KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE
VYSOKOPEVNOSTNÍ A VYSOKOHODNOTNÝ BETON
OSNOVA PŘEDNÁŠKY •Úvod •Vývojové etapy výroby betonu •Řízené tvrdnutí cementového pojiva •Zvyšování pevnosti betonu •Vysokohodnotný beton HPC (High Performance Concrete) •Betony ultravysokých pevností
ÚVOD •Beton je nejrozšířenější a nejdůležitější stavební hmotou . Suroviny na výrobu betonu - cementu i další složky - písku a kameniva, jsou v dostatečných zásobách v obydlených oblastech všech kontinentů. •Jednoduchá technologie výroby a její přizpůsobivost různým podmínkám i výhodné mechanicko-fyzikální vlastnosti, vytvářejí předpoklady pro příznivé ekonomické hodnocení v tradiční individuální i hromadné výstavbě. •Využití koncepčně nových zpracovatelských technologií úzce souvisejících s technologickým pokrokem (kontinuální lití, lisostřik, vypěňování) brání dosud teoreticky sice vyřešené, ale prakticky zatím nezvládnuté problémy.
PROBLÉMY •Řízení procesu hydratace cementu směrem k podstatnému zkrácení doby tvrdnutí čerstvé betonové směsi v automatizované kontinuální výrobě. •Zvýšení pevnosti betonu nad hranici 100 MPa při zachování jednoduchých technologiích zpracování čerstvé betonové směsi. •Snížení hmotnosti betonu při zachování dobrých mechanickofyzikálních parametrů. •Uplatnění betonů nižších kvalit, které je možno vyrábět z méněhodnotných surovin a odpadů. •1869 – W.Michaelis publikoval teorii chemismu tvrdnutí portlandského cementu. Přibližme si jednotlivé historické etapy této cesty z pohledu materiálového inženýrství.
Vývojové etapy výroby betonu 1/3 •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.n.l. ke stavbě vodovodních přiváděčů a zásobních cisteren na vodu. Féničané navazovali na starší empiricky získávané znalosti starověkého stavitelství. •2 stol. př.n.l. Řekové vynalezli novou zdící techniku, kdy masivní kamenná zeď s mezerou uprostřed byla výplní z lité malty a lomového kamene zpevňována a vytvářela zdivo nazývané emplekton. •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.
Obr. 1 – Opus spicatum, zbytky římských staveb (Aquincum,Budapešť)
Vývojové etapy výroby betonu 2/3 •Prudký rozvoj průmyslové výroby v 17. a 18. století znamenal i rozvoj výroby staviv, především betonu. •J.Smeaton (1724-1792) – pevnost zatvrdlého vápna závisí na chemickém složení vápence určeného k výrobě hydraulického pojiva – cementu – historický předěl ve výrobě cementu a tedy i betonu. •J.Parker – 1791 J.Parker přihlašuje anglický patent na způsob výroby románského cementu pálením vápence vhodného chemického složení s příměsí hlinitých součástí. Tento typ pojiva betonu se stal převažujícím pojivem betonu v období prvé poloviny 19. století. •F.Coignet (1814-1888) formuluje řadu zásad jejichž realizace umožňuje rozšíření betonu – důkladné hutnění čerstvého betonu, užívání minimálního množství vody, drcení kameniva před aplikací do betonové směsi. Formuluje i statické důvody pro vyztužování betonu ocelí.
Vývojové etapy výroby betonu 3/3 •1823-1906 J.Monier (považovaný za otce železobetonu) významně přispěl k rozšíření tohoto dnes nejrozšířenějšího konstrukčního stavebního materiálu (železobetonové příčky monierky). •1955 T.C.Powersem – Klíčová teoretická práce - nový pohled na vztah mezi pevností a strukturním uspořádáním betonu prokazující, že pevnost betonu je nepřímo úměrná obsahu pórů v makrostruktuře. Všechny návrhy způsobů zvyšování fyzikálních parametrů betonu vycházejí, nebo přímo souvisí s tímto faktem. •Je překročena magická bariera pevnosti v tlaku 110 MPa. •Vyvíjí se nový obor - materiálové inženýrství. •Dnes je průmyslově vyráběn vysokohodnotný beton – technologie jeho výroby je jednoduchá a nevyžaduje použití speciálních technicky náročných metod.
