Zrychlená zkouška mrazuvzdornosti a možnosti jejího využití
Zkouška mrazuvzdornosti stavebního materiálu patří mezi základní metody ověřování jeho trvanlivosti, vyjadřuje odolnost stavebního materiálu vůči výraznému střídání teplot a působení atmosférických vlivů s ohledem na jeho funkčnost a použitelnost v dlouhodobém časovém horizontu. Zkouška mrazuvzdornosti je náročná jednak časově a zároveň klade značné nároky na přístrojové vybavení zkušební laboratoře.
Tento článek popisuje výsledky projektu, který ověřoval možnost použití rychlé orientační zkoušky umožňující rychlé prvotní zařazení testovaného betonu s ohledem na jeho mrazuvzdornost. Použitá orientační zkouška vychází z ČSN 73 7325 Stanovení mrazuvzdornosti betonu zkrácenými zkouškami, která byla bez náhrady zrušena. Pro rychlé orientační posouzení trvanlivosti nově navržené, laboratorně neověřené betonové směsi by však mohla být tato metoda přínosná.
Provádění zkoušky mrazuvzdornosti – platná legislativa
V současné době je v účinnosti několik norem, které řeší problematiku stanovení mrazuvzdornosti betonu. Ty se od sebe značně liší způsobem provedení a náročností na přístrojové vybavení.
Základní zkouškou, která je u nás používána již od roku 1968, je stanovení mrazuvzdornosti dle ČSN 73 1322 Stanovení mrazuvzdornosti betonu [1]. Další praxí ověřenou a využívanou zkušební metodu popisuje ČSN 73 1326 Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek [2].
V lednu 2007 vstoupily v platnost normy:
- ČSN 73 1380 Zkoušení odolnosti betonu proti zmrazování a rozmrazování – Porušení vnitřní struktury [3]
- ČSN P CEN/TS 12390-9 (73 1302) Zkoušení ztvrdlého betou – Část 9: Odolnost proti zmrazování a rozmrazování – Odlupování [4]
Z prostudování těchto norem je patrné, že přístrojové vybavení a vlastní provedení zkoušek je, v porovnání se zavedenými zkouškami mrazuvzdornosti, značně náročné.
Metoda posuzující porušení vnitřní struktury, podle ČSN 73 1380, popisuje tři zkušební postupy. Ve všech případech je podstatou zkoušky podrobení zkušebních těles procesu zmrazování a rozmrazování při ponoření do deionizované vody nebo 3% roztoku chloridu sodného. Odolnost proti zmrazování a rozmrazování se vyhodnotí buď pomocí relativního dynamického modulu pružnosti, který se vypočítá použitím doby průchodu ultrazvukových impulzů nebo vlastní příčné frekvence po 56 zmrazovacích cyklech, nebo z měření změny délek. Porovnání metodiky této normy s postupem dle ČSN 73 1322 se věnoval výzkumný záměr VUT v Brně [5]. Jeho závěrem bylo zjištění, že ultrazvuková a ještě více rezonanční metoda jsou citlivé na změny probíhající ve struktuře betonu. Srovnávaná metoda dle ČSN 73 1322 reaguje na poruchy struktury betonu méně citlivě a výsledky této zkoušky vykazují větší rozptyl. Ačkoli dává metoda, popsaná v ČSN 73 1380, citlivější a kvalitnější výsledky, není zavedení této metody do běžné laboratorní praxe zcela reálné. Důvodem je časová náročnost zkoušky. Jeden zmrazovací cyklus totiž trvá 12 hodin, což je dvojnásobek ve srovnání s ČSN 73 1322.
Metoda stanovení mrazuvzdornosti dle ČSN P CEN/TS 12390-9 byla srovnávána se zavedenou a praxí ověřenou zkouškou popsanou v ČSN 73 1326 (metoda A i C) v rámci grantového projektu popsaného v [6]. Z výsledků tohoto grantu vyplynulo, že metoda dle ČSN P CEN/TS 12390-9 není dostatečně citlivá a přesná. Metoda nehodnotí mrazuvzdornost povrchových vrstev betonu, protože pro stanovení se používá vyříznutá deska ze středu zkušebního tělesa tvaru krychle. To je s ohledem na „předmět“ této normy do jisté míry sporné. Odlupování je proces, který předpokládáme a sledujeme na povrchu betonové konstrukce. Odpady [g/m2] zjištěné touto metodou byly, s ohledem na použité zkušební těleso, výrazně nižší než u postupu dle ČSN 73 1326. Důležitým aspektem pro polemiku o vhodnosti této metody je i skutečnost, že je nově navržená metoda zdlouhavější a její provedení přibližně třikrát dražší.
