Hydratace cementu uvolňuje teplo. V masivní konstrukci ho jádro nestačí odvést, ohřeje se o desítky stupňů a roztáhne se, zatímco povrch chladne do okolí a smršťuje se. Povrchovou trhlinu udělá ten rozdíl teplot, ne absolutní teplota a ne počasí.
Objednatel se ptá, jestli deska popraskala mrazem. Skoro nikdy ne. Popraskala sama sebou, druhý den po betonáži, když bylo hezky.
Mechanismus je nepříjemně jednoduchý. Cement v reakci s vodou vydá teplo a to teplo musí ven. U desky tloušťky deset centimetrů odejde skoro celé a nikdo si ho nevšimne. U metrového bloku odejde zlomek, protože cesta k povrchu je dlouhá a beton je špatný vodič. Jádro se proto zahřeje skoro adiabaticky, tedy jako by teplo nemělo kam odcházet, a rozdíl mezi ním a povrchem naroste během jednoho až tří dnů na hodnoty, které konstrukce v tahu neunese.
Kolik toho tepla vznikne, se dá odhadnout ze dvou čísel. Adiabatický nárůst teploty je zhruba úměrný dávce cementu, a konstanta úměrnosti závisí na druhu cementu. Rychlý portlandský cement pevnostní třídy 52,5 R dá při stejné dávce podstatně víc než struskový cement s nízkým vývojem tepla. Rozdíl mezi nimi je při dávce tři sta padesát kilogramů na kubík zhruba třicet stupňů, a to není detail receptury. To je rozdíl mezi konstrukcí bez trhlin a konstrukcí s trhlinami.
Druhé číslo je masivnost. Podíl tepla, který v jádře zůstane, roste s tloušťkou a nasycuje se: u dvaceti centimetrů je to zhruba čtvrtina, u sedmdesáti zhruba dvě třetiny, u dvou metrů už skoro všechno. Odtud plyne věc, kterou stavbyvedoucí nerad slyší. Zesílit průřez o deset centimetrů kvůli pocitu bezpečí není neutrální krok, protože se tím zvýší i teplota jádra.
Sledují se pak dvě meze a každá hlídá něco jiného. Teplota jádra nad sedmdesát stupňů otevírá riziko opožděné tvorby ettringitu, tedy poruchy, která se projeví za roky a nedá se opravit. Gradient mezi jádrem a povrchem hlídá trhliny hned teď a běžně užívaná mez je dvacet kelvinů. Splnit se dají obě, ale opačnými opatřeními, a v tom je celá past.
Proti teplotě jádra se bojuje chlazením a recepturou. Nižší dávka cementu, cement s nižším vývojem tepla, chlazené kamenivo nebo ledová tříšť v záměsové vodě. Proti gradientu se naopak bojuje zateplením povrchu, protože izolovaný povrch nechladne a rozdíl se zmenší. Jenže dobře izolovaný povrch pustí ven ještě méně tepla, takže jádro vyjede o něco výš. Kdo řeší jedno bez druhého, přesune problém, místo aby ho vyřešil.
Z toho plyne i nejčastější chyba na konci. Izolace se nesundává naráz. Když se v podvečer strhne plachta z konstrukce, jejíž jádro má padesát stupňů, povrch se během hodiny srovná s okolím a gradient vyskočí přesně do té chvíle, kdy je nejmíň vítaný. Odstraňuje se postupně, přes několik kroků, a poslední vrstva zůstává nejdéle.
Poslední poznámka patří tomu, co model neumí. Screeningový výpočet ukáže řádové hodnoty a smysl opatření, ale skutečnou teplotu zná jen čidlo zalité v betonu. U opravdu masivních konstrukcí se proto teplota měří, ne odhaduje, a předpis betonáže se píše dopředu s uvedenými mezemi. Jinak se o překročení dozvíte z trhliny.
Jak vysoko vyjede jádro a jaký bude gradient
Nástroj z druhu cementu, jeho dávky, tloušťky průřezu, teploty ukládání, teploty okolí a účinnosti tepelné ochrany spočítá adiabatický nárůst, teplotu jádra a povrchu, jejich rozdíl a čas do vrcholu hydratace. K tomu ukáže barevnou mapu průřezu a navrhne opatření podle toho, která mez je překročená. Počítá v prohlížeči, nic se nikam neodesílá. Další nástroje jsou na přehledu kalkulaček Domeum.
Časté dotazy
Proč se masivní beton trhá, i když je venku teplo? Trhliny nedělá počasí, ale rozdíl teplot uvnitř konstrukce. Jádro se teplem hydratace ohřeje a roztáhne, povrch chladne do okolí a smršťuje se. Tahové napětí z toho rozdílu překročí pevnost mladého betonu, která je zhruba desetinou tlakové.
Jak velký rozdíl teplot je ještě přijatelný? Běžně užívaná mez je dvacet kelvinů mezi jádrem a povrchem. Vedle toho se hlídá absolutní teplota jádra: nad sedmdesát stupňů se otevírá riziko opožděné tvorby ettringitu, což je porucha, která se projeví až za roky.
Od jaké tloušťky se to má řešit? Podíl tepla, který zůstane v jádře, roste s tloušťkou: u dvaceti centimetrů je to zhruba čtvrtina, u sedmdesáti dvě třetiny a u dvou metrů skoro všechno. Praktická hranice, kdy má smysl počítat, začíná u půl metru.
Pomůže, když se konstrukce zakryje? Pomůže proti trhlinám, protože zateplený povrch nechladne tak rychle a rozdíl se zmenší. Zároveň ale zvýší teplotu jádra, protože ven odejde míň tepla. Obě meze se proto řeší současně a izolace se odstraňuje postupně, ne naráz.
Z čeho to vychází
Kotva je fyzikální: exotermie hydratace cementu, tepelná setrvačnost průřezu a tahová pevnost mladého betonu, která je řádově desetinou tlakové. Rámec pro provádění dává vyhláška č. 146/2024 Sb., o požadavcích na výstavbu, návrh masivní konstrukce patří autorizovanému statikovi podle zákona č. 283/2021 Sb., stavebního zákona.
Mezní hodnoty a postupy pro masivní betonáž jsou předmětem norem, které se prodávají, takže se tady neopisují. Nástroj je screening, ne teplotní analýza, a nenahrazuje ani měření vloženými čidly, ani výpočet, který u velkých konstrukcí zpracovává projektant.
Napsal Otakar Hobza, autor kalkulaček Domeum. Ve stavebnictví dělá technický dozor investora, víc o té práci je na dozor-brno.cz.