Jsou betony s rozptýlenými mikrovlákny materiálem budoucnosti?

Termíny jako vláknitý kompozit, dobrá duktilita či ultra vysoká pevnost, jež zmiňujeme v textu, se vztahují k moderním betonovým materiálům, jejichž původ lze sice dohledat už v dávných dobách, ale až vývoj posledních desetiletí je posunul na zcela novou úroveň. Řekneme si o nich více a zaměříme se obzvláště na vláknobetony, které jsou v Česku již několik let velmi aktivně využívány.

V rámci všeobecné snahy o udržitelnost je ve stavebnictví kladen velký důraz na maximální zužitkovávání přírodních zdrojů. Často jsou však opomíjeny materiály s dlouhou životností, jejichž devízou může být i snadná recyklace (jako hliník či polystyren). Mnohdy patří k vysoce ekologickým stavebním prvkům. Podporujme nejen vývoj technologií, které jsou přívětivé k životnímu prostředí, ale také inovujme to, co již existuje. Experimentování i s tak tradičními materiály, jako je beton, přináší zrychlení konstrukčních procesů a především zvýšenou odolnost staveb, které tak slouží mnohem déle než kdy dříve. V tomto článku je řeč o vláknobetonu, tedy kompozitu s cementovou matricí doplněnou vlákny, jež ztužují strukturu cementové hmoty a výrazně vylepšují vlastnosti finálního produktu. Ten je tak soudržnější a odolnější vůči deformaci či opadávání v okrajových částech konstrukce.

Stará dobrá vlákna

Vláknitý kompozit tvořili ve své době už Babyloňané, přírodní vlákna jako slámu či koňské žíně přimíchávali za účelem snížení křehkosti do jílu, z něhož vyráběli cihly, a do omítek. Příkladem uplatnění vláken je také dříve oblíbený azbestocement (eternit) či sklovláknocement. Později začal být beton obohacován o ocelová vlákna (drátkobeton) i další materiály – čedičová vlákna a polymerická mikro- či makrovlákna. Patrná je také snaha o uplatnění vláken přírodního původu. Společným jmenovatelem všech nových betonových materiálů je každopádně zvýšení houževnatosti finálních výrobků.

Výzkumníky motivuje k dalšímu vývoji mimo jiné touha vytvořit z betonu dříve nemyslitelné tvary či tenkostěnné prvky, jejichž produkci standardní železobeton nedovoluje. Pro vytvoření architektonických děl o tenkých skořepinách je totiž nutné, aby byl beton pružný, odolával zatížení tahem, byl trvanlivější a rezistentní vůči vzniku trhlin. Na rozdíl od běžného železobetonu, který může snadno prasknout, je vláknobeton obvykle odolnější i při tlumení nárazů (bez prasklin). Konkrétní vlastnosti kompozitu se pak odvíjejí od objemového podílu vláken, jejich tvaru a velikosti, typu materiálu, jímž jsou vlákna tvořena, či jejich aplikovaného množství (obvykle 0,1–3 % v celkovém objemu). Zásadní je, aby byla vlákna vždy rozprostřena v betonu rovnoměrně.

Vlákny obohacený beton, v mezinárodní terminologii často označován zkratkou FRC (Fibre Reinforced Concrete), přináší snížené náklady na údržbu a delší životnost. Jde o důsledek vylepšených vlastností, zejména omezení vzniku trhlin při tahovém namáhání, větší tuhosti či vyšší požární odolnosti. Díky záměně tradiční ocelové prutové výztuže za rozptýlená malá vlákna lze při masivnějším rozšíření vláknobetonu v budoucnu očekávat, že jeho produkce bude ve srovnání s běžným železobetonem také rychlejší, jednodušší a zároveň levnější. Zatímco tradiční beton se snadno láme a obvykle vyžaduje opravu, vláknitý kompozit vydrží vyšší tlak. To znamená, že konstrukce nevyžaduje přílišnou údržbu ani opravy. Efekt tedy spočívá v úspoře času i peněz, spotřebě menšího množství zdrojů a v produkci menšího množství zplodin s negativním dopadem na životní prostředí.

Beton se samoregeneračními schopnostmi

V letošním roce jsme v našem časopise uveřejnili článek o betonu, který se vyznačuje velmi vysokou mírou vodopropustnosti. V tématu betonu budeme pokračovat, tentokrát se podíváme…

Z vláknobetonu se vyrábějí nejen dekorativní interiérové i exteriérové architektonické prvky jako fasádní desky a jiné prefabrikáty, ale je aplikován i do základových desek či parkovacích ploch a využíván třeba do nosníků, vazníků či střešních prvků. Beton obohacený o ocelové drátky je často využíván do velkých průmyslových podlah s vysokým zatížením. Sklovláknobeton lze vidět hlavně na fasádách staveb, v interiérech, ale také jako materiál pro výrobu akustických panelů. Polypropylenový vláknobeton se uplatňuje ve stavebních prvcích, jež musejí být odolné proti rázu – polymerová vlákna nacházejí své místo například při výrobě segmentů ostění tunelů, kde napomáhají zvýšit požární odolnost a mrazuvzdornost. Časté je také využití vláknobetonu jako obkladu silnic, mostů či přistávacích drah, ale uplatní se také při restaurování památek. Zvýšený efekt navíc přináší kombinace vláknobetonu s běžnou ocelovou výztuží.

