Tvrdnutí betonu, parametry monolitického betonu, přísady

Arena LLC
Iževsk, sv. Majakovskogo 13
Email: Tato emailová adresa je chráněna před spamboty, abyste ji viděli, povolte JavaScript.

Telefon: (3412) 51-22 73-
Fax: (3412) 51 22–73

Doba potřebná k dosažení určité pevnosti a dalších kvalitativních charakteristik (hustota, stabilita) betonu po uložení a zhutnění závisí na řadě faktorů, jako je složení betonu a teplota. Tvrdnutí lze urychlit nebo zpomalit přidáním přísad. Technologie betonu umožňuje úpravu doby tvrdnutí v závislosti na použité metodě.
Beton v bednění a po určitou dobu po jeho odstranění musí být chráněn před škodlivými účinky mrazu, deště nebo jiných vlivů. Dále je třeba dbát na to, aby se z něj neodpařovala voda potřebná k vytvrzení.

Konstrukční a technologické požadavky, proces kalení

Beton, který má mnoho výhod, má také zásadní nevýhodu – netvrdne tak rychle, jak je nutné pro některé technologické procesy a intenzivní výstavbu. Pokud jsou při stavbě z monolitického betonu laky zpravidla nuceny snášet dlouhé doby betonu v bednění, pak je to pro betonárny nepřijatelné, protože vyžaduje obrovské množství forem a velké výrobní plochy.
V některých průmyslově vyspělých zemích vyrábí cementářský průmysl tzv. rychle tvrdnoucí cement, který v počáteční fázi tvrdne výrazně rychleji než běžný portlandský cement, a proto vyžaduje okamžité zpracování betonové směsi. Kvůli této nevýhodě je použití takového cementu omezeno na speciální případy.

V tomto ohledu je při výrobě prefabrikovaného betonu a v ještě větší míře monolitického betonu, kdy se používá drahé bednění, nutné uměle urychlit tvrdnutí betonu na portlandském cementu. Nejúčinnější a proto nejběžnější metodou urychlení tvrdnutí je tepelné zpracování betonu.
V zimní výstavbě je normální nebo i zrychlené tvrdnutí zajištěno použitím přísad, stejně jako ohřevem betonu nebo jeho okolního prostředí (komory).

Parametry monolitického betonu

Před odbedněním musí být pevnost betonu taková, aby po odstranění bednění a desek odolal vzniklému namáhání. I když beton dosáhne nízké pevnosti, lze se od bočního bednění upustit, protože jeho deformace v důsledku vlastní hmotnosti je nemožná. Naproti tomu palety nebo desky lze odstranit až poté, co beton dosáhne pevnosti, která zajišťuje únosnost výrobku (zatížení v důsledku vlastní hmotnosti).
Hlavním parametrem při výrobě monolitického betonu je proto jeho pevnost v bednění, jejíž doporučené hodnoty jsou uvedeny v tabulce. Pokud není z důvodu vysokých nákladů možné stanovit pevnost betonu v bednění v každém jednotlivém případě zkouškami, měl by se stavební inženýr řídit stanovenými minimálními dobami vytvrzování, které tuto pevnost zaručují. U neobvyklých technologických schémat nebo konstrukcí se doporučuje stanovit tuto hodnotu samostatně.

Dalším parametrem je požadovaná pevnost po 28 dnech (Ria) pro danou třídu betonu, která udává schopnost odolat plnému zatížení, a u předpjatého betonu pevnost při přenosu napětí Ru a pevnost pod předpětím Rv. Při zimní výstavbě musí čerstvý beton získat minimální pevnost před předčasným mrazem (pevnost v okamžiku mrazu Rc), aby nedošlo k jeho poškození. Pokud jsou na beton kladeny vysoké požadavky na mrazuvzdornost nebo odolnost vůči agresivnímu prostředí, pak se bez ohledu na jeho třídu stanoví horní hranice poměru vody k materiálu (W/C), aby se zabránilo pronikání vody nebo agresivní malty do betonu.
Za zvláštních podmínek může být nutné urychlit nebo zpomalit tuhnutí a tvrdnutí monolitického betonu. V případě masivních konstrukcí je nutné omezit uvolňování vlastního tepla betonu, aby se zabránilo vzniku trhlin.

