Díky kvalitnímu římskému betonu vydrželo mnoho antických památek až do dnešních dní. I přes nepříznivé přírodní podmínky a staletí bez jakékoliv údržby, zůstává dodnes mnoho římských staveb velmi dobře zachovaných. Důvodem je využití betonu, který začali Římané využívat v rozsáhlém měřítku zřejmě jako úplně první civilizace. Nejstarší betonové památky pochází zhruba z konce třetího století před naším letopočtem. Ještě starší využití betonu můžeme najít například v Asýrii.
Římský beton - inovace, která přežila tisíciletí
Většina technologií, které Římané používali, byla převzatá od národů pokořených neporazitelnými legiemi. Jednou z mála výjimek je římský beton, který dokáže vydržet tisíce let. Tak jako i v dnešním stavebnictví, využívali Římané litý beton, který nazývali Opus caementum. Od přelomu letopočtu šlo již o zcela běžný postup v antickém stavebnictví. Důkazy o tom můžeme najít i na těch nejznámějších památkách. Patrně největším úspěchem římského stavebnictví, kde je tento postup využitý, je kopule římského Pantheonu. Ta měří přes 43 metrů a váží přes čtyři a půl tisíce tun. Další důkazy o masovém využití betonu můžeme nalézt i ve světoznámém Coloseu, nebo římském přístavu Ostia.
Jaké bylo tajemství římských stavitelů?
Římský beton dosahoval pevnosti dnešních stavebních materiálů. Jak toho dávní stavitelé, kteří neměli k dispozici pokročilé technologie docílili? Složení římského betonu bylo odlišné od toho současného. Základem byl vápenec smísený s vodou. Následně se do směsi přidala klíčová látka, která zajišťovala vynikající konstrukční vlastnosti. Jako příměs se využíval vulkanický popel, kterého na apeninském poloostrově byly díky četným sopkách značné zásoby. Tento specifický popel byl svým způsobem předchůdce dnešního cementu, ovšem v některých vlastnostech ho dokonce překonával.
Pokud stavitelé využili druh popela vyskytujícího se v Neapolském zálivu, získali speciální typ betonu vhodného pro stavby, které byly v kontaktu se slanou mořskou vodou. Dnešní beton je působením slané vody degradován a dochází k rozpadu stavby. U římského betonu naopak při kontaktu se slanou vodou docházelo k další chemické reakci, která naopak beton ještě více zpevňovala, svým způsobem ho regenerovala. Dávní stavitelé si těchto vlastností byli dobře vědomi a využívali speciálního betonu ke stavbě vodních hrází, nebo přístavních staveb. Jedna z nejstarších vodních betonových staveb se nachází v Caesarei.
Odolnost betonových konstrukcí ve vodním prostředí
Celá řada konstrukčních betonových prvků přehrad musí odolávat extrémnímu namáhání mrazem a abraze rychle proudící vody. V současné době probíhá nebo již proběhlo několik rekonstrukcí betonových přelivů či skluzů přehrad nebo jezů právě s požadavkem na zvýšenou odolnost proti abrazi. Z hlediska ČSN EN 206 jsou betony odolné proti abrazi stanoveny expoziční třídou XM, avšak kritéria hodnocení a metody testování jsou nedostatečné. Podle platných norem jsou betony určené pro stavbu nebo rekonstrukci betonových jezů, přelivů, vývarů nebo skluzů u přehrad většinou klasifikovány expoziční třídou XF3 a XM3.
Čtěte také: Beton: cement, písek, voda
Tyto expoziční stupně jsou podle ČSN EN 206+A1 [5] definovány pouze minimální pevnostní třídou, minimálním množstvím cementu a maximálním vodním součinitelem. Ani jeden z těchto parametrů však nepodává jasný a měřitelný obraz o dostatečné odolnosti vyrobených betonů proti abrazivnímu chování kapaliny, jejího proudění, unášení pevných látek a odolnosti proti působení mrazu.
