Kompozitní materiály na bázi betonu: Od tradičních pojiv k inovativním výztužím

Beton je kompozitní stavební materiál, který vzniká smícháním sypkého pojiva, plniva, přísad a příměsí ve vodné suspenzi, připomínající tvárnou kaši. Po ztuhnutí pojiva vznikne pevný slepenec. Tato definice se v širším významu týká nejen betonů do podlah, základů, litých konstrukcí apod., ale i zdicích malt, omítek a dalších.

Tradiční pojiva na bázi cementu

Nejznámějším pojivem je portlandský cement (PC).

Složení a výroba portlandského cementu

K výrobě portlandského cementu je zapotřebí zejména mletá granulovaná vysokopecní struska (MGVPS), elektrárenský popílek typu F (pop.-F) a C (pop.-C) a křemičitý úlet (KÚ). Každý bod ternárního diagramu představuje určitý typ cementu. Příkladem je pucolánový popel, vlastně jemný písečný sopečný popel, který byl využíván od starověku jako hydraulické pojivo do malt a betonů. Jílovitý hlinitokřemičitan, který byl objeven již v dobách starého Říma u města Pozzuoli na úbočí Vesuvu (Itálie) a později i jinde. Popílek, používaný při výrobě dnešního cementu, je anorganická zplodina vznikající při spalování pevných, zpravidla jemně mletých paliv v uhelných elektrárnách. Zachycuje se z kouřových plynů v mechanických a elektrických odlučovačích.

Chemické složení portlandského cementu a složek, ze kterých je vyráběn:

Hydratace a tvrdnutí portlandského cementu

Přidáme-li do cementu vodu, každá ze sloučenin podstoupí hydrataci a přispěje tím k výsledné kvalitě betonu. Pouze křemičitany vápníku přispívají k pevnosti. Křemičitan trojvápenatý je odpovědný za velkou část počátečního ztvrdnutí (prvních 7 dní). Na přidání vody reaguje tento křemičitan uvolňováním vápenatých iontů Ca2+, hydroxylových iontů OH- a velkého množství tepla. Také pH rychle roste k hodnotě nad 12 (kvůli OH-). Později pak dochází k tomu, že začíná pomalu krystalizovat hydroxid vápenatý a s ním i dvojkřemičitan vápenatý. Ionty tvoří sraženinu, což dál urychluje rozklad křemičitanu trojvápenatého na vápenaté a hydroxylové ionty. Takto se vysvětluje vznik dvou teplotních maxim, které po namíchání čerstvého betonu doprovázejí reakce (hydrataci a krystalizaci) vedoucí k jeho ztvrdnutí.

Čtěte také: Přečtěte si o nových kompozitních stavebních materiálech

Další typy pojiv

Sádra a anhydrit

Kromě cementu známe i další pojiva, jako je zejména anhydrit nebo sádra. Mluvíme také o anhydritových nebo sádrových betonech či omítkách. Surovinou je v obou případech přírodní nebo elektrárenský sádrovec o chemickém složení CaSO4·2H2O, tedy dihydrát síranu vápenatého, který lze tepelně převést na sádru - hemihydrát CaSO4·1⁄2H2O nebo bezvodý anhydrit CaSO4, který existuje ve třech krystalografických modifikacích I, II a III. Chemicky stabilní jsou jen sádrovec a anhydrit II. Pojivovým materiálem, který se aktivuje přidáním vody, je pak hemihydrát nebo směsi hemihydrátu a anhydritu I a III. Asi nejznámější je sádra na bázi hemihydrátu, která po smíchání s vodou velmi rychle tvrdne při uvolnění velkého množství tepla, což snadno zaznamenáme dotykem. Opět se uvolňuje teplo, které se spotřebovalo k rozkladu sádrovce, podobně jako bylo u cementu.

