KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE BETON VZTAH MEZI STRUKTUROU A VLASTNOSTMI

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

BETON – VZTAH MEZI STRUKTUROU A VLASTNOSTMI

BETON – vztah mezi strukturou a vlastnostmi


• Úvod • Chemie cementu – složení, typy, aplikace • Vznik porézní struktury betonu Definice betonu Hydratace cementu Struktura betonu Voda v hydratované cementové mikrostruktuře Póry v hydratované cementové mikrostruktuře Vnitřní a vnější faktory ovlivňující porézní strukturu betonu • Vliv porozity na vlastnosti betonu Pevnost Permeabilita Tepelná vodivost • Vliv vnějších podmínek na vlastnosti betonu Působení vysokých teplot Vliv nízkých teplot Destrukce betonu vlivem působení agresivních látek


Literatura • Chemie ve stavebnictví, O. Henning, V. Lach, SNTL/ALFA, 1983. • Stavební hmoty, L. Svoboda a kolektiv, JAGA Group s.r.o., Bratislava, 2004. • Czernin, W., Cement Chemistry and Physic for Civil Engineers, Bauverlag GMBH, Berlin, 1980. • Powers T. C., The Physical Structure and Engineering Properties of Concrete, Research and Develop. Bull. Of Portland Cement Ass. Skokie, No. 90, 1958. • Feldman, R. F., Sereda, P. J., A New Model for Hydrated Portland Cement and its Practical Applications. Engng. Jour. (Canda), 53, 1970, 8-9, 53-59. • Midness, S., Young, J. F., Concrete, Prantice-Hall, Inc., New Jersey, 1981, 657s..

Úvod I/VI


• Jeden z historicky nejstarších stavebních materiálů. • V současnosti je to nejčastěji používaný materiál ve stavebnictví – důvodem jeho časté aplikace je především všestrannost a univerzálnost vlastností. Množství stavebního materiálu použitého v USA, 2000 Materiál

Objem (106 m3)

Hmotnost (106 t)

Stavební dřevo

107

-

Beton

275

640

Cement

33

105

Ocel

2

13

Pálené cihly a produkty z jílů

-

39

Stavební kámen

0.3

1

Asfalt

_

2

Neželezné kovy

_

29

Úvod II/VI


• Důvod časté aplikace betonu ve stavebním průmyslu je možné zdůvodnit následujícími výhodami betonu: Výhody

Nevýhody

Možnost odlití specifických tvarů

Nízká pevnost v tahu

Ekonomické výhody

Nízká tažnost

Trvanlivost

Objemová nestálost

Požární odolnost

Nízký poměr pevnosti ku hmotnosti

Energetické výhody?? Možnost produkce přímo na stavbě Estetické vlastnosti Schopnost tepelné akumulace

Úvod III/VI


• První významný krokem pro širší produkci betonu představuje poznání hydraulických vlastností vápenných pojiv obsahujících jílové minerály. Historický přehled (vývoj Portlandského cementu): • Prvou hmotou, kterou vzhledem k použitým surovinám, způsobu výroby i vlastnostem, můžeme považovat za materiál podobný betonu, byla směs vápna, drcených cihel a sopečného tufu používaná Féničany již kolem roku 1000 př. Kr. ke stavbě vodovodních přivaděčů a zásobních cisteren na vodu. • Féničané navazovali nepochybně na starší empiricky získávané znalosti starověkého stavitelství. • Ve druhém století př. Kr. vynalezli Řekové novou zdící techniku, kdy masivní kamenná zeď s mezerou uprostřed byla výplní z lité malty a lomového kamene zpevňována a vytvářela zdivo nazývané emplekton

Úvod IV/VI • Od Řeků převzali emplekton Římané, propracovali složení výplňové malty skládající se z vápna, sopečného tufu, drceného kamene s pískem a tuto maltu nazvali opus caementum • Tento termín se v průběhu vývoje změnil až na dnes jednotný název hydraulického pojiva - cement. • Prudký rozvoj průmyslové výroby v 17. a 18. století znamenal i rozvoj výroby staviv, především betonu. • V roce 1796 získal Angličan James Parker patent na přírodní hydraulický cement – výroba kalcinací nečistého vápence obsahujícího jíl. • Obdobný proces je možné pozorovat ve Francii o 6 let později. V roce 1813 připravil Vicat (Vicatův přístroj pro stanovení doby tuhnutí cementu) umělé hydraulické vápno kalcinací syntetické směsi vápence a jílu. • V roce 1822 zavedl proces výroby hydraulického vápna v Anglii James Frost. • Konečně v roce 1824, Joseph Aspdin (stavitel z Leedsu) obdržel patent na výrobu „portlandského cementu“

Úvod IV/V


• Po poznání hydraulických vlastností vápenných pojiv s přidáním jílových minerálů se následující vývoj soustředil výhradně na zdokonalení pojivé složky – cementu (úprava složení – vstupní suroviny, pece pro výrobu cementu, mlýny, atd.) • Během vývoje betonu byla formulována celá řada technologických zásad, které přetrvávají v drobných změnách až do padesátých let 20. století. • Kvantitativním skokem v poznání kompozitního charakteru betonu byla až práce T. C. Powerse, který prokázal, že pevnost, trvanlivost, mrazuvzdornost a vodopropustnost jsou funkcí porozity a struktury betonu.

Isle of Portland

Úvod VI/VI


• Současné výzkumné a vývojové práce jsou v podstatě založeny na snaze snížit porozitu betonového kompozitu na minimum. • Prvním krokem byl úspěšný vývoj nových typů plastifikátorů umožňujících podstatně snížit obsah záměsové vody a tím snížit množství pórů vzniklých při jejím vypařování během hydratace. • Další vývoj přinesl přidání jemných pojiv s latentně hydraulickými vlastnostmi (pucolány), díky čemuž bylo možné zvýšit homogenitu směsi a umožnit dokonalejší hydrataci – snížení porozity, nárůst pevnostních charakteristik současných nových typů betonu. • Aplikace mikroplniv – např. mikrosilika – amorfní SiO2 - křemičitý úlet z výroby kovového křemíku. Mikropřísady mají schopnost vyplnit mikropóry, sníží se tak množství použité vody, dochází k maximálnímu zhutnění, zvýší se pevnost a sníží se pórovitost, reagují také s Ca(OH)2 – dokonalejší prohydratování.

Princip výroby cementu (opakování)

1. Výroba surovinové moučky Na základě přesných chemických analýz se upraví poměr jednotlivých složek surovinové směsi. Jsou to především vápence znečištěné příměsí silikátů a železité konkrece. Surovinová směs je mleta v oběhových kulových mlýnech - homogenizace směsi – zároveň je směs sušena. Hotová moučka se poté dopravuje do železobetonových zásobních a homogenizačních sil. 2. Výpal portlandského slínku Nejdůležitějším procesem výroby cementu je výpal slínku. Surovinová moučka prochází výměníkem tepla, ve kterém dochází k předehřátí suroviny na teplotu 800 °C. Ve výměníku dochází k využití tepla kouřových plynů a k dokonalému zachycení oxidu siřičitého, který se přeměňuje na síran vápenatý (sádru). Pálením až na mez slinutí (cca 1450 °C) se tvoří umělé, tzv. slínkové minerály, které se následným prudkým zchlazením v chladiči stabilizují a vzniká slínek. Slínek je následně dopraven do zásobních sil. 3. Mletí cementu Ze slínkových sil se slínek odebírá pro mletí v cementových mlýnech, kde se mele společně s regulátory tuhnutí (energosádrovec), případně dalšími složkami (struskou, popílkem a jinými) na hotový produkt – cement, který je veden do cementových sil a následně expedován.

ZÁKLADNÍ SUROVINY PRO VÝROBU CEMENTU Rozlišujeme tři základní typy surovin pro výrobu cementu: - základní – tvoří hlavní část surovinové směsi: vápenaté – vápence, jílovité vápence, slínovce, krystalické vápence KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

(mramory) – hlavním minerálem je kalcit (CaCO3), nevhodné jsou dolomitické vápence, tj. karbonátové horniny s vyšším podílem dolomitu – CaMg(CO3)2, - MgO způsobuje rozpínání cementu Optimální obsah CaCO3 ve vápenci je udáván zhruba v rozmezí 75 až 80 hm. %, zbytek připadá na jílovité složky, křemen, sloučeniny železa apod. K takovéto surovině pak není potřeba přidávat jíl nebo další složky obsahující SiO2, Al2O3, Fe2O3. - jílovité (sialitické) - hlíny, jíly, slíny, jílovce, jílovité břidlice - horniny sedimentárního původu, obsahující zejména jílové minerály (fáze tvořené SiO2, Al2O3, popř. Fe2O3 a dalšími oxidy) Tyto složky se do surovinové směsi přidávají v případě, že základní složkou směsi je vysokoprocentní vápenec, obsahující příliš mnoho CaCO3.

- vedlejší suroviny (korigující) – přidávají se v menším množství, korekce obsahu hydraulických oxidů, např. Fe2O3, SiO2 - loužence - kyzové výpražky (při výrobě kys. sírové), ocelárenské kaly (korekce Fe2O3), bauxit (korekce Al2O3), křemičitý písek, křemelina KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

(korekce SiO2) - snaha o co nejnižší cenu finálního výrobku - použití odpadních látek namísto přírodních surovin - pomocné suroviny – použití v malém procentním obsahu, upravují vlastnosti surovinové směsi za syrova nebo v průběhu výpalu - intenzifikátory pro výpal slínku: látky, které při malém přídavku snižují viskozitu kapalné fáze – fluorit CaF2 - pro mletí slínku: látky, které zkracují dobu mletí - mineralizátory: látky, které ovlivňují tvorbu některých slínkových minerálů, - regulátory tuhnutí: látky, které slouží k regulaci průběhu tuhnutí cementu po jeho rozdělání s vodou – sádrovec CaSO4 . 2 H2O

Cementářské moduly – definují zastoupení hlavních surovin v cementářské směsi


Hydraulický modul

Hm 

CaO Al2O3  Fe2O3  SiO2

Nízký hydraulický modul – nižší hydratační teplo, pro vyšší hodnoty hydraulického modulu získáváme vysokou počáteční pevnost, optimální hodnota pro hydrataci 1.75 – 2.4. Silikátový modul

SiO2 Sm  Al2O3  Fe2O3

Čím je větší, tím pomaleji cementy tvrdnou, typické hodnoty se pohybují v intervalu 1.7 – 2.7. Aluminátový modul

Am 

Al2O3 Fe2O3

Hodnoty v rozsahu 1.5 – 2.5 – čím vyšší, tím vyšší hydratační teplo cementy vyvíjejí.

