Tuhnutí betonu je jeden z nejdůležitějších procesů, který probíhá bezprostředně po jeho uložení. Právě během tuhnutí beton přechází ze zpracovatelného stavu do pevné hmoty a vytváří se základ jeho budoucích mechanických vlastností. Správné řízení procesu tuhnutí betonu je zásadní pro kvalitu betonových konstrukcí a podlah.
Tuhnutí vs. tvrdnutí betonu
U betonových směsí se mluví o tuhnutí a 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.
Pokud se podíváme na tuhnutí betonu, tak se jedná o chemický proces, při kterém směs vody a cementu tvoří cementovou kaši, která ve finále tuhne na pevnou hmotu. Tuhnutí je proces, při kterém cementová hmota houstne. Po uložení betonu začíná chemická reakce mezi cementem a vodou. 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. Hydratační produkty musí dostatečně růst a množit se, aby zpočátku spojily částice do sítě za účelem vytvoření soudržné struktury, která způsobí, že cementová pasta začne tuhnout. Tuhnutí betonu je proces, při kterém beton ztrácí svou plasticitu a přechází do pevného stavu. Tuhnutí betonu je krátká, ale mimořádně důležitá fáze, která zásadně ovlivňuje kvalitu, pevnost a životnost betonových konstrukcí a podlah.
Tvrdnutí následuje po tuhnutí betonu a je to proces, při kterém začíná ztuhlá cementová směs nabývat na pevnosti. Beton tvrdne zpravidla několik týdnů, ale dostatečné pevnosti dosahuje již po několika dnech. Beton zraje celkem 28 dní, po kterých získává 100 % uváděné pevnosti. Hlavní část postupného tvrdnutí probíhá do 28 dnů. Při betonování podlah, nebo základové desky však není třeba čekat tak dlouho.
Co ovlivňuje dobu zrání betonu?
Dobu tvrdnutí betonu ovlivňuje výše zmíněná teplota okolního prostředí, ale také jiné povětrnostní podmínky, jako je intenzita větru a slunečního záření, které se podílí na rychlosti odpařování vody z konstrukce. Nicméně, v procesu schnutí existuje mnoho proměnných, které mohou výsledek značně ovlivnit.
Čtěte také: Urychlovač tuhnutí betonu: podrobný rozbor
Faktory ovlivňující tuhnutí a tvrdnutí betonu:
- Teplota: Vyšší teploty proces tuhnutí urychlují, zatímco nízké teploty jej zpomalují. Ideální teplota pro betonování je v rozmezí 15 - 25 °C. Při této teplotě dochází k optimálnímu procesu zrání betonu. Čím je teplota vyšší, tím beton rychleji tvrdne. Celkovou tvrdost betonu dosáhnete při teplotě +15 až +25 °C okolo 28 dnů, pokud je teplota nižší, prodlouží se doba tvrdnutí. Nízké teploty pod 5 °C naopak způsobí zamrzání vody, zastavení procesu hydratace, a tím i kompletní znehodnocení betonované plochy.
- 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. Udržení dostatečného obsahu vody v betonu rozhoduje o udržení požadované doby zpracovatelnosti v uvedené třídě. Z čerstvého betonu se poměrně rychle odpařuje voda a tento proces opět začíná již v době jeho míchání, v podstatě se dá říci, že ve stejný okamžik, kdy začíná proces tuhnutí.
- Přísady a příměsi v betonu: 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.
Regulace doby tuhnutí
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.
Ochrana betonu po uložení
Na čerstvý beton uložený do konstrukce působí negativně vlivy prostředí, jakými jsou sluneční svit, vítr, déšť, často i mráz. Především je třeba zabránit vysoušení povrchu betonu, např. vlivem vysokých teplot nebo větru, dále vyplavování cementu z povrchu betonu při silném dešti a promrznutí konstrukce při teplotách nižších než 0 °C.
Vysoušení betonu lze snadno bránit zakrytím fólií, obdobnou jakou přikrýváme nábytek před malováním. Na okrajích ji doporučujeme zatížit, aby pod ni nefoukalo. Další možností je vodní mlžení nebo vlhčení přes geotextílii, což používají především realizační firmy. Vhodné je také konstrukce ošetřovat vodou, aby nedocházelo k nadměrnému vysychání betonu. To je však v mnohých případech nežádoucí a betonovou konstrukci je třeba před slunečním zářením chránit přikrytím plachtou či kartonem.
