V rámci všeobecnej snahy o udržateľnosť je v stavebníctve kladený veľký dôraz na maximálne využitie prírodných zdrojov. Často sa však zabúda na materiály s dlhou životnosťou, ktorých devízou môže byť aj ľahká recyklácia (hliník či polystyrén). Často patria práve k vysoko ekologickým stavebným prvkom. Podporujme nielen vývoj technológií, ktoré sú prívetivé k životnému prostrediu, ale inovujte aj to, čo už existuje. Experimentovanie s tak tradičnými materiálmi, ako je betón, prináša zrýchlenie konštrukčných procesov a predovšetkým zvýšenú odolnosť stavieb, ktoré tak slúžia oveľa dlhšie ako kedykoľvek predtým. V tomto článku je reč o vláknobetóne, teda kompozite s cementovou matricou doplnenou vláknami, ktoré spevňujú štruktúru cementovej hmoty a výrazne vylepšujú vlastnosti finálneho produktu. Ten je tak súdržnejší a odolnejší voči deformácii či opadávaní v okrajových častiach konštrukcie.
Staré dobré vlákna
Vláknitý kompozit tvorili vo svojej dobe už Babylončania, prírodné vlákna ako slamu či konské vlasy primiešavali za účelom zníženia krehkosti do ílu, z ktorého vyrábali tehly a do omietok. Príkladom uplatnenia vlákien je tiež kedysi obľúbený azbestocement (eternit) či sklovláknocement. Neskôr začal byť betón obohacovaný o oceľové vlákna aj ďalšie materiály - čadičové vlákna a polymerické mikro- či makrovlákna. Zrejmá je tiež snaha o uplatnenie vlákien prírodného pôvodu. Spoločným menovateľom všetkých nových betónových materiálov je každopádne zvýšenie húževnatosti finálnych výrobkov.
Výskumníkov motivuje k ďalšiemu vývoju, okrem iného, túžba vytvoriť z betónu skôr nemysliteľné tvary či tenkostenné prvky, ktorých produkciu štandardný železobetón nedovoľuje. Pre vytvorenie architektonických diel s tzv. tenkými škrupinami je totiž potrebné, aby bol betón pružný, odolával zaťaženiu ťahom, bol trvanlivejší a rezistentný voči vzniku trhlín. Na rozdiel od bežného železobetónu, ktorý môže ľahko prasknúť, je vláknobetón obvykle odolnejší aj pri tlmení nárazov (bez prasklín). Konkrétne vlastnosti kompozitu sa potom odvíjajú od objemového podielu vlákien, ich tvaru a veľkosti, typu materiálu, ktorým sú vlákna tvorené, či ich aplikovaného množstva (obvykle 0,1-3% v celkovom objeme). Zásadné je, aby boli vlákna vždy rozprestreté v betóne rovnomerne.
Vláknami obohatený betón, v medzinárodnej terminológii často označovaný skratkou FRC (Fibre Reinforced Concrete), prináša znížené náklady na údržbu a dlhšiu životnosť. Ide o dôsledok vylepšených vlastností, najmä obmedzenie vzniku trhlín pri ťahovom namáhaní, väčšiu tuhosť či vyššiu požiarnu odolnosť. Vďaka zámene tradičnej oceľovej prútovej výstuže za rozptýlené malé vlákna možno pri masívnejším rozšírení vláknobetónu v budúcnosti očakávať, že jeho produkcia bude v porovnaní s bežným železobetónom tiež rýchlejšia, jednoduchšia a zároveň lacnejšia. Zatiaľ, čo tradičný betón sa láme ľahko a zvyčajne vyžaduje opravu, vláknitý kompozit vydrží vyšší tlak. To znamená, že konštrukcia nevyžaduje prílišnú údržbu ani opravy. Efekt teda spočíva v úspore času aj peňazí, spotrebe menšieho množstva zdrojov a v produkcii menšieho množstva splodín s negatívnym dopadom na životné prostredie.
Z vláknobetónu sa vyrábajú nielen dekoratívne interiérové a exteriérové architektonické prvky ako fasádne dosky a iné prefabrikáty, ale je aplikovaný aj do základových dosiek či parkovacích plôch a využívaný napríklad do nosníkov, väzníkov či strešných prvkov. Betón obohatený o oceľové drôtiky je často využívaný do veľkých priemyselných podláh s vysokým zaťažením. Sklovláknobetón je možné vidieť hlavne na fasádach budov, v interiéroch, ale aj ako materiál pre výrobu akustických panelov. Polypropylénový vláknobetón sa uplatňuje v stavebných prvkoch, ktoré musia byť odolné proti rázu - polymérové vlákna nachádzajú svoje miesto napríklad pri výrobe segmentov ostenia tunelov, kde napomáhajú zvýšiť požiarnu odolnosť a mrazuvzdornosť. Časté je tiež využitie vláknobetónu ako obkladu ciest, mostov či pristávacích dráh, ale uplatní sa aj pri reštaurovaní pamiatok. Zvýšený efekt navyše prináša kombinácia vláknobetónu s bežnou oceľovou výstužou.
