Pevnost betonu v tlaku je klíčová pro stabilitu a bezpečnost stavebních konstrukcí. Při výrobě betonu je stanovení jeho fyzikálně-mechanických vlastností poměrně přímočaré, neboť lze odebrat vzorky, nechat je vyzrát ve formách a poté je podrobit normovým zkouškám. Problém nastává v okamžiku, kdy je potřeba zjistit vlastnosti ztvrdlého betonu přímo v konstrukci, jelikož jeho vlastnosti se mohou od betonu vyzrálého ve formách z různých důvodů lišit.
Pro posuzování betonu v konstrukcích byla od 80. let 20. století k dispozici norma ČSN 73 2011 [2], která pro stanovení pevnosti v tlaku preferuje nedestruktivní zkoušení, převážně tvrdoměrné, přičemž jádrové vývrty hrají doplňkovou a upřesňující roli.
Evoluce metod zkoušení pevnosti betonu
S rozvojem technologie betonu a vrtací techniky došlo postupem času k příklonu k jádrovým vývrtům jako hlavní referenční metodě pro stanovení pevnosti v tlaku betonu v konstrukci. To se jasně projevilo v původním vydání normy ČSN EN 13791 [3], přijaté v roce 2007. Tato norma zabývající se zkoušením pevnosti v tlaku betonu v konstrukcích a prefabrikovaných dílcích jednoznačně preferovala jádrové vývrty, zatímco nedestruktivní zkoušky upozadila. Norma však přinesla kontroverze i v případě vyhodnocování výsledků zkoušek jádrových vývrtů - zjednodušený odhad charakteristické pevnosti v tlaku totiž vycházel tím vyšší, čím nižší byl počet jádrových vývrtů.
Nové vydání normy ČSN EN 13791 a jeho přínos
Nové vydání normy ČSN EN 13791 [1], s účinností od 1. března 2020, přineslo řadu pozitivních změn. Poskytuje podrobnější návod k uplatňování zkušebních postupů, zejména s ohledem na definování výsledků zkoušek, měření, objemu betonu hodnocené konstrukce či její části, umístění zkoušky a testovací oblasti. Norma se zabývá odhadem pevnosti betonu v tlaku pro posouzení existující konstrukce nebo posouzením třídy pevnosti betonu v tlaku v případě pochybností u nových konstrukcí. Uvádí postupy pro odhad pevnosti v tlaku a charakteristické pevnosti v tlaku betonu v konstrukci pomocí přímých metod (zkoušek jádrových vývrtů) a nepřímých metod (ultrazvukové rychlosti a odrazových tvrdoměrů).
Definice pevnosti betonu
Pevnost betonu (Stress strength of concrete) je velikost napětí dosaženého v místě porušení při zániku celistvosti betonu. Zjednodušeně řečeno, je to pevnost betonu, při které se zkušební těleso poruší. Podle tvaru zkušebního tělesa, na kterém se zkouška provádí, jde buď o pevnost v tlaku krychelnou nebo válcovou. K rozdělení na třídy podle pevnosti v tlaku se používá tabulka 7 normy ČSN EN 206+A2 pro obyčejný a těžký beton a tabulka 8 téže normy pro lehký beton. Pevnost v tlaku fck,cyl se stanovuje po 28 dnech na válcích o průměru 150 mm a délce 300 mm, nebo fck,cube na krychlích o délce hrany 150 mm.
Čtěte také: Betonový průřez – výpočet
Změny v hodnocení jádrových vývrtů
Nová norma výrazně zlepšuje vyhodnocování zkoušek jádrových vývrtů a vrací důstojnou a smysluplnou roli i nedestruktivním zkouškám. Základem pro stanovení pevnosti betonu v tlaku je odběr, vyšetření a zkoušení jádrových vývrtů podle ČSN EN 12504 - 1 [10]. Takto získaná pevnost v tlaku je v anglickém znění normy označena fc,core. Rozlišuje se fc,1:1core nebo fc,2:1core podle štíhlostního poměru délky k průměru zkušebního tělesa, zjednodušeně pevnost v tlaku krychelná (1:1) a válcová (2:1). Pevnost v tlaku in situ fc,is je nově implicitně vyjádřena jako pevnost jádra 2:1, tedy válcová pevnost. Pro přepočet jader 1:1 a 2:1 je v normě uveden korekční faktor CLF (core length factor), který má pro obyčejné a těžké betony hodnotu 0,82.
