Rychlost nárůstu pevnosti betonu je ovlivněna mnoha faktory, které lze rozdělit na vnitřní a vnější. Tyto činitele nejsou jediné, které ovlivňují rychlost nárůstu pevnosti betonu; stejně důležité jsou i vnější činitele. V tomto článku se zaměříme na nejdůležitější vnější činitele ovlivňující rychlost nárůstu pevnosti betonu, které ovlivňují rychlost výstavby monolitických staveb.
Klimatické podmínky a jejich vliv
Mezi činitele, které ovlivňují rychlost nárůstu pevnosti betonu, patří klimatické podmínky, jako je teplota při výstavbě. Největším problémem při betonování v letním období je vysoká teplota vzduchu, která často překračuje 30 °C. V takovýchto podmínkách dochází k rychlému odpařování vody z čerstvého betonu už během jeho dopravy a samozřejmě i po jeho zabudování do bednění/konstrukce.
Zvýšení teploty betonu vede též k urychlení chemických reakcí, které způsobují tuhnutí a tvrdnutí betonu a které se souhrnně označují jako hydratace cementu. Naopak, se snižováním teploty se procesy hydratace cementu zpomalují. K podstatnému zpomalení dochází už při teplotě +5 °C, což prodlužuje dobu k dosažení potřebných pevností.
Pokles teploty pod 0 °C může mít navíc velmi nepříznivý (až fatální) vliv na strukturu betonu a tedy i na jeho vlastnosti. Při záporných teplotách dochází postupně k zamrzání pórové kapaliny čerstvého betonu. Přeměna vody v led je provázena zvětšením jejího objemu přibližně o 9 %, což může způsobovat vnitřní napětí v betonu. Z hlediska poškození čerstvého betonu je velmi důležité, kdy dojde k zamrznutí této pórové kapaliny.
V praxi se proto setkáváme s doporučením dodržet minimální teplotu prostředí na úrovni cca 5 °C, a to alespoň do doby, než pevnost betonu nabude min. 3,5 MPa, resp. teplota nad 0 °C až do dosažení pevnosti betonu 5,0 MPa. Je zřejmé, že teplotní podmínky ovlivňují rychlost nárůstu pevnosti betonu v tlaku.
Čtěte také: Více o pevnosti betonu
Technologie zpracování betonu
Dalším činitelem, který ovlivňuje rychlost nárůstu pevnosti betonu, je technologie zpracování betonu. Významným procesem je hlavně zhutňování betonu, které ovlivňuje zvýšení počáteční i konečné pevnosti betonu. Čerstvý beton je možné zhutňovat staticky (působením tlaku) nebo dynamicky (nárazy, vibrací) nebo kombinací obou způsobů. Nejpoužívanější technologie zhutňování na staveništi jsou: pěchování, ubíjení, vibrování a vakuování.
Pěchování a ubíjení
- Pěchováním se zhutňují čerstvé betony, které jsou řídké (měkké a tekuté). Pěchují se pomocí ocelové tyče, která uvolňuje cestu ucpanou většími zrny kameniva mezi hustější výztuží nebo v jiných stísněných podmínkách.
- Ubíjení se používá ke zhutňování hustějších čerstvých betonů, ale je málo účinné. Tloušťka vrstvy čerstvého betonu při této technologii zhutňování má být nejvýše 150 mm. K zhutňování se používají ruční nebo mechanické pěchy (výbušné, pneumatické nebo elektrické).
Vibrování
Vibrování je účinný a velmi rozšířený způsob zhutňování. Z vibračního zařízení se přenáší kmitání do čerstvého betonu. Zrna čerstvého betonu mají různou hmotnost a beton jim klade různý odpor. Vibrační vlnění se odráží od stěn bednění a na jeho průběh má vliv i rozkmitání bednění a výztuže. Rozkmitaný čerstvý beton nabývá vlastnosti těžké kapaliny, uvolňuje se z ní vzduch a zrna kameniva vyplňují dutiny. Vibrace může být přímá nebo přenášená. U přímé vibrace je vibrační zařízení v kontaktu s čerstvým betonem. Používají se na ni ponorné nebo povrchové vibrátory.
