Samozhutnitelný beton a jeho použití na mostě přes Seifertovu ulici

1. Historie, vlastnosti, laboratorní zkoušky

Rozvoj betonových konstrukcí koncem století prošel bouřlivým vývojem. Zatímco před několika desetiletími se věnovala maximální pozornost rozvoji konstrukcí a vyztužování, beton byl klasickým materiálem s poměrně pevně definovanými vlastnostmi, dnes se beton jako materiál rozvíjí velmi rychle. Umožnil to především rozvoj chemického průmyslu.

Vývoj konstrukcí, směřující k hustě vyztuženým průřezům, ukázal, že klasické zpracování betonu pomocí vibrace může být obtížné a zároveň je silně závislé na lidském faktoru. Po odbednění se v řadě případů zjistilo, že beton nepronikl do všech míst a konstrukce byla znehodnocena.

Samozhutnitelný beton, v zahraničí označovaný zkratkou SCC (anglický výraz Self-compacting concrete), byl před téměř dvaceti lety vyvinut v Japonsku. Tam k vývoji samozhutnitelného betonu přispěly problémy s výslednou kvalitou betonové konstrukce. Japonci se snažili se odstranit vliv lidského faktoru na dostatečné zhutnění betonové směsi. Tento vliv byl označen jako prvořadý důvod špatné kvality a nízké produktivity betonáže. Obvyklá kontrola vlastností hotového betonu pomocí separátních vzorků, které lze snadno zhutnit, často nepostihuje skutečný nedostatečně zhutněný beton již uložený in-situ. Nedostatečné zhutnění dokáže zásadně ovlivnit konečné vlastnosti i optimálně navrženého betonu.

První výzkumné práce na samozhutnitelném betonu započaly v Japonsku v roce 1983 prof. Okamura na Kochi University of Technology a v roce 1986 prof. Ozawa na University of Tokio. První praktická aplikace tohoto betonu byla provedena v roce 1988. K prudkému rozvoji samozhutnitelného betonu došlo v roce 1992, kdy se začal používat na běžných stavbách. Informace o vývoji a počátečních aplikacích z Japonska pronikaly do evropských zemí a do Ameriky. V roce 1996 byl ve společnosti RILEM založen výbor, který se zabývá problematikou samozhutnitelného betonu. Mezníkem v jeho činnosti bylo Symposium uspořádané v září 1999 ve Stockholmu, kde byly prezentovány první výsledky, mající charakter souhrnných zpráv z různých oblastí světa. Dnes je v Japonsku samozhutnitelný beton využíván na stavbách mostů (např. kotevní bloky mostu Akashi-Kaikyo s 530 000 a 250 000 m3 , při denní ukládce 1900 m3 ), tunelů, nádrží na vodu i plyn, budov i v prefabrikaci.

Do České republiky přinesl první informace o samozhutnitelném betonu a o jeho použití v roce 1997 na Betonářských dnech prof. Bartos ze skotské university Paisley a experimentálnímu vývoji se věnují na FAST VUT v Brně a na FAST ČVUT v Praze.

Samozhutnitelný beton kombinuje vysokou schopnost pohyblivosti a tečení bez působení vnějších dynamických sil s velkou odolností proti rozměšování a segregaci hru-bých složek betonové směsi. Hrubé kamenivo je udržováno stále ve vznosu a viditelně plave na povrchu betonu bez známek odlučování vody. Těchto vlastností je dosaženo použitím speciálních superplastifikačních přísad na bázi polykarboxylátů a vhodným složením kameniva.

Tento beton dokáže bez vibrace a hutnění zaplnit složité tvary bednění a vyplnit všechna místa s hustou armaturou bez vzduchových pórů a bublin. Beton protéká mezi jednotlivými pruty výztuže, aniž by se znatelně změnilo jeho složení. Beton je hutný po celé výšce konstrukce. Povrchové vrstvy těchto betonů jsou homogenní a bez vad, dosahuje se hladkého povrchu i u jemných detailů, hran a zaoblení.

Samozhutnitelný beton lze použít ve výrobnách prefabrikátů, čímž se minimalizuje hluk a opotřebení forem vlivem vibrací, také jej lze použít při výrobě monolitických konstrukcí s omezenou možností vibrace (vrtané piloty, podzemní stěny, opěrné zdi), pro hustě vyztužené konstrukce, pro průmyslové podlahy a pod.

