Studium abraze cementových kompozitů

Degradace materiálu na bázi cementových kompozitů je definována fyzikálním, chemickým či mechanickým působením neboli abrazí. Abraze je nejčastěji principiálně spojována s působením určitého média, které způsobuje degradaci povrchu materiálu. Samotným zdrojem působení mohou být buď pevné částice, jež narušují materiál přímým kontaktem s povrchem, nebo kapaliny (často obsahující abrazivní pevné částice) rychle proudící po povrchu materiálu.

V obou případech dochází k narušení části povrchové vrstvy (často i k narušení cementové matrice s uvolněním kameniva z matrice), čímž se povrch stává náchylnějším na všechny druhy degradace počínaje působením mrazu, CHRL či vnikáním agresivních plynných, pevných nebo kapalných látek, které narušují cementový kompozit. Proto je působení abraze bráno hlavně jako katalyzátor pro ostatní druhy degradace [1].

Mechanická abraze je nejčastěji popisována jako narušení povrchové vrstvy cementového kompozitu (betonu) vlivem brusného média. Tento způsob abraze bývá typický pro větší dilatační celky betonových ploch, jako jsou cementobetonové kryty vozovek, letištní plochy, průmyslové betonové podlahy či parkovací plochy. V těchto případech bývá konstrukce obrušována nejčastěji drobnými pevnými částicemi v souvislosti s provozem vozidel, popř. manipulační techniky [2].

Diametrálně jiné je působení rychle proudící vody často s unášenými abrazivními pevnými částicemi, které je typické pro namáhané části konstrukcí vodních děl nebo kanalizačních systémů. Za určitých podmínek může být proudění kapalin doprovázeno i procesem kavitace. Obecné podmínky vzniku kavitačních dutin jsou dány snížením tlaku na hodnotu tlaku nasycených par kapaliny při dané teplotě. Při těchto podmínkách se začnou tvořit dutiny vyplněné parami kapaliny (bubliny). Tyto bubliny v místech s vyšším tlakem již nedokážou absorbovat energii a dochází tak k jejich zhroucení, tedy kavitaci, jež povrch betonu bodově naruší. Zmiňovaný jev bývá doprovázen velmi vysokými teplotami a tlaky (až 2 000 bar) a urychlením proudění kapaliny (až 280 m/​​s) [3], [4].

Pro zkoušení abrazivní odolnosti cementových kompozitů je v dnešní době možné použít několik normovaných zkušebních postupů. Zkušební metoda se zařízením navrženým Böhmem vychází z principu obrušování vzorku cementového kompozitu s předepsanou výší přítlaku prostřednictvím brusného média (např. korundový jemný písek) a předepsaným počtem cyklů. Samotné vyhodnocení abrazivní odolnosti vzorku je pak z pohledu ČSN 73 1324 [6] založeno na úbytku hmotnosti vzorku betonu, popř. dle EN 1338 [7] (betonové dlažební bloky), EN 1339 [8] (betonové dlažební desky), EN 1340 [9] (betonové obrubníky), EN 13 892 – 3 [10] (potěrové materiály) na úbytku objemu na stanovenou plochu. 

Další možností je podle EN 1338, EN 1339 a EN 1340 využití zkoušky pomocí širokého brusného kola. Principem této zkoušky je stanovení tloušťky rýhy ve vzorku, jež je vytvořena brusným kolem s brusivem po 75 otáčkách / min. Čím je rýha užší, tím je zkoušený materiál vůči mechanické abrazi odolnější. 

Zmíněné zkušební metody jsou vhodné pro pochůzné či pojížděné plochy, popř. pro výrobky, jež podléhají působení mechanické abraze od pojezdů. 

Z pohledu požadavků normy ČSN 73 2404/Z1 [11] je problém, že i betony pro vodohospodářské stavby, které jsou namáhány jiným typem abraze, než prezentuje metoda dle Böhma (obr. 1), popř. zkouška pomocí širokého brusného kola, jsou navrhovány i pro nejvíce namáhané prostředí vlivem obrusnosti betonu XM3 pouze s požadavky na dodržení maximálního vodního součinitele, minimální pevnostní třídy betonu a minimálního množství cementu. Pro tento typ konstrukcí se jeví tyto požadované parametry i aktuální normované zkušební metody jako nedostačující. 

