CZ36703U1 - Směs pro samozhutnitelný beton - Google Patents

Description

Směs pro samozhutnitelný beton

Oblast techniky

Technické řešení se týká betonové směsi pro samozhutnitelné betony, rovněž označované zkráceně jako SCC ze self - compacting concrete, které jsou vhodné zejména pro oblast tvarově náročných, vyšších betonových konstrukcí nad 3 metry výšky.

Dosavadní stav techniky

Za samozhutnitelný beton je označován takový beton, který při ukládce do bednění nevyžaduje dodatečné zhutňování například vibrací a je schopen plného vyplnění bednění a zhutnění pouze působením gravitačních sil. Jedná se zpravidla o beton nízké viskozity, s vysokým podílem jemných složek a ztekucujících přísad.

Naproti tomu standardní beton se vyznačuje nižší tekutostí, vyšší mírou provzdušnění a je nutné jej při pokládce vibrovat, aby bylo dosaženo jeho zhutnění a vyplnění celého objemu bednění, zvláště pak hůře přístupných míst, či míst s vysokým stupněm vyztužení.

Stále se zvyšující nároky na tvarovou komplexnost konstrukcí a architektonicky náročné pohledové plochy vedou k použití samozhutnitelných betonů. Ty poskytují patřičnou variabilitu, dobré probetonování složitých detailů s vysokým stupněm vyztužení, a dále poskytují časovou úsporu při betonáži díky vyloučení klasického ukládání směsi po vrstvách s mechanickým hutněním.

Současně je u SCC sledován výsledný efekt vyplnění bednění a kvality povrchu na základě kritéria takzvané pohledovosti. Za beton s dobrou pohledovostí se považuje ten, který vykazuje minimální variabilitu povrchu, minimální množství vzduchových pórů, nízký počet defektů, trhlin a podobně.

Ze spisu CZ 28119 U1 je známý například samozhutnitelný vysokohodnotný robustní beton, určený zejména pro výrobu subtilních dílců, obsahující 40 až 65 % obj. plniva a 35 až 60 % obj. pojivového tmelu, který sestává z 50 až 65 % obj. portlandského cementu, 3 až 10 % obj. alespoň jedné příměsi, 25 až 40 % obj. vody, 1 až 2 % obj. superplastifikátoru, přičemž alespoň jedna příměs je na bázi aluminosilikátu a má alespoň 95 % částic jemnějších než 18 pm, měrný povrch podle Blaina vyšší než 20000 m²/kg ajejí objemová hmotnost činí 2500 až 2700 kg/m³. Tento beton může dále obsahovat až 1,5 % obj. vláken s max. délkou 30 mm, přičemž další příměsí může být např. mletý vápenec, struska, popílek nebo kamenný filer.

Nevýhodou stávajících samozhutnitelných betonů díky jejich vysoké tekutosti je přitom oproti standardnímu betonu působení vyšším tlakem na stěnu bednění při betonáži. To vede zvláště u vysokých konstrukcí k nutnosti použití daleko masivnější bednící konstrukce pro zamezení nadměrné deformace a překročení tak například požadavků investora na rovnost povrchu. Podcenění těchto tlaků může vést v krajním případě až k selhání bednící konstrukce a jejímu kolapsu během betonáže. Boční tlak SCC na bednění je podstatně větší než tlak běžného betonu. Pro dimenzování konstrukce bednění se SCC často uvažuje jako ideální kapalina, kde působí maximální hydrostatický tlak. To vede k neefektivnímu návrhu, k větší spotřebě bednícího materiálu a celkovému zvýšení nákladů. Proto vzniká úsilí popsat lépe reologické chování SCC směsí, vývoj bočních tlaků a způsob jejich měření a vyvinout technická řešení, jak tyto tlaky omezit pomocí modifikace betonové směsi a režimu betonáže.

