Uplatnění vláknobetonu v prefabrikovaných prvcích

V posledních letech proběhl v oblasti konstrukčních betonů bouřlivý rozvoj včetně zavádění nových technologií a aplikace progresivních materiálů, jako jsou vláknobetony. Vláknobetony označujeme takové betonové materiá­ly, při jejichž výrobě se kromě tradičních komponentů používají také vlákna z různých materiálů. Nejčastěji se používají ocelová, skleněná, syntetická (např. polypropylenová, polyetylenová, polyvinylalkoholová) a uhlíková, ale také vlákna z přírodních materiálů. Vlákna významně ovlivňují výsledné vlastnosti nového materiálu.

Největšímu uplatnění v praxi, měřeno objemem vyrobeného vláknobetonu, se dostalo těmto betonům v nosných deskách konstrukcí průmyslových podlah. Menší podíl z objemů připadá na fasádní, dekorační a jiné prvky z výrobního sortimentu betonového stavitelství. Všechny dosud provedené aplikace přinesly jednoznačné závěry: vlákna přidaná do betonu zlepšují vlastnosti ztvrdlého kompozitu a při jeho vhodném využití lze dospět, kromě zvýšené životnosti a bezpečnosti konstrukce, i k ekonomickým úsporám.

Ty vycházejí například ze zjednodušení technologie provádění konstrukce. Aplikace také ukázaly rozdílné vlivy užívaných druhů vláken na výsledné vlastnosti vláknobetonu a rozdílné nároky na technologii výroby vláknobetonových směsí i vlastních konstrukcí.

Vlastnosti vláknobetonu
Vlákna různých tvarů a velikostí z oceli, plastických hmot, skla a přírodních materiálů popisuje číselný parametr zvaný štíhlostní poměr, který je definován jako poměr délky vlákna k ekvivalentnímu průměru vlákna. Běžná hodnota štíhlosti pro délku vláken od 6,4 do 76 mm se pohybuje v rozmezí od 30 do 150.

Množství vláken rozptýlených v čerstvém betonu se vyjadřuje obvykle v procentech objemu. První patent na beton vyztužený vlákny se datuje do roku 1874. Tehdy se ještě nejednalo o drátky v dnešní podobě, ale o odpad z výroby ocelových součástek. Kolem roku 1960 se začal drátkobeton intenzivněji zkoumat a testovat na praktických aplikacích ve snaze co nejlépe definovat vlastnosti nového stavebního materiálu – betonu s náhodně rozptýlenými ocelovými vlákny.

Zjistilo se, že oproti běžnému betonu má vláknobeton tyto vlastnosti:

• i po vzniku trhliny je schopný přenášet tahová napětí,
• lépe vzdoruje dynamickým účinkům zatížení,
• za určitých podmínek vykazuje menší smršťování a dotvarování,
• je více odolný proti opotřebení povrchových vrstev.

Prostý beton je křehký materiál s nízkou pevností v tahu a má malé přetvárné schopnosti. Úloha náhodně orientovaných, jednotlivých nesouvislých vláken je omezit trhliny, které se vyvíjejí v betonu, je-li vystaven buď zatížení, nebo změnám okolního prostředí. Jestliže jsou vlákna dostatečně pevná, správně spolupůsobí s betonem a jsou v dostatečném množství, pomohou udržet malou šířku trhlin a umožní, aby vláknobeton po vzniku trhlin přenesl podstatně vyšší napětí při relativně nižším přetvoření.

Proto se u kompozitních materiálů setkáváme s pojmem duktilita po vzniku trhlin, úzce souvisejícím s pojmem houževnatost. Při běžně používaném množství vláken (většinou méně než 1%) se pevnost betonu významně nezvýší. Vlákna rovněž nemohou kompenzovat případné nedostatky ve složení betonové směsi nebo problémy vzniklé při ošetřování betonu. Vzhledem k tomu, že vlákna jsou poměrně drahá, je třeba nejprve zvážit, zda by nebylo lepší tytéž náklady investovat do přídavné výztuže, kvalitnějšího betonu nebo kvalitnějšího způsobu ošetřování. Správně použitá vlákna mohou značně zlepšit chování běžného betonu.

