Sborník – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

Sněž né26.

–27.

9.

2013

Sbor ní kpř í spěvkůkwor kshopu

TRVANLI VOSTSI LI KÁTOVÝCH MATERI ÁLŮ2013

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

Sborník příspěvků

Fakulta stavební VUT v Brně 27.9.2013

TRVANLIVOST SILIKÁTOVÝCH MATERIÁLŮ 2013 Sborník příspěvků 26. - 27. 9. 2013, Fakulta stavební VUT v Brně Vydavatel: Vysoké učení technické v Brně ISBN 978-80-214-4784-4 1

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

OBSAH Projekt GAČR 13-18870S – dosavadní postup a předpokládaný vývoj Tomáš Vymazal

/3

Vybrané vlastnosti čerstvého a ztvrdlého betonu a jejich porovnání v rámci experimentu projektu GAČR 13-18870S Tomáš Vymazal, Petr Misák, Oldřich Žalud, Pavel Veselý /8 Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek na tělesech referenční záměsi v rámci projektu GAČR 13-18870S Tereza Komárková, Dalibor Kocáb /13 Stanovení mrazuvzdornosti betonu na referenčních tělesech v rámci projektu GAČR 1318870S Dalibor Kocáb, Petr Daněk, Tereza Komárková /20 Vybrané zkoušky betonu v rámci projektu GAČR 13-18870S – zkušenosti a vývoj Dalibor Kocáb, Tereza Komárková

/27

Pohled na metody ověřování životnosti ztvrdlého betonu při zkouškách v laboratorním prostřední Pavel Veselý, Vladimír Veselý, Stanislav Smiřinský /34 Opakovatelnost a reprodukovatelnost stanovení odolnosti betonu proti působení CHRL Petr Misák, Tomáš Vymazal, Oldřich Žalud, Barbara Kucharczyková /44 Lomové parametry a trvanlivost betonu: výsledky pilotních experimentů v rámci projektu GAČR 13-18870S Petr Misák, Petr Daněk, Ivana Havlíková, Hana Šimonová, Zbyněk Keršner /54 Trvanlivost polymercementových malt Nikol Žižková

/66

2

PROJEKT GAČR 13-18870S – DOSAVADNÍ POSTUP A PŘEDPOKLÁDANÝ VÝVOJ PROJECT GACR 13-18870S - PREVIOUS PROCESS AND EXPECTED PROGRESS Tomáš Vymazal Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně Anotace: Příspěvek popisuje dosavadní práci na projektu a plán projektu na rok 2014.

Annotation: This paper describes current work on the project and project plan for 2014.

Klíčová slova: Projekt, trvanlivost, propustnost Keywords: Project, durability, permeability

1. O projektu Projekt GAČR 13-18870S s názvem Hodnocení a predikce trvanlivosti povrchové vrstvy betonu byl zahájen 1.2.2013 a bude ukončen 31.12.2013.

Projekt se zabývá studiem problematiky trvanlivosti povrchových vrstev betonu a přispívá k rozvoji znalostí v oblasti jejího hodnocení a klasifikace. Projekt je zaměřen především na zjišťování transportních vlastností povrchových vrstev betonu stanovených metodami propustnosti pro vodu a plyny. Tyto tzv. parametry trvanlivosti jsou doplněny zejména o lomové parametry (např. lomová houževnatost a energie) a základní fyzikálně-mechanické vlastnosti čerstvého a ztvrdlého betonu.

V rámci řešení projektu jsou očekávány dva hlavní výstupy - první spočívá ve vygenerování vztahu mezi hodnocením výsledku zjišťování kvality povrchových vrstev nestandardizovanými a standardizovanými zkušebními metodami. Druhým očekávaným výstupem jsou návrhy a doporučení pro jednotnou klasifikaci povrchových vrstev betonu na základě výsledků stanovených různými zkušebními metodami.

Cílem projektu je ověřit a určit možnosti stanovení a způsoby hodnocení kvality povrchových vrstev betonu pomocí NDT metod a stanovení vztahu mezi výsledky měření získaných NDT metodami a standardizovanými laboratorními postupy využívanými pro zjišťování a hodnocení trvanlivosti betonu.

2. Projektový tým a úlohy v týmu Projektový tým je složen z pracovišť FAST VUT v Brně a spolupracovníků/dodavatelů zejména z řad soukromých firem a dalších menších dodavatelů zařízení a služeb.

3

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

2.1. Projektový tým FAST VUT v Brně    

Projektový tým FAST VUT v Brně je tvořen pracovníky čtyř ústavů, kterými jsou: Ústav stavebního zkušebnictví (SZK) Ústav chemie (CHE) Ústav fyziky (FYZ), a Ústav stavební mechaniky (STM).

Úlohy jednotlivých pracovníků z výše uvedených ústavů jsou specifikovány a jsou popsány v návrhu projektu. Za SZK jsou v týmu:  prof. Ing. Jiří Adámek, CSc.:  odborné konzultace, rešerše literatury,  Ing. Petr Daněk, Ph.D.: provádění zkoušek lomových parametrů, objemových změn, akustické emise,  Jaromír Dvořák: práce všeho druhu,  Ing. Tereza Grohová: provádění zkoušek mrazuvzdornosti, CHRL, odlupování, průsak tlakovou vodou,  Ing. Dalibor Kocáb: provádění zkoušek mrazuvzdornosti, CHRL, odlupování, průsak tlakovou vodou, objemových změn,  Ing. Barbara Kucharczyková, Ph.D.: odborné konzultace, rešerše literatury,  Ing. Petr Misák: statistické hodnocení výsledků, provádění zkoušek ISAT, GWT, Torrent, pevnosti v tlaku, objemové hmotnosti,  Ing. Tomáš Stavař: provádění zkoušek ISAT, GWT, Torrent,  doc. Ing. Tomáš Vymazal, Ph.D.: koordinace a vedení projektu, provádění a garance zkoušek čerstvého betonu, pevnosti v tlaku, objemové hmotnosti, objemu vzduchových pórů (spacing faktor), propustnosti pro vzduch podle CEMBUREAU. Za CHE jsou v týmu:  Ing. Patrik Bayer, Ph.D.: provádění zkoušek porozimetrie,  Naděžda Krmíčková: provádění zkoušek karbonatace a PH,  prof. RNDr. Pavla Rovnaníková, CSc.: koordinace a vedení týmu CHE, odborné konzultace, rešerše literatury.

Za FYZ jsou v týmu:  Ing. Michal Matysík, Ph.D.: provádění zkoušek akustické emise, snímky z elektronového mikroskopu,  Ing. Iveta Plšková, Ph.D.: provádění zkoušek akustické emise, snímky z elektronového mikroskopu.

Za STM jsou v týmu:  Ing. Petr Frantík, Ph.D.: interpretace výsledků zkoušek lomové mechaniky,  prof. Ing. Zbyněk Keršner, CSc.: odborné konzultace, interpretace výsledků zkoušek lomové mechaniky.

4

2.2. Projektový tým a spolupracovníci mimo FAST VUT v Brně       

Nejvýznamnější spolupracovníci mimo FAST VUT v Brně jsou: Ing. Stanislav Smiřinský, BETOTECH, s.r.o.: zajištění zkoušek AVA a spacing faktor, Ing. Pavel Veselý, BETOTECH, s.r.o.: provádění zkoušek AVA, Ing. Vladimír Veselý, BETOTECH, s.r.o.: odborné konzultace, Ing. Oldřich Žalud, BETOTECH, s.r.o.: odborné konzultace, výroba zkušebních těles, zkoušení čerstvého betonu, pracovníci L1195.3.: vzorkování a zkoušení čerstvého betonu, výroba zkušebních těles.

Ing. Jarmila Novotná, SIKA CZ, s.r.o.: spacing faktor.

Kovářství a zámečnictví Luboš Krátký: přístroj pro měření hmotnostních úbytků, všechny možné i nemožné zkušební přípravky a pomůcky.

3. Nejbližší vývoj projektu Shrneme-li si počet a druh analýz, které jsou v rámci projektu prováděny, zjistíme, že je jejich seznam je téměř vyčerpávající (alespoň co se týká charakteristik vlastností povrchové vrstvy betonu) a tudíž existuje velká šance, že se podaří cíl projektu naplnit. Na prvním místě však nestojí počet prováděných analýz, ale homogenita zkušebních vzorků a schopnost členů týmu výsledky správně stanovit, interpretovat a zejména publikovat.

V případě čerstvého betonu to jsou charakteristiky:      

konzistence, rozlití, sednutí, obsah vzduchu, objemová hmotnost, a AVA. V případě ztvrdlého betonu to jsou charakteristiky:

         

objemová hmotnost, pevnost v tlaku, hloubka průsaku tlakovou vodou, odolnost proti odlupování, stanovení charakteristik vzduchových pórů ve ztvrdlém betonu, odolnost cementového betonu proti účinkům CHRL – metody A i C, mrazuvzdornost, pevnost v tahu povrchových vrstev (přídržnost), lomová mechanika a akustická emise, propustnost pro vodu a plyny nestandardizovanými metodami – Torrent, ISAT, GWT, CEMBUREAU, a  porozimetrie.

5

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

V současné době máme za sebou první tři záměsi – série zkušebních vzorků.

V následujících měsících můžeme předpokládat ještě cca 5 až 6 sérií zkušebních vzorků.

Nejprve budou vyrobena zkušební tělesa „třísložkového“ betonu, který se bude od sebe lišit pouze obsahem cementu, tj. obsahem cementového tmele. Po té, na základě dosažených výsledků, rozhodneme o dávkování plastifikátoru do dalších záměsí.

Tabulka 1.: Postup betonáží

Vysvětlivky:

Označení dávky plastifikátoru Dávka cementu [kg] 255 305 355 405

0 R* 28.5.2013** 0/1* 16.7.2013** 0/2* 4.9.2013** 0/3* 10/2013***

1

* Označení záměsí

2

** Skutečný termín betonáže

X

X

1/1* 12/2013*** 1/2* 2/2014*** 1/3* 4/2014***

X



*** Předpokládaný termín betonáže

2/1* 6/2014*** 2/2* 8/2014***

Z tabulky 1 vyplývá, že experimentální část projektu by měla být ukončena v září 2014.

Předpokládám, že největší publikační aktivita bude tedy od podzimu 2014 až do ukončení projektu a této vizi odpovídá i plánovaný nárůst zdrojů na publikační činnost, zejména vložné a cestovné. Domnívám se, že první rozsáhlý článek pro časopis s vysokým IF může vzniknout již v prosinci 2013 a bude shrnovat a porovnávat výsledky betonů ze sloupce „0“. Podobně vzniknou další publikace do časopisů s IF – ať už budou porovnávat výsledky betonů v tabulce vertikálně či horizontálně. Rovněž nezapomínejme, že naším cílem není vyzdvižení či protežování konkrétních „prvoautorů“ v odborných publikacích, ale dosažení zastoupení všech členů týmu v dílčích publikačních týmech a dostatečný počet odkazů na publikace kolegů. Z vlastní zkušenosti vím, že věk či tituly autorů nebrání, ale ani nezaručují přijetí publikace oponenty.

4. Závěr Vzhledem k poměrně podrobnému návrhu projektu, vyjasněným úlohám jednotlivých členů projektového týmu a na experimenty prováděné v oblasti stavebnictví dostatečném počtu měření dále předpokládám, že:  na jaře roku 2015 budeme schopni na základě našich výsledků definovat a podat další výzkumný projekt, který bude na tuto problematiku navazovat a/nebo s ní bude spojen,  bude možno v dílčích nerealizovaných oblastech výzkumu pokračovat formou projektů podaných na interní grantovou agenturu VUT – to se týká zejména kolegů bez titulů Ph.D.,  bude možno podávat navazující projekty doktorské,  snad už konečně podáme mezinárodní projekt s universitou v Krakowě.

6

Co napsat úplně na závěr? Snad jen přání, či vizi toho, že projekt splní to, co jej od něj požadováno či očekáváno všemi zainteresovanými stranami, a zejména pak:  že GAČR udělí projektu hodnocení „vynikající“, viz [1],  že publikace, které na základě naší společné práce vzniknou, budou přijímány odbornou veřejností pozitivně a budou sloužit pro rozvoj vědního oboru,  že se podaří všem členům týmu rozvinout jejich vědecké kariéry, a to nejen dosažením dalších akademických titulů, ale především zúročením nabytých zkušeností a získaných znalostí,  že – a to je možná to, co je pro mě osobně na tomto projektu nejdůležitější – se pevněji semkne tým schopných dělných mladých vědců a zkušených mentorů, jejichž budoucí spolupráce a výsledky potvrdí jejich špičkovou vědeckou, ale i lidskou či morální úroveň.

Na závěr mi dovolte citovat Giordana Bruna – „Věda je nejlepší způsob, jak z člověka udělat hrdinu“ [2] – a ten to musel vědět .

Poděkování Příspěvek vznikl za podpory GAČR 13-18870S „Hodnocení a predikce trvanlivosti povrchové vrstvy betonu“.

Literatura [1] [2]

www.gacr.cz www.citáty.cz

Kontakt doc. Ing. Tomáš Vymazal, Ph.D., tel: 00420 541 147 818, e-mail: vymazal.t@fce.vutbr.cz, Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně, Veveří 95, 602 00 Brno.

7

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

VYBRANÉ VLASTNOSTI ČERSTVÉHO A ZTVRDLÉHO BETONU A JEJICH POROVNÁNÍ V RÁMCI EXPERIMENTU PROJEKTU GAČR 13-18870S SELECTED PROPERTIES OF FRESH AND HARDENED CONCRETE AND THEIR COMPARISON IN PROJECT GAČR 13-18870S Tomáš Vymazal, Petr Misák, Oldřich Žalud, Pavel Veselý Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně, BETOTECH, s.r.o.

Anotace: Příspěvek popisuje rozdíly ve výsledcích čerstvého a ztvrdlého betonu první a druhé sady zkušebních vzorků v rámci experimentu projektu GAČR 13-18870S. Annotation: This paper deals with differences between test results of the first and the second set of test specimens in project GAČR 13-18870S. Klíčová slova: čerstvý beton, pevnost v tlaku, konzistence Keywords: Fresh concrete, compressive strength, consistency

1. Složení betonu 1.1. Referenční záměs C12/15 X0 S3 D16 (R) Tabulka 1.: Receptura referenční záměsi (R)

Složka: Receptura [kg] Vlhkost [%] Skutečnost [kg] Text

0-4 976 52,81 977,77

Kamenivo 4-8 182 0,89 177,42

8-16 690 3,46 692,68

Cement 42,5 R 250 255,01

Voda 200 148,61

1.2. První záměs C16/20 X0 S3 D16 (0/1) Tabulka 2.: Receptura první záměsi (0/1)

Složka: Receptura [kg] Vlhkost [%] Skutečnost [kg]

0-4 929 50,06 926,98

Kamenivo 4-8 182 0,91 182,28

8

8-16 690 3,49 697,54

Cement 42,5 R 305 308,94

Voda 200 148,02

2. Vlastnosti cementu a kameniv 2.1. Vlastnosti cementu Tabulka 3.: Vlastnosti cementu CEM I 42,5 R dle ÄŒSN EN 197-1 [1]

9

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

2.2 Vlastnosti kameniv záměsi (R) a (0/1)

Obrázek 1.: Sítový rozbor, ČSN EN 933-1 [2], Bratčice 0-4 mm, f = 0,3 % a 0,3 %

Obrázek 2.: Sítový rozbor, ČSN EN 933-1 [2], Olbramovice 4-8 mm, f = 0,1% a 0,4 %, SI22

Obrázek 3.: Sítový rozbor, ČSN EN 933-1 [2], Olbramovice 8-16 mm, f = 0,1 % a 0,2%, SI20

10

2. Vlastnosti betonu 2.1. Vlastnosti čerstvého betonu podle ČSN EN 12350-2, 5, 6 a 7 Tabulka 3.: Vlastnosti čerstvého betonu podle ČSN EN 12350-2,5,6 a 7 [3][4][5][6]

Vlastnost ČSN EN 12350–2 (Zkouška sednutím) ČSN EN 12350-5 (Zkouška rozlitím) ČSN EN 12350-6 (Stanovení objemové hmotnosti) ČSN EN 12350-7 (Stanovení obsahu vzduchu)

Výsledek (R) 110 mm 435 mm 2250 kg/m3 2,8 %

Výsledek (0/1) 60 mm 410 mm 2315 kg/m3 2,7 %

2.2. Vlastnosti čerstvého betonu - AVA Tabulka 4.: Obsah vzduchu metodou AVA [7]

Záměs (R)

Záměs (0/1)

2.2. Vybrané vlastnosti ztvrdlého betonu Vlastnost ČSN EN 12390–3 (Pevnost v tlaku) [8] Výběrová směrodatná odchylka s0: ČSN EN 12390-7 (Objemová hmotnost) [9] Výběrová směrodatná odchylka s0:

Výsledek (R) 21,4 N/mm2 0,145 2292 kg/m3 13,05

Výsledek (0/1)

3. Závěr Z výše popsaných odstavců je patrné, že i z tak malé části z celého experimentu lze vygenerovat celou řadu výsledků. Rovněž se domnívám, že rozhodnutí o opuštění zaběhlé praxe výroby zkušebních těles v laboratořích SZK je rozhodnutí správné a homogenita výsledků tuto skutečnost potvrzuje. Společně s vysokou homogenitou zkušebních vzorků je však důležitá správná laboratorní praxe, aby naměřené výsledky měly vysokou kvalitu, neboť o tu, nám jde ve výzkumu a vývoji především!

Závěrem mi ještě dovolte citovat naši věhlasnou kolegyni Ing. Barbaru Kucharczykovou, Ph.D.: „My jsme to naměřili takto, a jsme s tím spokojeni“.

11

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

Poděkování Příspěvek vznikl za podpory GAČR 13-18870S „Hodnocení a predikce trvanlivosti povrchové vrstvy betonu“.

Literatura [1]

ČSN EN 197-1 Cement - Část 1: Složení, specifikace a kritéria shody cementů pro obecné použití, ÚNMZ, 2012 [2] ČSN EN 933-1 Zkoušení geometrických vlastností kameniva - Část 1: Stanovení zrnitosti - Sítový rozbor, ÚNMZ, 2012 [3] ČSN EN 12350-2 Zkoušení čerstvého betonu - Část 2: Zkouška sednutím, ÚNMZ, 2009 [4] ČSN EN 12350-5 Zkoušení čerstvého betonu - Část 5: Zkouška rozlitím, ÚNMZ, 2009 [5] ČSN EN 12350-6 Zkoušení čerstvého betonu - Část 6: Objemová hmotnost, ÚNMZ, 2009 [6] ČSN EN 12350-7 Zkoušení čerstvého betonu - Část 7: Obsah vzduchu - Tlakové metody, ÚNMZ, 2009 [7] ASHTO AVA Technology Implementation Group (TIG). 2003. Standard Test Method for Air-Void Characteristics of Freshly Mixed Concrete by Buoyancy Change. Draft Provisional Standard. Washington, DC: American Association of State Highway and Transportation Officials.

[8] ČSN EN 12390-3 Zkoušení ztvrdlého betonu - Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles, ÚNMZ, 2009 [9] ČSN EN 12390-7 Zkoušení ztvrdlého betonu - Část 7: Objemová hmotnost ztvrdlého betonu, 2009 [10] VYMAZAL, T.; BAYER, P.; ROVNANÍKOVÁ, P.: Effect of water/cement ratio on permeability of surface layer of cement mortar for water and air. In CONSTRUCTION MATERIALS, Nitra, 2013, ISBN 978-80-552-1031-5.

Kontakt doc. Ing. Tomáš Vymazal, Ph.D., tel: 00420 541 147 818, e-mail: vymazal.t@fce.vutbr.cz, Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně, Veveří 95, 602 00 Brno.

Ing. Petr Misák, tel: 00420 541 147 831, e-mail: misak.p@fce.vutbr.cz, Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně, Veveří 95, 602 00 Brno.

12

STANOVENÍ ODOLNOSTI POVRCHU CEMENTOVÉHO BETONU PROTI PŮSOBENÍ VODY A CHEMICKÝCH ROZMRAZOVACÍCH LÁTEK NA TĚLESECH REFERENČNÍ ZÁMĚSI V RÁMCI PROJEKTU GAČR 13-18870S DETERMINATION OF RESISTANCE OF CEMENT CONCRETE SURFACE TO WATER AND DEFROSTING CHEMICALS ON SPECIMENS OF REFERENCE CONCRETE WITHIN THE GACR 13-18870S PROJECT Tereza Komárková, Dalibor Kocáb Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně Anotace: V příspěvku jsou porovnány výsledky dvou metod odolnosti proti CHRL na sadě zkušebních těles v rámci projektu GAČR 13-18870S. Annotation: The paper deals with results comparison of two methods of resistance determination to defrosting chemicals on set of specimens within the GACR 13-18870S project.