Reakce v surovinové směsi během výpalu portlandského slínku


Teplota (°C)

Reakce

Chemická rovnice

20 - 200

vypuzení volné vody (sušení)

-

200 - 450

vypuzení adsorbované vody

-

450 - 600

rozklad jílu, vnik metakaolinitu

Al4(OH)8Si4O10 →2(Al2O3·2SiO2) + 4H2O

600 - 900

reakce metakaolinitu vznik C2S a CA Al2O3·2SiO2 + 5CaCO3 → (před C2S), dále C2F

CaO·Al2O3+ 2CaO·SiO2 + 5CO2 2CaCO3 + Fe203 → 2CaO·Fe2O3 + 2CO2

900 - 1000

rozklad vápence, vznik 2CaO·SiO2

CaCO3 → CaO + CO2

a CaO·Al2O3

5CaO + 2SiO2 + Al2O3 → 2(2CaO·SiO2) + CaO·Al2O3

1000 - 1300

vznik dalšího C2S, dále vznik C4AF a zkrácené vzorce: C3A,

dosavadní

reakce

bez

účasti 2C + S → C2S

taveniny (v tuhé fázi)

CA + 2C → C3A CA + 3C + F → C4AF

1300 - 1450

vznik taveniny (slinování), reakce za C2S + C → C3S účasti taveniny, vázání přebytku C na C2S za vzniku hlavního slínkového minerálu C3S


Vznik hlavních složek slínku v závislosti na teplotě výpalu

JEMNOST MLETÍ


Jemnost mletí je zásadní výrobní operací vzhledem k použití cementu. Jemně mleté cementy rychle hydratují (mají větší měrný povrch), mají větší počáteční a konečné pevnosti, vyvíjejí větší hydratační teplo, při zpracování jsou plastičtější. Minimální jemnost mletí Portlandského cementu je 225 m2.kg-1. Mletí slínku může být jednostupňové (troubové mlýny s otevřeným nebo uzavřeným okruhem) nebo dvoustupňové, skládající se z krátkého mlýna na hrubé mletí a většího mlýna na jemné mletí. Přísady používané při mletí portlandského slínku: - hlavní (regulátory tuhnutí): sádrovec, dnes v podobě energo- nebo chemosádrovce, - vedlejší (upravují směsnost, jde o přísady s hydraulickými vlastnostmi): vysokopecní granulovaná struska, přírodní nebo umělé pucolány, - speciální (upravují průběh mletí nebo provzdušňovací, plastifikační, hydrofobizační).

vlastnosti

cementu

–


VÝPAL SLÍNKU – tepelná pásma: do 200°C – sušící 200 – 800°C - předehřívací 800 – 1200°C - kalcinační (dekarbonizatační) 1300°C – exotermické 1400°C – 1450°C – slinovací 1100°C – 1000°C - chladící hydratační rychlost teplo hydratace (kJ.kg-1)

vzorec

označení

zastoupení (%)

trikalciumsilikát dikalciumsilikát

C 3S C 2S

alit belit

37 - 75 5 - 40

500 250

rychlá střední

trikalciumaluminát

C3A

amorfní fáze

3 - 15

910

velmi rychlá

tetrakalciumaluminát ferit

C4AF

brownmillerit (celit)

9 - 14

420

rychlá

oxid vápenatý

CaO

volné vápno

<4

1160

pomalá

oxid hořečnatý

MgO

periklas

<6

název

pomalá


• Porovnání rychlosti hydratace slínkových minerálů


Základní druhy cementu - v závislosti na složení vstupních surovin, jejich poměru, aplikací dalších pomocných a přídavných látek získáváme celou řadu cementů s odlišným chemickým a mineralogickým složením a tím i zcela odlišných vlastností - z pohledu využití jednotlivých typů cementů ve stavebnictví dělíme cementy na: • cementy pro obecné použítí • cementy speciální Cementy pro obecné použití definuje technická norma ČSN EN 197-1 ed.2. V této normě jsou cementy pro obecné použití označovány jako CEM a jsou děleny do pěti základních skupin. Všechny tyto cementy mají za základní složku portlandský slínek. Kromě výše uvedeného dělení cementů pro obecné použití do pěti základních kategorií se v označení cementů uvádí také hodnota jejich pevnostní třídy, která představuje pevnost cementové pasty po 28 dnech hydratace. V České republice se v současné době vyrábějí pevnostní třídy cementů 32,5, 42,5 a 52,5 (22,5) . U rychlovazných cementů dosahujících vysokých počátečních pevností se připojuje označení třídy cementu R. Cementy, která mají standardní dobu, tuhnutí, se označují N.



Stanovení pevnosti cementu - pevnost je nejdůležitější vlastností, zjišťuje se pevnost v tahu za ohybu na trámečcích 40 x 40 x 160 mm a pevnost v tlaku na jejich zlomcích ve stáří 28 dnů Příprava malty pro zkoušení cementu: - zkušební tělesa se zhotovují ze záměsi plastické malty obsahující:  jeden hmotnostní díl cementu (450 ± 2g),  tři hmotnostní díly normalizovaného písku CEN (3 x 450 g = 1350 ± 5 g),  0.5l vody (225 ± 1 g),  vodní součinitel voda/cement 0,50. Zkoušky pevností se nejčastěji provádějí po: 24 hodin ± 15 minut / 48 hodin ± 30 minut / 72 hodin ± 45 minut / 7 dnů ± 2 hodiny / 28 dnů ± 8 hodin.

• CEM I Portlandský cement – obsahuje portlandský slínek a max. 5% minoritních přísad


• CEM II Portlandský cement směsný – obsahuje portlandský slínek a max. 35% dalších složek • CEM III Vysokopecní cement – tvořen portlandským cementem a vyšším procentuelním zastoupením vysokopecní strusky • CEM IV Pucolánový cement – obsahuje portlandský cement a max. 55% pucolánových příměsí • CEM V Směsný cement – tvořen portlandským cementem, vysokopecní struskou, elektrárenským popílkem a pucolánovými příměsemi


• Výše uvedené typy cementů se používají v Evropě.


• Například v USA se pro klasifikaci cementu používá norma ASTM C150, pro směsné cementy norma ASTM C595. • Je nutné zmínit odlišné chápání směsných cementů v Evropě a v USA, neboť směsné cementy v evropském smyslu se v USA produkují velmi málo, neboť minerální příměsi jsou do struktury betonu přidávány nejčastěji až při míchání čerstvé betonové směsi.


Speciální cementy: • od běžných typů cementů liší svým složením, výrobou, a následným mechanismem tuhnutí • silniční – charakteristický limitovaným obsah C3A ve slínku (< 8% ) a pevností v tahu za ohybu minimálně 6,5 MPa (musí odolávat zvýšenému tahovému a smykovému namáhání), mele se na měrný povrch maximálně 350 až 370 m2/kg) • hlinitanový cement • expanzivní cement • vysokohodnotný cement - obsahuje vysoké procento C3S, jemně mletý, • bílý cement (barevné cementy) – vyrábí se z bílých vysokoprocentních vápenců a kaolinu s nízkým obsahem oxidů železa (< 1%), přidání pigmentů • barnatý a strontnatý cement - při výrobě je vápník nahrazen baryem a stronciem, betony vytvořené z tohoto cementu odolávají vlivům mořské vody, jsou chemicky stálé a pohlcují škodlivé paprsky jaderného záření (BaCO3) • síranovzdorný cement – navržen pro použití v prostředí s vysokou koncentrací síranových iontů, musí mít obsah C3A < 3% • cementy upravené přísadami – hydrofobními, plastifikačními, fungicidními (sila), provzdušňujícími apod.


Expanzivní cementy  Jednu z hlavních nevýhod betonu na bázi Portlandského cementu představuje jeho objemová kontrakce, ke které dochází při jeho vysychání během hydratace (smrštění) – pokud je tomuto smrštění bráněno (např. konstrukčně) vzniká v betonu tahové napětí, které může být doprovázeno vznikem trhlin.  Náhodné trhliny v betonové kci. jsou jednak neestetické, ale závažnější problém je, že ve svém důsledku mohou narušit integritu celé konstrukce. Z tohoto důvodu je nezbytné již v návrhu konstrukcí tak při jejich provádění zohlednit vliv případného smrštění.  Vznik trhlin je kritický zejména pro konstrukce zadržující kapalnou vodu (přehrady, nádrže) a pro konstrukce, ke kterým voda nesmí proniknout.  Jako logické řešení problému smrštění se jeví možnost vnesení počátečního objemového rozpínání v betonu v rámci počátečního stádia hydratace a tvrdnutí – viz. Obr.  ačkoli běžný Portlandský cement vykazuje velmi malou počáteční rozpínavost během mokrého procesu jeho ošetřování, jeho rozpínavost může být cíleně modifikována – shrinkage control (expanzivní cementy)


Smrštění betonu při vysoušení - Portlandský cement


Smrštění betonu při vysoušení expansivní cement


Složení expanzivních cementů  Všechny tyto cementy jsou založeny na formaci podstatného množství etringitu v počátečním stádiu hydratace (během prvního týdne)  V podstatě se vyrábějí tři základní varianty těchto cementů, K, M a S, - liší se původem hlinitanové sloučeniny, ze které je následně při hydrataci tvořen etringit Hlinitan vápenatý + S_ + H

etringit

 Zreagovaný hlinitan vápenatý nahradí C3A v cementu, přičemž vápenaté křemičitany zajišťují dlouhodobé vlastnosti materiálu Příklad: typ E-1(K) – využíván jenom v USA, složen z calcium sulfoaluminate (C4A3S_) s anhydritem (CS_) – CaSO4, společně s volným vápnem zvyšují množství etringitu a tím i objemovou expanzi materiálu


