Vysokohodnotný beton v protivýbuchových systémech aplikovaných v ochraně obyvatelstva
Příspěvek shrnuje dosavadní výsledky výzkumných prací týkajících se vývoje pokročilých cementových kompozitních materiálů s vláknovou výztuží určených pro antiteroristické systémy. V rámci experimentálních prací byl sledován vliv různých variant disperzní vláknové výztuže (skelná, čedičová, polymerní a ocelová vlákna v délce od 12 do 55 mm a jejich kombinace) na fyzikálně mechanické vlastnosti kompozitu a jeho odolnost vůči výbuchu. Z vyvinutého materiálu byl navržen bezpečnostní odpadkový koš, jehož konečné rozměry, geometrie a skladebné řešení bylo definováno pomocí numerických simulací v programu LS-Dyna. Odolnost navrženého prvku byla následně verifikována výbuchovými testy na reálném výrobku.
Úvod
Snaha eliminovat možné ohrožení teroristickým útokem v místech s vysokou koncentrací osob byla v minulosti v České republice realizována spíše pasivním způsobem. Například došlo k odstranění odpadkových košů (jako vhodných objektů pro umístění výbušných náloží) z kritických míst, byla zrušena řada úschoven zavazadel, což představuje určitá omezení komfortu občanů. Cílem projektu, v jehož rámci vznikly prezentované výsledky, je tedy vývoj produktů, jež zajistí zvýšení bezpečnosti ve veřejných prostorách jako např. v letištních terminálech, na vlakových a autobusových nádražích, státních úřadech, tj. globálně místech s vysokou frekvencí pohybujících se osob.
Pro nižší požadované úrovně ochrany s důrazem na nízkou cenu se jeví jako vhodný materiál na bázi speciálních vysokopevnostních kompozitů na bázi cementu. Klasické cementové kompozity (betony) zůstávají stále kvazi-křehkým materiálem, a jako takové nejsou schopny přenášet napětí vytvořená tlakovou vlnou výbuchu. V případě exploze v těsné blízkosti betonového prvku vzniká vysokorychlostní tlaková vlna, která atakuje přivrácenou stranu prvku. Část energie se odráží zpět, významná část prochází prvkem, kdy dochází k vývoji vysokých tlaků. Jakmile vlna dosáhne odvrácené strany prvku, část energie se opět odráží a část se šíří dále do vzduchu. Na odvrácené straně prvku přitom vzniká výrazné tahové napětí, které běžný beton včetně vysokohodnotných variant není schopen přenést, dochází k vzniku trhlin, uvolňují se sekundární fragmenty, případně dochází k destrukci betonu. Je-li však matrice kompozitního materiálu vhodně navržena a vyztužena vhodnou vnitřní rozptýlenou výztuží, dojde ke zvýšení houževnatosti materiálu a systém tak dokáže odolat daleko většímu zatížení tlakovou vlnou. Dalším důležitým aspektem tohoto vláknového vyztužení je snížení tvorby sekundárních fragmentů na vnější straně koše.
Varianty navržených kompozitů, použitá vlákna
Do matrice kompozitu sestávající z vysokého podílu cementu třídy 42,5 R, jemnozrnného písku, mikrosiliky a superplastifikátoru byla integrována vláknová výztuž realizovaná jak jednotlivými typy vláken samostatně, tak i jejich kombinací (typy použitých vláken viz Tab. 1). Objemové zastoupení vláken činilo 3 % a představovalo kritérium umožňující vyhodnocení vlivu daného typu vláken na výsledné vlastnosti materiálu. Složení vybraných navržených kompozitů splňujících kritérium stejného objemového podílu vláken je uvedeno v Tab. 2.
