Vysokohodnotý beton — aktualizace v roce 2011

Vysokohodnotný beton se v praxi uplatňuje stále významněji. Tím je získávána řada nových zkušeností a jsou korigovány i některé údaje z knihy Vysokohodnotný beton. Hlavní důraz je kladen na vysvětlení smrštění a jeho eliminace v případě vysokohodnotného betonu. Na příkladech je ukázáno, že konstrukce z vysokohodnotného betonu lépe naplňují požadavky udržitelného rozvoje. Jsou uvedeny zkušenosti z aplikací vysokohodnotného betonu v minulosti a rovněž příklady nových konstrukcí, postavených s využitím vysokohodnotného betonu.

Kniha High Performance Concrete vyšla v roce 1998 (v českém překladu jako „Vysokohodnotný beton“ v roce 2005). I o třináct let později je z velké části stále aktuální. Byla přeložena ve Francii, Brazílii, Česku, Španělsku a brzy by měla být k dispozici i její čínská verze. Ovšem věda a technologie týkající se vysokohodnotného betonu za těch třináct let pokročila. Záměrem tohoto článku je aktualizovat uvedenou knihu a doplnit některé nové pohledy na tuto oblast. Pro výrobu vysokohodnotného i běžného betonu jsou používány stejné materiály. Oba typy betonů podléhají stejným fyzikálním, chemickým a termodynamickým zákonům a samozřejmě i zákonům trhu. Ovšem vysokohodnotný beton se může chovat odlišně než běžný beton, poněvadž některé vlivy, které působí na praktické vlastnosti běžného betonu pouze nepatrně, mají výrazné dopady na obdobné vlastnosti vysokohodnotného betonu.

Hlavní rozdíl mezi vysokohodnotným a běžným betonem

Podstatným rozdílem je vodní součinitel w/c

  • v případě běžného betonu se w/c pohybuje v rozmezí zhruba 0,42 až 0,60 (nebo i ještě více), takže běžný beton obsahuje více vody, než je třeba na plnou hydrataci všech zrn cementu,
  • vysokohodnotný beton se vyznačuje vodním součinitelem menším než 0,42, takže obvykle vysokohodnotný beton neobsahuje dostatek vody pro plnou hydrataci všech cementových zrn.

Vodní součinitel není jen nějaké teoretické číslo bez fyzikálního významu. Z matematického modelu hydratace cementu, který vypracoval Bentz [1], plyne, že vzdálenost zrn cementu v pastě je přímo úměrná vodnímu součiniteli w/c [2]. Čím nižší je vodní součinitel, tím menší je vzdálenost mezi zrny cementu v pastě, a tím silnější vazby mezi hydratujícími zrny cementu během hydratace vznikají.

Matematický model cementové pasty (Dale, Bentz)

Jaké hodnoty w/c jsou obvyklé při výrobě vysokohodnotného betonu

  • obvykle 0,30 až 0,40
  • ve zvláštních případech 0,25 až 0,30
  • v případě kompozitů ultravysokých pevností 0,18 až 0,20.

Položme si logickou otázku: Jak to, že pevnost vysokohodnotného betonu roste přesto, že w/​​c je menší než 0,42 a v betonu tedy není dost vody pro úplnou hydrataci všech cementových zrn?

Odpověď zní: Protože pevnost betonu závisí především na vzdálenosti jednotlivých zrn cementu v pastě, méně již na počtu zrn, která zhydratovala.

Pokud jsou zrna cementu vzájemně hodně vzdálena, musejí hydráty vyrůstající z jednoho zrna překonávat velkou vzdálenost, než se setkají s hydráty rostoucími z jiného zrna. Teprve pak vytvoří fyzikální vazbu. Ovšem tyto vazby nejsou tak pevné, jako když jsou zrna cementu blízko u sebe. V tom spočívá tajemství vysokohodnotného betonu. 

Tento závěr je vlastně jen jinak řečeno to, co je uvedeno v knize Vysokohodnotný beton. Tam se zdůrazňuje menší pórovitost pasty s nízkým vodním součinitelem. Malá vzdálenost zrn a krátké hydráty mezi zrny cementu představují vlastně pouze jinou interpretaci nízké pórovitosti.

Zmenšení vzdálenosti mezi cementovými zrny v pastě

Vzdálenost mezi cementovými zrny, tedy vodní součinitel, je samozřejmě možné zmenšit použitím superplastifikátoru, což je syntetický polymer speciálně vyvinutý k tomu, aby potlačil přirozenou tendenci cementových zrn ve vodě flokulovat.

