Textilní beton a zhodnocení jeho chování za zvýšené teploty

1. Úvod

V současné době stavební konstrukce z betonu zaznamenaly významný vývoj, a to například v použití stále oblíbenějších kompozitních materiálů jako výztuže. Jedná se o materiály, u kterých jsou využity různé druhy alternativní výztuže, jako jsou například i textilní výztuže s jednotlivými rovingy (svazky nekonečně dlouhých vláken) z uhlíku, skla nebo čediče v kombinaci s matricí ze syntetických pryskyřic. Vysokohodnotný jemnozrnný beton (High performance concrete – HPC) dohromady spolu s touto kompozitní textilní výztuží vylepšující tahové mechanické parametry tvoří tzv. textilní beton z anglického ekvivalentu textile reinforced concrete (TRC) [1–4]. Pro zlepšení mechanických vlastností homogenizací svazku vláken jsou tato vlákna doplněna o impregnaci na bázi syntetických pryskyřic, která zajišťuje efektivnější redistribuci napětí do celého svazku vláken textilní výztuže a umožní tak využití jejího plného tahového potenciálu v betonovém prvku. TRC umožňuje realizaci výrazně subtilnějších konstrukcí, než jaké známe v provedení z tradičního železobetonu. To je dáno zejména výbornou trvanlivostí a odolností uhlíkové výztuže proti atmosférické korozi, v kombinaci s vysokou tlakovou pevností HPC. Tato vlastnost totiž umožňuje návrh krycí vrstvy s ohledem pouze na spolupůsobení mezi materiály a neplní funkci ochrany proti atmosférické korozi jako je tomu u tradičních železobetonových konstrukcí. Tyto krycí vrstvy se pak řádově pohybují v rozmezí 5–10 mm, i méně. Dalším z nezanedbatelných benefitů betonových konstrukcí z TRC je jejich vynikající výsledná pohledová kvalita užitím jemnozrnných samozhutnitelných vysokohodnotných betonů, také celková úspora primárních zdrojů surovin díky použití kvalitních materiálů s lepšími užitnými vlastnostmi při jejich výrobě a následné aplikaci.

Pro následnou efektivní realizaci nosných konstrukcí z tohoto materiálu je však nutné zhodnotit chování zejména z pohledu požární bezpečnosti staveb, neboť použité pryskyřice mají obecně nízkou teplotní odolnost, což může ovlivnit bezpečnost stavby jako celku. Proto byl textilní beton v požární laboratoři na UCEEB ČVUT v Praze podroben požárním experimentům, jejichž cílem bylo vyhodnotit rizikové oblasti TRC a zhodnotit jeho možná omezení vyplývající z normových požadavků české legislativy.

2. Motivace

V současné době se TRC využívá zejména pro nenosné konstrukce, designové prvky, nábytek nebo fasádní panely (obr. 1). V porovnání s tradičními železobetonovými konstrukcemi má tento kompozitní materiál za běžné teploty výborné mechanické vlastnosti, a proto by mohlo dojít k jeho širšímu využití i v nosných konstrukcích, u nichž je kladen větší důraz na únosnost a subtilitu, odolnost vůči atmosférické korozi, nebo pohledovou kvalitu konstrukce. TRC však obsahuje hořlavou složku v podobě matrice textilní výztuže [3], čímž se liší od tradičních železobetonových konstrukcí, u nichž tahovou výztuž tvoří nejčastěji ocelové pruty a sítě. Matrice textilní výztuže je v současné době nezbytnou součástí TRC kvůli zachování mechanických vlastností kompozitu. Jelikož ale syntetické pryskyřice v textilní kompozitní výztuži ani zdaleka nedosahují takových teplotních odolností jako samotné HPC nebo tradiční ocelová výztuž, je nízká odolnost proti zvýšeným teplotám hlavní problematickou častí TRC v nosných konstrukcích [5].

a)

b)

Obr. 1: Použití TRC u nenosných a designových konstrukcí:
a) fasádní panely objektu [6]; b) designová Smart lavička vyztužená uhlíkovou textilií [7]

Obr. 2: požární pec miniFUR na UCEEB ČVUT v Praze pro středněrozměrové indikativní požární zkoušky [10]

Obecně lze konstatovat, že odolnost syntetických pryskyřic vůči zvýšené teplotě je velice nízká a při překročení přibližně 100–120 °C [8] dochází k značnému úbytku jejich mechanických vlastností, přičemž při vystavení přímému účinku plamene dojde i k jejich vzplanutí. V důsledku toho se pak poruší schopnost přenášet tahová napětí do celého svazku vláken a významně se ztrácí tahová pevnost. V rámci indikativních experimentů byly vytvořeny zkušební vzorky z TRC a umístěny do středněrozměrové požární pece (obr. 2), ve které byly zatíženy zvýšenou teplotou podle normové teplotní křivky ISO 834 [9]. Cílem bylo ověřit chování tohoto materiálu a relevantně zhodnotit možná omezení vyplývající z pohledu norem požární bezpečnosti staveb.

