Vysokohodnotné betony (UHPC) prošly v posledních letech velkým rozvojem. Hlavním parametrem tohoto materiálu je tlaková pevnost, která bývá až pětkrát vyšší než u běžných betonů. V tomto článku chceme představit výsledky rozsáhlého výzkumu zaměřeného na zjišťování odolnosti vysokohodnotného betonu vůči chemicky rozpustným látkám a střídání zmrazovacích a rozmrazovacích cyklů. Chování vysokohodnotného betonu bylo během testů porovnáváno s referenčním betonem v pevnostní třídě C40/50.
Vysoká tlaková pevnost je dána velkou hutností, kterou tyto betony mají. Hutnost betonu je zajištěna zvýšenou dávkou cementu, plynulou křivkou zrnitosti kameniva a použitím mikroplniva (mikrosilika, struska, popílek aj.). Už samotná cementová pasta má velmi malou pórovitost, protože vodní součinitel je velmi nízký (kolem 0,22). Podle Voorta [1] by nízká pórovitost měla zároveň zvyšovat odolnost vůči nesilovým zatížením, jakými může být požár, střídání zmrazovacích a rozmrazovacích cyklů nebo vystavení chemickým látkám). Tato odolnost může být až šestkrát vyšší než u běžných betonů. Odolnost vůči nesilovým zatížením lze dále zvýšit ztužením cementové struktury ocelovými drátky. Degradace cementové struktury probíhá pouze v místě průniku vody. U vysokohodnotných betonů se tato hodnota pohybuje do 10 mm [2]. To znamená, že k poruše dochází jen v tenké povrchové vrstvě a zbytek průřezu zůstává zachován. Změna mechanicko-fyzikálních parametrů UHPC vystaveného střídání zmrazovacích a rozmrazovacích cyklů nastává až při 600 cyklech [3].
Technologický postup výroby UHPC je výrazně náročnější než u běžných betonů a výrobci mají jen minimum zkušeností, proto z důvodu bezpečnosti návrhu dochází k častým kontrolám mechanických vlastností. Prováděné kontroly mechanických vlastností se většinou nezaměřují na trvanlivostní parametry, protože testování je extrémně časově náročné. Obecně se otázky trvanlivosti přecházejí předpokladem, že trvanlivost UHPC je vyšší než u běžného betonu. Pro správnou ekonomickou bilanci navrhované konstrukce je ale důležité znát skutečnou životnost. Při řešení otázky trvanlivosti UHPC nelze vždy vycházet ani z publikovaných prací zahraničních výzkumníků, protože jimi testované betony jsou většinou z úplně odlišných surovin a testy probíhaly podle různých normových postupů (ASTM, DIN, BS …). Cílem autorů bylo přispět k otázce trvanlivosti UHPC v podmínkách České republiky.
Experimentální program
Odolnost UHPC vůči nesilovému zatížení byla testována pomocí zkoušky odolnosti vůči střídání zmrazovacích a rozmrazovacích cyklů [4] a odolnosti vůči chemicky rozpustným látkám [5]. Odolnost vůči zmrazovacím cyklům byla zkoušena na tělesech 100/100/400 mm. Zmrazovací cykly probíhaly v intervalu 0 až 200, vždy s přírůstkem 25 cyklů. Po každém ukončeném 25. cyklu byl změřen dynamický modul pružnosti [6]. Zkušební tělesa byla poté podrobena čtyřbodové ohybové zkoušce [7] a zbytky z této zkoušky sloužily k zjištění zbytkové tlakové pevnosti [8]. Poslední dva druhy zkoušek jsou destruktivní, proto bylo nutné pro každou sérii vyrobit novou sadu zkušebních těles. Každá sada obsahovala 8 zkušebních těles. Tři zkušební tělesa sloužila k ověření tlakové a tahové pevnosti vyrobeného materiálu bez zatížení mrazem. Účel těchto vzorků byl ke kontrole rovnoměrnosti výroby. Zbylých pět zkušebních těles bylo podrobeno danému počtu zmrazovacích cyklů. Celý testovací program probíhal na betonech UHPC a jako referenční byl zvolen beton C40/50 XC2, XF3. Oba betony byly ztuženy ocelovými drátky. Dispergovaná výztuž je pro UHPC nutností, ale pro beton C40/50 nebylo jejich využití nutné. Autoři příspěvku se však rozhodli směs referenčního betonu upravit a drátky doplnit, aby porovnání výsledků bylo relevantní. Porovnávání UHPC doplněného drátky s běžným betonem bez drátků by bylo velmi nevyrovnané ve prospěch UHPC.
