Rozvíjející se technologie a rostoucí potřeby stavebnictví vyžadují od výrobců materiálů vývoj nových a kvalitnějších řešení. Výsledkem takového vývoje jsou kompozitní konstrukce. Kompozit obecně znamená složený materiál vzniklý spojením materiálů. V současnosti jsou nejrozšířenější mimo jiné: překližka, laminátové podlahové panely, sklokeramická hmota, OSB desky nebo beton. Ocel je z historického hlediska jedním z nejpoužívanějších materiálů. Díky své dostupnosti a vlastnostem našla uplatnění ve všech průmyslových odvětvích. Vzájemným spojením výhodných vlastností betonu a oceli vznikl ve stavebnictví nejrozšířenější a nejvíce používaný kompozit současnosti - železobeton.
Vlákny vyztužené polymerní materiály (FRP)
Vlákny vyztužené polymerní materiály (FRP) jsou kompozity skládající se z vysokopevnostních vláken obalených polymerní matricí. Vlákna jsou hlavním nositelem pevnostních vlastností a vykazují velmi vysokou pevnost a tuhost při namáhání tahem. Jednotlivé typy výrobků jsou vytvořeny z několika milionů velmi tenkých vláken, která jsou vzájemně spojena polymerní matricí ve formě určitého typu pryskyřice. Tímto je dosaženo roznášení působícího namáhání na všechna vlákna rozmístěná v kompozitu.
FRP kompozity lze obecně popsat jako materiály tvořené dvěma složkami - nosnou složkou vyskytující se ve formě jednosměrně orientovaných vláken a pojivovou složkou tvořenou polymerní matricí. Výsledné vlastnosti kompozitu jsou dány především typem a vzájemným poměrem obou složek. Vhodnou kombinací těchto složek je možné získat různé vlastnosti výztuže, a pokrýt tak široké pásmo požadovaných fyzikálně-mechanických vlastností.
Typy vláken a jejich vlastnosti
Existuje celá řada typů vláken a pryskyřic, které se používají pro výrobu kompozitních materiálů. Vlákna jsou vybírána na základě pevnosti, tuhosti a trvanlivosti vyžadované pro danou aplikaci. Nejčastěji jsou pro výrobu produktů používaných ve stavebnictví využívány tři typy syntetických vláken - skelné, aramidové (kevlarové) a uhlíkové. Nejběžnějšími typy používaných vláken jsou vlákna skelná (vzhledem k alkalickému prostředí betonu je vhodnější použít alkaliresistentní (AR) sklo), uhlíková, čedičová a aramidová.
Typem použitého nosného vlákna je dáno značení výsledného produktu:
Čtěte také: Vlastnosti kompozitní výztuže
- GFRP (výztuž tvořena skelnými vlákny)
- CFRP (uhlíková výztuž)
- AFRP (aramidová výztuž)
- BFRP (čedičová) výztuž, často používaná v zemích bývalého SSSR
Všechny typy nosných vláken jsou lineárně elastické, ale zároveň křehce lámavé. Jednotlivé typy nosných vláken je možné za účelem snížení nákladů a pro dosažení požadovaných parametrů kombinovat. Výsledkem jsou potom tzv. hybridní typy FRP výztuží.
Ortotropní chování FRP výztuží
Důležitou vlastností FRP výztuží, vyplývající z jejich fyzikální podstaty, je ortotropní chování - materiálové charakteristiky FRP výztuží dosahují rozdílných hodnot ve směru orientace nosných vláken a ve směru kolmém na tato vlákna. V podélném směru (tj. ve směru orientace vláken) jsou hodnoty výsledných vlastností dány zejména vlastnostmi vláken, zatímco ve směru příčném (kolmém na vlákna) je nositelem výsledných vlastností výhradně matrice. V konečném důsledku dosahují výsledné mechanické parametry určované ve směru vláken násobně (10x až 100x) lepších hodnot než ve směru kolmém na vlákna.
Výhody a nevýhody kompozitní výztuže
FRP materiály byly původně díky velmi dobrému poměru únosnosti ke své váze využívány především v leteckém a automobilovém průmyslu. V posledních dekádách ovšem nacházejí i širší uplatnění ve stavebnictví. Je to dáno především výhodnými fyzikálně-mechanickými a chemickými vlastnostmi tohoto materiálu.