Sorelův cement

Sorelův cement je méně známý. Připravuje se smícháním práškového oxidu hořečnatého MgO (magnezitu) s vodním roztokem chloridu hořečnatého, MgCl2. Tím vzniká sloučenina 5Mg(OH)2·MgCl2·7H2O. Místo magnezitu lze použít i pálený dolomit, který ale musí být vypálen při nižší teplotě, aby se nerozložila jeho vápencová složka, protože oxid vápenatý (CaO) zhoršuje vlastnosti pojiva, zejména odolnost proti vlhkosti. Sorelův cement vyniká pevností, odolností proti vlhkosti, objemovou stálostí a dobrou afinitou k organickým materiálům, u nichž navíc výrazně zvyšuje požární odolnost. Nevýhodou je jeho chemická agresivita vůči kovům, zejména oceli, na niž způsobuje intenzivní korozi. Využívá se jako pojivo pro desky s organickým plnivem, například heraklitové desky.

Vápno jako pojivo

Hašené vápno řadíme také mezi pojiva. K hašení se při výrobě použije právě tolik vody, aby reakce proběhla úplně a nepřebýval ani oxid vápenatý ani voda. Hydraulické vápno je pojivo jiného druhu. Vzniká kalcinací vápence znečištěného jílem. Jílovité nečistoty obsahují křemičitany, které způsobují hydrauličnost vápna, což je schopnost „tvrdnout i pod vodou“, přesněji za nepřístupu vzduchu.

Asfaltový beton

Asfaltový beton je název pro materiál vrchní krytové vrstvy silnic, dálnic a jiných pojížděných povrchů. Základní charakteristikou je použití asfaltu jako pojiva pro kamenivo. Pojivo při vysoké teplotě zajistí stmelení zrn kameniva, po položení, uválcování a vychladnutí je možno vrstvu užívat.

Udržitelnost výroby cementu

Při výrobě cementu uniká do ovzduší množství oxidu uhličitého CO2 v důsledku kalcinace vápence CaCO3 nebo dolomitu CaMg(CO3)2. Podrobný pohled na problematiku vlivu různých lidských činností na životní prostředí ukazuje, že výroba cementu patří k vůbec nejčistším lidským aktivitám. Srovnávacím kritériem může být tzv. emisní faktor, což je emise, která vznikne při spalování např. jedné tuny paliva a vyjadřuje se v gramech škodliviny na tunu spáleného paliva. Jiným kritériem je podíl daného hospodářského odvětví, v našem případě cementářství, na celkovém znečištění danou škodlivinou či souhrnem škodlivin.

Čtěte také: Moderní stavebnictví a kompozitní sítě

V časopisu Stavebnictví a interiér bylo uvedeno: „Molekuly skleníkových plynů totiž tepelné záření od Země neodrážejí. Odrážet může jen souvislý lesklý kovový povrch, což atmosféra není. Zemské sálání tak mohou skleníkové plyny pouze pohltit a takto získanou energii následně předávat okolním molekulám (zejména kyslíku O2 a dusíku N2) nebo ji vyzařovat dolů k Zemi a do vesmíru. Toto vyzařování je ale úplně jiné, než to zemské. Skleníkové plyny, mezi které patří i CO2 a jenž vzniká při výrobě cementu, vytvářejí teplotu atmosféry ve vyšších vrstvách vysílající k Zemi vlastní tepelné záření o nízké teplotě, působící chladivě. Sálají i opačným směrem do vesmíru, což je nekonečný prostor o teplotě cca -270 °C. Lze tedy říci, že skleníkové plyny vytvářejí kolem Země sálavou vrstvu, která Zemi chrání před působením chladného vesmíru a která zároveň „umí“ odsálat velké množství energie rovnou do vesmíru, včetně energie skupenského tepla vodní páry odpařované z oceánů. Což kyslík a dusík nedokáží. V zásadě se tak není třeba bát ani toho, kdyby se průmysl „utrhl z řetězu“ a spálil veškerá ložiska uhlí, vytěžil všechny vápence a dolomity a všechen v nich vázaný uhlík vpustil v podobě CO2 do atmosféry. Následkem by totiž bylo pouze to, že bychom se octli v podmínkách, jaké tu byly, když začal na planetě rašit život. V atmosféře by byl zhruba dvakrát vyšší obsah oxidu uhličitého a kyslíku asi o dvě procenta méně než dnes.“