Jednou z metod, která se jeví jako vhodná pro zjištění relativní odolnosti proti abrazi vodních děl, je využití vysokorychlostního vodního paprsku. Při této metodě je abraze simulována pomocí tzv. suspendovaných zátěží, které jsou vyvíjeny tryskovým čerpadlem vytvářejícím proud vody o tlaku až 6 500 bar. Jako brusné médium lze využít i např. suspenzi písku v koncentraci od 20 do 50 kg/​​m³ vody. Při vysokých rychlostech (cca 20 m/​​s) dochází k pronikavé abrazi exponovaného povrchu. Bylo zjištěno, že kromě požadované rychlosti proudění je důležitým parametrem i úhel dopadu vysokorychlostního vodního paprsku. Vyhodnocení této zkoušky bývá nejčastěji založeno na úbytku objemu vzorku, popř. na rychlosti ubývání objemu (eroze) vzorku [13].

Tato zkušební metoda je navržena tak, aby simulovala abrazivní působení částic unášených vodou. V principu dochází k vytvoření proudění pomocí rotující lopatky o rychlosti 1 200 ot/​​min. Při vyvolaném proudění vody dochází k vynášení ocelových kuliček a následné abrazi zkoušeného povrchu. Rychlost je navržena tak, aby nedocházelo k vynášení ocelových kuliček příliš vysoko, ale aby docházelo pouze k otěru testovaného povrchu, což však může limitovat simulaci rychle proudící vody s částicemi. 

Standardní doba zkoušení se skládá z šesti intervalů v délce 12 h, tedy celkem 72 h. Po zkoušce se vypočte úbytek objemu zkušebního betonového válce o Ø 300 mm a výšce 100 mm. Tento typ zkoušky je vhodný zejména pro betonové konstrukce vodních děl typu vývar, skluz apod. Pohled na zkušební aparaturu lze vidět na obr. 3 [14], [18].

Tato metoda je založena na principu ultrazvukové kavitace, kdy je za předpokladu, že tahová pevnost kapaliny závisí na frekvenci ultrazvukového pole, možné využít nízkofrekvenčních vln. Po dosažení určité energie dochází ke vzniku podobného efektu jako u kavitace vznikající u proudících kapalin[15].

Americká norma ASTM slouží především k testování lopatek turbín, konstrukčních částí čerpadel a ventilů u vodních elektráren či lodních šroubů. Jelikož je u těchto prvků předpokládána vyšší abrazivní odolnost, tak může být tato metoda vhodná i pro zkoumání abrazivní odolnosti cementových kompozitů. 

Pokud lze nastavení parametrů (amplitudy, frekvence či cyklických intervalů) daného ultrazvukového generátoru vhodně upravovat, pak lze vytvořit proměnlivé abrazivní účinky dostatečně podobné účinkům rychle proudící vody s pevnými částicemi [15].

Experimentální část vychází z poznatků metody dle ASTM G32-16 a zabývá se vhodným nalezením metodiky pro stanovení odolnosti cementových kompozitů vůči abrazi za současného porovnání s aktuálně využívanou metodou dle Böhma.

Pro simulaci abrazivních účinků rychle proudící vody byla zvolena metoda s využitím ultrazvukového generátoru Sonopuls od firmy Bandelin (obr. 4), osazeného kavitační sondou o Ø 25 mm.

Důvodem zvolení této metody byla možnost simulace efektů abraze pomocí rychle proudící vody, jež lze dle některých odborných studií dosáhnout právě pomocí zmíněného ultrazvukového generátoru [4]. Nejúčinnějších parametrů ultrazvuku bylo dosaženo při amplitudě 80 % v čase 5 min, při střídání impulzů 5 s působení a 5 s pauzy. Na každém vzorku byla v několika bodech stanovena hloubka narušení cementového kompozitu pomocí mechanického dilatometru.

Pro experiment bylo navrženo pět receptur cementových past (tab. 1) s využitím portlandského cementu CEM I 42,5 R – referenční (REF) a čtyři varianty s částečnou náhradou cementu aktuálně používanými příměsmi – mikromletým vápencem (VÁP), granulovanou velmi jemně mletou vysokopecní struskou (STR), vysokoteplotním černouhelným popílkem (POP) a mikrosilikou (MIKR).

Všechny receptury byly navrženy s konstantní konzistencí rozlitím pomocí Hagermannova kužele a střásacího stolku 200 až 210 mm dle ČSN EN 1015 – 3 [16].

Výsledky odolnosti vůči abrazi vyvolané ultrazvukovou kavitací a zkouškou metody dle Böhma jsou uvedeny v grafech na obr. 6 a 7.

