Tekst pochodzi z „Plastime Magazine” nr 1/2021
Rośnie zainteresowanie technologiami umożliwiającymi wzmacnianie betonu plastikiem. Rozwiązania tego typu zmniejszają ciężar ogólny konstrukcji i nie są narażone na korozję, ponadto ze względu na znaczną dostępność surowców nadających się do recyklingu mogą być względnie tanie.
Światowy przemysł produkuje rocznie ponad dziesięć miliardów ton betonu – więcej niż wynosi popyt na wszystkie pozostałe materiały budowlane razem wzięte. Mimo że energia potrzebna do uzyskania jednej tony betonowej mieszanki i związane z tym emisje są niższe niż w przypadku innych surowców, gigantyczna w skali globu produkcja ma znaczący wpływ na środowisko naturalne. Według aktualnych szacunków, ze względu na wzrost popytu w krajach rozwijających się roczna produkcja tego materiału na świecie może do 2050 r. wzrosnąć nawet o połowę.
Jednak „czysty” beton, jako mieszanina cementu, kruszywa i wody, nie jest wydajnym materiałem konstrukcyjnym, ponieważ wykonany z niego element nie byłby w stanie w sposób trwały opierać się siłom fizycznym (głównie ściskającym, rozciągającym i ścinającym), które oddziałują na niego przez cały okres jego eksploatacji. Dlatego jednym z podstawowych zadań związanych ze wznoszeniem konstrukcji betonowych jest odpowiednie ich wzmacnianie.
Standardowe podejście, stosowane już od XIX wieku, polega na zatopieniu stalowego pręta w strukturze betonowego bloku (żelbet). Kompozytowe zbrojenie betonu może występować również pod postacią strun, taśm oraz włókien rozproszonych, zwiększających udarność i wytrzymałość struktury na rozciąganie oraz zapobiegających powstawaniu mikrorys i spękań.
Do tego rodzaju aplikacji tradycyjnie wykorzystuje się stal, jednak w ostatnich dekadach zaczęto przywiązywać większą wagę do zagadnienia trwałości wzmocnień – ograniczona wytrzymałość metalu wynika z jego podatności na korozję.
Problem ten nie występuje w przypadku alternatywnych zastosowań na bazie tworzyw sztucznych, stąd rosnąca popularność tych materiałów w przedsięwzięciach budowlanych dopuszczających do użytku mniej konwencjonalne metody wzmacniania betonu. Często spotykaną w tych przypadkach opcją jest stosowanie polimerów wzmocnionych włóknem węglowym (CFRP).
Naukowcy z Federalnego Instytutu Badań i Technologii Materiałów EMPA w Szwajcarii pracują nad metodami produkcji cieńszych, a zarazem trwałych i stabilnych elementów betonowych, wytwarzanych przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia surowców. Zespół opatentował niedawno w Europie i USA spełniającą te założenia technologię otrzymywania tzw. betonu samonaprężającego.
Jest to odmiana betonu sprężonego, którego przykładem jest stosowany od wielu lat strunobeton – w tej standardowej technice pojedyncze stalowe druty lub ich wiązki przeciąga się przez całą długość formy i stabilizuje w odpowiednim naprężeniu na obu jej końcach. Po zalaniu formy betonem naciąg zostaje celowo rozluźniony, co wywołuje nagłe naprężenie ściskające ukierunkowane do wnętrza wyprodukowanego elementu.
Dzięki takiemu zabiegowi struktura betonu staje się bardziej spójna i stabilna. Tego rodzaju naprężenie wstępne stosuje się zwykle w sytuacji, gdy element betonowy musi wytrzymać bardzo duże obciążenia, np. w przypadku konstrukcji wspornikowych, belek itd. Jednak ze względu na wspomniany problem korozji elementów metalowych, warstwa betonu wokół stali sprężającej musi mieć określoną grubość.
