princip betonu a cementu

teriálu-
ƒ Příklad: typ E-1(K) – využíván jenom v USA, složen z calcium
sulfoaluminate (C
4
A
3
S_)s anhydritem (CS_) – CaSO
4
,
společně s volným vápnem zvyšují množství etringitu a tím i
objemovou expanzi materiálu
Hlinitanový cement I/III
-

HC je hydraulické

pojivo pro výrobu betonů

určených pro
monolitické

či prefabrikované

stavby pecí

a vyzdívky, tzv.
žárobetonů

(do 1600°C), betony odolné

vyšším teplotám (nad
200°C)
-

surovinovou směs tvoří

čistý vápenec a bauxit
-

výroba je velmi nákladná
ƒ elektrické tavení v obloukové elektrické peci při 1500-1600°C (tzv.
elektrotavený korund), tavenina se pomalu ochlazuje tak, aby vznikl
krystalický CA, který se následně mele na prášek
ƒ vypalování briket v keramických pecích při 1250°C, ochlazením opět
vzniká CA
-

slínek se skládá

z

45% Al
2

O
3

(žárovzdorné

až

81%), 40% CaO,
zbytek tvoří

oxidy železa a křemíku a zbytkové

příměsi. Výsledné

vlastnosti také

ovlivňuje nemalou měrou použité

kamenivo
-

slínkové

minerály v hlinitanovém cementu CA
(monokalciumaluminát, hlinitan monovápenatý)
C
2

A (kalciumdialuminát, dihlinitan vápenatý
C
3

A
5

, C
3

A
2

, C
2

AS, C
4

AF, C
5

A
3
Hlinitanový cement II/III
-

slínek po smíchání

s

vodou rychle hydratuje na CaO. Al
2

O
3

.10H
2

O,
za uvolnění

značného tepla 550-650 J/g (PC 270-400 J/g) a
dosahuje vysokých počátečních pevností

20-60 MPa/24 hod
Druh a složení

hydrátů

závisí

na teplotě

hydratace:
22°C

CA+10H→CAH
10
22-30°C

2CA+11H→C
2

AH
6

+2AH
3
30°C

3CA+12H→C
3

AH
6

+2AH
3
nad 30°C

3CA+10H→C
3

AH
6

+2AH
3

+18H
vysoká

pórovitost, tvorba trhlinek→pokles pevnosti, proto je nutné

snižovat poměr v/c.
Hlinitanový cement III/III
-

při nedostatečném ošetřování

betonu (vlhčení

a to ihned po
zatuhnutí), vzniká

nebezpečí

tvorby málo pevného C
3

AH
6
-

na to má

vliv i rychle hydratující

C
5

A
3

s

nestabilní

strukturou,
která

se může projevit snižováním pevnosti betonu během
času.
-

to se potvrdilo i několika haváriemi betonových konstrukcí,
proto se od roku 1985 u nás nesmí

HC používat k

výrobě

betonu nosných konstrukcí
Žárobeton, beton odolný vyšším teplotám -

kamenivo
-

pro výrobu hutných žárobetonů

s objemovou hmotností

vyšší

než

1500 kg na metr kubický, vystavených teplotám do 700°C
postačípřírodní

kamenivo
-

pro hutné

žárobetony vystavené

vyšší

teplotě

než

700°C je
třeba použít umělého kameniva. Přírodní

kamenivo nesmí

při
vyšší

teplotě

měnit své

mechanické

vlastnosti a nesmí

se
vlivem vysoké

teploty smršťovat. Nejvhodnějšími přírodními
kamenivy pro hutné

žárobetony je čedič, diabas a nebo
andezit. Naprosto nevhodnými kamenivy jsou křemenná