Zrychlené zkoušky mrazuvzdornosti pro laboratorní praxi
Pro malé laboratoře se základním vybavením se zavedení výše popsaných nových metod jeví z hlediska běžné praxe jako nepřijatelné. Pro orientační posouzení trvanlivosti betonu by bylo vhodné spíše zavedení zrychlené metody stanovení mrazuvzdornosti.
Obecně platí, že zkoušky mrazuvzdornosti je vhodné provádět v případě potřeby porovnání nových složek nebo nového složení betonu vzhledem ke složkám nebo složení betonu, které jsou známy a které mají pro dané prostředí odpovídající vlastnosti [3, 4]. Tento požadavek musí být dodržován a je uplatňován i při řešení výzkumných projektů. Při pilotních testováních nově navržených a ověřovaných materiálů se často setkáváme s případy, kdy fyzikálně mechanické parametry betonů po základní době zrání jsou výborné a splňují všechna požadovaná kritéria. K rozčarování mnohdy dojde po vyhodnocení zkoušek mrazuvzdornosti, kdy se testovaný beton často zcela rozpadá.
Proto jsme se rozhodli ověřit možnost využití laboratorní zkoušky a postupu popisovaného v normě ČSN 73 1325 Stanovení mrazuvzdornosti betonu zkrácenými zkouškami [7]. Ověřovaná metoda je rychlá a levná. Mohla by proto být používána pro prvotní orientační posouzení mrazuvzdornosti betonu.
Použité metody pro testování
Stanovení mrazuvzdornosti betonu dle ČSN 73 1322 je zkouška střídavého zmrazování a rozmrazování vodou nasycených betonových trámců počtem cyklů, který podle požadavku na stupeň mrazuvzdornosti betonu je dán příslušnými normami, předpisy nebo projektem. Ke zkoušce se mohou použít tělesa, která dosáhla 28 dnů zrání. Betonové zkušební trámce, vyrobené za použití portlandského cementu, jsou před začátkem zmrazování uloženy minimálně 25 dní ve vlhkém prostředí a 3 dny ve vodě. Zmrazování a rozmrazování zkušebních těles se koná ve zmrazovacích cyklech, při kterých musí být teplota mrazicího prostředí v rozmezí −15 °C až −20 °C pro betony vystavené mrazu do −20 °C a v rozmezí −18 °C až −23 °C pro betony vystavené mrazu pod −20 °C. Jeden zmrazovací cyklus se skládá ze 4 hodin zmrazování a dvou hodin rozmrazování. Při zmrazování se zkušební tělesa ukládají do prostoru, který musí mít předem požadovanou teplotu, při rozmrazování se zkušební tělesa ukládají do vody +20 °C teplé. Po ukončení každé zmrazovací etapy se vždy jedna sada zkušebních trámců (3 ks) zkouší tak, že se povrchově osuší a zjistí jejich rozměry, hmotnost a objemová hmotnost. Pak se zkušební trámce zkoušejí na pevnost v tahu za ohybu a zpravidla pevnost tlaku na koncích trámců.
Jako výsledek zkoušky se uvádějí pro každou ukončenou etapu zmrazování a pro celou zkoušku zmrazování:
- Zjištěné úbytky hmotnosti zkoušených zmrazovaných trámců v % hmotnosti
- Pevnost betonu v tahu za ohybu a zpravidla i pevnost konců trámců v tlaku, a to jak zmrazovaných, tak i porovnávacích
- Součinitel mrazuvzdornosti betonu po jednotlivých etapách a po ukončení zkoušky
Součinitel mrazuvzdornosti je poměr hodnoty aritmetického průměru pevnosti zmrazovaných trámců v tahu za ohybu k hodnotě aritmetického průměru pevnosti porovnávacích trámců v tahu za ohybu.
Beton je mrazuvzdorný na ten počet cyklů, při kterém součinitel mrazuvzdornosti není menší než 75 %.
Stanovení mrazuvzdornosti betonu nasákavostí během 24 hodin (metoda A) podle ČSN 73 1325 spočívá v tom, že se vysušené betonové vzorky uloží do vody a v přesných časových intervalech zjišťuje jejich míra nasáknutí.
