UHPC a jeho aplikace v konstrukcích

Úvod

Materiál UHPC – ultravysokohodnotný beton (podrobněji popsaný dále) je poměrně moderní materiál u nás aplikovaný teprve v poslední době. V zahraničí se první stavby objevily ve Francii (1994), v Kanadě (1997) a větší rozvoj nastal po roce 2000. Byly postaveny lávky v Japonsku, Jižní Koreji a v dalších zemích. V současné době se staví mnoho segmentových mostů např. v Malajsii. V USA, Kanadě a Švýcarsku se realizuje řada staveb, kde se používá UHPC na opravy mostů, nebo na dílčí konstrukce. O vlastnostech i použití UHPC byla napsána již řada publikací. Jako příklad lze uvést souhrnné články v časopise Beton [1], [2]. Vlastnosti tohoto materiálu přesahují vlastnosti běžného betonu, ale často se přeceňují. Využívání UHPC v betonových konstrukcích je velmi široká tematika zahrnující výrobu UHPC, jeho zkoušení, výrobu konstrukce (montáž nebo betonáž) a kontrolu kvality. V rámci jednoho článku není možné popsat vše do detailu. Jeho cílem je hlavně upozornit na některé faktory související s používáním a navrhováním konstrukcí z UHPC rámcově. Zdůrazňuje se význam koncepčního návrhu. V této fázi návrhu by se měly zhodnotit veškeré souvislosti a dojít k závěru o tom, zda UHPC je vhodný materiál pro navrhovanou konstrukci.

Pro výrobu, hodnocení, navrhování a realizaci konstrukcí dosud, i přes relativně dlouhou historii UHPC, existuje málo předpisů nebo doporučení, které by zajistily návrh bezpečné, funkční a trvanlivé konstrukce. Některé byly sestaveny na národní úrovni, na mezinárodní úrovni vznikají doporučení, jež budou součástí připravovaného Model Codu fib s označením MC 2020, jehož první znění určené k připomínkování bude k dispozici pravděpodobně v polovině roku 2022. V ČR připravuje Česká betonářská společnost technická pravidla [3], která zahrnují výrobu a zkoušení, navrhování, realizaci staveb z UHPC a rekonstrukce betonových staveb s použi­tím UHPC. Tato pravidla byla sestavována na základě vlastních zkušeností a na základě předpisů i jejich pracovních verzí z Francie, Německa a Švýcarska. Je nutné zmínit, že přestože se UHPC používá jen v tuzemsku cca deset let, existuje stále mnoho nevyřešených problémů. Z toho důvodu byla snaha sestavit technická pra­vid­la spíše konzervativně a předpokládá se, že po získání zkušeností s jejich používáním během následujících let vznikne další upravené vydání. Pro další úspěšný vývoj konstrukcí z UHPC je nutné, zejména nyní v počátečních fázích jeho aplikací, navrhovat konstrukce velmi obezřetně. Chybná aplikace by mohla vést k obavám zejména velkých investorů o kvalitách těchto konstrukcí a ke zpomalení dalšího vývoje. Již dnes se ukazuje, že UHPC má své místo na trhu, ale nesmějí se jeho přednosti přeceňovat a neměl by se používat tam, kde pro to není zdůvodnění.

Materiál

UHPC je směsí kameniva, cementu, vody, velmi jemných příměsí a přísad. Princip složení směsi spočívá v maximálním možném vyplnění prostoru pevnými částicemi (obr. 2). Vzniká tak struktura s vysokou tlakovou pevností, ale také vysokou křehkostí. Křehký materiál je pro aplikaci na nosné konstrukce nevhodný, proto se do směsi přidávají nejčastěji vysokopevnostní ocelová vlákna, někdy vzhledem k malým rozměrům označovaná jako mikrovlákna. Ta omezují křehkost a zajišťují určitý stupeň duktility. Z toho důvodu se UHPC označuje někdy jako UHPFRC (ultra-high performance fibre reinforced concrete – ultravysokohodnotný beton vyztužený vlákny). V dalším textu bude materiál označován zjednodušeně jako UHPC, ale vždy se uvažuje jeho vyztužení ocelovými vysokopevnostními vlákny s různým dávkováním (lze použít i vysokopevnostní nekovová vlákna, ale s takovými materiály jsou dosud minimální zkušenosti).