Parametry prefabrikovaného betonu

Při průmyslové výrobě betonu je hlavním parametrem určitá minimální pevnost zajištěná použitým technologickým postupem. Bezprostředně po tepelném zpracování musí mít beton pevnost, která zaručuje možnost odstraňování oděvů z výrobků, jejich zvedání a přepravu v rámci podniku do skladu. Tato pevnost při odstraňování oděvů musí být jednak co nejnižší, aby byla zajištěna krátká doba tepelného zpracování, a jednak dostatečně vysoká, aby byla zaručena bezpečnost práce, jakož i trvanlivost výrobku a stálost jeho tvaru.
V případě zvedání výrobků na zvedacích okech by pevnost, například u betonu třídy B160 nebo nižší, měla být alespoň 65 % stanovené pevnosti (například 10,4 MPa pro B160) a alespoň 225 MPa pro třídy od B600 do B15. V druhém případě, s možností dodatečné instalace příčných výztužných prutů přivařených ke zvedacím okům, se minimální pevnost betonu snižuje na 9 MPa. Dodatečná spotřeba kovu se vyplatí, pokud úspory v důsledku zkrácení doby tepelného zpracování překročí dodatečné náklady na kov. U jiných způsobů zvedání a upevňovacích prostředků se pevnost při odlupování dohodne mezi projektantem a výrobcem.

V případě výroby výrobků z předpjatého betonu musí být bezprostředně po tepelném zpracování dosaženo pevnosti, která zajišťuje přenos napětí z výztuže do betonu (Ru) – přenosové pevnosti. Zpravidla se jedná o 80 % pevnosti betonu ve stáří 28 dnů. V betonárnách musí výrobky při skladování na volném prostranství dodatečně vytvrdnout, dokud není dosaženo požadované uvolňovací pevnosti (přibližně 70 % pevnosti ve stáří 28 dnů). Tato pevnost je určena přepravním a montážním zatížením. Pokud jsou výrobky instalovány bez meziskladování ve skladech, musí jejich uvolňovací pevnost odpovídat montážní pevnosti požadované pro danou konstrukci. Spolu s těmito ukazateli pevnosti vyplývajícími z technologického procesu se v betonárně statistickým zpracováním výsledků zkoušek dle ASMW VW968 zjišťuje, zda beton dosáhl kontrolní pevnosti xk požadované pro daný stupeň. Ekonomická proveditelnost použití statistické metody spočívá v tom, že při nevýznamném rozptylu hodnot pevnosti (nejmenší směrodatná odchylka) lze snížit spotřebu cementu.
Při výrobě některých betonových výrobků, jako jsou silniční, tramvajové a chodníkové desky, je hlavním parametrem odolnost vůči mrazu a solím. V tomto případě jsou kladeny zvláštní požadavky na tepelné zpracování.

Faktory ovlivňující růst síly

Druh a značka cementu, složení betonové směsi a teplota mají významný vliv na zvýšení pevnosti betonu. Kromě toho lze tvrdnutí betonu v počáteční fázi zpomalit nebo urychlit přísadami. Technolog by se měl zajímat nejen o hodnoty pevnosti dosažené k určitému okamžiku, ale také o faktory, které ovlivňují průběh tvrdnutí betonu v čase.