Hlinitanový cement I/IV - HC je hydraulické pojivo pro výrobu betonů určených pro monolitické či prefabrikované stavby pecí a vyzdívky, tzv. žárobetonů (do 1600°C), betony odolné vyšším teplotám (nad 200°C) - surovinovou směs tvoří čistý vápenec a bauxit (Al2O3·2 H2O) - výroba je velmi nákladná  elektrické tavení v obloukové elektrické peci při 1500-1600°C (tzv. elektrotavený korund), tavenina se pomalu ochlazuje tak, aby vznikl krystalický CA, který se následně mele na prášek - slínek se skládá z 45% Al2O3 (žárovzdorné až 81%), 40% CaO, zbytek tvoří oxidy železa a křemíku a zbytkové příměsi. Výsledné vlastnosti betonu také ovlivňuje nemalou měrou použité kamenivo - slínkové minerály v hlinitanovém cementu CA (monokalciumaluminát, hlinitan monovápenatý) C2A (dikalciumaluminát) C3A5, C3A2, C2AS, C4AF, C5A3

Hlinitanový cement II/IV


- slínek po smíchání s vodou rychle hydratuje na CaO. Al2O3.10H2O, za uvolnění značného tepla 550-650 J/g (PC 270-400 J/g) a dosahuje vysokých počátečních pevností 20-60 MPa/24 hod Druh a složení hydrátů závisí na teplotě hydratace: 22°C

CA+10H → CAH10

22-30°C

2CA+11H → C2AH6+2AH3

30°C

3CA+12H → C3AH6+2AH3

nad 30°C

3CA+10H → C3AH6+2AH3+18H

vysoká pórovitost, tvorba trhlinek → pokles pevnosti, proto je nutné snižovat poměr v/c.

Hlinitanový cement III/IV - při nedostatečném ošetřování betonu (vlhčení a to ihned po zatuhnutí), vzniká nebezpečí tvorby málo pevného C3AH6


- na to má vliv i rychle hydratující C5A3 s nestabilní strukturou, která se může projevit snižováním pevnosti betonu během času - to se potvrdilo i několika haváriemi betonových konstrukcí, proto se od roku 1985 u nás nesmí HC používat k výrobě betonu nosných konstrukcí V současné době se hlinitanový beton používá pro nenosné, dočasné nebo vysokoteplotní aplikace:         

výroba žárobetonů, urychlení tuhnutí a tvrdnutí OPC, havarijní oprava betonových konstrukcí a krytů vozovek, nádrže pro minerální vody, kanalizace (odolnost vůči kyselinám), betonování a opravy za nízkých teplot, průmyslové podlahy, podlahové potěry a samonivelační stěrky, rozpínavé malty a lepidla na dlaždice, ochranné povlaky, těsnící hmoty, podkladové a správkové malty, těsnění trhlin, lokální bariéry proti prosakující vodě.

Pro praktické využití hlinitanového cementu (betonu) je možno zohlednit tyto jeho výhody:  extrémně vysoké počáteční pevnosti (jednodenní pevnosti hlinitanového


cementu jsou vyšší než osmadvacetidenní pevnosti portlandského cementu),  vysoká odolnost proti působení síranů,  značný vývin hydratačního tepla (vhodné pro zimní betonáž),  odolnost proti působení vysokých teplot,  odolnost vůči biokorozi,  vyšší odolnost vůči mrazu ve srovnání s portlandským cementem.


Žárobeton, beton odolný vyšším teplotám - kamenivo


- pro výrobu hutných žárobetonů s objemovou hmotností vyšší než 1500 kg na metr kubický, vystavených teplotám do 700°C postačí přírodní kamenivo Přírodní kamenivo nesmí při vyšší teplotě měnit své mechanické vlastnosti a nesmí se vlivem vysoké teploty smršťovat. Nejvhodnějšími přírodními kamenivy pro hutné žárobetony je čedič, diabas a nebo andezit. Naprosto nevhodnými kamenivy jsou křemenná kameniva a žula. Křemenná kameniva vlivem vysoké teploty pukají a žula se vlivem vysoké teploty nadměrně smršťuje. - pro hutné žárobetony vystavené teplotám v rozsahu 800°C až 1000°C již nelze použít přírodní kamenivo Pro tyto teploty lze použít buď drcený keramický střep a nebo drcenou pomalu chlazenou vysokopecní strusku. Pro teploty nad 1000°C lze použít jako kamenivo drcený šamot, korund, karborundum, drcený bauxit anebo chromit.

Vznik porézní struktury betonu


Definice betonu: Z pohledu materiálového inženýrství můžeme beton definovat jako heterogenní soustavu kameniva propojenou cementovým gelem s rozptýlenými póry. Beton nelze považovat za hmotu, jejíž vlastnosti jsou neměnné – - probíhají v něm časově závislé změny, ke kterým dochází v pojivu (ztvrdlé cementové maltě) a v zóně mezi touto hmotou a kamenivem vlivem krystalizace hydratačních sloučenin, odpařování vody z pórů i vlivem vnějšího působení na beton Vznik betonu je vázán na přeměnu pojivé složky cementu, který po smíchání s vodou chemicky reaguje a mění svou počáteční konzistenci vysokoviskózní vodné suspenze – cementové pasty, na pevnou formu hmoty - cementový gel

Teorie tvrdnutí cementu


 krystalová teorie Le Chateliera (1882): 1. fáze – postupné rozpouštění cementu ve vodě (hydrolýza+hydratace), výsledkem hydráty přesycený roztok 2. fáze – krystalizace z roztoku a vylučování jehličkovitých, vzájemně zplstěných krystalů  koloidní teorie Michaelisova (1892): 1. fáze – částečné rozpouštění, tvorby koloidní hmoty z CS-, CA- a CF-hydrátů, vznikají tzv. C-S-H gely 2. fáze – smrštění hydrogelu vlivem „vnitřního odsávání“ vody ještě nehydratovanými zrny cementu • gelově krystalová teorie Bajkova (1923) • teorie tvorby mikrostruktury Rebinděra a Polaka (1960) • teorie struktury gelu Powerse (1961) • atd. Obecně je možné se přiklonit k názoru, že tvrdnutí a tvorba pevné cementové matrice probíhá na principu gelověkrystalické teorie.

Hydratace cementu - probíhá ve třech indukčních periodách 1. perioda: (10 – 15 minut)


- téměř okamžitě reaguje podstatná část C3S za vzniku hydrosilikátového gelu a krystalického portlanditu 2(3CaO.SiO2) + 6H2O

3CaO.SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

- zároveň probíhá také reakce C3A za přítomnosti sádrovce na hexagonálně krystalický ettringit, který postupně přechází na monosulfát tvořící destičky

3CaO.Al2O3 + 3CaSO4.2H2O + 26H2O

3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O + 2(3CaO.Al2O3) + 4H2O 3(3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O) monosulfát


vznik elektrické dvojvrstvy, dané nepohyblivou silikátovou vrstvou a pohyblivými ionty Ca2+ - uvolňování Ca2+ a OH

nukleace a krystalizace hydratačního produktu na konci indukční periody

Počáteční stádia hydratace C3S

Hydratace cementu II


2. perioda: ( končí po 12 – 24 hodinách) - spojena s přechodem cementové pasty do tuhého skupenství - základní hydratační reakce trikalcium silikátu se rozvíjí za vzniku dlouhovláknitého kalciumhydrosilikátu a zvětšených krystalků portlanditu - dochází k nárůstu měrného povrchu systému až 100x - zrna cementu se k sobě přibližují prorůstáním krystalů hydratačních produktů - probíhá hydratace ferritové fáze 4CaO.Al2O3.Fe203 + 4CaO(OH)2 + 22H2O + 4CaO. Fe203.13H2O

4CaO.Al2O3.13H2O

Hydratace cementu III


3. perioda: - časově neohraničený úsek tvrdnutí betonu zahrnující hydrataci C2S - dozrávání,hydratace dosud nezhydratovaného podílu cementových zrn a rekrystalizace hydratačních produktů vlivem difúze vody z vnějšího prostředí 2(2CaO.SiO2) + 4H2O

3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2

Množství hydratačního tepla závisí na mineralogickém složení, jemnosti mletí a teplotě, při níž hydratace probíhá, přísadách a přídavcích a vodním součiniteli. S rostoucí teplotou se rychlost reakcí zvyšuje.


Pokročilé stádium hydratace C3S (Afwillit – CSH gel nedokonalé krystalické formy, CSH I (lístečkovité útvary) a CSH II (vláknitý)


Struktura ettringitu, portlanditu a C-S-H gelu v hydratujicim portlandskem, cementu, zvětšeni 3500x



Hydratující reaktant

Produkt hydratace

C3S C2S C3A C3A C3A C3A C3A C4AF CaO

C3S.3H2O C2S.2H2O C3A.6H2O C2A.8H2O CA.10H2O CA.11,6H2O C3A.3CaSO4.32H2O Ca(OH)2

Celkové hydratační teplo [J/g] 502,3 259,5 866,5 983,7 1050,7 1092,5 1452,5 418,6 1167,5




Struktura betonu I Makrostruktura – hodnocená podle řezu betonového prvku a hodnocena pouhým okem, ukazuje beton jako dvousložkový materiál, který obsahuje kamenivo různých velikostí a tvarů a pojivo, jako nesouvislou vrstvu zhydratovaného cementu propojující kamenné plnivo

makrostruktura betonu

Struktura betonu II Mikrostruktura – mikroskopické pozorování např. elektronovým mikroskopem – struktura pojiva je v různých místech značně rozdílná, zdánlivě homogenní pojivo má porézní strukturu o různé velikosti a tvaru pórů  propojení póry je závislé především na vodním součiniteli, složení betonu a ošetřování během hydratačního procesu

mikrostruktura betonu

Struktura betonu III Elektronová mikroskopie umožnila identifikovat čtyři základní pevné složky zhydratované cementové pasty:


 Kalcium silikát hydrát (C-S-H)  Kalcium hydroxid (C-H)  Kalcium sulfoalumináty (C-S-A-H)  Nezhydratovaná cementová zrna


CSH CSH


Etringit Portlandit (CH)


Pozorování a detekce alkalicko-křemičité reakce v betonu pomocí SEM

Přenos trhlin do okolního cementového gelu Křemičité kamenivo s extenzivními vnitřními trhlinami v důsledku ASR