Ve spisu CZ 35213 B6 o názvu Betonová směs pro samozhutnitelné betony je popsáno složení samozhutnitelného betonu s redukovaným bočním tlakem na bednění, určeného pro vyšší konstrukce od 3 m. Podstata řešení spočívá v použití betonu obsahujícího na 1 m³ směsi 310 až 370 kg cementu, 1400 až 1600 kg kameniva, 170 až 230 kg jemně mletého vápence, 180 až 220 kg

- 1 CZ 36703 Ul vody, 2 až 6 kg plastifíkačních a/nebo superplastifikačních přísad, a navíc že na 1 m³ směsi dále obsahuje 15,5 až 37 kg kalcinovaných jílů jako aktivních mikrostrukturálních přísad, pomocí kterých se dosahuje vzniku rané pevnosti a redukce bočních tlaků. Při použití uvedené směsi SCC a při současné úpravě režimu betonáže se dosahuje redukce bočních tlaků na úrovni 20 až 50 %.

Reologické vlastnosti SCC, a s tím související tlaky na bednění, závisí na několika hlavních faktorech. Mezi ně patří: složení a materiálové vlastnosti betonové směsi (např. typ cementu, jemnozmných příměsí, obsah vody, kameniva, přísad, viskozita, tixotropie), charakteristiky pokládky směsi (výška betonované konstrukce, rychlost betonáže, časové prodlevy, místo a výšková úroveň ukládky), charakteristiky bednění (rozměry, množství a tvar betonářské výztuže, těsnost, povrch). Na základě vhodné kombinace těchto faktorů je maximální boční tlak na bednění nižší než hydrostatický.

Betonové směsi před pokládkou podstupují několik standardních zkoušek zpracovatelnosti, mezi které patří např. rozliv obráceného Abramsova kužele, zkouška v L-boxu a zkouška odlučivosti vody filter-pressem. Tyto zkoušky poskytují praktickou pomůcku pro zhodnocení aktuální viskozity směsi a její odolnosti vůči tzv. krvácení a jsou použity pro snížení rizika nedostatečného vyplnění bednění a dosažení vyhovující pohledovosti. Nejsou však vodítkem pro současné snížení bočních tlaků směsi. Pro hodnocení míry tlaku není v současnosti zavedena standardizovaná laboratorní zkouška. Tlakové poměry je možné ověřit kombinací několika specializovaných laboratorních zkoušek nebo polních měření na reálné konstrukci.

Úkolem nyní předkládaného technického řešení je proto návrh takového složení betonové směsi pro samozhutnitelné betony, které splňují náročná kritéria SCC a současně poskytují redukované boční tlaky na bednění, což ve svém výsledku znamená efektivnější a levnější návrh bednění, možnost jeho opakovatelného použití, nižší technologické nároky a úspory stavebních nákladů.

Podstata technického řešení

Tento úkol je do značné míry vyřešen návrhem směsi pro samozhutnitelný beton podle technického řešení, obsahující cement, jemně mletý vápenec, kamenivo, vodu a přísady, která na 1 m³ směsi obsahuje 300 až 370 kg cementu, 170 až 230 kg jemně mletého vápence, 1400 až 1600 kg kameniva, až 3,8 kg přísady modifikující viskozitu, až 3 kg přísady pro udržení konzistence, 90 až 110 kg vody, až 6 kg superplastifikačních přísad a 93,7 až 119,4 kg nanojílové suspenze obsahující 1,7 až 3,4 kg tixotropní mikrostrukturální přísady nanojílu minerálu Sepiolit spolu s 2 až 6 kg superplastifikačních přísad a 90 až 110 kg vody.

Cementem může být jak portlandský cement, tak i směsný cement, přičemž tato směs může obsahovat i přísadu modifikující viskozitu případně i přísadu pro udržení konzistence.