Klíčová slova: chemická rozmrazovací látka, odpad, zkušební povrch, KD-20 Keywords: defrosting chemicals, scrap, surface layer of the specimens, KD-20

1. Úvod Povrchová vrstva betonu bývá nejvíce namáhána okolními vlivy a v jejich důsledku může docházet k pevnostnímu kolapsu nebo neočekávané korozi výztuže. Právě kvalita povrchové vrstvy je velmi důležitá pro hodnocení odolnosti betonu proti negativním vlivům vnějšího prostředí a zejména pro výslednou trvanlivost.

K významným zkouškám při predikci trvanlivosti betonu patří stanovení odolnosti proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek (dále jen CHRL) podle ČSN 73 1326 [1].

Tato norma původně obsahovala dva zkušební postupy – metodu automatického cyklování (metodu „A“) a metodu ruční manipulace se vzorky (metodu „B“), přičemž druhý postup se dnes již prakticky nepoužívá. V roce 2003 byla provedena změna Z1, která popisuje metodu automatického cyklování II (metodu „C“). V článku jsou uvedeny rozdíly v pracovních postupech metod „A“ a „C“ a také porovnány výsledky těchto zkoušek.

2. Metody stanovení odolnosti proti CHRL 2.1. Metoda automatického cyklování – metoda „A“ Zkouška stanovení odolnosti proti CHRL na jedné sadě zkušebních těles byla provedena dle normy ČSN 73 1326 [1], podle metody A – Metoda automatického cyklování I. Tato zkušební metoda je založena na principu automaticky řízeného cyklického střídání kladných a 13

Workshop – Trvanlivost silikåtových materiålů 2013

26. – 27. 9. 2013

zĂĄpornĂ˝ch teplot pĹŻsobĂ­cĂ­ch rovnomÄ›rnÄ› na celĂŠ zkuĹĄebnĂ­ tÄ›leso. ZkuĹĄebnĂ­ zařízenĂ­ udrĹžuje kladnĂŠ i zĂĄpornĂŠ teploty po pĹ™edepsanĂ˝ Ä?as. Povrch tÄ›les musĂ­ bĂ˝t ochlazen z +20 oC na -15 oC za dobu 45 aĹž 50 minut. Za stejnou dobu musĂ­ dojĂ­t ke zpÄ›tnĂŠmu ohřåtĂ­ a nejvyĹĄĹĄĂ­ i nejniŞťí teplota musĂ­ bĂ˝t udrĹžovĂĄna po dobu 15 minut. Ăšstav stavebnĂ­ho zkuĹĄebnictvĂ­ Fakulty stavebnĂ­ VUT v BrnÄ› disponuje zařízenĂ­m KD-20, kterĂŠ je k automatickĂŠmu cyklovĂĄnĂ­ urÄ?eno.

Zkuťební tělesa byla po vybetonovåní a nåslednÊm vyjmutí z formy uloŞena a oťetřovåna dle [2] a [3]. Ve ståří 28 dní byla zahåjena zkouťka automatickÊho cyklovåní, kdy je zkouťen horní povrch tělesa bez jakýchkoli úprav [1].

JednotlivĂĄ zkuĹĄebnĂ­ tÄ›lesa byla umĂ­stÄ›na do misek z nekorodujĂ­cĂ­ho materiĂĄlu, jeĹž umoĹžĹˆujĂ­ ponoĹ™enĂ­ zkuĹĄebnĂ­ch tÄ›les do roztoku chemickĂŠ rozmrazovacĂ­ lĂĄtky a zachycenĂ­ odpadu. Jako zĂĄkladnĂ­ rozmrazovacĂ­ lĂĄtka byl pouĹžit 3% roztok chloridu sodnĂŠho (NaCl), kterĂ˝ byl nalit do misky v takovĂŠm mnoĹžstvĂ­, aby byl zkuĹĄebnĂ­ vzorek po celĂŠm svĂŠm obvodu ponoĹ™en na výťku 5Âą1 mm. PotĂŠ byla zkuĹĄebnĂ­ tÄ›lesa rovnomÄ›rnÄ› rozloĹžena po dnÄ› zkuĹĄebnĂ­ho přístroje.

Po kaĹždĂŠm 25. cyklu byla zkuĹĄebnĂ­ tÄ›lesa s miskou vyjmuta z přístroje KD-20 a proudem vody ze stĹ™iÄ?ky byly splaveny uvolnÄ›nĂŠ Ä?ĂĄstice do misky. PĹ™ebyteÄ?nĂĄ kapalina byla slita a odpadlĂŠ Ä?ĂĄstice byly vysuĹĄeny do konstantnĂ­ hmotnosti. JednotlivĂŠ odpady byly zapsĂĄny do protokolu pro kaĹždĂ˝ zkuĹĄebnĂ­ vzorek po 25 cyklech v gramech. Odolnost povrchu cementovĂŠho betonu proti pĹŻsobenĂ­ vody a chemickĂ˝ch rozmrazovacĂ­ch lĂĄtek je dĂĄna hmotnostĂ­ odpadu na jednotku plochy v g/m2 podle vztahu: đ?›’đ??€ = ∑ đ??Ś đ??€ ZkouĹĄka je ukonÄ?ena buÄ? dosaĹženĂ­m pĹ™edepsanĂŠho poÄ?tu cyklĹŻ, nebo dosaĹženĂ­m maximĂĄlnĂ­ povolenĂŠ velikosti Ď A [1].

2.2. Metoda automatickĂŠho cyklovĂĄnĂ­ II – metoda „C“ Metoda automatickĂŠho cyklovĂĄnĂ­ II pouŞívĂĄ takĂŠ automaticky řízenĂŠ cyklickĂŠ střídĂĄnĂ­ kladnĂ˝ch a zĂĄpornĂ˝ch teplot pĹŻsobĂ­cĂ­ch rovnomÄ›rnÄ› na celĂŠ zkuĹĄebnĂ­ tÄ›leso, jehoĹž povrch je zalit 3% roztokem NaCl [1].

Při tÊto metodě je zåkladním zkuťebním tělesem 50 mm tlustý odřez horního povrchu betonovÊho vålce o průměru 150 mm. MůŞe se jednat o vybetonovanÊ těleso tvaru vålce nebo o jådrový vývrt z konstrukce.

Zkuťební těleso se opatří objímkou tak, aby převyťovala povrch vzorku nejmÊně o 10 mm.

Pro vÄ›tĹĄĂ­ vodotÄ›snost jsou spĂĄry mezi tÄ›lesem a objĂ­mkou pomocĂ­ silikonu Ä?i pryskyĹ™icovĂŠho lepidla utÄ›snÄ›ny, coĹž mĂĄ za nĂĄsledek zmenĹĄenĂ­ zkuĹĄebnĂ­ho povrchu, kterĂŠ musĂ­ bĂ˝t brĂĄno v potaz pĹ™i vyhodnocovĂĄnĂ­ zkouĹĄek odolnosti.

PĹ™ed zahĂĄjenĂ­m zkouĹĄky se na zkuĹĄebnĂ­ tÄ›leso nalije voda, kterĂĄ se na nÄ›m ponechĂĄ minimĂĄlnÄ› dva dny. PotĂŠ se voda slije a na povrch se nalije asi 5Âą1 mm vysokĂĄ vrstva 3% roztoku NaCl. TÄ›leso uloĹženĂŠ do automatizovanĂŠho cyklovacĂ­ho zařízenĂ­ (v naĹĄem případÄ› KD-20) je ochlazovĂĄno na -18 oC. Tato teplota je udrĹžovĂĄna po dobu 3 hodin, pak se musĂ­ zvýťit bÄ›hem 30 minut na hodnotu +5 oC, kde je opÄ›t udrĹžovĂĄna 3 hodiny. Jeden zmrazovacĂ­ cyklus tedy trvĂĄ pĹ™es 6 hodin, z Ä?ehoĹž vyplĂ˝vĂĄ, Ĺže tato zkouĹĄka je Ä?asovÄ› mnohem nĂĄroÄ?nÄ›jĹĄĂ­ neĹž metoda „A“.

14

Po ukončení 25 cyklů je odpad pomocí střičky slit a ocelovým kartáčem je očištěn povrch tělesa. V klimatizační skříni poté dojde k vysušení odpadu do konstantní hmotnosti.

Na zkušební vzorek se opět nalije voda, která zůstane na zkoušeném povrchu po dobu minimálně jednoho dne, a teprve poté je možné zkoušku opakovat [1].

Odolnost povrchu betonu proti působení CHRL (metoda „C“) se hodnotí pomocí součinitelů D1 až D5:  D1 = počet cyklů, po kterých je odpad betonu 1 000 g/m2  D2 = počet cyklů, po kterých je odpad betonu 2 000 g/m2  D3 = počet cyklů, po kterých je odpad betonu 3 000 g/m2  D4 = počet cyklů, po kterých je odpad betonu 4 000 g/m2  D5 = počet cyklů, po kterých je odpad betonu 5 000 g/m2

3. Zkušební tělesa Pro stanovení odolnosti betonu proti CHRL dle metody „A“ byla vyrobena 3 zkušební tělesa o rozměrech 150x150x150 mm. Pro metodu „C“ byla vyrobena 3 tělesa tvaru válce výšky 50 mm a průměru 150 mm. Všechny zkušební vzorky pocházely z jedné záměsi, jejíž receptura je popsána v Tabulce 1.

Tabulka 1.: Receptura referenční záměsi C12/15 X0 S3 D16 (R)

Složka: Receptura [kg] Vlhkost [%] Skutečnost [kg]

0-4 976 52,81 977,77

Kamenivo 4-8 182 0,89 177,42

8-16 690 3,46 692,68

Cement 42,5 R 250 255,01

Voda 200 148,61

4. Výsledky zkoušek Již z výše uvedené receptury (a označení betonu) je patrné, že zvolená referenční receptura má být „nejhorší“ a výsledky zkoušek dalších záměsí se mají postupným přidáváním cementu či plastifikátoru zlepšovat. Výsledky stanovení odolnosti proti CHRL metodou „A“ i metodou „C“, které jsou uvedeny v Tabulce 2 a Tabulce 3, jednoznačně vypovídají o nízké kvalitě povrchové vrstvy zkoušeného betonu. Zkoušky odolnosti povrchové vrstvy musely být u obou metod zastaveny již po prvních 25 cyklech, a to z důvodu vysokých hmotností odpadu. Výsledky experimentu jsou pro lepší názornost zaznamenány také v grafické podobě – jsou vyneseny do grafu 1 a grafu 2, které tvoří Obrázek 1. V grafu 2 je mimo výsledné křivky závislosti odpadu na počtu cyklů znázorněn také vypočítaný součinitel D5 dle [1].

15

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

Tabulka 2.: Stanovení odolnosti proti CHRL – metoda „A“

Označení vzorku

a 150,0 150,0 150,1

1 2 3

odpad po cyklech [g]

Rozměry vzorku [mm] b 150,1 150,0 150,1

h 152,3 149,8 150,7

25 110,4 96,1 169,3

odpad po cyklech [g/m2]

50 -

25 2103 1830 3225

50 -

Tabulka 3.: Stanovení odolnosti proti CHRL – metoda „C“

Označení vzorku

d1 126 125 132

1 2 3

odpad po cyklech [g]

Rozměry vzorku [mm] d2 130 128 128

d

25 110,4 96,1 169,3

128 126,5 130

Odpad g/m2 po 25 cyklech

25 8584 7650 12761

50 -

10000

3000

2386

2000 1 1500

2

1000

3

Odpad betonu [g/m2]

Odpad betonu [g/m2]

50 -

Počet cyklů pro odpad 5 000g/m2

3500

2500

odpad po cyklech [g/m2]

9000 8000 7000 6000

D5 = 15 cyklů

5000 4000 3000 2000

500

1000

0

0 25

0

Počet cyklů

25 Počet cyklů

Obrázek 1.: Graf 1(vlevo) – Vyhodnocení dle metody „A“; graf 2 (vpravo) – Vyhodnocení dle metody „C“

Na Obrázku 2 jsou zachyceny všechny 3 zkušební krychle po 25 cyklech metody „A“. Na zkoušeném povrchu těles je dobře patrné, že odpad byl velmi vysoký. Kvalita povrchové vrstvy referenčního betonu byla tedy velmi špatná, ovšem tato skutečnost byla předem očekávána. Žádný vzorek se nelišil o více jak 50 % od průměrné hodnoty odpadu, průměrná hodnota se tedy určila ze všech tří zkušebních těles [1].

16

Obrázek 2.: Zkušební tělesa po stanovení odolnosti proti CHRL metodou „A“, měření ukončeno po 25 cyklech

Výsledky metody „C“ odpovídají „kvalitě“ betonu a korespondují s hodnotami dosaženými pomocí metody „A“. Při vyjmutí zkušebních těles z mrazící skříně KD-20 a po odstranění degradované povrchové vrstvy dle [1] bylo zjištěno, že roztok způsobil rozpad betonu do značné hloubky, zejména cementového tmele po obvodu zkušebních těles, což spolu se vznikem trhlin ve stejných místech (zřejmě vlivem cyklického zmrazování a rozmrazování) způsobilo vytečení 3% roztoku NaCl. Vzhledem ke skutečnosti, že se povrch rozpadl do značné hloubky, muselo k vytečení dojít až ke konci cyklování.

Se značným rozpadem povrchové vrstvy betonových těles také souvisí problematické určení plochy, na kterou roztok působil. Z počátku byl namáhán pouze povrch válce ohraničený silikonovým tmelem u plastové objímky, viz rozměry vzorku v Tabulce 3 a Obrázek 3. Po určitém počtu cyklů a proniknutí roztoku do větší hloubky zkušebního tělesa se zkoušený povrch logicky zvětšil, protože již nebyl limitován silikonovým tmelem. Tento fakt neovlivnil průběh zkoušky, pouze znesnadnil její vyhodnocení.

Autoři článku se rozhodli vypočítat odpad pomocí zmenšené plochy (ohraničené silikonovým tmelem), a tím kompenzovat absenci chemického roztoku v posledních cyklech.

Konečný výsledek by tak měl být ovlivněn pouze minimálně.

Při vyhodnocování zkoušky bylo zjištěno, že se odpad na třetím zkušebním tělese liší od průměrné hodnoty o více než 20 % (přesněji o 32 %) a z tohoto důvodu musí být při vyhodnocování vyřazen. Konečná průměrná hodnota odpadu je tedy vypočtena pouze z prvních dvou zkušebních těles, kdy se hodnoty na nich naměřené liší od průměrné hodnoty o necelých 6 %.

17

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

Obrázek 3.: Zkušební těleso po stanovení odolnosti proti CHRL metodou „C“, měření ukončeno po 25 cyklech

5. Závěr Z výše uvedených výsledků je patrné, že hodnoty odpadů odpovídají označení betonu použitého pro výrobu referenčních zkušebních těles. Jinými slovy, referenční beton je z pohledu odolnosti proti CHRL velmi nekvalitní, ovšem výsledky potvrdily předem očekávané prognózy, což je pozitivní.

Dle metody „A“ byl povrch betonu po 25 cyklech silně narušený, výsledek je 2386-25. Dle metody „C“ je beton natolik špatný, že se téměř nedá vyhodnotit. Součinitel odolnosti D5 je 15 cyklů.

Experiment ukázal, že využití obou metod ke stanovení odolnosti proti CHRL současně je přínosné. Výsledky obou metod by spolu měly korespondovat, což závěr provedeného experimentu potvrdil.

Poděkování Příspěvek vznikl za podpory GAČR 13-18870S „Hodnocení a predikce trvanlivosti povrchové vrstvy betonu“.

Literatura [1] [2] [3] [4]

ČSN 73 1326 Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek. ÚNM, 1985. ČSN EN 12350-1 Zkoušení čerstvého betonu – Část 1: Odběr vzorků, ÚNMZ, 2009. ČSN EN 12390-2 Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 2: Výroba a ošetřování zkušebních těles pro zkoušky pevnosti, ÚNMZ, 2009.

KOMÁRKOVÁ, T.; KOCÁB, D.; STAVAŘ, T.: Vliv vodního součinitele na kvalitu povrchové vrstvy cementové malty. In Zkoušení a jakost ve stavebnictví 2013, v tisku.

18

Kontakt Ing. Tereza Komárková, tel.: 00420 541 147 830, e-mail: grohova.t@fce.vutbr.cz, Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně, Veveří 95, 602 00 Brno.

Ing. Dalibor Kocáb, tel.: 00420 541 147 811, e-mail: kocab.d@fce.vutbr.cz, Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně, Veveří 95, 602 00 Brno.

19

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

STANOVENÍ MRAZUVZDORNOSTI BETONU NA REFERENČNÍCH TĚLESECH V RÁMCI PROJEKTU GAČR 13-18870S DETERMINATION OF FROST RESISTANCE OF CONCRETE OF REFERENCE SPECIMENS WITHIN THE GACR 13-18870S PROJECT Dalibor Kocáb, Petr Daněk, Tereza Komárková Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně Anotace: Příspěvek popisuje stanovení mrazuvzdornosti na referenčním betonu v rámci projektu GAČR 13-18870S. Výsledkem jsou grafické a tabelární výstupy naměřených hodnot.

Annotation: This paper deals with the determination of the frost resistance of reference concrete carried out within the GACR 13-18870S project. The outcome has form of graphic and tabular outputs showing the observed values.

Klíčová slova: Mrazuvzdornost betonu, KD-20, beton Keywords: Frost resistance of concrete, KD-20, concrete

1. Úvod Trvanlivost se poslední dobou stala velmi aktuálním tématem. Svědčí o tom mimo jiné fakt, že je orgány Evropské unie navržena v dokumentu CPR (Construction Products Regulation) jako nový základní požadavek na stavby a stavební výrobky [1].

Zkoušení trvanlivosti betonu je bezesporu samo o sobě složitý problém, přičemž vyhodnocování zkoušek (a především hodnocení samotné) je poněkud vágní. Ačkoliv je možné klasifikovat beton, co se trvanlivosti týče, z mnoha různých úhlů pohledu, závisí pochopitelně na skutečnosti, jací činitelé výslednou trvanlivost ovlivňují. Je nepopiratelné, že u betonových konstrukcí vystavených venkovnímu prostředí patří mezi nejpodstatnější faktory mráz a jeho účinky, a že je tedy nutné věnovat značnou pozornost stanovení mrazuvzdornosti [1].

2. Mrazuvzdornost a možnosti jejího stanovení Mrazuvzdornost jako oblast výzkumu skýtá řadu nezodpovězených otázek, přičemž jen jejich výčet by zabral nečekaně mnoho prostoru, o diskuzi nad jejich důležitostí nemluvě.

Pomiňme teď teoretické diskuze nad účinky mrazu, nad účinky opatření proti působení mrazu apod., protože přímo při zkoušení mrazuvzdornosti se jedna otázka přímo nabízí: Která metoda, či kombinace metod, je vlastně pro stanovení mrazuvzdornosti nejvhodnější?

Snahou o odpověď bychom ovšem opět zabředli do teoretické roviny účinků mrazu skutečných i domnělých a která metoda tyto účinky zachytí a rozpozná nejdříve a nejlépe, 20

proto raději konstatujme, že je v současné době možné mrazuvzdornost betonu zkoušet podle dvou norem – jednak podle české normy ČSN 73 1322 [2], která platí beze změny již od roku 1969, jednak podle nové normy ČSN 73 1380 [3].

Norma ČSN 73 1322 [2], která jako hlavní ukazatel udává pevnost v tahu za ohybu, je v praxi stále nepoměrně používanější. Norma ČSN 73 1380 [3], která využívá nedestruktivní zkoušky, jež jsou na porušení vnitřní struktury betonu (odtud také název normy) přece jen citlivější [1], posuzuje mrazuvzdornost na základě relativního dynamického modulu pružnosti (dále jen RDM), který se vypočte jako procentuální pokles této veličiny po určitém počtu zmrazovacích cyklů oproti stavu před zmrazováním.

Výhodné je, že se při určitých úpravách dají obě normy zkombinovat, čehož bylo při experimentu využito.

3. Zkušební tělesa a jejich zkoušení Pro popisovaný experiment bylo vyrobeno 9 ks hranolů o rozměrech 100×100×400 mm z referenčního betonu C12/15. Více informací o betonové směsi včetně receptury je možné nalézt v souvisejícím příspěvku [4]. Po vybetonování a odformování byla tělesa uložena do prostředí s relativní vlhkostí vzduchu přesahující 95 %. Před zkouškou byla zkušební tělesa přemístěna na 3 dny do vodní lázně.

