Činitele ovlivňující rychlost nárůstu pevnosti betonu II

25. října 2013

Partneři sekce:

Předchozí příspěvek zjednodušeně sumarizoval jen vnitřní činitele ovlivňující rychlost nárůstu pevnosti betonu. Tyto činitele však nejsou jediné, které ovlivňují rychlost nárůstu pevnosti betonu; stejně důležité jsou i vnější činitele, zjednodušeně sumarizované v tomto dalším příspěvku. Hlavními reprezentanty vnějších činitelů jsou klimatické podmínky a technologie zpracování (zhutňování).

Klimatické podmínky
Činitele, které ovlivňují rychlost nárůstu pevnosti betonu, jsou klimatické podmínky, mezi které patří teplota při výstavbě. Mohou nastat tři modelové situace:
1.    výstavba v letním období (při zvýšené teplotě),
2.    výstavba při optimální teplotě (cca 20 °C),
3.    výstavba v zimním období (při snížené teplotě).

Výstavba v letním období
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. To vede k rychlejšímu nárůstu pevnosti betonu a též k rychlejší změně konzistence čerstvého betonu, což se projeví zhoršením zpracovatelnosti čerstvého betonu, tedy zhoršením čerpatelnosti, zhutnitelnosti apod.

Výstavba při optimální teplotě (cca 20 °C)
Pevnost betonu v tlaku ve věku t závisí především na druhu a třídě cementu, teplotě a podmínkách při hydrataci ošetřování. Pro průměrnou teplotu 20 °C a kondicionování v souladu s EN 12390 se dovoluje odhadnout pevnost betonu v tlaku f_cm(t) v různém věku t ze vztahů (1) a (2) [6].

kde    f_cm(t)    je    průměrná pevnost v tlaku v čase t (dny) (krychlová pevnost + bezpečnostní rezerva),
    f_cm    –    průměrná pevnost v tlaku po 28 dnech podle tabulky 3.1 v STN EN 1992-1-1,
    β_cc(t)    –    koeficient, který závisí na věku betonu t,
    t    –    věk betonu ve dnech,
    s    –    koeficient, který závisí na druhu cementu:
    = 0,20 pro cement pevnostní třídy CEM 42,5 R, CEM 52,5 N a CEM 52,5 R,
    = 0,25 pro cement pevnostní třídy CEM 32,5 R, CEM 42,5 N,
    = 0,38 pro cement pevnostní třídy CEM 32,5 N.

Pevnosti v tlaku získané z této rovnice (v závislosti na druhu použitého cementu) jsou uvedeny v následujícím grafu (obr. 1), který znázorňuje nárůst pevnosti betonu pro třídu betonu C 25/30.

Obr. 1 Nárůst pevnosti v tlaku u betonu třídy C 25/30 podle STN EN 1992-1-1: 2007 při teplotě 20 °C

Výstavba v zimním období
Je všeobecně známo, že se snižováním teploty se zpomalují procesy hydratace cementu. K podstatnému zpomalení dochází už při teplotě +5 °C. V důsledku toho se zpomaluje i vývoj pevnosti betonu a prodlužuje se doba 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 %. Toto zvětšení objemu může způsobovat vnitřní napětí v betonu. Z hlediska poškození čerstvého betonu je velmi důležité, kdy dojde k zamrznutí této pórové kapaliny. Také proto se v praxi 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 [7], resp. teplota nad 0 °C až do dosažení pevnosti betonu 5,0 MPa [3].

Modelový příklad
Pro třídu betonu C 25/30, pro pevnostní třídy cementů (32,5 R a 42,5 N) a při různých teplotních podmínkách (5, 10, 15, 20, 25, 30 °C) je vývoj pevnosti betonu v tlaku v čase znázorněn v následujícím grafu (obr. 2).
Je zřejmé, že teplotní podmínky ovlivňují rychlost nárůstu pevnosti betonu v tlaku. Takže při optimální teplotě 20 °C tento beton dosáhne průměrné pevnosti v tlaku (f_cm), která je stanovena v tabulce 3.1 v STN EN 1992-1-1: 2007 po 28 dnech. Při vyšší teplotě se tato doba zkrátí (při 25 °C po 22,3 dnech a při 30 °C po 17,9 dnech) a naopak při nižší teplotě se tato doba prodlouží (při 15 °C po 35,6 dnech, při 10 °C po 45,5 dnech a při 5 °C po 58,6 dnech).

