TENKÉ ZÁBRADLÍ Z VYSOKOHODNOTNÉHO VLÁKNOBETONU Vlastimil Bílek, Ctislav Fiala, Hynek Smolka, Radomír Špalek, Jan Miklenda, Jiří Horehleď 1 Úvod Při revitalizaci panelových domů musejí být zohledněny i požadavky požární odolnosti těchto konstrukcí tedy i jejich zábradlí a z tohoto pohledu řada materiálů nevyhovuje. Jako optimální se jeví zábradlí betonové. Původní návrh betonového zábradlí počítal se zábradlím silným 80 mm se zesílením v horní části a s konvenční výztuží (dvě sítě). Zábradlí se vyráběla z betonu třídy C 25/30, později C 30/37 nebo i C 35/45. V rámci centra CIDEAS byl projekt zábradlí poněkud přepracován a původně dvojitá síť nahrazena jednoduchou, což mělo význam zejména pro technologii výroby. Nevýhodou tohoto typu zábradlí je ovšem jeho hmotnost; při délce cca 3,5 m a výšce 1,05 m činí zhruba 900 kg. 2 Vývoj tenkého zábradlí z pohledu technologa Udržitelný rozvoj betonových konstrukcí předpokládá maximální využití možností betonu jak po stránce materiálové tak konstrukční. Snahou o dosažení tohoto stavu je i návrh konstrukce a následně návrh složení betonu pro tenkostěnné dílce pro zábradlí lodžií. Konstrukční návrh dílce pro tenké zábradlí byl vypracován v rámci centra CIDEAS v roce 2009 a 2010 [1]. Vzhledem k malé tloušťce dílce jen 40 mm bylo rozhodnuto vyztužit běžnou výztuží pouze rám po celém obvodu dílce a v desce využít působení konstrukčních vláken. Výsledkem je návrh samozhutnitelného vláknobetonu třídy C 60/75 s využitím ternárního pojiva tedy směsi cementu a dvou příměsí pro dosažení co nejlepších technologických, ekonomických, ale i ekologických výsledků. Návrh složení samozhutnitelného betonu pro výrobu těchto tenkostěnných dílců se rodil zvolna. Původně bylo využito pouze písku 0/4 mm a vysoké dávky cementu (až 800 kg), ovšem i tak docházelo snadno k rozmíšení směsi. Proto bylo složení doplněno o mikrosiliku, která zabraňuje rozmíšení. Zkoušeny byly i jiné příměsi například velmi jemně mletý vápenec, který sice velmi dobře zajišťoval dobrou zpracovatelnost směsi, ale nepřispíval k pevnostem. U mikrosiliky se ovšem také projevila nevýhoda. Jak bylo dříve publikováno Bílek [2], dochází při použití aktivních příměsí ke snížení mrazuvzdornosti betonu. To je vysvětlováno růstem podílu zmrazitelné vody. Zatímco v betonu z portlandského cementu se značné množství vody váže chemicky ve formě portlanditu (Ca(OH) 2 ), aktivní příměsi využívají tento portlandit na vznik CSH gelu. Tím sice roste pevnost a zlepšují se i některé další vlastnosti, ovšem mrazuvzdornost neprovzdušněného betonu se zhoršuje. Tento trend byl pozorován i při aplikaci mikrosiliky. 1
Naopak, velmi pozitivní vliv na mrazuvzdornost má metakaolín, viz například Bílek, Szklorzová [3] nebo Bílek, Juřinová a Semerák [4]. Proč zlepšuje metakaolín mrazuvzdornost není dosud uspokojivě vysvětleno. Každopádně, experimenty s vysokohodnotným betonem pro tenká zábradlí potvrdily předešlé výsledky, metakaolín zajistil mrazuvzdornost a přitom jeho vliv na zpracovatelnost betonu byl velice dobrý, srovnatelný s mikrosilikou. Směs nebyla lepivá a v relativně širokém intervalu vodního součinitele nebo přídavku superplastifikátoru se nerozměšovala. Dalším požadavkem bylo použití vláken. Volba typu a dávky vláken byla poměrně rozsáhlá. Polypropylenová nebo skelná mikrovlákna byla vyloučena důvod jejich použití by měl být jiný a v souladu s tím při experimentech nezlepšovala mechanické vlastnosti, ovšem negativně ovlivňovala zpracovatelnost. V úvahu tedy přicházela takzvaná konstrukční vlákna a bylo třeba stanovit jejich potřebnou délku a dávku. Délka 50 mm se původně zdála vhodná, poněkud naivně se totiž počítalo s orientací vláken v podélném směru. To ovšem nenastalo a navíc se směs prakticky nedala ukládat do formy. Velmi dobrých výsledků bylo dosaženo s vlákny Chrysofibre poloviční délky, tedy 25 mm. Jejich dávka na spodní hranici dávky doporučované výrobcem