ENVIRONMENTÁLNÍ ASPEKTY VYUŽITÍ VLÁKNOBETONŮ V KONSTRUKCÍCH BUDOV

Transkript

1 ENVIRONMENTÁLNÍ ASPEKTY VYUŽITÍ VLÁKNOBETONŮ V KONSTRUKCÍCH BUDOV Petr Hájek, Magdaléna Kynčlová, Ctislav Fiala 1 Úvod Optimalizace spotřeby konstrukčních materiálů a jejich složení zaměřená na redukci spotřeby primárních neobnovitelných surovin je jedním ze základních požadavků při vývoji nových stavebních konstrukcí respektujících požadavky udržitelné výstavby. V rámci předchozího výzkumu již bylo provedeno několik srovnávacích studií environmentálních profilů běžně realizovaných i nově vyvíjených stropních konstrukcí využívajících převážně běžných typů betonů. Vývoj betonů vyztužených vlákny vytváří předpoklady pro optimalizaci dimenzí vedoucí k dalším úsporám primárních materiálů a tím i příznivějším environmentálním parametrům realizovaných konstrukcí. Nový koncepční přístup v oblasti výzkumu, vývoje a navrhování konstrukcí představuje integrovaný návrh konstrukce a materiálů, který integruje návrh materiálu a návrh konstrukce, tak aby bylo dosaženo optimálních parametrů konstrukce pro specifický účel v průběhu celého životního cyklu. Tento koncepční přístup nachází uplatnění i při návrhu nových progresivních konstrukcí, ve kterých své nezastupitelné místo mají velmi dynamicky se vyvíjející vláknobetony. Provedená studie vycházející z výsledků experimentálního ověření statických parametrů ukazuje na potenciál využití vysokohodnotných vláknobetonů v environmentálně optimalizovaných konstrukcích. 2 Optimalizace železobetonových kazetových desek Vylehčená železobetonová deska (žebrová, komůrková resp. kazetová) představuje vzhledem ke své tvarové podstatě jeden z efektivních typů konstrukcí z hlediska relace mezi spotřebou konstrukčních materiálů a statickými parametry. Důvodem jsou nesporné statické výhody vyplývající z odlehčeného žebrového charakteru průřezu s menší plošnou hmotností. V porovnání s plnou železobetonovou deskou lze v případě odlehčených desek dosáhnout až 50% (event. i větší) úspory betonu a tím i snížení zatížení. Redukce zatížení se odráží i v menší spotřebě výztužné oceli vlastní desky a menších dimenzích konstrukcí podporujících. Při použití nových kompozitních materiálů s naprogramovanými mechanickými vlastnostmi a progresivních technologií zpracování je reálný předpoklad dosažení ještě většího vylehčení konstrukce a tím i snížení environmentálních dopadů spojených se spotřebou primárních surovin a s likvidací odpadů a recyklací. Některé příklady ze zahraničí ukazují, že nové kompozitní silikátové materiály a související technologie umožňují realizaci subtilních skořepinových konstrukcí s velmi malou tloušťkou stěn (30 mm i méně) např. Ductal (Francie) [1]. Významných výsledků v této oblasti je dosahováno i na Kassel University v SRN pod vedením prof. Michaela Schmidta [2]. Dílčím cílem probíhajícího výzkumného projektu je ověření možností návrhu subtilních kazetových nebo žebrových stropních konstrukcí s minimalizovanou tloušťkou 1

