Vhodnost variantních testů permeability pro odhad trvanlivosti vláknobetonů s betonovým recyklátem i bez něho
Výsledky prezentovaných zkoušek ukazují, že jak metoda TORRENT, tak i ISAT mohou být použity k odhadu trvanlivosti betonu i vláknobetonu s hutným kamenivem. V případě betonu obsahujícího betonový recyklát se však metoda TORRENT nezdá být dostatečně účinná. Pro beton s betonovým recyklátem není taktéž vhodná ani metoda stanovení propustnosti pro CO2.
1. Úvod
Trvanlivost výrobku je schopnost udržet požadované ukazatele svých charakteristik po dobu, kdy je vystaven předvídaným zatížením. Životnost díla závisí na trvanlivosti dílčích složek + na jejich běžné údržbě a opravě [1]. Důležitým ukazatelem v tomto směru je povrchová vrstva betonu, resp. její propustnost, tvořící jakousi „vstupní bránu“ pro různé škodlivé látky [2, 3]. Výzkum trvanlivosti se zabývá převážně studiem fyzikálně-mechanických a chemických porušení betonu. Trvanlivost betonu může být ovlivněna mnoha faktory, jako např. působení slunečního záření, změny teploty, zmrazování, působení agresivních a atmosférických plynů. Další ovlivňující faktory mohou být např. použití nevhodného materiálu, nesprávné složení čerstvého betonu, nedostatečné krytí výztuže, špatné ošetřovaní betonu, nedokonalé zhutnění, atd [4].
V práci jsou zvolené receptury betonů podrobeny testům na povrchovou propustnost betonu, a také testu difuze CO2. Laboratorně stanovené propustnostní charakteristiky jsou vyneseny do společného grafu s cílem nalezení možných závislostí.
2. Experimentální část, popis zkušebních metod, složení betonové směsi
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. Třídy kvality povrchové vrstvy betonu jsou znázorněny v Tab. 1 a řez přístrojem TORRENT je na Obr. 1.
Obr. 1 Proudění vzduchu ve vakuových komorách přístroje 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 |
Druhá zkušební metoda, zařízení ISAT, se používá pro určení propustnosti povrchové vrsvy betonu horší kvality. Principem zkoušky je stanovit, jaký objem vody (měřeno dílky kalibrované skleněné kapiláry) je konstantním přetlakem 200 mm vodního sloupce pohlcen povrchovou vrstvou betonu o známé ploše (Obr. 2). Zatřídění betonu podle propustnosti povrchové vrstvy je uvedeno v Tab. 2.
Obr. 2 Měřicí souprava ISAT
| propustnost betonu | tok vody [ml.m−2.s−1] | |||
|---|---|---|---|---|
| intervaly měření | ||||
| 10 min | 30 min | 60 min | 120 min | |
| vysoká | > 0,5 | > 0,35 | > 0,2 | > 0,15 |
| střední | 0,25–0,5 | 0,17–0,35 | 0,10–0,20 | 0,07–0,15 |
| nízká | < 0,25 | < 0,17 | < 0,1 | < 0,07 |
Zkušební vzorky pro metodu stanovení propustnosti CO2, byly připraveny oddělením částí z jádrového vývrtu jednotlivých druhů betonu. Následně byla tělesa utěsněna v nádobách (Obr. 3) a poté vystavena proudění CO2. Nádoby obsahovaly látku absorbující CO2, v našem případě se jednalo o KOH (Obr. 4). Propustnost CO2 se stanovila z nárůstů hmotnosti KOH, který se vážil po 24 hodinách. Stanovení propustnosti CO2 bylo ukončeno po dosažení ustáleného stavu, kdy přírůstek hmotnosti zůstal po dvou následných váženích konstantní.
Obr. 3 Utěsnění vzorku v nádobě a vážení
Obr. 4 KOH před a po ukončení zkoušky
Celkem byly připraveny 4 receptury betonů, do kterých byly přimíchány různé dávky vláken. Variantně bylo u jedné receptury nahrazeno přírodní kamenivo betonovým recyklátem frakce 0–16 mm (viz Tab. 3 – rec. C). Cement byl použit CEM II/B-S 32,5R. Pro přípravu referenčních betonů, neobsahujících kamenivo z recyklovaného betonu, bylo použito přírodní hutné kamenivo obsahující drobné kamenivo frakce 0–4 mm z pískovny Bratčice, přírodní těžené kamenivo frakce 4–8 mm z Tovačova, drcené 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. U všech receptur byl použit plastifikátor CHRYSOPLAST 760. Pro receptury s polymerními vlákny byla použita vlákna FORTA FERRO délky 5 cm.
