Projekty a granty

Vliv nasákavého kameniva na vlastnosti UHPC

SP2018/182

Rozbor stavu problematiky: UHPC – „Ultra High Performance Concrete“ je vysokohodnotný beton. Vysokohodnotný beton se vyznačuje tím, že má některé vylepšené vlastnosti na rozdíl od standardního betonu. Podmnožinami UHPC jsou tedy betony označovány jako vysokopevnostní, pohledový beton, tedy jako beton se zvýšenou trvanlivostí odolností a lepší kvalitou povrchu. Nasákavé kamenivo do betonu se především používá jako forma interního ošetřování. Interní ošetřování pomocí nasáklého kameniva není v této době zcela běžnou praxí. Používají se tradiční metody ošetřování betonu tzv. „z venku“, toto je nejčastěji prováděno použitím vlhké geotextilie a vlhčením povrchu betonu. Tyto metody jsou velice vhodné v případě obyčejných betonů. V případě vysokohodnotných betonů je standardní ošetřování velice problematické díky velmi tuhé cementové matrici, skrz kterou se ošetřovací voda nedostává do průřezu. Tudíž je vhodné vysokohodnotné betony ošetřovat také interně. Vysokohodnotné betony jsou velmi kvalitní a pro jejich výrobu musí být použity vysoce kvalitní materiály. Je tedy důležité sledovat jak vliv nasáklého kameniva na vlastnosti UHPC, tak kvalitu samotného kameniva. Interní ošetřování je tedy v podstatě dodání potřebného množství vody pro ošetřování betonu. Nedostatek vody v betonu během zrání způsobí hlavně hydratace cementu, která spotřebuje poměrně velikou část záměsové vody. Nezhydratovaná zrna cementu dále slouží jako plnivo a nepodílí se na hydrataci. [1,2,3]. Proto nejsou mechanické vlastnosti UHPC již zlepšovány díky vysoké dávce cementu, ale naopak mohou díky nedostatečné hydrataci vznikat mikrotrhliny a snižovat trvanlivost betonové konstrukce a vlastnosti betonu jako pevnost v ohybu a lomové vlastnosti. Existuje několik možností jak dodat do betonu dostatečnou zásobu ošetřující vody do průřezu betonových prvků [4,5,6]. Je tedy nezbytné vytvořit vnitřní „rezervoár“, který bude postupně uvolňovat vodu. Pokud se bude voda uvolňovat postupně, tak bude sloužit jako voda ošetřující a nikoliv jako záměsová. Proto nebude mít negativní efekt na beton jako je například změna vodního součinitele [7]. Největší negativum při použití nasákavého kameniva, které je často lehké a porézní s sebou přináší často snížení pevnosti a ostatních mechanických vlastností. Proto jsou hledány optimální druhy kameniva a také jejich dávkování do betonu, aby negativa plynoucí z použití nevhodného kameniva, byla překonána zlepšením vlastností UHPC. Jsou ovšem hledány i jiné možnosti, jak zlepšit vlastnosti UHPC po přidání nasáklého kameniva. Největší prostor pro výzkum je tedy při výběru vhodného kameniva a jeho dávkování. Výzkum by se zaměřil také na jiné alternativní materiály, které by mohly sloužit, jako médium pro uchování vody. Neméně důležitou části výzkumu také bude zjištění kompatibility a účinnosti chemie určené do betonu. V první fázi řešení tohoto projektu bude kladen důraz na výběr vhodného kameniva pro účely interního ošetřování betonu. Následné zkoušení fyzikálních parametrů vybraného kameniva. Další část bude aplikace nasáklého kameniva do UHPC a zhodnocení vlivu tohoto kameniva na vlastnosti UHPC jako kompozitu. Jednou z možností je použití jemné, až prachové frakce lehkého kameniva (Liaporu). Další možností je použití mletého zeolitu například ze Zeocemu Bystré. Zajímavou alternativou by bylo použití jemné frakce z recyklovaného betonu. Vedle toho je možné aplikovat i přísady, které vážou na své molekuly vodu. Některé z těchto přísad se používají jako stabilizační přísady při výrobě samozhutnitelných betonů. Z přísad bude použita zejména nově produkovaná přísada Alpha 117, u které byly v pilotních testech potvrzeny zajímavé vlastnosti, co se týká vázání vody. Hledány budou i další přísady. V předchozím roce řešení této problematiky s UHPC byla věnována pozornost hlavně účinnosti jednotlivého dávkování nasáklého kameniva. Práce byly prováděny na maltách za použití hranolů 160 x 40 x 40 mm, sledovány byly zejména mechanické vlastnosti. Tento rok budou nejlepší receptury doplněny o měření objemových změn, zejména autogenního smrštění a zkoušení mechanických vlastností normových těles pro zkoušení betonu. Bude zlepšena metodika zkoušení vlivu nasáklého kameniva nebo nasáklých příměsí a dále metodika použití přísad, které vážou vodu. Zdroje: [1] AЇTCIN, P.