Trvanlivostní vlastnosti betonů s přídavkem polymerních a ocelových vláken
Mechanické a deformační vlastnosti betonu jsou výrazně zlepšeny přídavkem dlouhých konstrukčních vláken. Tento přídavek nemá vždy pozitivní vliv na trvanlivost betonu, což bude hlavním tématem výzkumu. Jedním z důležitých faktorů je posoudit propustnost povrchové vrstvy, která tvoří v podstatě „vstupní bránu“ pro různé škodlivé látky. Jako vhodné laboratorní testy pro zkoušení povrchové vrstvy betonu se jeví metoda TORRENT a metoda ustáleného toku chloridů do betonu metoda NORDTEST. Naměřené výsledky obou metod jsou do jisté míry srovnatelné.
1. Úvod
Trvanlivost betonu lze, dle pokynu F Evropské komise z prosince 2004, definovat jako schopnost udržet požadované ukazatele svých charakteristik po dobu, kdy je vystaven předvídaným zatížením. Důležitým ukazatelem v tomto směru je povrchová vrstva betonu tvořící jakousi „vstupní bránu“ pro různé škodlivé látky [1, 2]. Výzkum trvanlivosti se zabývá převážně studiem fyzikálně mechanických a chemických poškození betonu.
Vláknobetony jsou moderní stavební materiály s dostatečně prověřenými mechanickými i přetvárnými vlastnostmi. Dlouhá polymerní vlákna cíleně vylepšují mechanické vlastnosti betonového kompozitu. Přítomnost vláken v betonovém kompozitu může však mít i svá negativa [3]. Rozptýlená vlákna jsou schopna vylepšit nízkou tahovou pevnost betonu, ale za cenu možného překročení kritického smykového namáhání kontaktu vlákno – cementový tmel. Špatná adheze vláken k cementové matrici, překročení smykového namáhání nebo koroze mohou, dle některých autorů, vést ke zvýšení propustnosti a ve výsledku pak ke snížení trvanlivosti cementového kompozitu. Část odborníků se na druhou stranu domnívá, že adice dlouhých i krátkých vláken do betonu zvýší jeho trvanlivost z důvodu zamezení vzniku mikrotrhlinek ve všech stádiích zrání betonu. Přijmeme-li fakt, že trvanlivost betonu je determinována do značné míry propustností jeho povrchových vrstev [4], zdá se být účelné použít ke stanovení propustnosti povrchu testovaných betonů jednu z moderních nedestruktivních metod, např. TORRENT pro vzduch a NORDTEST pro roztok chloridů ve vodě.
2. Experimentální část
Práce jsou zaměřeny na zjištění trvanlivostních vlastností vláknobetonů z přírodního hutného kameniva s přídavkem polymerních a ocelových vláken. Testy byly prováděny na betonech s přídavkem různého množství polymerních a ocelových vláken, a to v množství 0,15 a 1 % z objemu.
Z povrchových testů propustnosti byla vybrána zkouška TORRENT (propustnost povrchové vrstvy pro vzduch). Tato zkouška se prováděla na betonových dlaždicích o rozměrech 300×300×80 mm. U každé receptury bylo provedeno 6 měření. Další metoda, kterou jsme otestovali, byla metoda NORDTEST k určení koeficientu nestacionární migrace chloridů v betonu. Tato zkouška se prováděla na segmentech oddělených z jádrových vývrtů. Každý segment měl průměr 100 mm a výšku 50 mm. Pro každou recepturu byla měření provedena na 2 samostatných segmentech.
Poté byl vyhodnocen vliv různého množství polymerních a ocelových vláken na trvanlivost betonu a hledána závislost mezi výsledky jednotlivých zkušebních metod.
2.1. Receptura betonu
Celkem bylo vyrobeno 5 receptur betonu, u kterých bylo použito různé dávky vláken (viz Tabulka 1.). Cement byl použit CEM II/B-S 32,5R. Pro přípravu betonů bylo použito přírodní těžené hutné kamenivo frakce 0–4 mm z pískovny Bratčice, přírodní těžené hutné kamenivo frakce 4–8 mm z Tovačova a přírodní drcené hutné kamenivo frakce 8–16 mm z Olbramovic. U všech receptur byl použit plastifikátor CHRYSOPLAST 760. U receptur s polymerními vlákny jsme použili vlákna FORTA FERRO délky 50 mm, ocelová pak typu DRAMIX délky 60 mm.