Proč zrna cementu po tom, co přijdou do kontaktu s vodou, flokulují?

V první řadě, mletí portlandského slinku generuje velké množství kladných a záporných nábojů na povrchu cementových zrn. A za druhé, molekuly vody jsou polární, poněvadž těžiště kladných a záporných nábojů neleží v jednom bodě. Z tohoto důvodu se molekuly vody chovají jako dipóly. Tyto dipóly vytvářejí interpartikulární vazby, které jsou dostatečně silné na to, aby vytvořily shluky (flokule) cementových zrn, které vypadají podobně jako domečky z karet. Uvnitř těchto domečků je zachycen určitý podíl záměsové vody, která tak není nadále k dispozici pro zlepšení plasticity betonu a k usnadnění jeho ukládání.

K potlačení flokulace bývají používány dva typy polymerů

  • polysulfonáty, působící v podstatě elektrostaticky,
  • polyakryláty, působící zejména stericky.
Schématické znázornění elektrostatického odpuzování 
Schématické znázornění sterického odpuzování

Když molekuly superplastifikátoru obalí zrna cementu, stávají se tato elektricky neutrální, a tím pádem nezachycují tolik vody, která je nyní k dispozici na zlepšení zpracovatelnosti betonu [3]. V současné době je s cementy s nízkým obsahem C3S a C3A možné vyrábět plastické betony s w/c ≈ 0,28 a v některých případech i 0,25.

Hydratace portlandského cementu

Jednoduchý experiment

Více než před sto lety provedl Henri Le Chatelier velmi jednoduchý experiment, ukazující fyzikální důsledky hydratačních reakcí [4]. Dvě baňky s úzkým vysokým hrdlem naplnil cementovou pastou. Jednu z nich naplnil vodou až po značku, takže hydratační reakce probíhaly pod vodou. Aby zabránil odpařování, uzavřel obě baňky skleněnou zátkou.

Le Chatelierův experiment, schéma experimentu
Opakování Le Chatelierova experimentu

Ani ne po 24 hodinách Le Chatelier zjistil, že hladina vody v trubici poklesla a její pokles pokračoval i během následujících dní, načež se ustálil na konstantní hodnotě. Objem vody, která penetrovala během hydratace do cementu, představoval téměř 8 % původního objemu pasty. Navíc Le Chatelier pozoroval, že baňka praskla díky rostoucímu zdánlivému objemu cementové pasty. Na rozdíl od toho současně pozoroval, že se zdánlivý objem pasty tvrdnoucí na vzduchu zmenšil – pasta už baňku zcela nevyplňovala.

Tato zjištění jsou z praktického hlediska nesmírně důležitá. Během hydratace se zdánlivý objem cementové pasty mění v souladu s podmínkami ošetřování. Je tedy možné konstatovat, že:

  • probíhá-li hydratace na vzduchu, zdánlivý objem cementové pasty klesá, i když (jako v tomto případě – uzavřená baňka) nedochází ke ztrátě hmotnosti,
  • pokud hydratace probíhá pod vodou, zdánlivý objem pasty roste, zatímco určitý objem vody (roven 8 % původního objemu pasty) penetruje do pasty.

Z těchto pozorování Le Chatelier odvodil následující:

  • absolutní objem cementové pasty během hydratace klesá o 8 %, protože hydráty, které vznikají, mají absolutní objem menší než součet absolutního objemu (objem pevných složek) cementu a reagující vody,
  • zdánlivý objem cementové pasty roste nebo klesá podle podmínek ošetřování: 
    • pokud k hydrataci dochází na vzduchu, zdánlivý objem klesá, 
    • pokud hydratace probíhá ve vodě, zdánlivý objem roste.

Tato redukce absolutního objemu se nazývá chemické smrštění (ve francouzské literatuře také Le Chatelierovo smrštění). Zmenšení zdánlivého objemu při hydrataci na vzduchu je možné jednoduše vysvětlit. Menisky, které vznikají v pórech, vytvořených díky chemickému smrštění, vyvolávají tahové napětí v pastě, které způsobuje kontrakci zdánlivého objemu pasty. Tento mechanismus je obecně přijímán, ovšem jeden z jeho autorů, F. H. Whittmann, jej podrobil kritice a zdůrazňuje význam i jiných vlivů než pouze působení menisků [5]. Vysvětlit bobtnání pasty, která hydratuje pod vodou, není tak snadné. Může to být způsobeno preferenčním vývojem krystalů, které vykazují rychlý růst (portlandit, ettringit) a působí jako drobounké zvedáky, což následně způsobuje růst zdánlivého objemu hydratující cementové pasty.

