Pevnost betonu (Stress strenght of concrete) je velikost napětí dosaženého v místě porušení při zániku celistvosti betonu. Jednodušeji řečeno: je to pevnost betonu, při které se zkušební těleso poruší. Beton patří ke kompozitním materiálům s výrazně rozdílnými pevnostmi v tlaku a tahu. Pevnost v tahu je obvykle pouze kolem 1/10 pevnosti v tlaku.
Pevnostní třídy betonu
Pevnost betonu definuje pevnostní třída. Dříve se pevnostní třída betonu označovala velkým písmenem B a číslem podle normy ČSN 732400. Tato norma už je však zastaralá a nepoužívá se. Místo ní platí od 1. 7. 2014 norma ČSN EN 206.
Podle starého označení byl jeden z nejpoužívanějších typů beton B20. Dnes se nabízejí konstrukční betony s pevnostní třídou od C12/15 až do C50/60. To znamená, že je možné dodat i méně pevné nebo naopak mnohem pevnější betony, než je typický beton B20.
„C“ v C20/25 označuje slovo „Concrete“, což je v angličtině slovo beton. Čísla za „C“ nám říkají, jak silný beton je. První číslo (20 v C20/25) říká charakteristickou pevnost. To je minimum, jak silný beton by měl být, když je zatížený. Někdy se nazývá nominální pevnost a dává nám trochu víc prostoru.
Tato čísla jsou důležitá, protože každý stavební projekt má jiné potřeby. Pokud budujete něco, co nebude nést mnoho váhy, jako je malý zahradní chodníček, bude stačit beton s nižší pevností. Vybírání správné pevnostní třídy betonu není jen o splnění minimálních standardů; jde o zajištění dlouhodobé bezpečnosti a odolnosti vaší konstrukce.
Čtěte také: Vše o bobkovišni na živý plot
Pro základy běžných rodinných domů na rovinatých pozemcích je zpravidla dostačující beton C12/15 nebo již zmíněný C16/20, beton na základovou desku bývá o třídu vyšší a pro monolitické stropy je nutné využít pevnostní třídu minimálně C20/25.
Specifikace betonů (C25/30 apod.) nelze brát jako doporučení. Specifikaci (pevnost) betonu najdete v projektové dokumentaci.
Zkoušení pevnosti betonu
Pevnost betonu v tlaku je základní mechanickou vlastností, která se určuje na krychlích 150×150×150 mm nebo válcích průměru 150 mm a výšky 300 mm. Pro širší možnost vyhodnocení bylo pro každou sérii zkoušek vyrobeno 6 krychlí a 3 válce. Podle tvaru zkušebního tělesa, na kterém se zkouška provádí, jde buď o pevnost v tlaku krychelnou nebo válcovou.
K rozdělení na třídy podle pevnosti v tlaku se používá tabulka 7 normy ČSN EN 206+A2 pro obyčejný a těžký beton a tabulka 8 téže normy pro lehký beton. Pevnost v tlaku fck,cyl se stanovuje po 28 dnech na válcích o průměru 150 mm a délce 300 mm, nebo fck,cube na krychlích o délce hrany 150 mm.
Výsledky zkoušek pevnosti v tlaku uvádí tab. 3 a 4. Rozptyl hodnot koeficientu je v intervalu od 0,79 do 0,89. Vyhodnocením zkoušek krychelné a válcové pevnosti v tlaku je možné velmi dobře rozlišit příznivý vliv drátků. Pevnost v tlaku však velmi výrazně závisí také na orientaci vláken a ta může mít za následek, že výsledná pevnost v tlaku s množstvím přidaných drátků klesá. Tento problém je možné také nalézt u jiných experimentálních programů. Výsledný přepočtový koeficient 0,83 mezi krychelnou a válcovou pevností je v dobré shodě s doporučeními, které nejčastěji uvádějí hodnotu 0,85.
Čtěte také: Tipy pro zdění starých cihel
Zkoušení tahové pevnosti drátkobetonu
Zvýšení pevnosti betonu v tahu je možné přidáním drátků do betonu. Drátkobeton patří do širší skupiny vláknobetonů. Vláknobeton existuje v celé řadě variant, které se liší použitým materiálem a tvarem vláken. V některých případech je výhodnější využití drátkobetonu ve srovnání s prostým betonem nebo železobetonem. Jedná se zejména o návrh průmyslových podlah a základů [P1]. V případě návrhu těchto konstrukcí je potřebný podrobný popis materiálových vlastností drátkobetonu [P2].
Materiálovým vlastnostem a použití drátkobetonu se věnuje řada doporučení a standardů, např. Vlastnosti drátkobetonu se prokazují zejména laboratorními zkouškami [P12]. Mechanické vlastnosti ovlivňuje kromě množství drátků také technologie zpracování, ošetřování a uložení. Je třeba věnovat pozornost ověřování vlastností [P13] a návrhu životnosti [P14]. Testování materiálových vlastností drátkobetonu se věnuje řada autorů [K14], [K15].
