Jak postupuje v průběhu času degradace malt a betonů a jak lze zlepšit celkovou odolnost stavebních materiálů nám ukázali zástupci Ústavu teoretické a aplikované mechaniky AV ČR, Ústavu fyziky materiálů AV ČR a Fakulty stavební Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava na základě časosběrné rentgenové mikrotomografie. Znalost smršťování cementové malty je podle jejich slov velmi důležitá pro vývoj nových materiálů, jenž by měly splňovat vysoké environmentální požadavky a zároveň zlepšovat svoji odolnost a trvanlivost. Týká se to zvláště moderních betonových a zděných konstrukcí.
Pomocí časosběrné rentgenové mikrotomografie (μXCT) pozorovali vědci vývoj vnitřního poškození v čerstvé cementové maltě během 25 hodin tvrdnutí a navrhli metodologii pro charakterizaci stavebních materiálů. Ta odhaluje rozvoj poškození během rané fáze tvrdnutí cementové malty. Z výsledku je patrné, že moderní betony mohou být velmi citlivé k tvorbě mikrotrhlin, jež se mohou v průběhu let (i vlivem dalších okolností, zejm. povětrnostních) zvětšovat.
Beton se, jak známo, skládá z pojiva, plniva a vody, přičemž se jako pojivo používá portlandský cement kvůli relativně předvídatelným vlastnostem. Smícháním těchto tří složek (pojiva, plniva a vody) vzniká cementová malta, která výrazně ovlivňuje výsledné mechanické vlastnosti betonu. A právě na ně se výzkumníci zaměřili.
Detail μXCT sestavy se vzorky cementové malty osazané termočlánky. Zdroj: ÚTAM AV ČR
Animace detail poškození v cementové maltě. Zdroj: ÚTAM AV ČR
„Během μXCT snímkování jsme měřili změnu teploty vzorku způsobenou hydratací cementu, která odráží probíhající tuhnutí cementové malty a vývoj mechanických vlastností. μXCT skenování navíc poskytuje i vhled do rozvoje poškození ve vztahu k pokračující hydrataci,“ podotýká Petr Miarka z Ústavu fyziky materiálů AV ČR. „Celkem jsme provedli 20 CT skenů během tvrdnutí malty, což umožnilo kvantifikovanou charakterizaci rozložení pórů (pórovitosti) v materiálu a studium rozvoje poškození v mezostruktuře, včetně jejich objemové a povrchové charakterizace,“ doplňuje Daniel Kytýř z Ústavu teoretické a aplikované mechaniky AV ČR.
Vizualizace šíření poškození v cementové maltě v průběhu prvních čtyř hodin tuhnutí. Zdroj: ÚTAM AV ČR
Postup zpracování tomograrafického měření: (a) nezpracovaný rentgenový snímek, (b) 2D pohled na rekonstruovaná data CT, (c) 3D pohled na pevné fáze a (d) separované póry. Zdroj: ÚTAM AV ČR
Teplota způsobuje poškození, póry vznikají už při přípravě vzorku
Studie blíže popisuje všechna měření teploty během tuhnutí malty a ukazují, že nárůst teploty je úzce spojen nejen s vývojem mechanických vlastností materiálu, ale také s rozvojem jeho vnitřního poškození. Teplota získaná během experimentu byla vědci porovnána s analytickým modelem, který ukázal relativně dobrou shodu a potvrdil tak přímé spojení rozvoje poškození s uvolněným teplem během hydratace cementu. Časosběrné snímky rovněž prokázaly, že trhlina se rozvíjí primárně v prvních šesti hodinách tuhnutí, poté se její růst zpomalí a postupně zastaví.
Znalost smršťování cementové malty pro vývoj nových materiálů
Výsledky studie byly zveřejněné v časopise Cement and Concrete Composites a slouží dle informací vědců Petra Miarka a Daniela Kytýře jako vzorová metodologie pro budoucí charakterizaci materiálů. „Uvedená inovativní metoda umožňuje detailní analýzu vnitřních defektů, jako jsou póry a trhliny, a nabízí komplexní pohled na heterogenitu materiálu. Tato metodologie může být využita pro další výzkum a vývoj nových materiálů s vylepšenými vlastnostmi, které splňují vysoké environmentální požadavky a zároveň zlepšují trvanlivost betonových konstrukcí,“ upřesňují autoři studie.
Výzkumný tým plánuje, že bude dále pokračovat ve studiu poškození během hydratace nejen v případě pojiv na bázi portlandského cementu, ale i různých bezcementových pojiv, aby takto přispěl k lepšímu porozumění rozvoje poškození a k optimalizaci užitných vlastností stavebních materiálů.
Více informací v anglickém textu Cement and Concrete Composites (Cement and Concrete Composites Volume 154, November 2024, 105736)
