XIV. ODBORNÝ SEMINÁR
VÝROBA
BETÓNU
01. 10. – 02. 10. 2014
2014
ZÁKLADNÉ
PRINCÍPY
A APLIKAČNÉ MOŽNOSTI
ŠTRBSKÉ PLESO
FUNGOVANIA
VLÁKNOBETÓNU
Ján Semančák
Veda, výskum a inovácie sú v súčasnosti v odbornom svete
neoddeliteľnou každodennou realitou. Jednou z prudko sa rozvíjajúcich
technológii v stavebníctve je aj využívanie vláknobetónu v stavebnej praxi.
Jeho využívanie dáva projektantovi a realizátorovi stavebného diela nové
možnosti v pohľade na riešenie niektorých typov konštrukcií a konštrukčných
prvkov ako aj samotného postupu výstavby. Nenahrádza historicky tradičné
materiály v statických a konštrukčných systémoch, ale má ambíciu ich
dopĺňať.
1.
Úvod
Zo samotného slova „ vláknobetón“ je zrejmé, že ide o kompozitný materiál
pozostávajúci z betónu a vlákna. Spojením uvedených dvoch materiálov získavame
niečo nové, niečo s pridanou hodnotou pre uplatnenie popri tradičných stavebných
materiáloch. Už naši dedovia vedeli, že ak pridajú do hliny slamu, získajú lepší
materiál na tehly a omietku, aby si zbudovali vlastné príbytky. Uvedená myšlienka je
stará, ale žijeme v 21.storočí a vývoj po špirále umožňuje v súčasnosti hovoriť nie
o hlíne a slame, ale o betóne a vláknach. V oboch prípadoch sa pridaním „vlákna“ do
základného materiálu zabezpečuje prenos ťahových napätí, ktoré krehký materiál
sám o sebe nedokáže preniesť.
Všetko ostatné v oblasti navrhovania a uplatňovania vláknobetónu v praxi je
len rozvoj a napredovanie uvedeného základného princípu kompozitného materiálu.
2.
Základné vlastnosti vláknobetónov
Obidve súčasti vláknobetónu prispievajú k vlastnostiam výsledného kompozitu
svojím dielom. Betón je pevný, ale krehký materiál, ktorý po vzniku trhlín
vplyvom ťahových napätí, stráca ťahovú únosnosť. Vlákna sú schopné ťahové
účinky prenášať a tým dávajú využitiu betónu ďalší rozmer. Aký je rozdiel
vláknobetónu a armovaného železobetónu?
Ing. Ján Semančák, REPREX, s.r.o., Senný trh 2, 040 01 Košice
tel. +421 903 456 571, email: [email protected]
Obr. 1
Obr. 2
Vo veľmi všeobecnej rovine žiadny, pretože aj oceľová výstuž v betóne je
svojím spôsobom „vlákno“. Základným rozdielom je však to, že vystúženie oceľovou
výstužou je v presne stanovených miestach a polohách ťahových účinkov nosných
prierezov a je nutné armokôš dopredu pripraviť. Vláknobetón v ponímaní dnešného
odborného seminára je však kompozit, v ktorom sú vlákna „rovnomerne „ rozptýlené
v jeho celom objeme a pridávajú sa do betónovej zmesi pred jej zabudovaním na
stavbe (obr. 1 a 2). Na základe tejto skutočnosti je možné ďalej analyzovať jeho
základné vlastnosti, z ktorých následne vyplývajú aj oblasti konkrétneho využitia.
Základnou vlastnosťou vláknobetónu je teda rozptýlená výstuž - vlákno
v celom objeme betónovej zmesi a od typu a vlastností vlákien závisia aj výsledné
vlastnosti celého kompozitu.
Základnou vlastnosťou vlákien je teda zachytávať ťahové napätia v betóne.
Tieto vznikajú z rôznych dôvodov. Už pri tuhnutí a tvrdnutí betónu vznikajú v zmesi
ťahové napätia od zmrašťovania a vytvárajú zárodok priestorových mikrotrhlín, ktoré
sa v neskoršom období môžu rozvinúť vo väčšie z dôvodov zaťaženia konštrukcie
a prostredia, v ktorom je prvok umiestnený.
Prvotnou a základnou vlastnosťou vláknobetónu bolo a je, zabráneniu vzniku
zmrašťovacích trhlín v materiáloch ( betón, malta ) a výrobkoch. Teda zvyšovanie
odolnosti proti vzniku trhlín z objemových zmien zmrašťovania a následne
dotvarovania a teplotných gradientov. Rozptýlené vlákna zvyšujú integritu materiálu
a redukujú prejavy ( vznik trhlín ) uvedených objemových zmien v náväznosti na
vývoj modulu pružnosti materiálu (obr. 3).
Obr.3
Uvedené vlastnosti sú významné pri konštrukciách do vonkajšieho
a agresívneho prostredia, čím zvyšujú ich životnosť.
Postupným vývojom sa zistilo, že pridaním vlákien rozptýlenej výstuže je
možné v určitých prípadoch efektívne redukovať aj klasickú výstuž železobetónu
v nosných prvkoch, resp. ju celkom nahradiť v nenosných konštrukčných prvkoch –
prefabrikátoch.
Ďalšou zo základných vlastností vláknobetónu je zvýšenie jeho húževnatosti
a absorbcie energie vo forme nárazu a vibrácii.
Naznačené vlastnosti vláknobetónov mi dovoľujú poukázať na základné
rozdelenie smerovania vývoja a využitia vláknobetónov v budúcnosti:
 Oblasť „statického“ využitia
 Oblasť zameraná na celistvosť a trvanlivosť konštrukcií – obmedzenie
vzniku a rozvoja trhlín
Doposiaľ som stále používal názov vláknobetón, ale je nutné na základe
uvedeného rozdelenia
začať rozlišovať druhy vlákien, pretože tieto svojimi
vlastnosťami viacmenej predurčujú využitie vláknobetónu v uvedených oblastiach.
