Betony s rozptýlenou výztuží

Značný pokrok v technologických postupech při výrobě betonů s rozptýlenou výztuží a množství výrobců, kteří nabízejí vlákna různých typů a vlastností v prodejní síti, způsobily, že k dosud nejhojnější aplikací vláknobetonu v praxi – k využití v průmyslových podlahách, mostovkách, letištních plochách a ostěních tunelů – přibývají další aplikace. Pro své výhodné vlastnosti se betony s rozptýlenou výztuží stále víc uplatňují v prefabrikátech, předpjatých konstrukcích a dalších betonových výrobcích nejrůznější povahy a rozšiřují spektrum aplikací vláknobetonů v každodenní stavební praxi.

Uplatnění betonu s vlákny v prefabrikovaných prvcích

Aplikace vláken do betonu vede k úsporám plynoucím jednak ze statického působení vláknobetonové konstrukce a jednak k úsporám při výrobě prefabrikátu. Hospodárného využití vláknobetonu lze dosáhnout pouze na vhodně zvolených prvcích a pouze při užití vláknobetonu s vlastnostmi plně se uplatňujícími na těchto prvcích. Extenzivní výzkumný program ověřující beton s ocelovou vláknovou výztuží pro využití v prefabrikátech byl uskutečňován zejména v Itálii, Francii, Nizozemí, Německu a dalších zemích. Fasádní panely, nosníky, TT nosníky nebo střešní prvky jsou charakteristické malou tloušťkou stěn a otevřeným průřezem. Výzkum byl orientován na ověření mechanických vlastností, homogenity z hlediska rozmístění vláken, únosnosti, požární odolnosti a trvanlivosti a chování bylo ověřováno dlouhodobě na prototypech ve skutečném měřítku, včetně předpjatých prvků.

Před zavedením vláknobetonu do výrobního procesu je vždy uskutečněna ekonomická rozvaha posuzující přínosy vláknobetonu. Použití vláknové výztuže jako částečné nebo plné náhrady klasické výztuže je ekonomicky výhodné tam, kde jsou vyšší náklady na materiál kompenzovány snížením pracnosti, odstraněním nedostatků brzdících rychlejší nebo kvalitnější produkci a v důsledku např. omezením velkých ploch nutných pro skladování klasické výztuže. Obecně platí, že ocelová vlákna příspívají ke zvýšení únosnosti a polymerní vlákna, jako jsou polypropylénová, k vyšší požární odolnosti, oba typy zvýší houževnatost materiálu.

Další úspora ve snížení pracnosti nastane při výrobě prvků, kde dochází ke snížení množství klasického vyztužení. Prvky z vláknobetonu jsou subtilnější, čímž se sníží přepravní náklady a náklady na energeticky náročné materiály, jako jsou klasická betonářská výztuž a cement. Mnoho zajímavých výsledků bylo v posledním období dosaženo u speciálních skupin betonů s rozptýlenou výztuží, jako jsou vysokohodnotné betony a vysokopevnostní betony, kde mají vlákna speciální funkci v kompozitu, a také materiály s vlákny označované jako ultravysokopevnostní a ultravysokohodnotné, včetně skupiny materiálů, které se označují jako materiály s inženýrsky řízenými vlastnostmi (ECC).

Ductal a vysokohodnotné vláknobetony s ultravysokou pevností

Vysokohodnotné betony s ultravysokou pevností můžeme řadit též k betonům s rozptýlenou výztuží. Mezi ně patří materiál označovaný jako ductal, který je už více než deset zkoumán a stále více používán. Vykazuje vynikající mechanické vlastnosti – vysoké hodnoty tlakové a tahové pevnosti a zejména duktilitu – tedy schopnost přetvářet se bez porušení, která mu také dala jméno. Kompozit obsahuje 2 až 4 % ocelových nebo organických polymerních vláken, zatímco obsah vláken v běžném betonu s vlákny se pohybuje kolem objemového 1 %. Výhodou pro použití tohoto typu materiálu je, že výsledné konstrukce jsou menšího objemu a hmotnosti, což vede k úsporám na dopravě a k snadnější montáži v případě prefabrikace. Konstrukce mají velkou trvanlivost, a tím menší náklady na údržbu. i když počáteční náklady na materiál jsou velmi vysoké, aplikace v konstrukcích jsou stále častější. Příklady aplikací v konstrukcích jsou zejména v mostech kratších rozpětí a v lávkách pro pěší. Také Francie plánuje na tento rok stavbu prvního mostu o rozpětí 20 m. Vzorovou konstrukci najdeme i mezi oceněnými stavbami v soutěži fib (Fédération International du Béton) o vynikající konstrukce 2006 v kategorii budov – je jí nádraží v kanadském Calgary (Shawnessy Light Rail Transit Station, obr. 1–3).

