SAMOZHUTNITELNÝ BETON VYZTUŽENÝ VLÁKNY

Transkript

1 Ctislav Fiala: SAMOZHUTNITELNÝ BETON VYZTUŽENÝ VLÁKNY SAMOZHUTNITELNÝ BETON VYZTUŽENÝ VLÁKNY Fibre Reinforced Self-Compacting Concrete VLIV VLÁKEN NA SMRŠŤOVÁNÍ SAMOZHUTNITELNÉHO BETONU Fibre influence on shrinkage of Self-Compacting Concrete Praha 29. května 2006

2 2 SAMOZHUTNITELNÝ BETON VYZTUŽENÝ VLÁKNY Fibre Reinforced Self-Compacting Concrete VLIV VLÁKEN NA SMRŠŤOVÁNÍ SAMOZHUTNITELNÉHO BETONU Fibre influence on shrinkage of Self-Compacting Concrete 1. ÚVOD Introduction 3 2. SAMOZHUTNITELNÝ BETON Self-Compacting Concrete SMRŠŤOVÁNÍ A DOTVAROVÁNÍ SAMOZHUTNITELNÉHO BETONU Shrinkage and creep of Self-Compacting Concrete SAMOZHUTNITELNÝ BETON VYZTUŽENÝ VLÁKNY Fibre Reinforced Self-Compacting Concrete VLIV VLÁKEN NA SMRŠŤOVÁNÍ A DOTVAROVÁNÍ SAMOZHUTNITELNÉHO BETONU Fibre influence on shrinkage and creep of Self-Compacting Concrete ZÁVĚR Conclusion LITERATURA References k k

3 3 1. ÚVOD Introduction Vysokohodnotný beton (High-Performance Concrete) se stal na přelomu tisíciletí nástrojem, který člověku umožňuje, díky jeho technologickým vlastnostem, realizaci nejen konstrukcí subtilnějších, ekonomičtějších a estetičtějších, ale zejména, což je dnes v globálním pohledu nejpodstatnější, konstrukcí trvanlivějších a spolehlivějších. Statická spolehlivost je jedním z nejdůležitějších kritérií v oblasti konstrukčního návrhu a to právě v důsledku nárůstu mimořádných situací v posledních letech ve světě (živelné katastrofy, exploze, požáry atd.). Snahou v oblasti výzkumu je využít nových, naprogramovaných mechanických vlastností vysokohodnotných betonů s optimalizovaným složením a v zásadní míře je v optimalizovaných konstrukcích přenést do běžné stavební praxe ve formě tzv. udržitelné výstavby, tedy výstavby respektující základní kritéria udržitelného rozvoje [1]. V posledních desetiletích se nejvíce pozornosti v oblasti vysokohodnotných konstrukčních betonů dostalo vysokopevnostním betonům (High-Strength Concrete), betonům s velmi vysokou pevností, tj. nad > 180 MPa (Ultra-High Performance Concrete), samozhutnitelným betonům (Self- Compacting Concrete), lehkým betonům (Light Concrete) a vláknobetonům (Fibre Concrete). Právě samozhutnitelné betony mají v sobě velký potenciál z hlediska vývoje a i následných aplikací zejména v konstrukcích dopravních, vodohospodářských a pozemních staveb. 2. SAMOZHUTNITELNÝ BETON Self-Compacting Concrete Samozhutnitelné betony nachází široké uplatnění nejen v dopravním stavitelství (vhodný u konstrukcí hustě vyztužených), ale i v stavitelství pozemním, při zakládání staveb (podzemní stěny, vrtané piloty, opěrné zdi) a zejména v prefabrikaci díky své schopnosti bez vibrace zaplnit složité tvary bednění (neporézní trvanlivé povrchy pohledový beton). Jeho první užití jsou známá již z poloviny 80. let minulého století v Japonsku. Později se použití rozvinulo v severských státech (Kanada, Švédsko, Norsko, Skotsko, Holandsko) a USA při aplikacích v betonových konstrukcích vystavených mořské vodě a mrazu. Výhodou byla větší trvanlivost a mrazuvzdornost betonových konstrukcí, nahrazení kvalifikovaných pracovníků provádějících hutnění a snížení nepříznivých environmentálních dopadů na okolní prostředí, vedlejším přínosem byla zvýšená životnost forem při výrobě prefabrikátů. Samozhutnitelný beton nachází široké uplatnění v pozemním a dopravním stavitelství, podobně jako HSC byl použit na mnohých výškových budovách (např. Millenium Tower, Wien) a řadě mostů po celém světě (např. most Akashi Kaiko u Kobe). V České republice byl např. použit při stavbě mostů při vyústění tunelů Mrázovka na rychlostní komunikaci Praha Příbram. Široké uplatnění nachází SCC díky svým vlastnostem v prefabrikaci (např. Sazka arena). Význam samozhutnitelného betonu pro stavební praxi leží především v technologické oblasti, i když zvýšené pevnosti samozhutnitelných betonů díky hutnější struktuře nejsou zanedbatelnou předností. Technologické výhody samozhutnitelných betonů jsou tedy především (i) odstranění vibrace čerstvé betonové směsi při ukládání do bednění, (ii) dokonalé vyplnění bednění čerstvou betonovou směsí i tvarově složitých konstrukcí a pravidelné rozvrstvování směsi u rozměrných horizontálních plošných konstrukcí se zárukou objemově homogenního betonu, (iii) podstatné snížení hlučnosti při výstavbě (možnost noční betonáže), (iv) minimalizování dodatečných úprav povrchu betonových konstrukcí dané

