Odolnost sendvičových betonových desek proti výbuchu

Odolnost běžného betonu proti výbuchu je známa řadu let, ale odolnost drátkobetonu, nebo dokonce vysokohodnotných betonů je nové téma s velkou budoucností, protože ztužení cementové struktury ocelovými vlákny významně ovlivňuje lomové vlastnosti materiálu. V článku jsou prezentovány výsledky prvotních zkoušek vysokohodnotných betonů na panelech různé tloušťky, a to jednovrstvých i sendvičových. Odezva panelu na zatížení kontaktním výbuchem je měřena pomocí ultrazvuku před výbuchem a po něm. Pro zkoušky byla použita výbušnina Pentrit o hmotnosti 150, 300 a 500 g. Získané výsledky jasně ukázaly, že vhodně složená sendvičová konstrukce je mnohem účinnější než jednovrstvá konstrukce o shodné tloušťce.

S rostoucím geopolitickým napětím ve světě se v posledních letech zvyšuje důraz na dříve často zanedbávaná zatížení tlakovou vlnou, nárazem nebo průstřelem. U objektů patřících do tzv. kritické infrastruktury (přehrady, mosty nebo elektrárny) [1], [2] se s tímto zatížením konstrukce uvažuje již ve fázi jejího návrhu. Teroristé se však nezaměřují pouze na objekty kritické infrastruktury, ale velmi často jsou jejich cílem veřejné budovy, u kterých po útoku bývá poškození konstrukce značné proto, že na dané zatížení nebyla dimenzována. Vývoj materiálu a konstrukcí, které by dokázaly zvýšit odolnost veřejných budov, je tedy jistě přínosem.

Prezentované prvotní výsledky v tomto článku porovnávají odolnost proti zatížení kontaktním výbuchem u vysokohodnotného betonu s různým ztužením ce­men­tové matrice ocelovými drátky [3]. Odolnost byla zkoušena na panelech s různou tloušťkou, panely byly testovány samostatně nebo vrstveně [4].

Realizovaný experiment

Zkoušky byly realizovány na devíti čtvercových panelech o délce hrany 1 000 mm a tloušťce 50 mm pro panely jednovrstvé (A1 až A4) a 150 mm pro panely sendvičové (A5 až A9). Sendvič se vždy skládal ze dvou 50mm desek z vysokohodnotného betonu, mezi něž byla do středu panelu vložena čtvercová tlumicí deska z recyklované gumy o délce hrany 700 m a tloušťce 50 mm. Pro tlumicí vrstvu byl použit granulát vzniklý recyklací pneumatik, který byl následně lisován do desek s objemovou hmotností 1 050 kg/​​m3, osazených do panelů A5 a A6, a desek s objemovou hmotností 700 kg/​​m3, osazených do panelů A7 a A8 (tab. 1).

Do panelu A9 byla místo vylehčo­vací desky osazena ocelová styčníková deska s lisovanými trny typu gang-nail. Styčníková deska byla osazena stejně jako vylehčovací desky, s tím rozdílem, že výsledný sendvič měl tloušťku pouze 100 mm (2× 50 mm vysokohodnotného betonu, vlastní tloušťka styčníkové desky je zanedbána). Soupis všech testovaných vzorků je přehledně shrnut v tab. 1.

Receptura pro výrobu vzorků

Receptura vysokohodnotného betonu vycházela z dlouhodobých zkušeností pracoviště, kde byla receptura vyvinuta a patentována. Pro realizaci vzorků bylo nutné originální recepturu lehce upravit, protože výroba probíhala ve výrobním závodě B&BC betonárna Zbůch, která využívá produktů jiného dodavatele chemických přísad do betonu, a také bylo nutné upravit i konzistenci pro jednodušší transport čerstvého betonu. Složení jednotlivých receptur vysokohodnotného betonu je uvedeno v tab. 2.

