Možnosti využitia novej generácie betónu v betónových konštrukciách

V uplynulých rokoch, ako aj v súčasnosti sa venuje vo vyspelých krajinách sveta značná pozornosť výskumu a vývoju druhov betónu novej generácie. Ide nielen o betón s vysokou pevnosťou, pri ktorom sa zaviedol názov vysokopevnostný betón (VPB), resp. v širšom pohľade na jeho komplexné fyzikálne vlastnosti vysokohodnotný betón (VHB), ale aj o jemnozrnné cementové kompozity s veľmi vysokými pevnosťami a špecifickými fyzikálnymi vlastnosťami. Pri nich sa zaužíval názov ultravysokopevnostný, resp. ultravysokohodnotný betón (UVPB, resp. UVHB).

Tieto nové druhy betónu sa v porovnaní s betónom s bežnou pevnosťou vyznačujú nielen výnimočnými fyzikálnymi vlastnosťami, ale aj špecifikami pri výbere zložiek čerstvého betónu a návrhu jeho zloženia, výrobe a spracovaní.

Charakteristika novej generácie betónov
Novými európskymi normami týkajúcimi sa oblasti betónu a betónových konštrukcií, formálne zastrešenými Eurokódom 2 (EC2), sa podľa STN EN 206-1: 2002 zaviedla klasifikácia 16 pevnostných tried betónu – od najnižšej C 8/10 až po najvyššiu C 100/115. Normou na navrhovanie betónových prvkov a konštrukcií [3] sa zaviedlo 14 pevnostných tried hutného konštrukčného betónu – od najnižšej C 12/15 po najvyššiu
C 90/105. V súčasnosti však výrobcovia betónu vedia bez väčších problémov navrhnúť a vyrobiť vysokopevnostné druhy betónu s pevnosťou v tlaku až do 140 MPa.

V odbornej literatúre [1], [2] sa zaviedlo formálne rozdelenie druhov betónu podľa pevnostných parametrov v tlaku, a to na obyčajný betón (OB), teda betón s bežnou pevnosťou do triedy C 55/60, vysokopevnostný betón po najvyššiu triedu C 100/115 podľa [1] s hornou hranicou pevnosti v tlaku do 150 MPa, teda mimo rozsahu požiadaviek noriem, a betón s veľmi vysokou pevnosťou (UVPB) – s pevnosťou v tlaku viac ako 150 MPa. Oblasť UVPB však dosiaľ nie je kodifikovaná v normách. Napriek tejto skutočnosti sú už s praktickým využitím UVPB v nosných konštrukčných prvkoch a konštrukciách určité skúsenosti, ktoré dokazujú výhody tohto progresívneho konštrukčného materiálu. Ich praktický návrh sa zvyčajne opiera o niektoré zahraničné smernice, ktoré nemajú charakter normy, ale sú návodom pre navrhovateľa nosného prvku, resp. konštrukcie z UVPB [5], [6], [7].

Materiálové a technologické špecifiká UVPB
Princíp dosiahnutia vysokej pevnosti zatvrdnutého betónu sa zakladá na štyroch základných faktoroch. Sú to: zvýšenie pevnosti zatvrdnutej cementovej matrice, využitie kameniva z hornín vysokej pevnosti, zlepšenie súdržnosti medzi cementovou matricou a zrnami kameniva a využitie trojosového (priestorového) stavu napätosti betónu v nosnom prvku [2].

Zvýšenie pevnosti cementovej matrice VPB a UVPB sa zakladá na výraznom znížení vodného súčiniteľa, ktorý predstavuje pomer hmotnosti vody (V) k hmotnosti spojiva (S). Spojivo spravidla predstavuje cement a ďalšie aktívne prímesi, ako sú kremičitý úlet (KÚ), popolček (P) a podobne. V prípade UVPB ide o čerstvý betón s veľmi nízkym vod­ným súčiniteľom s hodnotou približne 0,2. Takýto nízky vodný súčiniteľ možno dosiah­nuť iba s výrazne zvýšeným množstvom vysokoúčinných plastifikačných prísad.

