Experiment´ aln´ı vyˇ setˇ rov´ an´ı mechanick´ e energie absorbovan´ e prvky z vysokohodnotn´ eho vl´ akny

(1)

CESK´ ˇ E VYSOK´ E U ˇ CEN´I TECHNICK´ E V PRAZE FAKULTA STAVEBN´I

Diplomov´ a pr´ ace

Experimentáln´ı vyˇsetˇrován´ı mechanické energie absorbované prvky z vysokohodnotného vlákny vyztuˇzeného betonu

2016 Bc. Petr Konr´ad

(2)

(3)

Cesk´ ˇ e vysok´ e uˇ cen´ı technick´ e v Praze Fakulta stavebn´ı

Experiment´ aln´ı centrum

Experiment´ aln´ı vyˇ setˇ rov´ an´ı mechanick´ e energie absorbovan´ e prvky z vysokohodnotn´ eho vl´ akny

vyztuˇ zen´ eho betonu

Experimental investigation of mechanical energy absorbed by specimens made of high-performance

fibre-reinforced concrete

Diplomov´ a pr´ ace

Autor: Bc. Petr Konr´ad

Vedouc´ı pr´ace: Ing. Radoslav Sovj´ak, Ph.D.

Akademick´y rok: 2016/2017

(4)

(5)

Podˇekov´an´ı

Chtˇel bych v prvn´ı ˇradˇe podˇekovat Ing. Radoslavu Sovjákovi, Ph.D. za veden´ı mé diplomové práce, výpomoc pˇri provádˇen´ı experiment˚u a poskytnut´ı zásadn´ıch doporuˇcen´ı. Dále pak Ing. Petru Hálovi za pomoc pˇri provádˇen´ı experiment˚u a Ing. Michalu Frydrýnovi z Fakulty dopravn´ı za výpomoc a za poskytnuté rady. Také bych chtˇel podˇekovat vˇsem ostatn´ım zamˇestnanc˚um Experimentáln´ıho centra, jejichˇz pomoc pˇrispˇela ke vzniku mé práce.

(6)

Abstrakt

V této práci je zkoumán vysokohodnotný vlákny vyztuˇzený beton hlavnˇe z hlediska schopnosti absorpce mechanické energie. Beton je vyztuˇzen r˚uznými objemovými procenty vláken. Hlavn´ım c´ılem práce je vytvoˇren´ı nového experimentáln´ıho postupu pro zjiˇstˇen´ı absorbované mechanické energie v tahu ohybem pˇri zat´ıˇzen´ı rázem. Dále je pˇri kvazistatické rychlosti zat´ıˇzen´ı zjiˇstˇena pevnost v tlaku, pevnost v tahu ohybem a ohybová houˇzevnatost. Nový zp˚usob provádˇen´ı rázových zkouˇsek se zdá být vhodný pro zjiˇst’ován´ı odolnosti materiálu proti rázovému zat´ıˇzen´ı. Hodnoty absorbované mechanické energie pˇri zat´ıˇzen´ı rázem dosahovaly vyˇsˇs´ıch hodnot neˇz pˇri kvazistatickém zat´ıˇzen´ı. Rozd´ıly se mˇenily s procentem vyztuˇzen´ı.

Kl´ıˇcová slova:HPFRC, ohybová houˇzevnatost, absorbovaná mechanická energie, rychlost deformace, ráz, rázové kyvadlo

(7)

Abstract

In this thesis, the ability of high-performance fibre-reinforced concrete to absorb mechanical energy is investigated. Concrete is reinforced with various fibre volumes. The main goal of this thesis is to create a new experimental procedure for determining the absorbed mechanical energy under impact loading. Also, under quasi-static loading, mechanical properties were measured, such as compressive strengh, flexural strengh and flexural toughness. The new procedure shows promise for determining the material resistance to impact loading. Values of absorbed mechanical energy under impact loading were higher than those determined under quasi-static loading. These differences were also changing with fibre volume.

Key words: HPFRC, flexural toughness, absorbed mechanical energy, strain rate, impact, impact pendulum

(8)

Obsah

1 Uvod´ 1

1.1 Motivace . . . 1

1.2 C´ıle pr´ace . . . 1

1.3 Rozsah pr´ace . . . 1

2 P˚usoben´ı vláken v betonu 2 2.1 Uveden´ı do problematiky pouˇz´ıván´ı vláken v betonu . . . 2

2.2 Struktura rozhran´ı vl´aken a betonov´e matrice . . . 4

2.3 Chov´an´ı vl´aken v betonu pˇri zat´ıˇzen´ı . . . 5

2.3.1 Vlákna rovnobˇeˇzná se smˇerem tahových napˇet´ı . . . 5

2.3.2 Vlákna odklonˇená od smˇeru tahových napˇet´ı . . . 7

2.4 Vybrané charakteristiky vláken a jejich dopad na mechanické vlastnosti . . . 9

2.4.1 Procentu´aln´ı zastoupen´ı vl´aken . . . 9

2.4.2 Rozmˇery vl´aken a jejich rozm´ıstˇen´ı . . . 9

2.4.3 Orientace vl´aken a jej´ı ovlivnˇen´ı . . . 10

3 Vliv rychlosti deformace na mechanické vlastnosti betonu 12 4 Zkouˇsen´ı vlákny vyztuˇzeného betonu 15 4.1 Zkouˇsen´ı jednotlivých vláken zakotvených v betonové matrici . . . 15

4.2 Zat´ıˇzen´ı r´azem . . . 17

4.3 Kvazistatick´e zat´ıˇzen´ı . . . 18

5 Experiment´aln´ı program 20 5.1 Materi´al . . . 20

5.2 R´azov´e kyvadlo . . . 21

5.2.1 Nedostatky p˚uvodn´ı konstrukce - d˚uvody zmˇeny . . . 21

5.2.2 Nov´a konstrukce . . . 23

5.3.1 Metoda vyhodnocen´ı r´azov´e zkouˇsky . . . 25

5.3.2 Postup mˇeˇren´ı . . . 26

5.4 Kvazistatick´e zat´ıˇzen´ı . . . 27

6 V´ysledky 30 6.1 Kvazistatick´e zat´ıˇzen´ı . . . 30

6.1.1 Pevnost v tlaku . . . 30

6.1.2 Pevnost v tahu ohybem . . . 31

6.1.3 Pracovn´ı diagramy . . . 32

6.1.4 Absorbovan´a mechanick´a energie . . . 35

6.2.1 Absorbovan´a mechanick´a energie . . . 37

6.2.2 Pr˚ubˇeh r´azu . . . 39

6.3 Zp˚usoby poruˇsen´ı vzork˚u . . . 42

(9)

7 Zhodnocen´ı experiment˚u 45

7.1 Kritick´e oblasti zkuˇsebn´ıho postupu pro zat´ıˇzen´ı r´azem . . . 45

7.1.1 Anal´yza rychlost´ı z videoz´aznamu . . . 45

7.1.2 Casov´ˇ a n´aroˇcnost proveden´ı a vyhodnocen´ı . . . 46

7.1.3 Promˇenn´a rychlost deformace . . . 46

7.1.4 Pˇresnost stanoven´ı absorbované mechanické energie pˇri jednom rázu . . . 47

7.1.5 Pˇresnost stanoven´ı celkové absorbované mechanické energie . . . 49

7.2 Zhodnocen´ı a porovn´an´ı v´ysledk˚u . . . 50

7.2.1 Porovnán´ı absorbovaných mechanických energi´ı . . . 50

7.2.2 Zhodnocen´ı v´ysledk˚u z kvazistatick´e rychlosti zat´ıˇzen´ı . . . 52

7.2.3 Rozptyly hodnot z´ıskan´ych vlastnost´ı . . . 52

7.2.4 Efektivita vyztuˇzen´ı . . . 54

7.3 Zhodnocen´ı zkuˇsebn´ıch postup˚u . . . 57

7.3.1 Pouˇzit´ı absorbované mechanické energie pro popis chován´ı betonu . . . 57

7.3.2 R´azov´e zat´ıˇzen´ı . . . 58

8 Z´avˇer 59 8.1 Zlepˇsen´ı zkuˇsebn´ıho postupu . . . 59

8.2 Smˇeˇrov´an´ı dalˇs´ıho v´yzkumu . . . 60

9 Reference 61

(10)

Seznam obr´ azk˚ u

1 Typick´e pracovn´ı diagramy r˚uzn´ych beton˚u . . . 3

2 Mikrotvrdost tranzitn´ı zóny okolo ocelového vlákna . . . 4

3 Model elastick´eho pˇrenosu napˇet´ı . . . 6

4 Pr˚ubˇehy smykového napˇet´ı na rozhran´ı materiál˚u a tahového napˇet´ı ve vláknu . . . 6

5 Pr˚ubˇeh smykového napˇet´ı pˇri vytahován´ı vlákna . . . 7

6 Deformace ocelového vlákna pˇri rozev´ırán´ı trhliny . . . 8

7 Relativn´ı s´ıla potˇrebná k vytaˇzen´ı r˚uznˇe orientovaných vláken . . . 8

8 Orientace vl´aken vlivem toku ˇcerstv´eho betonu . . . 10

9 Zp˚usob ukl´ad´an´ı betonu do forem . . . 11

10 Hodnoty DIF zjiˇstˇené r˚uznými autory v závislosti na rychlosti deformace . . . 12

11 ˇS´ıˇren´ı trhliny v betonu . . . 13

12 Tahová zkouˇska samostatného vlákna . . . 15

13 Pˇr´ıklad vzorku pro vytahovac´ı zkouˇsku . . . 15

14 Pˇr´ıklady konfigurace vytahovac´ı zkouˇsky . . . 16

15 Idealizované pracovn´ı diagramy vytahován´ı vlákna . . . 16

16 Rázové kyvadlo pouˇzité Yu a kol. [15] . . . 18

17 P˚uvodn´ı uloˇzen´ı vzorku a konfigurace r´azov´e zkouˇsky . . . 21

18 P˚uvodn´ı mechanismus zafixov´an´ı vzorku k silomˇer˚um . . . 21

19 Aktuáln´ı schéma celého rázového kyvadla . . . 22

20 Aktuáln´ı podoba celého rázového kyvadla . . . 23

21 Detail polohy vzorku a z´avaˇz´ı v klidov´e poloze . . . 24

22 P˚uvodn´ı uloˇzen´ı vzorku . . . 24

23 Nov´e uloˇzen´ı vzorku . . . 24

24 Uchycen´ı sn´ımaˇc˚u pr˚uhybu pˇri zkouˇsce pevnosti v tahu ohybem . . . 29

25 Sch´ema zkouˇsky pevnosti v tahu ohybem . . . 29

26 Pevnosti v tlaku v z´avislosti na procentu vyztuˇzen´ı . . . 30

27 Pevnosti v tahu ohybem v z´avislosti na procentu vyztuˇzen´ı . . . 32

28 Pracovn´ı diagramy zkouˇsky v tahu ohybem pro jednotliv´a procenta vyztuˇzen´ı . . . 33

29 Porovn´an´ı pracovn´ıch diagram˚u pro r˚uzn´a procenta vyztuˇzen´ı . . . 34

30 Pr˚ubˇehy absorbované mechanické energie pro r˚uzná procenta vyztuˇzen´ı . . . 36

31 Závislosti ˇs´ıˇrky trhlin na jiˇz absorbované mechanické energii pˇri rázovém zat´ıˇzen´ı . . . . 38

32 Pr˚ubˇeh velikosti rychlosti vzorku ihned po prvn´ım r´azu . . . 40

33 Pr˚ubˇeh velikosti rychlosti vzorku ihned po pˇredposledn´ım r´azu . . . 41

34 Porovn´an´ı pr˚ubˇeh˚u dvou r´az˚u . . . 42

35 Vzorky poruˇsen´e ohybem pˇri kvazistatick´e rychlosti zat´ıˇzen´ı . . . 43

36 Pˇr´ıklady poruˇsen´ı vzork˚u pˇri zat´ıˇzen´ı r´azem . . . 44

37 Porovnán´ı absorbované mechanické energie pro kvazistatické a rázové zat´ıˇzen´ı . . . 51

38 Rozd´ıl lomov´ych ploch vzorku s 2% vyztuˇzen´ım a nevyztuˇzen´eho vzorku . . . 56

39 Detail lomov´e plochy pro vzorek s 2% vyztuˇzen´ım . . . 56

(11)

