Pochopení a kontrola doby tuhnutí cementu je zásadní pro zajištění požadovaných vlastností čerstvého i ztvrdlého betonu. Proces tuhnutí je chemická reakce, při které směs vody a cementu tvoří cementovou kaši, která postupně tuhne na pevnou hmotu. Tento komplexní proces je ovlivněn vnitřními chemickými a fyzikálními procesy a vnějšími podmínkami vytvrzování.
Tuhnutí vs. Tvrdnutí betonu
Tuhnutí a tvrdnutí jsou z hlediska vlastností čerstvé betonové směsi a betonu zcela odlišné pojmy, což může někoho mást. Jsou dokonce odlišné i z hlediska fyzikálně chemických procesů, které probíhají v různých fázích hydratace minerálů v cementových zrnech. Tuhne vždy a jen pouze čerstvá betonová směs a při tvrdnutí se jedná o pevnost již ztuhlého betonu.
- Tuhnutí: Je proces, při kterém cementová hmota houstne. Jedná se o chemický proces, při kterém směs vody a cementu tvoří cementovou kaši, která ve finále tuhne na pevnou hmotu. Doba tuhnutí se reguluje již při samotné výrobě a mletí cementu a to přidáním sádrovce, maximálně 5 % hmotnosti cementu. Je to z toho důvodu, že je nutné počátek tuhnutí oddálit kvůli zajištění potřebné doby na výrobu betonové směsi, ale také se musí počítat s dopravou, uložením a nakonec i zpracováním.
- 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. Beton zraje celkem 28 dní, po kterých získává 100 % uváděné pevnosti. Při betonování podlah, nebo základové desky však není třeba čekat tak dlouho, neboť dostatečné pevnosti dosahuje již po několika dnech.
Co ovlivňuje dobu zrání betonu?
Doba tvrdnutí betonu je závislá na několika faktorech:
- Teplota: Ideální teplota pro schnutí betonu se pohybuje v rozmezí 15-25 °C. Vyšší teploty schnutí urychlují, stoupá ale i riziko popraskání. Nízké teploty pod 5 °C naopak způsobí zamrzání vody, zastavení procesu hydratace, a tím i kompletní znehodnocení betonované plochy. Celkovou tvrdost betonu dosáhnete při teplotě +15 až +25 °C okolo 28 dnů, pokud je teplota nižší, prodlouží se doba tvrdnutí. Dobu tvrdnutí betonu ovlivňuje teplota okolního prostředí, ale také jiné povětrnostní podmínky, jako je intenzita větru a slunečního záření, které se podílí na rychlosti odpařování vody z konstrukce.
- Vodní součinitel betonu: Vodní součinitel betonu jednoduše říká, kolik vody směs obsahuje v poměru ke své hmotnosti. Čím vyšší vodní součinitel je, tím více vody směs obsahuje a tím déle bude beton tuhnout a schnout. Mimo to je betonová konstrukce náchylná na tvorbu trhlin vlivem nadměrného smršťování betonu.
- Přísady a příměsi: Příměsi a přísady v betonu zaujímají maximálně 5 % z celkové směsi. Některé z nich, především chloridy a dusičnany, mohou proces zrání značně urychlit. Především se jedná o chlorid vápenatý, který zkracuje čas tuhnutí, což má výsledný vliv na celkové tvrdnutí betonu.
Hydratace cementu
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. Právě hydratace je reakce, při které cement reaguje ve spojení s vodou. Když se tyto dvě složky smíchají, dochází k chemické reakci a ke vzniku jemných krystalků, které začnou mezi sebou různě prorůstat. 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. 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.
Testování doby tuhnutí cementu
Sledováním počátečních fází tuhnutí a tvrdnutí cementových kompozitů se zabývá celá řada zkušebních metod. V oblasti stavebního zkušebnictví existuje několik standardizovaných metod pro stanovení doby tuhnutí pojiv, malt a betonů, které jsou založené na sledování hloubky průniku penetrační jehly (zkoušení pojiv), příp. na odporu proti vniku penetračního válečku (zkoušení malt a betonů).
Čtěte také: Jak dlouho tvrdne beton?
Vicatova metoda
Nejznámější a nejpoužívanější metoda pro stanovení doby tuhnutí cementu, která je současně normativně zakotvená, je pomocí Vicatova přístroje (ČSN EN 196 - 3 [3]). Za dobu tuhnutí je zde považován časový úsek, po němž penetrační jehla vnikne do stanovené hloubky cementové kaše normální hustoty. Tato metoda má historické kořeny sahající až do 19. století a nelze jí upřít přímočarost a jednoduchost. Avšak pro potřeby 21. století se stále více jeví jako nedostačující, a to především s ohledem na vysokou variabilitu výsledků, která může být způsobena invazivním charakterem a lokálními nehomogenitami ve sledovaném vzorku.
