Využití vláken v technologii lehkých samozhutnitelných betonů

Rovnoměrné rozptýlení vláken v betonu může významným způsobem ovlivnit některé vlastnosti pokládané za jeho slabiny. Především jde o schopnost betonu odolávat účinkům tahových napětí, křehký charakter jeho porušení a v neposlední řadě i o projevy objemových změn.

Při návrhu a výrobě vláknobetonu je nutné vhodně zvolit druh vlákna, jeho množství a odpovídající technologii výroby, která je složitější než u normálního betonu. Vlákna obecně mohou výrobu betonu komplikovat svým chováním a vlastnostmi, odlišnými od chování a vlastností ostatních složek betonu. Vlákna se aplikují v matricích, jejichž složení se pohybuje od prakticky čistého cementu až po klasické malty a betony. Do klasických maltových a betonových směsí se jako krátkovlákenné vyztužení v běžné stavební výrobě v největší míře používají vlákna ocelová, skleněná (alkalivzdorná) a syntetická organická (polypropylenová, celulózová apod.). Díky rychlému vývoji v této oblasti se dnes objevují aplikace s novými polymerními vysokomodulovými vlákny z polyetylenu (PE) nebo z polyvinylalkoholu (PVA). Dále existují vlákna speciální, např. uhlíková, nylonová, hliníková a whiskery (velmi jemný typ vláken krystalické povahy do velikosti 1 μm). Mezi nejpodstatnější vlastnosti vláken pro návrh vláknobetonu patří modul pružnosti v tahu, mez pevnosti v tahu a hustota.

Významný je vliv vláken na eliminaci vzniku trhlin v betonu. Jakýkoli cementový kompozit se v průběhu hydratace a vysychání smršťuje. Pokud tomuto procesu není bráněno, hovoříme o volném smršťování. Překročením tahové pevnosti materiálu vznikne trhlina. Rozvoj, šíření a spojování trhlin vede ke vzniku větších poruch, které mohou dále vést až k destruktivní poruše. Proto je důležité zabránit vzniku těchto trhlin, a to ve všech směrech materiálu. Klasická výztuž má v tomto případě omezenou funkci.

Pro omezení objemových změn cementové matrice a zabránění vzniku trhlin se používají vlákna s vysokou jemností, jejichž modul pružnosti by měl být vyšší než modul pružnosti matrice. Nejpoužívanější jsou v tomto případě vlákna polypropylenová a skleněná. Dávkování jemných vláken se pohybuje od 0,7 do 1,1 kg na 1 m³ betonu. Tato vlákna zhoršují zpracovatelnost (pokles cca o 30 až 60 mm při zkoušce sednutí kužele). Při míchání těchto betonů je nutné použít intenzivní způsoby (míchačky s nuceným oběhem) nebo prodloužit dobu míchání, aby nevznikly shluky vláken. Tato všesměrně rozptýlená vlákna dokážou zvýšit houževnatost a odolnost materiálu právě proti vzniku a šíření trhlin zejména v raném stádiu zrání hmoty, tedy v době aplikace a těsně po ní. Toto platí i pro skleněná a ocelová vlákna, i když jejich aplikací lze dosáhnout i určitého zvýšení pevností v tahu za ohybu a příčném tahu ve srovnání s nevyztuženou matricí. Ve ztvrdlém stavu, kdy mají trhlinky při namáhání betonu tendenci šířit se a spojovat se v trhliny větší, zajišťují vlákna omezení a stabilizaci tohoto procesu, a zvyšují tak celkovou houževnatost betonu.

Obr. 1: Ukládání lehkého samozhutnitelného betonu čerpáním (stropní spřažená konstrukce)

Pro zvýšení pevnosti betonu se používají vlákna kovová a syntetická. V závislosti na doporučení výrobců konkrétních typů vláken lze vlákna použít např. pro těžce namáhané podlahy, do konstrukcí, kde vyžadujeme zvýšenou vodotěsnost a mrazuvzdornost, pro vytvoření podkladů bez trhlin pro speciální vrstvy, do stříkaného betonu pro snížení ztrát z odpadu, do sanačních malt a omítek, při výrobě prefabrikátů, pro zvýšení nepropustnosti betonu a pro zvýšení odolnosti betonu proti ohni. Rozdíl mezi vláknobetonem a prostým betonem je dobře patrný při porovnání pracovních diagramů obou betonů při namáhání v tahu. Projeví se nejen vzrůst pevnosti v tahu způsobený oddálením vzniku trhlinek v jeho struktuře, ale především fakt, že i po vzniku viditelných trhlin aktivovaná vlákna způsobují, že je vláknobeton jako houževnatý materiál schopen přenášet jistá reziduální tahová napětí [1, 2, 3, 4, 5].

