Betonová směs je základní stavební materiál, který je kombinací pojiva (cementu), písku, kameniva a záměsové vody. Často je navíc doplněna o různé chemické přísady, které upravují vlastnosti čerstvého i zatvrdlého betonu. Správně navržená betonová směs určuje, jak bude výsledný beton pevný, odolný proti mrazu, vodě nebo chemikáliím a jak se bude chovat při ukládání na stavbě. Beton je materiál, který získá požadované vlastnosti až po ztvrdnutí.
Složení a funkce vody v betonové směsi
Základem každé betonové směsi je pojivo cement, které po smíchání s vodou reaguje a postupně tvrdne. Dále obsahuje plnivo písek a kamenivo, které tvoří většinu objemu a ovlivňuje pevnost, hmotnost i strukturu betonu.
Voda je klíčovou složkou betonové směsi, která plní dvě zásadní funkce: umožňuje chemickou reakci zvanou hydratace cementu a ovlivňuje zpracovatelnost čerstvého betonu. Pro zahájení hydratace je nezbytné minimálně 25-35 % vody z hmotnosti cementu, přibližně 23 - 26 % vody z hmotnosti cementu je potřeba pro správnou hydrataci cementu. Voda se používá při přípravě betonové směsi, kde je důležité dodržet správný poměr vody k cementu (vodní součinitel), obvykle v rozmezí 0,3 až 0,6.
Hydratace znamená jednoduše to, že se látka chemicky spojí s vodou. U betonu začnou vlivem této chemické reakce vznikat drobné krystalky, které se navzájem prolínají a spojují v mikroskopická zrna (Obr. 1). Díky tomu beton postupně tuhne a získává svou pevnost. Rychlost a kvalita tohoto tvrdnutí závisí mimo jiné také na teplotě a vlhkosti okolí - když je příliš sucho nebo zima, proces probíhá pomaleji nebo se může i zastavit.
Obr. 1: Grafické znázornění hydratace původně bezvodého cementu (tmavě šedá).
Čtěte také: Vlastnosti cementového lepidla na polystyren
V betonové směsi se tak pro jistotu používá víc vody, než je potřeba pro samotnou chemickou reakci. Díky tomu je v míchačkách směs dobře zpracovatelná a udrží si potřebnou vlhkost. Část této přebytečné vody zůstává uvnitř materiálu v malých pórech, zatímco jiná část se během tvrdnutí nebo schnutí postupně odpaří.
Vodní součinitel a konzistence betonu
Záměsová voda spouští chemickou reakci a zároveň určuje tekutost směsi. Velmi důležitým parametrem je konzistence betonu, tedy jak je betonová směs tekutá nebo tuhá. Pro ruční zpracování se často volí plastičtější čerstvý beton, který se lépe rozhrnuje a hutní. Pro tenké vrstvy podlah se využívá samonivelační směs, která se po nalití sama rozteče do roviny. Jeden z klíčových parametrů je vodní součinitel, tedy poměr mezi množstvím vody a cementu ve směsi.
Nižší vodní součinitel zajišťuje vyšší pevnost a trvanlivost betonu. Poměr 0,40-0,50 je ideální pro pevný a trvanlivý beton, naprosto dostačující pro většinu domácích aplikací. Nadbytek záměsové vody sice usnadní rozlévání, ale po vytvrdnutí může být pevnost betonu nižší a povrch křehčí a náchylnější k praskání. Naopak příliš málo vody ztěžuje zpracování a směs se nemusí dobře spojit. Pokud beton mícháte doma, nemáte laboratorní váhy. Směs má držet pohromadě, ale nesmí téct jako polévka. Nesmí se z něj oddělovat voda (tzv. segregace).
Kvalita záměsové vody a vlhkost kameniva
Důležité je také použití kvalitní záměsové vody, která splňuje normu ČSN EN 1008. Přebytečná voda v betonu může způsobit zvýšenou pórovitost, což vede k nižší pevnosti a trvanlivosti konstrukce.