Kromě toho bylo v poslední době zjištěno, že, pokud hydratace probíhá za semiadiabatických podmínek, dochází k výraznému růstu objemu [6]. Toto výrazné zvětšování počátečního zdánlivého objemu za semiadiabatických podmínek může být velmi významné z hlediska praxe, protože by možná mohlo výrazně snižovat autogenní smrštění vysokohodnotných betonů. To by mohlo mít významný dopad na trvanlivost a následně na udržitelnost konstrukcí z vysokohodnotného betonu.

Pokles zdánlivého objemu cementové pasty ošetřované na vzduchu bez odpařování vody

Pokud neexistuje vnější zdroj vody, která by zaplňovala kapiláry vznikající v důsledku chemického smrštění, vzniknou v těchto kapilárách menisky. Čím jemnější kapiláry, tím vyšší je tahové napětí generované menisky, a tím výraznější bude kontrakce zdánlivého objemu. Tato kontrakce zdánlivého objemu se nazývá autogenní smrštění. Protože ve vysokohodnotném betonu je kapilární systém daleko jemnější než v běžném betonu, dochází k objemové kontrakci v důsledku autogenního smrštění dříve a probíhá velmi rychle.

K autogennímu smrštění dochází v každém betonu, protože jde o nevyhnutelný důsledek hydratačních reakcí, pokud tyto probíhají bez vnějšího zdroje vody. V běžném betonu je kontrakce příslušející autogennímu smrštění zanedbatelná, protože menisky vznikají ve velkých kapilárách, kde generují pouze slabá tahová napětí.

Naopak, ve vysokohodnotném betonu vznikají menisky ve velmi jemných kapilárách, takže tahová napětí jsou daleko silnější. Čím nižší je vodní součinitel, tím větší je autogenní smrštění. Kromě toho se autogenní smrštění vyvíjí velmi brzy během hydratačního procesu, kdy mohou tahová napětí způsobit časné popraskání pasty. Tím je snížena trvanlivost vysokohodnotného betonu. Vysokohodnotný beton je sice sám o sobě nepropustný, ale protože je protkán sítí mikrotrhlin, je nepropustný pouze mezi mikrotrhlinami. Konstrukce z vysokohodnotného betonu tedy může být propustná.

V některých betonech je generováno smrštění i menisky, které se tvoří, pokud se kapilární voda z betonu odpařuje – beton vysychá. V běžných betonech dochází k výraznějšímu smrštění od vysychání vody než ve vysokohodnotném betonu, ale toto smrštění nastává obvykle později, když beton již vykazuje významnou tahovou pevnost. Ve vysokohodnotném betonu je smrštění vysycháním nízké, protože průměr menisků v kapilárách byl již dříve zmenšen díky autogennímu smrštění a odpařování vody je tak znesnadněno.

Grafické znázornění hydratačních reakcí

Powers [7] studoval kolem roku 1950 hydratační reakce kvantitativně. Ukázal, že, má-li dojít k úplné hydrataci, je nezbytné, aby byl vodní součinitel 0,42. Tato hodnota vodního součinitele je podstatně vyšší než hodnota 0,22, což je hodnota nezbytná k tomu, aby hydratační reakce proběhly z hlediska stechiometrie. Část hydratační vody je totiž pevně fyzikálně vázána na hydrátech. V roce 2001 prezentovali Jensen a Hansen [8] velmi jednoduché grafické znázornění hydratačních reakcí. Osa představuje stupeň hydratace. Během hydratačního procesu roste stupeň hydratace od 0 do 1, kdy jsou veškerá cementová zrna zhydratovaná. Osa znázorňuje relativní objem cementu a vody v pastě. Předpokládá se, že pasta neobsahuje žádný zachycený vzduch.

Schématické znázornění hydratace podle Jensena a Hansena

Hydratace pasty s vodním součinitelem 0,60 bez vnějšího zdroje vody

Z obrázku níže je patrné, že na konci hydratace je hydratovaná pasta složena ze čtyř komponent:

  • hydrátů
  • vody fyzikálně vázané na hydráty
  • kapilární vody (protože vodní součinitel je větší než 0,42)
  • pórů – díky chemickému smrštění je jejich objem asi 8 %
Schématické znázornění cementové pasty s w/c = 0,60; bez vnějšího zdroje vody

Hydratace pasty s vodním součinitelem 0,42 bez vnějšího zdroje vody

Vodní součinitel 0,42 umožňuje úplnou hydrataci cementu, takže na konci hydratačního procesu v pastě není zbytková kapilární voda, ale pasta má stále pórovitost 8 %, díky chemickému smrštění.

