Samozhutnitelný beton moderní technologie

a provozu dálnice novými ustanoveními 18a) až 18f), které nabývají úèinnosti také dnem 1.1.2003, ale budou zajímat pøedevšín centrální sféru øízení. V souvislosti s novým zákonem o odpadech è. 185/2001 Sb. musíme s autovraky zacházet jako se zvl᚝ nebezpeèným odpadem. Likvidaci možno svìøit jen osobám oprávnìným, které musí pøed drcením z vraku vyjmout a zneškodnit nebezpeèné látky uvedené v 37 tohoto zákona; jde tedy o nepøímou novelu ustanovení 19 odst. 3 a 4 našeho zákona. I když úplné znìní stavebního zákona bylo vyhlášeno pod è. 109/2001 Sb., byla v dùsledku katastrofálních záplav pøijata v záøí novela è. 422/2002 Sb., která na postižených místech umožòuje rychlou obnovu maximálním zjednodušením øízení územního i stavebního novými ustanoveními 31a) a 137a) a omezením okruhu úèastníkù øízení. Ke zmìnám dochází i u zvláštního užívání. Podle nového zákona o právu shromažïovacím è. 259/2002 Sb. se v ustanovení 25 odst. 6 písm. e) vypouštìjí slova "a shromáždìní", takže napøíštì nebudou shromáždìní podléhat povolení silnièního správního úøadu, ale pouze ohlášení obecnému správnímu úøadu. Naopak zákonem è. 256/2002 Sb. byl kromì již zmínìných nových ustanovení 18a) až 18f) zaveden i nový druh zvláštního úžívání pod

*)

Ing. Aleš Kratochvíl *) Ing. Jaroslav Urban

Samozhutnitelný beton – moderní technologie

Úvod Bìžný, u èásti naší odborné veøejnosti dosud hluboce zakoøenìný názor odpovídá pøibližnì rovnici: maximálnì tuhá betonová smìs + její dùkladné zhutnìní pøi ukládání do bednìní = kvalitní betonové dílo! Rozeberme trochu blíže tuto závislost, z níž jsme zámìrnì vypustili další dùležité èleny, jako jsou napø. odpovídající statické a konstrukèní øešení stavby, vhodnost zvoleného zpùsobu ošetøování èerstvého betonu v konstrukci atd. V první fázi, tj. pøi návrhu složení betonové smìsi, musí autor receptury zohlednit jak požadavky zvolené technologie výstavby konstrukce, tak všechny vlivy, kterým bude stavební dílo po dobu své oèekávané životnosti vystaveno. Na základì tohoto rozboru navrhuje technolog složení betonové smìsi. Receptury dnes používaných betonových smìsí se však již znaènì liší od tìch, které známe z pionýrských dob betonového stavitelství. Rùzné druhy pøísad a pøímìsí, které zaèaly být využívány zejména ve druhé polovinì minulého století, zmìnily beton definitivnì v chemicky komplikovaný stavební materiál, odbornì nazývaný silikátový kompozit. *)

písm. g) "výjimeèné použití místní komunikace nebo silnice samojízdnými pracovními stroji a pøípojnými vozidly traktorù, které nemají schválenou technickou zpùsobilost...", tedy nemají pøidìlenou SPZ ani uzavøenou smlouvu o zákonném pojištìní odpovìdnosti z provozu vozidel. Dosud taková zaøízení mohla být pøepravována pouze na trajlerech, jejich samostatný pohyb vyvolá øadu problémù, i když zøejmì nepùjde o jízdy èasté ani na vìtší vzdálenosti. Koneènì zákonem è. 320/2002 Sb., který pøedevším pøevádí pùsobnosti rušených okresních úøadù na jiné orgány, byla v textu našeho zákona již použita dikce zákona o obcích, kdy oznaèení "obecnì závazná vyhláška" vydávaná obcí v pøenesené pùsobnosti se oznaèuje jako "naøízení obce" a dále provedeny drobné legislativní úpravy. Ještì je vhodné pøipomenout, že po 26 novelách bylo pod è. 334/2002 Sb. vydáno úplné znìní zákona o pøestupcích; silnièní správy se týká pøedevším ustanovení 23 a 46 odst. 1. Cílem reformy veøejné správy má být pøiblížení výkonu této správy blíže k obèanùm pøi souèasném zachování poètù úøedníkù. Zda se tyto zámìry podaøí skloubit a splnit, ukáže až budoucnost. V každém pøípadì jde pro silnièní hospodáøství o nejrozsáhlejší a nejhlubší zmìnu za posledních 50 let.