Pozor však na vlhkost kameniva! Pokud je písek mokrý, tato voda se započítává do vodního součinitele a je třeba ji i odečíst. Po dešti může mít písek třeba i 5 % vlhkosti a vzhledem k tomu, že beton jej obsahuje velké množství, tak může razantně zvýšit vodní součinitel.
Čtěte také: Použití cementového lepidla na zuby
Kalové nádrže slouží k čištění vody od kalů, jako třeba písku nebo dalších pevných částic. Takováto voda se označuje jako technologická. V případě uzavřených okruhů může být technologická voda znovu použita, pokud je správně čištěna a upravena. Kvalita takové recyklované vody, pokud ji použijeme jako přísadu do stavební směsi, však může negativně ovlivnit vlastnosti nově vyrobeného betonu nebo malty. Proto je nutné sledovat obsah v ní rozpuštěných látek, pH a jiné chemické parametry. Nové udržitelné přístupy například zvažují využití dešťové vody, suché míchání či speciální nízkohydratační pojiva.
Typy betonových směsí a jejich použití
V praxi se používá mnoho typů betonových směsí podle konkrétního využití. Na srovnání podkladu se používá podkladní beton, pro nosné prvky a stropy železobetonová konstrukce s vloženou výztuží. Pro tenké podlahové vrstvy je vhodná samonivelační směs, pro drobné opravy třeba rychletuhnoucí zálivkový beton.
Na menších stavbách se často používá suchá betonová směs v pytlích, kterou stačí smíchat s vodou v míchačce nebo ručně v kbelíku. Výhodou je jednoduché skladování a možnost dělat práci po menších dávkách. U větších akcí je praktičtější připravený transportbeton z betonárky, který přijede autodomíchávačem už s připravenými parametry.
Transport a zpracování betonu
Doba pro dopravu a zpracování betonu je závislá na použitém druhu cementu (pevnostní třída a typ, viz dodací list), teplotě čerstvého betonu a teplotě okolního prostředí. Základní doba pro dopravu a zpracování se pohybuje od 30 do 90 minut. Pokud je zapotřebí doby delší, je nutné upozornit na to výrobce betonu a dohodnout s ním příslušná opatření (přísady, chlazení a podobně). Platí v případech, pokud při průkazních a poloprovozních zkouškách nebyla prokázána delší doba pro přepravu a zpracování čerstvého betonu.
K dopravě betonových směsí se používají autodomíchávače o objemu 6-8m3. Pokud je potřeba uložit beton na větší vzdálenost, popř. do výšky, zvolte možnost čerpání betonu. Do pole „Specifikace betonu“ uveďte vzdálenost, na kterou chcete beton čerpat.
Čtěte také: Použití polystyrenu
Chemické přísady pro zlepšení vlastností betonu
Současné betonážní práce často využívají různé chemické přísady, které zlepšují vlastnosti směsi.
- Plastifikátory zlepšují míchání betonu a zvyšují tekutost bez přidávání vody. Plastifikátory umožňují snížit množství přidané vody až o desítky procent.
- Vzduchovytvorné přísady pomáhají tvořit mrazuvzdorný beton.
- Těsnicí přísady podporují vlastnosti vodotěsného betonu.
Pro redukci objemových změn a následný vznik smršťovacích trhlin se dají využít tzv. protismršťovací přísady, které jsou na trhu běžně dostupné.
Zásady správného míchání, ukládání a ošetřování betonu
Pro výslednou kvalitu je zásadní samotné míchání betonu a jeho ukládání do konstrukce. Je potřeba dodržet předepsaný poměr složek, mísit dostatečně dlouho a nepřidávat vodu jen proto, aby byl čerstvý beton „pohodlnější“ na práci. Obecně je zakázáno upravovat zpracovatelnost betonu dodatečným přidáním vody. Pokud je voda do betonu přidávána, musí to být povoleno odborníkem (technologem výrobce betonu), zaznamenáno na dodacím listu a z takto upraveného betonu musí být odebrán vzorek pro kontrolu vlastností ztvrdlého betonu.
