Článek navazuje na předchozí výzkum autorů zaměřený na vliv různých faktorů na mechanické vlastnosti vysokohodnotného betonu (HPC) s latentně hydraulickými příměsemi. V první fázi byly hledány přípustné úrovně náhrad cementu popílkem, mikrosilikou a metakaolinem v širokém spektru náhrad 0–80 % [1]. Dále byly pro náhrady do 30 % hmotnosti cementu analyzovány vlivy na jednotlivé mechanické vlastnosti [2] a pro vybraná optimální procenta náhrady byl sledován účinek změn v postupu míchání betonové směsi na výsledné mechanické vlastnosti [2, 3].
Závěrečná série experimentů popsaná v tomto příspěvku je věnována zhodnocení vlivu praní kameniva na mechanické vlastnosti a zpracovatelnost HPC. Konkrétně bylo cílem určit vliv praní běžně používaného čedičového kameniva frakcí 4/8 a 8/16 na objemovou hmotnost, pevnost v tlaku, pevnost v tahu za ohybu, modul pružnosti a odolnost vůči průniku tlakové vody pro vysokohodnotné betony s latentně hydraulickými příměsemi vycházející z patentu autorů [4].
Východiska experimentu
Jemné částice jsou částice v čerstvém betonu, jejichž zrna mají velikost maximálně 0,125 mm [5] (nebo 0,063 mm dle [6]). Kromě cementu mezi ně patří zejména příměsi a jemné frakce drobného kameniva, které mohou zlepšovat vodotěsnost a zpracovatelnost čerstvého betonu, ale také zvyšovat deformace betonu v důsledku reologických změn, což je dáno hlavně zvýšenou potřebou záměsové vody a nárůstem vodního součinitele.
Vedle cíleně přidávaných jemných částic se v betonu mohou vyskytovat i jemné částice, jejich přítomnost je nežádoucí. Řadí se mezi ně jíl a další jemné složky, které vznikají při těžbě čedičového kameniva a zachycují se na povrchu zrn kameniva. Podle ČSN EN 12620+A1 [6] se jemné částice v kamenivu mohou považovat za neškodné, pokud je splněna podmínka, že celkový obsah jemných částic je menší než 3 %.
Collepardi [7] a Pytlík [8] uvádějí, že pokud nejsou tyto částice odstraněny, mohou oslabovat vazbu mezi kamenivem a cementovou matricí a zhoršovat tak mechanické vlastnosti betonu. Podle Collepardiho [7] nenastane přímo nebezpečí degradace konstrukce, proto nemůže být považována přítomnost jemných částic za stejně nebezpečnou, jako je přítomnost chloridů, síranů nebo reaktivních složek, které mají na trvanlivost betonu zásadní vliv. Pytlík [8] zmiňuje, že jemné částice ulpělé na zrnech hrubého kameniva mohou snížit mrazuvzdornost betonu.
Podle Aïtcina [9] jemné částice, které jsou uchyceny na povrchu zrn hrubého kameniva, zvyšují množství vody zachycené na povrchu zrn a tím lokálně zvyšují vodní součinitel v cementové pastě přiléhající k zrnu kameniva. Tato oblast, obecně nazývaná tranzitní zónou, a její vlastnosti jsou rozhodující pro mechanické vlastnosti vysokohodnotného betonu, přičemž při vyšším vodním součiniteli jsou její vlastnosti zhoršeny.
Topçu a Uğurlu [10] uvádějí, že přítomnost jílových částic na povrchu hrubého kameniva oslabuje vazbu mezi cementovou pastou a kamenivem a zhoršuje objemovou stálost betonu. Cepuritis a Mørtsell [11] experimentálně ověřili, že při použití praného kameniva dojde ke zlepšení zpracovatelnosti betonu.
Z výše uvedeného je patrné, že je z technologického hlediska výhodné jemné částice z hrubého kameniva odstranit praním a docílit tak lepších vlastností betonu. V domácí ani zahraniční literatuře však nebyly nalezeny žádné práce, které by se zabývaly vlivem praní hrubého kameniva na mechanické vlastnosti betonu a které by přínosy této úpravy demonstrovaly na konkrétních výsledcích. To bylo jedním z hlavních motivačních faktorů pro realizaci dále uvedené studie.
