Betón tvorí základ dnešného stavebného prostredia, podopiera mrakodrapy, mosty, tunely a cestné komunikácie po celom svete. Vlastnosti betónu, ktoré robia tento materiál v stavebníctve najpoužívanejším, sú dostatočne známe. Ide predovšetkým o spracovateľnosť čerstvého betónu a vysokú pevnosť v tlaku vyzretého betónu. Hoci jeho tlaková pevnosť je vynikajúca, betón často zaostáva v ťahu a je náchylný na praskanie. Na druhej strane sú pre betón charakteristické nízke hodnoty pevnosti v ťahu. Na prekonanie týchto obmedzení vyvinuli inžinieri a materiáloví vedci vláknami vystužený betón (FRC).
Čo je betón vystužený oceľovými vláknami?
Vláknami vystužený betón je kompozitný materiál vytvorený rovnomerným rozptýlením malých vlákien v čerstvom betóne. Namiesto spoľahlivého využívania tradičnej oceľovej výstuže, ako sú výstužné tyče alebo sieť, vlákna poskytujú rozptýlenú výstuž, čím zlepšujú výkon bez pridania zložitosti inštalácie. Oceľové vlákna sú známe svojou schopnosťou prenášať napätie už pri veľmi malej šírke trhliny, čím zabezpečujú húževnatosť a pevnosť betónu po jej vzniku.
Vlákna zohrávajú kľúčovú úlohu pri riadení mikrotrhliniek počas plastového (čerstvého) aj tvrdého stavu betónu. V počiatočnej fáze hydratácie znižujú plastické trhliny spôsobené smrští; neskôr pomáhajú obmedziť smrští sucha a tepelné trhliny, čím zachovávajú štrukturálnu integritu na desaťročia. Jednoznačnou výhodou použitia vláknami vystuženého betónu je presné a rovnomerné vystuženie betónu v celom objeme konštrukcie, a to aj v kritických rohoch, vysoká pevnosť v ťahu za ohybu a odolnosť proti trhlinám.
Využitie betónu s oceľovou rozptýlenou výstužou
V súčasnosti sa betón vystužený oceľovými vláknami intenzívne využíva na realizáciu priemyselných podláh, základových dosiek, tunelových a prefabrikovaných prvkov. Vo vzťahu k týmto aplikáciám predstavuje betón s oceľovou rozptýlenou výstužou vhodnú alternatívu pre chudobný (takzvaný prostý) respektíve klasicky vystužený betón. Slabiny klasického betónu vystuženého oceľovým kari sieťami (predovšetkým nepresnosť vystuženia, náročnú manipuláciu so sieťami a následnú koróziu výstuže) sa podarilo výrobcom odstrániť pomocou betónu, do ktorého sa výstuž pridá v presnom pomere priamo na betonárni, teda pred dovezením na stavbu.
Použitie oceľových vlákien bolo v minulosti možné najmä v štandardných priemyselných podlahách: v klasických doskách so zmrašťovacími škárami, v bezškárových doskách, v poteroch, v exteriérových doskách. Ak išlo o podlahy na pilótach, základové dosky viacpodlažných budov či betónové prvky s požiadavkou na limitovanú šírku trhliny menej ako 0,3 mm, bolo použitie vymedzené vysokým dávkovaním na trhu dostupných vlákien. Betón s oceľovými vláknami (štandardne 20 až 30 kg/m3) je čerpateľný bez komplikácií ako chudobný betón. Priemer potrubia musí byť minimálne 1,5-násobkom dĺžky použitého vlákna. Na zhutňovania betónu s oceľovými vláknami sa používa rovnaký postup ako pri štandardnom betóne.
Steelpact sa uplatňuje pri betonáži základových dosiek, základových pásov, pivničných stien, betónových poterov a podláh rodinných domov, škôl či kancelárskych budov. Vláknobetón, obľúbený vo veľkej miere napr. vo Švajčiarsku, si získal priaznivcov aj vďaka úspore času na stavbe a v nemalej miere aj vďaka zníženému riziku úrazov pri betónovaní.
Typy oceľových vlákien a certifikácia
Keďže oceľové vlákna premosťujú iniciujúce, prípadne šíriace sa trhliny, a tým zabezpečujú pevnosť aj po ich vzniku, je dôležité si uvedomiť význam typu použitého vlákna na hodnotu tejto pevnosti. Oceľové vlákna sú na trhu dostupné v širokom sortimente. Už i v rámci Slovenska sa stali najčastejšie používaným vystužujúcim systémom v priemyselných podlahových doskách.
