Kompozitní výztuž do betonu
Kompozitní výztuž do betonu se stala stavebním výrobkem stanoveným k povinnému ověřování podle zákona č. 22/1997 Sb. ve znění pozdějších předpisů a nařízení vlády č. 163/2002 Sb. ve znění nařízení vlády č. 312/2005 Sb. a č. 215/2016 Sb. Tato výztuž existuje ve více odlišných typech a podle toho má i významně odlišné vlastnosti, které je nutné při jejím použití důsledně respektovat. Autor z Technického a zkušební ústavu stavebního v Praze seznamuje s podrobnostmi.
1. Úvod
Kompozitní výztuž do betonu se stala stavebním výrobkem stanoveným k povinnému ověřování podle zákona č. 22/1997 Sb. ve znění pozdějších předpisů a nařízení vlády č. 163/2002 Sb. ve znění nařízení vlády č. 312/2005 Sb. a č. 215/2016 Sb. Tato výztuž existuje ve více odlišných typech a podle toho má i významně odlišné vlastnosti, které je nutné při jejím použití důsledně respektovat.
2. Kompozitní výztuž
Kompozitní výztuž se vyrábí pultruzí ze svazku anorganických vláken, pojených vhodnou polymerní pryskyřicí. Po vytvrzení pryskyřice se tažená tyč buď řeže na příslušnou délku, nebo u menších průměrů se navíjí do svitku podobně jako předpínací drát. Z malých průměrů výztuže se pak mechanickým spojením, případně slepením mohou vyrábět i kompozitní sítě, opět dodávané buď ve formě tabulí stanovených rozměrů, nebo ve formě svitků.
Právě možnost dodávky výztuže nebo i sítí ve formě svitků umožňuje ukládat a dělit výztuž na místě spotřeby na přesnou délku bez zbytečných prořezů a stykování. Tím lze významně omezit množství nežádoucího odpadu, který při stříhání tyčové výztuže nebo překrývání ocelových sítí vzniká.
Dodávané průměry výztuže závisejí na technologických možnostech a vybavení konkrétního výrobce, setkat se lze s výztuží už od průměru 2 mm až po průměry přesahující 40 mm.
Na našem trhu se vyskytují nebo mohou vyskytnout kompozitní výztuže z následujících typů vláken:
- skleněné
- čedičové
- aramidové
- uhlíkové
- kombinace uhlíkového a skleněného vlákna.
A s ohledem na možnou variabilitu výroby a globalizované obchodní možnosti nelze vyloučit ani použití jiných typů vláken případně jejich kombinací, účelně využívajících rozdílné vlastnosti jednotlivých druhů vláken. Zatím nejčastějším typem je kompozitní výztuž na bázi skleněných vláken, ojediněle se vyskytuje i výztuž na bázi vláken čedičových a na bázi kombinace skleněných a uhlíkových vláken.
3. Mechanické a fyzikální vlastnosti kompozitní výztuže
Mechanické a fyzikální vlastnosti kompozitní výztuže jsou přímo závislé na použitém typu vláken nebo jejich kombinaci a samozřejmě také na vlastnostech pryskyřice použité jako matrice. Při návrhu je nutné buď stanovit potřebné vlastnosti kompozitní výztuže a tomu přizpůsobit výběr jejího konkrétního typu nebo naopak vycházet z vlastností konkrétního typu kompozitní výztuže a tomu přizpůsobit návrh konstrukce nebo výrobku. Nerespektování specifických vlastností kompozitní výztuže při návrhu a použití povede s vysokou pravděpodobností k negativním, až fatálním následkům.
3.1 Pevnost v tahu, tažnost
Pevnost v tahu a tažnost kompozitní výztuže jsou přímo závislé na typu vláken použitých pro její zhotovení, případně i lokalitě zhotovení. Například z jiných sklovláknových výrobků je známo, že tzv. E-sklo, které se ze surovinových důvodů vyrábí v Evropě, má lepší počáteční pevnosti než tzv. K-sklo, vyráběné v Číně a dalších zemích jihovýchodní Asie, ale naopak horší odolnost vůči alkáliím. Proto se pevnost v tahu výrobků stejné průřezové plochy bude lišit podle výrobce, oblasti původu, případně i obsahu vláken v prutu.
Někteří výrobci dokonce ve svých technických podkladech udávají, že pevnost v tahu závisí nepřímou úměrou i na průměru výztuže – čím větší průměr, tím nižší pevnost.
