Porovnání vlivu vodního součinitele a různých typů vláken na vznik trhlin v raném věku betonu
Článek informuje o výsledcích výzkumu, který je zaměřen na stanovení vzniku a rozvoje trhlin od reologických procesů v raném věku u různých betonů. Jednotlivé receptury se liší jednak hodnotou vodního součinitele a jednak druhem použitých vláken.
1. Úvod do problematiky
Beton je v současné době jeden z nejpoužívanějších stavebních materiálů. Betonové konstrukce jsou běžně navrhovány s životností 50 i 100 let. Pro udržení dobré kondice betonové konstrukce je důležitá trvanlivost tohoto materiálu, tj. schopnost odolávat agresivním vlivům prostředí.
Z tohoto úhlu pohledu jsou významné vlastnosti krycí vrstvy betonu, což je vrstva, která chrání výztuž před agresivními látkami pronikajícími do betonové konstrukce z vnějšího prostředí. Bohužel právě tato vrstva je nejvíce vystavena vzniku trhlinek od autogenního a plastického smršťování a sedání. V místě vzniku těchto trhlinek potom při působení zatížení vznikají a prohlubují se větší trhliny, které mají negativní dopad na nepropustnost krycí vrstvy, a tím na trvanlivost celé konstrukce.
Aktuální trvanlivost betonu není snadné jednoznačně určit. V současnosti probíhá diskuze, podle kterých parametrů tuto vlastnost nejlépe hodnotit. Část expertů se kloní k tomu stanovovat aktuální trvanlivost podle vlastností krycí vrstvy, respektive její propustnosti pro vzduch, eventuálně vodu.
2. Experimentální část
Experimentální práce byly zaměřeny na stanovení vzniku a rozvoje trhlin u jednotlivých receptur s různým vodním součinitelem a různým typem použitých vláken. Na dalších tělesech byla sledována propustnost povrchové krycí vrstvy pro vzduch jako odhad aktuální trvanlivosti betonu. Dále byly pro úplnost zjišťovány hodnoty krychelných pevností jednotlivých betonů ve stáří 28 dnů.
2.1 Výroba čerstvého betonu
Pro výrobu čerstvého betonu bylo použito hrubé kamenivo dvou frakcí: 4–8 mm a 8–16 mm, drobné těžené kamenivo 0–4 mm, cement CEM I – 42,5 R, voda a případně vlákna (Stavon, respektive Econo-Net).
Pro míchání čerstvého betonu byla použita míchačka s nuceným oběhem. Nejprve bylo do míchačky nadávkováno hrubé kamenivo obou frakcí, dále drobné těžené kamenivo a polovina dávky vody. Po krátkém promíchání kameniva s vodou byl přidán cement a dále druhá polovina dávky vody. Pokud byla do betonu dávkována vlákna, dělo se tak hned na počátku míchání – vlákna byla přidávána ke hrubému kamenivu, aby mohlo dojít k jejich optimálnímu rozptýlení v čerstvém betonu.
| CEM I 42,5 R [kg] | DTK 0–4 mm [kg] | HK 4–8 mm [kg] | HK 8–16 mm [kg] | voda [l] | w/c – |
|---|---|---|---|---|---|
| 349 | 760 | 380 | 760 | 157 | 0,45 |
| 349 | 724 | 362 | 724 | 192 | 0,55 |
| 349 | 686 | 343 | 686 | 227 | 0,65 |
Pro každý vodní součinitel byla vybetonována tzv. referenční směs bez vláken a dále dvě směsi s vlákny, a to Stavon (polymerní monofilamentní mikrovlákna, délka vláken 12 mm) a Econo-Net (polypropylenová vlákna vyráběná ve fibrilované formě, délka vláken 38 mm). Vlákna byla dávkována v množství doporučeném výrobcem, tj. 600 gramů na 1 m3 čerstvého betonu.
2.2 Zkušební tělesa a metodika měření
Pro účely experimentálních prací byla zhotovena tělesa pro stanovení krychelných pevností a stanovení propustnosti povrchové vrstvy pro vzduch přístrojem TPT (Torrent Permeability Tester) – krychle o hraně 150 mm.
| Kvalita krycí vrstvy | 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 |
Měření propustnosti betonu pro vzduch přístrojem TPT spočívá v měření proudění vzduchu do vnitřní komory přístroje. Základními prvky přístroje jsou dvoukomorová vakuová buňka a regulátor tlaku, které obstarávají proudění vzduchu do vnitřní komory orientované kolmo k povrchu zkoušené konstrukce. Přístroj pracuje ve spojení s vakuovým čerpadlem. Třída kvality krycích vrstev betonu z hlediska trvanlivosti se stanovuje dle Tabulky 2.
Pro měření vzniku a rozvoje trhlin byla vyrobena tělesa se třemi vruby, z nichž jeden je vysoký 78 mm a dva menší mají výšku 38 mm, přičemž forma má výšku 100 mm. Forma je přehledně vykreslena na obr. 1.
Měření šířky trhlin bylo realizováno po délce formy 350 mm v úsecích po 50 mm. V první fázi bylo měření realizováno příložnou měřicí šablonou s přesností 0,05 mm, v druhé fázi, kdy již byl povrch betonu schopen unést mikroskop, bylo měření realizováno mikroskopem s přesností 0,01 mm.
