Vliv organických vláken na požární odolnost betonu

Požár patří k nejobávanějším nebezpečím, která mají neblahý dopad na fungování celého konstrukčního systému. Je provázen vysokými teplotami, jež negativně ovlivňují chování jednotlivých materiálů i jejich vzájemné spolupůsobení. Mezi tyto materiály bezpochyby patří i nejpoužívanější konstrukční materiál – beton. Extrémně vysoké teploty poškozují strukturu betonu, což má za následek zhoršení jeho mechanických vlastností, odprýskání a následné vystavení ocelové výztuže vysoké teplotě. V krajních případech může dojít až ke kolapsu celého konstrukčního systému [1].

První změny struktury betonu se při nárůstu teploty projeví mezi 100 a 200 °C, kdy dochází k odpařování volné vody (vlhkosti) obsažené v betonu. Rychlý nárůst teploty může mít za následek odprýskávání povrchu betonu v důsledku vytváření vysokého vnitřního tlaku páry. Při dosažení teploty 250 °C začíná docházet k dehydrataci chemicky vázané vody. Dosažení teploty 550 °C je kritické, jelikož dochází k dehydrataci hydroxidu vápenatého, jenž je produktem hydratace portlandských cementů, přičemž jeho množství závisí na složení konkrétního použitého cementu. Své chování i vlastnosti mění při narůstající teplotě i použité kamenivo [1], [3], [5].

Jako jedna z účinných možností ochrany betonu před zatížením extrémní teplotou při požáru je přesvědčivě prokázáno použití nekovových vláken jako součást směsi. Tím může být značně omezeno odprýskávání vrstev betonu. Nejčastěji používaná vlákna pro zvýšení požární odolnosti jsou vlákna polypropylenová (PP). Tato vlákna fungují tak, že vytvoří ve struktuře betonu cesty a expanzní prostor pozitivně ovlivní migraci vlhkosti a/​​nebo procesy odpařování v zahřátém betonu. To umožňuje snížení okamžitého vnitřního napětí v betonu v důsledku snížení tlaku páry, čímž se snižuje náchylnost k odprýskávání povrchů. Zlepšený transport vlhkosti a větší expanzní prostor je nejlépe zajištěn vytvořením prázdných kanálků, které zanechávají pyrolyzovaná (roztavená) PP vlákna při cca 170 °C [4].

V posledních několika letech vyvolaly problémy související s environmentální a ekologickou problematikou rozsáhlý výzkum materiálů šetrných k životnímu prostředí. Zvláštní zájem je  u kompozitních materiálů věnován použití vláken získaných z obnovitelných rostlinných zdrojů. Např. celulózová vlákna (CEL) vykazují řadu důležitých výhod, jako je široká dostupnost za relativně nízkou cenu, biologická obnovitelnost a rozložitelnost. U těchto vláken dochází při teplotě okolo 260 °C k tepelné degradaci, resp. k rozpadu  vlákna a tvorbě kanálků, čímž se zlepší požární odolnost. Následně se vytváří prostor pro rozpínání vodní páry nebo může docházet až k unikání vodní páry z betonu díky propojení vytvořených mikrotrhlin a dutin [3], [4].

Během posledních desetiletí se ukázalo, že obrovské množství nerozložitelného odpadu představuje pro životní prostředí vážný problém, přičemž jde zejména o odpadní plast, který je dokonce považován za jeden z nejnebezpečnějších zdrojů znečištění. Přírodní zdroje, jež nelze obnovit, jde právě efektivně šetřit opětovným použitím zmiňovaného polymerního odpadu, v němž má největší zastoupení polyethylen následován polyethylentereftalátem, známým pod zkratkou PET. Stejně jako PP vlákna, tak i PET vlákna mají potenciál ke snížení odprýskávání betonu při vysokých teplotách, neboť při narůstající teplotě dochází k vytváření kanálků, kde se vodní pára může rozpínat. PET vlákna však mají vyšší bod tání (cca 260 °C) než PP vlákna, což je jejich menší nevýhodou [4].

Přídavek vláken do betonu se nepoužívá jen pro zvýšení požární odolnosti, ale také pro zlepšení fyzikálně-mechanických vlastností. Přídavek vláken snižuje počet a velikosti trhlin a pórů, propustnost vody nebo vnikání chemických látek v čerstvém i zatvrdlém stavu [2], [3], [4], [5].

Pro výrobu betonu byly v rámci proběhlého výzkumu vybrány materiály, které se běžně používají v praxi. Důvodem výběru těchto surovin je simulace chování obvykle dostupného betonu při vysokých teplotách a zkoumání možné eliminace negativních účinků při působení vysokých teplot na beton. Pro výrobu betonu byl použit portlandský cement CEM I 42,5 R z produkce závodu Mokrá. Prané těžené kamenivo ve frakcích 0 – 4, 4 – 8 a 8 – 16 mm bylo použito z lokality Žabčice. Byla též použita plastifikační přísada na bázi polykarboxylátů s obchodním označením Chryso Optima 247. V experimentální části byly použity tři druhy vláken:

Celkem bylo namícháno sedm různých receptur, u nichž se měnil druh vlákna nebo byla použita jejich kombinace. Z důvodu možného porovnání jednotlivých druhů vláken byla dávka vláken volena objemově, proto se při pohledu na složení jednotlivých betonů v tab. 1 hmotnostní zastoupení vláken liší.