Mezi klíčové materiálové vlastnosti drátkobetonu patří pevnost v tahu. Testování pevnosti betonu v jednoosém tahu je však náročné a často vzniká rozptyl naměřených hodnot [K19]. Testování pevnosti v jednoosém tahu je náročné. Vzniká zde často velký rozptyl naměřených hodnot. Zkouška je citlivá na okrajové podmínky a to zejména na uchycení zkušebního tělesa. Právě tato mechanická vlastnost je však vyžadována jako fundamentální při využití pokročilých numerických simulací a analýz.
Mezi obvyklejší metody zkoušení patří testování pevnosti v tahu za ohybu. Zde však existuje celá řada variant. Konfigurace testů se liší rozměry zkušebních vzorků, metodou zkoušení a úpravou vzorků. Jedná se zpravidla o tříbodové nebo čtyřbodové zkoušky, vzorky se často upravují s vrubem do 1/3 výšky průřezu nebo alternativně 25 mm.
Při podrobnějším popisu mechanických vlastností drátkobetonu patří mezi časté problémy, že experimentální programy a zkoušky se zaměřují na vybranou materiálovou vlastnost. Vzniká zde také otázka homogenity a rozptylu naměřených hodnot. Tyto faktory následně komplikují použití naměřených materiálových vlastností pro numerické simulace skutečného chování konstrukčních prvků [P15, P16, P17].
Čtěte také: OSB desky a jejich tloušťka pro podlahové aplikace
Experimentální program
Článek se věnuje zkoušení a následnému stanovení tahové pevnosti drátkobetonu s podílem drátků 25, 50, 75 kg/m3. Testovaly se čtyři ucelené série, každá zkušební série zahrnovala více než 23 vzorků. V rámci testování bylo provedeno několik variant ohybových zkoušek. Jedná se o čtyři varianty, které se liší rozpětím (500 mm nebo 600 mm), vrubem (s vrubem, bez vrubu) a konfigurací zatížení (tříbodová, čtyřbodová zkouška).
Použitá betonová směs patří do skupiny běžných betonů určených pro konstrukční účely (např. základy, podlahy). Příprava směsi proběhla na betonárně specializované na transportbeton v průběhu roku 2016. Maximální zrno betonové směsi bylo 16 mm a vodní součinitel 0,6. Pro beton byl použit portlandský rychle tuhnoucí cement 42,5 MPa. Beton obsahuje také plastifikátor Stacheplast, podrobněji viz tab. 1 a [P15].
Na základě průzkumu trhu a dostupnosti byl zvolen typ drátku Dramix 3D 65/60 BG [P18]. Tyto drátky patří k běžně dostupným v betonárnách a výrobnách betonových prvků v České republice, ale také ve světě (Evropa, Brazílie, Čína, Turecko).
Laboratorní program zkoušení byl rozdělen do čtyř částí. Zkušební série zahrnují vzorky bez drátků a vzorky s drátky s dávkováním drátků 25, 50, 75 kg/m3.
Zkoušky v příčném tahu
Mezi nejrozšířenější způsoby testování pevnosti v tahu patří zkouška v příčném tahu. Je možné využít zkušebních těles ve tvaru krychle nebo válce. S ohledem na kapacitu laboratoře a provádění zkoušek bylo pro testování využito krychlí. Z výsledků testů je patrný nárůst pevnosti v tahu u vzorků s obsahem drátků. Pevnost v tahu se zvětšila o necelý 1 MPa, to je přibližně o 50 %. Nárůst tahové pevnosti u vyztužených vzorků je však už velice malý.
Zkoušky v příčném tahu velmi dobře ilustrují vliv drátků na růst tahové pevnosti, a to i při množství drátků 25 kg/m3. S větším množství drátků však také roste rozptyl naměřených hodnot tahových pevností. Zejména to platí pro směs s drátky 75 kg/m3.
Tříbodový ohyb
Mezi další běžné zkoušky patří tříbodový a čtyřbodový ohyb. Existují různé konfigurace, které se liší především rozpětím podpor, polohou zatížení nebo hloubkou zářezu. V rámci experimentálního programu byly vybrány čtyři varianty a každá zkouška se prováděla vždy pro dva vzorky. Výpočet pevnosti v tahu je ovlivněn předpokladem rozložení napětí po průřezu a nelineárním chováním betonu. Dochází zde k plastizaci betonu a vznikání mikrotrhlin.
