Partneri sekcie:

Prečo vystužovať betóny vláknami?

Prečo vystužovať betóny vláknami?

Vystuženie vláknami môže zlepšiť tie vlastnosti betónu, ktoré sa všeobecne vnímajú nie ako jeho prednosti, ale ako tie, v ktorých betón tak trocha zaostáva za niektorými inými konštrukčnými materiálmi. Je to najmä zjavne menšia pevnosť betónu pri namáhaní ťahom ako pri namáhaní tlakom, krehký charakter narušenia betónu a prejavy objemových zmien betónu, predovšetkým jeho zmrašťovanie. Všetky tieto vlastnosti sa môžu pri vystužení betónu vláknami výrazne zlepšiť.

 

Výhody vystuženia betónu vláknami

Zlepšenie vlastností betónu pridaním vláken sa dosahuje nielen pri jednoduchom betóne, ale môže sa pozitívne prejaviť aj v klasicky vystužených konštrukciách. Napríklad vyššia pevnosť v ťahu môže mať pozitívny vplyv na spotrebu výstuže v predpätých prvkoch. Podstatné zlepšenie schopnosti betónu s vláknami odolávať účinkom zaťaženia aj po vzniku osnovy ťahových trhlín, zaručené premostením trhlín vláknami, môže pozitívne ovplyvniť aj správanie konštrukčných prvkov vystužených (spevnených) klasickou výstužou.

Z technologické hľadiska je dôležité, že na rozdiel od klasického spôsobu je vystužovanie vláknami postup, pri ktorom sa výstuž ukladá do konštrukcie v priebehu jednej pracovnej operácie, teda súčasne s betónom. Použitím vláknobetónov sa tak môže vylúčiť alebo aspoň obmedziť objem prác spätých s ukladaním klasickej výstuže.

 

Vlastnosti vláken rozhodujúce pre ich funkciu

Vlastnosti betónu vystuženého vláknami ovplyvňuje mnoho faktorov. Medzi základné patria:

  • vlastnosti betónu, ktorý sa vystužuje vláknami,
  • vlastnosti použitého vlákna (najmä modul pružnosti, pevnosť v ťahu a geometrický tvar),
  • množstvo vláken v objemovej jednotke hotového vláknobetónu a ich rozmiestnenie,
  • technologický postup zhotovenia vláknobetónu (najmä postup vkladania vláken do zmesi, jej ukladanie a hutnenie).

Vo vlastnostiach betónu sa v ostatnom desaťročí významne posunuli hodnoty, ktoré možno od betónu vyžadovať. Sú to najmä moderné prísady a prímesi, vďaka ktorým sa v súčasnosti môžu vyrábať betóny s takými vlastnosťami, ktoré boli v čase pred možným použitím týchto zložiek nedosiahnuteľné, a to aj v špeciálnych laboratórnych podmienkach.

Uplatnenie drôtikobetónu – stropná doskaVlastnosti betónu sa dajú veľmi výrazne ovplyvniť práve vhodným typom vláken a ich množstvom. Prvé pokusy vystužiť štruktúru betónu sa, pochopiteľne, realizovali s oceľovými vláknami. Pri najstaršej, dosiaľ používanej technológii strihania a potom ďalšieho tvarovania nekonečného oceľového vlákna sa používa veľmi drahý polotovar. Výroba nekonečného vlákna je mimoriadne energeticky náročná. Preto sa spočiatku ako surovina na výrobu drôtikov používal drôt, ktorý nevyhovel ako surovina na výrobu niektorých iných produktov, napríklad banských lán. Napriek tomu množstvo drôtikov, ktoré sa vyrábajú v súčasnosti, je také veľké, že sa drôtovne musia venovať zhotovovaniu špeciálneho polotovaru ako samostatnej úlohe. Navyše samotná výroba drôtikov už vonkoncom nie je viazaná výlučne na technológiu strihania nekonečného drôtu. Drôtiky sa vyrábajú ešte niekoľkými ďalšími postupmi, z ktorých napríklad špeciálna technológia priameho zhotovenia z taveniny umožňuje výrobu drôtikov s unikátnymi vlastnosťami.

Funkčnosť drôtika rovnako ako klasickú výstuž ovplyvňuje schopnosť spolupôsobiť s okolitým betónom. Preto sa hľadali aj nachádzali rozličné postupy zlepšovania súdržnosti – či už v podobe úpravy koncovej oblasti vlákna, alebo pomocou úpravy geometrie jeho osi.

