Vysokohodnotný beton vysoké pevnosti (UHPC - Ultra High-Performance Concrete) již není v České republice neznámým materiálem. Unikátní jemnozrnný materiál vynikající svou trvanlivostí a vysokými pevnostmi byl v posledních letech s úspěchem aplikován na několika konstrukcích dopravní infrastruktury a též na prvcích pozemních staveb. Aktuálně také probíhají činnosti spojené s tvorbou předpisů pro zkoušení, navrhování a provádění konstrukcí z UHPC. Pokud se však vyhodnotí efektivita stavby z UHPC, je obvykle velmi konkurenceschopná. UHPC je stále považován za drahý materiál.
Vysokohodnotný beton vysoké pevnosti neboli UHPC (Ultra High-Performance Concrete) byl vyvinut začátkem 90. let 20. století s cílem vytvořit cementový kompozit, který by se vyznačoval vysokou pevností a zejména trvanlivostí. Směs kameniva, cementu, jemných součástí, jako je např. mikrosilika, vody a chemických přísad byla schopna dosáhnout vysoké pevnosti v tlaku, avšak materiál byl velmi křehký a pro využití v praxi nevhodný. Bylo třeba zajistit vyšší houževnatost a omezit křehké porušování, a proto se do směsi začala přidávat vlákna přispívající též nárůstu tahové pevnosti. Často se proto název upravuje na UHPFRC (Ultra High-Performance Fibre Reinforced Concrete). Nejčastěji jsou užívána vlákna ocelová - jemné drátky o délce do 20 mm a průměru 0,1 až 0,2 mm s vysokou tahovou pevností.
Ocelové drátky mají nevýhodu v citlivosti na korozi a též v tom, že mohou zejména na hranách konstrukce vyčnívat ven, což je z uživatelského hlediska nevhodné. Proto se zkoumají možnosti použití jiných typů vláken na bázi umělých hmot (polyetylen, polyvinylalkohol) nebo na bázi skla, uhlíku apod. Původní idea spočívala v tom, že UHPC bude materiál s vysokou tlakovou pevností přesahující 150 MPa. Vývoj však ukázal, že pro aplikace jsou rozhodující další parametry, a to zejména trvanlivost a pevnost v tahu. Proto se nyní vývoj zaměřuje na dosažení vysokých tahových pevností. Zároveň se ukázalo, že vysoká odolnost vůči účinkům prostředí je dosažitelná, pokud tlaková pevnost přesahuje cca 120 MPa. Podrobnější popis historického vývoje UHPC je uveden v [1].
Zkušenosti s trvanlivostí UHPC
První aplikace realizované v 90. letech 20. století již dosahují věku přes dvacet let a je již možné začít je hodnotit z hlediska trvanlivosti. Ve zprávě [2] byly podrobně zkoumány předpjaté nosníky umístěné v chladicí věži atomové elektrárny v relativně agresivním prostředí. Nosníky byly vyrobeny v roce 1996 a pevnost UHPFRC dosahovala cca 200 MPa. Přibližně po 10 letech provozu byly vlastnosti nosníků podrobně zkoumány a výsledky dopadly velmi optimisticky. Modul pružnosti i pevnost betonu dosahovaly stabilních hodnot (54 GPa, 240 MPa), průnik chloridů byl pod hranicí měřitelnosti a karbonatace se vyskytovala pouze v tenké vrstvě, patrně v souvislosti s povrchovými usazeninami.
Druhá zkušenost s trvanlivostí UHPFRC byla získána na nadjezdu nad dálnicí u Bourg les Valence [3]. Most byl postaven z nosníků z UHPFRC o pevnosti 180 MPa v roce 2001 jako první silniční most z tohoto materiálu na světě. Podrobný průzkum nosníků byl proveden v roce 2012 a výsledky opět ukázaly vynikající působení UHPFRC. Po 12 letech provozu byl obsah chloridů v betonu minimální, pevnosti dosahovaly na malých vývrtech v průměru 263 MPa a modul pružnosti 73 GPa. V obou sledovaných případech bylo dosaženo vynikající trvanlivosti po 10 až 12 letech u materiálů s vysokou počáteční pevností. Bude však třeba ověřit trvanlivost i u UHPFRC s nižšími počátečními pevnostmi, u nás však zatím není dostatek aplikací.