-C., Internal curing, Proc. of Int. Conf. NTCC 2008, Brno University of Technology, 2008, ISBN 978-80-214-3642-8, pp.1-7 [2] AЇTCIN, P.-C., MINDESS, S., TAGNIT-HAMOU, A: Improving the sustainability of concrete structures, Proc. of Int. Conf. NTCC 2014, Brno University of Technology, 2008, ISBN 978-80-214-3642-8, pp.1-7 [3] ZHUTOVSKY S., Curing of High Strenght Concrete to Eliminate Autogenous Shrinkage, Materials and Structures, vol. 35, pp. 97-101, 2012. [4] SUZUKI, M., SEDDIK MEDDAH, M., SATO, R., Use of porous ceramic waste aggregates for internal curing of high-performance concrete, Cem. Concr. Res. 39(2009) 373-381 [5] WEBER., S., REINHARDT, H.W., A new generation of high performance concrete: Concrete with autogenous curing, Advn.Cem.Bas.Mat. 1997, 6:59-68 [6] BÍLEK, V., MOSLER, T., KERŠNER, Z., SCHMID, P., The possibility of self-curing concrete, Proceeding of the International Conference, Dundee, Scotland 2002, part Innovations and Developments In Concrete Materials And Constructions, Thomas Telford, ISBN: 0 7277 3179 3, pp. 51 - 60 [7] CHAND, M.S.R., RATNA-GIRI, P.S.N., KUMAR, P.R., KUMAR, G.R., RAVEENA, C., Effect of Self Curing Chemicals in Self Compacting Mortars, Construction and Building Materials, vol. 107, no. 15 March 2016, pp. 356-364, 2016. Přehled použitých metod: Měření nasákavosti kameniva. Tato hodnota nám poskytne představu, zda je výhodné kamenivo použít z hlediska nasákavosti. Měření pevnosti nasákavého kameniva. Toto měření prokáže, zda je vhodné toto kamenivo použít do UHPC. Měření pevnosti v tahu ohybem a v tlaku. Tyto zkoušky jsou základní ukazatele kvality betonu a výhodnosti použití nasáklého kameniva pro interní ošetřování. Měření lomových vlastností. Pokročilejší zkouška pro zjištění chování betonu při lomovém zatěžování. Měření smrštění (objemových změn). Důležitá zkouška pro zjištění chování čerstvého betonu během procesu hydratace a vytváření hydratačních produktů. Tato zkouška nám dává představu, zda je výhodné použít beton s nasáklým kamenivem a poskytuje nám menší predikci chování v pozdějších fázích. Optická, případně i elektronová mikroskopie. Pro upřesnění a zjištění hydratačních produktů na rozhraní nasáklého kameniva a cementového tmelu, kde dochází k častým poruchám v betonu. Zdůvodnění finančních prostředků: Stipendium - Ing. David Pytlík, hlavní řešitel, tento projekt navazuje na předchozí výzkum v rámci projektu SP2017/84 a diplomové práce, dizertační práce spojená s problematikou projektu, návrh složení vysokopevnostních receptur a přípravu vzorků, technická příprava experimentů v laboratoři a jejich provedení, vyhodnocení dat, psaní publikačních výstupů (65 000 Kč). - Bc. Bohdan Sousedík, spoluřešitel, student VŠB, technická příprava experimentů v laboratoři a jejich provedení, vyhodnocení dat, psaní publikačních výstupů (15 000 Kč). Materiálové náklady - Náklady pro zajištění zkušebního materiálu (cement, nasákavé recykláty, lehké porézní kamenivo, hutné porézní kamenivo, chemie pro úpravu vlastností betonu, příměsi) - Spotřební laboratorní materiál (misky, laboratorní sklo, čistící prostředky) Služby - 1000 kč pro kalibraci zařízení v laboratoři FAST - 19000 kč laboratoř Betotech Ostrava, pro výrobu vzorků pro měření objemových změn, měření objemových změn v čerstvém stavu včetně vyhodnocení dat a protokolu Cestovní náhrady - Konference 12th fib International PhD-Symposium in Civil Engineering, vložné 230 € + cesta na konferenci do Prahy a ubytování pro 2 osoby - Konference 25. Betonářské dny 2018, vložné předpoklad 6500 kč + cesta na konferenci do Litomyšle a ubytování pro 2 osoby - Cesty ohledně nákupu materiálu, případně dodávka materiálu - Případně cesty na další konference Harmonogram řešení: Leden - duben: vytipování vhodných příměsí a přísad, provedení pilotních testů, zlepšení a rozpracování metodiky zkoušek a návrh podrobnějších plánu experimentů květen - září: provádění zkoušek dle metodiky, sledování vývoje pevností a dalších vlastností UHPC s různým nasákavým kamenivem říjen - prosinec: doplnění zkoušek, vyhodnocení experimentů, publikace, závěrečná zpráva Předchozí dosažené výsledky členů týmu – studentů: PYTLÍK, David, BÍLEK, Vlastimil. Two options of self-curing of High Performance Concrete. In: 24th Concrete days. Litomyšl, Czech republic 22 and 23 November 2017. Česká betonářská společnost ČSSI. ISBN 978-80-906759-0-2 (D)