V TBG Metrostav s.r.o. jsme s vývojem samozhutnitelného betonu začali v roce 1999. Po zkouškách jednotlivých druhů kameniva, jemných plniv a plastifikátorů jsme odlaďovali vhodné složení betonové směsi s ohledem na požadované vlastnosti betonu. Pro výrobu samozhutnitelných betonů používáme materiály, které splňují požadavky platných norem. Omezili jsme množství a velikost hrubého kameniva, snížili poměr vody a jemných součástí a použili velmi účinný typ plastifikační přísady na bázi polykarboxylátu. Složení samozhutnitelného betonu má příznivý vliv i na některé mechanické vlastnosti. Zrna hrubého kameniva nedoléhají přímo na sebe, mají mezi sebou vrstvu jemných složek, tím při zatěžování nedochází ke koncentracím napětí na hranách zrn. Důsledkem je pak vyšší pevnost betonu. Naopak dochází ke stlačování jemných vrstev, takže moduly pružnosti jsou nižší než u odpovídajícího běžného betonu. Vlivem nízkého vodního součinitele samozhutnitelné betony dosahují vyšších pevností v tlaku a vzhledem k velkému podílu jemných částic, které zaručují hutnou strukturu, jsou vodotěsné.

Reologické vlastnosti samozhutnitelných betonů se značně liší od běžných betonů a pro sledování konzistence nelze použít běžné zkušební metody. Zkoušení čerstvého smozhutnitelného betonu je mimo rozsah jakékoliv normy včetně ČSN EN 206-1. Přesná a výstižná metoda pro jeho zkoušení se v Evropě ještě vyvíjí. Při návrhu směsi se používají různá zkušební zařízení. Běžná kontrola na stavbě se provádí pomocí upravené zkoušky rozlití kužele. Obrácený Abramsův kužel se naplní v jedné vrstvě bez propichování a po jeho zvednutí se zjišťuje rozlití. Obvyklá hodnota pro naše betony je 650-750 mm, ale lze vyrobit i samozhutnitelný beton s rozlitím 550 mm. Na stavbě je zakázáno upravovat konzistenci přidáním vody. Úprava konzistence je možná pouze technologem nebo jím pověřeným pracovníkem, a to pouze přidáním přesně určeného množství přísady. Samozhutnitelné betony jsou velice citlivé na dodatečné přidání vody, které může způsobit dramatickou ztrátu stability betonové směsi.

Z laboratorních metod je v Evropě nejrozšířenější tzv. L-box, kde se měří čas, za který směs proteče z vertikální části do horizontální přes zábrany z výztuže. Jakmile se směs přestane pohybovat, měří se výška sloupce zbylé směsi ve vertikální části a na konci horizontální části. Poměr výšek ukazuje na schopnost směsi protékat mezi jednotlivými pruty výztuže a odolnost proti blokování kameniva. Dalšími obdobnými zařízeními na sledování a vyhodnocování tekutosti, segregace a blokování jsou Orimet a J-ring.

Doba zpracovatelnosti čerstvé samozhutnitelné směsi je minimálně 2 hodiny v závislosti na vnějších klimatických podmínkách. Na základě provedených zkoušek se počátek tuhnutí pohybuje v rozmezí 3 až 12 hodin. Po této době nastává strmý nárůst počátečních pevností. Pevnost po 7 dnech dosahuje obvykle cca 75% výsledné pevnosti v tlaku.

Samozhutnitelný beton je dobře čerpatelný i na velké vzdálenosti. Před zahájením čerpání je potřeba věnovat zvýšenou pozornost přípravě čerpadla. Přes velmi vysokou tekutost čerstvé směsi nesmí být samozhutňující beton použit jako tzv. najížděcí směs. Směs nelze ředit vodou. Přidáním vody do samozhutnitelného betonu dochází k jeho rozmíšení a následné segregaci, která beton znehodnotí a čerpadlo ucpe. Samozhutnitelný beton, který vykazuje "medovitou" konzistenci by měl být ukládán plynule, aby se předešlo případnému ucpání čerpacího stroje.

