Jedním z nejdůležitějších ukazatelů tepelné odolnosti cementu je poměr cementového kamene k účinkům zvýšených teplot. Proces ohřevu cementového kamene je doprovázen fázovými přeměnami, vypařováním vody uvolněné z krystalických hydrátů, změnami pórovitosti a v důsledku toho poklesem pevnosti. Tepelná odolnost cementu se zpravidla posuzuje podle stupně snížení pevnosti. V závislosti na teplotních podmínkách provozu betonu se používají různé cementy: portlandský cement, hlinitanové cementy různého složení, tekuté sklo atd. Nejperspektivnější jsou vysokohlinité cementy, které zajišťují vysokou požární odolnost betonu.
Pro organizaci výroby vysokohlinitého cementu v Podolsk-Cement OJSC byla vytvořena průmyslová instalace skládající se z elektrické obloukové pece – plazmového reaktoru a pomocného zařízení: zásobníky surovin pro různé typy speciálních slínků, mísič pro zpětné získávání tepla, dutá anoda a katoda, chladič taveniny pro různé režimy chlazení speciálních slínků.
Plazmový reaktor je kovový válec, vyložený zevnitř dvěma vrstvami žáruvzdorného materiálu (beton ShTsU a VGTs) a chlazený zvenku cirkulující vodou. Dno a víko plazmového reaktoru jsou vyloženy VHC betonem a chlazeny přes vodní kesony s cirkulující vodou. Průměrná tloušťka ostění byla zvolena experimentálně a je 250 mm.
Skříň plazmového reaktoru má řadu technologických otvorů pro zajištění plnění vsázky, vypouštění taveniny, odběru vzorků plynů, zapalování reaktoru a vnitřní kontroly reaktoru za provozu.
Pomocí zavedeného zařízení podnik neustále vyrábí cement s vysokým obsahem oxidu hlinitého požadovaného složení. Možnosti instalace jsou skvělé – je schopna vyrobit jakýkoli vysokohlinitý cement od monominerálního až po polyminerální složení s přídavkem různých látek zvyšujících požární odolnost cementu.
Pro studii jsme použili vysokohlinitý cement, vyznačující se následujícím obsahem (hm. %): monoaluminát vápenatý CA – 32, dialuminát vápenatý CA2 – 60, další příměsi – 8. Jako přísady byly použity mikrooxid křemičitý a organická kyselina.
Je známo, že při hydrataci vysokohlinitého cementu vznikají metastabilní vápenaté hydrohlinitany CAN10, C2AN8, které následně rekrystalizují do kubické formy C3AH6. Pro stanovení míry jejich vlivu na změnu struktury a pevnosti cementového kamene při jeho zahřívání na vysoké teploty byly v první fázi připraveny různé hydrohlinitany podle metod publikovaných v literatuře.
Při ohřevu SAN10 do 100 °C je ztráta krystalizační vody 3 mol., při 150–170 °C se odstraní 1,5 molekuly H20, při 260–280 °C – 5 mol. H20 a zbývajících 0,5 molekuly se odstraní při 800–900 °C. Fázová analýza podle dat XRD je tedy prezentována nejprve amorfní hmotou a poté CA a A203.
Tabulka č. 1: Výsledky zkoušek studovaného cementu.
Při zahřátí ztrácí C2AN8 vodu: při 100 °C – 1 %, při 170 °C – 1,5 % a při 300–320 °C – 5,5 %. V tomto případě dochází k postupné změně fáze z C2AH7 na C2AH4, která se zcela rozloží a přemění v amorfní hmotu. Při 600 °C je detekován vzhled minerálu C12A7 (d = 0,480, 0,263 nm).
Při zahřívání C3AH6 se hlavní část vody (4,5 mol H20) odstraní při 310–320 °C. Zbývajících 1,5 mol. H20 se odštěpí při 500 °C. Zahřívání vzorku na 600 °C je doprovázeno tvorbou C12A7 a CaO. Přítomnost volného vápna v cementovém kameni je nežádoucí, protože při cyklickém ohřevu a chlazení je možná přeměna Ca(OH)2 na CaO, což je doprovázeno destrukcí cementového kamene, snížením pevnosti a za určitých podmínek dokonce , jeho zničení.
Fyzikálně-chemické studie procesu hydratace a dehydratace vysokohlinitého cementu s přísadami i bez nich ukázaly, že při 20 °C vzniká především C2AH8 (GC bez přísad), který překrystaluje na C3AH6, za přítomnosti mikrosiliky – sterlingitu C2ASH8, a organická kyselina podporuje tvorbu CAH10. Při zahřátí cementového kamene na 200 °C se zvyšuje stupeň hydratace všech cementů v důsledku zrychlení reakcí interakcí složek s fyzikálně adsorbovanou vodou umístěnou ve struktuře cementového kamene. Zvyšuje se množství hydratačních produktů, vyplňují póry v cementovém kameni a zvyšuje se jeho pevnost.