Zkoumané materiály
Výzkum byl prováděn pro čtyři různé receptury vysokohodnotného betonu. První byla směs referenční, další tři byly směsi obsahující určitý podíl jedné latentně hydraulické příměsi – mikrosiliky (20 % hmotnosti cementu), popílku (30 % hm. c.) nebo metakaolinu (20 % hm. c.). Podíly náhrad byly stanoveny na základě předchozího výzkumu publikovaného v článku [2], který rovněž podrobněji popisuje postup návrhu receptur a detailní charakteristiky použitého cementu a latentně hydraulických příměsí. Zde je uveden pouze obecný popis materiálů a výsledné složení receptur. Použity byly následující složky pojiva:
– portlandský cement CEM I 42,5 R Mokrá od výrobce Českomoravský cement, a. s.,
– mikrosilika Stachesil S od výrobce Stachema CZ, s. r. o.,
– elektrárenský popílek ETU EN 450 od společnosti ČEZ, elektrárna Tušimice II,
– metakaolin Mefisto L05 od výrobce České lupkové závody.
Při míchání betonu se postupovalo podle předpisu, který byl stanoven jako optimální ve studii [3]. Nejprve bylo během 20 s v laboratorní míchačce o nominálním objemu 80 litrů zhomogenizováno kamenivo frakce 4/8 a 8/16. Následně bylo přidáno kamenivo frakce 0/4 a míchání pokračovalo dalších 20 s. Poté byl do míchačky přidán cement, po dalších 20 s voda s plastifikátorem a veškeré složky byly míchány po dobu 60 s. U směsí s příměsemi byla příměs dávkována jako poslední složka, přičemž byl míchací čas prodloužen o dalších 180 s.
Všechny směsi byly vyrobeny ve dvou variantách – s praným a nepraným kamenivem frakce 4/8 a 8/16. Praní kameniva probíhalo tak, že bylo kamenivo na 30 s vloženo do vodní lázně v běžící laboratorní míchačce (viz obr. 1a), poté byla míchačka zastavena a kamenivo bylo pomocí síta vyjmuto. Před výrobou betonu byla míchačka důkladně vyčištěna, kamenivo bylo vysušeno v laboratorní sušičce (viz obr. 1b). Prosévací zkouškou bylo stanoveno, že obsah jemných částic menších než 0,125 mm v kamenivu 8/16 po vyprání klesl z 1,51 % hm. na 0,09 % hm., v kamenivu 4/8 pak z 0,52 % hm. na 0,02 % hm. Vzorky kameniva byly odebrány metodou kvartace podle ČSN EN 932-1 [12], pro každé kamenivo byly hodnoceny tři vzorky a výsledky byly zprůměrovány.
Provedené zkoušky, jejich výsledky a diskuse
Pro všechny zkoumané receptury byly provedeny zkoušky objemové hmotnosti ztvrdlého betonu, pevnosti v tlaku, pevnosti v tahu za ohybu, statického modulu pružnosti a zkouška hloubky průsaku tlakovou vodou ve stáří 28 dnů.
Objemová hmotnost
Objemová hmotnost byla stanovena dle ČSN EN 12390-7 [13] na krychlích o hraně 150 mm výpočtem ze změřených skutečných rozměrů a změřené hmotnosti přirozeně vlhkého vzorku. Pro každou recepturu byly stanoveny čtyři hodnoty, které byly zprůměrovány.
Výsledky jsou uvedeny v tabulce 2 a na obr. 2. S ohledem na velký podíl jemných složek jsou dosažené hodnoty poměrně vysoké, pohybují se kolem hranice 2500 kg/m³. Mírně nižších hodnot bylo dosaženo u směsí obsahujících mikrosiliku. Celkově lze konstatovat, že vyprání kameniva nemělo na objemovou hmotnost prakticky žádný vliv.
Pevnost v tlaku
Pevnost v tlaku byla stanovena dle ČSN EN 12390-3 [14] na krychlích o velikosti hrany 150 mm (viz obr. 6a). Pro každou recepturu byly stanoveny čtyři hodnoty, které byly zprůměrovány.
