Materiál Ultra High Performance Concrete (ultra vysokohodnotný beton, zkráceně UHPC) není betonem v tradičním slova smyslu. Jde o moderní kompozit, který se betonu do jisté míry podobá, ale přístupy k jeho navrhování, přípravě a samotné výrobě se v mnoha ohledech od běžných betonů odlišují. Bylo by tak na místě označení Concrete nahradit slovem Composite. Přestože vývoj tohoto kompozitu započal koncem 20. století, širšímu uplatnění UHPC se dostalo až v průběhu prvních dvou dekád 21. století. Pro řadu investorů, projektantů i zhotovitelů představuje UHPC stále jakousi neznámou. Je nevyhnutelné, že s přibývajícími realizovanými konstrukcemi se bude UHPC čím dál více dostávat do povědomí.
Složení UHPC
UHPC je směsí silikátového hydraulického pojiva (nejčastěji cementu), drobného kameniva, mikroplniv, latentně hydraulických příměsí (případně inertních příměsí), chemických přísad a vody. Od běžného betonu se výrazně liší v několika ohledech. UHPC neobsahuje hrubou frakci kameniva, která je v běžném betonu zdrojem imperfekcí na mikro i makro úrovni. Je tak umožněno dosažení mnohem vyšších pevností (u pevnosti v tlaku obvykle 3×-5×).
Složení UHPC se vyznačuje velmi vysokým obsahem cementu, nízkým vodním součinitelem (což vede ke snížení porozity a ke zlepšení pevnosti), obsahem specializovaných příměsí, vysokými dávkami přísad a také vysokým obsahem vláken. Ta zajišťují houževnatost a vysokou duktilitu výsledného kompozitu. Nejběžnější jsou ocelová vysokopevnostní mikrovlákna. Návrh a použití UHPC jsou založeny na několika základních principech, kterými jsou snížení pórovitosti, zlepšení mikrostruktury, zvýšení homogenity a zvýšení houževnatosti. Vstupní suroviny, způsob přípravy a režim tuhnutí mají významný vliv na vlastnosti výsledného UHPC.
Všeobecně platí, že se zvyšující se pevností se v betonu zvyšuje dávka pojiva i příměsí, snižuje vodní součinitel a zmenšuje maximální zrno kameniva.
- U betonů běžných pevnostních tříd (normal strength concrete - NSC) 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.
- U vysokohodnotných betonů (high-performance concrete - HPC) 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).
- Při návrhu ultra vysokohodnotných betonů (ultra-high-performance concrete - UHPC) 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.
Vlastnosti UHPC
Největší devizou, která se ale často zmiňuje až za pevnostními charakteristikami, jsou fyzikální vlastnosti UHPC. Tlaková pevnost UHPC se běžně pohybuje od 120 MPa do zhruba 180 MPa (ve srovnání s běžným betonem od 20 MPa do 60 MPa), zaručená pevnost v tahu za ohybu zase od 15 MPa (srovnejte s běžným betonem, kde se při navrhování využití tahu obvykle nepřipouští).
Čtěte také: Složení betonu
TOPCRETE® je ultra-vysokopevnostní beton, zkráceně označovaný jako UHPC, jehož krychelná pevnost se standardně pohybuje od 120 až po 190 MPa. Pro výrobu ultra-vysokopevnostního betonu TOPCRETE®, který normami danou nejvyšší pevnostní třídu překračuje, se řídíme vlastní podnikovou normou, podle které deklarujeme nejnižší pevnostní třídu C 110/120.