Složení hydratačních produktů je přitom v bezpřídavném vysokohlinitém cementu zastoupeno kubickým hydrohlinitanem vápenatým, v cementu s přídavkem mikrosiliky – křemičitanem vápenatým a v cementu s přídavkem organické kyseliny – hexagonálním hydrohlinitanem vápenatým.
Při dalším zvyšování teploty ohřevu se krystalochemická voda odděluje od struktury hydrátu, zvyšuje se pórovitost a snižuje se pevnost cementového kamene. Stupeň snížení pevnosti závisí na složení cementu. Cementy s přísadami vykazují nižší pórovitost a vyšší pevnost ve srovnání s těmi bez přísad.
Bylo zjištěno, že v přítomnosti přísad se rekrystalizace původně vytvořených hydroaluminátů vápenatých zpomaluje a převládá stupeň hydratace. Výsledné hydráty vyplňují póry a tím snižují pokles pevnosti cementového kamene.
Na základě výzkumu byl vyroben beton s použitím vysokohlinitého cementu bez a s přídavkem specifikovaných materiálů. Jak je známo, vlastnosti žáruvzdorného betonu závisí na charakteru kameniva, které zajišťuje vytvoření kontaktní zóny mezi cementovou pastou a kamenivem. Existuje mnoho studií kontaktní zóny mezi kamenivem a cementovým kamenem. Podle většiny z nich závisí destrukce betonové konstrukce především na míře adheze mezi kamenivem a cementovou pastou. Studie ukázaly, že hlavní složkou kontaktní zóny je hydroxid vápenatý, který určuje především vazbu cement-kamenivo. Tato vazba je zajištěna epitaxním růstem krystalů hydroxidu vápenatého na povrchu plniva. Mikrostruktura kontaktní zóny se obvykle vyznačuje vysokou porézností a přítomností velkých krystalů hydroxidu vápenatého. Tyto údaje jsou však typické pro betony na bázi potlandského cementu. Když je cement s vysokým obsahem oxidu hlinitého hydratován, jak je uvedeno výše, tvoří se hydrohlinitany vápenaté a hydroxid hlinitý. Proto bylo vhodné prostudovat, jak se v tomto případě tvoří struktura kontaktní zóny.
K vyřešení tohoto problému byly provedeny studie s použitím tradičního šamotu jako hrubého i jemného kameniva. Pro srovnání jsme vzali směs sestávající ze šamotu jako velké složky a mikrosiliky jako jemného kameniva. Vzorky betonu byly zahřáté na 100–1200 °C a poté zkoumány XRF, IR a optickou mikroskopií. Mikroskopické studie ukázaly, že částice šamotu jsou obklopeny produkty hydratace cementu s vysokým obsahem oxidu hlinitého. Tloušťka kontaktní zóny je 10–15 mikronů. Kontaktní zóna vzniká v důsledku epitaxního růstu krystalů hydrohlinitanu vápenatého na povrchu částic šamotu. Kontaktní zóna mezi mikrosilikou a cementovou pastou je obtížně viditelná kvůli jemnému propletení produktů dehydratace částic cementu. Na povrchu částic mikrosiliky je pozorována vrstva vzájemného klíčení produktů její hydratace a cementu. Při zvýšení teploty na 1200 °C vzniká v důsledku reakce amorfovaných částic vzniklých z dehydratovaných složek vysokohlinitého cementu a mikrosiliky mullit.
Studie vzorků obsahujících šamot jako plnivo prokázaly, že se objevují mikrotrhliny podél zrn plniva, tj. podél kontaktní zóny. U vzorků s mikrosilikou se vytváří velmi hustá kontaktní zóna, táhnoucí se jak podél původních nehydratovaných částic, tak hydratovaných fází, což je zřejmě důvodem vysoké pevnosti betonu. V souladu s tím je pórovitost vzorků velmi nízká.
Tabulka č. 2: Pevnost betonu při tvrdnutí za normálních podmínek a po zahřátí.
Studium vzorků po zahřátí na 1200 °C ukázalo výrazně vyšší zbytkovou pevnost betonu s příměsí šamotu a mikrosiliky. Vzorky měly vysokou tepelnou odolnost – 30 cyklů střídavého sušení a vlhčení.
Velmi efektivní je tedy použití vysokohlinitého cementu v kombinaci s kamenivem tvořeným šamotem a mikrosilikou. Uvedený vysokohlinitý cement a beton na jeho bázi se doporučují pro obložení různých tepelných jednotek.
