Vliv délky hydratace cementu na mechanické vlastnosti betonu

1. Úvod

Beton tvrdne a tím pádem může být konstrukčním materiálem díky hydrataci cementu, což je souhrn chemických reakcí cementu a vody. Díky nim přestává být beton plastikou hmotou, která je lehce zpracovatelná, a stává se pevným a mechanickým materiálem podobným hornině [1].

Víme, že chemické reakce probíhající při hydrataci cementu jsou velmi komplexní a dosud nejsou známy veškeré detaily, které způsobují tuhnutí a následné tvrdnutí betonu [2].

Z hlediska dosažení co nejlepších vlastností betonu je důležité, aby hydratace cementu proběhla optimálně. Je důležité beton řádně ošetřovat zejména v počátečních fázích jeho zrání, aby proces hydratace nebyl negativně ovlivněn (např. nízkou teplotou, která hydrataci zpomaluje) [3].

2. Všeobecné údaje

Cílem experimentu bylo vyhodnocení vlivu doby hydratace cementu na sledované charakteristiky betonu. Bylo zjišťováno, jak se projeví omezená doba hydratace na dynamickou i statickou hodnotu modulu pružnosti betonu a na výsledné pevnosti betonu v tlaku.

Obrázek 1.: Stanovení sednutí kužele čerstvého betonu

Pro zkoušky byl použit referenční beton, jehož receptura je předmětem Tabulky 1. Směs neobsahovala žádné přísady a příměsi a vodní součinitel byl navržen tak, aby čerstvý beton vykazoval sednutí kužele S2 podle normy ČSN EN 206-1 [4].

Objemová hmotnost čerstvého betonu byla dle normy [5] stanovena na hodnotu 2320 kg/m³. Sednutí kužele bylo dle normy [6] změřeno 85 mm, byl tedy splněn návrh S2, viz Obrázek 1.

Hydratace cementu byla zastavena po šesti časových úsecích zrání betonu (po 2, 3, 7, 14, 28 a 90 dnech), přičemž pro každý úsek byla vyrobena tato zkušební tělesa:

• Dlaždice, 3 ks, rozměr 300×300×80 mm – tato tělesa sloužila pro stěžejní část experimentu, kterou se tento příspěvek nezabývá. Byla na nich zjišťována propustnost povrchové vrstvy pro vodu a vzduch, o čemž pojednává článek [7].
• Hranol, 4 ks, 100×100×400 mm – pro zjištění modulu pružnosti.
• Krychle, 3 ks, 150×150×150 mm – pro určení pevnosti v tlaku.

Všechna zkušební tělesa byla po betonáži přikryta PE fólií a uložena v normálních laboratorních podmínkách. Po 24 hodinách byla zkušební tělesa odformována a umístěna na předem stanovenou dobu do vodního uložení. Např. zkušební tělesa, u nichž byla hydratace zastavena po 7 dnech zrání (sada s označením 7D), byla 1 den ve formě, poté 5 dní ve vodní lázni a 1 den byla umístěna v sušičce při 105 °C. Doba ve formě (1 den) a v sušičce (také 1 den) byla pro všechny sady zkušebních těles stejná, měnila se pouze doba uložení ve vodě. Zkušební vzorky označené 2D tedy ve vodní lázni uložené nebyly vůbec.

Takto zvolený postup měl zajistit omezenou dobu na tvorbu hydratačních produktů, což se mělo projevit na vývoji pórové struktury betonu a tím také na jeho mechanických vlastnostech. Předpokladem bylo, že se sice hydratační proces v sušičce vzhledem k vysoké teplotě okolního prostředí výrazně zrychlí, ale současně se po vysušení zkušebních těles prakticky zastaví z důvodu absence vody, která je k hydrataci cementu nutnou podmínkou.

