Změna součinitele difuze a vzlínavosti vláknobetonu s betonovým recyklátem v agresivním prostředí CO2
Adice konstrukčních vláken do betonu může mít jak pozitivní, tak i negativní vliv na jeho dlouhodobou trvanlivost. Polymerní vlákna neochrání beton před smrštěním, ocelová, na druhou stranu, tvoří tuhou kostru bránící deformaci. Pórová struktura vláknobetonů, vystavených dlouhou dobu účinkům prostředí s CO2, je hodnocena použitím metod k určení koeficientu difuzního odporu a k určení kapilární vzlínavosti. Porovnání naměřených hodnot vzlínavosti a difuzního koeficientu vzorků vláknobetonu vede ke zjištění, že neexistuje těsná korelační závislost mezi oběma veličinami, a to vzhledem k fyzikální odlišnosti stanovování obou veličin.
1. Úvod
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 [1]. 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. Zde je však nutno připomenout, že vzhledem k rozdílným modulům pružnosti polymerních a ocelových vláken může dojít při smrštění betonu v pevné drátkovláknité kostře ke vzniku dodatečných tahových mikrotrhlin. Trvanlivost betonu [2, 3] je determinována převážně jeho povrchovou, ale i vnitřní strukturou [4], proto bude jistě přínosné srovnat základní materiálové charakteristiky betonu – laboratorně stanovený činitel difuzního odporu [5] a vzlínavost [6] – se skutečně dosaženou hloubkou karbonatace vláknobetonů [7]. Činitel difuzního odporu představuje konstantu vymezující difuzi v konkrétní látce. Je to charakteristika, prakticky již neovlivnitelná druhem difundujícího plynu, ale určená pouze kapilárně-pórovitou strukturou dané látky. Vzlínavost je schopnost betonu vést kapalinu vzhůru proti směru gravitačních sil a je důsledkem povrchového napětí kapaliny, v našem případě vody.
2. Experimentální část
Práce jsou zaměřeny na ověření možnosti použití metod stanovení součinitele difuzního odporu a vzlínavosti k odhadu trvanlivostních vlastností vláknobetonů z přírodního hutného kameniva a polymerních i ocelových vláken. Variantně je u jedné receptury hrubá frakce hutného kameniva nahrazena betonovým recyklátem frakce 0–16 mm od firmy Dufonev. Vzájemně jsou porovnány součinitelé difuzního odporu a hodnoty vzlínavosti pro různé typy vláknobetonů (ČSN EN 1062-6, ČSN 73 1316). Stanovení součinitele difuzního odporu je prováděno na 10 mm vysokých segmentech z jádrových vývrtů Ø 100 mm, stanovení vzlínavosti na trámcích rozměrů 100×80×300 mm.
3. Receptury betonu
Pro výrobu vzorků bylo použito 6 receptur betonu (1. rec. – referenční s hutným kamenivem „O“, 2. rec. – hutné kamenivo s 0,15 % PP vláken „HV“, 3. rec. – hutné kamenivo s 1 % PP vláken „B“, 4. rec. – betonový recyklát 0-16 mm s 1 % PP vláken „C“, 5. rec. – hutné kamenivo s 0,15 % ocelových vláken „DA“ a 6. rec. – hutné kamenivo s 1 % ocelových vláken „DB“), viz Tab. 1. Cement byl použit typu 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. Při přípravě betonu z betonového recyklátu byla hrubá frakce přírodního kameniva 8–16 Olbramovice nahrazena surovým betonovým recyklátem firmy Dufonev s.r.o. frakce 0–16 mm. Pro ztekucení všech šesti receptur byl použit plastifikátor CHRYSOPLAST 760, polymerní vlákna byla použita typu FORTA FERRO délky 50 mm, ocelová pak typu Dramix délky 60 mm.
| 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 |
| C (recyklát) | 490 | 890 | 100 | 633 (recyklát) | 0,43 | 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 |
4. Popis jednotlivých zkušebních metod
Stanovení propustnosti oxidu uhličitého
Do zkušební nádoby je odvážena dávka absorbentu oxidu uhličitého, např. NaOH. Centimetrový segment 100mm vývrtu betonu je silikonem utěsněn do hrdla zkušební nádoby a je zvážen. Poté jsou všechny takto připravené nádoby umístěny do exsikátoru (Obr. 1) s konstantním mírným přetlakem koncentrovaného 98% CO2. Po každodenním vážení nádobek po dobu asi 14 dní je postupem dle ČSN EN 1062-6 vypočten součinitel difuzního odporu.
