Vysokopevnostní a ultra vysokopevnostní beton: Vlastnosti, výroba a použití

Beton je již historický materiál, který se soustavně vyvíjí. V počátcích předpjatého betonu v 50. a 60. letech 20. století byl beton vyráběn poměrně jednoduše z kameniva, cementu a vody. Běžná pevnost betonu v tlaku byla 20 a 25 MPa, pro náročné předpjaté konstrukce se dosahovalo pevnosti až 60 MPa. Tato relativně vysoká pevnost byla dosahována použitím velmi kvalitního hutného kameniva, nízkého vodního součinitele a dlouhou účinnou vibrací. Čerstvý beton byl pouze zavlhlý a obtížně zpracovatelný.

Od zavedení plastifikačních přísad se pevnost betonu neustále zvyšuje. Zlepšená zpracovatelnost a snížení vodního součinitele vedly k nárůstům pevnosti v tlaku do oblasti kolem 80 MPa. K dalšímu navýšení vedlo doplnění struktury o jemné složky se zrny menšími, než jsou zrna cementu, a dalším vývojem plastifikátorů. V současné době lze obtížně mluvit o horní hranici dosažené pevnosti betonu v tlaku, dle některých autorů cementových kompozitů bylo dosaženo v laboratorních podmínkách až hodnot kolem 500 MPa [7].

Kategorie betonů dle pevnosti

Přesné kategorie hodnocení betonů dle pevnosti neexistují, ale obecně se betony řadí do tří základních pevnostních skupin:

  • Běžné betony (normal strength concrete): Pevnost v tlaku do 60 MPa.
  • Vysokopevnostní betony: Pevnost v tlaku přes 60 MPa. Na dnes již běžných stavbách se můžeme setkat s betony s pevností do 120 MPa.
  • Beton velmi vysokých pevností (UHPC - Ultra High Performance Concrete): Materiál o pevnosti vyšší než 150 MPa. Hranice, kdy se jedná o tento materiál, není zatím přesně stanovena, ale nabízí se přijmout obvykle uznávané označení např. [4] nebo [8], že jde o materiál s válcovou pevností nad 150 MPa.

Příslušné normové předpisy, jako je Eurokód 2 [1], mají v tabulkách hodnoty do pevnosti 90 MPa (třída C90/105). Evropská norma pro specifikaci a výrobu betonu [2] definuje ještě beton o pevnosti 100 MPa (třída C100/115). Model Code fib 2010 [3] připouští výstavbu konstrukcí z betonu do pevnosti v tlaku 120 MPa (třída C120/140). Všechny tyto předpisy předpokládají, že rozhodující údaj o pevnosti je válcová pevnost (charakteristická hodnota).

Vývoj UHPC

Přibližně od 80. let 20. století se objevují pokusy výrazného zvýšení pevnosti do oblasti kolem 200 MPa. Nejprve šlo o laboratorní pokusy, ale později se objevily průmyslově vyráběné produkty a realizace. České výzkumné ústavy i společnosti vedou výzkum směřující ke zvýšení pevnosti betonu.

Čtěte také: Pohledový beton a bednění

Materiál Ultra High Performance Concrete (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. Přestože vývoj tohoto kompozitu započal koncem 20. století, širšího uplatnění UHPC se dostalo až v průběhu prvních dvou dekád 21. století.

Principy zvýšení pevnosti UHPC

Beton je směsí kameniva a dalších součástí. V běžném betonu zbývá velký objem vzduchových pórů, které nepřenášejí žádné namáhání. Princip výrazného zvýšení pevnosti proto spočívá v omezení vzduchových pórů a vyplnění tohoto prostoru pevným materiálem. Protože póry jsou velmi malé, menší než zrna cementu, je třeba je vyplňovat velmi jemnými materiály. Dnes se nejčastěji používá mikrosilika, popř. v poslední době ještě jemnější nanosilika. Rovnoměrnější průběh napětí se dosahuje vyloučením, popř. omezením množství hrubého kameniva. Omezení pórů vyžaduje též snížení množství vody. Stanovení vhodné struktury patří mezi nejnáročnější součásti návrhu složení UHPC.