Pozorování a detekce ASR v betonu pomocí SEM II

Tvorba alkalicko-křemičitého gelu v trhlinách betonu V části trhlin je přítomen také etringit


Struktura betonu IV  Kalcium silikát hydrát (C-S-H), C-S-H gel - zaujímá 50-60% objemu a je určujícím faktorem vlastností cementového gelu - má variabilní morfologický obraz a je charakteristický existencí krystalických vláken až po vláknité mřížkovité útvary - tvorba C-S-H gelu začíná růstem vláknitých útvarů na cementových zrnech vlivem reakce s vodou - s postupem času se tloušťka hydratující složky zvyšuje a stává se pro další vodu nutnou k postupu reakce překážkou – snižuje se hydratační rychlost


Struktura betonu V  Kalcium hydroxid (C-H), portlandit - zaujímá 20 – 25% objemu pevné fáze zhydratované cementové pasty - vytváří rozměrné hexagonální krystaly - je mu přisuzován nepříznivý vliv na chemickou odolnost betonu především v kyselém prostředí  Kalcium sulfoalumináty (C-S-A-H) - zaujímají 15 – 25% objemu - v počátečním stádiu tvrdnutí jsou zdrojem tvorby etringitu, který posléze transformuje na monosulfát hydrát C4ASH18, který tvoří hexagonální krystaly - zhoršuje odolnost betonu vůči síranům  Nezhydratovaná cementová zrna – jejich přítomnost a množství jsou závislé na vodním součiniteli betonové směsi, velikosti cementových zrn a kameniva, stupni hydratace.


Průběh hydratace cementového zrna

1 – nezhydratovaný zbytek zrna, 2 – vnitřní C-S-H hydrát, 3 – vnější C-S-H hydrát, 4 – dendritické krystalky portlanditu, 5 – hranice zrna na počátku hydratace


Voda v hydratovaném cementovém pojivu I Voda je stálou složkou mikrostruktury ztvrdlé cementové pasty (cementové gelu).  Kapilární voda - volná voda v makropórech (>0,05 mm) a v technologických dutinách závislá na vnějším prostředí uloženého betonu, změna jejího množství nemá podstatný vliv na mechanicko-fyzikální parametry betonu - voda přítomná v malých kapilárách je oproti tomu pevně poutána a její ztráta se projevuje smršťováním - fyzikálně adsorbovaná voda na povrchu struktury hydratačních útvarů – při vysušování betonu se projevuje smršťováním - uvnitř C-S-H struktury je monomolekulární vrstva vody pevně zakotvená vodíkovými můstky – při relativní vlhkosti nižší než 11% vede k razantní objemové změně ztvrdlé cementové pasty

Voda v hydratovaném cementovém pojivu II


 Chemicky vázaná voda - je součástí sloučenin vzniklých hydratací cementu - její odstranění je možné pouze působením vysokých teplot a vede k samotné destrukci betonu

model Feldman, Sereda

Póry v hydratovaném cementovém pojivu


 póry ve struktuře betonu je třeba dělit a klasifikovat v souladu s jejich vznikem při výrobním procesu (přechod z heterogenní viskózní suspenze na pevnou formu hmoty)  gelové póry, kapilární póry a technologické póry (vzniklé při míchání stržením okolního vzduchu, uzavřené kulové póry úmyslně vytvořené přidáním přísad, póry kameniva )  póry kameniva se obvykle pohybují v rozsahu 1 – 5%, vápenec např. 24%  představy o uspořádání porézní struktury C-S-H se měnily v závislosti na kvalitě experimentálních metod a zařízení  nemění se však definice gelových pórů, které jsou definovány jako součást struktury C-S-H gelu

Klasifikace pórů v hydratované cementové pastě


Původní představa uspořádání C-S-H gelu podle Powerse a Brownyarda


Model struktury C-S-H gelu podle Feldmana a Seredy

Vnitřní a vnější faktory ovlivňující porézní strukturu  chemický proces tvrdnutí betonu je ovlivněn celou řadou vnitřních a vnějších faktorů, které rozhodují o jeho výsledných vlastnostech


- velikost pórů i jejich distribuce jsou časově závislé parametry  chemické složení slínku  jemnost mletí slínku  vodní součinitel v/c (zpracovatelnost betonové směsi)  ošetření betonu  teplota, při které probíhá hydratace

značná disperze zrn cementu ve vodě, během následného zrání zůstává část záměsové vody v kapilárních pórech (v/c např. 0.8) nízký vodní součinitel (např. 0,4) - při zamíchání zrna cementu v bližším kontaktu, následně se vytvoří vyšší objemový podíl hydratačních produktů


Rozdělení pórů dle jejich velikosti v tvrdnoucí cementové pastě po různé době hydratace

Kumulativní objem pórů (cm3/g pasty)


Vliv vodního součinitele na distribuci pórů betonu

Vodní součinitel

Průměr pórů Velké kapiláry

Malé kapiláry

Gelové póry

zásadní vliv na strukturu porézního prostoru hydratované cementové pasty má velikost vodního součinitele, případně vliv přidání plastifikačních a superplastifikačních přísad, které v podstatě snižují množství záměsové vody až na minimální hodnoty z pohledu zpracovatelnosti betonové směsi.

Vliv teploty hydratace na porézní strukturu betonu  obecně platí, že zvýšená teplota hydrataci urychluje a její pokles vede ke snížení reakční rychlosti hydratace – zastavení hydratace


 za hraniční teplotu je považována teplota -10°C  nastartování hydratace při nižší teplotě vede k tvorbě struktury s převažujícím podílem dobře vyvinutých krystalů tobermoritu (Ca5[Si3O8(OH)]2·2-5H2O – zvýšení celkové pevnosti  rychlá počáteční hydratace při zvýšené teplotě vytváří tlustší zónu kolem zrn slínku, která je málo propustná pro vnější vodu a hydratace se zbrzdí  vliv na průběh a velikost smršťování (tahová napětí, doprovázená zužováním kapilár – rychlost odpařování vody)

Zpracovatelnost betonové směsi • zpracovatelnost je vlastnost betonové směsi se pohybovat a být zhutňována


• nutné sledovat pro dopravu, čerpání, ukládání a vhodné zalití ocelové výztuže (pohyblivost) • zhutnitelnost je nezbytná vlastnost pro vypuzení zachyceného vzduchu z čerstvého betonu pomocí vibrace – zajištění vysoké hutnosti betonu a soudružnosti s výztuží • měření zpracovatelnosti pomocí sednutí kužele (ČSN EN 12350-2 Zkoušení čerstvého betonu - Část 2: Zkouška sednutím): - pokles výšky betonového vzorku, který je naplněn do formy tvaru kužele (Abramsův kužel) o výšce 300 mm - stanovení tříd konzistence S1 – S5


Rozdílné sednutí kužele betonů s různou třídou konzistence


Příklady sednutí a použití betonů s různou konzistencí

- volba vhodné zpracovatelnosti je ovlivněna typem konstrukce (hustotou výztuže, tvarem a velikostí konstrukce) a hutnící technikou - kromě válcovaného betonu a posuvného bednění je pro většinu bet. konstrukcí vhodná zpracovatelnost S3 (měkká) – S5 (tekutá) - čím více výztuže a složitější tvar konstrukce (bednění) tím vyšší třída zpracovatelnosti

Měření zpracovatelnosti – zkouška VeBe (ČSN EN 12350-3) - použití pro zavlhlé směsi, u nichž se neprojeví sednutí kužele


- měří se čas, za kterou bude celá deska v kontaktu s betonem

Zpracovatelnost a spolehlivost konstrukcí


- dobře zpracovatelný beton vyžaduje méně účinné zhutňování (menší požadavky na kvalitu pracovní čety)


Účinek vibrace na strukturu betonů

- beton o vyšší zpracovatelnosti je spolehlivější – zajištění pevnosti a celistvé struktury i bez vibrování - kaverny u S1 představují riziko z pohledu koroze výztuže i betonu

Stupeň zhutnění - stupeň zhutnění (dc) betonové konstrukce se stanovuje z jádrového vývrtu z konstrukce a ze vzorku dokonale zhutněného betonu, který


byl zhotoven pro zkoušky 28denní pevnosti

dc= d/d0 d ….. objemová hmotnost jádrového vývrtu d0 … objemová hmotnost dokonale zhutněného vzorku


Stupeň zhutnění ve vztahu k pevnosti betonu

Vliv porézního prostoru na vlastnosti betonu I


porézní struktura je charakterizována porozitou, měrným objemem pórů, specifickým povrchem pórů a jejich distribuční funkcí  vliv na pevnost betonu v tlaku

S  S 0  e  kp S pevnost hmoty o dané porozitě p porozita S0 pevnost materiálu o nulové porozitě k konstanta (charakteristika materiálu) U betonu komplikuje otázku vztahu porozity a pevnosti v tlaku problém mikrotrhlin, které vznikají v průběhu zrání smršťováním především v zóně mezi ztvrdlou cementovou pastou a kamenivem (transition zone).


Pevnost v tlaku vs. porézní prostor pro různé druhy cementových malt po 28 dnech


Pevnost v tlaku v závislosti na čase tvrdnutí a změna pórovitosti v čase


Závislost pevnosti v tlaku na porozitě ztvrdlé cementové pasty

Vliv porézního prostoru na vlastnosti betonu II


 vliv na tepelnou vodivost - tepelná vodivost betonu je závislá na pórovitosti a s tím spojeném obsahu vody v pórech, přičemž stupeň nasycení ovlivňuje hodnotu součinitele tepelné vodivosti více než porozita


Vliv porézního prostoru na vlastnosti betonu III

 permeabilita K (propustnost) - určuje průchodnost kapalin betonem a má přímou vazbu na trvanlivost s ohledem na odolnost proti působení cyklického zmrazování a vysušování (vnitřní namáhání porézní struktury) - definována Darcyho zákonem

dq H K dt L -dq/dt rychlost toku kapaliny -  viskozita kapaliny - ∆H gradient tlaku - A plocha tělesa - L tloušťka tělesa


Změna vodopropustnosti cementové pasty v závislosti na postupující hydrataci (v/c = 0.7)

Vliv vnějšího prostředí na ztvrdlou porézní strukturu cementového pojiva I


 účinek vysokých teplot - komplexní jev, který závisí především na: • složení betonu (w/c, typu a obsahu kameniva, typu cementu) • hutnosti a homogenitě betonu • zatížení betonové konstrukce během požáru – teplota, doba vystavení apod.


