Vysokohodnotný a samozhunitelný beton doc. Ing. Milena Pavlíková, Ph.D. K123, D1045 224 354 688,
[email protected] www.tpm.fsv.cvut.cz
Vysokohodnotný beton (HPC)
ÚVOD
ÚVOD
Aplikace: Původně
na sloupy výškových budov. Nosné zdi, opěrné zdi, mostové nosníky. Konstrukce vystavené nadměrné zátěži – povrchy dálničních mostů a parkovišť.
ÚVOD
Historie:
Na poč. 70. let 20. st. – nebylo možné ekonomicky vyrábět beton o pevnosti > 60 MPa – nebyly dostupné plastifikátory – nelze překročit dávkování, dojde ke zpomalení tuhnutí a nadměrnému provdušnění. Betony z cementů druhu I, II. Pro snížení vodního součinitele – betony s velmi nízkou konzistencí. Koncem 60. let – nastupují superplastifikátory (Německo, Japonsko) na bázi polykondenzovaných sulfonovaných naftalenů. Patent na superplastifikátor – udělen 1938 (Tucker 1932). 1952 – první použití křemičitého úletu v Norsku V 80. letech 20. st. – zavedení křemičitého úletu jako příměsi do betonu – rozšířeno během pěti let do celého světa.
VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ
Požadavky na záměs: Velmi
nízké v/c – užití minerálních příměsí → vhodnější poměr v/cement než v/pojivo – běžně poměr 0,20 - 0,35 (voda/cement), voda 125 – 135 kg/m3 (normální beton 210 – 230 kg/m3). Ztekucení (rozlivová zkouška) 180 – 230 mm → plastifikátory.
VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ
Požadavky na záměs: Zlepšení
pevnosti tranzitní zóny – u běžného betonu 0,05-0,1mm, mikrostruktura charakterizována velkými póry a velkými krystalickými hydratačními produkty Zhydratuje pouze část pojiva, zbytek jako mikrofiller.
VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ
Cement:
Důležitý obsah C3S, C3A, síranů a jemnost mletí. Co nejméně C3A – musí být v reaktivnější kubické formě – důležitý obsah dobře rozpustných síranů – rychlá a účinná tvorba ettringitu Podle ASTM doporučeno 4% C3S, 0,2% síranů, jemnost mletí podle Blaina 375 cm2/g. Nezbytné ověřit kompatibilitu cementu, přísad a superplastifikátoru. Typický obsah – 390 – 560 kg/m3.
VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ
Minerální přísady:
Náhrada části cementu popílkem, vysokopecní struskou, přírodními pucolány, mikrosilikou atd. – zpomalení počátečních hydratačních reakcí delší doba zpracovatelnosti. Popílek redukuje množství záměsové vody a tudíž plastifikátoru. Vysoká jemnost mikrosiliky přídavné pevnosti (výplň v cementové pastě) přispívá k vyšším počátečním pevnostem. Př. Celkový obsah hydratujících složek 542 kg/m3 z toho 60% strusky+10% mikrosiliky +30% PC beton s pevností 137 MPa
VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ
Minerální přísady:
Lze užít kombinaci přísad, např. struska + mikrosilika Mikrosilika 7 – 10 x dražší než PC - náhrada 10 – 15% ekonomicky i kompozičně optimální
Doporučené dávkování minerálních přísad Přísada
Náhrada cementu (%) Poznámky
Popílek – třída F
15 – 25
Popílek – třída C
20 – 35
Vysokopecní struska
25 – 65
Přírodní pucolán
15 – 40
Mikrosilika
5 – 15
Ztráta žíháním ≤ 3%
Vyžaduje větší množství superplastifikátoru.
VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ
Kamenivo: Vysoce
kvalitní Bez trhlin Kulatá či krychlová zrna Velikost 9,5 – 25 mm. Kulatozrnný písek, s propadem přes síta s velikostí ok 300 mm a 150 mm .
VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ
Chemické přísady: Nezbytné
a zásadní. Zlepšení zpracovatelnosti, snížení v/c, snížení obsahu cementu (omezení problémů s vysokým hydratačním teplem). Většinou kombinace superplastifikátoru a zpomalovače tuhnutí. Pokud dojde ke snížení zpracovatelnosti během práce – možno dodat superplastifikátor.
METODY NÁVRHU HPC 1.
2.
3.
4. 5. 6. 7. 8. 9.