Výsledky jsou uvedeny v tabulce 3 a na obr. 3. Referenční směs s nepraným kamenivem dosáhla hodnoty 113,7 MPa. Pevnosti ostatních směsí s nepraným kamenivem byly prakticky shodné, v případě směsi s popílkem došlo k nárůstu pevnosti o 10 %. Výsledky se dobře shodují s výsledky předchozích studií autorů [2,3], což potvrzuje dobrou technologickou kázeň při výrobě vzorků.
Vypráním kameniva bylo dosaženo zvýšení pevnosti v tlaku u všech směsí, přičemž zcela prokazatelné byly přínosy u směsi s mikrosilikou (+13 %) a metakaolinem (+12 %).
Pevnost v tahu za ohybu
Pro všechny receptury byla stanovena pevnost v tahu za ohybu čtyřbodovou zkouškou dle ČSN EN 12390-5 [15] na trámcích o rozměrech 100x100x400 mm. Byly stanoveny tři hodnoty pro každou recepturu, které byly zprůměrovány.
Výsledky jsou uvedeny v tabulce 4 a na obr. 4. Lze konstatovat, že naměřené hodnoty jsou pro všechny směsi obdobné, přičemž vliv praní kameniva byl menší, než vliv odchylky měření. To značí, že vyprání kameniva nemělo na sledovanou vlastnost žádný vliv.
Modul pružnosti
Stanoven byl statický modul pružnosti dle ČSN ISO 1920-10 [16]. Pro zkoušku byly použity válce průměru 150 mm a výšky 300 mm (viz obr. 6b). Byly stanoveny tři hodnoty pro každou recepturu, které byly zprůměrovány.
Výsledky jsou uvedeny v tabulce 5 a na obr. 5. U všech receptur došlo při použití vypraného kameniva k mírnému nárůstu modulu pružnosti (max. 9 % v případě mikrosiliky a metakaolinu), avšak naměřené přínosy jsou srovnatelné s odchylkou měření, a nelze je tedy považovat za průkazné.
Hloubka průsaku tlakovou vodou
Zkouška byla provedena podle ČSN EN 12390-8 [17], a to pro každou recepturu na trojici krychlí o hraně 150 mm. Výsledné hodnoty představují průměry z jednotlivých měření. U některých receptur byl zaznamenán poměrně velký rozptyl naměřených hodnot, což však není u tohoto typu zkoušky výjimečné.
Výsledky jsou uvedeny v tabulce 6 a na obr. 7. Ve shodě s dřívějšími měřeními [2, 3] došlo při použití nepraného kameniva u všech směsí s příměsemi k podstatné redukci hloubky průsaku tlakové vody ve srovnání s referenční recepturou. Vyprání kameniva a odstranění jemných složek vedlo v souladu s předpokladem u všech směsí ke zvětšení hloubky průsaku tlakové vody. Změna u referenční směsi a směsi s mikrosilikou byla nepodstatná, v případě směsí s popílkem a metakaolinem vedla k podstatnému zvětšení průsaku.
Závěr
U sledovaných receptur bylo největšího přínosu dosaženo v případě pevnosti v tlaku, kde byly hodnoty pro směs s mikrosilikou a metakaolinem zlepšeny o 12–13 %, pro směs bez příměsí a směs s popílkem o 4 %. Budeme-li v souladu s platnými ceníky kameniva uvažovat nárůst ceny praného kameniva o 50 Kč/t oproti kamenivu nepranému, zvýší se náklady na 1 m³ zkoumaných betonů o cca 70 Kč, což by pro směsi s mikrosilikou a metakaolinem byla přijatelná cena za poměrně významné zlepšení pevnosti v tlaku.
Modul pružnosti rovněž pro všechny směsi po vyprání kameniva stoupl (o 4–9 %), avšak změna tohoto parametru byla menší než odchylky měření, a je proto neprůkazná. Objemová hmotnost a pevnost v tahu za ohybu úpravou kameniva nebyly ovlivněny. V souladu s teoretickými předpoklady došlo u všech směsí s praným kamenivem ke zvýšení hodnoty průsaku tlakovou vodou. Nárůst pro referenční směs a směs s mikrosilikou byl menší než 10 %. Rozdíly pro směs s popílkem a metakaolinem byly zásadní (+300 %, resp. +100 %), avšak absolutní naměřené hodnoty zůstaly stále velmi nízké (menší než 20 mm).