| označení betonu | cement [kg/m3] | kamenivo | vodní součinitel [–] | plastifikátor [%] z mc | PP vlákna [kg/m3] | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0–4 mm [kg/m3] | 4–8 mm [kg/m3] | 8–16 mm [kg/m3] | |||||
| O | 490 | 890 | 100 | 745 | 0,34 | 1 | 0 |
| B | 490 | 890 | 100 | 745 | 0,36 | 1 | 9,1 (1%) |
| HV | 490 | 890 | 100 | 745 | 0,35 | 1 | 1,37 (0,15%) |
| C | 490 | 890 | 100 | 633 rec | 0,43 | 1 | 9,1 (1%) |
3. Naměřené hodnoty, diskuse výsledků
Všechny tři zkoušky propustnosti byly provedeny po třech měsících zrání betonu (1 měsíc ve vodním uložení + 2 měsíce v laboratorním prostředí).
V Tab. 4 jsou uvedeny výsledky měření metodou TORRENT, a to po přepočtu na 3% vlhkost betonu.
| označení betonu | aktuální hmotnostní vlhkost | korekce hodnoty Kt pro w = 3 % | hloubka vniknutí vakua L | kvalita vrstvy betonu pro w = 3 % |
|---|---|---|---|---|
| průměr | průměr | průměr | průměr | |
| [%] | [×10−16 m2] | [mm] | ||
| O (beton z přírodního kameniva bez vláken) | 2,92 | 0,003 | 4,1 | velmi dobrá |
| B (beton z přírodního kameniva + 1 % PP vláken) | 3,25 | 0,007 | 4,2 | velmi dobrá |
| HV (beton z přírodního kameniva + 0,15 % PP vláken) | 3,42 | 0,011 | 4,5 | dobrá |
| C (beton z betonového recyklátu + 1 % PP vláken) | 3,68 | 0,035 | 6,3 | dobrá |
V Tab. 5 jsou uvedeny výsledky zkoušky ISAT, a to po 10, 30 i 60 minutách měření. V konečném srovnání jsou použity pouze výsledky po 60 minutách měření.
| označení betonu | aktuální hmotnostní vlhkost | propustnost po 10 min od začátku testu | absorpce betonu | propustnost po 30 min od začátku testu | absorpce betonu | propustnost po 60 min od začátku testu | absorpce betonu |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| průměr | průměr | průměr | průměr | průměr | průměr | průměr | |
| [%] | [ml/m2/s] | [ml/m2/s] | [ml/m2/s] | ||||
| O | 2,92 | 0,010 | nízká | 0,007 | nízká | 0,005 | nízká |
| B | 3,25 | 0,041 | nízká | 0,028 | nízká | 0,015 | nízká |
| HV | 3,42 | 0,063 | nízká | 0,029 | nízká | 0,019 | nízká |
| C | 3,68 | 0,064 | nízká | 0,034 | nízká | 0,024 | nízká |
V Tab. 6 jsou uvedeny hodnoty vypočítané z konstantního přírůstku hmotnosti KOH. Do společného porovnání budou použity hodnoty propustnosti CO2 [g/m2d].
| označení betonu | propustnost CO2 | difuzně ekvivalentní tloušťka vzduchové vrstvy | koeficient difuzního odporu |
|---|---|---|---|
| průměr | průměr | průměr | |
| [g/m2d] | [m] | [–] | |
| O | 24,558 | 10,099 | 673,248 |
| B | 44,436 | 5,581 | 372,071 |
| HV | 57,105 | 4,343 | 289,527 |
| C | 36,160 | 6,858 | 457,228 |
| označení betonu | TORRENT | ISAT (po 60 min. od začatku testu) | propustnost CO2 |
|---|---|---|---|
| průměr | průměr | průměr | |
| % | % | % | |
| O | 100 | 100 | 100 |
| B | 233,3 | 300 | 181 |
| HV | 366,6 | 380 | 232,5 |
| C | 1166,6 | 480 | 147,2 |
Obr. 5 Srovnání výsledků jednotlivých zkušebních metod
Jak lze odvodit z grafů Obr. 5, polymerní vlákna propustnost pro plyny i vodu spíše podporují. Metoda TORRENT a ISAT vykazuje poměrně podobné výsledky, kdy nejnižší propustnosti vychází u prostého betonu bez vláken a nejvyšší propustnost u betonového recyklátu s polymerními vlákny. Tento výsledek se dal očekávat z důvodu, že recyklát má vyšší pórovitost než přírodní kamenivo. Zajímavé výsledky se jeví u receptur B (beton z přírodního kameniva + 1 % PP vláken) a HV (beton z přírodního kameniva + 0,15 % PP vláken), kdy jsou propustnosti nižší u betonu s větším množstvím vláken, a to u všech tří metod. I když vlákna propustnosti zvyšují, tak v Tab. 4 a 5 můžeme vidět, že stanovené hodnoty se stále drží na velmi dobrých hodnotách. Při použití metody TORRENT je stanovená propustnost velmi dobrá až dobrá a u metody ISAT je propustnost nízká.
