princip betonu a cementu

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ

A CHEMIE
BETON –

VZTAH MEZI STRUKTUROU A VLASTNOSTMI
BETON –

vztah mezi strukturou a vlastnostmi
•

Úvod
•

Chemie cementu

–

složení, typy, aplikace
•

Vznik porézní

struktury betonu
Definice betonu
Hydratace cementu
Struktura betonu
Voda v hydratované

cementové

mikrostruktuře
Póry v hydratované

cementové

mikrostruktuře
Vnitřní

a vnější

faktory ovlivňující

porézní

strukturu betonu
•

Vliv porozity na vlastnosti betonu
Pevnost
Permeabilita
Tepelná

vodivost
•

Vliv vnějších podmínek na vlastnosti betonu
Působení

vysokých teplot
Vliv nízkých teplot
Destrukce betonu vlivem působení

agresivních látek
Literatura
•

Chemie ve stavebnictví, O. Henning, V. Lach, SNTL/ALFA, 1983.
•

Stavební

hmoty, L. Svoboda a kolektiv, JAGA Group

s.r.o.,
Bratislava, 2004.
•

Czernin,

W., Cement Chemistry and Physic for Civil Engineers,
Bauverlag

GMBH, Berlin, 1980.
•

Powers T. C., The Physical Structure

and

Engineering

Properties

of

Concrete, Research

and

Develop. Bull. Of

Portland Cement Ass.
Skokie, No. 90, 1958.
•

Feldman, R. F., Sereda, P. J., A New

Model for

Hydrated

Portland
Cement and

its

Practical

Applications. Engng. Jour. (Canda), 53,
1970, 8-9, 53-59.
•

Midness, S., Young, J. F., Concrete, Prantice-Hall, Inc., New

Jersey,
1981, 657s..
Úvod I/V
•

Jeden z historicky nejstarších stavebních materiálů.
•

V současnosti je to nejčastěji používaný materiál ve stavebnictví

–

důvode jeho časté

aplikace je především všestrannost a
univerzálnost vlastností.
Množství

stavebního materiálu použitého v USA, 2000
Materiál Objem

(10
6

m
3
) Hmotnost

(10
6

t)
Stavební

dřevo 107 -
Beton 275 640
Cement 33 105
Ocel 2 13
Pálené

cihly a
produkty z jílů
- 39
Stavební

kámen 0.3 1
Asfalt _ 2
Neželezné

kovy _ 29
Úvod II/V
•

Důvod časté

aplikace betonu ve stavebním průmyslu je zdůvodnit
následujícími výhodami betonu:
Výhody Nevýhody
Možnost odlití

specifických
tvarů
Nízká

pevnost v tahu
Ekonomické

výhody Nízká

tažnost
Trvanlivost Objemová

nestálost
Požární

odolnost Nízký poměr pevnosti ku
hmotnosti
Energetické

výhody??
Možnost produkce přímo na
stavbě
Estetické

vlastnosti
Úvod

III/V
•

První

významný krokem pro širší

produkci betonu představuje
poznání

hydraulických vlastností

vápenných pojiv obsahujících jílové

minerály.
Historický přehled (vývoj Portlandského cementu):
•

V roce 1796 získal Angličan James patent na přírodní

hydraulický
cement –

výroba kalcinací

nečistého vápence obsahujícího jíl.
•

Obdobný proces je možné

pozorovat ve Francii o 6 let později. V
roce 1813 připravil Vicat (Vicatův přístroj pro stanovení

doby tuhnutí

cementu) umělé

hydraulické

vápno kalcinací

syntetické

směsi
vápence a jílu.
•

V roce 1822 zavedl proces výroby hydraulického vápna v Anglii
James Frost.
•

Konečně

v roce 1824, Joseph Aspdin (stavitel z Leedsu) obdržel
patant na výrobu „portlandského cementu“
Úvod IV/V
•

Po poznání

hydraulických vlastností

vápenných pojiv s přidáním
jílových minerálů

se následující

vývoj soustředil výhradně

na
zdokonalení

pojivé

složky –

cementu (úprava složení

–

vstupní

suroviny, pece pro výrobu cementu, mlýny, atd.)
•

Během vývoje betonu byla formulována celá

řada technologických
zásad, které

přetrvávají

v drobných změnách až

do padesátých let
20. století.
•

Kvantitativním skokem v poznání

kompozitního charakteru betonu
byla až

práce T. C. Powerse, který prokázal, že pevnost, trvanlivost,
mrazuvzdornost a vodopropustnost jsou funkcí

porozity

struktury
betonu.
Úvod V/V
•

Současné

výzkumné

a vývojové

práce jsou v podstatě

založeny na
snaze snížit porozitu betonového kompozitu na minimum.
•

Prvním krokem byl úspěšný vývoj nových typů

plastifikátorů

umožňujících podstatně

snížit obsah záměsové

vody a tím snížit
množství

pórů

vzniklých při jejím vypařování

během hydratace.
•

Další

vývoj přinesl přidání

jemných plniv s latentně

hydraulickými
vlastnostmi, díky čemuž

bylo možné

zvýšit homogenitu směsi a
umožnit dokonalejší

hydrataci –

snížení

porozity, nárůst
pevnostních charakteristik současných nových typů

betonu.