Po vyjmutí z vodního uložení a povrchovém osušení byly všechny hranoly nedestruktivně odzkoušeny pomocí ultrazvukové a rezonanční metody dle příslušných norem [5] a [6]. Na základě výsledků byla vybrána trojice těles, která sloužila jako referenční sada. Na této sadě byla zjištěna pevnost v tahu za ohybu, což je předmětem Obrázků 1 až 3, a na koncích hranolů byla následně určena pevnost betonu v tlaku, viz Obrázek 4.

Obrázek 1.: Hranol z referenční trojice před zkouškou pevnosti v tahu za ohybu.

21

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

Obrázek 2.: Hranol z referenční trojice po zkoušce pevnosti v tahu za ohybu.

Obrázek 3.: Hranol č. 2 z referenční trojice po zkoušce pevnosti v tahu za ohybu – plocha zlomu.

Obrázek 4.: Krychle vyřezaná z hranolu č. 2 před (vlevo) a po zkoušce pevnosti v tlaku (vpravo).

Zbylých 6 zkušebních těles bylo uloženo do zařízení KD-20, kde byla podrobena zmrazování dle [2]. Současně byly hranoly rozděleny na 2 trojice, přičemž první trojice měla být odzkoušena v tahu za ohybu dle [2] po 50 zmrazovacích cyklech a druhá trojice po 100 cyklech. Po každých 25 cyklech byly hranoly odzkoušeny nedestruktivně.

22

4. Dosažené výsledky Pevnost v tahu za ohybu a pevnost v tlaku na zlomcích, které byly určeny na referenční (první) trojici zkušebních hranolů, jsou zaznamenány v Tabulce 1. Dynamické charakteristiky všech zkušebních těles jsou předmětem Tabulky 2.

Po 50 zmrazovacích cyklech byla na druhé trojici zkušebních těles určena pevnost v tahu za ohybu. Výsledek potvrdil skutečnost, kterou již naznačovaly výsledky nedestruktivních metod – beton není mrazuvzdorný dle [2] na počet 50 cyklů, neboť průměrná pevnost v tahu za ohybu dosahovala necelých 65 % referenční hodnoty. Proto nemělo smysl dále zmrazovat poslední trojici hranolů a tato sada zkušebních těles byla také odzkoušena. Zjištěná pevnost v tahu za ohybu i pevnost v tlaku je vypsána v Tabulce 1.

Stejného závěru (beton není mrazuvzdorný na 50 cyklů) bylo dosaženo také pomocí RDM dle [3]. Graficky je vývoj relativních modulů pružnosti po zmrazovacích cyklech zachycen v grafu na Obrázku 5. Označení „U“ je modul pružnosti zjištěný pomocí ultrazvukové metody, označení „FL“ je modul pružnosti vypočítaný z podélné frekvence zjištěné rezonanční metodou a „FF“ značí modul vypočtený z kroutivé frekvence určené také z metody rezonanční.

Tabulka 1.: Pevnost v tahu za ohybu a pevnost v tlaku na zlomcích.

Pevnost v tahu za ohybu Pevnost v tlaku na zlomcích fcf,m [MPa] průměr sm.odch. fc [MPa] průměr sm.odch.

11 300 3,45 24,6 11 200 3,37 3,4 MPa 0,07 MPa 23,8 23,1 MPa 1,87 MPa 11 000 3,31 21,0 7 800 2,33 23,1

Vzorek Fmax [N] R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9

7 300 6 500 7 500 6 700 7 700

2,17 1,94 2,27 1,98 2,31

2,2 MPa 0,17 MPa

23

22,6 20,4 22,3 21,5 21,9

22,0 MPa 0,95 MPa

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

po 50 cyklech

po 25 cyklech

před zmrazováním

Tabulka 2.: Dynamické moduly pružnosti zjištěné na zkušebních hranolech pomocí ultrazvukové a rezonanční metody před vložením do zmrazovací skříně KD-20, po 25 cyklech a po 50 cyklech.

Zkušební těleso Ebu [MPa] EbfL [MPa] Ebrf [MPa] R1 36 500 33 300 33 600 R2 37 300 33 900 33 800 R3 32 800 30 400 29 700 R4 37 300 33 900 33 400 R5 33 000 31 000 31 500 R6 34 700 32 900 33 400 R7 36 200 33 100 33 700 R8 35 800 32 800 33 400 R9 34 600 32 000 32 400 R4 23 500 20 900 20 600 R5 27 600 24 800 24 500 R6 26 500 22 900 23 100 R7 28 800 24 600 25 400 R8 21 800 18 000 18 500 R9 27 800 24 700 25 000 R4 21 800 19 500 19 900 R5 25 400 22 300 22 100 R6 22 600 18 200 18 400 R7 25 500 20 100 20 500 R8 19 700 16 500 16 900 R9 26 400 22 100 22 600

Dle normy ČSN 73 1322 [2] je nutné zjišťovat úbytky hmotnosti zkoušených zmrazovaných hranolů v procentech hmotnosti. V tomto případě se úbytek hmotnosti neprojevil. Po 25 cyklech vykazovaly hranoly přírůstek hmotnosti (nejvyšší hodnota přírůstku byla 1,2 %), úbytek byl zaznamenán až po 50 zmrazovacích cyklech, ovšem nejvyšší úbytek činil necelých 0,1 % hmotnosti. Na výsledcích pevnosti v tlaku se zmrazování projevilo výrazně méně než na pevnosti v tahu za ohybu. Po padesáti cyklech byla zjištěna průměrná pevnost v tlaku 22,0 MPa oproti hodnotě 23,1 MPa referenčních hranolů.

24

Obrázek 5.: Relativní dynamické moduly pružnosti (RDM) po n cyklech zmrazování a rozmrazování.

5. Závěr Vzhledem ke složení zkoušeného betonu je možné považovat dosažené výsledky mrazuvzdornosti za velmi uspokojivé, neboť podobné hodnoty byly očekávány a tímto byly potvrzeny výsledky souběžně prováděných zkoušek [4].

Beton je z hlediska mrazuvzdornosti velmi špatný, na základě pevnosti v tahu za ohybu je mrazuvzdorný pouze na 25 cyklů dle [2]. Pokud bychom za nevyhovující uvažovali pokles o 25 % i u RDM, nebyl by beton mrazuvzdorný dokonce ani na 25 cyklů, jelikož RDM byl po 25 cyklech 74 % (ultrazvuková metoda), respektive 69 % (podélná i kroutivá frekvence rezonanční metody).

Poděkování Tento příspěvek vznikl za finanční podpory projektu GAČR 13-18870S „Hodnocení a predikce trvanlivosti povrchové vrstvy betonu“.

Literatura [1]

[2] [3] [4]

CIKRLE, P.; POSPÍCHAL, O.: Nový způsob stanovení mrazuvzdornosti betonu s využitím metod pro sledování poruch struktury. Beton TKS. 2011. 2011(3). p. 56 - 61. ISSN 12133116. ČSN 73 1322 Stanovení mrazuvzdornosti betonu. ÚHM, Praha, 1969. ČSN 73 1380 Zkoušení odolnosti betonu proti zmrazování a rozmrazování – Porušení vnitřní struktury. ČNI, Praha, 2007.

KOMÁRKOVÁ, T.; KOCÁB, D.: Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek na tělesech referenční záměsi. In Trvanlivost silikátových materiálů 2013, v tisku.

25

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013 [5] [6]

26. – 27. 9. 2013

ČSN 73 1371 Nedestruktivní zkoušení betonu – Ultrazvuková impulzová metoda zkoušení betonu. ÚNMZ, Praha, 2011. ČSN 73 1372 Nedestruktivní zkoušení betonu – Rezonanční metoda zkoušení betonu. ÚNMZ, Praha, 2012.

Kontakt Ing. Dalibor Kocáb, tel: 00420 541 147 811, e-mail: kocab.d@fce.vutbr.cz, Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně, Veveří 95, 602 00 Brno.

Ing. Petr Daněk, Ph.D., tel: 00420 541 147 492, e-mail: danek.p@fce.vutbr.cz, Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně, Veveří 95, 602 00 Brno.

Ing. Tereza Komárková, tel: 00420 541 147 830, e-mail: grohova.t@fce.vutbr.cz, Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně, Veveří 95, 602 00 Brno.

26

VYBRANÉ ZKOUŠKY BETONU V RÁMCI PROJEKTU GAČR 13-18870S – ZKUŠENOSTI A VÝVOJ SELECTED TESTS OF CONCRETE WITHIN THE GACR 13-18870S PROJECT – EXPERIENCES AND DEVELOPMENT Dalibor Kocáb, Tereza Komárková Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně Anotace: Příspěvek pojednává o stanovení mrazuvzdornosti betonu, odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek a o stanovení odolnosti proti zmrazování a rozmrazování – odlupování. Závěrečná část článku je věnována následujícímu provádění těchto zkoušek.

Annotation: This paper deals with the determination of frost resistance of concrete, with the resistance of cement concrete surface to water and defrosting chemicals and with the determination of freeze-thaw resistance – scaling. The final part of the article is devoted to following the implementation of these tests.

Klíčová slova: Beton, mrazuvzdornost betonu, odlupování Keywords: Concrete, frost resistance of concrete, scaling

1. Úvod Na hodnocení trvanlivosti betonu z hlediska mrazu je možné nahlížet více způsoby.

V současné době je možné využít několika norem, které řeší trvanlivost (odolnost) betonu a při jeho zatěžování využívají účinky mrazu. Jsou to především:  ČSN 73 1322: Stanovení mrazuvzdornosti betonu [1].  ČSN 73 1380: Zkoušení odolnosti betonu proti zmrazování a rozmrazování – Porušení vnitřní struktury [2].  ČSN 73 1326: Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek [3].  ČSN P CEN/TS 12390-9: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 9: Odolnost proti zmrazování a rozmrazování – Odlupování [4].

27

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

2. Jednotlivé normy 2.1. ČSN 73 1322: Stanovení mrazuvzdornosti betonu [1] Norma, která platí v podstatě beze změn již od roku svého vydání, tedy od 1969. Pro svou jednoduchost je ve zkušební praxi nesrovnatelně oblíbenější a používanější než novější norma ČSN 73 1380 [2].

Podstatou je porovnání pevnosti v tahu za ohybu referenčních nezmrazovaných těles (hranolů 100×100×400 mm) se stejnou veličinou zkušebních těles zmrazovaných.

Jeden zmrazovací a rozmrazovací cyklus sestává ze 4 hodin zmrazování, kdy se teplota vzduchu musí pohybovat v rozmezí -20 °C až -23 °C, a ze 2 hodin rozmrazování ve vodní lázni o teplotě +15 °C až +20 °C. Zkušební hranoly se podrobují požadovanému počtu cyklů po etapách, nejčastěji po 25 nebo 50 cyklech.

Výsledkem zkoušky jsou tyto údaje:  Úbytky hmotnosti zkoušených zmrazovaných hranolů v %.  Pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti konců hranolů v tlaku.  Součinitel mrazuvzdornosti betonu po jednotlivých etapách, což je poměr hodnoty aritmetického průměru pevnosti zmrazovaných hranolů v tahu za ohybu k hodnotě aritmetického průměru pevnosti referenčních těles v tahu za ohybu.  Změna sledovaného parametru nedestruktivní metody, byla-li použita.

2.2. ČSN 73 1380: Zkoušení odolnosti betonu proti zmrazování a rozmrazování – Porušení vnitřní struktury [2] Norma z roku 2007 popisuje tři zkušební postupy pro stanovení odolnosti betonu při zmrazování a rozmrazování s ohledem na porušení vnitřní struktury. Jsou to metody:  Zkouška na trámci.  Zkouška na desce.  Zkouška CIF. Pro účely projektu GAČR 13-18870S je podstatná pouze první zkouška, a to nejen z důvodu, že její provedení je zřejmě nejméně náročné, ale také z důvodu, že je podobná zkoušce dle normy ČSN 73 1322 [1].

Podstatou zkoušky na trámci je cyklické zmrazování a rozmrazování zkušebních hranolů a následné určení relativního dynamického modulu pružnosti betonu (dále RDM) pomocí ultrazvukové (U) i rezonanční metody (FL – z podélných frekvencí, FF – z příčných frekvencí).

RDM je poměr průměrné hodnoty dynamického modulu pružnosti po n cyklech k hodnotě aritmetického průměru dynamického modulu pružnosti před cyklováním. RDM se určuje po (7±1), (14±1), (28±1), (42±1) a 56 cyklech. Poté je měření ukončeno.

Oproti normě [1] je podstatný rozdíl v délce jednoho cyklu, který se skládá z osmihodinové zmrazovací fáze a následné čtyřhodinové rozmrazovací fáze, kdy jsou zkušební trámce polévány nebo přímo uloženy ve vodě o teplotě (13±8) °C. Jeden cyklus tedy trvá 12 hodin a je zachycen na Obrázku 1.

28

Obrázek 1.: Zmrazovací a rozmrazovací cyklus dle normy ČSN 73 1380 [2].

Výhody i nevýhody norem ČSN 73 1322 [1] a ČSN 73 1380 [2], jejich využití v praxi a možnosti jejich kombinace podrobně řeší článek [5].

2.3. ČSN 73 1326: Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek [3] Tato norma popisuje tři postupy stanovení odolnosti povrchové vrstvy betonu, přičemž v dnešní době se používají pouze dva způsoby – je to metoda automatického cyklování (metoda „A“) a metoda automatického cyklování II (metoda „C“). Princip je obdobný, povrch zkušebního tělesa je cyklicky namáhán mrazem za současného působení chemické rozmrazovací látky (nejčastěji 3% roztok NaCl).

Dle metody „A“ je zkušební těleso do vrstvy roztoku ponořeno a zmrazovací a rozmrazovací cykly se poměrně rychle střídají – fáze zmrazování (teplota -20 °C) i fáze rozmrazování (teplota +15 °C) trvají shodně 15 minut a přechod mezi těmito fázemi musí proběhnout za 45 až 50 minut. Zkušební těleso může mít tvar krychle, válce, či trámečku.

Dle metody „C“ je chemický roztok nalit na povrch zkušebního tělesa, což musí být 50 mm tlustý válec (nebo vývrt) o průměru 150 mm opatřený objímkou. Na rozdíl od metody „A“ je jeden zmrazovací cyklus časově náročnější – trvá 6 hodin a jeho průběh je zachycen na Obrázku 2.

Podstatou obou metod je výpočet odpadu ze zkoušeného povrchu betonu na jednotku plochy. Podrobněji je postup obou metod popsán např. v příspěvku [6].

29

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

Obrázek 2.: Teplotní cyklus dle normy ČSN 73 1326 - metoda „C“ [3].

2.4. ČSN P CEN/TS 12390-9: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 9: Odolnost proti zmrazování a rozmrazování – Odlupování [4] Tato norma popisuje zkoušení odolnosti proti odlupování betonu při zmrazování a rozmrazování působením vody a roztoku NaCl, přičemž nabízí tři metody:  Zkouška na desce (referenční metoda).  Zkouška na krychli (alternativní metoda).  Zkouška CF/CDF (alternativní metoda).

Pojednávat budeme pouze o referenční metodě, tedy o zkoušce na desce. Podstatou zkoušky je podrobení zkušebních těles deskového tvaru působení zmrazování a rozmrazování ve 3 mm hluboké vrstvě 3% roztoku NaCl (nebo neionizované vody). Princip zkoušky je tedy velmi podobný metodě „C“ normy [3]. Rozdíl je především ve dvou věcech – zaprvé ve zkušebních tělesech a jejich uložení v mrazícím zařízení a zadruhé v zmrazovacích a rozmrazovacích cyklech.

Zkušební těleso tvaru desky se získá vyříznutím z betonové krychle o hraně 150 mm a zkoušený povrch je tedy v tomto případě (poměrně nelogicky) seříznutá plocha středu původního betonového tělesa a nikoliv jeho povrch. Současně se jeví až zbytečně složitě, jakým způsobem je předepsáno uložení a ošetřování zkušebních těles umístěných v zmrazovacím zařízení, viz Obrázek 3.

30

Obrázek 3.: Sestavení zkušebních těles při zkoušce zmrazování a rozmrazování dle ČSN P CEN/TS 12390-9 [4].

Podstatnou změnou oproti česné normě ČSN 73 1326 [3] je délka jednoho zmrazovacího a rozmrazovacího cyklu. Předepsaná teplota během cyklu je předmětem Obrázku 4, přičemž jeden cyklus trvá 24 hodin! Odloupnutý materiál se shromáždí po (7±1), (14±1), (28±1), (42±1) a 56 cyklech, což koresponduje se zkouškou odolnosti betonu proti zmrazování a rozmrazování – porušení vnitřní struktury dle [2]. Následně se určí odpad na jednotku plochy.

Měření je ukončeno po 56 cyklech a trvá téměř 2 (!) měsíce. Nevýhodou normy je absence kritéria pro stanovení mrazuvzdornosti, což je problém i u normy ČSN 73 1380 [2].

Obrázek 4.: Cyklus závislosti teploty (T) na čase (t) zmrazovacího roztoku uprostřed na zkoušeném tělese [4].

3. Zkušenosti s prováděním zkoušek Dosud získané zkušenosti s prováděním jednotlivých zkoušek jsou z pohledu kolektivu autorů poměrně dobré, i tak je ale stále co zlepšovat.

Se stanovením mrazuvzdornosti betonu dle [1] má část autorů dlouhodobější praxi a především kombinace této metody se zkoušením odolnosti betonu proti zmrazování a 31

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

rozmrazování dle [2] se v minulosti osvědčila. Vyhodnocení mrazuvzdornosti na základě RDM je mnohdy citlivější než podle poklesu pevnosti v tahu za ohybu. V každém případě se ukázalo, že je výhodné obě metody kombinovat.

Zkoušku stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek dle [3] již autorský kolektiv v minulosti také prováděl, především metodu „A“. Tato zkouška je, co se realizace týče, poměrně snadná, ovšem výsledky a zejména jejich opakovatelnost jsou poněkud problematické, o čemž velmi podrobně pojednává příspěvek [7]. U provádění metody „C“ se jako mírně obtížné ukazuje utěsnění prostoru mezi plastovou objímkou a zkušebním tělesem, aby nedošlo k vytečení použitého roztoku mimo zkoušený povrch, a tedy k znehodnocení zkoušky. Předpokladem ovšem je, že se tento problém podaří vyřešit.

Zkoušení odolnosti proti zmrazování a rozmrazování – odlupování dle [4] je na našem území stále ještě novinkou a prakticky žádná zkušební laboratoř je pravidelně neprovádí, stejně tak autoři se s ním ještě nesetkali.

4. Předpokládaný vývoj zkoušení Všechny zkoušky betonu, které byly uvedeny výše, se provádějí v automatické zmrazovací skříni KD-20, kterým Ústav stavebního zkušebnictví Fakulty stavební VUT v Brně disponuje.

Je však vzhledem k různým zmrazovacím cyklům jednotlivých zkoušek zcela nemožné vykonat jich více současně. Proto se jako zásadní jeví časová náročnost zkoušení. Nutností je kvalitně připravený harmonogram a minimalizace případných aspektů, které by průběh zkoušek jakýmkoliv způsobem narušily a zdržely. Zatím se toto ne vždy podařilo splnit beze zbytku.

Jak bylo zmíněno výše, nepovedlo se napoprvé zcela utěsnit mezeru mezi zkušebním tělesem a plastovou objímkou v rámci zkoušení odolnosti proti CHRL – metoda „C“. Dále nastalo zdržení při výkonu zkoušky mrazuvzdornosti dle [1] a tím došlo k časovému posunu. Každá takováto záležitost znamená časovou prodlevu, ale současně je to poučení do budoucna.

Co se technologických aspektů zkoušek týká, neměla by nastat žádná komplikace. Jak již bylo řečeno, jedinou nevýhodou je čas. Doposud byly zkoušeny 2 záměsi (první kompletně, druhá zatím částečně), které byly ze všech plánovaných záměsí nejméně kvalitní, viz příspěvky [6] a [8], a tedy méně náročné na čas (došlo k porušení či rozpadu zkušebních těles již po prvních 25, maximálně po 50 cyklech). Až se ale bude zkoušet kvalitní beton, nebude to záležitost týdnů.

