Betón, umelý stavebný materiál, ktorý vzniká stuhnutím zmesi plniva, spojiva a vody, patrí medzi najvýznamnejšie konštrukčné materiály na svete. Používa sa dvakrát toľko ako všetky ostatné stavebné materiály dohromady. Jeho história siaha až do starovekého Egypta, avšak moderný betón, ktorý sa dnes používa, súvisí s patentom na výrobu portlandského cementu, ktorý získal anglický priemyselník Joseph Aspdin v roku 1824.
Základné rozdelenie betónu je podľa objemovej hmotnosti. Zmes všetkých zložiek, kým nestuhne, sa nazýva čerstvý betón. Reologické vlastnosti čerstvého betónu výrazne ovplyvňujú technologické vlastnosti, ako aj vlastnosti zatvrdnutého betónu. Technologické charakteristiky zahŕňajú homogenitu, možnosť zabudovania, spojenie (kohéziu), stabilitu (odpor k segregácii a separácii vody), transportovateľnosť, čerpateľnosť a dokončovateľnosť vrchných plôch.
Základné mechanické vlastnosti betónu
Betón sa ako jeden z najvýznamnejších stavebných kompozitných materiálov vyznačuje výrazným rozdielom v pevnosti v tlaku a v ťahu. Zatiaľ čo jeho odolnosť voči tlaku je vysoká, pevnosť v ťahu predstavuje iba približne desatinu pevnosti v tlaku. Tento inherentný nedostatok v ťahovej odolnosti je možné efektívne prekonať zavedením oceľových drôtikov do betónovej zmesi, čím vzniká tzv. drátkobetón.
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. Skúška pevnosti v tlaku betónu sa prevádza 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 sa odsledoval priebeh porušenia vzorky, ktorý v každom z prípadov splnil požiadavky na smer porušenia vzorky podľa STN EN 12390-4.
Pevnosť betónu v ťahu za ohybu: Význam a metódy skúšania
Pevnosť betónu v ťahu za ohybu (Tensile bending strength of concrete) je kľúčový parameter, ktorý sa sleduje pri hodnotení mechanických vlastností betónu. Je to dôležitý ukazovateľ, ktorý by mal byť v projektovej dokumentácii pre UHPC stanovený vždy, pretože zásadným spôsobom ovplyvňuje skladbu a cenu zmesi. Zároveň by malo byť stanovené, aké hodnoty a akou metodou budú sledované. Sleduje sa najmä správanie betónu po vzniku trhliny.
Skúška pevnosti v ťahu za ohybu sa vykonáva na betónovom trámci. Prioritne sa táto skúška realizuje na trámcoch o rozmeroch 700 × 150 × 150 mm zaťažených buď 3-bodovým ohybom na trámci so zárezom, alebo 4-bodovým ohybom na trámci bez zárezu. Bežne sa používajú trojbodové alebo štvorbodové ohybové skúšky. Vzorky sa často upravujú vrubom, ktorý môže siahať do jednej tretiny výšky prierezu, alebo alternatívne do hĺbky 25 mm. Vždy sa skúšajú najmenej tri vzorky. Pred skúškou je potrebné overiť geometriu telesa a potom ho správne osadiť do skúšobného zariadenia - lisu.
Trojbodová ohybová skúška
Zkouška pevnosti v ťahu za ohybu 3-bodovým ohybom dáva rovnoměrnější výsledky a umožňuje v průběhu zkoušky měřit šířku trhliny. U trojbodového uspořádání skúšky sa vždy jedná o kombináciu ohybu a smyku. Pri výpočte pevnosti v ťahu je potrebné brať do úvahy predpoklady rozloženia napätí po priereze a nelineárne chovanie betónu, ktoré vedie k plastifikácii a vzniku mikrotrhlín.
V rámci experimentálneho programu boli zvolené dve varianty trojbodovej skúšky. Prvá variant, označená ako 3B600, bola vykonaná na tráme nominálnej veľkosti 150×150×700 mm s rozpätím 600 mm a zárezom hlbokým 50 mm. V tomto prípade sa miesto vzniku trhliny lokalizovalo v mieste zárezu. Druhá variant, 3B500, bola určená pre trám nominálnej veľkosti 150×150×600 mm s rozpätím 500 mm. Pri tejto skúške sa miesto vzniku trhliny lokalizovalo pod bodom zaťaženia, v mieste s najmenšou pevnosťou.