V součtu lze konstatovat, že při odstraněním jemných částic z frakcí kameniva 4/8 a 8/16 pomocí jeho vyprání nedochází ke zhoršení mechanických vlastností vyrobeného vysokohodnotného betonu s výjimkou odolnosti proti průsaku tlakové vody.
JOSEF FLÁDR, ROMAN CHYLÍK, PETR BÍLÝ, TOMÁŠ TRTÍK, LUKÁŠ VRÁBLÍK
foto archiv autorů
Poděkování
Článek byl připraven za podpory grantu GAČR č. 17-19463S „Analýza závislostí mezi mikrostrukturou a makroskopickými vlastnostmi ultravysokohodnotných betonů“.
Literatura:
1) CHYLÍK, R. a K. ŠEPS. Influence of cement replacement by admixture on mechanical properties of concrete. Proceedings of the 12th fib PhD Symposium in Civil Engineering, s. 1267–1274. Praha, 2018.
2) FLÁDR, J., P. BÍLÝ, V. HRBEK a L. VRÁBLÍK. Vliv částečné náhrady cementu latentně hydraulickou příměsí na mechanické vlastnosti vysokohodnotného betonu. Beton TKS, č. 5, 2018, s. 44–49.
3) BÍLÝ, P., J. FLÁDR, R. CHYLÍK, L. VRÁBLÍK a V. HRBEK. The Effect of Cement Replacement and Homogenization Procedure on High-Performance Concrete. Magazine of Civil Engineering 1/85 (2019).
4) FLÁDR, J., J. VODIČKA, A. KOHOUTKOVÁ a I. BROUKALOVÁ. Drátkobeton ultravysokých pevností. Patent CZ 304478. Praha, 2014.
5) ČSN EN 206+A1 Beton – specifikace, vlastnosti, výroba, shoda. Praha: ÚNMZ, 2018.
6) ČSN EN 12620+A1 Kamenivo do betonu. Praha: ÚNMZ, 2008.
7) COLLEPARDI, M. Moderní beton. Praha: Informační centrum ČKAIT, 2006.
8) PYTLÍK, P. Technologie betonu. Brno: VUTIUM, 2000.
9) AÏTCIN, P.-C. Vysokohodnotný beton. Praha: Informační centrum ČKAIT, 2005.
10) TOPÇU, İ. B. a A. UĞURLU. Effect of the use of mineral filler on the properties of concrete. Cement and Concrete Research, č. 33, 2003, s. 1071–1075.
11) Cepuritis, R. a E. Mørtsell. Possibilities of improving crushed sand performance in fresh concrete by washing: a case study. Materials and Structures, č. 49, 2016, s. 5131–5146.
12) ČSN EN 932-1 Zkoušení všeobecných vlastností kameniva – Část 1: Metody odběru vzorků. Praha: ČNI, 1997.
13) ČSN EN 12390-7 Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 7: Objemová hmotnost ztvrdlého betonu. Praha: ÚNMZ, 2009.
14) ČSN EN 12390-3 Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles. Praha: ÚNMZ, 2009.
15) ČSN EN 12390-5 Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 5: Pevnost v tahu ohybem zkušebních těles. Praha: ÚNMZ, 2009.
16) ČSN ISO 1920-10 Zkoušení betonu – Část 10: Stanovení statického modulu pružnosti v tlaku. Praha: ÚNMZ, 2016.
17) ČSN EN 12390-8 Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 8: Hloubka průsaku tlakovou vodou. Praha: ÚNMZ, 2009.
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. 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. Petr Bílý, Ph.D., (*1984)
absolvoval Fakultu stavební ČVUT v Praze (2011), kde nyní pracuje jako výzkumný pracovník na katedře betonových a zděných konstrukcí. Specializuje se na problematiku návrhu zděných konstrukcí a numerické modelování betonových a zděných konstrukcí.
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.
