Směry světového vývoje vysokohodnotného betonu

 

Na tokijském sympóziu bylo představeno úsilí především japonských vědců (M. Nishiyama, H. Yokota, M. Ouchi a H. Mutsuyoshi), ale i evropských zástupců FIB (F. Dehn a J. Walraven) o systematické uspořádání poznatků získaných dosud nejrůznějšími světovými výzkumnými pracovišti při vývoji HSC/HPC a také zkušeností projektových a prováděcích organizací z celého světa z praktické realizace staveb z betonu vysoké pevnosti a vysokých užitných vlastností. V té souvislosti je patrná i snaha sjednotit základní skupiny betonů uvnitř rozmanité a stále rostoucí množiny HSC/HPC i pojmově.

 

Dominující je požadavek (tlakové) pevnosti, případně zvýšené odolnosti při působení požáru. Schopnost přenést větší deformace (vysoká deformabilita, duktilita apod.) nejsou prioritní. Charakteristická je snaha po zachování standardních, tradičních složek betonu, používá se samozřejmě superplastifikátorů, příměsí a rozptýlené výztuže, ovšem jen v omezeném množství. Je snaha konstituovat pro tyto betony až do pevnosti 120 (150) MPa základní vztahy tak, aby je bylo možno rutinně navrhovat a v praxi používat způsobem dnes obvyklým pro betony nižších pevností. Je snaha, aby tyto betony bylo co nejlevnější, aby se používaly jako běžný materiál ve velkém měřítku.

 

● HSC s tlakovou pevností až 120 MPa byl už použit – zatím vždy víceméně experimentálně – u většího počtu inženýrských konstrukcí (mostů, nádrží, ochranných galerií, ropných těžních plošin apod.).

● HSC s tlakovou pevností až 150 MPa byl experimentálně použit v prvcích (hlavně sloupech) řady výškových ŽB budov, většinou rezidenčních komplexů.

● Úsilí nyní směřuje k vývoji a konstituování betonu s tlakovou pevností do 120 MPa, příp. do 150 MPa a více, který by byl ovšem výrazně levnější než UFC (ultra-high-strength fiber-reinforced concrete – viz dále), který lze „běžně“ vyrábět s pevností až 200 MPa. Je snaha vyvinout beton, u něhož by šla zvyšovat jak pevnost, tak i z ní odvozená trvanlivost v podobě dalších, vyšších tříd plynule navazujících na pevnostní třídy standardního betonu ve smyslu CEB-FIB Model Code 1990 (MC 90), EC2, EN 206-1 a podobných předpisů např. v USA a Japonsku.

 

V rámci Japonského betonářského institutu (Japan Concrete Institut, JCI) pracuje zvláštní technická komise Provádění konstrukcí z HSC betonu, která připravuje dva materiály:

● Zprávu (state-of-the-art) o stavu výzkumu a navrhování konstrukcí z HSC ve světě,

● Zprávu (state-of-the-art) o realizacích konstrukcí z HSC ve světě.

 

Další technická komise JCI Možnosti využití HSC/HPC betonu připravuje materiál Zpráva (state-of--the-art) o výzkumu, navrhování a aplikacích HSC/HPC betonu (v Japonsku).

 

V rámci Japonské společnosti pro předpjatý beton (Japan Prestressed Concrete Engineering Association, JPCEA) pracuje zvláštní technická komise Navrhování a provádění předpjatých konstrukcí z HSC betonu, která připravuje materiál Směrnice pro navrhování a používání HSC v konstrukcích z předpjatého betonu.

 

V rámci Mezinárodní federace pro konstrukční beton (Fédération International du Béton, FIB) vypracovala Komise 8 – Beton FIB Bulletin č. 42, Základní konstituční vztahy pro HSC/HPC. Jedná se o zprávu typu state-of-the-art, která shrnuje ve světě používané vztahy pro vyvinuté HSC a HPC betony. Cílem bylo tyto vzájemně odlišné vzorce a závislosti kriticky zhodnotit a formulovat na jejich základě jednotné konstituční vztahy ve smyslu stávajícího MC 90, které by ovšem byly platné i pro betony tlakové pevnosti až 120 MPa (a příp. až 150 MPa, pokud bude stále ještě použito základních složek betonu obvyklých pro „betony normální pevnosti“ – NSC, normal strength concrete).

