Beton je základní stavební materiál, který se skládá ze směsi cementu, hrubého a drobného kameniva, vody, přísad a příměsí. V čerstvém stavu je dobře zpracovatelný, zatímco ztvrdlý beton má vysokou pevnost v tlaku, je trvanlivý, nehořlavý a opravitelný. V moderních konstrukcích se nejčastěji setkáváme s železobetonem, tedy betonem vyztuženým ocelovými pruty a sítěmi.
Složení betonu
Pro přípravu betonu jsou nezbytné následující složky:
- Cement: Nejčastěji portlandský cement, který obsahuje směs oxidů kovů alkalických zemin vápníku, křemíku a hliníku.
- Kamenivo: Sypký materiál jako písek, štěrk nebo drcený kámen. Dělí se na jemné a hrubé kamenivo. Drcené kamenivo vzniká drcením kamene v kamenolomu nebo jako odpad při lámání. Štěrk a písek jsou obvykle těženy ze svých přírodních nalezišť.
- Voda: Musí být čistá, bez chemických přísad a příměsí, které by mohly ovlivnit hydrataci cementu. Voda použitá jako záměsová i ošetřovací musí být čistá, bez chemických přísad a příměsí, které by mohly nepříznivě ovlivnit proces hydratace cementu.
- Přísady a příměsi: Látky přidávané do betonu za účelem zlepšení jeho vlastností. Přísady do betonu zlepšují zpracovatelnost betonové směsi (plastifikátory), urychlují tuhnutí (urychlovače tuhnutí) nebo snižují obsah vody (superplastifikátory). Příměsi jsou práškovité látky, které zlepšují vlastnosti čerstvého nebo ztvrdlého betonu. Rozlišujeme inertní příměsi (např. pigmenty) a latentně hydraulické příměsi (např. popílek).
Cement
Portlandský cement je nejběžněji používaným druhem cementu při výrobě betonu a malty. Je vyráběn pálením vápence s jílem nebo pískem, čímž vzniká tzv. slínek, ke kterému se v procesu mletí přidá sádrovec, který slouží jako regulátor tuhnutí.
Cementy se dělí podle pevnostní třídy a obsahu příměsí. Čím je vyšší pevnostní třída cementu a čím méně obsahuje příměsí, tím rychleji probíhá jeho tvrdnutí a tuhnutí. Naopak cementy nižších tříd s vysokým obsahem příměsí tuhnou a tvrdnou pomaleji. Cement je velmi důležitou složkou v betonu a má rozhodující vliv na to, že se v podstatě vytvoří tuhá hmota, která stmeluje kamenivo, štěrk nebo písek v tvrdý, odolný a pevný beton.
Proces tuhnutí a tvrdnutí betonu
Právě hydratace je obecně řečeno reakce, při které cement bude reagovat ve spojení s vodou. Když se totiž tyto dvě složky smíchají, dochází k chemické reakci a ke vzniku jemných krystalků, které začnou mezi sebou různě prorůstat. Je pravdou, že tento proces hydratace není v samotném začátku vůbec vidět, pouze mikroskopem by se dal dobře zaznamenat. V tomto případě je vidět, jak voda obklopí cementové zrno a začne rozpouštět nerostné složky. Z vody se poté stává přesycený roztok a z něho se začnou vylučovat nově tvořící se krystalky nerostných látek. Tyto krystalky se začnou různě proplétat a vytváří jakousi síťovinu. Tuhnutí je chemický proces, při kterém směs záměšové vody, kameniva a cementu tuhne v pevnou hmotu - beton. Správnější je hovořit o hydrataci cementu, přesněji hydrataci cementových zrn. Po smíchání cementu s vodou dochází vlivem chemických reakcí ke vzniku jemných krystalků, které vzájemně prorůstají. Začátek tuhnutí je určen podle pevnostní třídy použitého cementu.
Čtěte také: Použití bílého cementu v praxi
Nejběžnější cement pevnostní třídy 42,5 má stanoven začátek tuhnutí nejdříve po 1 hodině, nejpozději však po 12 hodině po přidání a zamísení záměšové vody. Beton zraje celkem 28 dní, po kterých získává 100 % uváděné pevnosti. Tuhnutí je proces, při kterém cementová hmota houstne. I v tomto případě jsou zde platné normy, které stanovují dobu, která určí, kdy beton umístit do bednění. A to samozřejmě dříve, než začne tuhnout. Tvrdnutí následuje po tuhnutí betonu a je to proces, při kterém začíná ztuhlá cementová směs nabývat na pevnosti. Hlavní část postupného tvrdnutí probíhá do 28 dnů. Aby hydratace v tomto případě byla co nejúčinnější, tak je zapotřebí, aby probíhala při teplotě 15°C - 20°C.