Mezi recepturami lze v jednotlivých časových intervalech sledovat rozdíly jak v pevnostních charakteristikách, tak i v odolnosti proti abrazi. Podle vývoje pevnostních charakteristik v čase lze předpokládat, že receptura REF, popř. STR, bude vykazovat vyšší odolnost vůči abrazi. Avšak již v raném stáří vzorků po dvou dnech zrání jsou patrné menší defekty způsobené abrazí kavitací u receptur s využitím pucolánových příměsí (vysokoteplotního popílku i křemičitých úletů) s přibližnou hodnotou hloubky 1,63 mm. Tento výsledek by mohl naznačovat určitou spojitost mezi použitými pucolánovými příměsmi a odolností cementových kompozitů proti abrazi kavitací. Tento trend lze pozorovat i po následujících sedmi dnech zrání, kdy receptury REF, VÁP a STR vykazují stále stejnou odolnost (hloubku narušení) cca 2,03 mm, zatímco receptura s vysokoteplotním popílkem (POP) dosahuje hodnoty pouze 1,39 mm. U receptury MIKR lze vidět dokonce hodnotu hloubky narušení kavitací pouze 0,34 mm, což může poukazovat na vhodnost této příměsi pro získání lepší abrazivzdornosti. Důvodem může být vznik homogennější struktury cementového kamene vlivem využití širšího spektra velikostí částic či výraznější podíl jemných CSH gelů.

Po 28 dnech se u všech receptur ukázalo, že je cementový kámen vlivem delšího zrání odolnější natolik, že jsou hodnoty hloubky abraze kavitací téměř o jeden číselný řád nižší než po sedmi dnech.

Na snímcích z mikroskopu (obr. 8) si lze všimnout, že v případě receptury REF je povrch méně kompaktní a po účincích kavitace je značně bodově narušen. Naopak u receptury MIKR (obr. 9) je po účincích kavitace vidět kompaktnější a homogennější povrch materiálu a rovněž rovnoměrné rozložení účinků kavitace s menší celkovou hloubkou narušení.

To může být důsledek výrazně homogennější, kompaktní struktury matrice. Tyto snímky podporují teorii, že velmi jemná zrna mikrosiliky vytvářejí odolnější cementový kámen. Účinky kavitace jsou názorně zobrazeny z pohledu 3D vizualizace, kde u receptury REF lze pozorovat více míst s nerovnoměrnými prohlubněmi. 

Naproti tomu snímky receptury POP po sedmi dnech zrání a účincích kavitace vypadají z pohledu textury hrubší a více narušené (obr. 10). I z pohledu 3D vizualizace receptura POP vykazuje značně různorodé dutiny po účincích kavitace, zatímco hodnoty celkové hloubky narušení jsou po sedmi dnech zrání relativně nízké (1,388 mm). Vysvětlením může být, že při působení kavitace může docházet k „vylupování“ celých kulových nezreagovaných zrn popílku, a tak struktura povrchu působí narušeně, i když je celková hloubka narušení nízká.

Vyhodnocení bylo provedeno pomocí průměrného rozdílu změny výšek u vzorku po dvaceti zkušebních cyklech. Lze pozorovat jednotlivé rozdíl jak mezi recepturami, tak po různé době zrání. V průběhu času dochází k výrazným změnám u receptur VÁP, STR a POP, kde dochází ke snížení rozdílů výšek (obr. 7) u dvoudenních vzorků (17,85 %, 13,22 % a 11,19 %) a u 28denních vzorků (6,89 %, 6,17 % a 6,06 %). Je patrné, že k nejnižší změně výšky dochází při využití vysokoteplotního popílku. Těchto nejnižších hodnot je u receptury POP dosaženo ve všech zkušebních časových intervalech. Naopak při využití čistě cementové pasty (REF) a pasty s využitím příměsi křemičitého úletu (MIKR) bylo dosaženo nejvyšších hodnot rozdílů výšek.

Tento fakt může být spojován se vznikem mikroporuch, kdy se zvyšujícím se množstvím cementu mohlo následkem vyššího smršťování docházet ke vzniku mikrotrhlin. Tato teorie by vysvětlovala dosažení nejnižších hodnot úbytků výšky vzorku u receptury POP, kde přídavek vysokoteplotního popílku zřejmě napomohl k žádoucímu snížení mikrotrhlin vlivem omezení smršťování. Je zřejmé, že odolnost cementového kompozitu proti abrazi je výrazně ovlivněna kvalitou mikrostruktury cementového kamene. 