Při stanovení mrazuvzdornosti se využívá cyklování podle [1], což je ekonomičtější než podle [2]. I přesto 100 cyklů zabere 28 dní. Odolnost proti CHRL stanovená podle metody „A“ [3] bude trvat přibližně 14 dní – jde o 100 cyklů. Stejná vlastnost podle metody „C“ [3] zabere při 100 cyklech 28 dní. Odlupování dle [4] se provádí na 56 cyklů, a protože jeden zmrazovací a rozmrazovací cyklus trvá 24 hodin, zabere zkouška 56 dní.

Pokud by se tedy na kvalitním betonu zjišťovaly všechny výše zmíněné vlastnosti v jediném zařízení KD-20, přičemž uvažujeme, že nenastanou žádné obtíže, zkoušky by trvaly 4,5 měsíce! Z tohoto důvodu se nejnáročnější zkouška, odolnost proti zmrazování a rozmrazování – odlupování, bude realizovat až pro všechna příslušná tělesa ze všech betonáží najednou. Tím dojde k výraznému ušetření času. I tak ovšem odzkoušení jedné (kvalitnější) betonové záměsi zabere minimálně 2,5 měsíce.

32

5. Závěr Dosavadní zkušenosti s popisovanými metodami jsou převážně pozitivní. Progresivním zlepšováním jednotlivých postupů se daří optimalizovat technologické pojetí zkoušek.

Jako mírně problematické se jeví časové hledisko. Pro kvalitní betony je nutné počítat s téměř 3 měsíci zkoušení na jednu záměs. Pro časovou náročnost se zkouška „odlupování“ bude provádět až příští rok.

Poděkování Příspěvek vznikl za podpory GAČR 13-18870S „Hodnocení a predikce trvanlivosti povrchové vrstvy betonu“.

Literatura [1] [2] [3] [4] [5]

[6]

[7]

[8]

ČSN 73 1322 Stanovení mrazuvzdornosti betonu. ÚHM, Praha, 1969. ČSN 73 1380 Zkoušení odolnosti betonu proti zmrazování a rozmrazování – Porušení vnitřní struktury. ČNI, Praha, 2007. ČSN 73 1326 Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek. ÚNM, Praha, 1985. ČSN P CEN/TS 12390-9: Zkoušení ztvrdlého betonu - Část 9: Odolnost proti zmrazování a rozmrazování – Odlupování. ČNI, Praha, 2007.

CIKRLE, P.; POSPÍCHAL, O.: Nový způsob stanovení mrazuvzdornosti betonu s využitím metod pro sledování poruch struktury. Beton TKS. 2011. 2011(3). p. 56 - 61. ISSN 12133116.

KOMÁRKOVÁ, T.; KOCÁB, D.: Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek na tělesech referenční záměsi. In Trvanlivost silikátových materiálů 2013, v tisku.

MISÁK, P.; VYMAZAL, T.; ŽALUD, O.; KUCHARCZYKOVÁ, B.: Stanovení odolnosti betonu proti působení CHRL podle ČSN 73 1326 – opakovatelnost a reprodukovatelnost výsledků zkoušek. Beton TKS. 2013. 2013(4). p. 120 - 124. ISSN 1213-3116.

KOCÁB, D.; DANĚK, P.; KOMÁRKOVÁ, T.: Stanovení mrazuvzdornosti betonu na referenčních tělesech. In Trvanlivost silikátových materiálů 2013, v tisku.

Kontakt Ing. Dalibor Kocáb, tel: 00420 541 147 811, e-mail: kocab.d@fce.vutbr.cz, Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně, Veveří 95, 602 00 Brno.

Ing. Tereza Komárková, tel: 00420 541 147 830, e-mail: grohova.t@fce.vutbr.cz, Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně, Veveří 95, 602 00 Brno.

33

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

POHLED NA METODY OVĚŘOVÁNÍ ŽIVOTNOSTI ZTVRDLÉHO BETONU PŘI ZKOUŠKÁCH V LABORATORNÍM PROSTŘEDÍ SHORT LOOK ON METHODS FOR VERIFYING OF LIFESPAN OF HARDENED CONCRETE BY TESTS IN LABORATORY ENVIRONMENT Pavel Veselý, Vladimír Veselý, Stanislav Smiřinský BETOTECH, s. r. o., laboratoř Beroun, Beroun 660, Beroun, 266 01 Anotace: Zkoušky betonu jsou zaměřeny na zjišťování jeho pevnostních a pružnostních charakteristik, důležitých pro statické výpočty a na zjišťování dalších parametrů, z nichž je nepřímo usuzováno na životnost betonu v konkrétním prostředí. Pro případ, kdy na beton působí mrazové cykly, případně v kombinaci s chemickými rozmrazovacími prostředky, se dosud používá zkouška odolnosti betonu proti působení tlakové vody a zkouška odolnosti povrchu cementového betonu proti působení chemických a rozmrazovacích látek. Ukazuje se, že tato zkouška neposkytuje dostatečně důvěryhodné výsledky a že ji lze pravděpodobně nahradit méně náročnou zkušební metodou.

Annotation: Tests of hardened concrete are usually pointed to detecting of strength and elastic characteristic of material, which are important for designing of structures and also for determining of the other parameters for indirect suggestion of lifespan of concrete in specific environment. In cases of impact of freezing and thawing cycles, or also in combination with defrosting chemicals, it have been used test of penetration of water under pressure and test of resistance of cement concrete surface to water and defrosting chemicals. Nowadays it is more visible, that the test of resistance provides in some case unreliable results and that it could be maybe possible to replace this test by less demanding testing method.

Klíčová slova: analyzátor vzduchových pórů (AVA), klimatické podmínky, odolnost betonu, zkoušky, trvanlivost konstrukce Keywords: Air Voids Analyzer (AVA), climatically conditions, resistance of concrete, initial tests, durability of structure

1. Možnosti ověření trvanlivosti při laboratorních průkazních zkouškách betonové směsi Téma trvanlivosti konstrukcí, či investičních celků hraje v poslední době ve stavební praxi relativně silnou roli. Jedná se v podstatě o technicko-filozofickou debatu o problému jak za co nejméně vložených prostředků a energie vytvořit stálé a kvalitní dílo, nebo spíše jakým způsobem prokázat, že dílo bez nutnosti totální rekonstrukce překoná dobu svojí předpokládané životnosti. Jelikož je tuto otázku možné zodpovědět pouze metodikami 34

odborných expertíz, které se v mnohých případech nemění v souladu se současným technickým pokrokem, je možná zapotřebí podrobovat některé z nich přezkoumání.

U betonových (železobetonových) konstrukcí je kromě statických posouzení nárůstu deformací a vzniku vad velmi důležitým kritériem trvanlivost samotného základního materiálu – betonu. V současné době se absolutní většina nosných, pohledových, výplňových, opěrných a dalších betonových konstrukcí vyrábí buďto pomocí instalace prefabrikovaných prvků, nebo přímo aplikací litého betonu (transportbetonu) do bednění s vázanou výztuží. V obou případech, na území ČR, se používá beton, jenž je vyráběn dle evropského standardu [1].

Tento dokument je zaměřen na definici vlastností stupních materiálů a limity složení (minimální obsah cementu, maximální vodní součinitel) betonu pro jednotlivé vlivy prostředí.

Zabývá se také tématem trvanlivosti betonu, lepe řečeno jeho životností. Při dodržení předepsaných limitů složení betonu předpokládá jeho životnost 50 let. Některé resortní předpisy [12] pak v doplňujících specifikacích zpřísňují limity pro složení betonu a předpokládají jeho životnost v řádu 100 let. Norma [1] konstatuje, že z důvodu nedostatku zkušeností, jak klasifikace působení prostředí na beton odráží místní rozdíly u stejného stupně vlivu prostředí, jsou specifické hodnoty těchto požadavků pro použité stupně vlivu prostředí dány v předpisech platných v místě použití betonu. Základní a všeobecně platné limity musí být stanoveny alespoň pro minimální obsah cementu (resp. pojiva)., maximální vodní součinitel, doporučenou třídu pevnosti betonu a obsah vzduchu v čerstvém betonu.

V České republice byly tyto limity doplněny o dohodnuté parametry získané zkouškou betonu odolnosti proti chemickým rozmrazovacím látkám dle [2], stanovení kvality a rozložení vzduchových pórů v betonu dle [3] a odolnost betonu proti působení tlakové vody [13].

Vzhledem k tomu, že uvedení jednotlivých typů složení betonu do výroby musí opět dle [1] předcházet iniciační/průkazní zkoušky, vyvstává otázka v kontextu tématu trvanlivosti, ekvivalentně životnosti, zda z hlediska návrhu a prvotního testování betonu je možné přesněji na základě daných zkoušek a jejich výsledků (dohodnutých parametrů) trvanlivost betonové směsi predikovat. Tento článek se zabývá jedním z možných pohledů na trvanlivost betonu ze směru zkušebnictví a navrhování složení betonu při tvorbě právě tak zvaných Průkazních zkoušek betonu ve zkušební laboratoři stavebních materiálů.

2. Vybrané zkušební postupy při průkazních zkouškách 2.1. Odolnost betonu proti rozmrazovacím látkám Nejen dle [1], ale i dle jiných předpisů je prověření odolnosti betonu proti ch. r. l. stěžejním testem na určení jeho kvality. Autoři práce [4], o vlivech přípravy a ošetřování betonových těles na výsledky zkoušek, zcela pragmaticky upozorňují na některé nevhodné výklady normativu [2]. Nesprávné uložení vzorků – ve vodní lázni, případně v laboratorním (suchém) prostředí může výrazně zhoršit/ovlivnit výsledky zkoušek odolností. Ale je nutné také zopakovat finální otázku autorů: „Které výsledky jsou tedy pravdivé?“.

U reálných konstrukcí totiž může nastat libovolný případ aktuálního nasáknutí či vyplavení alkálií v momentě fázového přechodu kontaktní vlhkosti v led. Stejně tak množství vody a případné koncentrace chemických rozmrazovacích látek (NaCl) může být velice proměnlivé. I z těchto důvodů je pravděpodobně nutné predikovat trvanlivost betonu již ve 35

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

stádiu jeho velmi raného stáří (v porovnání s předpokládanou životností). Unikátní a pevně stanovené/dodržované a ověřované podmínky akreditovaných zkušebních laboratoří by tento proces měly umožňovat. Je ale možná nutné určit alternativní cestu, kterou je možné dosáhnout požadovaný, relativně přesný odhad životnosti betonu.

Nabízející se možnost je hrubé vyjádření energetické bilance. Zabýváme-li se konkrétně pracovištěm autorů, tak zde se provádí testování dle [2] tzv. metodou C. Je to metoda automatického cyklování v mrazicím boxu, kdy dochází během jednoho cyklu k ochlazení 3% roztoku NaCl, kterým je napuštěn a zalit povrch vzorku betonu, na -18°C a po té k jeho oteplení na +5°C. Fáze ochlazování a oteplování trvají 0,5 hodiny, teplota roztoku je kontrolována čidly a udržována po dalších 2,5 hodin fáze cyklu. Pro vytvoření energetické bilance byl jako bilancovaná jednotka vybrán 1kg čisté vody. Jednak není zřejmě možné s rozumnou přesností určit, kolik vody je v okamžiku testování nasáknuto v daném vzorku a jednak je bod tuhnutí výše zmíněného roztoku s kuchyňskou solí ne 0°C, ale -1°C, což je možné v kontextu následujících přehledů hodnot zanedbat.

Pro energetické spotřeby pro 1 kg čisté vody byly uvažovány standardní fyzikální vzorce a hodnoty, které uvádí kupříkladu učebnice [5]. Tabulkové hodnoty uvažují vlastnosti vody/ledu pro jednu oblast teploty, zanedbán je i rozdíl hustoty ledu a vody – vliv na bilanci při tání. Z těchto důvodů se jedná v článku spíše o rozvahu, než přesný výpočet. Použity jsou následující údaje a vzorce:  Měrná tepelná kapacita vody při 20°C, cH2O = 4181 J. kg-1 . K-1  Měrná tepelná kapacita ledu, cice = 2100 J. kg-1 . K-1  Skupenské teplo tání ledu, lt ice = 333 700 J. kg-1  Celkové teplo – zde použita sumace poklesů a vzestupů teplot za období resp. cyklus, jako T. Př. – celkové teplo přijaté m = 1 kg vody při zahřívání vzorků při jednom cyklu je uvažováno jako: Q = 1 . 2100 . 18 + 1 . 33700 + 1. 4181 . 5 (J)

(1)

Dle vztahu Q = m . ci . T

(2)

Při ochlazování není samozřejmě počítáno se skupenským táním ledu. V následující tabulce je přehled odevzdaného a přijatého tepla pro jednotlivé počty cyklů. Při zkoušení se uvažují počty cyklů v násobcích 25 ti. Výsledky ukazuje tabulka 1. Výsledky zkoušky pak jsou přepočtem odpadu do jednotky g/m2 při testování na tělese o průměru 150 mm, tedy o ploše cca 0,0177 m2.

Norma [1] vyslovuje požadavek, aby beton, u kterého se předpokládá životnost 100 let, nepřesáhl maximální odpad 1000 g/m2 po 75 ti cyklech, metodou C. Norma [2] dále nabízí hodnotící „Tabulku 1“ (str. 5) s poměrně širokým rozsahem limitů, které se ale možností životnosti betonové směsi nedotýkají. Z ní je patrné, že limit 1000 g/m2 (povrch betonu narušený) může být již příliš vysoký. Tato zkušební norma logicky neuvádí, jaký z pěti stupňů porušení povrchu je přípustný pro konkrétní povrch betonu. Můžeme sice u velkého procenta staveb uvažovat o tom, že jejich obnažený povrch není nikdy natolik exponován vodou či 36

solankou, jako je exponován povrch tělesa při zkoušce, ale na druhou stranu u odvodňovacích systémů, šachet, mostových závěr a podobných konstrukcí je zase možné předpokládat expozici nepříznivým vlivům mnohem vyšší. V normě výrobkové [1] jsou pak rovněž uvedeny limity pro prostředí XF2 a XF4 pouze hodnotou, bez rozlišení typu konstrukce a jejího předpokládaného způsobu zatížení prostředím.

Tabulka 1.: Teoretický technický odhad přijaté a odevzdané tepelné energie pro 1 kg vody při odolnosti betonu proti chemickým rozmrazovacím látkám – metoda C.

počet cyklů

suma °K pokles k 0°C

suma °K - pokles pod 0°C

suma °K - nárůst k 0°C

suma °K - nárůst nad 0°C

Ochlazování - odebrané teplo (kJ)

Ohřívání dodané teplo (kJ)

25 50 75 100 125

125 250 375 500 625

450 900 1350 1800 2250

450 900 1350 1800 2250

125 250 375 500 625

1468 2935 4403 5871 7338

9810 19620 29430 39241 49051

průměr 1232 1232 1232 1232 7738 26425 Je ale nutné podotknout, že není pravděpodobně přesně naplněn předpoklad normy [2].

Tato norma zřejmě uvažovala teplotní kapacitu samotného betonu, dále zřejmě počítá s dobou trvání stálé teploty a s určitým stupněm nasáknutí povrchu betonu. Tedy bilanční výpočet je velice obecný.

2.2. Alternativní kontrola odolnosti betonu – stanovení množství a kvality účinných vzduchových pórů v betonu.

Je prokázáno, že vyšší obsah vzduchových pórů v betonu, které mají průměr méně než cca 0,3 mm a přerušující systém drobných kapilár, je velice příznivý právě pro zvýšení odolnosti betonu nejen proti působení mrazu, ale i rozmrazovacím prostředkům. Kromě některých závazných předpisů je zmíněn požadavek na obsah těchto malých pórů, spolu s koeficientem rozložení celkového vzduchu v betonu, i v normě [1], a to u ověřování vlastností betonu právě z hlediska životnosti. Potvrzení těchto faktů je podloženo nejen opakovanými praktickými testy, ale i kupříkladu studiemi zaměřenými přesně na tuto problematiku, [6], [7]. Pro určení kvality vzduchových pórů v betonu existují v praxi dva nejobvyklejší přístupy:  Zkoumání ztvrdlého betonu dle [3]. Tato metoda je zakotvena i jako průkazní při použití klasifikace betonu dle [1) i jako požadavek na kvalitativní zkoušky při zadávání státních zakázek v oboru dopravy.  Zkoumání čerstvého betonu na analyzátoru vzduchových pórů (AVA). Tento přístroj, patentovaný v USA, kde je používán ve velké míře, dokáže při dodržení podmínek zkoušky [8] podávat stejné výsledky, které požaduje americký normativ [9], který je analogií evropské normy [3]. V rámci proběhlých průkazních zkoušek, provedených laboratoří BETOTECH byl tento vztah ověřen. Základní údaje o srovnáních jsou uvedeny v [8].

Zkoušky ukazují i velmi dobrou shodu mezi stanoveným obsahem „mikroskopického 37

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

vzduchu“ A300 metodou dle ČSN [3] a ASTM [9], kde je hranice velikosti průměru kapilár mírně posunuta a označována jako A350.

Práce [6], [7] prokázaly, jako mnohé předešlé že právě obsah tzv. mikroskopického vzduchu, který nelze stanovit standardní tlakoměrnou metodou na tlakovém „hrnci“, velmi dobře koreluje s výsledky zkoušek odolnosti betonu proti rozmrazovacím látkám. Tento výzkum byl veden pro zkoumání účinnosti kombinací plastifikačních a provzdušňovacích přísad do betonu od různých výrobců. Výsledky byly získány ve dvou sadách, a to na odlišných šaržích kameniva a cementu. Přesto je závislost naměřeného obsahu mikroskopického vzduchu a jeho rozložení přístrojem AVA, na výsledcích zkoušky odolnosti betonu proti ch. r. l. velmi dobrá. Shrnutí hlavních měřených parametrů ukazuje tabulka 2., obrázek 1. pak demonstruje graficky závislost uvedených výsledků spolu s hodnotou reziduální odchylky metody nejmenších čtverců, použité při aproximaci datového pole křivkou. I takto malý soubor osmi výsledků nastavuje danou závislost jako velmi vypovídající a velmi dobrou.

Tabulka 2.: Výsledky projektu bakalářských prací [6], [7], shrnutí. (PCE – plastifikační přísada, AVE – provzdušňovací přísada)

další dělení

obsah vzduchu v čerstvém betonu tlakoměrnou metodou (%)

účinné provzdušnění , čerstvý beton, A350 (%)

účiné provzdušnění , ztvrdlý beton, A300 (%)

odolnost odpad po 75ti cyklech (g/m2)

Pevnost v tlaku po 14ti dnech (MPa)

A A

pouze PCE PCE + AVE

7,1 11,5

3,5 6,9

2,97 6,86

55 36

45,4 29,6

B B

pouze PCE PCE + AVE

4 8,5

0,3 3,8

0,51 3,8

635 33

53,6 45,3

C C

pouze PCE PCE + AVE

4,1 7

0,4 2,9

0,55 3

204 62

55,1 45,9

D D

pouze PCE PCE + AVE

3,2 5,2

1,1 2,5

1,64 3,02

111 50

41,7 38,7

Označení kombinace přísad

Experimenty byly prováděny tak, aby příprava a ošetřování vzorků a časy měření byly u všech kombinací přísad zachovány. Tento proces tedy velice dobře simuluje podmínky průkazních zkoušek materiálu. Pro informaci, zamýšlená třída betonu byla zde C 30/37 XF4, Dmax 22, S4.

38

Obrázek 1.: Grafické vyjádření souvztažnosti mezi zjištěným obsahem mikroskopického vzduchu přístrojem AVA a výsledkem zkoušky odolnosti proti rozmrazovacím látkám z experimentů popsaných v [6], [7].

3. Přiblížení zkušebních postupů reálným podmínkám V tomto místě je zapotřebí položit zřetelně otázku, která je diskutována mezi technology a zkušebníky betonu v kuloárech odborných konferencí: „jak věrohodné jsou výsledky zkoušky odolnosti betonu proti ch. r. l., případně jejího ekvivalentu – stanovení obsahu mikroskopického vzduchu, při ověřování životnosti cementového betonu?“. Následující dva odstavce se pokoušejí aproximovat výsledky laboratorní zkoušky na průměrný průběh chladného období roku – zimy. Během ní totiž dochází ke stejným jevům, jako při zkoušce odolnosti, a to zmrazování a ohřevu povrchu betonové konstrukce, která je větší či menší měrou nasáklá vodou, případně solným roztokem o obvykle nízké koncentraci. Vznikne-li velké porušení povrchu betonu, pak může vést ke vniku většího množství vlhkosti k výztuži, případně jí zcela obnažit. V tomto případě už pak hrozí přerušení výztuže a v nejhorším případě kolaps železobetonové konstrukce. Zde se tedy zdá potřeba přesnější predikce životnosti ztvrdlého betonu podstatně důležitější.