Stanovení mrazuvzdornosti betonu podle metody A lze použít pro betony výrobků nebo konstrukcí, které nejsou v období mrazu v trvale mokrém stavu a jejichž pevnost v tlaku je nejméně 220 kp/cm2 (tj. cca 21,6 MPa) a dále pro betony vystavené účinkům mrazu ve vlhkém nebo mokrém stavu, byla-li mrazuvzdornost betonu podobného složení a výrobních podmínek zjištěna zkouškami podle ČSN 73 1322.
Pro zkoušku se mohou použít betonové výrobky, jejich části nebo laboratorní vzorky (trámce), které dosáhly min. 28 dnů zrání. Nejmenší rozměr vzorku nesmí být menší než 10 cm a větší než 20 cm. Vzorky se vysuší do konstantní hmotnosti, poté se uloží do vodní lázně o teplotě 20 °C (±2 °C) tak, aby hladina vody sahala přibližně 2 cm nad povrch vzorku. Po 10 minutách se vzorky z vody vyjmou, osuší a zváží. Ihned po zvážení se vzorky ponoří do vody na 30 minut, pak se opět vyjmou, povrchově osuší a zváží. Stejným způsobem se postupuje u vzorků ponořených dalších 50, 270 minut. Nakonec se vzorky ponoří do vody na 18 hodin a po této době se provede vážení naposledy.
Vyhodnocení zkoušky spočívá v tom, že se pro každou dobu ponoření do vody vypočítá nasákavost vzorku. Pro posouzení mrazuvzdornosti betonu se použije korigovaná hodnota nasákavosti vzorku pro 10minutové a 24hodinové uložení ve vodě. Korekce se provádí proto, aby se vyloučil vliv nepravidelnosti povrchu betonu.
Beton je mrazuvzdorný, jestliže aritmetické průměry hodnot nasákavosti jedné sady vzorků jsou menší než stanovené údaje, a to:
N1440 < 6,5 %
Ověření využitelnosti zrychlené zkoušky mrazuvzdornosti
Cílem projektu bylo ověřit použitelnost metody zkrácené zkoušky mrazuvzdornosti. Touto metodou by bylo při ověřování nově navržených receptur možné operativně vybrat vhodnou recepturu betonu a dříve tak rozvinout další výzkumné práce s nejlepším navrženým materiálem. Pro vlastní zkoušku jsme navrhli receptury různých typů betonu.
| Typ betonu | Jemnozrnný | Hrubozrnný | Lehký | Samozhutnitelný | Vibrolisovaný | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Konstrukční | Samozhutnitelný | Samozhutnitelný | Hrubozrnný | Popílkový | ||||
| Receptura | A | B | C | D | E | F | G | H |
| CEM I 42,5 | 500 | 440 | 440 | 370 | 370 | 360 | 330 | 330 |
| písek 0-1 | 200 | |||||||
| písek 0-4 | 1520 | 795 | 500 | 560 | 600 | 885 | 440 | |
| štěrk 4-8 | 315 | 150 | 275 | 960 | 960 | |||
| štěrk 8-16 | 670 | 550 | ||||||
| popílek | 45 | 140 | 185 | 380 | ||||
| struska | 240 | |||||||
| Liapor 4-8 | 390 | 534 | 774 | |||||
| voda | 255 | 177 | 120 | 165 | 145 | 200 | 129 | 225 |
| plast. přísada | – | 0,95 % | 1,0 % | 1,50 % | 1,50 % | 0,95 % | 0,50 % | 0,50 % |
Z navržených receptur betonů jsme vyrobili sadu zkušebních těles tvaru krychle a trámců. Na zkušebních tělesech byly stanoveny základní fyzikálně mechanické parametry hmoty po 28 a 90 dnech zrání. Přehled naměřených hodnot po 28 dnech zrání jsou uvedeny v následující tabulce.
| jednotka | A | B | C | D | E | F | G | H | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Pevnost v tahu za ohybu | MPa | 5,05 | 5,30 | 4,13 | 3,24 | 2,94 | 5,71 | 6,41 | 5,18 |
| Pevnost v tlaku | MPa | 31,12 | 38,13 | 14,57 | 12,49 | 14,53 | 37,55 | 37,68 | 27,55 |
| Objemová hmotnost | kg.m−3 | 2120 | 2300 | 1500 | 1400 | 1130 | 2200 | 2290 | 2030 |
| Nasákavost | % | 7,30 | 5,55 | 9,80 | 9,88 | 13,75 | 6,63 | 3,29 | 5,09 |
Zároveň byla sada zkušebních těles použita ke stanovení odolnosti navrženého typu betonu proti zmrazování a rozmrazování běžně používanou metodou popsanou v ČSN 73 1322. Výsledky zkoušky jsou zpracovány v grafu 1.