K štandardným 3D vláknam postupne pribudli 4D a 5D vlákna. Opodstatnenou sa stala požiadavka investorov a realizačných firiem zvýšiť kvalitatívne charakteristiky oceľových vlákien. Teda dosiahnuť vyššiu efektivitu betónu s oceľovými vláknami, určenú pre náročnejšie typy priemyselných podláh. Vystužovanie betónu vláknami 4D a 5D už dovoľuje dosiahnuť efektivitu, ktorá bola ešte nedávno garantovaná len klasickou výstužou. V prípade priemyselných podláh ide aj o také typy realizácií, pri ktorých by bolo nutné technologicky už nezvládnuteľné dávkovanie bežnými 3D vláknami, napríklad podlahy bez akejkoľvek škáry - tzv. bezškárové podlahy.
Na základe informácií uvedených v certifikáte možno v prípade oceľových vlákien vykonať porovnanie kvalitatívnych vlastností existujúcich výstuží a oceľových vlákien. Aby sa dodržala požadovaná kvalita a dosiahla požadovaná pevnosť betónu vystuženého s oceľovými vláknami, odporúča sa na ich výrobu používať len certifikované oceľové vlákna. Pre oceľové vlákna, ktoré zvyšujú únosnosť betónového prvku, platí povinnosť mať CE certifikát pre systém 1. Vlákna spadajúce do systému 3 sa nemôžu použiť do betónových prvkov dimenzovaných na zvýšenú únosnosť daného prvku.
Dávkovanie a miešanie oceľových vlákien
Existujú rozdielne spôsoby dávkovania vlákien do betónu. Základný rozdiel spočíva v pridávaní vlákien a v ich dávkovaní, realizovanom vibračným dávkovačom alebo automatickým dávkovacím zariadením. Rovnomerná distribúcia oceľových vlákien v betóne a zároveň predpísané množstvo vlákien v zmysle statického výpočtu možno zabezpečiť dávkovaním pomocou dávkovacieho zariadenia. Vo väčšine prípadov sa pridávanie vlákien realizuje dopravníkovými pásmi, sporadicky rôznymi fúkacími zariadeniami a manuálne.
Jednou z hlavných ťažkostí pri použití betónu vystuženého oceľovými vláknami je dosiahnutie rovnomerného rozloženia vlákien v betónovej zmesi. Zhlukovanie vlákien je bežný problém, ktorý sa vyskytuje, keď sa oceľové vlákna počas procesu miešania zhlukujú. To sa môže stať v dôsledku nesprávnych techník miešania, neadekvátnych činidiel na disperziu vlákien alebo použitia vlákien s vysokým pomerom strán. Na elimináciu tvorby zhlukov (ježkov) súvisiacich s pridávaním voľných oceľových vlákien s vyšším štíhlostným pomerom (L = 60 mm a viac, D = 0,75 mm a menej) sa vyvinula technológia lepených vlákien. Oceľové lepené vlákna (napríklad Dramix) so štíhlostným pomerom ≥ 60 sa zlepujú do plochých útvarov - zväzkov. Po ich nadávkovaní do betónu sa zväzky rozmiešavajú ako ploché útvary do celého objemu miešacieho zariadenia. Kontinuálnym miešaním dochádza k separácii jednotlivých vlákien zo zväzkov a k ich rovnomernej distribúcii v mikroobjeme.
Aby sa zabránilo zhlukovaniu vlákien, je nevyhnutné použiť vysokokvalitný prostriedok na disperziu vlákien a dodržiavať postupy miešania odporúčané výrobcom. Ďalšou výzvou pri miešaní betónu vystuženého oceľovými vláknami je určenie vhodného času miešania. Na rozdiel od tradičného betónu, ktorý zvyčajne vyžaduje čas miešania 2-3 minúty, betón vystužený oceľovými vláknami môže vyžadovať dlhší čas miešania, aby sa zabezpečilo správne rozptýlenie vlákien. Na určenie optimálneho času miešania sa odporúča vykonať testy v malom meradle s použitím špecifického typu oceľových vlákien a konštrukcie betónovej zmesi.