Směs pro UHPC se vyznačuje vysokým podílem cementu (obvykle 700 až 1 000 kg/m³), maximální zrno kameniva se pohybuje v mezích 1 až 8 mm, její nedílnou součástí je mikrosilika. Použité jemné kamenivo musí být čisté a ideálně vysušené. Dosažení potřebné pevnosti vyžaduje minimalizaci vodního součinitele, který je obvykle pod hodnotou 0,25. Dodaná voda nestačí ani na hydrataci celého obsahu cementu. Zrna cementu, která nezhydratují, působí jako jemné kamenivo. Aby směs byla zpracovatelná, je třeba použití účinných plastifikátorů na bázi polykarboxylátů.

Obr. 3 ukazuje rozdíl mezi strukturou běžného betonu, vysokopevnostního betonu a UHPC. Běžný beton s pevností do 60 MPa (obr. 3a) má poměrně velká zrna hrubého kameniva, mezi kterými je vidět poměrně pórovitá maltová výplň. Vysokopevnostní beton (obr. 3b) má již hutnější strukturu, menší zrna hrubého kameniva a méně pórů v maltové výplni. Jako vysokopevnostní se označují betony s pevností 60–120 MPa. UHPC má nejjemnější strukturu, velmi hutnou maltovou výplň a obsahuje výztužná vlákna (obr. 3c). Jako UHPC se již dnes označují betony s pevností od 110 MPa, pokud splňují další požadavky. Občas se vyskytují požadavky na dodávku bílého UHPC. To vyžaduje použití bílého cementu, bílé mikrosiliky a ještě dodání bílého barviva. Takový materiál je pak ještě náročnější na návrh směsi a zejména jeho cena se ještě výrazně zvyšuje proti běžnému šedému UHPC. Ten lze míchat v moderních míchačkách, avšak míchání trvá déle a jednotlivé záměsi bývají menší než u běžného betonu vzhledem k obsahu vláken a požadavkům na dokonalé promíchání.

UHPC lze vyrábět buď přímo ze surovin postupně dodávaných do míchačky, nebo z prefabrikovaných suchých směsí. Jako příklad lze uvést materiál Ductal [4] vyráběný ve Francii, z něhož byla postavena řada konstrukcí i jinde na světě. Nevýhodou je poměrně vysoká cena a dále nutnost dopravovat prakticky celý objem směsi od výrobce až na místo výroby. Někteří výrobci se proto raději vydali cestou vlastního návrhu směsi z lokálních surovin. Takový postup se používá i v ČR. Rovněž u nás však lze koupit prefabrikovanou suchou směs z místních zdrojů, což umožňuje míchání UHPC v menších množstvích a též u výrobců, kteří nemají know-how k výrobě vlastních směsí.

Hlavními přednostmi UHPC jsou vysoká pevnost v tlaku a vysoká trvanlivost. V nedávné době se považovala hranice pro UHPC pevností 150 MPa (měřeno na válcích). V současné době se ukazuje, že pro aplikace je rozhodující zejména trvanlivost a tahové vlastnosti. Ta je dosažena už při nižších pevnostech, proto se v současnosti jako UHPC označují betony od třídy C110/130, pokud splňují další kritéria. Tahová pevnost UHPC je podobně jako u běžného betonu řádově nižší než tlaková pevnost. Je výrazně ovlivněna obsahem vláken. U nás dnes již běžně vyráběné UHPC dosahují pevnosti v tahu za ohybu cca 15–25 MPa. Pevnost v přímém tahu je však i přes obsah vláken výrazně menší.

Pro navrhování konstrukcí je důležitá klasifikace působení UHPC v tahu. Ukázka typických pracovních diagramů UHPC a vysokopevnostního betonu v tahu je na obr. 4. Grafy ukazují tahové působení zjištěné na trámci 150 × 150 × 600 mm s vrubem podle metodiky RILEM (ČSN EN 14 651). Vyhodnocují se napětí v místě vrubu, zejména při rozevření trhliny 0,5 (fR1) a 2,5 mm (fR3). Podle toho se rozlišuje působení s tahovým změkčením a s tahovým zpevněním. Zjednodušeně řečeno rozdíl spočívá v tom, že u tahového změkčení po vzniku první trhliny dojde k poklesu únosnosti, zatímco u tahového zpevnění po vzniku první trhliny se únosnost průřezu ještě zvýší, teprve pak dojde při rostoucí deformaci k jejímu poklesu. Výše zmíněná technická pravidla [3] popisují různé třídy UHPC podle stupně tahového změkčení/zpevnění, které se pak vztahují k návrhovým požadavkům na jednotlivé druhy konstrukcí. O tahovém změkčení, resp. zpevnění rozhoduje obsah vláken. Jako minimální obsah eliminující křehkost UHPC se považuje hranice 1,5 %. Při obsahu kolem 2 % již materiál obvykle vykazuje poměrně spolehlivě tahové zpevnění v oblasti malých deformací (do šířky trhliny 0,5 mm). Pokud je třeba navrhnout materiál s tahovým zpevněním i v oblasti velkých deformací, pak se obsah vláken pohybuje již kolem 3 %. Obsah vláken ovlivňuje významně i cenu UHPC, proto je třeba vždy uvážit, jak bude materiál působit, a nalézt rovnováhu mezi obsahem vláken a případným dalším vyztužením. U vysokopevnostního betonu nejsou ve směsi žádná vlákna. Jeho pevnost v tahu za ohybu je podstatně menší a nedochází k žádnému zpevnění ani změkčení, ale ke křehkému lomu a okamžité ztrátě únosnosti. U běžného betonu je diagram podobný jako u vysokopevnostního betonu, ale tahová pevnost je ještě menší. Prvky je proto nutné vyztužovat prutovou výztuží.

