VYZTUŽOVÁNÍ STRUKTURY BETONU OCELOVÝMI VLÁKNY Karel Trtík ČVUT Fakulta stavební, katedra betonových konstrukcí a mostů, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, ČR Abstrakt Článek je zaměřen na problematiku vyztužování struktury betonu náhodně rozptýlenými ocelovými vlákny. Vysvětluje rozdíl mezi klasickým způsobem vyztužování ocelovými pruty a vyztužením drátky. Dále seznamuje s vlivy, které vyztužení drátky přináší a to jak z hlediska pevnosti betonu, tak i jeho chování při účincích zatížení. Článek obsahuje i informace o technologických problémech, které je při výrobě drátkobetonových konstrukcí zvládnout. Dále článek poskytuje přehled o jednotlivých technologiích, kterých je při výrobě ocelových vláken možné v současné době použít. Závěrečná část článku je věnována hodnocení stávajícího objemu výroby ocelových vláken v České republice. 1. ÚVOD Beton je hodnocen jako konstrukční materiál, který je při zhotovování stavebních konstrukcí vyráběn v největších objemech. Tento fakt je způsoben příznivou kombinací jeho fyzikálně-mechanických vlastností a současně i výhodami technologických postupů, kterými lze beton zhotovovat. Tyto skutečnosti vyrovnávají i některé vlastnosti betonu, které je třeba označit jako slabé stránky tohoto staviva. Tou je jednak nízká tahová pevnost, ale především pak křehký charakter porušení, jenž je pro nosné stavební konstrukce nepřijatelný. Obě nevýhody jsou v konstrukcích eliminovány vyztužením. Je třeba konstatovat, že klasický způsob vyztužování ocelovými pruty, rohožemi nebo sítěmi je nikoliv vyztužováním betonu, ale vyztužováním stavební konstrukce, jednotlivých prvků ze kterých se konstrukce skládá a konečně jednotlivých průřezů každého dílčího prvku. Beton konstrukce sám není tímto způsobem vyztužení výrazněji ovlivněn tj. jeho fyzikálně-mechanické vlastnosti jsou v podstatě stejné jako v případě betonu nevyztuženého. Jediným způsobem vyztužení, který ovlivňuje vlastnosti betonu, tj. jeho struktury, je vyztužování betonu vlákny. Současný sortiment vláken, kterých je pro vyztužování betonu používáno, je nepředstavitelně bohatý. Jen s ohledem na základní materiál, ze kterého je vlákno zhotoveno, lze počet odhadnout minimálně na několik desítek typů. Stejně však, jako je pro vyztužování konstrukcí nejčastěji používáno ocelových prutů, je i v případě vláken největší část objemu vyráběných vláknobetonů vyztužena ocelovými vlákny. Právě těmto vláknům, neboli drátkům, je věnován tento příspěvek. 2. VLIV DRÁTKŮ NA FYZIKÁLNĚ-MECHANICKÉ VLASTNOSTI BETONU Ocelová vlákna ovlivňují řadu vlastností betonu, které mohou rozhodovat o použití tohoto způsobu vyztužení. Mezi tyto vlastnosti lze zařadit pochopitelně pevnosti betonu, avšak přítomnost vláken ovlivňuje především charakter pracovního diagramu. Míra vlivu, které přítomnost ocelových vláken na zlepšení vlastností betonu přináší, je ovlivněna zejména - množstvím vláken v objemové jednotce betonu (Obr.1), - jejich geometrickými parametry, - vlastnostmi oceli ze které je vlákno zhotoveno, především její pevností, - vlastnostmi betonové struktury ve které se vlákna nacházejí.
