Multifunkční silikátový kompozit programovatelných vlastností nejen pro rychlé opravy cementobetonových konstrukcí

V tomto článku představíme nové principy a možnosti formulace programovatelných suchých prefabrikovaných směsí na silikátové bázi pro snadnou a spolehlivou přípravu sanačních hmot pro opravy poruch cementobetonových konstrukcí, vyvíjených v Experimentálním centru Fakulty stavební ČVUT v Praze. Nový kompozitní materiál se vyznačuje rychlým nárůstem mechanických parametrů a spolehlivou stabilitou tvrdnoucího kompozitu.

V současné době jsou známy prefabrikované směsi pro přípravu betonů pro stavební využití. Beton je buď na místo použití dovážen již připravený, či je přímo na místě připraven přidáním záměsové vody do prefabrikované směsi, případně přidáním dalších látek.

Základními součástmi suchých prefabrikovaných směsí jsou pojivová matrice zajišťující soudržnost tuhnoucího betonu, plniva a regulační systémy zajištující kontrolované tuhnutí a vytvrdnutí betonu.

Stávající přístup k formulaci kompozitních materiálů využívá nejrůznějších zdrojů plniv zrnitého nebo vláknitého charakteru různého typu z přírodních či průmyslových zdrojů a pojivové matrice založené na dlouhodobě nejpoužívanějším cementu silikátové báze. Ten je představován buď tzv. čistým portlandským cementem, nebo tzv. cementy směsnými, obsahujícími z důvodů technických, ekonomických či ekologických různé příměsi. Použité příměsi mohou být latentně hydraulicky aktivní, nebo inertní, avšak musí poskytovat výhodu takové granulometrie, která doplňuje granulometrii použitého pojiva pro získání plynulé granulometrie celého systému pevných složek při finální přípravě čerstvě připravované směsi ze záměsovou vodou.

Tabulka 1: Vlastnosti čerstvé směsi

Tabulka 2: Mechanické vlastnosti studovaných směsí

Tabulka 3: Hodnoty efektivní lomové energie

Použití běžně vyráběných silikátových cementů deklarovaných jako čisté portlandské cementy či cementy směsné a normované např. podle ČSN EN 197-1 nebo jiných normových předpisů přináší pro formulaci speciálních cementových kompozitů celou řadu úskalí vyplývajících ze základních normových požadavků na fyzikálně-chemické parametry běžně vyráběných cementových pojiv. Jedná se především o spolehlivé řízení hydratačních a vytvrzovacích mechanismů použitého typu silikátového cementu, označovaných jako časové průběhy procesů tuhnutí a tvrdnutí, dosažení přijatelné zpracovatelnosti čerstvě míchané směsi, nenáročnosti zpracování a ukládání na místo spotřeby, objemové stability tvrdnoucího kompozitu, dosažení predikovaných parametrů a dlouhodobé stability v různých podmínkách použití.

V obecně dostupné literatuře je popsána celá řada možností regulace výše uvedených vlastností pro použití různých pojiv silikátového typu a nutnost jejich úpravy či doplnění pro vytvářený cementový kompozit méněhodnotného či vysokohodnotného charakteru. Jsou uváděny rozmanité možnosti úpravy tzv. poměrů tuhnutí a procesu tvrdnutí celou řadou zpomalujících či urychlujících přísad, použití plastifikátorů či superplastifikátorů a stabilizátorů nejrůznějšího složení, způsobu míchání pro potřebnou homogenizaci čerstvé směsi kompozitu s nutnou dávkou záměsové vody, případně s dalšími podmínkami pro dosažení deklarovaných parametrů např. z pohledu časové náročnosti přípravy kompozitu, potřebné techniky ukládání a zhutňování čerstvě připraveného kompozitu se záměsovou vodou apod.

Pro výběr superjemných příměsí jsou používány minerální a pucolánové složky z přírodních či umělých zdrojů, jako jsou např. mikromletý vápenec, mikrosilika, mletá vysokopecní zásaditá struska popílky, různé aluminosilikáty a jiné. Při jejich použití musí být respektovány jejich základní fyzikálně- chemické parametry, jednak aby nedošlo k nežádoucímu ovlivnění nejen použité regulace procesů tuhnutí a tvrdnutí a jednak aby byla udržena dostatečná doba zpracovatelnosti použitým ztekucovačem a dosažena objemová stabilita vznikající pevné struktury kompozitu. 