Lehký samozhutnitelný beton s využitím lehkého keramického kameniva Liapor
V posledních letech je možné sledovat aplikace samozhutnitelných a vysokopevnostních betonů s využitím nejen přírodního kameniva, ale také lehkého kameniva. Co se týká lehkých betonů, jejich výhody i nevýhody jsou dobře známy. Aplikace na poli nekonstrukčního výplňového tepelněizolačního betonu jsou běžné, ale aplikace na poli konstrukčních betonů stále čekají na širší využití. Lehký samozhutnitelný beton (Lightweight Self-Compacting Concrete – LWSCC) je nový vysokohodnotný stavební materiál, který spojuje známé výhody lehkého betonu a samozhutnitelného betonu (Self-Compacting Concrete – SCC). Díky svým příznivým fyzikálním vlastnostem, nízké objemové hmotnosti a relativně vysoké pevnosti v kombinaci s velmi dobrou zpracovatelností, nízkou emisí hluku při ukládání (není nutno použít vibrace) a snížením pracnosti během betonování může LWSCC najít širokou škálu aplikací v praxi, zvláště v produkci prefabrikovaných dílců a v oblasti rekonstrukcí starých budov, které není vhodné dále přitěžovat. První aplikace v oblasti monolitických konstrukcí byly provedeny v roce 2005 nedaleko Brna při betonážích stropních konstrukcí při rekonstrukci památkového objektu z 15. století (obr. 1). Požadavky na lehkésamozhutnitelné betony jsou shodné s požadavky na samozhutnitelné betony obecně, ale přibývá ještě požadavek na nízkou objemovou hmotnost, nejlépe do 1800 kg/m³ (norma ČSN EN 206-1 definuje lehký beton jako beton s objemovou hmotností do 2000 kg/m³) při dosažení co nejvyšších pevností, minimálně na úrovni LC 25/28. Použití pórovitého kameniva v betonech, ve kterých je požadována vysoká pevnost, se může zdát překvapivé, uvědomíme-li si důležitost pevnosti kameniva pro pevnost vysokohodnotného betonu. Nicméně snížení objemové hmotnosti betonu o pevnostech 40–50 MPa na hodnotu kolem 1800 kg/m³ může znamenat značné finanční úspory vzhledem ke snížení celkové hmotnosti konstrukce. Různí autoři uvádějí, že lze vyrobit lehčený vysokohodnotný beton o pevnostech vyšších než 50 MPa, literatura uvádí dokonce pevnosti o 100 MPa. Avšak je důležité uvědomit si, že těchto výsledků lze dosáhnout pouze s vhodným typem kameniva. Je třeba podotknout, že všechny výsledky uváděné v tomto příspěvku jsou hodnoty LWSCC s využitím lehkého kameniva Liapor tuzemské výroby.

Lehký samozhutnitelný beton je speciální beton a je třeba při jeho návrhu zohlednit určité skutečnosti, které se u obyčejných betonů nevyskytují (např. nasákavost lehkého kameniva za atmosférického tlaku i vysokého tlaku během čerpání, nízká sypná či objemová hmotnost lehkého kameniva atd.). V roce 2002 vznikla příručka Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete vydaná organizací EFNARC působící na evropské úrovni při CEN, shrnující poznatky z oboru technologie samozhutnitelného betonu [6]. V roce 2005 byla vydána inovovaná evropská směrnice pro samozhutnitelné betony s názvem The European Guidelines for Self-Compacting Concrete – Specification, Production and Use [7]. Bohužel v žádné z těchto směrnic není zmínka o lehkých samozhutnitelných betonech. Během vývoje LWSCC bylo nutné mimo jiné posoudit možnost využití známých a ověřených postupů sledování reologických vlastností normálních samozhutnitelných betonů pro lehké samozhutnitelné betony. Jako limitní byly používány hodnoty získané ze směrnice [6]. Snahou bylo navrhnout receptury tak, aby čerstvý beton splňoval požadovaná kritéria pro běžné SCC. Z dosažených výsledků lze usoudit, že známé metody zkoušení reologie SCC jsou v principu vhodné pro stanovení konzistence LWSCC. Pouze je nutné upravit kritéria zkoušek v těch případech, kde se jedná o časové intervaly. Protože LWSCC mají nízkou objemovou hmotnost, nemají dostatečně velkou vnitřní pohybovou energii a ve srovnání s normálními betony jsou mírně pomalejší. Toto pomalejší chování nemá vliv na výsledné vlastnosti čerstvého LWSCC a namíchané betony splňují základní požadavek na homogenitu a rovnoměrné zhutnění v celém průřezu.

