Činitele ovlivňující rychlost nárůstu pevnosti betonu I.

Při výstavbě betonových konstrukcí je důležité znát aktuální pevnost betonu v konstrukci, což umožňuje volbu optimální doby odbedňování. Význam tohoto údaje roste s rostoucí projektovanou výškou stavby. Tento příspěvek zjednodušeně sumarizuje všeobecné souvislosti a působení jednotlivých činitelů a vytváří tak úvod do problematiky pro pokračování cyklu článků.

V současné době se při realizaci konstrukcí používá jako základní stavební materiál beton. Proto je nutné vědět, jaké činitele ovlivňují rychlost nárůstu pevnosti betonu, což ovlivňuje i rychlost výstavby (obr. 1). Rychlost nárůstu pevnosti betonu závisí na vnitřních (endogenních) a vnějších (exogenních) činitelích. Obecným vnitřním činitelem je receptura betonu (druh a množství cementu a přísad, vodní součinitel). Mezi vnější činitele patří klimatické podmínky a technologie zpracování.

Tento text se zaměřuje jen na vnitřní činitele ovlivňující rychlost nárůstu pevnosti betonu.

Hlavními reprezentanty vnitřních činitelů jsou: druh a množství cementu, druh a množství přísad a vodní součinitel.

Druh a množství cementu
Cement je hydraulické pojivo, tedy jemně mletá anorganická látka, která po smíchání s vodou vytváří kaši tuhnoucí a tvrdnoucí i pod vodou, a to v důsledku hydratačních reakcí. Při styku s vodou dochází k jeho rozpuštění a následné krystalizaci (tuhne a tvrdne), čímž se vytváří pevná a zároveň pružná vazba mezi zrny plniva (kameniva). Po zatvrdnutí si zachovává svou pevnost a stálost. Tvoří jednu ze základních složek betonu.

Cementy se podle ČSN EN 197-1 dělí na pět druhů (CEM I až CEM V). Při označení cementů se udává druh cementu, třída cementu a doplňující označení písmeny blíže specifikujícími jejich složení, resp. vlastnosti.
Dále se hodnotí především vlastnosti, na jejichž základě se cement dále rozděluje do pevnostních tříd:
a)    Normalizovaná pevnost cementu v tlaku (v souladu s ČSN EN 196-1: 2005 Metody zkoušení cementu. Část 1: Stanovení pevnosti) – rozlišují se tři pevnostní třídy 32,5; 42,5 a 52,5 vyjadřující 28denní pevnost v tlaku (MPa).
b)    Počáteční pevnost (v souladu s ČSN EN 196-1) – na základě počátečních pevností cementu po dvou nebo sedmi dnech tuhnutí, respektive tvrdnutí se rozlišuje cement s normální rychlostí tvrdnutí (N) a s rychlým tvrdnutím (R).

K výrobě konstrukčních betonů se nejčastěji používá cement portlandský (CEM I), troskoportlandský (CEM II) nebo vysokopec­ní (CEM III). Kromě těchto cementů se vyrábě­jí cementy určené pro betonové konstrukce se specifickými vlastnostmi nebo pro betonové konstrukce vyráběné ve specifických podmínkách, případně speciálními technologiemi (např. cestní portlandský cement (CPC), síranovzdorný portlandský cement (SVPC), puzolánový cement, směsový cement atd.). Cementy se zařazují do tříd podle dosahované pevnosti v tlaku. Třída cementu závisí na jeho chemickém složení a na jemnosti mletí (na jeho specifickém povrchu).

Portlandský cement rychle tvrdne, ale pro vysoký obsah volného vápna není dostatečně odolný proti vodám louhujícím dobře rozpustný Ca(OH)2 a pro vysoký obsah trikalcium-aluminátu ani proti sulfatickým vodám. Směsové cementy obsahují hydraulické příměsi, které zvyšují jejich odolnost proti agresivním vlivům. Jsou však citlivé na nízké teploty. Tvrdnou pomaleji než portlandské cementy, a tedy pomaleji uvolňují i hydratační teplo. Proto se používají na výrobu masivních konstrukcí, kde hrozí porušení integrity betonu nerovnoměrnou distribucí teploty, resp. odvodem hydratačního tepla (obr. 2).