V experimentu byla zjištěna skutečnost, že při využití minerální příměsi (vysokoteplotního popílku) bylo u obou zkušebních metod (ultrazvukové i Böhmovy metody) dosaženo vyšších odolností proti abrazi. Tento fakt může poukazovat na skutečnost, že odolnost cementového kompozitu vůči abrazi kavitací nemusí být přímo spjata s hodnotami pevnostních charakteristik cementového kamene.

Dále byly namíchány normové cementové malty dle ČSN EN 196 – 1 s identickým složením odpovídajícím pojivovému zastoupení v tab. 1. Na těchto maltách byly provedeny některé fyzikálně-mechanické zkoušky pro objasnění vlivu použitých příměsí a pochopení výsledků z měření abrazivní odolnosti [17]. Byly vyrobeny zkušební trámečky o rozměrech 40 × 40 × 160 mm, na kterých byly stanoveny pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku dle ČSN EN 13892 – 2 ve stáří 2, 7, 28 a 90 dní. Na zlomcích trámečků bylo provedeno také stanovení nasákavosti [19].

Při vyhodnocení zkoušky nasákavosti (výsledky v grafu na obr. 11) lze pozorovat, že u všech receptur cementových malt došlo ke snížení nasákavosti v intervalech měření po 2, 7, 28 i 90 dnech. To je způsobováno postupným zahušťováním struktury matrice cementového kompozitu.

Tyto výsledky částečně korelují s výsledky zkoušek pevnosti v tahu za ohybu. Nejvyšší pevnosti v tahu za ohybu v intervalu od 2 (4,3 MPa) do 28 dní (8,5 MPa) dosahovala receptura REF. Po sedmi dnech byly hodnoty pevností v tahu za ohybu u receptur s náhradou příměsmi (VÁP, STR, POP i MIKR) velmi podobné, cca 5,7 MPa.

Přínos aktivních příměsí se výrazněji projevuje až po 28 dnech hydratace, kdy receptura STR dosahuje téměř srovnatelných hodnot (8,2 MPa) jako receptura REF (8,5 MPa) a po 90 dnech dokonce vyšších hodnot pevností (10,1 MPa) než REF (9,2 MPa).

Korelace výsledků Pokud porovnáme výsledky stanovení abrazivní odolnosti pomocí ultrazvukové kavitace (obr. 6) a pevnosti v tahu za ohybu (obr. 11), lze pozorovat mezi některými recepturami určitou nelogičnost (vycházíme-li z předpokladu, že vyšší pevnost bude znamenat i vyšší odolnost proti abrazi). Např. receptury REF (4,3 MPa) a VÁP (3,7 MPa) dosahují ve stáří dvou dnů vyšších hodnot pevností v tahu za ohybu, zatímco hodnoty hloubky způsobené ultrazvukovou kavitací jsou u těchto receptur nejvyšší (REF = 2,086 mm a VÁP = 2,026 mm), resp. odolnost vůči abrazi kavitací je nejnižší. Toto tvrzení neplatí ovšem v případě receptury MIKR, která po dvou dnech zrání dosahuje vyšších hodnot pevností v tahu za ohybu (4 MPa) a zároveň nejvyšší odolnost vůči abrazi kavitací.

Výsledky naznačují, že v raném stáří by abrazi způsobené rychle proudící vodou mohly lépe odolávat právě receptury s využitím velmi jemných aktivních příměsí. Může to být dáno kvalitou vzniklého povrchu, který je homogennější a hladší bez výrazně vyčnívajících větších zrn plniva. Ve stáří 28 dnů, kdy nastavená účinnost ultrazvuku a typ použité sondy již nezpůsobují takový destrukční účinek, se rozdíly ve výsledcích smazávají. Jedním z vysvětlení může být, že po 28 dnech zrání vzhledem k vyšší pevnosti cementového kompozitu nebylo při zvolených parametrech dosaženo podmínek pro vznik kavitace. V navazujícím výzkumu bude snahou docílit vhodné úpravy a volby parametrů ultrazvuku a doby působení. 