kameniva a žula. Křemenná

kameniva vlivem vysoké

teploty
pukají

a žula se vlivem vysoké

teploty nadměrně

smršťuje.
-

pro hutné

žárobetony vystavené

teplotám v rozsahu 800°C až

1000°C již

nelze použít přírodní

kamenivo. Pro tyto teploty lze
použít buď

drcený keramický střep

a nebo drcenou
pomalu chlazenou vysokopecní

strusku. Pro teploty nad
1000°C lze použít jako kamenivo drcený šamot, korund,
karborundum, drcený bauxit a nebo chromit.
Vznik porézní

struktury betonu
Definice betonu:
Z pohledu materiálového inženýrství

můžeme beton definovat
jako heterogenní

soustavu kameniva propojenou cementovým
gelem s rozptýlenými póry.
Beton nelze považovat za hmotu, jejíž

vlastnosti jsou neměnné

–
-probíhají

v něm časově

závislé

změny, ke kterým dochází

v
pojivu (ztvrdlé

cementové

maltě) a v zóně

mezi touto hmotou a
kamenivem vlivem krystalizace hydratačních sloučenin,
odpařování

vody z pórů

i vlivem vnějšího působení

na beton
Vznik betonu je vázán na přeměnu pojivé

složky cementu, který
po smíchání

s vodou chemicky reaguje a mění

svou počáteční

konzistenci vysokoviskózní

vodné

suspenze –

cementové

pasty,
na pevnou formu hmoty -

cementový gel
Teorie tvrdnutí

cementu
‰ krystalová teorie Le Chateliera (1882):
1. fáze –

postupné

rozpouštění

cementu ve vodě

(hydrolýza+hydratace), výsledkem hydráty přesycený roztok
2. fáze –

krystalizace z

roztoku a vylučování

jehličkovitých,
vzájemně

zplstěných krystalů
‰ koloidní teorie Michaelisova (1892):
1. fáze –

částečné

rozpouštění, tvorby koloidní

hmoty z

CS-,
CA-

a CF-hydrátů, vznikají

tzv. C-S-H gely
2. fáze –

smrštění

hydrogelu vlivem „vnitřního odsávání“

vody
ještě

nehydratovanými zrny cementu
•

gelově

krystalová

teorie Bajkova (1923)
•

teorie tvorby mikrostruktury Rebinděra a Polaka (1960)
•

teorie struktury gelu Powerse (1961)
•

atd.
Hydratace cementu
-

probíhá

ve třech indukčních periodách
1. perioda: (10 –

15 minut)
-

téměř

okamžitě

reaguje podstatná

část C
3

S za vzniku
hydrosilikátového gelu a krystalického portlanditu
2(3CaO.SiO
2

) + 6H
2

O 3CaO.SiO
2

.3H
2

O + 3Ca(OH)
2
-

zároveň

probíhá

také

reakce C
3

A za přítomnosti sádrovce na
hexagonálně

krystalický ettringit, který postupně

přechází

na
monosulfát tvořící

destičky
3CaO.Al
2

O
3

+ 3CaSO
4

.2H
2

O + 26H
2

O 3CaO.Al
2

O
3

.3CaSO
4

.32H
2

O
3CaO.Al
2

O
3

.3CaSO
4

.32H
2

O + 2(3CaO.Al
2

O
3

) + 4H
2

O
3(3CaO.Al
2

O
3

.CaSO
4

.12H
2

O) monosulfát

Hydratace cementu II
2. perioda: ( končí

po 12 –

24 hodinách)
-

spojena s přechodem cementové

pasty do tuhého skupenství
-

základní

hydratační

reakce trikalcium silikátu se rozvíjí

za vzniku
dlouhovláknitého kalciumhydrosilikátu a zvětšených krystalků

portlanditu
-

dochází

k nárůstu měrného povrchu systému až

100x
-

zrna cementu se k sobě

přibližují

prorůstáním krystalů

hydratačních
produktů
-

probíhá

hydratace ferritové

fáze
4CaO.Al
2

O
3

.Fe
2

0
3

+ 4CaO(OH)
2

+ 22H
2

O 4CaO.Al
2

O
3

.13H
2

O
+ 4CaO. Fe
2

0
3

.13H
2

O
Hydratace cementu III
3. perioda:
-časově

neohraničený úsek tvrdnutí

betonu zahrnující

hydrataci C
2

S
-dozrávání,hydratace dosud nezhydratovaného podílu cementových
zrn a rekrystalizace hydratačních produktů

