Cílem tohoto článku je poukázat na závažnost problematiky smršťování betonu. Pojem smršťování betonu se obvykle používá ve spojitosti s vlhkostními objemovými změnami, případně s objemovými změnami hydratačními. Smršťování betonu je způsobeno zejména odpařováním vody z čerstvého betonu, vysycháním tvrdnoucího a ztvrdlého betonu a následně fyzikálně-chemickým procesem, tzv. autogenním smrštěním, během kterého se z cementové pasty vytváří novotvary, tvořící konečnou pevnou strukturu.
Typy a příčiny smršťování betonu
Vlhkostní objemové změny - nabývání při dotaci vlhkosti, respektive smršťování při vysychání - se rozdělují podle doby, kdy je beton vystaven změně vlhkosti. V případě vyzrálého betonu jsou vlhkostní objemové změny vratné a velmi malé. V naprosté většině případů nepředstavují pro konstrukci žádné riziko. Zcela opačná však je situace v případě zrání betonu, protože v tomto případě se jedná o objemovou změnu nevratnou a současně relativně velkou. U obvyklých betonových směsí se při standardních podmínkách (v tzv. normálním laboratorním prostředí) smršťování pohybuje na úrovni přibližně 0,7 mm/m. V případě jemnozrnných nebo nevhodně složených směsí však nejsou zcela výjimečné ani hodnoty okolo 2,5 mm/m.
Hydratační objemové změny jsou vyvolány chemickou reakcí cementu s vodou, protože hydratační produkty v systému portlandský cement a voda mají objem významně menší, než je objem nezhydratovaného portlandského cementu a vody vstupující do reakce. Toto tzv. chemické smrštění dosahuje značných hodnot. Uvádí se, že pro úplnou hydrataci 1 kg portlandského cementu je potřeba zhruba 250 g vody. Výsledný hydratační produkt pak je menší o přibližně 60 ml. Změna vnějších rozměrů prvku, způsobená chemickým smrštěním, se nazývá autogenní smrštění. Přímý vztah mezi velikostí chemického smrštění a velikostí autogenního smrštění bohužel neexistuje a je závislý na konkrétním typu cementu a na složení betonové směsi. Autogenní smrštění může být významné zejména u betonů s velmi nízkým vodním součinitelem, které vykazují relativně malé smrštění v důsledku ztráty vlhkosti. Například pro vysokopevnostní beton s vodním součinitelem nižším než 0,3 se uvádí autogenní smrštění na úrovni přibližně 0,2 až 0,4 mm/m.
Smršťování má několik příčin. První je, když objem složek před hydratací, tedy cement a voda mají větší objem, než má pak výsledný vyzrálý beton. Tomuto smršťování se říká chemické nebo také autogenní. Druhá možnost je špatným vysycháním (plastické smršťování). Voda se dostává příliš rychle z betonu a vznikají kapiláry, které ještě urychlují vysychání betonu. Jinou, ale podobnou verzí vysychání je u velmi vysokohodnotných betonů, kdy se voda uvnitř spotřebovává při hydrataci cementových zrn a výsledný objem je menší, než objem původních složek.
Dopady smršťování na betonové konstrukce
Z hlediska převážné většiny podlahových konstrukcí v průmyslových objektech, které jsou tvořeny železobetonovými deskami, a rovněž cementových potěrů v občanské a bytové výstavbě, představuje smršťování betonu (respektive cementového potěru) v době jeho zrání jedno z hlavních rizik vzniku závažných poruch. Typickými projevy jsou zejména vznik trhlin a tzv. zkroucení desek (curling), při kterém se nadzdvihnou rohy a hrany smršťovacích polí.