Díky velmi vysoké pevnosti UHPC lze navrhovat menší průřezy konstrukcí a snížit tak celkovou vlastní hmotnost konstrukce. Vysoká odolnost UHPC umožňuje tento materiál použít i pro velmi exponované konstrukce, např. V případě vyztužení UHPC vlákny se jedná o Ultra-High Performance Fiber Reinforcement Concrete (UHPFRC). Mikrovlákna napomáhají zamezovat šíření trhlin v betonu. Díky nízké porozitě a vysoké hustotě materiálu je UHPC mimořádně odolný proti korozivním látkám, mrazu, vodě a UV záření. Umožňuje vytváření hladkých, přesných a složitých tvarů, kterých s tradičním betonem dosáhnete obtížně. Díky vysoké pevnosti a odolnosti UHPC je možné lépe chránit stavby před vnějšími nárazy, výbuchy nebo seismickou aktivitou.
TOPCRETE® svým složením vyhoví všem stupňům vlivu prostředí ukládané normami: X0, XC1-4, XD1-3, XF1-4, XA1-3, XM1-3. V případě, že konstrukce bude vystavena síranové agresivitě, lze vyrobit beton UHPC i s použitím síranovzdorného cementu CEM III/B L - LH/SR. TOPCRETE® je navržen jako beton samozhutnitelný s deklarovanou konzistencí SF2, tedy rozlití kužele 660 - 750 mm. Díky velmi nízkému obsahu vody a vysoké dávky superplastifikátorů je UHPC oproti standardním samozhutnitelným betonům znatelně viskóznější. Vzhledem k velmi vysokému obsahu cementu a mikrosiliky je nutné počítat s nadměrným autogenním smrštěním betonu v rané fázi jeho zrání.
TOPCRETE je produktová řada vysokopevnostních a ultravysokopevnostních betonů (HPC a UHPC). Základním parametrem těchto betonů jsou nejen extrémně vysoké pevnosti, které umožňují provádět subtilní ale přitom pevné betonové konstrukce, ale hlavně jejich velmi dlouhá životnost. Ta je dána především tím, že receptury betonu z produktové řady TOPCRETE jsou vysoce odolné proti vlivům prostředí, jež standardně definují platné normy. Špičkové receptury UHPC tak odolávají všem vlivům prostředí v nejvyšších stupních (XC4, XD3, XF4, XA3). Životnost konstrukcí z UHPC se díky tomu odhaduje na více než 200 let.
Použití UHPC
V současné době se v tuzemsku UHPC nejefektivněji uplatňuje v prefabrikovaných konstrukcích mostů a lávek pro pěší. Trámové nosné konstrukce z UHPC jsou použity u lávek kratších rozpětí po celé ČR. Ať už jde o solitérní architektonické řešení (lávka Kladno Vrapice), pilotní projekt lávky přes Opatovický kanál v Čeperce, nebo o systémové řešení lávek malého rozpětí (systém LMR firmy KŠ PREFA) zabudované v obcích Čelákovice (tři lávky), Zbožíčko, Plumlov, Mariánské Lázně, Zadní Třebáň nebo v Praze-Chuchli. Nosná trámová konstrukce s největším rozpětím (27 m) a současně odlitá z UHPC v jednom kuse se nachází v Táboře, tzv. UHPC se uplatňuje i u lávek velkých rozpětí, typické je použití UHPC segmentů pro zavěšené mostovky. Příkladem jsou lávka přes Labe v Čelákovicích, přes Vltavu v Lužci, přes Labe v Hradci Králové. Segmentovou UHPC konstrukci s parabolicky vedenými předpínacími kabely využívá lávka v Příboře. U posledních tří je v praxi použito a ověřeno přímo pochozího povrchu bez izolace. Zde je vhodno uvést, že povrch UHPC konstrukcí vykazuje velmi dobré protiskluzné vlastnosti, při certifikovaných měřeních jsou výsledky příznivější než běžné venkovní pochozí povrchy. Netypické je použití na nosné oblouky (repliky historických železobetonových oblouků) lávky přes Divokou Orlici v Žamberku. Architektonicky exponovaná konstrukce lávky přes Vltavu v Praze, Štvanická lávka (HolKa), je v současné chvíli před otevřením. Materiálu je zde použito na historicky největší nosnou UHPC konstrukci v ČR. Společným jmenovatelem uvedených konstrukcí je inovativní použití UHPC, které vhodně reflektuje dobu a pokrok ve vědě a technologii.
