Stavbaři v Brně vyvíjejí nekovové výztuže do betonu

Ve stavebnictví se ve stále větší míře uplatňují high-tech postupy využívající špičkové materiály, které známe spíše z jiných oborů. K tomuto novému stavařskému trendu se řadí i vývoj nekovových výztuží do betonových konstrukcí, kterému se věnuje tým odborníků z Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně. Jejich cílem je nahradit ve speciálních betonových konstrukcích klasickou železnou nebo ocelovou výztuž materiálem z nekovových vláken - skleněných, uhlíkových nebo kevlarových. Jako jejich pojivo slouží pryskyřice. Předností je daleko menší hmotnost, delší životnost a hlavně vyšší odolnost. Výztuž z takových kompozitních materiálů je výhodná především pro speciální betonové stavby, jako jsou např. výškové budovy. Pokud by byla tímto způsobem postavena například newyorská dvojčata, po útoku by podle odborníků nemuselo dojít k jejich náhlé destrukci. Kompozitní výztuž lze uplatnit ale i v jiných oblastech než jen v betonových konstrukcích; jde např. o aplikace u dřevěných konstrukcí (zesilování stávajících, resp. výstavba nové kompozitní konstrukce), kovových konstrukcí a konstrukcí geotechnických. Ve spolupráci s českými výrobci, především s brněnskou firmou Prefa Kompozity, se brněnským vědcům podařilo již vyvinout a úspěšně odzkoušet takové výztuže z nekovových materiálů, které mají v interakci s betonem stejné a v některých ohledech dokonce lepší parametry než nekovové výztuže, které se k nám dovážejí. Navíc výroba nekovových výztuží vzhledem k tomu, že probíhá přímo v ČR (i když z dovážených surovin), je výrazně levnější než u těch importovaných. Pro výrobu kompozitních výztuží navrhují specialisté z Fakulty stavební vybrané kombinace skleněných vláken a polyesterové pryskyřice, resp. uhlíkových vláken a epoxidové pryskyřice (dále jen FRP výztuže). Při jejich vývoji je věnována zvláštní pozornost také úpravě povrchu, která je velmi důležitá pro soudržnost s betonem. Ve spolupráci s odborníky z praxe jsou proto zkoušeny také různé povrchové dezény tyčí výztuží např. metodou pískování nebo spirálovitého ovíjení. Nezbytnou součástí výztuže betonových prvků je i tzv. smyková výztuž. V případě kompozitních materiálů jde o značně složitou problematiku, protože tyto materiály nejsou po vytvrzení tvarovatelné. Zatím nejvhodnější metodou, jak se s tím vyrovnat, je výroba tohoto typu kompozitní výztuže bez okamžitého vytvrzení pryskyřice. Takto vyrobenou smykovou výztuž lze potom uchovávat při předepsaných teplotách ve speciálních boxech až několik měsíců. V betonové konstrukci se pak při vlastním použití nejprve rozmístí nosná výztuž a až poté se aplikuje výztuž smyková, která se v určitém relativně krátkém časovém horizontu samovolně vytvrdí. K porovnání nákladů na tradiční kovové a nekovové výztuže říká vedoucí výzkumného týmu a děkan Fakulty stavební prof. RNDr. Ing. Petr Štěpánek, CSc.: „Samy o sobě jsou tyto nové výztuže dražší než klasická betonářská výztuž. Ale díky svým fyzikálně-mechanickým vlastnostem jsou FRP výztuže odolnější vůči agresivním vlivům jako je karbonatace, sulfatace, resp. chloridová koroze. Rovněž odolnost vůči bludným proudům, resp. trvanlivost a delší životnost lze řadit mezi pozitiva. Tyto výztuže přinášejí i další výhody a úspory – např. se může při jejich aplikaci používat nižší tloušťka krycí vrstvy betonu chránící běžnou železnou výztuž před korozí. Betonové konstrukce s nekovovou výztuží nevytváří Faradayovu klec, nekomplikují tak příjem radiových signálů. Při zohlednění všech těchto pozitiv je použití nekovové výztuže v konečném výsledku levnější.