Realistický přístup k tomu, co lze od vláken v betonu očekávat (zvláště při nízkém dávkování), je potřebný, protože vláknobeton nevyřeší všechny problémy, které se při práci s betonem mohou vyskytnout. Pozitivní příklady vláknobetonu použitého v konstrukcích s mírou slibují dobré vyhlídky na jeho použití v budoucnosti.

Klasická versus vláknová výztuž
Beton jako konstrukční materiál se vyznačuje tím, že má poměrně vysokou pevnost v tlaku, ale pouze nízkou pevnost v tahu. Tato nevýhoda se proto kompenzuje u železobetonových konstrukcí umístěním výztužných prutů do tažených částí průřezů konstrukčních prvků. Jestliže provádíme návrh podle betonářských norem, obvykle při výpočtu železobetonové konstrukce, neuvažujeme s tahovou pevností betonu. Výpočtem rozměrů průřezů v souladu s plat­nými normami, stejně jako stanovením typu, potřebného množství a tvaru a uspořádání vyztužení se u konstrukčních prvků prokáže dostatečná únosnost a použitelnost. Nicméně vlákna mohou zlepšit chování konstrukčních prvků v těch případech, kdy se požaduje houževnatost.

Požadované únosnosti a použitelnosti konstrukčních prvků z drátkobetonu se dosáhne stanovením nutných rozměrů prvků, nezbytného množství a typu drátků. Proto je třeba popsat materiálové vlastnosti drátkobetonu v závislosti na typu drátků a jejich množství.

Použití vláknové výztuže jako částečné nebo plné náhrady klasické výztuže může být ekonomicky výhodné tam, kde vyšší náklady na materiál jsou kompenzovány snížením pracnosti a omezením například velkých ploch nutných pro skladování klasické výztuže. Kromě velkých prvků existuje celá řada drobnějších prefabrikátů, které jsou navrhovány na minimum plochy výztuže, aby se zamezilo křehkému lomu, a které jsou vhodné pro aplikaci vláknobetonů. Použití vláknové výztuže jako částečné nebo plné náhrady výztuže je předmětem dlouhodobého výzkumu.

Cílem je porovnat chování prvků vyrobených z prostého betonu, z vláknobetonu a ze železobetonu, popsat rozdíly v jejich působení a v mechanismu kolapsu a navrhnout takový postup návrhu, který zohlední minimální množství vláken v betonu potřebných pro dostatečnou lomovou houževnatost prvků, která zajistí odpovídající únosnost a provozuschopnost.

Možnosti uplatnění vláknobetonu
Přes značný rozsah nových poznatků v teo­retické oblasti i v technologických postupech při výrobě vláknobetonu a přes širokou nabídku nejrůznějších vláken pro beton v prodejní síti je dosud nejčastější aplikací vláknobetonu v praxi jeho užití v podlahách, mostovkách a letištních plochách. Výhodné vlastnosti vláknobetonu dávají možnost jeho uplatnění v dalších konstrukcích a také rozšíření vláknobetonových konstrukcí do každodenní stavební praxe. V rámci výzkumného projektu, do něhož se zapojily stavební firmy spolu s akademickou sférou, byly zkoumány možnosti aplikace vláknobetonů v prefabrikaci a vytipovány konstrukce vhodné pro výrobu z vláknobetonu, případně drátkobetonu.

Aplikace vláknobetonu může vést k úspo­rám plynoucím jednak ze statického působení vláknobetonové konstrukce, 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.

V prvních fázích výzkumného projektu byly vytipovány prvky vhodné pro aplikaci vláknobetonu a je připravována a zkoušena poloprovozní výroba vybraných prvků. Výběr prvků vyžaduje analýzu, která má zjistit, je-li prvek vhodný pro aplikaci vláknobetonu, a analýzu vedoucí ke správnému výběru a návrhu vhodného vláknobetonu pro daný prvek. Je tedy třeba provést statický výpočet pro běžná zatížení i pro mezní únosnost daného konstrukčního prvku a zjistit, kde jsou kritická místa, tj. které vlastnosti a nedostatky prefabrikovaného prvku lze aplikací vláknobetonu zlepšit. Současně je třeba navrhnout vhodný vláknobeton s vyhovujícími vlákny, které vlastnosti vláknobetonu zlepší.