Obr. 1: Konstrukce zastřešení nástupiště Shawnessy Light Rail Transit Station v Calgary – ductal

Obr. 2: Konstrukce zastřešení nástupiště Shawnessy Light Rail Transit Station v Calgary – ductal

Obr. 3: Konstrukce zastřešení nástupiště Shawnessy Light Rail Transit Station v Calgary – ductal

Cílem návrhu bylo vytvořit konstrukci lehkého zastřešení nástupiště, která je zároveň trvanlivá a se snadnou údržbou, tak aby korespondovala s celkovým vzhledem nádraží a působila lehkým vzdušným dojmem. Projektanti dostali za úkol vytvořit jako první na světě montovaný systém přístřešku, který se vyznačuje mimořádně malou tloušťkou prvku – jako materiál byl použit ultravysokohodnotný vláknobeton. Beton, který obsahoval velké množství křemičitého úletu, dosahoval pevnosti v tlaku 151 MPa a v tahu za ohybu 25 MPa. Základním prvkem systému byl prefabrikovaný skořepinový modul o tloušťce 18 mm měřil 6 m na šířku, byl 5,15 m hluboký a 5,64 m vysoký. Skořepinu tvoří plocha dvojí křivosti a není opatřena žádnou další výztuhou. Velmi přísné tolerance vyžadovala komplikovaná geometrie celé soustavy. Vysoké hodnoty zatížení sněhem i silným větrem si vyžádaly zkoušení na modelech ve skutečném měřítku. Také betonáž prefabrikátu skořepiny patří mezi průlomové techniky – bylo využito stříkané odlévání známé z jiných oborů. Tato technologie byla zvolena proto, aby se dosáhlo dokonale hladkých ploch bez dutin na všech exponovaných částech povrchu. Odlévání skořepiny se provádělo v poloze prvku postaveného na hranu, zatímco sloupy se betonovaly ve vertikální poloze, také vzpěry a další prvky byly vyrobeny z téhož materiálu. Ověření návrhu všech prvků provedlo Centrum pro inovační technologie univerzity v Calgary.

Obr. 4: Fasádní prvky z ductalu nahradily 30leté degradované původní „mříže“ na budova Havas, v Surenes

Obr. 5: Fasádní prvky z ductalu nahradily 30leté degradované původní „mříže“ na budova Havas, v Surenes

Důvodem pro ocenění byl jistě výsledný dojem lehkosti a transparentnosti konstrukce, stejně jako snaha poroty demonstrovat na konkrétním příkladu mnohotvárnost betonu.

Využití ultravysokohodnotných betonů s vlákny podobných vlastností se nabízí dále všude tam, kde jsou povrchy vystaveny atmosférickým vlivům a účinku solí, a tam, kde je třeba eliminovat vznik a rozvoj trhlin od objemových změn. Přitom lze dosáhnout dokonalého estetického účinku jak různými barevnými odstíny, tak různými texturami povrchů od nejdrsnějšího k velmi jemným nebo prokreslenými otvory. Vysoká trvanlivost podporuje také možnost větší členitosti fasádních prvků bez nebezpečí, že bude ohrožena životnost budovy nevhodným detailem náchylným ke korozi. Nabízí se též možnost výroby prvků externích schodišť, slunolamů a dalších (obr. 4, 5).