Zkoušky mechanických vlastností

Výroba hlavních panelů pro zkoušky výbuchové odolnosti byla doplněna o výrobu doprovodných zkušebních těles, která sloužila k ověření mechanických vlastností vyráběného betonu. Jednalo se o krychle o délce hrany 150 mm pro zkoušky tlakové pevnosti a o trámce 100 × 100 × 400 mm pro zkoušky pevnosti v tahu za ohybu. Tlaková pevnost byla měřena vždy na šesti tělesech od každého materiálu (Z1, Z2 a Z3). Publikované výsledky jsou aritmetickým průměrem z těchto měření. Pevnost v tahu za ohybu byla zjištěna pomocí čtyřbodové zkoušky na zkušebních tělesech bez zářezu, pro každý z materiálů byla vyrobena tři zkušební tělesa a prezentované výsledky jsou vždy aritmetickým průměrem z těchto měření. Zkoušky mechanických vlastností byly realizovány ve stáří vzorků 28 dní. Výsledky realizovaných zkoušek jsou uvedeny v tab. 3.

Panel před zkouškou s vyznačenými měřickými body
Panel po zkoušce
Zkoušky výbuchové odolnosti

Zkušební panely byly osazeny do ocelového stojanu tak, aby panel stál vždy svisle. Výbušnina byla umístěna vždy do středu panelu a k povrchu byla připevněna průmyslovou lepicí páskou. Styčná plocha nálože se u hmotnosti 150 a 300 g lišila, což částečně ovlivnilo výsledky. Rozbuška byla umístěna vždy do středu nálože a kolmo k povrchu panelu. Jako výbušnina byl použit Pentrit (pentaerythritol tetranitrát – C(CH2ONO2)4). Pentrit byl vybrán kvůli své chemické stabilitě, výbuchovým parametrům a jednoduchému dělení. Energie výbuchu se u Pentritu uvádí 5 810 kJ/​​kg a jeho detonační rychlost je cca 8 250 m/​​s. Pentrit je široce využíván hlavně pro fragmentační a trhací práce.

Ukázka z výroby zkušebních panelů

Výsledky

Panely bez tlumicí vrstvy

První fáze zkoušek se věnovala jen jednoduchým panelům (A1 až A4), aby bylo u sendvičových panelů možné oddělit vliv betonu od vlivu tlumicí vrstvy. Panely A1 a A3 byly zatíženy výbuchem nálože s hmotností 300 g Pentritu a panely A2 a A4 byly zatíženy jen poloviční náloží, tedy 150 g Pentritu. Měření celist­vosti panelu probíhalo pomocí ultrazvukového přístroje Pundit Lab+. Zkušební panel byl vždy proměřen v měřické síti s rastrem 100 × 100 mm před zatížením výbuchem a po zatížení. Ze známé tloušťky panelu byla vždy stanovena rychlost průchodu ultrazvukové vlny mezi měřickými sondami. Získané hodnoty jsou graficky znázorněny na následujících obrázcích (barevná škála ukazuje vždy na daném panelu rychlosti ultrazvuku od minimální hodnoty (modrá) po hodnotu maximální (žlutá)), pro grafické znázornění byl použit program SVDult, vyvinutý R. Štefanem a M. Foglarem [5].

Pro panely A1 a A2 jsou výsledky prezentovány podrobněji.

Na následujících obrázcích jsou zobrazeny výsledky rychlosti šíření ultrazvukové vlny v neporušeném stavu, tedy před zkouškou. Rozdíl v hodnotách je způsoben pouze chybou měření spolu s výrobní nehomogenitou. V ideálním případě by oba obrázky byly světle zelené, tedy bez žlutých a modrých míst.

Další dva obr. zobrazují naměřené hodnoty rychlosti průchodu ultrazvukové vlny porušeným panelem. Modré oblasti ukazují místa s nejnižší rychlostí, tedy místa, kde vlivem poškození výbuchem trval průchod ultrazvukové vlny nejdéle.