2018

2018

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Pytlík David Ing.

Vliv nasákavého kameniva na vlastnosti UHPC

SP2018/182

Rozbor stavu problematiky: UHPC – „Ultra High Performance Concrete“ je vysokohodnotný beton. Vysokohodnotný beton se vyznačuje tím, že má některé vylepšené vlastnosti na rozdíl od standardního betonu. Podmnožinami UHPC jsou tedy betony označovány jako vysokopevnostní, pohledový beton, tedy jako beton se zvýšenou trvanlivostí odolností a lepší kvalitou povrchu. Nasákavé kamenivo do betonu se především používá jako forma interního ošetřování. Interní ošetřování pomocí nasáklého kameniva není v této době zcela běžnou praxí. Používají se tradiční metody ošetřování betonu tzv. „z venku“, toto je nejčastěji prováděno použitím vlhké geotextilie a vlhčením povrchu betonu. Tyto metody jsou velice vhodné v případě obyčejných betonů. V případě vysokohodnotných betonů je standardní ošetřování velice problematické díky velmi tuhé cementové matrici, skrz kterou se ošetřovací voda nedostává do průřezu. Tudíž je vhodné vysokohodnotné betony ošetřovat také interně. Vysokohodnotné betony jsou velmi kvalitní a pro jejich výrobu musí být použity vysoce kvalitní materiály. Je tedy důležité sledovat jak vliv nasáklého kameniva na vlastnosti UHPC, tak kvalitu samotného kameniva. Interní ošetřování je tedy v podstatě dodání potřebného množství vody pro ošetřování betonu. Nedostatek vody v betonu během zrání způsobí hlavně hydratace cementu, která spotřebuje poměrně velikou část záměsové vody. Nezhydratovaná zrna cementu dále slouží jako plnivo a nepodílí se na hydrataci. [1,2,3]. Proto nejsou mechanické vlastnosti UHPC již zlepšovány díky vysoké dávce cementu, ale naopak mohou díky nedostatečné hydrataci vznikat mikrotrhliny a snižovat trvanlivost betonové konstrukce a vlastnosti betonu jako pevnost v ohybu a lomové vlastnosti. Existuje několik možností jak dodat do betonu dostatečnou zásobu ošetřující vody do průřezu betonových prvků [4,5,6]. Je tedy nezbytné vytvořit vnitřní „rezervoár“, který bude postupně uvolňovat vodu. Pokud se bude voda uvolňovat postupně, tak bude sloužit jako voda ošetřující a nikoliv jako záměsová. Proto nebude mít negativní efekt na beton jako je například změna vodního součinitele [7]. Největší negativum při použití nasákavého kameniva, které je často lehké a porézní s sebou přináší často snížení pevnosti a ostatních mechanických vlastností. Proto jsou hledány optimální druhy kameniva a také jejich dávkování do betonu, aby negativa plynoucí z použití nevhodného kameniva, byla překonána zlepšením vlastností UHPC. Jsou ovšem hledány i jiné možnosti, jak zlepšit vlastnosti UHPC po přidání nasáklého kameniva. Největší prostor pro výzkum je tedy při výběru vhodného kameniva a jeho dávkování. Výzkum by se zaměřil také na jiné alternativní materiály, které by mohly sloužit, jako médium pro uchování vody. Neméně důležitou části výzkumu také bude zjištění kompatibility a účinnosti