| Typ vlákna | Označení | Výrobce | Délka [mm] | Pevnost v tahu [GPa] | Modul pružnosti [GPa] | Protažení [%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Sklo (SK) | NEG-ARG ACS 350y | Nippon Electric Glass | 12 | 3,50 | 70,0 | 2,4 |
| Čedič (ČE) | sekaná | Basaltex | 6 | 0,30 | 100,0 | – |
| Polypropylen (PP) | Krampe Fibrin | Krampe-Harex | 12 | 0,30 | 4,2 | 2,4 |
| Ocel (Fe) | DM 6/0,17 | Krampe-Harex | 6 | 2,10 | – | – |
| Směs polypropylenu a polyethylenu (PP-PE) | BeneSteel 55 | Sklocement Beneš | 55 | 0,61 | 5,2 | – |
| Polyolefinová (PO) | Concrix ES | Brug Contec | 50 | 0,51 | 10,2 | – |
| Samostatná vlákna | |||||||
| Označení směsi | Obsah PP-PE | Obsah PO | Obsah SK | Obsah Fe | Obsah ČE | Obsah PP | % obj. vláken |
| REF | – | – | – | – | – | – | 0 |
| SK 100 | – | – | 53,7 | – | – | – | 3,3 |
| ČE 50 | – | – | – | – | 26,9 | – | 3,1 |
| 0,6Fe 400 | – | – | – | 234,9 | – | – | 3,1 |
| PP 4 | – | – | – | – | – | 2,3 | 3,4 |
| PP-PE | 53,6 | – | – | – | – | – | 3,9 |
| PO | – | 43,0 | – | – | – | – | 3,4 |
| Kombinace vláken | |||||||
| Označení | Obsah PP-PE | Obsah PO | Obsah SK | Obsah Fe | Obsah ČE | Obsah PP | % obj. vláken |
| REF | – | – | – | – | – | – | 0 |
| SK50+ČE37,5 | – | – | 26,9 | – | 20,5 | – | 3,0 |
| SK50+PP10 | – | – | 27,7 | – | – | 5,5 | 3,5 |
| SK50ČE37,5PP2 | – | – | 27,0 | – | 20,3 | 1,1 | 3,6 |
| SK40ČE20PP4 | – | – | 22,2 | – | 10,3 | 2,2 | 3,5 |
| 0,6Fe200SK50 | – | – | 28,7 | 114,8 | – | – | 3,6 |
| 0,6Fe200ČE30 | – | – | – | 113,6 | 15,9 | – | 3,4 |
| Fe130SK22ČE17PP1 | – | – | 12,6 | 75,7 | 9,5 | 0,6 | 3,6 |
| PP-PE 1/4 SK50 | 14,3 | – | 27,9 | – | – | – | 3,2 |
| PO 2/5 SK 60 | – | 22,4 | 33,6 | – | – | – | 2,9 |
Z navržených směsí s různými typy a podíly vláken byly vyrobeny trámce 100×100×400 mm, byla stanovena jejich objemová hmotnost, pevnost v tlaku a pevnost v tahu za ohybu. U vybraných perspektivních směsí byl dále stanoven statický modul pružnosti v tlaku a modul pružnosti v tahu ohybem, tyto charakteristiky posloužily jako vstupní parametry pro numerické simulace zatížení betonu rázovou vlnou. Z vybraných receptur byly dále vyrobeny desky 40×500×500 mm pro výbuchové testy, z nich získaná data byla použita pro další upřesnění numerických simulací.
Zkušební postupy a materiálové charakteristiky
Materiálové charakteristiky trámců
Byla stanovena objemová hmotnost připravených vzorků kompozitu dle ČSN EN 12390–7. Pomocí objemových hmotností čisté matrice a matrice vyztužené vlákny byly dopočteny objemové podíly vláken v materiálu. Vzorky byly dále podrobeny stanovení pevnosti v tlaku a v tahu ohybem dle ČSN EN 12390–3 a 5. Zjištěné charakteristiky jsou uvedeny v Tab. 3.
Graf 1: Pevnost v tlaku a tahu za ohybu vybraných zkušebních vzorků
| Samostatná vlákna | |||
| Označení | Objemová hmotnost [kg/m3] | Pevnost v tlaku [MPa] | Pevnost v tahu ohybem [MPa] |
| REF | 2244 | 110,3 | 6,25 |
| SK 100 | 2136 | 98,1 | 18,80 |
| ČE 50 | 2114 | 88,4 | 6,43 |
| 0,6Fe 400 | 2424 | 115,0 | 18,10 |
| PP 4 | 2171 | 99,8 | 8,65 |
| PP-PE | 2131 | 83,6 | 20,1 |
| PO | 2169 | 95,2 | 14,1 |
| Kombinace vláken | |||
| Označení | Objemová hmotnost [kg/m3] | Pevnost v tlaku [MPa] | Pevnost v tahu ohybem [MPa] |
| REF | 2244 | 110,3 | 6,25 |
| SK50+ČE37,5 | 2136 | 86,9 | 11,27 |
| SK50+PP10 | 2150 | 93,8 | 15,40 |
| SK50ČE37,5PP2 | 2134 | 82,2 | 13,20 |
| SK40ČE20PP4 | 2152 | 94,5 | 11,53 |
| 0,6Fe200SK50 | 2300 | 92,2 | 22,10 |
| 0,6Fe200ČE30 | 2276 | 109,6 | 22,30 |
| Fe130SK22ČE17PP1 | 2255 | 117,9 | 23,30 |
| PP-PE 1/4 SK50 | 2172 | 96,3 | 12,89 |
| PO 2/5 SK 60 | 2193 | 77,8 | 19,85 |
Tři perspektivní receptury (z hlediska sledovaných materiálových parametrů) byly namíchány velkoobjemově za účelem ověření možnosti technologického zpracování plánovaných reálných prvků. U těchto směsí byl stanoven statický modul pružnosti v souladu ČSN ISO 6784 a modul pružnosti v tahu za ohybu dle TP FC 1-1. Výsledné hodnoty jsou uvedeny v Tab. 4.