Seznam tabulek

1 Poˇcty vyhodnocených experiment˚u pro jednotlivá procenta vyztuˇzen´ı . . . 30 2 Pevnost v tahu ohybem pˇri kvazistatickém zat´ıˇzen´ı . . . 31 3 Absorbovaná mechanická energie pˇri kvazistatické rychlosti zat´ıˇzen´ı, zkouˇska v tahu

ohybem . . . 36 4 Absorbovaná mechanická energie pˇri rázovém zat´ıˇzen´ı . . . 37 5 Porovnán´ı efektivity vyztuˇzen´ı . . . 54

(12)

1 Uvod ´

1.1 Motivace

Tato práce pˇr´ımo navazuje na bakaláˇrskou práci autora [1]. V té byla zjiˇst’ována maximáln´ı p˚usob´ıc´ı s´ıla pˇri zat´ıˇzen´ı rázem, respektive pevnost v tahu ohybem daného vzorku pˇri zat´ıˇzen´ı rázem. Vzorky byly vˇsechny vyztuˇzeny dvˇema objemovými procenty ocelových vláken. Motivac´ı pro tuto práci bylo popsat chován´ı vzork˚u s r˚uznými procenty vyztuˇzen´ı. Zjistit, jak s rostouc´ım procentem vyztuˇzen´ı roste absorbovaná energie pˇri zat´ıˇzen´ı rázem. Jestli je tato závislost stejná jako pˇri kvazistatické rychlosti zat´ıˇzen´ı, nebo jiná. Schopnost absorpce mechanické energie je vlastnost beton˚u vyztuˇzených vlákny, kterou se výraznˇe odliˇsuj´ı od nevyztuˇzených. Motivace k popsán´ı chován´ı betonu v této oblasti je proto vysoká.

Dalˇs´ı motivac´ı pro tuto práci je nalezen´ı nového zkuˇsebn´ıho postupu - konkrétnˇe vylepˇsen´ı zkuˇsebn´ıho pˇr´ıstroje. To vycház´ı obecnˇe z potˇreby vyvinout takovou zkuˇsebn´ı metodu pro zat´ıˇzen´ı betonových vzork˚u rázem, která bude univerzáln´ı a budou ji moci provádˇet i ostatn´ı laboratoˇre. Znamená to, ˇze daná zkuˇsebn´ı metoda mus´ı být jednoduchá a zbavená co nejvyˇsˇs´ıho poˇctu neznámých, aby se dalo jednoznaˇcnˇe urˇcit, jak byl betonový vzorek zat´ıˇzen a jak na toto zat´ıˇzen´ı reagoval. Toto souˇcasná metoda pouˇzitá pˇri zpracován´ı práce [1] ˇcásteˇcnˇe nesplˇnovala.

1.2 C´ıle pr´ ace

Tato práce má dva hlavn´ı c´ıle. Prvn´ım je navrhnout, vyzkouˇset a zhodnotit nový zkuˇsebn´ı postup pro zat´ıˇzen´ı rázem. Druhým je urˇcit mnoˇzstv´ı mechanické energie absorbované vzorky z vlákny vyztuˇzeného vysokohodnotného betonu pˇri kvazistatickém a rázovém zat´ıˇzen´ı (pro zat´ıˇzen´ı ohybem).

Návrh nového zkuˇsebn´ıho postupu je proveden na základˇe dostupné literatury a doporuˇcen´ı dalˇs´ıch výzkumných pracovn´ık˚u. Zhodnocen´ı postupu by mˇelo být provedeno z pohledu jeho pˇresnosti, prove- ditelnosti, reprodukovatelnosti experiment˚u a jeho obecných nedostatk˚u. V neposledn´ı ˇradˇe je d´ılˇc´ım c´ılem zhodnocen´ı vhodnosti pouˇzit´ı absorbované mechanické energie k popisu chován´ı materiálu pˇri zat´ıˇzen´ı.

Pro urˇcen´ı mnoˇzstv´ı absorbované mechanické energie pˇri kvazistatickém zat´ıˇzen´ı je nutné z´ıskat a vyhodnotit pracovn´ı diagramy zkouˇsky pevnosti v tahu ohybem. Aby byl zkoumaný materiál lépe popsán, je dalˇs´ım d´ılˇc´ım c´ılem práce porovnán´ı pr˚ubˇeh˚u pracovn´ıch diagram˚u pro r˚uzná procenta vyztuˇzen´ı. S t´ım souvis´ı i zjiˇstˇen´ı pevnosti v tahu ohybem a pevnosti v tlaku.

1.3 Rozsah pr´ ace

V teoretické ˇcásti práce byla zpracována struˇcná literárn´ı reˇserˇse. D˚uraz byl kladen na téma chován´ı jednotlivých vláken v cementovém kompozitu. Praktická ˇcást se skládala z pˇr´ıpravy vzork˚u, pˇr´ıpravy zkuˇsebn´ıho postupu, proveden´ı experiment˚u a vyhodnocen´ı. Vybetonovány byly trámky s r˚uzným pro- centuáln´ım zastoupen´ım vláken. Nový zkuˇsebn´ı postup pro zat´ıˇzen´ı rázem byl aplikován na dostupné zaˇr´ızen´ı - rázové kyvadlo pouˇzité v práci [1]. To obsahovalo pˇrestavbu rázového kyvadla a návrh a vyzkouˇsen´ı konkrétn´ıch mˇeˇr´ıc´ıch postup˚u pro tuto práci. Experimenty zahrnovaly zkouˇsky rázové, pevnosti v tahu ohybem a pevnosti v tlaku pˇri kvazistatickém zat´ıˇzen´ı.

(13)

2 P˚ usoben´ı vl´ aken v betonu

2.1 Uveden´ı do problematiky pouˇ z´ıv´ an´ı vl´ aken v betonu

Beton je v dneˇsn´ı dobˇe dominantn´ım stavebn´ım materiálem. Betony bˇeˇznˇe pouˇz´ıvané k výstavbˇe pozemn´ıch staveb jsou cenˇené hlavnˇe d´ıky své dobré pevnosti v tlaku v kombinaci s n´ızkou cenou. Ta je tvoˇrena hlavnˇe dobrou dostupnost´ı surovin na jeho výrobu, ale i rychlost´ı a relativn´ı nenároˇcnost´ı zho- toven´ı dané konstrukce. Dalˇs´ım velice podstatným faktem je, ˇze cementové kompozity obecnˇe je moˇzné modifikovat r˚uznými pˇr´ısadami a pˇr´ımˇesmi, pˇr´ıpadnˇe i vlákny, a zjednoduˇsenˇe ˇreˇceno materiál ,,uˇs´ıt na m´ıru“ konkrétn´ım konstrukc´ım. Je tak moˇzné výraznˇe mˇenit vlastnosti betonu, hlavnˇe tedy v oblasti mechanických vlastnost´ı, trvanlivosti, bezpeˇcnosti (napˇr. poˇzárn´ı ochrana nebo st´ınˇen´ı proti radiaci) a estetiky. Nicménˇe zásadn´ı vlastnost obyˇcejného nebo nevyztuˇzeného betonu, která omezuje jeho pouˇzit´ı, je jeho kˇrehkost. Obecnˇe o betonu hovoˇr´ıme jako o kvazi-kˇrehkém materiálu, nebot’ vykazuje jisté nelinearity (tedy oblasti, kde neplat´ı Hook˚uv zákon) v bl´ızkosti dosaˇzen´ı maximáln´ıch tahových a tlakových napˇet´ı. Beton má velmi malou duktilitu, coˇz v praxi znamená, ˇze vnˇejˇs´ı zat´ıˇzen´ı vyvolá napˇet´ı odpov´ıdaj´ıc´ı maximáln´ı pevnosti pˇri relativnˇe malých pˇretvoˇren´ıch, které ˇclovˇek ani nen´ı scho- pen bez pouˇzit´ı mˇeˇr´ıc´ıch pˇr´ıstroj˚u rozeznat. Docház´ı pak k náhlému poklesu tuhosti vlivem vytvoˇren´ı trhlin a betonová konstrukce tzv. bez varován´ı kolabuje. Z toho d˚uvodu nen´ı moˇzné stavˇet ohybem a tahem namáhané konstrukce z prostého betonu. Pouˇzit´ı kontinuáln´ıch ocelových prut˚u jako výztuˇze do betonu tento problém ˇreˇs´ı. Moˇznost tohoto vyztuˇzen´ı pramen´ı ze tˇr´ı základn´ıch fakt˚u. Ze vzájemné soudrˇznosti betonu a oceli, pˇredevˇs´ım tedy mechanické soudrˇznosti vlivem r˚uzných povrchových úprav ocelových prut˚u, z podobného souˇcinitele teplotn´ı roztaˇznosti betonu a oceli a v neposledn´ı ˇradˇe z vy- soce alkalického prostˇred´ı betonu, ve kterém docház´ı k pasivaci ocelové výztuˇze, takˇze je zabránˇeno jej´ı korozi [2].

Zelezobeton vˇˇ sak zcela neˇreˇs´ı úplnˇe vˇsechny nedostatky prostého betonu v oblasti malých ta- hových pevnost´ı. Hlavn´ım pˇretrvávaj´ıc´ım problémem je tvorba a ˇs´ıˇren´ı trhlin, které se vytváˇrej´ı z r˚uzných d˚uvod˚u, napˇr´ıklad vysychán´ım, smrˇst’ován´ım nebo zmˇenou teploty. Problematické je také chován´ı ˇzelezobetonu pˇri dynamických zat´ıˇzen´ıch, jako jsou zemˇetˇresen´ı, rázy a výbuchy, pˇri kterých se ˇzelezobeton nevhodným a nˇekdy i nebezpeˇcným zp˚usobem poˇskozuje. Velmi obecnˇe ˇreˇceno jsou tyto problémy ˇzelezobetonu zp˚usobeny pouˇz´ıván´ım ocelových prut˚u relativnˇe velkých pr˚umˇer˚u, které je nutno ˇrádným zp˚usobem zakotvit. To ale znamená, ˇze jsou jednotlivé pruty od sebe pomˇernˇe znaˇcnˇe vzdálené a nevyztuˇzuj´ı beton ve vˇsech m´ıstech stejnˇe [3]. Nejv´ıce se toto projevuje u povrchových vrstev betonu, kde nav´ıc mus´ıme dbát na dostateˇcnou kryc´ı vrstvu výztuˇze nejen z d˚uvodu jej´ıho ukotven´ı, ale i z hlediska trvanlivosti, aby nedocházelo k rychlé korozi výztuˇze nejbl´ıˇze povrchu. ˇZelezobeton proto neˇreˇs´ı odolnost povrchu napˇr´ıklad proti abrazi nebo odtrˇzen´ı povrchových vrstev pˇri r˚uzných zat´ıˇzen´ıch [3, 4].