Dosavadní zkušenosti ukazují, že pokud jde o nosné konstrukce, nikoli např. fasádní prvky apod., pak je výhodné kombinovat UHPC s předpětím. Pro návrh konstrukcí je rozhodující proto spíše tahová než tlaková pevnost.

Trvanlivost je dána zejména vysokou odolností proti účinkům chemických rozmrazovacích látek (CHRL). Ta je díky hutné struktuře materiálu a nízké nasákavosti vynikající. Průsaky zkoušené podle běžných norem jsou maximálně v řádu jednotek mm. Při vystavení UHPC jinak agresivnímu prostředí, než jsou chloridy, je třeba odolnost zvláště posoudit, neboť např. organické látky vyskytující se u zemědělských staveb by mohly mít i pro UHPC silně degradační účinky. Z výsledků zkoušek na CHRL vzniká názor, že i konstrukce z UHPC mají vysokou trvanlivost. To je pravda, pokud jde o materiál, ale životnost konstrukce není dána jen vlastnostmi materiálu, ale řadou dalších faktorů (např. konstrukčních detailů, trvanlivostí výztuže). Je proto třeba trvanlivost konstrukce hodnotit pro každý případ jednotlivě. Samotné použití UHPC bez dalšího zhodnocení o trvanlivosti konstrukce mnoho neříká.

UHPC má také svá specifika v oblasti okamžitých a zpožděných deformací. Jeho modul pružnosti není výrazně vyšší než u běžného betonu (cca 40–50 GPa). To je třeba uvážit při návrhu štíhlých konstrukcí, které někdy bývají srovnávány s ocelovými konstrukcemi. U betonu se rozlišují dva druhy smršťování. Autogenní smršťování je závislé na složení betonu a projevuje se v době tuhnutí a počátečního tvrdnutí betonu. Může dosahovat hodnot kolem 0,3 až 0,5 mm/m. Smršťování od vysychání závisí na složení betonu a na podmínkách, ve kterých se beton vyskytuje. Obvykle je menší než u běžných betonů.

O dotvarování UHPC není mnoho známo. Dosavadní zkušenosti naznačují, že je menší než u běžného betonu. Je třeba získat další experimentální data, aby se tento předpoklad potvrdil a aby se mohly sestavit modely pro predikci dotvarování u UHPC. Nejde o jednoduchou úlohu, protože složení UHPC od různých výrobců se liší a experimentální data není jednoduché správně vyhodnotit.

Navrhování konstrukcí

UHPC lze použít pro různé druhy konstrukcí. Jak již praxe ukázala, existují dvě skupiny konstrukcí vhodných pro aplikaci UHPC. První skupinu tvoří konstrukce, kde se využívá vysoké trvanlivosti a nosná funkce je podpůrnou podmínkou. Sem patří např. fasádní panely budov a některé střešní konstrukce. Aplikace UHPC předpokládá vysokou trvanlivost proti účinkům prostředí a jeho vysoká únosnost vede k vylehčení těchto konstrukcí. Druhou skupinu tvoří nosné konstrukce, kde hlavním přínosem UHPC je vylehčení konstrukce díky vysoké pevnosti, a vysoká trvanlivost je další výhodou.