Výzvy a riešenia pri použití oceľobetónu s vláknami
Ako každý stavebný materiál, aj použitie betónu s oceľovými vláknami má svoje vlastné výzvy. Tu sú niektoré z hlavných:
| Výzva | Popis | Riešenie |
|---|---|---|
| Rovnomerné rozloženie vlákien | Zhlukovanie vlákien, nesprávne miešanie, neadekvátne dispergačné činidlá | Použiť vysokokvalitný dispergačný prostriedok, dodržiavať postupy miešania výrobcu, dlhší čas miešania |
| Ukladanie a zhutňovanie | Znížená tekutosť betónu kvôli prítomnosti vlákien, ťažkosti pri umiestňovaní do foriem a okolo výstuže | Použiť superplastifikátor alebo vysoko účinný prostriedok na redukciu vody; použiť vibračný poter alebo vibračný pohrabáč na zhutnenie |
| Interferencie s tradičnou výstužou | Oceľové vlákna môžu prekážať pri umiestňovaní výstuže a siete | Použiť vlákno s menším priemerom a kratšou dĺžkou; použiť vlákno s vysokým pomerom strán a zdrsneným povrchom pre lepšie spojenie |
| Povrchová úprava | Vyčnievanie vlákien z povrchu betónu, čo môže byť nevzhľadné a bezpečnostné riziko | Použiť vlákno s menším priemerom a kratšou dĺžkou; zabezpečiť správne vytvrdzovanie pomocou vytvrdzovacej zmesi alebo plastovej fólie |
| Cena a dostupnosť | Náklady na oceľové vlákna sú vyššie ako tradičné prísady, obmedzená dostupnosť v niektorých oblastiach | Spolupracovať s renomovaným dodávateľom, ktorý môže zabezpečiť stálu dodávku vysokokvalitných vlákien |
Ukladanie a zhutňovanie betónu vystuženého oceľovými vláknami
Ukladanie a zhutňovanie betónu vystuženého oceľovými vláknami môže byť náročnejšie ako tradičný betón kvôli prítomnosti oceľových vlákien. Tekutosť betónu vystuženého oceľovými vláknami je dôležitým faktorom, ktorý treba brať do úvahy pri ukladaní. Prítomnosť oceľových vlákien môže znížiť tekutosť betónu, čo sťažuje jeho umiestnenie do foriem a okolo výstuže. Na zlepšenie tekutosti betónu vystuženého oceľovými vláknami sa odporúča použiť superplastifikátor alebo vysoko účinný prostriedok na redukciu vody. Hutnenie je ďalším kritickým krokom v procese výstavby pri použití betónu vystuženého oceľovými vláknami. Na zaistenie správneho zhutnenia sa odporúča použiť na spevnenie betónu vibračný poter alebo vibračný pohrabáč.
Umiestnenie tradičnej výstuže
Pri použití betónu vystuženého oceľovými vláknami je dôležité zvážiť umiestnenie tradičnej výstuže, ako sú výstuže a pletivo. Oceľové vlákna v betóne môžu prekážať umiestňovaniu tradičnej výstuže, čo sťažuje správne umiestnenie výstuže a siete. Aby sa predišlo interferencii s tradičnou výstužou, odporúča sa použiť vlákno s menším priemerom a kratšou dĺžkou. Ďalšou výzvou pri použití betónu vystuženého oceľovými vláknami je zabezpečenie správneho spojenia medzi vláknami a tradičnou výstužou. Na zlepšenie spojenia medzi vláknami a výstužou sa odporúča použiť vlákno s vysokým pomerom strán a zdrsneným povrchom.
Hladká a rovnomerná povrchová úprava
Dosiahnutie hladkej a rovnomernej povrchovej úpravy je ďalšou výzvou pri použití betónu vystuženého oceľovými vláknami. Jedným z hlavných problémov s povrchovou úpravou je vyčnievanie vlákien. Oceľové vlákna môžu vyčnievať z povrchu betónu, čo môže byť nevzhľadné a predstavovať bezpečnostné riziko. Aby sa zabránilo vyčnievaniu vlákna, odporúča sa použiť vlákno s menším priemerom a kratšou dĺžkou. Správne vytvrdzovanie je nevyhnutné na dosiahnutie hladkej a rovnomernej povrchovej úpravy pri použití betónu vystuženého oceľovými vláknami. Na zabezpečenie správneho vytvrdnutia sa odporúča použiť vytvrdzovaciu zmes alebo prikryť povrch betónu plastovou fóliou alebo mokrou pytlovinou.
Priemyselné podlahy s oceľovými vláknami
Kvalita priemyselnej podlahy závisí od technológie realizácie, únosnosti podkladových vrstiev, no rovnako od používaných materiálových vstupov do betónu. Teda aj od zložiek betónovej zmesi a typu a množstva výstuže. Oproti klasickej výstuži sú stále populárnejšie oceľové vlákna. Podlahy vystužené oceľovými vláknami sú v súčasnosti rozšírenou technológiou v mnohých krajinách Európy a sveta. Obzvlášť dôležitý je faktor úrovne záťaže na priemyselnú podlahu: pri vyššom zaťažení je nutná vyššia kvalita, a teda je možné nižšie dávkovanie vlákien (25 - 35 kg/m3). Možné je aj vysoké dávkovanie (35 - 60 kg/m3) menej efektívnych vlákien. Žiaľ, takéto dávkovanie je často technologicky nespracovateľné.