UHPC

Mezi betony s rozptýlenou výztuží jsou správně řazeny i vysokohodnotné betony s ultra vysokou pevností (UHPC – Ultra High Performance Concrete). Jde o cementové kompozity vyznačující se vysokým obsahem cementu, malou frakcí kameniva (zpravidla v řádu jednotek milimetrů), extrémně nízkým vodním součinitelem (okolo hodnoty 0,2) a všesměrně rozptýlenou vláknitou výztuží (nejčastěji ocelovou). Tento moderní materiál disponuje velmi vysokou pevností v tlaku (nad 150 MPa), v tahu (obvykle přes 25 MPa) i za ohybu, dále vysokým modulem pružnosti, odolností proti obrusu, při aplikaci značnou tekutostí a konečně dlouhou trvanlivostí. To pak umožňuje zmenšit průřezy konstrukcí a snížit jejich hmotnost. Jde tedy o ideální materiál pro architekty, s nímž lze navrhovat subtilní nevyztužené, vzhledově stabilní a přitom tuhé konstrukce. Náklady na výrobu UHPC jsou vyšší než u běžného betonu, trvanlivost konstrukcí (údajně více než 200 let) je však opodstatňuje. Uplatnění nachází zatím zejména u nosných konstrukcí mostů a lávek, při sanacích starších betonových konstrukcí nebo například v podobě tenkých fasádních prvků. Někteří odborníci považují materiál UHPC spíše za konkurenci oceli než betonu.

V Česku bylo v posledních letech zrealizováno z UHPC několik zajímavých staveb. Jednou z prvních byla v roce 2014 mostovka pro lávku pro pěší přes řeku Labe v Čelákovicích. Šlo o nosník tvaru TT z UHPC s hmotností asi 10 tun. Pro dlouhodobé sledování konstrukce byl osazen odporovými tenzometry, které zachytí případné deformace. Unikátnost lávky spočívá nejen v jejím materiálovém složení, ale také v rozpětí hlavního zavěšeného pole, které činí 156 metrů, a je tak největším v tuzemsku.

V roce 2018 došlo k osazení UHPC lávky přes Dřetovický potok ve Vrapicích u Kladna. Jde o experimentální prefabrikovanou konstrukci s rozptýlenou vláknitou výztuží, avšak zcela bez konvenční armatury. Po statické a technologické stránce se o návrh postarali vědci z Kloknerova ústavu ČVUT. Lávka sestává z betonu o tloušťce pouhé 3 centimetry.

UHPC tvoří také nosnou konstrukci lávky přes řeku Lubinu v Příboře. Nosná konstrukce je uložena na masivní železobetonové spodní stavbě. Betonová hmota obsahuje rozptýlené ocelové drátky a disponuje pevností v tlaku až 130 MPa a pevností v tahu za ohybu v hranolech minimálně 15 MPa. Segmenty byly odlity v obrácené poloze, aby byla zachována nejvyšší kvalita pochozího povrchu a boků mostu.

ECC

V posledních letech je hojně skloňován také termín duktilní neboli ohebný beton (mezinárodní zkratka ECC – Engineered Cementitious Composite). Vyztužen je asi dvěma procenty sekaných polyvinylalkoholových vláken, která disponují vysokou pružností, a vyráběn je bez použití hrubého kameniva. Mikrovlákna se chovají jako vazy, jež dodávají betonu pevnost. Tento kompozit údajně disponuje 300- až 500krát větší pevností v tahu než standardní beton a je také schopen absorbovat velké množství energie bez vzniku poruch. Vědci si od tohoto materiálu slibují další zvýšení trvanlivosti konstrukcí, zejména těch v dopravní infrastruktuře včetně mostních, a to i v lokalitách ohrožených zemětřeseními.

Závěrem

Vláknobetony i UHPC přinášejí všeobecné snížení hmotnosti konstrukcí při současném zvýšení jejich odolnosti vůči mechanickým, ale také klimatickým vlivům. To vede k návrhu dříve nemyslitelných betonových struktur, které jsou zajímavé jak z estetického hlediska, tak především z pohledu jejich trvanlivosti. Navíc zrychlují proces výstavby, snižují celkovou spotřebu materiálu i vynaložené energie a vyžadují jen minimální údržbu. Jejich aplikace po celém světě navíc neustále přibývají.

Vodopropustný beton (pervious concrete)

Trvalý rozmach nepropustných materiálů ve stavebnictví (asfaltu, betonu) a zemědělská kultivace zabraňují dešťové vodě vsakování do půdy. To logicky ústí v pokles hladiny spodních…

Zdroje:

- https://www.betontks.cz/sites/default/files/BETONOVE-KONSTRUKCE.pdf
- https://www.betontks.cz/sites/default/files/BETON_5-16.pdf
- https://www.betontks.cz/sites/default/files/2012-7-68.pdf
- https://www.betonuniversity.cz/uploads/sources/prezentace/40cdd35830895bc39c6538c2258e1efd64ab25d2_uploaded_2016-03-bu-design-uhpc-kompr.pdf
- https://ksprefa.cz/reference/