Další jemná plniva nad cca 0,1 mm bývají podle účelu finálního použití většinou inaktivní k základním vlastnostem čerstvé cementové matrice. Jsou tvořena převážně pískovými frakcemi o různé čistotě (vysoký obsah čistého SiO₂), ale mohou být ve zdůvodnitelných případech i jiné mineralogie (korund, karborundum, šamot, čedič apod.), hutné či pórovité. Použití vyžaduje respektování jejich fyzikálních vlastností (nasákavosti apod.), což vede k nutnosti pečlivé formulace uvažovaného kompozitu.

Experimentální program
Jednotlivé složky multifunkční suché prefabrikované směsi vyvíjené v Experimentálním centru Fakulty stavební ČVUT jsou běžně dostupné od komerčních dodavatelů. Pojivové složky jsou výrobky českých cementářských firem z lokalit Čížkovice, Lochkov, Prachovice, Mokrá a Hranice, přísadové systémy v práškovém stavu potřebné po sestavení předkládaného kompozitu jsou k dispozici na domácím trhu od firem Sika, BASF, Stachema, Chryso, Radka a dalších. Mikroplniva i hrubší součásti plniv, inertního či latentně hydraulicky aktivního typu, případně vláknité výztuže jsou též běžně dostupné v různých cenových úrovních.

V tomto článku jsou uvedeny výsledky některých výhodných variant suché prefabrikované multifunkční kompozice, které byly 1,5 min. míchány na pomaluotáčkových míchačkách s nuceným oběhem o různých objemech míchacích nádob. Získaná prefabrikovaná směs byla míchána 1,5 min. s 0,1 hmot. dílem záměsové vody (vztaženo na hmotnost suché prefabrikované směsi).

Testovány byly poměry tuhnutí cementářskou metodikou a zpracovatelnost metodikou rozlivu podle maltářských norem bez použití poklepu. Dále byly testovány časové průběhy vývinu mechanických vlastností, jako je pevnost v tlaku a ohybu, cementářskou metodikou a průběhy objemových změn metodami pro sledování ještě nezatuhlých směsí, používanými na našem pracovišti.

Pro zkrácenou ilustraci dosažených výsledků rozsáhlého experimentálního programu jsou uvedeny výsledky tří vybraných směsí s odstupňovanými dobami zpracovatelnosti v rozmezí několika desítek minut až několik hodin. Odstupňované doby zpracovatelnosti byly nastaveny kombinací různých variant složení regulačního systému poměru tuhnutí stávajících silikátových cementů a vhodnou dávkou použitého plastifikátoru pro dosažení samozhutnitelné konzistence čerstvě připravované směsi s nízkou dávkou záměsové vody.

Závěr
Suchá směs je tvořena novou a velmi výhodnou kombinací běžně dostupných složek, které při kombinaci svých, někdy i protichůdných parametrů vedou k výhodnému efektu. Směs se snadno zpracovává a potřebuje nízkou dávku záměsové vody.

Multifunkční kompozit připravený ze suché prefabrikované směsi s jednoduchou a snadnou technologií přípravy je snadno prakticky použitelný a nabízí širokou škálu aplikačních možností s řízeným hydratačním procesem. Kompozit si udržuje dostatečnou dobu zpracovatelnosti, má rychlý nárůst počátečních mechanických vlastností a dosahuje spolehlivé stability po výsledném zatvrdnutí.

Díky snadné zpracovatelnosti a dobré adhezi ke stávajícímu povrchu a rychlosti dosažení požadované pevnosti krátce po zatuhnutí připravené směsi s vodou je možné opravované místo plně staticky i dynamicky zatížit po 4–5 hodinách, kdy je dosaženo pevnosti v tlaku větší než 20 MPa a v ohybu větší než 3 MPa. Během jednoho dne lze dosáhnout pevností v tlaku 40–60 MPa, v ohybu 4–11 MPa, po 28 dnech pak 90–110 MPa a 15–20 MPa v ohybu bez použití vláken.