Receptury byly míchány na předpokládanou konzistenci 40 až 60 mm sednutí kužele dle ČSN EN 12 350 – 2. Konzistence byla regulována množstvím plastifikační přísady, nikoli zvýšením obsahu vody. Následně bylo provedeno stanovení objemové hmotnosti čerstvého betonu dle ČSN EN 12 350 – 6. Hodnoty objemové hmotnosti čerst­vého betonu se pohybovaly v rozmezí 2 270 až 2 380 kg/​​m³. S přídavkem vláken došlo ke snížení objemové hmotnosti díky nižší objemové hmotnosti samotných vláken a došlo také ke zvýšení obsahu vzduchu, který je do směsi vpraven na povrchu vláken. Od každé receptury byly vyrobeny krychle o hraně 150 mm, na kterých byla ve stáří 28 dní stanovena objemová hmotnost ztvrdlého betonu dle ČSN EN 12 390 – 7. Na těchto krychlích, příp. dalších zkušebních tělesech byly zjišťovány i  další mechanické parametry:

Při porovnání výsledků měření (tab. 2) je patrné, že přidáním vláken do betonů došlo ke zlepšení mechanických parametrů oproti betonu referenčnímu.

Přídavek vláken do struktury betonu přispěl ke zvýšení pevnosti v tlaku, který se projevil na všech betonech s vlákny. Tento efekt není primárně požadován, vysvětlením je zpevnění struktury a lepší rozložení a roznesení napětí při zatěžování. Všechny betony s přídavkem vláken vykazovaly průměrně o 1 MPa vyšší pevnost v tahu za ohybu oproti betonu referenčnímu (4,8 MPa). Jako u předešlých pevnostních parametrů, tak i u zkoušky pevnosti v příčném tahu pozorujeme pozitivní vliv přidáním vláken do betonu. Z toho plyne, že nejnižší hodnota příčného tahu byla zjištěna u referenčního betonu bez vláken. Obecně bylo očekáváno zvýšení tahových pevností přidáním vláken, což se potvrdilo, přestože se ve většině případů jedná o mikrovlákna. U betonů s CEL došlo ke zvýšení pevnosti pravděpodobně nejen z důvodu zpevnění struktury, ale také z důvodu vnitřního ošetřování. Vlákna do sebe absorbovala vodu, čímž se snížil vodní součinitel a tím se snížila i pórovitost betonu. Voda absorbovaná ve vláknech se při hydrataci extrahovala a tím podpořila hydrataci cementu a vznik kompaktní struktury.

Zatěžování vysokou teplotou bylo prováděno v požární peci dle normové teplotní křivky ČSN EN 1363 – 1 (ISO 834). Zatížení vysokou teplotou bylo prováděno na hranici teploty 1 000 °C, po dosažení této teploty byla zkouška ukončena a zkušební vzorky byly ponechány k pozvolnému ochlazení na laboratorní teplotu. Po vysokoteplotním zatížení byla dále zkoumána zbytková pevnost v tlaku a změna hmotnosti. Pokles hmotnosti je kromě dehydratace betonu dán mimo jiné i vyhořením vláken, rozkladem hydrosilikátů, portlanditu a dalšími změnami struktury. Zkouška pevnosti v tlaku ukázala, že nejvyšší hodnoty se vyskytovaly u všech betonů před teplotním zatížením, kdy proti namáhání spolupůsobila vlákna s cementovou matricí. V grafu jsou hodnoty zbytkové pevnosti v tlaku [%]. Před ověřením působení vysokoteplotního zatížení bylo předpokládáno, že dojde ke snížení pevnosti kvůli změnám ve struktuře betonu, jako je rozklad portlanditu, rozklad CSH fází nebo fázová přeměna použitého křemičitého kameniva. Tyto změny způsobují vznik mikrotrhlin, které snižují zbytkové pevnosti.

Z grafu je patrné, že přídavek vláken vedl ke zvýšení zbytkové pevnosti oproti referenčnímu betonu bez vláken. Nejvyšší zbytková pevnost v tlaku byla vyhodnocena pro beton s přídavkem PP vláken, čímž bylo potvrzeno, že jejich přidávání do betonu za účelem zvýšení požární odolnosti je opodstatněné. Hodnota zbytkové pevnosti v tlaku se pohybovala přes 90 % z původní hodnoty. Hodnota zbytkové pevnosti u receptury PET byla oproti receptuře s PP nižší. Důvodem může být vyšší teplota tání přidaných vláken. Nejnižších hodnot zbytkových pevností dosahovaly receptury s recyklovanou celulózou. Pravděpodobně to bylo způsobeno rychlou přeměnou vlhkosti obsažené ve vláknu na páru a nárůstem tlaku, který se podílel na snížení pevnosti, čímž nedocházelo k dostatečně rychlé tvorbě kanálků pro transport a rozpínání vzniklé páry. Kombinace PP a PET vláken neměla příliš velký vliv na zbytkovou pevnost ve srovnání s recepturou obsahující pouze PET vlákna.