“ Podle prof. Štěpánka se nedá očekávat, že nekovová výztuž v budoucnu zcela nahradí tu klasickou. „Ve stavbách, na které jsou kladeny zcela specifické požadavky – např. u podzemních kolektorů, speciálních objektů jaderných elektráren, některých inženýrských konstrukcí, u výškových budov a všude tam, kde se vyskytují agresivní vlivy, které by vyvolávaly korozi klasické výztuže a tím i následně vyžadovaly náročné sanace betonové konstrukce - zejména při vyloučeném provozu v sanovaném objektu – se však budou betonové konstrukce v budoucnu vyztužovat tímto způsobem,“ je přesvědčen profesor. Podle něj nyní stavařina přechází na materiály, které nejsou tak hmotné, jsou však odolnější, mají vyšší životnost, lepší fyzikálně mechanické charakteristiky a jsou schopny delšího působení v konstrukcích bez dodatečných úprav. Dokumentuje to i na změně filozofie navrhování výškových budov: „Do útoku na newyorská dvojčata se stavěly nosné konstrukce výškových budov z oceli. Po 11. září 2001 byla většina mrakodrapů (7 z deseti nejvyšších včetně přes 700 metrů vysoké nevyšší budovy světa v Dubaji s výškou betonové konstrukce 620 m) projektována a staví se z vysokopevnostního betonu. Beton má dnes téměř srovnatelnou pevnost v tlaku a je odolnější než ocel vůči požáru a zatížení výbuchem.“ Výzkumem a vývojem nekovových výztuží se na Fakultě stavební pod vedením prof. Štěpánka zabývá tým, jehož členy jsou také absolventi fakulty i současní studenti doktorského studia. Průměrný věk týmu je zhruba 30 let. Podle jednoho z nich, Ing. Davida Horáka, musí vyvíjená nekovová výztuž projít řadou náročných dlouhodobých zátěžových testů. V současné době probíhá např. ve firmě Prefa unikátní experiment, v jehož průběhu se ověřuje odolnost lepených uhlíkových lamel zesilujících betonové nosníky. Pro monitorování stavu napjatosti a mechanického namáhání kompozitní výztuže nejen při testech, ale zejména v reálných konstrukcích, navrhli na FASTu za spolupráce s odborníky z Prefy unikátní monitorovací systém, který již byl úspěšně vyzkoušen. „Systém spočívá v zabudování tenzometrů, případně optických čidel přímo do kompozitní výztuže při její výrobě. Aplikace optických vláken do těla výztuže umožňuje přímý monitoring napětí bez ovlivnění vlastností výztuže. Na optické vlákno, které je umístěno mezi ostatní vlákna, jsou přenášeny vyvozené tahové síly. Každé protažení optického vlákna pak vyvolá útlum optického signálu, který je snímán pomocí speciálního zařízení,“ vysvětluje Ing. Horák. Specialisté z Fakulty stavební se v rámci zmíněných projektů zabývají také využitím vyvinuté nekovové výztuže pro zesilování zděných klenbových konstrukcí. Dodatečné vkládání takové výztuže z vnější strany klenby umožňuje její zesílení bez nutnosti větších zásahů do samotné konstrukce klenby a bez odstraňování násypů, resp. vrstev na klenbě uložených. „Výztuž se aplikuje do připravených drážek. Pro zajištění co nejlepší soudržnosti s původním materiálem klenby se používají speciální tmely a lepidla,“ popisuje metodu Ing. Horák. Do širokého spektra aktivit vědců z Fakulty stavební VUT patří i vývoj předpínacích kompozitních výztuží, které umožní při stejných parametrech odolnosti, zatížitelnosti, nižší hmotnosti a větší trvanlivosti dosáhnout značných úspor při navrhování nosných konstrukcí. Získané a v praxi uplatněné výsledky (mimo jiné bylo již přiznáno několik užitných vzorů, jsou rozpracovány patentové ochrany vyvinutých řešení), kterých specialisté z Fakulty stavební VUT v Brně v rámci svého výzkumu v těsné spolupráci s podniky stavební praxe dosáhli, jsou příslibem pro účast vědeckých týmů z této fakulty v připravovaném brněnském projektu Středoevropského technologického institutu CEITEC v rámci programu vývoje pokročilých materiálů. Igor Maukš