UHPC
Medzi betónmi s rozptýlenou výstužou sú správne radené aj vysokohodnotné betóny s ultra vysokou pevnosťou (UHPC - Ultra High Performance Concrete). Ide o cementové kompozity vyznačujúce sa vysokým obsahom cementu, malou frakciou kameniva (spravidla v množstve jednotiek milimetrov), extrémne nízkym vodným súčiniteľom (okolo hodnoty 0,2) a všesmernou rozptýlenou vláknitou výstužou (najčastejšie oceľovou). Tento moderný materiál disponuje veľmi vysokou pevnosťou v tlaku (nad 150 MPa), v ťahu (zvyčajne cez 25 MPa) aj za ohybu, ďalej vysokým modulom pružnosti, odolnosťou proti obrusu, pri aplikácii značnou tekutosťou a takisto dlhou trvanlivosťou. To potom umožňuje zmenšiť prierezy konštrukcií a znížiť ich hmotnosť. Ide teda o ideálny materiál pre architektov, s ktorým možno navrhovať subtílne nevystužené, vzhľadovo stabilné a pritom tuhé konštrukcie. Náklady na výrobu UHPC sú vyššie ako u bežného betónu, trvanlivosť konštrukcii (údajne viac ako 200 rokov) ich však opodstatňuje. Zatiaľ nachádza uplatnenie najmä pri nosných konštrukciách mostov a lávok, pri sanáciách starších betónových konštrukcií alebo napríklad v podobe tenkých fasádnych prvkov. Niektorí odborníci považujú materiál UHPC skôr za konkurenciu ocele než betónu.
Napríklad v Čechách bolo v posledných rokov zrealizovaných z UHPC niekoľko zaujímavých stavieb. Jednou z prvých bola v roku 2014 mostovka pre lávku pre pešiu zónu cez rieku Labe v Čelákoviciach. Išlo o nosník tvaru TT z UHPC s hmotnosťou asi 10 ton. Pre dlhodobé sledovanie konštrukcie bol osadený odporovými tenzometrami, ktoré zachytia prípadné deformácie. Unikátnosť lávky spočíva nielen v jej materiálovom zložení, ale tiež v rozpätí hlavného zaveseného pola, ktoré je 156 metrov a je tak najväčším v Čechách.
V roku 2018 došlo k osadeniu UHPC lávky cez Dřetovický potok vo Vrapiciach pri Kladne. Ide o experimentálnu prefabrikovanú konštrukciu s rozptýlenou vláknitou výstužou, avšak celkom bez konvenčnej armatúry. Po statickej a technologickej stránke sa o návrh postarali vedci z Kloknerovho ústavu ČVUT. Lávka pozostáva z betónu s hrúbkou len 3 centimetre.
UHPC tvorí tiež nosnú konštrukciu lávky cez rieku Lubinu v meste Příboř. Nosná konštrukcia je uložená na masívnej železobetónovej spodnej stavbe. Betónová hmota obsahuje rozptýlené oceľové drôtiky a disponuje pevnosťou v tlaku až 130 MPa a pevnosťou v ťahu za ohybu v hranoloch minimálne 15 MPa. Segmenty boli odliate v obrátenej polohe, aby bola zachovaná najvyššia kvalita pochôdzeho povrchu a bokov mostu.
ECC
V posledných rokoch je hojne skloňovaný tiež termín duktílny alebo ohybný betón (medzinárodná skratka ECC - Engineered Cementitious Composite). Vystužený je asi dvoma percentami sekaných polyvinylalkoholových vlákien, ktoré disponujú vysokou pružnosťou a vyrábaný je bez použitia hrubého kameniva. Mikrovlákna sa správajú ako väzy, ktoré dodávajú betónu pevnosť. Tento kompozit údajne disponuje 300- až 500-krát väčšou pevnosťou v ťahu než štandardný betón a je tiež schopný absorbovať veľké množstvo energie bez vzniku porúch. Vedci si od tohto materiálu sľubujú ďalšie zvýšenie trvanlivosti konštrukcii, najmä tých v dopravnej infraštruktúre vrátane mostných a to aj v lokalitách ohrozených zemetraseniami.
Na záver
Vláknobetóny aj UHPC prinášajú všeobecné zníženie hmotnosti konštrukcii pri súčasnom zvýšení ich odolnosti voči mechanickým, ale aj klimatickým vplyvom. To vedie k návrhu skôr nemysliteľných betónových štruktúr, ktoré sú zaujímavé ako z estetického hľadiska, tak predovšetkým z pohľadu ich trvanlivosti. Navyše zrýchľujú proces výstavby, znižujú celkovú spotrebu materiálu aj vynaloženú energiu a vyžadujú len minimálnu údržbu. Ich aplikácie po celom svete navyše neustále pribúdajú.
Zdroje:
- https://www.betontks.cz/sites/default/files/BETONOVE-KONSTRUKCE.pdf
- https://www.betontks.cz/sites/default/files/BETON_5-16.pdf
- https://www.betontks.cz/sites/default/files/2012-7-68.pdf
- https://www.betonuniversity.cz/uploads/sources/prezentace/40cdd35830895bc39c6538c2258e1efd64ab25d2_uploaded_2016-03-bu-design-uhpc-kompr.pdf
- https://ksprefa.cz/reference/
