5.6.1.2
Ultra vysokohodnotný beton 02: Výhody používání UHPC
Ing. Bohumír Číhal
Mezi hlavní výhody konstrukcí z UHPC patří větší variabilita při optimalizaci příčného řezu a možnost zeštíhlení konstrukcí bez ztráty únosnosti. S tím souvisí úspora materiálu betonu i drahých výztužných prvků. U letmé betonáže lze vytvořit větší betonážní celky a tím i zkrátit dobu výstavby. Oproti běžným betonům má UHPC výrazně vyšší trvanlivost díky lepší mikrostruktuře (vyšší vodotěsnost, odolnost proti mrazu a abrazi, odolnost proti chloridům, omezená rychlost karbonatace a sulfatace) a tím i vyšší životnost a nižší náklady na údržbu. Kromě vysoké pevnosti v tlaku mají UHPC materiály také vyšší hodnoty pevnosti betonu v tahu a ve smyku.
NahoruMechanicko-fyzikální vlastnosti
U běžných betonů jsou pro usnadnění navrhování jednotlivé směsi zatříděny do pevnostních tříd a materiálové charakteristiky jsou odvozovány od tlakové pevnosti betonu. Tento postup nelze u UHPC použít. Při návrhu prvku z UHPC je třeba nejdříve stanovit a experimentálně ověřit vhodnost navržené receptury. Na zkušebních vzorcích z výsledné receptury UHPC se změří mechanicko-fyzikální parametry a tyto hodnoty slouží pro návrh prvku. Po zhotovení prvku je třeba tyto parametry znovu ověřit. Provádění zkoušek je stanoveno příslušnými normami.
Pevnost v tlaku
U betonů běžných pevností se na přenosu zatížení podílí zejména hrubé kamenivo. Při zatížení se jednotlivá zrna kameniva do sebe zaklesnou, přenášejí většinu zatížení a cementová matrice plní hlavně funkci "lepidla". Vzhledem k nepravidelné struktuře kameniva začnou při zatížení vzorku tlakovou silou vznikat ve struktuře příčné tahové a smykové síly. Tyto síly způsobují rozvoj trhlin zejména v oblasti na styku kameniva a ztvrdlé cementové pasty. Hrubé kamenivo také brání smršťování hydratující cementové pasty a tím vznikají v tranzitní zóně počáteční tahová napětí a zvyšuje se pórovitost betonu.
Obr. č. 1: Schématické znázornění přenosu tlakové síly v běžném betonu a v UHPC
Základní zkouškou jakéhokoliv betonu je zkouška pevnosti v tlaku. Běžně se provádí na krychlích o rozměru hrany 150 mm, nebo na válcích výšky 300 mm a průměru 150 mm. U běžných a vysokohodnotných betonů je zjištěná krychelná pevnost o 20 až 25 % vyšší než pevnost válcová. UHPC se takto nechová, poměr mezi válcovou a krychlenou pevností je přibližně 0,90 až 0,96 a naměřená krychelná pevnost může být dokonce i nižší než pevnost válcová. Obdobně jako u běžných betonů je charakteristická hodnota pevnosti v tlaku stanovována jako 5% spodní kvantil všech výsledků 28denní pevnosti. Pro značení pevnosti UHPC je doporučeno používat pouze válcovou pevnost.
V případě UHPC bez rozptýlené výztuže dochází po překročení pevnosti v tlaku ke křehkému porušení. Použití rozptýlené výztuže (typicky 2 % objemu) mírně zvyšuje pevnost v tlaku, ale hlavně zajišťuje dostatečnou duktilitu (reziduální pevnost) prvku po jeho porušení. Úhel sestupné větve v dále uvedeném grafu závisí především na množství vláken, jejich geometrii, poměru délky k maximálnímu zrnu kameniva, pevnosti a jejich orientaci v prvku.