Čtěte také: Složení betonu
Navrhování konstrukcí z UHPC a legislativa
Navrhování konstrukcí z UHPC je stále v začátcích. Zejména ve státech, kde se používá důkladná legislativa, je prosazení aplikace UHPC stále složité. Neexistují předpisy pro jeho navrhování ani pro zkoušení. Doporučení vydaná v Německu už v roce 2013 nejsou pro úřady postačující, a tak se aplikace nemohly rozšířit. Směrnice už byla vydána ve Francii ve formátu evropské normy. Ve velmi krátké době se předpokládá vydání dokumentu mezinárodní organizace fib, který by měl též sjednotit názory na běžný drátkobeton a na UHPC. Snížením minimální pevnosti UHPC a neustálým zvyšováním pevností vysokopevnostních betonů (HSC, HSFRC) se pomalu stírá spodní hranice pevnosti pro materiál označovaný UHPC (UHPFRC) a nemělo by smysl, aby se navrhování i ověřování kvality principiálně odlišovalo.
Nejvíce aplikací UHPC dnes pozorujeme ve východní Asii, kde se více než předpisům věnuje pozornost zkušenostem a ověřování na reálných konstrukcích. UHPC jako vysokohodnotný materiál nachází uplatnění nejen u celých konstrukcí, ale v omezených případech také u některých detailů, při zesilování či rekonstrukcích. Takové využití je velmi ekonomické, neboť se vysokohodnotný materiál využije právě tam, kde je nejvíce třeba.
Terminologie v oblasti vysokohodnotných a ultra vysokohodnotných betonů
Terminologie v oblasti vysokohodnotných a ultra vysokohodnotných betonů je celosvětově nejednotná a lehce zmatečná. Rozdílný je výklad jednotlivých zkratek, ale i parametry, které by měl daný materiál splňovat.
- HPC - vysokohodnotný beton (high-performance concrete) - do této skupiny patří betony od pevnostní třídy C55/67 výše.
- HSC - vysokopevnostní beton (high-strength concrete). Vzhledem k tomu, že naprostá většina vysokopevnostních betonů je zároveň vysoce odolná vůči vlivům prostředí, lze je rovnou označit za betony vysokohodnotné, tzn.
- UHPC - ultra vysokohodnotný beton (ultra high-performance concrete) - v počátku byly za UHPC považovány jemnozrnné betony s válcovou pevností v tlaku od 150 MPa výše. Jeho dalšími zásadními parametry jsou vysoká odolnost vůči vlivům prostředí daná vysokou hutností materiálu a vysoká reziduální pevnost daná vysokým obsahem drátků (1 až 3 %). Postupem času se začala v různých předpisech snižovat požadovaná minimální pevnost v tlaku až na úroveň okolo 120 MPa. Toto snížení pevnosti má odůvodnění v nepotřebnosti vysoké pevnosti v tlaku (oproti pevnosti v tahu a odolnosti vlivům prostředí) a zvýšení dostupnosti materiálu pro stavby. Dále se, zejména na evropském trhu, začalo rozmáhat označení UHPFRC pro ultra vysokohodnotný drátky vyztužený beton (ultra high-performance fibre reinforced concrete). Tímto označením se začaly označovat všechny UHPC vyztužené drátky, což byly téměř všechny UHPC. Naopak v USA se dodnes všechny tyto materiály značí jako UHPC, ať už jsou s drátky, nebo ne.
Složení UHPC
Všeobecně platí, že se zvyšující se pevností se v betonu zvyšuje dávka pojiva i příměsí, snižuje vodní součinitel a zmenšuje maximální zrno kameniva.
- NSC - u betonů běžných pevnostních tříd je jejich složení dáno zejména dostupností jednotlivých vstupních materiálů, typem výsledného betonu, který má ze směsi vzniknout (rozhodující je zejména pevnost a konkrétní vliv prostředí) a ekonomikou. Kamenivo je používáno především z lokalit blízkých výrobně betonu. Maximální zrno je běžně 22 mm a objem hrubého kameniva je nejčastěji okolo 35 %. Objem cementu je běžně v rozmezí 250 až 450 kg/m3 a vodní součinitel bývá v rozmezí 0,4 až 0,7.
- HPC - u vysokohodnotných betonů jsou pečlivěji voleny složky s ohledem na jejich kompatibilitu a výsledné parametry. Oproti NSC je většinou voleno drcené kamenivo s vyšší pevností a rovnoměrnými parametry. Obsah hrubého kameniva je mírně nižší než u NSC (cca 30 %) a maximální zrno je většinou voleno 16 mm. U vysokohodnotných betonů je velmi často jako příměs využíván křemičitý úlet (mikrosilika).