zajistila potřebné mechanické vlastnosti betonu, aniž výrazně ovlivnila zpracovatelnost směsí. Volba mechanických vlastností byla do jisté míry intuitivní. Byla snaha o dosažení co nejvyšší pevnosti v tlaku a tahu ohybem, ovšem tyto zkoušky na trámečcích 160x40x40 mm nepostihují chování poměrně rozměrné tenké desky a už vůbec ne odolnost proti rázu. V další fázi tedy byly opět v rámci centra CIDEAS staticky zkoušeny segmenty zábradlí o délce 1 m viz Fiala a kol. [5]. Bylo prokázáno, že vlastnosti betonu s velkou rezervou zaručují požadované vlastnosti. Poté bylo přikročeno k výrobě ocelové formy na celé zábradlí a následně k výrobě zábradlí. Při další optimalizaci bylo použito kamenivo dvou frakcí (písek 0/4 a drť 4/8), snížena dávka cementu na 465 kg/m 3 a v souladu s řešením projektu FR TI 1/004 bylo použito dvou druhotných materiálů pro optimalizaci ternárního pojiva. Byly zkoušeny různé kompozice, nakonec byla použita výrobně nejjednodušší možnost - vhodná kombinace mleté vysokopecní granulované strusky a fileru z lomu. Výsledná směs se vyznačuje dobrou zpracovatelností - viz Obr 1 a bohatě splňuje požadavky na pevnost (běžně cca 95 MPa). Vynikající byly i výsledky při zkoušení rázové odolnosti zábradlí. Hotové výrobky vykazují hladký povrch, bez většího množství pórů - viz Obr 1. Obr. 1 Lití samozhutnitelného vláknovetonu do formy (vlevo) a dílec při odformování (vpravo) 2
3 Případová studie: Environmentální porovnání variant balkonových zábradlí Pro environmentální srovnání dvou variant balkonových zábradlí byla využita metodika hodnocení životního cyklu konstrukcí (Life Cycle Assessment LCA) implementovaná v programu icf concrete LCA Tool 2.0 CZ [6]. V rámci studie bylo porovnáváno stávající zábradlí s tloušťkou stěny 80 mm a tenkostěnné vláknobetonové s tloušťkou stěny 40 mm, jehož tvar byl předmětem předchozích optimalizací [5]. 3.1 Bilance vstupních dat hodnocených variant V rámci environmentální studie byly srovnávány varianty balkonového zábradlí z dvou typů betonů, stávající zábradlí z betonu C25/30 XF1 a optimalizované tenkostěnné z vláknobetonu FC60/75 XF1. Transportní vzdálenosti jednotlivých složek betonu jsou brány dle skutečnosti pro závody ŽPSV a.s. Pro okrajové podmínky analýzy je předpokládané umístění stavby (osazení balkonového zábradlí) 50 km od výrobny prefabrikátů. Předpokládá se výroba, transport a osazení 40 ks balkonového zábradlí na bytovém domě. V environmentálním porovnání byla hodnocena pouze fáze výstavby, tj. od těžby primárních surovin, po výrobu jednotlivých materiálů, výrobu vlastního zábradlí, jeho transport na stavbu a osazení prefabrikátů jeřábem na místo. Tab. 1 Bilance vstupních dat výstavba Pro jednotlivé hodnocené varianty: i) stávající zábradlí V1 a ii) tenkostěnné vláknobetonové zábradlí V2 byla bilancována veškerá vstupní data dle metodiky 3
hodnocení životního cyklu železobetonových konstrukcí [6], tzn. spotřeby jednotlivých materiálů na realizování zábradlí, potřeba dopravy na transport jednotlivých materiálů. Bilancovaná data pro fázi životního cyklu výstavba jsou uvedena v Tab. 1. 3.2 Hodnocení dopadů Při hodnocení variant balkonových zábradlí v programu icf concrete LCA Tool 2.0 CZ jsou z hlediska emisí sledovány kategorie dopadu i) potenciál globálního oteplení GWP (ekvivalentní emise CO 2 ), ii) okyselování prostředí AP (ekvivalentní emise SO 2 ) a iii) tvorba přízemního ozónu POCP (ekvivalentní emise C 2 H 4 ). Z hlediska spotřeby přírodních zdrojů jsou sledovány dvě kategorie dopadu i) spotřeba primární neobnovitelné energie a ii) spotřeba primárních surovinových zdrojů. Na základě bilance vstupních dat hodnocených variant (Tab. 1) a agregovaných dat hodnocených dopadů pro jednotlivé materiály a procesy jsou zpracována agregovaná data hodnocených dopadů pro porovnávané varianty balkonových zábradlí. Data jsou vyčíslena pro fázi výstavby v následující tabulce Tab. 2. Z tabulky Tab. 