VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV TECHNOLOGIE STAVEBNÍCH HMOT A DÍLCŮ
Doc. Ing. Rudolf Hela, CSc.
PROBLEMATIKA ČERSTVÝCH SAMOZHUTNITELNÝCH BETONŮ PROBLEMS OF FRESH SELF-COMPACTING CONCRETE
Teze přednášky k profesorskému jmenovacímu řízení v oboru Fyzikální a stavebně materiálové inženýrství
BRNO 2010
KLÍČOVÉ SLOVA: technologie betonu, samozhutnitelný beton, reologie, čerstvý beton, cementová kaše, přísady a příměsi do betonu, objemové změny, hydratační teploty KEY WORDS: concrete technology, self compacting concrete, rheology, fresh concrete, cement paste, additives and admixtures for concrete, volumetric changes, hydration temperatures
© Rudolf Hela, 2010 ISBN 978-80-214-4199-6 ISSN 1213-418X
OBSAH 1 ÚVOD ........................................................................................................................................... 7 2 REOLOGIE ČERSTVÝCH SAMOZHUTNITELNÝCH BETONŮ........................................... 8 2.1 2.2
Reologie cementového tmele ............................................................................................... 8 Reometrie ........................................................................................................................... 10 2.2.1 Newtonovské tečení ................................................................................................ 10 2.2.2 Nenewtonovské tečení ............................................................................................ 11
3 KLÍČOVÉ CHARAKTERISTIKY VLASTNOSTÍ ČERSTVÝCH SCC.................................. 11 3.1 3.2 3.3 3.4
Schopnost vyplňování bednění .......................................................................................... 11 Prostupnost – odolnost proti blokování ............................................................................. 12 Odolnost proti rozměšování a sedimentaci ........................................................................ 12 Odolnost proti krvácení...................................................................................................... 12
4 LEHKÝ SAMOZHUTNITELNÝ BETON (LIGHT WEIGHT SELF COMPACTING CONCRETE (LWSCC) .............................................................................................................. 14 4.1 4.2
Homogenita lehkého betonu (LC), kontaktní zóna lehkého kameniva a cementového kamene ............................................................................................................................... 14 Nasákavost za vysokého tlaku při čerpání LWSCC .......................................................... 15
5 KOMPONENTY SCC A JEJICH VLIV NA REOLOGICKÉ VLASTNOSTI ......................... 16 6 MOŽNOSTI ŘÍZENÍ TEPLOTNÍCH PROJEVŮ HYDRATACE ............................................ 19 7 PŘÍNOS PRO ROZVOJ VĚDNÍHO OBORU A PRO PRAXI.................................................. 22 8 SHRNUTÍ.................................................................................................................................... 23 9 POUŽITÁ LITERATURA.......................................................................................................... 25 ABSTRACT..................................................................................................................................... 27
3
Představení autora
Doc. Ing. Rudolf HELA, CSc.
Vzdělání Narodil se roku 1959 v Uherském Hradišti. V roce 1978 maturoval na střední průmyslové škole strojnické v Uherském Hradišti a poté nastoupil v roce 1978 na VUT fakultu stavební, kde byl v roce 1983 promován na oboru technologie stavebních hmot a dílců. V letech 1984 – 1985 absolvoval jednoroční studijní pobyt na katedře technologie stavebních hmot a dílců VUT FAST Brno. V letech 1986 až 1989 vystudoval externí vědeckou aspiranturu ve vědním oboru Technologie staveb. Téma závěrečné disertační práce bylo ”Zákonitosti dynamických způsobů zhutňování betonových směsí”. V letech 1989 – 1991 absolvoval postgraduální studium na VUT FAST, Ústavu soudního inženýrství pro odvětí ekonomika a stavebnictví. Od roku 1992 jmenován znalcem v uvedených oborech. V roce 1995 se stal autorizovaným inženýrem pro obor Zkoušení a diagnostika a certifikovanou osobou pro nedestruktivní zkušebnictví. Dosavadní praxe: V letech 1985 – 1986 působil na VUT FAST katedře Technologie stavebních dílců jako asistent, od roku 1986 do roku 2003 jako odborný asistent. V roce 2003 byl jmenován docentem pro obor fyzikální a stavebně materiálové inženýrství a dodnes působí na ústavu technologie stavebních hmot a dílců. V průběhu své dosavadní praxe zastával následující funkce: 1997 - dosud zástupce vedoucího Ústavu technologie stavebních hmot a dílců 1997 – 2003 člen oborové pedagogické komise oboru stavebně-materiálové inženýrství 2000 – dosud člen oborové rady doktorského studia v oboru fyzikální a stavebně materiálové inženýrství 2002 – dosud vedoucí akreditované zkušební laboratoře AZL ÚTHD VUT FAST Brno 2003 – dosud předseda oborové pedagogické komise pro prezenční formu studia oboru stavebně-materiálové inženýrství 2003 – dosud vedoucí oboru stavebně-materiálové inženýrství 2004 – dosud vedoucí zkušební laboratoře č. 6 VUPS – certifikační společnost Praha 2005 – dosud vedoucí výzkumného týmu ÚTHD CIDEAS Pedagogická činnost: Během své pedagogické činnosti přednášel v inženýrském, bakalářském a magisterském studiu na FAST předměty Speciální kovové a dřevěné konstrukce, Technologie montovaných staveb, Technologie stavebních dílců, Technologie betonu I a Technologie betonu II, který nově zavedl. V doktorském studijním programu Fyzikální a stavebně materiálovém inženýrství přednášel předměty Teorie kompozitních materiálů a Reologie betonů, který nově zavedl. Od roku 1992 vedl 76 diplomových prací, 9 prací obdrželo ceny na úrovni fakulty či České betonářské společnosti. Současně byl vedoucí 38 prací STČ z nichž 9 se umístilo v celonárodním kole. Od roku 1990 dosud je členem komise pro státní závěrečné zkoušky na oboru Stavebně materiálové inženýrství. Od roku 2001 je školitelem studentů doktorského studia na oboru Fyzikální a stavebně materiálové inženýrství. Dosud úspěšně pod jeho vedením ukončili 4 absolventi s titulem Ph.D., 2 práce jsou v současnosti odevzdány k obhajobě a 2 studenti mají složeny státní rigorózní zkoušky. Je členem komise pro státní doktorské zkoušky komise pro obhajoby disertačních prací
4
na VUT FAST Brno a na ČVUT Kloknerově ústavu Praha. Byl oponentem 5 disertačních prací v oboru. Je autorem 5 vysokoškolských skript a jedné učebnice v anglickém jazyce, spoluautorem 2 audiovizuálních výukových programů. Nově zavedl 5 předmětů v prezenční formě studia a 1 předmět v doktorském studijním programu na oboru Stavebně materiálové inženýrství. Podílel se na založení nového studijního oboru Stavebně materiálové inženýrství pro prezenční formu studia a studijního programu Fyzikální a stavebně materiálové inženýrství v doktorském studijním programu. Je garantem kurzu celoživotního vzdělávání akreditovaného ČKAIT – Technologie betonu. Vědecko výzkumná a publikační činnost: V rámci své vědecko – výzkumné činnosti byl hlavním řešitelem nebo spoluředitelem následujících projektů: 1995–2000 Výzkum a využití vybraných průmyslových odpadů ve výrobě stavebních hmot a dílců, VUT v Brně, VS 96107. 1995–1997 Diagnostika koroze železobetonových konstrukcí a vliv na jejich trvanlivost, GA ČR 103/1377/95. 1997–1998 Výzkum vybraných průmyslových odpadů ve výrobě stavebních hmot a dílců, MŠMT VS 96 107, MŠMT ČR. 2001–2003 Vztah mikrostruktury a vlastností extrémně ztekucených cementových kompozitů, GA ČR 103/01/0814. 2001–2003 Kompozitní materiály na silikátové bázi s řízenými užitnými a speciálními vlastnostmi, GA ČR 103/01/1144. 2002–2003 Vysokopevnostní betony s využitím odpadních surovin, MPO FF-P/104, MPO ČR. 2002–2004 Využití popílků a jemně mletých strusek pro výrobu betonů, zejména samozhutnitelných, VVV CEZ 26110008, MŠMT ČR. 2001–2004 Testing SCC, Technical University of Paisley, Scotland, 6. Rámcový program EU. 2004–2006 Vztah mikrostruktury a predikce dlouhodobých změn stability vysokohodnotných kompozitních materiálů definovaných vlastností, GA ČR 103/04/0668. 2004–2006 Vývoj samozhutnitelných betonů s využitím průmyslových odpadů a jejich využití pro monolitické stavby a prefabrikované dílce, MPO IMPULS FI – IM/184, MPO ČR. 2005–2006 Stanovení převodního vztahu pro parametry odolnosti stanovené zkouškami mrazuvzdornosti betonu a zkouškami odolnosti betonu vůči působení mrazu a CHRL podle metod uvedených v ČSN a EN, MDS 1F55F/015/120, MDS ČR. 2005–2007 Energy and Natural Resources Saving Heat Insulating Materials Made Using Local Raw Materials and Industrial By-products and Wastes, INTAS EU. 2005–2007 Speciální kompozitní materiály extrémních užitných vlastností na bázi reaktivních práškových složek, GA ČR 103/05/2687. 2005–2008 Vývoj vysokohodnotných betonů a betonů ultravysokých pevností, MPO TANDEM FT-TA3/132, MPO ČR. 2005–2011 Centrum integrovaného navrhování progresivních stavebních konstrukcí, CIDEAS 1M0579, MŠMT ČR. 2005–2011 Progresivní stavební materiály s využitím druhotných surovin a jejich vliv na životnost konstrukcí VVZ MSM 0021630511, MŠMT ČR. 2007–2010 Modelování procesu porušování degradované vrstvy stavebních materiálů při jejich úpravě před sanačním zásahem, GA ČR 103/07/1662. 2008–2010 New Generation Cement Concrete, 82030519/IP/Košice 03/REN, LLP ERASMUS EU.