Označení betonu:
- O – referenční beton, pouze z přírodního kameniva, bez přídavku vláken
- HV – beton z přírodního kameniva, polymerní vlákna v množství 0,15 % z objemu
- B – beton z přírodního kameniva, polymerní vlákna v množství 1 % z objemu
- DA – beton z přírodního kameniva, ocelové vlákna v množství 0,15 % z objemu
- DB – beton z přírodního kameniva, ocelové vlákna v množství 1 % z objemu
| označení betonu | množství cementu | kamenivo | vodní součinitel | plastifikátor | PP + ocel. vlákna | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0–4 mm | 4–8 mm | 8–16 mm | |||||
| [kg/m3] | [kg/m3] | [kg/m3] | [kg/m3] | [–] | [%] z mc | [kg/m3] | |
| O | 490 | 890 | 100 | 745 | 0,34 | 1 | 0 |
| HV | 490 | 890 | 100 | 745 | 0,35 | 1 | 1,37 (0,15 %) PP |
| B | 490 | 890 | 100 | 745 | 0,36 | 1 | 9,1 (1 %) PP |
| DA | 490 | 890 | 100 | 745 | 0,36 | 1 | 11,7 (0,15 %) ocel |
| DB | 490 | 890 | 100 | 745 | 0,38 | 1 | 78,0 (1 %) ocel |
2.2. Popis jednotlivých zkušebních metod
TORRENT
Zkušební metoda TORRENT je vhodná ke stanovení vzduchové propustnosti povrchové vrstvy betonu a lze ji použít, jak na zkušebních tělesech, tak na stavbě. Princip stanovení vzduchové propustnosti betonu spočívá ve vytvoření vakua při povrchové vrstvě betonu a měření průtoku vzduchu betonem do měřicího zařízení během stanoveného časového úseku. Je-li vzduch z betonu dostatečně odsátý, sníží se tlak a měřicí jednotka začne ve vnitřní komoře zaznamenávat naopak vzestup tlaku za jednotku času. Pak je zaznamenáván tok vzduchu betonem. Aby bylo zajištěno, že do vnitřní komory bude proudit vzduch pouze pod jejím ústím a ne z okolního betonu nebo atmosféry, je využita vnější komora. Třídy kvality povrchové vrstvy betonu jsou znázorněny v Tabulce 2. a řez přístrojem TORRENT je na Obrázku 1. [5]
Obrázek 1.: Řez přístrojem TORRENT
| Kvalita povrchové vrstvy betonu | Index | kT [10−16 m2] |
|---|---|---|
| Velmi špatná | 5 | > 10 |
| Špatná | 4 | 1,0–10 |
| Střední | 3 | 0,1–1,0 |
| Dobrá | 2 | 0,01–0,1 |
| Velmi dobrá | 1 | < 0,01 |
NORDTEST
Ve směru osy zkušebního tělesa je aplikován vnější elektrický potenciál, jehož působením jsou vnější chloridové ionty nuceny prostupovat dovnitř vzorku. Po uplynutí předepsané doby trvaní zkoušky se vzorek osově rozštípne a na čerstvě oddělené plochy se nanese roztok dusičnanu stříbrného AgNO3. Reakcí vznikne v místech prostupu bílý chlorid stříbrný AgCl, podle něhož je hloubka prostupu snadno rozpoznatelná a změřitelná. Koeficient prostupu se následně stanovuje z této naměřené hloubky. Umístění vzorku v zařízení je znázorněno na Obrázku 2 a na Obrázku 3 je vidět vzorek po aplikaci roztoku dusičnanu stříbrného.