Složení betonu, cement

Při tvrdnutí betonu se tvoří cementový gel. Tento proces probíhá tím rychleji, čím méně je vody, tj. čím větší je podíl objemu, který v cementové pastě zaujímá cement, a tím rychleji cement reaguje. Z této základní závislosti vyplývají následující zákonitosti:
při nízkých hodnotách VSh cement, a tedy i beton, tvrdnou rychleji;
Za jinak stejných podmínek (stejných hodnot W/C a stejného cementu) tuhá směs s nízkým obsahem vody tvrdne rychleji než směs s vysokým obsahem záměsové vody;
Při použití vysoce kvalitního cementu, obvykle s vysokou jemností mletí a vysokým obsahem reaktivních složek, se pevnost betonu zvyšuje rychleji.

Obr. 1. Zvýšení pevnosti betonu během normálního tvrdnutí s různými hodnotami W/C a PZ 375. Počáteční hodnota: R28 při W/C = 0,4 je brána jako 100 %

Obr. 2. Zvýšení pevnosti betonu různých jakostí

Je uvedena první zákonitost. Ta je také základem, protože pro vyšší jakosti betonu je požadována nižší hodnota Ω.
Uvedené závislosti mohou samozřejmě sloužit pouze jako vodítko. V každém konkrétním případě jsou možné větší či menší odchylky od nich v závislosti na dalších faktorech (druh cementu, konzistence atd.).
Rychlost tvrdnutí je také nepřímo ovlivněna granulometrickým složením plniva (jeho potřebou vody). Betonová směs s jemnozrnným plnivem se stejnou konzistencí a hodnotou W/C (tj. se stejnými jakostmi betonu) tedy tvrdne pomaleji než směs s hrubozrnným plnivem, a to v důsledku vyššího obsahu vody.
Vliv cementu na nárůst pevnosti betonu lze kvantitativně stanovit bez ohledu na značku betonu. Portlandský cementový beton rychle získává počáteční pevnost. Jeho schopnost tvrdnout v době kontrolních zkoušek (28 dní) je však již vyčerpána o 4/B. Naopak nárůst pevnosti pomalu tvrdnoucího betonu na struskovém portlandském cementu je významný i po 28 dnech. Tyto rezervy tvrdnutí mají zvláštní význam, pokud beton do 28 dnů nezíská požadovanou pevnost. Takové betonové směsi lze použít (s malou spotřebou cementu) v případech, kdy je v důsledku zvláštních podmínek doba kontrolních zkoušek posunuta na pozdější datum (například v hydrotechnice).

Schopnost cementu tvrdnout se tedy projeví rychleji ve směsi s nízkou hodnotou W/C (vysoce kvalitní beton) a nízkým obsahem vody. Beton na portlandském cementu tvrdne rychleji než na struskovém portlandském cementu.

Teplota, čas, stupeň zralosti

Hydratace cementu je chemický proces. Proto se tvrdnutí betonu zrychluje se zvyšující se teplotou a zpomaluje se snižující se teplotou. K tvrdnutí nedochází pod -10 až -20 °C. Silné zrychlení tvrdnutí betonu za vysokých teplot se využívá při tepelném zpracování betonu. Při výrobě monolitického betonu je pro stanovení kinetiky tvrdnutí nutné znát závislost nárůstu pevnosti na sezónních teplotních výkyvech.

Obr. 3. Relativní hodnoty nárůstu pevnosti v tlaku betonu na portlandském cementu a struskovém portlandském cementu. V závislosti na druhu cementu jsou možné odchylky až 15 %.
1 – beton od PZ 375 do PZ 425; 2 – struskovo-portlandský cement ZZ 275

Obr. 4. Příklad zvýšení pevnosti betonu třídy B300 na portlandském cementu v závislosti na teplotě