Zřejmě nejvýraznější změnou je však požadovaný průměr jádrového vývrtu. Pevnost v tlaku in situ fc,is má být zjišťována na jádrech 2:1 o průměru ≥ 75 mm. To je krok správným směrem, neboť vývrty o průměru 75 mm jsou hojně odebírány již nyní jako vhodný kompromis mezi co nejmenším oslabením konstrukce a hustotou vyztužení na straně jedné a velikostí zrn kameniva na straně druhé. Vždy je k tomu nutné přistupovat s rozumem, neboť stále platí, že průměr vývrtu by měl být alespoň třikrát větší než největší velikost zrn kameniva, jinak to může mít značný vliv na dosažené hodnoty pevnosti v tlaku. Pokud se kvůli hustotě výztuže použijí jádra menší než 75 mm (nejméně však o průměru 50 mm), je zapotřebí zvýšit počet zkoušek nebo počet zkušebních míst. Pro získání jednoho výsledku pevnosti v tlaku na jednom zkušebním místě je zapotřebí buď jedno zkušební těleso z vývrtu o průměru ≥ 75 mm, anebo tři zkušební tělesa z vývrtů (vývrtu) o průměru 50 mm.
Hodnocení rovnoměrnosti betonu a statistické nástroje
Při diagnostice betonových konstrukcí je zcela zásadní zjištění rovnoměrnosti betonu, a to jak u jednotlivých prvků, tak v rámci logického stavebního celku a celé nosné konstrukce. Nové vydání normy [1] je v tomto směru výrazně lepší, neboť definuje zkušební oblast jako jeden nebo několik podobných konstrukčních prvků, o nichž je známo nebo se předpokládá, že jsou vyrobeny z betonu se stejnými složkami a stejnou třídou pevnosti v tlaku. Pokud se jedná o různé betony z hlediska návrhu, musí být rozděleny na samostatné zkušební oblasti. Není-li pevnost betonu známa, posoudí se výsledky zkoušek pro skupinu prvků, zda se nejedná o dva druhy betonu - např. pomocí t-testu se určí, zda se střední hodnoty pevnosti významně liší.
V souboru výsledků z jedné zkušební oblasti se mohou vyskytovat podezřele nízké, nebo naopak vysoké hodnoty pevnosti v tlaku. Takové výsledky by měly být zkontrolovány, zda nejsou statisticky odlehlé, např. posouzením rozdílu mezi nejvyšším a nejnižším výsledkem zkoušek a průměrem všech výsledků. V případě normálního rozdělení lze použít Grubbsův test odlehlých hodnot, jehož kritické hodnoty jsou v normě uvedeny ve formě tabulky. Pokud se potvrdí, že jeden nebo více výsledků jsou statisticky odlehlé hodnoty, provede se opatření, které je však věcí technického úsudku. Při vyřazení takových hodnot ze souboru se ovšem vždy musí vyřazené místo posoudit zvlášť.
Platí jedna důležitá výjimka pro počet vývrtů - v případě malé zkušební oblasti, která obsahuje jeden až tři prvky a jejíž celkový objem nepřesahuje přibližně 10 m3, se odeberou nejméně tři jádra o průměru ≥ 75 mm včetně nejméně jednoho jádra z každého prvku ve zkušební oblasti. Pokud se jednotlivé výsledky zkoušek z minimálně tří vývrtů neliší o více než 15 % od průměrné hodnoty tohoto souboru dat, pak se pro posouzení konstrukce vezme nejnižší hodnota jako charakteristická pevnost v tlaku fck,is.
Čtěte také: správný návrh kapacity okapového žlabu
fck,is = fc,is,lowest
Zatřídění betonu při výstavbě
Norma také řeší zatřídění betonu v konstrukcích ve výstavbě, kdy mohou vzniknout pochybnosti o kvalitě dodávaného betonu. Zkoumaný beton může být rozdělen do zkušebních oblastí, které by neměly překročit objem přibližně 180 m3. Každá zkušební oblast se rozdělí na objemy cca do 30 m3. Minimální počet zkušebních míst (z každého odebrán jeden vývrt) je uveden v tabulce.
| Objem zkušební oblasti (m³) | Minimální počet zkušebních míst |
|---|---|
| ≤ 30 | 2 |
| 31 - 60 | 4 |
| 61 - 90 | 6 |
| 91 - 120 | 8 |
| 121 - 150 | 10 |
| 151 - 180 | 12 |
Například, pokud bude mít sledovaná oblast objem 140 m3, pak ji lze rozdělit na pět částí o objemu do 30 m3. Znamená to, že pro posouzení pevnostní třídy bude zapotřebí provést deset jádrových vývrtů o průměru ≥ 75 mm. Hodnota fck,spec udává příslušnou charakteristickou pevnost v tlaku podle ČSN EN 206 [13]. Pro pevnost stanovenou na vývrtu 2:1 a pevnostní třídu C30/37 je fck,spec = 30 MPa.