Faktory ovlivňující rychlost tvrdnutí betonu
Rychlost tvrdnutí betonu ovlivňuje několik faktorů:
- Složení cementu: Vyšší pevnostní třída a menší obsah příměsí urychlují tvrdnutí.
- Teplota: Vyšší teploty urychlují hydrataci cementu. Celkově při hydrataci cementu se uvolňuje teplo, které zahřívá tuto cementovou hmotu, to ale také má na svědomí odpařování vody ze směsi a tím způsobuje objemové změny.
- Přísady: Urychlovače tuhnutí a tvrdnutí mohou výrazně zkrátit dobu tuhnutí betonu.
- Povětrnostní podmínky: Déšť může vymývat cement, sucho způsobuje rychlé vysychání betonu.
Vliv povětrnostních podmínek
Povětrnostní podmínky mají významný vliv na proces tvrdnutí betonu:
- Působení deště na čerstvý beton vede k vymývání cementu.
- Nerespektování požadovaných ošetření stran aktuálního počasí.
- Tepelný šok způsobený zaléváním povrchu betonu vodou s příliš odlišnou teplotou.
- Zákryt betonu suchou geotextílií nebo jiným nasákavým materiálem.
Betonáž v zimě
V chladném a mrazivém počasí lze betonování provádět za určitých podmínek. Je potřeba počítat s tím, že beton bude hydratovat (a tedy i tvrdnout) mnohem pomaleji. Hydratační teplo se rovněž využívá v zimním období, kdy je nezbytně nutné betonovat, ačkoliv se to nedoporučuje, v tomto případě by teploty neměly klesnout pod bod mrazu. Poté toto teplo přispívá k tomu, aby zde byla optimální teplota a tvrdnutí probíhalo podle jistých pravidel. Betonáž v zimě se liší dle teploty vzduchu:
- Při teplotách 0 až +5 °C je potřeba beton zakrýt, aby se v něm udrželo teplo a mohla probíhat hydratace betonu.
- Při teplotách -5 až 0 °C provádíme betonování v zimě tak, abychom jej dokončili před nejteplejší částí dne. Je potřeba použít teplý beton (ohřáté kamenivo, nebo záměsová voda) a nebo je potřeba ohřát prostor mezi betonem a krycí vrstvou (geotextílií, polystyren).
- Při teplotách -10 až -5 °C se používá vždy nějaký druh topení, jinak je postup stejný jako u předchozího bodu, při betonování v této zimě je potřeba zajistit, aby teplota betonu neklesla pod 5°C.
Tabulka: Vliv Teploty na Betonáž
| Teplota vzduchu | Opatření |
|---|---|
| 0 až +5 °C | Zakrýt beton pro udržení tepla. |
| -5 až 0 °C | Betonovat v nejteplejší části dne, použít teplý beton, ohřát prostor. |
| -10 až -5 °C | Použít topení, zajistit teplotu betonu nad 5 °C. |
| Nižší než -10 °C | Využít vyhřívané stany. |
Ošetřování betonu
Beton se v rané fázi tuhnutí musí ošetřovat a chránit především proto, aby se minimalizovalo tzv. smršťování. Je důležité beton řádně ošetřovat zejména v počátečních fázích jeho zrání, aby proces hydratace nebyl negativně ovlivněn.
Čtěte také: Bílý cement: Přehled
Urychlení tuhnutí a tvrdnutí betonu
Urychlení tuhnutí a tvrdnutí betonu je ve stavební praxi velmi důležité. Je to velmi důležitým a žádaným zásahem při zhotovování betonových prvků a konstrukcí. Základní funkcí přísad tohoto typu je urychlení nárůstu počátečních a krátkodobých pevností, spojené s urychlením vývinu hydratačního tepla a u mnoha přísad i zkrácení počátku a doby tuhnutí čerstvé betonové směsi. Urychlení tuhnutí a tvrdnutí jsou z hlediska vlastností čerstvé betonové směsi a betonu dva naprosto odlišné pojmy, které je třeba rozlišovat. Jsou odlišné i z hlediska fyzikálně chemických procesů, probíhajících v různých fázích hydratace minerálů v zrnech cementu. Tuhne vždy čerstvá betonová směs; při tvrdnutí se jedná o nárůst pevností již ztuhlého betonu.
Použité přísady urychlující tuhnutí a tvrdnutí nesmějí mít nepřípustně velký vliv na dlouhodobé pevnosti a další fyzikálně mechanické vlastnosti betonu. Dosti často však ovlivňují reologii a stupeň provzdušnění čerstvé betonové směsi. Některé přísady také snižují teplotu bodu tání ledu, čímž zabraňují zmrznutí záměsové vody v tuhnoucím betonu. Usnadňují tak betonáže za mrazu - u některých je uváděna použitelnost až do teploty -15 °C. Před aplikací urychlujících přísad je vždy třeba ověřit jejich účinky.