Výsledky získané metodou propustnosti CO2 u prvních tří receptur v podstatě korespondují s předešlými dvěma metodami. Rozdíl však vzniká u receptury C (beton z betonového recyklátu + 1 % PP vláken), kdy vychází hodnota výrazně nižší. Tento výsledek může být způsoben mnoha vlivy, nejpravděpodobněji se jeví vznik chemické reakce a částečné utěsnění betonu. Také odběr z různé hloubky vývrtu může mít značný vliv na výsledek.
4. Závěr
Výsledky získané metodou TORRENT a ISAT vychází ve velmi dobré úměrnosti u všech zkoušených receptur betonů. Výsledky metody propustnosti CO2 se mírně liší, oproti výsledkům dle metody TORRENT a ISAT, u receptury C, což je s největší pravděpodobností efekt chemických pochodů uvnitř betonu.
Zdá se, že větší množství vláken má na propustnost betonu pozitivnější vliv, než množství menší. Celkově však polymerní vlákna a betonový recyklát mohou způsobit zhoršení trvanlivosti betonu, ne ale výrazně.
5. Poděkování
Tento příspěvek vznikl za podpory projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Advanced Building Materials, Structures and Technologies“, supported by Ministry of Education, Youth and Sports under the „National Sustainability Program I“.
6. Literatura
- STEHLÍK, Michal, NOVÁK, Jiří: Verification of the effect of concrete surface protection on the permeability of acid gases using accelerated carbonation depth test in an atmosphere of 98 % of CO2. Ceramics-Silikáty. 2011. 55(1). p. 79–84. ISSN 0862-5468.
- MATOUŠEK, Milan, DROCHYTKA, Rostislav: Atmosférická koroze betonu. Praha. IKAS+ČKAIT. p. 14–16. 1998.
- SEBӦK, Tibor: Přísady a přídavky do malt a betonů. SNTL. Praha. p. 133–139. 1985.
- COLLEPARDI, Mario: Moderní beton. ČKAIT+ČBS. Praha. p. 203–225. 2009. 1985.
Předkládaný článek popisuje použití tří metodik, které charakterizují prostupnou kapilární porózitu povrchových vrstev betonu. Tyto povrchové vrstvy, jejichž cílem je v maximální míře ochránit v železobetonových konstrukčních prvcích zabudovanou výztuž, mají pro zachování dlouhodobé stability – životnosti železobetonových konstrukčních prvků mimořádný význam. Cílem současných normových předpisů je proto striktně definovat dostatečnou tloušťku krycí vrstvy betonu nad výztuží a současně zajistit co nejvyšší možnou – účelnou hutnost krycích vrstev betonu.
Je samozřejmé, že kapilární porozita betonu je ovlivňována řadou materiálových a technologických faktorů, takže její odhad na základě parametrů složek či použité technologii je velmi nepřesný.
Použití metod, které umožňují charakterizovat hutnost – difúzní prostupnost povrchových vrstev, má proto značný význam při hodnocení jednotlivých receptur ať již s použitím přírodního kameniva či kameniva recyklovaného ze staršího betonu.
V článku jsou stručně, ale velmi výstižně popsány jednotlivé metodiky, zaměřující se na charakterizaci kapilárního pórového systému, a to jak měřením prostupu vzduchu těmito vrstvami, tak měřením prostupu vody a ve třetím případě pak vzdušného oxidu uhličitého. Metody byly testovány na čtyřech recepturách s použitím recyklovaného kameniva i polypropylénových vláken. Výsledky jsou v závěru numericky i graficky porovnány a poskytují čtenáři velmi dobrý vhled do této problematiky.
Do budoucna by bylo nepochybně velice užitečné, kdyby parametry, zjišťované těmito metodami, se staly možnou specifikací betonu tak, jako je tomu např. v případě mrazuvzdornosti či vodotěsnosti.
I když v současnosti jsou tyto metody používány spíše okrajově a především v laboratorních podmínkách, bude jejich postupné prosazení in situ zejména v případě velkých infrastrukturních projektů nepochybně velmi potřebné a účelné.
The test results show that both TORRENT and ISAT methods can be used to assess the durability of both concrete and fibre concrete with dense aggregate. In the case of concrete containing concrete recyclate, however, the TORRENT method was not effective. Also the method of determining the permeability for CO2 was not suitable for the concrete with concrete recyclate.