Abraze a mrazuvzdornost
Abraze je klasifikována jako fyzické opotřebení povrchu v důsledku cyklicky se opakujících dynamických sil a posunů. Odolnost proti abrazi lze tedy definovat, jako schopnost odolávat opotřebení vlivem tření. V konkrétním případě u betonových jezů, přelivů či skluzů, jsou tyto konstrukce namáhané zejména proudící kapalinou nesoucí sebou pevné částice, popřípadě kavitací kapaliny, která vzniká při vysokých rychlostech proudící vody. V některých případech přepadových skluzů se v povodňových situacích uvažuje s rychlostí proudění vody až 20 m/s. Z pohledu samotné definice abraze je zřejmé, že pro dobrou odolnost je třeba zajistit dostatečnou tvrdost kompozitu, ale taktéž hladkost povrchu bez mikroporuch, které se stávají ložisky pro vznik kavitace a následné rychlé destrukce povrchů betonu.
Obrusnost betonu je ovlivňována celou řadu parametrů týkajících se samotné skladby směsi, ale taktéž jeho zhutněním a finálním zpracovaném povrchů. Obecně lze tyto faktory rozdělit jako primární a sekundární. Mezi primární lze zařadit složení betonové směsi a mezi sekundární například použití speciálních produktů umožňujících dodatečné vytvrzení povrchu. Jako nejvýznamnější parametry lze obecně jmenovat tvrdost povrchu a pevnost spojení kameniva a cementového tmele. Tyto dva faktory se vzájemně doplňují. U kameniva je třeba zajistit zejména jeho vysokou tvrdost a odolnost proti otlukovosti. Kamenivo tvoří základní kostru celého betonového kompozitu a jeho odolnost proti obrusu je znatelně vyšší než odolnost cementového tmelu. Pevná kameniva mají vynikající tvrdost, zároveň však mohou být značně křehká, proto je třeba používat kameniva dostatečně pevná a s dostatečně vysokou houževnatostí. Má-li beton vykazovat dobrou odolnost proti abrazi, musí jeho cementový tmel vykazovat dostatečnou pevnost zajišťující kvalitní propojení s kamenivem.
Díky použití vhodné a dostatečně účinné superplastifikační přísady je možné silně redukovat vodní součinitel, který má přímý dopad na pevnost cementového tmele. Dostatečná pevnost cementového tmele je však často dosažená na úkor potřebné dávky cementu, popřípadě obecně pojivové báze, což může mít za důsledek vznik mikroporuch kompozitu vznikajících během hydratace, např. vysokými hydratatačními teplotami v tvrdnoucím betonu. Jako vhodné se proto jeví používání příměsí snižujících vývoj hydratačních teplot betonu a jeho smrštění. Aktivní příměsi se navíc podílí na hydratačním procesu za dlouhodobé tvorby CSH gelů, a tím zahušťování mikrostruktury, která se tak stává pevnější a odolnější proti abrazi.
Z důvodu prostředí XF však není vhodné používat některé příměsi mající negativní dopad na zkoušku mrazuvzdornosti betonu. Pro redukci objemových změn a následný vznik smršťovacích trhlin se dají využít tzv. protismršťovací přísady, které jsou na trhu běžně dostupné. Pro správný návrh betonů odolávajících působení abraze a mrazu u konstrukcí vodních přehrad je důležité zohlednit aspekt betonáže často masivních částí konstrukce.
Čtěte také: Recepty na beton
Všechny konstrukce přicházející do styku s vodou u vodních nádrží musí v našich klimatických podmínkách odolávat prostředí mrazu. U konstrukcí vodních staveb se jedná převážně o betony XF3, pokud se nejedná o pojížděné hráze s aplikací posypových solí. V moderní technologii betonu se pro zlepšení odolnosti proti mrazu nebo proti mrazu a chemicky rozmrazujícím látkám používají tzv. provzdušňovací přísady. Vzduch v betonu však působí negativně na odolnost proti abrazi. Jako vhodné se proto na základě výsledků z praxe ukazuje výroba betonů bez dodatečného provzdušnění, ale dostatečně odolných pro prostředí XF3. Požadavek na trvanlivost vyjádřenou koeficientem mrazuvzdornosti z hodnot pevností v tahu za ohybu při průkazních zkouškách, by měl být na min.
Ultra vysokohodnotný beton (UHPC)
UHPC se stejně jako běžné betony skládá z pojiva, plniva, vody, příměsí a přísad. Dosažení velmi vysokých pevností vychází ze základního předpokladu extrémního snížení vodního součinitele, vhodné volbě plniva a masivního použití superplastifikátorů.