Obr. č. 2: Pracovní diagram UHPC v tlaku s rozptýlenou výztuží
Pevnost v tahu
U běžného betonu nemá pevnost v tahu vliv na návrh konstrukce. Pevnost UHPC v tahu je však natolik významná, že její zanedbávání by bylo plýtvání materiálem. Nárůst pevnosti v tahu proti běžným betonům je způsoben kompaktnější cementovou matricí a rozptýlenou vláknitou výztuží (zejména ocelová vlákna).
Při nízkých hodnotách zatížení oddalují vlákna vznik mikrotrhlin. Po zvýšení zatížení a vzniku makrotrhliny jsou vlákna plně aktivována. Výsledná tahová pevnost závisí nejen na množství vláken jdoucích přes makrotrhlinu, ale i na jejich orientaci. Dosáhnout v konstrukci optimální orientace drátků, je prakticky nemožné. Dávkováním drátků v 2 až 3 % objemu čerstvé směsi (160 až 240 kg/m3) je dosaženo rovnoměrného rozmístění vláken, orientovaných do všech směrů tak, aby byla zaručena přibližně shodná pevnost UHPC v tahu v jakémkoliv směru.
Jak je znázorněno na následujícím obrázku, UHPC se při namáhání v tahu chová pružně do určité hodnoty napětí v tahu. V tomto bodě dochází ke vzniku makrotrhliny, okamžité aktivaci vláken a pevnost v tahu již zajišťují pouze samotná vlákna. U dobře navrženého UHPC dochází po vzniku makrotrhliny k tahovému zpevnění a pevnost v tahu dále narůstá. Po vyčerpání tahové pevnosti vláken dochází ke vzniku jedné velké makrotrhliny, do které se koncentruje veškeré napětí. Veškerá tahová pevnost je vyčerpána, vlákna jsou za mezí kluzu, nebo jsou vytahována z cementové matrice.
Obr. č. 3: Příklad průběhu namáhání jednoosým tahem
Pevnost v tahu za ohybu
Pevnost v tahu za ohybu by měla být v projektové dokumentaci vždy stanovena, protože zásadním způsoben ovlivňuje skladbu a cenu směsi. Musí být stanoveno, jaké hodnoty a jakou metodou budou sledovány. Tah za ohybu se prioritně zkouší na trámcích o rozměrech 700 × 150 × 150 mm zatížených buď 3bodovým ohybem. Nejdůležitějšími zjišťovanými parametry jsou zbytková pevnost v tahu za ohybu dle ČSN EN 14651 + A1 (723431) Zkušební metoda betonu s kovovými vlákny. Měření pevnosti v tahu za ohybu (mez úměrnosti, zbytková pevnost), a poměr zbytkových pevností stanovený při stejné zkoušce. Zbytková pevnost stanovuje napětí v tahu za ohybu při rozevření trhliny 0,5 mm a definuje tak pevnost v tahu za ohybu po vzniku trhliny.
Obr. č. 4: Příklad grafu zkoušky tahu za ohybu podle ČSN EN 14651 + A1
Modul pružnosti
Modul pružnosti vyjadřuje závislost napětí na přetvoření ztvrdlého betonu, přičemž obvykle se používá jeho sečnová podoba (podle ČSN EN 1992-1-1 Eurokód 2 Navrhování betonových konstrukcí - Část 1-1 Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby). Pro návrh slouží shodná hodnota pro tlak i pro tah. Běžně používané betony od pevnostních tříd C20/25 až C50/60 dosahují modulu pružnosti 30 až 37 GPa (ČSN ISO 1920-10 (731319) Zkoušení betonu - Část 10: Stanovení statického modulu pružnosti v tlaku).
Modul pružnosti UHPC je vysoký, nejčastěji se pohybuje v rozmezí 40 až 50 GPa. Kvůli jemnozrnnosti směsi je však nižší, než by se vzhledem k pevnosti v tlaku dalo očekávat, Dodatečné vrtání prostupů, nebo odběr zkušebních vzorků, je díky vysokému modulu pružnosti náročnější.
NahoruVlastnosti ovlivňující trvanlivost
Odolnost vůči vlivům prostředí
Odolnost vůči vlivům prostředí je jedním z hlavních benefitů UHPC . Díky své velmi hutné struktuře jsou maximální průsak tlakovou…