Schematické znázornění cementové pasty s w/c = 0,42; bez vnějšího zdroje vody

Hydratace pasty s vodním součinitelem 0,36 za přítomnosti vnějšího zdroje vody

V tomto případě Hansen a Jensen ukázali, že vnější voda je schopna podílet se dodatečně na hydrataci cementu (jako v pastě s vodním součinitelem 0,42) a zaplnit 8 % pórů. Pokud dojde k úplné hydrataci cementu, je hydratovaná cementová pasta složena pouze z pevné fáze bez pórovitosti – tzn. pouze z hydrátů a jimi vázané fyzikální vody.

Schematické znázornění cementové pasty s w/c = 0,36; s vnějším zdrojem vody

V reálných podmínkách tato situace samozřejmě nikdy nenastane, protože, za prvé, nikdy nedojde k úplné hydrataci cementových zrn (alespoň ne těch hrubších), a za druhé tím, jak se cementová pasta stává stále nepropustnější díky pokračující hydrataci, nemůže vnější voda tak snadno penetrovat do všech částí cementové pasty. V každém případě ovšem betony s vodním součinitelem 0,36, které jsou pečlivě ošetřovány vodou, vykazují velmi nízkou pórovitost, jsou nepropustnější, a tím trvanlivější a z hlediska udržitelného rozvoje výhodnější než běžné betony.

Hydratace pasty s vodním součinitelem menším než 0,36 bez vnějšího zdroje vody

Z obrázku níže je zřejmé, že v tomto případě není v pastě dostatek vody k úplné hydrataci všech cementových zrn, takže hydratace se zastaví v důsledku nedostatku vody. Na konci hydratačního procesu je hydratovaná pasta složena z následujících složek:

  • zbylých nezhydratovaných zrn 
  • zhydratované cementové pasty
  • adsorbované vody
  • pórovitosti
Schematické znázornění cementové pasty s w/c = 0,30; bez vnějšího zdroje vody

Pokud není dostatek vnější vody, pórovitost nemůže být potlačena. Proto pro získání trvanlivého vysokohodnotného betonu je nezbytné ošetřovat jej vnější vodou (vnější vzhledem k pastě).

Detekce trhlin během tvrdnutí betonu prostřednictvím akustické emise

Zajímavý náhled do dějů, které probíhají během tuhnutí a tvrdnutí betonů, poskytuje akustická emise. Tato metoda je schopna zaznamenávat vznik mikrotrhlin, protože jejich tvorba je provázena akustickými signály. Ačkoli problematika detekce signálů není jednoduchá, výsledky jsou poměrně jednoznačné [9].

Na obrázku níže je zachycen vývoj kumulativní četnosti Nc akustických signálů při tuhnutí a tvrdnutí betonů s vodním součinitelem 0,33 a 0,43. Byly sledovány trámce 100 x 100 x 400 mm obalené folií (bez výměny vody s prostředím) a trámce zrající volně v laboratoři.

Kumulativní četnosti signálů akustické emise ve vzorcích z betonu s vodním součinitelem w = 0,33 a w = 0,43 — trámce obaleny folií
Kumulativní četnosti signálů akustické emise ve vzorcích z betonu s vodním součinitelem w = 0,33 a w = 0,43 — trámce zrající volně v laboratoři

Výsledky jsou velmi přesvědčivé. Vysokohodnotný beton s vodním součinitelem 0,33 neobsahuje dostatek vody, obalení folií není dostatečným ošetřením a díky autogennímu smrštění je během prvních sedmi dní zrání (168 hodin) detekováno velké množství mikrotrhlin. Křivka kumulativní četnosti akustických signálů má navíc stále rostoucí tendenci. Naopak, beton s vodním součinitelem 0,43 obsahuje dostatek vody a zabránění odpařování je dostatečným ošetřováním. Mikrotrhlin vzniká podstatně méně.

Pokud jsou ale trámce ponechány tak, aby zrály volně, tedy bez ošetřování, vzniká v obou případech mikrotrhlin daleko více, zejména v betonu s vyšším vodním součinitelem. Prezentované výsledky zdůrazňují důležitost ošetřování betonu, jak to bylo diskutováno v předešlém odstavci.