5
2008–2010 2009–2012
2009–2012
2010–2012 2010–2012
Vývoj lehkých vysokohodnotných betonů pro monolitické konstrukce a prefabrikované dílce, MPO FI-IM5/016, MPO ČR. Vývoj a výzkum komplexních systémů na silikátové bázi s využitím druhotných surovin pro zateplování a sanaci obvodových plášťů budov, MPO FR-TI1/253, MPO ČR. Vývoj vysokopevnostních nosných kompozitních konstrukcí pro stavby na bázi epoxidových kompozitních profilů spřažených vysokopevnostním betonem, MPO TIP FR-TI1/387, MPO ČR. Vývoj speciálních prefabrikátů pro plynotěsné objekty a fermentory, MPO TIP, FRTI2/185, 2010 – 2012, MPO ČR. Green cement and enviromental friendly concrete products: Vývoj a technologická podpora zavedení nových typů cementů s nižší ekologickou a ekonomickou náročností pro komplexní využití při výrobě ekologicky šetrných betonů v ČR, MPO TIP FR-TI2/350, MPO ČR.
Během své odborné činnosti publikoval 4 monografie, 21 publikací v odborných zahraničních a domácích recenzovaných časopisech, 28 publikací v nerecenzovaných odborných časopisech, 90 publikací v anglickém jazyce na světových vědeckých kongresech, 132 na domácích konferencích. Je autorem či spoluautorem 10 odborných příruček v oboru zabývajícím se technologií betonu či prováděním betonových konstrukcí. Dále se podílel na vytvoření 4 užitných vzorů v ČR a 1 v SRN. Byl posuzovatel 6 domácích publikací a vypracoval kolem 1000 znaleckých posudků či odborných expertíz. Od roku 2000 je členem odborné sekce pro vývoj samozhutnitelných betonů (Self compacting concrete) při Britské betonářské společnosti, dále členem Sdružení pro sanace betonových konstrukcí, technické komise Svazu výrobců betonů a Technické normalizační komise ČSNI, Českého svazu stavebních inženýrů, Komory znalců ČR, České betonářské společnosti kde je ve výboru a vede sekci technologie betonu. Člen redakční rady časopisu Inžinierské stavby. Hlavním zaměřením odborné činnosti je oblast technologie betonů a technologie stavebních betonových dílců a dále se zabývá problematikou spojenou se sanacemi železobetonových konstrukcí včetně provádění diagnostiky a stavebně technických průzkumů před započetím sanačních prací.
6
1
ÚVOD
Beton je nepochybně vynikajícím stavebním materiálem. Na jednu stranu je to velmi jednoduché a téměř každý dokáže smíchat vodu s cementem a kamenivem, uložit vzniklou směs do formy libovolného tvaru a vyrobit tak umělý kámen o určité pevnosti. Na druhou stranu je však tento materiál nesmírně náročný a stále nejsou vyjasněny složitosti chování betonu v čerstvém stavu ani po jeho vytvrdnutí. Díky této rozporuplnosti je beton nejen jedním z nejpoužívanějších materiálů na světě, ale i materiálem, který dokáže být v případě nesprávného návrhu, uložení nebo ošetřování velmi problematický až nebezpečný. Jedním ze zásadních problémů tradičního betonu je nutnost dodávat další energii za účelem zhutnění. Praxe ukazuje, že při ukládání betonu není vibrování betonu vždy provedeno náležitým způsobem. Kvalita špatně vibrovaného tradičního betonu je podstatně nižší než, které beton dosahuje při dokonalém zhutnění. Výsledkem je primárně menší pevnost, závažnější vadou však může být snížení trvanlivosti, které způsobí rychlejší průběh procesů degradace, jako je koroze ocelové výztuže, mrazová narušení, chemická degradace působením síranů, chloridů atd. V posledních 20 letech jsme svědky nových trendů v technologii betonu, jako jsou například vysokohodnotný beton (High Performance Concrete – HPC) nebo beton s reaktivními práškovými částicemi (Reactive Poder Concrete – RPC). Do množiny HPC jednoznačně spadají tzv. samozhutnitelné betony (Self Compacting Concrete - SCC), jejíchž historie začíná kolem roku 1994. [1,2] Samozhutnitelný beton je často považován za nejúspěšnější inovaci poslední doby v oblasti betonových konstrukcí a stavebnictví obecně. SCC prošel v krátké době rychlým vývojem od vytváření koncepce požadovaných vlastností až k rutinnímu používání na volném trhu stavebních prací. Stále více se prohlubuje poznání, že SCC není jenom alternativou k tradičnímu vibrovanému betonu, ale že otevírá možnosti radikálním změnám celého stavebního procesu při použití betonu. Cesta od prvního strukturního pokusu až k vyvinutí praktického vysokohodnotného samozhutnitelného betonu, který potřebuje ke zhutnění pouze gravitaci, byla neuvěřitelně rychlá. SCC lze definovat jako čerstvý beton, který má schopnost téci a pouze působením vlastní hmotnosti, vyplnit veškerý požadovaný prostor v bednění a tím vytvořit hutný a dostatečně homogenní materiál bez další vnější potřeby hutnění. Jednoduše řečeno – tento materiál vyplní bednění tak jako viskózní tekutina a nepotřebuje ke zhutnění žádnou vnější energii. Přestože SCC můžeme považovat za nový materiál, jedná se stále o materiál silikátový, kde základním pojivem je cement. Proto jsou základní znalosti technologie betonu pro tuto technologii do značné míry platné. V podstatě bychom mohli říci, že znalosti potřebné pro SCC lze chápat jako rozšíření „klasické“ technologie betonu. Základní principy jsou stále platné, avšak historické „zákonitosti“ nebo „formule“ budeme často muset rozšířit, abychom mohli počítat s dalšími parametry. Například hodnota vodního součinitele již nepopisuje chování SCC do stejné míry, jako u tradičního betonu. Přestože zpočátku se SCC díky svým mimořádným vlastnostem v čerstvém stavu považoval za vysokohodnotný beton a první aplikace spíše využívaly jeho vysoké potenciální pevnosti, brzy se začal vyrábět prakticky ve všech pevnostních třídách pro konstrukční betony. Vývoj SCC byl do značné míry umožněn „působením stavební chemie a vývojem nové generace superplastifikátorů, jejichž skvělých vlastností bylo dosaženo syntézou s použitím nanomanipulací na úrovni molekul. V tomto směru je SCC úspěšnou a významnou aplikací nanotechnologií v běžném stavebním materiálu. Za cca 15 roků své existence se SCC značně rozvinul do mnoha směrů jako např. SCC s rozptýlenou výztuží s kovovými či nekovovými vlákny (FRSSC), vysokopevnostní samozhutnitelné betony s pevnostmi nad 80 MPa (HSSCC) nebo lehké samozhutnitelné betony (Leight Weight Self Compacting Concrete- LWSCC). Tento typ
7
samozhutnitelných betonů byl vyvinut v ČR na VUT FAST v roce 2004 a poté byl rychle rozšířen i do zahraničí s mnoha dalšími mutacemi [3].
2
REOLOGIE ČERSTVÝCH SAMOZHUTNITELNÝCH BETONŮ
Reologie jako samostatná věda vznikla v roce 1928 a jejími zakladateli jsou prof. E. C. Bingham a prof. M. Reiner. Je definována jako věda zabývající se studiem vztahů mezi strukturou, chemickým složením a mechanickými vlastnostmi látky. Dále objasňuje vztahy mezi napětím, přetvořením, jejich změnou v čase a dále napjatostí viskózních kapalin. Kapaliny lze zjednodušeně rozdělit na dva základní typy: - Kapaliny, pro které platí, že smyková rychlost je lineární funkcí tečného napětí, jsou nazývány kapaliny newtonovské. - Kapaliny, u kterých smyková pevnost není lineární funkcí tečného napětí, nazýváme nenewtonovské. Mezi ně se řadí i kapaliny, u kterých dochází k toku až po překročení tzv. mezního smykového napětí τm. Takové kapaliny se nazývají binghamovské. [4] 2.1
REOLOGIE CEMENTOVÉHO TMELE
Cementový tmel rozhodujícím způsobem ovlivňuje reologické chování cementových malt a čerstvého betonu. Cementový tmel je definován jako viskoplastická suspenze, což znamená, že pod jistou kritickou hodnotou tečného napětí τ se materiál chová jako pevná látka. Jako kapalina se pak chová až po překročení tohoto kritického napětí. V úvodu této části bylo uvedeno rozdělení kapalin na několik typů. Cementový tmel je charakterizován jako kapalina binghamovská. Je definován viskozitou a mezí toku τ0. Tyto veličiny jsou získávány z tzv. křivky tekutosti, která vyjadřuje závislost mezi gradientem rychlosti deformace D a tečným napětím τ. Čerstvý beton se obvykle považuje za vícefázový materiál – disperzi pevných částic (kameniva) ve viskózní kapalině, kterou představuje cementová pasta. Samotná pasta je taktéž vícefázovým materiálem, který se skládá z částic cementu a dalších částic stejného rozsahu velikostí, jako jsou příměsi (zejména ve směsích SCC) suspenzované ve vodě. Beton se od ostatních částicových kompozitů liší extrémním rozsahem velikostí částic. Příměsi mohou obsahovat částice v rozsahu od 0,001 mm (1 μm) až do 0,000001 mm (1 nm), velikost zrna hrubého kameniva bývá až 32 mm, což představuje rozsah 109. Cementová pasta obaluje a odděluje zrna kameniva a vytváří „lubrikační“ vrstvu, která snižuje tření mezi jednotlivými zrny a usnadňuje pohyb a přeskupování. Složité interakce mezi pastou a kamenivem potom zajišťují určitou míru zpracovatelnosti (konzistence) čerstvého betonu. U tradičních vibrovaných betonů se testuje jen konzistence čerstvého betonu jednoduchými metodami např. sednutím či rozlitím kuželů různých rozměrů. Jak již bylo zmíněno, malty a betony vykazují binghamovské reologické chování, pro které je charakteristická typická mez toku, což je počáteční odpor, který je třeba překonat, aby došlo k deformaci látky, která je pak úměrná působícímu napětí (obr. 1). Příčinou meze toku je rozdílné chemické složení zrn cementu a jemných podílů, které za přítomnosti vody vede k tvorbě opačných nábojů na povrchu zrn a vzniku prvních hydratačních produktů, a to způsobuje shlukování (aglomeraci) zrn. Tyto relativně stabilní aglomeráty vytváří prostorovou síť, v níž bývá uzavřeno větší množství vody. Ta pak neslouží k přesunu jednotlivých zrn v suspenzi. Vnesením zhutňovací energie však dochází k překonání vzájemných sil mezi zrny a tím se uvolní uzavřená voda a dojde k rozrušení aglomerátů.
