Konštrukčný hutný betón, jeho vlastnosti a technické parametre

Betón ako stavebný materiál poskytuje architektom a inžinierom na výber široké použitie technológii výstavby pri súčasnom určení vlastností použitého materiálu v nosnej konštrukcii.

Ak sa architekt so stavebným inžinierom rozhodnú použiť nosnú konštrukciu z betónu, musia vopred špecifikovať množstvo parametrov na výstavbu budovy: konečnú pevnosť betónu a jeho trvanlivosť, systém debnenia, požiadavky na nábeh pevnosti betónu, vlastnosti, umiestnenie a množstvo výstuže, vzhľad viditeľných plôch a mnoho iných parametrov.

Dôsledkom je, že oblasť výstavby a použitia betónových budov sa neustále mení a ich vysoké technické parametre sa zväčša prekračujú. To otvára cestu postupnému vývoju a inováciám v technológiách výstavby, debnenia, miešania betónu, jeho dopravy a tlakového prečerpávania do veľkých výšok, používania nových prímesí a prísad, ktoré zlepšujú jeho spracovateľnosť a prispievajú k jeho širokému použitiu na realizáciu výstavby technicky náročných betónových budov.

Vstup Slovenskej republiky do Európskej únie znamenal aj prijatie zjednotenej európskej legislatívy v oblasti technickej normalizácie. Článok je spracovaný v zmysle platnej európskej betonárskej normy STN EN 1992-1-1: Navrhovanie betónových konštrukcií, všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby.

Kompozitný materiál – betón

Betón je kompozitný materiál vyrobený z kameniva, cementu, vody, prísad a prímesí. Prísadami a prímesami sa zlepšujú niektoré jeho požadované vlastnosti (pevnosť, spracovateľnosť a podobne). Zároveň je betón dvojfázový materiál, pričom prvú fázu predstavuje čerstvý betón a druhú fázu stuhnutý, respektíve stvrdnutý betón.

Na zhotovovanie nosných konštrukcií betónových budov sa používajú kvalitné betóny stredných a vyšších pevnostných tried. Dôvodom je dosiahnuť optimálne rozmery prierezov nosných prvkov a znižovať vlastnú tiaž budovy. V menej kvalitných betónoch vznikajú veľké objemové zmeny (zmrašťovanie, dotvarovanie), ktoré môžu mať negatívne dôsledky na nosnú konštrukciu.

Vyrobiť kvalitný betón je náročná úloha, pri ktorej sa nesmie podceniť ani jedna fáza zhotovovania nosnej betónovej konštrukcie. Výsledná kvalita betónu závisí od kvality zložiek čerstvého betónu, od dôsledného zamiešania a spracovania betónovej zmesi v debnení a od vhodného ošetrovania čerstvého betónu v konštrukcii.

Cementový tmel

Zmes vody a cementu nazývame cementový tmel. Cement a voda chemicky reagujú, táto chemická reakcia sa nazýva hydratácia. Rýchlosť hydratácie závisí od jemnosti mletia cementu. V prípade použitia hrubo mletého cementu hydratácia prebieha pomaly, naopak, pri použití jemne mletého cementu je hydratácia pri použití dostatočného množstva vody veľmi rýchla.

Hydratovaný cementový tmel tvorí spojivo medzi jednotlivými zrnami kameniva, a preto sa významne podieľa na raste a hodnote konečnej pevnosti betónu. Hydratáciu ovplyvňuje kvalita spracovania čerstvého betónu a trvanie vhodného ošetrovania betónu. Počas hydratácie vzniká hydratačné teplo, ktoré je tým väčšie, čím jemnejšie zomletý je cement. Hydratačné teplo môže mať pozitívny i negatívny vplyv na kvalitu betónu počas jeho tvrdnutia.

Pri betónovaní konštrukcie v zimnom období hydratačné teplo zmierňuje negatívne pôsobenie nízkych teplôt na tvrdnutie betónu. Naopak, pri betónovaní hrubých základových dosiek sa hydratačné teplo nadmerne akumuluje v telese dosky a je príčinou predčasného vysychania čerstvého betónu. Následkom tohto javu je nepriaznivý vznik zmrašťovacích trhlín, ktoré ohrozujú životnosť konštrukcie.

