Studium vývoje hydratačních teplot a redukce objemových změn v betonech
Jednou z hlavních charakteristik při betonáži masivních, vodonepropustných konstrukcí a přehradních těles je samotná predikce vzniku trhlin. Tato predikce je spjata s porozuměním mechaniky vývoje hydratačních teplot, jenž ovlivňují zejména zvolené pojivové části betonu. Vhodná kombinace cementu s minerálními příměsemi, stejně jako využití tzv. protismršťovacích přísad se jeví jako účinný nástroj ovlivnění dynamiky vývoje i maximálních hodnot hydratačních teplot. Vhodná volba samotné receptury směsi pak může významně prodloužit celou životnost zmíněných konstrukcí.
Příspěvek je zaměřen na sledování vlivu různých druhů minerálních příměsí na vliv objemových změn cementových past. Rovněž byla sledována spojitost zmíněných objemových změn s vývinem hydratačních teplot těchto past. S cílem minimalizace obou těchto jevů byla taktéž využita protismršťovací přísada.
Článek byl oceněn a vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2020.
1 Úvod
Vývoj hydratačních teplot je přirozeně spjat s exotermními hydratačními reakcemi každého hydratujícího betonu s pojivovou složkou na bázi portlandských cementů. Množství hydratačního tepla bývá pojeno se samotným mineralogickým složením a jemností mletí cementu, jenž bývá běžně měřeno podle ČSN EN 196–11 vodivostní kalorimetrickou metodou [1]. Méně pozornosti bývá věnováno samotnému mapování a dynamice vývoje hydratačních teplot během jednotlivých fází hydratace. Pokud lze efektivně ovlivnit samotný průběh a jednotlivé maximální teploty hydratace, pak bude mít tento fakt dopad i na jiné veličiny. Jednou z těchto veličin je prevence vzniku mikrotrhlin, vyskytujících se právě v důsledku příliš prudkého vývoje hydratačních teplot.
Zmiňovaná prevence je často požadována právě u betonových konstrukcí, kde je kladen důraz např. na působení tlakové či beztlakové vody nebo možného působení kapalných agresivních medií. Tyto požadavky vyžadují zejména konstrukce typu: bílých van, velkých dilatačních celků, masivních bloků či části betonových prvků vodních děl [2].
Cílem tohoto příspěvku je posoudit vliv několika druhů běžně používaných minerálních příměsí, spolu s využitím tzv. protismršťovacích přísad na celkový průběh hydratace s možností redukce maximálních hydratačních teplot. Dále bude snahou zachytit související objemové změny samotných zkoušených cementových past.
2 Metodika
Primárním cílem experimentu bylo využít dostupných možností pro ovlivnění vývoje a maximální redukci hydratačních teplot cementových past, spojených s maximální redukcí smrštění.
Snahou experimentu bylo také potvrdit vliv aktivních a pasivních minerálních příměsí a protismršťovacích přísad. Zkoušené aktivní minerální příměsi (ozn. typ II) lze rozdělit na dva druhy. První druh zahrnuje pucolánově aktivní látky, které obsahují amorfní oxid křemičitý, který reaguje v betonu s minerálem zvaným portlandit. Ten vzniká v betonu v důsledku hydratace. Díky této reakci, která se ale projevuje až z dlouhodobého časového horizontu, dochází také ke zkvalitňování velmi tenké vrstvy (několik µm) tranzitní zóny, která se nachází na rozhraní kameniva a cementového tmele. Další druh zahrnuje latentně hydraulické látky, které potřebují ke své reakci tzv. aktivátor, což je v případě jemně mleté granulované vysokopecní strusky např. cement. Typ I zahrnuje tzv. pasivní neboli inertní příměsi, které mají hlavně vyplňující charakter [3]. Zmíněná protismršťovací přísada je na chemické bázi monoalkoholů a princip fungování vychází ze samotného mechanismu smrštění vysycháním. Jde v podstatě o snížení povrchového napětí vody vyskytující se v pórech betonové směsi o určité velikosti [4].