Řízené tvrdnutí cementového pojiva •Od počátku minulého století se používá regulátor rychlosti tuhnutí směsi portlandského cementu s vodou - sádrovec. •Posunuje počátek tuhnutí tak, aby mohla být čerstvá betonová směs dokonale zpracována i nejjednodušším způsobem. •Sádrovec reaguje s aluminátovou i ferrátovou fází slínku ihned po smíchání s vodou a oddaluje počátek tuhnutí této soustavy. Mechanizmus a kinetika prvních reakcí závisí především na obsahu trikalcium aluminátu C3A ve slínku, ale také na množství sádrovce. •Produkty reakcí brzdí další hydrataci cementu a umožňují regulovat tuhnutí čerstvé betonové směsi směrem k dosažení potřebné manipulační doby zpracování. •Zkrácení počáteční fáze přechodu systému cement-voda z kvazikapalné formy na pevnou přinesla částečné úspěchy často provázené nepříznivými jevy, např. korozí výztuže při použití nejrozšířenějších přísad na bázi chloridů.
Řízené tvrdnutí cementového pojiva •Proteplování betonové směsi v průběhu výroby prefabrikovaných stavebních dílců zkrátilo technologický proces tvrdnutí betonu za cenu energetických dotací. •Ovlivnění procesu tuhnutí a tvrdnutí cementového pojiva betonu je možné provést změnou chemického složení cementářských surovin spolu se změnou procesu výpalu –C3S – hlavní nosič pevnosti betonu po zatvrdnutí. •Současný trend ve způsobu ovlivňování rychlosti hydratace cementu – náhrada sádrovce za jiné regulační systémy složené z více substancí. •Synergický efekt intenzifikátoru mletí a regulátoru tuhnutí s plastifikačními účinky umožňuje snížit vodní součinitel čerstvé betonové směsi, zkrátit počátek tuhnutí a dosáhnout rychlejšího růstu počáteční pevnosti. •Např. intenzifikační účinek ligninu aplikovaného při mletí slínku s přísadou vhodných typů alkalických solí – vysoká jemnost portlandského cementu – rychlý průběh hydratačního procesu.
Specifický povrch
Rychlost tuhnutí poč./konec
[m2/kg]
[min]
274
355/595
475
75/110
680
30/40
851
7/8
Tab. 1 – Rychlost tvrdnutí cementové kaše v závislosti na specifickém povrchu cementových zrn.
Řízené tvrdnutí cementového pojiva •Náhrada sádrovce za jiné typy regulátorů tuhnutí cementového pojiva přináší s sebou i změny v technologii výroby betonu. •Kratší interval zpracovatelnosti čerstvé betonové směsi vyžaduje přesné dávkování všech složek, dodržování časového postupu míchání jednotlivých substancí i účinné ošetřování betonu v počáteční fázi tuhnutí. •Zvláště náročná je homogenizace všech složek ve směsi. Spádové míchačky jsou málo vhodné, doporučuje se míchání v horizontálních míchačkách typu Cyklon.
Zvyšování pevnosti betonu 1/3 •Teoreticky, z meziatomárních sil odvozená pevnost betonu v tlaku, je asi třikrát vyšší, než je běžnými technologiemi dosažitelná, tj. 110 MPa. •Četné nepravidelné dutiny, póry a trhlinky jsou místa, u kterých se koncentruje napětí při zatěžování a začíná proces porušování betonu. •Tento proces nelze technologicky předem podstatně ovlivnit. Úspěchu lze dosáhnout dodržením těchto zásad: – používat výhradně portlandské cementy o vaznosti minimálně 50 MPa za 28 dní. – obsah záměsové vody udržovat v mezích v/c = 0.25 - 0,40. – používat kamenivo o pevnosti v tlaku 1,5 x vyšší než je třída betonu, přičemž mezerovitost ve zhutněném stavu musí být nižší než 34 %. – používat podstatně nižší množství písku, než v obvyklé výrobě běžných betonových směsí tj. c/p = 1 / 0.8 - 0.6.
