Vysokohodnotný vláknobetón

V betónovom staviteľstve sa vláknobetón považuje za progresívny konštrukčný materiál. Jeho uplatnenie v nosných prvkoch a konštrukciách má svoje špecifické problémy, avšak poskytuje nové možnosti využitia vlastností betónov s vysokou pevnosťou.

Postupný vývoj konštrukčných materiálov na báze cementu v uplynulých desaťročiach sa dá charakterizovať ako snaha o hľadanie nových možností využitia betónu v jeho novodobých formách v oblasti betónového staviteľstva. Výsledky výskumu a vývoja vysokohodnotných betónov a ich využitie v praxi prinieslo nový pohľad na betón ako konštrukčný materiál. Tradičný, obyčajný betón (OB) pozostávajúci z troch zložiek (cement, kamenivo, voda) sa v prípade vysokopevnostných betónov (VPB), pre ktoré sa tiež používa označenie vysokohodnotný betón (VHB), postupne nahradil viaczložkovým materiálom (cement, kamenivo, voda, prísady, prímesi). Sprievodným javom zvyšujúcej sa pevnosti betónu je strata jeho ťažnosti (duktility). Preto sa v prípade VHB často musí zabezpečenie požadovanej ťažnosti riešiť pridaním vláknovej výstuže. Táto sa používa najmä vo forme krátkych vlákien z ocele alebo vhodného plastu náhodne rozptýlených v celom objeme betónu.

Vláknami vystužený cementový kompozit

Vysokohodnotný vláknami vystužený cementový kompozit, označovaný tiež zjednodušene vláknobetón – VB (angl. Fiber Reinforced Concrete – FRC), možno vo všeobecnosti definovať ako kompozit pozostávajúci z dvoch hlavných zložiek, a to cementovej matrice a vlákien. Pritom aj samotnú cementovú matricu je možné chápať v prípade vysokohodnotného vláknami vystuženého cementového kompozitu – VHVVCK (angl. High Performance Fibre Reinforced Cementitous Composit – HPFRCC) ako kompozit skladajúci sa z viacerých zložiek. Z pohľadu dôležitosti je cementová matrica primárnou zložkou VHVVCK. Vlákna predstavujú sekundárnu zložku VHVVCK vo forme náhodne rozptýlených vlákien v celom objeme betónu. Princíp VB, resp. VHVVCK spočíva vo vzájmnom synergickom spolupôsobení cementovej matrice s vláknami, čo je nevyhnutným predpokladom na výrobu efektívneho kompozitného konštrukčného materiálu. Zloženie cementovej matrice, či už ide o pastu v čerstvom stave, alebo cementový kameň v zatvrdnutom stave, je kľúčovým problémom, od ktorého sa odvíjajú jeho vlastnosti. V prípade VB je tvar pracovného diagramu v ťahu charakteristickou črtou, podľa ktorej sa dá určiť, či ide o typ tradičného VB alebo ho možno označiť prívlastkom vysokohodnotný, teda zaradiť ho do kategórieVHVVCK.

Vysokohodnotné vláknami vystužené cementové kompozity, teda VHVVCK, sú moderné konštrukčné materiály navrhnuté na princípe cementovej matrice a krátkych výstužných vlákien. Ide o materiály s vysokou ťažnosťou, ktorá vytvára podmienky na vznik a rozvoj veľkého množstva jemných trhlín pri určitom stupni ťahového namáhania a ťahového spevnenia (v angl. označované ako strain-harderning characteristics), čo je charakteristické pri pôsobení jednoosového ťahového namáhania. Niektoré zahraničné predpisy vo forme „odporúčaní pre návrh a využitie VHVVCK“ (napr. [5]) vychádzajú z predpokladov, že priemerné medzné pevnostné charakteristiky VHVVCK sa určia formou dohodnutých skúšobných metód za predpokladu, že priemerná šírka trhlín bude menšia ako 0,2 mm. Za týchto podmienok sa dá predpokladať, že všetky zložky, z ktorých sa skladá zatvrdnutý VHVVCK, budú stabilné a trvanlivé počas celej prevádzkovej životnosti prvku, resp. konštrukcie z tohto konštrukčného materiálu. VHVVCK patria do skupiny konštrukčných materiálov označovaných v anglickom jazyku tiež ako Engineered Cementitous Composites – ECC, ktoré sú založené a boli vyvinuté na princípoch mikromechaniky a lomovej mechaniky.