Vlákna do betonových smˇes´ı jsou obvykle diskontinuáln´ı, náhodnˇe orientovaná a volnˇe rozptýlená v celém objemu. Jsou vyrobena z r˚uzných materiál˚u, maj´ı r˚uzné tvary (pˇr´ımá, spirálovitá, s r˚uznˇe upravenými konci apod.), délky a povrchové úpravy. Pˇridán´ı vláken do betonové smˇesi m˚uˇze nedostatky spojené s malou pevnost´ı betonu v tahu dále vylepˇsit. Hned na zaˇcátek je ale tˇreba ˇr´ıci, ˇze krátká, diskontinuáln´ı, náhodnˇe orientovaná vlákna nemohou nahradit klasickou kontinuáln´ı, orientovanou betonáˇrskou výztuˇz pro pˇrenos vˇsech tahových napˇet´ı. Oba druhy vyztuˇzen´ı maj´ı v betonu rozd´ılné

(14)

role. Výjimku tvoˇr´ı napˇr´ıklad velmi tenké betonové prvky, kde by nebylo moˇzné dodrˇzet tlouˇst’ky kryc´ıch vrstev klasické výztuˇze. Ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚u se ale vlákna pouˇz´ıvaj´ı pro kontrolu vzniku a ˇs´ıˇren´ı trhlin. Na obrázku 1 jsou v grafu vykresleny typické pracovn´ı diagramy pro obyˇcejný beton (NC), vláknobeton (FRC) a vysokohodnotný vláknobeton (HPFRC). Na prvn´ı pohled je patrné, ˇze vlákna v betonu výraznˇe zvýˇs´ı jeho duktilitu. To ve výsledku zvyˇsuje i houˇzevnatost betonu, coˇz je schopnost absorbovat mechanickou energii (zvˇetˇsuje se plocha pod grafem pracovn´ıho diagramu). Vyztuˇzen´ım obyˇcejného betonu napˇr´ıklad ocelovými vlákny obvykle nezvýˇs´ıme jeho pevnost tak, jak je vidˇet na obrázku 1, pouze jeho duktilitu. M˚uˇzeme vˇsak vhodnˇe zkombinovat vysokohodnotné betonové matrice s konkrétn´ım druhem vláken a z´ıskat tak mnohem lepˇs´ı schopnost absorbovat mechanickou energii a zároveˇn výraznˇe zvýˇsit pevnost [5]. Takový vysokohodnotný vláknobeton je zkoumán v této práci.

Obrázek 1: Typické pracovn´ı diagramy r˚uzných beton˚u [5]

Tak jako u klasické betonáˇrské výztuˇze plat´ı i pro vlákna nˇekolik zásadn´ıch bod˚u, které urˇcuj´ı v˚ubec moˇznost jejich pouˇzit´ı v betonové smˇesi. Je to opˇet soudrˇznost vláken a betonové matrice, podobné souˇcinitele teplotn´ı roztaˇznosti a chemická stabilita výztuˇze v betonu. Pˇr´ıpadnˇe hraje roli i ekonomické hledisko, hlavnˇe u drahých ocelových vláken, nebo zdravotn´ı hledisko napˇr´ıklad u vláken azbestových pˇr´ıpadnˇe jiných lehce vdechnutelných mikrovláken. Vzhledem k tomu, ˇze vlákna nejsou vyrábˇena pouze z oceli, a pouˇzité betonové matrice dokonce nemus´ı být na bázi portlandského cementu, nejsou tyto body automaticky splnˇeny a je tˇreba kompatibilitˇe jednotlivých vláken a betonových smˇes´ı vˇenovat vˇetˇs´ı pozornost. Výsledkem dobrého návrhu ale m˚uˇze být cementový kompozit, který bude svými mechanickými vlastnostmi výraznˇe pˇrevyˇsovat nevyztuˇzený beton [5].

Toto byl pouze hrubý popis moˇzných výhod, ale i problematických oblast´ı spojených s vyztuˇzeným betonem. V následuj´ıc´ıch kapitolách jsou probrána vybraná specifika vlákny vyztuˇzených beton˚u tak, aby byl vytvoˇren jakýsi pˇrehled faktor˚u, které nejv´ıce ovlivˇnuj´ı schopnost absorbovat mechanickou energii. Nebude zacházeno do pˇr´ıliˇsných detail˚u, budou jen vysvˇetleny základn´ı principy, kterým se do detailu vˇenuje citovaná literatura.

(15)

2.2 Struktura rozhran´ı vl´ aken a betonov´ e matrice

Jiˇz od zaˇcátku druhé poloviny 20. stolet´ı je vˇseobecnˇe známo, ˇze pevnost a dalˇs´ı r˚uzné mechanické vlastnosti betonu jsou dány jeho vnitˇrn´ı strukturou (viz práce T. C. Powerse [6]). Pojem tranzitn´ı zóna (v anglicky psané literatuˇre zkratka ITZ - Interfacial Transition Zone) popisuje oblast zatvrdlé cementové pasty, kde je jiná struktura neˇz v jej´ım zbylém objemu. Obecnˇe se tato zóna vyskytuje kolem r˚uzných inkluz´ı betonu, tedy okolo kameniva, ale i vláken. Tranzitn´ı zóna je slabým m´ıstem betonu jako celku. Pˇri zat´ıˇzen´ı (nebo pˇri napˇet´ıch vyvolaných smrˇstˇen´ım) se trhlina vytvoˇr´ı právˇe v této zónˇe. Jej´ı malá pevnost je d˚usledkem vyˇsˇs´ı pórovitosti, která zde vzniká kv˚uli lokáln´ımu stˇenovému efektu, kdy se v malé vzdálenosti okolo inkluz´ı zadrˇzuje vyˇsˇs´ı mnoˇzstv´ı vody a t´ım se zde zvyˇsuje vodn´ı souˇcinitel. Obecnˇe pak plat´ı, ˇze ˇc´ım vyˇsˇs´ı je vodn´ı souˇcinitel, t´ım vyˇsˇs´ı je i celková pórovitost betonu, coˇz analogicky plat´ı i pro tranzitn´ı zónu [5, 7]. Snahy o zlepˇsen´ı pevnost´ı r˚uzných cementových kompozit˚u, vˇcetnˇe tˇech vyztuˇzených vlákny, se mus´ı nutnˇe zabývat otázkou zlepˇsen´ı vlastnost´ı této zóny. Tedy zajistit dokonalejˇs´ı spojen´ı cementové pasty a vˇsech inkluz´ı. Zkoumán´ı struktury vláknobeton˚u je pak základn´ı krok k lepˇs´ımu pochopen´ı jejich chován´ı pˇri zat´ıˇzen´ı.

Z pohledu typ˚u vláken je zde d˚uleˇzitý rozd´ıl jedná-li se o vlákna diskrétn´ı (od sebe navzájem oddˇelena - napˇr. ocelová), nebo shluky vláken (napˇr. sklenˇená nebo polymern´ı). Tyto dva druhy se odliˇsuj´ı kontaktem s cementovou pastou, kdy diskrétn´ı vlákno je v kontaktu celým svým povrchem, zat´ımco shluk vláken pouze povrchem vláken, které jsou na okraji tohoto shluku. Dále je pozornost vˇenována jen diskrétn´ım ocelovým vlákn˚um, nebot’ ta jsou pouˇzita v této práci. Tranzitn´ı zóna v oblasti kontaktu s ocelovým vláknem je bohatá na relativnˇe velké krystaly portlanditu (CH). Ten se zde obje- vuje pravdˇepodobnˇe vysráˇzen´ım z roztoku ˇcerstvého cementového gelu, kdy vlákno tvoˇr´ı krystalizaˇcn´ı centrum. Dále od vlákna se pak nacház´ı nejv´ıce pórovitá vrstva tranzitn´ı zóny, která je i nejslabˇs´ım m´ıstem celého spojen´ı. Jeˇstˇe dále od vlákna uˇz má zatvrdlá cementová pasta normáln´ı strukturu [5].

Toto ilustruje obrázek 2, kde je graf znázorˇnuj´ıc´ı mikrotvrdost v závislosti na kolmé vzdálenosti od povrchu vlákna.

Obrázek 2: Mikrotvrdost tranzitn´ı zóny okolo ocelového vlákna [5]

(16)

Zlepˇsen´ı struktury tranzitn´ı zóny z hlediska dosaˇzen´ı vyˇsˇs´ıch pevnost´ı betonu a pevnˇejˇs´ı vazby cementové pasty a vláken, je jedn´ım z hlavn´ıch princip˚u (ultra)vysokohodnotných beton˚u. To znamená, ˇze pokud pouˇz´ıváme náhodnˇe rozptýlená vlákna jako výztuˇz, jev´ı se vysokohodnotný beton mnohem efektivnˇejˇs´ı neˇz beton obyˇcejného sloˇzen´ı, protoˇze jiˇz ˇreˇs´ı nedostatky plynouc´ı z horˇs´ıch mechanických interakc´ı inkluz´ı a cementové pasty. Obecnˇe je niˇzˇs´ı pórovitosti v tranzitn´ı zónˇe dosaˇzeno drastickým sn´ıˇzen´ım vodn´ıho souˇcinitele, coˇz znaˇc´ı nutnost pouˇzit´ı superplastifikátoru. Dále se pak pouˇz´ıvaj´ı r˚uzné pˇr´ımesi, napˇr´ıklad kˇremiˇcitý úlet, který d´ıky svým velice malým zrn˚um zlepˇsuje mikrostrukturu tranzitn´ı zóny [5, 7].

2.3 Chov´ an´ı vl´ aken v betonu pˇ ri zat´ıˇ zen´ı

2.3.1 Vlákna rovnobˇeˇzná se smˇerem tahových napˇet´ı

V betonové matrici jsou vlákna zakotvena pomoc´ı tˇrech základn´ıch mechanism˚u. Je to fyzikáln´ı a chemická adheze, tˇren´ı a zakotven´ı vlivem nepravidelného povrchu vlákna nebo jeho geometrie. Prvn´ı dva mechanismy se uplatˇnuj´ı pˇredevˇs´ım u vláken malých pr˚umˇer˚u a vysokohodnotných beton˚u, coˇz souvis´ı s jejich vhodnou mikrostrukturou, jak je uvedeno v pˇredchoz´ı kapitole. U obyˇcejných beton˚u s vlákny vyˇsˇs´ıch pr˚umˇer˚u se dá jejich zakotven´ı efektivnˇe provést pouze tˇret´ım uvedeným mechanis- mem. Zkoumán´ı p˚usoben´ı jednotlivých vláken v cementové matrici pˇri zat´ıˇzen´ı je d˚uleˇzité pro popis celkového chován´ı kompozitu. Je to jeden z prvn´ıch krok˚u (spolu s popisem struktury, viz pˇredchoz´ı kapitola) k návrhu materiálu s poˇzadovaným módem poruˇsen´ı (kˇrehký, duktiln´ı) a dalˇs´ımi mechanickými vlastnostmi [5]. Opˇet bude dále vˇenována pozornost pouze rovným ocelovým vlákn˚um, protoˇze ta jsou pouˇzita v této práci.

Pro analýzu p˚usoben´ı jednotlivých vláken v kˇrehkých kompozitech je nutné rozliˇsit r˚uzné stavy, ve kterých se nacház´ı hlavnˇe pˇrechodová oblast (tranzitn´ı zóna) okolo zkoumaného vlákna. Tedy jestli je vlákno pevnˇe spojené s cementovou matric´ı, nebo se jiˇz na rozhran´ı materiál˚u vytvoˇrily trhliny, a pˇr´ıpadnˇe v jaké m´ıˇre. S t´ım souvis´ı moˇznost pouˇzit´ı r˚uzných analytických model˚u. Záleˇz´ı také na tom, v jakém stavu se nacház´ı celý betonový prvek, jestli jiˇz bylo dosaˇzeno maximáln´ı pevnosti v tahu betonu a vlákna zaˇc´ınaj´ı pˇremost’ovat trhliny, nebo je prvek stále neporuˇsený. Pˇredmˇetem zkoumán´ı jsou tedy vˇsechny oblasti na kˇrivkách pracovn´ıch diagram˚u pro r˚uzné kompozity [5].