Zvýšení podílu jemných složek vede též k výraznému navýšení množství cementu. V obvyklých směsích, jejichž složení bylo publikováno, se obsah cementu pohybuje v rozsahu 550 až 1 000 kg/m3 betonu. Při postupném vývoji betonů velmi vysokých pevností se nejprve předpokládalo, že beton bude mít velmi homogenní strukturu s malými zrny kameniva. Tak vznikl tzv. RPC (Reactive Powder Concrete). V [5] se uvádí hraniční velikost zrn kameniva 0,6 mm, protože u větších zrn vznikají na jejich povrchu mikrotrhliny, které snižují výslednou pevnost materiálu. Výzkum RPC se stal základním zdrojem pro vývoj dnes průmyslově vyráběného betonu Ductal (vyrábí Lafarge), který patří mezi jemnozrnné betony.

Složení a vlastnosti 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.

Čtěte také: Jídelní stůl MDF beton: Co zvážit?

Hutná struktura s minimálním obsahem vzduchových pórů má za následek výrazné zvýšení pevnosti, ale porušení je velmi křehké, a proto by takový beton mohl být nebezpečný pro aplikaci v konstrukcích. Požadavek na zajištění větší houževnatosti vede k nutnosti vyztužit strukturu dalším prvkem, a to obvykle ocelovými vlákny. Nejčastěji se používají ocelová vlákna s délkou cca 12 mm a průměrem cca 0,2 až 0,3 mm. Dávkování vláken minimálně 1,5 až 2,5 % objemu.

Výroba a zpracování UHPC

UHPC se vyrábí mícháním složek podobně jako běžný beton. UHPC je však vzhledem ke svému složení (vysoký obsah jemných podílů a vysoká dávka PCE superplastifikátoru) navrhován ve většině případů jako vysoce tekutý až samozhutnitelný materiál, který do formy zatéká a v určitých případech nevyžaduje mechanické zhutňování. Pokud beton není při ukládce vibrován, musí splnit požadavek na spolehlivý odvod vzduchu po celou dobu ukládky do forem. Toto je závislé na složení betonové směsi a podmínkách v místě ukládky.

Pro laboratorní míchání betonu typu UHPC je potřeba míchací zařízení s vysokou a nastavitelnou intenzitou míchání. Pro míchání v reálných podmínkách je potřeba intenzivní míchačka s přesným dávkováním a s možností dávkování velkého množství drátků. Nevýhodou při míchání UHPC je zejména velmi dlouhý míchací čas a malé objemy jednotlivých záměsí.

Velmi nízký obsah vody způsobuje, že beton velmi rychle osychá a na povrchu se rychle tvoří vrstva, tzv. „kůže“, která brání dalšímu odvzdušňování betonu a jeho zpracování. Tomuto jevu se musí zabránit při odběru vzorků, výrobě zkušebních těles i při ukládce do konstrukce vhodným ošetřováním. Správně navržený UHPC je možno i přes tekutou konzistenci vibrovat, nesmí ale dojít k segregaci kameniva a drátků. Vibrace směsi je vhodná pro urychlení odvzdušňování betonu. Při ukládce do konstrukce je důležitá zejména rychlost ukládky a prostředí, v kterém ukládka probíhá.

Reologické vlastnosti

Doba míchání a reologické vlastnosti čerstvého UHSC jsou ovlivněny typem míchacího zařízení, okolními podmínkami prostředí a dobou uplynulou od předmíchání suché směsi. Předmíchané suché směsi UHPC vyžadují pro dosažení správných reologických vlastností delší dobu míchání. Zkoušení reologie čerstvého UHPC je ověřováno zejména testy rozlití (Slump-flow) a dalšími testy srovnatelnými se zkušebními postupy samozhutnitelných betonů. U tekutého typu UHPC se konzistence měří rozlivem Abramsova kuželu bez poklepu, jako u samozhutnitelných betonů. Hodnota rozlivu, zajišťující dobrou zpracovatelnost, minimum pórů a homogenitu směsi, se pohybuje v rozmezí 700 až 850 mm, dle konkrétního typu směsi. Viskozita a stabilita směsi se ověřuje měřením času T500 a prostupností J‑ringem.