Následující obr. zobrazují rozdíly v naměřených hodnotách průchodu ultrazvukové vlny před a po zkoušce. Čím vyšší je rozdíl v rychlosti prů­chodu ultrazvukové vlny poško­zeným panelem, tím vyšší je poškození materiálu, modrá část je nepoškozená a žlutá část je významně poškozená. Kdyby byl zkušební panel před zkouškou zcela homogenní, což víme, že není reálné, jednalo by se zde o inverzní zobrazení oproti předcházejícím obr. Toto zobrazení výsledků je tedy nejcennější výsledek, protože jasně ukazuje, jaké poškození způsobila vlastní zkouška.

Další obr. kombinují fotografii panelu po zkoušce se zobrazením rychlosti ultrazvukové vlny po zkoušce. Kombinace těchto výsledků slouží ke kontrole měření, protože velké změny v rychlosti průchodu ultrazvukové vlny zkušebním panelem musí korespondovat s jeho poškozením, tedy s proraže­ným otvorem nebo trhlinou.

Výsledky změřené na zkušeb­ních panelech A3 a A4 jsou pro zjednodušení prezentovány už jen formou rozdílu v průchodech ultrazvukové vlny před a po zatížení výbuchem.

Panely s tlumicí vrstvou

Na následujících obr. je stejná analogie jako u předchozích obr., tentokrát pro zkušební panely A5 a A6 s tlumicí vrstvou z materiálu označeného jako Guma 1. Panely A5 a A7 byly zatíženy kontaktním výbuchem Pentritu o hmotnosti 300 g, panely A6 a A8 náloží o hmotnosti 500 g.

Pro zjednodušení jsou pro panely A7 a A8 zobrazeny výsledky pouze ve variantě po zatížení. Panely A7 a A8 jsou také sendvičové s tlumicí vrstvou z materiálu označeného jako Guma 2.

Panel A9 byl zatížen kontaktním výbuchem 500 g Pentritu, ale jeho tloušťka byla jen 100 mm. Místo tlu­micí vrstvy byl panel doplněn ocelovou deskou s lisovanými trny. Odezva sendvičového panelu je zobrazena na následujícím obr.

Závěr

Jednovrstvé panely se porušovaly úměrně hmotnosti použité nálože. Velmi pozitivní zjištění bylo, že se poškození panelu soustředilo pouze v místě kontaktu s výbušninou a okolí panelu poškozeno nebylo. Zjištěné výsledky ukazují významný pokrok proti běžným betonům zkoušeným pplk. Jiřím Štollerem a prezentovaným v článku [6]. Získané výsledky dále ukazují, že panely A1 a A2, které mají svoji matrici ztuženou kordovými vlákny, získanými z recyklace pneumatik, mají v obou případech horší odolnost než panely A3 a A4, které jsou ztuženy pouze drátky z vysokopevnostní oceli.

Sendvičové panely ve všech případech vykazovaly větší poškození na lícní straně k výbušnině a menší poškození na rubové straně, což byl významný rozdíl proti výsledkům získa­ným u jednovrstvých panelů. Oblast poškození na lícní straně byla u sendvičových panelů vždy větší, což svědčí o pohlcení většího množství energie z výbuchu než u jednovrstvých panelů. Rychlosti výtrže během výbuchu na rubové straně byly u sendvičových panelů také nižší než u jednovrstvých panelů, což bylo zjištěno ze záznamů z rychloběžné kamery, která byla během testů používána. Pokles rychlosti byl zhruba o 30 %.

Porovnání tlumicí vložky z Gumy 1 a Gumy 2 vychází ve prospěch Gumy 2, což jsou desky lisované na nižší objemovou hmotnost. Panely A7 a A8 mají tedy větší poškození, což opět znamená, že pohltily větší množství energie způsobené výbuchem. Změna rychlosti výtrže na rubové straně však zaznamenána nebyla. Přínos tlumicí vrstvy je tedy výraznější, když má použitá tlumicí vrstva odlišnou objemovou hmotnost od základního materiálu, v našem případě betonu.