Tymczasem jednym z trendów obserwowanych od dłuższego czasu w branży architektoniczno-budowlanej jest próba redukcji zużycia materiałów, przejawiająca się m.in. projektowaniem cieńszych elementów konstrukcyjnych o identycznej jak dotychczas wytrzymałości. Wynikająca stąd potrzeba zastąpienia stali materiałem o większej trwałości pozwala już od kilkudziesięciu lat stosować alternatywne zbrojenie betonu na bazie kompozytów CFRP, dzięki którym możliwe jest wytwarzanie znacznie cieńszych elementów betonowych o bardzo dobrych właściwościach konstrukcyjnych. Jeden z problemów polega jednak na tym, że montaż (kotwienie) prętów zbrojeniowych z CFRP w betonowych elementach jest znacznie bardziej skomplikowany niż w przypadku zastosowania wzmocnień ze stali, którą łatwiej można wygiąć do potrzebnego kształtu.
W związku z tym wysokowydajny beton tego typu nie jest nadal szeroko stosowany. W odpowiedzi, zespołowi EMPA udało się całkowicie zrezygnować z kotwienia zbrojeń po obu stronach elementu betonowego – dzięki nowej technologii beton sam wykonuje teraz pracę zbrojenia: dzięki specjalnemu składowi chemicznemu ekspanduje w miarę twardnienia, samoczynnie poddając zagłębione we wnętrzu bryły pręty CFRP wystarczającym naprężeniom.
W testach laboratoryjnych naukowcy byli w stanie wykazać, że samonaprężone elementy betonowe z prętami CFRP mogą przenosić obciążenia porównywalne z tymi, które były naprężane konwencjonalnie, jak również około trzy razy wyższe niż w przypadku elementów betonowych bez wstępnego naprężania.
Według instytutu, innowacyjna technologia otwiera zupełnie nowe możliwości w kategorii lekkich konstrukcji (większa stabilność przy mniejszym zużyciu surowców) oraz całkiem nowe obszary zastosowań: naprężenia można z łatwością wykonywać w kilku kierunkach jednocześnie, co może być bardzo przydatne np. w przypadku cienkich betonowych płyt lub łukowatych żelbetowych skorup. Nowe aplikacje są obecnie rozwijane we współpracy z koncernem BASF.
Kolejny szwajcarski ośrodek, Politechnika Federalna w Lozannie (EPFL) prowadzi od dłuższego czasu prace nad inną kategorią betonu zbrojonego plastikiem – coraz popularniejszym w budownictwie fibrobetonem, który poza podstawowymi składnikami zawiera krótkie włókna rozmieszczone równomiernie w całej objętości masy.
Pod koniec 2019 tamtejsi badacze poinformowali o opracowaniu nowej generacji ultra-wysokowydajnego betonu zbrojonego włóknami (UHPFRC). Dodatek włókien pozwala m.in. ograniczyć powstawanie rys skurczowych w całej grubości przekroju oraz wyeliminować powierzchniowe pękanie plastyczne przez zwiększenie wytrzymałości betonu na rozciąganie. Włókna mogą być wykonane z materiałów takich jak szkło, stal, bazalt czy tworzywo sztuczne.
Właśnie na tym ostatnim rodzaju wzmocnienia skoncentrowali się badacze EPFL. Opracowany przez nich materiał ma służyć wzmacnianiu konstrukcji i przedłużaniu żywotności mostów oraz innych, zarówno nowych, jak i starszych budowli. W ciągu minionych 15 lat, szwajcarski beton UHPFRC pierwszej generacji stosowano na całym świecie do wzmacniania różnego rodzaju konstrukcji zgodnie z koncepcją zrównoważonego rozwoju – jego ślad węglowy jest niższy niż w przypadku konwencjonalnego żelbetu.
Jednak mimo że w tym czasie materiał ten przyczynił się do redukcji wpływu prac budowlano-remontowych na środowisko nawet o 50 proc. w odniesieniu do zastosowania betonów konwencjonalnych, istotną kwestią pozostawała dalsza optymalizacja składu mieszanki poprzez wyeliminowanie komponentów o wysokich kosztach środowiskowych.