3.1. Stanovení energetické teplotní bilance průměrného zimního období pro území ČR Pro vytvoření náhledu na průměrné zimní období v ČR v místě, které je zajímavé pro velké železobetonové celky, byla vybrána meteorologická stanice Přibyslav, okres Havlíčkův Brod.

Průměrná teplota je zde, na Vysočině, cca 6,5 °C. To je sice oproti průměrné celoroční teplotě v ČR o jeden stupeň celsia méně, ale její pozice je relativně exponovaného úseku dálnice D1, který je tvořen mnoha přemostěními, propustky a dalšími železobetonovými konstrukcemi, které jsou zatěžovány přes zimní období splachem z prosolené vozovky. Jako zimní období byly zvoleny měsíce prosinec až březen. Databázi maximálních a minimálních denních poskytla veřejně přístupná webová stránka [10].

Jako sledované období byly zvoleny roky 2008-2013, tedy dohromady 5 zimních období.

V této historicky krátké době se nachází jak extrémní zimní období 2011-2012, tak i mírnější 39

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

zima 2009-2010, i zimy relativně průměrné. Do bilance byly vybrány pouze dny (24 hodinové úseky), kdy došlo buď k poklesu teploty pod bod mrazu anebo k jejímu zvýšení právě přes něj. Tyto teplotní toky znamenají pro změnu hustoty a skupenství vody největší změny a tedy jsou nebezpečné i pro vodou nasáklý povrch/hmotu betonové konstrukce.

Tato sledovaná období byla zaznamenána pro celé období dané zimy, sumarizovány teploty během poklesů a ohřevů přes bod mrazu, zaznamenán počet situací, kdy došlo k tání hypotetické ledové hmoty. V tabulce 3. se nachází přehled této teplotní bilance.

Tabulka 3.:Přehled teplotní bilance během zimních období na stanici Přibyslav (HK)

Zimní období

Počet situací pokles teploty pod 0°C (mrznutí)

suma °K pokles k 0°C

suma °K pokles pod 0°C

Počet situací nárůst teploty přes 0°C (tání)

suma °K nárůst k 0°C

suma °K nárůst nad 0°C

37 29 31 39 30

85,3 87,6 124,2 132,7 83,8

62,3 100,5 95 89,3 83,5

37 29 32 38 30

64,7 72,4 91,8 72,1 67,4

67,1 80,1 116,4 126 62,9

12/2008 - 03/2009 12/2009 - 03/2010 12/2010 - 03/2011 12/2011 - 03/2012 12/2012 - 03/2013

průměr 33,2 102,72 86,12 33,2 73,68 90,5 směr. odchylka 4,02 21,21 13,19 3,66 9,51 25,88 Výpočet energetického toku tepla pak byl vyhotoven pouze pro „průměrnou zimu“ dle stejného postupu jako v kapitole 2.1, ve smyslu rovnic (1) a (2).  Bylo stanoveno, že během průměrného zimního období je jednomu kg vody prostředím při ochlazování odebráno teplo o velikosti cca 610 kJ a při ohřevu, spolu s táním předáno teplo o velikosti cca 11612 kJ. 3.2. Srovnání průměrného zimního období s bilancí laboratorního testu Hodnoty energetické bilance tepla během reálně-modelového období pak byla prostým poměrem porovnána s teplotní bilancí během jednotlivých sad cyklování u zkoušky odolnosti betonu proti chemickým rozmrazovacím látkám. Ta je uvedena v tabulce 1. Výsledky výpočtu ukazuje tabulka 4. Bilanční poměr byl tvořen jako: ratio = Q25-125 cyklů / Qprůměrná zima (3) Tabulka 4.: Poměr celkového tepla při zahřívání a ochlazování 1 kg vody při zkoušce odolnosti proti ch. r. l. ku celkovému teplu stejných procesů během průměrného zimního období

počet cyklů

poměr období zmrazování

poměr období tání

25 50 75 100 125

2,4 4,8 7,2 9,6 12,0

0,8 1,7 2,5 3,4 4,2 40

Jak je vidět, dle jednoho z možných náhledů na aplikovatelnost výsledků zkoušek do reálného prostředí, který je představen v tomto článku, požadavek dle [1] na nepřekročení hodnoty odpadu po zkoušce odolnosti po 75 ti cyklech může reprezentovat pouze 7,2 zimních období z hlediska zmrazování a 2,5 zimních období z hlediska tání. Bylo tedy možná vhodnější pro zkoušení, zde, u metody C, používat počet cyklů 100, kdy se jedná o reprezentaci alespoň přibližně deseti zimních období z hlediska zmrazování, které je díky zvětšování objemu kapaliny pravděpodobně méně příznivé.

3.3. Další možný použitelná náhled - zkouška Jak bylo řečeno výše, sada normativů v České republice není příliš bohatá na dokumenty, které se týkají testování životnosti betonu. Analogickým postupem k odolnosti proti rozmrazovacím látkám se zabývá norma [11]. Zde se zjišťuje porušení vnitřní struktury betonu pomocí ultrazvukových měření dynamického modulu pružnosti. Těleso je zatíženo 56 ti cykly změn teplot v rozmezí 22 až -22°C. Při této situaci je celkové odebírané teplo 7738 kJ a dodané teplo vzorku 26425 kJ. Ve smyslu tabulky 5 se jedná o 12,7, resp. 2,3 násobek zatížení v průměrném zimním období ve smyslu odstavce 3.1. Tedy relativně nejvyšším počtem reprezentovaných zimních období, ovšem ve srovnání se 100 letou životností se může jednat pouze o cca 13%.

4. Závěr Autoři tohoto článku rozhodně nezpochybňují stávající, platné normativy, jelikož za jejich vývojem stojí velké množství práce, výsledků, jednání, kompromisů a technického umu. Na druhé straně však připomínají, že větší část těchto prací byla činěna před drahnou řadou let, tedy ještě před prvním vydáním normy [2] v roce 1984. V té době byla situace ve vstupních materiálech a zejména přísadách pro výrobu betonu diametrálně odlišná od situace dnešní.

Je dále možné říci, že v některých případech by bylo možné práci v oblasti technologie betonu pozměnit tak, aby byla možná přesnější, možná rychlejší, možná více vypovídající o vztazích zkušebních vzorků a reálného prostředí. Pokusme si na základě uvedených dat zrekapitulovat zmíněné návrhy a nalézt nová témata pro výzkum v oblasti zkušebnictví betonu ve smyslu přesnějšího stanovení životnosti betonu na základě výsledků zkoušek a z nich odvozených limitů.  Jak uvádí výzkum [4], je třeba přesně definovat a vyžadovat způsoby výroby a ukládání vzorků betonu, aby výsledky zkoušek byly opravdu vypovídající.  V praktickém zkušebnictví by bylo možné v některých případech kontrolních testů alternovat zkoušku odolnosti proti ch. r. l. rychlejší a méně náročnou zkouškou kvality vzduchových pórů v betonu přístrojem AVA.  Volné kapacity mrazících zařízení využít tak, aby na vzorcích proběhlo více zmrazovacích a rozmrazovacích cyklů.  Pro průkazní zkoušky možná dokazovat odolnost/životnost i zkouškami pevnosti v tlaku/tahu za ohybu ve smyslu [14] a tyto parametry vyžadovat.

41

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

 V rámci upřesnění interpretace zkoušky odolnosti proti ch. r. l. provést dlouhodobý experiment určující koncentrace solných roztoků a způsoby expozice jimi na reálných konstrukcích.  Je také zapotřebí pokusit se získat vhled do podkladů pro normu [2], aby se vyjasnilo, jak její autoři interpretovali počty a rozsah cyklů zkoušky vůči reálnému prostředí.  Dále přezkoumat, zda při životnostech 100 let je možné uvažovat s větším, či výrazně menším opadem z povrchu, než magických 1000 g/m2. Případně zda se při vyhodnocení životnosti má kalkulovat s opravami, úpravami povrchu betonu  Ve spolupráci se stavební obcí je pravděpodobně nutné definovat nebezpečnost narušení betonu v povrchové vrstvě pro životnosti výztuže/konstrukce. Dále se pokusit definovat i jiná majoritní rizika pro železobetonové celky z hlediska degradability betonu a pokusit se najít vhodné ověřovací postupy kvality betonu.  Další výzkum samozřejmě vyžaduje také zpřesnění definic průměrného zimního období a použití proměnných fyzikálních konstant pro kapaliny a prostředí při výpočtech.

Předpokládá se, že bude v případě ověřování či specifikace výše zmíněných bodů nutná spolupráce praktického zkušebnictví s akademickou půdou, která je v ČR v současné době naštěstí velmi činorodá a dynamická.

Poděkování Příspěvek vznikl za podpory GAČR 13-18870S „Hodnocení a predikce trvanlivosti povrchové vrstvy betonu“.

Literatura [1] [2] [3] [4]

[5] [6]

[7]

[8]

ČSN EN 206-1 Beton – Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba, shoda (+změna Z3), 2008. ČSN 73 1326 Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek (+změna Z1), 2003. ČSN EN 180-11 Přísady do betonu, malty a injektážní malty – Zkušební metody – Část 11: Stanovení charakteristik vzduchových pórů ve ztvrdlém betonu, 2006.

VYMAZAL, T.; ŽALUD, O.; MISÁK, P.; KUCHARCZYKOVÁ, B.; RUMEL, I. Vliv zkušebních forem a ošetřování těles na výsledky zkoušek fyzikálně-mechanických a trvanlivostních charakteristik ztvrdlého betonu. Beton TKS. 2011. 2011(4), st. 76 - 79. ISSN 1213-3116.

MIKULČÁK, J. a kol., Matematické, fyzikální a chemické tabulky a vzorce pro střední školy, ISBN 978-80-7196-264-9, Prometheus, Praha, 2009.

MIZERA, T; Vliv provzdušňovacích přísad na vlastnosti čerstvého betonu: bakalářská práce, Praha 2013, 100 s., ČVUT v Praze, Fakulta stavební, katedra betonových a zděných konstrukcí.

MOC, J.; Vliv provzdušňovacích přísad na vlastnosti ztvrdlého betonu: bakalářská práce, Praha 2013, 81 s., ČVUT v Praze, Fakulta stavební, katedra betonových a zděných konstrukcí.

Direction of use for Air Void Analyser, Dansk Beton Technik A/S, Dánsko 1995.

42

[9] [10]

[11] [12] [13] [14]

ASTM C457/C457 – 11 Standard Test Method for Microscopical Determination of Parameters of the Air-Void System in Hardened Concrete, normativ USA, znění 2011. [online] www.wetter.com – volně přístupná databáze údajů o maximálních a minimálních denních teplotách na meteorologických stanicích, zapojených do sítě Evropské meteorologické služby. ČSN 73 1380 Zkoušení odolnosti betonu proti zmrazování a rozmrazování – Porušení vnitřní struktury, 2007.

Systém jakosti v oboru pozemních komunikací, Kapitola 18 TKP - Beton pro konstrukce, Ministerstvo dopravy, 2005. ČSN EN 12390-8 (73 1302) Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 8: Hloubka průsaku tlakovou vodou, 2009. ČSN 73 1322 Stanovení mrazuvzdornosti betonu (+změna Z1), 2003.

Kontakt Ing. Pavel Veselý, tel: 00420 311 644 057, e-mail: pavel.vesely@betotech.cz, zkušební laboratoř betonu a stavebních materiálů, BETOTECH s. r. o., Beroun 660, 266 01 Beroun.

Ing. Vladimír Veselý, tel: 00420 311 644 063; e-mail: vladimir.vesely@betotech.cz, zkušební laboratoř betonu a stavebních materiálů, BETOTECH s. r. o., Beroun 660, 266 01 Beroun.

Ing. Stanislav Smiřinský, tel: 00420 311 644 783, e-mail: smirinsky@betotech.cz, zkušební laboratoř betonu a stavebních materiálů, BETOTECH s. r. o., Beroun 660, 266 01 Beroun.

43

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

OPAKOVATELNOST A REPRODUKOVATELNOST STANOVENÍ ODOLNOSTI BETONU PROTI PŮSOBENÍ CHRL REPEATABILITY AND REPRODUCIBILITY OF TEST RESULTS OF RESISTANCE OF CEMENT CONCRETE SURFACE TO WATER AND DEFROSTING CHEMICALS Petr Misák, Tomáš Vymazal, Oldřich Žalud, Barbara Kucharczyková Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav stavebního zkušebnictví Anotace: Příspěvek se zabývá vyjádřením shodnosti zkušebních postupů uvedených v ČSN 731326 na základě výstupů programů zkoušení způsobilosti realizovaných prostřednictvím mezilaboratorních porovnávacích zkoušek.

Annotation: This article deals with consistency expression of ČSN 731326 testing method. Results are based on results of proficiency testing programs made by interlaboratory comparisons.

Klíčová slova: beton, trvanlivost, opakovatelnost, reprodukovatelnost Keywords: concrete, durability, repeatability, reproducibility

1. Úvod Norma ČSN EN ISO/IEC 17025 [1] uvádí: „Validace metod zkoušení, analýz a měření znamená, že laboratoř má prokázat a dokumentovat, že metody laboratoří používané a dokumentované jsou platné a vedou k určení pravých hodnot příslušných vlastností včetně stanovení nejistoty a určení limitů platnosti.“ Účast v programech zkoušení způsobilosti je jednou z možností, jak může laboratoř prokázat validaci zkušebních postupů a svou způsobilost akreditačnímu orgánu nebo třetí straně (zákazníkovi). Jedním ze způsobů zkoušení způsobilosti jsou mezilaboratorní porovnávací zkoušky (MPZ), které bývají často nazývány experimenty shodnosti. Předmětem MPZ je tedy posouzení shodnosti výsledků zkoušek a výstupem je vyhodnocení výkonnosti účastnících se zkušebních laboratoří. Údaje o shodnosti zkušebního postupu (především opakovatelnost a reprodukovatelnost) jsou „vedlejší“ výstupy MPZ. Tyto údaje jsou velice často přehlíženými parametry a přitom patří mezi základní charakteristiky zkušebních postupů, které nám mohou napovědět, jakou variabilitu výsledků zkoušek můžeme očekávat.

Zkušební postupy pro stanovení odolnosti cementového betonu proti působení chemických rozmrazovacích látek uvedené v ČSN 731326 [2] (vydání 1984, změna Z1 2003) jsou jedny z nejpoužívanějších zkoušek pro určení trvanlivostních vlastností ztvrdlého betonu. Údaje týkající se shodnosti výsledků zkoušek však tento dokument neobsahuje a proto bývají výsledky velice často ne zcela správně chápány. Cílem tohoto článku je především upozornit na problematiku velké variability výsledků zkoušek provedených podle těchto postupů, která 44

se projevuje vysokĂ˝mi hodnotami opakovatelnosti a reprodukovatelnosti. Ignorace tÄ›chto faktĹŻ Ä?asto v praxi vede k celĂŠ Ĺ™adÄ› sporĹŻ o kvalitÄ› jiĹž zabudovanĂŠho betonu.

2. ZĂĄkladnĂ­ statistickĂŠ vyhodnocenĂ­ ĂşdajĹŻ shodnosti K popisu pĹ™esnosti metod měřenĂ­ se vyuŞívĂĄ termĂ­nĹŻ sprĂĄvnost a shodnost. SprĂĄvnost se tĂ˝kĂĄ tÄ›snosti shody mezi aritmetickĂ˝m prĹŻmÄ›rem velkĂŠho poÄ?tu vĂ˝sledkĹŻ zkouĹĄek a pravou nebo pĹ™ijatou referenÄ?nĂ­ hodnotou. Shodnost se tĂ˝kĂĄ tÄ›snosti shody mezi vĂ˝sledky zkouĹĄek.

Nutnost uvaĹžovĂĄnĂ­ shodnosti vznikĂĄ ze skuteÄ?nosti, Ĺže zkouĹĄky, o nichĹž se pĹ™edpoklĂĄdĂĄ, Ĺže jsou provedeny na stejnĂŠm materiĂĄlu za stejnĂ˝ch podmĂ­nek, neposkytujĂ­ obecnÄ› stejnĂŠ vĂ˝sledky. PříÄ?inou jsou nĂĄhodnĂŠ chyby, kterĂ˝m se nelze vyhnout. Tyto chyby jsou nedĂ­lnou souÄ?ĂĄstĂ­ kaĹždĂŠho zkuĹĄebnĂ­ho postupu a nelze je nikdy v plnĂŠm rozsahu ovlĂĄdat. AnalĂ˝za experimentu shodnosti nenĂ­ zaměřena na zkoumĂĄnĂ­ sprĂĄvnosti vĂ˝sledkĹŻ zkouĹĄek, ale pĹ™edevĹĄĂ­m na jejich shodnost. VĂ˝sledky se tedy posuzujĂ­ vzĂĄjemnÄ› mezi sebou a nikoli vzhledem k nÄ›jakĂŠ referenÄ?nĂ­ Ä?i pravdivĂŠ hodnotÄ›.

ZĂĄkladem statistickĂŠ analĂ˝zy je kritickĂŠ zhodnocenĂ­ ĂşdajĹŻ podle ÄŒSN EN 5725-2 [3], tedy zjiĹĄtÄ›nĂ­ a oĹĄetĹ™enĂ­ podezĹ™elĂ˝ch a odlehlĂ˝ch hodnot a dalĹĄĂ­ch nepravidelnostĂ­. Toto zhodnocenĂ­ se provĂĄdĂ­ prostĹ™ednictvĂ­m MandelovĂ˝ch statistik (grafickĂŠ zhodnocenĂ­) a pĹ™edevĹĄĂ­m pomocĂ­ GrubbsovĂ˝ch a CochranovĂ˝ch testĹŻ (numerickĂŠ zhodnocenĂ­). HlavnĂ­m vĂ˝stupem programĹŻ zkouĹĄenĂ­ zpĹŻsobilosti provĂĄdÄ›nĂ˝ch prostĹ™ednictvĂ­m MPZ je tzv. Z-score a Îś-score (zeta-score), kterĂŠ jsou stanoveny podle ÄŒSN EN ISO/IEC 17043 [4]. Tyto charakteristiky urÄ?ujĂ­ vĂ˝konnost zkuĹĄebnĂ­ laboratoĹ™e. ĂšÄ?elem je vyjĂĄdĹ™it odchylku od tzv. vztaĹžnĂŠ hodnoty takovĂ˝m zpĹŻsobem, kterĂ˝ umoĹžĹˆuje porovnĂĄnĂ­ s kritĂŠrii vĂ˝konnosti.

Mezi vedlejĹĄĂ­ charakteristiky, kterĂŠ se sice v rĂĄmci MPZ urÄ?ujĂ­, ale nemajĂ­ zĂĄsadnĂ­ vliv na hodnocenĂ­ vĂ˝konnosti ĂşÄ?astnĂ­cĂ­ch se laboratoří, patří mezilaboratornĂ­ rozptyl a rozptyly opakovatelnosti a reprodukovatelnosti. Tyto parametry tvoří zĂĄklad informacĂ­ o shodnosti danĂŠho zkuĹĄebnĂ­ho postupu. ÄŒasto se uvĂĄdÄ›jĂ­ ve formÄ› variaÄ?nĂ­ch koeficientĹŻ nebo smÄ›rodatnĂ˝ch odchylek, tedy po odmocnÄ›nĂ­. VĂ˝hodou je stejnĂ˝ fyzikĂĄlnĂ­ rozmÄ›r charakteristiky variability a sledovanĂŠ veliÄ?iny.

Rozptyl opakovatelnosti đ?‘ đ?‘&#x;2 =

đ?‘? ∑đ?‘–=1(đ?‘›đ?‘– −1)đ?‘ đ?‘–2

(1)

đ?‘?

∑đ?‘–=1(đ?‘›đ?‘– −1)

MezilaboratornĂ­ rozptyl đ?‘ đ??ż2 = kde đ?‘ đ?‘‘2 =

đ?‘ đ?‘‘2 −đ?‘ đ?‘&#x;2 , đ?‘›Ě„Ě„ 1 đ?‘?−1

(2)

∑đ?‘?đ?‘–=1 đ?‘›đ?‘– (đ?‘Śđ?‘–Ě„ − đ?‘ŚĚ„Ě„ )2 =

a

đ?‘?

