Porovnání pevnostní třídy prostého betonu a vláknobetonu
V současnosti lze používat dvě velmi odlišné metodiky pro zjištění tahových charakteristik vláknobetonu – Model Code 2010 a ČSN P 73 2452. Výsledky destruktivních zkoušek podle uvedených metodik jsou natolik odlišné, že není možné pro testovaný vláknobeton definovat stejnou pevnostní třídu. Článek ukazuje především na rozdílnosti obou metodik pro provádění destruktivních zkoušek, na základě kterých je možné stanovit tahové vlastnosti vláknobetonu, jež jsou nezbytně nutné pro zatřídění do příslušných pevnostních tříd. V článku je posuzován postup pro vyhodnocování tahových vlastností z výsledků destruktivních zkoušek. Zároveň je, z hlediska objektivity, diskutován význam zjištěných pevností pro praktické použití vláknobetonu v nosných konstrukcích.
1 Úvod
Základní vlastnosti každého vyrobeného betonu a vláknobetonu jsou charakterizovány tlakovou pevností, která je odvozena ze standardní série zkušebních těles provedené na válcích a krychlích. Kromě toho je pro vláknobetony nutné znát i charakteristickou tahovou pevnost při vzniku makrotrhliny a při konkrétním (dohodnutém) průhybu. Hodnoty charakteristických pevností v tahu by měly být odvozeny z destruktivních zkoušek na normalizovaných tělesech a především podle jednotné metodiky.
Prudký rozvoj drátkobetonu, který ještě umocňují výrobci drátků a jejich zájem zavést drátkobeton do stavební praxe, kde může být uplatněn jeho přínos v podobě tahové odolnosti, vyústil v usnesení, že v současné době neexistuje jednotná metodika pro hodnocení tahové pevnosti. Velké množství studií prováděných za účelem zjištění tahových pevností jsou prováděny např. podle národních normových předpisů či předpisů výzkumných ústavů.
Rozvoj vláknobetonu v praxi je podmíněn:
- výběrem vhodné aplikace, ve které se uplatní charakteristiky vláknobetonu,
- postupem návrhu vláknobetonové konstrukce, který se co nejvíce přiblíží současným zvyklostem návrhu betonových konstrukcí,
- úspěšnou realizací, která podnítí další aplikace.
Návrh vláknobetonové konstrukce by měl v co nejvyšší míře kopírovat zažité postupy návrhu betonových konstrukcí. Důvodem k tomu je vžitý postup návrhu u navrhovatelů betonových konstrukcí. Pevnosti uvedené v označení betonu a vláknobetonu (tzv. pevnostní třídě) jsou výchozím podkladem pro návrh konstrukce. V současné době v ČR jsou pro výrobu vláknobetonů k dispozici 3 normy:
- ČSN P 73 2450 – Vláknobeton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda [1],
- ČSN P 73 2451 – Vláknobeton – Zkoušení čerstvého vláknobetonu [2],
- ČSN P 73 4252 – Vláknobeton – Zkoušení ztvrdlého vláknobetonu [3].
Příklad značení konstrukčního betonu – ČSN EN 206-1 [4]:
Příklad značení konstrukčního vláknobetonu podle ČSN P 73 2450:
Z uvedených příkladů značení pevnostních tříd je vidět, že konstrukční vláknobeton obsahuje několik pevností v tahu, které charakterizují jeho duktilitu – přednost oproti konstrukčnímu betonu podle [1]. Za označením FRC jsou pevnosti v osovém tahu (přepočteno z výsledků zkoušky ohybem), a to v pořadí ffc,tk,cr (při vzniku makrotrhliny), ffc,tk,0,5 (při průhybu 0,5 mm) a ffc,tk,res,1 (při průhybu 3,5 mm).
V současnosti lze používat dvě velmi odlišné metodiky pro zjištění tahových charakteristik vláknobetonu – Model Code 2010 [5] a ČSN P 73 2452 [3]. Výsledky destruktivních zkoušek podle uvedených metodik jsou natolik odlišné, že není možné pro testovaný vláknobeton definovat stejnou pevnostní třídu.