Třídy cementu v tab. 1 reprezentují 28den­ní pevnosti v tlaku normových cementových malt podle ČSN EN 197-1. Každá třída cementu má dvě počáteční pevnosti: N – normální počáteční pevnost a R – vysokou počáteční pevnost.

Přísady primárně ovlivňující rychlost nárůstu pevnosti betonu můžeme rozdělit na zpomalovací a urychlovací přísady.

Zpomalovací přísady
Zpomalovací přísady jsou látky, které zpomalují tuhnutí a tvrdnutí cementu. Zpomalení hydratačních procesů se využívá tehdy, když doba od výroby po zpracování betonu je relativně dlouhá a vyžadovanou konzistenci čerstvého betonu je třeba udržet co nejdéle. Tyto případy mohou nastat při přepravě betonu na velké vzdálenosti nebo při betonování tvarově složitých a hustě vyztužených, případně špatně přístupných konstrukcí, kde ukládání betonu trvá poměrně dlouho. Tento problém může nastat v letních měsících při vysokých teplotách ovzduší, v důsledku čehož dochází v normálním betonu k velmi rychlé ztrátě zpracovatelnosti. Zpomalením tuhnutí betonu se umožňuje jeho doprava do bednění, adekvátní zpracování (zhutnění) a zamezuje se nedokonalému spojení po sobě následujících vrstev.

Zpomalení hydratace cementu má svůj význam i při betonování masivních konstrukcí. Použitím zpomalovacích přísad lze zabránit nadměrnému ohřátí těchto konstrukcí vlivem hydratačního tepla, což by mohlo vést ke vzniku trhlin v důsledku teplotní dilatace.

V některých případech mohou zpomalovací přísady zhoršit zpracovatelnost čerstvého betonu, i když nedojde k jeho abnormálnímu tuhnutí. To znamená, že aplikace zpomalovače prodlouží tuhnutí betonu a zpomalí vývoj pevnosti, ale změna konzistence (ztráta zpracovatelnosti) může být stejně rychlá nebo i rychlejší, než u betonu bez zpomalovače.

Použití zpomalovacích přísad vede ke snížení počátečních (jednodenních) pevností. S dobou ošetřování se pevnosti postupně vyrovnávají a dlouhodobé pevnosti betonů jsou zpravidla vyšší než u betonu bez přísady.

Urychlovací přísady
Urychlovací přísady jsou látky, které ovlivňují chemicky nebo fyzikálně-chemicky proces hydratace cementu, což vede k urychlení tuhnutí a tvrdnutí betonu. Požadavky na míru urychlení mohou být velmi rozdílné v závislosti na účelu použití těchto přísad. V zásadě je třeba rozlišovat mezi „normálními“ urychlovači, které je možné použít při běžném betonování (včetně transportu betonu) a urychlovači, které způsobují extrémně rychle tuhnutí a tvrdnutí, ne běžné u obyčejných portlandských cementů.

Použití první skupiny urychlovacích přísad umožňuje rychlejší dokončení povrchů betonu, rychlejší odbednění konstrukcí nebo odformování dílců a dosažení vyžadovaných vlastností, hlavně pevností betonu v kratším čase, což urychluje výstavbu.

Urychlovací přísady lze výhodně používat při betonování v zimním období. Urychlova­če kompenzují zpomalení hydratace způso­bené nízkými teplotami a beton může dosáhnout potřebné pevnosti v kratším čase.

Urychlovací přísady s extrémním účinkem se používají při výrobě stříkaných betonů, různých těsnicích směsí a jiných materiálů určených k opravám a sanacím betonových konstrukcí. U těchto materiálů se vyžaduje zatuhnutí a dosažení určité pevnosti v průběhu několika minut.

Navzdory jiné primární funkci i plastifikační přísady na bázi lignosulfonanů obecně oddalují začátek a dobu tuhnutí. Vliv superplastifikátorů na tuhnutí betonu závisí na typu přísady. Superplastifikátory na bázi SMF (sulfonované melamin-formaldehy­dové kondenzáty) obecně zkracují začátek a dobu tuhnutí. Přísady na bázi SNF (sulfono­vané naftalen-formaldehydové kondenzáty) ovlivňují průběh tuhnutí v menší míře.