Jednou z hlavních částí experimentu bylo testování vlivu jednotlivých příměsí a protismršťovacích přísad při měření hydratačních teplot podle semidiabatické metody: ČSN EN 196–9 do 36 hod. od zamíchání [5]. Tato zkouška spočívá v naplnění izolovaných nádob zkoušeným vzorkem cementové pasty, které jsou následně osazeny měřicími teplotními čidly. Po osazení vík jsou nádoby přesunuty do klimatizační komory, z důvodu udržení stabilních laboratorních podmínek prostředí. Další metodou bylo měření celkového smrštění cementových past do 24 hod. od zamíchání pomocí zkušebních zařízení firmy Schleibinger Geräte. Principiálně šlo o naplnění zkušebních kuželů cementovou pastou, kde byl na hladině v jejím středu umístěn plastový terč, který zajišťoval pomocí laseru snímání rozdílů výšky hladiny směsi, tedy měřil smrštění. Je dobré podotknout, že druhá zmiňovaná zkouška není podporována českou normou, avšak pro objasnění některých faktů se projevila jako zcela zásadní [9].
3 Použité suroviny
Celkem bylo v experimentu namícháno 12 zkušebních receptur cementových past. 6 past obsahovalo běžný portlandský cement CEM I 42,5 R ze závodu Mokrá a taktéž tyto příměsi:
- Velmi jemně mletý vápenec ze závodu Kotouč Štramberk
- Granulovaná vysokopecní velmi jemně mletá struska z lokality Dětmarovice
- Vysokoteplotní popílek z lokality Dětmarovice
- Fluidní popílek z lokality Tisová
Dalším krokem bylo využití totožných 6 receptur s použitím stejné dávky SRA (shrinkage-reducing admixture), protismršťovací přísady. Jednotlivé procentuální zastoupení použitých příměsí bylo použito z výpočtu stejného poměrového zastoupení navazujícího experimentu.
Každá receptura obsahovala navážku o hmotnosti 1000 g jemných podílů v celkovém součtu. Jednotlivé receptury lze vidět v následující tabulce:
| Druh receptury | Vodní souč. [–] | Cement CEM I 42,5 R [%] | Vápenec Štramberk [%] | Struska Dětmarovice [%] | Popílek Dětmarovice [%] | Popílek Tisová [%] | Plast. přísada z mp1) [%] | SRA z mp1) [%] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| REF | 0,260 | 100,0 | – | – | – | – | 0,60 | – |
| VÁP | 0,260 | 83,0 | 17,0 | – | – | – | 0,60 | – |
| STR | 0,250 | 80,0 | – | 20,0 | – | – | 0,55 | – |
| POP | 0,240 | 74,0 | – | – | 26,0 | 0,50 | – | |
| POP + F | 0,265 | 74,5 | – | – | 17,0 | 8,5 | 0,62 | – |
| STR + POP | 0,230 | 63,0 | – | 21,0 | 16,0 | – | 0,60 | – |
| REF SRA | 0,260 | 100,0 | – | – | – | – | 0,60 | 1,5 |
| VÁP SRA | 0,260 | 83,0 | 17,0 | – | – | – | 0,60 | 1,5 |
| STR SRA | 0,250 | 80,0 | – | 20,0 | – | – | 0,55 | 1,5 |
| POP SRA | 0,240 | 74,0 | – | – | 26,0 | 0,50 | 1,5 | |
| POP + F SRA | 0,265 | 74,5 | – | – | 17,0 | 8,5 | 0,62 | 1,5 |
| STR + POP SRA | 0,230 | 63,0 | – | 21,0 | 16,0 | – | 0,60 | 1,5 |
| 1) mp zahrnuje hmotnost všech pojivových složek | ||||||||
Uvedené receptury byly navrženy na konstantní konzistenci rozlití 180–190 mm dle ČSN EN 1015–3: Metoda střásacího stolku (bez poklepu) [6]. Další částí bylo ověření využití kombinace dvou druhů aktivních příměsí vysokoteplotního popílku a vysokopecní strusky (STR + POP). Důvodem testování této kombinace bylo využití pozitivních vlastností obou příměsí. V případě strusky se jednalo o zvýšení akcelerace raných pevnostních charakteristik (dodržení pevnostních charakteristik navazujícího experimentu), zatímco vysokoteplotní popílek měl za předpoklad prodloužení doby dosáhnutí maximálních píků hydratačních teplot, díky nižší potřebě vody (ložiskový efekt). Další zajímavou kombinací se jevilo použití fluidního a vysokoteplotního popílku. Tato myšlenka vznikla na popud několika autorů [7], kteří tvrdí, že při vhodném poměru těchto příměsí mohou v cementových kompozitech vznikat novotvary, které brání smrštění již v plastickém stavu. Tvorba těchto novotvarů je pravděpodobně způsobena vyšším obsahem CaO a SO3 [7].