Vyjdeme-li z pøedpokladu dobøe navržené a vyrobené betonové smìsi, dostáváme se k druhému èlenu úvodní rovnice, kterým je zpracování èerstvé betonové smìsi na staveništi vèetnì jejího uložení do bednìní. Úspìch této fáze realizace betonové konstrukce závisí výhradnì na zhotoviteli stavebního díla a nedostatky této etapy mohou zcela zhatit nejlepší snahy všech ostatních úèastníkù výstavby. Rozhodující operací je pøitom hutnìní betonové smìsi, realizované v rámci ukládání betonové smìsi do konstrukce. Postup hutnìní betonové smìsi má své zákonitosti, ale kromì toho vyžaduje, jako ostatnì celá øada lidských èinností, urèité praktické zkušenosti. Lidský faktor však obèas selhává a betonové konstrukce vykazují po odbednìní mnohdy obtížnì odstranitelné vady a poruchy (kaverny, štìrková hnízda apod. obr. è. 1). Dalším zdrojem poruch betonové konstrukce mùže být i zvolený zpùsob zhutòování betonové smìsi. Napøíklad u bìžnì užívaných ponorných vibrátorù platí pøesnì definovaná pravidla jejich použití. Dodržování tìchto pravidel pøi vlastní výstavbì je však rok od roku obtížnìjší. Využívání betonù vysokých pevností umožnilo totiž projektantùm navrhovat

Centrum dopravního výzkumu

Silnièní obzor - roè.63 - 2002

249

Obr. 1

Štìrkové hnízdo – nedokonalé zhutnìní betonové smìsi v konstrukci

stále odvážnìjší betonové konstrukce menších prùøezù, které bývají velmi silnì vyztuženy. Hustota mìkké i tvrdé výztuže v prùøezu betonové konstrukce bývá velmi èasto taková, že objektivnì nelze vyhovìt všem požadavkùm na správné zhutnìní betonu. I pøi splnìní všech pravidel a doporuèení však zanechává ponoøení vibrátoru v betonové smìsi a následnì i v zatvrdlém betonu nesmazatelnou stopu, kterou lze obraznì pøirovnat ke kazu (suku) v døevní hmotì. Docházíme tedy k závìru, že zpracování jinak technologicky vhodných tuhých betonových smìsí (tj. smìsí s nízkým vodním souèinitelem) je sice mnohdy žádoucí, ale obtížné, a nelze je vždy realizovat bez negativních následkù na kvalitu provádìného díla. Zcela pøirozenì je zde vyšší pravdìpodobnost výskytu kavern, nedokonalého obalení prutù výztuže betonovou smìsí, a jak již bylo øeèeno, vpichy vibrátorù jsou místem diskontinuit betonové konstrukce. S tìmito problémy se setkáváme nejen u betonù „klasických“, ale i pøi zpracování betonù vysokopevnostních, resp. vysokohodnotných, kde je výskyt jakýchkoliv poruch zvláštì nepøíjemný. Co je samozhutnitelný beton Moderním øešením popsaných problémù je použití takové betonové smìsi, která pùsobením gravitace vyplní dokonale celý objem konstrukce a souèasnì zcela obalí výztuž, to vše bez nutnosti hutnìní. Materiál tìchto vlastností se nazývá samozhutnitelný beton (anglicky: Self-Compacting Concrete, SCC). Schopnost betonové smìsi bez rozmìšování a segregace hrubších èástí plniva zaujmout celý prostor konstrukce a dokonale ho vyplnit je v pøípadì SCC zajišována prostøednictvím atypických reologických vlastností betonové smìsi (pohyblivost, viskozita aj.). Požadovaných vlastností betonové smìsi je pøitom nutno dosáhnout zpùsobem, který neovlivní mechanicko-fyzikální vlastnosti výsledného betonu, resp. ovlivnìní vlastností betonu je z hlediska daného parametru pøíznivé. Vhodné vlastnosti betonových smìsí pro SCC betony jsou v praxi zajišovány pøedevším použitím vysoce ztekucujících pøísad - superplastifikátorù (v poslední dobì zejména na polykarboxylátové bázi) a zvýšením objemu jemných podílù v betonové smìsi, tj. pøídavkem tzv. mikroplniva. Jako mikroplnivo se používá celá øada materiálù od extrémnì jemných køemièitých úletù, pøes jemnì

