Vláknobetón v prefabrikovaných prvkoch

Termínom vláknobetón sa označuje taký betónový materiál, pri výrobe ktorého sa okrem tradičných komponentov­ používajú aj vlákna z rôznych materiálov. Najčastejšie sa používajú oceľové, sklenené, syntetické (napr. polypropylénové­, polyetylénové, polyvinylalkoholové) a uhlíkové, ale tiež vlákna z prírodných materiálov. Tieto vlákna významne ovplyvňujú výsledné vlastnosti nového materiálu.

Najčastejšie praktické uplatnenie majú tieto betóny v nosných doskách konštrukcií priemyselných podláh. Menší podiel pripadá na fasádne, dekoračné a iné prvky z výrobného sortimentu betónového staviteľstva. Zo všetkých doterajších aplikácií vyplynuli jednoznačné závery: vlákna pridané do betónu zlepšujú vlastnosti stvrdnutého kompozitu a pri jeho vhodnom využití možno dospieť, okrem zvýšenej životnosti a bezpečnosti konštrukcie, aj k ekonomickým úsporám, napríklad vďaka zjednodušeniu technológie realizovanej konštrukcie. Aplikácie ukázali aj rozdielne vplyvy používaných druhov vlákien na výsledné vlastnosti vláknobetónu a rozdielne nároky na technológiu výroby vláknobetónových zmesí i konštrukcií.

Vlastnosti vláknobetónu
Vlákna rôznych tvarov a veľkostí z ocele, plastických látok, skla a prírodných materiálov opisuje číselný parameter nazvaný štíhlostný pomer, ktorý sa definuje ako pomer dĺžky vlákna k ekvivalentnému priemeru vlákna. Bežná hodnota štíhlosti pre dĺžku vlákien od 6,4 do 76 mm sa pohybuje od 30 do 150. Množstvo vlákien rozptýlených v čerstvom betóne sa vyjadruje zvyčajne v percentách objemu.

Oproti bežnému betónu má vláknobetón tieto vlastnosti:

• aj po vzniku trhliny je schopný prenášať ťahové napätie,
• lepšie vzdoruje dynamickým účinkom zaťaženia,
• za určitých podmienok vykazuje menšie zmrašťovanie a dotvarovanie,
• je odolnejší proti opotrebeniu povrchových vrstiev.

Bežný betón je krehký materiál a má malé pretvárajúce schopnosti. Úlohou náhodne orientovaných, jednotlivých nesúvislých vlákien je obmedziť trhliny vyvíjajúce sa v betóne, ak je vystavený zaťaženiu alebo zmenám okolitého prostredia. Ak sú vlákna dostatočne pevné, správne spolupôsobia s betónom a vyskytujú sa v dostatočnom množstve, pomôžu udržať malú šírku trhlín a umožnia, aby vláknobetón po vzniku trhlín preniesol podstatne vyššie napätie pri relatívne nižšom pretvorení. Preto sa pri kompozitných materiáloch stretávame s pojmom duktilita po vzniku trhlín, úzko súvisiacim s pojmom húževnatosť.

Pri bežne používanom množstve vlákien (väčšinou menej ako 1 %) sa pevnosť betónu významne nezvýši. Vlákna takisto nemôžu kompenzovať prípadné nedostatky v zložení betónovej zmesi alebo problémy vzniknuté pri ošetrovaní betónu. Vzhľadom na to, že vlákna sú pomerne drahé, treba najprv zvážiť, či by nebolo lepšie tieto náklady investovať do prídavnej výstuže, kvalitnejšieho betónu, alebo kvalitnejšieho spôsobu ošetrovania. Správne použité vlákna môžu podstatne zlepšiť vlastnosti bežného betónu.

Treba realisticky pristupovať k tomu, čo možno od vlákien v betóne očakávať – najmä pri nízkom dávkovaní, pretože vláknobetón nevyrieši všetky problémy, ktoré sa pri práci s betónom môžu vyskytnúť.

