Vysokohodnotný betón — špecifiká výroby a možnosti využitia v praxi

Pod pojmom vysokohodnotný betón (VHB) sa rozumie betón, ktorý sa vyznačuje vhodnou kombináciou kvality a spoločných požiadaviek na jeho vlastnosti. Pri praktickom využití sa navrhuje a vyrába najmä na špecifický účel konkrétnej betónovej konštrukcie alebo dielca. V niektorých prípadoch sa využíva aj pre vysoké hodnoty pevnostných parametrov, a označuje sa ako vysokopevnostný betón (VPB). Toto označenie prevzali aj nové európske normy [3], [5], [7]. Ak však budúca betónová konštrukcia má byť zhotovená z betónu vysokej kvality, ktorý by mal spĺňať požiadavky vysokej trvanlivosti založenej na nízkej priepustnosti kvapalín a plynov, ako aj odolnosti proti účinkom agresívnych látok, používa sa skôr označenie VHB.

Všetky doterajšie, ako aj súčasné normové predpisy v oblasti betónu a betónových konštrukcií definujú a rozlišujú kvalitu betónu podľa tried. Označenie triedy betónu udáva hodnoty jeho pevnosti v tlaku. Najvyššia trieda betónu na úrovni hodnôt 50, resp. 60 MPa sa považuje za hornú hranicu tried obyčajného betónu (OB) a zároveň za spodnú hranicu VPB. Európska norma [3] zaviedla klasifikáciu 16 pevnostných tried hutného a ťažkého betónu od pevnostnej triedy C 8/10 až po najvyššiu pevnostnú triedu C 100/115 (tab. 1). Do šiestich najvyšších tried sa zaraďujú VPB. Označenie triedy betónu písmenom C a zlomkom znamená pomer charakteristickej pevnosti v tlaku f_{ck, cyl}, zisťovanej na valcoch s priemerom 150 mm a výškou 300 mm vo veku 28 dní a  f_{ck, cube}, zisťovanej na kockách s hranou 150 mm.

Tab. 1 Pevnostné triedy betónu

Spôsoby zvyšujúce pevnosť betónu

Obyčajný betón možno vo všeobecnosti charakterizovať ako trojzložkový systém, ktorý pozostáva z kameniva, cementu a vody. V súčasnosti sa aj do tohto betónu pridávajú prísady vo forme plastifikátorov na zabezpečenie potrebnej spracovateľnosti pri nižšom obsahu vody. Vysokohodnotný betón sa postupným vývojom a využívaním prísad a prímesí rozličného druhu zmenil na viaczložkový konštrukčný materiál.

Betón v zatvrdnutom stave pozostáva z dvoch tuhých fáz, zo zatvrdnutého cementového tmelu (cementovej matrice) a z kameniva.

Z pohľadu obidvoch tuhých fáz sa dajú využiť štyri spôsoby zvýšenia jeho pevnosti:

• spôsoby, ktoré zvyšujú pevnosť samotnej cementovej matrice,
• spôsoby založené na využití vysokej pevnosti kameniva,
• spôsoby, ktoré posilňujú vzájomné spojenie (súdržnosť) medzi zatvrdnutou cementovou matricou a povrchom zŕn kameniva,
• spôsoby, ktoré využívajú efekt vyvodenia priestorového stavu napätosti v betóne pri zaťažení konštrukcie.

Zložky čerstvého betónu na výrobu VHB

V prípade VHB sa dá dosiahnúť vyššia pevnosť cementovej matrice použitím cementov vyšších pevnostných tried, ako sú CEM I 42,5, resp. CEM I 52,5. V súčasnosti sa okrem čistých portlandských cementov využívajú na výrobu VHB aj cementy CEM II a III.

Podľa doterajších skúseností z praxe sa množstvo použitého cementu pre VHB pohybuje v rozpätí od 380 do 550 kg/m³ hotového betónu.

Dosiahnutie vysokej pevnosti, prípadne vysokého modulu pružnosti zatvrdnutého VHB, je podmienené použitím kvalitného hrubého kameniva. Pevnosť drobného kameniva je menej dôležitá. Vo VHB veľkosť hrubého kameniva zvyčajne neprevyšuje 16 mm, resp. 22 mm. V porovnaní s OB treba vo VPB sledovať okrem bežných požiadaviek na kamenivo aj ďalšie vlastnosti, ako sú celková zrnitosť, tvarový index a mineralogické zloženie.