Pro konstrukce první skupiny je třeba klást důraz na kvalitu materiálu z pohledu trvanlivosti, na technologii výroby (aby v konstrukcích nevznikaly trhliny, aby byla dosažena kvalita povrchu atd.). Při návrhu střešních konstrukcí jde většinou o skořepinové prvky, kde je třeba opět eliminovat trhliny, popř. zajistit vodonepropustnost. Pokud jde o nosné ohýbané prvky, pak se na ně vztahují principy uvedené dále pro druhou skupinu konstrukcí. U fasádních panelů je třeba věnovat pozornost např. kotvení, kde mohou vznikat lokální namáhání, která je třeba správně posoudit a nadimenzovat. Dále je potřeba zajistit integritu, kdyby došlo k lokálnímu porušení, aby nenastal kolaps prvku nebo konstrukce. Z toho důvodu se i do některých fasádních prvků vkládá výztuž. S výhodou lze použít výztuž z nekovových materiálů (např. GFRP, nebo uhlíkové výztuže a tkaniny). Vzhledem k tomu, že jde spíše o konstrukční výztuž, nemusí být na závadu ani případný menší modul výztuže, jako je např. u GFRP, naopak je výhodou, že nekovové výztuže nepodléhají korozi.

Do druhé skupiny patří nosné konstrukce. UHPC má podobnou vlastnost jako běžný beton a tahová pevnost je výrazně menší než tlaková pevnost, proto je výhodné využívat předpětí. U konstrukcí z předpjatého UHPC lze využít vysokou pevnost v tlaku a zároveň předpětí eliminuje tahová namáhání. Nadměrná redukce průřezu (z hlediska únosnosti možná) může vést k významnému snížení tuhosti konstrukce (modul pružnosti je jen o málo větší než u běžného betonu) a pak se mohou kritériem návrhu stát mezní stavy použitelnosti (průhyb, kmitání) a nikoli mezní stavy únosnosti, jak je obvyklé u betonových konstrukcí.

Pro návrh konstrukcí je zásadní koncepční návrh [5]. Jako při návrhu jiných konstrukcí je třeba podobně zvážit širší vztahy, požadavky na konstrukci, okrajové podmínky stavby, postup výstavby a řadu dalších souvisejících okolností a na jejich základě zvolit vhodný konstrukční systém včetně materiálu. Pokud se předpokládá použití UHPC, je nutné jej řádně zdůvodnit a specifikovat, proč se používá právě v uvedeném případě. Důvodem je nejen vysoká cena materiálu, ale i podstatně komplikovanější výroba než u běžných betonových konstrukcí (včetně těch z vysokopevnostního betonu). Bohužel se v současnosti setkáváme s případy, kdy se navrhují konstrukce z UHPC, přestože by u nich postačoval kvalitní vysokopevnostní beton, jen proto, že jde o jistou módu a snahu navrhovat tzv. „pokrokové konstrukce“.

Jako příklad lze uvést předpjatou segmentovou konstrukci, kde je maximální tlakové napětí při charakteristické kombinaci zatížení v řádu cca 40 MPa. Tahové namáhání je eliminováno předpětím, protože jde o segmentovou konstrukci, kde musí být ve spárách tlaková rezerva. Pak je nutné si klást otázku, proč je konstrukce navržena z UHPC. Pevnostní výhoda UHPC není využita, trvanlivost segmentové konstrukce je dána především detaily a kvalitou zpracování, včetně injektáží, těsnění spár apod. Pro životnost konstrukce sto let by jistě vystačil beton třídy C90/105 nebo i nižší. Výroba by se výrazně zjednodušila, cena by se významně redukovala a omezily by se nepříznivé vlastnosti UHPC, jako je velké autogenní smršťování. Též by se zlepšily vlastnosti konstrukce z hlediska udržitelného rozvoje, protože by se výrazně snížila spotřeba cementu jako hlavního zdroje emisí CO₂. Je proto třeba pečlivě uvážit, kdy UHPC použít a kdy jej lze nahradit kvalitním klasickým betonem.

Trvanlivost konstrukce je obtížně definovatelná hodnota. I běžný beton jako materiál má velkou trvanlivost, jak ukazují některé stavby postavené v minulosti. Např. most Ponte del Risorgimento v Římě byl postaven v roce 1911 a slouží dopravě spolehlivě dodnes. U nás máme staré betonové mosty (např. oblouk ve Štěchovicích a mnoho dalších), které též dlouhodobě dobře plní svou nosnou funkci, avšak závady, které na nich vznikaly, popř. vznikají, jsou důsledkem nevhodně vyřešených detailů, popř. zanedbané údržby, ale nikoli přímo plynoucí z vlastností betonu. I z běžných betonů lze postavit konstrukce velmi trvanlivé, a naopak z UHPC lze postavit konstrukce s velmi malou trvanlivostí, pokud není zvolen vhodný koncept návrhu, nebo nejsou-li dobře vyřešeny detaily konstrukce.