∑

1 đ?‘?−1

(∑đ?‘?đ?‘–=1 đ?‘›đ?‘– (đ?‘Śđ?‘–Ě„ )2 − (đ?‘ŚĚ„Ě„ )2 ∑đ?‘?đ?‘–=1 đ?‘›đ?‘– )

(3)

2

đ?‘›đ?‘– 1 đ?‘›Ě„Ě„đ?‘– = đ?‘?−1 (∑đ?‘?đ?‘–=1 đ?‘›đ?‘– − ∑đ?‘–=1 ). đ?‘? đ?‘›

(4)

đ?‘–=1 đ?‘–

Rozptyl reprodukovatelnosti đ?‘ đ?‘…2 = đ?‘ đ?‘&#x;2 + đ?‘ đ??ż2 ,

(5) 45

Workshop – Trvanlivost silikåtových materiålů 2013

26. – 27. 9. 2013

kde đ?‘ đ?‘&#x;2 je rozptyl opakovatelnosti a đ?‘ đ??ż2 je mezilaboratornĂ­ rozptyl.

NejdĹŻleĹžitÄ›jĹĄĂ­mi pojmy, kterĂ˝mi je definovĂĄna shodnost zkuĹĄebnĂ­ metody, je opakovatelnost a reprodukovatelnost. Tyto Hodnoty jsou pĹ™edmÄ›tem Ä?ĂĄsti nazvanĂŠ „Údaje o shodnosti“ vÄ›tĹĄiny normativnĂ­ch pĹ™edpisĹŻ měřícĂ­ch metod.

Opakovatelnost vyjadĹ™uje, Ĺže rozdĂ­l mezi dvÄ›ma vĂ˝sledky zkouĹĄek z tĂŠhoĹž vzorku, provedenĂ˝ch stejnĂ˝m pracovnĂ­kem, na tomtĂŠĹž zařízenĂ­, v nejkratĹĄĂ­m moĹžnĂŠm Ä?asovĂŠm intervalu nebude pĹ™ekraÄ?ovat hodnotu opakovatelnosti r v prĹŻmÄ›ru ne vĂ­ce neĹž jednou ve 20 případech pĹ™i běŞnĂŠm a sprĂĄvnĂŠm provĂĄdÄ›nĂ­ metody. Hodnota opakovatelnosti je vyjĂĄdĹ™ena vztahem đ?‘&#x; = 2,8đ?‘ đ?‘&#x; , (6) kde đ?‘ đ?‘&#x; = √đ?‘ đ?‘&#x;2 je smÄ›rodatnĂĄ odchylka opakovatelnosti.

Reprodukovatelnost vyjadĹ™uje, Ĺže vĂ˝sledky zkouĹĄek na tomtĂŠĹž vzorku, zĂ­skanĂŠ v nejkratĹĄĂ­m moĹžnĂŠm Ä?asovĂŠm intervalu dvÄ›ma pracovnĂ­ky, kteří pouĹžili kaĹždĂ˝ svĂŠ zařízenĂ­, se nebudou liĹĄit hodnotou reprodukovatelnosti R v prĹŻmÄ›ru ne vĂ­ce neĹž jednou ve 20 případech pĹ™i běŞnĂŠm a sprĂĄvnĂŠm provĂĄdÄ›nĂ­ metody. Hodnota reprodukovatelnosti je vyjĂĄdĹ™ena vztahem đ?‘… = 2,8đ?‘ đ?‘… , (7) 2 kde đ?‘ đ?‘… = √đ?‘ đ?‘… je smÄ›rodatnĂĄ odchylka reprodukovatelnosti.

2. Ăšdaje shodnosti uvedenĂŠ v ÄŒSN P CEN/TS 12390-9 a dalĹĄĂ­ch dokumentech Metody (A a C) pro stanovenĂ­ odolnosti povrchu cementovĂŠho betonu proti pĹŻsobenĂ­ vody a chemickĂ˝ch lĂĄtek jsou popsĂĄny v ÄŒSN 731326 [2] a pĹ™edpoklĂĄdĂĄme, Ĺže jejich postupy a vzĂĄjemnĂŠ rozdĂ­ly jsou odbornĂŠ veĹ™ejnosti dostateÄ?nÄ› znĂĄmy. Tyto metody jsou standardnÄ› pouŞívĂĄny k hodnocenĂ­ trvanlivostnĂ­ch charakteristik ztvrdlĂ˝ch betonĹŻ (stupeĹˆ vlivu prostĹ™edĂ­). VĂ˝sledky tÄ›chto metod jsou pomÄ›rnÄ› Ä?asto zdrojem sporĹŻ nad kvalitou zabudovanĂŠho betonu. ProblĂŠm je mimo jinĂŠ vĹĄak v tom, Ĺže v tĂŠto normÄ› chybĂ­ jakĂŠkoli Ăşdaje o shodnosti, pouze v Ä?lĂĄnku 43 ve zmÄ›nÄ› 1 (Z1), jsou uvedeny Ăşdaje o validaci vĂ˝sledkĹŻ.

Jako nĂĄpovÄ›da pro shodnost mĹŻĹže snad poslouĹžit norma ÄŒSN P CEN/TS 12390-9 [5], kde v Ä?lĂĄnku 8 je citovĂĄna publikace [6], ze kterĂŠ byla opakovatelnost a reprodukovatelnost odvozena. Tuto normu zmiĹˆujĂ­ i nÄ›kterĂŠ TechnickĂŠ podmĂ­nky Ministerstva dopravy ÄŒR, napĹ™.

[7]. V ÄŒSN P CEN/TS 12390-9 [5] jsou popsĂĄny jinĂŠ metody pro stanovenĂ­ odolnosti ztvrdlĂŠho betonu proti zmrazovĂĄnĂ­ a rozmrazovĂĄnĂ­ neĹž v ÄŒSN 731326 [2]. JednĂĄ se vĹĄak o velice podobnĂŠ hodnocenĂ­ trvanlivostnĂ­ch charakteristik ztvrdlĂŠho betonu. Z tÄ›chto dĹŻvodĹŻ je moĹžnĂŠ Ăşdaje o shodnosti pouŞít jako nĂĄstin pro zkuĹĄebnĂ­ metody podle ÄŒSN 731326 [2].

46

Tabulka 1 Údaje o shodnosti zkušebních metod podle ČSN P CEN/TS 12390-9 [5] (převzaté z publikace [6]), ČSN EN 12390-3 [8] a ČSN EN 12390-7 [9]. * - přepočtené údaje na procentuální hodnoty

ČSN P CEN/TS12390-9

Zkušební postup

Stupeň Opakovatelnost Reprodukovatelnost odlupování [%] [%]

Deska

1,0 kg/m2

17

31

CDF

1,5 kg/m2

14

29

Krychle

3% hmotnosti

18

38

ČSN EN 12390-3 (150 mm krychle)

9,0

13,2

ČSN EN 12390-7 (150 mm krychle, výpočtem ze změřených rozměrů)

1,2*

2,4*

V tabulce 1 jsou uvedeny údaje o shodnosti publikované v [6] ve formě variačních koeficientů. Tyto hodnoty jsou jedním z výstupů rozsáhlého experimentu shodnosti podle ČSN ISO 5725 [3, 10, 11] zaměřeného na trvanlivostní charakteristiky ztvrdlého betonu provedeného v roce 1998. Experimentu se zúčastnilo celkem 25 laboratoří z 11-ti států Evropy. Předmětem bylo 9 různých zkušebních postupů pro stanovení odolnosti ztvrdlého betonu proti zmrazování a rozmrazování při působení chemických rozmrazovacích látek.

Jednotlivých postupů se účastnilo 4 až 11 laboratoří, přičemž experiment byl nastaven jako víceúrovňový (byly měřeny 4 záměsi betonu s různým vodním součinitelem a složením).

Pro ilustraci údajů o shodnosti lze použít asi nejběžnější zkušební postupy používané ve stavebním zkušebnictví, a to pevnost v tlaku ztvrdlého betonu podle ČSN EN 12390-3 [8] a objemovou hmotnost ztvrdlého betonu ČSN EN 12390-7 [9] (viz Tabulka 1). V obou těchto normativních předpisech jsou údaje o shodnosti stanoveny na základě experimentu z roku 1987, kterého se účastnilo 16 laboratoří. V opravě 1 normy ČSN EN 12390-3 [8] jsou údaje o shodnosti opraveny na základě experimentu z roku 1992, kterého se účastnilo 89 laboratoří.

Jedná se tedy o údaje, jejichž vypovídací schopnost je na výrazně vyšší úrovni. Tento experiment byl však zaměřen pouze na vyhodnocení pevnosti v tlaku zkušebních těles ve tvaru válce. Shodnost krychelné pevnosti v tlaku je nadále vyhodnocena prostřednictvím předchozího experimentu, jehož vypovídací schopnost je omezena rozsahem (počtem zúčastněných laboratoří). Jak je patrné (viz Tabulka 1), údaje o shodnosti měřící metody podle ČSN EN 12390-3 [8] jsou na horní hranici obecně přijímané hodnoty shodnosti ukazující kvalitní měření, tedy 10%. Hodnoty uvedené v ČSN P CEN/TS 12390-9 [5] tuto hranici výrazně překračují.

V následujících částech článku jsou diskutovány výsledky experimentu shodnosti zaměřeného na metodu A v ČSN 73 1326 [2], který byl zorganizován Poskytovatelem zkoušení způsobilosti při ústavu SZK FAST (Z 7008). Postup podle metody C nebude v tomto článku více diskutován především vzhledem k nízkému počtu účastnících se laboratoří v této části 47

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

programu zkoušení způsobilosti. Závěry analýzy by byly ovlivněny a nebyly by dostatečně reprezentativní.

3. Výsledky a analýza experimentu shodnosti zaměřeného na postupy v ČSN 73 1326 Program zkoušení způsobilosti realizovaný prostřednictvím mezilaboratorních porovnávacích zkoušek (MPZ) probíhal v období únor – červen 2012 a jeho účelem bylo porovnat a vyhodnotit výsledky zkoušek ztvrdlého betonu podle vybraných norem pro zkoušení ztvrdlého betonu, mimo jiné též ČSN 731326 [2], metoda A. MPZ byly pořádány ve spolupráci s firmou BETOTECH, s. r. o., konkrétně pracovištěm zkušební laboratoře v Brně (L1195.3) spolupracující při přípravě zkušebních těles. MPZ se zúčastnilo 32 akreditovaných pracovišť z České a Slovenské republiky, z nichž zkoušky podle metody A v ČSN 731326 [2] se zúčastnilo 17 pracovišť. Čerstvý beton pro výrobu zkušebních těles byl odebrán z jedné výrobní dávky, která byla vyrobena při dodržení požadavků a dalších souvisejících specifikací uvedených v ČSN EN 2061 [12]. Čerstvý beton byl uložen do zkušebních forem vždy stejného typu a po odformování byla zkušební tělesa umístěna za stejných podmínek do uložení vyhovujících požadavkům jednotlivých specifikací. Složení čerstvého betonu je uvedeno v Tabulce 2.

Tabulka 2 Složení čerstvého betonu

CEM I 42,5R Mokrá 0/4 Bratčice 8/16 Olbramovice 11/22 Olbramovice Superplastifikátor Provzdušňovací přísada Voda

400 kg 762 kg 595 kg 344 kg 2,40kg 0,40kg 180 kg

Formy s čerstvým betonem byly uloženy v laboratorních podmínkách po dobu 48 hodin.

Povrch betonu ve formách byl chráněn proti odparu vody víčkem. Po 48 hodinách byla zkušební tělesa odformována, identifikována a neprodleně převezena na Ústav stavebního zkušebnictví FAST VUT v Brně.

Pro výrobu zkušebních těles pro zkoušku odolnosti betonu vůči CHRL byl použit beton, u kterého byl předpoklad vyšších odpadů po 100 cyklech.

Homogenita a stabilita zkušebních těles při výrobě a uložení byla zajištěna výrobou vzorků z jedné výrobní dávky, použitím jednoho druhu separačního přípravku, jednoho druhu forem z jednoho druhu materiálu, uložením a distribucí všech zkušebních vzorků pohromadě v identickém prostředí v souladu s ČSN EN 12390-2 [13]. Vlivy, které mohou být způsobeny použitím různých druhů separačních přípravků, forem a uložení jsou popsány např. v [14].

Homogenita a stabilita zkušebních vzorků při distribuci byla zajištěna vyjmutím vzorků z uložení bezprostředně před jejich distribucí, jejich kontrolou a zabalením do PE fólie, následným uložením vzorků do speciálních krabic opatřených tepelně izolační vložkou, která rovněž slouží pro eliminaci případných rázů vzniklých neopatrnou manipulací při distribuci (tato izolace je vložena i mezi vzorky aby se zamezilo jejich vzájemnému kontaktu), krabice 48

jsou zavřeny, označeny a připraveny k distribuci jednotlivým účastníkům jejich vlastními prostředky, nebo zásilkovou službou.

V rámci MPZ byly provedeny zkoušky odolnosti cementového betonu proti působení CHRL podle [2]. Výsledky zkoušek provedených účastnícími se laboratořemi byly hodnoceny jako víceúrovňový experiment, tedy samostatně pro každý zkoumaný počet zatěžovacích cyklů.

Výsledky všech zkoušek a základní statistické charakteristiky jsou uvedeny v tabulce 3. V tomto příspěvku jsou diskutovány pouze výstupy MPZ, které mají vliv na opakovatelnost a reprodukovatelnost zkušební metody A. Grafické znázornění výsledků zkoušek po 100 zmrazovacích cyklech společně se základními statistickými charakteristikami je na obrázku 1.

Tabulka 3 Výsledky zkoušek odolnosti cementového betonu proti působení CHRL – metoda A

Laboratoř 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Výsledky zkoušek [g/m2] 1029 1684 1071 1172 1432 1726 2302 2127 3149 2971 2320 4110 3902 4551 4940 4886 5424

509 862 908 1193 1386 2196 2502 2228 2925 2961 3669 3785 3349 4436 4796 4620 5318

652 884 1879 1804 1595 2165 1557 2680 2072 2555 3273 2266 5107 4627 4870 5604

Nejistota měření [g/m2]

Aritmetický průměr [g/m2]

204,7 444,1 98,0 36,8 140,1 137,8 63,0 629,0 133,0 20,0 20,0 371,0 239,4 239,6 27,7

730 1144 1286 1390 1471 2029 2120 2345 2715 2829 3087 3387 3626 4698 4788 4792 5448

Výběrová směrodatná odchylka [g/m2] 268,5 468,4 519,9 358,7 110,0 263,1 498,1 294,6 568,4 237,2 693,5 984,6 391,0 358,8 156,7 149,2 144,8

Variační koeficient [%]

Z-score [-]

ζ-score [-]

36,79 40,96 40,44 25,82 7,48 12,97 23,49 12,56 20,93 8,38 22,46 29,07 10,79 7,64 3,27 3,11 2,66

1,27 1,02 0,93 0,87 0,82 0,48 0,42 0,28 0,05 0,01 0,17 0,36 0,50 1,16 1,22 1,22 1,62

7,77 5,00 6,04 5,39 3,03 1,80 0,36 0,06 1,10 2,36 3,32 6,13 7,23 7,24 10,70

Tabulka 4 Celkové statistické charakteristiky výsledků zkoušek odolnosti cementového betonu proti působení CHRL – metoda A; * - Vyhodnocení výsledků z tabulky 3 Počet zmrazovacích cyklů Celková průměrná hodnota[g/m2] Výběrová směrodatná odchylka [g/m2] Vztažná hodnota – robustní odhad hodnoty průměru [g/m2] Robustní směrodatná odchylka [g/m2] Směrodatná odchylka opakovatelnosti sr [g/m2] Mezilaboratorní směrodatná odchylka sL[g/m2] Směrodatná odchylka reprodukovatelnosti sR [g/m2] Opakovatelnost [g/m2] Reprodukovatelnost [g/m2] Variační koeficient opakovatelnosti [%] Variační koeficient reprodukovatelnosti [%]

49

25 591,9 376 571 380 202 357 410 566 1149 35 72

50 1435 875 1403 931 329 855 916 920 2564 23 65

75 2049 1167 1950 1133 332 1162 1208 930 3383 17 62

100* 2817 1457 2805 1628 441 1445 1511 1235 4230 16 54

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

Obrázek 1 Vlevo: Grafické znázornění výsledků zkoušek odpadu po 100 zmrazovacích cyklech, 95% intervalových odhadů střední hodnoty a limitních mezí pro Z-score = 2 (Výsledky laboratoří jsou seřazeny vzestupně); Vpravo: Histogram průměrných hodnot a teoretická Gaussova křivka

Výsledky programu mezilaboratorních porovnávacích zkoušek jsou v mnoha ohledech zarážející. První skutečnost, která je zřejmá na první pohled, je vysoká variabilita mezi výsledky různých pracovníků různých laboratoří, tedy vysoká variabilita za podmínek reprodukovatelnosti. Dalo by se namítnout, že tato variabilita může být způsobena nehomogenitou zkušebních těles případně nějakým systematickým vlivem při jejich výrobě.

Homogenita zkušebních těles byla ale zajištěna na maximální úrovni (viz výše). Přítomnost systematického vlivu by bylo možné odhalit jednoduchým testováním normality dat.

Případná nenormalita dat by mohla poukazovat na přítomnost jiných než náhodných vlivů. V tomto případě však nenormalita nebyla prokázána, proto lze konstatovat, že vysokou mezilaboratorní variabilitu a potažmo i reprodukovatelnost má za následek nedokonalost (vysoká citlivost) zkušební metody A popsané v normě ČSN 73 1326 [2].

4. Závěr Experiment shodnosti provedený Poskytovatelem zkoušení způsobilosti při ústavu SZK FAST (Z7008) upozornil na celou řadu poznatků týkajících se zkušebního postupu A normy ČSN 73 1326 [2]. Výsledkem jsou především vyhodnocené údaje o shodnosti zkušebního postupu, které nebyly dosud ve větší míře diskutovány a publikovány. Opakovatelnost metody vyjádřená ve formě variačního koeficientu dosahuje hodnot až 35 % a reprodukovatelnost až 72 %. Při vyjádření v absolutních hodnotách, tedy v g/m 2 dosahuje opakovatelnost až 1235 g/m2 a reprodukovatelnost až 4230 g/m2. Na tomto místě je potřeba připomenout zatřídění povrchu zkušebních ploch stupněm porušení podle ČSN 73 1326 [2] (viz Tabulka 5), kde se narušený povrch (stupeň 3) vykazuje odpadem mezi 500 a 1000 g/m 2.

Jak je patrné z obrázku 1 a tabulky 3, laboratoř č. 1 naměřila hodnoty vyhovující tomuto 50

stupni porušení. Oproti tomu laboratoř č. 17 stanovila odpad převyšující 5000 g/m2, což jsou hodnoty vymykající se stupňům porušení v [2] (Tabulka 5). Nutno podotknout, že všechny laboratoře, které se zúčastnily experimentu, jsou akreditované podle ČSN EN ISO/IEC 17025 [1] a na Českém a Slovenském trhu mají dlouholetou tradici. Nejedná se tedy o „amatérské zkušebny“.

Stupeň porušení

Odpad [g/m2]

Charakter odpadu

1 – nenarušený do 50

velmi jemné prachové částice do 1 mm

2 – slabě narušený

do 500

Jako u stupně 1, větší množství částic do 1 mm, podíl částic do 2 mm menší než 50 % hmotnosti odpadu

3 – narušený

do 1000

jako u stupně 2, podíl částic nad 2 mm přes 500 g/m2

4 – silně narušený

do 3000

jako u stupně 2, podíl částic nad 2 mm přes 500 g/m2

5 – rozpadlý

přes 3000

jako u stupně 4, podíl částic nad 4 mm více jak 20 % hmotnosti odpadu

Tabulka 5 Zatřídění povrchů zkušebních těles podle ČSN 73 1326 [2]

Z vyhodnocených údajů o shodnosti zkušební metody A podle ČSN 73 1326 [2] po provedení 100 zatěžovacích cyklů a z definic opakovatelnosti a reprodukovatelnosti vyplývá následující: • Rozdíl mezi dvěma výsledky zkoušek z téhož vzorku, provedených stejným pracovníkem, na tomtéž zařízení, v nejkratším možném časovém intervalu nebude překračovat hodnotu opakovatelnosti 1235 g/m2 v průměru ne více než jednou ve 20 případech při běžném a správném provádění metody.

• Rozdíl mezi dvěma výsledky zkoušek na tomtéž vzorku, získané v nejkratším možném časovém intervalu dvěma pracovníky, kteří použili každý své zařízení, se nebudou lišit hodnotou reprodukovatelnosti 4230 g/m2 v průměru ne více než jednou ve 20 případech při běžném a správném provádění metody.