Výhody
- Odolnost vůči agresivním chemikáliím: Kompozitní výztuže mají oproti ocelovým výztužím podstatně vyšší odolnost vůči agresivním chemikáliím (kyseliny, chloridy apod.). Jsou korozivzdorné, velmi lehké, nevodivé a netečné k působení magnetického pole (nestíní radiový signál, jsou netečné vůči bludným proudům apod.).
- Vyšší tahové pevnosti: FRP výztuže mohou mít (s ohledem na zvolené složení) výrazně vyšší tahové pevnosti než klasické ocelové výztužné vložky.
- Eliminace elektromagnetického pole: Kompozitní výztuž nevede elektrický proud a tím nevzniká elektromagnetické pole, stavba je tak nerušivá pro citlivé přístroje a elektroniku. Nevznikají indukční proudy zahřívající výztuž a celou strukturu stavby.
- Snížení stavebních nákladů: Toto řešení si vystačí s menší betonovou pokrývkou, což snižuje stavební náklady.
- Odolnost vůči karbonizaci betonu: Zabraňuje karbonizaci betonu, čímž minimalizuje škody a náklady na údržbu.
Nevýhody
- Vliv zásaditosti betonu: Vlastnosti kompozitů jsou v dlouhodobém horizontu negativně ovlivněny zásaditostí betonu (pH 12,4 až 13,7). Matrice kompozitních výztuží je navržena tak, aby ochránila vlákna, ale hydrolýzou, plastifikací a bobtnáním může dojít k degradaci matrice samotné.
- Nízký modul pružnosti: Podstatnou nevýhodou především levnějších GFRP výztuží je jejich nízký modul pružnosti (v porovnání s ocelí), který snižuje výslednou tuhost konstrukce.
- Vyšší pořizovací cena: Nespornou nevýhodou je vyšší pořizovací cena kompozitní výztuže.
- Citlivost na opakované změny napětí: Některé typy vláken, zejména vlákna skleněná, špatně odolávají opakovaným změnám napětí, ke kterým dochází v cyklicky nebo dynamicky namáhaných konstrukcích.
Možné oblasti použití FRP výztuže
Perspektivní aplikační oblastí pro použití kompozitní FRP výztuže jsou především betonové prvky vystavené působení agresivního prostředí, u nichž běžně dochází k rychlé depasivaci a následné degradaci (korozi) nosné ocelové výztuže. Jedná se především o konstrukce vystavené působení chloridů a síranů, konstrukce v oblasti výskytu bludných proudů, vyhnívací nádrže apod.
Ideální aplikační oblasti představují především betonové prvky nacházející se v chemickém průmyslu, energetice (energokanály a potrubní kanály, kolektory) a v dopravě (působení solí vlivem zimní údržby). U těchto konstrukčních prvků je vyšší počáteční investice rychle vyvážena výrazně levnějším provozem konstrukce a její delší životností.
Čtěte také: Kompozitní výztuž do betonu
Další možností použití sklolaminátových výztužných prvků je náhrada běžné betonářské výztuže v železobetonových konstrukcích. Použití nekovové výztuže může být vyvoláno nutností eliminovat nežádoucí vlivy bludných proudů, zajistit magneticky neutrální konstrukci v nemocnicích pro vyšetřovny magnetickou rezonancí (NMR) nebo CT či požadavkem na maximální eliminaci koroze betonové konstrukce vlivem rozmrazovacích prostředků (např. pojezdové plochy letišť, mostovky apod.).
Stejný typ výztuže se využívá v geotechnických aplikacích při výstavbě podzemních děl (tunely, kolektory), při stavbě podzemních stěn šachet v úsecích, kterými je nutno v dalším technologickém kroku jednoduše projít - tzv. technologie soft-eye.
Obvykle se výztužné prvky z kompozitních materiálů aplikují formou externí lepené výztuže na povrch stávající konstrukce, v některých případech jsou výztužné prvky aplikovány do drážek v konstrukci. Zmíněné výztužné prvky se v moderním stavitelství nejčastěji používají k zesilování betonových, zděných, dřevěných a ocelových konstrukcí, u kterých došlo například k překročení plánované únosnosti prvku.
