vysokopevnostnÍ a vysokohodnotnÝ betontpm.fsv.cvut.cz/vyuka/mi1/mi7.pdf · Úvod •beton je...
TRANSCRIPT
KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ
A CHEMIE
VYSOKOPEVNOSTNVYSOKOPEVNOSTNÍÍ
A VYSOKOHODNOTNÝ BETONA VYSOKOHODNOTNÝ BETON
OSNOVA PŘEDNÁŠKY
•Úvod
•Vývojové
etapy výroby betonu
•Řízené
tvrdnutí
cementového pojiva
•Zvyšování
pevnosti betonu
•Vysokohodnotný beton HPC (High
Performance Concrete)
•Betony ultravysokých
pevností
ÚVOD
•Beton je nejrozšířenější
a nejdůležitější
stavební
hmotou . Suroviny na výrobu betonu -
cementu i další
složky -
písku a
kameniva, jsou v
dostatečných zásobách v
obydlených oblastech všech kontinentů.
•Jednoduchá
technologie výroby a její
přizpůsobivost různým podmínkám i výhodné
mechanicko-fyzikální
vlastnosti, vytvářejí
předpoklady pro příznivé
ekonomické
hodnocení
v
tradiční individuální
i hromadné
výstavbě.
•Využití
koncepčně
nových zpracovatelských technologií
úzce souvisejících s
technologickým pokrokem (kontinuální
lití,
lisostřik, vypěňování) brání
dosud teoreticky sice vyřešené, ale prakticky zatím nezvládnuté
problémy.
PROBLÉMY
•Řízení
procesu hydratace cementu směrem k
podstatnému zkrácení
doby tvrdnutí
čerstvé
betonové
směsi
v
automatizované
kontinuální
výrobě.•Zvýšení
pevnosti betonu nad hranici 100 MPa
při zachování
jednoduchých technologiích zpracování
čerstvé
betonové směsi.
•Snížení
hmotnosti betonu při zachování
dobrých mechanicko- fyzikálních parametrů.
•Uplatnění
betonů
nižších kvalit, které
je možno vyrábět z méněhodnotných surovin a odpadů.
•1869 –
W.Michaelis
publikoval teorii chemismu tvrdnutí portlandského cementu. Přibližme si jednotlivé
historické
etapy
této cesty z
pohledu materiálového inženýrství.
Vývojové
etapy výroby betonu
1/3•Prvou hmotou, kterou vzhledem k
použitým surovinám,
způsobu výroby i vlastnostem, můžeme považovat za materiál podobný betonu
byla směs vápna, drcených cihel a
sopečného tufu používaná
Féničany již
kolem roku 1000 př.n.l. ke stavbě
vodovodních přiváděčů
a zásobních cisteren na
vodu. Féničané
navazovali na starší
empiricky získávané znalosti starověkého stavitelství.
•2 stol.
př.n.l.
Řekové
vynalezli novou zdící
techniku, kdy masivní
kamenná
zeď
s
mezerou uprostřed byla výplní
z
lité
malty a lomového kamene zpevňována a vytvářela zdivo nazývané
emplekton.
•Od Řeků
převzali emplekton
Římané, propracovali složení výplňové
malty skládající
se z
vápna, sopečného tufu,
drceného kamene s pískem a tuto maltu nazvali opus caementum.
Tento termín se v
průběhu vývoje změnil až
na
dnes jednotný název hydraulického pojiva -
cement.
Vývojové
etapy výroby betonu
2/3•Prudký rozvoj průmyslové
výroby v
17. a 18. století
znamenal
i rozvoj výroby staviv, především betonu. •J.Smeaton
(1724-1792)
–
pevnost zatvrdlého vápna závisí
na
chemickém složení
vápence určeného k
výrobě
hydraulického pojiva –
cementu
–
historický předěl ve výrobě
cementu a tedy
i betonu.•J.Parker
–
1791
J.Parker
přihlašuje anglický patent na způsob
výroby románského cementu pálením vápence vhodného chemického složení
s
příměsí
hlinitých součástí. Tento typ
pojiva betonu se stal převažujícím pojivem betonu v
období prvé
poloviny 19. století.
•F.Coignet
(1814-1888)
formuluje řadu zásad jejichž
realizace umožňuje rozšíření
betonu
–
důkladné
hutnění
čerstvého
betonu, užívání
minimálního množství
vody, drcení
kameniva před aplikací
do betonové
směsi. Formuluje
i statické
důvody
pro vyztužování
betonu ocelí.