Čtěte také: Složení betonu
Normativní požadavky a smršťování betonu
Eurokód 2 je normou pro navrhování betonových konstrukcí určenou primárně pro práci projektantů. V normě se uvádí, že smršťování betonu závisí na okolní vlhkosti, na rozměrech prvku a na složení betonu. Celkové smrštění betonu pak počítá jako součet smršťování od vysychání a smršťování autogenního. Pro betony vyrobené z cementu třídy N je velikost smrštění od vysychání tabelována a příslušnou hodnotu lze zjistit na základě znalosti pevnostní třídy betonu a relativní vlhkosti prostředí, ve kterém bude beton umístěn. Pomocí součinitele je dále zahrnut vliv "masivnosti" konstrukce. Variantně lze smrštění od vysychání spočítat pomocí vztahu, kde je navíc zahrnut vliv třídy cementu S, N nebo R. Například pro beton pevnostní třídy C20/25 z cementu třídy N jsou tabelované hodnoty konečného smrštění od vysychání v rozmezí 0,62 ‰ (při 20procentní relativní vlhkosti vzduchu) až po 0 (při 100procentní relativní vlhkosti vzduchu). Autogenní smrštění stejného betonu pak vychází 0,025 ‰. Tedy při 20procentní relativní vlhkosti vzduchu vychází celkové smrštění betonu 0,645 ‰, tj. 0,645 mm/m. Ve výpočtu smršťování podle Eurokódu 2 tedy nejsou zahrnuty vlivy odrážející konkrétní složení betonové směsi, které však mají na smršťování betonu zásadní vliv. Zejména se jedná o skutečnost, že jemnozrnné betony a betony s vyšším množstvím cementu mají výrazně větší smrštění než betony hrubozrnné, a to při stejné pevnosti v tlaku. Vliv použitých přísad a sklonu použitého cementu ke smršťování rovněž není zahrnutý.
Základní norma pro výrobu betonu se věnuje problematice smršťování pouze okrajově. V normě se nacházejí pouze dvě zmínky o smršťování betonu. První je v národní příloze v článku 5.2.9, který platí pouze v České republice a věnuje se obsahu jemné moučky v betonu. Druhá zmínka je významnější a nachází se v národní příloze v článku 6.2.3, který vyjmenovává doplňující požadavky pro specifikaci betonu. Smrštění betonu je právě jedním z těchto doplňujících požadavků. Ve všeobecných požadavcích na specifikaci betonu norma požaduje, aby specifikátor betonu (kterým je v našich podmínkách obvykle projektant) zajistil, že všechny příslušné požadavky na vlastnosti betonu budou zahrnuty ve specifikaci, která se předkládá výrobci betonu. Specifikace typového betonu musí obsahovat vždy všechny základní požadavky a podle potřeby požadavky doplňující. S ohledem na problematiku smršťování betonu lze tedy vyvodit, že norma ČSN EN 206-1 požaduje po specifikátorovi betonu, aby doplňující požadavek na velikost smršťování betonu ve specifikaci typového betonu uvedl vždy, kdy to konkrétní situace konstrukce vyžaduje. Vzhledem k tomu, že smršťování betonu je jednou z hlavních a nejčastějších příčin vzniku poruch betonových podlah, měl by, podle našeho názoru, tento požadavek být součástí specifikace betonu pro podlahy vždy.
Základní norma pro výrobu cementu pro stavební použití se problematice smršťování cementu vůbec nevěnuje a smršťování tedy vůbec není parametrem, který by se pro cement deklaroval. Někdy bývá smršťování cementu zaměňováno s tzv. objemovou stálostí cementu, která se zkouší pomocí Le Chatellierových objímek. Konstrukce Le Chatellierových objímek však umožňuje zjistit pouze sklon cementu k nabývání, kdy je registrováno rozevření objímky.
Z uvedené přehledu normativních ustanovení je zřejmé, že stávající normová úprava klade hlavní odpovědnost za opatření bránící vzniku poruch způsobených smršťováním betonu na projektanty. ČSN 74 4505 požaduje, aby autor návrhu podlahy (obvykle projektant) předepsal rozmístění smršťovacích spár po podlaze. To je, spolu s vyztužením betonové desky, hlavním konstrukčním opatřením bránícím vzniku nežádoucích smršťovacích poruch. ČSN EN 206-1 zároveň po specifikátorovi betonu (obvykle projektantovi) požaduje, aby specifikoval veškeré relevantní parametry betonu, v případě podlahových konstrukcí by tedy neměl zapomenout na doplňkový parametr smrštění betonu. Pro formulaci tohoto požadavku nedává norma žádné vodítko, a je tedy třeba ho s dodavatelem betonu dohodnout tak, aby parametry betonu odpovídaly parametrům uvažovaným v projektu, respektive návrhu podlahy. Úkol dodavatele betonové směsi vyrobit specifikovaný beton rovněž není jednoduchý, protože pracuje s materiály s variabilními vlastnostmi. Mezi ně je, vedle kameniva a příměsí, třeba zahrnout i cement. Zmíněná cementářská norma ČSN EN 197-1 nezahrnuje smršťování cementu mezi jeho parametry a výrobci cementu ho tedy nemusejí vůbec sledovat, a tedy ani garantovat míru smršťování u jednotlivých typů cementů, ani to, že smršťování cementu během jeho zrání je u různých dodávek stále stejné.