8
Použitím vysoce účinných plastifikačních přísad jsou dispergována cementová zrna tíhnoucí k shlukování. Tím se snižuje mez toku s rostoucí dávkou přísady až takřka na nulovou hodnotu. Takové reologické chování lze přirovnat k newtonovské viskózní kapalině (obr. 2).
τ τ0 η D
tečné napětí (N/mm2) mez toku (N/mm2) plastická viskozita (Pa.s) gradient rychlosti deformace (s-1)
Obr.1 Křivka tekutosti binghamovské kapaliny
Obr.2 Křivka tekutosti newtonovské kapaliny
V případě přidání superplastifikátorů do čerstvé směsi, dochází k ovlivnění výsledného reologického chování systému. Na základě četných měření provedených při výzkumu reologických vlastností lze zobecnit následující: - Superplastifikátory snižují nejen mez toku, ale také plastickou viskozitu směsi - Složení cementu ovlivňuje reologické chování cementových systémů – cementové pasty s nízkým poměrem C3S/C2S a C3A/C4AF mají vyšší viskozitu - Při konstantní dávce superplastifikátorů se zdánlivá viskozita cementové pasty zvyšuje úměrně velikosti měrného povrchu cementu - Vývoj tekutosti cementové pasty v čase je závislý na koncentraci neadsorbovaného superplastifikátoru v pórovém roztoku. Snižování meze toku zvyšováním dávky superplastifikační přísady lze provádět však jen do určité hranice, kterou charakterizuje tzv. bod nasycení resp. maximální účinná dávka přísady. Překročením maximální účinné dávky přísady dochází sice k rozsáhlé dispergaci všech jemných podílů, ale to se dále neprojevuje na dalším zvýšení tekutosti. Naopak to může vést ke ztrátě stability směsi, vznikají jevy jako sedimentace nebo odlučování vody na povrchu tuhnoucí malty tzv. krvácení (bleeding). Při zohlednění uvedených faktorů, které ovlivňují reologické chování směsi, je třeba docílit rovnováhy mezi nízkou hodnotou meze tekutosti a dostatečnou viskozitou. Mez tekutosti však nesmí být nulová, aby se zabránilo segregaci betonu v klidu vlivem sedání kameniva. Vysoká viskozita snižuje nebezpečí rozměšování během samotné betonáže, ale omezuje pohyblivost a prostupnost betonu výztuží. [5,6,7,8,9]
9
2.2
REOMETRIE
Reometrie je vědní disciplína zabývající se měřením reologických vlastností látek. Stanovení tečného napětí τ je závislé na gradientu rychlosti deformace D. K získání výsledné tokové křivky je nutné znát alespoň dva body naměřené při různém gradientu deformace. Pouze při dvoubodových měřeních lze stanovit mez toku a viskozitu. Pro měření reologických veličin cementových past, malt a betonů se používají tzv. rotační viskozimetry. Aplikace reologie na čerstvý beton je problematická po technické stránce i povahou svých východisek. Reologické charakteristiky čerstvého betonu se neustále a nelineárně mění v důsledku progresivních fyzikálně-chemických změn. Rychlost a rozsah změn nezávisí pouze na složení směsi, zejména objemu, poměru drobné a hrubé frakce a tvaru zrn kameniva, ale také na okolních podmínkách. Reologická odezva, deformace a tečení čerstvého betonu, závisí na velikosti tečného napětí. Obecně můžeme říci, že u vícefázového materiálu, jakým je např. beton, budou výsledky měření při velmi malých hodnotách napětí (deformacích) implikovat jiné reologické parametry, než výsledky naměřené při značném namáhání. Základní reologické charakteristiky, jako je namáhání na mezi kluzu a viskozita, umožňují předpovědět hodnotu deformace nebo tečení v důsledku daného smykového napětí. Z výsledků měření deformací a tečení materiálu lze naopak vypočítat velikost napětí. [10,11,12] Vztahy mezi základními reologickými charakteristikami, které jsou často používány při aplikaci praktické reologie na čerstvý beton, odrážejí dva typy chování: Newtonovské a nenewtonovské. Deformace čerstvého betonu závisí na obalenosti částic a jejich vzájemné interakci, role reologických vlastností kapalné fáze (cementové pasty) je menší, nicméně stále důležitá. Obalení částic je značně závislé na jejich velikosti, tvaru a charakteristikách povrchu a také na tom, jakým způsobem se částice během míchání rozmístí. V důsledku zavedení tekutých betonů se superplastifikátory, které mají velké rozlití kužele (větší než 450 mm), a zejména SCC se rozsah reologického chování čerstvých betonů značné rozšířil. Zatímco tradiční betony s nízkou zpracovatelností se obecně chovají jako Binghamská kapalina s relativně vysokou hodnotou napětí na mezi kluzu, typický SCC vykazuje nulové nebo velmi nízké napětí na mezi kluzu a často se chová jako Newtonovská kapalina. [34] 2.2.1
Newtonovské tečení
„Newtonovská“ kapalina se chová podobně, jako ideální pevné těleso vystavené smykovému napětí. Smykové napětí τ vytváří smykové přetvoření (deformaci) γ přímo úměrné velikosti smykového napětí. Koeficient přímé úměry je smykový modul G; vztah lze vyjádřit jako: τ=G.γ
(1)
Je-li Newtonovská kapalina vystavena smykovému napětí, deformuje se přímo úměrně velikosti napětí, ale na rozdíl od ideálního tuhého tělesa pokračuje deformace kapaliny po dobu působení napětí. Viskozita newtonovských kapalin je potom určena měřením smykového napětí vyvolaného střiháním kapaliny danou deformační rychlostí γ˙. Vztah mezi smykovým napětím a deformační rychlostí u newtonovských kapalin je lineární.
10
2.2.2
Nenewtonovské tečení
Existuje mnoho kapalin, které nevykazují „ideální“ newtonovské chování. Viskozita takovýchto kapalin není nezávislá na smykovém napětí nebo smykové rychlosti. Jejich chování se navíc často mění v závislosti na době působení konstantního smykového napětí a v závislosti na jeho změnách. Chování čerstvého betonu je podobné chování několika nenewtonovských kapalin. V případě tradičních betonů je důležitý zejména model Binghamské kapaliny, kde hodnota napětí na mezi kluzu klesá se vzrůstající konzistencí (např. hodnotou rozlití kužele). Vztah: τ = τ0 + μ γ˙
(2)
kde τ0 je napětí na mezi kluzu a μ je plastická viskozita, což ukazuje na typickou Binghamskou kapalinu. [13,14]
3
KLÍČOVÉ CHARAKTERISTIKY VLASTNOSTÍ ČERSTVÝCH SCC
Extrapolace výsledků získaných při testování past na betony by byla snazší, kdyby režimy testování byly schopny lépe simulovat tok pasty v betonu. Ve skutečnosti je pasta vždy vázána v „kostře“ pevných částic kameniva. Reometrie této vazby a jejích hranic je různá. Deformační rychlosti, jimž je vystavena při tečení betonu se těžko odhadují, protože relativní polohy, vzdálenosti a tloušťka obalení částic kameniva se v průběhu deformace nebo toku betonu taktéž mění. Je známo, že chování čerstvého SCC se značně liší od chování tradičního betonu měkké konzistence, který je nutné hutnit. Poněkud méně známý je důležitý rozdíl mezi chováním tradičního superplastifikovaného tekutého betonu s velmi měkkou konzistencí (sednutí od 150 mm až po rozlití kužele 45 mm a výše) a typického čerstvého samozhutnitelného betonu, který obsahuje o cca 80 až 120 l více silikátové kaše v1m3 betonu. SCC má 4 klíčové vlastnosti: • Schopnost tečení, vyplňování bednění a samozhutnění (Filling ability, flow) • Prostupnost – odolnost proti blokování (Passing ability, low blocking) • Odolnost proti rozměšování a sedimentaci (Segregation resistence) • Odolnost proti krvácení (Bleeding) 3.1
SCHOPNOST VYPLŇOVÁNÍ BEDNĚNÍ – FILLING ABILITY
Schopnost vyplňování je vlastnost čerstvého betonu téci pouze působením vlastní tíhy a zcela vyplnit veškerý prostor v bednění. Tato vlastnost se často nazývá „tečení“ nebo „tekutost“. Ukazuje, jak daleko by mohl čerstvý SSC dotéci a do jaké míry by vyplnil bednění a prostory s různou mírou složitosti. Schopnost vyplňování je také určující pro samozhutnitelnost. Schopnost vyplňování musí být dostatečná, aby mohl uniknout veškerý vzduch vnesený při procesu míchání nebo ukládání a vznikl hutný beton. Filling ability je měřena a hodnocena na betonech v praxi zkouškami Slump test (Slump flow) a Orimet test. Jako další kriterium je sledována viskozita. Je měřítkem pro vnitřní tření v betonu při šířeném zatížení. Čím je viskozita nižší, tím rychleji beton může téct. Toto měření je možné provádět na upravených rotačních viskozimetrech. Při výrobě samozhutnitelných betonů je usilováno o nastavení viskozity a schopnosti tečení betonu přesně v oblasti, která připouští dostačující pohyblivost betonu s optimální rychlostí tečení. Výše definovaná schopnost pohyblivosti je ovlivňována tzv. mezí tečení (mezí kluzu). Klesne-li tečné napětí v betonu během průběhu tečení pod hodnotu meze kluzu, přestává beton téct a zůstává stát.