V případě požáru se vlastnosti železobetonových konstrukcí projevují požární odolností a tepelnou odolností. Teplota tání betonu je 1100–2000 °C v závislosti na vnitřním složení přidávaném do roztoku. Počínaje 200 °C dochází ke snížení pevnosti a praskání, ale materiál je poměrně ohnivzdorný a pomalu se upravuje kvůli nízké rychlosti povrchového ohřevu. Teplo se uvolňuje, jak se voda odpařuje, když se cement rozpadá, což mu umožňuje odolávat krátkodobému vystavení vysokým teplotám. Pro stavbu se doporučuje použít beton s tepelně odolnými vlastnostmi.
Vliv vysokých teplot na beton
K destrukci materiálu dochází vrstva po vrstvě v důsledku oslabení pevnosti a tlaku par pronikající do pórů konstrukce. Struktura se mění v důsledku vysoké teploty v různých rozsazích:
- Pokud teplota požáru nedosáhne 200 °C, konstrukce se nestlačí. Při 250 °C a nízké vlhkosti nastává stadium křehkého lomu.
- Při působení tepla do 350 °C vznikají na povrchu betonu trhliny v důsledku smršťování materiálu.
- Při teplotách dosahujících 450 °C vznikají trhliny v závislosti na složení cementu a jeho vlastnostech.
- Teploty nad 573 °C ničí strukturu betonové vrstvy v důsledku změny vlastností α-křemene na β-křemen a zvětšují objem.
- Teplotní podmínky nad 750 °C vedou k úplné destrukci betonu.
Betonové díly by se neměly během požáru zalévat, protože to vede k praskání materiálu s destrukcí horní vrstvy ochrany a odkrytím výztuže.
Teplota tání betonových konstrukcí
Metody pro stanovení kritických teplot a napětí pro řešení problémů požární odolnosti byly publikovány v časopise Civil Engineering v roce 2010. Podle toho se tavenina každého prvku, který je součástí cementového kamene, mění v závislosti na přítomnosti i malého množství nečistot. Bod tání je určen vnějším stavem:
- Před dosažením 300 °C se barva struktury stává růžovou a saze ulpívají na vrchní vrstvě.
- Při 600 °C zčervená a saze vyhoří.
- Při vyšších teplotách beton bledne.
Za nejzranitelnější části při požáru jsou považovány ohýbací prvky: trámy, desky a příčky. Výztuž v těchto konstrukcích je pokryta tenkou vrstvou betonu. Proto se tato část rychle zahřeje na kritické teploty a zhroutí se. Podle informací stavební dokumentace o výpočtu požární odolnosti a požární bezpečnosti železobetonových konstrukcí je jeho zbytková pevnost po standardním požáru považována za přijatelnou při zachování základních charakteristik. Výpočet se provádí na základě návrhového zatížení, odolnosti betonové vrstvy a výztuže. Při výstavbě se často instaluje nejiskřící podlaha. Zakryjte ji epoxidovou bází nebo polyuretanem.
Vlastnosti žáruvzdorného betonu
Žáruvzdorný beton se vyrábí z materiálů, které při vystavení vysokým teplotám nemění své vlastnosti. Pro zvýšení tepelné odolnosti se používají následující metody:
- Aby se zabránilo tavení, hoření a jiné destrukci, jsou do roztoku zavedeny hliníkové a křemíkové komponenty.
- Pro dosažení standardní hustoty až 600 MPa/cm² se do kompozice přidává portlandský cement.
- Do směsi se přidávají porézní vulkanické nebo umělé ohnivzdorné horniny.
Složení pórobetonu zahrnuje minerální plnivo na bázi křemíku. Vzhledem k tomu, že křemík má antipyretické vlastnosti, je tento materiál nejčastěji používán ve stavebnictví se zvýšenými požadavky na nebezpečí požáru. Kromě toho se ohnivzdorné typy používají pro výrobu spalovacích komor, tepelných elektráren atd.
Úroveň požární odolnosti železobetonových konstrukcí a sloupů
Železobetonové konstrukce s tenkými stěnami obecně nemají jediné monolitické spojení s ostatními částmi. Jsou schopny odolat teplotě plamene a plnit své základní funkce po dobu 1 hodiny. Maximální úroveň požární odolnosti je dána rozměrem průřezu konstrukce, typem výztuže, kvalitou třídy betonu, zvoleným druhem kameniva, ochrannou betonovou vrstvou a zatížením, které konstrukce unese.
Hranice trvanlivosti podlah, stěn a sloupů závisí na kvalitě cementové malty, jejích vlastnostech a tloušťce konstrukcí. Za nejpevnější je považována ocel s teplotním zatížením do 1570 °C. Oheň naklání stěny na stranu při požárech kvůli zahřívání na jedné straně. Čím větší je zatížení a čím menší je tloušťka vrstvy, tím nižší je úroveň odporu. Sloupy mohou odolat porušení v důsledku působení zatížení (středového nebo mimostředového), množství a kvality hrubého kameniva, objemu výztuže a ochranné vrstvy betonu.