Inovativní kompozitní výztuže a betony

Beton s cementovým pojivem je celosvětově nejběžněji používaný materiál ve stavebnictví. Jeho vlastnosti a odolnost jsou zásadní především u společensky významných staveb, jako jsou mosty či výškové budovy. Životnost těchto staveb často závisí na kvalitě betonu, který je jakožto kompozitní materiál s křehkou matricí náchylný na vznik a šíření trhlin.

Kompozitní tyče a sítě jako alternativa k oceli

Inovativní kompozitní tyče jako výztuž pro betonové konstrukce jsou ve stavebnictví stále používanější. Jsou odolné vůči korozi, jsou pevnější a lehčí než ocel a nemění své vlastnosti ani při změně teplot, a proto je tento nový materiál velmi slibný do budoucna. Jsou také řešením při současných omezených dodávkách stavební oceli.

Co jsou kompozitní tyče?

Kompozitem je každý materiál, který se skládá z minimálně dvou hlavních komponent s výrazně se lišícími fyzikálními vlastnostmi. Vzájemným spojením výhodných vlastností betonu a oceli vznikl ve stavebnictví nejrozšířenější a nejvíce používaný kompozit současnosti - železobeton. Kompozitní výztužné tyče a sítě vyrobené na bázi skleněných vláken a epoxidových pryskyřic jsou alternativou k tradičním betonovým výztužím vyrobených z ocelových tyčí. Jedná se o novou inovativní technologii, která svými vlastnostmi v mnohém předčí ocelové výztuže - roxory a kari sítě. PREFA KOMPOZITY, a.s. vyrábí kompozitní prvky z materiálu o složení pojivo / vláknová výztuha. Nejčastěji se jedná o kompozit z organické polymerní pryskyřice a skleněných vláken. Do pryskyřice se při výrobě přidávají i různé přísady na zlepšení materiálových vlastností.

FRP kompozity lze obecně popsat jako materiály tvořené dvěma složkami - nosnou složkou vyskytující se ve formě jednosměrně orientovaných vláken a pojivovou složkou tvořenou polymerní matricí. Důležitou vlastností FRP výztuží, vyplývající z jejich fyzikální podstaty, je ortotropní chování - materiálové charakteristiky FRP výztuží dosahují rozdílných hodnot ve směru orientace nosných vláken a ve směru kolmém na tato vlákna. Nejběžnějšími typy používaných vláken jsou vlákna skelná (vzhledem k alkalickému prostředí betonu je vhodnější použít alkaliresistentní (AR) sklo), uhlíková, čedičová a aramidová. Typem použitého nosného vlákna je dáno značení výsledného produktu jako GFRP (výztuž tvořena skelnými vlákny), CFRP (uhlíková výztuž), AFRP (aramidová výztuž) a v zemích bývalého SSSR často používaná BFRP (čedičová) výztuž. Všechny typy nosných vláken jsou lineárně elastické, ale zároveň křehce lámavé.

Čtěte také: Proč zvolit kompozitní odvodňovací obrubníky

Vlastnosti kompozitní výztuže

Kompozitní výztuž do betonu se stala stavebním výrobkem stanoveným k povinnému ověřování podle zákona č. 22/1997 Sb. ve znění pozdějších předpisů a nařízení vlády č. 163/2002 Sb. ve znění nařízení vlády č. 312/2005 Sb. a č. 215/2016 Sb. Tato výztuž existuje ve více odlišných typech a podle toho má i významně odlišné vlastnosti, které je nutné při jejím použití důsledně respektovat.