Obr. 1 Exsikátor s nádobkami
Obr. 2 Stanovení vzlínuté vlhkosti
Stanovení výšky vzlínuté vlhkosti
Betonové trámce rozměrů 100×80×300 mm se svisle postaví do ploché nádoby s vodou tak, aby byly ponořeny na výšku 10 mm (Obr. 2). Hladina vody se udržuje ve stejné výšce. Při stanovování hmotnosti resp. výšky vzlínutí se zkušební trámce vyjmou z nádoby a povrchově osuší vlhkou tkaninou. Výsledkem zkoušky vzlínavosti je hodnota maximální vzlínavosti v % podle ČSN 73 1316.
5. Naměřené výsledky a diskuze
Zkouška stanovení koeficientu difuzního odporu byla provedena ve dvou etapách, a to po 28 dnech zrání betonových vzorků ve vlhkém uložení a následném přisušení na 3% vlhkost a dále po 9 měsících expozice betonových vzorků v agresivním prostředí 98% CO2. Porovnáním grafů na Obr. 3 a Obr. 4 je zřejmé, že v případě betonů stáří 28 dní vykazují nejvyšší odpor proti difuzi beton referenční a beton s 0,15 % ocelových vláken, špatně si nestojí ani beton s 1 % polymerních vláken a betonovým recyklátem. Lze konstatovat, že čerstvé betony s polymerními vlákny a velkým množstvím ocelových vláken více difundují CO2 ve srovnání s betony prostými i betony s betonovým recyklátem. V případě betonů testovaných po 9měsíční expozici v 98% CO2, tedy po urychlené karbonataci, vychází jejich difuzní charakteristika odlišně. Ztvrdlý povrch betonů karbonatačním procesem I. etapy prošel objemovými změnami a z grafu na Obr. 4 lze vypozorovat pozitivní vliv vláken, zamezujících vzniku mikrotrhlinek. Zhoršení difuzní charakteristiky nastalo u betonů bez a s malým množstvím vláken, tedy u referenčního betonu, u betonu s 0,15 % ocelových vláken a také u betonu s 1 % polymerních vláken ale s významnou příměsí betonového recyklátu. Zde pravděpodobně vlivem objemových změn karbonatací došlo k mírnému porušení celistvosti betonového recyklátu uzavřeného v cementovém tmelu.
Zkouška stanovení vzlínavosti testovaných betonů byla provedena opět ve dvou etapách, a to po 28 dnech zrání ve vlhkém uložení a po 9 měsících expozice vzorků v 98% CO2. Z grafu na Obr. 5 je zřejmé, že počáteční vzlínavost u betonů stáří 28 dní je výraznější u drátkobetonů a vláknobetonů s betonovým recyklátem. Po 9měsíční karbonataci se u všech vzorků (referenčních bez vláken i s vlákny) vzlínavost zmenšila o cca 50 %, pravděpodobně vlivem tlaku ze zvětšeného objemu uhličitanu vápenatého (viz Obr. 6).
Obr. 3 Stanovené koeficienty difuzního odporu variantních betonů z vlhkého uložení
Obr. 4 Stanovené koeficienty difuzního odporu variantních betonů z 98% CO2
Obr. 5 Stanovené hodnoty maximální vzlínavosti variantních betonů z vlhkého uložení
Obr. 6 Stanovené hodnoty maximální vzlínavosti variantních betonů z 98% CO2
Test prokázal, že naměřené hodnoty vzlínavosti betonů přímo souvisí s průměrem kapilár a nejsou na rozdíl od součinitele difuze ovlivněny druhem ani množstvím vláken. Lze konstatovat, že betony s polymerními vlákny vykazují nižší vzlínavost ve srovnání s betony s ocelovými vlákny i s betony s betonovým recyklátem, a to bez ohledu na stupeň probíhající karbonatace.
6. Závěr
Metoda stanovení koeficientu difuzního odporu betonových vzorků postupem dle ČSN EN 1062-6 je náročná nejen na technické vybavení, ale i časově. Prokázala však pozitivní vliv konstrukčních polymerních a částečně i ocelových vláken pro eliminaci vzniku mikrotrhlinek objemovými změnami testovaných betonů během první etapy karbonatace. V případě betonů s náhradou přírodního hrubého kameniva betonovým recyklátem a s příměsí polymerních vláken se vláknům v průběhu karbonatace nepodařilo eliminovat negativní vlastnost betonového recyklátu ve formě kameniva – a to jeho vysokou pórovitost.
