Trvanlivost cementového betonu 2 – modifikace na bázi mikrosiliky

Tedy rozhodně se nejedná o žádný popílek ani jiný jemný materiál vzniklý mletím. Obecně je tak nazýván kondenzát křemičitých par velmi jemné amorfní struktury. V anglické literatuře se kromě pojmu mikrosilika někdy používá i přesnější označení, které by v doslovném překladu znělo „kondenzovaná křemičitá pára“, ve zkratce CSF. Obvykle se nevyrábí záměrně, ale vzniká spíše jako vedlejší produkt výroby ferrosilicia, tzn. přísad pro legování oceli. Materiál bohatý na sloučeniny křemíku – obvykle písek – se taví nejčastěji v odporové elektrické peci, přičemž vznikají páry. Ty jsou zachyceny a kondenzují na chladných kondenzátorech. Tavenina a tím i složení jejích par se přirozeně liší podle teploty tavení, resp. jejího průběhu na začátku a konci procesu. Odlišných legovacích přísad je v základním členění vyráběno a používáno asi šest a s těmito odlišnostmi koresponduje i složení vznikajícího kondenzátu.

Na trhu je mikrosilika dostupná ve formě kalů, resp. mokrých past, nebo suchého prášku. Typická velikost jejích částic, které jsou tvořeny dominantně SiO₂ s dalšími příměsemi v objemu 5–10 % hmotnosti, se pohybuje mezi 0,1 a 0,2 mm. Její složení je kolísavé a velcí dodavatelé jej deklarují rozbory, podobně jako např. výrobci cementu. Materiál známých a garantovaných vlastností je pochopitelně lépe využitelný a tím také při nákupu poměrně dražší než málo homogenní směsi odpadního kalu.

Druhotná hydraulicita je příčinou určitých obtíží při skladování a trvanlivosti tohoto materiálu. Za přítomnosti vlhkosti, resp. vody, a event. alkálií dochází k postupné hydrataci. To může vést ke znehodnocení např. u volných hald, kaší apod. Jednotlivé částice se při tvrdnutí spojují, roste jejich velikost a klesá reakční schopnost. Takový materiál je sice možné znovu přepracovat, ale za cenu dalších nákladů. Z tohoto pohledu je optimální forma suchého prášku slisovaného ve vakuu. Sníží se tak objem i obsah vzduchu, a tedy i riziko kontaktu s vlhkostí. Někteří dodavatelé mají práškový materiál chráněný hydrofobním filmem, který se při míchání rozpadne.

Mikrosiliku lze charakterizovat jako umělý pucolán. Její hydraulické vlastnosti se po aktivaci portlandským cementem projevují růstem hydratačního tepla, urychleným tvrdnutím a nárůstem výsledné pevnosti betonu. Snad ještě významnější je ale její vliv na složení a strukturu tvrdnoucí cementové pasty. Dochází zde totiž k formování většího počtu menších pórů, než je tomu u běžné směsi bez této modifikace, což je dáno z části mechanicky, neboť tření vyvolané v uložené směsi brání formování a spojování prostor vyplněných vodou, a z části chemicky druhotnou účastí v hydratační reakci cementu.

Naznačená charakteristika je velmi významná z hlediska odolnosti betonu, potažmo trvanlivosti konstrukcí, protože většina degradačních procesů na betonu je spojená s působením vody buď jako zdroje kyslíku pro řadu reakcí, nebo jen jako migračního média pro různé agresivní roztoky, a nakonec i přímého destrukčního činitele při její změně v pevné skupenství.

Při určité dávce mikrosiliky můžeme tedy velice efektivně prostupnost těchto pórových kanálků omezit nebo pro kapalnou fázi vody až zcela vyloučit. Degradační procesy pak mohou probíhat pouze na omezené vnější kontaktní ploše betonového povrchu a jejich postup do nitra se výrazně zpomalí.

Zřejmě nejpodstatnějším momentem chemického chování mikrosiliky v cementové pastě je redukce obsahu oxidu vápenatého. Ten se při hydrataci s ní mění na vápenaté křemičitany běžně ve vodě nerozpustné, na rozdíl od původní formy tzv. volného vápna, které sice po skončení hydratace při vysychání betonu zatvrdne, ale při dalším kontaktu s vodou je rozpuštěno a ve formě výluhů odchází z pevné struktury, kde zanechává prázdný objem dostatečných dimenzí pro další vstup a negativní působení vody; tedy vyluhování, zavlečení agresivních složek, ale především pro její změnu na pevné skupenství. Tento proces se u běžných betonů projevuje bělavými povlaky až krápníky nebo inkrusty v místech na povrchu, kde se tyto roztoky pohybují, resp. kde se srážejí soli vodným roztokem vynášené.