Při použití lehkého kameniva Liapor do LWSCC bez přidání přírodního hutného kameniva dosáhneme pevností do třídy LC 20/22 D1,0 až D1,4, při použití lehkého kameniva Liapor v kombinaci s přírodním kamenivem dosáhneme pevností do třídy LC 25/28 D1,6 až D1,8. Při použití kombinace lehkého a přírodního kameniva s dodáním aktivních ultrajemných příměsí lze dosáhnout pevností třídy LC 45/50 D1,8 až D2,0.

Je známo, že lehké betony vykazují dost křehké lomové chování a nízké hodnoty statického modulu pružnosti, neboť největší vliv na tyto vlastnosti má modul pružnosti kameniva. Protože samozhutnitelný beton má často vyšší obsah cementové pasty než tradiční beton, bývá jeho hodnota statického modulu nižší. Vzhledem k těmto faktům je jasné, proč lehké betony nevykazují příliš vysoké hodnoty modulů pružnosti. U lehkých transportbetonů se hodnoty pohybují zhruba od 12 do 17 GPa. U lehkých samozhutnitelných betonů bylo dosaženo hodnot od 14 do 22 GPa. Hodnoty pohybující se přes 20 GPa dosahují LWSCC s vyššími pevnostmi v tlaku (řádově od 35 MPa) s využitím kombinace lehkého a přírodního kameniva.

Za účelem eliminace křehkého lomového chování, tedy pro zvýšení duktility betonů, se může úspěšně využít vláknové rozptýlené výztuže. Během vývoje lehkých samozhutnitelných betonů na ústavu technologie stavebních hmot a dílců Fakulty stavební v Brně tedy logicky vznikla myšlenka ověřit vliv různých druhů vláken na vlastnosti již navržených a ověřených receptur LWSCC.

Na jednotlivých recepturách byl sledován vliv přídavku jednotlivých vláken na reologické vlastnosti, které byly zkoušeny metodami obvykle používanými pro samozhutnitelné betony. Jednalo se o zkoušku rozlití kužele (dle směrnice EFNARC, tedy rozlití obráceným Abramsovým kuželem), Orimet, J-Ring a L-Box. Zpracovatelnost těchto receptur byla zkoušena v časech ihned po namíchání, po 60 minutách a po 90 minutách. Dále bylo prováděno měření objemových změn, a to jak v čerstvém stavu ihned po namíchání, tak v průběhu zrání na ztvrdlém betonu, a měření vývinu teplot během zrání betonu (pouze u referenčních receptur). Nakonec byly stanoveny fyzikálně-mechanické vlastnosti těchto receptur včetně statických modulů pružnosti.

Obr. 2: Průběh objemových změn v čerstvém stavu souboru receptur REC I (hodnoty vztaženy na délku zkušební formy 375,55 mm)

Obr. 3: Objemové změny v čerstvém stavu souboru receptur REC I v čase 48 hodin od namíchání (hodnoty vztaženy na délku 1 bm)

Na obrázku 2 je graficky znázorněn průběh objemových změn v čerstvém betonu souboru receptur REC I. Jedná se o hodnoty vztažené k délce zkušební formy, tj. 375,55 mm. Pro názornost je na obrázku 3 uveden graf s přepočtem těchto hodnot na 1 m. K nejrychlejším změnám v objemu docházelo v průběhu prvních 10 hodin od zamíchání čerstvého betonu, poté se změny ustálily. Mimo přídavku syntetických vláken v množství 1 kg/m³ měla všechna vlákna pozitivní vliv na omezení objemových změn. Podobný trend vlivu vláken vykazovala receptura REC II s použitím výhradně lehkého kameniva Liapor. Zajímavé je, že tato receptura vykazovala podstatně nižší hodnoty objemových změn (smrštění), což je mimo jiné způsobeno pozitivní vlastností lehkého kameniva v betonu, kterou je vnitřní ošetřování – voda obsažená v pórech lehkého kameniva může mít pozitivní vliv na proces hydratace cementu, a tedy zrání betonu.

Dále byly zkoušeny objemové změny v průběhu zrání betonu, a to jak na vzorcích uložených v normovém vodním uložení, tak u vzorků uložených v laboratorním prostředí. Z výsledků je jasně patrné, že receptury uložené v laboratorním prostředí (cca 22 °C s nízkou relativní vlhkostí) vykazovaly výrazné smršťování, z čehož jednoznačně plyne důležitost správného ošetřování tohoto lehkého vláknobetonu.

Co se týká reologických vlastností jednotlivých receptur, lze konstatovat, že kritéria jednotlivých zkoušek splnily spolu s referenční recepturou pouze receptury s použitím obou typů ocelových vláken a u receptury s použitím výhradně lehkého kameniva také vzorek s polypropylenovými vlákny. Syntetická vlákna způsobovala vysokou blokaci čerstvého betonu a při použití výhradně lehkého kameniva také nehomogenitu směsi.