| Označ. směsi | Objemová hmotnost [kg/m3] | Obsah vláken [% obj.] | Pevnost v tlaku [MPa] | Pevnost v tahu ohybem [MPa] | St. modul pružnosti [GPa] | Modul pruž. tah/ohyb [GPa] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| UNI-SK (SK 100) | 2183 | 3,3 | 86,53 | 18,60 | 29,2 | 18,20 |
| UNI-MIX I. (Fe130SK22ČE17PP1) | 2242 | 3,6 | 97,58 | 10,24 | 32,1 | 26,05 |
| UNI-PP PE (PP-PE) | 2131 | 3,9 | 83,6 | 18,2 | 30,1 | 22,3 |
Po zhodnocení všech kritérií (včetně výsledků testování míry odolnosti deskových vzorků proti výbuchu, viz [1]) byla jako optimální a pro další testy vybrána receptura UNI-SK.
Numerická analýza a modelování rozměrů a geometrie košů
Cílem numerické analýzy byl návrh rozměrových parametrů a celkové skladby bezpečnostního odpadkového koše s hladinou odolnosti 1 kg TNT. Mezní kritérium kladené na koš je stanoveno tak, aby při výbuchu výše uvedené nálože nedošlo k destruktivnímu rozpadu koše a k rozmetání vzniklých fragmentů (výtrží) do okolního prostoru. Vzhledem ke značnému množství možných rozměrových i tvarových variant vyvíjených odpadkových košů předcházelo nákladným reálným výbuchovým testům matematické modelování. Pro numerickou analýzu i následné reálné výbuchové testy byl vybrán materiál UNI-SK tj. kompozitní materiál vyztužený pouze skelnými vlákny, který vykazoval výborné mechanické parametry, velmi dobrou zpracovatelnost, bezproblémovou a snadnou technologii přípravy a také dobrou integritu při výbuchových testech na zkušebních deskách [1].
Obr. 1: Porušení betonu – vnitřní strana, zadní strana a řez ve střední části (koš opatřený laminátovou skořepinou 3,5 mm – vnitřní část a 1 mm – vnější část)Při návrhu rozměrů a geometrie koše se vycházelo z dříve prováděných analýz pro hladinu zatížení 250 g TNT, ze kterých vyplývá minimální potřebná tloušťka stěn koše 200 mm. Byla tedy navržena konstrukce bezpečnostního odpadkového koše odpovídající požadovaným parametrům. Vzhledem k již poměrně vysoké hladině zatížení byl model pro hladinu zatížení 250 g TNT opatřen laminátovou skořepinou, o tloušťce ve vnitřní části 3,5 mm, ve vnější části 1 mm. Trhavina byla umístěna uprostřed volného prostoru koše.
Obr. 2: Umístění trhaviny
Z výsledků numerické simulace (Obr. 1) je patrné, že i když dochází k porušení kompozitního jádra, vnější i vnitřní skořepina přenese tahové napětí a nedojde k fragmentaci a k porušení pláště koše.
V dalším případě byla trhavina umístěna na dno koše (Obr. 2) a bylo zjišťováno, zda stěna koše přenese tlakové napětí od exploze takto umístěné trhaviny.
Obr. 3: Porušení betonového koše po explozi trhaviny umístěné ve spodní části koše (vnější laminátová skořepina 1 mm)
Obr. 4: Porušení betonového koše po explozi trhaviny ve spodní části koše (vnější laminátová skořepina 5 mm)Z uvedeného je patrné, že při dané skladbě koš neodolá výbuchu trhaviny 1 kg TNT (Obr. 3). Proto byla dále navýšena tloušťka vnější laminátové skořepiny na 5 mm. Dle výsledků simulací pro takto navržené řešení by odpadkový koš měl již přenést požadované zatížení [2], viz Obr. 4.
Pro výpočty byl použit multifunkční explicitní a implicitní FE program LS Dyna, určený pro analýzy silně nelineárních fyzikálních dějů spojených s velkými a velmi velkými deformacemi, které probíhají v krátkém časovém úseku.