Vývojové
etapy výroby betonu
3/3•1823-1906
J.Monier
(považovaný za otce železobetonu)
významně
přispěl k
rozšíření
tohoto dnes nejrozšířenějšího konstrukčního stavebního materiálu (železobetonové
příčky -
monierky).•1955 T.C.Powersem
– Klíčová
teoretická
práce -
nový
pohled na vztah mezi pevností
a strukturním uspořádáním betonu prokazující, že pevnost betonu je nepřímo úměrná
obsahu pórů
v
makrostruktuře. Všechny návrhy způsobů zvyšování
fyzikálních parametrů
betonu vycházejí, nebo přímo
souvisí
s
tímto faktem. •Je překročena magická
bariera pevnosti v
tlaku 110 MPa.
•Vyvíjí
se nový obor -
materiálové
inženýrství. •Dnes je průmyslově
vyráběn vysokohodnotný beton –
technologie jeho výroby je jednoduchá
a nevyžaduje použití speciálních technicky náročných metod.
Řízené
tvrdnutí
cementového pojiva•Od počátku minulého století
se používá
regulátor rychlosti
tuhnutí
směsi portlandského cementu s
vodou -
sádrovec. •Posunuje počátek tuhnutí
tak, aby mohla být čerstvá
betonová
směs dokonale zpracována i nejjednodušším způsobem. •Sádrovec reaguje s
aluminátovou
i ferrátovou
fází
slínku
ihned
po smíchání
s
vodou a oddaluje počátek tuhnutí
této soustavy. Mechanizmus a kinetika prvních reakcí
závisí
především na
obsahu trikalcium
aluminátu
C3
A ve slínku, ale také
na množství
sádrovce.
•Produkty reakcí
brzdí
další
hydrataci cementu a umožňují regulovat tuhnutí
čerstvé
betonové
směsi směrem k
dosažení
potřebné
manipulační
doby zpracování.•Zkrácení
počáteční
fáze přechodu systému cement-voda
z
kvazikapalné
formy na pevnou přinesla částečné
úspěchy často provázené
nepříznivými jevy, např. korozí
výztuže při
použití
nejrozšířenějších přísad na bázi chloridů.
Řízené
tvrdnutí
cementového pojiva•Proteplování
betonové
směsi v
průběhu výroby
prefabrikovaných stavebních dílců
zkrátilo technologický proces tvrdnutí
betonu za cenu energetických dotací.
•Ovlivnění
procesu tuhnutí
a tvrdnutí
cementového pojiva betonu je možné
provést změnou chemického složení
cementářských surovin spolu se změnou procesu výpalu –C3
S –
hlavní
nosič
pevnosti betonu po zatvrdnutí.
•Současný trend ve způsobu ovlivňování
rychlosti hydratace cementu –
náhrada sádrovce za jiné
regulační
systémy
složené
z
více substancí. •Synergický
efekt intenzifikátoru
mletí
a regulátoru tuhnutí
s
plastifikačními účinky umožňuje snížit vodní
součinitel čerstvé
betonové
směsi, zkrátit počátek tuhnutí
a dosáhnout
rychlejšího růstu počáteční
pevnosti. •Např. intenzifikační
účinek ligninu aplikovaného při mletí
slínku
s
přísadou vhodných typů
alkalických solí
–
vysoká jemnost portlandského cementu –
rychlý průběh hydratačního
procesu.
Tab. 1 –
Rychlost
tvrdnutí
cementové
kaše v
závislosti na specifickém povrchu cementových zrn.
Specifický povrch
[m2/kg]
Rychlost tuhnutí
poč./konec
[min]
274 355/595
475 75/110
680 30/40
851 7/8
Řízené
tvrdnutí
cementového pojiva
•Náhrada sádrovce za jiné
typy regulátorů
tuhnutí cementového pojiva přináší
s
sebou i změny v
technologii
výroby betonu.
•Kratší
interval zpracovatelnosti čerstvé
betonové
směsi vyžaduje přesné
dávkování
všech složek, dodržování
časového postupu míchání
jednotlivých substancí
i účinné ošetřování
betonu v
počáteční
fázi tuhnutí.
•Zvláště
náročná
je homogenizace všech složek ve směsi. Spádové
míchačky jsou málo vhodné, doporučuje se míchání
v
horizontálních míchačkách typu Cyklon.
Zvyšování
pevnosti betonu 1/3•Teoreticky, z
meziatomárních
sil odvozená
pevnost betonu
v
tlaku, je asi třikrát vyšší, než
je běžnými technologiemi dosažitelná, tj. 110 MPa.•Četné
nepravidelné
dutiny, póry a trhlinky jsou místa, u
kterých se koncentruje napětí
při zatěžování
a začíná
proces porušování
betonu.