Panel A9 s ocelovou vložkou měl největší poškození na rubové straně, protože ocelová deska roznesla zatížení do velké plochy, ale rychlost výtrže byla ze všech zkoumaných vzorků nejnižší. Tento sendvičový panel zároveň dobře splňoval i předchozí podmínku o rozdílných objemových hmotnostech.

Tento příspěvek byl připraven díky podpoře Studentské grantové soutěže (SGS) s názvem Beton a vláknobeton specifických vlastností – analýza a aplikace, číslo SGS18/115/OHK1/2T/11.

Zdroje

[1]          BÍLÝ, P., KOHOUTKOVÁ, A. Numerical analysis of anchorage between steel liner and prestressed nuclear containment wall. In: Proceedings of the 10th fib International PhD Symposium in Civil Engineering, 2014. Quebec: Université Laval, 2014. pp. 529 – 534.

[2]          BÍLÝ, P., KOHOUTKOVÁ, A. An estimation of the effect of steel liner on the ultimate bearing capacity of prestressed concrete containment. Nuclear Engineering and Design. 2018, Vol. 328, 197 – 208.

[3]          FOGLAR, M., KOVÁŘ, M. Conclusions from Experimental Testing of Blast Resistance of FRC and RC Bridge Decks. International Journal of Impact Engineering. 2013, Vol. 59, pp. 18 – 28. ISSN 0734 – 743X.

[4]          FOGLAR, M., HÁJEK, R., FLÁDR, J., PACHMAN, J., ŠTOLLER, J. Full-scale experimental testing of the blast resistance of HPFRC and UHPFRC bridge decks. Construction and Building Materials. 2017, Vol. 145, pp. 588 – 601. ISSN 0950 – 0618.

[5]          ŠTEFAN, R., FOGLAR, M. SVDult – Software for visualisation of data from ultrasound measurements of concrete samples. Prague: Department of Concrete and Masonry Structures, Faculty of Civil Engineering, Czech Technical University in Prague, 2015.

[6]          ŠTOLLER, J. Využití přetvárných vlastností vláknobetonu pro zvýšení odolnosti staveb proti zatížení výbuchem. Beton TKS. 2010, roč. 10, č. 5, s. 84 – 86. ISSN 12133166.

Autoři

Blast Resistance of Sandwich Concrete Slabs

Resistance of ordinary concrete against explosions has been known for a long time, however, resistance of steel-fibre-reinforced concrete and, moreover, that of high-performance concretes is a new area with a bright future. Reinforcement of the cementitious matrix by steel fibres significantly affects the fracture mechanism of the material. The paper shows the results of preliminary tests using high-performance concrete in panels of varying thicknesses, both made as single skin and sandwich ones. The response of a panel to being loaded by a contact-explosion was measured by ultrasound both before and after the test. The explosive used was Pentrit with a mass of 150, 300 and 500 g. Results showed clearly that a sandwich structure appropriately designed was much more effective then a single-layer one of the same thickness.

Pojmy v tomto článku

2/2020 Technologie | 15. 4. 2020 | Věda a výzkum

Porovnání výbuchové odolnosti dvou UHPFRC směsí s běžně používanými betony na základě typu porušení

Článek popisuje výsledky z experimentálního programu, který byl proveden Fakultou stavební ČVUT v Praze ve spolupráci s Lafarge Holcim Centre de Recherche. Během experimentu byly dvě patentované směsi UHPFRC testovány na výbuchovou odolnost při kontaktním a blízkém výbuchu. Bě...
2/2020 Technologie | 15. 4. 2020 | Věda a výzkum

Experimentální ověření funkčnosti ponorného mola z vláknobetonu

Betonová mola jsou obvykle vyplněna plovoucím materiálem, který je nadnáší po celou dobu životnosti. Systém popsaný v tomto článku je inovativní v tom smyslu, že plutí mola zajišťují vzduchové vaky, které mohou být vypuštěny, a celý systém pak klesne ke dnu řeky. To může být u...