Cementový tmel je vysoko porézny materiál, ktorého pórovitosť závisí od zloženia a veku cementového tmelu. Parameter, ktorý priamo ovplyvňuje pórovitosť, je vodný súčiniteľ ω = w/c, ktorý je pomerom množstva vody w a cementu c v kilogramoch na jednotku objemu čerstvej betónovej zmesi.

Na to, aby prebehla hydratácia, je potrebný vodný súčiniteľ aspoň ω = 0,16. Pri zhotovovaní objemnejších nosných prvkov, aby bolo možno čerstvý betón spracovať, sa pri návrhu berie do úvahy minimálne vodný súčiniteľ ω = 0,35. V bežných prípadoch sa berú do úvahy vyššie vodné súčinitele ω = 0,40 až 0,70.

Aby nevznikalo nadmerné zmrašťovanie pri tvrdnutí betónu a obmedzil sa vznik technologických trhlín, mal by mať kvalitný betón vodný súčiniteľ čo najmenší. Neprípustné šírky trhlín v betóne totiž znižujú životnosť konštrukcie, a to v dôsledku vzniku korózie výstuže a betónu. Spracovateľnosť betónovej zmesi sa potom zlepšuje prísadami a prímesami.

Cement

Cementy rozdeľujeme na pomaly, normálne a rýchlo tuhnúce. Odporúča sa používať cementy s týmito pevnostnými triedami – CEM 32,5; CEM 42,5 a CEM 52,5. Kvalitnejšie cementy sú jemnejšie mleté a rýchlejšie hydratujú.

Kamenivo

V hutnom betóne kamenivo obyčajne tvorí až 70 % objemu. Na vlastnosti betónovej zmesi má vplyv mineralogické zloženie a pevnosť kameniva, tvar a povrch zŕn (hladké riečne kamenivo, drsné drvené kamenivo), zrnitosť (používa sa iba triedené kamenivo) a prípadný obsah znečisťujúcich látok (ílovité prímesi, voľné chloridy rozpustné vo vode sú prípustné najviac v objeme 0,02 % hmotnosti kameniva).

Kamenivo do betónov na realizáciu betónových budov sa delí podľa veľkosti zŕn na dve frakcie: piesok 0 až 4 mm a štrk 8 až 16 mm, výnimočne 16 až 32 mm. Pri určovaní optimálnej zrnitosti kameniva (je to pomer zŕn rôznej veľkosti) sa vychádza z požiadavky na minimalizovanie množstva cementového tmelu v priestore medzi zrnami kameniva, pri zabezpečení dokonalého obalenia všetkých zŕn tmelom.

Maximálna veľkosť zrna kameniva dg je obmedzená konštrukčnými požiadavkami, nemala by prekročiť 1/4 najmenšieho rozmeru nosného prvku a zároveň nesmie prekročiť minimálnu vzdialenosť medzi prútmi výstuže (predpínacej i betonárskej) zmenšenú o 5 mm.

Výroba betónovej zmesi

Výroba betónovej zmesi na kvalitné betóny sa uskutočňuje strojným miešaním podľa podrobných odskúšaných receptúr na dávkovanie jednotlivých zložiek. Pri ukladaní betónu do debnenia treba betónovú zmes dôkladne zhutniť na vypudenie plynných a tekutých súčastí tak, aby čerstvý betón bol bez dutín. Cementový tmel musí obaliť všetky zrná kameniva a vyplniť priestor medzi nimi.

Významným faktorom, ktorý ovplyvňuje kvalitu betónu, je jeho ošetrovanie po uložení do debnenia. V zimných mesiacoch nesmie počas tvrdnutia betón zmrznúť, pretože by v ňom prestal prebiehať proces hydratácie a po rozmrznutí by sa betón rozpadol. Bežné betónovanie bez špeciálnych opatrení možno realizovať, ak sú teploty prostredia vyššie ako + 5 °C.

Ak sú teploty nižšie, treba na výrobu betónu použiť zohriatu zámesovú vodu a zohriate kamenivo. Teploty pod bodom mrazu znamenajú, že vybetónovanú konštrukciu počas tvrdnutia betónu treba zatepľovať v chránenom prostredí, ktoré sa vytvorí dôsledným obalením konštrukcie nepremokavými plachtami.