- UHPC - při návrhu ultra vysokohodnotných betonů je nejdůležitější návrh plynulé křivky zrnitosti kompletní směsi, od nejjemnější mikrosiliky až po hrubé kamenivo. Zároveň je zásadní kompatibilita jednotlivých složek, především superplastifikátoru a cementu. Hrubé kamenivo je voleno se zrnem maximálně 8 mm, velká část směsí ale hrubé kamenivo vůbec neobsahuje. Dávka cementu činí přes 500 kg/m3 a vodní součinitel se pohybuje okolo hodnoty 0,2. Část cementu tak zůstává nezhydratovaná a zastává funkci plniva. Ve směsi je obsažen vysoký podíl příměsí (mikrosiliky) pro dosažení vysoké hutnosti a odolnosti.
Materiálové charakteristiky UHPC
Materiálové charakteristiky UHPC jsou značně odlišné od běžného nebo vysokohodnotného betonu. Z tohoto důvodu se o UHPC často mluví jako o cementovém kompozitu a ne o betonu. Při zkoušení UHPC se sledují podobné charakteristiky jako u betonu, ale zkušební metody a zkušební tělesa musí být pro zajištění vypovídající hodnoty zkoušky pozměněna.
Čtěte také: Betonová dlažba Brož
Pevnost v tlaku
Pevnost v tlaku je základním parametrem UHPC. Jak již bylo popsáno výše, dříve byla brána minimální pevnost v tlaku pro UHPC 150 MPa stanovená na válci o průměru 150 mm a výšce 300 mm. Často je pro UHPC také používáno stejné značení a stejné poměry pevností v tlaku na válcích a krychlích jako pro běžné betony. Je ale ověřeno, že se zvyšující se dávkou drátků se poměr pevnosti v tlaku na válci a krychli dostává z běžného poměru 1 : 1,25 až na poměr 1 : 1. Pevnost UHPC je proto vhodné definovat pouze jednou pevností a na jednom typu tělesa. Doporučeným tělesem je válec. Stejně tak má velký vliv i velikost tělesa. Výsledky na zlomcích trámečků 160 × 40 × 40 mm jsou nadměrně optimistické, oproti tomu výsledky na krychlích o hraně 150 mm jsou zbytečně konzervativní. Za optimální s ohledem na zrnitost, velikost drátků, rozptyl výsledků a dostupnost adekvátně silných lisů se ukazují válce o průměru 100 mm a výšce 200 mm pro průkazní zkoušky a krychle o hraně 100 mm pro kontrolní zkoušky během výroby.
Pevnost v tahu
Pevnost v prostém tahu se zkouší zejména během návrhu matrice. Jako minimální pevnost v prostém tahu matrice UHPC je uváděna hodnota 7 MPa (v dokumentech Federal Highway Administration, USA). U nás se pevnost v prostém tahu zkouší především na válcích o Ø100 mm a výšce 200 mm, zkouška ale není příliš rozšířena a je nahrazována zkouškou v tahu za ohybu, příp. Pevnost v tahu za ohybu je parametrem, který by měl být v projektové dokumentaci pro UHPC stanoven vždy, protože zásadním způsoben ovlivňuje skladbu a cenu směsi. Zároveň by mělo být stanoveno, jaké hodnoty a jakou metodou budou sledovány. Sleduje se zejména chování betonu po vzniku trhliny. Tah za ohybu se prioritně zkouší na trámcích o rozměrech 700 × 150 × 150 mm zatížených buď 3bodovým ohybem na trámci se zářezem, nebo 4bodovým ohybem na trámci bez zářezu. Zkouška pevnosti v tahu za ohybu 3bodovým ohybem dává rovnoměrnější výsledky a umožňuje v průběhu zkoušky měřit šířku trhliny. Nejdůležitějšími zjišťovanými parametry jsou zbytková pevnost v tahu za ohybu dle ČSN EN 14651 + A1 při CMOD1 - fR,1 a poměr fR,3/fR,1 stanovený při stejné zkoušce. Zbytková pevnost fR,1 stanovuje napětí v tahu za ohybu při rozevření trhliny 0,5 mm a definuje tak jakousi pevnost v tahu za ohybu po vzniku trhliny. Poměr fR,3/fR,1 určuje poměr napětí v tahu za ohybu při rozevření trhliny 2,5 a 0,5 mm a jedním číslem popisuje tvar grafu závislosti tahu za ohybu a rozevření trhliny.
Odolnost vůči vlivům prostředí
Odolnost UHPC vůči vlivům prostředí je jedním z jeho hlavních benefitů. Díky své velmi hutné struktuře je odolnost materiálu běžnými metodami v podstatě neměřitelná. Např. při zkoušce odolnosti proti vodě a chemickým rozmrazovacím látkám i při několikanásobném navýšení množství cyklů dochází k odpadům na úrovni chyby měření. Maximální průsak tlakovou vodou i průnik chloridů jsou tak v podstatě neměřitelné.