Před zavedením vláknobetonu do výrobního procesu je plánována ekonomická rozvaha posuzující přínosy vláknobetonu. Úspora ve snížení pracnosti nastane při výrobě prvků, u nichž se snižuje množství klasické výztuže. Prvky z vláknobetonu mohou být subtilnější, a tím se sníží přepravní náklady a náklady na energeticky náročné materiály, jako jsou klasická betonářská výztuž a cement. Při vytipování prvků pro aplikaci vláknobetonu byly v této části projektu voleny především drobnější prefabrikáty, které nejsou vystaveny velkým zatížením a jsou proto navrhovány na minimum plochy výztuže, aby se zamezilo křehkému lomu. V těchto případech byla aplikace vláknobetonu shledána jako velmi vhodná.

Prefabrikáty pro dopravní stavby
V této oblasti výstavby je sortiment prvků vhodných pro aplikaci vláknobetonu nesmírně široký, počínaje předpjatými pražci pro železniční stavby a konče běžnými obrubníky na silničních komunikacích.

Lze sem zařadit:

• svodidla různých typů,
• nejrůznější části betonových konstrukcí pro zachycení příčných (štěpných) sil pod velkými soustřednými zatíženími – bloky pod mostními ložisky, kotevní bloky pod kotvami, předpínací výztuže a podobně,
• betonové konstrukce mostních říms – celomonolitické římsy a římsy kombinované s lícním dílcem, případně i s obrubníkem a vnitřní monolitickou částí.

V těchto konstrukcích vláknobeton zvyšuje odolnost proti trhlinám od objemových změn betonu, zlepšuje soudržnost kotev říms a svodidlových sloupků a chrání před vytržením z betonu a vznikem trhlinek.

Doplňkové mostní prefabrikáty
Betonový dílec záchytného systému pro vozidla (betonové svodidlo) délky 4 m se spojuje v hlavě ocelovou tyčí, která se sponkuje nad styky jednotlivých dílů. Návrh betonového svodidla z vláknobetonu se tedy soustředil v počáteční etapě na návrh betonové směsi pro výrobu těchto dílců tak, aby beton vyhovoval požadavku Technických kvalitativních podmínek (kapitola 18) pro betonové konstrukce na stavbách pozemních komunikací (vydaných ministerstvem dopravy v srpnu 2005). Předpokládalo se, že betonové dílce svodidla z vláknobetonu budou v hlavě vyztuženy spojovací ocelovou tyčí, která zajišťuje záchytnou funkci svodidla. Na ochranu proti vytržení při nárazu bude nutno i do vláknobetonu zachytit spojovací tyč sponkami. Do dolní části je dále nutno osadit bezpečnostní profil, který v nejnepříznivější situaci zabrání rozlomení dílce.

Doplňkové prefabrikáty mostních říms a záchytné prvky mohou být vystaveny značnému namáhání, působení atmosférických vlivů a solí. U těchto prvků je třeba eliminovat vznik a rozvoj trhlin od objemových změn. Jednak pro zachování estetických požadavků při pohledu na mostní římsu, jednak kvůli zvýšení soudržnosti kotev římsových prvků a zabránění korozi úchytných prvků a eliminaci nebezpečí vytržení kotev. Dalším problémem tohoto konstrukčního prvku je vznik trhlin a porušení prvku při transportu a následné nebezpečí pádu části prvku po osazení. Tyto poruchy mohou být i zdrojem úrazů chodců nebo poškození vozidel projíždějících pod nimi.