Štvorbodová ohybová skúška
Štvorbodové usporiadanie skúšky má vyššiu vypovedaciu hodnotu o pevnosti betónu v ťahu za ohybu - teleso sa poruší v strednej tretine medzi oboma silami od zaťaženia. Pretože sú v tejto časti nosníka pri uvedenom zaťažení posúvajúce sily rovné nule, dôjde k porušeniu v oblasti namáhania čistým ohybom. Štvorbodová ohybová skúška je ďalšou z častých metód zameraných na stanovenie ťahovej pevnosti, ktorá sa využíva napríklad aj v odporúčaní/štandarde [11].
V rámci experimentálneho programu boli opäť navrhnuté dve varianty: 4B600 a 4B500. Skúška označená 4B600 bola vykonaná na tráme nominálnej veľkosti 150×150×700 mm s rozpätím 600 mm. Vzdialenosť medzi podporami a bodmi zaťaženia bola 200 mm. V tomto prípade sa vznik trhliny lokalizoval pri dolnom povrchu trámu, v oblasti medzi bodmi zaťaženia. Druhá variant, 4B500, bola určená pre trám nominálnej veľkosti 150×150×600 mm s rozpätím 500 mm. Táto skúška sa od predchádzajúcej líšila najmä umiestnením bodov zaťaženia.
Najdôležitejšími zisťovanými parametrami sú zbytková pevnosť v ťahu za ohybu podľa ČSN EN 14651 + A1 pri CMOD1 - fR,1 a pomer fR,3/fR,1 stanovený pri rovnakej skúške. Zbytková pevnosť fR,1 stanovuje napätie v ťahu za ohybu pri roztvorení trhliny 0,5 mm a definuje tak akúsi pevnosť v ťahu za ohybu po vzniku trhliny. Pomer fR,3/fR,1 určuje pomer napätia v ťahu za ohybu pri roztvorení trhliny 2,5 a 0,5 mm a jedným číslom popisuje tvar grafu závislosti ťahu za ohybu a roztvorenia trhliny.
Drátkobetón: Zvýšenie ťahovej odolnosti
Drátkobetón predstavuje špecifickú podskupinu širšej kategórie vláknobetónov. Tento materiál nachádza svoje uplatnenie predovšetkým v konštrukciách, kde je kladený dôraz na zvýšenú húževnatosť a odolnosť voči vzniku a šíreniu trhlín, ako sú priemyselné podlahy a základy. Pre správny návrh a spoľahlivé využitie drátkobetónu je nevyhnutné dôkladné poznanie jeho materiálových vlastností, predovšetkým pevnosti v ťahu. V niektorých aplikáciách môže drátkobetón predstavovať výhodnejšiu alternatívu v porovnaní s prostým betónom alebo železobetónom.
Vplyv drátkov na mechanické vlastnosti betónu
Množstvo, technológia spracovania, ošetrovanie a uloženie drátkov významne ovplyvňujú mechanické vlastnosti drátkobetónu. Kľúčovou materiálovou vlastnosťou drátkobetónu je jeho pevnosť v ťahu. Avšak priame testovanie pevnosti betónu v jednoosovom ťahu je technologicky náročné a často sa vyznačuje značným rozptylom nameraných hodnôt. Z tohto dôvodu sa v praxi častejšie využívajú nepriame metódy, ako je skúšanie pevnosti v ťahu za ohybu.
Experimentálny program zahŕňal testovanie bežného betónu s maximálnym zrnom kameniva 16 mm a vodným súčiniteľom 0,6, s použitím rýchlotuhnúceho portlandského cementu 42,5 MPa a plastifikátora Stacheplast. Ako výstuž bol zvolený drôtik typu Dramix 3D 65/60 BG, ktorý je bežne dostupný na trhu. Laboratórny program bol rozdelený do štyroch hlavných častí, pričom každá séria obsahovala viac ako 23 vzoriek. Testované boli vzorky bez drátkov a s obsahom drátkov v množstvách 25, 50 a 75 kg/m³.
Výsledky skúšok drátkobetónu
Skúšky zahŕňali rôzne konfigurácie ohybových testov s rozpätím podpor 500 mm alebo 600 mm, s vrubom alebo bez neho, a s rôznou konfiguráciou zaťaženia (trojbodová alebo štvorbodová skúška). Porovnaním výsledných funkčných závislostí z trojbodovej a štvorbodovej ohybovej skúšky sa ukázalo, že štvorbodové skúšky vykazujú nižšie hodnoty ťahovej pevnosti. Tento rozdiel je spôsobený väčšou oblasťou, kde sa môže lokalizovať ťahová trhlina pri štvorbodovej skúške.
