SAMOZHUTNITELNÝ
BETON SELF COMPACTING CONCRETE HAJIME OKAMURA, MASAHIRO OUCHI Samozhutnitelný beton (SCC) byl poprvé vyvinut v roce 1988 za účelem výstavby odolných betonových konstrukcí. Od této doby probíhají nejrůznější výzkumy a SCC v Japonsku prakticky využívají při stavbě konstrukcí zejména větší stavební společnosti. Cílem výzkumů, které se zabývají stanovením racionální metody návrhu složení a metod testování samozhutnitelnosti, je zařazení SCC mezi standardně používané betony. VÝVOJ SCC Problém trvanlivosti betonových konstrukcí byl od roku 1983 hlavním předmětem zájmu v Japonsku. Trvanlivé konstrukce však nelze vytvořit bez adekvátního zhutnění, které mohou provést pouze kvalifikovaní pracovníci. Postupné snižování počtu kvalifikovaných dělníků v oblasti stavebního průmyslu Japonska však vedlo ke snižování kvality stavebních prací. JedObr. 1 Nutnost samozhutnitelného betonu Fig. 1 Necessity for SelfCompacting Concrete kvalifikace pracovníků klesá
nou z možností, jak dosáhnout vysoké trvanlivosti konstrukcí bez ohledu na kvalitu konstrukčních prací, je zavedení samozhutnitelného betonu, který se zhutní a zateče do všech koutů bednění pouze svojí vlastní hmotností bez nutnosti vibračního zhutňování (obr. 1). S myšlenkou nezbytnosti tohoto typu betonu přišel Okamura v roce 1986. Studie vedoucí k vývoji SCC včetně fundamentální studie o zpracovatelnosti betonu provedli Ozawa a Maekawa na Tokijské Univerzitě [6, 7 a 13]. Prototyp SCC byl poprvé dokončen v roce 1988 za použití materiálů běžně dostupných na trhu (obr. 2). Prototyp vykazoval uspokojivé vlastnosti ohledně schnutí a smršťování při tvrdnutí, teploty hydratace, hustoty po ztvrdnutí ad. Tento beton byl pojmenován jako „vysokohodnotný beton“ a definován ve třech stádiích: • čerstvý: samozhutnitelnost • v ranném stádiu: zamezení vzniku počátečních defektů
Obr. 2 Srovnání poměru smíšení samozhutnitelného a běžného betonu Fig. 2 Comparison of mix proportioning between SCC and conventional concrete
SAMOZHUTNITELNOST
ČERSTVÉHO
BETONU
Mechanizmus dosažení samozhutnitelnosti Metoda dosažení samozhutnitelnosti vyžaduje nejen vysokou deformabilitu kaše nebo malty, ale též odolnost vůči rozměšování malty a kameniva při protékání betonu zúženými oblastmi mezi pruty armatury. Okamura a Ozawa zavedli následující metodu samozhutnění (obr. 3) (1995):
SCC: (příměs: superplastifikátor) vzduch – voda – jemné podíly – písek – štěrk
samozhutnitelný beton v budoucnu
trvanlivé betonové konstrukce
Obr. 3 Metody dosažení samozhutnitelnosti Fig. 3 Methods for achieving self-compatibility
Běžný beton: vzduch – cement – písek – štěrk Obr. 4 Mechanizmus dosažení samozhutnitelnosti Fig. 4 Mechanism for achieving self-compatibility Hrubé kamenivo – omezený obsah
28
• po vytvrdnutí: ochrana proti vnějším faktorům V téže době definoval profesor Aïtcin aj. [1] „vysokohodnotný beton“ jako beton, který má vysokou trvanlivost díky nízké hodnotě vodního součinitele. Od té doby se termín vysokohodnotný beton používá k označení betonů s vysokou trvanlivostí. Proto autoři změnili název navrhovaného betonu na „samozhutnitelný vysokohodnotný beton“ (SCC).