Doterajšie skúsenosti s VPB s pevnosťou v tlaku približne do 100 MPa dokazujú, že takúto úroveň pevnosti možno dosiahnuť použitím kameniva s vysokou pevnosťou a zlepšením súdržnosti medzi zrnami kame­niva a zatvrdnutou cementovou matricou. To sa dá docieliť použitím druhov cementu najvyšších pevnostných tried (najmä portlandského cementu), aktívnych prímesí a vysokoúčinných plastifikačných prísad.

Zloženie UVPB je v porovnaní s „tradičným“ VPB, ktorý obsahuje hrubé zrná kameniva, postavené na inom princípe. Ide zvyčajne o jemnozrnný cementový kompozit s maximálnym zrnom kameniva menším ako 1 mm, vysokým obsahom cementu a aktívnych prímesí (najmä KÚ) a neaktívnych kremenných múčok plniacich funkciu plniva. Vhodne zvolené zloženie uvedených zložiek UVPB umožňuje vznik veľmi hutnej cementovej matrice založenej na vysokej hustote usporiadania jemných neaktívnych častíc a pevných vnútorných väzieb hydraulických produktov v mikroštruktúre zatvrdnutého UVPB. Vysoká pevnosť a hustota zatvrdnutého UVPB je príčinou jeho nedostatočnej duktility (plastické pretvorenie pred dosiahnutím medze pevnosti). Preto pri praktickom využití UVPB v nosných betónových prvkoch sa na dosiahnutie jeho požadovanej ťažnosti používa oceľová rozptýlená vláknová výstuž.

Okrem uvedených materiálových špecifík UVPB zohrávajú pri dosiahnutí jeho požadovaných vlastnosti v zatvrdnutom stave vý­znamnú úlohu aj technologické postupy dáv­kovania, miešania, spracovania a ošetrovania.

Technologický postup pri príprave a výrobe čerstvej zmesi UVPB má v porovnaní s betónom s tradičným zložením viaceré špecifiká. Vysoký obsah jemných až ultrajemných zŕn si vyžaduje použitie miešacieho zariadenia s vysokou účinnosťou miešania (obr. 1). Na dávkovanie jednotlivých kvapalných a pevných zložiek do čerstvej zmesi UVHB neexistuje jednotné pravidlo. Postup dávkovania sa vždy zakladá na overovacích skúškach s cieľom hľadať optimálny postup na základe spätnej väzby formou vyhodnotenia pevnostných parametrov vzoriek zatvrdnutého UVPB.

Obr. 2  Dávkovanie oceľových vlákien do čerstvého betónu UVPB v miešacom zariadení	Obr. 3  Čerstvá zmes UVPB s vlastnosťami samozhutniteľného betónu

Charakteristickým znakom pri príprave
čerstvej zmesi UVPB je použitie zámesí s menším objemom v porovnaní s prípravou obyčajného betónu, ktorý obsahuje hrubé zrná kameniva. Vysoká lepivosť jemných zložiek a nízky obsah vody neumožňujú ich dokonalé rozmiešanie pri veľkom objeme jednej zámesi. Dávkovaniu oceľových vlákien počas miešania čerstvého betónu treba venovať vždy zvýšenú pozornosť. Po zamiešaní musia byť oceľové vlákna rovnomerne rozptýlené v celom objeme zámesi (obr. 2). Ďalším špecifikom miešania čerstvej zmesi UVPB je tendencia „nabaľovať“ značný objem vzduchových bublín v objeme čerstvého betónu. Vysoká lepivosť a možnosť zhutňovať betón len vonkajšou vibráciou pri jeho ukladaní zabraňujú intenzívnejšiemu uvoľňovaniu vzduchových bublín počas jeho spracovania. To sa týka využitia UVPB najmä v konkrétnom nosnom prvku. Pri rozptýlenej oceľovej vláknovej výstuži v UVPB je použitie ponornej vibrácie vylúčené, keďže tento spôsob zhutňovania nepriaznivo ovplyvňuje rovnomernosť rozptylu oceľových vlákien v cementovej matrici. Z uvedeného dôvodu musí mať čerstvá zmes UVPB reologické vlastnosti samozhutniteľného betónu (obr. 3).