Prístup investorov, niektorých dodávateľov či málo skúsených realizačných firiem, ktoré nerozlišujú medzi vláknami a používajú rozličné typy vždy s identickým dávkovaním, je vyslovene nesprávny. Snahou výrobcov betónu s vláknami má byť dosiahnutie vysokého napätia pri vzniku prvej trhliny (tzv. prvý maximálny bod priebehu závislosti) a následne aj vysoký priebeh naznačených závislostí. Ide o tzv. ťahovú oblasť pracovného diagramu betónu s vláknami. Zdroj: G. Vitt: Understanding Steel Fiber Reinforced Concrete: Dramix, 2011, N. V. Bekaert S.
V princípe rozlišujeme dva rozdielne spôsoby realizácie priemyselných podláh. Rezané dilatácie do predpísanej hĺbky zabezpečujú kontrolované zmrašťovacie dilatácie. Zároveň sa nimi eliminujú napätia súvisiace s obmedzením deformácie. Typické rozmery rezaných dilatácií sa pohybujú v rozmedzí od 3 do 10 m. Tento rozmer je väčšinou stanovený v závislosti od hrúbky dosky a pôdorysného rozmiestnenia stĺpov nosnej konštrukcie. Efekt dvíhania rohov modulov a hrán rezaných dilatácií s ich následnými opravami (v dôsledku opakovaného poškodzovania dynamickým zaťažením kolesami ťažkých vozidiel) možno eliminovať realizáciou dosiek bez rezaných dilatácií. V tomto prípade sa teda doska nerealizuje na malé, ale veľké moduly (s rozmermi od 25 do 40 m), ktoré sú zabezpečené špeciálnymi kovovými dilatačnými profilmi. Táto koncepcia vyžaduje špeciálnu pozornosť a prístup pri dimenzovaní, riešení detailov dosky a pri samotnej realizácii. Na realizáciu sa odporúča osloviť len firmy s dostatočnými praktickými skúsenosťami. Aj projekty zrealizované na Slovensku potvrdzujú pád mnohých mýtov o obmedzených možnostiach betónu s oceľovými vláknami. Oceľové vlákna s vyššími parametrami zabezpečujú optimálne podmienky únosnosti, ale aj zvýšenú životnosť a výhodnejšiu ekonomiku finálneho produktu - priemyselných podláh.
Dôležitosť kontroly a technologických postupov
Pred samotnou realizáciou by sa malo pristúpiť ku kontrole betónu ako aj samotnej výstuže priamo na stavbe, z kontroly konzistencie. Predpokladom úspešnej realizácie priemyselných podláh je dodržanie technologických postupov výroby, uloženia, spracovania a ošetrovania betónu s oceľovými vláknami s dôslednou koordináciou a jednoznačným rozdelením kompetencií a zodpovednosti za jednotlivé technologické kroky s použitím dostupných kontrolných mechanizmov.
Súvisiace normy a referencie
Slovenské technické normy (STN EN):
- STN EN 14889-1: 2006: Vlákna do betónu. Časť 1: Oceľové vlákna.
- STN EN 14721: 2008: Skúšobné metódy na betón vystužený kovovými vláknami.
- STN EN 14651: 2008: Skúšobné metódy na betón vystužený kovovými vláknami.
- STN EN 14488-3: 2006: Skúšanie striekaného betónu.
- STN EN 14488-5: 2006: Skúšanie striekaného betónu.
- STN EN 14488-7: 2006: Skúšanie striekaného betónu.
Ďalšie referencie:
- Deutscher Beton- und Bautechnik Verein, e.V.: DBV-Merkblatt Stahlfaserbeton.
- Österreichische Vereinigung für Beton- und Bautechnik: Richtlinie Faserbeton.
- RILEM TC 162-TDF: Test and design methods for steel fibre reinforced concrete - background and experiences, Chairlady L.
- The Concrete Society: Technical Report No.
- G. Vitt: Understanding Steel Fiber Reinforced Concrete: Dramix, 2011, N. V. Bekaert S.
- Neville, AM (2011). Vlastnosti betónu.
- Výbor ACI 544. (2007). Najnovšia správa o vláknobetóne.
- Ramakrishnan, V. a Ravichandran, S. (2017). Oceľovými vláknami vystužený betón: Prehľad.