SSBK - POUŽITÍ BAZALTOVÉHO VLÁKNA PRO ZESÍLENÍ ZDIVA A BETONU

Admin 26.05.2011

Výzkumně vývojový projekt Evropské Unie OPERHA, v rámci něhož byl vyvinut materiálový systém TYFO® HM System na bázi basaltového vlákna.

INOVATIVNÍ KOMPOZITNÍ SYSTÉM TYFO® HM NA BÁZI

                 BAZALTOVÉHO VLÁKNA PRO ZESÍLENÍ ZDIVA A BETONU

INNOVAT IVE COMPOSITE SYSTEM TYFO® HM ON THE BASIS OF BASALT FIBER

                      FOR STRENGT HENING OF MA SONRY AND CONCRETE

Ing. Pavel Dohnálek Ph.D. (1)

Michael J. Karantzikis ME ng. (2)

(1) Betosan s.r.o., Na Dolinách 23, 147 00 Praha 4, tel.: 241431212, fax.: 241431215,

e-mail: dohnalek.p@betosan.cz, www.betosan.cz

(2) Fyfe Europe S.A., Ithakis & Kordelliou street 51, 16561 Glyfada, Řecko,

e-mail: mkara@fyfe-europe.gr

Klíčová slova: beton, zdivo, zesilování, bazalt

Anotace:

Článek popisuje výzkumně vývojový projekt Evropské Unie OPERHA, v rámci něhož byl vyvinut materiálový systém TYFO® HM System na bázi basaltového vlákna. Tento systém je inovativním způsobem pro zesílení cihelných, kamenných i betonových stavebních prvků a to i v rámci historicky hodnotných staveb.

Abstract:

Article presents research and development project OPERHA, within which a new strengthening system TYFO® HM was developed on the basis of basalt fiber. This system is an innovative way for strengthening of masonry, stone masonry and concrete structural members, even in historically valuable structures.

1. ÚVOD

V podvědomí laické i odborné veřejnosti je zesilování pomocí externí výztuže svázáno s ocelovým sepnutím sloupů, nebo s použitím uhlíkových pásků (lamel). Skutečná nabídka materiálů pro zesilování je daleko rozmanitější. Vedle pásků (lamel) jsou využívány i tkaniny, které mohou být aplikovány plošně. Vlákna mohou být nejen uhlíková, aramidová a skleněná, ale existují i další alternativy. Tkaniny mohou být navíc orientovány ve více směrech a tím mohou efektivněji vyztužit daný prvek. Vedle použití epoxidové matrice pro spojení jednotlivých nosných vláken kompozitu a pro jeho adhezi k zesilované konstrukci, lze stejně jako v případě výztužných vláken, využít i další materiály.

2. PŘEDSTAVENÍ PROJEKTU OPERHA

V rámci výzkumu a vývoje inovativních kompozitních materiálů pro zesilování staveb se firma Fyfe Europe S.A., průkopník uhlíko-epoxidových kompozitů pro zesilování staveb, v letech 2006 až 2008 zúčastnila výzkumného projektu podporovaného Evropskou Unií pod jménem OPERHA (Open and fully compatible next generation of strengthening system for the rehabilitation of Mediterranean building heritage – Otevřený a plně kompatibilní zesilovací systém nové generace pro opravy středomořských památkových objektů). Jednalo se o mezinárodní projekt, jehož se zúčastnilo 12 univerzit, státních památkových ústavů a firem ze sedmi středomořských zemí. Cílem bylo, v relativně krátkém průběhu výzkumného projektu, vyvinout prakticky použitelný zesilovací systém pro využití zejména při opravě a zesílení památkově chráněných staveb.

Jako velmi perspektivní k dalšímu vývoji bylo zvoleno řešení s rovingovou tkaninou vyrobenou z pramenců bazaltových vláken spojenou s k tomuto účelu vyvinutou cemento-polymerní matricí.