U metody stanovení abrazivní odolnosti pomocí Böhmova zařízení (obr. 7) lze pozorovat dosti podobný trend výsledků u všech receptur ve všech časových intervalech (2, 7 i 28 dnech). Zajímavá je zde opačná souvislost mezi abrazivní odolností a pevností v tahu za ohybu, kde např. po dvou dnech zrání u receptury REF (4,3 MPa) byl zaznamenán úbytek výšky 19,23 mm (nejvyšší pevnost v tahu za ohybu a nejnižší abrazivní odolnost), zatímco u receptury POP (3,1 MPa a 11,19 mm) je dosaženo výrazně nižších hodnot.

Vyšší hodnoty úbytku výšky u receptur REF a MIKR možno přisuzovat jiné kvalitě povrchu a pojivovému zastoupení. Opačná zkušenost je však s testováním vzorků receptury POP, jež dosahuje po 2, 7 i 28 dnech nejnižších hodnot úbytku výšky vzorku po zkoušce obrusnosti, což nejspíše souvisí se zmíněnou „pozvolnou“ hydratací. 

Z pohledu vývinu pevnosti v tlaku cementových malt (obr. 12) lze pozorovat téměř totožné trendy změn jako na obr. 11 (stanovení pevnosti v tahu za ohybu) s výjimkou receptury MIKR, u které bylo po 28 dnech dosaženo vyšších pevnostní v tlaku. Podobně je tomu u 90denních pevností, kdy vyšších pevností než u referenčního vzorku bylo dosaženo i u receptur s využitím vysokopecní strusky STR a mikrosiliky MIKR, což dokazuje dobrou aktivitu těchto příměsí při delším zrání a správně zvolený poměr příměsí vůči cementu. 

Výsledky pevností v tlaku cementových malt prakticky odpovídají trendům při porovnání stanovení abrazivní odolnosti a pevnosti v tahu za ohybu.

Ultrazvuková metoda se sondou od firmy Bandelin typu VS 200 T a použité parametry ultrazvuku se ukázaly jako efektivní pro pevnosti v tlaku do cca 40 MPa. Pro pevnosti dosažené ve stáří 28 dnů, kdy se hodnoty posunuly na cca 50 MPa, se účinnost působení těchto parametrů ultrazvuku a typu sondy snižovala a rozdíly v destrukci se smazávaly. Nabízí se zde prostor pro ověření jiných parametrů ultrazvukové metody, jež by zvýšily účinnost kavitace. Z dosažených pevnostních parametrů cementových malt v jednotlivých časových intervalech vyplývá, že zde nemusí být přímá souvislost s odolností proti abrazi kavitací. Ukázalo se, že výrazný vliv na odolnost proti abrazi způsobené rychle proudící vodou a kavitací má kvalita a homogenita mikropovrchu. Přínosné se pro zlepšení této odolnosti jeví využívání jemnozrnných aktivních příměsí, především mikrosiliky a kvalitních vysokoteplotních popílků. Použitá ultrazvuková metoda může být využitelná pro simulaci účinků abraze vyvolané rychle tekoucí vodou. Vhodné může být také spojení zmíněné metody s metodou dle ASTM C1138M-19, kterou začínáme rovněž testovat (obr. 3) [18].

V ČSN 73 2404/Z1 Tab. 1 je definována koroze vlivem mechanického působení (obrus) stupni XM1 až XM3. V Tab. F.2 Mezní hodnoty pro složení a vlastnosti betonu v prostředí s pohyblivým mechanickým zatížením (obrusem) jsou pak uvedeny požadavky na složení betonů pro jednotlivé stupně. Ty jsou dány pouze hodnotami maximálního vodního součinitele, minimální pevnostní třídou a minimální dávkou cementu (absurdní jsou v souvislosti s odolností proti abrazi doporučení v poznámkách a, b a d). Bohužel nikde nejsou definovány zkušební postupy a kritéria hodnocení, které by simulovaly účinky abraze na povrchu betonů v praxi, hlavně u působení rychle proudící vody. 

V současnosti se rekonstruuje několik vodních děl, kde jsou bezpečnostní přepady, skluzy a vývary tomuto typu abraze vystaveny. Receptury betonů jsou navrhovány v souladu s ustanoveními ČSN 73 2404/Z1 přílohy F, která je sice nazvána informativní, ale Tab. F2 má název mezní hodnoty, což v praxi vyvolává dojem, že je nutné se těmito hodnotami řídit. Bez adekvátních zkoušek, které ověří působení různých typů abraze, není tento přístup k navrhování extrémně namáhaných betonů technicky správný. Popsané metody zkoušení dávají solidní informace o chování povrchů vystavených rychle proudící vodě a bylo by možné na nich začít budovat jednotné testovací metody [1].