Vliv vnějšího prostředí na ztvrdlou porézní strukturu cementového pojiva II  působení vysokých teplot - negativní vliv zvýšení teploty okolního prostředí na beton je spojen se ztrátou vody v cementovém pojivu provázené se zásadními změnami pórovitosti - volná a kapilární voda se postupně odpařují – změna objemu, smršťování

Vliv vnějšího prostředí na ztvrdlou porézní strukturu cementového pojiva III  působení vysokých teplot


- při teplotě 150°C dochází ke ztrátě gelové vody a krystalické vody sulfoaluminátu - cca od 500°C se začíná rozkládat portlandit (narušení mikrostruktury cementového pojiva) - betony obsahující křemenné pojivo mění při teplotě cca 573°C beta formu SiO2 na alfa - úplné rozložení cementového pojiva nastává při teplotě vyšší než 800°C – úplný rozklad CaCO3 - měření pomocí termické analýzy


Termická analýza vzorků hydratovaného cementového pojiva


Termická analýza vzorků hydratovaného cementového pojiva, materiál ZR


Křemen – polymorfní materiál Polymorfismus (mnohotvárnost): existuje několik forem Modifikace: v současnosti známo 22 forem křemen (nízkoteplotní) romboedrická =2,65 g cm-3 -tridymitromboedrická 2,26 g cm-3 cristobalit tetragonální 2,32 g cm-3

-


Fázový diagram křemene

Chování betonu při požáru - trvanlivost betonové konstrukce při vystavení žáru může být definována jako její schopnost zachovat v případě požáru původní


funkci – udržet statické vlastnosti, ochrana ocelové výztuže

- vliv teploty na pevnost v tlaku betonu s křemičitým kamenivem

Chování betonu při požáru II - pokud je teplota žáru nižší než 750°C je snížení pevnosti betonu u betonu s uhličitanovým kamenivem nižší než v případě křemenného


kameniva - vysvětlováno vyšší spotřebou tepla na endotermickou reakci při rozkladu na oxid uhličitý při teplotě cca 800°C


Chování betonu při požáru III

- lehké betony s expandovaným jílem vykazují při požáru vyšší odolnost - zároveň mají i lepší tepelně-izolační vlastnosti – ochrana výztuže

Ochrana ocelové výztuže v betonu – krytí výztuže - ocelová výztuž ztrácí svoje mechanické vlastnosti při teplotách 450


– 500°C - zásadní význam má tloušťka a vlastnosti krycí vrstvy, která by měla udržet teplotu výztuže pod 450°C - beton v krycí vrstvě musí být dobře zhutněn (v případě lokálních poruch z důvodu nedostatečného zhutnění mohou horké plyny pronikat až k výztuži a zahřívat ji) - tepelná vodivost výztuže vyšší než betonu (cca 50 W/mK > 2 W/mK) – větší deformace výztuže (rozpínání) – porušení vazby mezi výztuží a betonem – oddělení krycí vrstvy - čím tlustší je krycí vrstva, tím nižší riziko lokálních trhlin vedoucích k výztuži


ŽB konstrukce po požáru

 Vliv nízkých teplot na vlastnosti betonu - rozrušování porézní struktury cementové pasty je způsobeno změnou skupenství vody v kapilárních pórech - pro beton vystavený působení mrazu musí být použito mrazuvzdorné kamenivo - přeměna je provázena objemovým nárůstem o cca 9% - vnitřní pnutí → tahové napětí ve struktuře betonu - porušení betonu může dojít pouze tehdy, když je stupeň nasycení (objem vody/objem pórů) vyšší než určitá prahová hodnota, tzv. kritické nasycení – závislé na porézní struktuře betonu

 Tři základní faktory pro zajištění mrazuvzdornosti betonu 1. Snížení objemu kapilárních pórů (0.1 – 10m) v cementové pastě –


dosáhneme snížením vodního součinitele – zabránění pronikání vody z vnějšího prostředí do betonu (snížení nasákavosti) 2. Provzdušnění betonu - zanesení uzavřených pórů (bublin) o průměru 100 – 300 m do struktury betonu, vzdálenost těchto pórů (spacing) 50 - 250 m, celkový objem dutin cca 4-6% z objemu betonu – uvolnění vnitřního napětí v betonu – se vzrůstajícím objemem ledu je do těchto pórů tlačena tekutá voda – nutnost blízkosti vzduchových bublin a kapilárních pórů, kde se mohou tvořit první krystalky ledu Při tání je voda transportována z velkých pórů opět do malých kapilárních pórů. 3. Použití hutného, mrazuvzdorného kameniva (účinek provzdušnění funguje pouze pro cementovou matrici)

 Po vícenásobném zatížení zmrazovacími cykly může dojít k částečnému zaplnění vzduchových bublin hydratačními produkty – betonová konstrukce může po určitém čase ztratit svou


mrazuvzdornost!!!

Mrznutí a tání v prostředí nasyceném rozmrazovacími solemi: - mostní konstrukce (desky, nosníky, uzávěry) vozovky, chodníky, apod. - jako rozmrazovací prostředky se používá nejčastěji NaCl, CaCl2 - nutno počítat také s jejich doprovodnými účinky: Působení NaCl • účinek chloridových iontů, které způsobují korozi výztuže • účinek Na+ iontů – možnost alkalicko-křemičité reakce s reaktivním kamenivem

 Příklady koroze ocelové výztuže Fe → FeO → Fe3O4 →Fe2O3 →Fe(OH)2 →Fe(OH)3 →Fe(OH)3·3H20


nárůst objemu korozních produktů

Působení CaCl2 • opět porušení pasivační vrstvy výztuže – koroze ŽB konstrukcí • reakce mezi CaCl2 a cementovou pastou (portlanditem) –


odlupování a vyluhování betonu – vznik oxichloriduvápenatého 3(Ca(OH)2) + CaCl2 + H2O → 3CaO·CaCl2·15H2O

koroze výztuže – odlupování krycí vrstvy


koroze výztuže, tvorba trhlin v důsledku koroze


rozpad betonových desek na mostě po působení CaCl2 jako posypové soli

Hodnocení mrazuvzdornosti betonu • před dodáním betonu na stavbu musí být laboratorně ověřena jeho mrazuvzdornost – stanovení součinitele mrazuvzdornosti k (%) • v ČR nejčastěji dle ČSN 73 1322 Stanovení mrazuvzdornosti betonu KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

- výpočet z dynamických modulů pružnosti, pevností v tahu za ohybu, pevností v tlaku k = 100 · En/E0 En (Mpa) dynamický modul pružnosti po n zmrazovacích cyklech (-20°C/20°C – 4h), měřeno nedestruktivně z rychlosti šíření ultrazvukových vln v materiálu En (Mpa) dynamický modul pružnosti po 28 dnech ošetřování betonu bez zmrazovacích cyklů - mezní hodnota součinitele mrazuvzdornosti pro mrazuvzdorný beton je 75%

Vliv součinitele prostorového rozložení vzduchových pórů - pokud je vzdálenost vzduchových pórů > 300 m → výrazný pokles součinitele mrazuvzdornosti pod limitní hodnotu – nutno upravit


množství provzdušňovací přísady, případně složení betonové směsi


 Destrukční chemické reakce V zásadě všechny látky, jejichž pH je menší než 12,5 snižují alkalitu tekutiny vyplňující póry a vytvářející rovnováhu mezi hlavními složkami zhydratované cementové pasty C-S-H a C-H. Účinnost a rychlost škodlivých reakcí je funkcí agresivity daných substancí a porozity. Široká škála látek, které jsou agresivní vůči betonu – běžně se v ovzduší a spodní vodě vyskytuje např. CO2, SO2, SO3, SO4, N0x a ClReakce vzdušného CO2 s Ca(OH)2 vede ke vzniku CaCO3 v povrchové zóně betonu, kde klesá postupně pH až pod hodnotu 9.0, která je považována za mezní pasivační hranici zaručující přirozenou ochranu ocelové koroze vůči korozi – objemový nárůst profilu výztuže vytváří napětí v betonu, odloupávání, destrukce. Účinek látek obsahujících ionty NO3, SO4 a Cl je dán tvorbou krystalických látek vzniklých reakcemi s hydratačními sloučeninami cementové pasty – výkvěty, rekrystalizace, krystalizační tlaky narušují vnitřní strukturu betonu


Klasifikace betonu – ČSN EN 206-1 Beton - Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda  podle objemové hmotnosti Obyčejný 2 000 - 2 600 kg m-3 Lehký  2 000 kg m-3 Těžký > 2 600 kg m-3  podle pevnosti podle charakteristické pevnosti v tlaku v MPa zjištěné na válcích o průměru 150 mm a výšce 300 mm (číslo před lomítkem) podle charakteristické pevnosti v tlaku v MPa zjištěné na krychlích o hraně 150 mm ve stáří 28 dní (číslo za lomítkem) C8/10, C12/15, C 16/20, C 20/25, C 100/115 LC 8/9, LC 12/13, LC 80/88


 Podle konzistence čerstvého betonu → stupně podle jednotlivých zkušebních metod Podle sednutí kužele S1-S5 Podle VeBe V0-V4 Podle zhutnitelnosti C0-C3 (Směs velmi tuhá, tuhá, plastická, měkká) Podle rozlití F1-F6  Podle největší frakce kameniva  Podle způsobu (technologie) výroby Přímo na staveništi Transportbeton  Podle vyztužení Prostý (neobsahuje výztuž se statickou funkcí) Železobeton (vyztužený ocelovými pruty nebo svařovanými sítěmi) Předpjatý beton (ocelová výztuž je předepnuta) Vláknobeton (obsahuje vlákna různých materiálů)  Podle účelu použití (funkce): Konstrukční Výplňový  Podle doplňkové funkce betonové konstrukce: Vodostavební Konstrukčně-izolační (pórobeton) Silniční Masivní Dekorační (pohledový)