Volba zpracovatelnosti a pevnosti – poměr vody a superplastifikátoru Určení maximálního zrna kameniva – volit maximální zrno co nejmenší s ohledem na ukládání, zpracování a pevnost betonu Odhad dávky vody a provzdušnění – zajištění dostatečné konzistence po potřebnou dobu Volba vodního součinitele – individuální dle použitých příměsí Obsah cementu Obsah hrubého kameniva Obsah drobného kameniva – dopočítání dávky písku Úprava vlhkosti – zohlednění vlhkosti kameniva POKUSNÁ ZÁMĚS
VLASTNOSTI TVÁRNÉHO BETONU
Chová se odlišně od běžného betonu:
Konzistence medu → větší kohezivita Při použití mikrosiliky – velmi malé odlučování vody (pocení betonu) HSC s popílkem a superplastifikátorem – doporučený rozliv 25 až 50 mm X HPC s popílkem bez superplastifikátoru - doporučený rozliv 50 až 100 mm Běžně se užívá rozliv 180 až 200 mm pro v/c 0,2 – 0, 35 – dokonalejší promíchání záměsi Velmi rapidní ztráta tekutosti – nelze předvídat chování záměsi – nutno ověřit laboratorními testy Přidání korektního množství superplastifikátoru - snížení odmísení X předávkování – odměšování a zpomalení tvrdnutí
VLASTNOSTI TVÁRNÉHO BETONU
Obsah vody: Ekonomické
– co nejméně pojiva a nízký obsah
vody Poměr v/c – závisí na: Požadované
konečné pevnosti Době, kdy má být této pevnosti dosaženo Vývoji pevnosti Použitých přísadách Kvalitě a velikosti kameniva Obvykle
v/c = 0,22 – 0,50
VLASTNOSTI TVÁRNÉHO BETONU
Obsah vzduchu v záměsi: Důležité
pro v/c > 0,24 – vzroste mrazuvzdornost Obtížné stabilizovat vzduchové bubliny v betonu – nutné sladit působení provzdušňovače a superplastifikátoru Pozor na ztrátu pevnosti – 5% ztráta na 1% vzrůstu obsahu vzduchu v záměsi
VLASTNOSTI TVÁRNÉHO BETONU
Vývoj pevnosti v tlaku:
STAVEBNÍ PROVEDENÍ
Dávkování a míchání:
Uložení, finální úprava a tvrdnutí:
Velmi kvalitní a uniformní cement. Kamenivo – přesná granulometrie. Před mícháním vhodné saturovat kamenivo. Přísady lépe vmíchat až po zvlhčení cementu. Vhodná teplota – 15 – 25°C (pod 10°C naftalenový superplastifikátor tuhne – obtížně se zamíchá ve vodě).
Rychlá ztráta zpracovatelnosti – rychlé ukládání. Obtížné závěrečné uhlazování povrchu. Nutno zabránit odpařování vody – kropení, mlžení, opatřit nepropustným nátěrem – nejméně 3 dny
Nízké v/c – neproběhne kompletní hydratace
VLASTNOSTI
HPC se liší od běžného betonu:
Vyšší hustota. Větší homogenita. Nižší porózita.
Mikrotrhliny:
Nižší výskyt než u běžných betonů Působením sil mezi CSH gelem a pevnějším složkám a díky nezhydratovaným částicím cementu
VLASTNOSTI
Pevnosti:
Rychlý vývoj pevností – křehčí beton. Voda/cement + příměsi
Očekávaná pevnost v tlaku (Mpa)
0,40-0,35
50-75
0,35-0,30
75-100
0,30-0,25
100-125
0,25-0,20
> 125
VLASTNOSTI
Smrštění:
Rozporuplná data – některé HPC vyšší, jiné nižší hodnoty než běžný beton Vyšší hodnoty – betony s mikrosilikou Efekt v/c a obsah kameniva na tečení:
Tečení:
Nižší hodnoty než běžný beton.
VLASTNOSTI
Trvanlivost:
Nižší propustnost. Hustší matrice (přispění pucolánů) – nižší obsah vody, snížená propustnost pro pronikající ionty v roztocích, odolává ASR Beton s křemičitým úletem – změna tranzitní zóny cementová pasta – kamenivo → snížení porózity a zvýšení hustoty matrice vznikem CSH → dodatečné snížení Nezreagovaná zrna cementu – dodatečná možnost hydratace → samohojení betonu
Mrazuvzdornost:
Vzrůst odolnosti proti mrazovým cyklům.
VLASTNOSTI
Chemické působení:
Abraze:
Zlepšení abrazivzdornosti Vzrůst odolnosti vůči vodní erozi
Koroze výztuže:
Velký nárůst odolnosti proti působení chemických látek. Pucolány redukují obsah CH – zvýšená odolnost vůči síranové korozi Omezena ASR.