250

mletou strusku èi vápenec až po kamenné odprašky (fillery) a relativnì hrubé elektrárenské popílky. V nìkterých pøípadech je nutno do betonové smìsi dávkovat ještì další pøísady upravující nìkteré její další vlastnosti, napø. odpìòovaèe, stabilizátory apod. V poslední dobì se zejména v USA využívá skuteènost, že rùzné druhy materiálù, které lze použít jako mikroplnivo do betonových smìsí pro SCC betony, modifikují rozdílným zpùsobem nìkteré vlastnosti zatvrdlého betonu. Z tohoto dùvodu se do jednoho druhu betonové smìsi dávkuje i více druhù mikroplniva tak, aby použitá kombinace zajistila optimální vlastnosti zatvrdlého betonu, a to s ohledem na druh betonové konstrukce a zpùsob její exploatace. Vývoj SCC Kolébkou samozhutnitelného betonu je Japonsko. Poèátek vývoje betonové smìsi se samozhutòující schopností je datován od roku 1983. Na nezbytnost zavedení tohoto druhu betonu do stavební praxe upozornil poprvé Hajime Okamura z Technologické univerzity v Kochi v roce 1986. První recepturu samozhutnitelného betonu potom pøedstavil v roce 1988 Kazumasa Ozawa z Univerzity v Tokiu. Tento druh betonu byl zprvu zaøazován mezi tzv. vysokohodnotné betony (HPC - High Performance Concrete). Pozdìji Hajime Okamura upravil název tohoto materiálu na Self-Compacting High Performance Concrete, avšak dnes se vìtšinou používá jen oznaèení SCC - Self-Compacting Concrete [1,2].

Obr. 2

Pøíklady zaøízení pro stanovení reologických vlastností betonových smìsí – Orimet (nahoøe), J – ring

Silnièní obzor - roè.63 - 2002

Žádné z uvedených zaøízení však není dosud standardizováno, což je na škodu vìtšímu rozšíøení SCC betonù, zejména v byrokratiètìjší Evropì. Pøístrojová a metodická roztøíštìnost komplikuje rovnìž porovnatelnost výsledkù mìøení provedených rùznými pracovišti. Kvalitu suspenze SCC ovlivòuje rozhodujícím zpùsobem zejména druh a množství mikroplniva ve smìsi a použitá superplastifikaèní pøísada. Optimální reologické vlastnosti má smìs, jejíž chování pøi teèení lze pøirovnat k medu nebo k hustému minerálnímu oleji. Použití vysoce úèinných ztekucovaèù umožnilo snížit vodní souèinitel smìsí až na hodnoty w = 0,20 až 0,25. Podle vìtšiny pramenù by jemná pøímìs pro SCC betony mìla mít pøibližnì stejný mìrný povrch jako cement. To se pøíznivì projeví na kvalitì suspenze SCC jejíž viskozita musí zajišovat pohyb kameniva ve vznosu [5]. Z dùvodu zvýšení rizika segregace smìsi se nedoporuèuje používat kamenivo s vìtším zrnem než 16 mm.

