Betón, ako jeden z najvýznamnejších stavebných kompozitných materiálov, sa vyznačuje výrazným rozdielom v pevnosti v tlaku a v ťahu. Zatiaľ čo jeho odolnosť voči tlaku je vysoká, pevnosť v ťahu predstavuje iba približne desatinu pevnosti v tlaku. Tento inherentný nedostatok v ťahovej odolnosti je možné efektívne prekonať zavedením oceľových drôtikov do betónovej zmesi, čím vzniká tzv. drátkobetón. Tento materiál nachádza svoje uplatnenie predovšetkým v konštrukciách, kde je kladený dôraz na zvýšenú húževnatosť a odolnosť voči vzniku a šíreniu trhlín, ako sú priemyselné podlahy a základy. Pre správny návrh a spoľahlivé využitie drátkobetónu je nevyhnutné dôkladné poznanie jeho materiálových vlastností, predovšetkým pevnosti v ťahu.
Skúšobníctvo a akreditované laboratórne služby
Naše skúšobné laboratórium sa špecializuje na komplexné skúšanie betónov a ich zložiek, pričom disponuje akreditáciou podľa normy STN EN ISO/IEC 17025. Väčšina nami ponúkaných skúšok je vykonávaná v akreditovanom režime, čo zaručuje ich vysokú spoľahlivosť a medzinárodnú porovnateľnosť. Sme pripravení poskytnúť vám odborné poradenstvo v oblasti skúšania materiálov a pomôcť vám s výberom optimálneho riešenia pre váš projekt. Našim cieľom je overiť rôzne vlastnosti betónov, vrátane optimalizácie zloženia kameniva pre bežné alebo špeciálne betóny a zmesi. Obráťte sa na nás s vašimi špecifickými požiadavkami a naši skúsení pracovníci vám radi pomôžu.
Drátkobetón: Rozšírená skupina vláknobetónov
Drátkobetón predstavuje špecifickú podskupinu širšej kategórie vláknobetónov. Vláknobetóny ako také existujú v mnohých variantoch, ktoré sa líšia použitým materiálom a tvarom vlákien. V niektorých aplikáciách môže drátkobetón predstavovať výhodnejšiu alternatívu v porovnaní s prostým betónom alebo železobetónom. Ide predovšetkým o konštrukcie ako priemyselné podlahy a základy, kde je potrebný podrobný popis materiálových vlastností drátkobetónu. Vlastnosti drátkobetónu sa primárne overujú prostredníctvom laboratórnych skúšok.
Vplyv drátkov na mechanické vlastnosti
Množstvo, technológia spracovania, ošetrovanie a uloženie drátkov významne ovplyvňujú mechanické vlastnosti drátkobetónu. Je preto nevyhnutné venovať náležitú pozornosť overovaniu týchto vlastností a návrhu životnosti konštrukcií. Testovaniu materiálových vlastností drátkobetónu sa venuje rozsiahla vedecká literatúra. Kľúčovou materiálovou vlastnosťou drátkobetónu je jeho pevnosť v ťahu. Avšak priame testovanie pevnosti betónu v jednoosom ťahu je technologicky náročné a často sa vyznačuje značným rozptylom nameraných hodnôt. Z tohto dôvodu sa v praxi častejšie využívajú nepriame metódy, ako je skúšanie pevnosti v ťahu za ohybu.
Metódy skúšania pevnosti v ťahu za ohybu
Existuje viacero variantov skúšok na určenie pevnosti v ťahu za ohybu, ktoré sa líšia konfiguráciou testu, rozmermi skúšobných vzoriek a úpravou povrchu vzoriek. Bežne sa používajú trojbodové alebo štvorbodové ohybové skúšky. Vzorky sa často upravujú vrubom, ktorý môže siahať do jednej tretiny výšky prierezu, alebo alternatívne do hĺbky 25 mm.
Pri podrobnejšom popise mechanických vlastností drátkobetónu sa často stretávame s problémom, že experimentálne programy sa zameriavajú na jednotlivé materiálové vlastnosti. To následne komplikuje použitie získaných hodnôt pre numerické simulácie skutočného správania konštrukčných prvkov, najmä s ohľadom na homogenitu materiálu a rozptyl nameraných hodnôt.
Experimentálny program a použité materiály
V rámci nášho výskumu bol testovaný bežný betón s maximálnym zrnom kameniva 16 mm a vodným súčiniteľom 0,6, s použitím rýchlotuhnúceho portlandského cementu 42,5 MPa a plastifikátora Stacheplast. Ako výstuž bol zvolený drôtik typu Dramix 3D 65/60 BG, ktorý je bežne dostupný na trhu.