4 4 dokonalou povrchovou hladkostí a stejnorodostí. Z ekonomického hlediska jsou výhody betonu a výsledný zisk při použití samozhutnitelných betonů založeny především na (i) minimalizaci stavebních aktivit při betonáži včetně snížení počtu pracovníků na stavbě, (ii) zvýšení produktivity práce a tím urychlení vlastní výstavby, (iii) snížení energetické náročnosti stavby dané nízkou viskozitou čerpané betonové směsi obsahující optimální množství superplastifikátoru a přísady zlepšující tokové charakteristiky. Jako příklad srovnání vlastností SCC a normálního betonu lze uvést výsledky experimentálních prací provedených v laboratořích Lund Institute of Technology ve Švédsku. Složka kamenivo mm normální beton samozhutnitelný beton obsah suché směsi [kg/m 3 ] kamenivo 8 11 mm písek 0 8 mm křemenná moučka - 50 portlandský cement silica fume - 50 superplastifikátor - 5 voda hustota [kg/m 3 ] pevnost v tlaku [MPa] stáří betonu 20 C, 60% RH 95% RH 20 C, 60% RH 95% RH 1 den dny dní dní dní Tab. 1) Srovnání složení a vlastností samozhutnitelného a normálního betonu [3] K dosažení výhod samozhutnitelného betonu je nutné splnění co nejpříznivějších technologických parametrů při výrobě, dopravě a ukládání čerstvé betonové směsi. Tedy zejména (i) optimalizace tokových charakteristik (viskozity a thixotropního chování), (ii) odstranění sklonu k odměšování přebytečné záměsové vody a (iii) prodloužení počátku tuhnutí. Tyto vlastnosti musí zajistit zvolené typy přísad, u nichž fyzikální i chemická interakce nesmí způsobit negativní důsledky ve ztvrdlém betonu. Nevýhodami samozhutnitelného betonu je prodloužení doby míchání betonové směsi na asi dvojnásobek a

5 5 nutnost počítat, vzhledem k vysoké tekutosti čerstvého samozhutnitelného betonu, s plným hydrostatickým tlakem na celou výšku bednění. Výrazný rozdíl mezi SCC a obyčejnými betony je tedy zejména ve zpracovatelnosti, kterou u SCC charakterizuje zejména (i) vysoká tekutost (filling ability, flow), (ii) nízké blokování (passing ability, low blocking), schopnost čerstvého betonu protéct mezi pruty výztuže bez jeho rozmíšení, (iii) odolnost proti segregaci (segregation resistence), udržení rovnoměrného vnitřního složení při dopravě i při ukládání. Čerstvý SCC se vyznačuje zejména tekutou konzistencí, malým sklonem k segregaci (rozměšování), odolností vůči rozplavování pod vodou, snadnou zpracovatelností povrchu, dobrou čerpatelností při neobvyklých situacích, plastickým sednutím v důsledku vnitřní koheze. U ztvrdlého SCC je významná kvalita jeho povrchu a tím zvýšená mrazuvzdornost, vzhledem k homogenní struktuře i zvýšená pevnost oproti obyčejným betonům. Jednou z důležitých složek samozhutnitelných betonů jsou jemnozrnné příměsi a plniva jež snižují náchylnost k segregaci větších zrn kameniva a blokování při ukládání čerstvého betonu, jedná se zejména o minerální moučky (mletý vápenec), popílky a mleté vysokopecní strusky. Množství těchto příměsí závisí na minimálním množství cementu v matrici, druhu a zrnitosti kameniva a obsahu jeho jemných částic. Obr. 1) Porovnání mikrostruktury SCC (vlevo) a běžného betonu [5] Další nepostradatelnou složkou v čerstvém SCC jsou přísady, zejména ztekucující např. na bázi polykarboxylátů, které umožňují snížení záměsové vody až o 30 40%. Superplastifikátory se dají rozdělit do čtyřech základních skupin: (i) naftalenové superplastifikátory sulfonované soli polykondenzátů naftalenů a formaldehydů, obvykle označované jako sulfonáty polynaftalenů; (ii) melaminové superplastifikátory sulfonované soli polykondenzátů melaminu a formaldehydu, obvykle označované jako sulfonáty polymelaminu; (iii) lignosulfonáty lignosulfonáty s velmi nízkým obsahem sacharidů a povrchově aktivních činidel; (iv) polykarboxyláty polyakryláty. Příkladem novějšího typu samozhutnitelného betonu je využití SCC C45/55 při výrobě mostních nosníků, složení betonu vyrobeného v Novém Bydžově (f. M-Silnice a.s.) je uvedeno v tab. 2.