Hlavní

složky PC
Schéma výroby slínku, resp. cementu
Princip výroby cementu (opakování)
Výroba surovinové

moučky
Na základě

přesných chemických analýz se upraví

poměr jednotlivých
složek surovinové

směsi. Jsou to především vápence znečištěné

příměsí

silikátů

a železité

konkrece. Surovinová

směs je mleta v

oběhových
kulových mlýnech a současně

se sušena. Hotová

moučka se poté

dopravuje do železobetonových zásobních a homogenizačních sil.
Výpal portlandského slínku
Nejdůležitějším procesem výroby cementu je výpal slínku. Surovinová

moučka prochází

výměníkem tepla, ve kterém dochází

k

předehřátí

suroviny na teplotu 800 °C. Ve výměníku dochází

k

využití

tepla kouřových
plynů

a k

dokonalému zachycení

oxidu siřičitého, který se přeměňuje na
síran vápenatý (sádru). Pálením až

na mez slinutí

(cca 1450 °C) se tvoří

umělé, tzv. slínkové

minerály, které

se následným prudkým schlazením
v

chladiči stabilizují

a vzniká

slínek. Slínek je následně

dopraven do
zásobních sil.
Mletí

cementu
Ze slínkových sil se slínek odebírá

pro mletí

v

cementových mlýnech, kde
se mele společně

s

regulátory tuhnutí

(energosádrovec), případně

dalšími
složkami (struskou, popílkem a jinými) na hotový produkt –

cement, který je
veden do cementových sil a následně

expedován.
•

Porovnání

rychlosti hydratace slínkových minerálů
Křemičitanové

(silikátové) cementy
-

portlandský cement (p-cement) a další

křemičité

cementy
jsou prášková

hydraulická

pojiva, která

se vyrábí

rozemletím křemičitanového slínku se sádrovcem, po
smísení

s

vodou rychle tuhne v

odolnou hmotu.
•

typy PC –

vysokohodnotný (obsahuje vysoké

procento C
3

S,
jemně

mletý), silniční, rozpínavý, bílý (na spáry obkladaček,
neobsahuje oxidy železa)
Směsné

cementy
•

latentně

hydraulické

látky (zásaditá

struska), aktivní

nehydraulické

látky (pucolány)
•

budičem hydrauličnosti -

Ca(OH)
2
•

tvrdnou pomaleji než

PC, vyvíjejí

méně

hydratačního tepla,
proto se hodí

pro masivní

betonáž, pro vodní

stavby a pro
zakládání

staveb
•

Směsné

cementy mohou také

zvýšit trvanlivost betonu –

nižší

pórovitost, vyšší

pevnost v tahu, tlaku v čase
Směsné

cementy
-

V USA jsou směsné

cementy definovány vlastní

specifikací

dle normy ASTM C 595.
-

Je nutné

zdůraznit, že v USA se směsné

cementy používají

velmi zřídka, neboť

minerální

příměsi jsou do struktury betonu
přidávány až

při míchání

čerstvé

betonové

směsi.
-

Na druhé

straně, všechny evropské

cementy jsou v podstatě

směsné.
Typy PC v Evropě:
ƒ Pro klasifikaci Portlandského cementu se používají v
technické praxi dvě hlavní normy: ASTM C150 používaná
především v USA a evropská norma EN-197.
ƒ cementy typu CEM I, II, III, IV, a V dle normy EN-197
nekorespondují se stejně pojmenovanými typy cementů dle
ASTM C 150.
ƒ EN 197-1 definuje 5 typů cementů, které mají za základní
složku portlandský cement:
ƒ I Portlandský cement - Portlandský cement a max. 5%
minoritních přísad
ƒ II Portlandský cement směsný - Portlandský cement a max.
35% dalších složek
ƒ III Vysokopecní cement – Portlandský cement a vyšší
procentuelní zastoupení vysokopecní strusky
ƒ IV Pucolánový cement- Portlandský cement a max. 55%
pucolánových příměsí
ƒ V Směsný cement - Portlandský cement, vysokopevnostní
struska, pucolánové příměsi, popílek
Expanzivní

cementy
ƒ Jednu z hlavních nevýhod betonu na bázi Portlandského cementu
představuje jeho objemová kontrakce, ke které dochází při jeho
vysychání během hydratace (smrštění) – pokud je tomuto smrštění
bráněno (např. konstrukčně) vzniká v betonu tahové napětí, které
může být doprovázeno vznikem trhlin.
ƒ Náhodné trhliny v betonové kci. Jsou jednak neestetické, ale
závažnější problém je, že ve svém důsledku mohou narušit integritu
celé konstrukce. Z tohoto důvodu je nezbytné již v návrhu konstrukcí
tak při jejich provádění zohlednit vliv případného smrštění.
ƒ Vznik trhlin je kritický zejména pro konstrukce zadržující kapalnou
vodu (přehrady, nádrže) a pro konstrukce, ke kterým voda nesmí
proniknout.
ƒ Jako logické řešení problému smrštění se jeví možnost vnesení
počátečního objemového rozpínání v betonu v rámci počátečního
stádia hydratace a tvrdnutí – viz. Obr.
ƒ ačkoli běžný Portlandský cement vykazuje velmi malou počáteční
rozpínavost během mokrého procesu jeho ošetřování, jeho
rozpínavost může být cíleně modifikována – shrinkage control
(expanzivní cementy)
Smrštění

betonu při vysoušení

(a) Portlandský cementand (b)
expansivní

cement
Smrštění

betonu při vysoušení

(a) Portlandský cementand (b)
expansivní

cement
Složení

expanzivních cementů
ƒ Všechny tyto cementy jsou založeny na formaci podstatného
množství etringitu v počátečním stádiu hydratace (během
prvního týdne)
ƒ V podstatě se vyrábějí tři základní varianty těchto cementů,K,
M a S, - liší se původe hlinitanové sloučeniny, ze které je
následně při hydrataci tvořen etringit
Hlinitan vápenatý + S_ + H ettringite
ƒ Zreagovaný hlinitan vápenatý nahradí C
3
A v cementu,
přičemž vápenaté křemičitany zajišťují dlouhodobé vlastnosti
ma