V průběhu času se popsaný stav zhoršuje a s peripetiemi „ucpání“ a nového rozpouštění tak pomalu startuje druhý, po korozi ocelové výztuže nejčastější degradační proces, který zpravidla ve venkovním prostředí končí až rozpadem betonu, způsobeným střídavým mrznutím a táním vody.

Pokud se týká technologických aspektů této modifikace, jde především o již zmiňovanou velikost částic, díky níž se vyvolá obrovské tření mezi všemi částicemi základní směsi. To má důsledky negativní např. v nutnosti velmi efektivního ztekucení směsi pro míchání, dopravu a ukládání, ale naopak i velmi pozitivní např. v omezení rizika segregace směsi. Tato vlastnost umožnila mj. i reálný rozvoj torkretových technologií především mokrou cestou na kvalitativně vyšší úrovni, než tomu bylo dříve.

Dalším důsledkem velké jemnosti mikrosiliky je tendence k růstu smrštění tvrdnoucí cementové směsi.

Pro praktické použití je tedy třeba mikrosiliku doplnit o přísady pro ztekucení, resp. superplastifikaci, a systémy k omezení objemových změn, resp. šíření trhlin v počátcích tuhnutí a tvrdnutí. Někteří výrobci dodávají už přísadu komplexní, která obsahuje potřebné složky, a je tedy připravena k přímému použití. Nutnou podmínkou širokého praktického uplatnění je i dosažení potřebného rozptylu parametrů vstupních surovin – zde mikrosiliky a v hotové směsi např. i cementu. Znamená to použití mikrosiliky pokud možno z jednoho zdroje, který vyrábí stejným procesem opakovaně tytéž produkty, čímž lze dosáhnout potřebné standardizace výrobku.

Závažnost této podmínky je ostatně analogická např. u popílků, s nimiž řada výrobců betonu udělala v době nepříliš dávné své zkušenosti. Čím menší bude rozptyl vlastností na vstupu, tím větší smysl má mikrosiliku k modifikaci betonu použít a tím větší je i možnost jejího komplexního doplnění dalšími přísadami až do standardního výrobku (jakým je např. CPD AD-MIX 50). To potom umožní snadnou modifikaci dodané čerstvé směsi hotovou suchou příměsí až přímo na staveništi bez problémů s postupem prací, ztrátovými časy v dopravě apod.

Účinky modifikačních přísad se běžně hodnotí změnou sledované vlastnosti oproti srovnávací směsi. Příklad takového srovnání nám může dát následující tabulka.

  

Složení směsi v kg/m3	Referenční směs	Modifikovaná směs
písek 0/4 Dobříň kamenivo 4/8 Zbraslav kamenivo 8/16 Zbraslav cement 42,5 R Mokrá příměs CPD Ad-Mix 50 voda	820 366 642 346 – 196	840 375 658 354 20 + 7,2 kg 165
Čerstvá objemová hmotnost (měření)	2372 kg	2425 kg
Objemová hmotnost zatvrdlého betonu po 28 dnech	2370 kg	2402 kg
Sednutí kužele po namíchání                         po 30‘	80 mm 40 mm	75 mm 40 mm
Obsah vzduchu v čerstvé směsi dle ČSN ISO 4848	1,8 %	2 %
Kapilární absorpce dle ČSN EN 480-5 na oddělené maltě stáří 7 dní     po 24 h                      po 7 dnech   stáří 90 dní   po 24 h tatáž tělesa po 7 dnech   stáří 90 dní tělesa uložená v suchu                      po 24 h                      po 7 dnech	1,61 % 1,96 %   0,86 % 1,68 %       1,56 % 2,59 %	0,45 % 0,62 %   0,39 % 0,65 %       0,75 % 1,13 %
Pevnost v tlaku na krychlích dle ČSN ISO 4012                             7 dní                           28 dní	34 MPa 40,8 MPa	50,6 MPa 64,6 MPa
Pevnost v tahu za ohybu a tlaku dle ČSN ISO 4013                             7 dní     tah za ohybu                                          tlak                               28 dní tah za ohybu                                        tlak	4,46 MPa 37,2 MPa   5,61 MPa 42,3 MPa	7,48 MPa 39,7 MPa   9,91 MPa 58,5 MPa
Vodonepropustnost dle ČSN EN 12390-8                                     28 dní   max.průsak                                     ( max. průměr. hl. průsaku )	34 mm 16,0 mm	10 mm 5,8 mm

K porovnání byla použita obyčejná a modifikovaná směs, obě byly navrženy na stejnou konzistenci – zpracovatelnost a obdobnou dávku pojiva. Tabulka shrnuje přehledně porovnání jejich složení a naměřených zkoušených parametrů.