Při betonáži se samozhutnitelnými betony jsou kladeny větší nároky na bednění než při betonáži s klasickými betony. Jde především o větší namáhání tlakem od čerstvého betonu, protože čerstvý samozhutnitelný beton v bednění je v průběhu betonáže stále tekutý a na bednění působí plným hydrostatickým tlakem na celou výšku betonované konstrukce. Skladbu bednění proto doporučujeme konzultovat s jeho dodavatelem. Čerstvý samozhutnitelný beton vykazuje vysokou tekutost a protéká i malými otvory. Problémy způsobují především netěsnosti u obednění čel a různých prostupů. V bednění je dále nutné důsledně zaslepit všechny otvory. Exponovanými místy jsou především nevyužité otvory pro spínací tyče. Dále je nutné zabránit podtékání betonu pod bedněním a zamezit tak jeho vyplavání. Bednění musí být čisté a řádně ošetřené odbedňovacím prostředkem, který musí být kompatibilní s použitou přísadou v betonu. Jako nevhodné se jeví přípravky ředitelné vodou.

2. Použití betonu na mostě přes Seifertovu ulici

Na stavbu mostu bylo uloženo 2728 m3 samozhutnitelného betonu C 30/37 sap 3a. Do základů byl beton čerpán volně a mezi hustou výztuží se roztékal do krajů.

Při betonáži svislých konstrukcí, kdy se provádí betonáž do bednění shora, nesmí samozhutnitelný beton padat z větších výšek, neboť je do něj vnášen vzduch, který se později uvolňuje podél bednění. Toto lze vyloučit ukládáním betonu ode dna pomocí plnícího kusu, kdy je hmotnost betonu přetlačována tlakem čerpadla. Tato metoda byla použita při betonáži opěr mostu, kdy byly po výšce konstrukce použity plnící kusy firmy Doka a beton se ukládal ve třech vrstvách po cca 1800 mm tak, aby nedošlo k porušení bednění nadměrným zatížením hydrostatickým tlakem. Popsaný způsob zajistil velmi kvalitní uložení betonu. Výztuž nad ukládaným betonem nebyla znečištěna ulpěnými zbytky betonu, což je negativní jev typický pro běžné ukládání betonu do konstrukce ze shora.

Plnící kus pro betonáž stěn samozhutnitelným betonem se skládá ze dvou uzavíratelných šoupat. První šoupě je přímo součástí těla plnícího elementu a pracovně uzavírá ještě tekutý samozhutnitelný beton v bednění. Druhé šoupě je k plnícímu elementu připevněno rychlospojkou a uzavírá beton v hadici od čerpadla. Hlavní účel druhého šoupěte je zabránění vytékání betonu z čerpacího potrubí při odpojování. Pro dosažení hladkého povrchu betonu v místě čerpání je plnící element ještě vybaven speciálním pístem, který dotlačí beton nahromaděný u prvního šoupěte do roviny, čímž v místě nasazení plnícího kusu nevzniká na betonované konstrukci žádný nálitek.

Z hlediska TBG Metrostav s.r.o. jako dodavatele betonu bylo nejsložitější zabezpečit požadavek na plynulost dodávek betonu, kdy bylo nutné, aby se beton čerpal bez pře-stávek, při dopravní situací ve stále zablokované Praze, kde běžné zácpy ještě zkoplikovaly povodně.

Pro velkoobjemové nebo časově náročné betonáže je nutné nenechávat čerpadlo delší dobu bez dodávky betonu. Z praktických zkušeností je možno doporučit pomalejší čerpání mixu až do přistavení dalšího s čerstvým betonem.

Hlavní pevnostní parametry, které podmiňovaly další postup výstavby byly :

Pevnost v tahu za ohybu a modul pružnosti pro beton C 30/37 sap 3a:

Průměrná pevnost v tahu ohybem dle ČSN ISO 4013 po 1 dnu	2,65 MPa
Průměrná pevnost v tahu ohybem dle ČSN ISO 4013 po 2 dnech	4,44 MPa
Průměrná pevnost v tahu ohybem dle ČSN ISO 4013 po 3 dnech	5,18 MPa
Průměrná pevnost v tahu ohybem dle ČSN ISO 4013 po 28 dnech	8,75 MPa
Modul pružnosti ČSN ISO 6784	33,0 GPa

Grafy vývoje pevnosti v tlaku :

Pozn.: Pro betonáže mostu byly využívány dva druhy superplastifikačních přísad s různým počátkem tuhnutí.

zpět na seznam