Čtěte také: Beton Brož: Alternativa k pravému dřevu

Ošetřování a smrštění

Pro vývoj pevnosti je významný způsob ošetřování. Při klasickém způsobu ošetřování ve vlhkém prostředí se nedosahuje nejvyšších pevností. Zvýšení pevností lze dosáhnout tvrdnutím betonu za vyšší teploty (propařováním betonu). Tyto betony mají za stejných klimatických podmínek větší sklon ke smrštění než tradiční betony pevností do 60 N/mm2. Ultra vysokopevnostní betony se vyznačují extrémně nízkým vodním součinitelem a může se stát, že směs bude obsahovat menší množství vody, než je potřeba k hydrataci všeho pojiva. Během procesu tvrdnutí pak vyžaduje větší objem dodatečně dodávané vody, než je obvyklé u tradičních betonů. Tento jev je nazývaný vnitřní vysychání a v betonu způsobuje autogenní smrštění, dokonce i když je povrch betonu v průběhu zrání opatřený zábranou proti odpařování vody. Vysoký obsah cementu a nízký vodní součinitel může vést k vysokému autogennímu smrštění, které způsobuje vznik mikrotrhlin už v raném věku betonu. Toto smršťování je redukováno do určité míry spolupůsobením s vlákny.

Charakteristické vlastnosti UHPC

Největší devízou, 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). Pevnost v tahu se pohybuje v rozmezí 6 až 11 N/mm2 v závislosti na průběhu různých ošetřovacích režimů v době tvrdnutí kompozitů. Tyto pevnosti jsou dosažené následkem interakce ocelových vláken a jejich schopnosti nést zatížení po počátku vzniku trhlin. Optimálním využitím ocelových vláken špičkových vlastností se může dosáhnout ohybových pevností v rozsahu 35 až 50 N/mm2.

Složení UHPC dosahuje již tak hutné struktury, která poskytuje vysokou odolnost proti účinkům okolního prostředí. Proto u těchto materiálů lze dosahovat výrazně vyšší trvanlivosti než u betonů běžných a vyšších pevností. Důsledkem je možnost snížení tloušťky krycí vrstvy, navrhování přímo pojížděných konstrukcí a použití pro tenkostěnné konstrukce vystavené atmosférickým vlivům.

Další charakteristické rysy UHPC

  • Nízká propustnost: Díky hutné cementové matrici, nízké a nepropojené pórovité struktuře dosahují velmi nízké propustnosti. Počítá se se zanedbatelnou karbonatací povrchů nebo propustností chloridů, resp. sulfátů a také s vysokou odolností proti kyselinám.
  • Mrazuvzdornost: Mají vynikající výsledky z hlediska mrazuvzdornosti, což je také připsáno hutné matrici, která je ideální pro prakticky jakékoliv klimatické podmínky.
  • Delší životnost: Kvůli trvanlivosti a nízké propustnosti existuje předpoklad delší životnosti než u konvenčně vyztužených betonových konstrukcí.
  • Požární odolnost: Důležitou otázku využití ultra vysokopevnostních betonů pro stavební konstrukce představuje požární odolnost materiálu a bezpečnost struktury během požáru. Chování během požáru závisí na řadě parametrů, například na složení materiálů (typ kameniva, celková mezerovitost a velikost pórů, volný a vázaný obsah vody), struktuře (velikost dílců, vyztužení) a zatížení během požáru. Hlavní faktory, které způsobují oddrolení, je nízká pórovitost betonu, rozměry nosného dílu konstrukce a mechanické zatížení. Určité řešení, které dokáže zamezit nežádoucímu oddrolení, spočívá ve využití organických vláken.

Porovnání mrazuvzdornosti vybraných typů betonů

Následující tabulka porovnává mrazuvzdornost vybraných typů betonů.