Faktory ovlivňující účinnost urychlujících přísad:
- dávka přísady: obecně platí přímá úměrnost mezi dávkou přísady a výší jejího účinku, neznamená to však, že dávku lze zvyšovat neomezeně. Vyšší dávky mohou tuhnutí příliš urychlit nebo je naopak zabrzdit.
- druh cementu: urychlovače ovlivňují hydrataci v počátečních fázích, kdy do reakcí vstupuje ze slínkových minerálů především trikalciumaluminát. Cementy s vyšším obsahem strusky a jiných hydraulických příměsí mají nižší podíl tohoto minerálu.
- druh a dávka dalších použitých přísad: souvisí to i s následujícím faktorem: např. plastifikační přísady ovlivňují zpracovatelnost čerstvého betonu a nepřímo tedy jeho vodní součinitel, který má významný vliv na dosahované pevnosti.
- teplota čerstvé betonové směsi a teplota okolí: ovlivňují rychlost hydratačních reakcí. To platí obecně i při použití urychlujících přísad.
Použití urychlovačů
Urychlení tvrdnutí je požadováno v prefabrikaci, kde se tak dá urychlit oběh forem při betonážích monolitických železobetonových konstrukcí a obecně při betonážích za nízkých venkovních teplot, kdy se zkracuje doba pro odbedňování. Urychlení tuhnutí je potřebné při speciálních činnostech, jako je např. torkretace, odstraňování následků různých havárií, kotvení velkých konstrukčních prvků a opravách betonových konstrukcí za provozu. Přitom je vždy požadováno i urychlení tvrdnutí betonu. Pro betonáže za mrazu je výhodou urychlený vývin hydratačního tepla a snížení teploty bodu tání ledu.
Druhy urychlujících přísad podle chemického složení:
- Přísady na bázi chloridu vápenatého (CaCl2): Jsou vysoce účinné, kromě urychlení tvrdnutí také zkracují počátek a dobu tuhnutí. Hlavní nevýhodou je vysoce korozivní účinek na ocelovou výztuž, takže nejsou vhodné k aplikaci při výrobě železobetonových prvků a konstrukcí.
- Přísady na bázi thiokyanatanu: Jejich základní složkou je thiokyanatan sodný (NaSCN) nebo vápenatý (Ca(SCN)2). Výrazně urychlují tvrdnutí, na ocelovou výztuž působí rovněž velmi korozivně, podobně jako chloridy.
- Přísady na bázi dusičnanů: Základní složkou je většinou dusičnan vápenatý (Ca(NO3)2). Nemají korozivní účinek na ocelovou výztuž, proto jsou vhodné i k použití při výrobě železobetonových prvků a konstrukcí.
- Mechanismus účinku CaCl2, NaSCN, Ca(SCN)2 a Ca(NO3)2: Obecně vytvářejí při reakci s trikalciumaluminátem a vodou komplexní sloučeniny, které krystalují s velkým množstvím vody podobně jako ettringit, vznikající v počátečních fázích hydratace trikalciumaluminátu v přítomnosti sádrovce. Na rozdíl od něho ale nebrzdí další hydratační reakce, pouze odeberou přebytečnou vodu z hydratující směsi. Tuhnoucí směs je hutnější a počáteční pevnosti jsou tak vyšší.
- Přísady na bázi hydroxidů nebo uhličitanů alkalických kovů: Jejich působení spočívá ve velmi rychlé chemické reakci s alumináty obsaženými v zrnech cementu, čímž se zkrátí počátek a doba tuhnutí. Jsou vhodné všude tam, kde je potřeba rychlého ztuhnutí a ztvrdnutí betonové směsi.
- Síran draselný (K2SO4): Síran draselný reaguje za přítomnosti vápníku a vody s alumináty v zrnech cementu za vzniku nerozpusného minerálu syngenitu. Při svém vzniku se tento minerál vyznačuje vysokou nukleační rychlostí (vyšší, než má ettringit, který za normálních okolností vzniká v hydratující směsi přednostně). Dochází tak k urychlení tuhnutí betonové směsi.
Čerstvé betonové směsi, obsahující urychlovače tuhnutí a tvrdnutí, je nutno zejména v letním období chránit během transportu před přehříváním a ztrátou vody. To platí pro jakoukoliv betonovou směs. Směsi s obsahem urychlovačů jsou však na zvýšení teploty a ztrátu vody citlivější.
Vliv délky hydratace cementu na mechanické vlastnosti betonu
Beton tvrdne a tím pádem může být konstrukčním materiálem díky hydrataci cementu, což je souhrn chemických reakcí cementu a vody. Z hlediska dosažení co nejlepších vlastností betonu je důležité, aby hydratace cementu proběhla optimálně.