Nanojíly jsou přírodní minerální látky získávané povrchovou těžbou v několika evropských i mimoevropských lokalitách. Pro účely rychlého nárůstu pevnosti směsi v tekutém stavu a snížení tlaku na bednění se podle předkládaného technického řešení osvědčily mikroskopicky vláknité nanojílové struktury minerálu Sepiolit. Nanojíl Sepiolit se vyznačuje malou velikostí částic s velkým specifickým povrchem, vysokým poměrem délka/šířka částic a hydrofílním charakterem. Tvar částic a hydrofilnost výrazně ovlivňuje reologické vlastnosti betonové směsi již při malých dávkách v řádu desetin hmotnostního procenta vůči cementu. V betonové směsi nanojíl tvoří částečnou náhradu cementu. Jedná se o látku s nízkou pucolánovou aktivitou, avšak s dobrou kompatibilitou s cementovým tmelem. Při dávce nanojílu odpovídající 0,5 % hmotnosti cementu dochází k dobré účinnosti na redukci tlaků a získá se výborná pohledovost při příznivé ceně směsi. Při dávce nanojílu odpovídající 1,0 % hmotnosti cementu dochází k vysoké účinnosti na redukci tlaků a získá se vyhovující pohledovost při vyšší ceně.

-2CZ 36703 UI

Mikrovláknitý charakter nanojílové přísady umožňuje vznik rané pevnosti betonu a rozvoji tixotropních vlastností, tedy vlastnosti, kdy směs v klidu vykazuje výrazně vyšší viskozitu oproti směsi v pohybu. Tyto vlastnosti částic v konečném důsledku přispívají ke snížení bočních tlaků na bednění. Tixotropie SCC je stav, kdy tekutá směs při pohybu vykazuje minimální viskozitu v rozsahu běžného SCC, avšak po uložení do bednění a prostorové stabilizaci dojde ve směsi k mikrostrukturální modifikaci a okamžitému nárůstu rané pevnosti. Naopak běžně používané SCC postrádají tixotropní efekt, a proto u nich nenastává vzhledem k jejich tekutosti žádná nebo minimální redukce bočních tlaků.

Hlavní výhodou betonové směsi pro samozhutnitelné betony podle technického řešení je efektivní snížení bočních tlaků až o 70 % při zachování běžných konzistencí SCC a výrazně lepší kvalita výsledné pohledovosti povrchu, přičemž betonáž lze provádět bez vibrací a za použití standardních prvků bednění s maximální nominální únosností 60 kPa bez nutnosti jejího zesilování. Další její výhodou je i možné snížení obsahu cementu v závislosti na obsahu nanojílů. Kromě pohledových konstrukcí lze počítat s využitím této směsi i pro běžné konstrukční betony, jelikož kvalita výsledných konstrukcí je lepší a betonáž výrazně rychlejší s úsporou jak lidské práce, tak i provozních nákladů.

Příklady uskutečnění technického řešení

V následujících třech příkladech jsou popsána příkladná uskutečnění technického řešení, v Tab. 1 je uvedeno složení referenční směsi. Betonová směs byla vyrobena v betonámě následujícím postupem. Z nanojílů, vody a superplastifikátoru byla nejprve připravena nanojílová suspenze. Při přípravě nanojílové suspenze bylo nutné rozmíchat práškový nanojíl ve vodě a vytvořit suspenzi bez aglomerátů částic. Pro míchání se použila mechanická a/nebo ultrazvuková energie dostatečná k rozrušení aglomerátů.