Zkouška pevnosti v tlaku
Zkouška pevnosti v tlaku je klíčovým postupem při zkoušení materiálů, který se používá ke stanovení pevnosti materiálů v tlaku. Touto zkouškou se zjišťuje, jak materiál reaguje na tlakové síly a jak velké zatížení vydrží, než se zdeformuje nebo poruší. Při zkoušce tlakem se válcový nebo hranolový vzorek materiálu umístí mezi dvě desky. Horní deska působí na vzorek rostoucí tlakovou silou, zatímco spodní deska zůstává pevná. Působící síla se postupně zvyšuje, dokud se materiál neporuší (tj. výrazně se nedeformuje nebo nepraskne).
Důležité výsledky kompresních testů:
- Pevnost v tlaku: Tato hodnota udává maximální napětí, kterému materiál odolá, než dojde k jeho selhání. Je důležitá zejména pro materiály používané ve stavebnictví a stavebních aplikacích, jako je beton, keramika nebo některé kovy, které mohou být v reálných podmínkách vystaveny vysokým tlakovým silám.
- Modul pružnosti: Zkouška tlakem umožňuje také výpočet modulu pružnosti v tlaku. Tento parametr ukazuje, jak tuhý nebo pružný je materiál, protože popisuje poměr mezi napětím a deformací. Vysoký modul pružnosti znamená, že materiál je tužší a vykazuje menší deformaci při zatížení.
- Lomové chování: Zkouška tlakem poskytuje informace o tom, zda se materiál láme křehce nebo tvárně. Křehké materiály, jako je keramika, se lámou náhle a bez varování, zatímco tvárné materiály, jako jsou některé kovy, se před lámáním výrazně deformují.
Konečná pevnost betonu
Konečná pevnost betonu je ovlivněna poměrem voda/cement, konstrukčními prvky a mícháním, umístěním a vytvrzovací metodou. Prostý beton s nižším poměrem vody k cementu bude pevnější než beton tekutý. Celkové množství cementovitých materiálů (portlandský cement, struskový cement, pucolány) může mít vliv na pevnost, na požadavky na vodu, srážení, otěruvzdornost a hustotu.
Čtěte také: speleoterapie pro děti v Ostrově
Inženýři obvykle specifikují požadovanou pevnost betonu v tlaku, která je většinou udávána jako tlaková pevnost po 28 dnech uváděná v megapascalech (MPa). Dvacet osm dní je dlouhá čekací doba ke zjištění, zda byla získána požadovaná pevnost, proto se využívá i měření po třech a sedmi dnech, které je dobré pro odhad konečné pevnosti betonu po 28 dnech. 25 % pevnosti dosahují betony mezi 7. a 28. dnem v případech, kdy je použit 100 % běžný portlandský cement, až 40 % pevnosti lze získat přidáním pucolánů a doplňkových cementovitých materiálů, jako jsou popílek či struskový cement. Získaná pevnost závisí na typu směsi, jejích složek, procesu standardního vytvrzování, řádném testování a péči o beton během přepravy, atd.
Vzorky betonu se zpravidla odebírají během usazování hmoty, testovací protokoly požadují, aby byly vzorky vyšetřeny v laboratorních podmínkách (standardní zkouška). Dodatečné vzorky mohou být testovány i v terénu (nestandardní zkouška), jedná-li se například o zjištění co nejkratšího využitelného času, nutného k dosažení potřebné pevnosti pro možnost brzkého odbednění. Děje se tak postupným odbedňováním za plynulého vyhodnocování zkoušek.
Monolitické konstrukce a železobeton
Beton je stavivem s velkou pevností v tlaku. Zpravidla se beton používá v kombinaci s různými druhy výztuží a tím splňuje též požadavky pro namáhání v tahu. Monolitické konstrukce vynikají výbornou přizpůsobivostí a vyhoví tak pro velká rozpětí, výšky a zatížení. Pro všechny tyto vlastnosti je dnes nejčastěji používaným stavivem, ze kterého lze vytvářet mimořádně hospodárné a bezpečné konstrukce. Monolitickým propojením vznikají prostorově tuhé soustavy, které spolupůsobí ve všech směrech.