Redukce pH pórového roztoku – kompenzováno snížením propustnosti a zvýšením odolnosti.
Vysoké teploty:
Vyšší výskyt trhlin a odloupávání při vyšších teplotách než u běžného betonu.
Samozhutnitelný beton (SCC)
ÚVOD
Původně vyvinutý v Japonsku v 90. letech 20. st. „nový“ materiál – vyžaduje moderní techniky ukládání a inovace klasické technologie betonu Původně označovaný jako vysokopevnostní, dnes se vyrábí ve všech pevnostních třídách Spojeno s vývojem plastifikátorů
ÚVOD
Beton s vysokou pohyblivostí a schopností tečení bez působení vnějších dynamických sil. s velkou odolností proti rozměšování a segregaci hrubých složek betonové směsi. Hrubé kamenivo je udržováno stále ve vznosu a viditelně plave na povrchu betonu, bez známek odlučování vody. Vlastností je dosaženo použitím speciálních superplastifikačních přísad na bázi polykarboxylátů a vhodným složením kameniva a příměsí. Aplikace:
vhodný zejména pro konstrukce složitých tvarů, které jsou velmi hustě vyztužené
Vlastnosti:
Výrazně se neodlišují od běžného betonu. Vlivem nízkého vodního součinitele – betony dosahují vyšších pevností v tlaku. Velký podíl jemných částic – zaručují hutnou strukturu – vodotěsné.
ÚVOD
Vývoj SCC
Zlepšení pracovního prostředí Zlepšení pracovních podmínek Snížení spotřeby energie Snížení vibrací Růst produktivity práce Snižení hlučnosti
SCC:
Čerstvý beton, který má schopnost téci pouze působením vlastní hmotnosti, vyplnit veškerý požadovaný prostor v bednění a vytvořit hutný a dostatečně homogenní materiál bez další vnější potřeby hutnění.
ÚVOD
První výzkumné práce na samozhutnitelném betonu započaly v Japonsku (v roce 1983 prof. Okamura na Kochi University of Technology a v roce 1986 prof. Ozawa na University of Tokio).
K rozvoji samozhutnitelného betonu došlo v roce 1992, kdy se začal používat na běžných stavbách.
V roce 1997 bylo v Japonsku uloženo 167 mil. m3 samozhutnitelného betonu.
Kanada – vyrábí se 25 % z celkové produkce betonu.
První rozsáhlou aplikací na území ČR je betonáž železničního mostu na trati Praha – Plzeň.
Zde se prokázalo, že samozhutnitelný beton představuje plnohodnotnou alternativu ke klasickému betonu. Bez jakékoli vibrace a hutnění beton dokázal zaplnit bednění a vyplnil všechna místa s hustou armaturou, hrubé kamenivo bylo stále ve vznosu a beton nejevil
známky segregace.
VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ
CSS – vyžaduje vysoký obsah jemných podílů a nízkou hodnotu poměru vody ku jemným podílům Cement + dvě až tři příměsi Cement:
většinou Portlandský lze použít cementy vyhovující ČSN EN 197 – 1
VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ
Kamenivo:
Dle ČSN EN 12620, trvanlivost dle ČSN EN 206 -1 drobné těžené kamenivo 0 - 4 mm hrubé kamenivo s velikostí zrna 16 - 22 mm (použito i 40 mm) vhodný tvarový index, dle ČSN EN 13055 – 1. Recyklát – pozor na zvýšenou nasákavost Lehké kamenivo – okolo 1900 – 1400 kg/m3 – velkovýroba prefabrikovaných stavebních dílců Důležité
rozložení granulometrie dílčích frakcí Využití plynulé křivky zrnitosti
VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ
Minerální příměsi:
mleté vápence, popílky, strusky a mikrosilika
TYP I inertní nebo částečně inertní
TYP II pucolánové hydraulické
• minerální plnivo (vápenec, dolomit, atd.) • pigmenty • popílek vyhovující ČSN EN 450 • křemičitý úlet vyhovující ČSN EN 13263 • jemně mletá granulovaná vysokopecní struska (pokud není součástí cementu vyhovujícího EN 197-1, lze použít národní normy do doby, než bude vydána nová ČSN EN 15167)
VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ
Minerální příměsi:
Popílek
Zvýšení vnitřní soudržnosti čerstvého betonu Snížení citlivosti na kolísání obsahu záměsové vody Pozor na předávkování – snížení tečení SCC
Křemičitý úlet
Minerální mikroplnivo Báze uhličitanu vápenatého Frakce < 0,125 mm, propad > 70% sítem 0,063 mm Zlepšení čáry zrnitosti, snížení množství záměsové vody
Zlepšení soudržnosti čerstvého betonu Zvýšení odolnosti proti rozměšování
Jemně mletá granulovaná struska
Velké množství ovlivní stabilitu záměsi – snížení robustnosti, pomalejší tuhnutí, riziko rozměšování
VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ
Přísady: Dle ČSN EN 934 – 2 Superplastifikátory
Účinek:
Minimalizace účinku kolísání množství záměsové vody, jemných podílů v písku nebo změn granulometrie kameniva. V počátcích – melamin-formaldehydové a naftalen-formaldehydové superplastifikátory – problémy kompatibility s cementem → kratší doba zpracovatelnosti Na bázi polykarboxyléterů – vyšší účinek ztekucení a stabilnější chování
Naváží se na povrch částic cementu , předají negativní náboj na povrch zrna → elektrostatické odpuzování a deflokulace, voda se uvolňuje mezi zrna a roste pohyblivost Boční řetězce molekul od sebe oddělují cementové částice → voda obklopí větší podíl povrchu zrn = sterické odpuzování
Provzdušňující
Zvýšení trvanlivosti
VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ
Přísady modifikující viskozitu (VMA): Adsorpční – adsorbují se na povrch částic cementu a vytvářejí mezi nimi přemostění
Ve vodě rozpustné polymery na bázi celulózy a akrylátu
Neadsorpční – navazují se na vodu Ve vodě rozpustné mikrobiální polysacharidy (škroby)
0,025 – 0,017% z hmotnosti jemných podílů
Pigmenty:
Dle ČSN EN 12878
Mohou ovlivnit vlastnosti čerstvého betonu – vždy ověřit působení Dobrý rozptyl
VÝBĚR MATERIÁLU A DÁVKOVÁNÍ
Vlákna: Ocelová, polypropylenová, skelná. Snížení tečení a prostupnosti SCC – ověřit zkouškami Zvýšení tahových vlastností - ocelová, polypropylenová vlákna Efektivní výztuž – nutno brát ohled na vliv:
Typu rozptýlené výztuže Rozměru rozptýlené výztuže Spojení rozptýlené výztuže s matricí Obsahu vláken Orientace vláken
HYDRATACE A MIKROSTURA
Kombinace nižšího poměru vody a jemných podílů, plniva a superplastifikátorů – hustší struktura a snížení porózity Objevuje se méně defektů a trhlin podstatně vyšší kvalitativní vlastnosti v čerstvém i zatvrdlém stavu oproti běžnému betonu
Vliv na trvanlivost:
Obsah alkálií v cementu a obsah cementu v betonu Vnější zdroje solí, alkálií Množství, velikost a reaktivita složek kameniva Přístup vlhkosti Teplota okolního prostředí
SLOŽENÍ BETONU
Zásady návrhu: Tekutost a viskozita se upravuje dávkou cementu, příměsí, omezením v/c a přídavkem superplastifikátoru a přísad – schopnost vyplňování, prostupnost a odolnost proti rozměšování. Řízení nárůstu teploty a regulace vzniku trhlin od teplotního smřšťování – přídavek příměsí typu I a II. Optimální objem cementového tmelu – plně obalená zrna, která kloužou. Snížení poměru mezi hrubým a jemným kamenivem – jednotlivá zrna hrubého kameniva plně obklopena maltou – snížení možnosti zaklínění zrn , zvýšení propustnosti.
Méně hrubého kameniva Větší množství cementového tmelu Nižší vodní součinitel Účinný superplastifikátor Přísady ovlivňující viskozitu
POSTUP NÁVRHU SMĚSI SCC Výběr požadovaných vlastností podle požadavků odběratele Výběr složek. Návrh složení směsi. Ověřit a upravit vlastnosti podle laboratorních zkoušek. Ověřit nebo upravit vlastnosti podle zkoušek na staveništi nebo ve výrobě.
Vyhodnocení nových složek.
