Pro dosažení optimálních mechanických a fyzikálních vlastností ztvrdlého betonu je nutné určit správnou intenzitu a dobu vibrací čerstvého betonu během ukládání.
Vibrace jsou obecně považovány za nežádoucí jev, jež mají nepříjemný účinek na člověka. V případě běžného betonu jsou však vibrace důležitým jevem k dosažení kvalitního stavebního materiálu. Zhutnění betonu snižuje objem vzduchových pórů v čerstvém betonu, což vede k maximální hutnosti, která má pozitivní vliv na tlakovou pevnost betonu a životnost konstrukce. Nedostatečné zhutnění způsobené nevhodným vibračním strojem nebo krátkou dobou vibrace může mít za následek nedostatečné rozpohybování zrn kameniva, neuvolnění nahromaděného vzduchu z čerstvé betonové směsi, vznik kavern nebo nekvalitní probetonování částí konstrukce s větším stupněm vyztužení. Za nebezpečné lze považovat i vibrování nadměrnou intenzitou nebo dobou. Takzvané převibrování betonu se projevuje nejčastěji segregací kameniva a úniku vody s částicemi cementu.
Konzistence čerstvého betonu definuje jeho odpor proti přetváření, jinými slovy nám konzistence určuje, jak moc je čerstvý beton tekutý nebo sypký. Zkouška sednutím se provádí dle normy ČSN EN 12350-2 [1], která klasifikuje pět základních tříd konzistence S1 až S5. Podstata zkoušky je ve zhutnění čerstvého betonu ve formě tvaru komolého kužele. Po zvednutí komolého kužele nahoru je změřena vzdálenost, o kterou beton poklesl, a provedeno zatřídění konzistence. Třída S1, která má míru poklesu kužele stanovenou v rozmezí 10–40 mm, lze charakterizovat jako zavlhlou betonovou směs a používá se například v cementobetonových krytech vozovek. Třída konzistence S2 a S3 se používá pro svažující se konstrukce, jako jsou opěrné zídky a šikmé stavby. Pro vertikální konstrukce a bílé vany, kde je vyšší stupeň vyztužení, se používá třída konzistence S4 s mírou poklesu kužele 160–210 mm a charakteristikou tekuté směsi. Velmi tekuté směsi s třídou konzistence S5 se používají u horizontálních konstrukcí.
Norma ČSN EN 12390-2 [2] umožňuje hutnit vzorky pomocí ponorného vibrátoru, vibračního stolu, propichovací tyče a zhutňovací tyče. Norma nedefinuje počet zhutňovacích vrstev. K dosažení správného zhutnění se doporučuje upravit počet vrstev v závislosti na konzistenci betonu a výšce formy. Podle ČSN EN 12390-2 je dosaženo optimální doby vibrací, když se již neobjevují na povrchu betonu vzduchové bubliny a povrch betonu je relativně hladký s lesklým vzhledem, bez nežádoucí segregace.
Vzhledem k obecnému doporučení normy ohledně počtu vrstev v závislosti na konzistenci betonu se předkládaný výzkum zaměřil na dvě zhutňované vrstvy čerstvého betonu pro pět základních konzistencí betonu měřených pomocí zkoušky sednutí kužele. Vizuálně hodnotí pohyb a promíšení vrstev vlivem různých vibračních frekvencí.
Experiment
Experiment intenzity hutnění byl realizován na krychelných tělesech s hranou 100 mm. Sledovaným parametrem není maximální hutnost, která je navázána na objem vzduchových pórů, ale sledování procesu hutnění v závislosti na konzistenci betonu a frekvenci hutnění. Pro vizuální hodnocení kvality hutnění byl objem těles rozdělen na dvě přibližně stejně velké části, které byly kontinuálně betonovány díky použití dvou míchacích zařízení, která pracovala současně (obr. 1). Dolní polovina vzorku byla tvořena běžným betonem se šedým cementem a byla hutněna po dobu 10 sekund pro homogenizaci vrstvy (obr. 2). Horní polovina vzorku byla tvořena identickým betonem, rozdíl byl v přidání červeného pigmentu v dávce 5 % hmotnosti cementu k vizuálnímu hodnocení. Kompletně naplněná forma byla vystavena jedné sérii hutnění po dobu 30 s pro různé frekvence hutnění (obr. 3).
Hutnění betonových vzorků probíhalo pro tři různé frekvence. První zvolená frekvence 35 Hz (označena jako S) představuje minimální frekvenci, které je vibrační stůl technicky schopen. Frekvence 60 Hz (označena jako M) je v současnosti běžně používanou frekvencí u vibračních stolů a zároveň se vyskytovala u dříve používaných vibračních stolů. Poslední použitá frekvence 90 Hz (označena jako H) rozšiřuje pole frekvencí hlavně pro jemnější frakce kameniva a tuto frekvenci lze označit za horní hranici používaných frekvencí pro hutnění deskových konstrukcí.