Klasická verzus vláknová výstuž
Betón ako konštrukčný materiál sa vyznačuje tým, že má pomerne vysokú pevnosť v tlaku, ale nízku pevnosť v ťahu. Táto nevýhoda sa preto pri železobetónových konštrukciách kompenzuje umiestnením výstužných prútov do ťahaných častí prierezov konštrukčných prvkov. Ak robíme návrh podľa betonárskych noriem, pri výpočte železobetónovej konštrukcie neuvažujeme ťahovú pevnosť betónu. Výpočtom rozmeru prierezov v súlade s platnými normami rovnako ako stanovením typu, potrebného množstva, tvaru a usporiadania výstuže sa pri konštrukčných prvkoch preukáže dostatočná únosnosť a použiteľnosť.

Vlákna však môžu zlepšiť správanie konštrukčných prvkov v tých prípadoch, keď sa požaduje húževnatosť. Požadovaná únosnosť a použiteľnosť konštrukčných prvkov z vláknobetónu sa dosiahne stanovením nutných rozmerov prvkov, nevyhnutného množstva a typu vlákien. Preto treba opísať materiálové vlastnosti vláknobetónu v závislosti od typu vlákien a ich množstva.

Použitie vláknovej výstuže ako čiastočnej alebo úplnej náhrady klasickej výstuže môže byť ekonomicky výhodné tam, kde sa vyššie náklady na materiál kompenzujú znížením prácnosti a obmedzením napríklad veľkých plôch potrebných na skladovanie klasickej výstuže. Okrem veľkých prvkov existuje celý rad drobnejších prefabrikátov, ktoré sa navrhujú na minimum plochy výstuže, aby sa zamedzil krehký lom, a ktoré sú vhodné na aplikáciu do vláknobetónov.

Možnosti uplatnenia vláknobetónu
Napriek značnému rozsahu nových poznatkov v teoretickej oblasti i v technologických postupoch pri výrobe vláknobetónu a napriek širokej ponuke predajnej siete rôznych vlákien do betónu sa doteraz vláknobetón najčastejšie používal na podlahy, mostovky a letiskové plochy. Výhodné vlastnosti vláknobetónu umožňujú uplatniť vláknobetón aj v ďalších konštrukciách a tiež rozšíriť použitie vláknobetónových konštrukcií v každodennej stavebnej praxi. Stále sa skúmajú možnosti použitia vláknobetónov v prefabrikátoch a ďalších konštrukciách vhodných na výrobu z vláknobetónu, prípadne drátkobetónu.

Hospodárne využitie vláknobetónu totiž možno dosiahnuť len vo vhodne zvolených prvkoch a len za použitia vláknobetónu s vlastnosťami plne sa uplatňujúcimi v týchto prvkoch.

V prvých fázach výskumného projektu sa vytipovali prvky vhodné na aplikáciu vláknobetónu a pripravuje sa a skúša poloprevádzková výroba vybraných prvkov. Výber prvkov vyžaduje analýzu, ktorá má zistiť, či je prvok vhodný na aplikáciu vláknobetónu, a analýzu vedúcu k správnemu výberu a návrhu vhodného vláknobetónu pre daný prvok. Preto treba urobiť statický výpočet na bežné zaťaženia aj na medznú únosnosť daného konštrukčného prvku a zistiť, kde sú kritické miesta a ktoré vlastnosti a nedostatky prefabrikovaného prvku možno použitím vláknobetónu zlepšiť. Zároveň treba navrhnúť vhodný vláknobetón s vyhovujúcimi vláknami, ktoré zlepšia vlastnosti vláknobetónu.