Čtěte také: Betonová dlažba Brož
Hlavní výhodou UHPC je velmi vysoká pevnost, která umožňuje zmenšit průřezy konstrukcí a snížit tak vlastní hmotnost konstrukce, či vytvářet roztodivné architektonické stavby. Hlavní výhodou je ale výrazně delší trvanlivost konstrukce z UHPC. Beton může být označen jako UHPC, pokud je jeho válcová pevnost vyšší než 150 MPa. UHPC betony vyráběné v TBG METROSTAV dosahují standardně válcových pevností přes 150 MPa.
UHPC je ideální pro použití v extrémních podmínkách, včetně mostních konstrukcí, vysokých budov a ochranných bariér. Uplatnění UHPC:
- Mostní konstrukce
- Prefabrikované konstrukce
- Fasády
- Silnice pro těžký provoz
- Přístavní a pobřežní konstrukce
Důležité aspekty při výrobě UHPC
Při výrobě se používá velmi přesné dávkovací a mísící zařízení. Přesnost je zásadní! Pro výrobu UHPC je důležité dodržovat přesné poměry mezi cementem, pískem, vodou a přísadami. I malé odchylky mohou ovlivnit výsledné vlastnosti betonu! Pro maximální pevnost a trvanlivost UHPC používejte kvalitní portlandský cement (např. CEM I 42,5 R z cementáren Mokrá či Prachovice) a přidejte plastifikační přísady pro lepší zpracovatelnost směsi. Dokonalé promíchání všech složek je klíčem k úspěchu! Použijte speciální mixéry nebo techniky míchání pro rovnoměrné rozložení přísad. Vzhledem k jemné zrnitosti UHPC (maximální zrno 1-2 mm) můžete míchat ručně, ale buďte trpěliví - míchání je dlouhý proces. Plastifikační přísada se aktivuje až po několika minutách míchání. Přesné složení UHPC se může lišit podle specifikací projektu a dostupných materiálů. Doporučujeme provést předběžné testy a upravit směs na základě výsledků.
Výhody a Nevýhody UHPC
Mechanické parametry a absence velké frakce kameniva spolu s rozptýlenou ocelovou mikrovýztuží umožňují realizovat vylehčené a subtilní konstrukční prvky. Ty vynikají nižší spotřebou materiálu a jednodušším řešením detailů pro spoje či kotvení, současně lze tvarovat složité prvky i s ostrými hranami a jemnými detaily. Materiál vykazuje kvalitní pochozí a pohledový povrch bez nutnosti aplikace dodatečné hydroizolace. Na druhé straně od jmenovaných benefitů často stojí vysoká cena UHPC, proto je nutné si uvědomit, že UHPC není univerzální materiál pro všechny konstrukce. UHPC je nezbytné navrhovat uvážlivě tak, aby vynikly (a byly využity) jeho přednosti, zároveň se zřetelem na udržitelnost stavební konstrukce jako celku.
Srovnání betonů
Samozhutňující beton, vláknobeton a UHPC jsou příklady pokročilých materiálů, které přinášíí značné výhody ve srovnání s tradičními metodami a materiály. Při výběru mezi těmito speciálními druhy betonu je třeba zvážit specifika projektu, včetně ekonomických aspektů, designových požadavků, okolního prostředí a vašeho rozpočtu. Zatímco SCC vám poskytne rychlost a flexibilitu při betonáži, vláknobeton přináší zvýšenou odolnost a pevnost. UHPC pak nabízí tu nejvyšší úroveň výkonu a odolnosti, ovšem za mnohem vyšší cenu.
Čtěte také: Půjčovna pil na beton – vyplatí se?