KAPITOLA 5: BETONY Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích Institute of Technology And Business In České Budějovice
Tento učební materiál vznikl v rámci projektu "Integrace a podpora studentů se specifickými vzdělávacími potřebami na Vysoké škole technické a ekonomické v Českých Budějovicích" s registračním číslem CZ.1.07./2.2.00/29.0019. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
KAPITOLA 5: BETONY KLÍČOVÉ POJMY: beton, skladba betonu, tuhnutí, tvrdnutí, vlastnosti betonů, speciální betony
Cíle kapitoly: podat přehled o složení betonu, požadované kvalitě jednotlivých složek, druzích betonu a jejich vlastností. Beton je materiál vznikající zatvrdnutím směsi kameniva (plniva), cementu (pojiva), vody a přísad do formy umělého kamene.
5.1 DĚLENÍ BETONŮ Dělení podle funkce: a) Betony nenosné Jsou betony s malou pevností v tlaku. Jsou používány pro doplňkové konstrukce jako mazaniny, výplňové lehké betony, zálivky pro nenosné prvky, vyrovnávací betony apod. b) Betony nosné jsou betony konstrukční, které tvoří nosnou část konstrukce stavby, schopnou přenášet zatížení na ni kladené. b1) konstrukční b2)
silniční
b3)
vodostavební
5.1 DĚLENÍ BETONŮ b1) konstrukční betony – betony používané pro nosné prvky jako základové konstrukce, stěny, tyčové prvky nosné – sloupky nebo pilíře, vodorovné stropní prvky – stropní desky, trámy, překlady, průvlaky, střešní konstrukce ploché i zakřivené. • prosté jsou betony bez výztuže jen pro prvky, které jsou namáhány pouze tlakem tj. základy, silné stěnové prvky např. opěrné zdi, masivní pilíře apod. • slabě vyztužené jsou betony s minimálním stupněm vyztužení • železové jsou betony s výztuží v množství a tvaru podle jednotlivých nosných prvků s optimálním nebo dovoleným stupněm vyztužení v limitních hodnotách daných ČSN EN • předpjaté – jsou betony, do kterých, vyjma klasické výztuže, jsou vkládány pruty nebo lana, která do prvku vnáší předpětí
5.1 DĚLENÍ BETONŮ b2) silniční betony jsou betony se zvýšenou pevností v tahu, s vysokou odolností proti působení atmosférických srážek, s chemickou odolností proti působení posypových solí, s upravenou vysokou povrchovou pevností a tvrdostí a v neposlední řadě s vysokou odolností proti mechanickému poškození povrchu a se sníženou obrusností. b3) vodostavební betony jsou betony používané a specielně určené pro přerušovaný nebo trvalý styk s vodou. Používají se pro stavbu suterénních konstrukcí pod hladinou spodní vody, pro inženýrské stavby vodních děl. Jsou upraveny zejména tyto vlastnosti: vodotěsnost, odolnost proti mrazu, mechanickým a chemickým účinkům vody a minimalizace objemových změn.
5.1 DĚLENÍ BETONŮ Dělení podle způsobu výroby a provádění v podmínkách stavby: • monolitické betony jsou betony výhradně zpracovávané na stavbě do bednění nebo do výkopů, případně do bednících tvárnic • montované betony jsou betony zpracovávané ve výrobnách prefabrikátů, do tvaru prvků na stavbu dovážených a montovaných a spojovaných na stavbě. Dělení podle objemové hmotnosti: • • • •
lehké betony s objemovou hmotností do 2.000 kg/m3 obyčejné betony s objemovou hmotností od 2000 do 3000 kg/m3 těžké betony s objemovou hmotností od 3000 do 3500 kg/m3 velmi těžké betony s objemovou hmotností od 3500 do 5500 kg/m3
5.1 DĚLENÍ BETONŮ Dělení betonů podle struktury • hutné betony - neobsahují nebo mají minimální množství vzduchových mezer a dutin do 18 %. Malta z cementového tmelu zcela vyplňuje mezery mezi zrny kameniva. • mezerovité betony jsou charakteristické dutinami, mezerami a póry v množství větším než 18 %. Pro výrobu tohoto betonu se používá hrubého kameniva jediné frakce, a toto kamenivo vytváří skelet, který neumožňuje zalití dutin cementovým tmelem. • pórovité betony jsou jemnozrnné betony, ve kterých jsou umělou cestou vytvořeny póry. Množství pórů je vysoké.