•Tento proces nelze technologicky předem podstatně
ovlivnit. Úspěchu lze dosáhnout dodržením těchto zásad:
–
používat výhradně
portlandské
cementy o vaznosti minimálně
50 MPa
za 28 dní.–
obsah záměsové
vody udržovat v
mezích v/c = 0.25 -
0,40.–
používat kamenivo o pevnosti v
tlaku 1,5 x vyšší
než
je třída betonu, přičemž
mezerovitost ve zhutněném stavu musí
být nižší
než
34 %.–
používat podstatně
nižší
množství
písku, než
v
obvyklé
výrobě
běžných betonových směsí
tj. c/p = 1 / 0.8 -
0.6.
•Zhoršená
zpracovatelnost vyžaduje intenzivnější
zpracování
– vibrování. Nejvyšších pevností
lze dosáhnout pouze aplikací
tlaku.
Zvyšování
pevnosti betonu
2/3•1892 Féret
–
vztah mezi pevností
a strukturou betonu.
Pevnost v
tlaku je nepřímo úměrná
obsahu pórů v
makrostruktuře.
•Hlavním faktorem, který ovlivňuje pórovitost pojivé
složky betonu hydratované
cementové
pasty je poměr mezi objemy
vody a silikátové
fáze a množství
vzduchu zachyceného během míchání.
fc
je tlaková
pevnost hydratované
cementové
pasty c, v, a
jsou objemy cementu, vody a vzduchu a
k
je konstanta závislá
na druhu cementu.
2
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
++⋅=
avcckfc
a)
b)
Obr.2 Rozložení
zrn v hydratovaném cementovém pojivu(a) před(b) po
vyplnění
pórů částicemi mikrosilika
Zvyšování
pevnosti betonu
3/3•Při zhutňování
zabraňují
velká
zrna kameniva rovnoměrnému
rozložení
vody. Tranzitní
zóna široká
0,05 -
0,1 mm a obsahuje relativně
velké
vzduchové
póry a velké
krystaly hydratačních
produktů. Smrštění
v
průběhu tvrdnutí
vyvolává
tahová
napětí, vznikají
mikrotrhlinky
ve struktuře.
•Snížení
vodního součinitele a použití
mikroplniv
(křemičitých úletů)
–
zmenšení
tloušťky zóny mezi pojivem a plnivem.
•Nejslabší
článek
–
málo pevné
kamenivo. Při použití drceného kameniva, je třeba aby zrna obsahovala co nejmeně
defektů. Pokud jsou ve směsi cementu a vody nepatrné sférické
částice křemičitého úletu (příp. popílku), mohou vytlačit
vodu ze sousedství
cementových zrn a z
tranzitní
zóny .•Čím méně
vody
do betonu přidáno, tím vyšších pevností
se
dosáhne. Emulgátory redukují
sklon cementových zrn k
flokulaci
(shlukování) a mikrosilika
(popílek) vyplňuje póry ve
struktuře hydratované
cementové
pasty a zónu mezi pojivem a kamenivem v
betonu.
Mineralogické
složení
slínku:-
mineralogickým složením slínku
lze výrazně
usměrnit hydrataci
cementu-
poměrem C3
S a C2
S lze řídit uvolňování
tepla a rychlost nárůstu pevnosti v jednotlivých fázích hydratace
Obr. 4
–
Nárůst pevnosti jednotlivých slínkových minerálů
Vysokohodnotný beton HPC•50tá
léta 20. stol. –
T.C. Powers
–
kvalitativní
skok v poznání
kompozitního charakteru betonu –
pevnost betonu (trvanlivost, mrazuvzdornost, permeabilita) jsou funkcí
porozity
betonu•Další
poznatky, které
vedly k
návrhu technologie výroby
vysokopevnostních
betonů
jsou např. tyto:–
aplikací
látek s
plastifikačním účinkem do záměsové
vody se dosáhne vyššího stupně
rozptýlení
cementových zrn v
hydratujícím pojivu.–
následkem toho dojde v
lepšímu vyplnění
pórů
a dutin v
makrostruktuře betonu a tedy ke snížení
porozity
a eliminaci mikrotrhlin.
–
uplatněním cementů
o velkém měrném povrchu jeho částic se zvyšuje stupeň
hydratování
cementu.
•Použití
plastifikátorů, zvýšená
jemnosti mletí
slínků, přísady jemnozrnných popílků
= zvýšení
pevnosti betonu v
tlaku až
na
hranici 60 MPa. •Na počátku 70. let minulého století
bylo aplikací
nových typů
plastifikátorů
možné
snížit vodní
součinitel pod hranici v/c = 0,35.