11
3.2
PROSTUPNOST – ODOLNOST PROTI BLOKOVÁNÍ - PASSING ABILITY
Prostupnost určuje, jak snadno bude čerstvá směs protékat stísněnými a zúženými prostory, úzkými otvory a mezi výztuží. Určení prostupnosti napomáhá hodnocení rizika, zda tok čerstvé směsi bude zeslaben nebo dokonce zcela zablokován hrubým kamenivem, které se zaklíní nebo vytvoří klenby mezi prvky výztuže nebo v úzkých kanálech a otvorech. Aby beton volně procházel výztuží, musí částice hrubého kameniva přeskupit svoji polohu ve směsi, zachovat si určitý stupeň odloučení a nesmí se shlukovat, vzájemně provazovat a blokovat otvory. Bylo pozorováno, že ve směsích s nízkou schopností vyplňování nejsou částice hrubého kameniva takového chování schopny. Taková směs má potom malou schopnost vyplňování, a to i bez většího obsahu hrubého kameniva. Passing ability je měřena a vyhodnocována při zkoušce L-box a J-Ring v kombinaci s Orimet testem. 3.3
ODOLNOST PROTI ROZMĚŠOVÁNÍ A SEDIMENTACI - SEGREGATION RESISTENCE
Sedimentace nastává již v silikátové kaši při nevhodném vodním součiniteli či špatné kompatibilitě systému cement-voda-plastifikátor-příměs. Rozměšování čerstvého betonu je jev, který se vztahuje k plastické viskozitě a hustotě cementové pasty. Tento jev je úzce spojen se dvěma jednoduchými předpoklady – pevná látka hustší než kapalina má tendenci klesat a viskózní kapalina obtéká tuhá tělesa jen obtížně [15, 16]. Pokud je hustota kameniva vyšší, než hustota cementové pasty a viskozita pasty je nízká dojde k rozměšování. Naopak u lehkých SCC, kdy je hustota lehkého kameniva výrazně nižší než hustota cementové pasty může při vyšší hodnotě cementové pasty docházet k plavání kameniva na povrchu směsi. Odolnost proti rozměšování je schopnost čerstvé směsi zachovat si původní homogenní distribuci složek zejména kameniva během přepravy, ukládání a zhutňování. Význam je stejný jako „stabilita“ čerstvé směsi. Ve stavební praxi nelze dosáhnout stejnoměrné distribuce. Můžeme ji zavést pouze prostřednictvím teoretického modelu na základě zvoleného systému obalování částic. Přímé hodnocení betonu v čerstvém stavu je technicky velmi obtížné, v zatvrdlém stavu je možné nedestruktivně např. pomocí ultrazvukové impulsní metody. 3.4
ODOLNOST PROTI KRVÁCENÍ - BLEEDING
Pod tímto pojmem rozumíme stav, kdy cementová zrna sedimentují ve vodní suspenzi spolu s jemným plnivem a na povrchu čerstvého betonu se po určité době objeví souvislá povrchová vrstva relativně čisté vody, která je pouze znečištěna cementem. Sedimentace cementových zrn je způsobena jednak flokuací zrn cementu (zrna se vlivem přitažlivých sil a polarity vody spojují do větších celků a pak rychle sedimentují) a jednak nadměrným množstvím vody v suspenzi. Míru bleedingu lze snížit snížením v/c nebo remixováním (opakované aktivační mísení po několikaminutové přestávce). Také přidání jemných podílů (jemnozrnné příměsí) jako jsou popílek, mikrosilika nebo jiné náhražky cementu nám pomáhá redukovat bleeding. Zároveň však s přídavkem jemných podílů se zvyšuje riziko většího smrštění a vznik smršťovacích trhlin v betonu. Na obr. 3 jsou ukázky testování vlastností čerstvých SCC různými výše uvedenými metodami. [17,18,19,20,21]
12
Obr.3 Výsledky testů rozlití obráceným Abramsovým kuželem; Orimet + J-Ring testem a LBoxem
13
4
LEHKÝ SAMOZHUTNITELNÝ BETON COMPACTING CONCRETE (LWSCC)
(LIGHT WEIGHT SELF
Výrazně odlišné chování prokazují lehké samozhutnitelné betony, což je vysokohodnotný stavební materiál, který spojuje výhody lehkých tradičních vibrovaných betonů a hutných samozhutnitelných betonů. Lze ho s výhodou používat jako konstrukční beton s výrazným odlehčením celé konstrukce. Jedná se o dobře tekoucí lehký beton s hutnou strukturou cementového kamene a s využitím lehkého pórovitého kameniva (v ČR se používá pouze umělé kamenivo Liapor- výrobce Lias Vintířov), který musí vykazovat stabilitu proti segregaci lehčích zrn kameniva. Hlavní požadavky vztahující se k reologickým vlastnostem SCC, jako vysoká tekutost, schopnost vyplňování, bezpečné samozhutnění a odvzdušnění, dostačující koheze a vysoký odpor proti segregaci se musí aplikovat také na LWSCC. Nicméně se musí zohlednit některé specifické jevy tohoto typu betonu, a to zejména: • Tekutost a samozhutnitelnost čerstvého lehkého betonu je dosažena v menším měřítku kvůli nižší objemové hmotnosti – tento jev vyplývá ze základních fyzikálních zákonů a nemůže být překonán. • Lehké kamenivo adsorbuje část záměsové vody, což může vést k předčasnému ztuhnutí LWSCC právě tak jako k úplné ztrátě samozhutnitelnosti. • Lehké kamenivo má výraznou tendenci k segregaci v opačném směru jako hutné přírodní kamenivo, kdy lze mluvit o vznosu či „plavatelnosti“. Primárně je tedy nutné zabývat se specifickým problémem lehkého pórovitého kameniva, a to nízkou objemovou hmotností spojenou s vysokou nasákavostí, která výrazně ovlivňuje chování čerstvého betonu a také konečné vlastnosti ztvrdlého lehkého betonu. [22,23] Zrna v ČR běžně používaného lehkého kameniva Liapor mají téměř kulovitý tvar s uzavřenou vnější slupkou a pórovitým vnitřkem. Hmotnostní nasákavost dosahuje již v době do 30 minut až 7 % hm. po 24 hodinách až 25% hmotnostních v závislosti na měrné hmotnosti. Tato relativně vysoká nasákavost v čase činí problémy v případě technologie transportbetonu, kdy se požaduje doba konstantní konzistence až po dobu 90 minut. Zajímavá je vlastnost „vnitřního samoošetřování“ lehkého kameniva. Voda nasáklá v jeho pórech může být později „využita“ pro hydrataci, jakmile se tlak v pórech v hydratační mase snižuje a voda nasáklá v pórech kameniva je takto uvolňována pro další hydrataci. Toto "vnitřní samoošetřování" redukuje hodnoty celkového smrštění vznikajícímu díky samovysychání ztvrdlého betonu, zvláště u betonů s nízkým v/c. Obecně jsou hodnoty celkových negativních objemových změn u lehkých betonů nižší než u hutných normálních betonů Menší smrštění redukuje riziko trhlin v ranném stadiu. [24,25,26,27] 4.1
HOMOGENITA LEHKÉHO BETONU (LC), KONTAKTNÍ ZÓNA LEHKÉHO KAMENIVA A CEMENTOVÉHO KAMENE
Za nejjednodušší model ztvrdlého lehkého betonu lze považovat dvoufázový kompozit, to jest fáze matrice (cementová malta) a fáze částicová (lehké a přírodní kamenivo). Mechanické vlastnosti betonu jsou pak určené mechanickými vlastnostmi každé fáze a vzájemným spolupůsobením jednotlivých fází. Přírodní kamenivo má normálně podstatně vyšší pevnost v tlaku a vyšší modul pružnosti než cementová malta, což velmi ovlivňuje distribuci napětí a tedy i lomové charakteristiky betonu. Nižší pevnost betonu je způsobená v oblasti kontaktní zóny kamenivo/cementová malta, která vykazuje nižší pevnost, tuhost a lomovou houževnatost než cementová matrice. Existují úvahy, že kontaktní zóna by měla být pokládaná za třetí kompozitní
14
fázi. Horší vlastnosti kontaktní zóny zapříčiňují tendenci koncentrace tahového napětí na povrchu kameniva, což vede k lokálním počátečním trhlinám. Jak se celkové napětí zvyšuje, vzniklá mikrotrhlina se začne šířit do zatvrdlého cementového kamene. Heterogenní charakter ztvrdlého betonu se snižuje zmenšením rozdílů v pevnosti a tuhosti jednotlivých fází. To je ve skutečnosti případ lehkých betonů. Kontaktní zóna matrice/plnivo (kamenivo) je vyšší kvality než v případě obyčejného betonu (viz. obr. 4). To znamená, že během zrání LC není dlouho kontaktní zóna nejslabším spojením, což má význam pro mechanické vlastnosti, lomové chování, křehkost, propustnost a trvanlivost betonu. Díky porovnatelným modulům pružnosti lehkého kameniva a malty budou tlakové napětí rovnoměrněji distribuované v LC než v normálním betonu. Často má lehké kamenivo dokonce nižší modul pružnosti než malta, což způsobuje v maltě větší napětí. Z toho vyplývající lokální příčné tahové napětí bude působit v maltě a ne v kontaktní zóně. Je důležité si ale uvědomit, že různá lehká kameniva se můžou od sebe svými vlastnostmi významně lišit. Někteří autoři [28,29] objevili, že snížená kvalita kontaktní zóny je u vysokohodnotných betonů a zvláště u LC méně výrazná. To je částečně výsledek zlepšené stability cementové pasty způsobené nízkým poměrem v/c a použitím superplastifikačních přísad. Navíc nasákavost lehkého kameniva může lokálně na povrchu kameniva redukovat v/c a předejít tak kumulaci vody akumulované na povrchu zrn kameniva. Pevnost a lomová houževnatost lehkého kameniva je podstatně nižší než u přírodního kameniva a cementového kamene, proto je možnost vzniku počátečních trhlin kolem zrn lehkého kameniva nižší. Díky pružné kompatibilitě fází LC vznikají počáteční trhliny až při vysoké úrovni napětí. Proto pokud se vytvoří trhlina v cementovém kameni nebo v zrnu lehkého kameniva, bude dále inklinovat k šíření přímo skrz částice LC a ne v kontaktní zóně. Toto je také vysvětlení pro téměř lineární deformační diagram LC a náhlou destrukci.