Poté byly zhomogenizovány suché složky směsi a smíchány se záměsovou vodou, ostatními přísadami ananojílovou suspenzí. Byly odebrány vzorky čerstvé betonové směsi pro zkoušky konzistence, zkoušku L-box a zkoušku odlučitelnosti vody a dále vzorky čerstvé betonové směsi pro budoucí zkoušky krychlené tlakové pevnosti po 28 dnech a hloubky průsaku tlakovou vodou. Čerstvá betonová směs byla transportován a na stavbu v domíchávači. Zde byla pomocí betonářských bádií ukládána do stěn ze systémového bednění o tloušťce 25 cm, minimální výšce 3,3 m, as osazenou betonářskou výztuží. Betonáž probíhala tak, aby se maximálně využilo tixotropního efektu směsi pro samozhutnitelné betony podle technického řešení. Níže popsaný časový režim betonáže umožnil dostatečnou časovou prodlevu pro růst rané pevnosti a pokles bočních tlaků. Pro využití tixotropie bylo zapotřebí vytvoření ustáleného stavu, kdy směs neproudí a kdy na ni nepůsobí další mechanické vlivy. Toho bylo dosaženo technologickou přestávkou při betonáži, kdy betonová směs se bez použití vibrace ukládala postupně ve vrstvách určité výšky v rozmezí 0,3 až 0,8 m a mezi ukládáním jednotlivých vrstev byla vytvořena časová prodleva v délce 5 až 15 minut, kdy byla směs rovněž bez vibrace ponechána v klidu a současně nedocházelo k vysychání a zavadnutí povrchu směsi, aby bylo možné na položenou vrstvu navázat s betonáží další vrstvy bez viditelné pracovní spáry.

CZ 36703 UI

Tab. 1 - Složení referenční směsi

Složka	kg/m3
cement CEM II A/M 42,5R	340
jemně mletý vápenec	200
voda	203
drobné těžené kamenivo frakce do 4 mm	811
hrubé těžené kamenivo frakce 4 až 8 mm	300
hrubé drcené kamenivo frakce 8 až 16 mm	428
superplastifikátor	3,85
přísada pro udržení konzistence	2,5
přísada modifikující viskozitu	1,0

Během betonáže byl monitorován boční tlak v patě bednění pomocí snímače tlaku čerstvé směsi umístěného přímo v bednícím dílci a s každou vrstvou vyhodnocen rozliv obráceného Abramsova kužele. Rozliv od 55 do 65 cm představuje spodní interval pro zajištění dostatečné pohledovosti, výrazného tixotropního efektu a redukce tlaků na úrovni 40 až 70 %. Rozliv od 65 do 70 cm zaručuje optimální vlastnosti směsi, dobrou pohledovost a redukci bočních tlaků na úrovni 20 až 30 %. Rozliv od 75 do 80 cm představuje horní interval tekutosti, výbornou pohledovost a jen minimální redukci bočních tlaků.

Po skončení betonáže a zatuhnutí směsi byl vyhodnocen maximální dosažený tlak v patě bednění a porovnán s tlakem referenční směsi.

Příklad 1

Složení betonové směsi pro samozhutnitelné betony a její vlastnosti dle prvního příkladného uskutečnění technického řešení s redukcí bočních tlaků na úrovni 28 % je patrné z následujících tabulek Tab. 2a-c.

-4CZ 36703 UI

Tab. 2a - Příkladné uskutečnění technického řešení 1

Složka	kg/m3
cement CEM II/A - M 42,5 R	353
jemně mletý vápenec	229
Voda	106,5
drobné těžené kamenivo frakce do 4 mm	841
hrubé těžené kamenivo frakce 4 až 8 mm	310
hrubé drcené kamenivo frakce 8 až 16 mm	444
nanojílová suspenze	112,85
přísada pro udržení konzistence	1,0
přísada modifikující viskozitu	2,5

Tab. 2b - Složení nanojílové suspenze pro příkladné uskutečnění technického řešení 1

Složka	kg/m3
nanojíl Sepiolit	2,55
voda	106,5
superplastifikátor	3,8

Tab. 2c - Dosažené technologické parametry pro příkladné uskutečnění technického řešení 1

průměrný rozliv během betonáže	69 cm
proces pokládky betonu	Vrstvy 0,5 m Přestávka 10 min
maximální boční tlak v patě bednění	32,6 kPa
redukce tlaku oproti referenční směsi dle Tab. 1	28,2 %
mechanická pevnost po vytvrdnutí, 28-denní krychelná pevnost v tlaku	47,2 MPa
rohledovost	výborná

-5CZ 36703 UI

Příklad 2

Složení betonové směsi pro samozhutnitelné betony a její vlastnosti dle druhého příkladného uskutečnění technického řešení s redukcí bočních tlaků na úrovni 41 % je patrné z následujících 5 tabulek Tab. 3a-c.

