Změna pórové a kapilární struktury vláknobetonů v prostředí koncentrovaného CO₂
Přidání konstrukčních vláken do betonu má pozitivní i negativní dopad na dlouhodobou životnost betonu. Polymerní vlákna vzhledem k jejich nízkému modulu pružnosti nepomáhají vždy betonu ustát jeho různorodé deformace. Ocelová vlákna na druhé straně vytvářejí tvrdou kostru zabraňující různorodé deformaci, avšak s možností negativního oddělení cementového tmele od vláken. Stav pórové struktury vláknobetonů exponovaných po dlouhou dobu v prostředí CO2 může být detekován pomocí metody stanovení koeficientu difuzního odporu a variantně pomocí metody stanovení kapilární vzlínavosti. Během procesu dlouhodobé karbonatace vláknobetonů dochází k výrazným změnám sledovaných hodnot obou fyzikálních veličin – tedy koeficientu difuzního odporu a vzlínavosti.
1. Úvod
Vláknobetony jsou moderní stavební materiály s dostatečně prověřenými mechanickými i přetvárnými vlastnostmi. Adice dlouhých polymerních vláken (tzv. konstrukčních) do čerstvé betonové směsi může vylepšit některé mechanické vlastnosti budoucího zatvrdlého betonového kompozitu. Na druhé straně se přítomnost vláken v betonovém kompozitu může projevit i negativně [1]. Rozptýlená vlákna jsou schopna vylepšit nízkou pevnost betonu v tahu, 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 negativně ovlivňována převážně množstvím a vzájemným propojením pórů a kapilár [4]. Proto bude jistě přínosné laboratorně stanovit základní fyzikální charakteristiky jeho pórové struktury, a sice koeficient difuzního odporu [5] a vzlínavost [6]. Obě charakteristiky budou stanoveny u vzorků betonů uložených v přirozeném prostředí i v prostředí koncentrovaného CO2 [7]. Koeficient 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 je zaměřena na stanovení fyzikálních charakteristik (koeficient difuzního odporu, vzlínavost) kapilárně pórové struktury vláknobetonů po 1 měsíci zrání ve vlhkém uložení a variantně po 9 měsících uložení v 98% CO2. Stanovené charakteristiky mohou být použity 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. Každá receptura je vždy zastoupena třemi odpovídajícími segmenty a třemi trámci.
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 Tabulka 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 diskuse
Zkouška stanovení koeficientu difuzního odporu byla provedena ve dvou etapách, a to po 1 měsíci 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 čerstvých betonů 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. Povrch betonů prošlých karbonatačním procesem byl vystaven objemovým změnám 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 1 měsíci zrání ve vlhkém uložení a po 9 měsících expozice vzorků v 98% CO2. Z grafu na Obr. 5 je zřejmé, že počáteční vzlínavost u čerstvých betonů 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
Zkouška prokázala, 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.
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 vystavených karbonataci. V případě betonů s náhradou přírodního hrubého kameniva betonovým recyklátem a s příměsí polymerních vláknen 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. odvozeně i dobou karbonatace) a mezi hodnotami vzlínavosti testovaných betonů.
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.
Výsledky obou metod, které hodnotí kapilárně 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 při měření na širokém spektru betonů vzájemně zaměnitelné.
7. Přínos pro praxi
Vláknobeton či v případě oceli drátkobeton je moderní stavební materiál, používaný stále častěji pro konstrukci podlahových desek, ostění tunelů či např. samonosných schodišť s vyloučením orientované výztuže. Projektanti se učí využívat laboratorně prokázané výhodné pevnostní i duktilitní vlastnosti vláknobetonů, avšak jejich trvanlivost v agresivním prostředí není doposud objektivně zhodnocena. Obecně platí, že trvanlivost betonu je nejvíce ovlivněna ne objemem, ale především vzájemným propojením pórů a kapilár. Obě testované metody, tedy metoda stanovení difuzního odporu a metoda stanovení vzlínavosti, se ukázaly pro hodnocení kapilárně pórového systému zatvrdlých betonů jako vhodné, stanovené výsledky z obou metod je však nezbytné vyhodnotit samostatně. Nutno také vzít v potaz, že kapilární struktura betonů se jejich stárnutím bude měnit vlivem chemicko-fyzikálních účinků agresivního prostředí.
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
- 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
- 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
The addition of structural fibres to concrete has a positive and negative impact on the long-term life of concrete. Polymer fibres, given their low flexibility module, do not always help the concrete to sustain its diverse deformations. Steel fibres on the other side create a hard skeleton to prevent varied deformation, but with the possibility of negative separation of cement paste from fibres. The state of the pore structure of fibre concrete exposed over a long period of time in the CO2 environment can be detected using the method of determining the diffuse resistance coefficient and alternatively the method of determining the capillary elevation. During the process of long-term carbonation of fibre concrete, significant changes occur in the observed values of both physical quantities -- that is, the diffuse resistance coefficient and capillary elevation.