5.1 DĚLENÍ BETONŮ Dělení podle množství pojiva: • hubené s malým množstvím cementu a převažujícím množstvím kameniva, vyznačují se nízkými pevnostmi a malou odolností
• polomastné – běžné typy betonů se středním množstvím cementu limitovaným ČSN EN, • mastné (tučné) s nadměrným množstvím cementu s vyšší smrštitelností a náchylností k tvorbě trhlin.
5.1 DĚLENÍ BETONŮ Dělení podle vlastností: • vysokopevnostní • vodotěsné • mrazuvzdorné – snášející střídavé účinky vody a mrazu • žárovzdorné odolávající teplotám vyšším v rozmezí 300-900 °C • odolné proti obrusu se sníženým obrusem horní vrstvy • chemicky odolné vůči agresivním vodám • tepelně izolační • s odolností a ochranou proti záření
5.1 DĚLENÍ BETONŮ Betony vodotěsné jsou koncipovány současně i jako betony mrazuvzdorné. Stupeň vodotěsnosti je vyjádřen hodnotou tlaku vody, která na beton působí a při které beton nesmí propustit vodu.
Rozlišujeme tyto druhy vodotěsnosti: • V 2 max. tlak vody při zkoušce 0,2 MPa • V 4 max. tlak vody při zkoušce 0,4 MPa • V 8 max. tlak vody při zkoušce 0,8 MPa • V 12 max. tlak vody při zkoušce 1,2 MPa
5.1 DĚLENÍ BETONŮ Mrazuvzdorné betony musí odolávat střídavým účinkům vody a mrazu. Míra mrazuvzdornosti je poměr hodnoty pevnosti střídavě zmrazovaných a rozmrazovaných vzorků k hodnotě porovnávacích vzorků obou zkoušených na ohyb. Značky mrazuvzdorného betonu jsou dány číslem, které určuje nejvyšší počet cyklů střídavého zmrazování a rozmrazování (1cyklus = 1 zmrazení a 1 rozmrazení) po kterou součinitel mrazuvzdornosti nesmí klesnout pod 0,75 • Třídy:
T 50 T 100 T 150 T 250
• Současné značení
XF1
XF2
XF3
XF4
5.2 SLOŽKY BETONU Kamenivo Je částí betonu tvořící jeho pevnou a nosnou kostru. Používají se písky se zrny 0,05 - 4 mm, štěrky a drtě se zrny od 4 - 125 mm. Přírodní kamenivo se těží z přírodních nalezišť a používá se ve formě vytěžené bez úpravy – např. písek říční, valouny, suti nebo po vytěžení upravované obvykle drcením. Umělé kamenivo je vyráběno záměrně jako výrobek např. keramzit, keramické sbalky, liapor, nebo je upravováno jako odpadní surovina z jiné výroby, např. popílek, škvára, vysokopecní struska, keramická cihelná drť.
5.2 SLOŽKY BETONU Kritéria pro volbu kameniva: Objemová hmotnost: Podílí se výrazně na objemové hmotnosti betonu samého. Používá se kamenivo: • kamenivo pórovité s objemovou hmotností do 1.800 kg/m3
• kamenivo hutné s objem. hmotností větší než 1.800 kg/m3 Pevnost kameniva Výrazně ovlivňuje pevnost betonu. Volené kamenivo by mělo mít vždy min. stejnou pevnost, jako má být pevnost betonu.