 

Co do požadavků na tyto betony dominují nad prostou vysokou pevností nároky na odolnost a vysoké užitné parametry nejrůznější povahy (typicky schopnost samozhutnění, vysoká trvanlivost, nízká hmotnost, vysoká plastická přetvárnost, vysoké estetické požadavky). Charakteristická je snaha, spíše ovšem apriorní nutnost, doplňovat standardní, tradičních složky betonu dalšími komponenty, typicky rozptýlenou výztuží, větším množstvím příměsí různého druhu, speciálními druhy kameniva, modifikovaným cementem a škálou výrobků stavební chemie. Takto vytvářené HPC jsou v řadě případů spíše už kompozity, klasickému betonu (i cenově) poměrně vzdálené. Až na výjimky se jedná o experimentální, jedinečná řešení. Jejich normalizace a zavedení do praxe ve větším měřítku je až na výjimky (obvyklý SCC a např. Ductal – viz níže) v počátcích, nebo se o nich zatím vůbec neuvažuje. Typickými zástupci jsou SCC, HDC a ECC/UFC.

● SCC byl zaveden jako víceméně už běžný materiál pro řadu inženýrských konstrukcí (mosty, tunely, podzemní nádrže atd.), kde je obtížné ukládání a zhutňování běžného betonu. Podobně se SCC už v obdobných situacích běžně používá u budov a při jejich sanacích.

● Pro navrhování a používání SCC existuje ve světě už řada osvědčených norem a předpisů nižší úrovně. Dost je i odborných monografií.

● Masivnímu rozšíření SCC pomohlo, že si investoři rychle uvědomili relativně nízké počáteční náklady použití SCC a celkový příznivý dopad SCC na celkové náklady stavby (LCC – life cycle cost).

 

● Zvýšení trvanlivosti se dosahuje používáním kvalitnějších (popř. doplňujících nebo úplně jiných než obvyklých) složek a jejich vhodným poměrem v čerstvém betonu.

● Ke zvýšení trvanlivosti vlastního betonu se užívá vysoce trvanlivých trvalých forem, které zůstávají jako povrchová vrstva součástí konstrukce.

● Navrhování a výroba HDC jsou ve velké míře vynucovány přísnými požadavky na udržitelnost. Pro HDC jsou tak zatím charakteristické vysoké počáteční náklady, celkové (LCC) náklady by ovšem měly být použitím tohoto materiálu snižovány.

Jedná se o tvárný, snadno tvarovatelný kompozitní materiál na bázi cementu standardně s rozptýlenou výztuží obvykle z polypropylénových mikrovláken. Narozdíl od běžného drátko-/vláknobetonu je ECC materiál, na jehož chování mají výrazný vliv mikromechanické vazby.

● ECC byl už vícekrát použit pro inženýrské konstrukce (mosty, tunely, gravitační přehradní hráze apod.), kde bylo nutno bezpečně omezit šířku trhlin nebo bylo vyžadováno duktilní chování.

● ECC byl použit pro exponované detaily (napojení průvlaků na prostorově namáhané smykové stěny ve výškových ŽB budovách vzhledem k jeho zvýšené schopnosti absorbovat energii).

● Japan Society of Civil Engineers (JSCE) vydala v březnu 2007 pro používání ECC pracovní verzi doporučení Multiple Fine Cracktype Fiber-Reinforced Cementitious Composite.

● Podobně jako tomu bylo u SCC, napomáhá šíření ECC skutečnost, že si investoři začínají dobře uvědomovat, jaký má ECC při svých vynikajících vlastnostech a relativně nízkých počátečních nákladech velmi příznivý dopad na celkové náklady stavby.

 

UFC (ultra-high-strength fiber-reinforcedconcrete – high-ductility concrete – ultravysokopevnostní vláknobeton)

● UFC pevnosti 150 MPa i vyšší byl už vícekrát použit u mostů, a to tam, kde byly vyžadovány prvky zvlášť malé tloušťky, zvlášť nízká vlastní tíha, zvlášť stlačená výška trámu nebo nepřítomnost prutů výztuže.

● Použití UFC u budov se v praxi objevuje teprve v posledních několika letech (zatím v Japonsku a Jižní Koreji), a to pouze pro mimořádně exponované části nosných konstrukcí budov.