Smrštění UHPC
Celkové smrštění UHPC je v porovnání s běžným betonem na podobné úrovni, tzn. Značně odlišné je ale rozdělení celkového smrštění na smrštění z vysychání a autogenní smrštění, stejně jako průběh smrštění v čase. Největším rozdílem je rychlý průběh smrštění v prvních hodinách tuhnutí betonu, kdy během několika hodin proběhne až 30 % celkového smrštění. Jiný podíl autogenního smrštění a smrštění od vysychání vyplývá z odlišného složení směsi. Vzhledem k minimálnímu obsahu vody a nízkému vodnímu součiniteli většina vody zhydratuje s cementem, vysychá jí tedy pouze minimum, a tím je dáno velmi nízké smrštění od vysychání.
Konzistence UHPC
Konzistence UHPC je v naprosté většině případů samozhutnitelná. Výjimkou jsou směsi určené pro přibetonávky, které se při aplikaci musí udržet ve spádu. U samozhutnitelných verzí je důležitým parametrem viskozita betonu. V některých případech, zejména u tenkostěnných konstrukcí, je nutno stanovit maximální viskozitu směsi, při které ještě lze konstrukci správně probetonovat. Pro zkoušení viskozity lze použít platné předpisy pro samozhutnitelný beton, je však nutno stanovit meze splnitelné betonem UHPC. Vysoká viskozita směsí UHPC je dána zejména vysokým obsahem plastifikátorů a nízkým obsahem vody. Při snižování viskozity nesmí docházet k segregaci směsi. Pro stanovení viskozity se doporučuje použít stupeň viskozity T500, stanovený při zkoušce sednutím-rozlitím dle ČSN EN 12350 - 8.
Čtěte také: Půjčovna pil na beton – vyplatí se?
Zkoušení UHPC
Zkoušení UHPC je velmi zásadní problematikou při navrhování a realizaci konstrukcí. Vzhledem k vlastnímu charakteru jemnozrnné směsi je velmi důležitým faktorem velikost a typ použitých zkušebních těles. Typy zkušebních těles vycházejí z běžně používaných zkušebních postupů a norem pro jednotlivé zkušební postupy. V některých případech jsou rozměry zkušebních těles optimalizovány (zmenšeny) a upraveny tak, aby bylo možné vzorky zkoušet na běžných zařízeních. Ověřování vlastností čerstvého UHPC se na stavbě omezuje na zkoušení konzistence (viz předchozí kapitola) a měření teploty směsi. Při odběrech zkušebních těles je velmi důležitým faktorem jejich ošetřování a uložení. Rychlý nárůst pevností umožňuje odbednění prvků ve velmi krátkém čase. Materiálové parametry je tak v některých případech nutné stanovovat již v raném stadiu. Ověřování pevností a rychlostí jejich náběhu je prováděno zejména nedestruktivními metodami, např. V mnoha případech realizace zejména inovativních konstrukcí či jejich částí je nutnou součástí ověřování předpokládaných vlastností velkoformátovými zkouškami. Absence platných norem je důvodem pro nutnost ověření statických funkcí konstrukcí tak, aby byla prokázána jejich spolehlivost. Kromě toho jsou nutné velkorozměrové zkoušky ověřující technologické postupy výroby prvků nebo složitějších částí konstrukcí z UHPC. Kontrolou materiálových parametrů směsi uložené do konstrukce či experimentálního vzorku se věnuje francouzská směrnice popsaná v závěru tohoto článku.
Provádění konstrukcí z UHPC
Provádění konstrukcí z UHPC se od běžných betonáží velmi liší. Důvodem je zejména vysoká viskozita, samozhutnitelnost a nutnost pečlivého ošetřování čerstvě uloženého betonu. V současné době se nepředpokládá náhrada běžných betonů materiálem UHPC v běžných monolitických konstrukcích. Vzhledem k ceně UHPC, která je zhruba 10× vyšší než cena běžného betonu, jsou nejčastějším uplatněním konstrukce, kde je využito minimum materiálu UHPC s maximálním užitkem.
Zpracovatelnost
Jak bylo zmíněno výše, kvůli minimalizaci obsahu vody je UHPC velmi viskózním materiálem. Materiál je velmi lepivý, takže během přepravy vyžaduje speciální péči, ať už se jedná o přepravu na stavbu, nebo v rámci stavby. Dokud je materiál v pohybu, bez možnosti přímého osychání, má velmi dlouhou dobu zpracovatelnosti, v závislosti na klimatických podmínkách i více než 3 h.
Ukládání betonu
Ideálním způsobem ukládky je ...
tags: #beton #broz #prerov #historie