Vysokohodnotný betón

Jedna zo zaužívaných definícií hovorí o týchto základných znakoch vysokohodnotného betónu:

• vodný súčiniteľ menej ako 0,35;
• pevnosť v tlaku viac ako:

• 21 MPa po 4 hodinách od uloženia (veľmi rýchla pevnosť),
• 34 MPa po 24 hodinách od uloženia (vysoká začiatočná pevnosť),
• 69 MPa po 28 dňoch od uloženia (veľmi vysoká pevnosť);

• vysoká trvanlivosť (koeficient trvanlivosti viac ako 80 % stanovený podľa ASTM C, metódou A).

Tab. 1 Triedy vysokohodnotného betónu

Pevnosť v tlaku (MPa)*	50	75	100	125	150
Trieda vysokohodnotného betónu**	I	II	III	IV	V

*) valcová pevnosť po 28 dňoch
**) podľa Pierre-Claude Aïtcina

Použitie vysokohodnotného betónu umožňovalo zmenšiť prierez prvku alebo množstvo pozdĺžnej výstuže, čím sa znížilo stále zaťaženie, a teda aj náklady na materiály. Skrátil sa i čas potrebný na odformovanie, prípadne podoprenie konštrukcie po odstránení debnenia.
Zvýšila sa celková tuhosť konštrukcie a dosiahli sa menšie priehyby trámov a dosiek, a to v dôsledku:

• zvýšenia modulu pružnosti betónu,
• zmenšenia zmrašťovania a dotvarovania,
• zväčšenia prípustného predpätia,
• zväčšenia momentu pri vzniku trhlín (zväčšenia pevnosti betónu v ťahu),
• zväčšenia súdržnosti betónu s výstužou.

Dôležitou úlohou investora je získať najvyššiu možnú návratnosť investície v priebehu životnosti konštrukcie. Vo väčšine prípadov sa investor venuje výberu konštrukčného materiálu len veľmi obmedzene (alebo sa mu nevenuje vôbec), pokiaľ sú splnené funkčné požiadavky za prijateľnú cenu. Napriek tomu môžu požiadavky investora silne ovplyvniť konečný výber konštrukčného materiálu – napr. zvýšením pevnosti betónu v tlaku zo 60 na 75 MPa pri ťažnej pobrežnej veži TROLL, ktorá bola navrhnutá do hĺbky 300 m, sa dosiahlo zníženie objemu použitého betónu o 50 000 m³ a ušetrilo sa 77 mil. dolárov.

Pri zvážení silnej konkurencie medzi oceľou, bežným betónom a vysokohodnotným betónom v oblasti stavebného priemyslu prevažujú riešenia z vysokohodnotného betónu v prípadoch, keď ponúkajú investorovi za daných podmienok najlepšiu návratnosť investícií. Na prvý pohľad sa zdá, že projektant má konečné slovo vo výbere konštrukčného materiálu. Treba si však uvedomiť, koľko vstupných informácií musí zvážiť. Projektant musí uspokojiť investora v oblasti funkčných požiadaviek, architekta v oblasti estetického spracovania konštrukcie, a to všetko pri zohľadnení technických problémov a stavebnotechnických predpisov.

Zvýšený modul pružnosti, rýchlejšie dotvarovanie, vysoká trvanlivosť, zvýšená nepriepustnosť betónu alebo kombinácie týchto faktorov hrajú významnú úlohu. Práve vďaka vysokej odolnosti proti oteru sa vysokohodnotný betón mohol použiť na vozovky v Nórsku, kde sa v zime používajú pneumatiky pobité klincami. Časovo závislé deformácie v konštrukčných prvkoch z bežného betónu môžu vyvolať výrazne rozdielne napätie, ktoré vyžaduje zvláštne protiopatrenia v pôvodnom projekte. Tieto opatrenia sťažujú návrh, zvyšujú vystuženie (dodatočné materiálové náklady), navyšujú cenu práce (ukladanie, kontrola výstuže), spomaľujú ukladanie betónu atď. Vysokohodnotný betón však dosahuje konečné hodnoty dotvarovania rýchlejšie než bežný betón, čím sa tieto problémy redukujú.