Strategie pro minimalizaci smršťování a zajištění kvality betonu
Každý beton se smršťuje a tento fakt je možné pouze omezit, nebo kompenzovat. Jak zajistit, aby beton byl kvalitní a pevný? Má to několik zásadních premis. Jednou z hlavních je příprava, aby nedocházelo k smršťování betonu. Únik vody z betonu do okolí. Pokud k tomu dochází před začátkem tuhnutí betonu, jedná se o plastické smršťování, pokud uniká voda z betonu po začátku tuhnutí a tvrdnutí, jedná se o vysychání betonu. Některé dílčí způsoby smršťování působí souběžně, nebo postupně přecházejí jeden v druhý.
Čtěte také: Betonová dlažba Brož
Opatření proti smršťování
U chemického smršťování se musí upravit dávka vody nebo se musí zvětšit frakce kameniva, protože kamenivo svůj objem nezmenšuje, upravuje se tak poměr mezi jednotlivými částmi. Plastické smršťování se upravuje snížením podílu vody (když je ve směsi méně vody, méně se jí také odpaří do okolí) a hlavně omezením vysychání. To znamená okamžité zakrytí betonu fólií, která sníží odpar. Možné je také přidat expanzivní přísadu, která s postupem času naopak nabývá na objemu. Samozřejmostí je pak kropení betonu. Ovšem tak, aby nedocházelo k vyplavování. Jako vždy je ovšem nejúčinnější posunout betonáž do doby, kdy jsou podmínky nejlepší, tedy nemrzne, nesvítí příliš slunce apod. V betonové směsi s nízkým smršťováním je přidáno minimum vody a má sušší konzistenci. Tyto směsi jsou rozhodně vhodné do míst, kde se prakticky bude počítat s tím, že si betonová směs pomůže tím, že si doslova natáhne vlhkost ze země. Také se ale musí počítat s tím, že zde nebudou nároky na větší zatížení se zaměřením na únosnost a pevnost. Suchý beton obsahuje jemnější plnivo a zase více cementu, díky čemuž lze dosáhnout přesnější roviny.
Ošetřování a ochrana betonu
V normě pro provádění betonových konstrukcí v kapitole Ošetřování a ochrana se uvádí, že "beton se musí v raném stáří ošetřovat a chránit, aby se minimalizovalo plastické smršťování, aby se zajistila dostatečná pevnost povrchu, aby se zajistila dostatečná trvanlivost povrchové vrstvy, musí se chránit před mrazem a před škodlivými otřesy, nárazy nebo před poškozením." Norma tedy po dodavateli betonové konstrukce nepožaduje, aby ošetřováním betonu omezoval smrštění betonu od vysychání. Požaduje pouze, aby zabránil vzniku trhlin od plastického smršťování, což je pouze část smrštění od vysychání, která probíhá na samém počátku zrání betonu.
Beton v raném stáří se musí ošetřovat a chránit zejména proto, aby se minimalizovalo plastické smršťování a aby se zajistila dostatečná pevnost povrchu. Cílem ošetření je zajistit dostatečnou trvanlivost povrchové vrstvy betonu a jeho ochranu před mrazem, škodlivými otřesy, nárazy a v neposlední řadě i před poškozením. Po ukončení zhutňování a konečné úpravě povrchu betonu se musí beton ošetřovat bez odkladu! Chceme-li zabránit trhlinám od plastického smršťování na volných površích, musíme před ukončením betonáže celé konstrukce povrch betonu dočasně ošetřovat. Nejjednodušší způsob ošetření, pokud je to možné, je ponechat konstrukci v bednění. Dále je vhodné pokrýt volné povrchy betonu parotěsnými plachtami či fóliemi, které jsou po obvodu a v místech přesahů zabezpečeny proti odkrytí. Proti vysychání lze beton chránit i namočením a následně udržovat povrch betonu viditelně vlhký vhodnou vodou. Často se využívá i nástřik vhodných ošetřovacích hmot, které po čase sublimují. Takzvané přírodní ošetřování (bez použití jakýchkoliv prostředků) je dostatečné pouze tehdy, jsou-li podmínky po celou dobu požadovaného ošetřovacího období takové, že rychlosti vypařování z povrchu betonu je nízká; například ve vlhkém, deštivém nebo mlhavém počasí.