chemie určené do betonu. V první fázi řešení tohoto projektu bude kladen důraz na výběr vhodného kameniva pro účely interního ošetřování betonu. Následné zkoušení fyzikálních parametrů vybraného kameniva. Další část bude aplikace nasáklého kameniva do UHPC a zhodnocení vlivu tohoto kameniva na vlastnosti UHPC jako kompozitu. Jednou z možností je použití jemné, až prachové frakce lehkého kameniva (Liaporu). Další možností je použití mletého zeolitu například ze Zeocemu Bystré. Zajímavou alternativou by bylo použití jemné frakce z recyklovaného betonu. Vedle toho je možné aplikovat i přísady, které vážou na své molekuly vodu. Některé z těchto přísad se používají jako stabilizační přísady při výrobě samozhutnitelných betonů. Z přísad bude použita zejména nově produkovaná přísada Alpha 117, u které byly v pilotních testech potvrzeny zajímavé vlastnosti, co se týká vázání vody. Hledány budou i další přísady. V předchozím roce řešení této problematiky s UHPC byla věnována pozornost hlavně účinnosti jednotlivého dávkování nasáklého kameniva. Práce byly prováděny na maltách za použití hranolů 160 x 40 x 40 mm, sledovány byly zejména mechanické vlastnosti. Tento rok budou nejlepší receptury doplněny o měření objemových změn, zejména autogenního smrštění a zkoušení mechanických vlastností normových těles pro zkoušení betonu. Bude zlepšena metodika zkoušení vlivu nasáklého kameniva nebo nasáklých příměsí a dále metodika použití přísad, které vážou vodu. Zdroje: [1] AЇTCIN, P.-C., Internal curing, Proc. of Int. Conf. NTCC 2008, Brno University of Technology, 2008, ISBN 978-80-214-3642-8, pp.1-7 [2] AЇTCIN, P.-C., MINDESS, S., TAGNIT-HAMOU, A: Improving the sustainability of concrete structures, Proc. of Int. Conf. NTCC 2014, Brno University of Technology, 2008, ISBN 978-80-214-3642-8, pp.1-7 [3] ZHUTOVSKY S., Curing of High Strenght Concrete to Eliminate Autogenous Shrinkage, Materials and Structures, vol. 35, pp. 97-101, 2012. [4] SUZUKI, M., SEDDIK MEDDAH, M., SATO, R., Use of porous ceramic waste aggregates for internal curing of high-performance concrete, Cem. Concr. Res. 39(2009) 373-381 [5] WEBER., S., REINHARDT, H.W., A new generation of high performance concrete: Concrete with autogenous curing, Advn.Cem.Bas.Mat. 1997, 6:59-68 [6] BÍLEK, V., MOSLER, T., KERŠNER, Z., SCHMID, P., The possibility of self-curing concrete, Proceeding of the International Conference, Dundee, Scotland 2002, part Innovations and Developments In Concrete Materials And Constructions, Thomas Telford, ISBN: 0 7277 3179 3, pp. 51 - 60 [7] CHAND, M.S.R., RATNA-GIRI, P.S.N., KUMAR, P.R., KUMAR, G.R., RAVEENA, C., Effect of Self Curing Chemicals in Self Compacting Mortars, Construction and Building Materials, vol. 107, no. 15 March 2016, pp. 356-364, 2016. Přehled použitých metod: Měření nasákavosti kameniva. Tato hodnota nám poskytne představu, zda je výhodné kamenivo použít z hlediska nasákavosti. Měření pevnosti nasákavého kameniva. Toto měření prokáže, zda