Pro betony konstrukční (základy, opěry, překlady, nosníky, sloupy apod.) je dle náročnosti konstrukce počítat s ošetřováním po dobu několika dní i týdnů. Běžná doba ošetřování je přibližně jeden týden, což platí zejména pro jarní a podzimní měsíce. V zimním období, především u stropních desek, se beton ošetřuje až několikanásobně déle.
Betonování v zimě
Na konci podzimu se stroje na mnoha stavbách zastaví a vyčkává se, až zase přijde teplejší období. Někdy ale není času nazbyt, a tak je potřeba v pracích pokračovat i během zimy. Největším nepřítelem betonování v zimním období jsou samozřejmě nízké teploty. Při nich dochází ke zpomalení hydratace betonu, a tak přestává schnout. Minimální teplota pro betonování je 5 °C. Teplota by rozhodně neměla klesnout pod bod mrazu. Pokud se beton nechá zmrznout, dojde k jeho zničení. I v případě, že teploty neklesnou pod bod mrazu, beton bude tvrdnout mnohem pomaleji než za standardních podmínek.
Čtěte také: Faktory ovlivňující tuhnutí betonu
Technologický proces betonování je pevně zakotven v normách, konkrétně např. v ČSN 73 2400. Podle ní nesmí teplota povrchu betonu klesnout pod 5 °C po dobu nejméně 72 hodin. To ale nutně neznamená, že se při nižších teplotách nedá pracovat s betonem. Betonování je možné i při venkovních teplotách pod 5 °C. Je však nutné přijmout speciální opatření, která přinesou zajištění požadované teploty při jeho výrobě i tuhnutí a tvrdnutí. V souladu s požadavky platné normy ČSN EN 206-1 změna Z3 kapitola 5.2.8. nesmí být teplota čerstvého betonu v době jeho dodávání menší než +5 °C. Pokud se požaduje jiná minimální teplota betonu nebo se požaduje maximální teplota, pak musí být uvedena s dovolenými odchylkami. Po uložení betonu do konstrukce je nutné jej chránit vhodnými opatřeními tak, že teplota povrchu betonu neklesne pod + 5 °C dokud beton nedosáhne pevnosti, při které může odolávat mrazu bez poškození.
Opatření pro zajištění teploty betonu v zimě
I betonárny jsou na betonování v zimě technologicky vybavené. Při výrobě a dopravě betonu používají nejen teplou vodu, ale často i ohřáté kamenivo. Když je potřeba spustit hydratační procesy betonu při nižších teplotách, používají se betony s větším vývinem hydratačního tepla. Řešením je využití cementů s vyšším obsahem slínku. Vhodný je portlandský cement typu CEM I nebo směsný portlandský cement typu CEM II. Pro zlepšení hydratačních procesů lze do betonové směsi přidat přísady, které snižují množství záměsové vody a díky tomu urychlují tuhnutí a tvrdnutí betonu. Pro betonování v zimě se pak používají i speciální zimní přísady do betonáže. Bránit promrznutí betonu lze několika způsoby, na straně výrobce například 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. Volba konkrétního způsobu závisí na konkrétní teplotě (mrazu), intenzitě větru, deště nebo sněžení a na tvaru a objemu betonované konstrukce.
Při betonování v zimě vás čeká obtížný úkol - musíte 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. V některých případech se přistupuje i k aktivní ochraně foukáním horkého vzduchu pod zaplachtovanou konstrukci či zapnutím elektrického ohřevu umístěného v bednění. Vývoj stavebních materiálů jde stále kupředu. Díky tomu je možné betonovat až do venkovních teplot -10 °C. Při teplotách vzduchu pod -10°C nedoporučujeme provádět ukládání betonových směsí. Čerpání betonových směsí je možno do -5°C.
