Tato práce se zabývá využitím vláken v betonu. Vlákna jsou rozptýlenou výztuží, která může mít různé vlastnosti na základě materiálové charakteristiky nebo geometrického tvaru vlákna, podle kterých je předurčena jejich vhodná aplikace s ohledem na přínos pro zlepšení vlastností betonu. Zároveň je pozorován vliv použitých vláken na chování betonu při vystavení vysokým teplotám, a tedy požární odolnost materiálu. Cílem práce je porovnání vlastností jednotlivých druhů vláken v betonu a jejich využití pro konkrétní aplikace vláknobetonu.
Vláknobeton a jeho vlastnosti
Vláknobeton je kompozitní materiál s konstantními vlastnostmi ve všech směrech. Vlákna zlepšují mechanické vlastnosti betonu, jako je například pevnost betonu v tahu či odolnost proti obrusu, nebo naopak snižují rozvoj trhlin při procesu tvrdnutí; díky nim je možné i zmenšit šířku trhlin ve ztvrdlém betonu. Syntetická vlákna jsou v poslední době používána pro zvýšení odolnosti betonové konstrukce proti požáru.
Drátkobeton musí splňovat veškeré požadavky na beton podle ČSN EN 206-1. Své vlastnosti musí prokázat v testech platných i pro běžný beton, a to podle norem řady ČSN EN 12350 pro zkoušení čerstvého betonu a řady ČSN EN 12390 pro ztvrdlý beton.
Pro další rozšíření drátkobetonu ve stavební praxi je však třeba znát i další vlastnost, typickou pro vláknobeton - duktilitu. Tato vlastnost se zjišťuje zkouškou pevnosti betonu v tahu za ohybu. Výsledkem je graf závislosti průhybu na velikosti zatěžovací síly před vznikem makrotrhliny a po něm.
STEELCRETE®: Drátkobeton s garantovanými vlastnostmi
Proto vyvinul Českomoravský beton, a. s., nový typ drátkobetonu s označením STEELCRETE®. Výrobce testuje výrobek i na pevnost v tahu za ohybu na základě postupu uvedeném ve firemním předpisu PN ČMB 1-2008, který je shodný s postupem uváděným v německé směrnici pro drátkobetony. Nový typ drátkobetonu se zaručenými mechanickými vlastnostmi je vyráběn na centrálních betonárnách za nepřetržité kontroly výrobního procesu.
Čtěte také: Vlastnosti kompozitní výztuže
STEELCRETE® je podle ČSN EN 206 a dalších předpisů beton s rozptýlenými ocelovými vlákny vyráběnými přímo v betonárně pro zvolené použití v konstrukci v konzistenci dle potřeb dopravy a ukládání. Je dodáván i jako lehce zpracovatelný beton pro konstrukce odolávající průsakům vody (vodotěsný beton). Betony STEELCRETE lze bez další ocelové výztuže v prvku použít do většiny základových konstrukcí a všech vlivů prostředí.
Použití drátkobetonu STEELCRETE
Na stavbu je dodáván autodomíchávači a do konstrukce je ukládán přímo nebo pomocí čerpadel či jeřábem a bádiemi. Drátkobeton STEELCRETE je s výhodou používán na konstrukce základových desek, kde může zcela nahradit klasickou výztuž. Volbou betonu s rozptýlenými ocelovými vlákny se snižuje riziko nesprávného vyztužení či posunutí výztuží při hutnění betonu. Výroba drátkobetonu STEELCRETE probíhá v betonárně plně pod kontrolou všech postupů (dávkování složek, betonu, doba mísení, stanovené množství ocelových vláken atd.).
Výhodou je, že potřebné množství drátku na jeden metr krychlový betonové směsi se stanoví stejně jako u klasické výztuže - podle požadovaného zatížení. V kombinaci s klasickou výztuží je drátkobeton vhodný pro provádění stěn podzemních podlaží budov (například při použití tzv. technologie bílé vany) - v tom případě přispívá k redukci klasické výztuže a redukuje šířku možných trhlin v konstrukci. Jeho vliv se výsledně projeví v požadovaných hodnotách vodotěsnosti konstrukce.
Jeho kombinace s klasickou výztuží je vhodná i v dalších stavebních konstrukcích, jako jsou stěny, stropy nebo sloupy, vyžadujících vyšší stupeň vyztužení. Tento typ drátkobetonu je homogenním materiálem snižujícím riziko nesprávného vyztužení či posunutí výztuže při hutnění. Zlepšuje soudržnost betonu v detailech konstrukce (hrany) a odstraňuje tzv. opadávání betonu v okrajových částech.
Odstraněním nebo částečnou redukcí klasické betonářské výztuže v konstrukci buď zcela odpadá, nebo se značně redukuje požadavek na dopravu a skladování výztuže na stavbě a provádění armovacích prací. Příprava základové desky na betonáž s využitím nové technologie je stejná jako při použití běžného betonu a ocelové výztuže (minimální doporučená tloušťka betonu u výrobku STEELCRETE® je 15 cm).