Obr.4 Rozdíl kontaktních zón přírodního (vlevo) a lehkého (vpravo) kameniva [28]
4.2
NASÁKAVOST ZA VYSOKÉHO TLAKU PŘI ČERPÁNÍ LWSCC
Významný vliv má i nasákavost za vysokého tlaku, tj. tlaku, kterému může být kamenivo vystaveno během čerpání. Významným aspektem při čerpání lehkého SCC je vtlačování vody do zrn lehkého kameniva vlivem tlaku v potrubí. Během realizace čerpaní lehkého SCC je nutno sledovat konzistenci ve třech etapách, a to ihned po namíchání, po dopravě a v průběhu čerpání a ukládání [30]. Na křivce vodního součinitele (viz. obr.5) v čerpaném LWSCC jsou znázorněny 4 významné stavy, které je nutno sledovat během realizace čerpaní. Jsou to: • • • •
stav 1 stav 2 stav 3 stav 4
na konci míchání po dopravě, na počátku čerpání během čerpání, v okamžiku největšího tlaku v potrubí s betonem po čerpání, v okamžiku uložení a zhutnění
15
Ve stavu 3 nastává okamžik, kdy směs obsahuje nejméně účinné vody, proto je tento stav kritický pro pohyblivost a čerpatelnost. Čím vyšší je vlhkost lehkého kameniva , tím nižší je pak nasákavost a tím lepší a stabilnější je zpracovatelnost včetně čerpatelnosti a snižují se rizika rozměšování či bledingu. [31]
Obr.5 Charakteristický průběh vodního součinitele lehkého betonu během čerpání
Tekutost a samozhutnitelnost čerstvého betonu se vyskytuje v menším měřítku kvůli nižší objemové hmotnosti – tento jev vyplývá ze základních fyzikálních zákonů. Lehké kamenivo adsorbuje část záměsové vody, což může vést k předčasnému ztuhnutí LWSCC a současně k úplné ztrátě samozhutnitelnosti. Za účelem omezit adsorpci vody pórovitým lehkým kamenivem je nutné toto kamenivo předvlhčit před přidáním cementu definovaným množstvím vody. I předvlhčené lehké kamenivo má výraznou tendenci k segregaci na povrchu čerstvého betonu díky jeho nízké měrné hmotnosti (plavatelnost kameniva).
5
KOMPONENTY SCC A JEJICH VLIV NA REOLOGICKÉ VLASTNOSTI
Jak již bylo v úvodu této práce zmíněno, samozhutnitelný beton lze chápat jako 5tikomponentní systém jednotlivých složek (cement, voda, hrubé a drobné kamenivo, přísada, příměs), přičemž každá složka systému ovlivňuje svými vlastnostmi reologické chování celého systému. Kombinací jednotlivých složek vznikají subsystémy např. modifikovaná cementová pasta (cement + voda + přísada), modifikovaná cementová malta (cement + voda + přísada + příměs + drobné kamenivo) a studiem jejich reologického chování lze snadněji, rychleji, objektivněji a hospodárněji rozhodnout o vhodnosti výběru konkrétní složky v kombinaci s dalšími složkami subsystému. V tabulce 1 je uvedená specifikace vlastností jednotlivých komponent, které nejvýrazněji ovlivňují reologické chování subsystémů samozhutnitelných betonů [32, 33]. Cílem správného návrhu je optimalizace poměru jednotlivých složek a zajištění kompatibility chování hlavně v systému cement-voda-přísady.
Tab.1. Vlastnosti složek ovlivňující reologické chování SCC a jeho subsystémů
16
1.3 Složka 1.2 Subsystém Cementová pasta Cement
Vlastnost Chemické složení (jemnost mletí resp. měrný povrch, obsah a reaktivita C3A a regulátoru tuhnutí, obsah alkálií) Voda Vodní součinitel (poměr voda, cement) Charakteristiky vyžadující Ovlivněné reologické vlastnosti subsystému přezkoušení resp. optimalizaci vstupem nové složky Viskozita Mez toku 1.4 Subsystém Modifikovaná cementová pasta
1.5 Složka Cementová pasta Superplastifikační přísada
Vlastnost
Druh, struktura polymeru (polykarboxyláty – nejpoužívanější pro SCC, příp. naftalen-/melamin formaldehydové pryskyřice – méně časté), doba míchání, u naftalen-/melamin formaldehydových pryskyřic i způsob dávkování, obsah sušiny Charakteristiky vyžadující Ovlivněné reologické vlastnosti subsystému přezkoušení resp. optimalizaci vstupem nové složky Kompatibilita cementu a - Mez toku (dochází ke snížení) superplastifikační přísady (plastifikační - Při překročení max. účinné koncentrace účinek, ztráta zpracovatelnosti v čase), superplastifikátoru (tzv. bodu nasycení) nastává dávka přísady sedimentace 1.6 Subsystém 1.7 Složka Vlastnost Samozhutnitelná Modifikovaná cementová pasta jemnozrnná Příměs Druh (s latentně-hydraulickými, pucolánovými suspenze vlastnostmi – např. struska, popílek, inertní – např. mikromletý vápenec, prosívky), tvar zrna (popílek – kulovitý, struska – ostrohranný), měrný povrch Jemné kamenivo Obsah zrn do 0,125 mm v písku příp. i hrubém (do 0,125 mm) kamenivu, obsah jílových částic (ovlivňují nasákavost) Charakteristiky vyžadující Ovlivněné reologické vlastnosti subsystému přezkoušení resp. optimalizaci vstupem nové složky Potřeba vody, dávka příměsi Mez toku (zejména) Viskozita (zvýšení) Hustota Samozhutnitelná Samozhutnitelná jemnozrnná malta suspenze Drobné kamenivo Chemicko-mineralogické složení písku, nasákavost, (do 4 mm), písek měrná hmotnost, vlhkost, obsah podílů pod 0,25 a obsah zrn mm, obsah škodlivých odplavitelných jílových v hrubém podílů, tvar a původ zrn kamenivu do 4 mm Charakteristiky vyžadující Ovlivněné reologické vlastnosti subsystému přezkoušení resp. optimalizaci vstupem nové složky Množství, potřeba vody, křivka Viskozita, ztráta v čase, thixotropie zrnitosti
17
1.8 Subsystém Samozhutnitelný beton
1.9 Složka Samozhutnitelná malta Hrubé kamenivo (4-16 mm, resp. 22 mm) Charakteristiky vyžadující přezkoušení resp. optimalizaci Křivka zrnitosti 1.9.1 Vzduchové póry
Vlastnost
Tvarový index, křivka zrnitosti, vlhkost, měrná hmotnost, měrný povrch zrn, čistota povrchu Ovlivněné reologické vlastnosti subsystému vstupem nové složky Viskozita Tekutost čerstvého betonu, malty, suspenze, pasty (zlepšení) Pevnost (snížení)
Na následujících grafech je pro příklad chování v čerstvém stavu ukázáno porovnání hodnot viskozit cementových malt s různými dávkami a typy příměsí a různými typy a dávkami superplastifikačních přísad pro stejný typ cementu CEM I 42,5 R. Pro tento experiment byly zvoleny různé typy jemnozrnných příměsí - kamenný filler (označeno Ze), elektrárenský černouhelný popílek (De) elektrárenský hnědouhelný popílek (Chv), metakaolín (MK) a mikrosilika (MS) v dávkách 15 a 30 % z hmotnosti cementu. Dále byly použity 2 typy superplastifikátorů na bázi polykarboxylátů (výrobce SIKA a CHRYSO) v dávkách 1,2 a 1,8 % z hmotnosti cementu. Měření bylo prováděno na rotačním viskozimetru Viskomat. Z výsledků v obr. 6 a 7 je patrná široká rozmanitost chování modifikovaných cementových malt při testování viskozity na rotačním viskozimetru v čase ihned od zamíchání do 120 minut při konstantní teplotě směsi. Z toho je patrné jak široké jsou možnosti řídit reologické vlastnosti čerstvých malt, tak i následně čerstvých i ztvrdlých samozhutnitelných betonů.