Naopak, v letných mesiacoch treba zabezpečiť, aby proces hydratácie prebiehal vo vlhkom prostredí počas tvrdnutia betónu. Aby čerstvý betón na voľnom priestranstve nadmerne nevysychal, a tým sa nadmerne nezmrašťoval, treba ho aspoň počas 14 dní prikrývať fóliami a kropiť vodou.

Vlastnosti konštrukčného betónu

Pracovný diagram betónu vyjadruje závislosť medzi napätím v betóne σc a pomerným pretvorením betónu εc. Tvar pracovného diagramu na rozdiel od jeho komponentov (cementový tmel, kamenivo) je nelineárny. Príčinou nelineárneho (plastického) správania betónu už pri pomerne nízkych hladinách jeho tlakového namáhania sú mikrotrhliny, ktoré vznikajú pri zaťažovaní betónu.

Na rozdiel od výstuže (správa sa pružne aj pri vysokých hladinách tlakového či ťahového namáhania), má betón veľmi nízku pevnosť v ťahu fct, ktorá je približne len 1/10 jeho pevnosti v tlaku fc. Preto sa pozornosť venuje najmä vlastnostiam betónu pri tlakových napätiach σc. V bežných prípadoch sa predpokladá porušenie ťahaných častí betónu v nosnom prvku a všetky ťahové namáhania sa prisudzujú výstuži.

Už v štádiu tuhnutia a tvrdnutia čerstvého betónu, keď voľnému zmrašťovaniu cementového tmelu bráni kamenivo, vznikajú v betóne ťahové napätia. Tie sú potom príčinou prvých mikrotrhlín na styku cementového tmelu a zŕn kameniva. Zmrašťovacie trhliny nemajú však významnejší vplyv na krivku pracovného diagramu betónu.

Pri tlakových napätiach do hodnoty 30 % pevnosti betónu fc sa betón správa takmer ako lineárne pružný materiál. Pri hladine tlakových napätí 0,3 až 0,4 fc vznikajú na styku cementového tmelu a kameniva mikrotrhliny. S rastúcim tlakovým napätím σc až po hladinu 0,6 fc sa tento typ mikrotrhlín ďalej rozširuje po povrchu zŕn, čo má za následok mierne zakrivovanie pracovného diagramu.

Pri tlakových napätiach σc väčších ako 0,6 fc sa mikrotrhliny začnú rozširovať aj do cementového tmelu a začnú vytvárať súvislý systém mikrotrhlín. Od tohto okamihu sa pracovný diagram betónu začína silne zakrivovať (betón plastizuje a vykazuje väčšie trvalé nevratné deformácie konštrukcie). Opísané vlastnosti betónu sú znázornené na obr. 1.

Pevnosť betónu v tlaku

Najväčšie napätie σc, ktoré sa dosahuje počas krátkodobého zaťažovania vzorky betónu tlakom, sa nazýva pevnosť betónu v tlaku fc. Porušenie vzorky betónu nastáva pri pomernom pretvorení približne εcu1 = –0,0035 = –3,5 ‰. Tvar vzorky betónu má zodpovedať tvaru tlačených prvkov (t. j. stĺpov) v nosnej konštrukcii. Pevnostné charakteristiky betónu na výpočty konštrukcií sa definujú skúškami na valcových skúšobných telesách s výškou h = 300 mm a kruhovou základňou a = 150 mm. Tieto pevnostné charakteristiky sa nazývajú valcové (cylindrické).

Používajú sa tiež skúšobné telesá v tvare kocky, ktorá má rozmery 150/150/150 mm. Tieto pevnostné charakteristiky sa nazývajú kockové (značia sa symbolom cube). Valcová pevnosť fc je prib­ližne o 20 % nižšia ako kocková pevnosť fc,cube. Rozdiel pevností je dôsledkom rôzneho spôsobu porušenia betónových skúšobných telies pri tlakovej skúške.

Pri telesách v tvare kocky sa dosahuje vyššia pevnosť fc,cube v dôsledku významného priaznivého vplyvu trenia betónových základní vzorky o oceľové kontaktné plochy zaťažovacieho zariadenia. Trenie značne bráni priečnemu ťahovému pretvoreniu vzorky betónu.