vlivem difúze vody z
vnějšího prostředí
2(2CaO.SiO
2

) + 4H
2

O 3CaO.2SiO
2

.3H
2

O + Ca(OH)
2
Množství

hydratačního tepla závisí

na mineralogickém složení,
jemnosti mletí

a teplotě, při níž

hydratace probíhá, přísadách a
přídavcích a vodním součiniteli. S

rostoucí

teplotou se rychlost reakcí

zvyšuje.


Hydratace cementu IV
Velký vliv na průběh hydratace má

vodní

součinitel čerstvé

betonové

směsi v/c.
znázornění

složení

hydratačního produktu při teoreticky 100% hydrataci
publikoval ve své

knize W. Czernin (viz. seznam použité

literatury)
Struktura betonu I
Makrostruktura

–

hodnocená

podle řezu betonového prvku a
hodnocena pouhým okem, ukazuje beton jako dvousložkový materiál,
který obsahuje kamenivo různých velikostí

a tvarů

a pojivo, jako
nesouvislou vrstvu zhydratovaného cementu propojující

kamenné

plnivo
makrostruktura
betonu
Struktura betonu II
Mikrostruktura

–

mikroskopické

pozorování

např. elektronovým
mikroskopem –

struktura pojiva je v různých místech značně

rozdílná,
zdánlivě

homogenní

pojivo má

porézní

strukturu o různé

velikosti a
tvaru pórů
‰ propojení póry je závislé především na vodním součiniteli, složení
betonu a ošetřování během hydratačního procesu
mikrostruktura
betonu
Struktura betonu III
Elektronová

mikroskopie

umožnila identifikovat čtyři základní

pevné

složky zhydratované

cementové

pasty:
‰ Kalcium silikát hydrát (C-S-H)
‰ Kalcium hydroxid (C-H)
‰ Kalcium sulfoalumináty (C-S-A-H)
‰ Nezhydratovaná cementová zrna
Struktura betonu IV
‰ Kalcium silikát hydrát (C-S-H), C-S-H gel
-

zaujímá

50-60% objemu a je určujícím faktorem vlastností

cementového gelu
-

má

variabilní

morfologický obraz a je charakteristický existencí

krystalických vláken až

po vláknité

mřížkovité

útvary
-

tvorba C-S-H gelu začíná

růstem vláknitých útvarů

na cementových
zrnech vlivem reakce s vodou
-

s postupem času se tloušťka hydratující

složky zvyšuje a stává

se
pro další

vodu nutnou k postupu reakce překážkou –

snižuje se
hydratační

rychlost
Struktura betonu V
‰ Kalcium hydroxid (C-H), portlandit
-

zaujímá

20 –

25% objemu pevné

fáze zhydratované

cementové

pasty
- vytvářírozměrné

hexagonální

krystaly
-

je mu přisuzován nepříznivý vliv na chemickou odolnost betonu
především v kyselém prostředí
‰ Kalcium sulfoalumináty (C-S-A-H)
-zaujímají

15 –

25% objemu
-

v počátečním stádiu tvrdnutí

jsou zdrojem tvorby etringitu, který
posléze transformuje na monosulfát hydrát C
4

ASH
18

, který tvoří

hexagonální

krystaly
- zhoršuje odolnost betonu vůči síranům
‰Nezhydratovaná cementová zrna – jejich přítomnost a množství
jsou závislé na vodním součinitele betonové směsi, velikosti
cementových zrn a kameniva, stupni hydratace.
Voda v hydratovaném cementovém pojivu I
Voda je stálou složkou mikrostruktury ztvrdlé

cementové

pasty
(cementové

gelu).
‰ Kapilární voda
-

volná

voda v makropórech

(>0,05 mm) a v technologických dutinách
z