Reálné výbuchové testy
Na základě numerických analýz byly vytvořeny funkční vzorky odpadkových košů z materiálu UNI SK (kompozitní materiál vyztužený alkalivzdornými skleněnými vlákny o délce 12 mm) v kombinaci s 5 mm silnou vrstvou laminátu pro záchyt fragmentů na vnitřním i vnějším povrchu koše. Tyto koše byly podrobeny reálným výbuchovým testům dle metodiky „Testování bezpečnostních objektů M-VTÚO 11/11“. Byla použita plastická trhavina Semtex C4 v množství odpovídajícím 1 kg TNT a vojenská rozbuška typu 8. U všech testů byla trhavina pověšena na vystředěné dřevěné laťce přímo za iniciační šňůru, její střed byl umístěn 380 mm v hloubce koše. Pro hodnocení fragmentace byly použity kontrolní desky z materiálu AW-1050 H24 s rozměrem 1×2 m, jako podložka pod deskami byla použita 1 vrstva 20 mm pěnového polystyrénu přilepená na OSB desce tl. 18 mm; zástěna, která byla v rovině s testovaným objektem, byla tvořena 5 držáky zástěn [3], viz Obr. 5.
Obr. 5: Reálné výbuchové testy na odpadkovém košiPři výbuchovém testu nedošlo k proražení zástěn, což je základní kritérium pro kladné vyhodnocení testu. Odpadkový koš nevykazoval po zatížení výbuchem žádné známky poškození, lze tedy konstatovat odolnost takto navržené konstrukce koše jako vyhovující hladině zatížení 1 kg TNT.
Závěr
V rámci vývoje cementového kompozitu odolného vůči výbuchu bylo testováno celkem 17 směsí s různým typem vláknové výztuže. I přes zachování stálého objemového podílu vláken se konzistence jednotlivých směsí značně lišila. Některá vlákna v dávce 3 obj. % činila čerstvou směs téměř nezpracovatelnou (ČE), jiná vlákna mohla být pro zachování stále dobré zpracovatelnosti přidána i ve větším množství (PP, Fe). Vliv objemu různých vláken na konzistenci a s ní související zpracovatelnost betonu se pak projevoval ještě výrazněji u kombinace vláken. Navržené směsi s makrovlákny BeneSteel 55 (na bázi směsi polypropylenu a polyetylenu) a CONCRIX ES (polyolefiny) nedosahovaly mechanických parametrů směsí s krátkými vlákny, patrně v důsledku zhoršené zpracovatelnosti směsi. Dobré mechanické parametry byly dosaženy u směsi s kombinací krátkých drátků Fe, ČE, SK a PP u laboratorně připravovaných vzorků. V případě velkoobjemového míchání však nebylo dosaženo srovnatelných výsledků, zřejmě v důsledku nerovnoměrného rozptýlení složitého vláknového systému ve velkém objemu.
Výsledky získané numerickou analýzou jsou ve velmi dobré shodě s reálnými výbuchovými testy. Výbuchové testy na funkčních vzorcích bezpečnostních odpadkových košů potvrzují možnost užití speciálních vysokopevnostních cementových kompozitů pro danou aplikaci i pro vysokou hladinu zatížení výbuchem – 1 kg TNT.
Příspěvek vznikl v rámci řešení projektu č. 13-22945S, který je řešen s finanční podporou Grantové agentury ČR.
Literatura
- SKLORZOVÁ, H.; HOLEŠINSKÝ, R.; BELKO, J., ROLC, S.; ČALKOVSKÝ, P., ŘÍDKÝ, R.: Betony s různým typem rozptýlené výztuže a se zvýšenou odolností proti výbuchu, Technologie, provádění a kontrola betonových konstrukcí, sborník ke konferenci. Praha, Česká betonářská společnost ČSSI, 2012.
- ŘÍDKÝ, R.; POPOVIČ, M.: Numerická analýza k projektu: Protivýbuchové systémy aplikované v ochraně obyvatelstva, Výzkumná zpráva za rok 2012
- ROLC, S. a kol.: Odborná zpráva o postupu prací a dosažených výsledcích za rok 2012 projekt TA 01010975
The paper summarized the results of the research works dealing with the development of advanced cementitious composite materials with fibre reinforcement designed for antiterrorist systems. The effect of different randomly dispersed fibre reinforcement (glass, basalt, polymer and steel fibre of 12–55 mm length and their combinations) on physical mechanical properties of the composite and its overall blast resistance was evaluated. The developed material was used for the design of blast resistant litter bin. The final dimensions, geometry and composition of the layers were defined using the numerical simulations in LS-Dyna implicit/explicit solver. The blast resistance of the element was subsequently verified by blast tests on the real product.