Výroba UHPC je podstatně finančně náročnější než výrobní náklady C40/50. Nejdražší položku představují výztužné drátky, které při dávkách kolem 2 % představují 40 až 50 % nákladů na výrobu UHPC. Z tohoto důvodu je jakékoliv snížení nákladů na výztužné drátky velmi podstatné. Autoři příspěvku se rozhodli při výrobě UHPC využít ke ztužení cementové matrice drátky vyrobené z odpadních pásků, které vznikají jako odpad při výrobě plechových tabulí. Výroba drátků je jednoduchá, protože se odpadní pásky pouze sekají podle požadované délky a na závěr se vytvoří na obou koncích drátku kotevní hlavička.
Nevýhodou těchto drátků z druhotných surovin je nízká tahová pevnost (jen 420 MPa) a nízká duktilita. Využití odpadních pásků snížilo pořizovací náklady na výrobu UHPC o 30 % [9].
Zjištěné výsledky
Dynamický modul pružnosti
Měření dynamického modulu pružnosti probíhalo po 25 zatěžovacích cyklech zmrazování a rozmrazování. Po ukončení těchto zkoušek jsou zkušební tělesa plně saturována vodou, která významně ovlivňuje šíření ultrazvukové vlny tělesem, proto bylo nutné před měřením nechat vzorky plně vyschnout. Zkušební tělesa, která byla vyrobena z UHPC, vysychala významně pomaleji než z betonu C40/50. Běžná doba vyschnutí byla kolem 5 dnů, což je způsobeno velkou hutností tohoto materiálu. Pro měření byl použit přístroj Proceq-Pundit LAB+ se sondami o frekvenci 54 kHz.
Zjištěné výsledky jsou zobrazeny na obr. 2. Jak je patrné, pokles dynamického modulu pružnosti nastal mezi 100. a 125. cyklem u UHPC a u referenčního betonu C40/50 až mezi 125. a 150. cyklem. Tento efekt je způsoben křehkostí UHPC, přesto je po 200 cyklech konečný dynamický modul pružnosti pro UHPC vyšší než u referenčního betonu před začátkem zatěžování cyklickým střídáním teploty.
Pevnost v tahu za ohybu
Na rozdíl od dynamického modulu pružnosti nenastala u tahové pevnosti během cyklování žádná změna. Autoři příspěvku předpokládali zachování tahových pevností během cyklického zatěžování, protože princip porušení zkušebních těles během střídání zmrazování a rozmrazování je takový, že voda proniká do povrchových vrstev pomocí kapilár a pórů. Během záporných teplot tato voda zamrzá a vznikající led degraduje povrchovou vrstvu pomocí zvětšení pórového tlaku. Celý proces vede k otevírání kapilár a zvětšování pórů, do kterých během rozmrazovací fáze nateče další voda a cyklus se opakuje.
Hodnota tahové pevnosti však závisí na množství drátků, pevnosti drátků a jejich kotvení. Vznikající mikrotrhliny v povrchových vrstvách vzorku nemohou porušit kotvení výztužných drátků, a proto nedochází ke změně tahové pevnosti drátkobetonu, jak je patrné z obr. 3.
Pevnost v tlaku
Ani tlaková pevnost nezaznamenala výrazné změny během cyklování. Příčina tohoto efektu je dána nízkým počtem zatěžovacích cyklů, kdy rozvoj mikrotrhlin proběhl jen v tenké povrchové vrstvě. Při tlakové zkoušce je tedy nosné jádro zkušebního tělesa totožné s celým rozměrem zkušebního tělesa, a proto se neprojevila žádná změna tlakové pevnosti.
Nárůst tlakové pevnosti u UHPC je dán velkým stářím vzorku a možnosti dodatečné hydratace.
Odolnost vůči chemicky rozpustným látkám
Měření odolnosti vůči chemicky rozpustným látkám probíhala na zkušebních tělesech typu krychle o hraně 150 mm. Zkoušeno bylo vždy šest krychlí od jednoho typu materiálu a výsledky zobrazené na obr. 5 jsou vždy průměry z těchto šesti těles.