POSTUP NÁVRHU SMĚSI SCC
V případě, že se nedosáhne vyhovujících vlastností, mělo by se zvážit provedení úplně nového návrhu směsi. V závislosti na daném problému, mohou být vhodné následující postupy:
upravit poměr cementu k jemným podílům a poměr vody k jemným podílům a vyzkoušet tekutost a další vlastnosti cementového tmelu vyzkoušet jiné typy příměsí (pokud jsou k dispozici) upravit množství jemného kameniva a množství superplastifikátoru zvážit použití přísady upravující viskozitu pro snížení citlivosti směsi upravit množství nebo zrnitost hrubého kameniva
STAVEBNÍ PROVEDENÍ
Výroba samozhutnitelného betonu nevyžaduje žádná mimořádná a technická opatření. Výjimku tvoří doba míchání betonové směsi – prodloužena na dvojnásobek. Doba zpracovatelnosti čerstvé směsi – min. 2 hod. v závislosti na vnějších klimatických podmínkách. Na základě provedených zkoušek se počátek tvrdnutí pohybuje v rozmezí 10 až 15 hodin. Po této inkubační době nastává strmý nárůst počátečních pevností (pevnost po 7dnech dosahuje obvykle cca 75 % výsledné pevnosti v tlaku).
Plnění bednění od spodu
VLASTNOSTI
Pevnost v tlaku:
Pevnost v tahu:
SCC nižší modul pružnosti než vibrovaný beton.
Dotvarování:
Stejná jako u normálního betonu
Statický modul pružnosti:
SCC se stejným v/c o něco vyšší pevnosti než tradičně vibrovaný beton – absence procesu vibrování. Vývoj pevnosti obdobný.
SCC vyšší objem cementového tmelu – vyšší součinitel dotvarování než u běžného betonu stejné pevnosti
Smršťování:
Sníženo od vysychání, zvýšeno autogenní
Výztuž → tahová napětí v betonu a tlaková napětí ve výztuži
VLASTNOSTI
Součinitel teplotní roztažnosti:
Soudržnost s výztuží:
Různý podle složení, stáří a vlhkosti betonu. Závisí na použitém kamenivu. 8 – 13.10-6/K Ovlivněna umístěním výztuže a kvalitou betonu. SCC minimalizace segregace a nedostatečného obalení výztuže. Výborná tekutost a koheze SCC.
Požární odolnost:
Nehořlavý a nepomáhá šíření plamenů. Neprodukuje kouř ani toxické plyny. Malá tepelná vodivost – účinná požární clona pro sousedící úseky. Zachová si při požáru většinu pevnosti. Přítomnost polypropylenových vláken – zvýšení odolnosti proti vzniku trhlin.
VLASTNOSTI
Kvalita povrchu:
Hustá, uzavřená textura Jasně definované vnější a vnitřní rohy Dokonalá reprodukce textury a dalších designových prvků bednění Méně odchylek odstínu v důsledku vyloučení vibrováním
VLASTNOSTI
Trvanlivost:
SCC postrádá nedostatky vibrovaného a uhlazovaného povrchu – méně slabých míst příhodných pro degradaci – zvýšení trvanlivosti.
SPECIFIKACE SCC Vlastnost
Doporučená zkušební metoda
Pohyblivost
Rozlití kužele
Viskozita (z rychlosti tečení)
Rozlití kužele T500 nebo V – trychtýř
Prostupnost – odolnost proti blokaci
L – box
Segregace
Zkouška odolnosti proti segragaci (síta)
ČSN EN 206-1 Beton - Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda ČSN EN 13369 Společná ustanovení pro betonové prefabrikáty Příloha B1, Zkoušení čerstvého betonu – Zkouška rozlití kužele (Slump-flow test) Příloha B2, Zkoušení čerstvého betonu – Zkouška V-trychtýřem (V-Funnel test) Příloha B3, Zkoušení čerstvého betonu – Zkouška L-boxem (L-Box test) Příloha B4, Zkoušení čerstvého betonu – Zkouška odolnosti proti rozměšování (Segregation resistence test)
SPECIFIKACE SCC
Rozlití Abramsova kužele
Tabulka A. 1 - Třídy rozlití kužele Třída Rozlití [mm] SF1 550 až650 SF2 660 až 750 SF3 760 až 850
SPECIFIKACE SCC
Zkouška V – trychtýřem
Tabulka A. 3 - Třídy viskozity
Třída VS1/ VF1 VS2/ VF2 > 2
T500 [s] čas ze zkoušky V-trychtýřem [s] ≤2 ≤8 9 až 25
SPECIFIKACE SCC
Zkouška L – boxem
Tabulka A. 2 - Třídy prostupnosti (L-box) Třída PA1 PA2
Prostupnost ≥ 0,80 přes 2 výztužné pruty ≥ 0,80 přes 3 výztužné pruty
Betonování desky ze samozhutnitelného betonu. Komerční centrum, Ferrara, Itálie.
Vyrovnávání povrchu samozhutnitelného betonu pomocí hladítka.
HSSCC vysokopevnostní samozhutnitelný beton třídy C80/95 Pevnost přes 100 Mpa
