Při výstavbě betonových konstrukcí je klíčové znát aktuální pevnost betonu, což umožňuje optimalizovat dobu odbedňování. Význam tohoto údaje roste s projektovanou výškou stavby. V současné době se při realizaci konstrukcí jako základní stavební materiál používá beton. Proto je nutné vědět, jaké činitele ovlivňují rychlost nárůstu pevnosti betonu, což má přímý vliv na rychlost výstavby.
Rychlost nárůstu pevnosti betonu závisí na vnitřních (endogenních) a vnějších (exogenních) činitelích. Obecným vnitřním činitelem je receptura betonu (druh a množství cementu a přísad, vodní součinitel). Mezi vnější činitele patří klimatické podmínky a technologie zpracování. Pevnost betonu roste rychleji s nižším vodním součinitelem než u betonu s vyšším vodním součinitelem, přičemž rychlost vývinu pevnosti ovlivňují podmínky ošetřování betonu, především teplota.
Cement: Základní pojivo
Cement je hydraulické pojivo, tedy jemně mletá anorganická látka, která po smíchání s vodou vytváří kaši tuhnoucí a tvrdnoucí i pod vodou, a to v důsledku hydratačních reakcí. Při styku s vodou dochází k jeho rozpuštění a následné krystalizaci (tuhne a tvrdne), čímž se vytváří pevná a zároveň pružná vazba mezi zrny plniva (kameniva). Po zatvrdnutí si zachovává svou pevnost a stálost. Cement podle EN 197-1, označovaný jako cement CEM, musí při odpovídajícím dávkování a smíchání s kamenivem a vodou umožnit výrobu betonu nebo malty zachovávající po dostatečnou dobu vhodnou zpracovatelnost. Cementy CEM jsou složeny z různých látek a ve svém složení jsou statisticky homogenní.
Výroba cementu
Výroba cementu se provádí v cementárnách v pecích. Rozděluje se na mokrý či suchý postup, kdy vstupní složky jsou buď v suchém stavu, nebo ve vlhké kašovité formě. Vstupními složkami je vápenec a jíl, někdy křída a břidlice. Následný postup je prakticky stejný, jen se liší teplotami.
V peci se nejdříve směs předehřeje a vyloučí se z ní voda. Následně se zvýší teplota, díky které se vylučuje uhlík. Následně se teplota zvedá až ke 1450 °C. To se jednotlivé částice spékají a vznikají hroudy takzvaného slínku. Poté následuje chlazení slínku a jeho mletí.
Čtěte také: vlastnosti panelů Ecophon Super G Plus
Druhy cementu a jejich vlastnosti
Cementy se podle ČSN EN 197-1 dělí na pět druhů (CEM I až CEM V). Při označení cementů se udává druh cementu, třída cementu a doplňující označení písmeny blíže specifikujícími jejich složení. Cementy se zařazují do tříd podle dosahované pevnosti v tlaku. Normalizované značení obsahuje dále informace o množství a druhu příměsí, pevnosti cementu v MPa, rychlosti nástupu počáteční pevnosti. Cement lze snadno určit podle norem, které jsou uvedeny u produktu a tím vybrat ten nejvhodnější typ pro danou práci a stavbu.
Třídy cementu reprezentují 28denní pevnosti v tlaku normových cementových malt podle ČSN EN 197-1. Rozeznávají se tři třídy normalizované pevnosti: třída 32,5, třída 42,5 a třída 52,5. Počáteční pevností se rozumí pevnost v tlaku buď po 2 dnech, nebo po 7 dnech, která musí vyhovět požadavkům. Rozeznávají se tři třídy počáteční pevnosti pro každou třídu normalizované pevnosti: třída s normálními počátečními pevnostmi značená písmenem N, třída s vysokými počátečními pevnostmi značená písmenem R a třída s nízkou počáteční pevností značená písmenem L.
Portlandský cement (CEM I)
Portlandský cement (CEM I) je nejpoužívanější cement pro výrobu malty a betonu. Skládá se z křemičitého slínku a sádrovce. Díky tomu rychle tuhne už po jedné hodině a konečných hodnot tvrdosti dosahuje během dvanácti hodin. Hodí se proto pro betonování za nízkých teplot (do 5⁰C). Pro vysoký obsah volného vápna však není dostatečně odolný proti vodám louhujícím dobře rozpustný Ca(OH)2 a pro vysoký obsah trikalcium-aluminátu ani proti sulfatickým vodám.