Vzhledem k rozdílnému vlivu jednotlivých plastifikačních přísad na průběh hydratace cementu je rozdílný i vliv těchto přísad na vývin počátečních pevností betonu. Lignosulfonany obecně zpomalují hydrataci, a proto i vývoj pevnosti je při jejich aplikaci zpomalený. V důsledku toho krátkodobé pevnosti, tj. pevnosti po 1 dnu tvrdnutí, jsou zpravidla nižší než u betonu bez přísady. Z toho důvodu tyto přísady nejsou vhodné pro výrobu betonu tam, kde se vyžaduje rychlé dosažení odformovacích pevností.

Při aplikaci superplastifikátorů dochází naopak k urychlování vývinu pevnosti betonu a jednodenní pevnosti jsou zpravidla podstatně vyšší než u betonů bez přísady. V literatuře se uvádí zvýšení pevnosti téměř o 75 až 80 procent. Tyto přísady proto mají své opodstatnění nejen při výrobě vysoce pohyblivých, tzv. tekutých betonů, ale též v prefabrikaci, kde je potřebné maximálně zkrátit čas pro dosažení určité odformovací a manipulační pevnosti betonu a zvýšit obrátkovost forem.

Aplikace superplastifikátorů vede zpravidla k nárůstu pevnosti betonu nejen při redukci dávky vody, ale také při konstantním vodním součiniteli. Příčinou tohoto vlivu je pravděpodobně lepší dispergace částeček cementu v čerstvém betonu a lepší podmínky pro hydrataci cementu.

Vodní součinitel
Rychlost vývinu pevnosti betonu nezávisí jen na vlastnostech cementu a přísad, ale též na vodním součiniteli. Pevnost betonu roste rychleji s nižším vodním součinitelem než u betonu s vyšším vodním součinitelem, přičemž rychlost vývinu pevnosti ovlivňují podmínky ošetřování betonu, především teplota. Při vyšší teplotě je nárůst počáteční pevnosti rychlejší než při nižší teplotě (tab. 2).

Na vybraném portlandském cementu 42,5 N byly vykonány zkoušky stanovení začátku tuhnutí při různých vodních součinitelích. Za začátek tuhnutí se považuje čas odpovídající odporu proti vniknutí penetračního tělíska silou 0,5 MPa (obr. 3).

	Obr. 3  Tuhnutí cementového tmelu s různým v/c při teplotě prostředí 20 °C

Závěr
V tomto článku jsme se zaměřili na jednotlivé složky betonu, které ovlivňují rychlost nárůstu pevnosti betonu, jako jsou druh cementu, druh přísady a vodní součinitel. Druhou část příspěvku uveřejníme v Realizacích staveb 2/2013.

TEXT: Bc. Marek Horský, Ing. Ivana Lusová, Ing. Peter Briatka, Ph.D.
Foto a GRAF: autoři

M. Horský a I. Lusová působí na Stavební fakultě Slovenské technické univerzity v Bratislavě.

P. Briatka pracuje ve společnosti Technický a skúšobný ústav stavebný v Bratislavě.

Literatura
Juríček, I.: Technológia pozemných stavieb – Hrubá stavba, JAGA GROUP, Bratislava, 2001.
Bajza, A. – Rouseková, I.: Technológia betónu, JAGA GROUP, Bratislava, 2006.
Bajza, A. – Rouseková, I.: Technológia betónu. Zložky betónu. Bratislava, ES SV,T, 1986.
STN EN 197-1: Cement. Časť 1: Zloženie, špecifikácie a kritériá na preukazovanie zhody cementov na všeobecné použitie.
Briatka, P.: Cement – hydraulické spojivo, Stavebné materiály, roč. 7, č. 6, JAGA GROUP, Bratislava, 2011.
Unčík, S.: Prísady do betónu – kvalifikácia, princíp pôsobenia vplyv na vlastnosti betónu, http://www.betonracio.sk/betonracio/images/stories/odborne_clanky/2002_3.pdf.

Článek byl uveřejněn v Realizace staveb.