3. Metodika uskutečněných zkoušek

Obrázek 2.: Krychle 7D-K2 po zkoušce pevnosti v tlaku betonu

Na všech zkušebních krychlích byla stanovena pevnost v tlaku betonu. U krychlí byly určeny rozměry, hmotnost, byla vypočtena objemová hmotnost a při zatěžovací zkoušce ve zkušebním lisu FORM+TEST ALPHA 3-3000 byla stanovena maximální tlaková síla. Zkouška pevnosti v tlaku probíhala dle normy [8] a je zachycena na Obrázku 2.

Pevnost v tlaku betonu byla zjištěna také na hranolových tělesech. Jeden hranol byl podroben tlakovému namáhání až do porušení ihned po stanovení dynamických modulů pružnosti. Zbylá 3 hranolová tělesa byla odzkoušena v tlaku až po zkoušce statického modulu pružnosti.

Na všech hranolových zkušebních tělesech byl určen dynamický modul pružnosti, a to ultrazvukovou impulzovou metodou (dále již UZ) podle normy [9] a rezonanční metodou podle normy [10]. Ultrazvuková impulzová metoda je založena na principu zjištění doby průchodu UZ vlnění zkušebním betonovým tělesem a následném výpočtu rychlosti UZ impulzů v_L. Podrobně o této metodě pojednává např. článek [11], měření je zachyceno na Obrázku 3. Dynamický modul určený z rychlosti UZ vlnění se značí E_bu.

Rezonanční metoda spočívá ve zjištění vlastních frekvencí zkušebních těles, viz Obrázek 4. Hodnota dynamického modulu pružnosti se poté vypočte buď z podélné frekvence (označení E_brL), anebo z příčné frekvence (označení E_brf). O renezanci rezonance ve zkušební praxi podrobně referuje např. příspěvek [12].

Po nedestruktivním stanovení dynamických modulů pružnosti byla na třech zkušebních hranolech zjištěna také statická hodnota modulu pružnosti betonu Ec podle normy [13]. Zkouška v lisu FORM+TEST ALPHA 3-3000 je předmětem Obrázku 5. K určení horní zatěžovací meze při zkoušce statického modulu pružnosti posloužil výsledek hranolové pevnosti v tlaku na jednom zkušebním tělese spolu se zjištěnou krychelnou pevností betonu v tlaku.

Obrázek 3.: Stanovení dynamického modulu pružnosti pomocí UZ přístroje TICO

Obrázek 4.: Stanovení dynamického modulu pružnosti pomocí rezonanční metody

Obrázek 5.: Zkouška statického modulu pružnosti betonu ve zkušebním lise FORM+TEST

4. Dosažené výsledky a jejich diskuze

Hodnoty dynamického modulu pružnosti zjištěné pomocí obou nedestruktivních metod prokázaly předpoklad, že doba hydratace cementu má vliv na jejich velikost. Čím déle má beton možnost hydratačního procesu, tím je jeho modul pružnosti vyšší. Stejný trend potvrdily i výsledky zkoušky statického modulu pružnosti. Veškeré naměřené hodnoty modulu pružnosti jsou vypsány v Tabulce 2, graficky je závislost průměrných hodnot modulu pružnosti na délce hydratace znázorněna na Obrázku 6.

Obrázek 6.: Závislost výsledných průměrných hodnot všech zjišťovaných modulů pružnosti betonu na délce hydratačního procesu včetně směrodatných odchylek

Stejný závěr jako u modulu pružnosti betonu byl učiněn také u pevnosti v tlaku. I zde se prokázalo, že výsledná hodnota této charakteristiky závisí na délce hydratace cementu. Čím déle beton hydratuje, tím vyšších pevností v tlaku dosahuje. Veškeré naměřené hodnoty této vlastnosti betonu jsou uvedeny v Tabulce 3, v grafu na Obrázku 7 je pak znázorněn vliv délky hydratace na pevnost v tlaku.