4 Výsledky
Naměřené hodnoty vývinu hydratačních teplot po 36 hod i s časy dosažení maximálních teplot lze spolu s grafickým vyjádřením vidět v následující tabulce.
| Druh receptury | Maximální hydratační teplota – tmax [°C] | Doba dosažení max. hydratační teploty [hod:min] |
|---|---|---|
| REF | 73,2 | 12:32 |
| VÁP | 60,8 | 13:38 |
| STR | 61,0 | 13:18 |
| POP | 52,3 | 15:14 |
| POP + F | 50,8 | 15:10 |
| STR + POP | 45,6 | 13:36 |
| REF SRA | 61,9 | 16:20 |
| VÁP SRA | 49,6 | 16:46 |
| STR SRA | 52,0 | 15:32 |
| POP SRA | 45,4 | 17:10 |
| POP + F SRA | 43,9 | 16:48 |
| STR + POP SRA | 40,5 | 18:26 |
Obr. 1 Vývoj hydratačních teplot po 36 hod.
Z Obr. 1 lze usuzovat, že u všech receptur s využitím minerálních příměsí byl splněn předpoklad dosáhnutí nižších hydratačních teplot. V případě využití jednotlivých minerálních příměsí jsou znatelné rozdíly podle druhů použitých příměsí.
V případě využití cementové pasty s latentně hydraulickou příměsí vysokopecní strusky a neaktivního velmi jemně mletého vápence (obě tmax = 61 °C za 13,5 hod) lze pozorovat téměř totožný strmější nárůst i čas dosažení maximálních hydratačních teplot. Naopak receptury s použitím pucolánových příměsí, popř. jejich kombinace vykazují nižší hodnoty maximálních teplot hydratace i kratší časy k jejich dosažení. Velmi kladně se projevila receptura kombinace fluidního popílku a vysokoteplotního popílku s téměř nejpozvolnějším průběhem hydratace (tmax = 50,8 °C za 15,2 hod.). Tento jev mohl nastat rychlostí reakce, která mohla proběhnout již dříve vyhašením volného CaO. V případě receptury s využitím pouze vysokoteplotního popílku lze vidět velmi podobný charakter jako u předešlé kombinace s jediným rozdílem skutečnosti, že k nárůstu teploty receptury kombinace fluidního popílku a vysokoteplotního popílku dochází rychleji. V rámci dostupné literatury si lze tento fakt vysvětlit, že mohlo dojít ke zvýšení aktivity vysokoteplotního popílku, pomocí popílku fluidního [8].
Velmi kladně lze zhodnotit použitou protismršťovací přísadu, která měla za účinek celkové snížení maximálních hydratačních teplot a zároveň celkové rozvolnění celé doby hydratace. Tento plynulejší nárůst teplot je velmi důležitý pro zamezení a možný vznik mikrotrhlin, kdy daná cementová pasta nemá ještě dostatečnou pevnost v tahu pro přenos těchto sil [8].
Obr. 2 Průběh smrštění cementových past
Z předchozího Obr. 2 je patrné, že si prakticky funkčně odpovídá s Obr. 1. V rámci sledovaných receptur lze vidět nejvyšší hodnoty i nárůst smrštění přirozeně u čistě cementové pasty (1382 µm). Stejně jako u předchozího experimentu i zde vykazovaly receptury s využitím minerálních příměsí nižší hodnoty smrštění než receptury referenční. Z Obr. 2 je zřejmé, že nejintenzivnější nárůst smrštění nastává do 14 hod. od zamíchání směsi (v případě SRA směsí 8 hod.). Z hlediska použitých příměsí se na redukci smrštění pozitivně projevila zejména příměs vysokoteplotního popílku (1086 µm). U všech receptur bez použití SRA docházelo stále k nárůstu smrštění i po 24 hod. měření.
Zcela odlišný průběh vykazovaly receptury se SRA, které dosahovaly maximálního smrštění v určitém čase, kde následné smrštění dále už jen klesalo. Tohoto faktu lze využít, kdy v podstatě víme čas dosažení nejrizikovějšího (nejvyššího) smrštění, což může být výhodné zejména u konstrukcí masivních staveb. Nejvyšší redukce smrštění bylo dosaženo při využití SRA a vysokoteplotního popílku s vysokopecní struskou (717 µm) celkem 48 %, což bylo zásadní pro navazující experiment. U receptury kombinace vysokoteplotního popílku a fluidního popílku se nepodařilo dokázat předpokládaný vznik novotvarů bránící smrštění, jelikož v případě použití se SRA docházelo stále k nárůstu smrštění. Tato skutečnost se mohla pojit s daným použitým fluidním popílkem.