Portlandský směsný cement (CEM II)
Do portlandského směsného cementu (CEM II) se přidávají různé příměsi, jako například struska, popílek nebo vápenec. Evropská norma ČSN EN 197-1 ed. 2 specifikuje celou skupinu portlandských cementů směsných CEM II, které obsahují kromě portlandského slínku jedinou hlavní složku. Portlandské směsné cementy další skupiny obsahují kromě slínku více než jednu hlavní složku. V českých podmínkách jde hlavně o strusku (S), vápenec (L, LL) a popílek (V).
- Portlandský cement s obsahem příměsi 21-35 % vysokopecní strusky po 28 dnech vytvrdne na hodnotu 32,5 MPa. Vysokopecní struska způsobuje, že oproti obyčejnému portlandskému cementu má tento druh nižší počáteční pevnost a množství hydratačního tepla.
- Popílek v portlandském popílkovém cementu zajišťuje dobrou zpracovatelnost, plastičnost a hydroizolaci.
- Kalcinovaná břidlice zajišťuje tomuto druhu portlandského cementu odolnost proti chemickým vlivům.
- Portlandské cementy s vápencem obsahují kromě slínku, jako jedinou hlavní složku vápenec (L, LL). Jemně mletý vápenec má přímý vliv na zlepšení zpracovatelnosti, snížení nebo odstranění odlučivosti vody a stabilizaci barevnosti betonu, na druhé straně může snižovat konečné pevnosti.
Vysokopecní cement (CEM III)
Vysokopecní cement (CEM III) má větší podíl granulované vysokopecní strusky (36% - 65%), díky čemuž se snižuje hydratační teplo, prodlužuje se doba nárůstu pevnosti a zvyšuje se odolnost vůči agresivním prostředím. Je určený pro betonové a železobetonové stavební konstrukce, ale takové, kde není požadována počáteční pevnost a rychlý nárůst pevnosti. Tento cement je vhodný pro betony vyšších a běžných pevnostních tříd. Ideální je pro betonáže masivních objektů a rovněž i pro betonování v letním nebo teplém období, což je díky nižšímu vývinu hydratačního tepla. Betony s vysokopecním cementem mají zvýšenou odolnost proti agresivnímu prostředí a jsou méně náchylné na vznik různých výkvětů. CEM III není vhodný na konstrukce, kde je požadovaný rychlý nárůst pevnosti a nutná odolnost proti mrazu.
Čtěte také: Krmivo pro potěr a živé krmivo
Pucolánový cement (CEM IV)
Pucolánový cement (CEM IV) je cement s příměsí pucolánu, což je jemný písečný sopečný popel. Pucolán je jemný popel, který zajišťuje odolnost vůči agresivním odpadním, uhličitanovým a slaným vodám a podporuje jeho vodotěsnost. Tento druh cementu se využívá především pro nouzové stavby a konstrukce.
Směsný cement (CEM V)
Směsný cement (CEM V) využívá velké množství přísad. Tento cement nezaručuje vysokou pevnost, ale je levný, takže se hodí do nezatěžovaných konstrukcí. Směsný cement je základní složkou betonu pro běžné použití. Jeho složení je vhodné pro betonování podlah, potěrů, dlažby a celkově pro všechny minimálně namáhavé konstrukce.
Složky cementu a jejich vliv
Cementy pro obecné použití jsou vyráběny podle přísných norem - ČSN EN 197-1. Norma definuje a určuje specifikace pro 27 jmenovitých cementů pro obecné použití, 7 síranovzdorných cementů pro obecné použití, jakož i pro 3 jmenovité vysokopecní cementy s nízkou počáteční pevností a 2 síranovzdorné vysokopecní cementy s nízkou počáteční pevností a pro jejich složky. Definice každého cementu zahrnuje poměry složek, jejichž kombinací je možno vyrobit určitou skupinu výrobků v rozsahu devíti pevnostních tříd. Definice zahrnuje rovněž požadavky na složky, které musí být splněny, a mechanické, fyzikální a chemické vlastnosti. Norma určuje rovněž kritéria shody a postupy pro jejich stanovení.