FRP materiály mohou být využívány pro zvýšení ohybové pevnosti u trámů a stropních desek. Při aplikaci na boční strany trámů pak zvyšují odolnost ve smyku, obalením sloupů se zajišťuje ztužení a zvýšení únosnosti v prostém tlaku. Dále lze zvyšovat odolnost proti účinkům seismiky a větru. Betonová potrubí mohou být vyztužena pro zvýšení odolnosti proti vnitřním působícím tlakům, obdobně lze vyztužovat i různá sila a nádrže.
Otvírají se rovněž nová použití kompozitní výztuže, například v asfaltobetonových vozovkách, kde ocelová výztuž na rozdíl od kompozitní činí závažnou překážku při případných pozdějších opravách.
Čtěte také: Použití kompozitních sítí v betonových konstrukcích
Výroba kompozitní výztuže
Kompozitní výztuž se vyrábí pultruzí ze svazku anorganických vláken, pojených vhodnou polymerní pryskyřicí. Po vytvrzení pryskyřice se tažená tyč buď řeže na příslušnou délku, nebo u menších průměrů se navíjí do svitku podobně jako předpínací drát. Na trhu je výztuž s povrchem zcela hladkým, s povrchem hladkým se spirálovým ovinutím, s povrchem opatřeným pískovým posypem, s ovinutím a pískovým posypem i s povrchem žebírkovaným. Z uvedeného důvodu je nutné návrh konstrukce nebo dílců na bázi kompozitní výztuže upravit podle soudržnosti s betonem konkrétního typu výztuže.
Recyklovaný cementový kompozit
Výrobci betonu přišli se speciálním druhem recyklovaného betonu, označovaného cementový kompozit. Výroba cementového kompozitu probíhá s využitím staré stavební suti, kterou dodávají výrobcům sběrné dvory. Výhodou betonového kompozitu může být jeho nižší objemová hmotnost. To znamená, že hmotnost metru krychlového cementového kompozitu je nižší než hmotnost metru krychlového klasického betonu. Je to způsobeno zejména druhem suti, kterou je tento recyklovaný beton naředěn. Výrobci betonu však i přesto deklarují, že suť využitá k výrobě recyklovaného betonu prochází přísnou kontrolou kvality tak, aby výsledný beton splňoval přísné normy.
Parametr, který je noční můrou každého statika, modul pružnosti. Jak se ukazuje, recyklovaný beton, neboli cementový kompozit má tento parametr znatelně horší, než klasický nerecyklovaný beton. Z toho důvodu je jeho využití do značné míry omezené. Výrobce obvykle nedoporučuje využití tohoto betonu například při realizaci stropů či překladů. Abychom předešli zbytečné panice, jistě lze najít situace, ve kterých recyklovaný beton má své využití. Klasický beton, jako takový, je v mnoha využitích při stavebnictví materiálem disponující zbytečně přehnanými vlastnostmi. Tam, kde je to možné a kde beton s horším modulem pružnosti je možno použít, bude cementový kompozit jistě vítán. Ať už díky své nižší hmotnosti a nebo díky pozitivnímu dopadu na přírodu.
Kompozitní kari sítě
Kompozitní kari sítě slouží k rozmístění kompozitní výztuže např. v překladech nebo věncích, především pro vyztužování betonových konstrukcí stěn, základových desek, nebo podlah. Je vhodná pro finální betonové samo-nivelační hmoty nebo samo-nivelační betony. Ve finálních vrstvách zamezuje tvoření trhlin a umožňuje snížit krycí tloušťku betonu. Zvláště vhodná je do vlhkého nebo agresivního prostředí. Kompozitní výztuž nepodléhá korozi a je odolná proti chloridům a alkalickému prostředí a velmi vhodná k použití na betonové plochy vystavené vodě, vlhku nebo posypovým solím.
Kompozitní sítě se standardně vyrábí v šířce 100 cm s návimem v délce 50 nebo 100 bm. Rozměr rastru kompozitní sítě je 10 x 10 cm, stejný jako u běžných kari sítí. Lze také vyrobit jiný rastr, dle požadavku zákazníka. Průměr kompozitní tyče v rastru je 4 mm. Kompozitní sítě lze na objednávku dodat v jiných průměrech, rastrech i délkách. Jedná se o novinku na českém stavebním trhu.