6 6 Složky množství na 1 m 3 CEM I 52,5 R Vápencová moučka Stachesil (mikrosilika prášková) Kamenivo 0 4 Kamenivo 4 8 Kamenivo 8 16 Voda Stachement 2090 celkem 390 kg 192 kg 18 kg 865 kg 330 kg 330 kg 192 l 8 kg 2325 kg Tab. 2) Složení samozhutnitelného betonu C45/55 [4] V posledních letech je řešena i problematika návrhu lehkých samozhutnitelných betonů (SCLC Self-Compacting Light Concrete) využívajícími suché nebo vodou nasycené lehké kamenivo. Výraznou odlišností je u lehkých betonů vysoká nasákavost lehkého kameniva, která významně ovlivňuje chování lehkého betonu při míchání, dopravě, čerpání a ukládání. 3. SMRŠŤOVÁNÍ A DOTVAROVÁNÍ SAMOZHUTNITELNÉHO BETONU Shrinkage and creep of Self-Compacting Concrete Deformace betonu jsou zdrojem vzniku trhlin a nepříznivě tak ovlivňují vlastnosti a chování stavebních prvků a konstrukcí. Mezi deformace vznikající bez vlivu napětí patří (i) teplotní deformace ε t = α. t (krátkodobé vratné), (ii) smršťování ε S (dlouhodobé nevratné). Mezi deformace vyvolané napětím patří (i) deformace pružné (Hookův zákon, krátkodobé vratné), (ii) deformace plastické (krátkodobé nevratné), (iii) deformace zpožděné pružné (dlouhodobé dotvarování vratné) a (iv) deformace zpožděné nevratné (dlouhodobé dotvarování nevratné). Graf. 1) Příklad vývoje deformace vyvolané smršťováním a napětím konstantní velikosti působícím v období od t 0 = 7 dnů do t = 500 dnů

7 7 Mezi faktory ovlivňující dotvarování a smršťování betonu patří: 1. složení betonu množství a druh cementu při větším obsahu cementu dochází k většímu dotvarování a smršťovaní betonu; jemnější mletí vlivem jemnějšího mletí cementu, přísad a příměsí dochází k většímu dotvarování a smršťovaní betonu; vodní součinitel při větším obsahu vody dochází k většímu dotvarování a smršťovaní betonu; zrnitost kameniva při jemnější zrnitosti dochází k většímu dotvarování a smršťovaní betonu; 2. hutnost betonu při větší hutnosti a pevnosti betonu je dotvarování a smršťování betonu nižší; 3. vlhkost okolního prostředí v sušším prostředí je dotvarování a smršťování betonu větší; 4. rozměry a tvar průřezu tenké prvky dotvarují a smršťují se intenzivněji, neboť rychleji vysychají. Velmi významnou měrou se na celkové deformaci betonu podílí právě smršťování, které představuje kombinaci několika elementárních smrštění: plastické smrštění jehož vývoj nastává, když se z povrchu čerstvého betonu odpařuje voda; autogenní smrštění (chemické smrštění, smrštění od samovysychání) projevuje se v důsledku hydratace cementu; smrštění od odpařování (vysycháním) - je vyvoláno úbytkem vody ve ztvrdlém betonu během odpařování záměsové vody; termální smrštění je způsobeno poklesem teploty betonu; smrštění vlivem karbonatace. Jednotlivá elementární smrštění lze pochopit pouze za předpokladu znalosti hydratační reakce a jejích fyzikálních, termodynamických a mechanických důsledků. Pak je možné aplikovat vhodná opatření pro minimalizaci negativních dopadů smrštění. Běžný beton uložený pod vodou se nesmršťuje, tedy smrštění není nevyhnutelným jevem, pouze je důsledkem absence adekvátního ošetřování. V případě kontaktu portlandského cementu s vodou začne cementová pasta v důsledku chemických reakcí mezi vodou a složkami cementu tvrdnout. Nabývání pevnosti hydratované cementové pasty je provázeno vývojem tepla a kontrakcí objemu pevné fáze; vzájemný vliv viz. obr. 2. PEVNOST TEPLO SMRŠTĚNÍ Obr. 2) Vzájemný vliv pevnosti, tepla a smrštění při hydrataci cementové pasty