Z výsledkov skúšok v príčnom ťahu je zrejmé, že pridanie drátkov do betónu vedie k nárastu pevnosti v ťahu. Pevnosť v ťahu sa zväčšila o necelý 1 MPa, čo predstavuje približne 50% nárast. Nárast ťahovej pevnosti u vystužených vzoriek je pri vyšších dávkach drátkov už pomerne malý. Skúšky v príčnom ťahu veľmi dobre ilustrujú vplyv drátkov na rast pevnosti v ťahu, a to aj pri dávkovaní drátkov 25 kg/m³. S rastúcim množstvom drátkov však narastá aj rozptyl nameraných hodnôt ťahových pevností, čo platí predovšetkým pre zmesi s obsahom 75 kg/m³ drátkov.
Použitie vlákien v betóne má vplyv aj na pevnosť v tlaku, pričom orientácia vlákien môže spôsobiť pokles výslednej pevnosti s rastúcim množstvom drátkov. Vypočítaný prepočtový koeficient 0,83 medzi kryštalickou a valcovou pevnosťou je v dobrej zhode s odporúčanými hodnotami, ktoré najčastejšie uvádzajú hodnotu 0,85.
Prepočet na jednoosovú pevnosť v ťahu
Skúšanie pevnosti v jednoosovom ťahu je náročné a často sa vyznačuje vysokým rozptylom nameraných hodnôt, pričom výsledky sú citlivé na okrajové podmienky, najmä na spôsob uchytenia skúšobného telesa. Napriek tomu je práve táto mechanická vlastnosť nevyhnutná pre pokročilé numerické simulácie a analýzy. Avšak, pomocou výsledkov skúšok v ťahu za ohybu alebo v príčnom ťahu je možné pomocou známych vzťahov, overených na veľkom množstve experimentov, dopočítať pevnosť v jednoosovom ťahu. Pre betóny nižších pevností sa odporúča voliť súčinitele na dolnej hranici ich rozsahu.
Praktické implikácie použitia drátkobetónu
Úloha drátkov nespočíva len v čiastočnom zvýšení ohybovej pevnosti, ale predovšetkým v obmedzení vzniku zmršťovacích trhlín. To umožňuje realizáciu väčších konštrukčných celkov bez potreby rezných škár, ktoré sú pri prevádzke ťažkých manipulačných prostriedkov zraniteľné. Je potrebné poznamenať, že v praxi sa dávky 50 až 75 kg drátkov na m³ betónu používajú zriedka, pretože takéto zmesi sú často nečerpateľné, čo komplikuje ich spracovanie pri veľkorozmerných podlahách. Bežný obsah drátkovej výztuže sa pohybuje v intervale od 20 do 35 kg/m³. Pri týchto dávkach článok jasne preukazuje nárast ohybovej pevnosti betónu s prídavkom drátkov na úrovni približne 25 %. Tento prídavok môže prispieť aj k nárastu pevnosti v tlaku. Naopak, vyššie dávky drátkov, hoci ďalej zvyšujú ohybovú pevnosť, môžu spôsobovať pokles pevnosti betónu v tlaku.
Výskum vysokopevnostných ťažkých betónov s druhotnými surovinami
Prebiehajúci 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). Tento výskum vychádza zo šiestich receptúr, z ktorých sú vyrábané betónové kocky a hranoly pre skúšky fyzikálnych a mechanických vlastností.
Technologické výzvy a inovatívne riešenia
Technológia vyhotovenia masívnych monolitických konštrukcií je veľmi náročná z pohľadu technologických postupov. Pevnosť betónu veľmi výrazne ovplyvňuje vodný súčiniteľ, teda pomer hmotnosti vody a cementu. Preto pre dosiahnutie vyšších pevností je potrebné držať množstvo vody čo možno najnižšie. Jeho znižovaním však ovplyvňujeme spracovateľnosť, ktorú je potrebné ponechať, a tiež nárast hydratačného tepla v konštrukcii, ktoré je potrebné naopak znižovať. Na udržanie spracovateľnosti v dnešnej dobe stačí použiť prísady v podobe superplastifikátorov a pod. Tie však neupravujú množstvo hydratačného tepla akumulovaného počas celej doby hydratácie a ošetrovania betónu. A práve zníženie množstva hydratačného tepla sa v tomto výskume očakáva od použitia druhotných surovín.