Obr. 4: Pevnost v tlaku jednotlivých receptur po 7 a�28 dnech

Obr. 5: Pevnost v tahu za ohybu jednotlivých receptur po 28 dnech

Hodnoty pevností v tlaku jednotlivých receptur jsou patrné z grafického znázornění na obrázku 4. Zajímavější jsou hodnoty pevností v tahu za ohybu uvedené na obrázku 5, kde je jasně patrný nárůst, a to zejména u receptur s využitím výhradně lehkého kameniva Liapor. U této receptury je také zajímavý velmi výrazný vliv na hodnotu statického modulu pružnosti, kde se nárůst pohyboval až do 35 % v závislosti na použitém druhu vlákna. Například polypropylenová vlákna zvýšila u receptury s výhradně lehkým kamenivem statický modul pružnosti z hodnoty 17,4 GPa na 23,5 GPa.

Obr. 6: Řez zkušebním tělesem receptury s kombinací přírodního kameniva

Závěr
Stručně lze výsledky výzkumných prací shrnout následovně. Pro technologii lehkých samozhutnitelných betonů lze s ohledem na splnění reologických vlastností použít pouze ocelová a polypropylenová vlákna. Použití syntetických vláken není vhodné kvůli nesplnění požadavků na reologické vlastnosti. Významným vlivem, který ovlivňuje reologické vlastnosti více než u běžných betonů, je délka a tvar vlákna. Ale z hlediska velmi efektivního působení syntetických vláken na fyzikálně-mechanické vlastnosti ztvrdlého betonu lze tato vlákna dobře využít k zlepšení vlastností vibrovaných lehkých betonů. Dle výsledků se ukazuje, že vliv přídavku různých typů vláken u lehkých betonů s použitím výhradně lehkého kameniva a u lehkých betonů s kombinací lehkého a přírodního kameniva je rozdílný. Zjednodušeně lze konstatovat, že u prvně jmenované receptury měla vlákna vyšší efekt na objemové změny i na vlastnosti fyzikálně-mechanické. Komplexně lze konstatovat, že nejefektivněji vlákna působila na výrazné snížení objemových změn jak v čerstvém stavu, tak v průběhu zrání, dále na zvýšení pevností v tahu za ohybu (až o více než 100 %) a v neposlední řadě na hodnotu statického i dynamického modulu pružnosti.

Použitím vláken do lehkých betonů se otevírají další možnosti, jak vyrobit velmi kvalitní lehký beton kombinující tepelněizolační vlastnosti s výbornými fyzikálně-mechanickými vlastnostmi – relativně vysokými hodnotami pevnosti v tlaku, tahu za ohybu a statických modulů pružnosti v porovnání s hodnotami prostého lehkého betonu. Díky použití vláken dochází k výraznému snížení objemových změn, což zvyšuje také kvalitu a trvanlivost betonu.

Tento příspěvek vznikl za podpory projektu VVZ CEZ MSM 0021630511 Progresivní stavební materiály s využitím druhotných surovin a jejich vliv na životnost konstrukcí a prostřednictvím projektu GA 103/05/2687 Speciální kompozitní materiály extrémních užitných vlastností na bázi reaktivních složek.

Obr. 7: Čerstvý beton s obsahem syntetických vláken v množství 4 kg/m3 po zkoušce rozlití kužele (Slump flow) a lehkého kameniva Liapor a přídavkem syntetických vláken v množství 4 kg/m3

Literatura:

1) Balaguru, Perumalsamy N. – Shah, Surendra P.: Fiber Reinforced Cement Composites, R. R. Donnellwy & Sons Company, USA 1992.

2) Józsa, Z.: Use of Glass and Synthetics Fibres Preventing Early Age Cracking of Normal and Lightweight Concrete. In 1st Central European Congress on Concrete Engineers Fibre Reinforced Concrete in Practice, str. 125–129. Graz 2005.

3) Kolísko, J. – Dubský, N. – Klečka, T.: Použití krátkých rozptýlených vláken v betonech a maltách. In Seminář TKP pozemních komunikací, str. 86-101. Česká betonářská společnost ČSSI, Praha 2005. 

4) Bodnárová, L.: Kompozitní materiály ve stavebnictví. Skriptum VUT FAST Brno, Akademické nakladatelství CERM, s. r. o., Brno 2002.

5) Krátký, J. – Trtík, K. – Vodička, J.: Drátkobetonové konstrukce. Edice betonové stavitelství ČKAIT, Praha 1999.

6) EFNARC Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete. Surrey, United Kindom 2002, www.efnarc.org.

7) ERMCO, The European Guidelines for Self-Compacting Concrete – Specification, Production Use, May 2005, www.efca.info.