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/V • Jeden z historicky nejstarších stavebních materiálů. • V současnosti je to nejčastěji používaný materiál ve stavebnictví – důvode 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/V • Důvod časté aplikace betonu ve stavebním průmyslu je 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
Úvod III/V • První významný krokem pro širší produkci betonu představuje poznání hydraulických vlastností vápenných pojiv obsahujících jílové minerály. Historický přehled (vývoj Portlandského cementu): • V roce 1796 získal Angličan James 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 patant 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 struktury betonu.
Úvod V/V • 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 plniv s latentně hydraulickými vlastnostmi, díky čemuž bylo možné zvýšit homogenitu směsi a umožnit dokonalejší hydrataci – snížení porozity, nárůst pevnostních charakteristik současných nových typů betonu.
Hlavní složky PC
Schéma výroby slínku, resp. cementu
Princip výroby cementu (opakování) 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 a současně se sušena. Hotová moučka se poté dopravuje do železobetonových zásobních a homogenizačních sil. 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 schlazením v chladiči stabilizují a vzniká slínek. Slínek je následně dopraven do zásobních sil. 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.
• Porovnání rychlosti hydratace slínkových minerálů
Křemičitanové (silikátové) cementy - portlandský cement (p-cement) a další křemičité cementy jsou prášková hydraulická pojiva, která se vyrábí rozemletím křemičitanového slínku se sádrovcem, po smísení s vodou rychle tuhne v odolnou hmotu. • typy PC – vysokohodnotný (obsahuje vysoké procento C3S, jemně mletý), silniční, rozpínavý, bílý (na spáry obkladaček, neobsahuje oxidy železa)
Směsné cementy • latentně hydraulické látky (zásaditá struska), aktivní nehydraulické látky (pucolány) • budičem hydrauličnosti - Ca(OH)2 • tvrdnou pomaleji než PC, vyvíjejí méně hydratačního tepla, proto se hodí pro masivní betonáž, pro vodní stavby a pro zakládání staveb • Směsné cementy mohou také zvýšit trvanlivost betonu – nižší pórovitost, vyšší pevnost v tahu, tlaku v čase
Směsné cementy - V USA jsou směsné cementy definovány vlastní specifikací dle normy ASTM C 595. - Je nutné zdůraznit, že v USA se směsné cementy používají velmi zřídka, neboť minerální příměsi jsou do struktury betonu přidávány až při míchání čerstvé betonové směsi. - Na druhé straně, všechny evropské cementy jsou v podstatě směsné.
Typy PC v Evropě: Pro klasifikaci Portlandského cementu se používají v technické praxi dvě hlavní normy: ASTM C150 používaná především v USA a evropská norma EN-197. cementy typu CEM I, II, III, IV, a V dle normy EN-197 nekorespondují se stejně pojmenovanými typy cementů dle ASTM C 150. EN 197-1 definuje 5 typů cementů, které mají za základní složku portlandský cement: I Portlandský cement - Portlandský cement a max. 5% minoritních přísad II Portlandský cement směsný - Portlandský cement a max. 35% dalších složek III Vysokopecní cement – Portlandský cement a vyšší procentuelní zastoupení vysokopecní strusky IV Pucolánový cement- Portlandský cement a max. 55% pucolánových příměsí V Směsný cement - Portlandský cement, vysokopevnostní struska, pucolánové příměsi, popílek
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 (a) Portlandský cementand (b) expansivní cement
Smrštění betonu při vysoušení (a) Portlandský cementand (b) 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 původe hlinitanové sloučeniny, ze které je následně při hydrataci tvořen etringit Hlinitan vápenatý + S_ + H
ettringite
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/III - 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 - 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 vypalování briket v keramických pecích při 1250°C, ochlazením opět vzniká CA - slínek se skládá z 45% Al2O3 (žárovzdorné až 81%), 40% CaO, zbytek tvoří oxidy železa a křemíku a zbytkové příměsi. Výsledné vlastnosti také ovlivňuje nemalou měrou použité kamenivo - slínkové minerály v hlinitanovém cementu CA (monokalciumaluminát, hlinitan monovápenatý) C2A (kalciumdialuminát, dihlinitan vápenatý C3A5, C3A2, C2AS, C4AF, C5A3
Hlinitanový cement II/III - 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/III - 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
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 - pro hutné žárobetony vystavené vyšší teplotě než 700°C je třeba použít umělého kameniva. 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 a nebo 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.
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
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.
Hydratace cementu IV Velký vliv na průběh hydratace má vodní součinitel čerstvé betonové směsi v/c. znázornění složení hydratačního produktu při teoreticky 100% hydrataci publikoval ve své knize W. Czernin (viz. seznam použité literatury)
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
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 součinitele betonové směsi, velikosti cementových zrn a kameniva, stupni 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 (rozpadu) 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 ošetření betonu teplota, při které probíhá hydratace
Rozdělení pórů dle jejich velikosti v tvrdnoucí cementové pastě po různé době hydratace
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)
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
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.
Pevnost v tlaku vs. porézní prostor pro různé druhy cementových malt po 28 dnech
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 ΔH =K⋅ dt Lμ -dq/dt rychlost toku kapaliny - μ 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 působení vysokých teplot - negativní vliv zvýšení teploty okolního prostředí na beton je spojen se ztrátou vody v cementovém pojivu provázené se zásadními změnami porozity - volná a kapilární voda se postupně odpařují – změna objemu, smršťování
Vliv vnějšího prostředí na ztvrdlou porézní strukturu cementového pojiva II 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 650 alfa formu SiO2 na beta - úplné rozložení cementového pojiva nastává při teplotě vyšší než 800°C – úplný rozklad CaCO3 - měření pomocí termické analýzy
Termická analýza vzorků cementového pojiva
Křemen – polymorfní materiál Polymorfismus (mnohotvárnost): existuje několik forem Modifikace: v současnosti známo 22 forem β−křemen (nízkoteplotní) romboedrická r=2,65 g cm-3 γ-tridymit romboedrická 2,26 g cm-3 β-cristobalit tetragonální 2,32 g cm-3
Fázový diagram křemene
Vliv nízkých teplot na vlastnosti betonu - rozrušování porézní struktury cementové pasty je způsobeno změnou skupenství vody v makropórech a kapilárách - přeměna je provázena objemovým nárůstem o cca 9% - vnitřní pnutí - proto má na výslednou odolnost betonu proti zmrazovacím cyklům vliv hlavně vodní součinitel (omezení pórovitosti) - na odolnost má také vliv tvar a velikost pórů – betony s přísadou provzdušňovadel tvořících kulové póry, které se zcela nezaplní vodou (rezerva pro objemový nárůst ledu)
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, Nox 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 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 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 Konstrukčněizolační (pórobeton) Silniční Masivní Dekorační (pohledový)
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 hadratačního 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 specifikace od objednatele: Pevnostní třída betonu v tlaku Stupeň vlivu prostředí Max. jmenovitá horní mez frakce kameniva Kategorie obsahu chloridů Stupeň konzistence nebo určená hodnota konzistence Podrobně v Stavební hmoty, L. Svoboda a kol., JAGA, Bratislava 2004.