V návaznosti na požární experimenty byly vyhodnoceny rizikové oblasti, které by mohly negativním způsobem ovlivnit nosnou konstrukci z TRC za zvýšené teploty. Šlo zejména o dva projevy, a to odštěpení povrchových vrstev a vznícení epoxidové pryskyřice. Obecně je odštěpení betonových vrstev za zvýšené teploty známé [11] a je primárně zapříčiněno nízkým vodním součinitelem betonové směsi vysokohodnotného betonu [12]. Vzhledem k tloušťkám krycích vrstev znamená každá odštěpená vrstva výrazné oslabení konstrukce, neboť může dojít k obnažení textilní výztuže a následně i k jejímu vzplanutí, respektive ke vzplanutí epoxidové pryskyřice (obr. 3).

3. Omezení vyplývající z pohledu soboru norem řady ČSN 73 08xx

V současnosti platný soubor požárních norem řady ČSN 73 08xx klasifikuje tradiční konstrukce, které byly běžně používány v dobách jeho vzniku (rok 1977). Především jde o konstrukce železobetonové, dřevěné nebo zděné. Aktuálně používané technologie ve výrobě nosných konstrukcí oproti minulosti pokročily natolik, že klasifikace zejména moderních kompozitních materiálů podle této metodiky může v závislosti na jejich výkladu uvádět tyto materiály do nevýhodné situace. Jde zejména o požadavky na ně a z nich vyplývající legislativní omezení. Nově jsou čím dál častěji navrhovány konstrukce z kompozitních materiálů, v nichž hrají významnou roli hmoty na bázi plastů a syntetických materiálů. To vede k otázce, zda je na místě tyto konstrukce klasifikovat podle stávajících metodik za pomoci druhů konstrukcí a konstrukčních systémů.

Klasifikace druhu konstrukční části dle ČSN 73 0810

Z požárních experimentů bylo prokázáno, že TRC při použití syntetické matrice přispívá k rozvoji požáru (obr. 3) v době požadované požární odolnosti. Tudíž dle ČSN 73 0810 tato konstrukce nesmí být klasifikována jakožto konstrukce druhu DP1 nebo DP2. Proto by konstrukce z TRC měla být hodnocena jako konstrukce druhu DP3, z čehož vyplývají požadavky pro následnou klasifikaci konstrukčního systému objektu. Jedním z možných řešení je aplikace účinné požární ochrany, která by zabránila příspěvku k rozvoji požáru, a při volbě kvalitnějších pryskyřic s třídou reakce na oheň alespoň D lze klasifikovat konstrukce z TRC jako konstrukce druhu DP2. Další z možností je nahradit hořlavou matrici textilní výztuže nehořlavou variantou a umožnit tak klasifikaci jako druh DP1 stejně, jako pro tradiční železobetonové konstrukce.

Obr. 3: zkušebních deskové vzorky z TRC po ukončení požárního experimentu (pohled skrze ventilační otvor dovnitř zkušební pece) [10]

Výškové omezení objektů s nosnými konstrukcemi z TRC

V návaznosti na druh konstrukční části potažmo konstrukční systém je nejzásadnější omezení požární výšky objektů, ve kterých by jako nosný prvek byly použity konstrukce právě z textilního betonu. V případě použití svislých nosných prvků (sloupy, stěny) z TRC i při klasifikaci konstrukce druhu DP2 je celý konstrukční systém zařazen do kategorie hořlavého konstrukčního systému (obr. 4) s následným uplatněním přísných výškových omezení, což v případě betonových konstrukcí může být značně diskutabilní.

Obr. 4: Druhy konstrukčních systémů budov (zjednodušené řezy objektem) a jejich orientační omezení z hlediska požární výšky h:
a) nehořlavý – h bez omezení; b) smíšený – h ≤ 22,5 m; c) hořlavý – h ≤ 12 m [13]

Stanovení odstupových vzdáleností

Ve stávajícím provedení TRC s matricí ze syntetické pryskyřice je vysoké riziko, že může dojít k příspěvku k rozvoji požáru, na rozdíl od tradičních železobetonových konstrukcí. Nejen že tento fakt dle ČSN 73 0810 zasahuje do klasifikace konstrukčního systému, ale díky tomu výrazně ovlivňuje i stanovení odstupových vzdáleností od požárně otevřených ploch objektu. Konkrétně se jedná o navýšení o 5 kg∙m⁻² při smíšeném konstrukčním systému a o 10, popřípadě 15 kg∙m⁻² při hořlavém konstrukčním systému. V houstnoucí zástavbě je stále kladen větší důraz na minimalizaci požárně nebezpečného prostoru od staveb a ve fázi návrhu objektů by mohlo být toto kritérium důvodem pro vyřazení TRC z použití ve výstavbě.