Ošetřování vysokohodnotného betonu vnitřním zdrojem vody

Nejlepším způsobem ošetřování vysokohodnotného betonu vnitřním zdrojem vody je nahradit určitý objem kameniva stejným objemem nasáklého lehkého kameniva. Je lépe použít lehkého drobného kameniva, protože je poréznější než lehké hrubé kamenivo, a to umožňuje nahradit pouze menší objem kameniva. Během míchání jsou pórovitá nasáklá zrna rovnoměrně rozptýlena v betonu, takže v pastě je vždy blízko zdroj vody k cementovým zrnům.

Vnitřní ošetřování (samoošetřování) prostřednictvím nasáklého lehkého jemného kameniva
Vnitřní ošetřování (samoošetřování) prostřednictvím nasáklého lehkého jemného kameniva 

Jakmile započnou hydratační reakce, začnou jemné póry, vzniklé díky objemové kontrakci hydratující pasty, nasávat vodu z velkých pórů lehkého kameniva. Menisky v jemných kapilárách hydratující cementové pasty nevznikají, naopak, vznikají velké menisky v pórech lehkého kameniva, ovšem bez jakéhokoli vlivu na autogenní smrštění pasty.

Pokud v kapilárních pórech v hydratující pastě nejsou menisky, negeneruje se v pastě ani tahové napětí a nedochází k autogenní kontrakci.

Jako doplněk k vnitřnímu ošetřování betonu je vždy nezbytné ošetřovat prvky z vysokohodnotného betonu i vnější vodou (vnější vzhledem k betonu), aby zhydratoval co nejúplněji cement na povrchu betonu – na jeho pokožce, která je první ochranou vyztužující oceli [10].

Specifikace ošetřování musí být velmi přesná a detailní a ošetřování musí být kontraktorem placeno zvlášť. Osobně se mi velmi líbí specifikace předepsaná městem Montrealem, protože zahrnuje zvláštní platbu za tuto činnost.

Vnější ošetřování betonu. Dostali zvlášť zaplaceno za ošetřování, takže to provádějí svědomitě.
Vnější ošetřování pomocí membrány nastříkané na povrch čerstvého betonu

Použití rozprašovacího zařízení, které se běžně používá při péči o květiny, je velmi vhodným účinným vnějším ošetřováním betonu. Toto zařízení není drahé, dá se snadno instalovat a je velmi účinnou zbraní v boji proti různým typům smrštění (plastickému, autogennímu, smrštění vysycháním).

Mlžení betonu kvůli zabránění plastickému smrštění

Vysokohodnotný beton a udržitelný rozvoj

Je snadné ukázat, že vysokohodnotný beton splňuje požadavky udržitelného rozvoje lépe než běžný beton. Na níže uvedeném obrázku je znázorněno množství cementu a kameniva, které je použito na zhotovení nevyztužených sloupů, které by měly přenášet stejné zatížení a které jsou vybetonovány z betonů s pevností 25 a 75 MPa.

Vysokohodnotný beton je výhodnější než běžný beton, C – cement, C.A. – hrubé kamenivo, F.A. – jemné kamenivo

Abychom mohli oba betony srovnávat, předpokládejme, že na 1 m3 betonu s pevností 75 MPa je třeba použít 450 kg cementu, 1 050 kg hrubého kameniva a 675 kg písku, zatímco na 1 m3 betonu s pevností 25 MPa je třeba použít 300 kg cementu a přibližně stejné množství kameniva.

Protože na sloup z betonu s pevností 25 MPa je třeba třikrát více betonu pro přenesení stejného zatížení, je třeba nakonec použít třikrát více kameniva. Na sloup z betonu 75 MPa je nakonec třeba použít dvakrát méně cementu a samozřejmě zhruba 5 až 6 l superplastifikátoru na každý m3.

Ve vysokohodnotném betonu je pojiva využito lépe, protože vodní součinitel je nižší a zrna cementu jsou blíže u sebe, takže vazby mezi nimi, které vznikají v důsledku hydratace, jsou pevnější. Kromě toho v současnosti může pojivo na výrobu betonu s pevností 75 MPa obsahovat zhruba 20 až 30 % příměsí. A technologie betonu směřuje k vyšším náhradám portlandského cementu příměsmi – až 50 %. Potomby z dávky cementu potřebné na 25 MPa beton mohly být vybetonovány čtyři sloupy, samozřejmě s použitím superplastifikátoru.

Při betonáži konstrukčních prvků namáhaných tahovým napětím nebude úspora portlandského cementu při použití vysokohodnotného betonu tak vysoká, ale stále bude velmi významná.

