Beton, jako kompozitní materiál, vykazuje značně rozdílné pevnosti v tlaku a tahu. Zatímco jeho pevnost v tlaku je vysoká, pevnost v tahu je obvykle pouze kolem 1/10 pevnosti v tlaku. Zvýšení pevnosti betonu v tahu je možné dosáhnout přidáním drátků do betonové směsi, čímž vzniká drátkobeton, který spadá do širší skupiny vláknobetonů.
Mechanická vlastnost betonu, nazývaná tahová odezva vláknobetonů, není obecně pevně definována materiálová vlastnost. Její hodnota je závislá nejen na konkrétní receptuře, množství a vlastnostech použitých vláken a typu zkoušky, ale závisí zejména také na uspořádání a orientaci vláken v konkrétním průřezu a vyhodnocovaném směru. Uspořádání a orientace vláken jsou silně ovlivněny rozměrovým efektem (size-effect - menší tělesa vykazují vyšší pevnost) a stěnovým efektem (wall-effect - dochází k usměrnění vláken o stěny formy, projevuje se nejvíce u tenkých prvků).
Experimentální stanovení ohybové pevnosti
Na Kloknerově ústavu ČVUT probíhá vývoj technologie spřažené dřevo-betonové lávky s využitím prefabrikovaných segmentů mostovky z UHPFRC (ultra-vysokohodnotného betonu vyztuženého ocelovými vlákny). Segmenty jsou navrženy jako tenké desky konstantní tloušťky z UHPFRC, vyztužené pouze rozptýlenou výztuží v podobě ocelových drátků.
Cílem experimentálního programu bylo stanovení ohybové pevnosti tenkých desek z UHPFRC. Únosnost prvků bez betonářské výztuže, vyztužených pouze rozptýlenou výztuží v podobě drátků, je v ohybu ovlivněna především orientací a distribucí vláken. Testována byla speciální tělesa - deskové pruhy o různých tloušťkách 40, 50, 60, 70 a 80 mm. Tyto pruhy byly testovány ve čtyřbodovém ohybu na rozpětí 1900 mm a ve tříbodovém ohybu na rozpětí 600 mm, a to v poloze stejné jako při betonáži a obrácené dnem vzhůru. Vyhodnocené ohybové pevnosti byly porovnány s pevnostmi stanovenými referenčními ohybovými zkouškami na trámcích o velikostech 150 × 150 × 700 mm, 100 × 100 × 400 mm a 40 × 40 × 160 mm.
Typy zkoušek tahové pevnosti betonu
U betonů běžných pevností se aplikují tři způsoby stanovení pevnosti v tahu:
Čtěte také: Více o pevnosti betonu
- test příčným tahem
- ohybem (ohybová pevnost)
- anebo prostým tahem
Každý test poskytuje jinou hodnotu - pevnost v prostém tahu, pevnost v tahu za ohybu a pevnost v příčném tahu. Na základě různých platných norem existuje pro stanovení pevnosti betonu v tahu za ohybu více typů zkoušek, které se liší zejména velikostí vzorků a statickým schématem. Zkoušky se provádějí většinou na trámcích namáhaných čtyřbodovým či tříbodovým ohybem se zářezem či bez zářezu.
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.
Tříbodový ohyb
Zkouška pevnosti betonu v tahu za ohybu 3bodovým ohybem dává rovnoměrnější výsledky a umožňuje v průběhu zkoušky měřit šířku trhliny. Pro testování byly zvoleny dvě varianty zkoušek:
- Zkouška 3B600: 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.
- Zkouška 3B500: 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.
Čtyřbodový ohyb
Čtyřbodové uspořádání zkoušky má vyšší vypovídací hodnotu o pevnosti betonu v tahu za ohybu - těleso se poruší ve střední třetině mezi oběma silami od zatížení. Protože jsou v této části nosníku při uvedeném zatížení posouvající síly rovny nule, dojde k porušení v oblasti namáhání čistým ohybem. K častým zkouškám zaměřených na tahovou pevnost patří také čtyřbodová zkouška na ohyb. V rámci experimentálního programu byly navrženy také dvě varianty:
- Zkouška 4B600: 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.
- Zkouška 4B500: Pro trámec nominální velikosti 150 × 150 × 600 mm a rozpětí 500 mm. Zkouška se liší od předchozí umístěním sil.
Rozdíly mezi 3- a 4bodovým ohybem jsou dány zejména skutečností, že v případě 3bodového ohybu je místo porušení pevně definováno, zatímco u 4bodového ohybu dochází k porušení v nejslabším místě ve vnitřní třetině rozpětí nosníku.
Čtěte také: Vývoj pevnosti betonu
Vlastnosti UHPFRC a drátkobetonu
Testovaná receptura UHPFRC byla složena z cementu CEM II 52,5N, jemného kameniva o velikosti do 2 mm, strusky, křemičitého úletu, vody, superplastifikátoru a ocelových drátků. Vodní součinitel byl cca 0,24. Drátky byly použity nedeformované, válcové, potažené mosazí o pevnosti 2200 MPa, délky 13 mm a průměru 0,2 mm s objemovým podílem 2 %.
Uspořádání a orientace vláken (v našem případě ocelových drátků) v betonové matrici není homogenní. Drátky v blízkosti bednění se orientují podélně s bedněním. Vlivem gravitace mohou drátky sedat od vrchu dolů a orientovat se spíše do vodorovné pozice. Tento rozdíl byl dán nerovnoměrným rozdělením drátků po výšce průřezu vlivem gravitace.