Typ betonu Popis mrazuvzdornosti
Tradiční beton Vyšší pórovitost, nižší mrazuvzdornost
Vysokopevnostní beton Zlepšená hutnost, lepší mrazuvzdornost
UHPC Vynikající mrazuvzdornost díky hutné matrici

Aplikace UHPC

UHPC je přínosný zejména díky pevnostním parametrům (pevnost v tlaku využitelná hlavně u předpjatých konstrukcí, pevnost v tahu pro konstrukční prvky s omezeným použitím výztuže) a díky zvýšené odolnosti proti účinkům prostředí. Částečnými přínosy jsou snížení hmotnosti konstrukce s její současnou vysokou odolností. Umožňuje vytváření hladkých, přesných a složitých tvarů, kterých s tradičním betonem dosáhnete obtížně. 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.

V současné době se v tuzemsku UHPC nejefektivněji uplatňuje v prefabrikovaných konstrukcích mostů a lávek pro pěší. UHPC se dosud používal zejména na prefabrikované díly. Přesto existují i zkušenosti s použitím UHPC na monolitické konstrukce, např. přímo pojížděné mostovky [10], nebo na monolitické spoje prefabrikovaných desek spřažených mostů [11].

Příklady aplikací v ČR

  • Lávky kratších rozpětí: Kladno Vrapice, Čeperka, Čelákovice (tři lávky), Zbožíčko, Plumlov, Mariánské Lázně, Zadní Třebáň, Praha-Chuchle.
  • Lávky velkých rozpětí: Lávka přes Labe v Čelákovicích, přes Vltavu v Lužci, přes Labe v Hradci Králové.
  • Další využití: Mostní desky, nosníky, vnitřní podpěry a opěry, kotevní desky a čistírny odpadních vod, výškové stavby, letištní plochy, nosné oblouky (lávka přes Divokou Orlici v Žamberku).

Značnou výhodou vysokopevnostního betonu je jeho vysoká trvanlivost, daná velmi hutnou strukturou a uzavřeným povrchem. HSC nabízí možnost většího rozpětí vodorovných nosných prvků, jako jsou stropní desky nebo trámy, bez podpor při zachování srovnatelné tloušťky prvků jako u běžného konstrukčního betonu. S ohledem na možnost realizace skutečně subtilních konstrukcí umožňuje vysokopevnostní beton navýšit užitnou podlahovou plochu budovy a celkově lépe využít obestavěný půdorys.

Ekonomické aspekty

Z hlediska ekonomie výroby UHPC je zřejmá vysoká technologická náročnost. Používají se vysoce kvalitní materiály, vysoké množství cementu a drahé přísady. Rovněž technologie výroby je velmi náročná na dodržení kvality složek a technologických postupů. Náklady na výrobu UHPC jsou značné a ekonomickou výhodnost navrhovaných materiálů lze příznivě posoudit za předpokladu zahrnutí všech vlastností konstrukcí z UHPC.

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.

Související speciální betony

Samozhutňující beton (SCC)

„Revoluční“ samozhutňující beton je velmi tekutý beton s vysokým podílem jemných částic, známý pro svou schopnost proudit a zhutnit se bez potřeby jakýchkoliv vibračních zařízení. Právě tato jeho vlastnost vám umožní provést práci rychleji a zaručí lepší kvalitu povrchů. Optimalizovaná a dobře vytvořená směs SCC umožňuje snadno betonovat i komplikované, složitě vyztužené nebo úzké konstrukce bez prázdných míst. Samozhutňující beton je ideální pro složité formy a husté armování, kde by klasické zhutnění bylo obtížné. Lze ho použít pro nádrže a jímky, ale i konstrukce s vysokým stupněm zatížení, jako jsou například mosty nebo vysoké budovy.

