Ťažký betón: Vlastnosti, použitie a výskum v stavebníctve

Betón je najpoužívanejší stavebný materiál obľúbený najmä pre pevnosť v tlaku, možnosť sformovať žiadaný tvar pri oveľa menšej prácnosti ako pri kresaní prírodného kameňa, pre nižšiu cenu ako pri iných stavebných látkach, objemovú stálosť, trvanlivosť, odolnosť proti vysokým teplotám a vplyvu chemicky pôsobiacich látok. Betón je jedným z najdôležitejších a najuniverzálnejších stavebných materiálov používaných na celom svete. Svojími vlastnosťami patrí cementový betón (CB) medzi najpoužívanejšie stavebné materiály.

Je ľahko tvarovateľný a umožňuje s pomocou debnenia vytvoriť v rámci statických možností rozmanité tvary. Jeho schopnosť formovať sa do rôznych tvarov a jeho výnimočná odolnosť prispievajú k jeho obľúbenosti pri stavbe všetkého, od komplexných infraštruktúr ako mosty a mrakodrapy až po jednoduché chodníky v obytných zónach.

História a zloženie betónu

Predchodcovia betónu, ktorí sú zložením veľmi podobní dnešnému betónu, siahajú do ďalekej histórie. Starí Egypťania používali ako stavebný materiál zmes piesku, kamenných úlomkov a riečneho bahna. Moderný betón, ktorý sa dnes používa, resp. dnešné betónové zmesi súvisia s patentom na výrobu portlandského cementu, ktorý získal anglický priemyselník Joseph Aspdin v roku 1824. V širšom rozsahu sa betón začal používať až o 50 rokov po zavedení výroby Portlandského cementu.

Betón sa skladá hlavne z cementu, vody a kameniva (ako sú piesok a štrk), ale môže obsahovať aj rôzne prísady na zmenu jeho vlastností podľa špecifických potrieb. Základnú surovinu betónu tvorí cement, ktorého druhy sa delia do piatich skupín. Všetky druhy sú označené a je pri nich uvedená hodnota normalizovanej pevnostnej triedy. Základom každej z nich je portlandský prášok, ktorý sa vyrába pálením pripravenej surovinovej zmesi oxidov CaO, SiO2, Al2O3, Fe3O3 a malého množstva ďalších látok. Jednotlivé druhy cementu odlišujú farebné nápisy.

Zloženie betónu pri normálnom betóne pevnostnej triedy C25/30 obsahuje jeden meter kubický približne 280 kg cementu, 170 litrov vody a 1 950 kg kameniva. Betóny s malým obsahom cementu nazývame chudé, s väčším množstvom cementu sú mastné. Betóny majú svoje pevnostné triedy C a B.

Charakteristika a druhy betónu

Betóny možno deliť podľa rôznych hľadísk, napr. podľa dosiahnutej pevnosti do pevnostných tried, podľa objemovej hmotnosti na ľahký, obyčajný a ťažký, podľa technológie výroby na liaty, zhutňovaný prepichovaním, vibrovaný, lisovaný a vákuovaný, podľa spôsobu dopravy na betón vyrábaný na mieste, v ústredných výrobniach (transportný) a čerpaný. Okrem konštrukčných betónov, používaných na veľmi namáhané časti konštrukcií sa vyrábajú výplňové betóny, ľahčené, s veľkou izolačnou schopnosťou, napr. prevzdušnený betón, pórobetón, perlitbetón. Rozlíšenie betónu na jednotlivé druhy vychádza z kritéria, ktoré si je potrebné na začiatku určiť. Týmto kritériom môžu byť požiadavky užívateľa, konkrétne stavebné podmienky, možnosti prepravy a mnohé ďalšie parametre. Podľa toho, ako sú špecifikované parametre, možno rozlišovať typový betón a betón predpísaného zloženia.

Betón podľa objemovej hmotnosti: Ťažký betón

Základné rozdelenie betónu bolo urobené podľa objemovej hmotnosti. Kým betón nestuhne, zmes všetkých zložiek sa nazýva čerstvý betón. Ťažký betón je definovaný ako betón, ktorý má po vysušení pri 105 °C objemovú hmotnosť väčšiu ako 2 600 kg/m3. Vysoká objemová hmotnosť, a teda objemová hmotnosť nad 2600 kg/m3, betónu je základným parametrom pre výrobu ťažkých betónov. Tento parameter je ovplyvnený najmä voľbou vhodného ťažkého kameniva.