Experiment byl koncipován pro pět základních tříd konzistence (S1, S2, S3, S4 a S5), které byly stanoveny zkouškou sednutí kužele dle normy ČSN EN 12350-2[2].
Vibrační stůl
Vibrační stůl použitý v experimentu se skládá ze dvou vibračních trubek, z nichž každá obsahuje 8 excentrů (4 vnitřní a 4 vnější), které se otáčejí kolem společné osy otáčení. Řada studií sledujících vliv vibrací na mechanické vlastnosti betonu publikují pouze čas vibrací, některé i použitou frekvenci. Pro lepší popis a srovnání jednotlivých studií [3, 4, 5] je důležité uvést amplitudu, případně rotační energii, přičemž tyto parametry jsou stejně důležité jako doba a frekvence vibrací.
Amplitudy excentrů jsou uvedeny na obrázku 4 pro frekvenci 60 Hz. Modrá křivka je přiřazena amplitudě vnějšího excentru, červená křivka je přiřazena amplitudě vnitřního excentru a celková amplituda excentrů je prezentována zelenou křivkou. Maximální amplituda excentrů dosahuje 16 mm.
Výsledky
Experiment byl vyhodnocován na základě fotografií, které dávají představu o chování a efektivitě rozpohybování čerstvého betonu během zhutňování. Účinek vibrací se liší v závislosti na konzistenci betonu neboli velikosti odporu proti přetváření dané směsi. Na první sérii fotografií (obr. 5, 6 a 7) jsou vyfoceny tři vzorky stejné konzistence, které jsou vždy seřazeny podle použité frekvence, kde levý vzorek označený jako S byl hutněn frekvencí 35 Hz, střední vzorek označený M byl hutněn frekvencí 60 Hz a pravý vzorek označený jako H byl hutněn frekvencí 90 Hz.
Konzistence třídy S5, kterou lze kvalifikovat jako velmi tekutou, vykazuje podobný pigmentový obrazec pro všechny použité frekvence (obr. 5). Tělesa jsou barevně rozdělena přibližně v polovině, což odpovídá ukládání čerstvé směsi betonu. Dolní šedá vrstva nepatrně proniká do barevné pigmentové části, jinak nedochází k žádné změně.
Konzistenci třídy S3 lze kvalifikovat jako velmi měkkou směs, u které se již ukázal směr pronikání vrstev na rozdíl od konzistence S5. Horní pigmentová vrstva proniká do dolní vrstvy v rozích formy a dostává se až ke spodnímu povrchu formy (obr. 6).
Konzistenci třídy S1 lze označit za zavlhlou betonovou směs. Z fotografií je patrné, že se umocňuje směr pohybu horní vrstvy do dolní vrstvy směsi v rozích formy, kde pigmentová vrstva pokračuje po spodním povrchu formy do středu vzorku (obr. 7).
K vyhodnocení vnitřní struktury a promíchání vrstev byly všechny vzorky příčně rozříznuty diamantovou pilou ve vzdálenosti 3 cm od kraje vzorku. Vzorky na snímcích příčných řezů jsou seřazeny stejně jako u vnějších povrchů, tedy podle konzistence betonu a použité frekvence.
Příčný řez vzorků (obr. 8) splňujících konzistenci S5 se tvarově shoduje s bočním pohledem. Nedošlo k žádnému významnějšímu promíšení vrstev a během vibrace dochází pouze k redukci obsahu vzduchu.
Hutnění vzorků frekvencí 35 Hz u žádné konzistence nevyvolalo vizuálně významnější promíšení vrstev, vzorky zůstaly rozdělné na původní vrstvy. Vzorky konzistence S5 a S4 nevykázaly významnější promíšení vrstev pro žádnou použitou frekvenci. Pro hutnící frekvenci 60 Hz lze od konzistence S3 směrem ke konzistenci S1 pozorovat pronikání horní vrstvy v rozích formy směrem k dolní vrstvě (obr. 9). Hutnící frekvence 90 Hz umocňuje efekt pronikání horní vrstvy, pro konzistenci S1 horní vrstva směřuje po spodním povrchu formy do středu vzorku (obr. 10). U všech řezů se ukázal jeden boční dominantní směr pronikání horní vrstvy, dolní vrstva je částečně vytlačována do horní vrstvy středem vzorku.
Každý vzorek byl nafocen ze všech čtyř bočních stran, byla odměřena plocha jednotlivých zbarvených ploch, a pro každou stěnu vyjádřeno procentuální zbarvení, ze kterých byl vypočítán průměr pro daný vzorek (obr. 11).
