Jak urychlit proces tvrdnutí betonu?

Tisíce let betonových konstrukcí potvrdily vysokou všestrannost, spolehlivost a odolnost tohoto jedinečného materiálu. Příklady betonové architektury vytvořené starými Římany přežily dodnes. Dnes je beton obecně stejný materiál, ale moderní pokroky v chemickém průmyslu jej posouvají na novou, dříve nepředstavitelnou úroveň.

Beton je jedním z nejpoužívanějších materiálů pro stavbu budov a různých konstrukcí – mosty, silnice a náměstí, přístavy, vodní stavby.

Spolu s vysokou pevností, odolností, hospodárností a ekologickou nezávadností má také schopnost mít jakýkoli daný tvar, bez ohledu na to, jak složitý může být.

Vlastnosti betonu jako stavebního materiálu

Beton je kompozitní materiál. Jeho hlavní složkou je cement. Jedná se o vodou tvrdnoucí pojivo ve formě práškového materiálu.

Po smíchání cementu s vodou vznikne cementová pasta, která téměř okamžitě začne houstnout a následně tvrdnout (získat pevnost), takže po 28 dnech za normálních podmínek (+18–22°C při vlhkosti vzduchu ne nižší než 90%) mění se v odolný materiál podobný kameni.

Pro zvýšení pevnosti betonu se do cementových malt přidává kamenivo – materiály, které se nepodílejí na chemických přeměnách. Agregáty se dělí na velké a malé. Do složení těžkého betonu se přidává hrubé a jemné kamenivo, zatímco do složení jemnozrnného betonu se přidává pouze kamenivo jemné.

Klasifikace betonu

Beton může mít velmi odlišné vlastnosti v závislosti na složení, podílech hlavních složek, přítomnosti přísad a charakteristikách procesu vývoje pevnosti. Protože realizace různých úkolů vyžaduje beton s různými vlastnostmi, je veškerý beton klasifikován do tříd a skupin podle hlavních standardizovaných ukazatelů.

Klasifikace betonu je stanovena v regulačním dokumentu GOST 25192-2012 Mezistátní norma „Beton. Klasifikace a obecné technické požadavky.“

Beton se podle hlavního účelu dělí na:

1. strukturální;
2. tepelná izolace;
3. konstrukční a tepelná izolace;
4. speciální (mající zvláštní vlastnosti).

Beton lze vyrábět nejen z cementů, ale také z jiných pojiv a na tomto základě se dělí na:

1. cement,
2. vápenatý,
3. omítka,
4. struska,
5. speciální (například polymerbeton).

Podle odolnosti vůči druhům koroze se beton dělí do skupin A, B, C, D, D, E.

Podle druhu kameniva se betony dělí na:

V závislosti na typu konstrukce se betony rozlišují:

1. hustý,
2. porézní;
3. velkoporézní struktura;
4. celulární.

Podle podmínek nárůstu pevnosti se betony dělí na:

1. kalení v přirozených podmínkách;
2. kalení tepelným zpracováním;
3. vytvrzování tepelným zpracováním za tlaku nad atmosférickým tlakem (autoklávově vytvrzovaný beton).

Hlavním standardizovaným ukazatelem betonu je jeho pevnost v tlaku. Pevnostní třída betonu v tlaku je označena písmenem B a číslem, které odpovídá mezní síle v MPa, kterou bez destrukce odolá vzorek betonu o velikosti hrany 10 cm.

Na základě tohoto parametru se rozlišuje středně pevný beton (do B50 včetně) a vysokopevnostní beton (od B55). Čerstvá, čerstvě připravená betonová směs má pevnost v tlaku B0; pevnost lehkého betonu se může pohybovat od B0,75 do B40; pevnost těžkého a jemnozrnného betonu je od B3,5 do B120.

Dalším důležitým parametrem je průměrná hustota, která je označena písmenem D a číselným ukazatelem odpovídajícím hmotnosti metru krychlového betonu v kilogramech:

1. zvláště lehký beton má průměrnou hustotu menší než D800;
2. lehký beton – D800–D2000;
3. těžký beton – D2000–D2500;
4. zvláště těžký beton – nad D2500.