Vysokohodnotný beton HPC•1981 –
H.H. Bache
–
snížení
vodního součinitele v/c pod
0,30:•pomocí
speciálního mikrocementu, vysokými dávkami
plasifikátorů
spolu s
příměsí
křemičitého úletu až
na hranici v/c = 0,16.
PEVNOST V TLAKU 280 MPaMožnost
ztenčení
podlah a zúžení
sloupů.
Pokrok
ve výrobě
vysokopevnostních
betonů
je
plodem spíše empirického přístupu, než
vědy.
Teoretické
práce ukázaly, že na zvyšování
pevnosti betonu se nepodílí
pouze snižování
vodního součinitele,
určujícího
porozitu
a v
důsledku toho pevnost cementového kamene ale i fakt, že nejslabším článkem ve struktuře betonu je rozhraní
mezi kamenivem a ztvrdlým cementovým pojivem.
Záleží
tedy na druhu, tvaru, velikosti a prostorové
uspořádáním plniva betonu a lokální
koncentraci pórů
ve struktuře.
Problémy, které
řeší
výzkum a dopracovává
stavební praxe se soustřeďují
na:
•
Hledání
nových účinných typů
plastifikátorů (superplastifikátorů) a ověřování
jejich komptability
s
hydratujícím cementem.
•
Zkoušky
trvanlivosti,
zvláště
mrazuvzdornosti se zaměřením na problematiku provzdušňování.
•
Snižování
hydratačního tepla v
průběhu tvrdnutí.
•
Snižování
autogenního počátečního smršťování.
Vysokohodnotné
betony ultravysokých
pevností
1/3
Vysokohodnotné betony jsou nejpevnější materiály, které lze vyrobit z portlandského cementu.
Ultravysoká pevnost těchto materiálů je založena na extremně nízké pórovitosti.
DSP betony (Densified
systems
with
Small
Particles)
H.H.Bache
(1989)
dosáhl pevnosti v
tlaku 150 až
200 MPa aplikací
mikrosiliky, plastifikací
užitím superplastifikátorů
a
použitím jemného kameniva typu žuly, diabasu nebo taveného bauxitu s
maximální
velikostí
zrn 4 mm.
Vysokohodnotné
betony ultravysokých
pevností
2/3
MDF betony (Macro
Defect
Free)
J.D.Birchall
(1986)
dosáhl pevnosti v
tahu za ohybu přísadou polymeru (polyvinylalkoholu), který fungoval jako dispergátor
a
zároveň
také
jako druhotné
reaktivní
pojivo tvořící
příčné
vazby s
ionty ve struktuře hydratujícího cementového pojiva.
Tak bylo dosaženo snížení
kritické
délky mikrotrhlin. Výsledný kompozit je systém obsahující
vzájemně
se prolínající
anorganickou a organickou matrici
Vysokohodnotné
betony ultravysokých
pevností
3/3
RPC betony (Reactive
Poder Concrete)
P.Richard (1994)
užitím vybraných komponentů
a technologií dosáhl pevnosti v
tlaku 800 MPa.
Výroba byla založena na použití
plniva s
maximální
velikostí zrn s
optimální
granulometrickou
křivkou, omezení
chemického
smršťování
tuhnutím pod tlakem, tepelném ošetření
, při kterém dochází
k
transformaci CSH gelu na tobermorit
a
aplikaci ocelových vlákem, které
zlepšily houževnatost výsledného betonového prvku.
Příklad skladby RPC aplikované
při stavbě
chladící
věže atomové
elektrárny Cattenom
v roce 1995:
složka
obsah v
kg ------------------------------------
písek 0,06-0,6 mm 380křemenná
moučka 16
křemičité
úlety 90Portlandský cement 420superplastifikátor
13
voda 81
Použitá
literatura
SEIDLEROVÁ,I.-DOHNÁLEK,J.“:Dějiny betonového stavitelství“.Inf. centrum ČKAIT, . . Praha,1999,328s.
Czernin,W.: Cement Chemistry
and
Physics
for
Civil Engineers.
Foreign
Publ. Inc., New
York,1980,196s.
AITCIN,P.C.: „Vysokohodnotný beton“
Inf.centrum ČKAIT. Praha, 2005,320s.
POWERS,T.C.:“Structure
and
Physical
Properties
of
Hardened Portland Cement Paste“, J.Am.Cer.Soc.,41,1958,pp
1-6.
MALIER,Y.:“High
Performance Concrete“. EANDfn Spon.,London,1992,542s.