Nevyhnutnou prísadou do betónu pri výrobe VHB vyšších pevnostných tried sú vysokoúčinné superplastifikátory. Tie sú dôležité najmä z dôvodu nízkeho vodného súčiniteľa, ktorý sa pohybuje najčastejšie v rozpätí 0,25 až 0,35. Ich úlohou je zabezpečiť, aby mal čerstvý betón aj pri nízkom obsahu vody požadovanú konzistenciu, ktorá by mu umožnila dobrú čerpateľnosť a spracovateľnosť. Množstvo vysokoúčinného plastifikátora v čerstvom betóne pre VHB sa pohybuje od 2 do 4 % z hmotnosti cementu. Pri posudzovaní jeho vhodnosti do VHB je dôležitá najmä kompatibilita s použitým druhom cementu z hľadiska vývoja reologických vlastností čerstvého betónu.

Okrem využitia cementov vyšších pevnostných tried je výroba VHB založená aj na pridávaní rôznych minerálnych prímesí. Z nich najmä aktívne prímesi, ako sú kremičitý úlet, lietajúci popolček a jemne mletá granulovaná vysokopecná troska (so svojimi puzolánovými, resp. latentne hydraulickými vlastnosťami) vytvárajú podmienky na vznik nových pevnejších väzieb na úrovni mikroštruktúry cementovej matrice. Za najdôležitejšiu aktívnu prímes sa považuje kremičitý úlet. Ten sa pridáva do VHB ako náhrada časti cementu v množstve 2 až 15 %.

So zvyšujúcou sa pevnosťou betónu znižuje sa jeho ťažnosť, a tým sa stáva krehkejším v porovnaní s OB. Táto vlastnosť je z konštrukčného hľadiska negatívna, nakoľko v prípade prekročenia pevnosti nastáva nebezpečenstvo krehkého porušenia. Z tohto dôvodu sa do VHB s vysokou pevnosťou v tlaku (nad 100 MPa) pridáva rozptýlená oceľová vláknová výstuž. Tá zabezpečuje pri porušovaní dostatočnú duktilitu VHB. Okrem pridávania oceľovej vláknovej výstuže sa v praxi osvedčilo aj použitie polypropylénových vlákien. Tie už pri relatívne malom množstve výrazne zvyšujú požiarnu odolnosť VHB.

Návrh zloženia čerstvého betónu pre VHB

Zaužívané a osvedčené metódy návrhu zloženia čerstvého betónu pre OB sa obyčajne pre VHB nedajú využiť. Pri tradičných postupoch návrhu OB sa za smerodajné kritéria považujú pevnostné charakteristiky a modul pružnosti betónu v zatvrdnutom stave. Ostatné požadované vlastnosti čerstvého betónu sa vždy odvíjajú od druhu stavby, typu konštrukcie (dielca), spôsobu vystuženia, technologických postupov betónovania a charakteru prostredia.

V prípade návrhu zloženia čerstvého betónu pre VHB sa jedná o zložitejšiu úlohu. Vzhľadom na veľmi nízky vodný súčiniteľ treba uvažovať s obsahom vody v každej zložke. Najčastejšie ide o individuálnu úlohu so špecifickým prístupom pre konkrétnu konštrukciu alebo dielec [1]. Často používaným praktickým postupom pri návrhu zloženia VHB je metóda skúšobných zámesí, pri ktorej vychádza navrhovateľ so vzorových zložení betónu osvedčených v praxi.

Veľký dôraz pri výbere zložiek a návrhu zloženia VHB treba klásť najmä na kontrolu kvality. Zásady a metodické postupy posudzovania vlastností zložiek predpisujú platné normové predpisy uvedené napr. v [2].

Výroba a spracovanie čerstvého betónu pre VHB

Pri výrobe VHB je na rozdiel od OB dôležitá najmä presnosť dávkovania a optimálny spôsob miešania čerstvého betónu. Kamenivo a jemné prímesi v suchom stave treba chrániť pred poveternostnými vlpyvmi (dážď, sneh), prípadne pred nevhodným premiešaním. Dávkovacie zariadenie výrobne betónu musí za bežných prevádzkových podmienok zabezpečiť požadovanú presnosť v toleranciách podľa noriem [3], [4]. Na miešanie čerstvého betónu sa používajú miešacie zariadenia s vyššou účinnosťou miešania, väčšinou s núteným spôsobom miešania. Vyšší obsah cementu, jemných, až ultra jemných prímesí a nízky vodný súčiniteľ čerstvého betónu spôsobujú jeho vyššiu viskozitu, a preto si vyžaduje dlhšie a intenzívnejšie miešanie.

V súčasnosti je už väčšina moderných výrobní betónu na Slovensku takýmito zariadeniami vybavená. Rovnako prevládajúca časť produkcie čerstvého betónu sa už dnes vyrába a prepavuje na miesto spracovania formou transportbetónu v kombinácii s čerpadlami, ktoré odčerpávajú betón na miesto uloženia. Tomu treba, samozrejme, prispôsobiť aj konzistenciu čerstvého betónu. Správna voľba konzistencie závisí od mnohých faktorov, ako sú dopravná vzdialenosť, typ zhotovovanej betónovej konštrukcie, hustota vystuženia a vplyv okolitého prostredia (teplota, relatívna vlhkosť atď.). V prípade VHB je dôležité zabezpečiť v celom procese betonárskych prác komplexný systém kontroly vlastností čerstvého betónu.