Z těchto závěrů vyplývá, že variabilita výsledků zkoušek je opravdu velmi vysoká. Autoři článku se domnívají, že na základě výsledků provedeného experimentu je nutné upozornit na irelevantnost v praxi běžných dodavatelsko-odběratelských sporů na úrovni desítek g/m2.

Výsledky metod uvedených v [2] jsou velmi náchylné na celou řadu vnějších vlivů, které mohou způsobit vysokou nehomogenitu výsledků. Z těch nejproblematičtějších jsou to zejména vlivy popsané v [14], tj. volba separačního přípravku, druhu zkušebních forem a také způsob uložení. Jsou-li zkušební tělesa uložena např. ve vodním uložení, lze výsledky ovlivnit kvalitou vody v uložení, neboť čerstvá pitná voda zhorší výsledky díky vyluhování povrchové vrstvy zkušebních těles. Rovněž je třeba při hodnocení výsledků přihlédnout k obsazení zkušebních míst v cyklovacím zařízení, neboť zde hraje roli teplotní akumulace zkušebních těles. Rozdílné obsazení počtu zkušebních míst v cyklovacím zařízení způsobuje rozdíly v průběhu zkušebního zmrazovacího cyklu, tj. rozdíly v teplotním namáhání zkušebních těles.

Pro zajištění co možná nejpravdivějších a nejspolehlivějších výsledků je třeba skutečně striktně dodržet předepsané požadavky na výrobu, uložení a zkoušení zkušebních těles a 51

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

neméně důležité je, aby si zkušební laboratoř stanovila (a nejlépe i dokumentovala) další nespecifikované požadavky, které by měla vzít v potaz při provádění tohoto zkušebního postupu, s ohledem na své vybavení, infrastrukturu a pracovníky. Tyto by měly být při specifikovaných podmínkách neměnné po celou dobu provádění zkoušek nejen podle [2].

Jakékoli odchylky způsobené zkušební laboratoří nebo požadavky dozorových či jiných orgánů a osob, které jsou odlišné od standardizovaných postupů ve všech fázích zkoušení (tj. vzorkování, přeprava, uložení a zkoušení) vedou podle našeho názoru jen ke zhoršení výsledků zkoušek, zhoršení objektivity a vypovídací schopnosti zkušební metody a lze je tedy brát v úvahu jen stěží.

Poděkování Příspěvek vznikl za podpory GAČR 13-18870S „Hodnocení a predikce trvanlivosti povrchové vrstvy betonu“.

Literatura [1] [2] [3]

[4] [5] [6]

[7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]

ČSN EN ISO/IEC 17025 Posuzování shody - Všeobecné požadavky na způsobilost zkušebních a kalibračních laboratoří, ČNI 2005. ČSN 731326, Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek, ČNI, 1985 ČSN ISO 5725-2: Přesnost (správnost a shodnost) metod a výsledků měření – Část 1: Základní metoda pro stanovení opakovatelnosti a reprodukovatelnosti normalizované metody měření, ČNI 1997. ČSN EN ISO/IEC 17043: Posuzování shody - Všeobecné požadavky na zkoušení způsobilosti, ČNI 2010. ČSN P CEN/TS 12390-9, Zkoušení ztvrdlého betonu - Část 9: Odolnost proti zmrazování a rozmrazování – Odlupování, ÚNMZ, 2007 Breit, W., Siebel, E.: Standard methods for testing the resistance of concrete to freezing a thawing – Round robin test. Milestone Report Work Package 3, Europian Research Project MAT1-CT94-0055, Forschunginstitut der Zementindustrie, Report No. B 1489/3, Dusseldorf, 1998 TP 226 Vysokohodnotné betony pro mosty PK, Ministerstvo dopravy ČR, 2010, dostupné z www.pjpk.cz ČSN EN 12390-3 Zkoušení ztvrdlého betonu - Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles, ÚNMZ, 2009 ČSN EN 12390-7 Zkoušení ztvrdlého betonu - Část 7: Objemová hmotnost ztvrdlého betonu, ÚNMZ, 2009 ČSN ISO 5725-1: Přesnost (správnost a shodnost) metod a výsledků měření – Část 1: Obecné zásady a definice, ČNI 1997. ČSN ISO 5725-5 Přesnost (správnost a shodnost) metod a výsledků měření - Část 5: Alternativní metody pro stanovení shodnosti normalizované metody měření, ČNI, 1999 ČSN EN 206-1: Beton - Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda. ČSN EN 12390-2 Zkoušení ztvrdlého betonu - Část 2: Výroba a ošetřování zkušebních těles pro zkoušky pevnosti, ÚNMZ, 2009 52

[14] VYMAZAL, T.; ŽALUD, O.; MISÁK, P.; KUCHARCZYKOVÁ, B.; RUMEL, I. Vliv zkušebních forem a ošetřování těles na výsledky zkoušek fyzikálně-mechanických a trvanlivostních charakteristik ztvrdlého betonu. Beton TKS. 2011. 2011(4). p. 76 - 79. ISSN 1213-3116.

Kontakt Ing. Petr Misák, tel: 00420 541 147 831, e-mail: misak.p@fce.vutbr.cz, Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně, Veveří 95, 602 00 Brno. doc. Ing. Tomáš Vymazal, Ph.D., tel: 00420 541 147 818, e-mail: vymazal.t@fce.vutbr.cz, Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně, Veveří 95, 602 00 Brno.

Ing. Oldřich Žalud – BETOTECH, s. r. o., email: oldrich.zalud@betotech.cz.

Ing. Barbara Kucharczyková, Ph.D. – Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav stavebního zkušebnictví, email: kucharczykova.b @fce.vutbr.cz, tel.: +420 541 147 527.

53

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

LOMOVÉ PARAMETRY A TRVANLIVOST BETONU: VÝSLEDKY PILOTNÍCH EXPERIMENTŮ V RÁMCI PROJEKTU GAČR 13-18870S Petr Misák, Petr Daněk, Ivana Havlíková, Hana Šimonová, Zbyněk Keršner Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav stavebního zkušebnictví a Ústav stavební mechaniky Anotace: Příspěvek je věnován shrnutí výsledků pilotních experimentů prováděných v rámci projektu GAČR 13-18870S, které jsou zaměřeny na určování lomových parametrů vybraných betonů.

Výstupy z lomových experimentů jsou v článku doplněny výsledky dalších použitých zkušebních postupů.

Annotation: This paper aims to summarize pilot experiments' results carried out within the GACR 1318870S project, which focus at determining the fracture parameters of selected concretes. In this paper, the outcomes of fracture experiments are complemented by the results of the additional test procedures.

Klíčová slova: Iniciace trhliny, lomová houževnatost, lomová energie, trvanlivost, beton Keywords: Crack initiation, fracture toughness, fracture energy, durability, concrete

1. Úvod Projekt GAČR 13-18870S je zaměřen na hodnocení a predikci trvanlivosti povrchové vrstvy betonu. Kvalita povrchové vrstvy významně souvisí s permeabilitou materiálu, která vymezuje jeho transportní vlastnosti a také tepelnou a elektrickou vodivost. Permeabilita betonu s hutným kamenivem závisí především na pórovitosti struktury cementového kamene a je ovlivněna mj. trhlinkami o šířce větší než 10-4 m vznikajícími při tvrdnutí betonu [1, 2]. Trhlinky (mikrotrhliny) se mohou při vnějším zatížení betonové konstrukce spojovat a vytvářet tak trhliny způsobující výrazné snížení trvanlivosti nebo dokonce závažné porušení konstrukce. Souvislost trvanlivosti a obsahu mikrotrhlin v betonu je tedy zřejmá.

Obsah mikrotrhlin, resp. odolnost materiálu proti jejich šíření lze kvantifikovat řadou lomových parametrů. V tomto příspěvku se pozornost autorského kolektivu zaměřuje na lomově-mechanické parametry stanovované z experimentů na zkušebních tělesech ze ztvrdlého betonu s centrálním zářezem zatěžovaných v tříbodovém ohybu především pomocí lomového modelu „dvojí-K“. Tento model kombinuje koncept kohezivních sil působících na fiktivní (efektivní) trhlinu s kritériem rozvoje trhliny založeném na faktoru intenzity napětí. Pomocí modelu „dvojí-K“ lze určit kritické otevření kořene trhliny a lomovou houževnatost zkoumaných betonů, resp. kvantifikovat – jak napovídá označení modelu – dvě různé úrovně šíření trhliny: iniciační, která odpovídá počátku stabilního šíření, a úroveň nestabilního šíření trhliny. Výstupy z lomových testů jsou doplněny výsledky dalších použitých standardizovaných zkušebních postupů.

54

2. Lomové parametry betonu Nejčastěji se ke stanovení lomových a dalších mechanických parametrů pomocí modelu „dvojí-K“ [3] využívají výsledky ze zkoušek těles v tříbodovém ohybu ve formě závislosti síla vs. otevření ústí trhliny (P–CMOD diagramy). Nejprve se numericky stanoví hodnota lomové houževnatosti KIcun, následně se určí kohezivní složka faktoru intenzity napětí KIcc. Při znalosti obou těchto hodnot lze dopočítat tzv. iniciační složku faktoru intenzity napětí KIcini: un c Kini c  K c  K c .

(1)

Lomová houževnatost KIcun se v návaznosti na P–CMOD diagram definuje jako kritická hodnota faktoru intenzity napětí na kořeni efektivní trhliny odpovídající maximálnímu zatížení Pmax. Pro určení tohoto parametru lze použít např. následující výraz známý z teorie lineární elastické lomové mechaniky [4, 3]: Mmax a ac F1  ck  , kde  ck  c , W D qL  Pmax S  1 qL2 2 Mmax  , 4 1,99   ck 1   ck  2,15  3,93 ck  2,7 ck 2 F1 ( ck )  , 1  2 ck  (1   ck )3/2

K unc 



(2)

(3)



(4)

kde ac je kritická délka efektivní trhliny; D, L, jsou rozměry tělesa (výška, délka), S je rozpětí (viz obrázek 1 níže); q je vlastní tíha tělesa a W průřezový modul daný pro obdélníkový průřez vztahem: 1 W  BD2 .

6

(5)

K vyčíslení vztahu (2) resp. (4) je nutné spočítat uvedenou kritickou délku efektivní trhliny ac – např. ze vztahu: CMODc 

a  H0 Pmax Sa c , V1  c  , kde  c  c WE D  H0

V1 ( c )  0,76  2,28 c  3,87 c 2  2,04 c 3 

(6)

0,66

1   c 

2

.

(7)

V uvedených vztazích představuje CMODc kritické otevření ústí trhliny při maximálním zatížení Pmax, E je modul pružnosti a H0 reprezentuje prodloužení hloubky iniciačního zářezu o tloušťku břitů držáku svorky extenzometru.

55

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

Ke stanovení hodnoty KIcc, kterou lze popsat jako zvýšení odolnosti proti šíření trhliny způsobené přemosťováním zrn kameniva v tzv. lomové procesní zóně, je nutno přijmout předpoklad o rozložení kohezivního napětí σ podél zmíněné efektivní trhliny. Obecně se v modelech kohezivní trhliny definuje toto napětí v závislosti na rozevření líců trhliny w jako tzv. funkce tahového změkčení σ(w).

Z důvodu zjednodušení se v modelu „dvojí-K“ často uvažuje lineární rozložení kohezivního napětí po délce efektivní trhliny, přičemž se předpokládá lineární průběh samotného rozevření líců trhliny po její délce. Pro kritickou hodnotu zatížení Pmax, kdy se šíření trhliny stává nestabilním, tak postačuje stanovit tzv. kritické otevření trhliny CTODc ve vrcholu zářezu: 1/2

2   a 2  ac   a0  a0    0 CTODc  CMODc   1     1,081  1,149          ac   D   ac  ac      

.

(8)

Následně lze jednoduše formulovat zmíněný lineární funkční předpis pro průběh kohezivního napětí po délce efektivní trhliny – např. v podobě:

 COD    CTODc  

x  a0  ft   CTODc  , ac  a0

(9)

kde 0  COD  CTODc a a0  x  ac .

Veličina σ(CTODc) představuje kohezivní napětí v místě vrcholu počátečního zářezu a0, kde rozevření trhliny COD dosáhne právě kritické hodnoty CTODc. Hodnotu kohezivního napětí lze odečíst ze standardně používaných funkcí tahového změkčení, které jsou aplikovány v modelech kohezivní trhliny. V tomto příspěvku jsou uvedeny výsledky pro průběh funkce tahové změkčení podle Reinhardta [4]: 3   c2CTODc    c1CTODc     CTODc   ft  1     exp  wc   wc      

  CTODc 3  1  c exp  c  2  ,   1  wc   

(10)

kde c1 a c2 jsou bezrozměrné materiálové konstanty (zde použity hodnoty c1 = 3 a c2 = 6,93).

Dalšími parametry funkce tahového změkčení jsou tahová pevnost ft a maximální rozevření trhliny wc. V tomto příspěvku je wc uvažováno konstantní hodnotou (0,16 mm) a hodnota tahové pevnosti je odhadnuta podle [5] z hodnot tlakové pevnosti fcu ze vztahu: 2

ft  0,24 fcu 3 .

(11)

Následně lze vyčíslit hodnotu kohezivní složky lomové houževnatosti numerickou integrací:

56

K  c c

1

2 ac





a0 / ac

 (U)F (U ,V )dU ,

(12)

kde F (U ,V ) 

  3,52(1  U) 4,35  5,28U  1,30  0,30U3/2   1  (1  U)V  .    0,83  1,76 U  1  U2 1/2  (1  V )3/2 (1  V )1/2  

(13)

Ve výrazech (12) a (13) jsou použity substituce U = x/ac a V = ac/D; označení σ(U) představuje funkci rozložení kohezivního napětí definovanou pro proměnnou U podle vztahu (9) a F(U,V) charakterizuje Greenovu funkci. Pro vyčíslení integrálu (12) je v tomto případě použita metoda vícenásobné numerické integrace po částech pomocí Gaussovy kvadratury.

Ze vztahu (1) se vyčíslí iniciační složka faktoru intenzity napětí KIcini a z následujícího vztahu lze určit hodnotu zatížení Pini, od které se začíná trhlina tělesem stabilně šířit: Pini 

4WK inic , SF1 ( 0 ) a0

kde

F1 ( 0 ) 

(14)

1,99   0 1   0  2,15  3,93 0  2,7 02 

1  2 0  (1   0 )3/2

(15)

a W je průřezový modul daný vztahem (5); α0 je poměr a0/D. Je-li při lomové zkoušce zaznamenávána také závislost síla vs. posun ve smyslu průhybu (P–d diagram), lze vyhodnocení doplnit použitím standardní metody pro určení lomové energie betonu podle doporučení RILEM [7, 4]. Lomová energie se stanoví jako podíl lomové práce WF a plochy ligamentu A0. Lomová práce se určí jako plocha pod křivkou v P–d diagramu:

WF 

Pmax

 Pdd ,

(16)

0

Lomovou energii lze stanovit (při zanedbání vlivu vlastní tíhy zkušebního tělesa) podle vzorce: GF 

WF .

A0

(17)

V předkládaném příspěvku se hodnota lomové práce WF stanovuje na základě proložení naměřeného P–d diagramu pomocí tzv. dvou-exponenciálního modelu (2e) podle [8]:

57

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013 f (x)  c1 exp  c2 x   exp  c3 x  ,

26. – 27. 9. 2013 (18)

kde c1, c2 a c3 jsou nyní konstanty, které určují charakter funkce.

3. Materiál zkušebních těles Postupem experimentálních prací projektu GAČR 13-18870S se zabývá příspěvek [9] tohoto sborníku, ve kterém je uveden také postup betonáží jednotlivých záměsí. Složení betonu zkušebních těles lze nalézt v příspěvku [10] – také v tomto sborníku.

Do konce srpna 2013 byly v rámci projektu realizovány dvě betonáže. Lomové experimenty tříbodovým ohybem těles s centrálním zářezem byly provedeny na dvou sadách (z každé záměsi jedna) po třech zkušebních tělesech – R: R1_250613, R2_250613, R3_250613 (referenční, dále jen R1, R2 a R3) a 1/0: 1_0_1_140813, 1_0_2_140813, 1_0_3_140813 (dále jen 1_0_1, 1_0_2 a 1_0_3). Stáří betonu všech zkušebních těles bylo 28 dní.

4. Detaily lomových experimentů Geometrii lomového experimentu ukazuje schéma na obrázku 1, kde D značí výšku, B šířku a L délku tělesa, S rozpětí podpor; a0 je hloubka počátečního zářezu, CMOD pak označuje otevření ústí trhliny (zářezu) pří zatížení P; H0 je tloušťka břitů držáku svorky extenzometru (2,7 mm).

Nominální rozměry zkušebních těles byly 100×100×400 mm, rozpětí činilo 300 mm.

Počáteční zářez byl před samotným testováním vytvořen pilou s diamantovým kotoučem.

Hloubka tohoto zářezu byla přibližně 1/3 výšky tělesa.

Obrázek 1 Schéma zkoušky tříbodovým ohybem trámce se zářezem

Během lomových zkoušek byly zaznamenávány závislosti síla vs. posun (P–d diagram) a síla vs. otevření ústí trhliny (P–CMOD diagram). Vybrané výsledné diagramy pro studované kompozity uvádějí obrázky 2 a 3. Obrázek 4 pak ilustruje určení lomové práce z vybraného P– d diagramu pomocí proložení výše zmíněným dvou-exponenciálním modelem.

58

4 R2_250613 1_0_2_140813

Síla v kN

3

2

1

0 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

Průhyb v mm Obrázek 2 Vybrané výsledné diagramy síla vs. průhyb

4 R2_250613 1_0_2_140813

Síla v kN

3

2

1

0 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Rozevření v mm Obrázek 3 Vybrané výsledné diagramy síla vs. rozevření trhliny (zářezu)

59

0,9

1,0

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

Obrázek 4 Proložení vybraného P-d diagramu dvou-exponenciálním (2e) modelem

5. Výsledky pilotních experimentů V úvodu bylo zmíněno, že budou výstupy z lomových testů doplněny výsledky dalších použitých standardizovaných zkušebních postupů. Jsou to:  objemová hmotnost (viz Tabulka 1) – ČSN EN 12390-7 [11],  pevnost v tlaku (viz Tabulka 2) – ČSN EN 12390-3 [12],  hloubka průsaku (viz Tabulka 3) – ČSN EN 12390-8 [14],  odolnost povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek (viz Tabulka 4) – metoda A – ČSN 73 1326 [13].

Sada

R

0/1

Jednotlivá měření [kg/m3] 2277 2302 2296 2298 2303 2319

Objemová hmotnost Výběrová Aritmet. směrod. průměr odchylka [kg/m3] [kg/m3]

Variační koeficient [%]

2292

13,1

0,6

2307

11,1

0,5

Tabulka 1: Objemová hmotnost podle [11]

60

Sada

R

0/1

Jednotlivá měření [N/mm2] 21,3 21,5 21,5 33,5 33,3 33,0

Pevnost v tlaku Výběrová Aritmet. směrod. průměr odchylka [N/mm2] [N/mm2]

Variační koeficient [%]

21,4

0,1

0,7

33,2

0,2

0,7

Tabulka 2: Pevnost v tlaku podle [12]

Sada

R

0/1

Hloubka průsaku tlakovou vodou Výběrová Jednotlivá Aritmet.

Variační směrod. měření průměr koeficient odchylka [mm] [mm] [%] [mm] 105 90 102 10,4 10,2 110 30 34 34 4,0 11,8 38 Tabulka 3: Hloubka průsaku tlakovou vodou podle [14]

Sada

R

0/1

Odolnost proti CHRL – 25 cyklů Výběrová Jednotlivá Aritmet.

Variační směrod. měření průměr koeficient odchylka [g/m2] [g/m2] [%] [g/m2] 110,4 96,1 125 38,8 31,0 169,3 49,0 53,9 53 4,0 7,5 56,9

Tabulka 4: Odolnost povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek – metoda A podle [13]

Posouzení odolnosti proti šíření trhlin (křehkosti) obou studovaných betonů lze dále provést na několika úrovních – hodnoty lomové houževnatosti KIc a lomové energie GF 61

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

(z lomové práce WF) mohou po aplikaci výše uvedeného modelu „dvojí-K“ doplnit hodnoty iniciační složky faktoru intenzity napětí KIcini a hodnoty úrovně zatížení Pini.

V tabulkách 5 až 9 jsou uvedeny vybrané výsledky (dílčí hodnoty, aritmetické průměry, výběrové směrodatné odchylky a variační koeficienty) ze záznamu P–CMOD diagramů zkoušek těles ze studovaných betonů; informace doplňují poměry Pini/Pmax a KIcini/ KIcun.