Využitie druhotných surovín
Téma využitia vedľajších produktov z výroby či už oceliarenskej alebo elektrárenskej je veľmi aktuálna 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, 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. Aktuálne receptúry, popisované autormi, doplňujú receptúry najmä o kremičité úlety, metakaolín a superplastifikátor, teda zložky, ktoré umožňujú významne zhutniť štruktúru betónu a zvýšiť jeho mechanické vlastnosti. Ich prínos pre úroveň objemovej hmotnosti je však malý.
Experimentálny program a výsledky
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 bolo 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. 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. Objemová hmotnosť čerstvého betónu bola zistená počas výroby, pri ukladaní čerstvého betónu do foriem.
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. Keďže odolnosť betónu v ťahu je v podstatnej miere menšia ako v tlaku, prasklina sa vytvorí najprv v ťahanej časti betónu, odkiaľ sa náhle šíri naprieč vzorkou do tlakovej časti.
Najvyššiu objemovú hmotnosť dosahujú skúšobné telesá v čerstvom stave, 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, sú objemové zmeny materiálu podmienené klimatickým zmenám v prostredí, v ktorom sa nachádzajú. Zmesový cement v porovnaní s čistým cementom v tomto prípade ovplyvňuje objemové hmotnosti betónu len v čase hydratácie po dobu úplného zhydratovania.
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.
Výroba betonu - ZAPA beton
Statický modul pružnosti betónu
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. Dĺžkové zmeny sa odčítavali pri hodnote základného napätia 0,5 N·mm−2 a pri hodnote 1/3 očakávanej pevnosti v tlaku skúšobného telesa v časoch t0 a t60. Dĺžkové zmeny v poslednom cykle sa zisťovali aj priebežne počas zaťažovania, a to v intervale 2 N·mm−2 po hodnotu 30 N·mm−2. Na grafe je vidieť priebeh modulu pružnosti v tlaku v závislosti od veku betónu.
Ciele a ďalšie fázy výskumu
Výskum sa nachádza vo svojej prvej fáze. V nej sa vytvorila základná koncepcia zloženia ťažkého betónu, ktorá sa následne upravovala podľa použitých materiálov. Podľa tejto koncepcie boli vyhotovené skúšobné telesá dvoch druhov v štyroch rôznych koncepciách dávkovania jednotlivých zložiek, na ktorých boli realizované vybrané skúšky na určenie základných objemových a deformačných vlastností. 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. Po kompletizácii všetkých výsledkov, a teda ukončení prvej fázy, sa výskum presunie do druhej fázy, v ktorej bude prebiehať optimalizácia zloženia zmesového cementu postupným percentuálnym nahrádzaním druhotnými surovinami pri zachovaní vlastností ťažkých betónov.
Aktuálnosť a využitie ťažkých betónov
Problematika ťažkých betónov sa vracala do centra pozornosti v 60. a 70. rokoch minulého storočia v súvislosti s výstavbou jadrových elektrární. Podobne ako autori vtedajšej receptúry vychádzali z použitia barytu a magnetitu, čiastočne aj oceliarskych okují. Aktuálnosť problematiky je potrebné vnímať s ohľadom na len obmedzenú potrebu tieniacej ťažkých betónov. Ich praktické využitie bezprostredne súvisí iba s jadrovou energetikou, prípadne realizáciou röntgenografických či gamagrafických pracovísk. S ohľadom na potrebu účinného tienenia sa väčšinou jedná o masívne konštrukčné prvky, a je teda otázkou, či vysoké pevnosti ťažkého betónu sú reálne u takýchto prvkov využiteľné. Celkovo však je téma užitočná, pretože aj keď je potreba tieniacej betónov objemovo relatívne malá, predsa 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.
Skúšobníctvo a akreditované laboratórne služby
Skúšobné laboratórium sa špecializuje na komplexné skúšanie betónov a ich zložiek, pričom disponuje akreditáciou podľa normy STN EN ISO/IEC 17025. Väčšina nami ponúkaných skúšok je vykonávaná v akreditovanom režime, čo zaručuje ich vysokú spoľahlivosť a medzinárodnú porovnateľnosť. Sme pripravení poskytnúť vám odborné poradenstvo v oblasti skúšania materiálov a pomôcť vám s výberom optimálneho riešenia pre váš projekt. Cieľom je overiť rôzne vlastnosti betónov, vrátane optimalizácie zloženia kameniva pre bežné alebo špeciálne betóny a zmesi.