Zkušební tělesa byla ponořena do 5 mm silné vrstvy 3% roztoku NaCl a vystavena střídání zmrazovacích cyklů podle [5]. Odpady z jednotlivých těles byly přepočítány na odpady z 1 m². Získané výsledky vykazují skvělou korelaci mezi zkouškou mrazuvzdornosti a zkouškou CHRL, protože při zkoušce mrazuvzdornosti nastala změna dynamického modulu pružnosti kolem 125. cyklu a stejně tak zkoušky CHRL ukazují nárůst odpadů kolem 125. cyklu. Provedené zkoušky ukazují dobrou odolnost UHPC, protože po 200 cyklech byl průměrný odpad pouze 118 g na 1 m². Vysoká odolnost UHPC je způsobená právě jeho hutností, která neumožňuje hlubokou penetraci vody.
Závěr
Získané výsledky ukazují, že UHPC je velmi vhodný materiál pro mostní konstrukce, protože ve všech měřených parametrech dosahoval lepších výsledků než referenční beton C40/50, který se pro tyto konstrukce běžně používá. Ekonomická konkurenceschopnost UHPC je zajištěna použitím odpadních drátků, který sníží cenu o 30 %. Z provedených experimentů lze stanovit následující závěry:
Dřívější pokles dynamického modulu pružnosti u UHPC je pravděpodobně způsoben křehkostí tohoto materiálu oproti referenčnímu C40/50, který byl také vyztužen drátky.
Během provedených 200 zmrazovacích cyklů nedošlo k významné změně tlakové a tahové pevnosti, což je dáno dobrou odolností obou materiálů. Změna by nastala až při vyšším počtu cyklů, kdy literatura uvádí pro UHPC až 600 cyklů.
Odolnost materiálu vůči chemicky rozpustným látkám velmi dobře koreluje s odolností vůči střídání zmrazování a rozmrazování. Zkoušky odolnosti vůči chemicky rozpustným látkám jsou významně rychlejší než zkouška odolnosti vůči zmrazování a rozmrazování.
Při zjišťování odolnosti vůči chemicky rozpustným látkám vykazovala zkušební tělesa z UHPC lepší odolnost než vzorky z C40/50, což je způsobeno hutnou strukturou UHPC. Hutné struktury je dosaženo pomocí vyšší dávky cementu a použití mikrosiliky.
Poděkování
Autoři článku děkují za finanční podporu Grantové agentuře České republiky prostřednictvím projektu Cementové kompozity v náročných podmínkách prostředí 14-19561S.
JOSEF FLÁDR, PETR BÍLÝ
foto archiv autorů
Literatura:
1) VOORT, T. L. V. Design and field testing of tapered H-shaped Ultra High Permorfmance Concrete piles. Ames, Iowa: Iowa State University, 2008.
2) PETRÁŇOVÁ, V., T. SAJDLOVÁ, J. NĚMEČEK. Micromechanical Homogenization of Ultra-High Performance Concrete. Engineering mechanics 2015. Institute of Theoretical and Applied Mechanics of the Academy of Sciences of the Czech Republic (2015), p. 1–8.
3) GRAYBEAL, B., J. TANESI. Durability of an Ultrahigh-Performance Concrete. Journal of Materials in Civil Engineering. 2007, vol. 19, issue 10, p. 848–854.
4) ČSN 73 1322 – Z1, Determination of frost resistance of concrete. Praha: ČNI, 2003.
5) ČSN 73 1326 – Z1, Resistance of cement concrete surface to water and defrosting chemicals. Praha: ČNI, 2003.
6) ČSN EN 12504-4, Testing concrete – Part 4: Determination of ultrasonic pulse velocity. Praha: ČNI, 2005.
7) ČSN EN 12390-5, Testing hardened concrete – Part 5: Flexural strength of test specimens. Praha: ČNI, 2009.
8) ČSN EN 12390-3, Testing hardened concrete – Part 3: Compressive strength of test specimens. Praha: ČNI, 2009.
9) A. KOHOUTKOVÁ, J. VODIČKA, J. FLÁDR. High Strength Fibre Concrete with steel fibres made from waste materials. Technika ochrany prostredia. Slovak Technical University, 2012, p. 225–230.
Ing. Josef Fládr, Ph.D., (*1984) absolvoval Fakultu stavební ČVUT v Praze (2010) a v současnosti zde pracuje jako výzkumný pracovník na katedře betonových a zděných konstrukcí. Specializuje se na technologii výroby vláknobetonu a vysokopevnostních betonů.
Ing. Petr Bílý, Ph.D., (*1984) absolvoval Fakultu stavební ČVUT v Praze (2011), kde nyní pracuje jako výzkumný pracovník na katedře betonových a zděných konstrukcí. Specializuje se na problematiku návrhu zděných konstrukcí a numerické modelování betonových a zděných konstrukcí.
