) výztuž se napne do rámu ještě před ztuhnutím betonové směsi; po ztuhnutí betonu se z rámu uvolní 6) vyrobí se betonový díl s podélnými kanálky, kterými se protáhnou ocelové tyče, předepnou a nechají se v trvale přepjatém stavu po celou dobu životnosti konstrukce
oba materiály – beton i ocel mají stejnou tepelnou roztažnost !!! 48
Předválečné opevnění ČSR (1934-1938) Vzor 37
49
Vzor 36
Lehké opevnění vzor 37(řopíky) • 1-2 lehké, nebo těžké kulomety byly zalafetovány v ocelolitinových střílnách • zalomený vstup byl opatřen mříží a pancéřovými dveřmi • osádka: 5 – 7 mužů • konstrukce objektu: ŽELEZOBETONOVÁ síla stropu a čelní stěny: 80 mm, nebo 120 mm (normální, zesílená odolnost) ze strany nepřítele pevnůstka opatřena kamennou rovnaninou a zemním záhozem
normální verze odolávala zásahům střel ráže 105 mm zesílená verze odolávala zásahům střel ráže 155 mm !!!!
50
• za pouhé tři roky vybudováno: - přes 10 000 lehkých objektů - 226 těžkých objektů - rozestavěno 9 tvrzí
51
Konec železobetonu ? Schématické znázornění polymerního betonu: písková zrna jsou spojena polymerním pojivem (např. epoxidovou pryskyřicí); neobsahuje žádné dutiny → ohybová pevnost se blíží běžným ocelím - materiál na pražce vysokorychlostních kolejí
běžný beton
52
Konec železobetonu ? Silniční most poblíž severošpanělského letiště Asturias Airport
Nosníky nejsou vyrobeny z železobetonu, ale z lehkého uhlíkového kompozitního materiálu kompozit = směs dvou a více různých materiálů (polymer + určitý druh vláken; vlákna uhlíková (nejdražší), skleněná (nejlevnější)) + : - nízká hmotnost (jen 15% hmotnosti železobetonu) - jednoduší a rychlejší stavba (usazení nosníků jen za 3 dny x měsíce) - levnější - nekorodují (sůl z posypu vozovky)
53
Žárobeton obecně • žáruvzdornost…..deformační teplota alespoň 1580°C → u betonu pokud je odolný teplotám nad 200°C = žárobeton Beton při vysokých teplotách
Rozklad hydratačních produktů betonu
Rozpad kameniva
Kamenivo: nevhodné: žula, křemenná kameniva!!! → pukají!!! - do 700°C……..přírodní kamenivo, nesmí se smršťovat a měnit své mechanické vlastnosti (čedič, diabaz, andezit) - nad 700 °C……umělé kamenivo
54
Kameniva: - 800 až 1000°C……..drcený keramický střep, drcenou pomalu chlazenou vysokopecní strusku - nad 1000°C…………drcený šamot, korund, karborundum, drcený bauxit… HUTNÉ ŽÁROBETONY
objemová hmotnost vyšší než 1500 kg/m3
LEHČENÉ ŽÁROBETONY
objemová hmotnost nižší než 1500 kg/m3
Kameniva: - lehká kameniva (keramzit, křemelina, lehčený šamot, expandovaný perlit, drcená pemza)
55
Hydraulická pojiva žárobetonu: nejvhodnější: hlinitanový cement nejméně vhodný: portlandský cement optimální: směsný cement (málo portlandského slínku, více příměsí na bázi popílku, strusky,…) Proč ne portlandský cement ? - po ztrátě chemicky vázané vody (vázané v hydratačních produktech) podléhá teplotnímu rozpadu Jak zvýšit teplotní odolnost ? - přidáním jemného cihlářského prachu, šamotového prachu, elektrárenského popílku, jemně mletého chromitu, jemně mleté vysokopecní strusky Jak vyrobit žárobeton s vysokou chemickou odolností ? - přidáním sodného vodního skla (Na20 . nSiO2) 56
• žáruvzdorný beton se vyrábí stejným postupem jako normální beton • nutno počítat s rozdílnou tepelnou roztažností (vysokou) jednotlivých částí konstrukce → nutno dělat spáry • každý žárobeton nutno vypálit prvním pomalým ohřevem
57
Samozhutňující beton • SCC (Self-compacting concrete) • jedná se o extrémně ztekucený beton (ztekucovače na bázi polykarboxylových éterů) • nelze použít na všechny betonové konstrukce !!! + : - snadné čerpání a lití - snadné vyplnění bednění a forem - netřeba vibračního zařízení → zlepšení hygieny práce - ekonomická úspora - dokonalý vzhled výrobku bez povrchových vad, pískových hnízd, povrchových bublin 58
• nutno dodržet technologické zásady- „krvácení betonu“ • nutno použít těžené kamenivo (drcené zhoršuje tekutost) • nutný obsah jemných částic o velikosti zrn do 0,125 mm (příměs kvalitního popílku, kamenné moučky) • výroba pouze v míchačkách s nuceným oběhem (ne ve spadových – problém konzistence polykarboxylátu, nutno intenzivně míchat ďelší dobu) • srovnatelná odolnost s běžnými betony, nižším odolnost než betony vysokopevnostní • negativní vliv chemických rozmrazovačů !!! 59
Beton a žula pro průmyslové využití • Využití pro výrobu loží a rámů obráběcích strojů. • Při HSC obrábění extrémní hodnoty otáček vřetene a posuvových rychlostí posuvová rychlost = 50 – 60 m/min. rychloposuv = 100 m/min. zrychlení (zpomalení) = násobky gravitačního zrychlení
Nutnost zachycení řezných a setrvačných sil, schopnost absorbovat rázy a chvění.