5.2 SLOŽKY BETONU Tvar a velikost zrn: Tvar zrn je určen způsobem výroby. Kamenivo těžené má tvar zrn oblý. Protože toto kamenivo se těží z řek, naplavenin, suťovišť apod. může být znečistěné bahnem, jemnými jílovitými částicemi, které svou přítomností v betonu negativně ovlivňují vlastnosti hotového betonu. Štěrkopísky kopané zase mohou obsahovat humusovité látky, které působí v betonu rovněž negativně. Relativně čisté kamenivo je kamenivo předrcené a drcené. U upravovaného typu kameniva je nutno uvažovat tvar drceného zrna a velikost zrn. Tvar zrn je důležitým faktorem ovlivňujícím mezerovitost betonu.
5.2 SLOŽKY BETONU Podle velikosti zrna dělíme drcené kamenivo na: • drobné s velikostí do 4 mm • hrubé s velikostí od 4 mm do 125 mm • štěrkopísky jsou směsí drobného a hrubého kameniva těženého
• štěrkodrti jsou směsí drobného a hrubého kameniva drceného Mimo toto základní rozdělení kameniva jsou pro výrobu betonu dále používány: • kamenná výsivka odpadní bez zaručené velikosti zrna • kamenné moučky s velmi jemným zrněním
5.2 SLOŽKY BETONU Vhodný tvar zrn: kulovitý, kostkovitý Nevhodný tvar zrn: jehlicovitý, destičkovitý, tyčinkovitý, lasturovitý Pro charakteristiku tvaru zrn používáme hodnoty tvarového indexu. Tvarový index je číslo, které je dáno podílem největšího rozměru k nejmenšímu rozměru. Stejnoměrná a tedy optimální zrna mají tvarový index menší než 1,5, nestejnoměrná a tedy zrna vyvolávající mezerovitost mají tvarový index větší než 1,5. Kamenivo pro betony konstrukční by se mělo skládat vždy z min. dvou frakcí.
5.2 SLOŽKY BETONU Nežádoucí částice a chemické složení kameniva Výrazně negativně ovlivňuje zejména pevnost betonu. • Odplavitelné částice zejména jíly se zrny velmi jemnými – menšími než 0,005 mm, prachová zrna. • Sloučeniny síry – především sirníky a sírany obsažené v samotném kamenivu. Jejich přítomnost za působení vody vyvolává jejich rozpouštění a chemické reakce s cementovou složkou • Humusovité látky výrazně ovlivňují průběh tvrdnutí betonu • Hlinité částice a hliněné hrudky jsou jílovitého původu a snižují pevnost betonu, i když v první fázi zpracování vykazují zlepšení zpracovatelnosti betonové směsi
5.2 SLOŽKY BETONU Mechanické a fyzikální vlastnosti výrazně ovlivňují vlastnosti bet • otlukovost kameniva – tj. odrcování povrchu kameniva při míchání betonu. • nasákavost kameniva je dána petrografickým složením konkrétně voleného kameniva. Cement - Funkce pojiva je vázána na rozmíchání cementu s vodou na cementový tmel, který probíhající chemickou reakcí s vodou postupně tuhne a následně tvrdne a tedy spojuje zrna kameniva v betonu. Cement si po zatvrdnutí ponechává dlouhodobě pevnost a svoji stálost.
5.2 SLOŽKY BETONU Voda Vstupuje do výroby betonu ve dvou podobách a funkcích: • voda hydratační tj. voda nutná pro průběh hydratace cementu, nazýváme ji také vodou technologickou, chemicky vázanou. Minimální množství vody pro zajištění hydratace je obvykle cca 23 – 25 % z hmotnosti cementu. • Voda záměsová nebo tzv. reologická tj. voda potřebná pro zajištění konzistence a plasticity směsi pro její řádné zpracování. Do této kategorie patří i voda ošetřovací, tj. voda, používaní pro vlhčení tvrdnoucího betonu po dobu jeho tvrdnutí.