K výrobe ťažkého betónu je použité ťažké kamenivo, ako je napríklad baryt, magnetit alebo ocelárske okuje, ktoré prispieva k jeho vysokej hustote. Objemová hmotnosť čerstvého betónu bola zistená počas výroby, pri ukladaní čerstvého betónu do foriem.

Použitie ťažkého betónu

Praktické využitie ťažkých betónov bezprostredne súvisí s jadrovou energetikou, prípadne realizáciou rentgenografických či gamagrafických pracovísk. S ohľadom na potrebu účinného tienenia sa väčšinou jedná o masívne konštrukčné prvky. I keď je potreba tieniacich betónov objemovo relatívne malá, je potrebné mať k dispozícii overené technológie a receptúry v prípade, že sú nevyhnutné k výstavbe špecifických objektov, v ktorých je generované tzv. tvrdé gama žiarenie.

Vlastnosti a spracovanie betónu

Základným parametrom kvality podkladu je pevnosť v tlaku. Pevnosť v tlaku betónu je základným parametrom či už vo fáze návrhu výroby alebo preukazných skúšok. Všetky betóny sú zatrieďované do kategórií na základe ich pevnostnej triedy. Pevnosť betónu veľmi výrazne ovplyvňuje vodný súčiniteľ, teda pomer hmotnosti vody a cementu. Preto pre dosiahnutie vyšších pevností je treba držať množstvo vody čo možno najnižšie. Jeho znižovaním však ovplyvňujeme spracovateľnosť, ktorú je potrebné ponechať, a tiež nárast hydratačného tepla v konštrukcii, ktoré je treba naopak znižovať. Na hydratáciu 1 kg cementu potrebujeme minimálne 0,23 l vody.

Dôležitá je aj konzistencia betónovej zmesi podľa ISO 4109, ISO 4110. Tá môže byť V2, V3, S2 a S3. Na udržanie spracovateľnosti v dnešnej dobe stačí použiť prísady v podobe superplastifikátorov a pod. Tieto prísady však neupravujú množstvo hydratačného tepla akumulovaného počas celej doby hydratácie a ošetrovania betónu. Betón tuhne cca 28 dní. Tvrdnutie ale potom nekončí, betón tvrdne pri správnej vlhkosti skoro donekonečna (aj pod vodou).

Zhutňovanie a ošetrovanie betónu

Jednou z primárnych vlastností čerstvého betónu je tixotropia, ktorá sa prejavuje v schopnosti meniť charakteristiky pod vplyvom rôznych mechanických účinkov. Je to variabilita parametrov viskozity v závislosti od toho, či ide o pohyb alebo pokoj častíc. Reologické vlastnosti čerstvého betónu výrazne ovplyvňujú technologické vlastnosti, ako aj vlastnosti zatvrdnutého betónu. Čerstvý betón musí spĺňať technologickú požiadavku, teda úspešne reagovať na požiadavky, ktoré diktujú jednotlivé fázy technologického procesu výroby betónu a výroby konkrétneho betónového prvku alebo konštrukcie. Množstvo vzduchových bublín v betóne znižuje jeho pevnosť asi o 6 %. Pre dosiahnutie maximálnej pevnosti je nevyhnutné betón čo najlepšie zhutniť. Po uložení betónu je veľmi dôležité zabezpečiť mu dostatočnú vlhkosť a teplotu k priebehu tvrdnutia.

Ak je betón pri tvrdnutí vystavený vysokým teplotám (napr. priamemu slnečnému žiareniu), musí sa ošetrovať vodou aby nevznikli praskliny pri vyparovaní prímesovej vody. Zabránime tak odparovaniu vody prikrytím PE fóliou, alebo polystyrénovými doskami. Ideálne podmienky tvrdnutia sú, keď je teplota okolia nad +10°C a je vysoká relatívna vlhkosť vzduchu.

Výskum a vývoj vysokopevnostných ťažkých betónov

Tento výskum sa nachádza vo svojej prvej fáze, v ktorej sa venuje príprave vysokopevnostných ťažkých betónov na základe cementových spojív s použitím druhotných surovín a dvoch ťažkých kamenív (baryt a magnetit). Príprava vychádza zo šiestich receptúr, z ktorých sú vyrábané betónové kocky a hranoly pre skúšky fyzikálnych a mechanických vlastností.