Pˇri relativnˇe malém zat´ıˇzen´ı se uplatˇnuje princip elastického pˇrenosu napˇet´ı. Cox [8] poprvé uvedl model a rovnice, pomoc´ı kterých popisuje tahové napˇet´ı ve vláknu a smykové napˇet´ı na rozhran´ı vlákna a okoln´ıho prostˇred´ı. V modelu se uplatˇnuje nˇekolik pˇredpoklad˚u, které v´ıce ˇci ménˇe neodpov´ıdaj´ı re- alitˇe. Mezi ty nejproblematiˇctˇejˇs´ı patˇr´ı: dokonalé spojen´ı vlákna s okoln´ım prostˇred´ım, neexistence tranzitn´ı zóny, nebo ˇze vlákna jsou pravidelnˇe uspoˇrádána a navzájem se neovlivˇnuj´ı. Na obrázku 3 je graficky znázornˇen pr˚ubˇeh deformace okoln´ıho prostˇred´ı pˇred a po zat´ıˇzen´ı, se kterým model pracuje.

Na obrázku 4a jsou pak pr˚ubˇehy tahového napˇet´ı ve vláknu a smykového napˇet´ı na rozhran´ı ma- teriál˚u. Pˇrenos napˇet´ı mezi matric´ı a vláknem prob´ıhá v oblasti nenulového smykového napˇet´ı, nejv´ıce na konc´ıch vlákna. Z toho pak vyplývá postupný nár˚ust tahového napˇet´ı od konce do stˇredu vlákna.

Význam pouˇzit´ı popsaného modelu také spoˇc´ıvá v urˇcen´ı efektivity vyztuˇzen´ı vlákny. Nejefektivnˇejˇs´ı vyztuˇzen´ı nastává v pˇr´ıpadˇe, kdy je do vlákna moˇzné (vzhledem k pevnosti spojen´ı materiál˚u) pˇrenést napˇet´ı bl´ıˇz´ıc´ı se jeho pevnosti nebo mezi kluzu. Efektivn´ı vyztuˇzen´ı ale nemus´ı nutnˇe znamenat, ˇze je u kompozitu dosaˇzeno maximáln´ıch hodnot r˚uzných mechanických vlastnost´ı, napˇr. pevnosti v tahu [5].

(17)

(a) Pˇred zat´ıˇzen´ım (b) Po zat´ıˇzen´ı Obr´azek 3: Model elastick´eho pˇrenosu napˇet´ı [5]

(a) Pouze elastick´y pˇrenos napˇet´ı mezi vl´aknem a okoln´ım prostˇred´ım

(b) Kombinace elastick´eho pˇrenosu napˇet´ı a smykov´eho prokluzu

Obrázek 4: Pr˚ubˇehy smykového napˇet´ı na rozhran´ı materiál˚u (τ) a tahového napˇet´ı ve vláknu (σ), podle [5]

Zvyˇsuj´ıc´ı se zat´ıˇzen´ı, které ale stále nen´ı natolik vysoké, aby napˇet´ı v betonu dosáhlo pevnosti v tahu, m˚uˇze zp˚usobit poruˇsen´ı vazby (adheze) mezi vláknem a cementovou pastou. Pokud dojde k úplné ztrátˇe spojen´ı, vlákno jiˇz pˇrestává plnit svoj´ı funkci a kompozit je ˇspatnˇe navrˇzen. U beton˚u vyztuˇzených vlákny ale sp´ıˇse dojde k postupnému naruˇsován´ı vazby od konc˚u vlákna smˇerem k jeho stˇredu. V oblasti rozhran´ı, kde doˇslo k vytvoˇren´ı poruchy, se pak nejˇcastˇeji aktivuje mechanismus tˇrec´ıho prokluzu, zat´ımco v neporuˇsené oblasti stále plat´ı popsaný elastický pˇrenos napˇet´ı. Na obrázku 4b je opˇet vykreslen pr˚ubˇeh smykového a tahového napˇet´ı. Délka ,,a” znaˇc´ı oblast poruˇsen´ı pevné vazby kde p˚usob´ı tˇrec´ı prokluz. Zde se rozloˇzen´ı smykového napˇet´ıτ_t povaˇzuje za konstantn´ı. Napˇet´ı τa je smyková pevnost adheze [5].

Ocelová vlákna se do betonu pˇridávaj´ı primárnˇe pro zmˇenu chován´ı celého prvku po dosaˇzen´ı tahové pevnosti betonové matrice. Vlákna pak pˇremost’uj´ı vzniklé hlavn´ı tahové trhliny. Vlastnost zkoumaná v této diplomové práci - schopnost absorbovat mechanickou energii, je hlavnˇe urˇcena chován´ım v oblasti po vzniku tahových trhlin [9]. Principy pˇrenosu napˇet´ı do vláken jsou zde podobné jako principy popsané v minulých odstavc´ıch. Rozd´ıl je v poloze maximáln´ıch hodnot smykového napˇet´ı. To se ne- vyskytuje na konc´ıch vlákna, ale v m´ıstˇe lomové plochy, coˇz je vidˇet na obrázku 5. Opˇet se uplatˇnuje kombinace elastického pˇrenosu napˇet´ı a tˇrec´ıho prokluzu. Oblast poruˇsen´ı adheze mezi vláknem a cementovou pastou se zvˇetˇsuje s rostouc´ım zat´ıˇzen´ım, aˇz dojde ke ztrátˇe adheze po celé délce vlákna.

(18)

V tom pˇr´ıpadˇe se dále uplatn´ı jen mechanismus tˇrec´ıho prokluzu. Existuje ˇrada analytických model˚u, které toto chován´ı popisuj´ı, a které zavád´ı rovnice pro výpoˇcet smykových napˇet´ı [5]. Pomoc´ı výpoˇct˚u lze urˇcit, jestli budou vlákna p˚usobit poˇzadovaným zp˚usobem, aby napˇr´ıklad nedocházelo k jejich náhlým vytrˇzen´ım z matrice nebo jejich pˇretrˇzen´ı (ideáln´ı stav je postupné vytaˇzen´ı celého vlákna [10]). Modely jsou sestavovány na základˇe výsledk˚u vytahovac´ıch zkouˇsek jednotlivých vláken.

Ty budou pops´any d´ale v kapitole 4.1.

Velikost smykového napˇet´ı pˇri p˚usoben´ı tˇrec´ıho prokluzu je dána velikost´ı normálového (kon- taktn´ıho) napˇet´ı. Tedy s´ıla potˇrebná na vytaˇzen´ı vlákna z betonu roste spolu s tlakem, kterým ce- mentová pasta sv´ırá vlákno. Normálové napˇet´ı zde vzniká v d˚usledku zabránˇen´ı volného rozp´ınán´ı matrice do prostoru, který je vyplnˇen vláknem. Pokud se na rozhran´ı normálové napˇet´ı nevytvoˇr´ı (matrice nemá snahu tlaˇcit na vlákno), efekt tˇrec´ıho prokluzu se znaˇcnˇe zmenˇs´ı. Faktory ovlivˇnuj´ıc´ı velikost normálového napˇet´ı jsou napˇr´ıklad: objemové zmˇeny betonu, extern´ı zat´ıˇzen´ı betonového prvku, Po- isson˚uv efekt a plastická deformace vlákna. Posledn´ı dva efekty zp˚usobuj´ı sniˇzován´ı pr˚umˇeru vlákna s jeho protaˇzen´ım a t´ım je umoˇznˇena vˇetˇs´ı deformace matrice a sn´ıˇzen´ı normálového napˇet´ı [5].

Obrázek 5: Pr˚ubˇeh smykového napˇet´ı pˇri vytahován´ı vlákna, podle [5]

2.3.2 Vlákna odklonˇená od smˇeru tahových napˇet´ı

Informace uvedené v minulé kapitole se týkaly vláken, která jsou orientována rovnobˇeˇznˇe k tahovým napˇet´ım v betonu. Obvykle jsou ale vlákna pˇridávána v pr˚ubˇehu m´ıchán´ı betonové smˇesi, a proto po um´ıstˇen´ı do forem vykazuj´ı náhodné rozm´ıstˇen´ı a orientaci. Pro pˇr´ıpad, kdy vlákno jeˇstˇe nepˇremost’uje vzniklou trhlinu, ale p˚usob´ı v celistvém betonu, m˚uˇzeme zavést velmi podstatný pˇredpoklad, ˇze se vlákno deformuje pouze po své délce. V tom pˇr´ıpadˇe je jeho vliv na pˇrenos tahových napˇet´ı sn´ıˇzen. Pro popis této sn´ıˇzené úˇcinnosti ve 3D nebo 2D uspoˇrádán´ı se zavád´ı koeficient úˇcinnosti orientace vláken.

Ten udává relativn´ı únosnost vláken vzhledem ke stavu, kdy jsou ideálnˇe orientována. M˚uˇze dosahovat hodnot od 0 (vˇsechna vlákna kolmo ke smˇeru tahových napˇet´ı) do 1 (vˇsechna vlákna rovnobˇeˇznˇe se smˇerem tahových napˇet´ı - ideáln´ı stav). Pro trojrozmˇerný prvek, kde jsou vlákna zcela náhodnˇe rozm´ıstˇena a orientována, v oblasti pˇred vytvoˇren´ım hlavn´ı tahové trhliny vypoˇc´ıtali r˚uzn´ı autoˇri, na základˇe dalˇs´ıch rozd´ılných pˇredpoklad˚u, hodnoty koeficientu od 1/3 do 2/π[5].

(19)

V pˇr´ıpadˇe betonu vyztuˇzeného ocelovými vlákny se jedná o kombinaci kˇrehké matrice a duktiln´ıho vlákna. Z toho d˚uvodu se vlákno, které pˇremost’uje rozev´ıraj´ıc´ı se trhlinu, bude deformovat zp˚usobem naznaˇceným na obrázku 6. Nen´ı tak splnˇen pˇredpoklad deformace vlákna pouze ve své ose a do urˇcen´ı

´

uˇcinnosti r˚uznˇe orientovaných vláken vstupuj´ı dalˇs´ı faktory. Napˇr´ıklad se uplatn´ı hmoˇzdinkový efekt, který m˚uˇze aˇz pˇrevýˇsit sn´ıˇzenou úˇcinnost vlákna, a dokonce zvýˇsit jeho odolnost proti vytaˇzen´ı. Na obrázku 7 je graf znázorˇnuj´ıc´ı relativn´ı s´ılu potˇrebnou k vytaˇzen´ı jednotlivých vláken r˚uzných materiál˚u v závislosti na jejich úhlu orientace (0°- vlákno rovnobˇeˇznˇe s vytahovac´ı silou). Aby doˇslo ke zvýˇsen´ı

´

unosnosti pˇri ,,horˇs´ı” orientaci, mus´ı být vlákno duktiln´ı s relativnˇe malým modulem pruˇznosti. Kˇrehká uhl´ıková vlákna s velmi vysokým modulem pruˇznosti toto nesplˇnuj´ı, a proto je trend zmˇeny odolnosti zcela jiný neˇz u ocelových a hlavnˇe polypropylenových vláken. Pokud nav´ıc dojde k prasknut´ı vlákna pˇred jeho vytaˇzen´ım, je logicky sn´ıˇzena i duktilita celého kompozitu. Pro deformaci vlákna nav´ıc mus´ı p˚usob´ıc´ı s´ıla vykonat dodateˇcnou práci, která se pˇriˇc´ıtá do celkového mnoˇzstv´ı absorbované mechanické energie [5, 10].