Z hodnot pevnosti v tahu za ohybu a pevnosti v tlaku zkušebních trámců podrobených zkoušce zmrazování a rozmrazování a sady srovnávacích těles jsme vypočítali index mrazuvzdornosti. Index mrazuvzdornosti odvozený z pevností v tlaku testovaných betonů je uveden v grafu 2.
Graf 1 – Pevnost v tlaku betonů podrobených zkoušce mrazuvzdornosti
Graf 2 – Index mrazuvzdornosti odvozený z pevností v tlaku
Graf 3 – Vyhodnocení zkrácené zkoušky mrazuvzdornosti betonu stanovením nasákavosti během 24 hodin
Poznámka: Obecně platí, že výrazně vyšší vypovídací schopnost má index mrazuvzdornosti vypočítaný z tahu za ohybu. Vyhodnocením zkoušky pevnosti v tahu za ohybu byl však zjištěn větší rozptyl naměřených hodnot. Variabilita výsledků pevnosti v tlaku jednotlivých betonů byla nízká. Hodnoty pevnosti v tlaku a z nich vypočítaný index mrazuvzdornosti tak v tomto případě zajišťovaly vyšší spolehlivost výsledku.
Tělesa tvaru krychle byla použita pro zkoušku popsanou v ČSN 73 1325 – metoda A: Stanovení mrazuvzdornosti betonu nasákavostí během 24 hodin. Výsledky stanovení touto metodou jsou uvedeny v grafu 3. Z něj vyplývá, že z hlediska krátkodobé nasákavosti splňují všechny typy betonů požadované hodnoty. Po déletrvajícím uložení ve vodním prostředí dochází u některých typů betonů k výraznému nárůstu nasákavosti. V našem testu zaznamenaly nadlimitní hodnoty betony s pórovitým kamenivem (receptury C, D, E), betony s obsahem mleté strusky (receptura F) a také normový jemnozrnný beton receptura A).
Závěr
Metoda zkrácené zkoušky mrazuvzdornosti betonu stanovením nasákavosti během 24 hodin se jeví jako vhodná pro počáteční orientační hodnocení nově ověřované receptury betonové směsi.
Použitelná je pro hutné betony s přírodním nepórovitým kamenivem (receptury B, G, H). U těchto receptur se výsledky potvrdily srovnáním s indexem mrazuvzdornosti.
Pro betony s pórovitým kamenivem je tato metoda nevhodná.
Literatura
- [1] ČSN 73 1322 Stanovení mrazuvzdornosti betonu, ÚNM, Praha, 1968
- [2] ČSN 73 1326 Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek, ČNI, Praha, 1984
- [3] ČSN 73 1380 Zkoušení odolnosti betonu proti zmrazování a rozmrazování – Porušení vnitřní struktury, ČNI, Praha, 2007
- [4] ČSN P CEN/TS 12390-9 (73 1302) Zkoušení ztvrdlého betou – Část 9: Odolnost proti zmrazování a rozmrazování – Odlupování, ČNI, Praha, 2007
- [5] Cikrle P., Pospíchal O.: Nový způsob stanovení mrazuvzdornosti betonu s využitím metod pro sledování poruch struktury, BETON 3/2011, str. 56–61
- [6] Dohnálek J., Hela R., Tůma P., Kolísko J., Hromádko J.: Zkoušení mrazuvzdornosti betonu, BETON 3/2008, str. 54–60
- [7] ČSN 73 1325 Stanovení mrazuvzdornosti betonu zkrácenými zkouškami, ÚNM, Praha, 1971
Tento příspěvek byl vypracován díky institucionální podpoře na dlouhodobý koncepční rozvoj výzkumné organizace poskytnuté MPO ČR.
A test of frost resistance of a building material belongs to standard methods of an evaluation of its durability, it expresses a resistance of a building material to a substantial change of temperature and an influence of atmospheric effects regarding to its functionality and utilization in a long-term horizon. The test of frost resistance is time demanding as well as it lays demands on a test equipment of a testing laboratory. This paper describes results of a project, which evaluated a possibility of using a quick indicative test enabling a quick evaluation of a tested concrete regarding its frost resistance. The used indicative test is derived from the standard ČSN 73 73 25 Determination of frost resistance by shorten tests, which has been cancelled without refundation. This method could be beneficial for a quick evaluation of a new designed concrete mixture non-proven in a laboratory. This paper was elaborated with the institutional support for long-term development of research organizations by the Ministry of Industry and Trade of the Czech Republic.