Náklady na betonování v zimě
Rozhodnete-li se pro realizaci základové desky v zimním období, musíte počítat s vyššími náklady. Mnohé betonárny navyšují v období od listopadu do března cenu betonu o 5 až 10 % kvůli potřebným zimním opatřením. Betonování při teplotě pod 5 °C se prodraží kvůli nutnému použití betonu vyšší pevnostní třídy nebo přidávání zimních přísad. A budete-li chtít betonovat při teplotách -5 až -10 °C, prodraží se realizace až o desítky procent. V takovém případě musí totiž betonárna výrazně upravit recepturu betonu a přidat do něj superplastifikátory, které výrazně urychlí tuhnutí.
Testování dob tuhnutí cementových kompozitů
Sledováním počátečních fází tuhnutí a tvrdnutí cementových kompozitů se zabývá celá řada zkušebních metod. Proces tuhnutí a tvrdnutí pojiv je komplexní proces ovlivněný vnitřními chemickými a fyzikálními procesy a vnějšími podmínkami vytvrzování. Doba tuhnutí cementu (resp. cementové kaše) významným způsobem ovlivňuje vlastnosti nejen čerstvého betonu (např. zpracovatelnost), ale i ztvrdlého betonu (vývoj smrštění, pevnostních a elastických vlastností apod.). Je známo, že doby tuhnutí cementu (pojiva) jsou odlišné od dob tuhnutí a tvrdnutí výsledných produktů, jakými jsou malty a betony [1].
Čtěte také: Betonování v extrémních teplotách
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. Historické kořeny této metody sahají až k počátkům cementu jako stavebního materiálu, tedy do 19. století. Této metodě rozhodně nelze upřít její přímočarost a jednoduchost. Asi největší nevýhodou této metody je její invazivní charakter, který může způsobovat vysokou variabilitu výsledků zkoušek. Pro potřeby 21. století se však stále více jeví jako nedostačující, a to především s ohledem na vysokou variabilitu výsledků. Tato variabilita může být, mimo jiné, způsobena již zmiňovaným invazivním charakterem. Výslednou hodnotu počátku či konce tuhnutí mohou bezesporu ovlivňovat také lokální nehomogenity ve sledovaném vzorku.
Ultrazvuková impulzní metoda
Cílem tohoto článku je ukázat možnosti využití ultrazvukové impulsové metody pro stanovení dob tuhnutí cementové kaše. Z tohoto a dalších důvodů se jeví jako vhodné hledat jiné metody, které dokáží posoudit sledovaný vzorek materiálu více „objemově”. 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 [8], a to hledáním korelace s výsledky dle [3]. Dále uvádí, že pro každý cement je možné vytvořit převodní vztah z výsledků UZ zkoušek na vzdálenost jehly od podložky dle [3] a na jeho základě pak stanovit doby tuhnutí. Tvorba takového vztahu však může být ovlivněna celou řadou faktorů. Jedním z nich je rozdílná citlivost obou metod. Zatímco UZ metoda umožňuje sledovat změny v materiálu téměř bezprostředně po smíchání cementu s vodou, metoda dle [3] započne vykazovat výraznější změny výstupu až s blížícím se počátkem tuhnutí. Navíc pomocí UZ měření můžeme sledovat vývoj zrání materiálu i po uplynutí konce tuhnutí, což je metodou dle [3] téměř nemožné.
Princip měření přístrojem Vikasonic
Přístroj Vikasonic není jediný, který využívá ultrazvukovou impulsovou metodu pro sledování cementových kompozitů v rané fázi tuhnutí a tvrdnutí. Přístroj Vikasonic 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. Výška Vicatova prstence definuje měřicí základnu. UZ sondy s frekvencí 54 kHz jsou schopny vysílat a přijímat ultrazvukové impulsy v rozsahu 6 až 120 impulsů/min. V experimentu popisovaném v tomto článku byla použita frekvence měření 60 impulsů/min. V průběhu měření je vysílač impulsů umístěn na horní a přijímač na dolní straně Vicatova prstence. Aby se zabránilo ztrátě kontaktu měřicích sond s povrchem zkoumaného materiálu v průběhu měření, je vhodné sondy zajistit prostřednictvím svorky. Výrobce přístroje také doporučuje použití separační fólie a běžného separačního prostředku, a to z důvodu ochrany sond před poškozením při kontaktu s materiálem v čerstvém stavu a proti poškození sond při vyjímání vzorku po ukončení měření.