8 8 Portlandský cement je multifázový materiál, jehož složení kolísá v poměrně širokých mezích. Pojem hydratační reakce v sobě tedy integruje vývoj série různých chemických reakcí, které jsou všechny exotermní a způsobují proto vzrůst teploty čerstvého betonu. Portlandský cement je směsí pěti hlavních fází: C 2 S (= 2CaO. SiO 2 ), C 3 S (= 3CaO. SiO 2 ), C 3 A (= 3CaO. Al 2 O 3 ), C 4 AF (= 4CaO. Al 2 O 3. Fe 2 O 3 ) a síranu vápenatého, který je přidáván jako regulátor tuhnutí a tvrdnutí cementu. K těmto hlavním fázím cementu patří ještě další takzvané nečistoty: alkalické sírany, volné vápno, nezreagovaný křemen, periklas atd. Při hydrataci čistých fází, obou silikátů, dojde k tvorbě kalcium-silikát-hydrátů (C-S-H gel), portlanditu, Ca(OH) 2, zkráceně CH. C 3 A se v přítomnosti síranu vápenatého a vody transformuje na ettringit, C 3 A.3CaSO 4.32H 2 O a později na monosulfát. C 4 AF hydratuje podobně jako C 3 A, ale mnohem pomaleji. Podle vzájemného poměru těchto fází, vodním součiniteli, měrném povrchu cementu a podle toho jaká je počáteční teplota betonu a teplota prostředí vyvine beton více či méně hydratačního tepla a dosáhne vyšší či nižší pevnosti. Příklad průběhu hydratační teploty u samozhutnitelného betonu, jehož cementová pasta byla modifikovaná 0,5% (hmotnosti pojiva) superplastifikační přísady na bázi polyakrylátu, je zřejmý z grafu 2. Graf. 2) Průběh hydratační teploty (kalorimetrická křivka) cementových past modifikovaných přídavkem 0,5% superplastifikační přísady na bázi polyakrylátu (CEM I 42,5 R, w = 0,34) [9] Hydratace portlandského cementu je také spojena s redukcí objemu pevné fáze. Hydratace C 3 S, C 2 S a tvorba ettringitu jsou spojeny s redukcí obejmu pevné fáze. Obecně platí rovnice, že na vznik hydrátů o objemu C je potřeba použít cementu o objemu A a vody o objemu B, přičemž platí že C < A + B. Tato redukce je řádově 10% objemu pevné fáze a nejčastěji je nazývána jako autogenní (chemické) smršťování. Absolutní objem pevné fáze betonu tedy klesá bez ohledu na podmínky ošetřování. Zdánlivý objem klesá, pokud je beton ošetřován ve vzduchu. Stejně jako u jiných materiálů se i u betonu zdánlivý objem mění s účinkem teploty, při zahřívání objem roste, při ochlazování klesá. Celkové smrštění betonu je potom algebraickým součtem těchto tří objemových změn, které ovšem mohou být důsledkem různých forem smrštění. Vysychání betonu je důsledkem odpařování části vody obsažené v kapilárách, které jsou spojené s povrchem betonu. Nejprve beton opouští voda obsažená ve velkých kapilárách, neboť je vázaná nejmenšími kapilárními silami. Čím jemnější a dál od povrchu kapiláry jsou, tím větší kapilární síly vznikají a tím hůře se voda z kapilár odpařuje. Velikosti kapilárních sil