Vláknový beton (fibreconcrete)

Vláknový beton je další inovativní variantou. Má základní strukturu prostého betonu doplněnou ztužujícími vlákny. Tato malá vlákna zlepšují jeho strukturální vlastnosti, jako jsou například pevnost v tahu a pevnost v tahu za ohybu. Vlákna mohou být ocelová, skleněná, syntetická nebo z přírodních materiálů. Každý typ poskytuje betonu specifické vlastnosti. Vláknobeton nabízí odolnost proti trhlinám, zvýšenou pevnost a lepší odolnost proti nárazům. Vláknobeton může být odolnější proti účinkům chemikálií a vysokým teplotám než jiné druhy betonu. V případě vyztužení UHPC vlákny se jedná o Ultra-High Performance Fiber Reinforcement Concrete (UHPFRC).

Rychletuhnoucí beton

Rychletuhnoucí beton je speciální typ betonové směsi, který se vyznačuje rychlým nárůstem pevnosti. Díky této vlastnosti je ideální pro aplikace, kde je vyžadována rychlá fixace a zatížitelnost.

Vlastnosti rychletuhnoucího betonu

  • Rychlý nárůst pevnosti: Umožňuje rychlé zatížení a pokračování v dalších stavebních pracích.
  • Vysoká přilnavost k podkladu: Zajišťuje pevné spojení s okolními materiály.
  • Zvýšená vodotěsnost: Chrání konstrukci před pronikáním vody a vlhkostí.
  • Odolnost vůči agresivnímu prostředí: Zvyšuje životnost betonu v náročných podmínkách.
  • Aplikace bez míchání: Některé typy, jako sloupkový beton, se aplikují přímo, což šetří čas a usnadňuje práci.

Použití rychletuhnoucího betonu

Rychletuhnoucí beton má široké spektrum využití ve stavebnictví a zahradní architektuře.

  • Kotvení sloupků a stožárů: Je ideální pro rychlé a spolehlivé kotvení plotových sloupků, stožárů, dopravních značek, lamp a dalších zahradních prvků.
  • Opravy betonových konstrukcí: Slouží k drobným opravám betonových konstrukcí, kde je potřeba rychlé zpevnění a obnova povrchu.
  • Podlahové aplikace: Podlahová hmota je určena pro provádění vyrovnávacích vrstev vnitřních i vnějších připojených potěrů v tloušťce 1,5-10 cm.

Betonové tvárnice nové generace

Betonové tvárnice vynikají před všemi ostatními stavebními materiály. Základní vlastností betonu je, že nikdy nepřestává tvrdnout, čím jsou tvárnice starší, tím jsou kvalitnější a tvrdší. Betonová tvárnice je vždy totálně suchá, neboť je plná vzduchu a průvzdušná, ve stěně tvárnice vzlíná vlhkost jen 2-3 cm a posléze vyschne. Nikdy se nehasí, nerozpadá se. Tyto tvárnice jsou vyráběny na stacionárních lisech francouzské firmy Quadra a tloušťka jejich stěn je 14-17 mm. Největší důležitost je v samotném betonu, z něhož jsou vyrobeny, a který obsahuje pouze 5 - 6% cementu, nikdy ne více než 7-8% (vždy váhových). Část cementu, okolo 15- 20%, bývá nahrazena kamenným či jiným prachem - filérem. Naprosto jedinečnou vlastností jsou však plná dna tvárnice. Plná dna navíc neuvěřitelně zvyšují pevnost tvárnice, a to nejen na svislý tlak, ale i prostorově. Došlo to tak daleko, že 1mb zdiva přímo unese 160 t, proto nemusíte dělat ani věnec. Stropní konstrukci ukládáme přímo na zdivo. Tvárnice se vyrábějí podle předpisů EU - Eurocodů, které platí i v ČR v pevnostech B 40, B 60, B 80 (tedy 8 MP) a ve vylehčené verzi pevnosti B 25. Všechny uvedené tvárnice se také dělají zcela málo vylehčené či plné s únosností 20 MP, tedy 1 tvárnice unese 20 t, přičemž se neustále používá pouze 5-7% cementu. Používají se např. když stavíte 8 pater podzemních garáží místo litého betonu, neboť stavba je několika-násobně levnější.

tags: #beton #na #vysokou #zatez #vlastnosti #použití

Oblíbené příspěvky: