Stanovení vztahu mezi měrným odporem a pevností betonu

Mnohé technologické fáze výroby monolitických a prefabrikovaných prvků jsou závislé na stanovení aktuální pevnosti betonu. Pro vysokou variabilitu okrajových podmínek je nejspolehlivější vycházet z výsledků experimentální činnosti a ze zkušenosti z praxe. 

V případě některých okrajových podmínek není možné stanovit aktuální pevnost betonu podle nedestruktivní zkoušky (Schmidtův tvrdoměr), která je nejpoužívanější. V těchto případech lze stanovit aktuální pevnost betonu výpočtově-laboratorní metodou pomocí elektrického odporu. Příspěvek se zaměřuje na stanovení závislosti mezi pevností betonu a odporem betonu, vychází z experimentální činnosti.

Pro většinu činností, které jsou součástí výrobního procesu, se v praxi zažily standardní osvědčené postupy, vedoucí k efektivní výrobě. Mnohé z nich jsou zpracovány v souladu s teoretickými poznatky i v technických normách. Navzdory tomu je možné identifikovat několik „součástí“ výrobního procesu, pro které nejsou stanoveny žádné jednoznačné postupy nebo pravidla pro jejich volbu. V praxi se to potom často řeší tak, že mají nepříznivý dopad na efektivnost výroby konstrukce nebo na její kvalitu.

Jednou součástí zhotovování monolitických konstrukcí, pro kterou nejsou zpracována komplexní pravidla, je stanovování optimálního času odbednění betonové konstrukce.

Aktuální pevnost betonu, která je důležitou podmínkou pro určení správného času odbednění, lze stanovit několika způsoby, které se liší přesností, nároky na vybavení, požadavky na kvalitu obsluhy, přístupností apod.

Každá metoda stanovení pevnosti je tedy optimální jen v konkrétních podmínkách. V současnosti však nejsou známa žádná pravidla pro výběr optimální metody určování pevnosti. Pokud by tato metodika byla vypracována (a používána v praxi), mohla by přispět k přesnějšímu stanovení času odbedňování, a tím ke zvýšení efektivnosti (zvýšení kvality, snížení nákladů) výroby betonových konstrukcí.

Pro stanovení aktuální pevnosti betonu jsou známy různé metody, ať už destruktivní, nedestruktivní, výpočtová, výpočtově-laboratorní metoda pomocí zralosti betonu a výpočtově-laboratorní metoda pomocí elektrického odporu. Tento příspěvek popisuje jednu z těchto metod, a to výpočtově-laboratorní metodu pomocí elektrického odporu.

Průběh elektrického odporu v betonu

Předpokládaný průběh měřených elektrických charakteristik je zachycen na obrázku (obr. 2). V prvních hodinách stáří, po rozpuštění povrchu zrn cementu za vzniku pórového roztoku, kdy dochází k pozvolnému vysrážení CSH-gelu, se odpor cementového tmelu ustálí a zůstává po určitou dobu (během tuhnutí) konstantní. Postupně, jak cementový tmel tuhne a tvrdne (s klesající koncentrací vodivostních iontů v pórovém roztoku), se elektrický odpor zvyšuje. Zvyšování elektrického odporu je dáno vytvářením pevných vazeb, což souvisí se změnou stavu fyzikálně vázané (volné) vody na vodu chemicky vázanou. Změna množství fyzikálně vázané vody v cementovém tmelu (například formou vnitřního ošetřování) se předpokládaně měla projevit na elektrických charakteristikách cementového tmelu – např. elektrický odpor (rezistivita) nebo konduktivita (obr. 2).

Obr. 2 Předpokládaný vývoj elektrického odporu cementového tmelu v čase

Známými elektrickými charakteristikami, jejichž vztah k dynamickému systému cementu reagujícího s vodou je kvalitativně popsán, jsou měrný elektrický odpor (rezistivita) ρ (Ωm) a jeho obrácená hodnota, měrná elektrická vodivost (konduktivita) σ (S/M). Tyto charakteristiky lze za jistých okolností, pokud se dodrží přesné postupy zkoušek a zkoušky tak budou reprodukovatelné (s postačující mírou spolehlivosti), přetransformovat do absolutního vyjádření například elektrického odporu R (Ω).

Elektrickou vodivostí cementového tmelu, jejím měřením a vyhodnocováním se v různých výzkumných úkolech a vědeckých článcích zabývalo více autorů. Také jejich přičiněním je dnes známo, že s rostoucím stářím cementového tmelu (rostoucím stupněm hydratace α1) dochází ke snížení pórovitosti, a tím k poklesu elektrické vodivosti [1].

Princip měření elektrické vodivosti spočívá v měření procházejícího proudu I (A) přes cementový tmel, do něhož jsou umístěny dvě kovové elektrody připojené na zdroj konstantního napětí U (V). Dvě elektrody (vždy týchž rozměrů) jsou umístěny na protilehlých stranách zkušební nádoby. Procházející elektrický proud se v čase mění, což indikuje změnu vodivosti (konduktivity) cementového tmelu. Aktuální konduktivita σ (S/m) cementového tmelu se vypočítá podle vztahu (1), kde l (m) je vzdálenost elektrod a A (m²) je plocha, přes kterou mezi elektrodami protéká elektrický proud.

Ve vzorku je, z hlediska konduktivity, rozhodující složkou cementový tmel. V cementovém tmelu přispívá k toku elektrického proudu zásadně jen pórový roztok [1]. Elektrický proud se v cementovém tmelu přenáší prostřednictvím iontů. Je proto zřejmé, že vodivost cementového tmelu je funkcí koncentrace iontů c, jejich nábojů z a ekvivalentní iontové vodivosti λ, podle vztahu 2 [1].

Ekvivalentní iontová vodivost λ je funkcí teploty a narůstá o cca 1,5–2,5 % s každým kladným 1 °C teploty pórového roztoku, což s největší pravděpodobností souvisí s klesající viskozitou. Ionty přítomné v pórovém roztoku se dají předpokládat z chemického složení portlandského cementu (6C3S, 2C2S, 2C3A a C4AF) a reakcí probíhajících během hydratace – vzniku CSH-gelu (vztah 3 a 4), kde H označuje H₂O a CH značí Ca(OH)₂.

Měření nominálního odporu betonu a zjištění možnosti stanovení vztahu mezi odporem a pevností betonu

Pro stanovení vztahu mezi odporem a pevností betonu byly vykonány laboratorní zkoušky. Průběh odporu v čase a pevnosti nedestruktivní zkouškou byly naměřené pro beton třídy C40/50, uskladněný při různých teplotních podmínkách 10 ± 2 a 20 ± 2 °C. Na výrobu betonových kostek se použil cement CEM I 42,5N.

Čerstvý beton byl plněn do forem tvaru kvádru s rozměry cca 20 × 20 × 100 mm. Forma byla vyrobena ze tří stran z plexiskla a ze dvou protilehlých stran z měděného plechu. Odpor se zaznamenával v časových intervalech, v první hodině každých pět minut a v dalších hodinách každých patnáct minut (obr. 1).

Obr. 1 Měření nominálního odporu betonu

Závislost mezi pevností v tlaku a měrným odporem byla vypočítána pomocí metody nejmenších čtverců a korelačního koeficientu, protože předpokladem je, že funkce je logaritmická (obr. 3).

Při teplotě 10 °C: f_c = 4,5 . ln (ρ) – 3
Při teplotě 20 °C: f_c = 4,5 . ln (ρ) – 1,5

Obr. 3 Závislost: měrný odpor – pevnost betonu uskladněného při teplotě 10 a 20 °C 

Průběh měrného odporu v prvních minutách stáří betonu třídy C 40/50 uskladněného při teplotě 10 °C je zachycen na obrázku (obr. 4). Začátek zaznamenávání odporu byl přibližně po 30 minutách od kontaktu cementu s vodou.

Obr. 4 Průběh měrného odporu betonu třídy C 40/50 při teplotě 10 °C

V prvních minutách stáří betonu, po rozpuštění povrchu zrn cementu za vzniku pórového roztoku, kdy dochází k pozvolnému vysrážení CSH-gelu, se odpor betonu ustálí a zůstává po určitou dobu (během tuhnutí) konstantní. Postupně, jak beton tuhne a tvrdne (s klesající koncentrací vodivostních iontů v pórovém roztoku), se měrný odpor zvyšuje. Zvyšování měrného odporu je dáno vytvářením pevných vazeb, což souvisí se změnou stavu fyzikálně vázané (volné) vody na vodu chemicky vázanou.

Průběh měrného odporu v prvních minutách stáří betonu C 40/50 uskladněného při teplotě 20 °C je zachycen na obrázku (obr. 5). Začátek zaznamenávání odporu byl přibližně po 30 minutách od kontaktu cementu s vodou.

Obr. 5 Průběh měrného odporu betonu třídy C 40/50 při teplotě 20 °C

Závěr

Tento příspěvek se zabýval stanovením závislosti mezi měrným odporem a pevností v tlaku pro třídu betonu C 40/50, uskladněného při teplotě 10 ± 2 a 20 ± 2 °C. Na základě stanoveného měrného odporu a naměřené pevnosti betonových kostek bylo možné stanovit logaritmickou závislost mezi těmito dvěma hodnotami. Logaritmická závislost zkušebních kostek uskladněných při teplotě 10 °C pro třídu betonu C 40/50 je f_c = 4,5 . ln (ρ) – 3. Logaritmická závislost zkušebních kostek uskladněných při teplotě 20 °C pro třídu betonu C 40/ 50 je f_c = 4,5 . ln (ρ) – 1,5. 

Literatura

[1] Backe K., Lile O., Lymov S.: Characterizing Curing Cement Slurries by Electrical Conductivity, Society of Petroleum Engineers, Drilling & Completion, 2001, s. 201–207, dostupné na www.linsaat.com/uploads/…/pdfs…/42228 1236193542 673.pdf;
[2] Hobbs B., Kebir M. T.: Non-destructive testing techniques for the forensic engineering investigation of reinforced concrete buildings, 2006, Elsevier Ireland Ltd., Forensic Science International 167 (2007), s. 167–172;
[3] Juriček I.: Technologia pozemných stavieb –
Hrubá stavba. Bratislava: Jaga group. 2001.
ISBN 80-88905 29-X.
[4] Perez-Pena M., Roy D., Tamás F.: Influence of Chemical Composition and Inorganic Admixtures on the Electrical Conductivity of Hydrating Cement Pastes, Journal of Materials Research, Vol. 4, No. 1, 1989, s. 215;
[5] Rajabipour F., Sant G., Weiss J.: Development of Electrical Conductivity – Based Sensors for Health Monitoring of Concrete Materials, in TRB 2007 Annual Meeting CD-ROM, Transportation Research Bord, Indianapolis, 2007, s. 16;
[6] Ridha S., Irawan S., Airwahjoedi B., Jasamai M.: Conductivity Disperson Characteristic of Oilwell Cement Slurry during Early Hydration, International Journal of Engineering & Technology IJET-IJENS, Vol. 10, No. 6, 2010, s. 129–132;
[7] Snyder K., Feng X., Keen B., Mason T.: Estimating the Electrical Conductivity of Cement Paste Pore Solutions from OH-, K+ and Na+ Concetrations, Cement and Concrete Research, Vol. 33, No. 6., 2003, pp: 793–798.

TEXT: Ivana Lusová, Peter Briatka, Jozef Gašparík
FOTO: archiv autorů

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb 3/2017.