Dalším příkladem, který vyplývá přímo z praxe, může být výroba betonového zábradlí pro lodžie. Běžně se vyrábí v tloušťce 80 mm z betonu třídy C25/30 až C35/45. V rámci řešení projektů CIDEAS a FR TI 1/004 bylo vyvinuto tenké zábradlí, s tloušťkou desky jen 40 mm, s ocelovou výztuží pouze v obvodovém rámu.

Na výrobu byl vyvinut beton C60/75 s polymerními vlákny. I když tento beton obsahuje podstatně více cementu a příměsí, díky úspoře zejména cementu a ocelové výztuže vychází energetická náročnost tenkého zábradlívasi poloviční a stejně tak potenciál globálního oteplení [11]. Environmentální analýza provedená v [11] uvažuje i dopravu materiálů a hotových výrobků. Výhody vysokohodnotného betonu jsou tedy zhodnoceny velmi komplexně.

Příklady venkovních konstrukcí z vysokohodnotného betonu

Od vydání knihy Vysokohodnotný beton v roce 1998 byl vysokohodnotný beton použit v mnoha venkovních konstrukcích. Pro tento článek jsem vybral šest z nich, které pokládám za zvláště zajímavé z různých úhlů pohledu:

  • Most konfederace v Kanadě
  • viadukt v Millau ve Francii
  • věž Burj Khalifat v Dubaji
  • nádrže na zkapalněný plyn v Osace v Japonsku
  • lávku v Sherbrooke v Kanadě
  • rozšíření letiště Haneda v Tokiu v Japonsku

Most konfederace v Kanadě

V knize Vysokohodnotný beton je publikováno několik fotografií z výstavby tohoto mostu. Nyní si všimněme dvou aspektů, týkajících se jeho trvanlivosti a jeho rozměrů. 

Most konfederace je 13 km dlouhý prefabrikovaný most, který byl postaven z betonu s pevností 83 MPa, s obsahem vzduchu 6 %, aby byla zabezpečena mrazuvzdornost ve zvláště tvrdých podmínkách, v kterých most stojí. Každý z prefabrikovaných nosníků vážil 7 500 t, což je o 300 t více, než kolik váží Eiffelova věž v Paříži. Po třinácti letech vystavení extrémně tvrdým podmínkám je beton stále ve výborném stavu.

Viadukt v Millau

Tento viadukt představuje kompozitní konstrukci se sloupy z vysokohodnotného betonu, ocelovou mostovkou a ocelovými lany. Nejvyšší sloup byl postaven z vysokohodnotného betonu s pevností 60 MPa a je vyšší než Eiffelova věž. 

Osm týmů složených z architektů, inženýrů a dodavatelů navrhlo různé alternativy, jak most postavit. Na konci výběrového procesu to byl tým vedený sirem Fosterem a Eiffagem a dodavatelskou firmou založenou Gustavem Eiffelem, který zvítězil v soutěži. Viadukt je nepochybně praktický, splňuje požadavky udržitelného rozvoje a je i příkladem současné architektury a technického umu.

Burj Khalifat Tower v Dubaji

V současnosti 848 m vysoká věž je nejvyšší budovou na světě. Pro srovnání Eiffelovka je pouze 300 m vysoká a Petronas Towers „jen“ 450 m. Prvních 610 m této věže bylo postaveno z čerpaného vysokohodnotného betonu s pevností 80 MPa. Posledních 218 m je tvořeno ocelovou konstrukcí.

Byl to profesor Kamal Khayat a jeho asistenti z university v Sherbrooke, kteří optimalizovali složení betonu z materiálů dostupných v Dubaji. Dodavatelem byla firma Samsung Korea, čerpadlo bylo německé a inženýr zodpovědný za čerpání byl Australan. Jak hezký příklad multinárodní spolupráce! Hmotnost 100mm hliníkového potrubí, kterým byl beton čerpán do výšky 610 m, byla 50 t a pojmulo 12 m3 betonu, než bylo dosaženo horní úrovně. 

