Odolnost cementů vůči tvorbě trhlinek během vysychání

Smršťování cementové pasty během vysychání často způsobuje vznik viditelných povrchových trhlinek, které negativně ovlivňují životnost konstrukce. Experimenty ukazují, že cementy s pomalými náběhy pevností jsou vůči vzniku trhlinek během vysychání odolnější. V příspěvku jsou představeny výsledky unikátního testu 25 portlandských a směsných cementů na smršťujících prstencích, které konzistentně potvrzují pozitivní vliv pomalejší hydratace. Díky rostoucímu tlaku na rychlost výstavby existuje však v současné době na českém trhu těchto cementů pouze několik. Experimentální výsledky na prstencích jsou podpořeny hygro-mechanickým modelem.

Tlak na rychlost výstavby v posledních desetiletích téměř eliminoval z trhu cementy tříd 32,5 N, 32,5 R a 42,5 N, které vykazují nižší nárůsty počátečních pevností. Problémy s trhlinami od vysychání, tzv. trhlinkování, se začaly masivně objevovat na mostovkách v sedmdesátých letech 20. století v USA, kdy se zvýšil požadavek na 7denní pevnosti cementů na 19,3 MPa [1]. Právě typy cementů dle ASTM C150 (Type I – Type V) zavedl P. H. Bates v roce 1940 s cílem omezit tvorbu trhlinek. Od té doby pokračuje závod za rychlejšími počátečními pevnostmi cementů a povrchové trhliny od vysychání se staly zcela běžným jevem na většině konstrukcí v exteriéru. Většina z nás je již bere jako jejich přirozenou součást (např. trhliny na betonových prvcích stáří 12 až 14 let).

Speciální skupinu konstrukcí tvoří nevyztužené cementobetonové kryty, kde je snaha o zamezení povrchových trhlin především kvůli rozpadu hran a postupnému povrchovému rozrušování, proto v těchto případech většina zemí omezuje třídu či reaktivitu cementu. V České republice platí např. omezení jemnosti mletí cementu na 350 m2/​​kg dle ČSN 73 6123 – 1, a i přesto tyto dnešní kryty vykazují mnoho povrchových trhlin. Statistika z laserového skenovacího a monitorovacího systému CleveRA ukazuje, že po 10 až 15 letech provozu je 75 % krytů v České republice již viditelně popraskaných [2]. Údaje ze systému CleveRA dále umožňují porovnat starší výstavbu krytů, kde např. starý úsek D1 mezi km 93,74 – 95,03 sloužící bezmála 40 let vykazoval před modernizací stejný stav trhlin jako dnešní vozovky po 10 až 15 letech provozu. Hlavním faktorem je dle našeho názoru opět rychlejší počáteční nárůst pevností cementu, který lze demonstrovat na porovnání tehdejšího silničního cementu CEM I 32,5 R (SC70) Maloměřice a dnešního cementu CEM I 42,5 R (sc) Mokrá.

Porovnání nárůstu pevností cementů pro cementobetonové kryty v rozmezí 50 let

Tehdejší 7denní pevnost cementu je dnes dosažena již ve třech dnech a 28denní pevnost v sedmi dnech. Dalším efektem rychlejší hydratace je zvýšení maximální teploty při betonáži cementobetonového krytu vozovky, kdy v letních měsících byla změřena teplota 53 °C na krytu tloušťky 290 mm [7], zatímco při použití tehdejšího cementu by za stejných podmínek došlo dle provedených simulací ke zvýšení teploty na 47 °C.