Kritérium hodnotenia jednotlivých úprav nie je jednoznačné. Vyrábajú sa vlákna, ktorých zakotvenie do betónu je dokonalé. Môže teda úplne využiť pevnosť ocele. Dokonalé zakotvenie však limituje možnú veľkosť deformácie na určitú hodnotu, po ktorej dosiahnutí sa schopnosť prierezu prenášať napätie znižuje skokom.

Na rozdiel od toho iné typy vláken sú zakotvené tak, že pri zväčšovaní trhliny, v ktorej vlákno pôsobí, sa postupne vysúvajú z betónu. Vlákno sa takmer nikdy nepretrhne, jeho schopnosť prenášať silový účinok je teda menšia ako pri predchádzajúcom vlákne, no vlákno umožňuje prenášať väčší pretvárny účinok. To znamená, že takto vystužený betón má väčšiu schopnosť prevziať pomerné pretvorenie. Každý z opísaných spôsobov správania má svoje výhody, a teda aj opodstatnenie pri používaní.

 

* Samostatnú otázku predstavuje problematika materiálu, z ktorého sa vlákna na vystužovanie betónu vyrábajú. Do betónu možno z hľadiska technológie pridať v podstate akékoľvek vlákno. A tak sa môžeme stretnúť s používaním vláken kovových aj nekovových, prírodných aj syntetických, organických aj anorganických. Niektoré príklady sú veľmi unikátne, napríklad použitie špeciálne upraveného peria z hydiny alebo vláken extrahovaných z podlahových krytín, ktoré už doslúžili.

* Z hľadiska fyzikálno-mechanických vlastností vláken je dôležitou charakteristikou ich ťahová pevnosť. Pozornosť však netreba venovať iba jej. Veľmi dôležitý je najmä modul pružnosti materiálu, z ktorého sú vlákna vyrobené. V súčasnosti sa vyrábajú a používajú syntetické vlákna z materiálu, ktorého pevnosť je síce takmer porovnateľná s pevnosťou ocele, ale jeho modul pružnosti je v porovnaní s oceľou menší. Nazývajú sa konštrukčné polypropylénové alebo konštrukčné polyolefínové vlákna. Tieto vlákna teda musia na dosiahnutie zhodného silového účinku absorbovať väčšie hodnoty deformácie. Tie možno v štruktúre betónu docieliť iba pri dostatočne veľkom roztvorení trhliny, ktorá je premostená vláknom. Určitým nedostatkom týchto vláken je, že technológie ich výroby zatiaľ neumožňuje realizáciu akejkoľvek úpravy ich geometrie, ktorá by zlepšila ich zakotvenie v štruktúre betónu. Jeden z výrobcov tohto druhu vláken v propagačných materiáloch spomína efekt rozstrapkania ich koncovej oblasti v betónovej zmesi. Ak by sa táto okolnosť potvrdila, znamenala by zlepšenie účinnosti týchto vláken v štruktúre betónu.

* Veľmi dôležitou charakteristikou vláken je ich mohutnosť, ktorú možno charakterizovať počtom vláken zodpovedajúcich použitému množstvu. Čím je použité vlákno jemnejšie a v dôsledku toho počet vláken v hmotnostnej jednotke vyšší, tým lepšie sa môže zaručiť splnenie požiadavky homogenity vystuženia betónu. Medzi veľmi jemné vlákna možno zaradiť jednak polypropylénové a jednak sklenené monofilamentné vlákna. Kým počty oceľových vláken sa pri bežných množstvách pohybujú rádovo v niekoľkých desiatkach tisíc kusov v 1 m3 betónu, počty ultrajemných vláken sa odhadujú (pri podstatne menších hmotnostných množstvách) rádovo na milióny kusov. Tieto jemné vlákna majú síce zanedbateľný vplyv na pevnostné charakteristiky, dokonca môže byť mierne negatívny, no môžu priaznivo ovplyvniť prejavy objemových zmien.