Současně se sledováním doby průchodu UZ impulsu je také možné zaznamenávat i teplotu uvnitř zkušebního vzorku teplotním čidlem zavedeným horní částí měřicí komory. Experimenty ukázaly, že současné sledování teploty je pro vyhodnocení výstupů tohoto měření stěžejní. Jedním z kroků postupu měření je také stanovení tzv. mrtvého času, což je čas, který vystihuje ztráty vzniklé dobou průchodu akustickým vazebným prostředkem a případné časové ztráty související s konstrukcí použitých sond. Kalibraci přístroje je možné provést s použitím etalonu, který je k přístroji dodáván. Tato kalibrace provedená před započetím měření však může být zkreslena nepřesnostmi způsobenými plněním a konečným uzavřením měřicí komory.
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, tedy body s nulovou druhou derivací, ve kterých křivka přechází z konvexního charakteru na konkávní či naopak. Vyhlazení záznamu teploty pomocí splinu umožňuje snazší hledání těchto bodů využitím průběhů derivací křivky.
Vyhodnocení počátku (PT) a konce tuhnutí (KT) cementové kaše normální konzistence spočívá v hledání průniků tečen a dalších důležitých přímek v grafu. Počátek tuhnutí se určí jako časová souřadnice (hodnota na ose) 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 se dále určí jako průnik tečny vedené přeneseným bodem minimální teploty a tečny vedené přeneseným inflexním bodem 2. Proložení naměřených dat kubickým splinem zjednodušuje určení těchto tečen, podobně jako v případě hledání významných bodů u teplotní křivky. Tento způsob vyhodnocení se může na první pohled zdát složitý, ale při vhodném softwarovém zpracování je možné jej plně automatizovat.
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, a to postupem popsaným v tomto článku.
| Cement | Metoda | Počátek tuhnutí (h) | Konec tuhnutí (h) |
|---|---|---|---|
| CEM I 42,5 R | UZ metoda (Vikasonic) | ~2.5 | ~5.0 |
| CEM I 42,5 R | Vicatova metoda (dle ČSN EN 196 - 3) | ~1.0-1.5 (interval) | ~2.0-2.5 |
| CEM I 42,5 R | Technický list výrobce | 2.0-3.0 | 4.0-6.0 |
| CEM I 52,5 R | UZ metoda (Vikasonic) | ~1.5 | ~4.0 |
| CEM I 52,5 R | Vicatova metoda (dle ČSN EN 196 - 3) | ~0.5-1.0 (interval) | ~1.5-2.0 |
| CEM I 52,5 R | Technický list výrobce | 1.5-2.5 | 3.0-5.0 |
V případě cementu CEM I 42,5 R se získaná hodnota doby počátku tuhnutí UZ metodou příliš neliší od údaje v technickém listu. Metoda dle [3] však ukázala významně odlišné výstupy. Zde je nutné podotknout, že údaje v technickém listu jsou tvořeny vyhodnocením větší sady měření a v našem případě se jedná pouze o jedno stanovení, které mohlo být ovlivněno statistickou odchylkou.
Cement a hydratace
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. Samozřejmě mu v tom pomůže další důležitá složka a tou je voda. 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. 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. 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.
Aby hydratace v tomto případě byla co nejúčinnější, tak je zapotřebí, aby probíhala při teplotě 15°C - 20°C. Obecně platí, že delší doba tuhnutí nemá významný vliv na pozdější pevnost. Pevnost betonu závisí především na poměru vody k cementu a množství použitého cementu. Počáteční doba tuhnutí betonu se obvykle pohybuje od 2 do 4 hodin a přidáním retardérů lze tuto dobu prodloužit na 6 až 10 hodin. Nepřetržité míchání a pohyb během přepravy však může také prodloužit počáteční dobu tuhnutí betonu. Obecně platí, že doba tuhnutí betonu souvisí s dobou tuhnutí cementu. U běžného cementu by počáteční tuhnutí nemělo být kratší než 45 minut a konečné tuhnutí by nemělo být později než 10 hodin.