Obr. 2 Niektoré druhy plastových vlákien do vláknocementových kompozitov

Vláknová výstuž do betónu

V súčasnosti sa používa vláknová výstuž do betónu na báze ocele, skla, polymérov, uhlíka a celulózy. Dĺžka vlákien sa pohybuje v rozpätí od 3 do 64 mm. Priemer vlákien je od niekoľko μm až do 1 mm. Prierez vlákna môže byť kruhový, oválny, pravouhlý, polygonálny, prípadne iný, v závisloti od toho, z akého materiálu a akým výrobným postupom sa vlákno vyrába. Z hľadiska veľkosti sa vlákna do betónu rozdeľujú na dve základné kategórie, a to na mikrovlákna a makrovlákna. Do kategórie mikrovlákien patria vlákna s priemerom alebo ekvivalentným priemerom menším ako 0,3 mm. Vlákna s priemerom väčším ako 0,3 mm patria do kategórie makrovlákien. Pod ekvivalentným priemerom vlákna sa rozumie priemer kruhového prierezu, ktorého prierezová plocha je rovnaká ako prierez daného vlákna, a to d =  4A/π.

Prehľad vlákien používaných ako rozptýlená výstuž do betónu so základnými vlastnosťami a charakteristikami je uvedený v tabuľke [3]. Na obrázku 1 sú niektoré typy oceľových vlákien najčastejšie používaných ako rozptýlená výstuž do betónu. Niektoré typy plastových vlákien vidieť na obrázku 2.

Množstvo vlákien v betóne sa pohybuje v rozpätí od 0,1 % do 5 % z objemu betónu. Použité množstvo vlákien je určené aj technologickými požiadavkami ľahkého miešania a spracovania čerstvého VB. Malé množstvo vlákien v rozsahu 0,1 % až 0,3 % sa najčastejšie používa s cieľom obmedzenia a kontroly šírky technologických trhlín od účinkov objemových zmien a teploty. Pri použitom množstve vlákien nad 0,3 % z objemu betónu sú mechanické vlastnosti zatvrnutého VB rozdielne oproti OB bez vlákien. V posttrhlinovom štádiu je zatvrdnutý VB schopný prenášať účinky zvyšujúceho sa namáhania. Schopnosť VB absorbovať energiu v stave, keď je cementová matrica prestúpená trhlinami, sa označuje ako ťažnosť, resp. húževnatosť. Pri vyšších množstvách vláknovej výstuže sa okrem zvýšenia posttrhlinovej tuhosti ešte prejavuje efekt ťahového spevnenia. Sprievodným javom ťahového spevnenia je fakt, že pevnosť VB je vyššia ako pevnosť samotnej cementovej matrice. Rozvoj hustej sústavy trhlín v pseudoduktilných kompozitoch je podmienkou ťahového spevnenia a vytvára zvýšenú schopnosť VHVVCK absorbovať energiu.

Pracovný diagram závislosti napätie – pretvorenie

Ak pracovný diagram závislosti napätie – pretvorenie v ťahu skúšobnej vzorky vykazuje ťahové spevnenie (alebo pseudoťahové spevnenie) po vzniku prvej trhliny, možno použiť prívlastok vysokohodnotný kompozit, teda VHVVCK (obr. 3 a 4). Pri tradičnom VB jeho diagram závislosti napätie – pretvorenie vykazuje deformačné ochabnutie okamžite po vzniku prvej trhliny (obr. 3). Oproti tomu tvar diagramu závislosti napätie – pretvorenie VHVVCK v ťahu vyjadruje jeho pružno-plastické správanie. Na základe vyššie uvedeného možno vysloviť nasledujúcu definíciu:
VHVVCK je vyššia trieda vláknobetónového kompozitu charakterizovaná jeho spevnením pretvorení pri ťahovom namáhaní po vzniku prvej trhliny a následne sprevádzaná hustým rozvojom trhlín až po relatívne vysokú úroveň pretvorenia.

Obr. 3  Typický tvar diagramu závislosti napätie – pretvorenie alebo napätie – predĺženie pri ťahovom namáhaní až do úplného porušenia pri tradičnom VB a VHVVCK podľa [2]

Obr. 4  Typický diagram závislosti napätie – pretvorenie v ťahu vláknami vystuženého cementového kompozitu: a) pri ťahovom ochabnutí, b) pri ťahovom posilnení