Light transmiting concrete (Litracon) • beton obsahující 4 hm. % optických skleněných vláken • vykazuje dostatečné pevnosti pro použití do nosných konstrukcí (pevnost v


tlaku až 49 MPa, pevnost v ohybu 7.7 MPa) • vyráběn jako prefabrikované prvky a panely • používá se především pro architektonické prvky a design


Evropská brána, Komárom, Maďarsko


Vstup do muzea Cella Septichora, Pécs, Maďarsko


Fruängen Church, Stockholm, Švédsko


Specifikace betonu = souhrn všech požadavků na vlastnosti nebo složení čerstvého i ztvrdlého betonu pro jeho výrobu, přepravu, ukládání, zhutňování, ošetřování a další úpravu - nedílnou součástí projektu betonové konstrukce i zadáním pro výrobce betonu Musí obsahovat: • způsob použití čerstvého i ztvrdlého betonu • podmínky ošetřování betonu • údaje o rozměrech konstrukce (vzhledem k vývoji hydratačního tepla) • informace o působícím prostředí • požadavky na úpravu povrchu • požadavky na max. jmenovitou horní mez frakce kameniva • omezení pro použití některých složek Beton specifikován jako typový, nebo předepsaného složení

Specifikace typového betonu – základní požadavky ČSN EN 206 - 2


Základní požadavky specifikace od objednatele:  Pevnostní třída betonu v tlaku  Stupeň vlivu prostředí – bez nebezpečí koroze nebo narušení, koroze vlivem karbonatace, koroze vlivem chloridů (ne z mořské vody), koroze vlivem chloridů z mořské vody, působení mrazu a rozmrazování s rozmrazovacími prostředky nebo bez nich, chemické působení  Max. jmenovitá horní mez frakce kameniva  Kategorie obsahu chloridů  Stupeň konzistence nebo určená hodnota konzistence (transportbeton)  Pro lehký beton – objemová hmotnost, nebo její třída Podrobně v Stavební hmoty, L. Svoboda a kol., JAGA, Bratislava 2004.

Specifikace typového betonu II


 Pevnostní třída betonu v tlaku

Specifikace typového betonu III


 Pevnostní třída lehkého betonu v tlaku

Specifikace typového betonu IV


 Stupeň vlivu prostředí – podrobně pdf 1. 2. 3. 4. 5.

Bez nebezpečí koroze nebo narušení Koroze vlivem karbonatace Koroze vlivem chloridů, ne však z mořské vody Koroze vlivem chloridů z mořské vody Působení mrazu a rozmrazování (mrazové cykly) s rozmrazovacími prostředky nebo bez nich 6. Chemické působení 7. Koroze vlivem mechanického působení (obrus)

Přísady do betonu Plastifikátory


Superplastifikátory Urychlovače tuhnutí a tvrdnutí Zpomalovače (retardéry) tuhnutí a tvrdnutí Provzdušňovací činidla Přísady – chemické látky, které se do betonové směsi přidávají těsně před nebo v průběhu míchání – významně mění počáteční vlastnosti betonu i betonu zatvrdlého – přínos k optimalizaci fyzikálních vlastností betonu – ekonomický benefit - přísad se do betonu aplikuje pouze malé množství – typicky v rozsahu 1 až 2% hmotnosti cementu (i méně)

Plastifikátory - nárůst tekutosti a zpracovatelnosti cementové pasty, malty a betonu - jedná se o polymerní látky s dlouhým řetězcem KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

- hlavní typy založeny na kyselině lignosulfonové a hydroxycarboxylové a jejich různých solích - jsou relativně levné, na druhou stranu však obsahují velké množství nečistot - plastifikační účinek je způsoben povrchovou aktivitou polymerních molekul, které jsou adsorbovány na povrchu cementových zrn – tvorba negativního náboje v rozsahu milivoltů – vzájemné elektrostatické odpuzování cementových zrn


Cementová zrna bez aplikace plastifikátoru – shluky zrn

Aplikace plastifikátorů


Adsorpce plastifikátorů na povrchu cementových zrn

Disperze cementových zrn a uvolnění vázané vody – zvýšení tekutosti směsi

Plastifikátory - jsou také známy jako látky snižující množství záměsové vody – umožňují vytvořit beton o stejné zpracovatelnosti při nižším poměru w/c

nárůst pevnosti a trvanlivosti při stejném obsahu cementu


- od svého vzniku v 50. letech minulého století nárůst jejich aplikace Významné a pro některé aplikace nežádoucí vlastnosti plastifikátorů - působí také jako zpomalovače – zpomalení doby tuhnutí a snížení počáteční pevnosti - mohou také provzdušnit beton v důsledku vzniku vzduchových bublin - problémem je jejich nečisté chemické složení – na druhou stranu se jedná o látky relativně levné a jsme schopni jejich reakci cíleně modifikovat a optimalizovat

Superplastifikátory - více účinné než plastifikátory – použití pro dosažení tekutosti a


zpracovatelnosti - označovány jako high-range water reducers - na trh poprvé uvedeny v šedesátých letech 20. století – od té doby byly nepřetržitě modifikovány a stále častěji používány v praxi - mají vysokou molekulární hmotnost a vyrábí se v podstatně vyšší kvalitě (čisté látky) než plastifikátory

- může být dosaženo jejich vysokého primárního účinku bez sekundárních nepříznivých efektů - superplastifikátory představují jednu z nejdůležitějších složek vysokohodnotných a vysokopevnostních betonů

V současnosti se používají čtyři základní druhy superplastifikátorů 1. Modifikované lignosulfonany (MLSs) – čisté chemické složení lignosulfanových plastifikátorů s vyšší molekulovou hmotností – KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

vyšší účinnost 2. Sulfonované melaminformaldehyd kondensáty (SMFs) – sodná sůl 3. Sulfonované naftalenformaldehyd kondensáty (SNFs)- sodná sůl 4. Polymery obsahující skupiny kyseliny karboxylové, např. Polykarboxyláty (PCLs) – polyakryláty, akrylové ethery (PCE polycarboxylatethery), sulfonované polystyreny – vyvinuty nedávno, označovány jako superplastifikátory nové generace

Chemická struktura superplastifikátorů – q, p – počet monomerů


etylenoxidu (EO) v řetězci PC, PE, SLCA

- princip působení superplastifikátorů je obdobný působení plastifikátorů – způsobují vzájemné odpuzování cementových zrn a


prostorovou blokaci cementových zrn molekulami vody

Steric hindrance – prostorová blokace cementových zrn molekulami vody – působením pl. a superplastifikátorů dojde k vytvoření ochranného štítu pomocí molekul vody, jejichž orientace zabraňuje kontaktu cementových zrn MLMs, SMFs, SNFs – elektrostatické odpuzování cementových zrn PCLs – prostorová blokace působí ve stejné míře jako elektrostatické odpuzování - formování molekul polycarboxylového superplastifikátoru na povrchu cementových zrn


“Hřebenovité“ molekuly polycarboxylového superplastifikátoru na povrchu cementových zrn

schematické znázornění působení PC


Schematické znázornění působení PE na cementová zrna


Příklad ztekucovacího efektu různých plastifikačních přísad měřeného pomocí zkoušky rozlivu na cementové maltě

Chování superplastifikátorů ve vazbě na jejich přímé působení v betonu


 chování jakékoliv kombinace superplastifikátoru a cementu závisí na celé řadě vnějších a vnitřních faktorů - především na typu přísady, složení cementu, jemnosti cementu a na vodním součiniteli w/c  pro optimální přínos superplastifikátoru k vlastem betonu je vhodné jeho dávkování cca 1 – 2 minuty po prvním kontaktu cementu se záměsovou vodou - v případě, že je superplastifikátor aplikován ve stejném čase jako záměsová voda - jeho podstatná část je začleněna do rychlé reakce C3A se sádrou – redukce zpracovatelnosti

 působení superplastifikátorů je časově limitováno – v některých


případech, jako např. při transportu na větší vzdálenost problematické

ztráta zpracovatelnosti superplastifikovaného betonu při teplotě 20°C na bázi polykarboxylátu (PC) a sulfonovaného naftelenformaldehydu (SNF)

Metody zpomalení superplastifikační reakce - smíchání retardéru hydratace společně se superplastifikátorem - přidání superplastifikační přísady na staveništi před aplikací betonu KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

- opakované přidání superplastifikačních přísad v malém definovaném množství  pro specifický poměr plastifikátoru/hm. % cementu existuje ztv. „bod nasycení“ nebo optimální koncentrace, za kterou již nenarůstá tekutost betonové směsi – viz. obrázek


Stupeň nasycení v závislosti na obsahu plastifikátoru vztaženého k hmotnostním procentům cementu

Posun ukončení hydratace - u běžného superplastifikátoru na PCE bázi je cca 6 hodin – dávkování 0.4% z hmotnosti cementu (při vyšším dávkování časový posun vyšší)


- plastifikátor Woerment FM 375 – krátké základní řetězce (dlouhé postranní řetězce) – slabší spojení s cementovým zrnem – převažuje prostorové působení – polymer se může od cementového zrna oddělit a na jiném místě zase přilnout – lepší reagovatelnost zrn cementu s vodou – vyšší počáteční pevnosti v porovnání s běžnými PCE (výhodné např. pro betonáž v zimním období)

Urychlovače tvrdnutí (tuhnutí)


- zvyšují a zrychlují podíl hydratované části cementové pasty během hydratace – zvýšení počáteční pevnosti, snížení času ošetřování, možnost rychlejšího odformování, zkrácení doby tuhnutí v případě betonáže za snížené teploty – zvýšení poč. pevnosti (1-3denní) - v minulosti byl jako urychlovač tuhnutí používán CaCl2 – snadno dostupná látka a velmi účinná - CaCl2 vstupuje do reakce s C3A, sádrovcem a C4AF - zrychlení tuhnutí a tvrdnutí betonu – funguje jako katalyzátor hydratačních reakcí C3S a C2S - v důsledku aplikace CaCl2 dochází také k částečné modifikaci struktury C-S-H gelů - přítomnost chloridových iontů způsobuje iniciaci koroze výztuže – CaCl2 nemůže být použit pro vyztužené a předepnuté betonové konstrukce – vývoj nových typů akcelerátorů bez přítomnosti Cl iontů – látky na bázi dusičnanu vápenatého (Ca(NO3)2), dusitanu vápenatého (Ca(NO2)3), thiosíranu, tri-etanolaminu - zvýšení teploty hydratace!