Se směsí se snadno manipuluje, je vhodná pro dlouhodobé skladování, má široké spektrum použití jednoduchou úpravou základních vlastností pro daný účel zvolené aplikace (programování vlastností  je možné úpravou složení a zastoupení vstupních surovin pro výrobu suché prefabrikované směsi) jak technologií samozhutnitelných směsí, tak pro práce ve svislé poloze či zdola na stropu. Jednoduchá zpracovatelnost, řízený hydratační proces a rychlost tvrdnutí umožňují významné zrychlení sanačních prací, např. při opravách na mostech je možné zkrácení výluk při poruchách železobetonových konstrukcí vzniklých běžným provozem (letiště, dálnice, silnice s cementobetonovými kryty), rychlost je důležitá také například při odstraňování následků katastrof.

Vhodné zastoupení jednotlivých složek suché prefabrikované směsi může nalézt využití pro betonové konstrukce podléhající vysokému dynamickému namáhání nebo tam, kde je vyžadována vysoká odolnost vůči chemickým degradačním médiím, cyklickému teplotnímu namáhání či nutnosti provádění prací za nízkých a záporných teplot bez použití náročných zimních opatření.

Použitím vhodných ocelových vláken při zpracovávání směsi lze dosáhnout významného zlepšení rázové houževnatosti zatvrdlého kompozitu (odolné bariéry pro ochranu proti střelným zbraním či výbuchům).

V současné době jsou hledáni průmysloví partneři pro komerční využití multifunkčního silikátového kompozitu a pro jeho regulérní průmyslovou výrobu. Provozní zkoušky výroby byly úspěšně provedeny u společnosti Stachema CZ, uplatnění pro rychlé opravy bylo úspěšně vyzkoušeno ve spolupráci s Dopravním podnikem hlavního města Prahy při opravách podbetonovaných kolejnic metra, zkouší se použití s delší dobou zpracovatelnosti a s přídavkem ocelových vláken pro řešení bezpečnostních projektů proti účinkům střelných zbraní a rázovému namáhání.

Poděkování
Vývoj multifunkčního vysokohodnotného cementového kompozitu se zvýšenou odolností vůči účinkům rázu je součástí projektu Materiálový výzkum pro Inova SEED č. CZ.1.05./3.1.00/14.0301 a byl dále podpořen projektem SGS16/064/-OHK1/1T/11.

ZDEŇKA BAŽANTOVÁ, KAREL KOLÁŘ, PETR KONVALINKA, JIŘÍ LITOŠ, PAVEL REITERMAN
foto archiv autorů

Literatura:
1) KOLÁŘ, K., J. LITOŠ, Z. BAŽANTOVÁ, P. REITERMAN. Measurement of Volume Changes of High Performance Cement Based Compo-sites. Applied Mechanics and Materials. 2016, 827, pp. 328–331.
2) Czech Standard ČSN EN 197-1 Methods of testing cement – Part 1: Determination of strength, 2005.
3) VALCUENDE, M., F. BENITO, C. PARRA, I. MINANO, Shrinkage of self-compacting concrete made with blast furnace slag as fine aggre-gate. Construction and Building Materials. 2015, 76, pp. 1–9.

Ing. arch. Zdeňka Bažantová, CSc., (*1950)
absolvovala Fakultu stavební ČVUT v Praze v roce 1974. Pracuje v Experimentálním centru FSv ČVUT v Praze, specializuje se na problematiku trvanlivosti stavebních materiálů a konstrukcí.

Doc. Ing. Karel Kolář, CSc.,(*1942)
absolvoval VŠCHT v Pardubicích v roce 1964. Pracuje v Experimentálním centru FSv ČVUT v Praze, specializuje se na problematiku vývoje pokročilých kompozitních materiálů.

Prof. Ing. Petr Konvalinka, CSc., (*1960)
absolvoval Fakultu stavební ČVUT v Praze v roce 1984. Je rektorem ČVUT v Praze. Při své odborné činnosti v Experimentálním centru FSv ČVUT v Praze se specializuje na stavebně-
-technické problémy pokročilých kompozitních materiálů.

Doc. Ing. Jiří Litoš, Ph.D., (*1972)
absolvoval Fakultu stavební ČVUT v Praze v roce 1997. Pracuje v Experimentálním centru FSv ČVUT v Praze, specializuje se na výzkum a zkoušení stavebních materiálů a konstrukcí.

Ing. Pavel Reiterman, Ph.D., (*1983)
absolvoval Fakultu stavební ČVUT v Praze v roce 2008. Pracuje v Experimentálním centru FSv ČVUT v Praze, specializuje se na trvanlivost materiálů na bázi cementu.