V reálnych podmienkach stavebnej výroby z časových dôvodov nemožno zisťovať dlhodobú pevnosť betónu fc,lt (betón v skutočnej konštrukcii je namáhaný dlhodobo). Dlhodobá pevnosť betónu je približne o 15 % nižšia ako jeho krátkodobá pevnosť. Hlavnou príčinou tohto javu je dotvarovanie betónu. V bežných prípadoch namáhania nosného prvku významnou tlakovou silou sa preto uvažuje, že platí fc,lt = 0,85 fc (MPa).

Na výpočty účinkov krátkodobého zaťaženia betónových konštrukcií sa používa idealizovaný pracovný diagram betónu podľa obr. 2. Nelineárna závislosť medzi napätím v betóne σc a pretvorením betónu εc sa vyjadruje po hodnotu medzného pretvorenia betónu v tlaku εcu1.

Pevnosť betónu

Pevnosť betónu v tlaku fc je definovaná ako maximálne tlakové napätie dosiahnuté pri skúške do porušenia vzorky, ktorá je namáhaná jednoosovým tlakom. Ako vzorky sa používajú betónové kocky s dĺžkou strany 150 mm a betónové valce s kruhovou základňou 150 mm, ktoré majú výšku 300 mm (v minulosti sa používali hranoly s rozmermi 150/150/600 mm).

Pri charakteristickej (zaručenej dolnej) valcovej pevnosti fck sa berie do úvahy 5 %-ný pravdepodobnostný fractil. Ten istý fractil platí aj pre charakteristickú kockovú pevnosť fck,cube. Približne bude fck = 0,8 fck,cube. Stredná (priemerná) hodnota valcovej pevnosti v tlaku (50 % fractil) sa odvodzuje z charakteristickej pevnosti zo vzťahu fcm = fck + 8 MPa.

Všetky druhy pevností betónu pri navrhovaní nosných betónových konštrukcií sú odvodené z charakteristickej pevnosti fck. Platí to aj pre strednú hodnotu pevnosti betónu v ťahu fctm (pozri tab. 1), z ktorej sa odvodzujú charakteristické pevnosti betónu v centrickom ťahu, a to dolná charakteristická hodnota pevnosti (fractil 5 %) fctk,0,05 a horná charakteristická hodnota pevnosti (fractil 95 %) fctk,0,95 (MPa). Zo strednej hodnoty pevnosti betónu v tlaku fcm (MPa) sa odvodzuje aj stredná hodnota modulu pružnosti betónu Ecm (GPa).

Podľa kvality rozdeľujeme betóny do tzv. pevnostných tried. Pre každú pevnostnú triedu sú definované základné pevnostné a deformačné charakteristiky. Niektoré z týchto hodnôt sú uvedené v tab. 1. Triedy betónov sa označujú písmenom C (concrete – betón) a údajmi o valcovej charakteristickej pevnosti fck a kockovej pevnosti fck,cube takto: C fck/fck,cube.

Pevnosť betónu v ťahu predstavuje len asi 10 % tlakovej pevnosti. Je to nespoľahlivá charakteristika, a preto sa na úrovni medzných stavov únosnosti pri stanovovaní ohybovej odolnosti neberie do úvahy. Skúšky pevnosti betónu v centrickom ťahu sa obyčajne nerobia a ťahová pevnosť sa odvodzuje z pevnosti betónu v tlaku.

Tab. 1 Vybraté triedy betónov, ich pevnostné a deformačné charakteristiky

Vplyv veku betónu na jeho pevnosť

Betón prechádza procesmi tuhnutia a tvrdnutia. Jeho pevnostné a deformačné charakteristiky sa preto menia s jeho vekom. Podstatná časť pevnosti betónu v tlaku sa rozvinie za 28 dní od vybetónovania prvku pri dozrievaní betónu v bežných podmienkach. Aj údaje uvedené v tab. 1 sú preto definované ako 28-dňové pevnosti v prípade, že betón dozrieva pri referenčnej teplote Tref = 20°±2 °C.

Závislosť strednej pevnosti betónu v tlaku fcm(t) na veku betónu t môžeme vyjadriť vzťahom:

fcm(t) = βcc(t) fcm  (MPa)
βcc(t) = exp {s [1 – (28/t)1/2 ]},

v ktorom je:
fcm = stredná pevnosť betónu v tlaku (MPa) podľa tab. 1,
t = skutočný vek betónu od vybetónovania prvku v dňoch,
s = súčiniteľ závislý od druhu cementu (R – rýchlotuhnúci, N – normálne tuhnúci, obyčajne sa neoznačuje, S – pomaly tuhnúci cement)
s = 0,20 pre CEM 42,5R, CEM 52,5,
s = 0,25 pre CEM 32,5R, CEM 42,5,
s = 0,38 pre CEM 32,5S.