Složky UHPC
Cement
Cement pro výrobu UHPC je shodný se standardně používanými cementy. Preferují se čisté portlandské cementy CEM I pevnostní třídy 52,5 s vysokou jemností mletí. Ostatní typy cementů nejsou vyloučeny, ale je nutné ověřit jejich vlastnosti a vhodnost použití pro UHPC. Výrazně se doporučuje využívat cementy s nízkým obsahem slínkových minerálů C3S a C3A, které sníženým vývojem hydratačního tepla omezí hydratační teplo a smrštění. Obvyklá dávka portlandského cementu je vyšší než dávka cementu u běžných betonů (pohybuje se v rozmezí 600 až 1 000 kg/m3). Vysoké dávky cementu a nízký vodní součinitel způsobuje, že část cementu zůstává nezhydratovaná a zastává funkci plniva.
Voda
Voda se podílí na hydrataci cementu a zlepšuje zpracovatelnost čerstvé směsi. Větší množství vody sice zlepšuje zpracovatelnost čerstvého UHPC, ale zároveň zvyšuje jeho pórovitost, jelikož zůstává vázána v kapilárách, ze kterých se postupně uvolňuje. V konečném důsledku snižuje pevnost v tlaku a odolnost proti působení vnějšího prostředí. Požadavky na vlastnosti záměsové vody do UHPC musí splňovat požadavky uvedené v ČSN EN 1008 (732028) Záměsová voda do betonu - Specifikace pro odběr vzorků, zkoušení a posouzení vhodnosti vody, včetně vody získané při recyklaci v betonárně, jako záměsové vody do betonu. Podle norem pro přípravu betonu - ČSN EN 206-2, je všechna voda, která je v souladu s požadavky ČSN EN 1008 vhodná. Beton má další důležitou složku, kterou je cement a právě ten ve spojení s vodou nastartuje chemickou reakci, která se nazývá hydratace. Z tohoto důvodu začíná beton po několika desítkách minut tuhnout a tvrdnout. Minimální potřeba vody pro tuto hydrataci je zhruba 25 % - 35% z hmotnosti cementu. Problém může nastat i při velmi malé dávce vody, kdy vznikne hutný ztvrdlý beton.
Tabulka 1: Klasifikace typů vod a požadavky na průkazní zkoušky (pozn. Tabulka se zde nenachází v původním textu, nicméně je na ni odkazováno)
Čtěte také: Je dešťová voda vhodná pro beton?
Vodní součinitel (w/b)
Tradičně se pro vodní součinitel používá zkratka w/c. V případě UHPC je vodní součinitel správněji uvádět zkratkou w/b z anglického water/binder (pojivo). Vzhledem k vysokým obsahům superplastifikátorů ve směsi se započítává i voda obsažena v nich. V prvních okamžicích hydratace jsou veškeré vytvořené chemické vazby výsledkem pouze reakce vody a cementu ale na následné sekundární hydrataci se podílejí latentně hydraulické příměsi. Pro běžné betony se udává minimální dosažitelná hodnota vodního součinitele w/b 0,35 až 0,4, která přibližně odpovídá množství vody potřebné pro hydrataci všech cementových zrn v záměsi a zároveň umožňuje přijatelnou zpracovatelnost čerstvé směsi. Pro přípravu UHPC je nutné jít s vodním součinitelem mnohem níže pod tuto hodnotu (dnes běžně w/b < 0,2). Účelem snižování vodního součinitele je vytvoření co nejvíce hutné ztvrdlé cementové pasty. Optimální hodnota minimálního vodního součinitele pro UHPC byla stanovena na hodnotě w/b = 0,14 (Richard a Cheyrezy 1995). Již při použití vodního součinitele w/b < 0,3 (přibližně) všechna zrna ve směsi nezhydratují. Jemná zrna zhydratují, vnitřní část hrubších zrn a zrna cementu bohatá na C2S tvoří funkci jemného filleru. Vzhledem k pevnosti je potřeba použít velmi nízký vodní součinitel a zároveň musí být beton dobře zpracovatelný. Zlepšení zpracovatelnosti se dosahuje použitím vhodného kameniva, vhodné křivky zrnitosti, superplastifikátorů a jemnozrnných příměsí.