Návrh konstrukcí z UHPC spoléhá na vysokou pevnost materiálu. Některé prvky lze navrhovat i bez výztuže za předpokladu, že vlákna v betonu přenesou tahová namáhání. Při návrhu konstrukcí je však vždy třeba zajistit určitou duktilitu v mezních stavech únosnosti, aby nedocházelo ke křehkému porušení, které se obecně považuje za nebezpečné. U prvků, kde může dojít k redistribuci namáhání, lze použít i UHPC bez výztuže, pokud je výsledné chování takové, že po vzniku trhliny je možné ještě přenést větší zatížení, než působilo před jejím vznikem. Tzn. na úrovni prvku nastává ještě tahové zpevnění. Naopak u prvků, které jsou namáhány přímým tahem (popř. tahem za ohybu) a kde se redistribuce nedá očekávat, je nutné doplnit prutovou výztuž, aby se zamezilo křehkému působení. Výjimkou mohou být konstrukce z UHPC s velmi vysokým obsahem vláken, kde již materiál vykazuje tahové zpevnění i v oblasti velkých deformací. Takový materiál je však výrazně dražší, neboť je třeba navrhnout dávkování vláken 3 %, popř. více.

Konstrukce z UHPC

Za dobu existence UHPC bylo navrženo mnoho konstrukcí. Některé z nich sloužily jako referenční stavby s cílem prokázat, že jde o konstrukce výhodné, a dále o konstrukce, které již prokázaly svou konkurenceschopnost s klasickými návrhy z běžného nebo vysokopevnostního betonu. V oblasti nosných konstrukcí se UHPC prosadil zatím převážně u lávek nebo některých mostních konstrukcí anebo např. u střešních konstrukcí skořepinového charakteru. Dále se navrhují drobnější konstrukce, např. schodiště. Jako příklady lze uvést most v Montpellier (obr. 5), střechu nástupiště příměstské dráhy v Calgary (obr. 6) nebo střechu nádraží na vysokorychlostní trati v Montpellier (obr. 7).

V ČR je relativně hodně aplikací UHPC zejména u lávek. Byly postaveny dvě velké zavěšené lávky, a to v Čelákovicích přes Labe (obr. 1, 8) a v Lužci přes Vltavu (obr. 9). Obě jsou segmentové. Kromě geometrie v podélném směru se liší konstrukcí spár a způsobem předpětí. Lávka v Čelákovicích má kontaktní spáry a definitivní předpětí soudržnými kabely. Lávka v Lužci má spáry betonované na místě po montáži segmentů a definitivní předpětí je realizováno volnými kabely vedenými mimo průřez mostovky. Kromě zavěšených systémů bylo postaveno několik lávek s trámovým systémem. Jako příklad lze uvést lávku v Táboře, kterou tvoří prostý nosník o rozpětí 27,0 m s dvoutrámovým průřezem a tenkou deskou mostovky (obr. 10). U všech tří zmíněných konstrukcí lze najít argument, proč byly postaveny právě z UHPC. Jde o lehké konstrukce a výhoda UHPC může být hledána v oblasti vylehčení konstrukce (včetně úspor na souvisejících konstrukcích – ­pylon, závěsy, zakládání), zvýšené trvanlivosti mostu, využití vlastností materiálu při výstavbě nebo v definitivním stavu či vylehčení konstrukce pro montáž a ekonomické výhodnosti ve srovnání s klasickým návrhem lávek z běžného betonu. U ekonomického zhodnocení je třeba posuzovat konstrukci jako celek, a to včetně investičních i celo­životních nákladů (life-cycle costs).

Jako příklady nenosných prvků lze uvést především architektonické fasádní prvky. Mezi nejznámější patří Muzeum civilizací ­Evropy a Středomoří v Marseille (obr. 11), nebo ragbyový stadion v Paříži (obr. 12). V obou případech jde o náročná architektonická díla vytvořená architektem R. Ricciottim. Fasádních prvků v menším rozsahu než u uvedených příkladů lze nalézt podstatně více.

Vzhledem k nákladům na výrobu UHPC, zvláště pokud je vyžadován vyšší obsah vláken, a vzhledem k náročnosti na jeho výrobu a ošetřování je třeba mít zdůvodněno, proč byl pro návrh konstrukce zvolen materiál UHPC. Pokud lze použít běžný vysokopevnostní beton, je možné dosáhnout významné úspory bez snížení užitných vlastností navrhované konstrukce.

