Mechanické vlastnosti betonu udávají vztah mezi mechanickým namáháním a odporem, kterým materiál účinkům tohoto namáhání vzdoruje. Nejvýznamnějšími mechanickými vlastnostmi betonu je pevnost a odolnost proti přetvoření.
V případě namáhání pouze mechanickým namáháním se mechanické vlastnosti materiálu označují jako vlastnosti přetvárné (deformační) nebo jako vlastnosti pevnostní, závislé na charakteru chování materiálu, který si buď zachovává svoji celistvost, nebo se nachází ve fázi porušování.
Deformační vlastnosti betonu
Působením mechanického napětí dochází ve struktuře pevných látek ke změnám vzdálenosti mezi jednotlivými částicemi, k jejich vzájemným posunům i k složitým strukturálním změnám, v důsledku čehož mění tuhá tělesa do určité míry tvar i objem. Tyto změny jsou označovány jako přetvoření nebo také deformace.
Velikost deformace materiálu se vyjadřuje formou poměrného přetvoření, které představuje poměr změny rozměru k původnímu rozměru.
Beton je materiál přenášející v konstrukci především tlaková napětí, proto je pružné chování nejdůležitější při jeho tlakovém namáhání, kdy dochází ke zmenšení rozměru ve směru působící síly.
Čtěte také: Použití mechanických kotev do betonu
Každá konstrukce je zatěžována vnějším prostředím, které může vyvolat vratné či nevratné změny konstrukce. V případě změn hladiny statického napětí se jedná o změnu tvaru, tedy vyvolání deformací, přičemž je toto napětí měřitelné.
V případě betonu se setkáváme se dvěma druhy deformací. Tuhost betonu je nejlépe charakterizovaná pracovním diagramem při osovém namáhaní (tlak-tah). Diagramy mohou být zhotovené bez odlehčování nebo s odlehčováním. Podle typu diagramu jsou definované i deformační vlastnosti.
Průběh přetvárnosti betonu při působení statického zatížení se liší v závislosti na jakosti betonu, tj. deformačních vlastnostech kameniva, množství, hutnosti, jakosti a stáří cementového kamene a rychlosti zatěžování, popř. deformační chování,mez kluzu - tzv. Tvar pracovního diagramu (obr. Obr. V oblasti pružných deformací platí Hookeův zákon.
V oblasti deformací nepružných se stanovuje modul přetvárnosti vyjádřený poměrem napětí k celkovému poměrnému přetvoření. Pro statický výpočet konstrukcí jsou ukazateli přetvárnosti modul pružnosti a modul přetvárnosti.
Modul pružnosti betonu
Modul pružnosti je základní charakteristikou betonu vypovídající o jeho přetvárných vlastnostech a ovlivňující deformační chování betonových konstrukcí. Modul pružnosti je jednou ze základních charakteristik betonu definujících jeho pružné deformace a hraje významnou roli při statickém návrhu konstrukcí.
Čtěte také: Přečtěte si recenzi
Druhy modulu pružnosti:
- Statický modul pružnosti stanovený ze závislosti mezi napětím a poměrným přetvořením.
- Sečnový modul pružnosti, který je daný poměrem σx/εx.
- Tečnový modul pružnosti daný směrnicí ke křivce mezi napětím a deformací při daném napětí.
- Začáteční tečnový modul pružnosti, který je směrnicí ke křivce v začátku závislosti (obr. 2) a dosahuje nejvyšší hodnoty.
Jelikož je beton nelineárně pružný materiál, s narůstajícím napětím se výrazně zvyšuje jeho deformace. Na výslednou hodnotu modulu pružnosti betonu má vliv celá škála různých faktorů, které jsou popisovány v odborné literatuře.
Vliv kameniva a cementové pasty
V případě vlivu kameniva a cementové pasty je možné sledovat prakticky lineární závislost mezi napětím a poměrným přetvořením, ovšem v případě betonu jako kompozitního materiálu je tato závislost nelineární.
Modul pružnosti betonu je podstatně odlišný od modulu pružnosti ztvrdlé cementové pasty, což ukazuje na rozdílnost modulů pružnosti složek betonu, přičemž kamenivo má jednoznačně vyšší modul pružnosti než zhydratovaná cementová pasta a vyšší obsah kvalitního hrubého kameniva tak přináší vyšší modul pružnosti betonu.
Mechanické vlastnosti cementového kamene závisí, při stejných podmínkách zatížení a vnějšího prostředí, na množství, druhu, rozměru a orientaci pórů a trhlinek. Ztvrdlý cement a kamenivo ovlivňují velkým podílem přetvárné vlastnosti (deformace). Je-li podíl cementu v betonu okolo 15 %, existuje vysoký potenciál na výrazné ovlivnění deformačních vlastností betonu. Jak je patrné z obr. 3, čím vyšší bude obsah kameniva, tím blíže bude křivka betonu ke křivce kameniva.
Čtěte také: Detaily mechanického kotvení hydroizolace
Výrazný vliv na modul pružnosti cementového kamene má jeho pórovitost, kdy se zvyšující se pórovitostí betonu dochází ke snížení výsledné hodnoty modulu pružnosti betonu. Pórovitost cementové pasty při zvyšujícím se vodním součiniteli w/c navyšuje obsah volné vody v čerstvém betonu. Kapilární pórovitost podstatně ovlivňuje pevnost betonu v tlaku a ve své podstatě shodně i modul pružnosti. Modul pružnosti je přibližně úměrný třetí mocnině poměru gel/prostor.
Modul pružnosti kameniva má vzhledem k jeho objemu v betonu výrazný vliv na modul pružnosti samotného betonu. Vlastnosti a objem zejména hrubého kameniva ovlivňují jak pevnost betonu v tlaku, tak modul pružnosti betonu, přičemž jejich vliv na modul pružnosti je vyšší než na pevnost v tlaku.
Z tohoto důvodu bude mít beton vyrobený z méně pevného kameniva nižší modul pružnosti než beton se stejnou pevností vyrobený z pevnějšího kameniva. Nejen rozdílný druh kameniva, ale také stejný druh, ale z rozdílných lokalit může značně ovlivnit modul pružnosti betonu.
Technologické faktory a zkušební zařízení
Oproti technologickým faktorům, které jsou v podstatě ovlivněny samotným složením a výrobou betonu, jsou ty zkušební více či méně ovlivněny zkušebním zařízením, obsluhou strojů, zkušebním postupem a volbou úpravy zkušebních těles, jež jsou závislé především na možnostech laboratoře a místních zvyklostech.
S rychlým vývojem technologie betonu a s použitím nynějších dostupných materiálů a výrobních procesů dochází k nástupu betonů lišících se od základního konceptu cement → kamenivo → voda na cement → kamenivo → voda → přísady (plastifikační/superplastifikační), resp. Kvůli intenzitě používání těchto složek pro výrobu betonu dochází ke značným změnám v poměrech mezi přetvárnými vlastnostmi a pevností betonu v tlaku, a proto je nutné zásadně přehodnotit některé závislosti, ze kterých se následně vychází při statickém navrhování betonových konstrukcí.
V dřívějších dobách byla postačující základní charakteristikou betonu jeho pevnost v tlaku, z níž se empiricky odvozovaly ostatní výpočtové charakteristiky jako např. pevnost v tahu za ohybu, příčný tah a statický modul pružnosti. Empirický vztah mezi modulem pružnosti a pevností v tlaku může platit pouze pro betony s podobným složením, zejména pak u tradičních vibrovaných betonů.
V případě větších rozdílů ve složení, v použitém kamenivu, druhu a dávce cementu, přísadách či příměsích může být tato závislost podstatně odlišná.
Doporučení pro dosažení požadovaných hodnot modulu pružnosti
- Nepoužívat pouze portlandské cementy CEM I, v případě použití směsných cementů stejné pevnostní třídy lze očekávat snížení hodnot modulů pružnosti o cca 10 až 15 %. Totéž platí v případě použití kombinace cementů CEM I s aktivními příměsmi, např. elektrárenskými popílky či jemně mletou vysokopecní struskou. Aplikovat zažité zkušenosti s odhadem k-hodnoty a dopady na pevnosti v tlaku pro odhady statických modulů pružnosti je nebezpečné. Výsledné hodnoty modulů pružnosti budou nižší než pro stejnou pevnostní třídu vyrobenou pouze z cementu CEM I.
- Omezit množství frakce 0 - 4 mm a jemných podílů pod 0,125 mm. Pokud to umožní reologické vlastnosti čerstvých betonů (čerpatelnost, zhutnitelnost), je lepší používat pro výpočet poměrů mísení směsi kameniva z více frakcí rovnice EMPA I, II než Fullerovu rovnici.
- Využívat kameniva do maximální frakce 22 mm, přičemž lepší jsou drcená než těžená.
- Využívat hrubá kameniva, která mají vysoký modul pružnosti, např. žula, čedič, diabas, amfibolit. Naopak usazeniny a některé přeměněné horniny mají modul pružnosti podstatně nižší. Mezi pevností v tlaku a modulem pružnosti neplatí vždy jednoznačná závislost. Např. diorit a gabro mají přibližně shodný modul pružnosti od 70 do 85 GPa, avšak jejich pevnosti jsou značné odlišné, a to 170 až 300 MPa.
- Ověřit dopad typu a dávky superplastifikační přísady. Praxe ukazuje, že některé typy moduly pružnosti snižují. Ovšem je třeba mít na paměti, že čím je vodní součinitel nižší, tím je cementový kámen hutnější a tranzitní zóna (ITZ) kvalitnější, což moduly pružnosti ovlivňuje pozitivně.
- Nečekat vysoké moduly u provzdušněných betonů.
- Využívat možností dosažení požadovaných hodnot ve stáří 60 či 90 dnů. Dají se očekávat cca 6 - 10% nárůsty hodnot oproti hodnotám dosaženým ve stáří 28 dnů.
- V případě požadavku projektanta na konkrétní hodnoty statických modulů je třeba si ujasnit, zda se jedná o hodnotu minimální, průměrnou či maximální. Vzhledem k tomu, že nejsou stanovena hodnoticí kritéria pro soubory zkoušek, je nutné si před začátkem betonáží vyjasnit specifikaci betonu včetně postupu při neshodě výsledků, příp. jakým způsobem budou prováděny zkoušky na hotových konstrukcích.
- Při požadavku na konkrétní hodnoty statických modulů pružnosti nad hodnoty 28 GPa provést průkazní zkoušky.
- Nevycházet ze vztahů pro převod EC2 pouze z pevnostní třídy betonu.
tags: #mechanické #vlastnosti #betonu