4. Závěr

Textilní beton (TRC) je nový kompozitní materiál skládající se ze tří hlavních částí, z vysokohodnotného betonu, textilní výztuže a její syntetické matrice. Tato kombinace materiálů má vysoký potenciál pro budoucí použití v konstrukčních prvcích, především jako prutové konstrukce (sloupy), případně plošné konstrukce (fasádní panely). Pomocí stávajícího technologického provedení s několika vrstvami textilní výztuže a matrice z epoxidové pryskyřice je dosaženo výborných mechanických vlastností za běžné teploty. V současné době je však praktické využití omezeno ne zcela ideální odolností vůči zvýšeným teplotám.

Při použití vysokohodnotného betonu jako hlavního materiálu TRC může docházek k masivnímu odštěpení svrchních betonových vrstev, což může zásadně oslabit celistvost konstrukce, popřípadě vlivem obnažení textilní výztuže umožnit její vzplanutí. V návaznosti na tato rizika reaguje česká legislativa přísnými omezeními, co se klasifikace druhu konstrukční části, výškového omezení stavby a ovlivnění požárně nebezpečného prostoru objektu týče. Pro komplexní a efektivní návrh nosných konstrukcí z textilního betonu je pro budoucí práci nezbytné zejména hlubší poznání použitých materiálů. To by umožnilo využití plného potenciálu všech materiálů, a zároveň by při použití požárně odolnější matrice textilního vlákna eliminovalo příspěvek k rozvoji požáru. V tomto případě by se dal využít plný potenciál kompozitního materiálu a konstrukce by se daly klasifikovat jako druh konstrukční části DP1.

5. Literatura

1. LAIBLOVÁ, Lenka, Tomáš VLACH a Jakub ŘEPKA. Co je to textilní beton (TRC). TZB-info [online]. TZB-info, 2019 [cit. 2020-06-01]. Dostupné z: https://stavba.tzb-info.cz/beton-malty-omitky/18732-co-je-to-textilni-beton-trc
2. VLACH, Tomáš. Adhesion of carbon and basalt composite reinforcement with UHPC. Prague, 2013. Diploma thesis. CTU in Prague.
3. VLACH, Tomáš, Magdaléna NOVOTNÁ, Ctislav FIALA, Lenka LAIBLOVÁ a Petr HÁJEK. Cohesion of Composite Reinforcement Produced from Rovings with High Performance Concrete. Applied Mechanics and Materials [online]. 2015, 732, 397–402. ISSN 1662-7482. Dostupné z: https://www.scientific.net/AMM.732.397
4. BRAMESHUBER, Wolfgang (ed.). Report 36: textile reinforced concrete-state-of-the-art report of RILEM TC 201-TRC. RILEM publications, 2006.
5. Prague.Z. Kořínek, “Vlákna”, Kompozity, 2018. [Online]. Available: https://kompozity.webnode.cz/.
6. Systemised construction solutions – HERING. 301 Moved Permanently [online]. Copyright © [cit. 17. 06. 2020]. Dostupné z: https://www.heringinternational.com/en/
7. Vědci z ČVUT představí prototyp chytrých čidel i laviček – URBIS SMART CITY FAIR – Veletrhy Brno. Veletrhy Brno | Jednička ve střední Evropě – Veletrhy Brno [online]. Copyright © 2020, všechna práva vyhrazena [cit. 17. 06. 2020]. Dostupné z: https://www.bvv.cz/urbis/aktuality/aktuality-2019/vedci-z-cvut-predstavi-prototyp-chytrych-cidel-i-l/
8. DUCHÁČEK, Vratislav a VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE. Polymery: výroba, vlastnosti, zpracování, použití. Praha: Vydavatelství VŠCHT, 2006. ISBN 978-80-7080-617-3.
9. ČSN EN 1991-1-2:2004 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-2: Obecná zatížení – Zatížení konstrukcí vystavených účinkům požáru. nedatováno.
10. Fürst, R. Fire specifics of building load-bearing structures of textile reinforced concrete. Prague: CTU in Prague, 2019.
11. PROCHÁZKA, Jaroslav, Radek ŠTEFAN, Jitka VAŠKOVÁ, ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE a STAVEBNÍ FAKULTA. Navrhování betonových a zděných konstrukcí na účinky požáru. V Praze: České vysoké učení technické, 2010. ISBN 978-80-01-04613-5.
12. Aïtcin, P.-C., Česká komora autorizovaných inženýrů a techniků činných ve výstavbě, Česká betonářská společnost, 2005. High-Performance Concrete. Pro Českou komoru autorizovaných inženýrů a techniků činných ve výstavbě (ČKAIT) a Českou betonářskou společnost vydalo Informační centrum ČKAIT,
13. POKORNÝ, Marek a Petr HEJTMÁNEK. Požární bezpečnost staveb: sylabus pro praktickou výuku. 2. přepracované vydání. V Praze: České vysoké učení technické, 2018. ISBN 978-80-01-06394-1.

Poděkování

Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.