Ultra vysokohodnotný beton 03: Složky UHPC

5.6.1.3

Ultra vysokohodnotný beton 03: Složky UHPC

Ing. Bohumír Číhal

UHPC se stejně jako běžné betony skládá z pojiva, plniva, vody, příměsí a přísad. Dosažení velmi vysokých pevností vychází ze základního předpokladu extrémního snížení vodního součinitele, vhodné volbě plniva a masivního použití superplastifikátorů.

 NahoruPříklad dávkování jednotlivých složek

Pro základní představu rozdílů v dávkování jednotlivých složek pro UHPC a běžný beton uvádíme dvě reprezentativní betonové směsi. V levé části následujícího obrázku je směs pro výrobu UHPC o válcové pevnosti v tlaku 180 MPa, v pravé je základní složení směsi pro výrobu běžného betonu C25/30.

Obr. č. 1: Grafické porovnání složení UHPC a běžného betonu

 NahoruCement

Cement pro výrobu UHPC je shodný se standardně používanými cementy. Preferují se čisté portlandské cementy CEM I pevnostní třídy 52,5 s vysokou jemností mletí. Ostatní typy cementů nejsou vyloučeny, ale je nutné ověřit jejich vlastnosti a vhodnost použití pro UHPC. Výrazně se doporučuje využívat cementy s nízkým obsahem slínkových minerálů C₃S a C₃A, které sníženým vývojem hydratačního tepla omezí hydratační teplo a smrštění.

Obvyklá dávka portlandského cementu je vyšší než dávka cementu u běžných betonů (pohybuje se v rozmezí 600 až 1 000 kg/m³).Vysoké dávky cementu a nízký vodní součinitel způsobuje, že část cementu zůstává nezhydratovaná a zastává funkci plniva.

 NahoruVoda

Voda se podílí na hydrataci cementu a zlepšuje zpracovatelnost čerstvé směsi. Větší množství vody sice zlepšuje zpracovatelnost čerstvého UHPC, ale zároveň zvyšuje jeho pórovitost, jelikož zůstává vázána v kapilárách, ze kterých se postupně uvolňuje. V konečném důsledku snižuje pevnost v tlaku a odolnost proti působení vnějšího prostředí. Požadavky na vlastnosti záměsové vody do UHPC musí splňovat požadavky uvedené v ČSN EN 1008 (732028) Záměsová voda do betonu - Specifikace pro odběr vzorků, zkoušení a posouzení vhodnosti vody, včetně vody získané při recyklaci v betonárně, jako záměsové vody do betonu.

Tab. č. 2: Klasifikace typů vod a požadavky na průkazní zkoušky

Vodní součinitel

Tradičně se pro vodní součinitel používá zkratka w/c. V případě UHPC je vodní součinitel správněji uvádět zkratkou w/b z anglického water/binder (pojivo). Vzhledem k vysokým obsahům superplastifikátorů ve směsi se započítává i voda obsažena v nich. V prvních okamžicích hydratace jsou veškeré vytvořené chemické vazby výsledkem pouze reakce vody a cementu ale na následné sekundární hydrataci se podílejí latentně hydraulické příměsi.

Pro běžné betony se udává minimální dosažitelná hodnota vodního součinitele w/b 0,35 až 0,4, která přibližně odpovídá množství vody potřebné pro hydrataci všech cementových zrn v záměsi a zároveň umožňuje přijatelnou zpracovatelnost čerstvé směsi. Pro přípravu UHPC je nutné jít s vodním součinitelem mnohem níže pod tuto hodnotu (dnes běžně w/b < 0,2).

Účelem snižování vodního součinitele je vytvoření co nejvíce hutné ztvrdlé cementové pasty. Optimální hodnota minimálního vodního součinitele pro UHPC byla stanovena na hodnotě w/b = 0,14 (Richard a Cheyrezy 1995).

Již při použití vodního součinitele w/b < 0,3 (přibližně) všechna zrna ve směsi nezhydratují. Jemná zrna zhydratují, vnitřní část hrubších zrn a zrna cementu bohatá na C₂S tvoří funkci jemného filleru.

Vzhledem k pevnosti je potřeba použít velmi nízký vodní součinitel a zároveň musí být beton dobře zpracovatelný. Zlepšení zpracovatelnosti se dosahuje použitím vhodného kameniva, vhodné křivky zrnitosti, superplastifikátorů a jemnozrnných příměsí.