Pro testování jsou zvoleny dvě varianty zkoušek. Zkouška označená 3B600 je pro trámec nominální velikosti 150×150×700 mm, rozpětí 600 mm a průřez má zářez vysoký 50 mm. V případě této zkoušky je lokalizováno místo vzniku trhliny. Druhá varianta označená 3B500 je pro trámec nominální velikosti 150×150×600 mm a rozpětí 500 mm. Místo vzniku trhliny se v tomto případě lokalizuje pod silou v místě, kde je nejmenší pevnost. Souhrnně jsou výsledky uvedeny v tab. 6. Z provedených zkoušek je možné stanovit funkční závislost mezi množstvím drátků v betonu x a pevnosti v tahu za ohybu.
Čtyřbodový ohyb
K častým zkouškám zaměřených na tahovou pevnost patří také čtyřbodová zkouška na ohyb. Využívá se také například v doporučení/standardu [11]. V rámci experimentálního programu jsou opět navrženy také dvě varianty 4B600 a 4B500.
Zkouška označená 4B600 je pro trámec nominální velikosti 150×150×700 mm a rozpětí 600 mm. Vzdálenost mezi podporami a silami je 200 mm. Vznik trhliny se lokalizuje u dolního povrchu trámce mezi silami. Druhá varianta čtyřbodové zkoušky na ohyb je označená 4B500 a je určena pro trámec nominální velikosti 150×150×600 mm a rozpětí 500 mm. Zkouška se liší od předchozí umístěním sil. Souhrnně jsou výsledky uvedeny v tab. 7. Z provedených zkoušek je možné stanovit funkční závislost mezi množstvím drátků v betonu x a pevnosti v tahu za ohybu.
Porovnáním výsledných funkční závislostí mezi tří a čtyřbodovou ohybovou zkouškou se ukázalo, že nižší hodnoty mají tahové pevnosti čtyřbodové zkoušky. Důvodem je větší oblast, kde se tahová trhlina může lokalizovat.
Přepočet na jednoosý tah
Zkoušky pro určení tahové pevnosti v ohybu nebo pevnosti v příčném tahu je však možné využít k dopočtu pevnosti v jednoosém tahu pomocí známých vztahů, které jsou ověřeny na velkém množství experimentů. U betonu nižších pevností se doporučuje volit součinitele u dolní hranice.
Shrnutí výsledků zkoušení drátkobetonu
Předložený článek prezentuje vybrané možnosti zkoušení a určení pevností v tahu pro drátkobebeton založený na běžném betonu nižší třídy. Experimentální program zahrnuje čtyři série vzorků pro beton a drátkobeton s dávkováním drátků 25, 50, 75 kg/m3. K určení pevnosti v jednoosém tahu se využívá více zkoušek. Jedná se o ohybové zkoušky a zkoušky v příčném tahu. Pro získané hodnoty tahové pevnosti jsou stanoveny funkční závislosti s ohledem na množství drátků. Získané funkce velice dobře vystihují rostoucí trend tahové pevnosti. Výsledné rozdíly v tahových pevnostech pro odlišné zkoušky je možné považovat za malé.
V současnosti je použití dávek 50 až 75 kg drátků na m3betonu prakticky vyloučené. Betonové směsi s těmito dávkami drátků jsou totiž nečerpatelné, což by technologii provádění velkorozměrových průmyslových podlah mimořádně komplikovalo. Běžný obsah drátkové výztuže se v současnosti v praxi pohybuje v intervalu od 20 do 35 kg/m3. Článek zřetelně na několika typech zkoušek v tahu za ohybu prokazuje vzestup ohybové pevnosti betonu s přídavkem drátků na úrovni 25 kg/m3, a to o cca 25 %. Tato dávka se současně může podílet i na vzestupu tlakové pevnosti. Naopak vyšší dávky drátků, i když dále přispívají ke zvýšení ohybové pevnosti, výsledné pevnosti betonu v tlaku snižují.
Z hlediska praktického užití drátkobetonu je však třeba zdůraznit, že úloha drátků nespočívá pouze v dílčím zvýšení ohybové pevnosti betonu, ale zejména v jeho schopnosti omezit, resp. blokovat vznik smršťovacích trhlin. To umožňuje provádět větší dilatační/smršťovací celky, tedy podlahy bez tzv. řezaných smršťovacích spár, které jsou v případě provozu těžších manipulačních prostředků velmi zranitelné.
Tabulka: Přehled pevnostních tříd a jejich použití
| Pevnostní třída betonu (ČSN EN 206) | Typické použití | Charakteristická pevnost v tlaku (MPa) |
|---|---|---|
| C12/15 | Základy běžných rodinných domů na rovinatých pozemcích | 12 (válcová) / 15 (krychelná) |
| C16/20 | Základy běžných rodinných domů na rovinatých pozemcích | 16 (válcová) / 20 (krychelná) |
| C20/25 | Základové desky, monolitické stropy | 20 (válcová) / 25 (krychelná) |
| C25/30 | Konstrukční prvky s vyšším zatížením | 25 (válcová) / 30 (krychelná) |
| C50/60 | Vysoce namáhané konstrukce | 50 (válcová) / 60 (krychelná) |