Moderní materiál Ultra High Performance Concrete

Materiál Ultra High Performance Concrete (ultra vysokohodnotný beton, zkráceně UHPC) není betonem v tradičním slova smyslu. Jde o moderní kompozit, který se betonu do jisté míry podobá, ale přístupy k jeho navrhování, přípravě a samotné výrobě se v mnoha ohledech od běžných betonů odlišují. Bylo by tak na místě označení Concrete nahradit slovem Composite. Přestože vývoj tohoto kompozitu započal koncem 20. století, širšímu uplatnění UHPC se dostalo až v průběhu prvních dvou dekád 21. století. Pro řadu investorů, projektantů i zhotovitelů představuje UHPC stále jakousi neznámou. Je nevyhnutelné, že s přibývajícími realizovanými konstrukcemi se bude UHPC čím dál více dostávat do povědomí. Najde si své místo mezi konvenčními a tradičními stavebními materiály?

ROZDÍL MEZI UHPC A BĚŽNÝM BETONEM

UHPC je směsí silikátového hydraulického pojiva (nejčastěji cementu), drobného kameniva, mikroplniv, latentně hydraulických příměsí (případně inertních příměsí), chemických přísad a vody. Od běžného betonu se výrazně liší v několika ohledech. UHPC neobsahuje hrubou frakci kameniva, která je v běžném betonu zdrojem imperfekcí na mikro i makro úrovni. Je tak umožněno dosažení mnohem vyšších pevností (u pevnosti v tlaku obvykle 3×–5×). Složení UHPC se vyznačuje velmi vysokým obsahem cementu, nízkým vodním součinitelem (což vede ke snížení porozity a ke zlepšení pevnosti), obsahem specializovaných příměsí, vysokými dávkami přísad a také vysokým obsahem vláken¹. Ta zajišťují houževnatost a vysokou duktilitu výsledného kompozitu. Nejběžnější jsou ocelová vysokopevnostní mikrovlákna. Příklad složení UHPC a porovnání s běžnými typy betonu a vysokohodnotného betonu jsou uvedeny v tabulce 1.

Návrh a použití UHPC jsou založeny na několika základních principech, kterými jsou snížení pórovitosti, zlepšení mikrostruktury, zvýšení homogenity a zvýšení houževnatosti. Vstupní suroviny, způsob přípravy a režim tuhnutí mají významný vliv na vlastnosti výsledného UHPC. Pro dosažení co nejlepších fyzikálních a mechanických vlastností jak čerstvé směsi, tak ztvrdlého UHPC se při návrhu směsi reflektují zásady týkající se výběru složek, zastoupení jednotlivých složek, míchání a ošetřování směsi.

FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI UHPC

Největší devizou, která se ale často zmiňuje až za pevnostními charakteristikami, jsou fyzikální vlastnosti UHPC. Minimální nasákavost UHPC (hloubka 0–5 mm, ve srovnání s běžným betonem přibližně 20–50 mm) a odolnost proti působení okolního prostředí, mrazu, rozmrazovacích látek (odpady při zkoušce odolnosti CHRL do 20 g/m2, ve srovnání s běžným betonem 1 000 g/m2) a velmi dobrá otěruvzdornost, to vše násobně prodlužuje trvanlivost a životnost konstrukcí z UHPC.

Tlaková pevnost UHPC se běžně pohybuje od 120 MPa do zhruba 180 MPa (ve srovnání s běžným betonem od 20 MPa do 60 MPa), zaručená pevnost v tahu za ohybu zase od 15 MPa (srovnejte s běžným betonem, kde se při navrhování využití tahu obvykle nepřipouští). Není výjimkou, že lze vhodnou úpravou receptury a ošetřováním dosáhnout výrazně vyšších hodnot.

LÁVKY PRO PĚŠÍ A CYKLISTY

V současné době se v tuzemsku UHPC nejefektivněji uplatňuje v prefabrikovaných konstrukcích mostů a lávek pro pěší. Mezi léty 2013 a 2023 vznikla řada těchto přemostění rozličných konstrukčních systémů a statických řešení.