Hustota betonu závisí na kamenivu a také na struktuře betonu. Hutnější betony mají vyšší pevnost, mrazuvzdornost a voděodolnost. To je způsobeno tím, že struktura hutného betonu má méně pórů a kapilár, což znamená, že méně vlhne. Když se voda dostane do kapilár a pórů betonu, při zamrznutí zvětší svůj objem a naruší strukturu betonu, takže čím méně beton vlhne, tím je odolnější vůči mrazu.

Na základě mrazuvzdornosti se beton dělí na třídy, které jsou označeny latinským písmenem F a číslem udávajícím počet cyklů zmrazování/rozmrazování, které vzorky vydrží bez destrukce.

1. nízká mrazuvzdornost (do F50 včetně);
2. střední mrazuvzdornost (do F300);
3. vysoká mrazuvzdornost (nad F300).

Na základě odolnosti vůči vodě je beton klasifikován do tříd označených písmenem W a číslem od 2 do 20, které udává maximální tlak v kg/cm 2, při kterém vzorek betonu nepropustí vodu. Podle tohoto ukazatele se betony dělí na:

1. beton s nízkou odolností proti vodě (pod W4);
2. beton střední odolnosti proti vodě (W4–W12);
3. betony s vysokou odolností proti vodě (nad W12).

Komponenty betonové směsi

Podle mezistátní normy GOST 26633-2015 „Těžký a jemnozrnný beton. Technické podmínky“, cementy, které jsou součástí betonové směsi, musí splňovat požadavky GOST 10178, GOST 22266, GOST 31108, GOST 33174. Cement musí být čerstvý a jeho třída pevnosti v tlaku pro těžký a jemnozrnný beton musí být alespoň 32,5.

Jako jemné kamenivo se používá přírodní písek nebo písek z drcení hornin (nebo jejich směsi), jemnozrnný popel a struskové směsi, písek z vysokopecních a feroslitinových strusek hutnictví železa o hustotě 2000–2800 kg/m 3 včetně těžký a jemnozrnný beton. Obsah jílových a prachových částic by neměl překročit 3 % hmotnosti nebo do 2 % u betonu s pevnostní třídou vyšší než B60.

Velká kameniva v těžkém betonu jsou:

1. drcený kámen nebo drcený štěrk;
2. štěrk z hustých skal;
3. drcený kámen z vysokopecních a feroslitinových strusek hutnictví železa, z drceného betonu a železobetonu, z prosévání drtí hutných hornin (ten se nepoužívá pro beton třídy vyšší než B35).

Hustota hrubého kameniva je 2000–3000 kg/m3. Největší zrnitost se volí podle projektové dokumentace. Pro beton pevnostní třídy B60 a vyšší se používá drť z hutných hornin stupně drtivosti minimálně 1200, obsahující nejvýše 5 % hmoty zrn slabých hornin.

Voda pro přípravu směsi musí odpovídat GOST 23732.

Poměry betonové směsi určují její hlavní standardizované ukazatele.

Přísady do betonových směsí

Kromě hlavních složek lze do betonových směsí přidávat další složky, nazývané modifikační přísady. Jedná se o organické nebo anorganické sloučeniny, které se přidávají do betonových roztoků v zanedbatelném množství, aby směsi dodaly nové vlastnosti nebo regulovaly její konstrukční a technologické vlastnosti.

Přísady do betonových směsí nejsou ve skutečnosti žádnou novinkou. Lidé se naučili vyrábět beton před více než 7000 lety a v průběhu historie jeho používání byly do jeho složení přidávány určité další složky.

V moderním stavebnictví dosáhla praxe používání modifikujících přísad zásadně nové úrovně. Pokud se to dříve dělalo z rozmaru, s ne vždy předvídatelnými výsledky, dnes jsou přísady do betonu a malt vyráběny průmyslově a testovány v souladu s požadavky regulačních dokumentů. To znamená, že výrobce aditiva již obdržel přesné odpovědi na otázky, jako je dávkování, způsob zavedení do roztoku a účinek.

Z mylně chápaných úspor se někdy stále používají „improvizované prostředky“, ale výhody použití průmyslově vyráběných přísad jsou tak zřejmé, že taková řešení jednoduše ztrácejí smysl.