Vznik trhlin od vysychání je do velké míry podmíněn vznikem mikrotrhlin od autogenního smrštění, který je důsledkem smrštění chemického a probíhá během tvrdnutí v celém objemu betonu. Rychlá hydratace a nízký vodní součinitel negativně přispívají ke vzniku mikrotrhlin, jak bylo zdokumentováno pomocí rentgenové mikrotomografie na zapečetěných vzorcích bez vnějšího vysychání [3]. Toto měření potvrzuje známou skutečnost, že v zapečetěných vzorcích dochází vlivem hydratace ke snížení relativní vlhkosti. Pro ilustraci po 25 dnech hydratace cementové pasty vychází tyto hodnoty [5], [6]:

v/​​c = 0,25, h = 78 %, r = 4,3 nm, pc = 33,6 MPa, autogenní smrštění 900 µε,

v/​​c = 0,42, h = 93 %, r = 15 nm,  pc = 9,7 MPa, autogenní smrštění 545 µε,

kde h je relativní vlhkost, r největší poloměr póru zaplněný vodou a pc kapilární napětí. Pevnější pasta s v/c = 0,25 je podrobena většímu namáhání na mikroúrovni.

Empiricky byl pozitivní účinek pomalých náběhů pevností ověřen v Green Mountain Dam v americkém Coloradu při testování 104 panelů, které byly vyrobeny z 27 různých cementů v roce 1943 a podrobeny vnějšímu vysychání [1]. Po 53 letech byl analyzován stav panelů, který prokázal pozitivní vliv nízkých alkálií v cementu, nízkého podílu C3A a nízké jemnosti mletí, tzn. nízké reaktivity cementu. Veškeré povrchové trhliny pocházely čistě od smrštění, k expanzivním reakcím na panelech nedošlo. Na těchto cementech byly také provedeny testy na smršťujících prstencích. Výsledky jasně prokázaly, že čím delší je doba do porušení prstence, tím méně trhlin panely po 53 letech vykazují. Na smršťující prstence se tak lze dívat jako na akcelerovanou zkoušku odolnosti cementů vůči vzniku trhlin při vysychání.

Povrchové trhliny podstatně zvyšují permeabilitu a jsou tak vstupní branou pro celou řadu degradačních procesů, např. karbonataci, difuzi chloridů či průnik agresivních vod. Trvanlivé betony by měly kromě nižší kapilární porozity také eliminovat povrchové trhliny od vysychání.

Dnešní zkušební metody cementů a betonů prováděné běžně do stáří vzorků 28 dní nemohou tento vliv dlouhodobějšího vysychání zachytit. Trhliny od vysychání se tak často projeví na reálné konstrukci i po několika letech. Hygro-mechanické simulace provedené na blocích tloušťky 2,5 m ukázaly, že k největšímu otevření trhlin od vysychání došlo až po 10 letech, přičemž blok vysychá 500 let.

Testy na smršťujících prstencích

Test na smršťujících prstencích byl publikován poprvé v roce 1942 R. W. Carlsonem a dodnes existuje řada jeho modifikací včetně standardizovaných testů pro beton v normách ASTM C1581 a AASHTO T334 [4]. Test vhodně kombinuje autogenní smrštění, smrštění od vysychání, stárnoucí dotvarování, vývoj tahové pevnosti a nárůst lomové energie. Test imituje chování povrchové vrstvy reálné konstrukce, kde je bráněno deformaci od vysychání její vnitřní částí, tuto funkci plní nejčastěji ocelový kroužek uvnitř prstence.

V rámci výzkumu odolnosti cementů vůči tvorbě trhlinek během vysychání byl na ČVUT v Praze pro testování navržen prstenec, který vychází z geometrie R. W. Carlsona, avšak používá tenčí ocelový kroužek.

Na testy se použila normová malta 1 : 3 s vodním součinitelem 0,45, pokud není uvedeno jinak. Prvních 24 h byl maltový prstenec zapečetěný, poté byl vystaven relativní vlhkosti vzduchu 45 až 55 %. Čtyři odporové tenzometry měřily deformaci ocelového kroužku s automatickým logováním.

Charakteristický průběh deformací ze třech vybraných cementů je uveden v následujícím grafu.