● JSCE vydala v září 2004 pro používání UFC pracovní verzi doporučení Design and Construction of Ultra-high-strength Fiber-reinforced Concrete.

● K rozšíření UFC může vést postupné přesvědčení investorů, že i tento materiál se v řadě případů „vyplatí“ a přinese snížení celkových nákladů stavby. Je k tomu třeba napomoci řádným definováním UFC a standardním konstituováním jeho vztahů.

 

 

Mezinárodní letiště Haneda v Tokiu bylo otevřeno v roce 1931. V roce 1978 převzalo většinu mezinárodní letecké dopravy pro Tokio nově dokončené letiště Narita a Haneda začala sloužit převážně vnitrostátní dopravě. Výhodou Hanedy je výborné dopravní spojení s centrem Tokia, cesta trvá méně než 30 minut. V současnosti projde letištěm Haneda přes 66 miliónů cestujících ročně, je to nejvíce zatížené letiště v Japonsku a jedno z pěti největších letišť na světě. Pro jeho další rozvoj je ve výstavbě čtvrtá vzletová a přistávací dráha D, po jejím dokončení dosáhne výhledová kapacita letiště 85 miliónů cestujících ročně.

Dráha D je umístěna v Tokijském zálivu z větší části na umělém ostrově, z menší části na mostních konstrukcích nad mořskou hladinou. Hlavním důvodem pro toto řešení byla snaha neomezit proudění vody v zálivu a tím i zachovat jeho přirozené čištění. Zatímco vzletová a přistávací dráha je navržena jako klasická spřažená ocelobetonová konstrukce, obslužné plochy jsou navrženy jako spřažené ocelobetonové konstrukce z ultra-vysokopevnostního betonu vyztuženého vlákny. Z tohoto materiálu (označeného UHSFRC nebo UFC), dodávaného firmou Lafarge pod ochrannou známkou Ductal, bylo vyrobeno 6900 desek o celkové ploše 192 000 m2. Desky mají rozměr 7,82x3,61x0,25 m, jsou žebírkové, předem předpjaté ve dvou směrech a bez betonářské výztuže. Použitím materiálu UFC byla dosažena úspora 56 % vlastní hmotnosti nosné konstrukce, což se významně projevilo i na úsporách na spodní stavbě a zakládání. Největší výhodou UFC desek je předpokládaná životnost 200 let v agresivním přímořském prostředí a minimální předpokládaná údržba.

Materiál UFC Ductal je vyroben z průmyslově vyrobené směsi cementu, mikrosiliky, křemičitého písku, ocelových vláken (průměr 0,2 mm, délka 15 mm, celkem 2 % objemu) a superplastifikátoru, vodní součinitel je 0,22. 

Ductal se vyznačuje následujícími vlastnostmi: pevnost v tlaku 180 MPa, pevnost v tahu za ohybu 45 MPa, pevnost v tahu 8,8 MPa, vznik prvních trhlin při napětí v tahu 8,0 MPa, modul pružnosti 50 GPa, součinitel smršťování 50.10^–6, součinitel dotvarování 0,4, součinitel propustnosti 4.10^–17, součinitel difuze chloridových iontů 0,002 cm²/rok. První použití Ductalu bylo ve Francii v roce 2000, dále v Japonsku v roce 2002 (most Sakata Mirai), avšak zatím nikdy nebyl tento materiál nasazen v takto rozsáhlém měřítku. Při výrobě desek z UFC Ductal probíhají rozsáhlé kontrolní zkoušky. Pro Japonsko příznačná vynikající organizace práce, systematická kontrola kvality, vyspělá technologie výroby, mimořádná pečlivost a kázeň pracovníků jsou fakto-ry, jejichž výsledkem je dokonalý výrobek s vel-mi malým rozptylem vlastností, např. pevnost v tlaku se pohybuje v úzkém rozmezí 180 až 200 MPa.