Obr. 1: Forma pro měření vzniku a rozvoje trhlin
3. Naměřená data
| receptura | kT [m2] | p [mbar] | L [mm] | hm. vlhkost [%] | kvalita |
|---|---|---|---|---|---|
| referenční | 0,229E−16 | 70 | 31,0 | 3,2 | střední |
| Stavon | 0,082E−16 | 83 | 14,0 | 2,8 | dobrá |
| Econo-Net | 0,161E−16 | 77 | 24,1 | 3,4 | střední |
3.1 Měření vzduchové propustnosti
V tabulkách 3–5 je seznam průměrných naměřených hodnot koeficientů vzduchové propustnosti kT, hloubky průniku vzduchu L a tlaků vyvozených při zkoušce Δp.
| receptura | kT [m2] | p [mbar] | L [mm] | hm. vlhkost [%] | kvalita |
|---|---|---|---|---|---|
| referenční | 0,356E−16 | 72 | 28,6 | 2,6 | střední |
| Stavon | 0,097E−16 | 101 | 21,0 | 2,8 | dobrá |
| Econo-Net | 0,306E−16 | 126 | 36,0 | 2,4 | střední |
| receptura | kT [m2] | p [mbar] | L [mm] | hm. vlhkost [%] | kvalita |
|---|---|---|---|---|---|
| referenční | 0,055E−16 | 74 | 15,8 | 2,7 | dobrá |
| Stavon | 0,108E−16 | 83 | 22,0 | 2,7 | střední |
| Econo-Net | 0,151E−16 | 79 | 26,2 | 2,5 | střední |
3.2 Měření vzniku a rozvoje trhlin
Z níže uvedených grafů je možné vyčíst, jak přidání vláken a změna vodního součinitele ovlivní šířku vznikající trhlinky.
Graf 1: Šířka trhliny v závislosti na čase pro w/c = 0,65
Graf 2: Šířka trhliny v závislosti na čase pro w/c = 0,55
Graf 3: Šířka trhliny v závislosti na čase pro w/c = 0,45
| Receptura w/c | Pevnost [MPa] | ||
|---|---|---|---|
| Referenční | Stavon | Econo-Net | |
| 0,45 | 54,52 | 54,52 | 55,21 |
| 0,55 | 41,65 | 42,82 | 43,78 |
| 0,65 | 37,33 | 35,53 | 36,30 |
3.3 Měření krychelných pevností
Krychelné pevnosti byly měřeny dle platné ČSN EN 12390 – Zkoušení ztvrdlého betonu, pevnost v tlaku zkušebních těles. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v tabulce 6.
4. Závěr
Z hlediska vzduchové propustnosti vykazuje povrchová vrstva poměrně vyrovnané vlastnosti, co se týká její kvality. U směsí s vyšším vodním součinitelem se jeví velice účinné použití vláken, u směsi s vodním součinitelem 0,45 se použití vláken pro zvýšení trvanlivosti zdá zbytečné.
Trhliny v raném věku vznikaly nejvýrazněji u receptury s nejvyšším vodním součinitelem. Použití vláken jejich vznik výrazně eliminovalo u receptur s vyšším vodním součinitelem, u receptury s vodním součinitelem 0,45 se použití vláken jeví jako neefektivní.
Krychelné pevnosti byly logicky nejvyšší u receptury s nejnižším vodním součinitelem, se zvyšujícím se vodním součinitelem pevnosti klesaly. Použití vláken se na velikosti krychelných pevností neprojevilo.
Poděkování
Tento text vznikl za podpory projektů GAČR 103/09/0065 Omezení vzniku a rozvoje trhlin v betonových mostech a FAST-J-11-12 Měření propustnosti betonu NDT metodami jako podklad k odhadu aktuální trvanlivosti.
Literatura
- [1] KADLECOVÁ, Z.; ODEHNALOVÁ, P., ADÁMEK, J.: Porovnání výsledků zkoušek propustnosti povrchové vrstvy pro vzduch a vodu. Betonárské dni 2010. Bratislava
- [2] ODEHNALOVÁ, P.; KADLECOVÁ, Z., ADÁMEK, J.: Hodnocení povrchové vrstvy betonu zkouškami propustnosti, Betonárské dni 2010, Bratislava
- [3] ADÁMEK, J., JURÁNKOVÁ, A.: Detection of Imperfection in Concrete Structure from Durability Viewport. XVI. International Conference MCM – Machanics of Composite Materials 2010, Latvia
- [4] ŠMERDA, Zdeněk. Trhliny v raném věku betonu. Článek v rámci grantu 103/96/1023 „Metody predikce a omezení nepříznivých projevů objemových změn“
- [5] ŠMERDA, ZDENĚK. Objemové změny betonu a jejich účinky na konstrukci, Beton a zdivo 1997/2
- [6] PROCHÁZKA, Jaroslav. Definice, názvosloví, trhliny v nosných a nenosných konstrukcích, Sborník ze semináře CONCON 98, vydáno 1998
- ČSN EN 12390 – Zkoušení ztvrdlého betonu
Téma považuji za vysoce aktuální, a to zejména s ohledem na to, že polypropylénová vlákna jsou do betonových směsí poměrně často dávkována, přičemž v odborné veřejnosti je velmi obvykle vyvolávána představa, že přísada těchto vláken je schopna významným způsobem eliminovat za jakékoliv situace nejrůznější typy trhlin.
Předložený článek kriticky hodnotí zjištěné výsledky a správně poukazuje na okolnost, že přísada vláken je efektivní pouze u směsí s vyšším vodním součinitelem, a současně i na to, že přísada polypropylénových vláken je schopna částečně eliminovat vznik trhlin pouze „v raném věku“ betonu. Metodika provedených experimentů je standardní a prezentované závěry jsou korektně experimentálně podloženy a lze je charakterizovat jako průkazné.
Doc. Ing. J. Dohnálek, CSc.
This paper reports the results of research, which is aimed at determining the formation and development of cracks from rheological processes at an early age in various types of concrete. Individual recipes differ in the value of the coefficient of water and also the type of fibers.