Čtěte také: Výztuž do betonu – rozměry a návrh
Po uložení drátkobetonu do bednění desky lze tento hutnit jednoduchým rozvlněním čerstvého betonu, při kterém dojde zároveň k rozlití jeho povrchu do dokonalé roviny.
Textilní beton a vliv rozptýlených vláken
Textilní beton (TRC z anglického textile-reinforced concrete) je materiál vytvořený kombinací nejčastěji jemnozrnného vysokohodnotného betonu (HPC z anglického high-performance concrete) vyztuženého několika vrstvami technických textilií. Jako textilní výztuže se využívá materiálů s lepší mechanickými vlastnostmi v tahu, například uhlík, čedič, sklo, aramid, kevlar apod. Využívají se často pleteniny impregnované a stabilizované epoxidovou či polyesterovou pryskyřicí či jinými podobnými materiály, a to kvůli lepším užitným vlastnostem homogenizovaného materiálu a kvůli technologii betonáže - umístění výztuže v průřezu betonu. Nevýhodou impregnace je následné křehké porušení vzorku, kde právě rozptýlená vlákna by mohla mít vliv na duktilní chování vzorku.
Cílem článku Ing. Elišky Kafkové, Ing. Tomáše Vlacha, Ing. Jakuba Řepky, Ing. Richarda Fürsta, prof. Ing. Petra Hájka, CSc., MgA. Zuzany Jirkalové je ověření potenciálu kombinace rozptýlené vlákenné výztuže s uhlíkovou textilní výztuží impregnovanou epoxidovou pryskyřicí.
Experimentální ověření vlivu rozptýlených vláken
Vlákenná výztuž ve čtyřech dostupných variantách byla nejprve optimalizována, a to co se týče množství vláken v referenční směsi HPC s cílem maximálního mechanického účinku vláken v návaznosti na zachování dobré zpracovatelnost primárně samozhutnitelné směsi. Po provedení této optimalizace porovnáním různých množství vláken stanovených pomocí technických listů výrobců byl HPC s rozptýlenými vlákny aplikován do vzorků společně s předem připravenou uhlíkovou textilní výztuží. Následně po vyzrání vzorků byla provedena zatěžovací mechanická zkouška čtyřbodovým ohybem, přičemž byl sledován právě vliv vlákenné rozptýlené výztuže na způsob porušení vzorků textilního betonu.
Výsledky byly vyhodnoceny ve smyslu porovnání vzorků vyztužených pouze uhlíkovou textilií, vůči vzorkům s rozptýlenou vlákennou výztuží, ale také ve smyslu vzájemného porovnání vlivu jednotlivých typů použitých vláken.
Čtěte také: Moderní stavební materiál: plastová výztuž
Použité materiály a metody
Směs HPC použitá pro betonáž je podobná se směsí použitou v předchozích experimentech pro lepší možnost vzájemného porovnání výsledků s drobnými modifikacemi v množstvích komponent. Tato byla autory vyvinuta a dále optimalizována na ČVUT v Praze. Jedná se o směs jemnozrnného samozhutnitelného HPC. Pevnost v tahu za ohybu prostého betonu byla stanovena na 14,9 MPa na hranolech s rozměry 40 × 40 × 160 mm se vzdáleností podpor 100 mm dle ČSN EN 12390-5.
Jako textilní výztuž byla použita karbonová rohož od české firmy Frisiverto s roztečí rovingů 10 × 15 mm. Síť má rozdílné parametry v obou směrech. Podélný nosný směr (rozteč 10 mm) je opletený, z uhlíkového rovingu síly 8K s běžnou hustotou 1,78 g/cm3. Příčný směr je z uhlíkového rovingu síly 12K.
Optimalizace a příprava vzorků
Optimalizace vzorků byla provedena na vzorcích hranolů velikosti 40 × 40 × 160 mm stanovením pevnosti v tahu za ohybu betonu byla se vzdáleností dolních podpor 100 mm dle ČSN EN 12390-5 se sledováním pracovního diagramu. Navržené koncentrace vláken byly přibližně v rozptylu hodnot doporučených výrobcem v technickém listu.
- Vlákna polypropylenová MasterFiber 012 byla aplikována v množstvích 2, 4 a 6 kg/m3. Optimální kvůli zpracovatelnosti se ukázalo maximální množství 4 kg/m3.
- Ocelová mikrovlákna MasterFiber 482 byla ověřena v koncentracích 80, 100 a 120 kg/m3, kde přijatelná zpracovatelnost bez tvorby ježků byla přibližně pro všechny vzorky. V kombinaci se zpracovatelností pevnostně nejlépe vyšla koncentrace 100 kg/m3.