 

Naléhavá potřeba betonu s vysokou pevností, který by umožnil výstavbu konstrukcí s vysokými užitnými vlastnostmi, je průvodním jevem zvyšující se potřeby stavět stále vyšší mrakodrapy, snižovat průřezy nosných sloupů a stěn a překonávat stále větší rozpětí. Japonci za tím účelem vyvinuli HPC-UFC beton pojmenovaný jako APC (advanced performance composite) s pevností v tlaku až 200 MPa. Použili cement modifikovaný křemičitým úletem a nově vyvinutý typ superplastifikátoru, který zajišťuje tekutosti čerstvého betonu i při vodním součiniteli 0,15. Tento APC s charakteristickou tlakovou pevností 150 MPa byl poprvé ve velkém měřítku použit pro nosné konstrukce věží D a E Musashi Kosugi Towers v Tokiu, vysokých 204 a 163 m, dokončených v únoru 2009 (obr. 4). Jedná se o dosud nejvyšší rezidenční markodrapy v Japonsku. Složky čerst-vého betonu, se kterými se při vývoji APC betonu pracovalo, jsou uvedeny v tabulce.

Vyvinutý APC umožňuje řídit odstřelování povrchových vrstev USC betonu, které může nastat při požáru, a odlupování a rozrušování povrchu betonu při deformacích od seizmického namáhání – a zároveň má i při pevnosti 200 MPa dostatečnou tekutost.

Aby bylo zajištěno, že bytové domy postavené z betonu pevnosti 150 MPa budou naprosto bezpečné, integroval v sobě vývoj APC betonu řešení tří klíčových technických požadavků, a to jak na vysokou pevnost, tak i na požadované deformační vlastnosti betonu:

● Vysoká pevnost a vysoká tekutost

 K zajištění vysoké pevnosti a současně vysoké tekutosti byl vyvinut speciální směsný cement obohacený křemičitým úletem a byly zkoušeny dva nové typy superplastifikátorů. Speciální cement je tvořen portlandským cementem s pomalým náběhem pevnosti smíchaným s křemičitým úletem, jehož minerální složení a jemnost jsou optimální pro dosažení vysoké tekutosti čerstvého betonu a zároveň i pro zajištění vysoké konečné pevnosti konstrukčních prvků při extrémně nízkém vodním součiniteli. Prvním z nově vyvinutých superplastifikátorů je speciální polykarboxylát SP1, který má schopnost zajistit po dlouhou dobu vysokou tekutost i při vodním součiniteli pod 0,15 a současně výrazně snižuje autogenní smršťování vysokopevnostního betonu. Druhý z nově vyvinutých superplastifikátorů (SP2) je rovněž speciální kyselý polykarboxylát, ovšem poněkud odlišného složení než SP1, a především posiluje sterické odpuzování.

● Protipožární odolnost

 Odprýskávání při požáru je jedním z typických problémů betonů s tlakovou pevností 150 MPa. Odolnost vyvinutého vysokopevnostního betonu proti působení požáru byla zvýšena přimícháním ocelových drátků a polypropylénových vláken, které odprýskávání účinně zamezují.

● Beton s rozptýlenou výztuží

 Už když byl do praxe zaveden beton s pevností v tlaku 120 MPa, byly do něj vmíchávány ocelové drátky, které redukovaly tloušťku a množství odprysků povrchu betonu a zlepšovaly pevnostní i deformační chování konstrukčních prvků při seizmickém namáhání. Soudržnost ocelových drátků a vysokopevnostního betonu je obecně dobrá. Pro vyvinutý APC beton pevnosti 150 MPa byly použity drátky z vysokopevnostní oceli (pevnostní třídy 2000 MPa). Ty se při ohybových zkouškách ukázaly být zhruba třikrát účinnější než dosud používané drátky standardní pevnosti.

 

 

Vysokohodnotný beton má značný potenciál pro využití v konstrukcích. Vysoká pevnost není jedinou výhodou tohoto materiálu. Výztuž vlákny umožňuje kontrolu rozvoje trhlin a dává materiálu velkou duktilitu. Velmi hutný materiál poskytuje vysokou trvanlivost. Tyto vlastnosti jsou vhodné pro navrhování lehkých a štíhlých konstrukcí s dlouhou životností i v agresivním prostředí a také pro vytváření působivých architektonických detailů. Materiál je rovněž vhodný pro opravy silně namáhaných konstrukcí, jako jsou mostovky. První realizace přesvědčivě prokázaly velké možnosti vysokohodnotného betonu. V současné době připravuje mezinárodní komise FIB TG 8.6 doporučení pro navrhování a provádění.