Postup Vicatovy metody:
- Míchání cementové kaše: S přesností ± 1g se naváží 500g cementu a zvolené množství vody. V co nejkratším čase se do míchačky vnesou voda a cement a dbá se na to, aby nedošlo ke ztrátám cementu ani vody. Míchačka se uvede do provozu nízkou rychlostí po dobu 90 sekund, poté se zastaví na 30 sekund pro setření kaše ze stěn a dna, a následně pokračuje v míchání dalších 90 sekund nízkou rychlostí.
- Plnění prstence: Vicatův prstenec a podložní destička se lehce potřou olejem. Po zamíchání se kaše bez nadměrného hutnění naplní s přebytkem do Vicatova prstence, umístěného na podložní destičce. Vzduch v kaši se odstraní poklepáváním prstence.
- Stanovení normální konzistence: Vicatův přístroj s penetračním válečkem se nastaví do nulové polohy. Prstenec s kaší se postaví pod váleček, který se spustí do styku s povrchem kaše na 1-2 sekundy. Poté se váleček rychle uvolní a nechá se vnikat svisle do středu kaše. Uvolnění válečku musí být provedeno 4 minuty ± 10 sekund po "nulovém čase". Odečtená hodnota vzdálenosti mezi spodní plochou válečku a podložní destičkou se zaznamená. Zkouška se opakuje s různým množstvím vody, dokud není dosaženo vzdálenosti 6 ± 2 mm.
- Stanovení počátku tuhnutí: Vicatův přístroj s jehlou se nastaví do nulové polohy. Naplněný prstenec se uloží do nádobky, doplní se vodou (tak, aby povrch kaše byl nejméně 5 mm pod hladinou) a vloží se do prostředí s kontrolovanou teplotou při 20,0 ± 1°C. Jehla se spustí do styku s povrchem kaše na 1-2 sekundy, poté se uvolní a nechá se vnikat svisle do středu kaše. Vpichy jehly se opakují na různých místech ve vhodných časových intervalech. Odečtená hodnota vzdálenosti mezi koncem jehly a podložní destičkou se zaznamená spolu s uplynulou dobou. Počátek tuhnutí je okamžik, kdy vzdálenost penetrační jehly od podložky je v intervalu (6 ± 3) mm.
- Stanovení konce tuhnutí: Naplněný Vicatův prstenec se obrátí a ponoří do nádobky, která se uchovává v prostředí s kontrolovanou teplotou při 20,0 ± 1°C. Jehla se spustí do styku s povrchem kaše na 1-2 sekundy, poté se uvolní a nechá se vnikat svisle do kaše. Vpichy jehly se opakují na různých místech ve vhodných časových intervalech. Zaznamená se čas, kdy jehla poprvé vnikla jen 0,5 mm do cementové kaše. Koncem tuhnutí je pak doba, kdy kruhový nástavec jehly poprvé zanechal kružnicový obrys na povrchu tvrdnoucí cementové kaše.
Ultrazvuková impulsní metoda (Vikasonic)
Cílem tohoto článku je ukázat možnosti využití ultrazvukové impulsové metody pro stanovení dob tuhnutí cementové kaše. Ultrazvuková (UZ) impulsní metoda, například s přístrojem Vikasonic, nabízí kontinuální sledování procesu tuhnutí a tvrdnutí cementové pasty. Velkou výhodou této metody je nedestruktivní a neinvazivní charakter a také možnost stejným způsobem sledovat chování pojiv, malt i betonů. Výrobce uvádí, že touto metodou lze stanovit mimo jiné i doby tuhnutí cementové kaše, a to hledáním korelace s výsledky dle Vicatovy metody.
Princip měření přístrojem Vikasonic:
Princip měření přístrojem Vikasonic spočívá ve sledování doby průchodu UZ impulsu materiálem, ze které je následně stanovena rychlost šíření UZ vln materiálem. Přístroj se skládá ze dvou ultrazvukových sond (vysílač a přijímač) upevněných v horní a dolní části měřicí komory tvaru Vicatova prstence, snímače teploty a datové ústředny. Současně se sledováním doby průchodu UZ impulsu je také možné zaznamenávat i teplotu uvnitř zkušebního vzorku teplotním čidlem. Experimenty ukázaly, že současné sledování teploty je pro vyhodnocení výstupů tohoto měření stěžejní.