5.2 SLOŽKY BETONU Voda vhodná pro výrobu betonu je voda pitná i voda užitková pokud neobsahuje množství solí nad přípustnou hodnotu a neobsahuje humnové látky a látky organického původu jako rašelinu, uhlí, cukry, tuky a oleje apod., které negativním způsobem ovlivňují hydratační proces. Jako záměsové vody se nesmí používat voda rybniční, slatinná, hladová a vody odpadní a splaškové. Pro stanovení množství vody v betonové směsi slouží tzv. vodní součinitel. Hodnota vodního součinitele se pohybuje od 0,25 do 1,2. Hodnota vodního součinitele výrazně ovlivňuje nejen zpracovatelnost zatvrdlého betonu, ale i pevnost betonu v tlaku.
5.3 HYDRATACE Hydratační proces probíhá mezi cementem a záměsovou vodou v okamžiku zamíchání. Nerosty v cementovém slínku v suchém cementu jsou v bezvodé formě. Při zamíchání cementu s vodou nerosty ve slínku hydrolyzují a následně hydratují. Do základní reakce vstupuje zejména oxid vápenatý, který nejdříve hydrolýzou rozkládá a následně vznikají sloučeniny s chemicky vázanou vodou, které postupně v přesyceném roztoku krystalizují a vzájemně prorůstají v průběhu hydratace. Hydratace je tedy chemický a fyzikální proces, při němž kašovitá cementová směs přechází do tuhého a následně do tvrdého stavu. V průběhu hydratace se uvolňuje hydratační teplo, jehož výše je závislá na chemickém složení cementu, množství minerálů a jemnosti mletí slínku.
5.4 TUHNUTÍ A TVRDNUTÍ Tuhnutí - Začátek tuhnutí je dán pevnostní třídou a druhem cementu – jeho aktivitou. Tvrdnutí je chemický a fyzikální proces navazující na fázi tuhnutí s pokračující hydratací. Rychlost tvrdnutí je dána chemickým složením slínku a jemností mletí cementu. Tvrdnutí probíhá z počátku intenzivně, pak se zpomaluje, až se ustálí po několika létech. Největší nárůst pevnosti nastává po 28 mi dnech. Tuto pevnost betonu považujeme za základní.
5.5 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI BETONU Pevnost betonu v tlaku se pohybuje od 6 do 70 MPa, u vysokopevnostních betonů až 100 MPa. Pevnost betonu v tahu pohybuje se cca v hodnotách 1/10 až 1/15 pevnosti v tlaku Modul pevnosti betonu je závislý na pevnosti betonu a pohybuje se v hodnotách cca 14 až 40 GPa. Poissonovo číslo má vazbu na druh cementu a pohybuje se cca od 0,08 do 0,3. Trvanlivost betonu souvisí s mrazuvzdorností, pórovitostí a nasákavostí betonu a jeho odolností proti působení agresivních vod a plynů. Vodotěsnost betonu – ovlivněna pórovitostí.
5.5 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI BETONU Smršťování betonu je vázáno na vysychání vody z tvrdnoucího betonu, probíhá dlouhodobě a je odvislé od druhu cementu. Hodnota smrštění se pohybuje od 0,2 do 0,65 mm/m. Bobtnání betonu nastává při trvalém ponoření betonu do vody. Pohybuje se v rozmezí 0,1 až 1 mm / m. Dotvarování vzniká při trvalém zatížení konstrukce v průběhu cca. 5 let jako dlouhodobá deformace. Pohybuje se v rozmezí 0,1 až 1 mm / m. Tepelná vodivost je závislá na pórovitosti a objemové hmotnosti. Je vysoká a v hodnotě od 1,2 do 1,8 W.m-1 . K-1. Součinitel tepelné roztažnosti se udává hodnotou 9 až 12.10-6 K-1
OTÁZKY A ÚKOLY Jaké jsou hlavní složky betonu? Jaké vlastnosti má mít kamenivo?
Jaké vlastnosti sledujeme u cementů? Jaké požadavky máme na záměsovou vodu? Co je to tuhnutí betonu? Co je to tvrdnutí betonu a jak dlouho trvá? Jak se dělí betony podle použití Co je to pórobeton a jeho užití? Co je to pěnobeton a jeho použití? Co ovlivňuje trvanlivost betonu?