Porovnání viskozity cementových past (CEM I, nejnižší dávka příměsi)
1600 1400
viskozita (Pa.s)
1200 1000 800 600 400 200 0 0
30
60 čas (m in)
90
120
Ze,1,2% Sika Ze,1,2% Chryso Ze,1,8% Sika Ze,1,8% Chryso De, 1,2% Sika De, 1,2% Chryso De, 1,8% Sika De, 1,8% Chryso Chv, 1,2% Sika Chv, 1,2% Chryso Chv, 1,8% Sika Chv, 1,8% Chryso MK, 1,2% Sika MK, 1,2% Chryso MK, 1,8% Sika MK, 1,8% Chryso MS, 1,2% Sika MS, 1,2% Chryso MS, 1,8% Sika MS, 1,8% Chryso
Obr.6 Porovnání průběhů viskozity v čase–dávka příměsí 15% z hmotnosti cementu CEM I 42,5 R
18
Porovnání viskozity cementových past (CEM I, střední dávka příměsi) 2400 2200 2000
viskozita (Pa.s)
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0
30
60 čas (min)
90
120
Ze,1,2% Sika Ze,1,2% Chryso Ze,1,8% Sika Ze,1,8% Chryso De, 1,2% Sika De, 1,2% Chryso De, 1,8% Sika De, 1,8% Chryso Chv, 1,2% Sika Chv, 1,2% Chryso Chv, 1,8% Sika Chv, 1,8% Chryso MK, 1,2% Sika MK, 1,2% Chryso MK, 1,8% Sika MK, 1,8% Chryso MS, 1,2% Sika MS, 1,2% Chryso MS, 1,8% Sika MS, 1,8% Chryso
Obr.7 Porovnání průběhů viskozity v čase–dávka příměsi 30% z hmotnosti cementu CEM I 42,5 R
6
MOŽNOSTI ŘÍZENÍ TEPLOTNÍCH PROJEVŮ HYDRATACE A OMEZOVÁNÍ OBJEMOVÝCH ZMĚN
Zásadní odlišnost ve složení SCC od tradičních betonů, kdy objem plniva (kameniva) v cementové matrici je výrazně menší, objem jemnozrnné malty je o cca 15% vyšší než je mezerovitost směsi kameniva a současně jsou křivky zrnitosti směsí kameniv koncipovány tak, že objem drobného kameniva do 4 mm bývá větší než objem hrubého kameniva, v obecné poloze napovídá, že celkové negativní objemové změny ( smršťování) budou u SCC větší než u klasických betonů. Současně s jiným tvarem výsledné křivky zrnitosti směsi kameniva je omezena i max. velikost zrn hrubého kameniva na 16 mm. U tradičních betonů bývá nejčastěji používáno i max. zrno 22 mm. Pro zlepšení pohyblivosti a průchodnosti se v SCC většinou používá hrubé kamenivo těžené s výrazně lepším tvarovým indexem než u běžně používaných hrubých drcených frakcí až do frakce 22 mm v tradičních betonech. Toto rovněž negativně ovlivňuje absolutní hodnotu smršťování a současně statických či dynamických modulů pružnosti. Vzhledem k tomu, že pro doplnění jemných podílů, které zajišťují potřebné reologické vlastnosti se využívá aktivních či pasivních jemnozrnných příměsí s velikostí částic max. 0,25 mm v množství až 200 kg/m3 je výhodnější a bezpečnější z hlediska dosažení optimálních fyzikálněmechanických vlastností využívat čistých portlandských cementů. Touto kombinací ovšem roste riziko rychlého vývoje hydratačních teplot a dosažení nebezpečně vysokých teplot uvnitř betonu v prvních cca 24 hodinách zrání. Hlavně v době letních betonáží i v ČR pak může teplota uvnitř betonu dosahovat více jako 70 oC. Výrazně nebezpečnější je tento jev u lehkých či ultralehkých SCC, kde vlivem výrazně nižších hodnot součinitele tepelné vodivosti nastává pomalejší odchod tepla z konstrukce. Např. při prvním použití ultralehkých SCC v ČR (rodinný dům v Brně 2007) bylo dosaženo objemové hmotnosti zatvrdlého betonu 810 kg/m3 součinitel tepelné vodivosti
19
měl hodnotu 0,22 W/m.K. Při betonáži stěn tloušťky 0,45 m byla však naměřena teplota uvnitř stěn až 95 oC, což způsobilo velké problémy s kvalitou povrchů atd. [30,31] Zásadní možnosti jak tento problém řešit je opět zásah do skladby silikátové matrice. Možnosti současných superplastifikačních přísad v kombinaci s vhodně zvolenou příměsí umožňují cíleně řídit časový vývoj i max. teploty při hydrataci. Na obr.8 je nejdříve ukázán vliv velikosti vodního součinitele na teplotní průběh hydratace při použití konstantní dávky cementu CEM I 42,5. 80
CEM I 42,5R 0,34 0,36 0,38 0,4
70
Temperature[C]
60
50
40
30
20 0:00:00
2:24:00
4:48:00
7:12:00
9:36:00
12:00:00
14:24:00
16:48:00
19:12:00
21:36:00
24:00:00
Time [hodiny]
Obr.8 Průběh teploty při hydrataci cementových past s různým vodním součinitelem, při teplotě +20 °C Z obrázku je patrné, že se vzrůstajícím vodním součinitelem klesá intenzita probíhajících hydratačních reakcí a mírně se prodlužuje i časový průběh. Při experimentálních ověření byly provedeny stanovení intenzity vývinu hydratačního tepla pomocí izoperibolického kalorimetru v různých kombinacích cement- plastifikátor. Průběh vývinu hydratačních teplot takto modifikovaných cementových past je znázorněn na následujícím obrázku 9. 70 65 60 Teplota [°C]
55 50 45 40 35 30 25 20 15 0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
Čas [h] NRG 100
NRG 100M
NRG 200
NRG 205
SP1
SP3
SP5
Referenční
NRG 300
Obr.9 Průběh vývinu hydratačního tepla u modifikovaných cementových past s různými typy superplastifikátorů
20
Z výše uvedeného průběhu hydratačních tepel je patrné, že hydratační reakci lze výrazně ovlivnit volbou typu a dávky superplastifikační přísady. Z naměřených teplotních průběhů lze stanovit i další veličiny popisující hydrataci cementových past – maximální teplota, doba potřebná pro dosažení maximální teploty a směrnice hydratace. Současně lze ovlivnit i další limitní faktory a to počátek a doba tuhnutí či max. teplotu cementové kaše jak ukazuje obr. 10 a 11.
14:24 12:00
10:53
Čas [h]
9:36 7:00
7:12
7:16
7:12
12:27
11:45
8:13
7:53 6:36
6:04
7:29 5:35 4:03
4:55 4:48 2:24 1:52
1:22 1:10
0:31 0:00 NRG100 NRG100M NRG200
NRG205
NRG300
SP1
SP3
SP5
REF
Druh superplastifikátoru (REF - CEM I 42,5; w = 0,34) počátek tuhnutí [h]
doba tuhnutí [h]
Obr.č.10 Počátek a doba tuhnutí modifikovaných cementových past 65
y = -25x 2 + 47,5x + 42,5 R2 = 1
maximální teplota dosažena při hydrataci[hod]
64
63
62
61
60
59 1
1,05
1,1
1,15
1,2
1,25
1,3
1,35
1,4
množství přísadyl
Obr.č.11
Závislost maximální dosažené teploty θmax při superplastifikační přísady při vodním součiniteli w=0,36
hydrataci
na
přídavku
21
Na následujícím obr.12 jsou výsledky testování rozšířeného modelu cement-voda-plastifikátorpříměsi. Je patrné, že při použití stejného typu cementu, typu a dávek superplastifikátoru lze typem či množstvím přidané aktivní příměsi ( v daném případě el. popílek jako náhrada 25% hmotnosti cementu) rovněž dále ovlivnit jak průběh tak i teplotní maxima cementové matrice. 65,00 60,00
Teplota [°C]
55,00 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 0
3
6
9
12
15
Čas [h]
18
21
24
NRG300
NRG200
NRG100
SP1
NRG100M
NRG205
SP5
SP3
Referenční
Referenční (popílek)
27
30
Obr.12 Průběh vývinu hydratačního tepla u modifikovaných cementových past Jak již bylo řečeno, vývin hydratačního tepla lze ovlivnit nejen plastifikační přísadou, ale zároveň i typem příměsí. Současně s redukcí max. teplot či jejich rozložení do delších časových intervalů se naskýtá možnost snížení rizika vzniku smršťovacích trhlin.
7
PŘÍNOS PRO ROZVOJ VĚDNÍHO OBORU A PRO PRAXI
Vývoj betonu s vyšší tekutostí, který by usnadnil provádění stavebních prací, patřil k cílům betonářských technologií již značnou dobu. K zásadnímu průlomu došlo vývojem a zavedením samozhutnitelných betonů do stavební praxe. Přínosy tohoto řešení nespočívají jen v omezení hlučnosti a prašnosti na staveništích či prefách, úspory pracovníků a zrychlení stavebních prací, což přináší i významné finanční úspory. Významnějším přínosem je omezení chyb a vad, které jsou při nedisciplinovaném chování vnášeny lidským faktorem při nevhodném ukládání a hutnění betonu do bednění. Výsledkem pak bývají nehomogenní betonové konstrukce s proměnlivými vlastnostmi v zatěžovaném průřezu, rozdílné pevnostní charakteristiky, trhliny a kaverny, které negativně působí na předpokládanou životnost konstrukcí. Současná stavební praxe v ČR bohužel ještě k některým těmto skutečnostem nedospěla a při rozhodování o použité technologii rozhoduje pouze okamžitá cena materiálu. Další možné úspory včetně kalkulací na zisky plynoucí z prodlouženého životního cyklu, omezení oprav atd. není zvykem při výběru technologií ocenit. Ve vyspělých zemích se vyšší produktivita práce, vyšší pracovní výkony, lepší kvalita i zlepšení v oblasti hygieny práce cení jinak. SCC je sice dražší a náročnější stavební materiál, avšak stavební trh si již uvědomuje, že v poměru cena-výkon výsledných produktů je více než konkurenceschopný. V posledních cca 20 letech proběhl v technologii silikátových kompozitů vývoj rychlým tempem, které přineslo nové poznatky, které se v této oblasti neaplikovaly možná předchozích 80 let. Jsme svědky každodenního zavádění nových trendů v technologii betonu, jako jsou například vysokohodnotný beton, ultravysokopevnostní nebo beton s reaktivními práškovými moučkami.