5 Závěr
Zmíněný experiment měl za úkol ověřit vliv jednotlivých druhů minerálních příměsí na vývoj hydratačních teplot a redukci objemových změn betonů. Provedené zkoušky byly ověřeny na cementových pastách, které byly výchozí pro navazující experiment. V experimentu se podařilo prokázat vliv zejména aktivních příměsí na redukci maximálních hodnot hydratačních teplot, ale i celkové rozložení doby pro jejich dosažení.
Velmi účinně se rovněž projevilo použití protismršťovací přísady, která ještě výrazněji redukuje zmíněné maximální hydratační teploty až o 28 °C (u receptury s vysokoteplotním popílkem a vysokopecní struskou oproti referenční receptuře) viz Tab. 1 a rozvolňuje dobu k jejímu dosažení. Zároveň byl prokázán pozitivní vliv aktivních příměsí (vysokoteplotního popílku a vysokopecní strusky) na redukci a průběh smrštění cementových past. Taktéž bylo upozorněno na fakt, že pomocí SRA lze korigovat čas dosažení maximálního smrštění, což se pro praxi jeví jako zcela zásadní. Při navazování experimentu budou v následujících částech využity různé typy popílků s odlišnými měrnými povrchy, které mohou významně ovlivnit proběhlé i budoucí zkoušky.
6 Poděkování
Příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu: FAST-S-19-5985 Optimalizace měrného povrchu různých typů popílků vzhledem k indexu účinnosti.
7 Použité zdroje
- ČSN EN 196-11 Metody zkoušení cementu – Část 11: Stanovení hydratačního tepla – Izotermní vodivostní kalorimetrická metoda. 2019. Praha: ÚNMZ.
- STABEL, B. a C. DU. Problems and experience in temperature control for mass concrete of Baglihar gravity dam with long construction blocks. In: New Developments in Dam Engineering. London: Taylor & Francis, 2014. ISBN 04 1536 240 7.
- PYTLÍK, Petr. Technologie betonu I. Brno: CERM, 1994. ISBN 8085867079.
- EBERHARDT, Bernd. On the Mechanisms of Shrinkage Reducing Admixtures in Self Consolidating Mortars and Concretes. Germany, Aachen: Shaken Verlag, 2011. ISBN 3844000275.
- ČSN EN 196-9 Metody zkoušení cementu – Část 9: Stanovení hydratačního tepla – Semiadiabatická metoda. 2010. Praha: ÚNMZ.
- ČSN EN 196-9 Metody zkoušení cementu – Část 9: Stanovení hydratačního tepla – Semiadiabatická metoda. 2000. Praha: ÚNMZ.
- OSUSKÁ, Lucia a Rudolf HELA. Use of fluidized bed combustion fly ash as addition reducing shrinkage of concrete. In Binders, Materials and Technologies in Modern Construction II. Switzerland, 141–144. ISSN 1662-9752.
- PIKNA O., Studium možností redukce objemových změn a vývoje hydratačních teplot v betonech. Brno, 2018. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technologie stavebních hmot a dílců. Vedoucí práce prof. Ing. Rudolf Hela, CSc.
- Schleibinger Gërate [online]. 2019 [cit. 2019-11-09]. Dostupné z:
http://www.schleibinger.com/cmsimple/en/?Shrinkage:Shrinkage-Cone
Komentář Milana Fenyka z firmy Cemex:
„V článku nejsou zařazeny směsné cementy, ale jednotlivé kombinace je částečně nahrazují. Zajímavé by bylo porovnání Cem III/B 32,5 N a třeba i cem II/B-M 32,5R včetně protismršťovací přísady. Výzkum využití protismršťovacích přísad je velmi zajímavý a do budoucna by mohl pomoci u masivních konstrukcí a bílých van.“
One of the main characteristics in the concreting of massive, waterproof and dam structures is the prediction of crack formation. This prediction is connected with the understanding of mechanism hydratation temperatures development in concrete that affects in particular the selected parts of binder. Suitable combination of cement and mineral admixtures, as well as the usage of shrinkage reducing admixtures appears to be an effective tool for influencing the dynamics of development and maximum values of hydration temperatures. Appropriate selection of the concrete formulation can significantly extend the mentioned structures lifetime.
The article is focused to a monitoring of influence of different mineral admixtures on influence of volume changes of cement pastes. Furthermore, in this article was monitored connection between volume changes and hydratation temperatures development of cement pastes. With the target of minimalization both these phenomena were used shrinkage reducing admixture.