Vysokohodnotný betón má vysoké technické nároky a nepripúšťa prístup typu pokus – omyl. Vyžaduje výskum na určenie najvhodnejších zložiek dostupných v danej oblasti. Kontrola kvality jednak vstupných surovín, jednak konečného výrobku je nevyhnutná. Z praktického hľadiska sa dá všeobecne predpokladať, že vysokohodnotný betón predstavuje 10 až 20 % z celkového objemu betónu použitého na výškové budovy, čo predstavuje len malý zlomok betónu v stavebníctve. Vyšší obsah vody (oveľa viac, než treba na úplnú hydratáciu cementu) v bežnom betóne spôsobuje pórovitosť a slabú mikroštruktúru. Aplikácia vysokohodnotného betónu s nižším obsahom vody preto umožňuje efektívnejšie využiť spojivové vlastnosti portlandského cementu. Tým sa spotrebúva menej samotného cementu.

Trvanlivosť betónu možno definovať ako jeho schopnosť odolávať degradácii v dôsledku pôsobenia chemických, fyzikálnych a biologických vplyvov vzhľadom na ich trvanie a súčasné pôsobenie. Nedostatočná trvanlivosť betónu vedie k jeho rozpadu, korózii výstuže v betóne, prípadne k obidvom degradáciám súčasne. Odolnosť betónu v danom prostredí sa zvyšuje s jeho odporom proti prenikaniu plynov, vody a roztokov chemikálií, preto sa priepustnosť, t. j. permeabilita často používa ako základný ukazovateľ trvanlivosti betónu. Betón s vyššou pevnosťou nemusí mať automaticky lepšiu trvanlivosť, hoci mechanizmus zodpovedný za nárast pevností pôsobí aj v smere znižovania permeability. Preto sa uprednostňujú vysokohodnotné betóny pred čisto vysokopevnostnými.

Bežný betón je nehomogénny materiál zložený zo:

• hydratovanej cementovej pasty,
• tranzitnej zóny medzi zrnami kameniva a zhydratovanou cementovou pastou,
• kameniva.

Z dôvodu lokálneho stenového efektu dochádza pri povrchu veľkých zŕn k akumulácii určitej časti zámesovej vody. Výsledkom je, že bezprostredne pri povrchu veľkých zŕn kameniva má cementová pasta vyšší vodný súčiniteľ než v určitej vzdialenosti od tohto zrna. V porovnaní s cementovou pastou vzdialenejšou od rozhrania je mikroštruktúra tranzitnej zóny charakterizovaná veľkými pórmi a tiež veľkými kryštalickými hydratačnými produktmi. Tranzitná zóna je v bežnom betóne široká 0,05 až 0,1 mm.

Vysokohodnotný betón je nehomogénny materiál zložený zo:

• zhydratovanej cementovej pasty,
• kameniva.

Použitie nižšieho vodného súčiniteľa a minerálnych prísad (prímesí) má za následok zmenšenie hrúbky a spevnenie tranzitnej zóny. Nízky vodný súčiniteľ podporuje tvorbu vnútorných produktov hydratácie, ktoré charakterizuje veľmi jemná textúra. Cementová pasta neobsahuje ploché hexagonálne kryštály portlanditu, dlhé ihlice ettringitu ani vlákna C-S-H gélu.