Laboratórny program bol rozdelený do štyroch hlavných častí, pričom každá séria obsahovala viac ako 23 vzoriek. Testované boli vzorky bez drátkov a s obsahom drátkov v množstvách 25, 50 a 75 kg/m³. Zkoušky zahŕňali rôzne konfigurácie ohybových testov s rozpätím podpor 500 mm alebo 600 mm, s vrubom alebo bez neho, a s rôznou konfiguráciou zaťaženia (trojbodová alebo štvorbodová skúška).
Stanovenie pevnosti v tlaku
Pevnosť betónu v tlaku, ktorá je základnou mechanickou vlastnosťou, sa štandardne určuje na kockových vzorkoch s rozmermi 150×150×150 mm alebo valcových vzorkoch s priemerom 150 mm a výškou 300 mm. Pre komplexnejšie vyhodnotenie bolo pre každú sériu zhotovených 6 kociek a 3 valce. Výsledky skúšok pevnosti v tlaku boli spracované a zistené hodnoty koeficientu medzi kryštalickou a valcovou pevnosťou sa pohybovali v intervale od 0,79 do 0,89. Použitie vlákien v betóne má vplyv aj na pevnosť v tlaku, pričom orientácia vlákien môže spôsobiť pokles výslednej pevnosti s rastúcim množstvom drátkov. Vypočítaný prepôčtový koeficient 0,83 medzi kryštalickou a valcovou pevnosťou je v dobrej zhode s odporúčanými hodnotami, ktoré najčastejšie uvádzajú hodnotu 0,85.
Skúška v príčnom ťahu
Medzi najrozšírenejšie spôsoby testovania pevnosti v ťahu patrí skúška v príčnom ťahu. Pre tento účel je možné použiť kockové alebo valcové skúšobné telesá. S ohľadom na kapacity laboratória boli pre testovanie využité kocky. Z výsledkov týchto testov je zrejmé, že pridanie drátkov do betónu vedie k nárastu pevnosti v ťahu. Pevnosť v ťahu sa zväčšila o necelý 1 MPa, čo predstavuje približne 50% nárast. Je však dôležité poznamenať, že nárast tahovej pevnosti u vyztužených vzoriek je pri vyšších dávkach drátkov už pomerne malý. Skúšky v príčnom ťahu veľmi dobre ilustrujú vplyv drátkov na rast pevnosti v ťahu, a to aj pri dávkovaní drátkov 25 kg/m³. S rastúcim množstvom drátkov však narastá aj rozptyl nameraných hodnôt tahových pevností, čo platí predovšetkým pre zmesi s obsahom 75 kg/m³ drátkov.
Trojbodová ohybová skúška
Trojbodová a štvorbodová ohybová skúška patria medzi ďalšie bežné metódy na stanovenie pevnosti v ťahu. Existujú rôzne konfigurácie týchto skúšok, ktoré sa líšia predovšetkým rozpätím podpor, polohou zaťaženia alebo hĺbkou zárezu. V rámci nášho experimentálneho programu boli zvolené štyri varianty týchto skúšok. Každá skúška bola vykonaná vždy pre dva vzorky. Pri výpočte pevnosti v ťahu je potrebné brať do úvahy predpoklady rozloženia napätí po priereze a nelineárne chovanie betónu, ktoré vedie k plastifikácii a vzniku mikrotrhlín.
Pre testovanie boli zvolené dve varianty trojbodovej skúšky. Prvá variant, označená ako 3B600, bola vykonaná na tráme nominálnej veľkosti 150×150×700 mm s rozpätím 600 mm a zárezom hlbokým 50 mm. V tomto prípade sa miesto vzniku trhliny lokalizovalo v mieste zárezu. Druhá variant, 3B500, bola určená pre trám nominálnej veľkosti 150×150×600 mm s rozpätím 500 mm. Pri tejto skúške sa miesto vzniku trhliny lokalizovalo pod bodom zaťaženia, v mieste s najmenšou pevnosťou.
Výsledky trojbodovej ohybovej skúšky sú sumarizované v tabuľkách a graficky prezentované. Na základe týchto výsledkov je možné stanoviť funkčnú závislosť medzi množstvom drátkov v betóne a pevnosťou v ťahu za ohybu.