Požadavky na přísady do betonu a malt upravuje mezistátní norma GOST 24211-2008 „Přísady do betonu a malt“. Všeobecné technické podmínky“, podle kterých se dělí na třídy, skupiny a podskupiny.

Urychlovače tvrdnutí betonu

Urychlovače jsou přísady, které se používají k ovlivnění kinetiky tvrdnutí betonu, konkrétně ke zvýšení rychlosti nárůstu pevnosti.

Podle GOST 24211-2008 musí poskytovat:

1. zvýšení pevnosti betonu a malt ve stáří 1 dne normálního tvrdnutí o 30 % nebo více;
2. po tepelné a vlhkostní úpravě – o 20 % nebo více.

Proč je nutné urychlovat tvrdnutí betonu?

Betonová směs má v době míchání pevnost v tlaku B0. Po instalaci prochází několika fázemi.

Nejprve směs tuhne, to znamená, že najednou ztrácí svou plasticitu. K tomu dochází v prvních hodinách po instalaci. Po ztuhnutí beton začíná tvrdnout: nejprve velmi rychlým tempem, pak se tato rychlost postupně zpomaluje.

Beton dosáhne své konečné nebo návrhové pevnosti 28. den po pokládce. Kromě návrhové pevnosti se rozlišuje také časná, bednění a kritická pevnost.

Odbedňování je síla, při které lze bednění z betonového výrobku odstranit.

Kritická pevnost je pevnost, při které může beton zmrznout, aniž by došlo ke snížení jeho vlastností. Tento parametr je důležitý zejména při zimní betonáži. Jak je známo, při teplotách vzduchu pod + 5° C se tuhnutí betonových směsí prakticky zastaví.

Pokud se betonářské práce provádějí bez použití protimrazových přísad, které umožňují betonu získat pevnost i při teplotách pod nulou, pro zajištění vytvrzení se zahřívá, zahřívá nebo přikrývá, aby se uchovalo teplo uvolněné během hydratačních reakcí.

Zahřívání a zahřívání by mělo pokračovat, dokud není dosaženo kritické pevnosti betonu. Délka tepelného zpracování závisí na tom, jak rychle k němu dojde. A to je vzhledem k energetickým nákladům na takové akce důležitá otázka.

Hodnota kritické pevnosti je obvykle uvedena v projektové dokumentaci a může se pohybovat od 30 do 70 % vypočtené hodnoty. Pokud neexistují žádné pokyny, považuje se za kritických 70 % pevnosti návrhu.

V jakékoli fázi může být nutné urychlit proces posilování. Rychlejší dosažení odizolovací síly umožňuje zvýšit obrátku nástrojů a zařízení, zkrátit dobu potřebnou k získání kritické pevnosti a během zimní betonáže poskytuje významné úspory energie a zvýšenou obměnu zařízení. Urychlení nárůstu pevnosti betonu také umožňuje zvýšit produktivitu technologického procesu, rychleji zatěžovat konstrukci a přejít do dalších fází výstavby.

Ekonomické přínosy urychlení tvrdnutí betonu jsou tak zřejmé, že používání různých metod urychlení začalo již velmi dávno.

Metody urychlení tvrdnutí betonu

Pokud se krátce zamyslíme nad procesy vedoucími k přeměně cementové pasty na pevný materiál, bude obrázek následující:

1. Když se do cementu přidá voda, začnou hydratační reakce mezi sloučeninami slínku a vodou. Různé sloučeniny reagují různou rychlostí.
2. Voda obsažená ve směsi je nasycena chemickými sloučeninami.
3. Ve směsi se objevují produkty hydratačních reakcí – krystalické sloučeniny.
4. Chemické složení směsi se mění, změněné podmínky umožňují sloučeninám slínku vstupovat do reakcí, které do nich dříve nevstupovaly.
5. Proces nabírání síly probíhá nejprve rychle, pak se postupně zpomaluje, přičemž po celé jeho délce dochází k momentům prudkého nárůstu síly a jejímu částečnému uvolnění.

Pro urychlení tvrdnutí betonu je nutné zajistit rychlé nasycení roztoku a zvýšit aktivitu reakcí. To lze provést různými způsoby.