Ďalším špecifickým znakom čerstvej zmesi UVPB je tendencia vytvárať krustu na povrchu uloženého a spracovaného UVPB (obr. 4). Tento jav poskytuje spracovateľovi UVPB krátky čas na úpravu povrchu zhotoveného prvku. Čerstvá zmes UVPB si vyžaduje vzhľadom na veľmi malý obsah zámesovej vody (nízky vodný súčiniteľ na úrovni 0,2) intenzívne ošetrovanie. Významným faktorom ovplyvňujúcim vlastnosti zatvrdnutého UVPB je spôsob jeho ošetrovania. Doterajšie skúsenosti s UVPB v okolitých krajinách (Poľsko, ČR) ukázali, že pri UVPB s pevnosťou v tlaku po 28 dňoch do úrovne približne 130 MPa možno použiť bežný spô­sob ošetrovania kropením vodou. Dosiahnutie vyšších tlakových pevností zatvrdnutého UVPB ako 140 MPa si vyžaduje už jeho pretepľovanie v čase tuhnutia a tvrdnutia.

Využitie UVPB v nosných prvkoch a konštrukciách
Na Slovensku neboli doteraz s výrobou a praktickým využitím UVPB žiadne skúsenosti. Za prvý pokus možno považovať spoločný projekt pracovníkov firmy STACHEMA Bratislava, a. s., (Ing. Erik Zemánek, Ing. Martin Dovaľ, PhD.) a Katedry betónových konštrukcií a mostov SvF STU v Bratislave (prof. Ing. Igor Hudoba, PhD., Ing. Ján Mikuš) začatý v roku 2012. Cieľom projektu je vyvinúť UVPB s pevnosťou v tlaku 130 až 140 MPa pri prednostnom využití zložiek domáceho pôvodu na jeho výrobu. Príklad informatívneho zloženia čerstvej zmesi na výrobu UVPB s pevnosťou v tlaku 140 MPa je zrejmý z tabuľky.

Aplikácia UVPB v praxi je vzhľadom na uvádzané špecifiká v súčasnosti obmedzená. Dôvodmi sú zvýšené technologické, ako aj ekonomické nároky. Napriek týmto nevýhodám a vzhľadom na mimoriadne mechanické a fyzikálne vlastnosti zatvrdnutého UVPB je v niektorých prípadoch jeho aplikácia prínosom. Publikované výsledky výskumu v zahraniční dokazujú, že v súčasnosti sa dá vyrobiť UVPB s pevnosťou v tlaku viac ako 200 MPa. Prvý výskum možnosti využitia UVPB na zhotovenie veľmi namáhaných stĺpov sa uskutočnil v Japonsku [8]. Ak sa pevnosť zatvrdnutého UVPB v tlaku blíži k pevnosti ocele v tlaku, je legitímne uvažovať napríklad o mož­nostiach náhrady tuhej oceľovej výstuže v spriahnutých tlačených prvkoch. Prvé výsledky výskumu v Nemecku ukázali, že ide o reálnu možnosť náhrady drahej ocele lacnejším UVPB v centricky tlačených nosných spriahnutých stĺpoch.

Obr. 5  Tuhé výstužové jadrá z UVPB spriahnutého stĺpa s hladkým (a) a rebrovaným (b) povrchom
Obr. 6  Rôzne typy výstužových jadier z UVPB	Obr. 7  Výstužové kostry spriahnutých stĺpov s tuhými jadrami z UVPB

Informatívne zloženie čerstvého betónu a základné parametre UVPB

V súčasnosti prebieha na Stavebnej fakulte STU v Bratislave výskum možností využitia tuhých výstužných jadier z UVPB rôzneho typu v spriahnutých stĺpoch. Na obr. 5 a 6 vidieť rôzne typy tuhých výstužových jadier z UVPB. Kompletné výstužové kostry spriahnutých stĺpov na experimentálny laboratórny výskum overenia ich efektívnosti z hľadiska odolnosti pri centrickom namáhaní vidieť na obr. 7.