9 9 jsou nepřímo úměrné průměru kapilár a pokud jsou menší než tahová pevnost betonu, smršťuje se beton plasticky. Pokud jsou kapilární síly již větší, cementová pasta v betonu praská. Pokud je tedy beton ošetřován ve vodě (a nemá extrémně nízký vodní součinitel), neexistují v něm vyschlé kapiláry v důsledku hydratace, nedochází k autogennímu smršťování a nevznikají tudíž trhliny. Vysychání je tedy narozdíl od samovysychání jevem nehomogenním po průřezu, začíná na povrchu průřezu (plastické smrštění) a jeho rychlost závisí na hutnosti mikrostruktury a vlhkosti okolního prostředí, rozdíl mezi plastickým smrštěním SCC a běžného betonu je patrný z grafu 3. Graf. 3) Plastické smrštění SCC a běžného betonu v konstrukci pozemních stavby (RH = 50%, T = 20 C) [6] Změna zdánlivého objemu betonu je vztažena k objemové změně hydratované cementové pasty a k teplotní objemové změně, které podléhá jak pasta, tak kamenivo. Teplotní smrštění pasty ovšem bývá větší než kameniva. Zrna kameniva brání kontrakci zdánlivého objemu betonu a smrštění ztvrdlého betonu je tedy vždy menší než smrštění hydratované cementové pasty se stejným vodním součinitelem. Rozdělení zrn hrubého kameniva není ovšem po průřezu homogenní, vrstvy přiléhající k bednění jsou na cementový tmel bohatší (wall effect) a dochází zde tudíž k většímu smrštění. Bez větších zábran proto v těchto vrstvách vznikají trhliny, které jsou obvykle širší než uvnitř průřezu. Tyto projevy jsou u SCC v důsledku množství jemných složek výraznější než u běžných typů betonů. U SCC dochází tedy k větším objemovým změnám, zejména u autogenního smršťování, smršťování od vysychání a dotvarování betonu je srovnatelné s běžnými typy betonů. Smrštění betonu neošetřovaného vodou tedy je: ε tot = ε teplotní + ε autogenní + ε vysycháním, [8] kde: ε teplotní je kladné pokud je beton ochlazován, záporné při vzrůstu teploty; ε autogenní může být nulové, pakliže beton zraje pod vodou; ε vysycháním může být nulové, pakliže je beton opatřen nepropustným filmem a nemohou tedy unikat žádné molekuly vody z betonu. Smršťování vysycháním a autogenní smršťování mohou být obě rovny nule pouze v případě, kdy beton zraje pod vodou.

10 10 Rozdíl ve smršťování SCC a běžných typů betonů je nutno hledat v jejich mikrostruktuře. U běžných typů betonů se s růstem vodního součinitele kapilární systém stává hrubší a voda je v něm slabě vázaná, je tedy snadno odváděna a síly poté působící na stěny kapiláry jsou tak malé, že způsobují pouze zanedbatelné autogenní smrštění. Vzhledem k velikosti kapilár na povrchu běžného typu betonu dochází ale k rychlému vypařování vody, které pak pokračuje do hloubky betonu, protože ten je vzhledem k vyššímu vodnímu součiniteli protkán sítí větších kapilár. Dominantním smrštěním u běžného typu betonu je tedy smrštění odpařováním (vysycháním) a v zásadní míře tak určuje celkové smrštění betonu. U SCC s nízkým vodním součinitelem se naopak autogenní smršťování vyvíjí rychle, hydratační reakce startují velmi rychle a voda je tudíž odváděna ze stále jemnějších kapilár, což má za následek náhlý růst tahových napětí, která způsobují intenzivnější autogenní smrštění. Porozita SCC je na povrchu oproti běžnému typu betonu nízká, většina vody je spotřebována na samovysychání a smrštění od odpařování (vysychání) betonu se vyvíjí tudíž pomaleji. Celkové smrštění SCC je tedy zejména, narozdíl od běžného typu betonu, určeno autogenním smršťováním (samovysycháním). 4. SAMOZHUTNITELNÝ BETON VYZTUŽENÝ VLÁKNY Fibre Reinforced Self-Compacting Concrete Vysoký potenciál v oblasti dalšího vývoje samozhutnitelných betonů skýtá možnost vyztužení těchto betonů vlákny. Sortiment dnes používaných vláken, představujících rozptýlenou výztuž v matrici betonu, je velmi široký. Z pohledu tradice zaujímají nejvýznamnější roli vlákna ocelová, dále pak například skleněná, uhlíková a v poslední době byl zaznamenán velký vývoj v oblasti vláken z polymerů polyetylén, polypropylén, polyolefin, polyvinilalkohol atd. Za posledních cca 20 let doznal vývoj u ocelových drátků značného pokroku, pevnost v tahu drátků se zvýšila z 500 MPa na skoro dvojnásobek, výrazného zlepšení dosáhla a i vlastní funkce vlákna především díky svému geometricky komplikovanému tvaru. Předností skleněných vláken jsou jejich velmi příznivé mechanické vlastnosti, u obyčejného skla je však nevýhodou chemická nestabilita v prostředí cementového tmele. Tato nevýhoda je však dnes již eliminována používáním tzv. alkalivzdorného skla. Vlákna z polymerů (polypropylénu) jsou naproti např. ocelovým zcela jiných vlastností, mají nízký modul pružnosti a malou pevnost. Vyrábí se snadno ve velmi malých průměrech a umožňují tak vpravit do jednotky objemu mimořádně vysoký počet vláken a při správném rozmíchání mohou dosáhnout vysoké hustoty vyztužení cementového tmelu. Vlákno polyolefinové, narozdíl od polypropylénu, má srovnatelnou pevnost s ocelí, modul pružnosti je však o něco nižší. K využití jeho mechanických vlastností je zapotřebí větší hodnota relativního protažení, tedy v prostředí betonu po vzniku a dostatečném rozevření trhliny přemostěné vláknem. Při vyztužování struktury SCC je možné využít dvojího typu kombinace vláken. První možnost předpokládá použití vláken ze stejného typu matriálu, ale lišících se svou geometrií. Vlákno se pak stává složkou, která se svým charakterem přibližuje kamenivu v betonu (jemné hrubé). Touto kombinací dvou rozměrově odlišných vláken lze dosáhnout významného zlepšení vlastností betonu. Druhou možností je pak využití vláken z různých hmot. Známé je využití např. kombinací vláken ocelových a polypropylenových, ocelových a skleněných nebo ocelových a polyolefinových.