Výroba konstrukcí z UHPC

Vzhledem ke komplikovanější výrobě čerst­vého UHPC, jeho viskóznímu charakteru a vyšším požadavkům na ošetřování zatím převažuje výroba prefabrikovaných konstrukcí před monolitickými. Většinou jde o samo­zhutnitelný materiál, který se nalévá do forem, popř. bednění. Čerstvý UHPC pak tvoří vodorovnou hladinu. Pokud nelze konstrukční prvek navrhnout tak, aby při betonáži byla horní plocha vodorovná, pak je nutné používat horní bednění, kterým lze dosáhnout požadovaného tvaru při betonáži horního povrchu. Použití horního bednění má však dopad na kvalitu horního povrchu, neboť se pod ním tvoří často vzduchové bubliny.

UHPC se vyznačuje velkým autogenním smršťováním. To začíná v době, kdy se začne vyvíjet i pevnost. Pokud forma zamezuje deformaci prvku od smršťování, vzniká riziko vzniku trhlin. Vysoký obsah cementu vede k uvolnění velkého tepla při hydrataci. Pokud jsou prvky tenkostěnné, teplo může unikat do okolí a pak postačí pečlivé obvyklé ošetřování s důsledným vlhčením povrchu. Pokud by prvky byly masivnější, může vývoj hydratačního tepla vyžadovat další opatření (samozřejmě se nabízí otázka, proč by prvky z UHPC měly být masivní, ale i s takovými návrhy se autor již setkal). Rovněž průřezy kombinující části s výrazně odlišnými tloušťkami mohou být vlivem teplotních účinků při hydrataci nebo později vlivem nerovnoměrného smršťování citlivé na vznik trhlin. Kvalita segmentových konstrukcí je závislá na návrhu spár mezi segmenty. Jsou-li navrženy kontaktní spáry lepené epoxidovým tmelem, jak je obvyklé u segmentových konstrukcí z běžného betonu, pak se doporučuje i výroba segmentů kontaktním způsobem, kdy již vyrobený segment tvoří bednění dalšího segmentu. Pokud nelze nebo není výhodné výrobu kontaktním způsobem zajistit, pak lze doporučit nepoužít kontaktní spáry v konstrukci, ale navrhnout spáry betonové, betonované dodatečně kvalitním materiálem, ideálně též z UHPC. Aby se zajistila trvanlivost konstrukce, je třeba věnovat mimořádnou pozornost zajištění tlakové rezervy ve spárách při všech kombinacích namáhání.

Výroba monolitických konstrukcí vyžaduje dořešení dalších technologických otázek, jako je doprava z betonárny na stavbu, doprava UHPC na místo určení, ukládka do bednění apod. UHPC vyráběný ve formě transportbetonu lze dopravovat na poměrně velkou vzdálenost (cca 100 km). Doprava do bednění na stavbě bádiemi je možná, ale je poměrně pomalá a viskozita UHPC může vést k obtížnému vyprazdňování bádie. Čerpání UHPC je obecně velmi obtížné, téměř nemožné. Viskozita brání čerpání a dále zůstává v potrubí poměrně velký objem UHPC. Pokud by se čerpaly velké objemy, nemuselo by to mnoho znamenat, ale v případě UHPC jsou objemy spíše menší a zbytky v potrubí mohou tvořit velký podíl na požadované výrobě UHPC, a tedy velké ekonomické ztráty. Přesto již byla jednodušší verze UHPC pro čerpání vyvinuta a čerpání bylo ověřeno na experimentální stavbě.

Ošetřování povrchu konstrukcí z UHPC je velmi náročné. Po uložení začne povrch velmi rychle vysychat a vytváří se povrchová krusta, která brání odchodu vzduchu z betonu. Je proto nutné ihned po uložení povrch udržovat vlhký a po finální úpravě jej ihned nastříkat prostředkem proti odpařování vody. Konečná úprava povrchu lze provádět různými způsoby od stržení lištou, po leštění jako u průmyslových podlah. Je však třeba upozornit na to, že UHPC je specifický materiál a veškeré uvedené činnosti vyžadují zkušenosti, které má v současnosti jen omezený počet firem a nelze je provádět stejně jako u běžného betonu.