Všeobecně platí, že čím déle se beton ošetřuje, tím lépe. Nicméně je nutné vzít v úvahu i náklady na toto ošetřování a jeho rentabilitu. Nezbytná doba potřebná pro ošetřování betonu je závislá na vývoji vlastností betonu v povrchové vrstvě (ČSN EN 13670). Třída ošetřování musí být stanovena v prováděcí dokumentaci. Konkrétní dobu pak lze určit dvěma způsoby. Prvním z nich je výpočet konkrétní hodnoty zralosti (pevnosti) betonu v povrchové vrstvě na základě vhodné funkce, vyzkoušené pro použitý druh cementu nebo pro kombinaci cementu a příměsi. Jde o výpočet zralosti, zkoušky pevnosti nedestruktivními metodami apod. Další, jednodušší možností je použít tabulku z přílohy F ČSN EN 13670.
Minimální teplota betonu v době dodávání nesmí být nižší než +5 °C. Při poklesu teploty pod 5 °C se totiž hydratace výrazně zpomaluje a při 0 °C se zastaví. Pokud je teplota okolí při ukládání nižší než 5 °C, pak by měl mít dodávaný beton teplotu alespoň +10 °C. Beton může teoreticky i zmrznout, a to za předpokladu, že jeho pevnost již dosáhla alespoň 5 MPa. Při betonáži v létě, kdy teploty překračují tropických 30 °C, se betonáž rovněž řídí několika zásadami a doporučeními. Normativně není maximální teplota betonu omezena. Resortní předpisy TKP 18 MD požadují nepřekročit teplotu betonu +27 °C. Vyšší teplota betonu se připouští jen na základě průkazních zkoušek. Následně pak maximální teplota betonu v jádře nesmět překročit +70 °C. Teplotní gradient jádro - povrch nemá být větší než 20 °C, aby nevznikalo přílišné napětí uvnitř betonu. Pro vlastní betonáž v letním období je vhodné zajistit nízkou teplotu betonu (využívat kamenivo ze zakrytých skládek nebo zvnitřku skládky, nepoužívat cement rovnou z výroby). Doporučuje se betonovat večer před chladnou částí dne a použít neprodleně dočasné ochrany (vhodné jsou bílé nástřiky). Při extrémních podmínkách lze použít metodu přidávání ledu do betonu. Další metodou snížení teploty čerstvého betonu je použití tekutého dusíku. Metody snižování teploty čerstvého betonu jsou vhodné rovněž pro betonáž masivních konstrukcí, jelikož vývoj hydratačního tepla se rozloží do delšího časového úseku. Tím se snižuje maximální teplota betonu a omezuje se vznik trhlin.
Čtěte také: Půjčovna pil na beton – vyplatí se?
Při betonáži je tedy vždy důležité mít na paměti, že beton je třeba po jeho uložení do konstrukce pečlivě ošetřovat, aby bylo dosaženo jeho požadovaných parametrů. Ošetřování je třeba přizpůsobit řadě okolností (druhu betonu, použitým materiálům, tvaru a rozměrům konstrukce, podmínkám okolního prostředí). Náklady vynaložené na ošetřování betonu jsou objektivně mnohem nižší než náklady na následnou opravu vad z důvodu zanedbaného nebo žádného ošetřování betonu.
Přísady do betonu snižující smršťování a zlepšující vlastnosti
K úpravě a vylepšení vlastností betonů a maltových směsí slouží speciální přísady. Pro zlepšení zpracovatelnosti betonových a maltových směsí je vhodné použít superplastifikátor betonu. Tato přísada má vysoký ztekucující účinek a prodlužuje dobu zpracovatelnosti. Použitím přísady lze snížit množství záměsové vody až o 30 % při zachování potřebné zpracovatelnosti směsi, čímž se výrazně snižuje výskyt smršťovacích trhlin (pozitivní vliv na vodotěsnost a odolnost proti klimatickým a chemickým vlivům). Betonové a maltové směsi obohacené touto přísadou lze lépe čerpat i hutnit a mají částečnou nivelační schopnost. Přísady tohoto typu nepůsobí korozivně na ocelovou výztuž a jejich použití má pozitivní vliv na počáteční i konečnou pevnost betonů a malt. Profesionálové řeší problém s nadměrnou vodou použitím plastifikátorů nebo superplastifikátorů. Tyto přísady umožňují dosáhnout požadované tekutosti (zpracovatelnosti) bez nutnosti přidávat nadměrné množství vody, čímž zachovávají pevnost a omezují smršťování.