Vliv typu cementu a přísad na nárůst pevnosti betonu
Pevnost betonu v tlaku ve věku t závisí především na druhu a třídě cementu, teplotě a podmínkách při hydrataci ošetřování. Použitý cement zásadním způsobem ovlivňuje rychlost náběhu pevností betonu v čase. V zimním období je rychlost náběhu pevností betonu v konstrukci výrazně ovlivněna i vývojem hydratačního tepla cementu. Typ plastifikační přísady ovlivňuje zejména počátek tuhnutí a tvrdnutí betonu.
Při snížené teplotě dochází ke zpomalení procesu hydratace cementu, a tím ke zpomalení nárůstu pevnosti betonu. Naopak při zvýšené teplotě dochází ke zrychlení procesu hydratace cementu, a tím ke zrychlení nárůstu pevnosti betonu.
Příklady typů cementu a jejich vliv
- CEM II/B-S 32,5 R: Základní typ cementu. Betony s tímto cementem jsou optimální variantou z pohledu ceny a technických parametrů.
- CEM I 42,5 R: Typ cementu, určený zejména pro betony v prostředí XF2-4 nebo pro betony s rychlým náběhem pevností. V zimních podmínkách přichází v úvahu použití rychlého portlandského cementu CEM I 42,5 R místo standardního cementu CEM II/B-S 32,5 R. Touto záměnou nezkrátíme zpracovatelnost betonu, ale zvýšíme samoohřev betonové konstrukce během tvrdnutí a urychlíme náběh pevností.
- Varianta R (urychlující přísady): Jejich účinek je v urychlení počátku tuhnutí a tvrdnutí. Tím se sice určitým způsobem zkracuje doba zpracovatelnosti, ale výrazně se omezí chladnutí betonu před počátkem hydratace a započetím samoohřevu betonu.
Tabulka: Vliv cementu a přísad na nárůst pevnosti betonu
| Cement | Podmínky | Vliv na nárůst pevnosti | Vliv na zpracovatelnost |
|---|---|---|---|
| CEM I 42,5 R | Chladné i laboratorní | Rychlejší nárůst pevností, vyšší ohřátí konstrukce | Stejná doba na zpracování a dopravu |
| Varianta R (urychlující přísady) | Laboratorní | Urychlení počátku tuhnutí a tvrdnutí | Zkrácení doby zpracovatelnosti |
Modul pružnosti betonu a jeho stanovení
Modul pružnosti je jednou ze základních charakteristik betonu definujících jeho pružné deformace a hraje významnou roli při statickém návrhu konstrukcí. Je základní charakteristikou betonu vypovídající o jeho přetvárných vlastnostech a ovlivňující deformační chování betonových konstrukcí. V minulosti byly vytvořeny teoretické modely pro predikci vztahů mezi modulem pružnosti betonu a pevnostními charakteristikami betonů, které umožnily určit modul pružnosti výpočtem bez nutnosti jeho reálného měření.
Čtěte také: Vývoj pevnosti betonu
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. Pro statický výpočet konstrukcí jsou ukazateli přetvárnosti modul pružnosti a modul přetvárnosti. 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. 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.
V oblasti pružných deformací platí Hookeův zákon. V oblasti deformací nepružných se stanovuje modul přetvárnosti vyjádřený poměrem napětí k celkovému poměrnému přetvoření:
- 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 a dosahuje nejvyšší hodnoty.
Vliv různých faktorů na modul pružnosti
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. 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.
Čtěte také: Beton: prvních 24 hodin
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. Čím vyšší bude obsah kameniva, tím blíže bude křivka betonu ke křivce kameniva.
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.
Stanovení modulu pružnosti in situ
U betonu zabudovaného v konstrukci je obtížné stanovit hodnotu statického modulu pružnosti. Jednou z možností je měření modulu dynamického a následný přepočet na modul statický. Příspěvek se zabývá vzájemnými poměry mezi statickým a dynamickým modulem včetně praktických příkladů stanovení zmenšovacího součinitele.
Pro stanovení dynamických modulů pružnosti jsou využívány metody ultrazvuková a rezonanční. Hodnoty statických modulů pružnosti vycházejí vždy nižší než hodnoty modulů dynamických. Při znalosti vzájemného poměru mezi hodnotami dynamických a statických modulů pružnosti bychom v daleko větší míře mohli využívat právě nedestruktivních dynamických metod.