• Odolnost vůči korozi oxidací.
• Vysoká pevnost v tahu.
• Nízká hmotnost (až 9x lehčí než ocel).
• Nízká tepelná vodivost (100krát nižší než u oceli).
• Nevedou elektrický proud, jsou magneticky pasivní.
• Propustné pro rádiové vlny.
• Dlouhodobá životnost (min. 100 let).
• Koeficient tepelné roztažnosti - jako v betonu.

Výhody kompozitní výztuže

• Snížení nákladů: Díky nižší hmotnosti a snadnější manipulaci. Již při samotné dopravě, manipulaci a realizaci bez přeložení a odpau se cenové náklady snižují až o 30 %.
• Dlouhá životnost: Zvyšuje životnost konstrukce 2-3krát ve srovnání s ocelovou výztuží.
• Odolnost proti korozi: Není nutné používat ochranu proti korozi oceli. Již není nutné používat ochranu proti korozi oceli nebo zakrývat ocelové výztužné tyče epoxidem, což je velmi drahé a přináší investiční ztráty, stačí pro vyztužení použít kompozitní tyče. Náklady na takové posílení budou nižší.
• Úspora materiálu: Provedení výztuže v souladu s návrhem eliminuje tvorbu odpadu a překrývání, snižuje náklady na spotřebu materiálu a práci.
• Pohodlné použití: Stejný parametr má také dopad na snížení nákladů na nakládku a vykládku, eliminuje potřebu pronajímání těžkého vybavení a usnadňuje a zkracuje provádění prací na stavbě.

Nevýhody kompozitní výztuže

• Vyšší pořizovací cena (i když celkové náklady mohou být nižší).
• Nízký modul pružnosti (u některých typů GFRP), který snižuje výslednou tuhost konstrukce.
• Citlivost na agresivní chemikálie a UV záření.

Použití kompozitní výztuže

Perspektivní aplikační oblastí pro použití kompozitní FRP výztuže jsou především betonové prvky vystavené působení agresivního prostředí, u nichž běžně dochází k rychlé depasivaci a následné degradaci (korozi) nosné ocelové výztuže.

• Železobetonové deskové prvky (poklopy, obrubníky, fasádní panely).
• Objemové prvky ze železobetonu (sila, nádrže, čistírny odpadních vod).
• Konstrukce vystavené agresivnímu prostředí (chemický průmysl, energetika, doprava).
• Asfaltobetonové vozovky.

Kompozitní sítě se standardně vyrábí v šířce 100 cm s návimem v délce 50 nebo 100 bm. Rozměr rastru kompozitní sítě je 10 x 10 cm, stejný jako u běžných kari sítí. Lze také vyrobit jiný rastr, dle požadavku zákazníka. Průměr kompozitní tyče v rastru je 4 mm. Kompozitní sítě lze na objednávku dodat v jiných průměrech, rastrech i délkách.

Tyto kompozitní tyče nahrazují betonářskou ocel Ø12mm a Ø10mm.

Výroba a vlastnosti kompozitní výztuže

Kompozitní výztuž se vyrábí pultruzí ze svazku anorganických vláken, pojených vhodnou polymerní pryskyřicí. Po vytvrzení pryskyřice se tažená tyč buď řeže na příslušnou délku, nebo u menších průměrů se navíjí do svitku podobně jako předpínací drát. Právě možnost dodávky výztuže nebo i sítí ve formě svitků umožňuje ukládat a dělit výztuž na místě spotřeby na přesnou délku bez zbytečných prořezů a stykování. A s ohledem na možnou variabilitu výroby a globalizované obchodní možnosti nelze vyloučit ani použití jiných typů vláken případně jejich kombinací, účelně využívajících rozdílné vlastnosti jednotlivých druhů vláken.