Obrázek 2.: Schéma zařízení NORDTEST
Obrázek 3.: Vzorek po aplikaci AgNO3
Příprava vzorku
Po odřezání a zakoncování testovacího vzorku a otření povrchové vlhkosti se vzorek umístí do vakuovací nádoby, kde je po tři hodiny vystaven tlaku 1–5 kPa. Po této uplynutí této doby se za stejného tlaku naplní nádoba nasyceným roztokem Ca(OH)2 v destilované nebo deionizované vodě. Po další hodině expozice vzorků v tomto roztoku je do nádoby znovu vpuštěn vzduch. Za atmosférického tlaku jsou vzorky ponechány působení roztoku dalších 18±2 hodiny.
Testovací procedura
Katolyt a anolyt
Katolyt je 10% hmotnostní roztok NaCl v kohoutkové vodě (100 g NaCl na 900 g vody). Anolytem je roztok NaOH v destilované nebo deionizované vodě o molární koncetraci 0,3 M (přibližně 12 g NaOH na 1 litr vody). Roztoky jsou uchovávány při teplotě kolem 25 °C, což je i zároveň jejich teplota při provádění zkoušky.
Test propustnosti
- Napětí mezi katodou a anodou nastavíme na 30 V a zapíšeme počáteční proud procházející každým vzorkem
- Podle tabulky 3 upravíme napětí a znovu zaznamenáme procházející proud
- Zaznamenáme počáteční teplotu roztoků
- Zvolíme vhodnou dobu trvání testu podle tabulky 3
- Zaznamenáme konečnou teplotu před ukončením testu
Tabulka 3.: Stanovení počátečního napětí a délky testu
Měření hloubky prostupu
- Po rozložení aparatury vzorek omyjeme vodou a osušíme povrch
- Vzorek osově rozřízneme na poloviny
- Na vybranou polovinu čerstvě rozříznutého vzorku naneseme 0,1M roztok AgNO3
- Po patnácti minutách je jasně viditelný bílý vysrážený chlorid stříbrný AgCl v místech prostupu. Hloubka se měří v 10 mm širokých pruzích s přesností 0,1 (viz obr. 4)
Obrázek 4.: Zóny měření vysráženého AgCl v místech prostupu
Interpretace výsledků
Koeficient prostupu chloridů za neustáleného stavu se spočítá ze vzorce:
kde je
- Dnssm
- koeficient prostupu chloridů
- z
- hodnota valence iontů (pro chloridy z = 1)
- F
- Faradayova konst. F = 9,648E+4 J/(V‧mol)
- U
- hodnota aplikovaného napětí [V]
- R
- plynová konstanta, R = 8,314 J/(K‧mol)
- T
- průměrná teplota anolytu z počátku a konce testu
- L
- tloušťka vzorku [m]
- xd
- průměrná hloubka prostupu [m]
- t
- délka testu [s]
- erf−1
- inversní hodnota funkce chyby;
- cd
- koncentrace chloridů pro změnu barvy (cd = 0,07 N pro běžné betony)
- c0
- koncentrace chloridu v katolytu (c0 = 2 N)
2.3. Naměřené výsledky a diskuse
Obě zkoušky propustností byly provedeny po 1 měsíci zrání betonových vzorků ve vlhkém uložení a následném přisušení na 3% vlhkost. V Tabulce 4 jsou uvedeny hodnoty stanovených koeficientů propustnosti a migrace chloridů dle obou metod.