Čtěte také: Portlandský cement – co to je?
Byl proveden experiment, při kterém byl analyzován vliv délky hydratace cementu na vlastnosti betonu. Byla stanovena pevnost v tlaku betonu a dynamická i statická hodnota modulu pružnosti betonu. Jediným proměnným činitelem byla délka hydratace. Cílem experimentu bylo vyhodnocení vlivu doby hydratace cementu na sledované charakteristiky betonu. Pro zkoušky byl použit referenční beton.
Všechna zkušební tělesa byla po betonáži přikryta PE fólií a uložena v normálních laboratorních podmínkách. Po 24 hodinách byla zkušební tělesa odformována a umístěna na předem stanovenou dobu do vodního uložení. Např. zkušební tělesa, u nichž byla hydratace zastavena po 7 dnech zrání (sada s označením 7D), byla 1 den ve formě, poté 5 dní ve vodní lázni a 1 den byla umístěna v sušičce při 105 °C. Doba ve formě (1 den) a v sušičce (také 1 den) byla pro všechny sady zkušebních těles stejná, měnila se pouze doba uložení ve vodě. Takto zvolený postup měl zajistit omezenou dobu na tvorbu hydratačních produktů, což se mělo projevit na vývoji pórové struktury betonu a tím také na jeho mechanických vlastnostech.
Na všech zkušebních krychlích byla stanovena pevnost v tlaku betonu. U krychlí byly určeny rozměry, hmotnost, byla vypočtena objemová hmotnost a při zatěžovací zkoušce ve zkušebním lisu FORM+TEST ALPHA 3-3000 byla stanovena maximální tlaková síla. Pevnost v tlaku betonu byla zjištěna také na hranolových tělesech. Na všech hranolových zkušebních tělesech byl určen dynamický modul pružnosti, a to ultrazvukovou impulzovou metodou (dále již UZ) podle normy [9] a rezonanční metodou podle normy [10]. Ultrazvuková impulzová metoda je založena na principu zjištění doby průchodu UZ vlnění zkušebním betonovým tělesem a následném výpočtu rychlosti UZ impulzů vL. Rezonanční metoda spočívá ve zjištění vlastních frekvencí zkušebních těles. Hodnota dynamického modulu pružnosti se poté vypočte buď z podélné frekvence (označení EbrL), anebo z příčné frekvence (označení Ebrf). Po nedestruktivním stanovení dynamických modulů pružnosti byla na třech zkušebních hranolech zjištěna také statická hodnota modulu pružnosti betonu Ec podle normy [13].
Hodnoty dynamického modulu pružnosti zjištěné pomocí obou nedestruktivních metod prokázaly předpoklad, že doba hydratace cementu má vliv na jejich velikost. Čím déle má beton možnost hydratačního procesu, tím je jeho modul pružnosti vyšší. Stejný trend potvrdily i výsledky zkoušky statického modulu pružnosti. Stejný závěr jako u modulu pružnosti betonu byl učiněn také u pevnosti v tlaku. I zde se prokázalo, že výsledná hodnota této charakteristiky závisí na délce hydratace cementu. Čím déle beton hydratuje, tím vyšších pevností v tlaku dosahuje. U zkušebních hranolů s délkou hydratace cementu 2 dny byl zjištěn průměrný statický modul pružnosti 21,6 GPa, zatímco zkušební tělesa, u kterých byl umožněn hydratační proces normových 28 dní, dosahovala průměrné hodnoty statického modulu pružnosti 25,8 GPa. V případě, že byla hydratace pozastavena již po 2 dnech zrání betonu, vykazoval beton průměrnou pevnost v tlaku 34,5 MPa. Cíl popisovaného experimentu, zjištění vlivu délky hydratačního procesu betonu na sledované charakteristiky, se podařilo splnit a výsledky odpovídají předpokladům.
Druhy betonu
Existuje mnoho druhů betonu, které se liší svými vlastnostmi a použitím:
- Rychletuhnoucí beton: Tuhne velmi rychle, používá se na rychlé opravy.
- Předpjatý beton: Používá se ke stavbě mostů a konstrukcí s velkým rozpětím.
- Podkladní beton: Vytváří zpevněný rovný podklad pod podlahy.
- Vibrovaný beton: Upraven vibracemi pro dosažení vyšší pevnosti.
- Litý beton: Beton o vysoké tekutosti pro plošnou betonáž.
- Leštěný beton: Finální řešení pohledových stran částí konstrukce.
- Lehčený beton: Využívá se na monolitické konstrukce.
- Sloupkový beton: Suchá betonová směs pro rychlé kotvení sloupků.
tags: #cement #hydratace #tvrdnuti