Obr. 3

Pøíklady zaøízení pro stanovení reologických vlastností betonových smìsí – L - box

Za podpory vlády došlo postupnì v Japonsku k navýšení výroby SCC až na dnešních úctyhodných 40 % veškeré produkce betonových smìsí v této zemi. Odhaduje se, že v roce 2003 bude již více než 50 % betonových smìsí vyrobených v Japonsku odpovídat technologii SCC [2]. O poznání chudší jsou objemy aplikací SCC v USA i v Evropì, kam byla tato technologie transferována až v první polovinì devadesátých let v souvislosti s vývojem superplastifikátorù na bázi polykarboxylátù [2]. Vlastnosti SCC Charakteristickými vlastnostmi betonové smìsi pro SCC jsou: vysoká pohyblivost, nízká náchylnost k segregaci hrubších frakcí plniva a k rozmìšování, resp. blokování pohybu zrn plniva výztuží a pøimìøená viskozita smìsi. Ke kontrole vlastností betonových smìsí urèených pro výrobu SCC nejsou s ohledem na jejich specifika vhodné standardní postupy. Pro tato mìøení byla proto vyvinuta celá øada speciálních zkušebních zaøízení a metod (napø. Orimet a J-ring (obr. è. 2), L-box (obr. è. 3), U-box, V-funnel aj.) [3]. Pro mìøení pohyblivosti cementových malt, jako nejdùležitìjší souèásti SCC se používá kužel francouzské firmy Chryso S.A.S (obr. è. 4) [4].

Silnièní obzor - roè.63 - 2002

Výhody a nevýhody použití SCC Kromì již zmínìných výhod jsou dalšími pøednostmi této technologie zkrácení doby výstavby, snížení poètu pracovníkù (vylouèení hutnìní smìsi), nižší nároky na vybavení pøi betonáži (zhutòovací technika), snížení hluènosti i úspory energií. Pøi využití SCC betonù v prefabrikaci je nutno k výhodám zaøadit i zvýšení životnosti formovací techniky. Z hlediska ochrany životního prostøedí je nespornì pozitivní i možnost využít jako mikroplniva materiály, jejichž produkované objemy trápí již dlouhá léta ekologické odborníky na celé naší planetì (popílky, strusky aj.). Významnou roli hraje i hledisko ekonomické, kdy úspora celkových nákladù na výstavbu betonové konstrukce technologií SCC je odhadována na 5 až 15 %. Nevýhodou jsou zvýšené nároky na bednìní, zejména na jeho tìsnost a schopnost odolávat podstatnì vyšším hydrostatickým tlakùm než v pøípadì „klasického“ betonu. Vyšší pozornost je tøeba vìnovat rovnìž ošetøování SCC betonù v prùbìhu jejich tuhnutí a tvrdnutí, vývinu

Obr. 4

Zkušební kužel francouzské firmy Chryso S.A.S. pro mìøení pohyblivosti cementových malt

251

hydrataèního tepla, objemovým zmìnám (zejména ve fázi tzv. „autogenního smrštìní“) i dotvarování hotové betonové konstrukce. Nové požadavky jsou pøirozenì kladeny i na projektanty a dodavatele betonových smìsí.