Komentář recenzenta prof. Ing. Rudolf Hela, CSc., VUT FAST v Brně, Ústav betonových a zděných konstrukcí: "Článek se zabývá problematikou stanovování ohybových pevností z ultravysokopevnostních betonů vyztužených ocelovou rozptýlenou výztuží pro výrobu tenkostěnných desek pro využívání ve spřažených dřevěných a UHPC konstrukcí. Tento typ technologie je zatím využíván v praxi velmi málo, zkušenosti s jeho aplikací jsou tudíž minimální, přičemž se jedná o technologii budoucnosti."
Výsledky experimentů a vliv různých faktorů
Výsledky experimentů jsou záznamy závislosti síly na průhybu, ze kterých je patrný materiálový diagram a ze kterých se následně vyhodnotí ohybová pevnost za předpokladu aplikace teorie lineární pružnosti. Tahová pevnost v ohybu je stanovena z maximální naměřené síly za předpokladu lineárně elastického rozdělení napětí po výšce průřezu a průřezové plochy v místě porušení.
Vyhodnocené pevnosti v tahu za ohybu dosáhly v případě malých trámců 40 × 40 × 160 mm hodnoty více než dvojnásobné (2,4×) oproti trámcům 150 × 150 × 700 mm. Tento výsledek potvrzuje skutečnost, že zejména vliv stěnového efektu (usměrnění drátků) je u malých těles naprosto zásadní.
Čtěte také: Beton: prvních 24 hodin
Rozdíly mezi 3- a 4bodovým ohybem byly zaznamenány okolo 8-9% u normových těles, u speciálních těles s výrazně větším rozpětím dosahovaly až k cca 25 %. Ohybová pevnost u deskových těles betonovaných ve vodorovné poloze byla cca o 20 % nižší při zatěžování v obrácené pozici. Ze zkušeností s aplikací UHPFRC vyplývá, že tenčí desky se chovají výrazně duktilněji než desky tlustší.
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.
Tabulka: Průměrné ohybové pevnosti UHPFRC pro různé zkušební konfigurace
| Typ zkoušky | Rozměry tělesa (mm) | Ohybová pevnost (MPa) | Porovnání s referenčním testem (%) |
|---|---|---|---|
| 4bodový ohyb | 150x150x700 | Referenční hodnota | 100 |
| 3bodový ohyb | 150x150x700 | Vyšší než referenční | cca 108-109 |
| 3bodový ohyb | 40x40x160 | Výrazně vyšší než referenční | >240 |
| 4bodový ohyb (deska N) | 40, 50, 60, 70, 80 tl. | Různé hodnoty dle tloušťky | |
| 3bodový ohyb (deska N) | 40, 50, 60, 70, 80 tl. | Různé hodnoty dle tloušťky | |
| 4bodový ohyb (deska R) | 40, 50, 60, 70, 80 tl. | Cca 20% nižší než deska N | |
| 3bodový ohyb (deska R) | 40, 50, 60, 70, 80 tl. | Cca 20% nižší než deska N |
Numerické simulace
Experimenty byly dále podpořeny numerickou simulací. V programu ATENA byly namodelovány zkoušky ve 3- a 4bodovém ohybu pro vyšetřované tloušťky desek 40-80 mm. Pro simulaci materiálu UHPFRC byl aplikován jeden materiálový model Nonlinear cementitious 2 pro celý průřez. Pro daný typ zkoušky byly použity vždy stejné materiálové parametry pro všechny tloušťky desek, aby byly lépe patrné odchylky dané rozdílnou distribucí vláken pro různé tloušťky desek.
Numerickou simulací v programu ATENA lze dosáhnout velmi dobré shody s experimenty, ovšem při aproximaci průřezu prvků z UHPFRC homogenním materiálem nelze materiálový model zcela univerzálně aplikovat pro různé okrajové podmínky a je nutno jej kalibrovat pro konkrétní případy dané velikostí, tvarem a způsobem odlévání prvku do formy. Určitým řešením pro možnost částečně univerzální aplikace by mohl být vrstvičkový model, který by zohledňoval rozdílnou distribuci drátků po výšce průřezu.
Vývoj norem v oboru betonového stavitelství
V posledních letech prochází systém norem v oboru betonového stavitelství poměrně turbulentním vývojem. Norma ČSN EN 206+A2, definující systém norem v oboru beton, byla vydána v prosinci 2021 jako revize předchozího znění z ledna 2016. Kromě edičních úprav došlo k doplnění definice ultra-vysokohodnotného betonu a doplnění tabulky jeho pevnostních tříd. Dále byla doplněna informativní příloha N2 Hodnocení trvalé udržitelnosti betonu včetně koeficientu trvalé udržitelnosti a jeho definice.
Je nutno upozornit, že normové zkušební trámky mají rozpětí, které je pouze malým násobkem výšky průřezu, a proto se na jejich průhybu významnou měrou podílí smykové deformace (jejich podíl činí pro tříbod cca 18 % a pro čtyřbod cca 14 % z celkového průhybu). Současné normy nezohledňují při odvozování materiálového diagramu z naměřené závislosti síla-průhyb z ohybové zkoušky vliv smykových deformací a dochází k poměrně značným odchylkám ve výpočetní predikci průhybů.
Charakteristická pevnost ultra-vysokohodnotného betonu v tlaku je válcová pevnost na tělese výšky 200 mm a průměru 100 mm, tlačené plochy upravené broušením. Kontrolní zkoušky mohou být provedeny na krychlích o hraně 100 mm. Indikátor trvalé udržitelnosti je definován jako nástroj umožňující hodnocení, porovnávání a výběr z variant složení betonu pro výrobu z hlediska udržitelnosti.
Pevnost v tahu za ohybu je parametrem, který by měl být v projektové dokumentaci pro UHPC stanoven vždy, protože zásadním způsobem 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.
tags: #pevnost #betonu #v #tahu #na #ohyb