- Portlandský slínek se vyrábí pálením nejméně do slinutí přesně připravené surovinové směsi obsahující prvky, obvykle vyjádřené jako oxidy CaO, SiO2, Al2O3, Fe203 a malá množství jiných látek. Sestává nejméně ze dvou třetin hmotnosti z křemičitanů vápenatých.
- Granulovaná vysokopecní struska vzniká rychlým ochlazením vhodné struskové taveniny z tavení železné rudy. Struska musí být nejméně ze dvou třetin hmotnosti sklovitá a vykazovat hydraulické vlastnosti. Obsahuje oxid vápenatý (CaO), oxid hořečnatý (MgO) a oxid křemičitý (SiO2). Struska s popílkem snižují počáteční pevnosti, ale příznivě ovlivňují plynulost nárůstu pevností a dosahování vyšších konečných pevností. Dále tyto složky obvykle zvyšují odolnost betonu proti agresivnímu prostředí, zejména proti síranové agresivitě.
- Pucolány jsou přírodní látky křemičité nebo křemičito-hlinité, které po smíchání s vodou samy netvrdnou, avšak jemně semlety reagují v přítomnosti vody s rozpuštěným hydroxidem vápenatým (Ca(OH)2) a tvoří sloučeniny křemičitanů vápenatých a hlinitanů vápenatých, které jsou nositeli narůstající pevnosti.
- Popílek se získává elektrostatickým nebo mechanickým odlučováním prachových částic z kouřových plynů topenišť otápěných práškovým uhlím. Popílek může být křemičitý (převážně kulové částice s pucolánovými vlastnostmi, obsahující aktivní oxid křemičitý a oxid hlinitý) nebo vápenatý (má hydraulické a/nebo pucolánové vlastnosti, obsahuje aktivní oxid vápenatý, aktivní oxid křemičitý a oxid hlinitý). Popílek zlepšuje vlastnosti čerstvého betonu, zejména čerpatelnost a homogenitu, a ve ztvrdlém betonu zlepšuje jeho odolnost vůči působení vody.
- Kalcinovaná břidlice se vyrábí ve speciální peci a obsahuje slínkové fáze, zvláště dikalciumsilikát a monokalciumaluminát, malé množství volného oxidu vápenatého a síranu vápenatého a značný podíl pucolanicky reagujících oxidů, zejména oxidu křemičitého.
- Křemičitý úlet vzniká při redukci křemene uhlím v elektrické obloukové peci a sestává z velmi jemných, kulovitých částic obsahujících nejméně 85 % hmotnosti amorfního oxidu křemičitého.
- Doplňující složky jsou anorganické přírodní látky nebo látky pocházející z procesu výroby slínku, které zlepšují fyzikální vlastnosti cementu (jako je zpracovatelnost nebo retence vody).
- Síran vápenatý se přidává k ostatním složkám cementu za účelem úpravy tuhnutí. Může být přidáván ve formě sádrovce, hemihydrátu síranu vápenatého nebo anhydritu.
- Přísady jsou látky přidávané pro usnadnění výroby nebo pro úpravu vlastností cementu. Celkové množství přísad nesmí překročit 1,0 % hmotnosti cementu (s výjimkou pigmentů).
Přísady stavební chemie
Při výrobě betonu je dnes běžné a neodmyslitelné používání přísad stavební chemie. Super a hyper plastifikátory dokáží upravit reologii a dobu zpracovatelnosti čerstvého betonu na požadovanou hodnotu. Urychlovací přísady ovlivňují proces hydratace cementu, což vede k urychlení tuhnutí a tvrdnutí betonu. Lze je výhodně používat při betonování v zimním období. Urychlovací přísady s extrémním účinkem se používají při výrobě stříkaných betonů, různých těsnicích směsí a jiných materiálů určených k opravám a sanacím betonových konstrukcí.