Ťahové spevnenie je veľmi pozitívna vlastnosť kompozitného materiálu, vo všeobecnosti je sprevádzaná viacnásobným porušením hustou sústavou vlasových trhlín, ktorá je podstatou veľkej kapacity absorpcie energie. Inými slovami, dosiahnutie efektu ťahového spevnenia je možné vyjadriť porovnaním posttrhlinovej pevnosti v ťahu σpc a pevnosti v ťahu po vzniku prvej trhliny σcc, to znamená σpc ≥ σcc (obr. 3). Pri použití energetického princípu možno vyššie uvedený vzťah nahradiť vyjadrením, že energia potrebná na vytvorenie novej trhliny je menšia ako energia potrebná na otvorenie už existujúcej trhliny. Schématické znázornenie diagramu závislosti napätie – pretvorenie pri VHVVCK je uvedené na obrázkoch 3 a 4. Začína sa stúpajúcou vetvou až po úroveň prvej trhliny (oblasť I.) a pokračuje úsekom ťahového spevnenia (oblasť II.), pri ktorom nastáva hustý rozvoj vlasových trhlín. Bod, pri ktorom nastáva prvé porušenie trhlinou, je určený súradnicami σcc a εcc. Posledný bod B ­vetvy diagramu zachytávajúci spevnenie pretvorení predstavujú posttrhlinové napätie σpc a pretvorenie εpc. Vrcholový bod predstavuje aj stav, keď v jednej z trhlín dôjde ku kritickému zväčšovaniu jej šírky. Toto miesto kritickej trhliny prestavuje aj miesto budúceho úplného porušenia. Od bodu B dochádza k prudkému poklesu odolnosti. Vznik ďalších trhlín už nenastáva a pri zvyšujúcom sa namáhaní dochádza k zväčšovaniu šírky jednej (kritickej) trhliny. Napätie v miestach ostatných trhlín sa postupne znižuje a šírky trhlín sa zmenšujú. Klesajúca časť pracovného diagramu predstavuje závislosť zaťaženia na šírke kritickej trhliny (oblasť III.). Pozdĺž klesajúcej vetvy môže dôjsť v kritickej trhline pri niektorých vláknach k ich roztrhnutiu, pri ďalších k povytiahnutiu alebo ku kombinácii obidvoch efektov. Treba si uvedomiť, že pred tým, ako sa lokalizuje miesto kritickej trhliny, sa predĺženie kompozitu premieta do pretvorenia v ťahu, keď sa rozhodne o tom, či prevládne efekt ťahového ochabnutia alebo ťahového spevnenia. Po lokalizácii kritickej trhliny sa predlžovanie riadi otváraním kritickej trhliny. Pozdĺž klesajúcej vetvy v oblasti III. (obr. 3 a 4) stráca pretvorenie materiálu ako také na význame.

Pracovný diagram tradičného VB ako cementového kompozitu prebieha rovnakým spôsobom ako pri VHVVCK (oblasť I.), pričom lokalizácia prvej trhliny nastáva okamžite, žiadne ťahové spevnenie a hustý rozvoj trhlín nevznikajú (neexistuje teda oblasť II.). Po lokalizácii trhliny pokračuje klesajúca vetva pracovného diagramu tak ako v prípade VHVVCK. Všetky vyššie uvedené závery však vychádzali z predpokladu, že vzorka, resp. prvok sa namáha ideálnym jednoosovým ťahom. Takýto spôsob namáhania VB, resp. VHVVCK sa v reálnom betónovom prvku alebo konštrukcii vyskytuje veľmi zriedkavo. Najčastejšie je vláknobetónový kompozit namáhaný ťahom pri ohybe. Správanie sa vláknobetónového kompozitu v prípade ťahu pri ohybe v porovnaní s jednoosovým ťahom tak, ako je to pri ohýbaných prvkoch, je podobné. Aj v tomto prípade dochádza k ťahovému ochabnutiu alebo spevneniu. Na rozdiel od prípadu osového ťahového namáhania sa v prípade ohybového namáhania zaviedli označenia deformačné spevnenie alebo deformačné ochabnutie. Dosiahnutie efektu deformačného spevnenia vláknocementového kompozitu pri ohýbaných prvkoch je výhodné z hľadiska celkového správania pri ohybovom namáhaní. Efektívnosť deformačného spevnenia materiálu však závisí od viacerých faktorov, ako sú veľkosť vzorky (v angl. označovaná ako size effect), množstvo vlákien a pod. Množstvo vláknovej výstuže vo vláknobetónovom kompozite je rozhodujúcim faktorom, od ktorého závisí, či nastane alebo nenastane efekt deformačného spevnenia. V určitých prípadoch môže dôjsť aj k tzv. ťahovému pseudospevneniu pretvorení, keď po vzniku prvej trhliny a prudkom poklese ťahového napätia na úroveň σpc nastane čiastočné spevnenie pretvorení a úroveň σpc sa zvýši (obr. 4a). Z rovnakých predpokladov vychádzajú aj niektoré zahraničné smernice (napr. [5]). Objem vláknovej výstuže vo vláknocementovom kompozite vždy závisí pri praktickom návrhu od jeho aplikácie v konštrukčnom prvku. Vlákna z rôzneho materiálu majú rozdielnu objemovú hmotnosť. Rôzny objem vlákien z rôzneho materiálu vedie k rozdielnej hmotnosti vlákien. Preto treba zdôrazniť, že vlastnosti vláknocementového kompozitu sa odvíjajú od objemu vlákien a nie od ich hmotnosti. Napríklad 1 % objemu oceľových vlákien v hutnom betóne predstavuje asi 80 kg/m3. V porovnaní s polypropylénovými vláknami predstavuje 1 % objemu v hmotnostnom vyjadrení len 9,2 kg/m³.