•Zhoršená zpracovatelnost vyžaduje intenzivnější zpracování – vibrování. Nejvyšších pevností lze dosáhnout pouze aplikací tlaku.
Zvyšování pevnosti betonu 2/3 •1892 Féret – vztah mezi pevností a strukturou betonu. Pevnost v tlaku je nepřímo úměrná obsahu pórů v makrostruktuře. •Hlavním faktorem, který ovlivňuje pórovitost pojivé složky betonu hydratované cementové pasty je poměr mezi objemy vody a silikátové fáze a množství vzduchu zachyceného během míchání.
c ⎛ ⎞ fc = k ⋅ ⎜ ⎟ ⎝c+v+a⎠
2
fc je tlaková pevnost hydratované cementové pasty c, v, a jsou objemy cementu, vody a vzduchu a k je konstanta závislá na druhu cementu.
a)
b)
Obr.2 Rozložení zrn v hydratovaném cementovém pojivu (a) před (b) po vyplnění pórů částicemi mikrosilika
Obr. 3 – Vztah mezi porozitou a pevností hydratovaného cementového pojiva
Zvyšování pevnosti betonu 3/3 •Při zhutňování zabraňují velká zrna kameniva rovnoměrnému rozložení vody. Tranzitní zóna široká 0,05 - 0,1 mm a obsahuje relativně velké vzduchové póry a velké krystaly hydratačních produktů. Smrštění v průběhu tvrdnutí vyvolává tahová napětí, vznikají mikrotrhlinky ve struktuře. •Snížení vodního součinitele a použití mikroplniv (křemičitých úletů) – zmenšení tloušťky zóny mezi pojivem a plnivem. •Nejslabší článek – málo pevné kamenivo. Při použití drceného kameniva, je třeba aby zrna obsahovala co nejmeně defektů. Pokud jsou ve směsi cementu a vody nepatrné sférické částice křemičitého úletu (příp. popílku), mohou vytlačit vodu ze sousedství cementových zrn a z tranzitní zóny . •Čím méně vody do betonu přidáno, tím vyšších pevností se dosáhne. Emulgátory redukují sklon cementových zrn k flokulaci (shlukování) a mikrosilika (popílek) vyplňuje póry ve struktuře hydratované cementové pasty a zónu mezi pojivem a kamenivem v betonu.
Mineralogické složení slínku: - mineralogickým složením slínku lze výrazně usměrnit hydrataci cementu - poměrem C3S a C2S lze řídit uvolňování tepla a rychlost nárůstu pevnosti v jednotlivých fázích hydratace
Obr. 4 – Nárůst pevnosti jednotlivých slínkových minerálů
Vysokohodnotný beton HPC •50tá léta 20. stol. – T.C. Powers – kvalitativní skok v poznání kompozitního charakteru betonu – pevnost betonu (trvanlivost, mrazuvzdornost, permeabilita) jsou funkcí porozity betonu •Další poznatky, které vedly k návrhu technologie výroby vysokopevnostních betonů jsou např. tyto: – aplikací látek s plastifikačním účinkem do záměsové vody se dosáhne vyššího stupně rozptýlení cementových zrn v hydratujícím pojivu. – následkem toho dojde v lepšímu vyplnění pórů a dutin v makrostruktuře betonu a tedy ke snížení porozity a eliminaci mikrotrhlin. – uplatněním cementů o velkém měrném povrchu jeho částic se zvyšuje stupeň hydratování cementu.
•Použití plastifikátorů, zvýšená jemnosti mletí slínků, přísady jemnozrnných popílků = zvýšení pevnosti betonu v tlaku až na hranici 60 MPa. •Na počátku 70. let minulého století bylo aplikací nových typů plastifikátorů možné snížit vodní součinitel pod hranici v/c = 0,35.