Malta 1. sloučení deformability a viskozity - nízký vodní součinitel - vyšší dávky superplastifikátoru 2. transport za nízkého tlaku - omezený obsah jemného kameniva
BETON • TECHNOLOGIE • KONSTRUKCE • SANACE
5/2006
vzduch voda jemné podíly písek štěrk
Volumetrický poměr [%] Obr. 5 Porovnání poměrů smíšení SCC a ostatních běžných betonů. Fig. 5 Comparison of mix-proportioning of SCC with other types of conventional concrete
Obr. 6 Stupeň zhutnění kameniva – hrubé kamenivo v betonu a jemné kamenivo v maltě Fig. 6 Degree of aggregate’s compaction – coarse aggregate in concrete and fine aggregate in mortar
překážka 200
výška Obr. 8 U-flow test Fig. 8 U-flow test
• omezený obsah kameniva • nízký součinitel voda-jemné podíly • použití superplastifikátorů Frekvence kolizí a kontakt mezi částicemi kameniva může vzrůstat s klesající relativní vzdáleností mezi nimi a míra vnitřního napětí může růst při deformaci betonu zejména v okolí překážek. Výzkumem se zjistilo, že energie potřebná pro tečení je spotřebovávána zvýšeným vnitřním napětím, což má za následek zabloObr. 9 Box test Fig. 9 Box test
kování částic kameniva. Omezení obsahu hrubého kameniva, které pohlcuje nejvíce energie, na nižší, než normální úroveň, tomuto typu zablokování účinně zabraňuje. Aby se předešlo zablokování hrubého kameniva při tečení betonu zúženými místy, musí mít kaše vysokou viskozitu (obr. 4), která zabraňuje lokálnímu zvýšení vnitřního napětí v důsledku přiblížení částic hrubého kameniva. Vysoké schopnosti deformace lze dosáhnout pouze pomocí superplastifikátorů,
Obr. 10 Překážky použité v Box testu: R2 (vlevo) a R1 (vpravo) Fig. 10 Obstacles employed in Box test: R2 (left) and R1 (right)
BETON • TECHNOLOGIE • KONSTRUKCE • SANACE
5/2006
Obr. 7 Vztah mezi objemem kaše a vodním součinitelem Fig. 7 Relationship between paste volume and water-powder ratio
při jejichž použití se dosáhne velmi nízké hodnoty vodního součinitele. Poměr smíšení SCC v porovnání s běžným betonem a s RCD betonem (betonem zhutňovaným válcem, určeným pro stavbu přehrad) je uveden v obrázku 5. Obsah kameniva je menší, než u běžného betonu, který je nutné zhutňovat vibračně. Poměry objemu hrubého kameniva a jeho objemu v pevné fázi (G/Glim) Obr. 11 Fig. 11
V-funnel test V-funnel test
29
Relativní plocha rozlití
jednotlivých typů betonu jsou uvedeny na obrázku 6. Míra zhutnění hrubého kameniva v SCC je asi 50 %, aby se snížila interakce mezi částicemi hrubého kameniva při deformaci betonu. V tomtéž obrázku jsou znázorněny i poměry objemů jemného kameniva a jejich objemů v pevné fázi (S/Slim) v maltě. Míra zhutnění jemného kameniva je v SCC asi 60 %, aby se omezila smyková deformace při deformování betonu. Na druhou stranu, viskozita kaše SCC je v porovnání s ostatními typy betonu nejvyšší díky nejnižší hodnotě vodního součinitele (obr. 7). Tyto charakteristiky jsou účinné při potlačování rozměšování. Testy samozhutnitelnosti mají vzhledem k praktickému uplatnění tři důvody: • zjistit, zda beton je pro danou konstrukci samozhutnitelný – test (1) • upravit složení v případě, že samozhutnitelnost není dostačující – test (2) • charakterizovat vlastnosti betonu – test (3).
Výška dosažená v Box-testu [mm]
Obr. 14 Vliv obsahu hrubého kameniva na samozhutnitelnost Fig. 14 Influence of coarse aggregate content on self-compatibility
Jako test (1) se doporučuje tzv. U-flow test, nebo Box test (obr. 8, 9 a 10). U-flow test vyvinula skupina Taisei [2]. V tomto testu je stupeň zhutnitelnosti indikován výškou, které beton dosáhne po protečení překážkou. Beton, který dosáhne výšky 300 mm, je již považován za samozhutnitelný. Box test je vhodnější pro přesnější určení betonu s ohledem na rozměšování malty a hrubého kameniva. Pokud se samozhutnitelnost na základě testu (1) považuje za nedostatečnou, je třeba kvantitativními metodami zjistit příčinu, aby mohlo být složení upraveno. Slump-flow a funnel test (obr. 11) jsou navrženy za účelem testování deformovatelnosti a viskozity a ukazatele jsou definovány jako Γc a Rc. Γc = (Sfl1 Sfl2 – Sfl02)/Sfl02, Sfl1, Sfl2 jsou měřené průměry rozlití, Sfl0 je průměr kužele Rc = 10/t, kde t je měřený čas [s], za který beton proteče trychtýřem. Flow-test a funnel-test jsou testy navržené k testování malty nebo cementové kaše za účelem charakterizace materiálů použitých v samozhutnitelném betonu, např. jemných podílů, písku a superplastifikátoru. Ukazatele deformovatelnosti a viskozity testovacích metod navržených