Zpomalovací přísady jsou látky, které zpomalují tuhnutí a tvrdnutí cementu. Zpomalení hydratačních procesů se využívá tehdy, když doba od výroby po zpracování betonu je relativně dlouhá. Tyto případy mohou nastat při přepravě betonu na velké vzdálenosti nebo při betonování tvarově složitých a hustě vyztužených konstrukcí, kde ukládání betonu trvá poměrně dlouho. Tento problém může nastat v letních měsících při vysokých teplotách ovzduší, v důsledku čehož dochází v normálním betonu k velmi rychlé ztrátě zpracovatelnosti. Zpomalení hydratace cementu má svůj význam i při betonování masivních konstrukcí, kde lze zabránit nadměrnému ohřátí vlivem hydratačního tepla, což by mohlo vést ke vzniku trhlin. Použití zpomalovacích přísad vede ke snížení počátečních (jednodenních) pevností.
Čtěte také: Super Flot 5 kg pro sádrokarton bez bandáže
Vliv superplastifikátorů na tuhnutí betonu závisí na typu přísady. Superplastifikátory na bázi SMF (sulfonované melamin-formaldehydové kondenzáty) obecně zkracují začátek a dobu tuhnutí. Při aplikaci superplastifikátorů dochází k urychlování vývinu pevnosti betonu a jednodenní pevnosti jsou zpravidla podstatně vyšší než u betonů bez přísady.
Ultra vysokohodnotný beton (UHPC)
Materiál Ultra High Performance Concrete (UHPC) není betonem v tradičním slova smyslu. Jde o moderní kompozit, který se betonu do jisté míry podobá, ale přístupy k jeho navrhování, přípravě a samotné výrobě se v mnoha ohledech od běžných betonů odlišují. UHPC je směsí silikátového hydraulického pojiva (nejčastěji cementu), drobného kameniva, mikroplniv, latentně hydraulických příměsí (případně inertních příměsí), chemických přísad a vody. Od běžného betonu se výrazně liší v několika ohledech.
Charakteristika a vlastnosti UHPC
- UHPC neobsahuje hrubou frakci kameniva, která je v běžném betonu zdrojem imperfekcí na mikro i makro úrovni. To umožňuje dosažení mnohem vyšších pevností (u pevnosti v tlaku obvykle 3×-5×).
- Složení UHPC se vyznačuje velmi vysokým obsahem cementu, nízkým vodním součinitelem (což vede ke snížení porozity a ke zlepšení pevnosti), obsahem specializovaných příměsí, vysokými dávkami přísad a také vysokým obsahem vláken, která zajišťují houževnatost a vysokou duktilitu výsledného kompozitu. Nejběžnější jsou ocelová vysokopevnostní mikrovlákna.
- Návrh a použití UHPC jsou založeny na několika základních principech, kterými jsou snížení pórovitosti, zlepšení mikrostruktury, zvýšení homogenity a zvýšení houževnatosti.
- Tlaková pevnost UHPC se běžně pohybuje od 120 MPa do zhruba 180 MPa (ve srovnání s běžným betonem od 20 MPa do 60 MPa), zaručená pevnost v tahu za ohybu zase od 15 MPa (srovnejte s běžným betonem, kde se při navrhování využití tahu obvykle nepřipouští).
- UHPC svým složením vyhoví všem stupňům vlivu prostředí ukládané normami: X0, XC1-4, XD1-3, XF1-4, XA1-3, XM1-3. V případě, že konstrukce bude vystavena síranové agresivitě, lze vyrobit beton UHPC i s použitím síranovzdorného cementu CEM III/B L - LH/SR.
TOPCRETE® je ultra-vysokopevnostní beton, jehož krychelná pevnost se standardně pohybuje od 120 až po 190 MPa. Svým složením vyhoví i těm nejagresivnějším stupňům vlivů prostředí a jeho trvanlivost se odhaduje na více než 200 let. Díky velmi vysoké pevnosti UHPC lze navrhovat menší průřezy konstrukcí a snížit tak celkovou vlastní hmotnost konstrukce. Vysoká odolnost UHPC umožňuje tento materiál použít i pro velmi exponované konstrukce. České technické normy ČSN EN 206+A2 a ČSN P 73 2404 uvádí nejvyšší pevnostní třídu C 100/115. Pro výrobu ultra-vysokopevnostního betonu TOPCRETE®, který normami danou nejvyšší pevnostní třídu překračuje, se řídíme vlastní podnikovou normou, podle které deklarujeme nejnižší pevnostní třídu C 110/120.