Při studiu působení vláken v betonu bylo provedeno snímkování mikrostruktury betonu. Sledovány a studovány byly zkušební vzorky jak před, tak i po vysokoteplotním zatížení pro srovnání chování betonu ve vysokých teplotách.

Na následujících dvou obr. je beton s PET a PP vlákny před a po vysokoteplotním zatížení. Na prvním obr. lze vidět PET vlákna pevně zakot­vená do cementové matrice. Za vlákny je také vidět struktura póru o velikosti 100 μm. Na druhém obr. jsou patrná lůžka po vyhořelých PET a PP vláknech, která zvyšují permeabilitu betonu.

Značný rozdíl je zřejmý při srovnání vláken polymerních a celulózových. Vlákna z recyklované celulózy následujících dvou obr. nejsou oproti polymerním celistvá. Tato vlákna jsou hladká a jsou spíše plochého charakteru. U kotvení vlákna je na prvním obr. vidět trhlina, která mohla vzniknout při expanzi vlákna při nabobtnání. Na vláknu lze vidět zbytky matrice z ukotvení vlákna. Na druhém obr. se vzorkem po zatížení je vidět lůžko, které vzniklo z recyklovaného celulózového vlákna a není spojitého průřezu.

Přídavek všech druhů vláken pozitivně ovlivnil mechanické vlastnosti betonu za normálních podmínek. U všech receptur s vlákny došlo ke zvýšení pevnostních parametrů. Vlákna napomohla k zpevnění struktury a rozložení napětí při zatěžování, přestože se jedná o mikrovlákna, která nejsou do betonů primárně přidávána pro zvýšení mechanických vlastností, ale pro eliminaci šířky trhlin vznikajících během procesu tvrdnutí betonu [2], [4].

Po vystavení vysokoteplotnímu zatížení došlo u betonů s vlákny k výrazně menšímu zhoršení mechanických vlastností než u betonu referenčního, vlákny nevyztuženého. U zbytkové pevnosti v tlaku u receptur s PET a PP vlákny došlo k nižšímu úbytku zbytkové pevnosti ve srovnání s referenční recepturou (73,7, resp. 90,5 % oproti 53,1 %). PET vlák­na vyrobená z odpadního mate­riálu mají potenciál pro přidávání do betonu k dosažení vyšší požární odolnosti betonu či prvků konstrukce díky uspokojivému chování při vysokém teplotním zatížení. Na základě dosažených výsledků by mohla PET vlákna fungovat podobně jako PP vlákna s pozitivním ekologickým dopadem [3], [12].

U betonů s CEL vlákny došlo také k nižšímu úbytku zbytkové pevnosti v tlaku ve srovnání s referenčním betonem, avšak oproti betonům s PET a PP vlákny s menší efektivitou. Vyšší úbytek zbytkové pevnosti je pravděpodobně možné vysvětlit obsaženou vlhkostí uvnitř vlákna, proto je nezbytné brát v potaz jeho absorpční schopnost, a dále nedostatečně propustnou sítí ve struktuře betonu. Smrštění vláken totiž může vést až k mezifázovému oddělení vláken od matrice, kdy poté nemusí docházet k iniciaci mikrotrhlin ve struktuře betonu kvůli slabému spojení mezi matricí a vlákny. I když přídavek celulózových vláken nepřispěl k výraznému zvýšení požární odolnosti, vlákna z recyklované celulózy začleněná v betonu prokázala svou funkčnost a betony s těmito vlákny vykazovaly srovnatelné mechanické vlastnosti jako ostatní betony s vlákny [3], [5].

Studie se zabývá problematikou chování cementových betonů při vysokoteplotním zatížení se zaměřením na sledování vlivu vybraných druhů vláken na fyzikálně-mechanické vlastnosti betonu.

Rozptýlená výztuž se do betonu přidává pro zvýšení houževnatosti, pevnostních charakteristik i pro zvýšení trvanlivosti betonu. Kromě zlepšení výše uvedených vlastností je rozptýlená výztuž zásadním opatřením proti porušení a destrukci betonu při vysokoteplotním zatížení, kdy dochází k teplotní dilataci a zvyšování tlaku vodní páry uvnitř betonu.

Novodobým trendem je použití a začlenění vláken z recyklovaných organických surovin. Na základě zjištěných poznatků v teoretické i experimentální části je zřejmé, že pro zvýšení užitných vlastností betonů je možné využívat vlákna i ze zdrojů, které nepochází z primární výroby. Zkoušená vlákna získaná z recyklovaných PET materiálů a celulózová vlákna z recyklovaného papíru vykazují velmi dobrý potenciál pro možné využití v oblasti technologie betonu.