Štvorbodová ohybová skúška
Štvorbodová ohybová skúška je ďalšou z častých metód zameraných na stanovenie tahovej pevnosti, ktorá sa využíva napríklad aj v odporúčaní/štandarde [11]. V rámci experimentálneho programu boli opäť navrhnuté dve varianty: 4B600 a 4B500.
Skúška označená 4B600 bola vykonaná na tráme nominálnej veľkosti 150×150×700 mm s rozpätím 600 mm. Vzdialenosť medzi podporami a bodmi zaťaženia bola 200 mm. V tomto prípade sa vznik trhliny lokalizoval pri dolnom povrchu trámu, v oblasti medzi bodmi zaťaženia. Druhá variant, 4B500, bola určená pre trám nominálnej veľkosti 150×150×600 mm s rozpätím 500 mm. Táto skúška sa od predchádzajúcej líšila najmä umiestnením bodov zaťaženia.
Výsledky štvorbodovej ohybovej skúšky sú taktiež sumarizované a graficky prezentované. Na základe získaných dát je možné stanoviť funkčnú závislosť medzi množstvom drátkov v betóne a pevnosťou v ťahu za ohybu. Porovnaním výsledných funkčných závislostí z trojbodovej a štvorbodovej ohybovej skúšky sa ukázalo, že štvorbodové skúšky vykazujú nižšie hodnoty ťahovej pevnosti. Tento rozdiel je spôsobený väčšou oblasťou, kde sa môže lokalizovať ťahová trhlina pri štvorbodovej skúške.
Prepočet na jednoosovú pevnosť v ťahu
Skúšanie pevnosti v jednoosovom ťahu je náročné a často sa vyznačuje vysokým rozptylom nameraných hodnôt, pričom výsledky sú citlivé na okrajové podmienky, najmä na spôsob uchytenia skúšobného telesa. Napriek tomu je práve táto mechanická vlastnosť nevyhnutná pre pokročilé numerické simulácie a analýzy. Avšak, pomocou výsledkov zkoušok v ťahu za ohybu alebo v príčnom ťahu je možné pomocou známych vzťahov, overených na veľkom množstve experimentov, dopočítať pevnosť v jednoosovom ťahu. Pre betóny nižších pevností sa odporúča voliť súčinitele na dolnej hranici ich rozsahu.
Záver a praktické implikácie
Predložený článok prezentuje vybrané možnosti skúšania a určovania pevnosti v ťahu pre drátkobetón na báze bežného betónu nižšej triedy. Experimentálny program zahŕňal štyri série vzoriek s dávkovaním drátkov 25, 50 a 75 kg/m³. Pre stanovenie pevnosti v jednoosovom ťahu boli využité ohybové skúšky a skúšky v príčnom ťahu, pričom pre získané hodnoty boli stanovené funkčné závislosti na množstve drátkov. Tieto funkcie presne vystihujú rastúci trend pevnosti v ťahu. Rozdiely v nameraných ťahových pevnostiach pre rôzne typy skúšok sa ukázali ako malé.
Z hľadiska praktického využitia drátkobetónu je dôležité zdôrazniť, že úloha drátkov nespočíva len v čiastočnom zvýšení ohybovej pevnosti, ale predovšetkým v obmedzení vzniku zmršťovacích trhlín. To umožňuje realizáciu väčších konštrukčných celkov bez potreby rezných škár, ktoré sú pri prevádzke ťažkých manipulačných prostriedkov zraniteľné.
Je potrebné poznamenať, že v praxi sa dávky 50 až 75 kg drátkov na m³ betónu používajú zriedka, pretože takéto zmesi sú často nečerpateľné, čo komplikuje ich spracovanie pri veľkorozmerných podlahách. Bežný obsah drátkovej výztuže sa pohybuje v intervale od 20 do 35 kg/m³. Pri týchto dávkach článok jasne preukazuje nárast ohybovej pevnosti betónu s prídavkom drátkov na úrovni približne 25 %. Tento prídavok môže prispieť aj k nárastu pevnosti v tlaku. Naopak, vyššie dávky drátkov, hoci ďalej zvyšujú ohybovú pevnosť, môžu spôsobovať pokles pevnosti betónu v tlaku.
Zaujímavým smerom ďalšieho výskumu by mohlo byť porovnanie ekvivalentu hmotnosti drátkov s klasickou prútovou výstužou pri zaťažení v oblasti ťahových napätí. Takéto porovnanie by poskytlo cenné informácie o efektívnosti drátkovej výstuže z hľadiska zvyšovania ohybovej tuhosti železobetónových prvkov.