Vyrovnání poměru voda-cement

Poměr voda-cement, který zajišťuje vznik hydratačních reakcí, je 0,3. V praxi se pro zvýšení zpracovatelnosti směsi používá více vody. Snížení množství vody umožňuje rychle získat koncentrovaný roztok a beton rychleji tvrdne.

Problémem je v tomto případě snížení zpracovatelnosti betonové směsi. To lze vyřešit použitím změkčovadel nebo delší vibrační úpravou.

Tato metoda tedy není příliš ekonomicky rentabilní: zvyšuje se spotřeba cementu a prodlužuje se doba zpracování betonu.

Aplikace rychle tvrdnoucích cementů

Speciální rychle tvrdnoucí cement a použití cementu vyšší třídy z hlediska pevnosti v tlaku zajišťují rychlejší nárůst pevnosti betonu.

Tepelná a vlhkostní úprava

S klesající teplotou se procesy nabírání pevnosti zpomalují, ale platí to i naopak: čím vyšší teplota, tím rychleji beton tvrdne.

Podle Van Hoffova vzorce se při zvýšení teploty o 10 °C (v rozmezí 0–100 °C) zvyšuje rychlost rozvoje pevnosti 2–4krát.

Teoreticky, pokud beton získá návrhovou pevnost při 20 °C za 28 dní, při teplotě 60 °C (s přihlédnutím k udržení vlhkosti vzduchu 90 %, aby roztok nevyschl), návrhová pevnost bude získal za 8 hodin. V praxi to s přihlédnutím k vnějším vlivům trvá asi 12 hodin.

Nevýhodou této metody jsou dodatečné značné náklady na tepelnou a vlhkostní úpravu a řízení procesu, protože pokud se situace vyvine abnormálně, beton může prasknout.

Aplikace urychlovacích přísad do betonu

Speciální přísady zasahují do hydratačních reakcí, ke kterým v betonové směsi dochází. Mohou poskytovat urychlující účinky různými způsoby:

1. zvýšit rozpustnost složek slínku, což vede k rychlejšímu nasycení vody a zvýšené rychlosti krystalizace;
2. aktivovat cement;
3. vést ke zvýšení uvolňování tepla z probíhajících reakcí.

Elektrolytické soli jako urychlovače tvrdnutí betonu

Soli se jako přísady pro rychlé tvrdnutí betonu používají minimálně od 30. let XNUMX. století.

Hlavními solemi, které se používaly jako urychlovače tuhnutí a tvrdnutí malt na bázi cementu, jsou chloridy (CaCl₂KCl, NaCl).

Experimentální testy však ukázaly, že pouze chlorid vápenatý CaC1 lze považovat za urychlovač tuhnutí betonu.₂. Urychluje vývoj pevnosti betonu téměř o polovinu, ve srovnání s neaditivovanými betonovými směsmi. Současně CaC1₂ je levný, sériově vyráběný produkt.

Působí okamžitě, mění aktivitu vody a vytváří zásadně nové podmínky pro vznik hydratačních reakcí a tvorbu struktur cementového kamene.

Ještě v 60. letech 5. století se však zjistilo, že chloridy působí na kovovou výztuž agresivně, proto dnes v technologii železobetonu s průměrem výztuže menším než XNUMX mm a předpjatého betonu platí zákaz použití chloridů. I když studium těchto solí jako přísad do betonu pokračuje.

Přísady, které urychlují tuhnutí cementových malt

Při naléhavých opravách může být vyžadováno rychlé počáteční tuhnutí malty. Přísady, jako je tekuté sklo, používané v roztocích místo vody, umožňují získat téměř okamžitě tuhnoucí roztoky.

Pěna a nadouvadla

Přísady, které zahrnují vzduch, vytvářejí porézní strukturu plynového a pěnového betonu. Příkladem takové přísady je hliníkový prášek.

Po přidání do směsi se provádí vibrační zpracování, pod jehož vlivem se spouští chemické reakce, do kterých hliník vstupuje se sloučeninami slínku a vodou. Reakční produkt, hlinitan vápenatý, má silný urychlující účinek na tuhnutí cementu, takže směs tvrdne během několika minut.

Urychlovače pevnosti betonu

Moderní komplexní přísady do betonu a malt urychlují tuhnutí a vývoj počáteční pevnosti a pevnosti bednění a mohou mít i další funkce.