14
12
10
8
6
4
2
0 0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
Obr.1: Příklad vlivu rozdílného množství drátků na charakter diagramu síla x průhyb zkušebního trámce ( 0, 30, 70 a 200 kg drátků / 1 m3 hotového drátkobetonu) Pozitivní ovlivnění vlastnosti betonu vyztuženého vlákny je podmíněno odpovídajícím zvládnutím technologie jeho výroby. Pokud se týká tlakové pevnosti betonu, je tato vyztužením drátky zvýšena obvykle jen poměrně malou měrou. Odhadem lze mluvit o navýšení v řádu procent. Toto navýšení není významné a navíc jej lze u betonu obvykle dosáhnout podstatně méně nákladným způsobem tj. zásahem do jeho složení. Tlaková pevnost betonu tudíž obvykle není příčinou proč je vyztužení drátky použito. Významná je naopak možnost navýšení pevnosti betonu v tahu. Míra nárůstu této pevnosti se běžně pohybuje v rozsahu 50 – 100%. V případě extrémně vysokého obsahu drátků lze navýšit tahovou pevnost ještě podstatně více (viz [1]). Dosažení vyšší pevnosti betonu v tahu je často hlavním důvodem proč je beton drátky vyztužován. V tomto ohledu je velmi důležitou skutečností, že v případě dostatečně rovnoměrného vyztužení je zvýšené tahové pevnosti dosaženo nejen ve všech oblastech zhotoveného betonu, ale i ve všech směrech. Tyto okolnosti jsou velmi důležité zejména v případě takových betonových konstrukcí, ve kterých je obtížné definovat stav napjatosti s ohledem na její proměnnost. V takovýchto případech je odpovídající vyztužení struktury betonu drátky mnohdy jediným postupem, kterým lze zajistit spolehlivost konstrukce. Nejvýrazněji je přítomností drátků ovlivněn charakter pracovního diagramu betonu. Ten je obvykle stanovován pro namáhání zkušebního trámce ohybovým momentem. Zatímco pro beton bez vláken je charakteristické křehké porušení trámce v okamžiku dosažení tahové pevnosti betonu, je chování betonu s drátky naprosto odlišné. Již při relativně nízké dávce výztužných vláken jsou tato, po otevření trhliny v tahové oblasti, schopna dále převzít jistá tahová napětí. Zkoušený beton tudíž, na rozdíl od obyčejného betonu, i po vzniku trhliny odolává napětím, která se označují jako zbytková nebo reziduální. Je zajímavé, že při dostatečně vysoké dávce drátků a jejich vhodném typu mohou být reziduální napětí v jisté oblasti dokonce vyšší, nežli je napětí, které iniciuje vznik tahové trhliny. V důsledku
existence zbytkových napětí je tudíž pro dosažení zvoleného přetvoření zkušebního tělesa třeba vynaložit podstatně vyšší sumu energie, nežli je ta, které je zapotřebí k porušení zkušebního tělesa z prostého betonu. Nárůst sumy energie, kterou je třeba na dosažení jistého stavu porušení dosáhnout, je výrazně ovlivněn množstvím ocelového vlákna a pohybuje se od několikanásobku v případě běžných dávek, a po několikadesetinásobky v případě betonů s mimořádným obsahem drátků (viz [1]). Tato schopnost drátkobetonu musí být ve skutečné konstrukci konfrontována s odolností ocelového drátku v prostoru otevřené trhliny vůči nebezpečí koroze. V mimořádných případech lze pro vyloučení nebezpečí koroze použít pro vyztužení betonu drátků z nerezavějící oceli. Jsou zhotovovány řadou výrobců, jedná se však o produkt mimořádně nákladný. 3. TECHNOLOGICKÉ POSTUPY VÝROBY VLÁKEN PRO VYZTUŽOVÁNÍ BETONU Tak jak postupně narůstá odbyt ocelových drátků pro vyztužování betonu, prošla i technologie jejich výroby, zejména v posledních deseti letech, poměrně bouřlivým vývojem. Existuje minimálně pět základních technologických postupů, kterým jsou drátky zhotovovány. Jedná se o tyto způsoby: - stříháním „nekonečného“ ocelového drátu, - stříháním ocelového pásku, - frézováním ocelového bloku, - odstřeďováním z taveniny, - litím. 