je vhodné toto kamenivo použít do UHPC. Měření pevnosti v tahu ohybem a v tlaku. Tyto zkoušky jsou základní ukazatele kvality betonu a výhodnosti použití nasáklého kameniva pro interní ošetřování. Měření lomových vlastností. Pokročilejší zkouška pro zjištění chování betonu při lomovém zatěžování. Měření smrštění (objemových změn). Důležitá zkouška pro zjištění chování čerstvého betonu během procesu hydratace a vytváření hydratačních produktů. Tato zkouška nám dává představu, zda je výhodné použít beton s nasáklým kamenivem a poskytuje nám menší predikci chování v pozdějších fázích. Optická, případně i elektronová mikroskopie. Pro upřesnění a zjištění hydratačních produktů na rozhraní nasáklého kameniva a cementového tmelu, kde dochází k častým poruchám v betonu. Zdůvodnění finančních prostředků: Stipendium - Ing. David Pytlík, hlavní řešitel, tento projekt navazuje na předchozí výzkum v rámci projektu SP2017/84 a diplomové práce, dizertační práce spojená s problematikou projektu, návrh složení vysokopevnostních receptur a přípravu vzorků, technická příprava experimentů v laboratoři a jejich provedení, vyhodnocení dat, psaní publikačních výstupů (65 000 Kč). - Bc. Bohdan Sousedík, spoluřešitel, student VŠB, technická příprava experimentů v laboratoři a jejich provedení, vyhodnocení dat, psaní publikačních výstupů (15 000 Kč). Materiálové náklady - Náklady pro zajištění zkušebního materiálu (cement, nasákavé recykláty, lehké porézní kamenivo, hutné porézní kamenivo, chemie pro úpravu vlastností betonu, příměsi) - Spotřební laboratorní materiál (misky, laboratorní sklo, čistící prostředky) Služby - 1000 kč pro kalibraci zařízení v laboratoři FAST - 19000 kč laboratoř Betotech Ostrava, pro výrobu vzorků pro měření objemových změn, měření objemových změn v čerstvém stavu včetně vyhodnocení dat a protokolu Cestovní náhrady - Konference 12th fib International PhD-Symposium in Civil Engineering, vložné 230 € + cesta na konferenci do Prahy a ubytování pro 2 osoby - Konference 25. Betonářské dny 2018, vložné předpoklad 6500 kč + cesta na konferenci do Litomyšle a ubytování pro 2 osoby - Cesty ohledně nákupu materiálu, případně dodávka materiálu - Případně cesty na další konference Harmonogram řešení: Leden - duben: vytipování vhodných příměsí a přísad, provedení pilotních testů, zlepšení a rozpracování metodiky zkoušek a návrh podrobnějších plánu experimentů květen - září: provádění zkoušek dle metodiky, sledování vývoje pevností a dalších vlastností UHPC s různým nasákavým kamenivem říjen - prosinec: doplnění zkoušek, vyhodnocení experimentů, publikace, závěrečná zpráva Předchozí dosažené výsledky členů týmu – studentů: PYTLÍK, David, BÍLEK, Vlastimil. Two options of self-curing of High Performance Concrete. In: 24th Concrete days. Litomyšl, Czech republic 22 and 23 November 2017. Česká betonářská společnost ČSSI. ISBN 978-80-906759-0-2 (D)

2018

2018

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Pytlík David Ing.