Charakteristický průběh relativní deformace oceli na třech pojivech

Ve stáří vzorku 30 dní došlo k prasknutí prstence s referenčním silničním cementem CEM I 42,5 R (sc) Mokrá. Cement CEM I 42,5 N byl speciálně umlet s jemností mletí 256 m2/​​kg a po dobu 65 dní zůstal nepoškozen. Poslední směsný cement, který vznikl smícháním 75 % referenčního cementu a 25 % vysokopecní mleté granulované strusky SMŠ 400, se porušil nejdříve po 61 dnech. Poslední cement byl použit pro výstavbu téměř 9 km pilotního úseku dálnice D1 Přerov – Lipník nad Bečvou s cílem zvýšit odolnost cementobetonového krytu vůči vzniku trhlinek [7].

Testy 25 cementů na prstencích

Pro zmapování současného trhu s cementy a stanovení odolnosti vůči vzniku trhlin bylo otestováno celkem 25 cementů. Všechny cementy byly semlety ze standardního alitického slínku (C3S 59 až 70 %), většina z nich byla zhotovena na zakázku. Dále byly zkoumány portlandské struskové cementy CEM II/A‑S a CEM II/B‑S jako dobře definované prototypy směsných cementů. Z každého cementu byly zhotoveny 2 až 4 prstence a doba porušení zprůměrována.

Souhrnné výsledky měření jsou uvedeny na následujícím obrázku.

Výsledky testů na smršťujících prstencích

U každého cementu je v závorce uvedena doba, kdy došlo k průměrnému prasknutí prstenců [d]. Znaménko ≥ značí, že byl test ukončen s alespoň jedním neporušeným prstencem a mohl by pokračovat dále. Zeleně jsou vyznačeny cementy, kde doba porušení prstence přesáhla 40 dní. Tato hodnota byla stanovena s ohledem na referenční silniční cement CEM I 42,5 R (sc) Mokrá z března 2018, který se dominantně používá pro výstavbu cementobetonových krytů v ČR a u něhož jsou dostupné statistiky z dlouhodobého monitoringu. Červeně jsou označeny cementy, kde doba porušení nedosahuje 40 dní. Nejdelší doba měření prstenců byla 207 dní.

Fialová křivka značí přibližnou hranici představující cementy odolné vůči vzniku trhlinek dle kritéria 40 dní. Se zvyšujícím se podílem strusky klesá reaktivita cementu a může tak být zvýšena jemnost mletí. Pro portlandské cementy CEM I je hraniční jemnost okolo 290 m2/​​kg, pro CEM II/B‑S okolo 380 m2/​​kg na horním limitu obsahu strusky. Podobnou hodnotu 400 m2/​​kg požaduje pro silniční cementy dnešní rakouská norma ÖN B 3327 – 1 [9].

Pouze tři komerčně vyráběné a testované cementy na českém trhu splnily práh 40 dní; CEM II/B‑S 32,5 R Radotín, CEM II/B‑S 32,5 Prachovice a jedna šarže CEM I 42,5 R (sc) Mokrá z listopadu 2019. Další cementy, které vyhověly požadavkům na vznik trhlin, např. CEM II/A‑S 42,5 N a CEM II/B‑S 32,5 R, byly namlety speciálně pro tento test na nižší měrný povrch. Ostatní cementy vykazují malou odolnost vůči vzniku trhlin a obecně platí, že čím je jemnost mletí vyšší, tím se odolnost snižuje.

Hygro-mechanické simulace

Chování prstenců během vysychání lze dobře podchytit numerickým modelem [8]. Hnací silou je smrštění od vysychání, které je funkcí relativní vlhkosti, zde uvažované v přírůstkovém tvaru [10]

Pole vlhkosti h lze určit z nestacionární rovnice transportu vodní páry

s nelineární permeabilitou vlhkosti c(h) dle modelu Bažant – Najjar. Autogenní smrštění lze rovněž do modelu zahrnout, vzhledem k vodnímu součiniteli 0,45 se zde zanedbává.

Mechanický model používá viskoelastický model dotvarování B3, který je kombinován s modelem fixních trhlin [10]. Konstitutivní přírůstkový vztah pro napětí viskoelastického modelu je

kde Dve je viskoelastická tečná tuhost a jednotlivé složky deformace značí celkovou deformaci, nevratnou viskoelastickou deformaci, deformaci od smrštění, deformaci od teploty a rozetřenou deformaci od trhlin.