- Polyvinylalkoholová MasterFiber 401 byla ověřena pro koncentrace 10, 20, 30 a 40 kg/m3, kde 40 kg/m3 již nebylo možné zpracovat a optimální koncentrací se tak i z pohledu mechanických parametrů stala koncentrace 30 kg/m3.
- Strukturální polypropylenové vlákno MasterFiber 230 bylo ověřeno v koncentracích 2, 5, 8 a 11 kg/m3 betonu. Množství 11 kg nebylo zpracovatelné, optimální výsledky poskytovala koncentrace 5 kg/m3. Na vzorcích byl pozorovatelný problém s distribucí vlivem větší délky vláken.
Rozměry všech vzorků byly stanoveny na 360 × 150 × 40 mm. Tloušťka reprezentuje možnosti textilního betonu a zároveň umožňuje aplikaci rozptýlené výztuže mezi dvě vrstvy textilní výztuže. Zkušební vzorky byly v každé sadě v minimálním množství po třech kusech. Uhlíková textilie byla do vzorků použita vždy ve 2 variantách závisle na aplikované orientaci sítě. Bylo využito menší množství výztuže v příčném směru, kde je simulováno slabé vyztužení s předpokladem porušení ohybem - přetržením výztuže. Dále byla aplikována větší průřezová plocha výztuže v podélném směru s předpokladem porušení kombinovaného, ohybem a zejména smykem.
Je důležité uvést, že krycí vrstva u spodního povrchu byla vždy provedena z prostého betonu jednak kvůli pohledovosti, ale zejména kvůli problémům s řádným probetonováním vlivem omezených otvorů ve výztuži cca 7 × 12 mm a minimální tloušť krytí výztuže, která činí přibližně 5 mm. Vzhledem k rozměrům vláken by nemohlo dojít k řádnému probetonování a k požadované poloze textilní výztuže ve vzorku.
Zatěžovací zkoušky a výsledky
Všechny vzorky byly zatěžovány čtyřbodovým ohybem se vzdáleností podpor 300 mm a se vzdáleností zatěžovacích podpor 100 mm. Zatěžovací destruktivní zkouška byla provedena po 28 dnech zrání vzorků ve vodní lázni. Rychlost zatěžování byla řízena konstantním posunem 2,0 mm/min příčníku zkušebního zařízení pro všechny vzorky.
Maximální dosažená síla byla pro všechny skupiny přibližně podobná a rozptýlená vlákna v betonu na ni víceméně neměla vliv. I z vizuálního pozorování vzorků z průběhu zatížení lze konstatovat, že rozptýlená vlákna mají pozitivní vliv na rozvoj a otevírání trhlin. Na vzorcích se tvoří větší množství méně otevřených trhlin v porovnání s referenčním vzorkem bez vláken.
Oproti vzorkům s menší průřezovou plochou textilní výztuže zde lze pozorovat výrazný vliv, a to ve fázi porušení a kolapsu prvků. Ani jeden z prvků s vlákennou výztuží nezačal ztrácet únosnost dříve než referenční vzorek vyztužený pouze uhlíkovou textilií. Co se týká maximální velikosti síly, vlákna MF 230 ji mají prakticky totožnou s referenčním vzorkem bez vláken, na druhou stranu ale zřejmě i díky délce vláken vzorky prokázaly největší míru duktility.
Nejdůležitějším poznatkem u všech vzorků s vlákny ale je, že maximální hodnota zatížení v porovnání s referencí většinou narůstá a výrazně také narůstá posun, tedy průhyb vzorku, kdy se podařilo úplný kolaps vzorku výrazně oddálit. Změnil se také způsob porušení vzorků, kde při velkých hodnotách zatížení a deformací se trhlina výrazně otevírala nejprve podél uhlíkové výztuže, k otevření klasické šikmé smykové trhliny došlo až po kolapsu vzorku vlivem ztráty soudržnosti výztuže, tedy kotvení. Vlákna zde zcela naplnila funkci smykové výztuže.
U experimentu byl sledován vliv různých rozptýlených vláken v cementové matrici na způsob porušení vzorků textilního betonu. U prvků slabě vyztužených uhlíkovou textilní výztuží s očekávaným porušením přetržením textilní výztuže v namáhání ohybem v kombinaci s vlákennou výztuží bylo dosaženo drobné zlepšených mechanických vlastností, ovšem výrazněji pozorovatelný zde byl pozitivní vliv rozptýlených vláken na omezení otevírání trhlin. U vzorků silně vyztužených textilní výztuží s rozptýlenými vlákny v cementové matrici s předpokládaným porušením smykem došlo k výraznějšímu efektu spolupůsobení uhlíkové textilie a vláken. Opět největší vliv měla očekávaně vzhledem k jejich mechanickým parametrům ocelová mikrovlákna MasterFiber 482 a polyvinylalkoholová vlákna MasterFiber 401.
tags: #rozptýlená #výztuž #do #betonu #vlastnosti #a