Vyhodnocení dob tuhnutí pomocí Vikasonicu:
Stanovení dob tuhnutí cementové kaše normální konzistence přístrojem Vikasonic vychází z kombinace teplotních změn uvnitř materiálu a z průběhu rychlosti UZ impulsů v čase. Vyhodnocení je založeno na přenesení důležitých bodů teplotní křivky na křivku rychlosti UZ impulsů. Významnými body na teplotní křivce v průběhu prvních 24 h zrání jsou minimum a dva inflexní body. Počátek tuhnutí (PT) se určí jako časová souřadnice bodu, který vznikne průnikem tečny ke křivce průběhu změny rychlosti UZ impulsu v přeneseném bodě minimální teploty a přímky vedené přenesenými inflexními body. Konec tuhnutí (KT) se dále určí jako průnik tečny vedené přeneseným bodem minimální teploty a tečny vedené přeneseným inflexním bodem 2.
Porovnání metod
Porovnání výsledků těchto metod na jednoduchém pilotním experimentu ukázalo, že v případě cementu CEM I 42,5 R se získaná hodnota doby počátku tuhnutí UZ metodou příliš neliší od údaje v technickém listu výrobce. Metoda dle ČSN EN 196 - 3 však ukázala významně odlišné výstupy. Na základě vlastních zkušeností se jeví jako nezbytné využít pro vyhodnocení dob tuhnutí souběžné měření teploty uvnitř zkoumaného materiálu a počátek a konec tuhnutí stanovovat přímo UZ metodou.
Čtěte také: Vše o Asfaltovém Penetračním Laku
Na základě provedeného experimentu se ultrazvuková impulsní metoda jeví jako použitelná pro zkoumání počátečních fází tuhnutí a tvrdnutí cementové kaše. Nejen podle našeho názoru může ultrazvuková impulsní metoda vhodně posloužit jako doplnění, příp. jako náhrada metody ČSN EN 196 - 3 [3].
Tabulka: Porovnání dob tuhnutí cementu CEM I 42,5 R
| Metoda | Počátek tuhnutí (min) | Konec tuhnutí (min) |
|---|---|---|
| Technický list výrobce [11] | 120 | N/A |
| ČSN EN 196-3 (Vicatova metoda) | ~180 | ~270 |
| Ultrazvuková impulsní metoda (Vikasonic) | 125 | 250 |
Poznámka: Hodnoty z Vicatovy metody jsou přibližné, jelikož počátek tuhnutí je uváděn v intervalu.
Betonování v zimě a ochrana betonu
Při betonování v zimním období, kdy teploty klesají pod 5 °C, je nutné přijmout speciální opatření, která zajistí požadovanou teplotu při výrobě, tuhnutí a tvrdnutí betonu. Při nízkých teplotách dochází ke zpomalení hydratace betonu, a tak přestává schnout. Dle ČSN 73 2400 nesmí teplota povrchu betonu klesnout pod 5 °C po dobu nejméně 72 hodin.
- Opatření při výrobě a dopravě: Betonárny používají teplou vodu a ohřáté kamenivo. Pro spuštění hydratačních procesů se používají betony s větším vývinem hydratačního tepla.
- Ochrana betonu po uložení: Je třeba zajistit, aby po dobu 2 až 3 dnů neklesla teplota tuhnoucího betonu pod 5 °C. Po této době (resp. ve chvíli, kdy bude pevnost betonu nad 4 MPa) se beton stane mrazuvzdorným.
Na čerstvý beton uložený do konstrukce působí negativně vlivy prostředí, jako jsou sluneční svit, vítr, déšť a mráz. Především je třeba zabránit vysoušení povrchu betonu, vyplavování cementu při silném dešti a promrznutí konstrukce při teplotách nižších než 0 °C.
- Zabránění vysoušení: Lze snadno bránit zakrytím fólií, vodním mlžením nebo vlhčením přes geotextilii.
- Zabránění promrznutí: Na straně výrobce ohřevem záměsové vody, kameniva a použitím betonů s vyšším vývinem hydratačního tepla. Na stavbě pak zakrytím konstrukce nebo zaplachtováním části konstrukce a foukáním horkého vzduchu pod plachty. Využít lze i elektroohřev betonu uloženého v bednění.
Běžná doba ošetřování konstrukčních betonů je přibližně jeden týden, v zimním období, především u stropních desek, se beton ošetřuje až několikanásobně déle.
Čtěte také: Doba tvrdnutí betonu: co ji ovlivňuje?