Vysokohodnotný beton HPC •1981 – H.H. Bache – snížení vodního součinitele v/c pod 0,30: •pomocí speciálního mikrocementu, vysokými dávkami plasifikátorů spolu s příměsí křemičitého úletu až na hranici v/c = 0,16. PEVNOST V TLAKU 280 MPa Možnost ztenčení podlah a zúžení sloupů. Pokrok ve výrobě vysokopevnostních betonů je plodem spíše empirického přístupu, než vědy. Teoretické práce ukázaly, že na zvyšování pevnosti betonu se nepodílí pouze snižování vodního součinitele, určujícího porozitu a v důsledku toho pevnost cementového kamene ale i fakt, že nejslabším článkem ve struktuře betonu je rozhraní mezi kamenivem a ztvrdlým cementovým pojivem. Záleží tedy na druhu, tvaru, velikosti a prostorové uspořádáním plniva betonu a lokální koncentraci pórů ve struktuře.
Obr. 5 – Výšková budova River Plaza v Chicagu První velká aplikace HPC
Obr. 7 – Lávka pro pěší a cyklisty v Sherbrooke z HPC
Problémy, které řeší výzkum a dopracovává stavební praxe se soustřeďují na: •
Hledání nových účinných typů plastifikátorů (superplastifikátorů) a ověřování jejich komptability s hydratujícím cementem.
•
Zkoušky trvanlivosti, zvláště mrazuvzdornosti se zaměřením na problematiku provzdušňování.
•
Snižování hydratačního tepla v průběhu tvrdnutí.
•
Snižování autogenního počátečního smršťování.
Vysokohodnotné betony ultravysokých pevností 1/3 Vysokohodnotné betony jsou nejpevnější materiály, které lze vyrobit z portlandského cementu. Ultravysoká pevnost těchto materiálů je založena na extremně nízké pórovitosti.
DSP betony (Densified systems with Small Particles) H.H.Bache (1989) dosáhl pevnosti v tlaku 150 až 200 MPa aplikací mikrosiliky, plastifikací užitím superplastifikátorů a použitím jemného kameniva typu žuly, diabasu nebo taveného bauxitu s maximální velikostí zrn 4 mm.
Vysokohodnotné betony ultravysokých pevností 2/3 MDF betony (Macro Defect Free) J.D.Birchall (1986) dosáhl pevnosti v tahu za ohybu přísadou polymeru (polyvinylalkoholu), který fungoval jako dispergátor a zároveň také jako druhotné reaktivní pojivo tvořící příčné vazby s ionty ve struktuře hydratujícího cementového pojiva. Tak bylo dosaženo snížení kritické délky mikrotrhlin. Výsledný kompozit je systém obsahující vzájemně se prolínající anorganickou a organickou matrici
Vysokohodnotné betony ultravysokých pevností 3/3 RPC betony (Reactive Poder Concrete) P.Richard (1994) užitím vybraných komponentů a technologií dosáhl pevnosti v tlaku 800 MPa. Výroba byla založena na použití plniva s maximální velikostí zrn s optimální granulometrickou křivkou, omezení chemického smršťování tuhnutím pod tlakem, tepelném ošetření , při kterém dochází k transformaci CSH gelu na tobermorit a aplikaci ocelových vlákem, které zlepšily houževnatost výsledného betonového prvku.
Příklad skladby RPC aplikované při stavbě chladící věže atomové elektrárny Cattenom v roce 1995:
složka obsah v kg -----------------------------------písek 0,06-0,6 mm 380 křemenná moučka 16 křemičité úlety 90 Portlandský cement 420 superplastifikátor 13 voda 81
Použitá literatura SEIDLEROVÁ,I.-DOHNÁLEK,J.“:Dějiny betonového stavitelství“.Inf. centrum ČKAIT, . . Praha,1999,328s. Czernin,W.: Cement Chemistry and Physics for Civil Engineers. Foreign Publ. Inc., New York,1980,196s. AITCIN,P.C.: „Vysokohodnotný beton“ Inf.centrum ČKAIT. Praha, 2005,320s. POWERS,T.C.:“Structure and Physical Properties of Hardened Portland Cement Paste“, J.Am.Cer.Soc.,41,1958,pp 1-6. MALIER,Y.:“High Performance Concrete“. EANDfn Spon.,London,1992,542s.