Aplikace UHPC
V současné době se v tuzemsku UHPC nejefektivněji uplatňuje v prefabrikovaných konstrukcích mostů a lávek pro pěší. Trámové nosné konstrukce z UHPC jsou použity u lávek kratších rozpětí po celé ČR. UHPC se uplatňuje i u lávek velkých rozpětí, typické je použití UHPC segmentů pro zavěšené mostovky. Příkladem jsou lávky přes Labe v Čelákovicích, přes Vltavu v Lužci, přes Labe v Hradci Králové. Segmentovou UHPC konstrukci s parabolicky vedenými předpínacími kabely využívá lávka v Příboře. U posledních tří je v praxi použito a ověřeno přímo pochozího povrchu bez izolace. Povrch UHPC konstrukcí vykazuje velmi dobré protiskluzné vlastnosti, při certifikovaných měřeních jsou výsledky příznivější než běžné venkovní pochozí povrchy. Netypické je použití na nosné oblouky (repliky historických železobetonových oblouků) lávky přes Divokou Orlici v Žamberku. Architektonicky exponovaná konstrukce lávky přes Vltavu v Praze, Štvanická lávka (HolKa), je v současné chvíli před otevřením. Materiálu je zde použito na historicky největší nosnou UHPC konstrukci v ČR.
Společným jmenovatelem uvedených konstrukcí je inovativní použití UHPC, které vhodně reflektuje dobu a pokrok ve vědě a technologii. Mechanické parametry a absence velké frakce kameniva spolu s rozptýlenou ocelovou mikrovýztuží umožňují realizovat vylehčené a subtilní konstrukční prvky. Ty vynikají nižší spotřebou materiálu a jednodušším řešením detailů pro spoje či kotvení, současně lze tvarovat složité prvky i s ostrými hranami a jemnými detaily. Materiál vykazuje kvalitní pochozí a pohledový povrch bez nutnosti aplikace dodatečné hydroizolace. Na druhé straně od jmenovaných benefitů často stojí vysoká cena UHPC, proto je nutné si uvědomit, že UHPC není univerzální materiál pro všechny konstrukce. UHPC je nezbytné navrhovat uvážlivě tak, aby vynikly (a byly využity) jeho přednosti, zároveň se zřetelem na udržitelnost stavební konstrukce jako celku.
Přehled základních typů cementu a jejich vlastností
| Označení cementu dle ČSN EN 197-1 | Složení a charakteristika | Vlastnosti a použití |
|---|---|---|
| CEM I (Portlandský cement) | Nejčistší cement, složený hlavně z portlandského slínku a sádrovce. | Rychlé tuhnutí a nárůst pevnosti (do 12 hodin dosahuje konečné tvrdosti). Vhodný pro betonování za nízkých teplot. Nižší odolnost proti síranům a louhujícím vodám. |
| CEM II (Portlandský směsný cement) | Portlandský slínek s příměsí (struska, popílek, vápenec, kalcinovaná břidlice) v množství 6-35%. | Vlastnosti se liší dle příměsi:
|
| CEM III (Vysokopecní cement) | Portlandský slínek s velkým podílem granulované vysokopecní strusky (36-65%). | Nižší hydratační teplo, prodloužená doba nárůstu pevnosti, zvýšená odolnost vůči agresivnímu prostředí. Vhodný pro masivní konstrukce a betonování v teplém počasí. Nevhodný pro rychlý nárůst pevnosti a odolnost proti mrazu. |
| CEM IV (Pucolánový cement) | Cement s příměsí pucolánu (jemný sopečný popel). | Odolnost vůči agresivním odpadním, uhličitanovým a slaným vodám. Podporuje vodotěsnost. Používán pro nouzové stavby a konstrukce. |
| CEM V (Směsný cement) | Využívá velké množství různých přísad, nejlevnější varianta. | Nezaručuje vysokou pevnost. Vhodný pro nezatěžované konstrukce, podlahy, potěry, dlažby a běžné použití, kde není vyžadována vysoká pevnost. |