Další vhodné vlastnosti umožňují použití i ve formě akustických obkladů např. v metru – perforované lehké panely jsou zároveň odolné proti sprejerům (obr. 6, 7). Perforace zakřivených tenkostěnných panelů byla provedena již při betonáži díky jemné struktuře materiálu. Produkce ductalu se podle výrobce každý rok ztrojnásobí.

Obr. 6: Akustický obklad stanice v metru v Monaku

Obr. 7: Akustický obklad stanice v metru v Monaku

Materiál může z pohledu architekta posloužit i pro jiné aplikace v exteriéru města nebo interiéru (obr. 8, 9). Ultralehké židle, představené na výstavě nábytku v New Yorku, vyrobené z betonu s velmi subtilními průřezy dokumentují, že materiál má kromě vysoké pevnosti a tvarovatelnosti i schopnost být dokonale probarven. Nízká hmotnost při velké pevnosti, dlouhé trvanlivosti a malé údržbě předurčuje materiál k rekonstrukcím a náhradám masivních prvků v památkových a historických objektech jako jsou římsy, střešní a fasádní ozdoby, plastiky, sochy a doplňky, zvonice a drobné věže. Hmotnost náhrady je i pětkrát menší než původní prvek.

Obr. 8: Panely z ductalu, Pavillon de l'Arsenal, Paříž

Obr. 9: Panely z ductalu, Pavillon de l'Arsenal, Paříž

Obr. 10: Test „ohebného betonu“

Materiál na míru – ECC a HPFCCC

Materiál tohoto typu bývá také označován jako ohebný beton (obr. 10). Je součástí další velké skupiny, kterou tvoří kompozity zvané ECC (Engineered Cementitious Composites) nebo HPSFCC. Jsou to malty vyztužené zpravidla 2 % sekaných vláken PVA (Polyvinylalkohol). Vlákna se vyznačují vysokým modulem pružnosti. Materiál byl objeven už v r. 1992 a nyní je předmětem výzkumu v mnoha zemích světa (USA, Japonsko, Čína, Korea, Austrálie, Dánsko, Německo, Polsko, Švýcarsko a Česká rep.). Vyznačuje se zpevněním po vzniku násobných mikrotrhlin, způsobených tím, že vlákna jsou pokryta povlakem řádově v tloušce nanometrů, který umožňuje prokluz mezi vláknem a matricí, když je materiál přetížen. Množství povlakového materiálu tvoří obvykle 1 % tíhy vláken.

Pracovní diagram výsledného kompozitu se více podobá kovům než keramickým materiálům. Pevnosti v tlaku se pohybují až do 70 MPa a pevnosti v tahu za ohybu mezi 10 a 15 MPa. Materiál může být různým způsobem optimalizován a inženýrsky navržen tak, aby vyhověl konkrétním požadavkům konstrukce, např. jeho deformační kapacita se zvýší až 500krát oproti běžnému betonu. Většinu aplikací najdeme v opravách a rekonstrukcích stavebních konstrukcí, ale materiál může být také extrudován v podobě rour a dutých pilířů. Existují i varianty se sníženou objemovou hmotností při vysokých pevnostech a užitných vlastnostech, může se také stříkat anebo použít ve formě samozhutnitelného betonu.

Materiál byl několikrát demonstračně aplikován, např. v Japonsku a při opravě mostu v Michiganu také na betonáž mostovky, která nepotřebuje mostní závěry.

Závěr

Správně zvolený materiál pro konstrukci hraje důležitou roli při posuzování funkčnosti a hospodárnosti konstrukce. Vláknobeton dobře splňuje požadavky na dostatečnou únosnost a spolehlivost konstrukce, navíc vyhovuje i při posouzení trvanlivosti a životnosti. Užití vláknobetonu s různými vlastnostmi vláken nebo jako materiálu s možným řízením vlastností výsledného kompozitu rozšiřuje paletu materiálů na bázi cementu a tím i možnosti betonového stavitelství.

ALENA KOHOUTKOVÁ

foto fib (1–3),Lafarge: Claude Cieutat (4, 5),Guillaume Maucuit Lecomte (6, 7)

Philippe Couette (8, 9) a University of Michigan (10)