2 horní desky (až 30 mm). Deska takové tloušťky nemůže být efektivně vyztužena konvenční výztuží a proto je ověřována možnost využití vláknobetonů a to i s ohledem na zajištění vysoké spolehlivosti konstrukce. Deska musí spolehlivě přenést ohybové namáhání od svislého zatížení a tlakové namáhání od spolupůsobení s žebrem při ohybu. V první fázi byla na několika sadách zkušebních těles (desek tloušťky 30 mm) z různých druhů vláknobetonů ověřována pevnost v tlaku a pevnost v tahu za ohybu. Pro porovnání byla referenční série desek S-I vyztužena konvenční výztuží, kari sítí 100x100x4, která byla umístěna do střednicové roviny desky. 3 Výroba zkušebních těles Zkušební tělesa byla ve tvaru desek o rozměrech 700/250/30 mm. Celkem bylo vyrobeno a odzkoušeno 10 sérií vždy po 6 kusech desek. Výroba zkušebních těles probíhala v laboratořích Experimentálního centra Fakulty stavební ČVUT (obr. 1). Na podzim 2007 bylo zhotoveno prvních pět sérií, další čtyři v dubnu Poslední série byla v rámci spolupráce s prof. Schmidtem vybetonována na univerzitě v Kasselu v Německu. Podzimní série byly vyrobeny ze stejné směsi, jen byla přidána různá vlákna v množství 1 obj.%. Pevnost betonu v tlaku se pohybovala okolo 50 MPa. První série S-I s kari sítí sloužila jako referenční. V druhé sérii S-II byla do směsi přidána polypropylenová vlákna BeneSteel 50/35, v třetí sérii S-III ocelová vlákna s koncovou úpravou Fibrex A1 pevnosti 350 MPa od firmy Adler. Ve čtvrté sérii S-IV byla použita ocelová vlákna 60 mm dlouhá bez koncové úpravy od firmy TriTreg Třinec a v páté sérii S-V ocelová vlákna s koncovou úpravou Dramix ZP 305 od firmy Bekaert. Jarní série byly vyrobeny ze směsi navržené na pevnost cca 80 MPa. Série S-VI byla realizována z prostého betonu s max. frakcí 4/8. Na sérii S-VII byla použita stejná receptura, navíc byla přidána ocelová vlákna Dramix 80/30 a 0,1 dm 3 vody z důvodů zpracovatelnosti. Série S-VIII byla vyrobena opět z prostého betonu, ale tentokrát s max. frakcí 0/4. V sérii S-IX byla použita stejná směs jako u S-VI, navíc byla přidána ocelová vlákna Kubeš s nízkou pevností. Série S-X byla zhotovena na universitě v Kasselu dle jejich receptury M2Q UHPC [2]. Obr. 1 Výroba zkušebních těles, a vyztužení série S-I, b desky po odformování 4 Experimentální ověření mechanických vlastností Ověření mechanických vlastností zkušebních desek bylo provedeno v Experimentálním centru Fakulty stavební ČVUT standardní zatěžovací zkouškou čtyřbodovým ohybem při 2

3 stáří zkušebních těles 28 dnů. Na tělesa byly umístěny tenzometry LY41-50/120. Zatížení bylo vnášeno v krocích po 0,25 kn po dobu 60 s. 5 Výsledky měření 5.1 Průhyby Obr. 2 Uspořádání zatěžovací zkoušky Závislosti průhybů desek na zatížení jsou zřejmé z následujícího grafu na obr. 3. Z podzimní série měly největší pevnost v tahu za ohybu desky S-IV s 60 mm dlouhými vlákny TriTreg Třinec. Z jarní série pak nejlépe dopadla série S-IX s vlákny Kubeš. Desky dovezené z Kasselu z vysokopevnostního betonu dosáhly přibližně dvojnásobné pevnosti v tahu za ohybu v porovnání s běžnými vláknobetony vyrobenými na FSv ČVUT. Krychelná pevnost v tlaku S-X byla cca 175 MPa. 5 S-X UHPC Kassel 4,5 4 zatížení (kn) 3,5 3 2,5 2 1,5 S-IV S-IX S-I S-I S-II S-III S-IV S-V S-VI S-VII S-VIII S-IX S-X 1 0,5 0 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 průhyb (mm) Obr. 3 Průhyb desek (Série S-X přenesla max. zatížení 8,25 kn při průhybu 10,25 mm) 3