Popsaný efekt také závis´ı na pouˇzité betonové matrici. Pokud se jedná o obyˇcejný beton, nemus´ı ke zvýˇsen´ı odolnosti doj´ıt. S´ıla F na obrázku 6 tlaˇc´ı na vyznaˇcenou oblast, kde m˚uˇze doj´ıt k odlupován´ı betonu (spalling), ˇc´ımˇz se výraznˇe sniˇzuje celková odolnost proti vytaˇzen´ı vlákna. Tato s´ıla se zvˇetˇsuje s rostouc´ım úhlem odklonˇen´ı vlákna. Pokud je pouˇzit vysokohodnotný beton, docház´ı k odlupován´ı v menˇs´ı m´ıˇre a v celém betonovém prvku tak efektivnˇe p˚usob´ı i znaˇcnˇe odklonˇená vlákna. To má velice pˇr´ıznivý vliv na maximáln´ı pevnost a schopnost absorbovat mechanickou energii [10, 11].

Obrázek 6: Deformace ocelového vlákna pˇri rozev´ırán´ı trhliny,

podle [5]

Obrázek 7: Relativn´ı s´ıla potˇrebná k vytaˇzen´ı r˚uznˇe orientovaných vláken [5]

(20)

2.4 Vybran´ e charakteristiky vl´ aken a jejich dopad na mechanick´ e vlastnosti

Mechanické vlastnosti vlákny vyztuˇzených beton˚u závis´ı na mnoha faktorech. Nˇekteré z nich byly jiˇz zm´ınˇeny v minulých kapitolách, protoˇze úzce souvis´ı s principy p˚usoben´ı jednotlivých vláken. Tato kapitola je vˇenována dalˇs´ım charakteristikám jednoho vlákna nebo dávkám vláken ve smˇesi, které maj´ı významný vliv na mechanické vlastnosti výsledného kompozitu. Stále je pozornost vˇenována pouze pˇr´ımým, hladkým ocelovým vlákn˚um. Nebudou tedy popisovány rozd´ıly v r˚uzných materiálech ani vlivy sloˇzitˇejˇs´ı geometrie vlákna.

2.4.1 Procentu´aln´ı zastoupen´ı vl´aken

Pravdˇepodobnˇe nejd˚uleˇzitˇejˇs´ı promˇennou pˇri zkoumán´ı mechanických vlastnosti vlákny vyztuˇzených beton˚u je mnoˇzstv´ı vláken pˇr´ıtomných ve smˇesi. Obvykle se udává jako procento z celkového objemu.

Vliv na tlakové pevnosti s rostouc´ım procentem vyztuˇzen´ı je minimáln´ı. Podobnˇe nevýraznˇe se vlákna pod´ılej´ı na zvýˇsen´ı modulu pruˇznosti. Nejvˇetˇs´ı rozd´ıly jsou pozorovány u pevnost´ı v tahu a v tahu ohybem, které by mˇely podle výsledk˚u z literatury r˚ust lineárnˇe s procentem vyztuˇzen´ı [12]. Dále s rostouc´ım procentem vyztuˇzen´ı významnˇe rostou absorbované mechanické energie nebo odolnosti proti náraz˚um projektil˚u (menˇs´ı poˇskozen´ı) [13].

Objem vláken v ˇcerstvém betonu výraznˇe ovlivˇnuje jeho zpracovatelnost a do jisté m´ıry m˚uˇze omezit samozhutnitelné vlastnosti. Vlákna také mohou od urˇcitého procenta zaˇc´ıt tvoˇrit shluky, ve kterých jsou jednotlivá vlákna moc bl´ızko sebe, neˇz aby ˇsla efektivnˇe zakotvit. To bylo pozorováno jiˇz pˇri betonáˇzi vzork˚u pro pˇredchoz´ı práci [1]. Pevnost v tlaku m˚uˇze s pˇr´ıliˇs vysokým procentem vyztuˇzen´ı klesat, protoˇze se vytvoˇr´ı v´ıce pór˚u mezi vlákny a nen´ı tak dosaˇzeno hutné struktury typické pro vysokohodnotné betony [14]. Maximáln´ı procento vyztuˇzen´ı je omezeno právˇe kv˚uli tˇemto jev˚um.

2.4.2 Rozmˇery vl´aken a jejich rozm´ıstˇen´ı

Dalˇs´ım d˚uleˇzitým parametrem jsou rozmˇery vláken, konkrétnˇe jejich délka. Protoˇze procento zastoupen´ı vláken udává ˇcást celkového objemu, který je vyplnˇen materiálem vláken, rostouc´ı délka jednoho vlákna znamená sn´ıˇzen´ı jejich celkového mnoˇzstv´ı. Poˇcet vláken pˇremost’uj´ıc´ıch jednu tahovou trhlinu ale nutnˇe nemus´ı být menˇs´ı, protoˇze delˇs´ı vlákno má vyˇsˇs´ı pravdˇepodobnost výskytu v trhlinˇe.

Pokud se uplatn´ı mechanismus vytahován´ı vlákna z matrice, je jeho odolnost funkc´ı povrchu vlákna v kontaktu s matric´ı a ta je logicky pro delˇs´ı vlákno vyˇsˇs´ı. To znamená, ˇze pˇri stejném procentuáln´ım zastoupen´ı vláken jsou delˇs´ı vlákna efektivnˇejˇs´ı, a je s nimi dosaˇzeno vyˇsˇs´ıch hodnot mechanických charakteristik kompozitu. Pouˇzit´ı delˇs´ıch vláken také zvyˇsuje maximáln´ı moˇzné rozevˇren´ı tahové trhliny pˇred kolapsem betonového prvku. Zvyˇsuje se tak jeho duktilita [12].

Pˇr´ıliˇs dlouhá vlákna ale pˇrináˇsej´ı i jisté nevýhody. Popsaný efekt zvýˇsené odolnosti proti vytaˇzen´ı nemus´ı v˚ubec nastat, nebot’ pevnˇejˇs´ı zakotven´ı vlivem vˇetˇs´ıho povrchu vlákna v kontaktu s matric´ı zp˚usob´ı, ˇze se ve vláknu vytvoˇr´ı vyˇsˇs´ı tahové napˇet´ı a vlákno m˚uˇze prasknout [5]. Je nutné pouˇz´ıvat vˇetˇs´ı rozmˇery zkuˇsebn´ıch vzork˚u, aby bylo dosaˇzeno reprezentativn´ıho objemu [15]. Delˇs´ı vlákna také v´ıce zhorˇsuj´ı zpracovatelnost ˇcerstvého betonu. H˚uˇre se rozm´ıchávaj´ı a docház´ı k jejich nepravidelnému uspoˇrádán´ı v zatvrdlém betonu [5, 16].

(21)

2.4.3 Orientace vl´aken a jej´ı ovlivnˇen´ı

Logickým krokem pro zvýˇsen´ı napˇr´ıklad pevnosti v tahu nebo absorbované mechanické energie je ovlivnit vlákna tak, aby vˇetˇsina efektivnˇe pˇremost’ovala vzniklé trhliny. To znamená, ˇze mus´ı být nˇejakým zp˚usobem c´ılenˇe orientována. V kapitole 2.3.2 bylo ukázáno, ˇze ocelová vlákna nemus´ı být ve vysokohodnotném betonu nutnˇe rovnobˇeˇzná s tahovým napˇet´ım, aby bylo dosaˇzeno nejvyˇsˇs´ıch odolnost´ı proti jejich vytaˇzen´ı. To má významný dopad na celkovou efektivitu prvk˚u, kde nemus´ı docházet k vytvoˇren´ı tahových napˇet´ı pouze v jednom smˇeru (jako pˇri zkouˇsce pevnosti v jednoosém tahu). Napˇr´ıklad pˇri zat´ıˇzen´ı rázem nebo výbuchem m˚uˇze doj´ıt k urˇcitým lokáln´ım zat´ıˇzen´ım, které vyvolaj´ı tahová napˇet´ı v r˚uzných smˇerech. Staˇc´ı tedy, kdyˇz se vlákna ve vysokohodnotném betonu zorientuj´ı alespoˇn pˇribliˇznˇe podle oˇcekávaných tahových napˇet´ı.

Na obrázku 8 je znázornˇeno (v p˚udorysu), jak se vlákna orientuj´ı vlivem r˚uzných rychlost´ı toku ˇcerstvého betonu. V pˇr´ıpadˇe radiáln´ıho rozlit´ı (napˇr. pˇri betonáˇz´ı rozmˇerných deskových prvk˚u) se rychlost na obvodu zvˇetˇsuj´ıc´ıho se objemu betonu sniˇzuje s rostouc´ım pr˚umˇerem. Na konec vlákna bl´ıˇze ke stˇredu tedy p˚usob´ı vˇetˇs´ı s´ıla vlivem vyˇsˇs´ı rychlosti a vlákno je tak nucené orientovat se podle obrázku. V pˇr´ıpadˇe rozlit´ı v relativnˇe úzkém bednˇen´ı je rychlost proudˇen´ı nejniˇzˇs´ı u okraj˚u a nejvyˇsˇs´ı pˇresnˇe ve stˇredu bednˇen´ı. Opˇet na konce vláken p˚usob´ı rozd´ılné s´ıly vlivem rozd´ılných rychlost´ı. Vlákna jsou tak nucena se orientovat pˇribliˇznˇe jedn´ım smˇerem [12].

Obrázek 8: Orientace vláken vlivem toku ˇcerstvého betonu. Nahoˇre do vˇsech smˇer˚u (radiáln´ı tok), dole jedn´ım smˇerem v úzkém bednˇen´ı (smykový tok) [12]

(22)

Yoo a kol. [17] zkoumali vliv zp˚usobu ukládán´ı vysokohodnotného betonu vyztuˇzeného vlákny do forem na hodnoty tahových mechanických vlastnost´ı. Na obrázku 9 je znázornˇena forma a r˚uzné zp˚usoby ukládán´ı ˇcerstvého betonu. V levé ˇcásti je beton ukládán pouze na jednu stranu formy, aby se do zbytku objemu dostal samovolným rozlit´ım. Vpravo je pak ukládán´ı po velkých kusech do vˇsech ˇcást´ı formy tak, aby k rozlit´ı nedoˇslo. V obou pˇr´ıpadech byla pouˇzita pˇr´ımá ocelová vlákna stejné délky i mnoˇzstv´ı. Pˇri kvazistatické rychlosti zat´ıˇzen´ı namˇeˇrili na vzorc´ıch vybetonovaných prvn´ım popsaným zp˚usobem vyˇsˇs´ı pevnost v tahu ohybem o 38% a absorbovanou energii o 26% pro pr˚uhyb L/50. Pˇri rázovém zat´ıˇzen´ı absorbovaly vzorky pro prvn´ı zp˚usob betonáˇze výraznˇe v´ıce energie - aˇz o 70%.

Obrázek 9: Zp˚usob ukládán´ı betonu do forem [17]

(23)

3 Vliv rychlosti deformace na mechanick´ e vlastnosti betonu

Mechanické vlastnosti betonu pˇri r˚uzných rychlostech deformace byly v posledn´ıch letech pˇredmˇetem mnoha výzkum˚u. Pro tlakovou pevnost se rychlost deformace projevuje minimálnˇe. Nejvyˇsˇs´ı rozd´ıly jsou pozorovány u pevnosti tahové, pˇr´ıpadnˇe pevnosti v tahu ohybem. S t´ım souvis´ı i zvyˇsován´ı ab- sorbované mechanické energie [12]. V literatuˇre se obvykle pro porovnán´ı mechanických vlastnost´ı zjiˇstˇených pˇri r˚uzných rychlostech deformace pouˇz´ıvá koeficient dynamického nár˚ustu DIF. Ten je definován jako pomˇer hodnoty mechanické vlastnosti zjiˇstˇené pˇri vyˇsˇs´ı rychlosti zat´ıˇzen´ı ku stejné vlastnosti zjiˇstˇené pˇri standardn´ı kvazistatické rychlosti zat´ıˇzen´ı. Na obrázku 10 jsou ukázány koe- ficienty dynamického nár˚ustu pevnost v tahu v závislosti na rychlosti deformace (strain-rate), které zjistili r˚uzn´ı autoˇri. Pro velmi vysoké hodnoty rychlosti deformace byly namˇeˇreny extrémn´ı nár˚usty pevnosti v tahu. Jak ale bude vysvˇetleno dále, tyto výsledky pravdˇepodobnˇe neodpov´ıdaj´ı skuteˇcným pevnostem materiálu pˇri vysokých rychlostech deformace.