Podle uvedených důvodů se pevnost v tahu kompozitní výztuže udává u výrobků na bázi skleněných vláken v širokém rozpětí od cca 550 MPa až po 1300 MPa, tažnost při přetržení od 1 % do cca 4 %. Kompozitní výztuž na bázi uhlíkových vláken pak může dosáhnout i pevnosti v tahu kolem 2000 MPa při obdobné tažnosti.
Právě vysoká pevnost výztuže na bázi uhlíkových vláken je důvodem pro používání kombinace skleněných a uhlíkových vláken v jednom profilu. Nosné jádro takové výztuže tvoří uhlíková vlákna, skleněná vlákna ve vnější části průřezu slouží ke zvětšení obvodu a dosažení lepšího přenosu tahové síly z výztuže do betonu. Její pevnost se stanovuje, jako by celý průřez byl z jednoho materiálu, a pohybuje se v rozmezí 1000 až 1800 MPa podle podílu uhlíkových a skleněných vláken.
Obr. 1 Pracovní diagram jednoho z typů kompozitní výztuže
3.2 Modul pružnosti
Stejně jako pevnost v tahu, tak i modul pružnosti kompozitní výztuže je přímo závislý na typu použitých vláken. Z pracovního diagramu na Obr. 1 je zřejmé, že právě modul pružnosti a nikoliv pevnost v tahu bude limitujícím prvkem pro použití kompozitní výztuže. Jeho hodnota u nejběžnější kompozitní výztuže na bázi skleněných vláken se pohybuje mezi 40 až 55 GPa a je tak významně nižší než u oceli.
Konstrukce a dílce na bázi kompozitní výztuže proto bude třeba pečlivě posuzovat zejména s ohledem na mezní stavy přetvoření a šířky trhlin, aby v betonovém průřezu v důsledku zatížení nevznikaly nepřijatelné trhliny.
3.3 Kotevní délka, spojování, soudržnost s betonem
Běžně používaná ocelová výztuž má povrch upravený žebírkováním, jehož tvar a rozměry byly stanovené tak, aby byl zajištěn jednotný známý a stanovený poměr mezi průměrem výztuže a jeho kotevní délkou.
U kompozitní výztuže dosud k podobné konvenci nedošlo a tak se lze na trhu setkat s kompozitní výztuží o nejrůznějších povrchových úpravách, které mají zajistit její soudržnost s betonem. Na trhu je výztuž s povrchem zcela hladkým, s povrchem hladkým se spirálovým ovinutím, s povrchem opatřeným pískovým posypem, s ovinutím a pískovým posypem i s povrchem žebírkovaným. A mohou se vyskytnout i další typy povrchů.
Z uvedeného důvodu je nutné návrh konstrukce nebo dílců na bázi kompozitní výztuže upravit podle soudržnosti s betonem konkrétního typu výztuže. Soudržnost s betonem konkrétního typu výztuže bude stanovována v rámci ověřování vlastností výrobku podle NV pro stavební výrobky a bude možné ji najít v dokumentaci vystavené za tím účelem autorizovanými osobami podle zákona č. 22/1997 Sb. ve znění pozdějších předpisů.
Je zřejmé, že případná záměna navržené kompozitní výztuže bude možná pouze na základě ověření stejné nebo lepší soudržnosti s betonem typu použitého pro záměnu.
Kompozitní výztuž je tvořena svazkem jednotlivých vláken, která jsou vzájemně spojena polymerickou pryskyřicí. Při přenesení tahových napětí z výztuže do okolního betonu tak v povrchové vrstvě výztuže hraje velmi důležitou roli interlaminární smyková pevnost mezi vlákny. Pokud je vlivem zatížení dosaženo její mezní hodnoty, vytvoří se po obvodu výztuže smyková plocha a dojde k prokluzu výztuže v kotevní oblasti a následnému selhání příslušné části konstrukce nebo dílce.
Obecně lze říci, že tato pevnost je u kompozitní výztuže dosti nízká a nelze proto uvažovat s přímým napojováním kompozitní výztuže pomocí tuhých spojek na bázi závitu. Lze použít spojky lepené, ale jejich správná a dostatečná funkce musí být předem ověřena příslušnými zkouškami.
Z důvodu obtíží při kotvení vyšších sil proto nelze kompozitní výztuž zatím doporučit pro předpjaté konstrukce, i když už i toto použití se podle dostupných zdrojů ve světě vyskytlo.