22
Vývoj SCC byl do značné míry umožněn „působením stavební chemie a vývojem nové generace superplastifikátorů, jejichž skvělých vlastností bylo dosaženo syntézou s použitím nanomanipulací na úrovni molekul. V tomto směru je SCC úspěšnou a významnou aplikací nanotechnologií v běžném stavebním materiálu. Důkazem moderní inovace je i fakt, že první Evropský výzkumný projekt samozhutnitelného betonu, kterým byl SCC vlastně v Evropě zaveden, byl taktéž prvním projektem z oblasti stavebnictví, který se dostal až do závěrečného kola prestižní soutěže o Descartovu cenu. Vývoj SCC znamená pro daný vědní obor nový impuls, výraznější vliv a potřeba spolupráce se segmentem stavební chemie a novou možnost pro dříve opomíjené disciplíny zabývající se reologií čerstvých kompozitů. Nabízí se řešit betonářské problémy komplexně např. vztah fyzikálně-mechanických vlastností, trvanlivosti při současném důrazu na vizuální výsledek (např. nosné konstrukce architektonických betonů). Jak vyplývá z předchozích experimentálních ověření, lze již při návrhu složení definovat zásadní cílové vlastnosti a tyto pak cílevědomě v každém kroku návrhu respektovat. Pro stavební praxi pak přináší možnosti architektům navrhovat složité tvary konstrukcí, extrémně štíhlé čí vylehčené a s vysokou životností a funkčností. Praktický příklad ukládání SCC do vodorovné konstrukce stropní desky je na obr. 13. Je potěšitelné, že tradice Ústavu technologie stavebních hmot a dílců VUT FAST tyto vývojové trendy zachytila a je špičkovým pracovištěm i mimo ČR, což přináší i pozitivum při výchově nových inženýrů.
Obr.13 Betonáž nosné stropní desky z SCC
8
SHRNUTÍ
Technologie samozhutnitelných betonů (SCC) vznikla v Japonsku, kde se první informace objevily v roce 1989. Poté byly tato technologie rychle rozšiřována v dalších zemích i díky velmi intenzivnímu výzkumu a stále více se rozšiřujícím praktickým aplikacím. V ČR byl trend zachycen velmi záhy a v roce 1997 začaly první experimentální pokusy na Ústavu technologie stavebních hmot a dílců FAST VUT Brno a v roce 1988 byla v ČR provedena díky vývojovým pracím na ÚTHD první významná stavba provedená touto technologií a to výstavba tahové
23
chladící věže Itterson výšky 60 m, současně to byl světový primát použití SCC v technologii posuvného taženého bednění. Poté nastal velmi intenzivní rozvoj technologie SCC a vznikaly rychle další modifikace jako např. SCC s rozptýlenou výztuží, vysokopevnostní, vysoce trvanlivé, lehké a ultra lehké SCC. Samozhutnitelný beton je často považován za nejúspěšnější inovaci poslední doby v oblasti betonových konstrukcí a stavebnictví obecně a prošel v krátké době od roku 1994 rychlým vývojem od vytváření koncepce požadovaných vlastností až k rutinnímu používání na volném trhu. SCC lze definovat jako čerstvý beton, který má schopnost téci a pouze působením vlastní hmotnosti a gravitace vyplnit veškerý požadovaný prostor v bednění, vytlačit nepotřebný škodlivý vzduch a tím vytvořit hutný a dostatečně homogenní materiál bez další vnější potřeby hutnění. Jednoduše řečeno tento materiál vyplní bednění tak jako viskózní tekutina a nepotřebuje ke zhutnění žádnou vnější energii [37]. Základní požadavek na vysokou pohyblivost a průchodnost výztuží, ale současně odolnost proti sedimentaci, segregaci a krvácení povrchů klade zcela jiné nároky na složení betonů a hlavně na reologické vlastnosti v čerstvém stavu. Základní tradiční složky betonu jsou výrazně doplněny o výrazně vyšší podíl velmi jemných částic – příměsí o max. velikosti zrn 0,25 mm a relativně vyšší dávky velmi účinných přísad – superplastifikátorů na bázi polykarboxyléterů. Vlastně díky vývoji těchto přísad, které se objevily na trhu kolem roku 1995, se mohla nastartovat éra SCC. Reologie čerstvých tradičních betonů se zužuje pouze na testování konzistence jednoduchými metodami např. rozlitím kužele. U SCC je nutné již při samotném návrhu změnit koncepci a výraznou pozornost věnovat systému voda-cement-příměsipřísady v tekuté fázi. Vzhledem k rozmanitosti volby typů superplastifikátorů, práškových příměsí a cementů dostáváme širokou možnost měnit a cíleně volit výsledné vlastnosti čerstvých i zatvrdlých SCC. Proces navrhování SCC je založen na studiu vlastností tekutých kaší většinou pomocí rotačních viskozimetrů a teprve poté je tato matrice doplněna vhodnou přísně navrženou granulometrií částic plniva až do max. velikosti 22 mm. [35,36] Se změnou skladby a hlavně poměru silikátová matrice a plnivo samozřejmě nastávají další problémy např. s rychlejším a výraznějším vývojem hydratačního tepla, iniciace větších objemových změn – smršťování a tím potenciálního vzniku smršťovacích trhlin, případně snížení statických modulů pružnosti a tím vzniku větších trvalých deformací. Podrobným studiem souvislostí jednotlivých složek SCC lze i tyto vlastnosti úspěšně korigovat a cíleně řídit podle potřeb praxe a finálních navrhovaných vlastností betonů. Výraznou roli zde opět hraje správný výběr typů a dávek jemnozrnných příměsí a superplastifikačních či stabilizačních přísad. Ve finální podobě SCC ovšem hraje významnou roli i kvalita plniva – drobného a hrubého kameniva (objemové hmotnosti, tvarový index atd.) tento problém je zcela jiný v případě hutných normálních SCC a lehkých či ultra lehkých hutných SCC, kde sypná hmotnost kameniva je výrazně nižší než hustota silikátové kaše. Předložená práce popisuje základní požadavky na vlastnosti čerstvých SCC, které je nutné dodržet pro dosažení samozhutnitelnosti po uložení do bednění a dopady užití různých typů či dávek jemnozrnných příměsí a přísad do betonu. Pozornost je věnována i lehkým SCC, na jejichž vývoji a zavedení do praxe se autor významně podílel. Současně jsou ukázány vlivu různé skladby kaší na jejich viskozity či vývoj teplot při jejich tvrdnutí s možností redukce negativních objemových změn. Výzkum této problematiky probíhá pod jeho vedením nepřetržitě na ÚTHD FAST od roku 1997. Výsledky celé řady řešených výzkumných projektů prací aplikovány do výuky předmětů technologie betonu a každoročně jsou do vývojových prací zapojováni diplomanti a doktorandi ústavu a výsledky jsou velmi rychle přenášeny do praxe. Takto je zajištěna kontinuita vývoje SCC. V současné době je úroveň tohoto směru v technologii betonu v ČR naprosto srovnatelný s úrovní vyspělých zemí.
24
9 [1] [2] [3]
[4]
[5] [6]
[7] [8]
[9]
[10] [11] [12] [13] [14]
[15] [16]
[17] [18]
[19]
POUŽITÁ LITERATURA BARTOS, P. Fresh Concrete: Workability and Tests. In Elsevier Science Publisher. Amsterdam, 1992, Hardback, 308 pp, ISBN 049-220704. BARTOS, P.J.M., CLELAND, D.J. (Eds.) Special Concrete: Workability and Mixing. London, In E&FN Spon. March 1993, 288p. MARRS, D.L., BARTOS, P.J.M. Development and Testing of Self-Compacting Grout for the Production of SIFCON. In High Performance Fibre Reinforced Cement Composites (HPFRCC 3). Reinhardt, H.W. and Naaman, A.E. (Eds.) Proc. of the Third Intl. RILEM Workshop, Mainz, Germany, 1999, pp 171-179. WALLEVIK, O.H., NIELSSON, I. Self-compacting concrete a rheological approach. In Proceedings of the Intl. Workshop on Self-compacting Concrete. Ozawa K. and Ouchi M (Eds.), Japan Society of Civil Engineers, Tokyo, 03/1999, ISBN 4-8106-0310-5, p.136-159. KUROIVA, S., MASTUOKA, Y., HAYAKAWA, M., SHINDOH, T. Application of superworkable concrete to construction of a 20-storey building. In ACI SP-140. 1993. WALLEVIK, O.H., NIELSSON, I. (Eds.) Self-compacting Concrete. In Proc. 3rd Intl. Symposium, Reykjavik. 2003, RILEM Publications s.a.r.l, 2002, ISBN 2-912143-42X, 1028p. WALLEVIK, J.E. Thixotropic behaviour of cement pastes. In Annual Transactions Nordic Rheology Society. Reykjavik 2004, pp. 21-28. KUČEROVÁ, H., RÖSSLER, CH. Spolupůsobení cementu a superplastifikačních přísad z pohledu reologického chování cementové pasty. In 6. Odborná konference doktorského studia s mezinárodní účastí Juniorstav 2004. Brno, pp.263. BANFILL, P.F.G., SWIFT, D.S. The effect of mixing on the rheology of cement-based materials containing high performance superplasticisers. In Annual Transactions Nordic Rheology Society. Reykjavik 2004, pp.9-12. PUNKTEUNKTE, W. Wasseranspruch von feinen Kornhaufwerker. In Beton 5/2002. pp. 242 – 248. BIGLEY, C., GREENWOOD, P. Using silica to control bleed and segregation in selfcompacting concrete. In Concrete. 2/2003. pp.43-45. RAMACHNDRAN, V.S., MALHOTRA, V.M., JOLICOEUR, N., SPIRATOS, C. Superplaticizers Properties and aplications in concrete. JAMEL, A. Intersuchungen zum Fleissverhalten von zementmörtel und Frischveton. In Dissertation Bauhaus-Universität Weima. 1997 pp. 78-79. HAYAKAWA, M., MATSUOKA, Y., SHINDOH, T. Development and application of super workable concrete. In RILEM International Workshop on Special Concretes: Workability and Mixing. Paisley, 1993. KERN, E. Anwendung von Betonzusatzmitteln. Arten, Eigenschaften und Ersatzgebiete. In Beton. 9/97, pp. 359-362. PETERSEN, B.G., GUNDERSEN, N.L. Effect of lignosulphonate plasticiers on rheological properties of ordinary portland cement with fly ash. In Annual Transactions Nordic Rheology Society. Reykjavik 2004, pp. 39-46. BARTOS, P.J.M., CLELAND, DJ, MARRS, DL (Eds.) Production Methods and Workability of Concrete. London, In E&FN Spon. June 1996, ISBN 0419220704, 541p. DE SCHUTTER, G, BOEL, V. (Eds.) SCC 2007. In Proceedings of the 5th Intl. Symposium on Self-compacting Concrete. Ghent, Sept. 2007, RILEM Publications s.a.r.l., Cachan, France. GRAUERS, M et al. Rational production and improved working environment through using self-compacting concrete. In EC Brite-EuRam Contract No. BRPR-CT96-0366. 1997-2000.