Obrázek 7.: Závislost výsledných průměrných hodnot krychelné pevnosti v tlaku na délce hydratačního procesu včetně směrodatných odchylek

U zkušebních hranolů s délkou hydratace cementu 2 dny byl zjištěn průměrný statický modul pružnosti 21,6 GPa, zatímco zkušební tělesa, u kterých byl umožněn hydratační proces normových 28 dní, dosahovala průměrné hodnoty statického modulu pružnosti 25,8 GPa. Tento výsledek je vzhledem k pevnosti v tlaku hodnotou poměrně nízkou. Pravděpodobně je to způsobeno faktem, že beton byl v době zkoušení zcela vysušen, což výsledný modul pružnosti negativně ovlivnilo.

V případě, že byla hydratace pozastavena již po 2 dnech zrání betonu, vykazoval beton průměrnou pevnost v tlaku 34,5 MPa. Při zastavení hydratace až po 28 dnech dosahovala průměrná pevnost betonu v tlaku již 51,5 MPa

5. Závěr

Cílem popisovaného experimentu bylo zjištění vlivu délky hydratačního procesu betonu na sledované charakteristiky. Cíl se podařilo splnit a výsledky odpovídají předpokladům. Hodnoty sledovaných mechanických vlastností betonu rostou s délkou času, po který bylo umožněno betonu hydratovat.

Poděkování

Příspěvek vznikl za finanční podpory projektu GAČR 13-18870S „Hodnocení a predikce trvanlivosti povrchové vrstvy betonu“.

Literatura

• [1] COLLEPARDI, M.: Moderní beton. Český překlad Bílek, V., vydání 1., Praha: ČKAIT, 2009, 344 s. ISBN 978-80-87093-75-7.
• [2] AÏTCIN, P.-C.: Vysokohodnotný beton. Český překlad Bílek, V., vydání 1., Praha: ČKAIT, 2005, ISBN 80-86769-39-9.
• [3] KOCÁB, D.; CIKRLE, P.; KUCHARCZYKOVÁ, B.; POSPÍCHAL, O.: Vliv nízké počáteční teploty betonu na výsledný modul pružnosti. In Zkoušení a jakost ve stavebnictví 2011. Brno, VUT v Brně. 2011. p. 159-168. ISBN 978-80-214-4338-9.
• [4] ČSN EN 206-1: Beton – Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. Praha, ČNI, 2001.
• [5] ČSN EN 12350-6: Zkoušení čerstvého betonu – Část 6: Objemová hmotnost. Praha, ÚNMZ, 2009.
• [6] ČSN EN 12350-2: Zkoušení čerstvého betonu – Část 2: Zkouška sednutím. Praha, ÚNMZ, 2009.
• [7] ADÁMEK, J.; KADLECOVÁ, Z.: NDT Methods Used to Estimate the Actual Durability of a Bridge Concrete. Russian Journal of Nondestructive Testing. V tisku.
• [8] ČSN EN 12390-3: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles. Praha, ÚNMZ, 2009.
• [9] ČSN 73 1371: Nedestruktivní zkoušení betonu – Ultrazvuková impulzová metoda zkoušení betonu. ÚNMZ, Praha, 2011.
• [10] ČSN 73 1372: Nedestruktivní zkoušení betonu – Rezonanční metoda zkoušení betonu. ÚNMZ, Praha, 2012.
• [11] CIKRLE, P.; KOCÁB, D.; POSPÍCHAL, O.: Zkoušení betonu ultrazvukovou impulsovou metodou. Beton TKS. 2013(3). p. 74-79. ISSN 1213-3116.
• [12] CIKRLE, P.; POSPÍCHAL, O.: Nový způsob stanovení mrazuvzdornosti betonu s využitím metod pro sledování poruch struktury. Beton TKS. 2011(3). p. 56-61. ISSN 1213-3116.
• [13] ČSN ISO 6784: Beton. Stanovení statického modulu pružnosti v tlaku. FÚNM, Praha, 1993.