2 je patrné, že v případě vláknobetonové varianty zábradlí (V2) dochází k významné redukci všech sledovaných parametrů v rozmezí 32,3 až 55,4%. V současnosti nejsledovanější hodnocené parametry spotřeba primární energie a potenciál globálního oteplení jsou zpracovány vč. příspěvků jednotlivých materiálů, výroby balkonových dílců a transportu v grafech na Obr. 2 a Obr.3. Tab. 2 Agregovaná data hodnocených dopadů variant pro fázi výstavby Z provedeného environmentálního porovnání variant prefabrikovaných dílců balkonového zábradlí vyplývá, že varianta nově navrženého vláknobetonového zábradlí je efektivnějším řešením z hlediska hodnocených environmentálních kritérií oproti stávajícímu zábradlí. Z provedených studií je zřejmé, že těžiště environmentální efektivity konstrukcí leží převážně v optimalizovaném návrhu betonové směsi, tvaru železobetonového průřezu a jeho vyztužení. Z hlediska minimalizace dopadů železobetonových konstrukcí na životní prostředí je rozhodující minimalizace množství cementu a betonářské výztuže, jejichž podíl na celkových emisích ve fázi výstavby je v průměru okolo 80%, u spotřeby primární energie se podíl oceli a cementu pohybuje v rozmezí 61% (V2) až 76% (V1). 4
Obr. 2 Spotřeba primární energie Obr. 3 Potenciál globálního oteplení GWP 4 Závěr Díky použití vysokohodnotného samozhutnitelného vláknobetonu a díky optimalizaci tvaru dílce je možné nahradit stávající zábradlí o hmotnosti 900 kg tenkým zábradlím o hmotnosti 550 kg. Tato varianta je rovněž oproti stávajícímu zábradlí efektivnějším řešením z hlediska hodnocených environmentálních kritérií. Ukazuje se, že i při využití environmentálně náročnějších betonů (např. vysokopevnostní vláknobeton u varianty V2) lze navrhovat konstrukce s minimalizovaným dopadem na životní prostředí, za předpokladu optimalizovaného návrhu směsi a železobetonového průřezu. Práce vznikla díky finanční podpoře z prostředků MŠMT ČR, projekt 1M0579 v rámci výzkumného centra CIDEAS a finanční podpoře MPO ČR v rámci projektu FR TI-1/004 Výzkum a vývoj betonů na bázi nového pojiva s využitím druhotných surovin se zaměřením na zlepšení kvalitativních a trvanlivostních parametrů betonu. 5
Literatura [1] Hájek, P.; Růžička, J.; Kynčlová, M.; Fiala, C.: Multikriteriální analýza a experimentální ověření prvků z vysokohodnotných a environmentálně efektivních materiálů, sborník konference IDEAS 2009, VŠB TU Ostrava, ISBN: 978-80-248-2091-0, str. 33-34 [2] Bílek, V: Mrazuvzdornost samozhutnitelných betonů s různými příměsemi, 5. konference Technologie, provádění a kontrola betonových konstrukcí, ČBS CSSI a ČBS Servis s.r.o., Praha 2006, ISBN 80-903502-4-0, str. 90-94 [3] Bílek, V.; Szklorzová, H.: Vliv metakaolínu na zlepšení mrazuvzdornosti betonu, seminář Metakaolin 2009, FaST VUT v Brně [4] Bílek, V.; Juřinová, E.; Semerák, J.: Technologické a mechanické vlastnosti malt s příměsí metakaolínu, seminář Metakaolin 2010, FaST VUT v Brně, ISBN 978-80- 214-4064-7, str. 12-15 [5] Fiala, C.; Hájek, P.; Bílek, V.; Ženka, M: Optimalizované prefabrikované balkónové dílce z vláknobetonu, 17. Betonářské dny 2010, ČBS CSSI a ČBS Servis s.r.o., Praha 2006, ISBN 978-80-87158-28-9, str. 337 343 [6] Fiala, C.: Optimalizace betonových konstrukcí v environmentálních souvislostech, Nakladatelství ČVUT, 2011, s. 102, ISBN 978-80-01-04663-0 Ing. Vlastimil Bílek, Ph.D. Křižíkova 68, 660 90 Brno 532 045 582 532 045 587 bilek@zpsv.cz URL www.zpsv.cz Ing. Hynek Smolka Třebízského 207, 572 419 375 572 419 352 smolka@zpsv.cz Ing. Jiří Horehleď Třebízského 207 572 419 375 572 419 352 horehled@zpsv.cz Ing. Ctislav Fiala, Ph.D. Stavební fakulta ČVUT v Praze Thákurova 7, 166 29 Praha 6 224 354 473 233 339 987 ctislav.fiala@fsv.cvut.cz URL www.fsv.cvut.cz Ing. Radomír Špalek Třebízského 207, 572 419 372 572 419 352 spalek@zpsv.cz Ing. Jan Miklenda, závod Uherský Ostroh Veselská 800 572 430 650 572 430 670 miklenda@uo.zpsv.cz 6