Při teplotách pod 0 °C je vytvrzování možné, pokud je voda stále v kapalném stavu. Toho se dosahuje pomocí přísad, které snižují bod tuhnutí. Při nízkých teplotách se hydratace zpomaluje. Cement však hydratuje i při teplotě -10 °C*, ale pouze pokud beton částečně ztvrdne před nástupem silných chladů a v důsledku toho obsahuje dostatečné množství cementového kamene. V nejmenších pórech voda nezamrzne ani při -20 °C, díky čemuž je proces hydratace možný. Gel, který se v malém množství tvoří při nízkých teplotách, vyplňuje póry částečně ztvrdlého betonu, čímž výrazně zvyšuje jeho pevnost. Beton, který po předběžném tepelném zpracování ztvrdl, je proto schopen dodatečného vytvrzování při nízkých teplotách.
V případě použití portlandského cementu nemají nízké kladné teploty negativní vliv na beton, který zpravidla získává vysokou pevnost v pozdější fázi, pokud tvrdne ve stavu „klidu“. Podobný vliv na procesy tvrdnutí betonu mají i zpomalovací přísady. Naopak při vysokých teplotách tvrdnutí může být v důsledku zhrubnutí struktury cementového kamene konečná pevnost betonu nižší než při běžném tvrdnutí.

Obr. 5. Zvýšení pevnosti betonu třídy 300 na portlandském cementu v závislosti na teplotě betonu

Zákony procesu tvrdnutí se vždy vztahují k normálnímu tvrdnutí (udržování při 20 °C). Vzhledem k tomu, že v praxi se teploty obvykle liší, je nutné pevnosti přepočítat. V tomto ohledu má velký význam koncept „zralosti“ navržený Zaulem, který je součinem teploty a doby tvrdnutí betonu, a závěr, že betony stejného složení se stejným stupněm zralosti (vyjádřeným ve °C-h) mají stejnou pevnost. Základem pro výpočet zralosti je podle Zaula předpoklad, že při teplotách pod -10 °C beton prakticky netvrdne:

M=(T + 10)t,
kde M je stupeň zralosti, °C h;
T — teplota betonu, °C;
t — doba tvrdnutí, h.

V grafickém znázornění je stupeň zralosti vyjádřen plochou mezi teplotní křivkou a vodorovnou osou, odpovídající teplotě -10 °C. Pokud se teplota mění nerovnoměrně, lze ji vypočítat na milimetrovém papíru.
Pokud je známa pevnost dosažená při určité době vytvrzování a teplotě (t1, T1), pak je možné pomocí Saulova pravidla vypočítat dobu vytvrzování tx potřebnou k dosažení stejné pevnosti betonu při jiných teplotách vytvrzování Tx.
Saulovo pravidlo je použitelné s dostatečnou přesností při teplotách do 40 °C. Proto jej lze při výrobě monolitického betonu v létě i v zimě použít především k určení doby odbednění. V případě urychleného tvrdnutí za vysokých teplot se navrhují jiné vzorce. Regresní křivka se sestrojí s využitím několika hodnot stupně zralosti a odpovídajících pevností, což umožňuje určit odpovídající hodnotu pevnosti pro daný stupeň zralosti.
Z výše uvedeného lze vyvodit následující závěry:

— při vysokých teplotách se proces tvrdnutí betonu výrazně urychluje, ale to může vést ke snížení konečné pevnosti výrobků;
— při nízkých teplotách se proces tvrdnutí betonu zpomaluje, ale to může vést ke zvýšení konečné pevnosti výrobků;
— při teplotách pod -10 °C beton netvrdne; na základě vztahu mezi pevností a stupněm zralosti betonu je možné posoudit nárůst jeho pevnosti při různých teplotách.