 NahoruKamenivo

Nosná kostra UHPC matrice je tvořena jemnozrnným kamenivem, na které jsou kladeny vysoké nároky, zejména na jeho pevnost, jakost a na minimální množství interních poruch. Vysoké nároky na kamenivo jsou dány vytvořením hutné struktury matrice a vlastnostmi UHPC.

Při návrhu  UHPC je nejdůležitější dosažení plynulé křivky zrnitosti kompletní směsi, od nejjemnější mikrosiliky až po hrubé kamenivo. Zároveň je zásadní kompatibilita jednotlivých složek, především superplastifikátoru a cementu. Optimalizovaná křivka zrnitosti kameniva je podmínkou dobré zpracovatelnosti čerstvé betonové směsi. Běžně ji tvoří tzv. kostra, která je doplněna jemnějšími frakcemi kameniva, příměsemi, nezhydratovanými zrny cementu (s vysokým měrným povrchem), nebo jejich kombinace.

Následující graf zobrazuje směrné křivky zrnitosti kameniva maximální frakce 4 mm. Oblast mezi zelenými křivkami představuje použitelnou granulometrii kameniva. Červená křivka představuje optimální skladbu a oblast mezi modrou a zelenou křivkou je oblast použitelné zrnitosti kameniva.

Obr. č. 2: Směrná křivka zrnitosti kameniva

Kamenivo pro UHPC musí být dostatečně pevné, bez mechanických vad a s vhodným tvarovým součinitelem. Používají se jemnozrnné přírodní písky, přírodní štěrky, nebo drcené kamenivo. Doporučuje se používat tříděné písky z pevných vyvřelých hornin (žula, gabro, čedič, apod.), křemičité sklářské písky nebo písky slévárenské.

Obecně lze doporučit použití drceného kameniva, které má sférický tvar zrn a lepší tvarový index než kameniva těžená. Díky této vlastnosti je možné snížit dávku plastifikátoru. Drcené kamenivo by mělo obsahovat minimum defektů. Odstřel a drcení kameniva není z tohoto pohledu ideální.

U drceného kameniva záleží na petrografických vlastnostech matečné horniny a minimu defektů. Vhodné jsou např. vápence, žula nebo syenit. Zcela nevhodné jsou zvětralé horniny a horniny snadno odlučné po vrstvách (vytvářejí plochá zrna).

Pravidla pro vhodný tvarový index kameniva jsou zpravidla odvozena od doporučení pro běžné betony. Vhodná jsou zrna se sférickým, nebo kubickým tvarem a zcela nevhodná jsou zrna plochá a zrna s ostrými hranami.

Omezení velikosti kameniva je dáno nejen vytvořením hutné struktury, ale též omezenmí vzniku mikrotrhlin mezi hrubými zrny nesmršťujícího se kameniva a cementovou pastou. Dalším důvodem je i vznik mikroporuch ve velkých zrnech. Vyšší podíl jemných frakcí kameniva zároveň zvyšuje i dávku cementu, který je potřebný pro obalení zrn kameniva.

Na začátku vývoje UHPC se předpokládalo, že beton bude mít velmi homogenní strukturu se zrny kameniva menších než milimetr. Postupný výzkum prokázal, že zrna o velikost do 8 mm a výjimečně do 16 mm nebrání zvyšování pevnosti na úroveň kolem 200 MPa.

 NahoruPříměsi

Použití příměsí ovlivňuje nejen hustotu směsi, ale také reologické vlastnosti čerstvé směsi. Typ a dávkování všech příměsí vyplývá z návrhu a optimalizace složení receptury UHPC. Zrnitost filleru, použitého jako mikroplnivo, musí kromě požadavků uvedených v ČSN EN 12620+A1 (721502) Kamenivo do betonu splňovat také požadavky uvedené v ČSN EN 933-10 (721193) Zkoušení geometrických vlastností kameniva - Část 10: Posouzení jemných částic - Zrnitost fileru (prosévání proudem vzduchu).

Příměsi (např. křemičitá moučka) plní funkci mikrofileru. Smyslem přidávání příměsí do směsi UHPC je zajistit optimální granulometrickou skladbu, aby byla zaručena co největší hutnost a minimalizována mezerovitost. Současně přispívají k ovlivnění reologických vlastností čerstvého betonu. Využívají se jak příměsi typu I (mletý křemen, kamenná moučka, vápenec), které jsou téměř inertní, tak latentně hydraulické typu II (křemičitý úlet, popílek, vysokopecní struska apod.).

Křemenná moučka patří do tzv. inertních příměsí (tzn. nepodílí se na hydrataci). Příznivé působení křemičité moučky způsobuje, že během prvních minut míchání vzniká ve směsi…