Obrázek 10: Hodnoty DIF zjiˇstˇené r˚uznými autory v závislosti na rychlosti deformace [18]

Oˇzbolt a kol. [19] ve své práci popisuj´ı, ˇze odezva betonu se mˇen´ı s rychlost´ı deformace v závislosti na tˇrech faktorech. Prvn´ım z nich je dotvarován´ı materiálu mezi trhlinami. To se uplatn´ı pouze u velice malých rychlost´ı deformace. Pro oblast stˇrednˇe vysokých rychlost´ı se nejv´ıce uplatn´ı citlivost tvorby mikrotrhlin na rychlost deformace. Jedná se právˇe o oblasti pomalejˇs´ıch rázových zat´ıˇzen´ı, které jsou zkoumány v této práci. Wu a kol. [20] ve svých experimentech zjistili, ˇze s rostouc´ı rychlost´ı deformace se trhliny ˇs´ıˇr´ı nejen oblastmi s nejniˇzˇs´ı pevnost´ı (jako napˇr´ıklad tranzitn´ı zónou), ale i skrz pevnˇejˇs´ı kamenivo. To je ilustrováno na obrázku 11. Ve stejné práci je uveden moˇzný d˚uvod tohoto jevu. Pokud je zat´ıˇzen´ı aplikováno velice rychle, nen´ı k dispozici dostatek ˇcasu pro vytvoˇren´ı tzv. pod-kritických poˇskozen´ı (napˇr´ıklad v tranzitn´ı zónˇe) a trhliny jsou nuceny se ˇs´ıˇrit po kratˇs´ıch vzdálenostech, i skrz

(24)

pevnˇejˇs´ı oblasti. Velmi rychle se zvyˇsuj´ıc´ı napˇet´ı dále neumoˇzˇnuje relaxaci materiálu a vzniká tak vyˇsˇs´ı mnoˇzstv´ı mikrotrhlin. Trhliny se také mohou od urˇcité rychlosti ˇs´ıˇren´ı zaˇc´ıt vˇetvit. Kromˇe tahového zp˚usobu rozevˇren´ı trhliny (mód I) se zároveˇn v´ıce projevuj´ı i smyková poruˇsen´ı (módy II a III) [21].

To vˇse má za následek zvýˇsen´ı pevnosti celého betonového prvku. Na vytvoˇren´ı vˇetˇs´ıho poˇctu trhlin je také nutno vykonat v´ıce práce, tud´ıˇz se zvyˇsuje absorbovaná mechanická energie.

Obr´azek 11: ˇS´ıˇren´ı trhliny v betonu, vlevo kvazistatick´e zat´ıˇzen´ı, vpravo vyˇsˇs´ı rychlosti deformace [20]

Pˇri vysokých hodnotách rychlosti deformace se dominantnˇe uplatn´ı tˇret´ı faktor vlivu na mecha- nické vlastnosti. Je to vliv setrvaˇcných sil. Pˇri kvazistatické rychlosti zat´ıˇzen´ı plat´ı rovnováha sil.

Extern´ı s´ıly p˚usob´ıc´ı na objekt mus´ı být v rovnováze s extern´ımi reakcemi v podporách. Pokud tˇeleso zatˇeˇzujeme velice rychle, uplatn´ı se dynamická rovnováha sil. V takovém pˇr´ıpadˇe jiˇz nejsou extern´ı zatˇeˇzovac´ı s´ıly a extern´ı reakce v rovnováze. V betonu totiˇz vlivem jeho poruˇsován´ı (zmˇekˇcován´ı) zaˇcnou p˚usobit vnitˇrn´ı setrvaˇcné s´ıly proti extern´ımu zat´ıˇzen´ı. Napˇr´ıklad u jednoosého tahu jsou pak hodnoty zatˇeˇzovac´ı s´ıly mnohem vyˇsˇs´ı neˇz reakce podpor. Oˇzbolt a kol. [19] zjistili, ˇze od rychlosti deformace pˇribliˇznˇe 10¹ s⁻¹ se vnitˇrn´ı setrvaˇcné s´ıly zaˇcnou projevovat velice výraznˇe a namˇeˇrené hodnoty pevnost´ı oznaˇcuj´ı za pevnosti zdánlivé (neodpov´ıdaj´ıc´ı pouze materiálovým vlastnostem). Na obrázku 10 se jedná o ˇcervenˇe vyznaˇcenou oblast. U niˇzˇs´ıch rychlost´ı deformace pak hodnoty DIF popisuj´ı pouze chován´ı materiálu.

Popsané faktory jsou velice d˚uleˇzité, protoˇze vˇetˇsina zkuˇsebn´ıch postup˚u pracuje s mˇeˇren´ım s´ıly pˇri rázovém zat´ıˇzen´ı. Vyhodnocuje se pak pevnost v tahu a v tahu ohybem, lomová energie nebo absorbovaná mechanická energie (na základˇe mˇeˇren´ı s´ıly a deformace zároveˇn). Pro pouˇz´ıván´ı ˇcistˇe energetických pˇr´ıstup˚u v rázových zkouˇskách (jako v této práci) pak nejsp´ıˇs posledn´ı uvedený faktor p˚usob´ı jinak, nebo se neuplatˇnuje v˚ubec. Nebyla vˇsak dostupná literatura, která by se této problematice vˇenovala.

(25)

P˚usoben´ı vláken pˇri r˚uzných rychlostech deformace se také mˇen´ı. Z velké ˇcásti to samozˇrejmˇe souvis´ı s chován´ım betonové matrice, ve které je vlákno zakotveno. Yoo a Banthia [12] ve své práci shrnuli r˚uzné poznatky z experiment˚u dalˇs´ıch autor˚u. Bylo napˇr´ıklad pozorováno, ˇze pˇr´ımá ocelová vlákna p˚usob´ı pˇri vysokých rychlostech deformace lépe, protoˇze vlákna s nepravidelnou geometri´ı se nevytahuj´ı, ale docház´ı k jejich pˇretrˇzen´ı. To znaˇc´ı vyˇsˇs´ı odolnost proti jejich vytaˇzen´ı. Dále bylo zjiˇstˇeno, ˇze r˚uzné orientace vláken zp˚usobuj´ı pˇri rychlém dynamickém zat´ıˇzen´ı rozd´ılné poruˇsen´ı vzork˚u, které pak vykazuj´ı rozd´ılné chován´ı.

Tai a kol. [22] ve své práci zjiˇstovali odolnost jednoho ocelového vlákna proti vytaˇzen´ı z betonové matrice. Pouˇzili pˇritom r˚uzné hodnoty rychlosti deformace (od 10⁻⁴ s⁻¹ do 10¹ s⁻¹) a r˚uzné tvary vláken. Autoˇri pouˇzili vytahovac´ı energii pro popis chován´ı vlákna a DIF pro jej´ı srovnán´ı pˇri r˚uzných druz´ıch zat´ıˇzen´ı. Nejvyˇsˇs´ıch hodnot DIF dosáhli u vláken pˇr´ımých. Vlákna se sloˇzitˇejˇs´ı geometri´ı sice vykázala vyˇsˇs´ı absolutn´ı hodnoty vytahovac´ı energie, ale byla u nich pozorována niˇzˇs´ı citlivost na rychlost deformace.

Xu a kol. [23] pouˇzili velmi podobný experimentáln´ı program pro ovˇeˇren´ı chován´ı r˚uzných druh˚u vláken pˇri rozd´ılných rychlostech deformace. Rychlost zat´ıˇzen´ı uvádˇej´ı jako délku vytaˇzen´ı vlákna za sekundu. Maximáln´ı hodnota v jejich práci je 25 mm/s. Narozd´ıl od výˇse uvedené práce zjistili nejvyˇsˇs´ı hodnoty DIF pro vlákna se zahnutými konci. Hraje zde ale velkou roli pouˇzitý materiál, který byl v obou prac´ıch jiný. To poukazuje na fakt, ˇze p˚usoben´ı vláken v betonu je velice závislé na betonové matrici.

Dále zkoumali vliv r˚uzné orientace vláken a doˇsli k závˇeru, ˇze vlákna odklonˇená od smˇeru zat´ıˇzen´ı o 20°maj´ı vyˇsˇs´ı citlivost na rychlost deformace neˇz pro 0°a 45°.

(26)

4 Zkouˇ sen´ı vl´ akny vyztuˇ zen´ eho betonu

4.1 Zkouˇ sen´ı jednotliv´ ych vl´ aken zakotven´ ych v betonov´ e matrici

Pˇred zjiˇst’ován´ım chován´ı celého kompozitu je nejprve nutné experimentálnˇe ovˇeˇrit mechanické vlastnosti jednotlivých ˇcást´ı - vláken a betonové matrice. U vláken je d˚uleˇzitá znalost pevnosti v tahu (pˇr´ıpadnˇe meze kluzu a modulu pruˇznosti), která se urˇc´ı se zkouˇsky v jednoosém tahu. Zkuˇsebn´ı pˇr´ıstroj je témˇeˇr totoˇzný s pˇr´ıstrojem pro zkouˇsen´ı tahových vlastnost´ı ocelových tyˇc´ı, jen je pˇrizp˚usoben mnohem menˇs´ım vzork˚um a mˇeˇreným veliˇcinám. Pˇr´ıklad tahové zkouˇsky je na obrázku 12. Vlastnosti samotného betonu jsou pak zkouˇseny standardn´ımi postupy.

Obrázek 12: Tahová zkouˇska samostatného vlákna [24]

Obr´azek 13: Pˇr´ıklad vzorku pro vytahovac´ı zkouˇsku [11]

Zakotven´ı jednoho vlákna v betonové matrici a zkoumán´ı mechanism˚u pˇri jeho vytahován´ı, které byly popsány v kapitole 2.3, jsou nejlépe analyzovány z vytahovac´ıch zkouˇsek. Jejich proveden´ı nen´ı upraveno normou, a proto r˚uzné laboratoˇre pouˇz´ıvaj´ı rozd´ılné metody. Nejˇcastˇeji se jedná o betonáˇz malých vzork˚u, do kterých je um´ıstˇeno jedno vlákno tak, aby jeho jedna polovina vyˇcn´ıvala ven.

Pˇr´ıklad takového vzorku je na obrázku 13, kde je i vidˇet ˇsikmé um´ıstˇen´ı vlákna pro experimentáln´ı ovˇeˇren´ı p˚usoben´ı vláken r˚uzné orientace. Na obrázku 14 jsou pˇr´ıklady provádˇen´ı vytahovac´ıch zkouˇsek.

Vlevo je vlákno pˇr´ımo upevnˇeno kleˇstinou zkuˇsebn´ıho pˇr´ıstroje. Vpravo je pak na podobném pˇr´ıstroji zkouˇsen symetrický vzorek, kde jsou oba konce vlákna zakotvena v betonu.

Výsledkem vytahovac´ı zkouˇsky je pracovn´ı diagram - závislost vytahovac´ı s´ıly na posunu (vytaˇzen´ı) vlákna. Podle r˚uzných zmˇen kˇrivky pracovn´ıho diagramu je moˇzné urˇcit p˚usoben´ı r˚uzných mechanism˚u, které byly zm´ınˇeny v kapitole 2.3. Na obrázku 14 je idealizovaný pracovn´ı diagram pro vy- tahován´ı pˇr´ımého ocelového vlákna. Nejprve kˇrivka nelineárnˇe roste (kv˚uli postupné ztrátˇe adheze).