V simulaci se předpokládá 28denní tahová pevnost malty 4 MPa a lomová energie 50 J/​​m2 se standardními parametry pro model dotvarování B3. Pro snadnější lokalizaci trhliny byl jeden průřez zmenšen na 95 % průřezové plochy. Simulace uvažovala chování malty s cementem CEM I 42,5 R (sc), která se v prstenci porušila ve stáří 30 dní. Výsledné tečné přetvoření ocelového prstence je uvedeno v grafu na obrázku níže.

Tečné přetvoření ocelového prstence

Model dobře vystihuje křehké porušení vyjma malého reziduálního napětí, které je dáno nenulovou smykovou tuhostí kontaktních prvků mezi ocelovým a maltovým prstencem.

Níže uvedený obrázek zachycuje pole relativní vlhkosti a první hlavní napětí těsně po porušení ve stáří 31 dnů.

Pole relativní vlhkosti a první hlavní napětí v čase prasknutí prstence

Průměrná relativní vlhkost dosahuje hodnoty 0,65, nenulové tečné napětí zůstává pouze na kontaktu materiálů jako artefakt kontaktních prvků v modelu. Hygro-mechanický model je schopen dobře postihnout kombinaci smrštění od vysychání, stárnoucího dotvarování, nárůstu pevnosti a lomové energie. Kombinace zejména těchto čtyř charakteristik definuje odolnost cementů vůči vzniku trhlinek. Chybným argumentem je, že cementy s pomalými náběhy pevností mají větší smrštění při vysychání a nižší pevnosti, proto se musí porušit dříve. Díky většímu dotvarování a relaxaci napětí jsou paradoxně tato pojiva odolnější vůči vzniku trhlinek během vysychání, jak je dokumentováno na testech prstenců z 25 cementů.

Závěr

Rychlost výstavby se stala hlavním znakem efektivity stavebnictví [1]. Tím postupně došlo k omezení po-užití cementů s pomalými náběhy pevností a nízkým hydratačním teplem. Důsledkem je dnes obecně nízká odolnost cementů, malt a betonů vůči vzniku trhlinek při vysychání, která je kritická prakticky ve všech exteriérových prvcích vystavených střídavým účinkům prostředí. Vznik trhlinek během vysychání zůstává doménou cementů a betonu, výztuž není schopná při malém otevření trhliny efektivně přenášet napětí. Naši předci o náchylnosti reaktivních cementů ke vzniku trhlinek dobře věděli; namátkou [11], [12], [13]. Pro exteriérové prvky se úspěšně využívaly cementy s pomalejšími náběhy pevností. Svědectví o tom podávají staré betonové vozovky, přehrady či československé opevnění. Dlouhodobé nárůsty pevností a schopnosti samohojení jsou dalším možným benefitem směsných cementů.

Trvanlivost a životnost konstrukcí se stává důležitým kritériem 21. století, ať už z pohledu spotřeby materiálu, energií, či nákladů na údržbu. Cementy s pomalejšími náběhy pevností tak poskytují účinnou a ověřenou strategii za cenu mírného zpomalení rychlosti výstavby.

 

Literatura

[1]   BURROWS, R. W. The visible and invisible cracking of concrete. ACI international, 1998.

[2]   HLAVATÝ, J., ŠMILAUER, V., SLÁNSKÝ, B., DVOŘÁK, R. Opatření k prodloužení životnosti cementobetonových krytů vozovek – část I. Silniční obzor. 2019, 80(6), s. 164 – 168.

[3]   MAC, M., YIO, M., WONG, H., BUENFELD, N. Analysis of autogenous shrinkage-induced microcracks in concrete from 3D images. Cement and Concrete Research. 2021, 144:106416.

[4]   KANAVARIS, F., AZENHA, M., SOUTSOS, M. N., KOVLER, K. Assessment of behaviour and cracking susceptibility of cementitious systems under restrained conditions through ring tests: A critical review. Cement and Concrete Composites. 2019, 95, pp. 137 – 153.