Spoje prefabrikovaných prvků

UHPC je drahý materiál, proto je výhodné využít jeho vlastnosti při minimalizaci jeho objemu. Příkladem mohou být spoje prefabrikátů. Tato idea vznikla v USA a Kanadě při výstavbě spřažených ocelobetonových mostů [6]. Betonová deska mostovky, která se většinou navrhuje monolitická, byla nahrazena prefabrikovanými deskami z běžného betonu (obvykle není důvod pro to, aby byla celá deska z UHPC) a pouze spoje se zalijí UHPC. Taková technologie vede ke zrychlení výstavby a vlivem použití UHPC pro spoje mezi prefabrikáty má výhody v tom, že rychle nabývá pevnost a umožní rychlé uvedení mostu do provozu, kotevní délky výztuže ve spojích jsou malé (soudržnost výztuže a UHPC je velmi dobrá) a spotřeba UHPC je malá (malé náklady na UHPC). UHPC lze namíchat z prefabrikované směsi v potřebném (malém) množství a hned nalít do spár. V rámci výzkumné činnosti byly spoje prefabrikátů zkoušeny i na ČVUT v Praze. Testy prokázaly, že porušení nastalo vždy mimo spoj, resp. na hranici UHPC a prefabrikátu (13 a, b). Kotevní délka v UHPC postačuje bezpečně cca 10 ∅ výztuže. Porušení vytržením z UHPC nastane při kotevních délkách kratších než 4 ∅ výztuže.

Zesilování konstrukcí

UHPC je též vhodný materiál pro zesilování betonových konstrukcí. Nabetonování relativně tenké vrstvy UHPC na stávající betonovou konstrukci může tvořit významný příspěvek k její únosnosti. UHPC má velmi dobrou soudržnost s běžným betonem, což umožňuje ve většině případů vynechání spřahujících prvků. Podmínkou je přiměřená kvalita stávajícího betonu a vhodná úprava jeho povrchu. Povrch musí být čistý, bezprašný a hrubý s vystupujícími zrny hrubého kameniva a nerovnostmi cca 3 mm (obr. 14). Taková úprava se dá zajistit např. otryskáním vodním paprskem a odpovídá i zahraničním zkušenostem [7]. Další výhodou je, že vrstva UHPC bývá poměrně tenká, přitížení konstrukce materiálem zesílení je minimální.

U pozemních staveb lze zesilovat stropní desky, trámy i sloupy. Desky jsou obvykle vodorovné, což zjednodušuje technologii provádění, neboť UHPC se dodává jako samozhutnitelný beton, který má tendenci vytvářet vodorovnou hladinu. Pokud vrstva UHPC bude v oblasti tlačeného betonu, vy­užije se ideálně vysoká pevnost v tlaku. Zároveň se zvyšuje rameno vnitřních sil u stávající výztuže a tím se zvyšuje její účinnost. Je-li vrstva UHPC v tažené oblasti, pak vlákna obsažená v UHPC přispějí k tahové únosnosti. Ukázka ohýbané desky při dosažení únosnosti je uvedena na obr. 15. Je vidět, že i při značné křivosti desky nedošlo k delaminaci nabetonované vrstvy UHPC [8, 9]. U spojitých desek, kde se vyskytují při horním povrchu oblasti tlačené i tažené, je třeba posoudit účinnosti zesílení na konstrukci jako celek, včetně případné redistribuce namáhání v mezním stavu únosnosti. Pokud je třeba zvýšit únosnost tažené vrstvy UHPC, je možné do ní vložit betonářskou výztuž. Minimální tloušťka zesílení pak je cca 50 mm, aby bylo zajištěno krytí výztuže a probetonování celé vrstvy. V oblasti kolem sloupů, kde je pro únosnost desky kritické namáhání protlačením, se doporučuje navrhnout spřahující prvky propojující původní beton s nabetonovanou vrstvou UHPC, které budou působit jako smyková výztuž, budou-li správně zakotveny.

Zesilování sloupů lze provádět obetonováním vrstvou UHPC. Ta může být buď pouze z UHPC (tahovou výztuž tvoří jen vlákna) nebo lze doplnit prutovou výztuž včetně třmínků. U sloupů obetonovaných po celém obvodě průřezu není třeba provádět tak dokonalou úpravu povrchu (postačí očištění na kvalitní materiál), protože původní beton zůstane uvnitř obetonování UHPC a při deformaci není prakticky umožněn posun ve spáře mezi UHPC a původním betonem. Na druhou stranu je třeba zajistit podmínky pro kvalitní probetonování vrstvy UHPC. Vyztužení nesmí bránit dokonalému vyplnění prostoru bednění. Vzhledem k tomu, že UHPC obsahuje vlákna o délce maximálně cca 20 mm, měl by zůstat volný prostor pro betonáž v tloušťce min 1,5násobku délky vláken. Bude-li použi­ta výztuž, pak by mezery mezi pruty a též krytí mělo být minimálně 30 mm. Pro běžně používaná vlákna (cca 13 mm) pak vycházejí mezery a krytí minimálně 20 mm.