60
Tlumení • -
Poměrné tlumení: litina D= 0,004 ocel D= 0,002 reálné tlumení mezi litinou a obrobkem D= 0,04 – 0,06 Hydrobeton D= 0,02 – 0,03
Proč tlumit? Urychlováním a zpomalováním vznikají rázy, které rozechvívají celý stroj, což má vliv na přesnost obrábění a dále dochází k přenosu tohoto chvění do základu a tím k ovlivnění stability stroje.
61
Hydrobeton • Jako výplň jednoduchých svařovaných ocelových loží ⇒ zvýšení tuhosti, hmotnosti, součinitele poměrného tlumení. • Součinitel teplotní roztažnosti podobný jako ocel, ale mnohem nižší koeficient tepelné vodivosti (λbeton=1 – 2 W.m -1.K-1, λocel s 0,2% C = 50 W.m -1.K-1 )
Dobré izolační vlastnosti – omezení přestupu tepla. Přidávány speciální příměsi pro zvýšení objemu při tuhnutí.
62
Hydrobeton • Malá odolnost vůči působení olejů, solí a jiných chemikálií ⇒ nutno povrch betonu ošetřit speciální nátěrem. • Pokud je nutné zlepšit vlastnosti betonového lože v tahu i ohybu ⇒ nutné vytvořit železobeton.
63
Polymerický beton Polymerický beton – někdy též minerální litina Pevnost 2 – 5x vyšší než u hydrobetonu. Odolnost vůči solím, chemikálím, povětrnostním vlivům.
Tuhnutí 5 – 10 min.
Lití Přirodní štěrk, umělá keramika Velikost částic 0 – 42 mm.
+
Syntetické pojivo 6 – 10 hm.%.
Míchání Tužidlo 64
• GRANITAN S 100 • Pojivo: epoxidová pryskyřice • Plnivo: pazourek, gabro, diorit, diabas….nerosty s vysokou pevností, s velkou hustotou, isotropní strukturou. • Zrnitost plniva: 0,2 – 16 mm • Zalévání prvků strojů podobně jako u hydrobetonu. • Taktéž možnost vytvoření předpjatých konstrukcí
- vysoká pevnost v tlaku - velmi dobrá přilnavost k ocelovým materiálům - součinitel tepelné roztažnosti o 30% vyšší než ocel - vysoké vlastní tlumení (40x větší než ocel, 30x větší než litina) - velká odolnost vůči solím, kyselinám apod. - jednoduchá technologie výroby – „lití za studena“ Výroba loží, stojanů, příčníků ve formě monolitických bloků. Výrobci: Mikrosa, Schaudt, Studer, Colchester – lože u brusek Schneeberger, MBA, Epucret – výrobci směsí a dílů
65
Přírodní žula - Granit • • • •
Vhodně opracované monolitní bloky z přírodní žuly Původ: převážně Jižní Afrika Použití: pro velmi přesné a citlivé stroje a měřící přístroje Stoly a pravítka přesných souřadnicových měřicích strojů a speciálních, vysoce přesných obráběcích strojů (především souřadnicových vyvrtávaček) • Laboratorní technika • Většinou nepohyblivé stoly, lože, příčníky.
66
Otázky 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
Historie a vývoj betonu. Složení betonu. Cement – druhy a složení jednotlivých typů cementů; slínek. Tuhnutí betonu – popis, význam a podstata reakcí. Vliv prostředí na pevnostní charakteristiky betonů – vlhkost, teplota, čas. Značení betonů. Funkce a druhy bednění. Koroze betonu. Ochrana betonových konstrukcí. Výroba a pokládka betonů. Železobeton – funkce, použité materiály, způsoby výroby. Náhrada železobetonu. Žárobetony – vlastnosti, složení. Samozhutňující beton – výroba, vlastnosti, výhody. Beton a žula pro průmyslové aplikace – typy používaných materiálů, účel použití, vybrané vlastnosti použitých materiálů.
67