Obr. 5

Most Akashi Kaikyo (Japonsko) – betonហkotevního bloku z SCC

Možné aplikace SCC Jak dokazují zejména japonské zkušenosti, lze samozhutòující betony s výhodou použít pro realizaci témìø všech druhù monolitických betonových konstrukcí, i pro výrobu prefabrikátù. Zvláštì vhodná je aplikace SCC u silnì vyztužených tenkostìnných konstrukcí, u tvarovì komplikovaných prvkù nebo v pøípadech, kdy je kladen mimoøádný dùraz na estetický vzhled betonové konstrukce (napø. pohledové betony). Nejdùležitìjšími velièinami pro statický návrh konstrukce jsou vedle pevností hodnoty smrštìní a dotvarování, které mohou být v pøípadì SCC o nìco vyšší než u betonù „klasických“. Tyto vlastnosti SCC lze však vhodnými zpùsoby regulovat a samozhutnitelný beton je tak možné použít i pro výrobu pøedpjatých nosníkù a segmentù s vyššími požadavky na pevnost betonu. Velmi rozšíøené je využívání technologie SCC u mostních staveb a obecnì u betonových konstrukcí pro objekty dopravní infrastruktury. Pøíklady využití SCC v zahranièí Vedle bìžných aplikací v pozemním stavitelství, kdy je vhodné SCC použít pro betonហtenkých silnì armovaných prvkù, byl již SCC využit také pøi výstavbì nìkterých skuteènì monumentálních objektù. Nejznámìjším pøíkladem je japonský rekordman mezi mosty, visutý Akashi Kaikyo s rozmìry polí 960, 1991 a 960 metrù. Hlavní kabel systému tvoøí 290 x 127 drátových lan zafixovaných do obrovských kotevních blokù z SCC, které tak zachycují znaènou vodorovnou sílu (obr. è. 5). Kvalitu a rychlost postupu betonáže pøi objemech 140 000 a 150 3 000 m zajišovala v tomto pøípadì receptura SCC, jejíž souèástí bylo kamenivo o maximálním zrnu 40 mm! Betonová smìs byla na stavbu dopravována od míchaèky rourami dlouhými 200 m. Využití technologie SCC umožnilo

252

v tomto pøípadì zkrátit dobu výstavby blokù o 20 %, tj. z 2,5 roku na dva roky. Pro základy dvou pylonových vìží tohoto mostu byla potom použita již døíve užívaná receptura SCC navržená speciálnì pro ukládání pod vodou. Základy obou vìží mají prùmìr 80 metrù a koneèný objem 3 použitého betonu èinil 355 000, resp. 322 000 m [6]. Dalším pøíkladem elegantního využití technologie SCC je betonហkonstrukèní èásti zásobníku na kapalný zemní plyn pro japonskou firmu Osaka Gas Company. Stavba byla realizována za 18 mìsícù, namísto pùvodnì plánovaných dvou let. Pracovní kroky se daly díky použití technologie SCC zredukovat ze 14 na pouhých 10 zábìrù a poèet pracovníkù mohl být snížen ze 150 na 50, tedy o celé dvì tøetiny [1]! Požadované vlastnosti betonové smìsi byly v tomto pøípadì sledovány kontinuálnì zaøízením osazeným mezi míchaèkou a èerpadlem betonové smìsi. V souèasné dobì je zvažovanou alternativou užití SCC pro výstavbu kotevních blokù visutého mostu spojujícího Kalabrii se Sicílií [7]. V tomto pøípadì je navrhována gigantická vzdálenost pylonù hlavního pole 3300 metrù (obr. è. 6). Dalším efektním využitím technologie SCC je její aplikace v pøípadì sendvièových konstrukcích, u kterých SCC vyplòuje ocelovou skoøápku. Tento typ konstrukce byl použit napøíklad pøi výstavbì ponoøeného tunelu v Kobe (Japonsko) [1]. V Evropì byla sendvièová konstrukce využita pøi výstavbì silnì armovaného mezikruží šestimetrových sloupù budovy Millenium Tower ve Vídni [8].