2 Model Code 2010: Zkouška ohybem při 3bodovém uspořádání
Vlastnosti ztvrdlého vláknobetonu v tahu se získávají z výsledků zkoušek trámců, při tříbodovém uspořádání (Obr. 1) podle převzaté normy EN 14 651 + A1 [6].
Obr. 1 Typické uspořádání zkoušky při měření rozevření trhlin (CMOD)
Obr. 2 Typický průběh křicky F-CMOD pro prostý beton a vláknobeton (vlevo); Zjednodušený model pro výpočet zbytkové pevnosti v jednoosém tahu fFtu na základě zbytkové nominální ohybové pevnosti fR3 (vpravo)
3 ČSN 73 2452: Zkouška ohybem při 4bodovém uspořádání
Obr. 3 Uspořádání zkoušky ohybem pro normalizovaný trámec (vlevo); Průměrný a charakteristický diagram odolnosti (FRi – δti)m a (FRi – δti)k odvození ze zkoušek ohybem vláknobetonových normalizovaných trámců (vpravo)
3.1 Způsob vyčíslení pevností v axiálním tahu pro pevnostní třídu drátkobetonu
A) Idealizace elastického chování vláknobetonu na mezi vzniku makrotrhliny (max FRk,cr při průhybu v intervalu Δδti = 0.05 to 0.40 mm).
B) Idealizace pružno-plastického chování vláknobetonu po vzniku makrotrhliny, při dohodnutém průhybu δt,0.5 = 0.5 mm a odolnosti FRk,0.5.
C) Idealizace pružno-plastického chování vláknobetonu po vzniku makrotrhliny, při dohodnutém mezním průhybu δt,1 = 3.5 mm a odolnosti FRk,res,1.
4 Diskuse k výsledkům zkoušek
Metoda zkoušení při 3bodovém uspořádání se zkušebními tělesy opatřenými zářezem jasně definuje pozici vzniku trhliny, ale již nezohledňuje skutečné rozmístění vláken. Tento typ zkoušky má proto nutně větší rozptyl výsledků než výsledky zkoušek při 4bodovém uspořádání. Tato metoda je platná pouze tehdy, pokud se celá energie soustřeďuje pouze do jediné trhliny, která tvoří jediné místo poškození.
Zkouška ohybem při tříbodovém uspořádání zatížení není vhodná pro stanovení materiálových parametrů u kompozitů s nehomogenní strukturou, jako je vláknobeton. Pro tento typ kompozitu je vhodnější použít 4bodové uspořádání zkoušky.
Dvě výhody zkoušení při 4bodovém uspořádání zkoušky ohybem jsou, že je konstantní hodnota ohybového momentu ve střední třetině vzorku a že je v této oblasti zároveň eliminován vliv smykové síly. Na vzorcích, které nejsou opatřeny zářezem, se makro-trhlina šíří v místě nejslabšího průřezu, tedy v průřezu s nejmenším obsahem vláken, který je vystaven účinku největšího ohybového momentu. Tato metoda zároveň bere v úvahu, že lomová energie je rozptýlena ve střední třetině zkušebního vzorku podrobené čtyřbodovému ohybu.
Ve srovnání se zkouškou ohybem při čtyřbodovém uspořádání, tříbodové uspořádání je soustředěné pouze na oslabení průřezu s dopředu sníženou hodnotou pevnosti v tahu. Při tříbodovém uspořádání nelze nahrávat postupné oslabování průřezu v malých osových vzdálenostech od zářezu. Zároveň při tomto uspořádání nelze najít průřez, kde je obsah vláken snížen. Získané hodnoty z tříbodového uspořádání zkoušky ohybem jsou tak pouze kombinací hodnot v oslabeném řezu a kolem něj. Záleží tak pouze na aktuálním rozložení materiálových vlastností a na množství vláken v tomto zcela konkrétním bodě – což je pro nehomogenní materiál jakým je vláknobeton zcela nepřijatelné. Nejslabší průřez, pokud není přímo těsně nad zářezem, tak nemůže být lokalizován.