[5]   HUA, C., ACKER, P., EHRLACHER, E. Analyses and models of the autogenous shrinkage of hardening cement paste. Cement and Concrete Research. 1995, 25(7), pp. 1457 – 1468.

[6]   BAROGHEL-BOUNY, V., MOUNANGA, P., KHELIDJ, A., LOUKILI, A., RAFAI, N. Autogenous deformations of cement pastes. Part II. W/C effects, micro – macro correlations, and threshold values, Cement and Concrete Research. 2006, 36, pp. 123 – 136.

[7]   HLAVATÝ, J., ŠMILAUER, V., SLÁNSKÝ, B., DVOŘÁK, R. Opatření k prodloužení životnosti cementobetonových krytů vozovek – část II. Silniční obzor. 2019, 80(7 – 8), pp. 193 – 197.

[8]   ŠMILAUER, V., HAVLÁSEK, P., GASCH, T., DELAPLACE, A., BOUHJITI, D.E.-M., BENBOUDJEMA, F., BRIFFAUT, M., KANAVARIS, F., AZENHA, M. Hygro-mechanical modeling of restrained ring test: COST TU1404 benchmark. Construction and Building Materials. 2019, 229.

[9]   ÖN B 3327 – 1. Zemente gemäß OENORM EN 197 – 1 für besondere Verwendungen – Teil 1: Zusätzliche Anforderungen. 2005.

[10] PATZÁK, B. OOFEM – an object-oriented simulation tool for advanced modeling of materials and structures. Acta Polytechnica. 2012, 52(6), 59 – 66. Dostupné z: oofem.org

[11] Beton-Strassenbau in Deutschland. Deutscher Zement-Bund, 1936.

[12] BECHYNĚ, S. Stavitelství betonové – I: Technologie betonu. Praha: SNTL, 1954.

[13] BÁRTA, R. Chemie a technologie cementu. Praha: ČSAV, 1961.

 

Článek vznikl za podpory Grantové agentury České Republiky v rámci řešení projektu 21 – 03118S.

 

Článek byl posouzen odborným lektorem.

The article was reviewed.

Autoři

RESISTANCE OF cements AGAINST CRACKING DURING DRYING OUT

Shrinkage of cement paste during drying often causes visible surface cracking, which adversely affects the service life of the structure. Experiments show that cements with a slow strength gain are much more resistant to cracking during drying at. The paper presents results of an unique trial of 25 Portland and blended cements in a ring shrinkage test which consistently confirmed the beneficial effect of a slower hydration. However, due to the growing pressure on the speed of construction, there are currently only a few of these cements available on the Czech market. The results from the ring-tests are supported by a hygro-mechanical model.

Pojmy v tomto článku

1/2022 Technologie | 10. 3. 2022 | Věda a výzkum

Měření hydratačního tepla cementu

Článek popisuje izotermní kalorimetrickou zkoušku cementu, která se používá ke stanovení vývoje hydratačního tepla cementu a navíc poskytuje i cenné informace o rychlosti a mechanismu hydratace konkrétního cementu. V článku jsou kromě postupu zkoušky prezentovány a komentovány...
3/2021 Mosty | 10. 9. 2021 | Věda a výzkum

Deformace symetricky a nesymetricky vysychajících betonových nosníků

V příspěvku jsou prezentovány výsledky experimentální studie dlouhodobého chování běžného konstrukčního betonu, jejíž jádro tvoří měření průhybu symetricky a nesymetricky vysychajících prostě podepřených nosníků s rozpětím od 1,75 do 3 m. Výsledky tohoto výzkumu pomohou identi...
6/2020 Inženýrské stavby | 15. 12. 2020 | Věda a výzkum

Předběžný návrh betonu a postupu výstavby návodního líce polderu Kutřín na řece Krounka

Příspěvek shrnuje předběžný návrh a posouzení dvou přehradních betonů pro stavbu návodního líce polderu Kutřín na Chrudimsku. Na betonech byl stanoven vývoj pevností, mrazuvzdornosti, základního dotvarování a hydratačního tepla. Chování betonu v tahu společně se vznikem trhlin...