Vysokohodnotný beton HPC - K123

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.