3.1 Stříhání ocelového drátu Patří k nejstarším a tudíž klasickým technologickým postupům výroby drátků. Polotovarem pro výrobu drátků je nekonečný ocelový drát, který prochází strojním zařízením, které dokáže (obvykle za překvapivě vysoké rychlosti pohybu drátu) nekonečný drát rozdělit na jednotlivé drátky a ty následně ještě formovat do předpokládaného geometrického tvaru. Výhodou tohoto postupu je obvykle vysoká stejnorodost finálních drátků a to jak s ohledem na jejich geometrický tvar, tak i co do fyzikálně-mechanických vlastností jejich materiálu. Jistou nevýhodou uvedeného postupu je relativně vysoká náročnost zhotovení vlastního polotovaru, která se obvykle odráží i v poměrně vysoké ceně finálního drátku. Příkladem tohoto typu drátku je první typ ocelového vlákna, který byl na vyráběn Železárnami a drátovnami v Bohumíně vyráběn již na počátku osmdesátých let (Obr.2)
Obr.2: První drátek pro vyztužování betonu vyráběný na území České republiky (Železárny a drátovny Bohumín, přelom sedmdesátých a osmdesátých let, délka 63 mm, průměr 0,63 mm, povrch hladký, průřez kruhový)
Charakteristický průřez těchto drátků je průřez kruhový. Jeho nevýhodou je nejnepříznivější poměr mezi průřezem drátku a jeho obvodem, který klade nejvyšší nároky na soudržnost s betonem. Průřez drátku může být i blízký čtvercovému nebo obdélníkovému, který se však od drátků vyrobených stříháním ocelového pásku liší tím, že jednotlivé podélné hrany drátků jsou zaoblené. Pro zlepšení soudržnosti tohoto typu drátků s okolním betonem je využíváno některého z dále uvedených technologických postupů: - úprava geometrického tvaru koncové oblasti drátku jejím jedno- nebo vícenásobným ohnutím (příkladem tohoto typu drátku jsou drátky Dramix (Obr.3), - zvlňování osy drátku po jeho celé délce nebo jemu podobná geometrická úprava (Obr.4), - silový účinek vedený kolmo na podélnou osu koncové oblasti, který způsobí její zploštění a současné rozšíření (Obr.5) nebo vytvoření miskovitého tvaru, - pravidelně se opakujícím lokálním silovým účinkem vedeným kolmo na podélnou osu drátu, - jiné technologické postupy jejímž cílem je vytvoření rozšíření koncové oblasti drátku (Obr.6), - zkrucování drátku podél jeho podélné osy.
Obr.3: Drátek Dramix firmy Beckaert (koncová úprava dvojnásobným ohnutím, povrch hladký)
Obr.4: Zvlněná vlákna MEZ (výrobce fa. Vl.Zelený-Start, délka 38 mm, průměr 1 mm) a Tabix ( výrobce fa.TrefilArbed, délka dle typu 45 nebo 50mm, průměr 1 mm)
Obr.5: Drátek se zploštělou a rozšířenou koncovou oblastí (výrobce TrefilArbed, FE 1250, délka 50 mm, čtvercový průřez, průměr 1,2 mm)
Obr.6: Ocelový drátek s koncovou úpravou ve tvaru komolého kužele ( drátek Twincone 1/54, výrobce fa. TrefilArbed, délka 54 mm, průměr 1 mm, kruhový průřez) 3.2 Stříhání ocelového pásku Je postupem, který se od předcházejícího liší právě v charakteristikách polotovaru. Ocelový pásek, který může být dělen v podélném i příčném směru, je nepochybně polotovarem méně nákladným. Průřez drátku je obvykle obdélníkový nebo čtvercový. Podélné hrany drátků nejsou oblé. Soudržnost těchto drátků s okolním betonem je obvykle zlepšována opatřením ocelového pásku osnovou vtisků, nebo změnou geometrického tvaru koncové oblasti jednotlivých drátků nebo celé jejich délky ( Obr. 8, 9, 10).
Obr.7: Koncová úprava silovým účinkem na koncovou oblast ( vlákno EE - 25, výrobce fa. Fatek, průřez 0,4 x 0,6 mm)
Obr.8: Ocelový drátek s periodickými vtisky ( výrobce fa. FATEK, délka 55 mm, šířka 1,9 mm, tloušťka 0,4 mm, osa drátku přímá)
Obr.9: Drátek s periodickými vtisky a koncovou úpravou ohnutím ( výrobce fa. FATEK) 3.3 Frézování ocelového bloku Postup, který je nejefektivnější, pokud se týká jednotkové ceny polotovaru, kterým je přiměřeně velký ocelový blok. Takto zhotovená vlákna mají obvykle srpkovitý průřez, jehož charakteristiky se mohou podél délky vlákna měnit. Rovněž osa vlákna nebývá dokonale přímá. Poměr velikosti charakteristického průřezu drátku a velikosti jeho obvodu je příznivější nežli u předcházejícího typu drátků. Přesto však i u tohoto typu bývá někdy upravován tvar koncové oblasti drátky jeho ohnutím (Obr.10).