Vlhkostní podmínky

Z nechráněného betonového povrchu se může odpařit značné množství vody. To se mění v závislosti na teplotě a vlhkosti vzduchu, teplotě betonu, slunečním záření a rychlosti větru od 100 do 1000 g z 1 m2 za 1 hodinu.
Již v prvních dnech po betonáži se spotřebuje velké množství vody na hydrataci cementu. Předčasná dehydratace narušuje nebo přerušuje tvrdnutí, a proto je obzvláště nebezpečná pro mladý beton. Odpařování vody ovlivňuje nejen nárůst pevnosti, ale vede také k vysoké propustnosti betonu pro vodu, což následně snižuje jeho odolnost vůči agresivnímu prostředí, mrazuvzdornost a schopnost chránit výztuž před korozí. Tvrdnutí je navíc narušeno především v povrchové zóně přímo vystavené povětrnostním vlivům a u některých konstrukcí i mechanickému nebo dynamickému namáhání. Nedostatečná vlhkost se projevuje oddělováním písku od povrchu betonu. Kromě toho se v důsledku rychlého odpařování vody mohou na povrchu objevit smršťovací trhliny, které snižují pevnost a trvanlivost betonu. Ve srovnání se stárnutím ve vodě se takové betony již po 90 dnech liší od betonů běžně vlhkého skladování výrazným deficitem pevnosti, a to tím větším, čím dříve byl beton skladován ve vzduchosuchém prostředí. Beton proto musí být po betonáži skladován ve vlhkém stavu za normálních teplotních podmínek po dobu nejméně 7 dnů a při vysokých teplotách vytvrzování, dokud nedosáhne 50–70 % své pevnosti ve věku 28 dnů.
Pouze dostatečně dlouhou dobu udržováním betonu ve vlhkém stavu lze plně využít jeho schopnost tvrdnout a získávat odolnost proti korozi; nedostatečnou péči je nutné kompenzovat vyšší spotřebou cementu.

Přísady do betonu

Tuhnutí a tvrdnutí betonu lze zpomalit nebo urychlit použitím přísad. Při běžném tvrdnutí mají pro technologii velký význam přísady-retardéry. Nejčastěji se k tomuto účelu používá kyselina fosforečná nebo fosfáty, které jsou účinné již v malé dávce (například 0-03 % fosforečnanu sodného z hmotnosti cementu).
Protože vyšší dávky lze přesněji měřit, rozpouštějí se takové vysoce aktivní přísady ve vodě nebo se homogenizují s cementem či inertními materiály tak, aby jejich obsah činil asi 1 % hmotnosti cementu. V komerčním produktu Rodozal VZ je zpomalovač již homogenizován s cementem.

Retardéry poskytují následující výhody:
— doba zpracování betonové směsi (obvykle 1–2 hodiny) se několikrát prodlužuje, ve výjimečných případech až na 24 hodin nebo i více;
— během několikahodinové přestávky lze v betonáži pokračovat bez vytváření dalších pracovních švů;
— náraz na bednění a odlitky ustává před začátkem tuhnutí, a proto nezpůsobuje nebezpečné namáhání;
— je možné působit proti nežádoucímu urychlení tvrdnutí při vysokých teplotách betonu. V případě masivního betonu se zabrání nebezpečnému přehřátí v důsledku tepla uvolňovaného během hydratace cementu;
— je možné vyrovnat betonový povrch po delší době.
Při běžném tvrdnutí se urychlovače tvrdnutí používají pouze pro speciální účely (například při stříkaném betonu). Urychlení tvrdnutí potřebného při výrobě prefabrikovaného betonu nelze dosáhnout pouze použitím urychlovačů tvrdnutí. Častěji se používají jako prostředek proti mrazu.

Účinným urychlovačem tuhnutí a tvrdnutí je chlorid vápenatý (CaCl12); při přidání v množství 0,5–2 % hmotnosti cementu urychluje tvrdnutí o 100 % po 6 hodinách. Požadované pevnosti je často dosaženo po XNUMX dnech. Vzhledem k riziku koroze výztuže je však použití chloridů v železobetonu a předpjatém betonu zakázáno. Je možné pouze v nevyztuženém betonu. Nežádoucím vedlejším účinkem je tvorba výkvětů na betonu. Navzdory četným studiím urychlovačů tvrdnutí, které nejsou agresivní vůči výztuži, jsou k prodeji pouze v některých zemích.

Z výše uvedeného vyplývá, že urychlovače tvrdnutí se používají převážně v zimní výstavbě. Chlorid vápenatý jako urychlovač není vhodný pro železobeton a předpjatý beton.