Kamenivo
Nosná kostra UHPC matrice je tvořena jemnozrnným kamenivem, na které jsou kladeny vysoké nároky, zejména na jeho pevnost, jakost a na minimální množství interních poruch. Vysoké nároky na kamenivo jsou dány vytvořením hutné struktury matrice a vlastnostmi UHPC. Při návrhu UHPC je nejdůležitější dosažení plynulé křivky zrnitosti kompletní směsi, od nejjemnější mikrosiliky až po hrubé kamenivo. Zároveň je zásadní kompatibilita jednotlivých složek, především superplastifikátoru a cementu. Optimalizovaná křivka zrnitosti kameniva je podmínkou dobré zpracovatelnosti čerstvé betonové směsi. Běžně ji tvoří tzv. kostra, která je doplněna jemnějšími frakcemi kameniva, příměsemi, nezhydratovanými zrny cementu (s vysokým měrným povrchem), nebo jejich kombinace. Následující graf zobrazuje směrné křivky zrnitosti kameniva maximální frakce 4 mm. Oblast mezi zelenými křivkami představuje použitelnou granulometrii kameniva. Červená křivka představuje optimální skladbu a oblast mezi modrou a zelenou křivkou je oblast použitelné zrnitosti kameniva. Kamenivo pro UHPC musí být dostatečně pevné, bez mechanických vad a s vhodným tvarovým součinitelem.
Používají se jemnozrnné přírodní písky, přírodní štěrky, nebo drcené kamenivo. Doporučuje se používat tříděné písky z pevných vyvřelých hornin (žula, gabro, čedič, apod.), křemičité sklářské písky nebo písky slévárenské. Obecně lze doporučit použití drceného kameniva, které má sférický tvar zrn a lepší tvarový index než kameniva těžená. Díky této vlastnosti je možné snížit dávku plastifikátoru. Drcené kamenivo by mělo obsahovat minimum defektů. Odstřel a drcení kameniva není z tohoto pohledu ideální. U drceného kameniva záleží na petrografických vlastnostech matečné horniny a minimu defektů. Vhodné jsou např. vápence, žula nebo syenit. Zcela nevhodné jsou zvětralé horniny a horniny snadno odlučné po vrstvách (vytvářejí plochá zrna). Pravidla pro vhodný tvarový index kameniva jsou zpravidla odvozena od doporučení pro běžné betony. Vhodná jsou zrna se sférickým, nebo kubickým tvarem a zcela nevhodná jsou zrna plochá a zrna s ostrými hranami.
Omezení velikosti kameniva je dáno nejen vytvořením hutné struktury, ale též omezením vzniku mikrotrhlin mezi hrubými zrny nesmršťujícího se kameniva a cementovou pastou. Dalším důvodem je i vznik mikroporuch ve velkých zrnech. Vyšší podíl jemných frakcí kameniva zároveň zvyšuje i dávku cementu, který je potřebný pro obalení zrn kameniva. Na začátku vývoje UHPC se předpokládalo, že beton bude mít velmi homogenní strukturu se zrny kameniva menších než milimetr. Postupný výzkum prokázal, že zrna o velikost do 8 mm a výjimečně do 16 mm nebrání zvyšování pevnosti na úroveň kolem 200 MPa.
Příměsi
Použití příměsí ovlivňuje nejen hustotu směsi, ale také reologické vlastnosti čerstvé směsi. Typ a dávkování všech příměsí vyplývá z návrhu a optimalizace složení receptury UHPC. Zrnitost filleru, použitého jako mikroplnivo, musí kromě požadavků uvedených v ČSN EN 12620+A1 (721502) Kamenivo do betonu splňovat také požadavky uvedené v ČSN EN 933-10 (721193) Zkoušení geometrických vlastností kameniva - Část 10: Posouzení jemných částic - Zrnitost fileru (prosévání proudem vzduchu).