* Pri otázke technologického postupu zhotovenia vláknobetónu sa dá konštatovať, že vláknobetóny – okrem niektorých osobitých výnimiek – možno zhotovovať všetkými postupmi, ktoré sa používajú pri výrobe betónov bez vláken. Teda nielen klasickými technológiami liateho betónu, ale napríklad aj technológiami striekaného betónu. Pri výrobe vláknobetónových konštrukcií možno použiť aj princíp samozhutniteľného betónu.

 

Ďalší vývoj vláken

Možno považovať problematiku ďalšieho vývoja vláken za uzavretú? Odpoveď na túto otázku je jednoznačne negatívna. Možno očakávať nielen príchod nových syntetických materiálov, ale dá sa predpokladať, že uzavretá nie je ani otázka ďalšieho zlepšenia klasických, a teda aj oceľových vláken. Ani v ich prípade nemožno vylúčiť možnosť vzniku nových technológií ich výroby, a najmä ďalších úprav ich geometrie. Tak súčasní, ako aj noví výrobcovia vláken sa tomuto problému ešte vždy venujú s veľkou iniciatívou a invenciou.

Príkladom možností, ktoré vlákna poskytujú, sú tzv. karbón nanotubes, uhlíkové vlákna, ktoré sú produktom nanotechnológií. Mechanické vlastnosti týchto vláken rádovo prevyšujú napríklad vlastnosti ocele. Použitiu týchto vláken v betónovom staviteľstve zatiaľ zabraňujú minimálne dve skutočnosti: extrémne vysoká cena vláken a nedostatočne zvládnutá technológia výroby betónu vystuženého týmto druhom vláken.

Dosiahnuteľné vlastnosti vláknobetónov

Tak ako v ostatných rokoch nastal zjavný nárast limitu mechanických vlastností obyčajného betónu, tak sa relatívne rýchlo rozširujú aj možnosti, ktoré betónu prináša vystuženie vláknami. Ak sa pri betóne posunula pevnosť v tlaku až na hranicu 100 MPa, v odbornej literatúre už možno nájsť zmienky o vláknobetónoch, ktorých pevnosť v ťahu dosahuje hodnoty okolo 30 MPa, teda približne desaťnásobok dosiaľ bežnej pevnosti. Ide zatiaľ o betóny vyrobené v laboratórnych podmienkach, no prezentácia naznačuje, že ich použitie je technicky možné.

Ďalším smerom, ktorým sa vláknobetóny budú rozvíjať, je pokrok v otázke tzv. náhodnosti ich rozmiestnenia v štruktúre betónu. V tomto ohľade sa už realizujú pokusy s takou štruktúrou vystuženia, ktoré nemožno označiť ako celkom náhodné. Rozvoj tohto princípu vystuženia prinesie ďalšie zefektívnenie použitia vláknitej výstuže v betóne.

 

Perspektíva uplatnenia

Výroba vláknobetónov na úrovni, s akou sa v súčasnosti stretávame, umožňuje širšie uplatnenie než dosiaľ. Univerzita v Aachene uskutočnila v októbri roku 2004 v spolupráci s výrobcom drôtikov do betónu firmou Arcelor Trefil Arbed skúšku, ktorej cieľom bolo overiť možnosť uplatnenia drôtikobetónu pri vystužovaní lokálne podopretých stropných platní. Skúška sa vykonala na modelovej konštrukcii s reálnou veľkosťou, pri ktorej výrobe sa použil drôtobetón s vyšším obsahom drôtikov. Hlavným prínosom takto navrhnutej konštrukcie bolo podstatné zjednodušenie objemu prác spätých s vystužením konštrukcie. Nákladnosť tejto skúšky naznačuje, že betóny s vláknami nájdu ekonomicky aj technicky prijateľné uplatnenie aj v betónových konštrukciách iného typu ako iba v konštrukciách priemyselných podláh.

Článok bol spracovaný s podporou prostriedkov výskumného zámeru MŠMT 6840770027 Kvantitatívne hodnotenie rizík v stavebníctve.

TEXT: doc. Ing. Karel Trtík
Docent na Katedre betónových konštrukcií a mostov na Stavebnej fakulte ČVUT v Prahe. Autor sa zaoberá problémami technológie betónu, najmä oblasťou vystužovania štruktúry betónu vláknami. Ďalej problematikou možnosti uplatnenia nanotechnológií nielen pri skúmaní vlastností štruktúry betónu.

FOTO: Ing. Oldřich Vlasák, doc. Ing. Karel Trtík

KategórieBetonáž