3.4 Reakce na oheň
Ocel je nehořlavý materiál a její reakcí na oheň se při navrhování konstrukcí na účinky požáru nikdo nemusí z toho důvodu zabývat. Ne tak kompozitní výztuž, k jejíž výrobě je použito významné množství polymerické pryskyřice. Její reakci na oheň je samozřejmě možné upravit přidáním retardantů hoření, ale taková úprava může změnit vlastnosti výztuže a zejména může významně zvýšit její cenu.
Proto lze zatím doporučit kompozitní výztuž do konstrukcí s předepsanou požární odolností buď nepoužívat vůbec, nebo předem ověřit její požární odolnost příslušnou zkouškou, doplněnou stanovením třídy reakce na oheň použité kompozitní výztuže Je však nutné upozornit, že požární zkoušky jsou bez výjimky finančně i časově značně náročné.
3.5 Trvanlivost, odolnost vůči cyklickému zatížení
Velkou výhodou kompozitní výztuže je její odolnost vůči korozi oxidací. Této vlastnosti bude možné s výhodou využít zejména u konstrukcí vystavených účinkům vody nebo agresivních látek, případně u konstrukcí zhotovených z mezerovitých betonů, záměrně propouštějících vodu nebo vzduch (např. protihlukových prvků).
Na druhou stranu některé typy vláken, zejména vlákna skleněná, špatně odolávají opakovaným změnám napětí, ke kterým dochází v cyklicky nebo dokonce dynamicky namáhaných konstrukcích. Pro takové účely bude nutné volit kompozitní výztuž na bázi uhlíkových vláken, která naopak mají dobrou únavovou odolnost.
Správná volba typu kompozitní výztuže ve vztahu k požadované životnosti konstrukce a druhu jejího namáhání tak bude základním prvkem jejího správného návrhu a použití.
4. Závěr
Kompozitní výztuž do betonu je relativně nový a pro některá použití jistě velmi zajímavý a výhodný výrobek. Její mechanické a fyzikální vlastnosti se ovšem významně odlišují od dosud používané výztuže ocelové a tento fakt je nutné při návrhu a použití důsledně respektovat.
Odlišné vlastnosti kompozitní výztuže lze s výhodou využít například zejména tam, kde ocelová výztuž nevyhovuje z důvodu koroze. Naopak bezmyšlenkovitá náhrada ocelové výztuže tou kompozitní může vést k pozdějším velmi závažným poruchám. Proto je nutné při návrhu kompozitní výztuže do betonu přesně specifikovat, jaké vlastnosti použitá výztuž má mít a tyto vlastnosti pak při zhotovování konstrukce důsledně respektovat výběrem správného typu.
Otvírají se rovněž nová použití kompozitní výztuže, například v asfaltobetonových vozovkách, kde ocelová výztuž na rozdíl od kompozitní činí závažnou překážku při případných pozdějších opravách. A jsou i jiná použití, například tvarované kompozitní spřahovací trny do sendvičových prvků.
Kompozitní výztuž do betonu jako nový výrobek je tedy na trhu a její úspěch při použití bude přímo závislý na invenci a odborné způsobilosti výrobců i uživatelů.
Literatura
- Protokoly o zkouškách kompozitní výztuže, Technický a zkušební ústav stavební Praha s.p., pobočka Brno, 2013-2017
- Nařízení vlády č. 163/2002 Sb. ve znění nařízení vlády č. 312/2005 Sb. a č. 215/2016 Sb., kterým se stanoví technické požadavky na vybrané stavební výrobky
- Technický návod pro činnosti autorizovaných osob při posuzování shody stavebních výrobků podle NV č. 163/2002 Sb. ve znění NV č. 312/2005 Sb. a NV č. 215/2016 Sb. č. 01.02.c „Kompozitní výztuž na bázi skleněných nebo uhlíkových vláken nebo jejich kombinace“, www.tzus.cz
- ISO 10406-1 Fiber-reinforced polymer (FRP) reinforcement of concrete – Test methods – Part 1: FRP bars and grids
The composite materials for strengthening/reinforcement a concrete has become the new construction product set up for compulsory verification pursuant to Act No. 22/1997 Coll. (č. 22/1997 Sb.) as amended by Government Ordinance No. 163/2002 Coll. (č. 163/2002 Sb.) as amended by Government Decree No. 312/2005 Coll. and No. 215/2016 Coll (č. 312/2005 Sb. a č. 215/2016 Sb.) This reinforcement exists in several different types, and accordingly, it also has significantly different properties which must be strictly respected in its use.