Obr.10: Ocelová vlákna Harex, délka 32 resp. 35 mm, soudržnost zlepšena dvojnásobným ohnutím koncové oblasti
3.4 Odstřeďování drátků z taveniny Technologický postup, který byl patentován přibližně před patnácti lety. Jeho princip spočívá v kontaktu rotujícího bubnu opatřeného drážkami s taveninou. Teplota taveniny, teplota rotujícího válce, hloubka ponoření rotujícího válce do taveniny a jeho rychlost otáčení jsou sladěny tak, aby docházelo k zaplnění drážek taveninou, k její bezprostřednímu ztuhnutí a následně k oddělení ztuhlé hmoty od válce, takže po dokončení otáčky je uvolněná drážka znovu zaplněna taveninou a celý cyklus se opakuje. Nespornou předností tohoto postupu je láce polotovaru, ze kterého je drátek vyráběn. Polotovarem je ocelová tavenina, ze které drátky přímo vznikají, aniž by byly podrobeny jakémukoliv dalšímu tváření. Nevýhodou postupu je fakt, že geometrické charakteristiky takto zhotovených drátků mají zřetelně nižší stejnorodost. Důvodem této skutečnosti je fakt, že příčný rozměr drátku je určen nejen velikosti drážky zaplňované taveninou, ale také množstvím ocelové hmoty, která vyčnívá nad prostorem drážky. Další obtíží tohoto postupu je skutečnost, že zhotovená vlákna mají teplotu blízkou bodu tání oceli a jsou tudíž do doby zchladnutí extrémně náchylná ke korozi. Vlákna je proto do této doby třeba chránit pobytem v inertním prostředí. 3.5 Lití ocelových vláken Zatím nejnovější technologický postup, vyvinutý cca před pěti lety ve Francii. Metoda zachovává princip tvorby vláken z taveniny využitím chlazeného rotujícího válce opatřeného drážkami, které jsou formami pro vlákna. Oproti předchozím technologiím je výsledkem užití této technologie vlákno, které má prakticky nulovou ohybovou tuhost. Má podobu tenké folie jejíž tloušťka se pohybuje v rozmezí 15 – 29 µm. Překvapující, díky specifickému složení, které je chráněno patentem, je vysoká pevnost oceli takto zhotovovaných vláken. Výrobce udává hodnoty, které jsou znatelně vyšší nežli stejný údaj odpovídající jiným technologickým postupům. Problematika nebezpečí koroze je eliminována složením odpovídajícímu požadavkům na nerezavějící oceli. 4. OBTÍŽE PŘI VÝROBĚ BETONŮ VYZTUŽENÝCH DRÁTKY 4.1 Návrh složení Ocelové vlákno, které vkládáme do struktury betonu, je z pohledu jeho geometrického tvaru vlastností, nejméně příznivou složkou drátkobetonové směsi. Výrazně jehlicový charakter drátku a obvykle i dostatečná ohybová tuhost způsobují, že právě drátek je ve struktuře betonu prvkem, který způsobuje největší odpor proti skloubení s ostatními složkami. Brání tudíž obvyklému přiblížení zrn největší frakce kameniva. Tato skutečnost, která se mnohdy projevuje již při poměrně nízkém obsahu drátků, má významný dopad na poměr ostatních složek betonu. Vede k jistému potlačení obsahu kameniva hrubé frakce a tudíž ke zvýšení množství jemných složek včetně podílu cementu. To obvykle ovlivňuje negativně cenu drátkobetonu. Správný návrh složení drátkobetonové směsi je tudíž prvním krokem postupu výroby drátkobetonové konstrukce. 4.2 Dávkování složek a míchání drátkobetonové směsi Dále je třeba na dostatečné úrovni zvládnout veškeré fáze výroby drátkobetonové směsi a drátkobetonu. Dávkování drátků a jejich zamíchání do směsi jsou fázemi výroby, které jsou častou příčinou neuspokojivých výsledků. Očekávaného efektu přítomnosti drátků ve struktuře betonu se lze dočkat pouze tehdy, jsou-li drátky v hotovém drátkobetonu rozptýleny rovnoměrně. Nezbytným předpokladem je rovnoměrné rozptýlení drátků již drátkobetonové směsi. Ta je obvykle vyráběna buď ve stálé výrobně, nebo lze přidávat drátky před vypouštěním směsi z autodomíchávače. V prvém případě je nejspolehlivějším postupem vkládání drátků prostřednictvím rozdružovače. Ten zajišťuje dopravu drátků do směsi ve