E Sada

R

0/1

Zkušební těleso R1 R2 R3 1_0_1 1_0_2 1_0_3

Jednotlivá měření [GPa] – 23,4 13,2 24,9 22,0 17,7

Aritmet. průměr [GPa]

Výběrová sm. odchylka [GPa]

Variační koeficie nt [%]

18,3

7,2

39,6

21,6

4,2

17,0

Tabulka 5: Statický modul pružnosti

KIcun Zkušební Jednotlivá Aritmet.

Výběrová sm. Variační Sada těleso měření průměr odchylka koeficient 1/2 1/2 1/2 [MPa·m ] [MPa·m ] [MPa·m ] [%] R1 – R R2 0,695 0,623 0,102 16,4 R3 0,551 1_0_1 1,320 0/1 1_0_2 0,893 0,967 0,322 33,2 1_0_3 0,690 Tabulka 6: Lomová houževnatost

KIcini Zkušební Jednotlivá Aritmet.

Výběrová Variační Sada těleso měření průměr sm. odchylka koeficient [MPa·m1/2] [MPa·m1/2] [MPa·m1/2] [%] R1 – R R2 0,256 0,305 0,069 22,6 R3 0,354 1_0_1 0,757 0/1 1_0_2 0,408 0,514 0,210 40,8 1_0_3 0,379 Tabulka 7: Iniciační složka mezní hodnoty faktoru intenzity napětí

62

Sada

Zkušební těleso

Jednotlivá měření [–]

R1 R2 R3 1_0_1 1_0_2 1_0_3

– 0,583 0,729 0,942 0,663 0,650

R

0/1

Pini/Pmax Výběrová Aritmet. směrod. průměr odchylka [–] [–]

Variační koeficient [%]

0,656

0,103

15,7

0,752

0,165

21,9

Tabulka 8: Poměr zatížení při startu stabilního šíření trhliny tělesem a maximální dosažené síly

Sada

Zkušební těleso

Jednotlivá měření [–]

R1 R2 R3 1_0_1 1_0_2 1_0_3

– 0,368 0,642 0,573 0,457 0,549

R

0/1

KIcini/ KIcun Výběrová Aritmet. směrod. průměr odchylka [–] [–]

Variační koeficient [%]

0,505

0,193

38,3

0,527

0,061

11,6

Tabulka 9: Poměr iniciační a kritické hodnoty faktoru intenzity napětí

Výsledky stanovení lomové energie ze záznamu P-d diagramů jsou uvedeny v Tabulce 10.

GF Sada

R

0/1

Zkušební těleso

WF [J]

A0 [mm2]

Jednotlivá měření [J/m2]

R1 R2 R3 1_0_1 1_0_2 1_0_3

1,2932 1,3043 0,8991 1,1762 1,1834 1,1391

6649 6691 6489 6650 6585 6645

194,50 194,91 138,54 176,85 179,71 171,40

Aritmet. průměr [J/m2]

Výběrová směrod. odchylka [J/m2]

Variační koeficient [%]

176,0 (194,7)

32,4 (0,3)

18,4 (0,1)

176,0

4,2

2,4

Tabulka 10: Stanovení lomové energie (hodnoty v závorkách platí za předpokladu vyloučení odlehlého měření)

63

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

6. Závěry V současné době (srpen 2013) jsou vyhodnoceny pilotní experimenty projektu GAČR 1318870S. Jak uvádí příspěvek [9], z plánovaných devíti betonáží zkušebních těles byly zatím provedeny dvě. Z dosavadních získaných výsledků z lomových testů a z jejich porovnání s dalšími zjišťovanými parametry zkoumaných betonů nelze sice ještě vyvozovat obecné závěry, nicméně je v příspěvku naznačen dílčí postup, který bude členy týmu uplatňován také na hodnocení dalších zamýšlených betonů s cílem zkoumat souvislosti mezi parametry trvanlivosti těchto cementových kompozitů a parametry kvantifikujícími obsah mikrotrhlin, resp. odpor proti jejich stabilnímu i nestabilnímu šíření.

Poděkování Příspěvek vznikl za podpory GAČR 13-18870S „Hodnocení a predikce trvanlivosti povrchové vrstvy betonu“.

Literatura [1] [2]

PYTLÍK, P. Technologie betonu. VUT v Brně. 1997. ISBN 80-214-0779-4.

MISÁK, P., KUCHARCZYKOVÁ, B. a VYMAZAL, T. Stanovení vlivu vlhkosti na hodnotu součinitele vzduchové propustnosti metodou TPT. Stavební obzor. 2010. 19(2), s. 49– 52. ISSN 1210-4027.

[3] KUMAR, S. and BARAI, S. Concrete Fracture Models and Applications. Berlin: Springer, 2011. ISBN 978-3-642-16763-8.

[4] KARIHALOO, B. L. Fracture Mechanics and Structural Concrete. New York: Longman Scientific & Technical. 1995. ISBN 0-582-21582-X. [5] REINHARDT, H. W., CORNELISSEN, H. A. W. and HORDIJK, D. A. Tensile tests and failure analysis of concrete. Journal of Structural Engineering. 1986, vol. 112, N. 11. ISSN 1943541X. [6] ČERVENKA, V., JENDELE L. and ČERVENKA J. ATENA Program documentation – Part 1: theory. Praha: Červenka Consulting, 2012.

[7] RILEM Committee FMC-50. Determination of the fracture energy of mortar and concrete by means of the three-point-bend tests on notched beams. Materials and Structures, 18:285–290, 1985.

[8] BARR, B. I. G. and LEE, M. K. A four-exponential model to describe the behaviour of fibre reinforced concrete. Materials and Structures, Vol. 37, No. 271, 2004.

[9] VYMAZAL, T. Projekt GAČR 13-18870S – dosavadní postup a předpokládaný vývoj. CD Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013.

[10] VYMAZAL, T., MISÁK, P., ŽALUD, O., VESELÝ, P. Vybrané vlastnosti čerstvého a ztvrdlého betonu a jejich porovnání v rámci experimentu projektu GAČR 13-18870S. CD Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013.

[11] ČSN EN 12390-7: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 7: Objemová hmotnost ztvrdlého betonu.

[12] ČSN EN 12390-3: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles.

64

[13] ČSN 73 1326: Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek.

[14] ČSN EN 12390-8: Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 8: Hloubka průsaku tlakovou vodou.

Kontakt Ing. Petr Misák, tel: 00420 541 147 831, e-mail: misak.p@fce.vutbr.cz, Ústav stavebního zkušebnictví, FAST VUT v Brně, Veveří 331/95, 602 00 Brno.

Ing. Petr Daněk, Ph.D., tel: 00420 541 147 492, e-mail: danek.p@fce.vutbr.cz, dtto.

Ing. Ivana Havlíková, tel: 00420 541 147 116, e-mail: havlikova.i@fce.vutbr.cz, Ústav stavební mechaniky, dtto.

Ing. Hana Šimonová., tel: 00420 541 147 116, e-mail: simonova.h@fce.vutbr.cz, dtto. prof. Ing. Zbyněk Keršner, CSc., tel: 00420 541 147 362, e-mail: kersner.z@fce.vutbr.cz, dtto.

65

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

TRVANLIVOST POLYMERCEMENTOVÝCH MALT DURABILITY OF POLYMERMODIFIED MORTARS Nikol Žižková Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technologie stavebních hmot a dílců, Veveří 95, 602 00 Brno Anotace: Různé druhy konstrukcí a jejich částí vyžadují použití materiálů s různými vlastnostmi a mezi nejdůležitější patří vlastnosti zajišťující trvanlivost celého stavebního díla. S ohledem na současný stav lze konstatovat, že právě z hlediska dlouhodobé trvanlivosti se ve stavebnictví úspěšně uplatňují polymercementové hmoty.

Annotation: Various types of constructions and their parts require the use of materials with different properties, and among the most important properties are those ensuring the durability of the structure as a whole. Considering the present state it can be asserted that it is the long-term durability that ensures the success of polymer-modified mortars in civil engineering.

Klíčová slova: Trvanlivost, polymercementové malty Keywords: Durability, Polymer-modified Mortars

1. Úvod Polymery modifikované malty (PMM), nebo také označované jako polymercementové malty (PCM) a betony (PCC), patří do kategorie kompozitů vyráběných pomocí částečné náhrady cementového pojiva polymery, tj. polymerními přísadami a cementovými modifikátory, které umožňují tvorbu pevnějších vazeb mezi cementovým pojivem a polymerem. Občas jsou používány také polymery modifikovaná pojiva, která jsou vyráběna bez plniv [1].

Malty vyráběné z portlandského cementu mají také některé nevýhody, jako například nízkou tahovou pevnost, vysoké smrštění, nízkou odolnost vůči chemikáliím a jiné nedostatky. Za účelem redukce těchto nevýhod bylo vyzkoušeno použití celé řady polymerů.

Jeden z těchto pokusů představují PMM, které jsou vyráběny modifikací cementových malt pomocí latexů, redispergovatelných polymerních prášků, vodou ředitelných polymerů, kapalných pryskyřic a monomerů. Koncept spojení polymeru s hydraulickým pojivem není nový a první patent vytvořený L. Cressonem v Británii pochází z roku 1923. Tento patent byl použit na výrobu cementové dlažby, používal přírodní latexy a cement byl použit jako plnivo.

První patent odpovídající současnému pojetí PMM byl publikován v roce 1924 V. Lefeburem [2].

66

2. Nejčastěji používané typy polymerních přísad Obecně lze říci, že existují tři různé způsoby, jak lze použít polymer pro výrobu malt a betonů: a) polymery modifikované malty (PMM), b) polymerní malty (PM), c) polymery impregnované malty (PIM).

Pozornost je v současnosti zaměřena na oblast modifikovaných cementových hmot, kde výroba PMM probíhá smícháním polymerů nebo monomerů v dispergované, práškové nebo tekuté formě s cementovou maltou, a je-li to potřebné, monomer obsažený v cementové maltě či betonu je polymerizován až „in situ“. Tuto hmotu pak nazýváme jako dvousložkovou, je-li ke klasické hmotě během míchání na stavbě přidávána polymerní složka v podobě disperze, nebo jednosložkovou, je-li polymerní složka vnášena do hmoty již během výroby v suché podobě ve formě tzv. redispergovatelných polymerů. Přehled nejčastěji používaných polymerních latexů pro modifikaci cementových materiálů je uveden v tabulce 1.

Tabulka 1.: Přehled nejčastěji používaných polymerních latexů pro modifikaci cementových materiálů [1].

Typ polymerního latexu Přírodní kaučuk

Označení

Chemická struktura

NR

Chloroprenový kaučuk

CR

Butadienstyrenový kaučuk

SBR

Poly [1-(alkoxykarbonyl) ethylen]

PAE

Poly [1-fenyl-3(alkoxykarbonyl) butylen]

SAE

Kopolymer ethylenu a vinylacetátu

EVA nebo VAE

Polyvinylacetát

PVAC 67

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

3. Mikrostruktura PMM Vytvrzená cementová pasta má aglomerovanou strukturu tvořenou kalcium-silikátovými hydráty a hydroxidem vápenatým, vázanou slabými van der Waalsovými silami, a proto zde při zatížení snadno dochází ke vzniku mikrotrhlin. Tento jev vede k nízké pevnosti v tahu za ohybu a nízké lomové houževnatosti nemodifikovaných cementových malt. Oproti tomu v systému polymerními latexy modifikovaných malt a betonů jsou mikrotrhlinky přemostěny vytvořeným polymerním filmem nebo membránami a zároveň jsou zde vytvořeny silné vazby s hydratačními produkty a kamenivem [3].

Na obrázku 1 je ukázka mikrostruktury hmoty (snímky z rastrovacího elektronového mikroskopu), kde byl vytvořen polymerní film v polymercementové maltě obsahující kopolymer EVA a ether celulosy (CE).

Obrázek 1.: Snímky z REM znázorňující mikrostrukturu lepicí hmoty pro keramické obkladové prvky obsahující kopolymer EVA a CE: (a) celková skladba; (b) polymerní film přemosťující prostor ve smršťovací trhlině na rozhraní keramický prvek/malta; (c) film vytvořený etherem celulosy ve vzduchovém póru; (d) polymerní film vytvořený v kapilárním póru [4].

3. Dlouhodobé vlastnosti PMM Trvanlivost PMM je velmi závislá na stavu polymerní složky, čili polymerního filmu nacházejícího se v zatvrdlé hmotě. Ze studie [5], ve které byly sledovány vlastnosti a mikrostruktura PMM vyplývá, že polymerní film je v cementové hmotě stabilní a jeho morfologie se se stářím nemění, a to i v případě působení povětrnostních vlivů. Cement a polymer vykazují synergický efekt. Cement, jako anorganické pojivo, je zodpovědný za 68

pevnosti v tlaku a polymer, jako organická část pojiva, působící ve struktuře tohoto kompozitu jako „mosty“, je zodpovědný za pevnost v tahu za ohybu a tahovou přídržnost na rozhraní [6].

Na obrázcích 2 a 3 jsou ukázky polymerního filmu, který byl nalezen v maltách, které obsahovaly 3,25 % kopolymeru EVA a jejich stáří je 10 let.

Obrázek 2.: Snímek z REM: polymerní film v polymercementové maltě obsahující kopolymer EVA, stáří vzorku 10 let, uložení ve standardním prostředí, zvětšení 6500× [5].

Obrázek 3.:Snímek z REM: polymerní film v polymercementové maltě obsahující kopolymer EVA, stáří vzorku 10 let, venkovní uložení, zvětšení 7000× [5].

Jak je patrné z obrázků 2 a 3, u vzorků PMM obsahujících 3,25 % kopolymeru EVA je polymerní film dobře viditelný v případě uložení ve standardním i venkovním prostředí.

V další studii se autoři A. Jenni, R. Zurbriggen, L. Holzer a M. Herwegh [6] zaměřili na objasnění závislostí výsledných vlastností polymercementové malty na ošetřovacích podmínkách při zrání vzorku, zejména během prvních 28 dnů. Jelikož se jednalo o lepicí hmoty pro keramické obklady, byly zde použity vhodné redispergovatelné polymery a ether celulosy.

0

7

14

21

28

35

42

49

Smrštění [mm/m]

0 0,5

Uložení ve vodě

1 1,5 Suché uložení 2 1.cyklus

Následné vysušení 2.cyklus suché uložení

2,5 3 Čas [dny]

Obrázek 4.: Smrštění a expanze zjištěné během uložení ve vodě, suchých ošetřovacích podmínkách a následném uložení v suchých ošetřovacích podmínkách [6].

69

Workshop – Trvanlivost silikátových materiálů 2013

26. – 27. 9. 2013

Na obrázku 4 je znázorněn průběh smrštění a expanze PMM, které byly prvních 7 dnů uloženy při teplotě 23 °C a relativní vlhkosti vzduchu 50 % (suché ošetřovací podmínky) a následně byla část vzorků uložena dalších 21 dnů ve vodě, část ponechána 21 dnů v suchých ošetřovacích podmínkách. Ponoření 7 dní starých vzorků do vody způsobilo rapidní expanzi během prvních dvou dnů ponoření ve vodě. Překvapivým zjištěním bylo, že po následném uložení těchto 28 dní starých vzorků (7 dní suché ošetřovací podmínky + 21 dní ponořeny ve vodě) do prostředí s teplotou 23 °C a relativní vlhkostí vzduchu 50 % došlo k výraznému smršťovacímu procesu, a to dvakrát tak intenzivnímu ve srovnání se smrštěním vzorků, které byly celou dobu ponechány v suchém prostředí.

Provedená studie [6] potvrdila, že prostředí, ve kterém jsou vzorky uloženy, hraje zásadní roli, a tudíž významně ovlivňuje výsledné vlastnosti polymerního filmu. Změny v mikrostruktuře během „mokrých“ ošetřovacích podmínek lze na základě zjištěných vlastností rozdělit do dvou hlavních skupin: (a) nevratné změny a (b) vratné změny: Nevratné změny jsou většinou spojeny s nízkou mírou hydratace cementových zrn po uložení v suchých ošetřovacích podmínkách. Pokud může pokračovat hydratace cementu při ponoření ve vodě, jsou výsledné pevnosti kompozitu vyšší. Zároveň tato pokračující hydratace během ponoření do vody ovlivňuje pórovitost, a to tak, že vznikají póry s menším objemem, což má za následek nárůst smrštění při následném uložení v suchém prostředí.

Z hlediska přídržnosti může být toto smrštění velmi kritické, protože mikrotrhliny vznikají přednostně na rozhraní malta/keramický obkladový prvek, což je nejslabší článek systému.

Předpokládá se, že vznik velkých krystalů portlanditu v místě těchto trhlin přispívá ke snížení výsledných přídržností. Vytvořený polymerní film, při nejmenším alespoň koalescenční fází, zajišťuje v podmínkách cementového kompozitu voděodolnost. Difuze polymerních částic během ponoření ve vodě může podporovat pozdější koalescenci, což zlepšuje vlastnosti malty po opakovaném vysušení. V důsledku nemožnosti přesunu polymerního filmu se vytvořený film nemůže podílet na přemostění nově vzniklých mikrodefektů (mikrotrhlin).

Rozpustné polymery, jako CE a PVA, nemohou zajišťovat voděodolnost mikrostruktury a nemají proto vliv na pevnosti při uložení ve vodě. Tyto polymery jsou rozpustné během všech period uložení ve vodě a mohou být transportovány v pórové vodě, kterou obohacují díky filtračnímu mechanismu.

Vratné změny během uložení ve vodě byly zjištěny při sérii testů složených z několika opakovaných střídání mokrých a suchých cyklů. Přídržnost a flexibilita jsou sníženy a následně získány zpět, jsou-li vzorky opět ponořeny do vody respektive vysušeny. Toto může být způsobeno zejména vratným bobtnáním a změkčením a následným vysušením a zpevněním polymerního filmu v modifikované maltě. Tak jako redispergovatelný polymer zvyšuje flexibilitu celého systému hmoty, autoři se domnívají, že polymerní film může zlepšit schopnost vratných změn během probíhajících objemových změn malty.

Autoři [6] studie prokázali, že souhra všech endogenních (složky malty) a exogenních (prostředí) parametrů určuje vývoj mikrostruktury, a tím i výsledné vlastnosti polymery modifikované malty během mokrých ošetřovacích podmínek, tj. během ponoření ve vodě.

Tyto vzájemné vztahy a různé mechanismy interakce je nutné zohlednit při hodnocení trvanlivosti těchto hmot.

70

3. Závěr Polymerní film vznikající v mikrostruktuře polymercementových malt má zásadní vliv na jejich trvanlivost. Formování filmu je závislé na podmínkách, ve kterých je polymercementová malta uložena. Vytvořený polymerní film je odolný vůči působení povětrnostních podmínek a také agresivních prostředí, což přispívá ke zvýšení trvanlivosti PMM při porovnání s nemodifikovanými maltami.

Poděkování Tento příspěvek byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu, projektu TIP FR-TI 2/339 s názvem: „Vnější tepelně-izolační kompozitní systémy využívající alternativní surovinové zdroje“.

Literatura [1] [2]

[3]

[4]

[5] [6]

OHAMA, Y., Handbook of Polymer-modified Concrete and Mortars, 1ed edition: Noyes Publications, New Jersey, USA 1995, ISBN 0-8155-1358-5.

RAMAKRISHNAN, v. Latex–Modified Concretes and Mortars, National Research Council (U.S.). Transportation Research Board, American Association of State Highway and Transportation Officials, United States. Federal Highway Administration, ISBN 0-30905303-x.

BEELDENS, A., MONTENY, J., VINCKE, E., BELIE, N., GEMERT, D., TAERWE, L., VERSTRAETE, W. Resistance to Biogenic Sulphic Acid Corrosion of Polymer-modified mortars, Cement and Concrete Composites, Vol. 23, 2001, p. 47–56.

SILVA, D., A., MONTEIRO, P., J., M. Hydration Evolution of C3S–EVA Composites Analyzed by Soft X–ray Microscopy, Cement and Concrete Research, Vol. 35, 2005, p.

351–357.

SCHULZE, J., KILLERMANN, O. Long–term Performance of Redispersible Powders in Mortars, Cement and Concrete Research, Vol. 31, 2001, p. 357–362.

JENNI, A., ZURBRIGGEN, R., HOLZER, L., HERWEGH, M. Changes in microstructures and Physical Properties of Polymer-modified Mortars during Wet Storage, Cement and Concrete Research, Vol. 36, 2006, p. 79–90.

71