Pred zavedením vláknobetónu do výrobného procesu sa naplánuje ekonomická súvaha posudzujúca prínosy vláknobetónu. Úspora v znížení prácnosti nastane pri výrobe prvkov, pri ktorých sa znižuje množstvo klasickej výstuže. Prvky z vláknobetónu môžu byť subtílnejšie, čím sa znížia prepravné náklady a náklady na energeticky náročné materiály, ako sú klasická betonárska výstuž a cement. Pri vytipovaní prvkov na aplikáciu vláknobetónu sa v tejto časti projektu zvolili predovšetkým drobnejšie prefabrikáty, ktoré nie sú vystavené veľkým zaťaženiam, a preto sa navrhujú na minimum plochy výstuže, aby sa zamedzil krehký lom. V týchto prípadoch sa aplikácia vláknobetónu považuje za veľmi vhodnú.

Prefabrikáty na dopravné stavby
V tejto oblasti výstavby je sortiment prvkov vhodných na aplikáciu vláknobetónu zvlášť široký – od predpätých podvalov na železničné stavby po bežné obrubníky na cestných komunikáciách. Možno sem zaradiť:

• zvodidlá rôznych typov,
• najrôznejšie časti betónových konštrukcií na zachytenie priečnych (štepných) síl pod veľkými sústredenými zaťaženiami (bloky pod mostnými ložiskami, kotevné bloky pod kotvami, predpínacie výstuže a podobne),
• betónové konštrukcie mostných ríms (celomonolitické rímsy a rímsy kombinované s lícnym dielcom, prípadne aj s obrubníkom a vnútornou monolitickou časťou).

Pri týchto konštrukciách ide o zvýšenie odolnosti proti trhlinám spôsobeným objemovými zmenami betónu a o zvýšenie súdržnosti kotiev ríms a kotiev zvodidlových stĺpikov proti vytrhnutiu z betónu s trhlinkami.
 
Doplnkové mostné prefabrikáty
Betónový diel záchytného systému pre vozidlá (betónové zvodidlo) s dĺžkou 4 m sa v hlave spája oceľovou tyčou, ktorá sa sponkuje nad stykmi jednotlivých dielov. Návrh betónového zvodidla z vláknobetónu sa v prvej etape sústredil na navrhnutie betónovej zmesi na výrobu týchto dielov podľa požiadavky Technických kvalitatívnych podmienok pre betónové konštrukcie na stavbách pozemných komunikácií. Predpokladalo sa, že betónové diely zvodidla z vláknobetónu sa v hlave vystužia spojovacou oceľovou tyčou, ktorá splní záchytnú funkciu zvodidla. Aby sa spojovacia tyč ochránila pred vytrhnutím pri náraze, treba zachytiť spojovaciu tyč sponkami aj vo vláknobetóne. Do dolnej časti treba ďalej osadiť bezpečnostný profil, ktorý v najnepriaznivejšej situácii zabráni rozlomeniu dielu. 

Doplnkové prefabrikáty mostných ríms a záchytné prvky sa môžu vystavovať značnej námahe, pôsobeniu atmosférických vplyvov a solí. Pri týchto prvkoch treba eliminovať vznik a rozvoj trhlín spôsobených objemovými zmenami najmä preto, aby sa zachovali estetické požiadavky pri pohľade na mostnú rímsu, aby sa zvýšila súdržnosť kotiev rímsových prvkov, aby sa zabránilo korózii príchytných prvkov a aby sa predchádzalo vytrhnutiu kotiev. Ďalším problémom tohto konštrukčného prvku je vznik trhlín a porušenie prvku pri transporte a následné nebezpečenstvo pádu časti prvku po osadení. Tieto poruchy môžu byť aj zdrojom úrazov chodcov alebo poškodenia prechádzajúcich vozidiel. 

Po zvážení všetkých požiadaviek sa ako najvhodnejší materiál určil vláknobetón so syntetickými vláknami. Pripravila sa receptúra na prevádzkové skúšky, ktorá počíta s jedným percentom polypropylénových vlákien, a v rámci prevádzky sa vyskúšala výroba mostného rímsového prefabrikátu. Vďaka duktilnému správaniu vláknobetónu, ktoré zaistí priaznivý charakter porušenia prvku a zamedzí nebezpečnému porušeniu krehkým lomom, je možné znížiť množstvo klasickej oceľovej betonárskej výstuže. Vyskúšaný vláknobetónový materiál s jednopercentným obsahom polypropylénových vlákien umožní vyrábať subtílnejšie konštrukcie bez poškodzovania rímsového prefabrikátu pri doprave a osadzovaní prvku.