Obr. 2 Nárůst pevnosti v tlaku u betonu třídy C 25/30 a cementu pevnostní třídy CEM 32,5 R; CEM 42,5 N podle STN EN 1992-1-1: 2007 při teplotě 30, 25, 20, 15, 10 a 5 °C

Technologie zpracování (zhutňování)
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.
Féret už v roce 1892 publikoval vztah mezi pevností v tlaku betonu a hutností cementového tmelu

kde    f_c    je    pevnost v tlaku betonu,
    K    –    konstanta, která závisí na vlastnostech použitých materiálů, způsobu ošetřování a věku betonu,
    H_t    –    hutnost cementového tmelu,
    c, v, ε    –    absolutní objem cementu, vody a vzduchu.

Hutnost cementového tmelu v betonu lze vyjádřit i při uvažování všech složek betonu pomocí rovnice absolutních objemů (4).

Úpravou rovnice (3) při zohlednění rovnice (5) se získá vztah

kde k_d, k_h je absolutní objem drobného a hrubého kameniva.
Vztah mezi hutností a pevností betonu je vyjádřen v grafu (obr. 3).

Obr. 3 Vztah mezi hutností a pevností 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. 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 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. Způsoby vibrace jsou znázorněny na obr. 4.

Obr. 4 Schematické znázornění odevzdání vibrační energie:
a) přímou vibrací do vnitřku čerstvého betonu, b) přímou vibrací přes povrch čerstvého betonu, c) nepřímou vibrací boční (přes stěnu formy), d) nepřímou vibrací spodní (přes dno formy)

Závěr
V tomto článku jsme se zaměřili na dva nejdůležitější vnější činitele ovlivňující rychlost nárůstu pevnosti betonu, které ovlivňují rychlost výstavby monolitických staveb. Jedním z těchto činitelů jsou klimatické podmínky, tj. teplotní podmínky během výstavby. 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. Z tohoto důvodu je potřebné podle klimatických podmínek navrhnout technologickou přestávku po betonáži a optimalizovat přijatá opatření pro zefektivnění výstavby. Druhým činitelem je technologie zpracování (zhutňování), pomocí níž se zvýší počáteční, ale i konečná pevnost betonu.

TEXT: Bc. Marek Horský, Ing. Ivana Lusová, Ing. Peter Briatka, Ph.D.
Foto a obrázky: autoři

Marek Horský a Ivana Lusová působí na Stavební fakultě Slovenské technické univerzity v Bratislavě.
Peter Briatka pracuje ve společnosti Technický a zkušební ústav stavební v Bratislavě.

Literatura
[1]    JURIČEK, I. 2001. Technológia pozemných stavieb – Hrubá stavba. Bratislava : JAGA GROUP. 2001. ISBN 80-88905 29-X.
[2]    STN EN 13670/NA. Zhotovovanie betónových konštrukcií. Bratislava : Slovenský ústav technickej normalizácie, 2012.
[3]    STN EN 197-1. Cement. Zloženie, špecifikácie a kritériá na preukazovanie zhody cementov na všeobecné použitie. Bratislava : Slovenský ústav technickej normalizácie, 2012. 36 s.
[4]    STN EN 1015-9/A1. Metódy skúšania mált na murovanie. Stanovenie času spracovateľnosti čerstvej malty a jeho spresnenie. Bratislava : Slovenský ústav technickej normalizácie, 2007.
[5]    ACI 306R-88. Cold Weather Concreting – Technical Report. American Concrete Institute, Farmingtonhills, Reapproved. 2002, p. 23.
[6]    STN EN 1992-1-1. Eurokód 2 : Navrhovanie betónových konštrukcií – Časť 1-1 : Všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby. Bratislava : Slovenský ústav technickej normalizácie, 2007. 20 s.
[7]    NRMCA. 2010. Concrete In Practice 27 – Cold Weather Concreting. National Ready Mixed Concrete Association. Silverspring, 2010, p. 2.
[8]    SCHINDLER, A.K. 2004. Effect of temperature on hydration of cementitious materials. Technical paper, ACI Materials Journal/January – February. American Concrete Institute, USA, 2004.
[9]    BRIATKA, P. 2011. Úvod do ošetrovania betónu 1 – V letnom období. Materiály pro stavbu. Vol. XVII., No. 1, Business Media CZ, Praha, 2011, s. 16–20;
[10]    BRIATKA, P. 2011. Úvod do ošetrovania betónu 2 – V zimnom období. Materiály pro stavbu. Vol. XVII., No. 1, Business Media CZ, Praha, 2011;
[11]    BAJZA, A., ROUSEKOVÁ, I. 2006. Technológia betónu. Bratislava : JAGA GROUP. 2006. ISBN 80-8076-032-2.
[12]    Sprievodca technickými vlastnosťami betónu. 2006. SAVThttp://www.savt.sk/attachments/article/121/SprievodcaTechnickeVlastnostiBetonu.pdf.

Článek byl uveřejněn v Realizace staveb.