Kompozitní síť je betonářská výztuž, která je složena z čedičového vlákna (mezinárodně označeno BFRP) a ze sklolaminátového vlákna (označeno GFRP). Kompozitní sítě jsou adekvátní náhradou za tradiční ocelovou výztuž. Jedná se o jednu z nejlepších možností, jak nahradit kari sítě (ocelová betonářská žebříková výztuž). Na pohled vypadá podobně jako kari síť, jen v místě křížení prutů je použita speciální hmota.
Dostupné jsou různé typy kompozitních kari sítí, například:
- Kompozit kari síť 2,2-50/50; délka/šířka 1400/550 mm
- Kompozit kari síť 3-100/š75 cm
- Kompozit kari síť 4-100/š120 cm
- Kompozit kari síť 6-200/200
Kompozitní materiály na bázi hořečnatých cementů
Předmětem projektu je komplexní analýza vlivu vybraných minerálních a organických příměsí a přísad na vlastnosti, trvanlivost, korozní odolnost a chování kompozitních materiálů na bázi hořečnatých cementů, které by měly nalézt uplatnění ve stavebnictví. Základním rysem výzkumných prací, které budou provedeny v rámci řešení projektu, je jejich komplexnost. Navrhované experimentální postupy zahrnují fyzikální, chemickou a mineralogickou charakterizaci surovin, vícestupňový návrh a vývoj kompozitů a podrobné studium jejich mikrostruktury, morfologie, chemického a mineralogického složení, fyzikálních parametrů, mechanických vlastností, transportních a akumulačních parametrů vlhkosti, tepla a solí. V rámci experimentální analýzy bude studována také trvanlivost, korozní a vysokoteplotní odolnost vyvinutých kompozitů.
Komplexní přístup k řešení umožní dosáhnout vyšší úrovně porozumění vlivu různých typů přísad a příměsí na parametry kompozitů na bázi hořečnatého pojiva a vytvořit tak materiály, nabízející zajímavou alternativu k dnes populárním kompozitům na bázi portlandského cementu.
Polymer-cement kompozit s fenolickou pryskyřicí
Tato bakalářská práce se zabývá přípravou a studiem kompozitního materiálu na bázi termosetického polymeru (fenolické pryskyřice) a anorganického pojiva (hlinitanového cementu). Tento polymer-cement kompozit se vyznačuje velmi vysokými mechanickými pevnostmi, tepelnou stabilitou a odolností proti vlhkosti. Speciální příprava zahrnuje vysokosmykové zpracování, které do značné míry ovlivňuje výsledné vlastnosti kompozitu.
Teoretická část odhaluje příčinu výborných vlastností, které jsou charakteristické pro tento polymer-cement kompozit a nikoli pro kompozit s jiným typem anorganického pojiva. Dále sleduje chemické a fyzikální procesy, které se odehrávají v kompozitní směsi během zpracování a tuhnutí, environmentální odolnost a obecné použití polymery modifikovaných cementů. V praktické části je uvedena laboratorní příprava fenolické pryskyřice a studium pevnosti v tahu za ohybu v závislosti na obsahu pryskyřice v kompozitní směsi. Pevnost v tahu za ohybu byla měřena na univerzálním testovacím přístroji Zwick Z010. Ke studiu mikrostruktury materiálu byla použita optická mikroskopie.
Porovnání vlastností vybraných výztuží
Vhodnou kombinací složek kompozitu je možné získat různé vlastnosti výztuže, a pokrýt tak široké pásmo požadovaných fyzikálně-mechanických vlastností. Následující tabulka porovnává průměrné hodnoty pevnosti v tahu a modulu pružnosti pro různé typy výztuží:
| Typ výztuže | Pevnost v tahu (MPa) | Modul pružnosti (GPa) |
|---|---|---|
| Ocelová | 500-600 | 200 |
| GFRP | 600-1200 | 40-70 |
| CFRP | 1500-3000 | 150-250 |
| AFRP | 1500-2500 | 80-120 |
| BFRP | 1000-1600 | 80-100 |
tags: #kompozitní #materiál #na #bázi #cementu