Profesor Kamal Khayat a jeho asistenti optimalizují složení 80MPa samozhutnitelného vysokohodnotného betonu, který bude použit pro ještě vyšší stavbu v Jeddah v Saudské Arábii. Tato stavba má mít výšku 1 200 m a konstrukce má být výhradně z vysokohodnotného betonu. Ve skutečnosti experti z firmy Samsung nechtěli stavět z oceli ani vyšší části

Burj Khalifat Tower, protože dva jeřáby byly na stavbě dva měsíce dnem i nocí vytíženy jen dopravou ocelových dílů. Pro výstavbu 1 200 m vysoké věže v Jeddah jsou zvažovány dva scénáře:

  • čerpání betonu do výšky 1 000 m prostřednictvím nového čerpadla, které je v současnosti vyvíjeno v Německu, a doplnění tohoto čerpadla dalším pro výšku mezi 1 000 a 1 200 m,
  • použití dvou 600m čerpadel v řadě.

Bude to stejný australský expert, kdo bude dozorovat čerpání. V tak inovativní konstrukci není důvod úspěšný tým měnit.

Zásobník na kapalné plyny v Osace

Původně byl kapalný plyn skladován v izolovaných ocelových tancích, majících betonové krytí pro případ nehody. S tím, jak bylo na umělém ostrovu stále méně a méně prostoru pro výstavbu nových tanků, společnost Obayashi navrhla Osace Gas postavit dodatečně předepnutý izolovaný betonový zásobník s použitím konvenčního 30MPa betonu, který může pojmout dvakrát více plynu na čtvereční metr. 

První zásobník ještě ani nebyl dokončen a Osaka Gas už objednala další, ovšem během stavby druhého zásobníku navrhli inženýři z Obayashi postavit třetí dodatečně předepnutý zásobník s použitím 60MPa samozhutnitelného betonu. Tento by měl pojmout čtyřikrát více plynu na čtverečný metr umělého ostrova a měl by být vybudován třikrát rychleji.

Při stavbě dvou prvních zásobníků z betonu s pevností 30 MPa a se sednutím kužele 100 až 150 mm bylo nutné omezit každou dodávku betonu na 1,2 m3 a využít velkého množství pracovníků na vibraci betonu. Při použití 60MPa samozhutnitelného betonu nebude nutné vibrovat. Zkrácení doby výstavby se odrazí v nižších nákladech daleko výrazněji, než vyšší cena samozhutnitelného betonu s pevností 60 MPa.

Lávka v Sherbrooke, Kanada

Beton z reaktivních práškových složek (Reactive Powder Concrete – RPC) představuje maltu či pastu s velmi nízkým vodním součinitelem a ocelovými vlákny. Pierre Richard, objevitel reactive powder concrete, pracuje s tímto typem malt podobně jako se železobetonem, protože rozměrové relace mezi vlákny a nejhrubšími zrny písku, použitými v RPC, jsou podobné, jako poměry mezi ocelovou výztuží a nejhrubšími zrny kameniva v běžných betonech.

V tabulce níže je uvedeno složení RPC použitého pro stavbu lávky v Sherbrooke. Je vidět, že obsahy cementu a křemičitých úletů jsou velmi vysoké ne kvůli hydrataci maximálního množství cementu ale spíše kvůli optimalizaci křivky zrnitosti různých práškových materiálů použitých pro výrobu RPC. Kromě toho vodní součinitel w/c, pokud má toto číslo v RPC smysl, je velmi nízký, aby se zmenšila vzdálenost mezi jednotlivými částicemi pojiva spojenými mechanickými vazbami, až se hydratace nedostatkem vody zastaví. Obsah ocelových vláken je také velmi vysoký a poskytuje RPC určitou pseudoductilitu. Ošetřování RPC je rovněž zvláštní – dva dny zrál při okolní teplotě a další dva dny ve vodě teplé 90 oC pro dosažení maximální hydratace všech příměsí v RPC.

Pevnost RPC byla 55 MPa po 24 h a 199 MPa po jeho ošetření ve vodě teplé 90 oC. Tlaková pevnost RPC, vtlačeného do nerezových ocelových trubek použitých na diagonály, byla 350 MPa a to díky Poissonovu efektu 3D sevření (confinement) betonu. Tato tlaková pevnost je ekvivalentní pevnosti oceli.

V lávce v Sherbrooke není jen výztuž z ocelových vláken, ale i předem předepnuté a dodatečně předepnuté kabely. Lávka byla postavena podobně jako ocelová konstrukce.

Díky velmi vysoké pevnosti vysokohodnotného betonu je možné ukázat, že RPC konstrukce splňují požadavky udržitelného rozvoje lépe než podobné konstrukce z běžného nebo vysokohodnotného betonu.