U mostních konstrukcí nabetonování vrstvy UHPC přispívá k únosnosti průřezu jako celku, u komorových průřezů k lokální únosnosti horní desky, navíc může vrstva UHPC působit jako izolace mostu. V takovém případě jsou však na UHPC kladeny vyšší nároky, a to zejména na vyztužení vlákny. Požaduje se pak UHPC s tahovým zpevněním i v oblasti větších deformací, a to vyžaduje obsah vláken na úrovni cca 3 %. Mosty nemají vodorovný povrch, ale desky mostovek mají podélný a příčný sklon. Receptura UHPC musí být upravena tak, aby bylo možné vrstvu UHPC v požadovaném sklonu realizovat.

Závěr

UHPC je moderní kvalitní cementový kompozit, který má vysokou pevnost zejména v tlaku a vysokou trvanlivost. Jeho tahová pevnost je závislá na obsahu vláken (obvykle jemných drátků z vysokopevnostní oceli). Je možné jej využívat pro celé konstrukce nebo jejich části, pro spoje betonových konstrukcí, nebo pro zesilování a rekonstrukce. Jeho cena je vysoká, závislá na složení, obsahu vláken a na dalších požadavcích (např. barva). Je proto třeba v rámci koncepčního návrhu pečlivě uvážit, kam jej použít a jaký konstrukční systém navrhnout. Přitom je třeba brát v úvahu nejen výsledné statické působení konstrukce, ale i technologii výstavby a rizika spojená s výrobou složitých součástí konstrukce. Velká odolnost materiálu UHPC proti vlivům prostředí, včetně rozmrazovacích solí, neznamená automaticky vysokou trvanlivost konstrukce vyrobené z UHPC. O té rozhoduje řada dalších okolností, jako je řešení konstrukčních detailů, spár, odvodnění, ochrana předpínací výztuže atd. Při návrhu nové konstrukce je tedy zásadní zvážit výhody a nevýhody použití UHPC a porovnat je s alternativou z kvalitního vysokopevnostního betonu, popř. s jinými materiály, a pak rozhodnout jeho použití.

UHPC poskytuje další možnosti aplikace na části konstrukcí nebo pro zesilování stávajících konstrukcí. Je to materiál, který jistě má své místo na trhu, ale podobně jako jiné materiály musí být použit tam, kde přináší skutečné výhody, a nikoli být navrhován proto, že je moderním a v současnosti i módním materiálem.

Poděkování
V článku jsou uvedeny některé výsledky získané v rámci řešení výzkumného projektu č. FV20472 za podpory MPO.

Zdroje:
[1] Betonové konstrukce 21. století – Betony s přidanou hodnotou. Beton TKS, 2012, č. 7.
[2] VÍTEK, J. L.; D. ČÍTEK; R. COUFAL; J. KOLÍSKO; J. MAREK. UHPC a jeho aplikace v České republice. Beton TKS, mimořádné vydání Beton – historie, současnost, budoucnost, 2019, č. 4, 98–111.
[3] COUFAL, R.; M. KALNÝ; J. KOLÍSKO; J. L. VÍTEK. Technická pravidla ČBS 07 – Ultravysokohodnotný beton – UHPC. ČBS, 2022 (připraveno do tisku).
[4] www.ductal.com
[5] fib Model Code for Concrete Structures 2010
[6] Performance of Grouted Connections for Prefabricated Bridge Deck Elements. Publication No. FHWA-HIF-19-003, Nov. 2018.
[7] Bond of Field-Cast Grouts to Precast Concrete Elements. Publication No. FHWA-HRT-16-081, FHWA, Jan. 2017.
[8] VÍTEK, J. L.; L. BOHÁČEK; R. COUFAL; D. ČÍTEK. Zesilování betonových konstrukcí pomocí UHPC – Experimentální ověření. Sborník konference Betonářské dny 2020. ČBS 2020, 231–239.
[9] VÍTEK, J. L.; L. BOHÁČEK; D. ČÍTEK; R. COUFAL. Experimentální ověření zesilování konstrukcí pomocí UHPC. Sborník příspěvků: 26. mezinárodní sympozium MOSTY/BRIDGES, 2021, Sekurkon, 2021, 156–161.