25
[20] PETERSSON, O, SKARENDAHL, A. (Eds.) Self-Compacting Concrete. In Proc. 1st Intl. Symposium. Stockholm 1999, RILEM Publications s.a.r.l. Cachan, 2000, 154p ISBN 2912143-23-3. [21] OUCHI, M., OZAWA, K. (Eds.) Self-compacting Concrete. In 2nd Intl. Symposium. Tokyo, 2001, COMS Engineering Co., ISBN 4-901514-04-0, 741p. [22] HELA, R. Progresivní technologie – samozhutnitelné betony s využitím odpadních surovin. In Habilitační práce. VUT v Brně, 2002. [23] EuroLightCon, LWAC Material Properties State-of-the-Art. BE96-3942/R2, 12/ 1998. [24] MECHTCHERINE, V., HAIST, M., MÜLLER, H.S. Development of Self-compacting lighweight concrete with and without fibre-reinforcement. In Non-traditional cement and concrete 2002. Brno 2002. str.249-259. ISBN 80-214-2130-4. [25] Norsk Leca, SINTEF cit.. www.sitef.no. www.leca.dk. [26] Brite EuRam BRPR-CT96-0366 (1997 – 2000), National production and improved working environment through using self compacting concrete, Final technical report, 2000. http://www.civeng.ucl.ac.uk/research/concrete/. [27] HELA, R., HUBERTOVÁ, M. Ready mixed self compacting concrete. In Innovations in Structural Engineering and Construction. 1. Melbourne, Talylor&Francis London. 2007. p. 477 - 483. ISBN 978-0-415-45754-5. [28] HUBERTOVÁ, M., HELA, R. Development and experimental study on the properties of lightweight self compacting concrete. In 5th RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete. 1. Ghent, Belgie. 2007. ISBN: 963 219 273 7. [29] CHIA, K.S., ZHANG, M.H. Influence of Rheological Parameters on the Stability of Fresh High-Strength Lightweight Aggregate Concrete. In 7th CANMET/ACI International Conference on Recent Advances in Concrete Technology. Las Vegas, 2004. str.77 – 91. [30] HAQUE, M.N., AL-KHAIAT, H, KAYALI, O. Strenght and durability of lightweight concrete. In Cement and Concrete Composites 26. (2004) 307-314. [31] EuroLightCon, Stability and pumpability of lightweight aggregate concrete-Test methods, Document BE96-3942/R21, December 1998. ISBN: 90-376-0498-6. [32] EuroLightCon, Pumping of lightweight aggregate concrete based on expanded clay in Europe, Document BE96-3942/R11, December 1998. ISBN: 90-376-0498-6. [33] KAPRIELOV, S., KARPENKO, N., SHEINFELD, A., KOUZNETSOV, E. Influence of multicomponent modifier containing silica fume, fly ash, superplasticizer and air-entraining agent on structure and deformability of high-strength concrete. In 7th CANMET/ACI international conference on superplasticizers and other chemical admixtures in concrete. Berlin 2003, pp. 99-116. [34] BYUNG-GI, K., TAE-HO, A., BUM-GU, K., YONG-TAE, K. Effect of Superplasticizer Type on the Properties of High-Perormance Concrete Incorporating Metakaolin. In 7th CANMET/ACI international conference on superplasticizers and other chemical admixtures in concrete. Berlin 2003, pp. 83-98. [35] HODNE, H., SAASEN, A. Rheological modelling of cementitious materials. In Annual Transactions Nordic Rheology Society. Reykjavik 2004, pp. 109-113. [36] NAIK, T.R., SIDDIQUE, R., RAMME, B.W. Influence of Fly Ash and Chemical Admixtures on the Setting Time of Cement Paste and Concrete. In 7th CANMET/ACI international conference on superplasticizers and other chemical admixtures in concrete. Berlin 2003, pp.263-283. [37] VERONEZ, M., CALMON, J.L., DOS SANTOS, S.B., ANDRADE, M.A.S. Metakaolin and Silica Fume HPC Made With Different Kinds of Superplasticizers a Comparison of Physical and Mechanical Properties Development. In 2nd fib Congress. Naples 2006, pp. 322-323. [38] DE SCHUTTER, G., BARTOS, P.J.M. DOMONE, P., GIBBS, J. Self Compacting Concrete. In Whittles Dunbeath. 2008, pp.10.
26
ABSTRACT Technology of self-compacting concrete (SCC) originates in Japan where it was first mentioned in 1989. This technology spread rather fast into other countries also because of very intensive research and wider and wider field of practical application. The Czech Republic recognized the new trend very early and first experimental work started in 1997 at the Institute of Technology of Construction Materials and Parts FAST at the Technical University in Brno. In 1988, first significant building was constructed with technology developed at the Institute – 60 m high cooling tower Itterson. The tower was also the first construction in the world build of SCC with climbing formwork. Then the technology of SCC developed very fast and new modifications emerged, like SCC with dispersed reinforcement, high-strength, highly durable, light and ultralight SCC. Self-compacting concrete is often considered the most successful innovation of recent times in the field of concrete structures and building industry as such. SCC has developed very rapidly since 1994 from the stage of drawing up required properties to the stage of everyday use on the market. SCC can be defined as fresh concrete capable of flowing and filling up all space of formwork only by means of its own weight and force of gravity, displacing all air bubbles and forming dense and sufficiently homogeneous material with no need of further compaction. To put it simply, SCC fills formwork like viscous liquid and needs no energy from outside to make it compact. The basic requirements of high “mobility” and capability of flowing through reinforcement, at the same time resistance to sedimentation, segregation and bleeding sets high demands regarding composition and rheological properties of fresh concrete. Basic traditional concrete components are topped with considerable high proportion of very fine particles – additives with maximal size of grain 0.25 mm and relative high dosage of highly effective admixtures – polycarboxylate based superplasticizers. If fact it was the development of these admixtures around 1955, that started the era of SCC. Rheology of common fresh concrete is limited to simple testing of consistency – like Slump test. However, SCC requires different approach and designing stage has to pay attention to the system water-cement-additives-admixtures in liquid phase. Since superplasticizers, powder additives and cements vary, there is a broad field of changing and selecting final properties of both fresh and hardened SCC. The process of designing SCC is based on testing properties of liquid pastes – mostly with rotary viscometers – and then the matrix is topped up with appropriate and strictly designed granulometry of particles including fillers of grain size max. 22 mm. Change of composition and, which is more important, the proportions of silicate matrix and filler as a matter of course cause problems like faster and higher development of hydration heat, larger volumetric changes - shrinking and potential formation of shrinking cracks or decreasing of static elasticity modulus and hence formation of larger permanent deformation. Detailed study of connection among individual components of SCC can successfully correct mentioned properties and design them in accordance with requirements of different practical applications. Of course, proper selection of type and proportion of fine additives and superplasticizers or stabilizers is again very important. Quality of filler – fine and coarse aggregate (volumetric weight, shape index, etc.) plays an important role in final design of SCC. This problem is completely different for standard dense SCC and light or ultra-light dense SCC, where bulk weight of aggregate is considerably lower than density of silicate paste. The thesis describes basic requirements of properties of fresh SCC, which are necessary to follow to achieve self-compacting property for placing in formwork, and impact of different types or dosages of fine-grained additives and admixtures for concrete. The theses also pays attention to light-weight SCC, the development and putting into practice of which was considerably supported by the author. At the same time, influence of differences in composition of paste on its viscosity or
27
development of heat during hardening and possibilities of reducing negative volumetric changes are discussed. This problem has been researched continuously under the supervision of the author at the Institute of Technology of Construction Materials and Parts FAST since 1997. Results and solutions of many research projects have been incorporated into the classes of Concrete Technology and many students and doctoral candidates are involved in research work; their results are quickly used in practice. This approach ensures continuity of SCC development. At present, the level technology of SCC in the Czech Republic can be compared to any advanced country.
28