4 6 Environmentální porovnání desek Při environmentálním porovnávání alternativ desek z různých směsí betonů (S-I až S-X, viz kap. 3) byly sledovány hodnoty svázané spotřeby energie a svázaných emisí CO 2,ekviv. a SO x,ekviv. v jednotlivých deskách. Pro výpočet byla využitá zdrojová data [3], [4] a [5]. Hodnoty energie a emisí byly získány výpočtem z dat pro prostý beton C50/60 dle [3], data pro jednotlivé druhy drátků [4] a rozdíl v kvalitě a množství cementu byl dopočítán dle [5]. Hodnoty svázané spotřeby energie a emisí pro UHPC (Kassel) vycházejí tímto postupem vyšší než hodnoty z roku 2005 uváděné v [2], kde byly pravděpodobně použity jiné okrajové podmínky v rámci životního cyklu. V našem případě porovnávaných betonů pro desky byl pro výpočet použit jednotný postup zohledňující již použití plastifikátorů a rozdílných druhů cementů, spolu s novějšími daty z let 2007 a Environmentální efektivita využití materiálu (EE) je nepřímo úměrná podílu environmentálního dopadu (EI) na jednotku výkonu (P): EE = (EI/P) -1. Čím menší je množství environmentálního dopadu na jednotku výkonu, tím je větší environmentální efektivita využití materiálu z hlediska posuzovaného environmentálního dopadu. V případě posuzovaných desek byl pro vybrané environmentální dopady (svázaná spotřeba energie, svázané emise CO 2, svázané emise SO x ) vyčíslen jejich podíl s experimentálně dosaženou pevností v tahu za ohybu (která je úměrná únosnosti desky tj. jejímu mechanickému výkonu). Tabulka 1 uvádí pro jednotlivé série desek dosažené průměrné hodnoty svázané spotřeby energie, pevnosti v tahu za ohybu a jejich podílu. Obdobně byly vyčísleny i hodnoty pro svázané emise CO 2 a SO x. Na obr. 4 jsou znázorněny porovnávací grafy pro všechny tři posuzované environmentální dopady vlevo absolutní hodnoty dopadů, vpravo podíl dopadu a pevnosti v tahu za ohybu. Např. pro případ svázané energie vyjadřuje graf vpravo množství svázané energie v MJ potřebné pro dosažení pevnosti 1 MPa v tahu za ohybu pro jednotlivé porovnávané typy betonů. Z grafu je dobře patrná vyšší environmentální efektivita desky z UHPC, která dopadla výrazně lépe než všechny ostatní desky z vláknobetonů, přestože množství produkovaných emisí a spotřeby energie na 1 kg je horší než u ostatních ověřovaných směsí vláknobetonů. Naproti tomu deska z prostého betonu vyztužená kari sítí dopadla oproti většině desek z vláknobetonů díky svázaným emisím a energii v oceli konvenční výztuže hůře. Tab. 1 Environmentální efektivita z hlediska svázané spotřeby energie - podíl svázané spotřeby energie k pevnosti v tahu za ohybu označení směsi typ vyztužení svázaná spotřeba energie pevnost v tahu za ohybu f cf podíl energie a pevnosti - - MJ MPa MJ/MPa S-I + kari kari síť 4/100/100 20,2 5,7 3,5 S-II Benesteel 50/35 16,3 5,6 2,9 S-III Fibrex A1 24,7 6,4 3,9 S-IV ocel. vlákna TriTreg 60 mm 24,7 7,8 3,2 S-V Dramix ZP ,7 6,9 3,6 S-VI - 12,4 6,8 1,8 S-VII Dramix RC 80/30 BP 25,6 7,2 3,6 S-VIII - 12,4 6,7 1,8 S-IX ocel. vlákna Kubeš 25,6 8,6 3,0 S-X ocel. mikrovlákna 9 mm 39,1 14,8 2,6 4

5 Obr. 4 Porovnání environmentálních parametrů zkušebních desek z různých typů vláknobetonů (viz kap. 3 a Tab. 1) 5

6 7 Závěr Analýza statických a environmentálních parametrů různých typů vláknobetonů použitých pro zhotovení tenkých železobetonových desek ukázala, že i při použití materiálově (a environmentálně) náročnějších směsí (např. UHPC z Kassel Uni) lze s ohledem na jejich větší mechanický výkon dosahovat výsledných lepších hodnot environmentálních parametrů. Problémem uvedené analýzy je nedostatečná kvalita dosažitelných vstupních dat týkajících se všech komponentů směsi betonů počínaje použitým kamenivem, přes cement až po plastifikační přísady. Přesto vzhledem k použití jednotné metodiky hodnocení lze prezentované porovnání považovat za relevantní, i když v absolutních hodnotách může při upřesňování vstupních dat docházet k určitým posunům výsledků. Z výsledků je však zřejmé, že při využití vysokohodnotných betonů lze navrhovat subtilní konstrukce s redukovanými environmentálními dopady a to při zajištění vysoké míry mechanické spolehlivosti konstrukce. Tento výsledek byl získán za finančního přispění GAČR, projekt 103/07/0400. Literatura [1] Hájek, P, Fiala, C.: Environmentally optimized floor slab using UHPC contribution to sustainable building. UHPC Kassel 2008, University of Kassel, 2008 [2] Schmidt, M., Teichmann T.: Ultra-high-performance concrete: Basis for sustainable structures, CESB07 Prague, CSBS iisbe Czech, 2007 [3] [4] Waltjen, T.: Passivhaus-Bauteilkatalog 2008 Ökologisch bewertete Konstruktionen, Springer-Verlag, Wien, 2008, ISBN [5] Schießl, P., Stengel, T.: Der kumulierte Energieaufwand ausgewählter Baustoffe für die ökologische Bewetung von Betonbauteilen, Wissenschatl. Kurzbericht Nr.13,2007 prof. Ing. Petr Hájek, CSc. České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební Katedra konstrukcí pozemních staveb Thákurova 7, Praha petr.hajek@fsv.cvut.cz URL Ing. Magdaléna Kynčlová České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební Katedra konstrukcí pozemních staveb Thákurova 7, Praha magdalena.kynclova@fsv.cvut.cz Ing. Ctislav Fiala České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební Katedra konstrukcí pozemních staveb Thákurova 7, Praha ctislav.fiala@fsv.cvut.cz URL 6