Poté dosáhne bodu, kde je dosaˇzeno maximáln´ı vytahovac´ı s´ıly a kde dojde k úplné ztrátˇe adheze. Dále p˚usob´ı pouze tˇrec´ı prokluz. Kˇrivka (a) znaˇc´ı ideáln´ı tˇren´ı, (b) tˇrec´ı zmˇekˇcen´ı, kdy docház´ı napˇr´ıklad k poˇskozen´ı betonové matrice vlivem vytahován´ı vlákna, a (c) tˇrec´ı zpevnˇen´ı zp˚usobené napˇr´ıklad poˇskozován´ım (zdrsˇnován´ım) povrchu vlákna v pr˚ubˇehu vytahován´ı, coˇz zvyˇsuje tˇren´ı mezi betonem a vláknem [5].

(27)

(a) [25] (b) [26]

Obr´azek 14: Pˇr´ıklady konfigurace vytahovac´ı zkouˇsky

Obrázek 15: Idealizované pracovn´ı diagramy vytahován´ı vlákna [5]

(28)

4.2 Zat´ıˇ zen´ı r´ azem

Neexistuje pouze jedna zkuˇsebn´ı metoda, pomoc´ı které by mohl být beton zkouˇsen pˇri vˇsech moˇzných hodnotách rychlosti deformace - tedy od 10⁻⁶s⁻¹(kvazistatické zat´ıˇzen´ı) do pˇribliˇznˇe 10⁶s⁻¹ (výbuch). Tud´ıˇz je velmi sporné, jestli jsou hodnoty mechanických vlastnost´ı zjiˇstˇených pˇri r˚uzných rychlostech deformace funkcemi ˇcistˇe rychlosti deformace, nebo i (a z jaké ˇcásti) dalˇs´ıch promˇenných vycházej´ıc´ıch ze zkuˇsebn´ıho postupu. Ani pro jednu konkrétn´ı rychlost deformace (vyˇsˇs´ı neˇz kva- zistatickou) zat´ım neexistuje jedna dohodnutá, pˇr´ıpadnˇe normová zkuˇsebn´ı metoda. Nejistota vlivu zkuˇsebn´ıho postupu na z´ıskané výsledky je jedn´ım z d˚uvod˚u tohoto stavu. C´ılem je nalezen´ı takové metody, u které ˇzádné nejistoty ze zkreslován´ı výsledk˚u nebudou, nebo bude ˇrádnˇe popsán jejich konkrétn´ı vliv. Porovnáván´ı výsledk˚u z r˚uzných laboratoˇr´ı je dále problematické z d˚uvodu zkouˇsen´ı jiných betonových smˇes´ı. V neposledn´ı ˇradˇe pak stále nen´ı jasné, jaká veliˇcina by vlastnˇe mˇela charak- terizovat odolnost vlákny vyztuˇzených beton˚u proti ráz˚um [5]. V této práci je d´ılˇc´ım c´ılem zhodnocen´ı na základˇe provedených experiment˚u, jestli absorbovaná mechanická energie je veliˇcinou vhodnou.

V práci [1] byly podrobnˇeji popsány nˇekteré pˇr´ıstroje a metody, které se pouˇz´ıvaj´ı ve svˇetˇe. V zásadˇe se jedná o nˇekolik základn´ıch princip˚u, na kterých zkuˇsebn´ı pˇr´ıstroje a metody funguj´ı. Jednotlivá pracoviˇstˇe je pak pro své experimenty pouˇz´ıvaj´ı r˚uznˇe pozmˇenˇené, ale v jádru stejné. Pro shrnut´ı je uveden pouze jejich struˇcný pˇrehled:

a) Jednoduché konstrukce, kde na zkouˇsený vzorek (trámek) kolmo dopadá závaˇz´ı (v literatuˇre oznaˇcováno jako drop weight impact). Maj´ı vˇetˇsinou podobné uspoˇrádán´ı jako tˇr´ıbodová zkouˇska v tahu ohybem [27].

b) Zatˇeˇzován´ı ˇctvercových desek dopadem závaˇz´ı do jejich stˇredu [28].

c) Split Hopkinson bar - pˇr´ıstroj umoˇzˇnuj´ıc´ı vyvolat jednoos´y tah, tlak nebo kroucen´ı pˇri vysok´ych rychlostech zat´ıˇzen´ı [29, 30].

d) SEFIM (strain energy frame impact machine) - Na jeho vylepˇsené variantˇe je moˇzné mˇeˇrit potˇrebné veliˇciny v reálném ˇcase a tedy z´ıskat celý pracovn´ı diagram rázové zkouˇsky pˇri vy- sokých hodnotách rychlosti deformace (aˇz 200 s⁻¹) [31].

e) R˚uznˇe uchycené betonové vzorky, do nichˇz jsou velmi rychle vystˇrelovány r˚uzné projektily [13, 32].

f) Nárazové zkouˇsky - napˇr´ıklad pro testován´ı r˚uzných zábran proti nárazu vozidlem [33].

g) Rázová kyvadla - na jednom z nich jsou provedeny experimenty v této práci. Jeho podrobný popis je v kapitole 5.2.

h) Vysokorychlostn´ı kamera (fotoaparát) je také d˚uleˇzitou pom˚uckou pro zkoumán´ı chován´ı nejen betonu pˇri vysokých rychlostech zat´ıˇzen´ı. Pomoc´ı n´ı lze sledovat napˇr´ıklad vznik a vývoj trhlin.

Obzvláˇstˇe pˇr´ınosné je, pokud je záznam ˇcasovˇe spárován napˇr´ıklad s pracovn´ım diagramem.

Vysokorychlostn´ı kamera je obvykle souˇcást´ı jiné, výˇse uvedené metody proveden´ı rázové zkouˇsky.

(29)

Jednomu konkrétn´ımu rázovému kyvadlu bude vˇenován následuj´ıc´ı text, nebot’ slouˇzilo jako in- spirace pro zkuˇsebn´ı postup uplatnˇený v této práci. Jedná se o pˇr´ıstroj, který pouˇzili pro své experimenty Yu a kol. [15] pro zkoumán´ı absorbce mechanické energie vysokohodnotným betonem vy- ztuˇzeným r˚uznými vlákny. Pro malé vzorky vyztuˇzené krátkými pˇr´ımými vlákny vyuˇzili jiˇz zavedeného zkuˇsebn´ıho pˇr´ıstroje - Charpyho kladiva. Autoˇri ale sami uvádˇej´ı nevhodnost pouˇzit´ı tohoto pˇr´ıstroje pro zkouˇsen´ı betonu právˇe z d˚uvodu nemoˇznosti pouˇzit´ı velkých vzork˚u. Sestavili tedy rázové kyvadlo, na kterém zkouˇseli desky o rozmˇerech 500×500×100 mm³. Jejich pˇr´ıstroj je na obrázku 16.

Hlavn´ı specifikum tohoto rázového kyvadla je uchycen´ı vzorku na lanech tak, ˇze nen´ı bránˇeno jeho pohybu v ose zat´ıˇzen´ı. Z toho pak vycház´ı i relativnˇe netradiˇcn´ı zp˚usob mˇeˇren´ı, kdy se pomoc´ı video záznamu mˇeˇr´ı pouze rychlosti závaˇz´ı a vzorku pˇred a po rázu. Vyhodnocen´ı jednoho rázu je provedeno pomoc´ı bilance kinetických energi´ı. Pˇredpokládá se, ˇze vzorek vydrˇz´ı ráz˚u nˇekolik. Po rázu posledn´ım, tedy aˇz dojde k rozlomen´ı vzorku, se absorbované mechanické energie pro jednotlivá mˇeˇren´ı seˇctou a dostaneme energii výslednou. Jedná se tedy o ˇcistˇe energetický pˇr´ıstup k urˇcen´ı chován´ı vlákny vyztuˇzených beton˚u - podobnˇe jako u Charpyho kladiva zkouˇs´ıme kovy. Autoˇri vˇsak nezavád´ı diskusi o pˇresnosti jejich mˇeˇren´ı.

Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, práce Yu a kol. [15] byla z ˇcásti inspirac´ı pro experimentáln´ı program této diplomové práce. Z toho d˚uvodu nejsou jejich zp˚usoby mˇeˇren´ı a vyhodnocen´ı podrobnˇeji uvedeny v této kapitole, ale budou (v kapitole 5.3) rovnou do detailu popsány postupy zvolené pro tuto práci, protoˇze jsou témˇeˇr identické.

(a) Zmenˇsen´y model (b) Sch´ema

Obrázek 16: Rázové kyvadlo pouˇzité Yu a kol. [15]

4.3 Kvazistatick´ e zat´ıˇ zen´ı

Ned´ılnou souˇcást´ı zkoumán´ı odezvy materiál˚u na zat´ıˇzen´ı rázem, je znalost chován´ı tˇechto materiál˚u pˇri zat´ıˇzen´ı kvazistatickém. Jedná se o základn´ı mechanické parametry, jako jsou napˇr´ıklad pevnosti v tahu a v tlaku nebo modul pruˇznosti. Dále, zvláˇstˇe u beton˚u vyztuˇzených vlákny, je d˚uleˇzité znát napˇr´ıklad lomovou energii na trámc´ıch se záˇrezem nebo mnoˇzstv´ı absorbované mechanické energie na trámc´ıch bez záˇrezu. Obecnˇe znalost vlastnost´ı zjiˇstˇených pˇri kvazistatické rychlosti zat´ıˇzen´ı umoˇzˇnuje mnohem lepˇs´ı pochopen´ı chován´ı materiálu pˇri zat´ıˇzen´ı rychlost´ı vyˇsˇs´ı.

(30)

Podle normy ˇCSN EN 14488-5 [34] se zkouˇs´ı deskové prvky z vlákny vyztuˇzených stˇr´ıkaných beton˚u pro aplikace v tunelech a urˇcuje se mnoˇzstv´ı absorbované energie. ˇCSN EN 14488-3 [35] pak popisuje zkouˇsen´ı trámk˚u ze stejného materiálu pro urˇcen´ı ohybové únosnosti (pevnost´ı - pˇri vzniku trhliny, mezn´ı a zbytkové). Tato zkouˇska je provedena stejným ˇctyˇrbodovým ohybem, který popisuje ˇCSN EN 12390-5 [36] pro urˇcen´ı pevnosti v tahu ohybem nevyztuˇzeného betonu. Dále ˇCSN EN 14488-3 urˇcuje mˇeˇren´ı pr˚uhybu pomoc´ı pˇresných sn´ımaˇc˚u dráhy um´ıstˇených na ocelovém pˇr´ıpravku pˇripevnˇeném na vzorku. ˇCeské normy nepopisuj´ı zkuˇsebn´ı a vyhodnocovac´ı postupy pro mnoˇzstv´ı absorbované mechanické energie (ohybové houˇzevnatosti) vlákny vyztuˇzenými betonovými trámky.

V zahraniˇc´ı existuje nˇekolik norem, standard˚u ˇci doporuˇcen´ı, kter´e se touto problematikou zab´yvaj´ı.

V literatuˇre je nejˇcastˇeji odkazováno na normu ASTM C1609 [37] a standard JSCE-G 552 [38], pˇr´ıpadnˇe starˇs´ı JSCE SF4 [39]. Vˇsechny postupy pˇredepisuj´ı konfiguraci ˇctyˇrbodového ohybu se zat´ıˇzen´ım ve tˇretinách rozpˇet´ı. Dovolené rozmˇery vzork˚u se r˚uzn´ı. Základem vyhodnocen´ı je vˇzdy pracovn´ı diagram ohybové zkouˇsky. Japonské standardy pˇredepisuj´ı urˇcen´ı pevnosti v tahu ohybem a faktoru ohybové houˇzevnatosti pro konkrétn´ı hodnotu pr˚uhybu. Je to vlastnˇe energie absorbovaná do konkrétn´ı zvolené hodnoty pr˚uhybu (nejˇcastˇeji L/150) vztaˇzená na pr˚uˇrezový modul vzorku a jeho rozpˇet´ı. Pˇr´ıliˇsná jednoduchost takového postupu vˇsak dostateˇcnˇe nepopisuje pr˚ubˇeh pracovn´ıho diagramu [9].