Z uvedených srovnání je patrný pozitivní posun hodnot výsledných vlastností při snížení potřebného množství záměsové vody k dosažení stejné konzistence. To se příznivě promítne do pórovitosti zatvrdlého betonu. Hodnoty kapilární absorpce ukazují účinek použité mikrosiliky. Významně se snižuje jeho vodonepropustnost a vzrůstají hodnoty mechanických pevností.

Uvedené zkušební postupy nemohly postihnout odolnost proti vyluhování při dlouhodobém styku s vodou, která je však potvrzena dlouholetým sledováním řady provedených objektů, jako jsou jímky, nádrže, podzemní stěny, šachty, opěrné zdi, podlahy, mostní konstrukce apod. Tuto vlastnost lze obtížně zkoušet už proto, že hydratace modifikované směsi zřetelně probíhá ještě po dvou letech a nekončí jako u obyčejné směsi v horizontu devadesáti dní.

Podobně zde není dokumentována odolnost proti vzniku a šíření trhlin. Tato vlastnost se sleduje např. tzv. korýtkovou zkouškou, která může sloužit k relativnímu hodnocení různých směsí mezi sebou. Objemové změny se standardně hodnotí podle smršťování trámců s osazenými měrnými kontakty, které jsou uloženy v různých definovaných podmínkách. Tato zkouška také nebyla provedena z důvodu časové náročnosti, nicméně pro modifikaci betonu je podstatné, aby byla potlačena tendence k růstu objemových změn od přidaných přísad zpět na hodnotu obyčejného betonu, která je přibližně 0,4 mm/m. Toho lze dosáhnout např. použitím vláken různých typů nebo chemickými přísadami, případně kombinací těchto možností, jako tomu je u použité komplexní přísady CPD Ad-Mix 50.

Jak plyne z předchozího textu, je modifikace betonové směsi obecně poměrně široký pojem. Jejím smyslem je vždy zlepšení výsledných vlastností v určitém směru. Většinou je taková úprava provázena i vedlejšími důsledky, které je podle míry jejich velikosti někdy třeba korigovat. V uváděném případě jde tedy zejména o objemové změny. Tyto souvislosti je dobré mít na zřeteli a otázku modifikace směsi vždy řešit komplexně, protože jenom jedno úzké hledisko může přinést někdy i nepříjemná překvapení nebo chyby v nesprávném srovnávání variant řešení.

Modifikovaný beton s příměsí na bázi mikrosiliky předčí v řadě ohledů srovnávanou běžnou směs. Lze jej úspěšně využít tam, kde nestačí trvanlivost nebo odolnost obyčejného betonu. Může přitom jít o trvanlivost v podmínkách agresivního prostředí (spodní vody, posypových solí i chemické výroby), stejně jako o parametry mechanické odolnosti, rychlost nárůstu pevnosti apod.

Tento beton je vhodný pro stavební konstrukce nebo jejich části, které by bylo v budoucnu problematické opravovat např. z důvodu obtížné přístupnosti nebo velkých ekonomických ztrát spojených s výpadkem výrobních technologií, nesených těmito stavebními konstrukcemi. V řadě případů může modifikace betonové směsi vést i ke zjednodušení technologie, např. tam, kde taková primární ochrana postačí pro určitou expozici agresivním podmínkám.

Vhodné uplatnění lze najít i v oblasti sanací, kdy je třeba doplňovat zcela rozrušené části konstrukcí. Cena sanace při použití speciálních hmot může být v takovém případě neúměrně vysoká a použití obyčejného betonu může zase přinést pouze opakování poruchy v relativně krátké době, pokud příčina poškození např. u chemických technologií působí dál. Tehdy je použití modifikovaného betonu zajímavé technicky i ekonomicky. Modifikace základní směsi až v autodomíchávači na staveništi umožňuje její operativní použití v konstrukci bez nároků na zvláštní technologie v porovnání s běžnou betonáží.

Využití takto modifikovaného betonu je u nás zatím bohužel stále v počáteční fázi, na rozdíl od technologicky vyspělejších oblastí, jako jsou Skandinávie, Kanada, Japonsko nebo Jižní Korea, kde už řádově desítky let patří mezi betonářské technologie vyšší kvalitativní úrovně.

 

K tomu, aby mohl být modifikovaný beton efektivně využit, je ovšem třeba správně navrhovat nejen směs samotnou, ale i postup jejího zpracování, ošetření a v neposlední řadě i řízeného smršťování; tzn. minimalizovat všemi postupy rozvoj a velikost trhlin. Dříve býval součástí realizační dokumentace i projekt organizace výstavby, který měl tyto souvislosti řešit ve větším celku i detailech a podrobných technologických postupech. Dnes bohužel tato oblast v potřebné podrobnosti běžně zpracovávána není, a tak tu často dochází k opakovaným chybám.