11 11 Navrhování vlastní receptury SCC s rozptýlenou výztuží je složitým problémem a od běžného typu betonu se liší především v zrnitosti a množství kameniva, v druhu použitých přísad. Čerstvá samozhutnitelná betonová směs musí prokázat vysokou schopnost přetvoření (zajištění tokových charakteristik) a zároveň vysokou rezistenci vůči rozměšování. Při řešení návrhu receptury SCC s rozptýlenou výztuží je nutné se držet obecných zásad a pravidel: (i) vysoká tekutost čerstvé betonové směsi je zajišťována přidáním vhodného superplastifikátoru a limitovaným objemem kameniva, (ii) vysoká odolnost vůči segregaci je zajištěna udržením nízkého vodního součinitele a omezením objemu kameniva a viskozity zajišťujících látek, (iii) vzhledem k nutnosti obalení povrchu rozptýlené výztuže cementovým tmelem je doporučeno zvýšit množství cementu o 10% oproti receptuře SCC bez rozptýlené výztuže, (iv) je důležité se při návrhu SCC řídit typem stavby a brát v potaz i místo stavby a dostupnost jednotlivých surovin pro navržení směsi. Nutné je tedy brát ohled na optimální množství a maximální délku rozptýlené výztuže, tedy takové množství a délku, kdy ještě nedochází k výrazné blokaci a zhoršení reologie navrhované směsi. Příklad receptury experimentální betonové směsi je v tab. 3. Při přípravě a míchání směsi SCC Název složek CEM I 42,5 R (Českomoravský cement) Kamenivo Spytihněv, frakce 0 4 mm Kamenivo Spytihněv, frakce 4 8 mm Kamenivo Spytihněv, frakce 8 16 mm Voda Příměs kamenné odprašky (Želešice u Brna) Přísada Dynamon SX (Mapei SPa, Italy) Rozptýlená výztuž polypropylenová vlákna FIBRIN RS Tab. 3) Receptura S18, polypropylenová vlákna FIBRIN RS [12] SCC s rozptýlenou výztuží je rovněž důležité určit vhodné načasování přidání rozptýlené výztuže do míchacího procesu. Např. vlákna skleněná, polypropylenová a polyolefinová je vhodné přidávat při míšení suché směsi, ocelové drátky je naopak vhodné přidat až po přidání vody. U skelných a polypropylenových vláken je vhodné prodloužit dobu míchání směsi. Vhodná délka drátků se pohybuje v rozmezí od 9 do max. 25 mm. Při návrhu směsi je vhodné (I) použít co možná nejmenší množství rozptýlené výztuže, které je schopné splnit požadavky pro navrhovanou směs SCC, (II) vždy volit co možná nejmenší délku vláken v závislosti na typu navrhované směsi (s rostoucí délkou vláken se snižuje tekutost směsi a zhoršují se reologické vlastnosti). 5. VLIV VLÁKEN NA SMRŠŤOVÁNÍ A DOTVAROVÁNÍ SAMOZHUTNITELNÉHO BETONU Fibre influence on shrinkage and creep of Self-Compacting Concrete Rozptýlená výztuž ve formě vláken má vliv na celou řadu obecných vlastností samozhutnitelného betonu, mezi vlastnosti, které vlákna zhoršují patří např.: (i) snížení čerpatelnosti, (ii) zhoršení reologických vlastností SCC, (iii) prodlužuje se doba míchání a