Doterajšie smernice a odporúčania na hodnotenie vlastností vláknami vystužených cementových kompozitov predpisujú pre ťahové skúšky a získanie pracovného diagramu v ťahu tvar skúšobnej vzorky a metodiku skúšky. Na základe takto získaných charkteristík skúšky je možné robiť klasifikáciu kompozitu. Základným predpokladom získania hodnoverných výsledkov ťahových parametrov vláknami vystuženého cementového kompozitu formou laboratórnych skúšok je použitie moderného skúšobného zariadenia, ktoré umožňuje riadiť proces zaťažovania a automatické vyhodnocovanie nameraných výsledkov (vrátane grafických výstupov).

Závery

Najdôležitejšou materiálovou charakteristikou vláknami vystuženého cementového kompozitu je skutočnosť, či sa po vzniku prvej trhliny pri skúške v osovom ťahu prejaví efekt ťahového spevnenia pretvorení alebo ťahového ochabnutia pretvorení, resp. v prípade skúšky v ohybe ťahového spevnenia deformácií alebo ťahového ochabnutia deformácií. Prakticky všetky v súčasnosti známe vláknami vystužené cementové kompozity sa dajú charakterizovať nasledujúcou klasifikáciou [2]:
a)    všetky vláknami vystužené cementové kompozity s vlastnosťami ťahového spevnenia pretvorení vedú k deformačnému spevneniu konštrukčných prvkov;
b)    ťahové ochabnutie vláknocementového kompozitu môže viesť k spevneniu deformácií alebo k ochabutiu deformácií konštrukčného prvku;
c)    vláknami vystužený cementový kompozit s vlastnosťou ťahového spevnenia pretvorení vykazuje vždy lepšie mechanické vlastnosti ako kompozit s vlastnosťou ochabnutia pretvorení.

Doterajšie výsledky a poznatky z výskumu a vývoja v oblasti vláknami vystužených cementových kompozitov, lepšie pochopenie mechanizmov vystuženia vysokohodnotných betónov vláknovou výstužou, tlak betonárskej praxe v zmysle potreby nových konštrukčných materiálov na báze cementu s požadovanými vlastnosťami „ušitými na mieru“, ako aj ekonomické tlaky trhu a pokračujúca globalizácia vytvárajú priestor na stále širšie využitie týchto progresívnych konštrukčných materiálov. Práve porozumenie a využitie efektu ťahového spevnenia VHVVCK otvárajú v oblasti konštrukčných materiálov na báze cementu nové možnosti na ich využitie v praxi.

Literatúra
1. Naaman, A. E.: Strain Hardening and Deflection Hardening Fibre ReinforcedCement Compopsites, In: High Performance Fibre Reinforced Cement Composites (HPFRCC-4), A. E.Naaman and H. W: Reihardt, Editors, RILEM Publications, Pro. 30,June 2003, pp. 91 – 151.
2. Naaman, A. E.: Tensile Strain Hardening FRC Composites: Historical evolution since the 1960s. In.: Advances in Construction materials, ed. C. U. Grosse 181 – 202, Berlín, Germany, Springer.
3. Banthia, N. – Vivek, B. – Jones, J. – Novak, J.: Fiber-reinforced concrete in precast concrete application: Research lesads to innovative products, PCI Journal, Sommer 2012.
4. Bentur, A., Mindess, S.: Fibre Reinforced Cementitous Composites,Elsevier Applied Science, London UK, 1990.
5. Recommendation for Design and Construction of High Performance Fibre Reinforced Cementitous Composites with Multiple Fine Cracks (HPFRCC) Japan Society for Civil Engineers, March 2008.

TEXT + obrázky: prof. Ing. Igor Hudoba, PhD.

Článek byl uveřejněn v časopisu ASB.