Obrázek 12 prezentuje průměrné procentuální zbarvení stěn prvku červeným pigmentem. Grafy jsou rozděleny dle barev do tří částí podle frekvence hutnění (modré sloupce s označením H reprezentují 90 Hz, červené sloupce s označením M představují frekvenci 60 Hz a zelené sloupce s označením S prezentují nejmenší použitou frekvenci 35 Hz).
V jednotlivých škálách jsou vzorky seřazeny vzestupně podle třídy konzistence. Pro frekvenci hutnění 90 Hz a 60 Hz je patrný klesající trend zbarvení prvku s rostoucí třídou konzistence, u které klesá odpor proti přetváření. Frekvence 35 Hz vykazuje podobné výsledky zbarvení pro více konzistencí betonu, což naznačuje nedostatečně velkou hutnící energii. Během této frekvence dochází v betonu ke snižování objemu vzduchových pórů v čerstvém betonu, ovšem v mnohem menší míře k promíšení dolní a horní vrstvy čerstvého betonu. Při vyšší frekvenci 90 Hz se horní vrstva čerstvého betonu dostává ke dnu formy a pokračuje do jejího středu, vysokou efektivitu hutnění potvrzuje i 86% zbarvení vzorku pro třídu konzistence S1.
Závěr
Betonové směsi pro tělesa skládající se z více vrstev čerstvého betonu je vhodné koncipovat pro třídy konzistence betonu S3 až S1, a jako velmi vhodná se ukázala hutnicí frekvence 90 Hz s jasným trendem promíšení vrstev. Pohyb vrstev čerstvého betonu nastává od třídy konzistence S3 a roste spolu s velikostí odporu proti přetváření směsi k třídě konzistence S1. Pro třídu konzistence S5 a S4 nedochází k pohybu ani výraznějšímu promíšení vrstev pro žádnou použitou frekvenci. Při hutnicí frekvenci 35 Hz nedošlo k významnějšímu promíšení vrstev pro žádnou konzistenci betonu. Během vibrací nastává pohyb u horní pigmentové vrstvy, která proniká do dolní vrstvy v rozích formy a dostává se až ke spodnímu povrchu formy, kde směřuje do středu vzorku. U všech řezů se ukázal jeden boční dominantní směr pronikání horní vrstvy, dolní vrstva je částečně vytlačována do horní vrstvy středem vzorku.
Tomáš Trtík, Roman Chylík, Josef Fládr, Karel Šeps
Foto: archiv autorů
Poděkování
Tento příspěvek vznikl za finanční podpory projektu SGS19/149/OHK1/3T/11, SGS20/109/OHK1/2T/11, SGS21/040/OHK1/1T/11 a OP PIC CZ.01.1.02/0.0/0.0/17_107/0012337 – Vibrační stoly nové generace.
Literatura
[1] ČSN EN 12350-2: Zkoušení čerstvého betonu – Část 2: Zkouška sednutím. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020.
[2] ČSN EN 12390-2: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 2: Výroba a ošetřování zkušebních těles pro zkoušky pevnosti. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020.
[3] R. Howes, Muhammad N.S. Hadi, W. South. Concrete strength reduction due to over compaction, Construction and Building Materials 197, (2019) 725–733.
[4] M.E. Arslan, E. Yozgat, S. Pul and M. Husem, Effects of vibration time on strength of ordinary and high performance concrete, Proceedings of the 4th WSEAS international conference on Energy and development – environment – biomedicine, 2011.
[5] O. Maslov, J. Batsaikhan, Y. Salenko. The theory of concrete mixture vibratory compacting, International Journal of Engineering & Technology, (2018) 239–244.
Ing. Tomáš Trtík (*1992)
– absolvoval FSv ČVUT v Praze (2017), kde nyní pracuje jako výzkumný pracovník na katedře betonových a zděných konstrukcí. Specializuje se na vláknobeton a recyklaci.
Ing. Roman Chylík (*1992)
– absolvoval FSv ČVUT v Praze (2017), kde nyní pracuje jako výzkumný pracovník na katedře betonových a zděných konstrukcí. Specializuje se na mikroskopii a dynamické zatěžování.
Ing. Josef Fládr, Ph.D., (*1984)
– absolvoval FSv ČVUT v Praze (2010), kde nyní pracuje jako vedoucí akreditované laboratoře na katedře betonových a zděných konstrukcí. Specializuje se na technologii výroby vláknobetonu a vysokopevnostních betonů.
Ing. Karel Šeps, Ph.D., (*19??)
– absolvoval FSv ČVUT v Praze (2010), kde nyní pracuje jako výzkumný pracovník na katedře betonových a zděných konstrukcí. Specializuje se na výrobu betonu z recyklovaných surovin a na opětovném využití demoličního odpadu.