Rozdiely v mikroštruktúre vysokohodnotného a bežného betónu majú dopad na pevnosť v tlaku i na permeabilitu betónu. Slabá mikroštruktúra tranzitnej zóny v prípade vodného súčiniteľa od 0,50 do 0,70 bráni betónu v tom, aby pôsobil ako skutočne kompozitný materiál. Ak sú v tranzitnej zóne póry a mikrotrhliny, nebude pevnosť kameniva ovplyvňovať pevnosť betónu, pretože prenos napätia medzi cementovou pastou a kamenivom je málo účinný. Superplastifikátory umožňujú znížiť vodný súčiniteľ až na hodnotu 0,25 či 0,20. Potom, aj keď sa hydratácia zastaví, obsahujú betóny stále významný podiel nezhydratovaných zŕn. Tieto zrná tvoria akúsi rezervu podobnú tej, akú nachádzame v starých betónoch. Ak vzniknú v betóne trhliny, nezhydratované zrná môžu hydratovať, len čo sa k nim trhlinami dostane voda. Hydratačné procesy, ktoré takto premosťujú a zaceľujú trhliny, nazývame samohojenie (selfhealing).

Kým v prípade bežného betónu je ošetrovanie dôležité, pri vysokohodnotnom betóne sa stáva nevyhnutnosťou. V bežnom betóne s vyšším vodným súčiniteľom je výsledné zmrašťovanie spôsobené najmä odparením zámesovej vody a autogénne (chemické, hydratačné) zmrašťovanie je veľmi nízke. V prípade vysokohodnotného betónu s nízkym vodným súčiniteľom prebieha hydratácia veľmi rýchlo. Ak sa neošetruje vodou, zámesová voda sa odvádza zo stále menších kapilár, a tak dochádza k jeho samovysušovaniu. Voda celkom nezapĺňa malé kapiláry a vznikajú menisky. Sily, ktorými menisky vplývajú na steny kapilár, sú veľmi veľké a vyvolávajú v betóne rýchly nárast ťahových napätí, ktoré spôsobujú autogénne zmrašťovanie betónu.

Najlepším spôsobom ošetrovania vysokohodnotného betónu je jeho ochrana pred plastickým zmrašťovaním hneď po skončení zhutňovania a po úprave povrchu tak, že sa prekryje fóliou alebo vodnou hmlou. Vo chvíli, keď sa začína zvyšovať teplota betónu (vplyvom prebiehajúcej hydratácie cementu), ho treba kropiť vodou – pri nižšom náraste teploty postačí aj vodná hmla. Teplota vody použitej na ošetrovanie betónu by nemala byť nižšia ako teplota povrchu betónu. Ošetrovanie vodou nesmie trvať v nijakom prípade menej ako tri dni. Celkový čas však závisí od veľkosti a typu konštrukčného prvku. Po ukončení ošetrovania vodou sa odporúča ošetriť betón nepriepustným filmom, a tým zabrániť odparovaniu vody z jeho povrchu.

Vysokohodnotný betón bude vždy betónom, ktorý má nízky vodný súčiniteľ a obsahuje superplastifikátor, jeho výroba a spracovanie sa však budú meniť. V budúcnosti bude obsahovať menej cementu a vody, na druhej strane však viac minerálnych prímesí a chemických prísad. Hoci sa VHB neustále vyvíja, jeho úlohou nie je nahradiť bežné betóny. Stále existuje mnoho aplikácií, ktorým bežné betóny svojimi vlastnosťami plne vyhovujú.

Ing. Erik Zemánek
Foto: STACHEMA

Autor v roku 1993 ukončil štúdium na SvF STU v Bratislave. V praxi sa spočiatku venoval samotvrdnúcim bentonitovým suspenziám, injektážnym zmesiam a technológii vŕtaných pilót. Po nástupe do spoločnosti STACHEMA sa naplno začal zaoberať technológiou betónu. V súčasnosti vedie spoločnosť STACHEMA Bratislava, s. r. o.

Literatúra:
(1) Aïtcin, P.-C.: Vysokohodnotný betón, Edice Betonové Stavitelství, Praha, 2005
(2) Bajza, A., Rouseková, I.: Technológia betónu, Jaga, Bratislava, 2006