Rozšíření letiště Haneda v Tokiu

Přistávací a pojížděcí dráhy při rozšiřování letiště Haneda jsou vybudovány nad mořem. Nosníky přistávací dráhy byly prefabrikovány během roku a půl ze železobetonu s tlakovou pevností 30 MPa s nasazením 145 dělníků. Stejná plocha pojížděcí dráhy z prefabrikovaných desek z betonu na bázi jemnozrnných reaktivních složek byla vyrobena za stejnou dobu s nasazením jen 105 pracovníků s použitím Ductalu – produktu pro přípravu RPC, registrovaného pod ochrannou známkou firmou Lafarge. 

Úspory plynoucí z toho, že rok a půl pracovalo o čtyřicet pracovníků méně, bohatě kompenzovaly vyšší cenu Ductalu.

Vzdělání a transfer znalostí

Tento trend směrem k větším technologickým znalostem v praxi bude pokračovat, protože stavební průmysl bude vyžadovat vzdělané pracovníky pro budoucí vývoj. Kromě toho přechod končících studentů do stavebních firem znamená transfer technologií mezi světem výzkumníků a světem dodavatelů. Tím roste konkurence a soutěživost a zvyšuje se udržitelnost rozvoje naší – tedy stavební infrastruktury. 

group-8 Created with Sketch.

Pamatuji si, jak mi před třiceti lety lidé ze stavebních firem v Quebecu říkali, že stavební průmysl nepotřebuje pracovníky s inženýrskými nebo doktorskými tituly. Ovšem z šedesáti pěti inženýrů a doktorů, které jsem během svého třicetipětiletého působení na Universitě v Sherbrooke školil, pracují jen čtyři jako vysokoškolští učitelé a všichni ostatní jsou v praxi. Jsou tam spokojení a úspěšní a někteří dosáhli poměrně rychle vysokých postů. V současnosti je jeden z nich ředitelem a další zástupcem ředitele ve stavebních společnostech.

Prof. Pierre-Claude Aïtcin

Literatura

[1] Bentz D. P. (1997): Three-dimensional Computer simulation of cement hydration and microstructure development, J. Amer. Ceram. Soc., 80 (1), 3 – 21

[2] Bentz D. P., Aitcin P.-C. (2008): The hidden meaning of water-to-cement ratio, Concr. Inter., 30(5), 51 – 54

[3] Aitcin P.-C. (2008): Binders for Durable and Sustainable Concrete, Taylor and Francis, London, U.K., 500 p.

[4] Aitcin P.-C. and Mindess S. (2011): The Sustainability of Concrete, E and FN SPON, London, UK., 301 p.176

[5] Wittmann F. H. (2009): Heresies on shrinkage and creep mechanisms, Creep, Shrinkage and Durability Mechanics of Concrete and Concrete Structures, Tanabe et al (eds),Taylor and Francis Group, London, ISBN 978 – 0‑415 – 48518‑1, p. 3 – 10

[6] Duran-Herrera A., Petrov N., Bonneau O., Khayat K. and Aitcin, P.-C. (2009): Autogenous Control of Autogenous Shrinkage, ACI SP 256, ACI, Farmington Hills, Michigan, pp. 1 – 12

[7] Powers T. C. (1968): The properties of fresh concrete, John Wiley and Sons Inc., New York, 664 pp.

[8] Jensen O. M., Hansen P. F. (2001): Water entrained cement based materials, Part I, Cement and Concrete Research, V.31, No.4, pp. 647 – 654

[9] Topolář L., Pazdera L., Bílek V., Smutný J. (2011): Applying Acoustic Emission Method at Monitoring of Lifetime Concrete Structure, Proc. of 7th CCC (fib) Congress Innovative materials and technologies for concrete structures, Balatonfüred, Hungary, ISBN 978 – 963 – 313 – 036‑0, pp.167 – 170

[10] Morin R., Haddad G., Aitcin P.-C. (2002): Crack-free high performance concrete structures, Concr. Inter., V. 24, No.9, pp. 43 – 48

[11] Bílek V., Fiala C., Smolka H., Špalek R., Miklenda J., Horehleď J. (2011): Tenké zábradlí z vysokohodnotného vláknobetonu, Sb. konf. 18. Betonářské dny 2011, ČBS Servis, ISBN 978 – 80 – 87158 – 30‑2, str. 369 – 374

Autoři

High performance concrete is increasingly being used in practice today. This is how plenty of new experience is gained and some conclusions from the High Performance Concrete book are modified. The main focus is on explanation of shrinkage and its elimination in HPC. Examples in the paper show that HPC construction can better meet the requirements of sustainable development. The experience of the use of HPC in the past is given as well as some examples of new constructions built utilizing HPC.