Vláknobetón sa vyrobil štandardným postupom – postupne sa zamiesila základná betónová matrica a do nej sa pridala dávka vlákien. Vyrobená zmes bola dobre spracovateľná a homogénna a darilo sa ju bez problémov čerpať. Prvky sa umiestnili na niekoľko mostných objektov s cieľom overiť úžitkové vlastnosti v dlhšom časovom horizonte.

Betónové rúry rôznych priemerov
Vláknobetón možno použiť aj pri výrobe kanalizačných rúr. Pri vhodnej voľbe vlákien a úprave technológie môžu byť kanalizačné rúry s vláknobetónom príkladom zlepšenia úžitkových vlastností. Skúsenosti získané pri výrobe ostatných prvkov umožnili jasne formulovať zámer využitia vláknobetónu pri výrobe rúr, zjednodušili a skrátili prípravu skúšok a okrem toho optimalizovali výber vhodných vlákien a ich hmotnostnú koncentráciu pri výrobe vláknobetónu na betónové rúry.

Najčastejšie sa vyskytujú rúry s priemerom 600 mm a dĺžkou 2,5 m. Aplikácia vláknobetónu sa priamo ponúka, ak treba zjednodušiť výrobu a odstrániť armokoše pri tzv. vystužených rúrach alebo ak treba vylúčiť, aby sa rúry vyrábané bez armokošov náhle rozlomili v dôsledku ich okamžitého krátkodobého preťaženia alebo nárazu.

Technologický proces zahŕňal prípravu technológie výroby rúr (výber vhodných vlákien, vykonávanie preukazných skúšok, preukaz vhodnosti existujúceho strojného zariadenia) a ich skúšky vykonané v skúšobni. Niektoré typy deštruktívnych preukazných skúšok sa vykonali v Experimentálnom centre Stavebnej fakulty ČVUT v Prahe.

Výpočtová simulácia potvrdila potrebné pevnostné charakteristiky vláknobetónu a mnohé preukazné skúšky zasa možnosť použitia vytypovaných vlákien i strojného zariadenia výrobne pri produkcii čerstvého homogénneho vláknobetónu. Výsledky preukazných skúšok charakteristík vláknobetónu a výsledky deštruktívnych skúšok rúr preukázali vhodnosť voľby a zlepšenie vlastností výsledného produktu. 

Záver
Vďaka prechodu od bežného betónu k vláknobetónu  možno optimalizovať výrobu niektorých prefabrikovaných prvkov, čo sa týka aj výberu vhodného typu vláknobetónu, úpravy tvaru a hrúbky prvku aj experimentálneho overenia. Súčasťou procesu je optimalizácia množstva vlákien v prvkoch, aby sa zabezpečilo, že prvok sa neporuší pri preprave a používaní za podmienok kladených na prefabrikát bežného typu a bežnej výstuže.

Proces sa porovnával s teoretickými modelmi až po experimentálne overenie prvku vrátane ekonomického vyhodnotenia. Správne zvolený materiál konštrukcie hrá dôležitú úlohu pri posudzovaní hospodárnosti konštrukcie. Vláknobetón spĺňa požiadavky na dostatočnú spoľahlivosť, t. j. únosnosť a použiteľnosť opísaných prvkov, vyhovuje aj zvýšeným nárokom na trvanlivosť a dlhšiu životnosť. Použitie vláknobetónu so syntetickými vláknami zvýši v opísaných prípadoch spoľahlivosť a trvanlivosť výsledných konštrukcií.

Tento príspevok vznikol pri riešení grantových projektov GAČR 103/09/1788.

doc. Ing. Alena Kohoutková
Foto: archív autorky

Autorka pôsobí na Katedre pozemných stavieb Stavebnej fakulty ČVUT v Prahe.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.