Mechanické a fyzikální vlastnosti kompozitní výztuže jsou přímo závislé na použitém typu vláken nebo jejich kombinaci a samozřejmě také na vlastnostech pryskyřice použité jako matrice. Při návrhu je nutné buď stanovit potřebné vlastnosti kompozitní výztuže a tomu přizpůsobit výběr jejího konkrétního typu nebo naopak vycházet z vlastností konkrétního typu kompozitní výztuže a tomu přizpůsobit návrh konstrukce nebo výrobku. Pevnost v tahu a tažnost kompozitní výztuže jsou přímo závislé na typu vláken použitých pro její zhotovení, případně i lokalitě zhotovení. Například z jiných sklovláknových výrobků je známo, že tzv. E-sklo, které se ze surovinových důvodů vyrábí v Evropě, má lepší počáteční pevnosti než tzv. K-sklo, vyráběné v Číně a dalších zemích jihovýchodní Asie, ale naopak horší odolnost vůči alkáliím. Podle uvedených důvodů se pevnost v tahu kompozitní výztuže udává u výrobků na bázi skleněných vláken v širokém rozpětí od cca 550 MPa až po 1300 MPa, tažnost při přetržení od 1 % do cca 4 %. Právě vysoká pevnost výztuže na bázi uhlíkových vláken je důvodem pro používání kombinace skleněných a uhlíkových vláken v jednom profilu. Nosné jádro takové výztuže tvoří uhlíková vlákna, skleněná vlákna ve vnější části průřezu slouží ke zvětšení obvodu a dosažení lepšího přenosu tahové síly z výztuže do betonu. Stejně jako pevnost v tahu, tak i modul pružnosti kompozitní výztuže je přímo závislý na typu použitých vláken.

U kompozitní výztuže dosud k podobné konvenci nedošlo a tak se lze na trhu setkat s kompozitní výztuží o nejrůznějších povrchových úpravách, které mají zajistit její soudržnost s betonem. Na trhu je výztuž s povrchem zcela hladkým, s povrchem hladkým se spirálovým ovinutím, s povrchem opatřeným pískovým posypem, s ovinutím a pískovým posypem i s povrchem žebírkovaným. Z uvedeného důvodu je nutné návrh konstrukce nebo dílců na bázi kompozitní výztuže upravit podle soudržnosti s betonem konkrétního typu výztuže. Soudržnost s betonem konkrétního typu výztuže bude stanovována v rámci ověřování vlastností výrobku podle NV pro stavební výrobky a bude možné ji najít v dokumentaci vystavené za tím účelem autorizovanými osobami podle zákona č. 22/1997 Sb.

Kompozitní výztuž je tvořena svazkem jednotlivých vláken, která jsou vzájemně spojena polymerickou pryskyřicí. Při přenesení tahových napětí z výztuže do okolního betonu tak v povrchové vrstvě výztuže hraje velmi důležitou roli interlaminární smyková pevnost mezi vlákny. Obecně lze říci, že tato pevnost je u kompozitní výztuže dosti nízká a nelze proto uvažovat s přímým napojováním kompozitní výztuže pomocí tuhých spojek na bázi závitu. Ocel je nehořlavý materiál a její reakcí na oheň se při navrhování konstrukcí na účinky požáru nikdo nemusí z toho důvodu zabývat. Ne tak kompozitní výztuž, k jejíž výrobě je použito významné množství polymerické pryskyřice. Velkou výhodou kompozitní výztuže je její odolnost vůči korozi oxidací. Této vlastnosti bude možné s výhodou využít zejména u konstrukcí vystavených účinkům vody nebo agresivních látek, případně u konstrukcí zhotovených z mezerovitých betonů, záměrně propouštějících vodu nebo vzduch. Na druhou stranu některé typy vláken, zejména vlákna skleněná, špatně odolávají opakovaným změnám napětí, ke kterým dochází v cyklicky nebo dokonce dynamicky namáhaných konstrukcích.