Vliv doby zrání betonu
Jedním z vlivů na poměr mezi statickými a dynamickými moduly pružnosti je doba zrání betonu. Tato problematika částečně souvisí s nárůstem pevnosti. Se vzrůstající dobou zrání roste hodnota zmenšovacích koeficientů, tedy dochází ke snižování rozdílu mezi dynamickými a statickými moduly pružnosti. Trend je poměrně plynulý. Po 28 dnech zrání dosahuje statický modul pružnosti 83 % hodnoty dynamického ultrazvukového modulu pružnosti, což přesně odpovídá hodnotě normového koeficientu.
Vliv druhu hrubého kameniva
Druh hrubého kameniva je zcela zásadní jak pro výslednou hodnotu modulu pružnosti betonu, tak i pro vzájemný poměr mezi hodnotami modulů dynamických a statických. Vliv typu kameniva na modul pružnosti je velmi výrazný. Při zachování parametrů směsi (vodního součinitele, dávky superplastifikátoru, objemu hrubého kameniva) vykazuje beton s čedičem po 1 dni zrání takovou hodnotu modulu pružnosti, jakou beton s drobou nedosáhl ani po 28 dnech. Proti tomu vliv kameniva na pevnost v tlaku tak výrazný nebyl, neboť ve všech případech se jednalo o kamenivo s vysokou pevností v tlaku.
Výrazně rozdílné byly rovněž hodnoty zmenšovacích součinitelů κu a κr pro přepočet dynamických modulů pružnosti z ultrazvukových a rezonančních měření na moduly statické. Např. pro ultrazvukové měření vychází nejnižší součinitel u betonu s drobou: κu = 0,68 po 1 dnu a κu = 0,72 po 28 dnech zrání. Proti tomu u betonu s čedičem byly součinitele výrazně vyšší: κu = 0,80 po 1 dnu a κu = 0,88 po 28 dnech. Součinitele u betonu s běžným žulovým kamenivem vycházely průměrné, např. po 28 dnech zrání κu = 0,82.
Vliv vodního součinitele
Na rozdíl od výrazného vlivu použitého druhu hrubého kameniva nemá vodní součinitel prakticky žádný vliv na hodnoty zmenšovacích součinitelů κu, κr.
Doporučení pro specifikaci betonu
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.
Pro optimalizaci modulu pružnosti betonu je doporučeno:
- Používat 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.
- 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.
- 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.
Experimentální výzkum vlivu extrémních zatížení
Kombinované účinky extrémních zatížení jsou velmi málo studované jevy především kvůli své složitosti a komplexnosti. Kombinovaný účinek požáru a výbuchu na betonové konstrukce je však jev, který začíná být stále častějším, a proto je studium tohoto fenoménu velice podstatné. Tento článek prezentuje experimentální program, který byl vytvořen s cílem základního porozumění zmiňovaného fenoménu.
Provedená měření změn několika materiálových vlastností v závislosti na teplotě byla následována samotným experimentem, při němž byly betonové prvky vystaveny působení vysoké teploty a následně výbuchu. Provedené experimenty byly doplněny o numerickou simulaci. Konstrukce jsou standardně navrhovány na vliv statických a běžných dynamických zatížení, jako je vítr nebo v některých oblastech zemětřesení. Konstrukce, které jsou součástí kritické infrastruktury, však začínají být posuzovány také z hlediska působících extrémních zatížení, jakými jsou nárazy velkých břemen, požár, ale také výbuch. Problém ovšem nastává v situaci, kdy tato extrémní zatížení působí současně.
Během výzkumu bylo měřeno šest materiálových vlastností - objemová hmotnost, porozita, tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita, permeabilita a tlaková pevnost. Materiálové charakteristiky, které klesají se zvyšující se působící teplotou, jsou objemová hmotnost, tepelná vodivost a pevnost v tlaku. Naopak rostoucí hodnoty je možné se zvyšující se teplotou pozorovat u porozity, měrné tepelné kapacity a permeability všech materiálů. Všechny tyto vlastnosti jsou principiálně založeny na transportu a odpařování vody z materiálu. Pevnost v tlaku se zvyšující se teplotou u všech materiálů klesala, resp. při nejvyšší teplotě dosahovala přibližně 20% hodnoty naměřené při pokojové teplotě a tato hodnota byla téměř stejná pro všechny studované materiály. Při teplotě přibližně 200 °C se pevnost v tlaku mírně zvýšila.
tags: #vliv #dynamického #zatížení #na #pevnost #betonu