Při uspořádání tříbodové zkoušky ohybem se zářezem nelze najít nejslabší průřez zkoušeného tělesa, což je pro nehomogenní materiál jako vláknobeton naprosto zásadní věc. Výsledky jsou vždy nutně ovlivněny materiálovým složením úseku nad zářezem, který zcela neakceptuje náhodné rozdělení tahové pevnosti a distribuci vláken ve zkoušeném vzorku.
Čtyřbodové uspořádání zkoušek ohybem zcela bezpečně lokalizuje nejvíce oslabený úsek kdekoliv ve střední třetině zkoušeného vzorku. Oslabení je definováno sníženou tahovou pevností a změnou polohy bodu na křivce deformace (změna množství vláken v průřezu).
Připojíme-li k uvedeným metodikám zkoušek ohybem modelové simulace (Obr. 4 a Obr. 5), vidíme naprosto rozdílné napjatosti, kterým je posuzovaný vláknobeton vystaven.
Je tak možné učinit závěr, že pro reálnou identifikaci materiálových parametrů vláknobetonu je vhodná pouze zkouška se čtyřbodovým ohybem.
Pouze při tomto uspořádání lze najít průřez, ve kterém se nachází snížený obsah vláken.
Plocha pod diagramem F-δ, sklon sestupné části a hodnoty lomové energie, jsou klíčové charakteristiky pro kalibraci materiálových modělů z vláknobetonu.
Lomová energie je definována jako energie potřebná k otevření makrotrhliny. Tento parametr představuje klíčovou vlastnost materiálu, přičemž nezávisí na velikosti testovaných vzorcích a způsobu uspořádání zkoušky.
Obr. 4 Čtyřbodové uspořádání zkoušky ohybem podle ČSN P 73 2452
Obr. 5 Tříbodové uspořádání zkoušky ohybem podle MC 2010
5 Závěr
Cílem prezentovaného příspěvku je předložit odborné veřejnosti metodiky zkoušek ohybem, kterými lze dnes charakterizovat pevnosti vláknobetonu v tahu. Je proto nezbytné sjednotit názor pro jednu metodiku zkoušky ohybem, na které budou pevnosti vláknobetonu v tahu prokazovány.
Vybraná metodika zkoušky ohybem by měla v každém případě zohlednit výrobu vláknobetonu a jeho reálnou strukturu. Vyčíslené pevnosti v tahu, které je třeba vložit do pevnostní třídy vláknobetonu, by měly být podloženy výstižnými napjatostmi v průřezech, ze kterých se tahové pevnosti vláknobetonu odvozují.
6 Poděkování
Příspěvek byl vypracován za podpory TAČR, číslo projektu TE01020168, GAČR, číslo projektu 14-19561S a SGS15/036/OHK/1T/11.
Literatura
- ČSN P 73 2450 Vláknobeton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda.
- ČSN P 73 2451 Vláknobeton – Zkoušení čerstvého vláknobetonu.
- ČSN P 73 4252 Vláknobeton – Zkoušení ztvrdlého vláknobetonu.
- ČSN EN 206-1 (Z3) Beton – Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda, 2014.
- Model Code 2010, Final draft – Volume 1, FIB Buletin 65, ISBN: 1562-3610, 2012.
- EN 14 651 (A1) Test method for metallic fibered concrete – Measuring the flexural tensile strength (limit of proportionality (LOP), residual), 2005.
At present, the two very different methodologies can be applied to test tensile characteristics of fibre reinforced concrete – MODEL CODE and the Czech national standard – ČSN P 73 2452. The results of the destructive tests, obtained in accordance with the mentioned methodologies are so different that the same strength class for the tested fibre reinforced concrete is not possible to be defined.
The paper proves the diversity of methodologies to perform destructive testing, by which it is possible to obtain the tensile characteristics of fibre reinforced concrete needed to define the same strength class. Procedures for evaluation of tensile characteristics from results of destructive tests are also assessed. Significance of the obtained strengths from the point of view of objectivity for the practical application of the fibre concrete in the load-carrying structures are discussed.