Při ukládání čerstvého betonu do konstrukce a při jeho ošetřování je nezbytné dodržet veškeré zásady a postupy podle ČSN EN 13670 Provádění betonových konstrukcí. Při ukládání do bednění je nutné směs důkladně hutnit, aby nevznikaly dutiny a beton dobře obalil výztuž. Hutnění betonu je, s výjimkou samozhutnitelných betonů, vždy nutné. Vpichy vibrátoru mají být od sebe ve vzdálenosti přibližně 15ti násobku průměru vibrátoru.
Ošetřování betonu uloženého v konstrukci je třeba zahájit ihned po jeho uložení do konstrukce, neprodleně po konečné úpravě jeho povrchu. V případě rozsáhlých betonáží i po konečné úpravě části povrchu konstrukce. Ošetřování skrápěním je vhodné použít až po částečném zatvrdnutí povrchu (zabrání se tím vymytí pojiva z povrchové vrstvy).
Nejčastější chyby
Mezi nejčastější chyby patří neodborné ředění směsi vodou, použití nevhodného kameniva, nedodržení receptury betonu nebo špatné míchání betonu. Problémem bývá také špatná konzistence betonu, kdy směs buď teče příliš, nebo je naopak tak tuhá, že nejde řádně zhutnit.
Odolnost betonu ve vodních stavbách: Abraze a mrazuvzdornost
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 kriteria 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. Tyto expoziční stupně jsou podle ČSN EN 206+A1 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.
Působení abraze a kavitace
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 zpracováním 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.
Materiálové aspekty odolnosti proti abrazi
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 tmelu.
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 hydratačními 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 správný návrh betonů odolávajících působení abraze a mrazu u konstrukcí vodních přehrad je důležité zohlednit aspekt betonáže často masivních částí konstrukce.
Mrazuvzdornost vodních staveb
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. 0,7.
Experimentální ověření vlivu protismršťovacích a vytvrzovacích přísad
V rámci experimentu byl sledován vliv protismršťovacích přísad na objemové změny a tím redukci 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. protismršťovacích 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 bází, 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.
Vliv SRA na hydratační teploty
Pro stanovení vlivu SRA na vývin hydratačních teplot byly připraveny pouze cementové pasty. Cementové pasty obsahují stejný poměr zastoupení pojivové báze a chemických přísad. 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 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.
Vliv SRA na objemové změny betonu
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 pro zlepšení povrchové odolnosti
Mezi portfolio některých firem zabývajících se výrobou přísad do betonu patří chemické látky způsobující dodatečné 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 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 °, jak ilustruje následující obrázek Obr. 3.
Obr. 3: Ilutrační obrázek působení vodního paprsku na vzorek.
Vyhodnocením působení vysokotlakého vodního paprsku je stanovení průměrné hodnoty maximální hloubky rýhy vzniklé působením vodního paprsku.
Následující tabulka obsahuje výsledky stanovení obrusnosti vyrobených betonů bez a po aplikaci nátěru vytvrzující přísadou.
| Typ betonu | Obrusnost dle ČSN 73 1324 (mm) | Hloubka rýhy (vodní paprsek 45°, mm) | Hloubka rýhy (vodní paprsek 90°, mm) |
|---|---|---|---|
| Referenční beton (bez přísady) | 1,5 | 1,2 | 0,9 |
| Beton s vytvrzovací přísadou A | 1,4 | 0,8 | 0,6 |
| Beton s vytvrzovací přísadou B | 1,3 | 0,7 | 0,5 |
| Beton s vytvrzovací přísadou C | 1,35 | 0,75 | 0,55 |
Ačkoliv výsledky zkoušky obrusnosti dle ČSN 73 1324 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.
tags: #cementove #smesi #ve #vode #informace