Metoda stanovení vzlínavosti betonových vzorků postupem dle ČSN 73 1316 je technicky jednoduchá, časově mírně náročnější. Prokázala jednoznačně závislost mezi množstvím kapilár resp. stupněm karbonatace a mezi hodnotami vzlínavosti testovaných betonů.
Během procesu dlouhodobé karbonatace betonů dochází k výrazným disproporcím při porovnání stanovených hodnot obou sledovaných fyzikálních veličin – tedy součinitele difuzního odporu a vzlínavosti. Součinitelé difuzního odporu vláknobetonů se během karbonatace výrazně nemění, vlákna tedy udržují beton nepropustný pro plynný oxid uhličitý. Vzlínavost vlákno i drátkobetonů se během karbonatace zmenší na 50 % původní hodnoty, a to pravděpodobně důsledkem výrazného snížení počtu nebo i utěsněním kapilár na povrchu betonu tlakem nově vzniklého uhličitanu vápenatého.
Hledaná korelační závislost mezi koeficienty difuzního odporu testovaných betonů po 9 měsících uložení v 98% CO2 a mezi dosaženými hodnotami vzlínavosti betonů opět po 9 měsících uložení v 98% CO2 se zdá být relativně těsná pro beton referenční a betony s variantní adicí polymerních vláken, avšak vyjma betonu s náhradou hutného kameniva betonovým recyklátem. Výše hledaná korelační závislost se jeví jako volná pro betony s ocelovými vlákny. Výsledky obou metod, které hodnotí pórovou strukturu a potažmo slouží i k odhadu trvanlivosti testovaných betonů, byly získány na základě odlišných fyzikálních procesů, tedy difuze plynu a vzlínavosti kapaliny. Z dosažených výsledků je patrné, že metoda stanovení koeficientu difuzního odporu a metoda stanovení vzlínavosti betonu jsou i z důvodu rozdílné fáze pracovních médií zcela specifické a nemohou být v širokém spektru betonů vzájemně nahraditelné.
Závěrem lze říci, že referenční beton stáří 28 dní, beton z betonového recyklátu a polymerních vláken a beton s nízkým obsahem ocelových drátků vykazují mírně lepší koeficient difuzního odporu v rámci testovaných receptur, avšak časem se koeficient srovnává s koeficienty jiných vláknobetonů s hutným kamenivem. Stanovená hodnota vzlínavosti se časem úměrně snižuje všem druhům betonů rovnoměrně, bez ohledu na druh adice.
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“.
7. Literatura
- ADÁMEK, J., JURÁNKOVÁ, V., KUCHARCZYKOVÁ, B.: Fibre concrete and its air permeability, in Proceeding of 5th International Conference Fibre Concrete, CTU Praque, Czech Republic, p. 9–14, 2009 [2] CEP-FIP Model Code, Final Draft, Section 5.1.13.: “Properties related to durability”, p. 106–110, Ernst und Sohn, Germany, 2010
- 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
- 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 [2] CEP-FIP Model Code, Final Draft, Section 5.1.13.: “Properties related to durability”, p. 106-110, Ernst und Sohn, Germany, 2010
- ČSN EN 1062-6 „Nátěrové hmoty – Povlakové materiály a povlakové systémy pro vnější zdivo a betony – Část 6: Stanovení propustnosti oxidu uhličitého“, ČNS, 2002
- ČSN 73 1316 „Stanovení vlhkosti, nasákavosti a vzlínavosti betonu“, ČNS, 1989
- ČSN EN 14630 „Výrobky a systémy pro ochranu a opravy betonových konstrukcí – Zkušební metody – Stanovení hloubky zasažení karbonatací v zatvrdlém betonu pomocí fenolftaleinové metody“, ČNS, 2008
Adding structural fibres into concrete has an impact, both positive and negative, on the long-term durability of concrete. Polymer fibres do not resist shrinkage of the concrete, steel fibres, on the other hand, create a tough skeleton preventing deformation. Porous structure of fibre concretes exposed for a long time in the environment of CO2 is estimated using the method of determining the coefficient of diffusion resistence and the method of determining the capillary hight. Comparison of measured capillary hight and diffusion coefficient of fibreconcrete samples bring the knowledge, that close correlation between both quantities does not exist, due to the physical difference between determination of both quantities.