Kompozitní výztuž do betonu je relativně nový a pro některá použití jistě velmi zajímavý a výhodný výrobek. Odlišné vlastnosti kompozitní výztuže lze s výhodou využít například zejména tam, kde ocelová výztuž nevyhovuje z důvodu koroze. Naopak bezmyšlenkovitá náhrada ocelové výztuže tou kompozitní může vést k pozdějším velmi závažným poruchám. Otvírají se rovněž nová použití kompozitní výztuže, například v asfaltobetonových vozovkách, kde ocelová výztuž na rozdíl od kompozitní činí závažnou překážku při případných pozdějších opravách.

Alkalicky aktivované betony na bázi strusky

Zvyšující se nároky na snižování emisí CO2 motivují k hledání nových alternativních materiálů, které by vedly k výrobě betonu bez jediného zrnka cementu. Pro tento účel lze vybrat vysokopecní strusku, která vzniká jako vedlejší produkt při výrobě železa. Struska se v současné době už do betonu přidává, a to především ve formě vysokopecních a směsných cementů.

Aby se ve strusce plně probudily pojivové vlastnosti, je potřeba k ní přidat vhodný alkalický, tedy zásaditý aktivátor. Nejčastěji se jedná o vodní sklo či hydroxid sodný. Přestože se beton dlouhodobě zkoumá v celosvětovém měřítku, stále existují nepříliš probádané oblasti jeho chování, mezi které patří právě popis vzniku a šíření trhlin při zatěžování, což je zcela zásadní z hlediska jeho praktického využití.

Týmy zabývající se výzkumem alkalicky aktivovaných materiálů překvapilo odlišné chování použitého materiálu ve srovnání s tradičním cementem, a to ani ne z hlediska lomových vlastností, kde se s rozdíly počítalo, ale spíše při běžné manipulaci se vzorky. Již na první pohled a poté i na omak byl patrný rozdíl, který se záhy projevil například tím, že na zkušebních tělesech najednou špatně držely senzory a další nalepené příslušenství nezbytné pro provedení plánovaných měření. Výzvou byl i samotný návrh složení zkoumaného materiálu. Obecně zde platí, že pokud chceme vyrobit materiál s vyšší pevností, musíme počítat s vyšší náchylností na smršťování doprovázené vznikem trhlin již během procesu tvrdnutí, tzn. bez účinků působení jakéhokoliv externího zatížení. S ohledem na to, že se výzkumníci chtěli věnovat vzniku a rozvoji trhlin v materiálu během zatěžování, byl tento fakt pro účely projektu nepřípustný. Potřebovali, aby tam ty trhliny nebyly předem.

Z hlediska praktického jsou informace o chování materiálu při lomu klíčové pro návrh stavebních konstrukcí. Experimentálně získaná data jsou cenná pro vývoj matematických modelů, využívaných pro simulace skutečného chování materiálu v konstrukci během zatěžování. S ohledem na náročnost provedených měření je vývoj matematických modelů stěžejní. Právě výsledky dlouhodobých zkoušek mohou lépe odhalit plný potenciál pro využití materiálu v praxi a jsou užitečné pro efektivní návrh konstrukcí z hlediska životnosti a udržitelnosti.

Výkonná kompozitní makrovlákna

Výkonná kompozitní makrovlákna na bázi skleněných vláken a polymerní matrice jsou navržena tak, aby poskytovala betonu vysokou pevnost po vytvoření trhliny a zároveň se zvyšovala houževnatost betonu, odolnost proti nárazu a únavě, zamezují vzniku smršťovacích trhlin, které vznikají v první fázi tuhnutí betonu. Vlákna se rychle a rovnoměrně rozptýlí v betonu díky jejich specifické objemové hmotnosti, která je podobná betonu, lze je použít jako sekundární nebo primární výztuž.

tags: #kompozitní #materiály #na #bázi #betonu

Oblíbené příspěvky:

• Ideální prahové řešení do koupelny
• Vlastnosti sušeného řeziva
• Jak bezpečně ohřívat jídlo v mikrovlnce
• Průvodce mobilními klimatizacemi s okenní lištou
• Pevné základy s kotvícími vruty