Obr. 6

Pylon mostu spojujícího Kalábrii se Sicílií - návrh

SCC v Èeské republice V posledních dvou letech bylo i v Èeské republice realizováno nìkolik staveb s využitím technologie SCC. Jednou z nejznámìjších je nosná konstrukce šikmého mostu v Praze na Zlíchovì (Metrostav, a.s.), kde si dispozièní øešení stavby vyžádalo mimoøádnì silné vyztužení konstrukce, a proto byla situace pro využití SCC mimoøádnì vhodná [9]. Další stavební firmy ovìøují své vlastní aplikace SCC jak v monolitické, tak v prefabrikované podobì. Za všechny uveïme napø. betonáže chladících vìží v Os-

Silnièní obzor - roè.63 - 2002

travì (za technologické podpory firmy Sika) nebo betonហtunelu pro pìší v Roztokách nad Vltavou (TBG Metrostav, s.r.o.). Nicménì samozhutnitelný beton prožívá v Èeské republice svá dìtská léta. Laboratoøe sekce dopravní infrastruktury CDV se proto intenzívnì zabývají ovìøováním vlivu složení betonových smìsí na vlastnosti samozhutnitelných betonù. Sledovány jsou zejména zmìny chování betonové smìsi v èerstvém stavu i vliv složení smìsi na vlastnosti ztvrdlého betonu. Výsledky nìkterých zkoušek již byly zveøejnìny [4, 10, 11]. Další mìøení v souèasné dobì probíhají a závìry z nich budou postupnì publikovány. Závìr SCC jako progresivní technologie otevírá nové možnosti využití betonu v konstrukcích prakticky všech druhù staveb. Pøi správné aplikaci reprezentuje tato technologie vysoce pohyblivou betonovou smìs vyplòující dokonale i ty nejsložitìjší tvary konstrukce a zatvrdlý beton se srovnatelnými, resp. v mnoha pøípadech lepšími vlastnostmi než betony „klasické“. To jsou hlavní dùvody, které staví samozhutòující beton do popøedí zájmu odborníkù na celém svìtì.

*)

Ing. Josef Andres

Literatura: [1] Ouchi, M.: Self-compacting Concrete, Development, applications and investigations, The Second International Symposium on Self-Compacting Concrete, The University of Tokyo, October 2001, Tokyo, Japan [2] www.infra.Kochi-tech.ac.jp [3] Hela, R.: Metodika zkoušení vlastností èerstvých samozhutòujících betonù, Sborník pøíspìvkù z konference Betonáøské dny 2000, str. 175 – 180, listopad 2000, Pardubice, ÈR [4] Kratochvíl, A., Urban, J., Hela, R.: Pohyblivost cementových malt modifikovaných mikroplnivem, Sborník pøíspìvkù z konference Technologie, provádìní a kontrola betonových konstrukcí 2002, str. 72 – 81, bøezen 2002, Praha, ÈR, ISBN 80-238-8492-1 [5] Hrnèiar, L., Zvara, J.: Preèo samozhutòujúci betón, Inžinierske stavby è. 4, roè. 48, str. 128 – 134, rok 2000 [6] www.hsba.go.jp [7] www.strettodimessina.it [8] www.scc.ce.luth.se [9] Vítek, J.L., Mazurová, M.: Samozhutnitelný beton – aplikace u a.s. Metrostav – 1.a 2. èást, Silnièní obzor, roè. 61, str. 226 – 227 a str. 289 až 290, rok 2000 [10] Kratochvíl, A., Urban, J., Hela, R.: Mechanicko-fyzikální vlastnosti cementových malt modifikovaných mikroplnivem, Sborník pøíspìvkù z konference Speciální betony, str. 226 – 232, bøezen 2002, Otrokovice, ÈR, ISBN 80-86604-00-4 [11] Kratochvíl, A., Urban, J., Stryk, J., Hela, R.: Fine filler and its impact to a cement composite life cycle, Sborník pøíspìvkù z mezinárodního symposia Non-traditional Cement&Concrete, str. 260 – 267, èerven 2002, Brno, ÈR, ISBN 80-214-2130-4