překážka R2 (3 hodiny) překážka R1 (5 hodin)
Jednotkový obsah hrubého kameniva [litry/m3]
30
Relativní rychlost malty ve funnel-testu Rm
Obr. 12 Test tečení malty Fig. 12 Mortar flow test
Obr. 13 Funnel-test pro maltu Fig. 13 Mortar funnel test
pro testování vlastností malty jsou taktéž definovány jako Γm a Rm (obr. 12 a 13). Γm = (d1 d2 – d02)/d02, d1 a d2 jsou měřené průměry rozlití, d0 průměr kužele R = 10/t t je měřený čas průtoku malty trychtýřem [s]. FAKTORY
SAMOZHUTNITELNOSTI
NA ZÁKLADĚ VÝSLEDKŮ TESTŮ
Faktory přispívající k samozhutnitelnosti jsou dále popsány na základě testování malty a čerstvého betonu. Vliv hrubého kameniva v závislosti na rozestupech armatury Stupeň zhutnění nelze vždy odhadnout pouze na základě výsledků zkoušení stupně zhutnění jiné konstrukce, protože maximální velikost zrna hrubého kameniva se často příliš neliší od minimální velikosti rozestupů mezi pruty armaObr. 15 Vztah mezi tekutostí malty a samozhutnitelnosti čerstvého betonu Fig. 15 Relationship between mortar’s flowability and self-compactability of fresh concrete
Klasifikace samozhutnitelnosti
Relativní plocha rozlití Γm
BETON • TECHNOLOGIE • KONSTRUKCE • SANACE
5/2006
τ : smykový odpor malty
σ : normální tlak
Obsah písku v maltě velký
ocelová deska malta
Relativní rychlost betonu ve funnel testu Rc
Obr. 16 Normální tlak vytvořený v maltě v důsledku přiblížení částic hrubého kameniva. Fig. 16 Normal stress generated in mortar due to approaching coarse aggregate particles
drcený písek malý
ocelová deska
Tvar částic
říční písek kopaný písek
Obr. 17 Stupeň nárůstu smykového odporu τ v důsledku σ v závislosti na fyzikálních charakteristikách pevných částic Fig. 17 Degree of increase in shear deform resistance τ due to σ depending on physical characteristics of solid particles
Obsah jemného kameniva v maltě 40 %
Relativní rychlost malty ve funnel testu Rm Obr. 18 Vztah mezi tekutostí malty a betonu (V65 funnel) Fig. 18 Relationship between mortar’s and concrete’s flowability (V65 funnel)
tury. Např. vztah mezi obsahem hrubého kameniva v betonu a výškou dosaženou v Box-testu, což je standardní ukazatel samozhutnitelnosti čerstvého betonu, je znázorněn na obrázcích 14 a 15. Obr. 20 Vztah mezi obsahem jemného kameniva v maltě a Rcs/Rm [1: běžný beton s portlandským cementem (OPC) + drcený písek (CS), 2: popílek (FA) + CS, 3: FA + říční písek (RS), 4: OPC + RS, 5: OPC + kopaný písek (LS)]. Fig. 20 Relationships between fine aggregate content in mortar and Rcs/Rm
Vztah mezi výškami dosaženými při protékání přes překážky R1 a R2 se měnil v závislosti na obsahu hrubého kameniva. Test prokazuje, že vliv hrubého kameniva na tekutost čerstvého betonu do značné míry závisí na velikosti mezer v překážce. Lze říci, že o samozhutnitelnosti čerstvého betonu lze uvažovat z hlediska tekutosti i z hlediska pevných částic. Vliv malty na tekutost čerstvého betonu Dostatečná deformovatelnost malty je vyžadována proto, aby beton měl schopnost zatéci a zhutnit se v konstrukcích pouze svojí vlastní hmotností bez nutnosti vibračního zhutňování. Malta musí mít i potřebnou viskozitu, aby se omezila míra vzájemného posunutí hrubého kameniva před překážkami, které má beton obté-
BETON • TECHNOLOGIE • KONSTRUKCE • SANACE
5/2006
Obr. 19 Jednoduchá metoda hodnocení schopnosti čerstvé malty přenášet napětí. Fig. 19 A simple evaluation method for stress transferability of fresh mortar