V začátcích projektu byly samozřejmě uvažovány i jiné materiálové kombinace (bez použití cementu, skelná vlákna atp.), které však nedosahovaly požadovaných pevností nutných pro zesilovací systém nebo požadované dlouhodobé trvanlivosti. Pro komerční využití byl tento vyvinutý systém pojmenován TYFO® HM, jež je na evropském trhu nabízený firmou FYFE EUROPE S.A., která je na českém trhu zastoupená firmou Betosan s.r.o.

3. PŘEDSTAVENÍ BAZALTOVÝCH VLÁKEN

Bazaltová vlákna byla zvolena pro použití v tomto typu zesilujícího systému, díky jejich mnoha výhodám oproti například skelným vláknům, a to zejména:

●●Trvalá odolnost alkalickému prostředí

●●Vysoký modul pružnosti

●●Vysoká teplotní odolnost

●●Příznivá cena

Jak již bylo řečeno, pro tento typ zesílení byla zvolena bazaltová vlákna utkaná do formy dvousměrné (0/90o) rovingové tkaniny s oky 25 x 25 mm, jež byla pojmenovaná TYFO® EP-B. Kombinací s cemento-polymerní maltou, TYFO® C-Matrix, dojde k vytvoření cementovláknitého kompozitního materiálu výborných mechanických a především trvanlivostních charakteristik Malta, která je matricí kompozitu spojující jednotlivá vlákna dohromady zároveň zajišťující přídržnost kompozitu k podkladu, je aplikována v tloušťce 10 – 20 mm. Po aplikaci první poloviny vrstvy malty je do jejího povrchu „vmáčknuta“ bazaltová tkanina, a následně je vše opět převrstveno cementovou maltou, tak aby bylo zajištěno dostatečné mechanické zakotvení vláknité výztuže

Adhezivní zakotvení k podkladu může být v náročnějších aplikacích doplněno o tzv.

vláknité kotvy, pojmenované TYFO® Fibrwrap® Basalt Anchors , rovněž vyrobené z bazaltových vláken, které jsou jakousi vláknitou hmoždinkou pro vylepšení adheze kompozitní vrstvy ke konstrukci. Tím je zajištěno lepší spolupůsobení nové výztužné vrstvy s původním materiálem a tudíž vyšší míra využití nové výztuže.

4. EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM PROJEKTU

V rámci tohoto rozsáhlého vývojového projektu bylo provedeno velké množství zkoušek k optimalizaci a ověření navrženého zesilovacího systému. Konkrétně se jednalo o zkoušky samotných basaltových rovingů (pramenců vláken), nezesílených a zesílených cihelných stěn , cihelných kleneb  a trámců vyrobených slepením (standardní maltou) dvou dutých betonových bloků . V uvedených případech byly prováděny nejen zkoušky statické, ale také zkoušky cyklické a dynamické pro ověření vlastností systému v případě zemětřesení.

Z dosažených výsledků vyplynulo, že navržený systém je ve všech zkoušených aplikacích

velice účinný, například při zkouškách na trámcích vyrobených ze dvou dutých betonových bloků slepených maltou a zesílených na spodním líci kompozitním systémem, došlo ke zvýšení únosnosti o 23 % bez použití vláknitých kotev a za použití kotev došlo ke zvýšení únosnosti o 77 %.

Dále při zkouškách zesílení cihelných kleneb bylo dosaženo 10ti násobného zvýšení únosnosti při zesílení pouze na spodním líci klenby a při zesílení z obou líců klenby bylo dosaženo více jak 25ti násobného zvýšení únosnosti.

5. VÝHODY VYVINUTÉHO SYSTÉMU

Hlavní přednosti tohoto nově vyvinutého zesilovacího systému oproti systémům dosud dostupným jsou následující.

Zaprvé jde o relativně příznivou cenu zesilovacího systému, oproti kompozitním systémům sklo-epoxid nebo uhlík-epoxid, které jsou výrazně dražší, byť je nutné uvést, že tyto systémy mají výrazně vyšší mechanické vlastnosti, které však mnohdy nejsou ve všech případech prakticky využitelné. Tudíž je lepší zvolit novou alternativu s nižšími mechanickými vlastnostmi za příznivější cenu.