Po zvážení všech těchto požadavků na prvky byl jako nejvhodnější materiál určen vláknobeton se syntetickými vlákny. Ve spolupráci s výrobcem byla připravena receptura pro provozní zkoušky, která počítá s jedním procentem polypropylenových vláken, a v rámci provozu byla vyzkoušena výroba mostního římsového prefabrikátu. Díky duktilnímu chování vláknobetonu, které zajistí příznivý charakter porušení prvku a zamezí nebezpečnému porušení křehkým lomem, je možné snížit množství klasické ocelové betonářské výztuže. Vyzkoušený vláknobetonový materiál s jednoprocentním obsahem polypropylenových vláken umožní vyrábět subtilnější konstrukce, aniž by docházelo k poškození římsového prefabrikátu při dopravě a osazování prvku.

Vláknobeton byl vyráběn v mísicím centru standardním postupem – postupně se zamísila základní betonové matrice a do ní se přidala dávka vláken. Vyrobená směs byla dobře zpracovatelná a homogenní a dařilo se ji bez problémů čerpat. Prvky byly umístěny na několik mostních objektů s cílem ověřit užitné vlastnosti v delším časovém horizontu.

Betonové trouby různých průměrů
Kanalizační trouby, další vybraný prvek pro aplikaci vláknobetonu, jsou také příkladem zlepšení užitných vlastností produktu vhodnou volbou vláken a úpravou technologie. Zkušenosti získané při výrobě předchozích prvků umožnily jasně formulovat záměr pro využití vláknobetonu při výrobě trub, zjednodušily a zkrátily přípravu zkoušek a navíc umožnily jednoduše optimalizovat výběr vhodných vláken a jejich hmotnostní koncentraci pro výrobu vláknobetonu.

Trouby o průměru 600 mm a délce 2,5 m jsou nejčetnějším prvkem z výrobního sortimentu. Aplikace vláknobetonu se přímo nabízí, je-li potřeba zjednodušit výrobu a odstranit armokoše u tzv. vyztužených trub nebo je-li potřeba vyloučit, aby se náhle rozlomily trouby vyráběné bez armokošů v důsledku jejich okamžitého krátkodobého přetížení nebo nárazu.

Jako u každé aplikace, která se ukázala snadnější při rozhodování v technologické oblasti, tak i u této bylo postupováno standardním způsobem. Technologický proces zahrnoval přípravu technologie výroby trub (výběr vhodných vláken, provádění průkazných zkoušek, průkaz vhodnosti stávajícího strojního zařízení Prefy), i jejich zkoušky, provedené ve zkušebně Prefy. Některé typy destruktivních průkazných zkoušek byly provedeny v experimentálním centru Stavební fakulty ČVUT v Praze.

Výpočtová simulace potvrdila potřebné pevnostní charakteristiky vláknobetonu a řada průkazných zkoušek možnost užití vytipovaných vláken i strojního zařízení výrobny k výrobě homogenního čerstvého vláknobetonu. Výsledky průkazných zkoušek charakteristik vláknobetonu a výsledky destruktivních zkoušek trub prokázaly vhodnost volby a zlepšení vlastností výsledného produktu.

Shrnutí
Při přechodu od běžného betonu k vláknobetonu dochází k optimalizaci některých prefabrikovaných prvků – od výběru vhodného typu vláknobetonu přes úpravy tvaru a tloušťky prvku až po experimentální ověření. Součástí procesu je optimalizace množství vláken v prvcích, aby bylo zajištěno, že se prvek neporuší při podmínkách používání a přepravy kladených na prefabrikát běžného typu a obvyklého vyztužení. Proces byl porovnán s teoretickými modely až po experimentální ověření prvku včetně ekonomického vyhodnocení.

Správně zvolený materiál pro konstrukci hraje důležitou roli při posuzování hospodárnosti konstrukce. Vláknobeton splňuje požadavky na dostatečnou spolehlivost, tj. únosnost a použitelnost popsaných prvků, vyhovuje i zvýšeným nárokům na trvanlivost a delší životnost. Užití vláknobetonu se syntetickými vlákny zvýší v popsaných případech spolehlivost a trvanlivost výsledných konstrukcí.

Tento příspěvek vznikl při řešení grantových projektů GAČR 103/09/1788.

doc. Ing. Alena Kohoutková
Foto: archiv autorky

Autorka působí na Katedře pozemních staveb Fakulty stavební ČVUT v Praze.

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.