Vliv přidání chloridu vápenatého na a) dobu tuhnutí, b) počáteční pevnost betonu

Retardéry  působí proti akceleraci hydratace v důsledku zvýšené teploty okolí – používají se zejména v případě, kdy má být beton transportován na


delší vzdálenost  kontrola tuhnutí ve velkých pórech – tuhnutí a tvrdnutí výrazně pomalejší – snaha o současné tuhnutí veškerých částí betonového prvku (vzorku) – vyvarování se tzv. studených spojů a diskontinuit – získání homogenních vlastní (jednotné pevnosti) celého odlitého prvku - velmi efektivními retardéry jsou sacharóza a kyselina citrónová X je velmi obtížné kontrolovat jejich efekt - využití lignosulfonátů s významným obsahem cukru – v současnosti preferovány – modifikace formování a tvorby produktů z počátečních hydratačních period


Vliv různých retardérů na počátek a konec tuhnutí čerstvé cementové směsi

Provzdušňovače - Air entraining agents (AEAs)  organické materiály, které po přidání do záměsové vody rozptýlí v materiálů kontrolované množství vzduchu ve formě mikroskopických


bublin  průměr vyvozených vzduchových bublin je typicky v rozsahu 0.02 – 0.1mm s průměrnou vzdáleností 0.25 mm  zformované bubliny jsou dostatečně stálé, aby nedošlo k jejich změně během lití, umístění, hutnění, tuhnutí a tvrdnutí betonu  hlavním důvodem cíleného provzdušňování je zvýšit odolnost betonu proti zmrazovacím cyklům  nárůst zpracovatelnosti čerstvé betonové směsi  nárůst pórovitosti přináší pokles pevnosti 6% pokles pevnosti v důsledku 1% pórů (tento negativní vedlejší efekt je částečně kompenzován snížením w/c, které aplikace AEAs umožňuje )

Vliv míry provzdušnění (obsahu vzduchu) na pevnost betonu v závislosti na vodním součiniteli - u provzdušněného betonu je nezbytné kontrolovat objemu vzduchu


pomocí porozimetru – výroba mrazuvzdorného betonu dražší a náročnější

Provzdušňovače - Air entraining agents (AEAs) III  nejčastěji používaná chemická činidla pro provzdušnění mohou být rozdělena do čtyřech základních skupin:


1. soli pryskyřic na bázi dřeva, 2. syntetické detergenty, 3. sole kyseliny naftenové, 4. mastné a pryskyřičné kyseliny a jejich soli. Do 80. let 20. století převládala aplikace pryskyřic na bázi dřeva např. na bázi neutralizované Vinsolové pryskyřice. Vinsol resin – tmavě červeno-hnědá pryskyřice, termoplastická, extrahována z kořenů borovice a rafinována – vyráběna exklusivně firmou Aqualon v Brunswicku, Georgia, USA V současné době je vyvinuta celá řada nových typů a v podstatě se aplikují všechny výše uvedené principy jejich složení.

Provzdušňovače - Air entraining agents (AEAs) IV  Faktory ovlivňují provzdušnění betonu: - uměle vytvořený systém vzduchových pórů je ovlivněn materiály KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

použitými v betonu a technologií jeho výroby - bylo zjištěno, že provzdušnění betonu bude při dodání stejného množství provzdušňovacího činidla tím větší, čím větší bude alkalita betonové směsi - naopak provzdušnění snižuje nárůst jemnosti mletí cementu Provzdušnění rozptýlené v matrici betonu

Recyklovaný beton  recyklace materiálů pro využití ve stavebním průmyslu je jeden ze stěžejních parametrů udržitelného rozvoje související s ochranou


životního prostředí a zachování přírodních zdrojů surovin pro další generace  použití popílků, strusky, křemičitých úletů – využití v cementářském průmyslu  možnost využití také materiálů, které přicházejí přímo jako odpady ze stavební výroby a především z použití betonu


Recyklace konstrukcí a demolic v Evropě

8


Recyklace konstrukcí a demolic v Evropě II

Recyklovaný beton IV  kvalita betonu z recyklovaného kameniva závisí na kvalitě materiálu, který byl k recyklaci použit


 nejdůležitější je původ materiálu – zda jde o betonovou konstrukci, prvek, demolice celé budovy včetně cihel a dalších odpadů

Recyklace betonu z demolic 

proces recyklace vychází ze čtyřech základní procesů:

1. Výběr odpadu KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

2. Podrcení bloků betonu 3. Odstranění kontaminujících produktů 4. Smíchání s přírodním kamenivem



z betonu musí být odstraněna výztuž, asfalt, zemina, chloridy, sklo, sádrokarton, papír, plastické hmoty, dřevo, krytina, apod.



recyklační linky: mobilní – na místě demolice, kde bude recyklovaný beton použit pro výrobu nového betonu

centrální – dokonalá automatizace, vyšší produktivita – kompenzace větší dopravní vzdálenosti



Kroky recyklace stavebního odpadu pro výrobu betonu

Recyklované kamenivo - vlastnosti




objemová hmotnost, nasákavost, přítomnost znečišťujících látek

Recyklované kamenivo – vlastnosti II  nasákavost - u recyklovaného kameniva výrazně vyšší (4 - 9% pro max. zrno 4 – 32 mm) KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

- přírodní kamenivo (0.5 – 2.5%) - drobné recyklované kamenivo – až 12% - problémy s dodržením vodního součinitele – kamenivo spotřebovává více vody - recykl. kamenivo musí být před použitím dokonale nasáklé a pak ponechané 2 – 3 hodiny na suchu – nasáklé, povrchově suché kamenivo (NPSK)

Recyklované kamenivo – vlastnosti III  látky kontaminující recyklované kamenivo - odstranění kontaminujících látek z recyklátu představuje stěžejní problém pro jeho aplikaci při výrobě betonu KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

• sádrovec – složka omítkových malt při demolici budov – obsah SO3 < 1% - možná reakce s C-A-H s C-S-H – tvorba ettringitu a taumasitu – porušení betonu v důsledku nárůstu objemu • chloridy – mohou být v recyklátu z posypových solí, možnost praní kameniva v horké vodě (chloridy jsou dobře rozpustné) • papír, dřevo, bitumeny, sklo, hliník – porušení omezeno na snížení pevnosti – recyklát s obsahem těchto látek je používán pouze pro betony o pevnosti ≤ 15 MPa nebo do podkladů • MgO (konstrukce se žáruvzdornými cihlami) – tvorba Mg(OH)2 rozpínání

 požadavky na recyklované kamenivo v závislosti na typu betonu dle


doporučení RILEM

Konstrukční lehký beton  objemová hmotnost (300 – 1800 kg/m3) < běžný beton (2200 – 2400) - z tohoto důvodu prvky z lehkého betonu nemusejí přenášet tak vysoké KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

zatížení vlastní tíhou – menší průřezy a základy konstrukcí, menší náklady na dopravu - rozlišujeme několik základních způsobů vylehčení betonu: • použití expandovaných anorganických jílů jako kameniva • aplikace pěnového polystyrénu • vylehčení díky plynu vznikajícího v cementové pastě (pórobeton)

• napěněním – provzdušněním • možnost použití lehkého přírodního kameniva (pemza, tufy) – zdroje omezeny pouze na určité oblasti


Vzorek betonu s expandovaným jílem, polystyrenem, provzdušněním.

Lehký beton v Pantheonu v Římě - revoluční použití konstrukčního lehkého betonu


- původní stavba pochází z roku 27 př.n.l. (Marcus Vipsanius Agrippa) - po požáru stavba přestavěna v r. 123 (Publius Aelius Hadrianus) - kopule s pr. 43.4 m o stejné výšce – nejvyšší nevyztužená klenba v dějinách architektury

Lehký beton v Pantheonu v Římě - s nárůstem výšky klenby klesá objemová hmotnost použitého betonu


Materiál: beton z vápna, pucolánu, písku a tufu (pemzy)

- s nárůstem výšky klesá také průřez stěny klenby

Rozdělení lehkých betonů - třídíme je dle objemové hmotnosti a pevnosti (28denní):  tepelně-izolační lehké betony: pevnot 0.5 – 7 MPa, objemová KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

hmotnost ve vysušeném stavu: 300 – 800 kg/m3 – použití v místech, kde není požadována vysoká pevnost ale izol. vlastnosti  lehké betony střední pevnosti – 800 – 1 400 kg/m3, krychelná pevnost 7 – 18 MPa  konstrukční lehké betony: 1 400 – 2 000 kg/m3 – většinou vyráběny s použitím kameniva z expandovaných jílů, pevnost v tlaku 18 – 70 MPa

Nasákavost lehkého kameniva - základní parametr ovlivňující ukládání a čerpatelnost betonu - v případě vysoké nasákavosti je nezbytné kamenivo nechat 1 – 2 dny


nasákávat vodou, aby nedocházelo k odběru vody z cementové pasty (zhoršení zpracovatelnosti)

Konstrukční lehký beton: - může být použit pro běžně vyztužené i předpjaté konstrukce - přestože je dražší než běžný beton, může být jeho aplikace ekonomická, neboť můžeme snížit průřez betonových prvků v důsledku nižší hmotnosti kce. - s tím souvisí i možnost založení na méně únosném podloží a základu - při aplikaci v seismicky aktivních oblastech problém s nízkou duktilitou – vhodné, když se beton deformuje plasticky, aby mohl pohltit velké množství vnitřní energie konstrukce (použití třmínků)

Konstrukční lehký beton II: - nízké dopravní náklady – vhodnost na výrobu dílců


- lepší izolační vlastnosti – zlepšení požární odolnosti

Konstrukční lehký transportbeton – příklady


1. Beton s expandovaným jílem

vysoká pevnost v tlaku a tahu za ohybu

nižší statický modul pružnosti vyšší dotvarování a smrštění vyšší trvanlivost – může být vliv pucolánové aktivity – lepší odolnost proti korozi a karbonataci