Závislosť charakteristických pevností betónu na veku betónu t sa určuje nepriamo prostredníctvom stredných charakteristických pevností. Pre charakteristickú pevnosť betónu v tlaku bude:

fck(t) = fcm(t) – 8 MPa     (MPa)

Modul pružnosti betónu

Základnou deformačnou charakteristikou betónu je modul pružnosti Ec. Lineárna závislosť takzvaný Hookov zákon σc = Ec εc platí pre napätia σc do hodnoty približne 30 až 40 % krátkodobej tlakovej pevnosti a 60 % ťahovej pevnosti.

Zároveň táto závislosť platí len pre krátkodobé zaťaženie vzhľadom na vplyv zmrašťovania a dotvarovania betónu. Stredná hodnota modulu pružnosti Ecm sa definuje ako 28-dňový sečnicový modul pri napätí σc = 0,4 fcm (pozri idealizovaný pracovný diagram betónu na obr. 2).

Okrem sečnicového modulu pružnosti môžeme definovať aj dotyčnicové moduly pružnosti Ect, ktoré sa určujú sklonom dotyčnice k ľubovoľnému bodu pracovného diagramu betónu. Špeciálnym prípadom je počiatočný modul pružnosti Eco, ktorý je určený sklonom dotyčnice v počiatku pracovného diagramu betónu v nulovej hodnote napätia σc. Modul Eco je o niečo vyšší ako modul Ecm. Obyčajne sa určuje jeho hodnota zo vzťahu Eco = 1,05 Ecm.

 

 

 

 

 

 

 

 

Na hodnoty modulov pružnosti vplývajú niektoré faktory. V prípade, ak je betón nasýtený vodou, modul pružnosti betónu bude približne o 10 % väčší v dôsledku zvýšenia hodnoty modulu pružnosti pórovitého cementového tmelu. Na modul pružnosti betónu má vplyv aj druh použitého kameniva. Stredná hodnota modulu pružnosti betónu Ecm platí, ak sa použije kremičité kamenivo.

Ak sa použije pieskovcové kamenivo, treba hodnotu Ecm o 30 % znížiť, a ak sa použije kamenivo z pórovitého vápenca, znižuje sa hodnota Ecm o 10 %. Naopak, pri použití kameniva z bazaltu alebo hutného vápenca treba hodnotu Ecm o 20 % zvýšiť.

Pokiaľ treba získať strednú hodnotu modulu pružnosti betónu Ecm(t) v čase t inom ako 28 dní, môže sa použiť časová redukcia s použitím 28-dňových hodnôt veličín fcm a Ecm z tab. 1 a stredná pevnosť betónu fcm(t) podľa vzťahu

Ecm(t) = [fcm(t)/fcm]0,3 Ecm

Súčiniteľ priečneho pretvorenia betónu (Poissonovo číslo) má hodnotu µ = 0,20 pre betónové prvky bez trhlín, pre betónové prvky s rozvinutými trhlinami sa niekedy berie do úvahy hodnota µ = 0. Pri hodnotách tlakových napätí v betóne nad 0,6 fck začínajú priečne pretvorenia progresívne rásť ako dôsledok rozširovania mikrotrhlín (vznikajú štiepiace účinky v tlačenom betóne).

Záver

Konštrukčný hutný betón má široké uplatnenie v súčasnom staviteľstve pri zhotovovaní nosných prvkov pozemných stavieb aj významných inžinierskych konštrukcií. Požiadavky na technológiu jeho výroby narastajú v súvislosti s rozsahom uplatnenia betónov vyšších pevností. Treba si preto uvedomiť, že vyrobiť kvalitný betón je náročná úloha, pri ktorej sa nesmie podceniť ani jeden faktor ovplyvňujúci zhotovovanie nosnej betónovej konštrukcie.

Výsledná kvalita betónu je dôležitým predpokladom na to, aby konštrukcia bola bezpečná, vyhovovala požiadavkám na jej používateľnosť a zároveň, aby nebola ohrozená jej predpokladaná životnosť.

Autor pôsobí na Katedre betónových konštrukcií a mostov Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.