12 12 přípravy směsi, (iv) zhoršuje se prostup některých zejména delších vláken přes ocelovou prutovou výztuž v konstrukci. Celou řadu vlastností samozhutnitelného betonu ale naopak rozptýlená výztuž zlepšuje, některé z těchto vlastností jsou zřejmé z následujících grafů. Graf. 4) Závislost síly a deformace u prostého betonu a betonu vyztuženého vlákny [8] Z grafu 4 je zřejmé, že přidáním vláken se většinou pevnost v tlaku betonu výrazně nezlepší. Ve většině případů naopak dojde k mírnému zvýšení pevnosti v tahu ohybem a k výraznému zlepšení chování materiálu po dosažení meze pevnosti. Namísto křehkého lomu, který je pozorován u nevyztuženého samozhutnitelného betonu, vykazuje beton s rozptýlenou výztuží tzv. pseudotvárné chování (viz. také graf. 6). Tvar křivky závislosti deformace na napětí po dosažení meze pevnosti je přímo závislý na množství vláken přítomných v betonu. Graf. 5) Závislost síly a průhybu při zkoušce ohybem [13] Významné je u betonu s rozptýlenou výztuží zvýšení duktility průřezu po vzniku trhlin, kdy dochází k aktivaci jednotlivých vláken výztuže. Důležitá je schopnost spolupůsobení vláken s matricí, která je závislá především na matriálu vlákna a jeho povrchové úpravě. Vlákna s koncovým zakotvením však prokazují vysoké protažení, nelze tedy počítat s účinným bráněním vzniku trhliny, po vzniku trhliny se přínos vláken ale výrazně zlepší.

13 13 Graf. 6) Pracovní diagram zkoušky v tlaku kompozitu s vlákny a bez vláken [11] Použitím vláken se beton stává odolnějším vůči náhlým změnám teplot a zvyšuje se i nepropustnost betonu. Při správném použití rozptýlené výztuže dochází tedy k zvýšení požární odolnosti a trvanlivosti konstrukce, zlepšení mrazuvzdornosti, chemické odolnosti, rychlosti karbonatace a vodotěsnosti. Použití vláken v konstrukcích lze rozdělit na základní dvě skupiny podle toho, jaký cíl přidáním vláken sledujeme. Jednou z možností je požadavek částečného navýšení pevnosti v tahu za ohybu spojené do jisté míry s pokusem o odstranění křehkého porušení konstrukce. Mezi vlákna používaná pro tento požadavek patří zejména vlákna s dostatečnou pevností, vhodným modulem pružnosti a schopností spolupůsobit s cementovou matricí ocelová, skleněná a uhlíková. Graf. 7) Smrštění směsi SCC a PP vláken, S18 viz. tab. 3, V vodní uložení, L laboratorní uložení [12] Druhá, podstatně významnější, skupina vláken se aplikuje pro omezení projevů objemových změn.

14 14 V mikrostruktuře cementového tmelu vnáší vlákna do matrice jisté nehomogenity, které jsou významné zejména na rozhraní vlákno cementový tmel. Na tomto rozhraní vznikají při hydrataci cementu málo nasycené vrstvy C-S-H gelů, které jsou v rozhraní často doplněny nežádoucími produkty hydratace, portlanditem a ettringitem (viz. str. 8), a vodními a vzduchových póry. Vzhledem k schopnosti spolupůsobení vláken s cementovým tmelem jsou vlákna schopna přenášet tahová napětí vznikající v důsledku nárůstu kapilárních sil při samovysychání tmelu. Vzhledem k většímu absolutnímu smrštění, zejména ale autogennímu smrštění, samozhutnitelného betonu oproti běžnému typu betonu (viz. kap. 3, str. 10) mají vlákna obsažená v cementovém tmelu významný pozitivní vliv v průběhu hydratace cementového tmelu na celkové autogenní smrštění tmelu. Vzhledem k své tažnosti jsou schopna přenášet vznikající tahová napětí a bránit tak projevům smršťování v počátečním stadiu tuhnutí (autogenní smršťování), tedy v době, kdy tahová pevnost cementového tmelu není ještě schopna tato napětí přenášet. 6. ZÁVĚR Conclusion Samozhutnitelný beton vyztužený vlákny představuje progresivní kompozitní materiál, který za odůvodněných podmínek může v konstrukcích nahradit klasický samozhutnitelný beton (nevyztužený vlákny). Předností samozhutnitelného betonu vyztuženého vlákny je především omezení projevů objemových změn, zejména projevů smršťování v počátečním stadiu tuhnutí (autogenní smršťování). Dalšími výhodami samozhutnitelného betonu vyztuženého vlákny jsou zejména zvýšení požární odolnosti betonu, duktility a trvanlivosti.