V zásade rozdeľujeme vlákna na oceľové a syntetické, ale v neposlednom
rade v súčasnosti už hovoríme aj o uhlíkových, sklenených ... (obr. 6 a 7)
Pre oblasť „statického“ využitia sa uplatňujú prevažne oceľové vlákna
a hovoríme tak o „drátkobetóne“.
Pre oblasť zvýšenia celistvosti a trvanlivosti výrobkov a konštrukcií
(obmedzenia vzniku a rozvoja trhlín ) sa viacmenej využívajú vlákna syntetické.
Samotný materiál vlákien ( oceľ resp. syntetika ) a z toho plynúce ich
mechanické vlastnosti ( hlavne modul pružnosti – obr. 3 ), poukazujú a vymedzujú
ich väčšinové využitie v horeuvedených oblastiach. Dovolím si preto teraz poukázať
na základné vlastnosti oceľových a syntetických vlákien.
3.
3.1.
Druhy vlákien a ich vlastnosti
Oceľové drátky
Vychádzajúc z materiálovej charakteristiky ocele, je potrebné, aby drátky
dosahovali vysokú pevnosť v ťahu, vysokú ťažnosť, vysoký modul pružnosti
a vysokú súdržnosť s cementovým tmelom. Uvedené vlastnosti sú potrebné preto,
aby mohli drátky čiastočne resp. úplne nahradiť v konštrukciách klasickú prútovú
výstuž. Kombinácia predmetných vlastností dáva výrobcom široký priestor na
výskum a vývoj.
Je nutné si uvedomiť, že uvedené vlastnosti v statickom pôsobení kompozitu
je nutné dosiahnuť preto, lebo oceľové vlákna pôsobia staticky až po vzniku trhlín
v ťahových zónach a zachytávaním ťahových účinkov vytvárajú reziduálnu únosnosť
prvkov (obr.4). Jej veľkosť v plnej miere závisí od kvality ocele drátkov ( pevnosť
a modul pružnosti), ich dĺžky a štíhlostného pomeru, množstvom zabudovania na
1m³ betónu, ako aj tvarovaním v kotevnej oblasti (obr. 5).
Kombinácia uvedených vlastností dáva výrobcom široké pole pôsobenia
v danej oblasti vývoja a experimentu. Je nutné konštatovať, že doposiaľ nebol
zhotovený všeobecne platný návrhový model pre dimenzovanie vláknobetónov
vzhľadom na veľkú variabilitu charakteristík vlákien, vplyv receptúry betónu
a významný podiel miešania na parametroch kompozitu.
Obr. 4
Obr. 5
Preto pri návrhu je nutná úzka spolupráca navrhovateľa s výrobcom vlákien.
Odporučil by som pri uplatnení drátkov v statickej konštrukcii spolupracovať
s výrobcami, ktorý získali na svoj výrobok označenie – certifikát CE o európskej
zhode. Hlavné aplikačné možnosti drátkov sú v realizácii nosných podláh,
základových dosák, zaťažovaných tunelových ostení, v prefabrikácii ...
V súčasnosti poznáme drátky vyrábané ťahom za studena, plechové resp.
vyrábané strihaním, vyrábané ako staveniny, resp. frézované... rôznych tvarov
a dĺžok.
Nevýhodou drátkov je, že sa nedá zabezpečiť ich krytie a pri použití
v exteriéroch vykazujú po rokoch korozívne stopy na výrobkoch resp. konštrukciách.
3.2.
Syntetické vlákna
Ich základné uplatnenie vidím v druhej oblasti použitia, teda v kontrole
iniciácie a šírky trhlín vo výrobkoch a konštrukciách.
Podľa spôsobu výroby ich môžeme rozdeliť na monofilamentné a fibrilované.
Monofilamentné sú jemné a pripomínajú vlákna buničiny, fibrilované sa vyrábajú
sekaním „fólie“ polyméru na vlákna požadovaných rozmerov.
Syntetické vlákna nekorodujú a to predurčuje ich využitie v chemicky
náročných prostrediach. Využívajú sa však aj v statickej oblasti v menej zaťažených
podlahách, v realizácií striekaných betónov tunelových ostení bez výraznejších
statických nárokov. V súčasnosti prichádzajú na trh vylepšené polymérové
dvojzložkové vlákna. Pozostávajú z jadra a plášťa a majú vylepšené mechanické
vlastnosti, ale je nutné poznamenať, že nedosahujú úroveň mechanických vlastností
oceľových drátkov.
Obr. 6
4.
Obr. 7
Záver
V prednáške sa
zámerne nezmieňujem o návrhových podmienkach,
modeloch a podrobnejšej kvantifikácii prenášania ťahových napätí drátkobetónu a
ani technologickým vplyvom v procese prípravy kompozitu na výsledné parametre
vláknobetónu. Uvedené oblasti sú svojím rozsahom témy
na samostatnú
prednášku.
Elementárnou snahou v procese prípravy vláknobetónu je dosiahnuť
rovnomerné a všesmerné rozptýlenie vlákien po celom objeme kompozitu.
Vláknobetón má v stavebníctve už svoje stabilné miesto, ale ešte stále mu
nerozumieme úplne. Preto je nutná opatrnosť a spolupráca v rozvoji jeho
uplatňovania, ktorý je pre nás výzvou do budúcnosti.
Download

Základné princípy fungovania vláknobetónu a aplikačné