Tab. 3a Příkladné uskutečnění technického řešení 2

Složka	kg/m3
cement CEM II A/M 42,5R	338
jemně mletý vápenec	210
voda	92,5
drobné těžené kamenivo frakce do 4 mm	790
hrubé těžené kamenivo frakce 4 až 8 mm	292
hrubé drcené kamenivo frakce 8 až 16 mm	417
nanojílová suspenze	99,7
přísada pro udržení konzistence	1,0
přísada modifikující viskozitu	2,5

io Tab. 3b - Složení nanojílové suspenze pro příkladné uskutečnění technického řešení 2

Složka	kg/m3
nanojíl Sepiolit	1,7
voda	92,5
superplastifikátor	5,5

Tab. 3c - Dosažené technologické parametry pro příkladné uskutečnění technického řešení 2

průměrný rozliv během betonáže	58 cm
proces pokládky betonu	Vrstvy 0,5 m Přestávka 10 min
maximální tlak v patě bednění	26,7 kPa
redukce tlaku oproti referenční směsi dle Tab. 1	41,2 %
mechanická pevnost po vytvrdnutí, 28-denní krychelná pevnost v tlaku	45,4 MPa
pohledovost povrchu	horší (úroveň vibrovaného betonu)

-6CZ 36703 UI

Příklad 3

Složení betonové směsi pro samozhutnitelné betony a její vlastnosti dle třetího příkladného uskutečnění technického řešení s redukcí bočních tlaků na úrovni 70 % je patrné z následujících 5 tabulek Tab. 4a-c.

Tab. 4a - Příkladné uskutečnění technického řešení 3

Složka	kg/m3
cement CEM II A/M 42.5R	353
jemně mletý vápenec	229
voda	108,5
drobné těžené kamenivo frakce do 4 mm	841
hrubé těžené kamenivo frakce 4 až 8 mm	310
hrubé drcené kamenivo frakce 8 až 16 mm	444
nanojílová suspenze	113,9
superplastifikátor	0,95
přísada pro udržení konzistence	1,0

přísada modifikující viskozitu

2,50 io Tab. 4b - Složení nanojílové suspenze pro příkladné uskutečnění technického řešení 3

Složka	kg/m3
nanojíl Sepiolit	2,55
voda	108,5
superplastifikátor	2,85

Tab. 4c - Dosažené technologické parametry pro příkladné uskutečnění technického řešení 3

průměrný rozliv během betonáže	71 cm
proces pokládky betonu	Vrstvy 0,5 m Přestávka 15 min
maximální tlak v patě bednění	14kPa
redukce tlaku oproti referenční směsi dle Tab. 1	69,2 %
mechanická pevnost po vytvrdnutí, 28-denní krychelná pevnost v tlaku	37,0 MPa
pohledovost povrchu	uspokojivá

Claims (1)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Směs pro samozhutnitelný beton, obsahující cement, jemně mletý vápenec, kamenivo, vodu a přísady, vyznačující se tím, že na 1 m³ směsi obsahuje 300 až 370 kg cementu, 170 až 230 kg jemně 5 mletého vápence, 1400 až 1600 kg kameniva, až 3,8 kg přísady modifikující viskozitu, až 3 kg přísady pro udržení konzistence, 90 až 110 kg vody, až 6 kg superplastifikačních přísad a 93,7 až 119,4 kg nanojílové suspenze obsahující 1,7 až 3,4 kg tixotropní mikrostrukturální přísady nanojílu minerálu Sepiolit spolu s 2 až 6 kg superplastifikačních přísad a 90 až 110 kg vody.