kat, a aby se potlačila segregace hrubého kameniva a malty. Nutnost viskozity byla potvrzena i Hashimotovou vizuální zkouškou. Ukazatele deformovatelnosti Γm a viskozity Rm byly navrženy za použití výsledků funnel-testu a testu rozlití malty. Vztah mezi deformovatelností, viskozitou a samozhutnitelnosti čerstvého betonu je Obr. 21 Specifický vztah mezi Rcs/Rm a stupněm samozhutnitelnosti Fig. 21 Unique relationship between Rcs/Rm and degree of self-compatibility
31
Obr. 22 Specifický vztah mezi poměrem obsahu hrubého kameniva a jeho objemu v pevné fázi v betonu bez ohledu na tvar štěrkových zrn Fig. 22 Unique relationship between ratio of coarse aggregate content to its solid volume in concrete despite difference in gravel shape
Obr. 23 V-funnel Fig. 23 V-funnel
znázorněn na obr. 15. Je předpokládán neměnný obsah hrubého kameniva. Na obrázku je ukázána i optimální kombinace deformovatelnosti a viskozity za účelem dosažení samozhutnitelnosti. Vliv malty z hlediska pevných částic Malta má kromě výše zmíněné pohyblivosti i určitou úlohu ve smyslu vlivu na pevné částice. Touto vlastností je schopnost přenášet napětí, která se stává zjevnou v okamžiku, kdy se částice hrubého kameniva přiblíží k sobě a malta mezi nimi je vystavena normálnímu tlaku (obr. 16). Stupeň snížení smykové deformace malty do značné míry závisí na fyzikálních charakteristikách pevných částic v maltě (obr. 17) [7]. Např. rozdíly vztahů mezi rychlostmi malty a cementu ve Funnel testu způsobené rozdíly obsahu jemného kameniva v maltě jsou znázorněny na obrázku 18. Zjistilo se, že rozdíly mezi tekutostí malty a betonu nemohou být vždy způsobeny výlučně rozdílnými charakteristikami pevných částic v maltě, a to ani v tom případě, že objem hrubého kameniva je v obsahu betonu neměnný. K hodnocení schopnosti malty přenášet napětí byla navržena jednoduchá metoda, která využívá poměru rychlosti betonu v trychtýři (Rcs), v němž jsou jako standardní hrubé kamenivo použity skleněné kuličky, a rychlosti malty (Rm). Vyšší schopnost přenášet napětí odpovídá nižší hodnotě Rcs/Rm. Vztah mezi obsahem jemného kameniva v maltě a Rcs/Rm je znázorněn na obrázku 20. Hodnota Rcs/Rm odráží i odlišnost charakteristik pevných částic v maltě. Vztah mezi
Obr. 24 Dominantní vliv granulometrie štěrku na schopnost protékání zúženými prostory. Fig. 24 Dominance of gravel granding for flowability through small spacing
Rcs/Rm a výškou dosaženou v L Box-testu, který představuje index samozhutnitelnosti čerstvého betonu, je zobrazen na obrázku 21. Ukázalo se, že tento vztah je specifický bez ohledu na rozdílné obsahy jemného kameniva v maltě nebo na rozdílné charakteristiky písku nebo jemných podílů. Vliv hrubého kameniva – objem, tvar zrn a granulometrie Vliv hrubého kameniva na samozhutnitelnost čerstvého betonu a zejména na jeho schopnost protékat překážkami může být stejný i pokud se tvar částic mění v případě, že zůstane zachován objem hrubého kameniva a jeho objemu v pevné fázi (obr. 22) (Matsuo aj. 1994). Je však nutné vzít v úvahu granulometrii hrubého kameniva v případě, kdy se velikost mezer v armatuře blíží maximální velikosti hrubého kameniva. Např. vztahy mezi velikostí hrdla trychtýře Funnel testu a rychlostí tečení betonu záleží na obsahu jemných částic v hrubém kamenivu FM i v případě, že malta je stejná (obr. 23 a 24).
Ukázalo se, že rychlost tečení betonu trychtýřem s hrdlem šířky 55 mm je granulometrií hrubého kameniva značně ovlivněna. Redakce zařazuje článek jako shrnutí stavu poznání o SCC k datu otištění jeho původní anglické verze v Advanced Concrete Technology (2005). Otištěno se souhlasem autorů a redakce ACT Překlad článku prošel terminologickou korekturou Prof. Hajime Okamura Kochi University of Technology, Japonsko Ass. Prof. Masahiro Ouchi Kochi University of Technology, Japonsko e-mail:
[email protected]
Dokončení článku v příštím čísle časopisu
Evropská směrnice pro SCC je připravena volně ke stažení na stránkách Svazu výrobců betonu ČR – http://www.svb.cz/pomucky.htm. 32
BETON • TECHNOLOGIE • KONSTRUKCE • SANACE
red.
5/2006