| označení betonu | aktuální vlhkost | výsledky měření metody TORRENT | výsledky měření metody NORDTEST |
|---|---|---|---|
| w | korekce hodnoty kT pro w = 3 % | koeficient nestacionární migrace chloridů Dnssm | |
| průměr | průměr | průměr | |
| [%] | [*10−16 m2] | [*10−12 m2/s] | |
| O (beton z přírodního kameniva bez vláken) | 2,92 | 0,003 | 4,625 |
| HV (beton z přírodního kameniva + 0,15 % PP vláken) | 3,25 | 0,011 | 9,064 |
| B (beton z přírodního kameniva + 1 % PP vláken) | 3,42 | 0,007 | 8,067 |
| DA (beton z přírodního kameniva + 0,15 % ocelových vláken) | 3,69 | 0,162 | 13,291 |
| DB (beton z přírodního kameniva + 1 % ocelových vláken) | 3,75 | 0,258 | 10,278 |
Grafické vyhodnocení výsledků zkušebních metod
Obrázek 5. a 6.: Grafické vyhodnocení výsledků zkušebních metod TORRENT a NORDTEST
Diskuse
Z naměřených výsledků lze vidět, jak přídavek polymerních i ocelových vláken zvyšuje propustnost betonu pro vzduch i chloridy. Je zřejmé, že ocelová vlákna zvyšují tyto propustnosti více, než vlákna polymerní, to můžeme pozorovat hlavně u metody TORRENT (zkušební médium je vzduch). Je to pravděpodobně způsobeno špatnou adhezí ocelových vláken k cementové matrici, což může způsobovat větší propustnost právě pro vzduch. U druhé metody NORDTEST není rozdíl oproti ostatním záměsím tak markantní, jako v případě zkoušky TORRENT, jelikož je v tomto případě zkušební médiu roztok NaCl, který se nedostane do všech vzniklých mikrotrhlin (porušení adheze drátek – cementový tmel) jako vzduch. Zajímavý jev nastal u množství polymerních vláken, kdy menší množství vláken 0,15 % vykazuje vyšší propustnost než množství vláken 1 %. Pravděpodobně menší množství vláken 0,15 % vytváří v betonu „mikro cestičky“, nimiž lépe proudí vzduch i roztok NaCl.
4. Závěr
Přidáním polymerních i ocelových vláken se zvyšují propustnosti betonu. Ocelová vlákna však zvyšují propustnosti více, a to hlavně u metody TORRENT, kde testovací médium je vzduch. U druhé metody je zvýšení propustností také patrné, avšak všechny receptury spadají dle tabulek do stejné třídy.
Nižší množství vláken 0,15 % (polymerní i ocelová vlákna) nemá v betonu žádný smysl. Fyzikálně mechanické vlastnosti se oproti betonu bez vláken v podstatě nemění a z hlediska trvanlivostních vlastností působí více negativně nežli množství vláken vyšší 1 %.
Výsledky použitých metod se od sebe odlišují, z důvodu použití různých médií. Proto je vhodné ke správnému zjištění propustnosti betonu, a tedy odhadu trvanlivosti, kombinace obou metod nebo použití dalších vhodných trvanlivostních metod.
Poděkování
Tento příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.
Literatura
- ADÁMEK, J., JURÁNKOVÁ, V.: Durability of the concrete as a function of properties of concrete layer, Transactions on Transport Sciences, Vol. 2(4), p. 188–195, 2010a
- CEP-FIP Model Code, Final Draft, Section 5.1.13.: “Properties related to durability”, p. 106–110, Ernst und Sohn, Germany, 2010-6680.
- STAVAŘ, T.; STEHLÍK, M. The assessment of durability of fibre concretes with dense aggregate and concrete recyclate from the results of permeability and diffusion tests. Advanced Materials Research. 2015. 1100(2015). p. 106–111. ISSN 1022-6680.
- ADÁMEK, J., JURÁNKOVÁ, V., KADLECOVÁ, Z., STEHLÍK, M.: Three NDT methods for the assesment of concrete permeability as a measure of durability. In Nondestructive testing of materials and structures. Rilem Bookseries. Istanbul, Turkey, Springer in RILEM Bookseries. p. 32-38. 2012
- KUCHARCZYKOVÁ, B., MISÁK, P., VYMAZAL, T.: Determination and evaluation of the air permeability coefficient using Torrent permeability tester, Russian Journal of Nondestructive Testing, Vol. 46(3), p. 226–233, 2010
Mechanical and deformational properties of concrete are markedly improved by the addition of long structural fibers. This addition, however, not always improves the durability of concrete, which will be the main topic of research. One important factor is to assess the permeability of the surface layer, which forms essentially a “gateway” for different pollutants. Suitable laboratory tests for testing the surface layer of the concrete appears method Torrent and steady flow of chlorides in concrete method NORDTEST. The measured results of both used methods are partially comparable.