Za druhé tento materiálový systém přináší snazší aplikaci proveditelnou i nekvalifikovanou pracovní silou. Zejména oproti výše zmiňovaným systémům na bázi dvousložkových epoxidových pryskyřic je tento nový systém snazší na zpracování, jelikož materiál cemento-polymerní matrice se pouze rozmíchává s vodou a jeho zpracování je podobné s ostatními maltovými výrobky a nevyžaduje tudíž speciálně zaškolenou pracovní sílu.

Za třetí je u systému TYFO® HM eliminována hlavní nevýhoda kompozitních uhlíkových materiálů pojených epoxidovou pryskyřicí, kterou je nízká odolnost vůči vysokým teplotám a požáru, v případě epoxidových pryskyřic se kritická teplota pohybuje mezi 60 °C a 80 °C. Epoxidy pojené zesilovací prvky je proto nutné chránit dalšími vrstvami proti účinkům vysoké teploty, což představuje výrazné zvýšení nákladů na zesilovací zákrok.

Čtvrtou, nezanedbatelnou výhodou, je možnost prostupu vodní páry skrz zesilující vrstvu. Zatímco epoxidová matrice, zcela uzavře povrch konstrukce proti prostupu prakticky všech kapalných i plynných médií, maltová směs TYFO® C-Matrix průchod par umožňuje. Bariérové vlastnosti jsou sledovány především u historických konstrukcí, které v mnoha případech již nemají k dispozici funkční hydroizolační vrstvu, a do nosné stěnové konstrukce vzlíná voda. V celé řadě případů je jediným možným řešením, umožnit této vodě odpar z povrchu konstrukce, jelikož úplná obnova hydroizolační vrstvy je prakticky nemožná.

Výhodou je i zachování charakteru povrchu zesilované konstrukce, což je výhodou zejména u památkových objektů, u kterých je často vyžadováno zachování povrchového vzhledu konstrukce.

Použití bazaltových vláken sebou přináší další výhody. Jejich pevnostní charakteristiky, resp. fyzikálně mechanické vlastnosti, přibližně odpovídají vlastnostem vláken skelných, jsou však přibližně o 10 % lepší. Zásadní ovšem je, že oproti vláknům skelněným nevyžadují vlákna bazaltová při styku s alkalickým prostředím, cementem pojených materiálů, povrchovou úpravu, která by vlákna chránila, jako v případě skelných vláken, proti korozi vlivem alkálií. Tudíž jsou jejich mechanické vlastnosti trvalé a bez jakékoliv korozní degradace.

6. REFERENČNÍ STAVBY PROJEKTU

V rámci projektu OPERHA také došlo k prvním aplikacím zesilovacího systému v praxi. Vzhledem k zaměření projektu se v první fázi jednalo o historické stavby ve středomořské oblasti. Konkrétně například o historickou pevnost z kamenného zdiva Qasr al-Kharanah v Jordánsku kde došlo ke stabilizaci a zpevnění obvodových stěn, dále pak o cihelný dům Galal v Egyptě, kde bylo provedeno zesílení boční stěny. Následoval kamenný kostel Renedo de la Inera ve Španělsku, kde došlo k zesílení vrchního líce kamenných kleneb a například historický dům z kamenného zdiva El Qued v Alžírsku, kde bylo provedeno sepnutí věnce pomocí, z exteriéru lepeného, zesilovacího systému po celém obvodu budovy. V rámci projektu byly samozřejmě provedeny další praktické aplikace, ke kterým se v dnešní době přidávají první aplikace komerčního rázu.

7. ZÁVĚR

Použití cementovláknitých kompozitů s bazaltovou orientovanou výztuží je vhodnou alternativou k zesilování pomocí kompozitů s uhlíkovými vlákny pojenými epoxidovými pryskyřicemi, a to zejména vzhledem k nižším materiálovým nákladům, snazší aplikaci, lepší teplotní odolnosti, dobré paropropustnosti, zachování charakteru povrchu a výborné korozní odolnosti, jak samotných vláken, tak celého materiálového systému a tudíž jeho dlouhodobé trvanlivosti.

Zdroj sborník SSBK – Sanace 2011