15 15 7. LITERATURA References [1] CIB Report Publication 237. Agenda 21 pro udržitelnou výstavbu. Praha: Ediční středisko ČVUT v Praze, s. ISBN [2] Vítek J. L.: Nové druhy betonů a provádění betonových konstrukcí, ČBS ČSSI, Sborník přednášek - Betonové konstrukce a udržitelný rozvoj, 1. vydání, Praha: Ediční středisko ČVUT v Praze, s. ISBN , str [3] Nedbal, F., Mazurová, M., Trtík K.: Speciální betony, Praha: Svaz výrobců betonu ČR, 2001, ISBN [4] Vítek J. L., Tichý, J., Kratochvíl, A.: Samozhutnitelný beton pro mostní nosníky, ČBS ČSSI, Sborník přednášek Technologie, provádění a kontrola betonových konstrukcí 2005, 1. vydání, Praha: Ediční středisko ČVUT v Praze, s. ISBN , str [5] Trägårdh, J.: Microstructural features and related properties of self-compacting concrete, Proceedings of the First International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete, Stockholm: Edited by Skarendahl, Å., Petersson, Ö., Rilem Publications S.A.R.L., 1999, pg [6] Gram, H.-E., Piiparinen, P.: Properties of SCC Especially early age and long term shrinkage and salt frost resistance, Proceedings of the First International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete, Stockholm: Edited by Skarendahl, Å., Petersson, Ö., Rilem Publications S.A.R.L., 1999, pg [7] Hošek, J., Litoš, J., Kuklík, P., Krejčiřík, A.: Objemové změny cementového pojiva v počátečním stadiu tvrdnutí betonu, Stavební obzor 3/2000, Praha 2000, str [8] Aïtcin, P.-C.: Vysokohodnotný beton, ČBS ČKAIT, 1. české vydání, Brno: EXPODATA-DIDOT, s. ISBN [9] Zach, J., Krček, Z.: Možnosti využití superplastifikačních přísad na bázi polyakrylátů v prefabrikované výrobě, ČBS ČSSI, Sborník přednášek Technologie, provádění a kontrola betonových konstrukcí 2005, 1. vydání, Praha: Ediční středisko ČVUT v Praze, s. ISBN , str [10] Trtík, K.: Beton vyztužený kombinací vláken, ČBS ČSSI, Sborník přednášek 12. Betonářské dny 2005, 1. vydání, Praha: Ediční středisko ČVUT v Praze, s. ISBN , str [11] Kolísko, J., Kabele, P., Sutner, O.: Vlastnosti cementového kompozitu s polyvinilalkoholovými (PVA) vlákny, ČBS ČSSI, Sborník přednášek Technologie, provádění a kontrola betonových konstrukcí 2003, 1. vydání, Praha: Ediční středisko ČVUT v Praze, s. ISBN , str [12] Hela, R.: Samozhutnitelný beton s rozptýlenou výztuží, ČBS ČSSI, Sborník přednášek Technologie, provádění a kontrola betonových konstrukcí 2005, 1. vydání, Praha: Ediční středisko ČVUT v Praze, s. ISBN , str [13] Vodička, J., Vašková, J.: Porovnání vlastností a uplatnění vláknobetony s ocelovými a syntetickými vlákny, ČBS ČSSI, Sborník přednášek Technologie, provádění a kontrola

16 16 betonových konstrukcí 2005, 1. vydání, Praha: Ediční středisko ČVUT v Praze, s. ISBN , str [14] Broukalová, I., Kohoutková, A.: Numerické modelování nelineárního chování vláknobetonu s různými typy a množstvím vláken, ČBS ČSSI, Sborník přednášek Technologie, provádění a kontrola betonových konstrukcí 2005, 1. vydání, Praha: Ediční středisko ČVUT v Praze, s. ISBN , str