ASTM C1609 pouˇz´ıvá m´ırnˇe sloˇzitˇejˇs´ı pˇr´ıstup, kdy pˇredepisuje výpoˇcet nˇekolika parametr˚u. Tˇemi jsou maximáln´ı dosaˇzená s´ıla, pr˚uhyb pˇri dosaˇzen´ı maximáln´ı s´ıly, s´ıla a napˇet´ı pˇri pr˚uhybu L/150 a L/600, absorbovaná mechanická energie do pr˚uhybu L/150 a koeficient zbytkové pevnosti. Je tak popsáno mnohem v´ıce parametr˚u neˇz u JSCE standard˚u, takˇze je podáno v´ıce informac´ı o pr˚ubˇehu pracovn´ıho diagramu. Zkouˇska by vˇsak mˇela být provedena s velmi malou rychlost´ı zatˇeˇzován´ı, aby nedocházelo k nestabiln´ım pokles˚um sil ihned po dosaˇzen´ı pevnosti betonové matrice. To se týká bud’

velmi slabˇe vyztuˇzen´ych vzork˚u, nebo vysokopevnostn´ıch beton˚u [9, 40].

Pro z´ıskán´ı pracovn´ıch diagram˚u pˇri zat´ıˇzen´ı ohybem u kvazistatické rychlosti byla pro tuto práci zvolena podoba zkouˇsky odpov´ıdaj´ıc´ı vˇsem uvedeným normám. Jej´ı konkrétn´ı podoba je tedy popsána aˇz v kapitole 5.4.

(31)

5 Experiment´ aln´ı program

5.1 Materi´ al

Dále popsané mechanické vlastnosti byly zkoumány na vysokohodnotném betonu vyztuˇzeném vlákny. Jedná se o bˇeˇzný vysokohodnotný beton. V jeho sloˇzen´ı se nacház´ı smˇes jemnozrnných p´ısk˚u, cement, voda, superplastifikátor, kˇremiˇcitý úlet a vlákna. Vˇsechny sloˇzky smˇesi, kromˇe vody a vláken, byly pˇredem pˇripraveny v podobˇe pytlované suché smˇesi. Pˇr´ıprava ˇcerstvého betonu prob´ıhala m´ıchán´ım suché smˇesi s dávkou vody po dobu 5 minut, po které byla pˇridána vlákna a m´ıchán´ı pokraˇcovalo dalˇs´ıch 5 minut. Následovalo ukládán´ı do forem, vibrace a zakryt´ı forem plastovou fóli´ı, aby nedocházelo k nadmˇernému vysychán´ı. Po 24 hodinách doˇslo k odbednˇen´ı a vzorky byly um´ıstˇeny do uzavˇreného boxu, v nˇemˇz byla udrˇzována vysoká vlhkost. Tam byly ponechány do doby zkouˇsen´ı, minimálnˇe 27 dn´ı.

Neprobˇehlo ˇzádné speciáln´ı oˇsetˇrován´ı betonu, jako napˇr´ıklad tepelné nebo tlakové. Materiál a postup byl tedy stejný jako v práci [1].

Pouˇzita byla pˇr´ımá, vysokopevnostn´ı (2800 MPa), hladká ocelová vlákna o rozmˇerech 13×0,14 mm². V minulé práci [1] byly vzorky vyztuˇzeny pouze 2% vláken, jelikoˇz se tato hodnota jev´ı jako optimáln´ı pro dosaˇzen´ı poˇzadovaných mechanických vlastnost´ı. Jeˇstˇe vyˇsˇs´ı procenta vyztuˇzen´ı u pouˇzitého kompozitu vykazuj´ı problém se vzájemným ovlivˇnován´ım vláken. Uˇz pˇri 2% vyztuˇzen´ı je pozorováno výrazné zhorˇsen´ı zpracovatelnosti ˇcerstvého betonu, coˇz v d˚usledku znamená sn´ıˇzen´ı samozhutnitelných vlastnost´ı, tvorbu velkých pór˚u a témˇeˇr nemoˇzné c´ılené orientován´ı vláken pomoc´ı proudˇen´ı ukládaného betonu. V ideáln´ım pˇr´ıpadˇe by bylo nutné pro kaˇzdé procento vyztuˇzen´ı upravit mnoˇzstv´ı kameniva ve smˇesi. Protoˇze vˇsak byla pouˇzita pˇripravená suchá smˇes, bylo moˇzné mˇenit pouze dávku zámˇesové vody. Na základˇe zkuˇsenost´ı se zpracovatelnost´ı byl pro 2% vyztuˇzen´ı zvýˇsen vodn´ı souˇcinitel také o 2%. Docház´ı tedy ke kompromisu, kdy na jedné stranˇe stoj´ı dobrá zpracovatelnost a na stranˇe druhé co nejmenˇs´ı vodn´ı souˇcinitel, který ve finále ovlivn´ı mimo jiné tranzitn´ı zónu okolo vláken a jejich odolnost proti vytaˇzen´ı.

Pro tuto práci bylo zvoleno 2% vyztuˇzen´ı jako maximáln´ı a dále byly vybetonovány vzorky vˇzdy s poloviˇcn´ım zastoupen´ım vláken, tedy s 1%; 0,5%; 0,25% a 0,125%. Pro porovnán´ı byly vybetonovány i nevyztuˇzené vzorky. Zvýˇsen´ı vodn´ıho souˇcinitele probˇehlo pouze u smˇesi s 2% vláken, protoˇze u niˇzˇs´ıch procent bylo dosaˇzeno mnohem lepˇs´ıch zpracovatelnost´ı i s pouˇzit´ım nezvýˇseného vodn´ıho souˇcinitele.

Vˇsechny experimenty byly provedeny na trámc´ıch o rozmˇerech 100×100×550 mm³. Jedná se o delˇs´ı trámky neˇz ty, které byly pouˇzity v pˇredchoz´ı práci [1]. Motivac´ı pro tuto zmˇenu byla nedostateˇcná tuhost nárazn´ıku p˚uvodn´ıho rázového kyvadla, coˇz bude vysvˇetleno v následuj´ıc´ı kapitole 5.2. Kromˇe zes´ılen´ı onoho nárazn´ıku se logicky nab´ızelo pouˇzit´ı ménˇe tuhých vzork˚u - tedy na vˇetˇs´ı rozpˇet´ı. Jiˇz vybetonované vzorky se ale jevily vhodné i pro novou podobu rázového kyvadla, kde je velmi d˚uleˇzitá jejich vˇetˇs´ı setrvaˇcnost. To v praxi znamená, ˇze se vzorek snadnˇeji poˇskod´ı pˇri urˇcité výˇsce vypuˇstˇen´ı závaˇz´ı rázového kyvadla. Menˇs´ı výˇska vypuˇstˇen´ı zase znamená snadnˇejˇs´ı, ale i pˇresnˇejˇs´ı, proveden´ı rázové zkouˇsky. Této problematice bude vˇenováno podrobnˇejˇs´ı vysvˇetlen´ı v závˇeru práce. Pro kva- zistatickou rychlost zat´ıˇzen´ı byly vyzkouˇseny vzorky stejné, aby mohly být lépe porovnány z´ıskané mechanické vlastnosti.

(32)

5.2 R´ azov´ e kyvadlo

5.2.1 Nedostatky p˚uvodn´ı konstrukce - d˚uvody zmˇeny

Základn´ı konstrukce rázového kyvadla, na kterém probˇehly rázové zkouˇsky, je stejná jako v práci [1].

Pro tuto diplomovou práci byla vˇsak ˇcást pˇr´ıstroje pozmˇenˇena. D˚uvody této zmˇeny jsou obsahem této kapitoly. P˚uvodnˇe byla konfigurace zkouˇsky témˇeˇr totoˇzná s tˇr´ıbodovou zkouˇskou v tahu ohybem. Dva silomˇery, od sebe osovˇe vzdálené 300 mm, tvoˇrily podpory vzorku. K tˇemto podporám pak byl vzorek zafixován pomoc´ı mechanismu, který je uveden na obrázku 17 a na schématu 18. Pˇredpoklad byl, ˇze s takovým upevnˇen´ım se jedná o prostý nosn´ık, a tud´ıˇz je moˇzné pˇr´ımo srovnat rázovou zkouˇsku se zkouˇskou pˇri kvazistatické rychlosti zat´ıˇzen´ı u tˇr´ıbodového ohybu na klasickém lisu. Takový pˇredpoklad prostého nosn´ıku byl ale mylný, nebot’ docházelo k jisté plastické deformaci tohoto upevnˇen´ı, coˇz znaˇc´ı nemoˇznost volného pootoˇcen´ı vzorku v upevnˇen´ı, pˇr´ıpadnˇe jeho vodorovném posunu u jedné z podpor.

Upevnˇen´ı tedy nutnˇe absorbovalo jistou ˇcást energie, kterou bylo prakticky nemoˇzné vyˇc´ıslit. Jedná se proto o urˇcitou neznámou, která ovlivˇnuje výsledky dosaˇzené touto zkouˇskou.

Návrhy nového upevnˇen´ı vzorku, které by velice málo bránilo poˇzadovanému posunu a pootoˇcen´ı, vedly ke sloˇzitým mechanism˚um. Opˇet by z˚ustávala nezodpovˇezena otázka vlivu jakéhokoliv upevnˇen´ı vzorku na pˇresnost mˇeˇren´ı a chován´ı vzorku pˇri rázu. Nový zkuˇsebn´ı postup musel být nutnˇe odprostˇen od tˇechto nejistot, aby bylo moˇzné se pˇribl´ıˇzit stanovenému c´ıli - vytvoˇren´ı univerzáln´ıho zkuˇsebn´ıho postupu pro testován´ı odolnosti na rázové zat´ıˇzen´ı.

Obrázek 17: P˚uvodn´ı uloˇzen´ı vzorku a konfigurace rázové zkouˇsky

Obr´azek 18: P˚uvodn´ı mechanismus zafixov´an´ı vzorku k silomˇer˚um

Dalˇs´ı motivac´ı zmˇeny zkuˇsebn´ıho pˇr´ıstroje je fakt, ˇze bylo moˇzné mˇeˇrit pouze pr˚ubˇeh reakc´ı v ˇcase, respektive odeˇc´ıst jejich maximáln´ı hodnotu. Pokud by mˇela být mˇeˇrena i absorbovaná mechanická energie jako práce vykonaná vnˇejˇs´ı silou na urˇcitý posun (pr˚uhyb) vzorku v m´ıstˇe p˚usoben´ı této s´ıly, vzniká problém. Mˇeˇren´ı pr˚uhybu v polovinˇe rozpˇet´ı teoreticky moˇzné je, napˇr´ıklad nalepen´ım piezo akcelerometru do tohoto m´ısta a dvojitou integrac´ı z´ıskaného zrychlen´ı. Vzniká vˇsak praktický problém, kdy rázová vlna procházej´ıc´ı vzorkem je pˇr´ıliˇs silná a ani pevné lepidlo neudrˇz´ı akcelerometr na vzorku po celou dobu zkouˇsky. M˚uˇze také nastat situace, kdy vzniklá trhlina procház´ı pˇr´ımo m´ıstem, kde je um´ıstˇen akcelerometr, a ten se opˇet neudrˇz´ı na vzorku. V neposledn´ı ˇradˇe je problém v mˇen´ıc´ı se geometrii vzorku. Akcelerometr mus´ı mˇeˇrit po celou dobu rázu zrychlen´ı ve stejné ose jako je smˇer