Příměsi (např. křemičitá moučka) plní funkci mikrofileru. Smyslem přidávání příměsí do směsi UHPC je zajistit optimální granulometrickou skladbu, aby byla zaručena co největší hutnost a minimalizována mezerovitost. Současně přispívají k ovlivnění reologických vlastností čerstvého betonu. Využívají se jak příměsi typu I (mletý křemen, kamenná moučka, vápenec), které jsou téměř inertní, tak latentně hydraulické typu II (křemičitý úlet, popílek, vysokopecní struska apod.). Křemenná moučka patří do tzv. inertních příměsí (tzn. nepodílí se na hydrataci). Příznivé působení křemičité moučky způsobuje, že během prvních minut míchání vzniká ve směsi méně chemických vazeb mezi zrny cementu a směs je tak možné lépe promíchat.
Experimentální zkoumání odolnosti betonu
V rámci experimentu byl sledován vliv protismršťovacích přísad na objemové změny a tím redukce vzniku tzv. smršťovacích trhlin v betonu při současném sledování průběhu hydratace a vývinu hydratačních teplot. Zřejmě nejefektivnější způsobem, jak omezit proces smršťování betonu je vhodná volba vstupních surovin a použití tzv. protismšťovacích přísad (SRA). Pro tento experiment byly vybrány 3 typy protismršťovacích přísad a byl zkoumán jejich vliv na chování cementového kompozitu.
Použité přísady se vzájemně lišily jejich chemickou bázi, přičemž první typ přísady byl na bázi vícesytných alkoholů (C40) a další typ přísady kombinací těchto vícesytných alkoholů a povrchově aktivních látek (C60). Chemická báze třetí přísady (AD) byla ve formě syntetických glykolů. Jejich dávkování bylo 0,5 % a 2,0 % z hmotnosti cementu. Toto dávkování odpovídá mezním hranicím dle doporučeného dávkování uváděného výrobcem. Pro stanovení vlivu SRA na vývin hydratačních teplot byly připraveny pouze cementové pasty. Cementové pasty obsahují stejný poměr zastoupení pojivové báze a chemických přísad. Následující graf zachycuje průběh hydratačních teplot v cementových pastách.
Grafický průběh hydratačních teplot cementových past jednoznačně poukazuje na efekt SRA během hydratace směsi. U všech receptur je znatelné, že vyšší dávka SRA znatelně oddaluje průběh hydratace a celkově dosažená maximální teplota klesá. Na základě průběhu hydratačních teplot cementových past lze předpokládat, že díky SRA bude silně ovlivněn samotný průběh objemových změn betonových směsí. Obecně pomalejší vývin hydratačního tepla spojený s rapidním poklesem maximální dosažené teploty směsi, má velice kladný vliv na zabránění vzniku mikrotrhlin daných hydratačním procesem.
Výsledky testování protismršťovacích přísad
Výsledky stanovení počátku a doby tuhnutí analyzovaných cementových past s SRA prokazují výše psané závěry a tyto výsledky se přímo pojí s výsledky průběhu hydratačních teplot. Je zřejmé, že vyšší dávka SRA oddaluje počátek i konec tuhnutí cementové pasty a zároveň jsou patrné rozdíly mezi jednotlivými typy SRA. Následné grafické průběhy objemových změn vyrobených betonových směsí ukazují na reálné možnosti redukce těchto objemových změn pomocí SRA. Z grafického průběhu objemových změn betonových směsí je patrné, že SRA mají největší pozitivní dopad zejména na počáteční smrštění do 36 hodin stáří. Poté je u nižšího procenta dávkování obdobný průběh všech betonových směsí s SRA jako směsi referenční. Jiný trend průběhu objemových změn do 28 dnů stáří vykazují všechny SRA při jejich vyšším dávkování. Z hlediska účinnosti v porovnání s referenčním vzorkem lze jako nejúčinnější posoudit přísadu AD v dávce 0,5 % a C40 v dávce 2,0 %. Nejvyšší kladná hodnota ovlivnění smrštění v porovnání s referenční směsí byla 37 %. Ve velké míře všechny dosažené výsledky korespondují s výsledky prováděných analýz na cementových pastách. Dle předpokladu byly u referenční směsi výsledné hodnoty smrštění po 28 dnech dosti výrazné, překračující hodnotu 0,750 ‰. U takto výrazného smrštění vzniknou mikrotrhliny, které mohou mít za důsledek snížení odolnosti kompozitu proti abrazi. Vzhledem k velikosti dilatačních celků u skluzů, které jsou minimálně 8 m při tloušťkách dna až 1 m se trhliny mohou rozevřít řádově v mm.