Pro zkrácení doby tuhnutí a tvrdnutí betonových a maltových směsí slouží urychlovač betonu, čímž umožňuje dřívější odbednění konstrukcí či manipulaci s výrobky. Tato bezchloridová přísada zároveň zlepšuje zpracovatelnost směsi při mírném snížení množství záměsové vody. Betony a malty obsahující tuto přísadu vykazují větší počáteční i konečné pevnosti a jsou dříve odolné proti působení mrazu. Tyto přísady nepůsobí korozivně na ocelovou výztuž a neovlivňují účinek provzdušňujících přísad.
Provzdušňující a zušlechťující přísady podporují ve směsi vznik vzduchových pórů, čímž výrazně zlepšují její zpracovatelnost a zároveň snižují spotřebu materiálu až o 20 % (náhrada objemu vzduchem). Omítky zhotovené z této malty jsou prodyšnější, mají lepší tepelněizolační vlastnosti a menší sklon k tvorbě trhlin v důsledku prudkých tepelných změn.
Zimní přísada umožňuje provádění betonáže i při teplotách pod bodem mrazu. Jedná se o bezchloridovou přísadu, která urychluje tuhnutí a zároveň má plastifikační účinky, čímž zlepšuje zpracovatelnost směsi a snižuje potřebné množství záměsové vody. Při použití této přísady lze provádět betonáž až do teploty -10 °C, avšak pouze při dodržení souvisejících technologických podmínek - použití cementů vyšších pevnostních tříd, min. teplota ukládané směsi 5 °C a tepelná ochrana betonu během tuhnutí a tvrdnutí. Betony a malty obsahující tuto přísadu vykazují větší počáteční i konečné pevnosti.
Výztužná polypropylenová vlákna vytváří v maltách a betonech mikroarmaturu zabraňující tvorbě smršťovacích trhlin, čímž se zvyšuje jejich vodotěsnost, mrazuvzdornost a odolnost proti klimatickým a chemickým vlivům. Výztužná vlákna mají zároveň pozitivní vliv na mechanické vlastnosti materiálu - zvyšují pevnost v tlaku (o 6 až 15 %), pevnost v tahu za ohybu (o 6 až 13 %) a rázovou pevnost (o 200 až 250 %). Konstrukce vyztužené těmito vlákny vykazují vyšší požární odolnost a jejich povrchy lépe odolávají abrazi a nemají tendenci se drolit. Celulózová vlákna, která přispívají k lepší pevnosti betonu v tahu, za ohybu, a také snižují míru smršťování, se mohou rozpustit přímo v betonové směsi. Dále je možné pro vyztužení použít kari sítě nebo polymerová vlákna.
Smršťovací spáry
V základní normě pro navrhování a provádění podlahových konstrukcí se problematika smršťování betonu řeší zavedením pojmu smršťovací spára. Tato spára je vytvořena tak, aby umožnila kontrolovaný vznik smršťovacích trhlin, a tedy proběhnutí objemových změn betonu bez vzniku nežádoucích, tzv. divokých trhlin či jiných nepříznivých dopadů smršťování. V normě se dále požaduje, aby v návrhu podlahy (jak průmyslové, tak občanské a bytové výstavbě) bylo definováno rozmístění smršťovacích spár v podlaze a jejich následná úprava. Pro průmyslové podlahy, které jsou prakticky vždy tvořeny monolitickou železobetonovou deskou, jsou uvedeny požadavky na maximální vzdálenost smršťovacích spár (maximálně třicetinásobek tloušťky desky, maximálně 6 m) s tím, že větší vzdálenosti smršťovacích spár musí být podloženy statickým výpočtem. Výjimkou jsou specifické případy speciálních syntetických povrchových úprav podlah. Pro cementové potěry často používané v občanské a bytové výstavbě se podobná konkrétní doporučení v normě neuvádějí. Úkolem prováděcí firmy pak je beton do podlahy správně uložit, včas nařezat smršťovací spáry a ošetřovat tak, aby v počáteční fázi zrání nevznikly trhliny od plastického smršťování.
tags: #beton #s #malou #mírou #smršťování #vlastnosti