Trámové nosné konstrukce z UHPC jsou použity u lávek kratších rozpětí po celé ČR. Ať už jde o solitérní architektonické řešení (lávka Kladno Vrapice), pilotní projekt lávky přes Opatovický kanál v Čeperce, nebo o systémové řešení lávek malého rozpětí (systém LMR firmy KŠ PREFA) zabudované v obcích Čelákovice (tři lávky), Zbožíčko, Plumlov, Mariánské Lázně, Zadní Třebáň nebo v Praze-Chuchli. Nosná trámová konstrukce s největším rozpětím (27 m) a současně odlitá z UHPC v jednom kuse se nachází v Táboře, tzv. Lávka v prostoru Černých mostů.

UHPC se uplatňuje i u lávek velkých rozpětí, typické je použití UHPC segmentů pro zavěšené mostovky. Příkladem jsou lávka přes Labe v Čelákovicích, přes Vltavu v Lužci, přes Labe v Hradci Králové. Segmentovou UHPC konstrukci s parabolicky vedenými předpínacími kabely využívá lávka v Příboře. U posledních tří je v praxi použito a ověřeno přímo pochozího povrchu bez izolace. Další obdobné stavby jsou v projektové přípravě.

Zde je vhodno uvést, že povrch UHPC konstrukcí vykazuje velmi dobré protiskluzné vlastnosti, při certifikovaných měřeních jsou výsledky příznivější než běžné venkovní pochozí povrchy. I přes negativní reklamu a senzacechtivé novinářské zprávy jsou neizolované povrchy UHPC bezpečné a ve světě zcela běžně používané.

Netypické je použití na nosné oblouky (repliky historických železobetonových oblouků) lávky přes Divokou Orlici v Žamberku. Boční pohledy byly zachovány v původních rozměrech, tloušťka nosného oblouku byla díky UHPC snížena z původních 300 mm na 175 mm.

Architektonicky exponovaná konstrukce lávky přes Vltavu v Praze, Štvanická lávka (HolKa), je v současné chvíli před otevřením. Materiálu je zde použito na historicky největší nosnou UHPC konstrukci v ČR. Jde o 57 segmentů z bílého UHPC, s vnitřním předpětím se soudržností, s přímo pochozí deskou s protiskluzným tvarováním, velmi štíhlých a subtilních tvarů.

PROČ POUŽÍVAT UHPC

Společným jmenovatelem uvedených konstrukcí je inovativní použití UHPC, které vhodně reflektuje dobu a pokrok ve vědě a technologii. Mechanické parametry a absence velké frakce kameniva spolu s rozptýlenou ocelovou mikrovýztuží umožňují realizovat vylehčené a subtilní konstrukční prvky. Ty vynikají nižší spotřebou materiálu a jednodušším řešením detailů pro spoje či kotvení, současně lze tvarovat složité prvky i s ostrými hranami a jemnými detaily. Materiál vykazuje kvalitní pochozí a pohledový povrch bez nutnosti aplikace dodatečné hydroizolace. To vše následně klade nižší nároky na navazující konstrukce a na související procesy dopravy, montáže, ale i údržby.

Na druhé straně od jmenovaných benefitů často stojí vysoká cena UHPC, proto je nutné si uvědomit, že UHPC není univerzální materiál pro všechny konstrukce. UHPC je nezbytné navrhovat uvážlivě tak, aby vynikly (a byly využity) jeho přednosti, zároveň se zřetelem na udržitelnost stavební konstrukce jako celku. Potom se UHPC dostane většího rozšíření a v kontextu celoživotního hodnocení konstrukcí předčí konvenční materiálová řešení.

¹ V případě vyztužení UHPC vlákny se jedná o Ultra-High Performance Fiber Reinforcement Concrete (UHPFRC). Pokud je materiál dále vyztužen betonářskou výztuží, je výsledný kompozit obvykle označován jako Reinforced Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete (R-UHPFRC).