Čerstvý betón s nízkym vodným súčiniteľom si vyžaduje pri spracovaní intenzívnejšie zhutňovanie. Pri výrobe VHB treba, v porovnaní s OB, venovať aj omnoho väčšiu pozornosť ošetrovaniu už spracovaného čerstvého betónu. Vzhľadom na nízky vodný súčiniteľ sa môže nadmerné odparenie vody z povrchu uloženého betónu počas tuhnutia a tvrdnutia nepriaznivo prejaviť na procese hydratácie spojiva a tým aj na vlastnostiach najmä povrchových vrstiev betónu. Z toho dôvodu je nevyhnutné dôkladné ošetrovanie spracovaného VHB krátko po jeho uložení, napríklad sprejovaním vodou v kombinácii so zakrývaním povrchu tuhnúceho betónu plastovými fóliami. Dĺžku ošetrovania VHB udáva predbežná európska norma [5], [6].

Možnosti využitia VHB v praxi

Využitie predností VHB závisí od druhu betónovej konštrukcie (dielca) a od požiadaviek, ktoré by mali počas svojej prevádzkovej životnosti spĺňať. Vysoká pevnosť betónu sa využíva najmä pri návrhu tlačených prvkov (stĺpy a steny výškových budov). Použitie VPB totiž umožňuje zmenšiť rozmery prierezov prevažne tlačených prvkov, čo znamená úsporu úžitkovej plochy jednotlivých podlaží, ako aj zníženie hmotnosti celej stavby. To sa prejavuje úsporami na základových konštrukciách z pohľadu objemu materiálu a nákladov na ich zhotovenie. Z VHB sa postavili aj najvyššie budovy sveta – Petronas Towers v Kuala Lumpur v Malajzii (452 m), Taipei 101 na Filipínach (509 m), Veža v Dubaji (Burj Dubai) s projektovanou výškou 808 m (z toho 601 m je z VPB).

Vysoká trvanlivosť a nízka permeabilita kvapalín a plynov VHB sa využíva aj pri zhotovovaní betónových konštrukcií a dielcov s požadovanou extrémne dlhou životnosťou. Ako príklad jednej z prvých aplikácií VHB v SR sú krabicové kontajnery na dlhodobé uskladenie nízko a stredne radio­aktívneho odpadu z jadrovej energetiky (obr. 1, 2, 3). Požiadavka na ich minimálnu životnosť je 300 rokov. Tieto kriteria sa podarilo splniť použitím vysokohodnotného betónu vystuženého kovovými vláknami z nehrdzavejúceho kovu.

Záver

VHB je materiál, ktorý ponúka v betónovom staviteľstve a vo výrobe betónových dielcov nové možnosti. Aj keď je jeho praktické využitie v súčasnosti vzhľadom na jeho vyššiu cenu v porovnaní s OB ešte obmedzené, v oblasti najnáročnejších dopravných, výškových, priemyselných, environmentálnych stavieb a betónových dielcov – najmä na špeciálne účely – sa využíva už dosť často.

doc. Ing. Igor Hudoba, PhD.
FOTO: archív autora

Tento príspevok vznikol za podpory projektu VEGA č.1/0180/08 – Faktory ovplyvňujúce vlastnosti povrchových vrstiev betónových prvkov z hľadiska podmienok zhotovenia a vplyvu prostredia.

Autor pôsobí ako docent na Katedre betónových konštrukcií a mostov Stavebnej fakulty STU v Bratislave. Vo vedecko-výskumnej činnosti sa venuje najmä problematike vysokohodnotného betónu a vláknobetónu a ich využitiu v praxi.

Recenzoval Ing. Boris Havran

Literatúra
1. AITCIN, P., C.: Vysokohodnotný betón. Praha : EBS, 2005.
2. HUDOBA, I.: Vysokohodnotný betón. Materiály, vlastnosti, výroba, využitie. Bratislava: Vydavateľstvo STU, 2008.
3. STN EN 206-1 Betón. Časť 1: Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda (2002).
4. STN EN 206-1/Z1 Betón. Časť 1: Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda (2004).
5. STN P ENV 13670-1 Zhotovovanie betónových konštrukcií. Časť 1: Spoločné ustanovenia (2000).
6. EN 13670 Execution of Concrete Structures (2007).
7. EN 1992-1-1 Eurokód 2: Navrhovanie betónových konštrukcií. Časť 1 – 1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby (2006).