Vytvrzovací přísady a odolnost proti obrusu
Mezi portfolio některých firem zabývajících se výrobou přísad do betonu patří chemické látky způsobující dodatečně vytvrzení povrchu betonu. Aplikace těchto přísad je možná na již vytvrzený povrch nebo tzv. do živého betonu. Z hlediska chemismu se jedná o přísady obsahující látky reagující například s volným vápnem za tvorby novotvarů zahušťující pórovou mikrostrukturu kompozitu. V rámci experimentu byly testovány 3 vytvrzovací přísady od různých producentů s aplikací dle technických listů. Následně byly všechny vyrobené betony testovány na odolnost proti obrusu dle ČSN 73 1324 [9] metodou podle Böhma.
Z testovaných betonů byly navíc vyrobeny zkušební desky, které byly podrobeny zkoušce odolnosti proti abrazi pomocí působení vysokotlakého vodního paprsku. Povrch zkušebních těles byl otryskán zařízením složeným z CNC stolu firmy PTV, spol. s r.o. WJ 2020-2Z-1XPJ-2D s čerpadlem PTV Jets 7,5/60 (maximální průtok 7,5 l/min a příkon 60 kW) a diamantové trysky o průměru ústí 0,3 mm. Zařízení slouží k produkování kontinuálního vodního paprsku s tlakem až 400 MPa a rychlostí působícího paprsku až 900 m/s. Směšovací komora v trysce paprsku slouží k případnému přidání abraziva do proudu kapaliny. V této práci byl použit pouze klasický (čistý) vodní paprsek. V rámci zkoušky byly vzorky podrobeny působení vodního paprsku pod úhlem 90 a 45 °.
Vyhodnocením působení vysokotlakého vodního paprsku je stanovení průměrné hodnoty maximální hloubky rýhy vzniklé působením vodního paprsku. Následující tabulka obsahuje složení betonových směsí a výsledky stanovení obrusnosti.
| Vzorek | Dávka přísady (%) | Hloubka rýhy (mm) - 45° | Hloubka rýhy (mm) - 90° |
|---|---|---|---|
| Referenční | 0 | X | Y |
| S vytvrzovací přísadou 1 | Dávka 1 | X1 | Y1 |
| S vytvrzovací přísadou 2 | Dávka 2 | X2 | Y2 |
| S vytvrzovací přísadou 3 | Dávka 3 | X3 | Y3 |
Ačkoliv výsledky zkoušky obrusnosti dle ČSN 73 1324 [9] poukazují na částečné zlepšení odolnosti proti abrazi pomocí vytvrzovacích přísad, výsledné hodnoty nejsou nijak výrazně rozdílné. Jako alternativní zkouška bylo provedeno testování chování betonových povrchů opatřených vytvrzovací přísadou při působení vysokotlakého vodního paprsku. Během zkoušky byl na vzorek aplikován vodní paprsek o tlaku 80 MPa bez abraziva pod úhlem 45 nebo 90 °.
V rámci provedených experimentů byl posouzen vliv různých typů SRA a jejich dávkování na hydratační proces cementové matrice a zejména na probíhající objemové změny betonových směsí. Výsledky jednoznačně prokazují, že SRA silně ovlivňují samotný hydratační proces, což má za následek pozitivní ovlivnění výsledných objemových změn. Jako sekundární opatření zvýšení odolnosti betonových konstrukcí proti abrazi byl posouzen dopad použití speciálních vytvrzovacích přísad. V rámci několika provedených zkoušek bylo prokázáno, že ačkoliv při normové zkoušce ČSN 73 1324 není vliv těchto přísad příliš znatelný, jsou-li stejné betony podrobeny působení vysokotlakého vodního paprsku, dopad použití vytvrzovacích přísad se znatelně projevuje. Díky těmto experimentům byly ověřeny možné způsoby výroby vysokohodnotných betonů pro aplikaci na betony silně namáhaných abrazí a mrazem.