Typy pórovitého kameniva: - za pórovité kamenivo lze označit sypký anorganický materiál s


pórovitou strukturou a objemovou hmotností menší než 2000 kg /m3

Rozdělení pórovitého kameniva podle původu: 1. Přírodní pórovitá kameniva 2. Průmyslové odpady používané jako pórovité kamenivo bez větších úprav 3. Průmyslové odpady upravované na pórovité kamenivo 4. Uměle vyráběná pórovitá kameniva

I. Přírodní pórovitá kameniva: - vulkanické tufy a tufity - lehké lávy


- přírodní pemza - vápenný tuf - spongility - diatomity II. Průmyslové odpady používané jako pórovité kamenivo bez větších úprav: - škvára - elektrárenský popílek - cihelná drť a cihloporit - odpad pěnového skla

III. Průmyslové odpady upravované na pórovité kamenivo: - zpěněná struska


- popílkový agloporit IV. Uměle vyráběné pórovité kamenivo: - keramzit - kavitit - expandit - expandovaný perlit - vermikulit

Druhy kameniva používané pro výrobu lehkých betonů vulkanické tufy, tufity, přírodní pemza, vápenný tuf,


spongility, diatomity škvára, popílek, cihelná drť, odpadní pěnové sklo, zpěněná struska popílkový agloporit, cihloporit, keramzit, vermikulit, perlit organické (přírodní): piliny, organické přírodní pazdeří výplně sláma umělé - pěnový PS

Vulkanické tufy a tufity • jsou to lehké horniny sopečného původu, jejichž průběh a způsob uložení je však analogický spíše horninám sedimentárním


• příbuznost k vyvřelé hornině (tufy andezitové, ryolitové, čedičové nebo dacitové) • u nás byly nejvíce prozkoumány, ale v současné době se pro výrobu lehkých betonů již takřka nepoužívají a proto jejich význam spatřujeme hlavně v tom, že na nich byly prověřeny různé technologické vlastnosti lehkých betonů tzn., že ovlivnily celý další vývoj technologie výroby lehkých betonů u nás • v zahraničí jsou stále používané a to hlavně kvůli příznivějším geologickým podmínkám (menší rozrušení tufových lokalit geologickými zlomy). • vysoká pórovitost a nízká objemová hmotnost (1000-1600 kg/m3) Bohužel jsou to heterogenní horniny s velmi nerovnoměrným složením



2. Lehké lávy Nazýváme tak opět lehké horniny sopečného původu, které se svým složením blíží čedičovým tufům. Jejich výhodou oproti vulkanickým tufům je to, že většina jejich pórů je uzavřená bez KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

kapilárních spojení - jsou méně náchylné k objemovým změnám a mají větší pevnost. 3. Přírodní pemza Je to lehké kamenivo vulkanického původu s nepatrnou hygroskopicitou, ale vysokou pórovitostí - 73 až 85%. Přírodní pemza je sice silně nasákavá, ale rychle vysychá a na rozdíl od vulkanických tufů vykazuje při vysychání jen nepatrné objemové změny. Je jedním z nejlepších přírodních pórovitých kameniv. Její objemová hmotnost je 550-600 kg/m3.

II. Průmyslové odpady používané jako pórovité kamenivo bez větších úprav Některé průmyslové odpady, zvláště pak energetické, mají pro KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

použití ve stavebnictví velmi výhodné vlastnosti (jak. chemickým a mineralogickým složením, tak strukturou). Naproti tomu nevýhodou všech průmyslových odpadů je skutečnost, že tyto vlastnosti velmi silně kolísají a odpady obsahují proměnlivé množství škodlivin, které mohou jejich využití ve stavebnictví úplně znemožnit. Některé z nich lze použít pro výrobu lehkého betonu přímo po podrcení a vytřídění (např. škváru nebo cihelnou drť).

1. Škvára (škvárový beton) • jsou to zpevněné, nikoli však úplně roztavené zbytky různých druhů kamenného a hnědého uhlí, hořlavých břidlic a různých


jiných pevných paliv • tyto zbytky obsahují také určité množství původního nebo částečně přeměněného výchozího paliva, které je velmi nežádoucí • v ČR jsou škváry jako pórovité kamenivo pro výrobu lehkých betonů používány nejdéle, všechny škváry však nejsou vhodné (škváry z lignitu nebo z palivových směsí obsahujících lignit se pro velkou objemovou nestálost nesmějí vůbec používat) • technologie výroby škvárového betonu se nijak podstatně neliší od postupu výroby normálního betonu štěrkopískového • škvárový beton se dnes používá již spíše jako vyrovnávací materiál a jako výplňové stavivo, jeho objemová hmotnost je 13001700 kg/m3.

Škvára (škvárový beton) II • v současnosti výrobky ze škvárového betonu dnes již nemají velký význam, ale velkou roli sehrály v 50. letech při přechodu z


cihel na velkorozměrové zdicí materiály Výrobky ze škvárobetonu: a) škvárobetonové tvárnice - výplňové - nosné b) stropní vložky c) různé kvádry (tzv. blokopanely) – vrcholem byly celostěnové panely

2. Elektrárenský popílek

 popílky jsou nerostné zplodiny vznikající při spalování tuhých


paliv spalovaných většinou v jemně mletém stavu  sestávají převážně z malých kuliček křemičitanového skla, které ve velkém množství odpadá v tepelných elektrárnách  je to křemičitá surovina s pucolánovými a jinými cennými vlastnostmi, proto jsou vhodné pro přípravu maltovin a lehkých stavebních látek  vzhledem ke své velikosti slouží spíše jako součást lehkých betonů s jiným pórovitým hrubozrnným kamenivem  snižují mezerovitost a zlepšují zpracovatelnost  mají malou objemovou hmotnost – volně sypaná je jen 550-900 kg/m3.

3. Popílek a struska ze spaloven komunálního odpadu

 obdobné složení a vlastnosti jako elektrárenské popílky, možnost


použít také jako kamenivo či pro doplnění křivky zrnitosti


4. Cihelná drť a cihloporit • úlomky cihlových výrobků • používání cihelné drtě ve stavebnictví bylo rozšířeno hlavně po 2.


světové válce, kdy jiná pórovitá kameniva prakticky vyráběna nebyla a kdy se takto zužitkovávaly trosky rozbořených domů • později se tímto způsobem zužitkovával průmyslový odpad a zmetky z cihelen • ještě později se u nás postupně dospělo až k záměrné výrobě cihelného střepu Cihloporit lze označit za kamenivo umělé, ale vzhledem k jeho příbuznosti s cihlovou drtí je zařazeno k průmyslovým odpadům. Cihloporit se začal vyrábět po vyčerpání „přirozených“ zdrojů z rozrušených domů. Pro jeho výrobu jsou vhodné na písek chudé mastné jíly - čím jsou tyto jíly plastičtější tím lepší. Při výrobě se k jílu přimíchávají přísady, které způsobují zvětšení pórovitosti střepu - výroba lehkých betonů.

III. Uměle vyráběné pórovité kamenivo 1. Keramzit (Liapor) • získává se tepelným expandováním hlín (1100 – 1200°C)


vhodného chemického a mineralogického složení v rotačních pecích • výhodné vlastnosti: mrazuvzdorný, žáruodolný a zcela odolný vůči povětrnostním vlivům • objemová hmotnost 200-600 kg/m3 • vyrábí se z něj hlavně mezerovitý beton • může se z něj vyrábět i beton hutný ke konstrukčním účelům


2. Expandovaný perlit • vyrábí se tepelným zpracováním horniny sopečného původu – perlitu, jehož chemické složení a vlastnosti jsou podobné jako sklo • při teplotách 950 –1200°C upravená surovina expanduje, objem KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

zrnek se až 10 x zvětší • výsledný produkt je jemně zrnitý, pórovitý materiál šedobílé barvy ve formě drobných dutých kuliček • expandovaný perlit je chemicky inertní • nehořlavý (použitelný až do 900°C) • odolný mrazu • objemově stálý a má sypnou hmotnost od 60 do 250 kg/m3 • má velmi nízký koeficient tepelné vodivosti, cca 0.05 Wm-1K-1 • faktor difúzního odporu je roven hodnotě 4,4 • je vysoce nasákavý a prašný • perlitbetony, lehčené izolační omítky, zdící malty

Perlitbeton • chem. složení perlitu SiO2 … … …min 66 % Al2O3… … …max 18 %

Fe2O3… … …max 3 % CaO + MgO… … …max 6 % Na2O+K2O… … …max 8 %


• složení perlitbetonu (sypná hmotnost perlitu do 150 kg/m3), zrnitost 0 – 2mm (min. 60% nad 0.5 mm) PTB 300 PTB 450 PTB 550 PTB 600 Experlit EP 150 PB

l

125

125

125

125

Cement

kg

15

30

40

50

Objem.hmotnost

kg/m3

300

450

550

650

Pevnost v tlaku

MPa

0,6

1,8

2,2

2,8

W.m-1.K-1

0,083

0,125

0,15

0,175

Tepelný odpor při tl 5cm

m2.K.W-1

0,8

0,4

0,35

0,3

tl 8cm

m2.K.W-1

1,0

0,65

0,55

0,5

tl 10cm

m2.K.W-1

1,3

0,8

0,7

0,6

Souč.difuze vod.par

10-9 s

0,026

0,018

0,015

0,012

Požární odolnost

DIN

A1

1pytel(125 l)

cca

na 1,7

m2

tl. 5 cm

na 0,8

m2

tl. 10 cm

Souč.tepel.vodivosti

Vydatnost

3. Vermikulit • tmavě hnědý až tmavě šedozelený, hydratovaný hořečnatohlinitý slídovitý křemičitan, vzniklý zvětráváním jiných slíd


• složení: Mg 8,68%, Fe 9,97%, Al 23,01%, Si 5,57%, O 50,77%, H 2,0 % • vzniká při pálení slídových minerálů, které zvětšují svůj objem (při teplotách do 800 °C) • používá se pro průmyslové tepelné izolace, tepelně izolační malty a betony (ve stavebnictví se vzhledem k malé pevnosti v tlaku dá použít jen jako tepelně izolační materiál) • dále pro výrobu laků a barev v chemickém průmyslu

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE BETON VZTAH MEZI STRUKTUROU A VLASTNOSTMI

Recommend Documents