Výnimočné vlastnosti UVPB umožňujú jeho využitie v nosných prvkoch rôzneho typu. Veľmi vysoké pevnosti v tlaku a v ťahu a náhrada oceľovej prútovej výstuže oceľovou vláknovou výstužou na báze mikrovlákien umožňujú dosiahnutie extrémne subtílnych prierezov nosných prvkov. V súčasnosti sa ukazujú možnosti širšieho využitia najmä v oblasti prefabrikovaných dielcov. Na obr. 8 a 9 sú uvedené príklady prefabrikovaného strešného TT-nosníka a prefabrikovaného schodiskového ramena z UVPB.

Obr. 8  Prefabrikovaný strešný TT-nosník z UVPB	Obr. 9  Prefabrikované schodiskové rameno z UVPB

Závery
Ultravysokopevnostný betón (UVPB) patrí do skupiny jemnozrnných cementových kompozitov, ktoré sú charakteristické vysokými pevnostnými parametrami a vynikajúcimi fyzikálnymi vlastnosťami umožňujúcimi vysokú odolnosť proti vplyvom agresívnych prostredí.

Je to novodobý konštrukčný materiál určený v súčasnosti predovšetkým na vybrané účely najmä tam, kde nejde o veľké objemy, ale o vysokú pridanú hodnotu betónového prvku či konštrukcie. Je výzvou nielen pre konštrukčných inžinierov, ale aj pre architektov. Potenciál jeho využitia v praktických aplikáciách v oblasti nosných či nenosných betónových prvkov a konštrukcií je v budúcnosti veľmi veľký.

Tento príspevok vznikol za finančnej podpory vedeckého projektu VEGA č. 01/0180/10 Faktory ovplyvňujúce využitie vysokohodnotného betónu v nosných betónových prvkoch a konštrukciách.

TEXT: prof. Ing. Igor Hudoba, PhD., Ing. Ján Mikuš, Ing. Martin Dovaľ, PhD.
FOTO: archív autorov

Prof. Ing. Hudoba, PhD., pôsobí na Katedre betónových konštrukcií a mostov Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Ing. Ján Mikuš je doktorandom na Katedre betónových konštrukcií a mostov Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Ing. Martin Dovaľ, PhD., pôsobí v spoločnosti STACHEMA Bratislava, a. s.

Literatúra
1.    Aitcin, P. C.: Vysokohodnotný betón.
Praha: EBS, 2005.
2.    Hudoba, I.: Vysokohodnotný betón; materiály, vlastnosti, výroba, využitie. Bratislava: STU , 2008.
3.    STN EN 1992-1-1: 2006: Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby.
4.    STN EN 206-1: 2002: Betón. Časť 1: Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda.
5. SETRA-AFGC Ultra High Performance Fibre Reinforced Concretes. Interim Recommendation. AFGC Groupe de travail BFUP, January 2002.
6. DAfStB, State of Art Report on Ultra-High-Performance Concrete – Concrete Technology and Design, Deutscher Ausschuss fur Stahlbeton/German Associa­tion for Reinforced Concrete. Berlin, Draft 3, 2005.
7. Japan Society of Civil Engineers (JSCI): Recommendations for Design and Construction of Ultra High Strength Fibre Reinforced Concrete Structures (Draft). September 2004.
8. Park, CH. – Kim, D. S. – LEE, J. R. – Sung, Y. H. – Park. K. Y. – Tanimura, M.: Development of 200 MPa
Ultra-High Strength Concrete and Test Application for Super High Rise Buildings. In: Zborník 8. medzinárodného sympózia o využití vysokopevnostného a vysokohodnotného betónu, Tokio, Japonsko, 2009, s. 1 276 – 1 281.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.