A práve zníženie množstva hydratačného tepla sa v tomto výskume očakáva od použitia druhotných surovín. Téma využitia vedľajších produktov z výroby či už oceliarenskej alebo elektrárenskej je témou veľmi aktuálnou z dôvodu zvyšujúceho sa množstva týchto vedľajších produktov. Napríklad, U. S. Steel Košice pri výrobe ocele vyprodukuje vyše milióna ton trosky. Tá sa delí na oceliarsku a vysokopecnú trosku. Vysokopecná troska je už dlhší čas známa ako prímes do betónu. Avšak jej množstvo stále rastie a preto možnosť vyššieho pomeru nahradenia cementu touto zložkou je nutné preskúmať. Ďalším vedľajším produktom je metakaolín. Je to produkt, ktorý má puzolánové vlastnosti a vyrába sa výpalom kaolínov a kaolinitických ílov v teplotnom rozmedzí 600-900 °C. Taktiež kremičitý úlet vzniká ako odpad z niektorých hutníckych závodov. Má vyšší špecifický povrch a vynikajúce puzolánové vlastnosti. Jeho výhoda spočíva v zvyšovaní pevnosti betónu pri použití ako prímesi do spojiva ale aj jemného filleru.

Skúšobné metódy a normy

Výroba skúšobných telies bola realizovaná v súlade s normami STN EN 206-1 a STN EN 12390-1. Plnivo do betónu bolo roztriedené do ôsmich frakcií nachádzajúcich sa v rozpätí od 0/0,125 do 8/16. Maximálne použité zrno kameniva D = 16 mm. Krivka zrnitosti kameniva spĺňa požiadavky STN EN 933-1. Každá zo zmesí obsahuje rovnakú hmotnostnú dávku spojiva s vodou. Výber skúšok pre overenie vlastností skúšobných vzoriek sa odvíjal od požiadaviek a podmienok, ktoré musia ťažké a vysokopevnostné betóny spĺňať.

Skúška pevnosti v tlaku betónu bola prevedená na skúšobných telesách v tvare kocky s rozmermi 150 × 150 × 150 mm, za pomoci skúšobného lisu s maximálnou prítlačnou silou 3000 kN. Po stlačení vzoriek bol odsledovaný priebeh porušenia vzorky, ktorý v každom z prípadov splnil požiadavky na smer porušenia vzorky podľa STN EN 12390-4. Pevnosť betónu v ťahu pri ohybe je nasledujúcou vybranou skúškou a realizovala sa na trámcoch s rozmermi 100 × 100 × 400 mm. Porušenie takejto nevystuženej vzorky sa nazýva krehký lom. Statický modul pružnosti betónu v tlaku sa zisťoval zaťažovaním skúšobného telesa v tlaku na skúšobnom lise s maximálnou prítlačnou silou 1000 kN. Zaťažovanie prebiehalo v troch zaťažovacích cykloch. Meranie sa realizovalo za pomoci príložného deformometra.

Výsledky prvej fázy výskumu

Najvyššiu objemovú hmotnosť dosahujú skúšobné telesá v čerstvom stave z pochopiteľných dôvodov, keďže boli plne nasýtené vodou. Postupne ako sa časť vody spotrebúva na tvorbu hydratačných produktov v betóne a časť sa z neho odparuje, objemová hmotnosť klesá. Po 90 dňoch od výroby betónu v čase keď už na betón nepôsobí ani autogénne zmrašťovanie, teda zmrašťovanie z dôsledku vysychania betónu počas hydratácie, sú objemové zmeny materiálu podmienené klimatickým zmenám v prostredí v ktorom sa nachádzajú.

Najvyššie pevnosti v tlaku vzoriek sú dosiahnuté na zmesi C-MD-CEM. Pri zmesiach zo zmesového plniva však môžeme vidieť že zmesový cement má pozitívny vplyv na vývoj pevnosti v tlaku betónu. Najlepšie výsledky skúšky pevnosti v ťahu pri ohybe dosahuje rovnaká zmes. Zásluhu za to najpravdepodobnejšie preberá práve zvolené plnivo magnetit a jeho výhodné fyzikálne a mechanické vlastnosti.

Výsledky meraní potvrdili splnenie cieľa tejto fázy. Skúšobné vzorky vyhoveli požiadavke na objemovú hmotnosť vyššiu ako 2600 kg.m−3, a teda bol vytvorený ťažký betón. Najnižšia získaná hodnota 28-dňovej objemovej hmotnosti bola 3210 kg.m−3. Výsledky skúšok deformačných vlastností betónov priaznivo dopĺňajú charakteristiky týchto betónov.

V nasledujúcej tabuľke sú zhrnuté informácie o vybraných ťažkých kamenivách používaných pri výrobe ťažkých betónov:

tags: #tazky #beton #druh