formě deště osamělých vláken. V případě přidávání drátků do autodomíchávače se jako nejspolehlivější jeví jejich pneumatická doprava. Proud vzduchu rozptyluje vlákna na dostatečně velkou plochu povrchu směsi, což má jednak pozitivní vliv na efekt vlastního míchání, jednak se tím minimalizuje pravděpodobnost tvorby nežádoucích shluků ocelových vláken tzv. ježků. Zajištění předepsané dávky drátků pro jednu záměs je velice často zaručeno velikostí balení dodávaného výrobcem. Ti jsou v případě odběru dostatečného objemu vlákna, schopni velikost balení bez problému přizpůsobit potřebám výrobce. 4.3 Doprava, ukládání a hutnění drátkobetonové směsi I zde je třeba mít na paměti, že cílem výroby je beton s rovnoměrně rozptýlenými drátky. Je proto obvykle nevhodné, zpracovávat uloženou drátkobetonovou směs pomocí ponorných vibrátorů. Zejména u směsí s nižší tekutostí a s vyšším obsahem drátků dochází v místě vpichu ponorného vibrátoru k výraznému odtlačení kostry složené z největších zrn kameniva a drátků. Provázání jednotlivých prvků tohoto skeletu brání jeho zpětnému pohybu, takže v uvedeném místě může dojít ke vzniku struktury, která je tvořena pouze jemným kamenivem a cementovým tmelem. Techniku ukládání a dopravy drátkobetonové směsi je třeba přizpůsobit skutečnosti, že pohyblivost směsi může být natolik snížena, že může být příčinou nepoužitelnosti klasických přepravních prostředků, kterými jsou například kontejnery se štěrbinovým uzávěrem. Při operacích s drátkobetonovou směsí je třeba, ne-li objektivnějšími postupy tak alespoň vizuálně, kontrolovat homogenita vyztužení. Porušení rovnoměrnosti rozložení drátků se nejčastěji projevuje tvorbou náhodných shluků drátků. Tyto mohou obsahovat několik dekagramů, ale i několik kilogramů drátků, a jsou zřetelným znamením nevyhovujícího technologického postupu výroby směsi, nebo známkou nedostatečné technologické kázně. Zejména v případech směsí s relativně nízkým obsahem drátků, je opakovaný vznik velkých shluků příčinou snížení očekávaných fyzikálně-mechanických vlastností drátkobetonu. 5. SOUČASNÝ STAV PRODUKCE DRÁTKŮ A DRÁTKOBETONU Objem drátkobetonu, který je v ČR ročně realizován, je překvapivý. Podle údajů největších výrobců drátků, lze množství drátků, které jsou použity pro výrobu drátkobetonu v ČR, odhadnout na 5 až 6 tisíc tun. Uvážíme-li, že největší část je využita při výrobě průmyslových podlah s dávkou cca 25 kg/m3, je ročně vyrobeno více než 200.000 m3 drátkobetonu. Pokud by se skutečně jednalo jen o podlahové konstrukce např. o průměrné tloušťce byla 0,2 m, lze jejich celkovou plochu odhadnout úctyhodnou velikostí 1,000.000 m2. Dalšímu růstu objemu brání zejména cena drátků. Relativní cena drátků, vztažená k ceně obyčejného betonu, je v zahraničí příznivější. Dalšímu rozšíření drátkobetonu jistě napomůže i skutečnost, že čeští odborníci již mají v současné době k dispozici předpis, kterým se mohou řídit při navrhování, výrobě i kontrole jakosti drátkobetonu. ([2],[3]). LITERATURA [1] TRTÍK K., ŠVERMOVÁ L.. Drátkobetony s mimořádně vysokým obsahem kovového vlákna. In Stavební listy 2000, roč.6, č.1, s.18-19. [2] KRÁTKÝ J., TRTÍK K., VODIČKA J., Drátkobetonové konstrukce, Česká společnost pro beton a zdivo a Česká komora autorizovaných inženýrů a techniků, Praha září 1999, ISBN 8086364-00-3 [3] KRÁTKÝ J., TRTÍK K., VODIČKA J., Komentář a příklady ke Směrnici pro drátkobetonové konstrukce, Praha 1999.