Železobeton je nejčastější forma betonu. Výztuha bývá nejčastěji z oceli, roxor (pletivo, šroubovice, tyče a další formy). Beton též může být předpjatý, čímž se předchází náporu v tahu. Používají se vnitřní ocelové výztuže, které umožňují výrobu trámů či desek s větším rozpětím než má prostý železobeton.
Beton má relativně vysokou pevnost v tlaku, ale výrazně nižší pevnost v tahu. Je reálné předpokládat, že v porovnání pevnosti v tahu činí něco kolem 10-15 % pevnosti v tlaku. Výsledkem toho je fakt, že beton takřka vždy selže díky náporu v tahu - i přestože je zatížený tlakově.
Zpracovatelnost betonu
Zpracovatelnost je schopnost čerstvé (plastické) betonové směsi vyplnit za pomoci vibrací nebo bez nich, správně formu, aniž by došlo ke snížení kvality betonu. Zpracovatelnost závisí na obsahu vody, kameniva (tvar a rozdělení dle velikosti), obsahu cementu a stáří (stupni hydratace) a může být změněna přidáním chemických přísad. Zvýšení obsahu vody či přidání chemických příměsí zvýší zpracovatelnost betonu. Nadměrné množství vody vede ke zvýšenému odvzdušnění (povrchová voda) a oddělení jednotlivých složek, což vede k výsledné nižší kvalitě betonu.
Zpracovatelnost může být měřena pomocí testu propadu betonu, je to měření plasticity čerstvé várky betonu dle zkušební normy ASTM C 143 nebo EN 12350-2. Propad je obvykle měřen zkouškou rozlitím a vzorkem z dávky čerstvého betonu. Abramsův kornout je umístěn širokým koncem dolů na úroveň neabsorbujícího povrchu. Je naplněn ve třech vrstvách o stejném objemu, přičemž každá vrstva je napěchována ocelovou tyčí s cílem vrstvu upevnit. Když je kornout opatrně odstraňován, určité množství vloženého materiálu propadne díky váze. Relativně suchý vzorek propadne velmi málo s hodnotou propadu 25 - 50 mm. Propad může být zvýšen přidáním chemických přísad, jako je voda o širokém či vysokém obsahu redukčních činidel (super plastifikátorů), aniž by došlo ke změně poměru voda/cement. Ztekucený beton, jako je samozhutňující beton, je testován dalšími průtokovými měřícími metodami.
Vytvrzování betonu
Vždy, když přichází v úvahu použití betonu, musí být učiněno vše pro dosažení maximální pevnosti a tvrdosti. To se děje po definitivním umístění betonu. Cement vyžaduje vlhkost, kontrolované prostředí, aby získal sílu a plně vytvrdnul. Tuhnutí cementové pasty připomíná obrácený poločas rozpadu. Zpočátku tuhne poměrně rychle, ale zůstává velmi slabá, a na síle získává v následujících dnech a týdnech. Hydratace a tuhnutí betonu během prvních tří dní je kritické období. Nadměrně rychlé vysušení a smrštění kvůli takovým vlivům, jako je odpařování větrem, může vést ke zvýšenému tahovému pnutí v době, kdy ještě beton nezískal dostatečnou pevnost, což v závěru vede k většímu praskání následkem smrštění. Výsledná pevnost betonu může být zvýšena, pakliže je udržován stále vlhký po delší dobu během procesu vytvrzování. Vyloučením předčasného zatížení docílíme minimalizace popraskání. Během tohoto období musí být beton v podmínkách s kontrolovanou teplotou a vlhkostí vzduchu. V praxi je tohoto dosaženo kropením či pocákáním povrchu betonu vodou, čímž je betonová masa chráněna před nevhodnými účinky okolních podmínek. Správné vytvrzení betonu vede ke zvýšení pevnosti, snížení vodopropustnosti a zamezuje praskání povrchu při předčasném vyschnutí. Je třeba též dbát, aby bylo zamezeno zmrznutí či přehřátí betonu. Vzhledem k tomu, že cement vydává při tuhnutí teplo, používá se potrubí s chladící kapalinou, které zabrání přehřátí (Hoover - Dam).
tags: #posouzeni #betonu #v #soustrednem #tlaku #informace