Měsíc: Duben 2022

Beton s cementovým pojivem je celosvětově nejběžněji používaný materiál ve stavebnictví. Jeho vlastnosti a odolnost jsou zásadní především u společensky významných staveb, jako jsou mosty či výškové budovy. Životnost těchto staveb často závisí na kvalitě betonu, který je jakožto kompozitní materiál s křehkou matricí náchylný na vznik a šíření trhlin. Právě jimi se dlouhodobě zabývá Ing. Hana Šimonová, Ph.D., z Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně (VUT).

„Zvyšující se nároky na snižování emisí CO₂ nás motivují k hledání nových alternativních materiálů, které by vedly k výrobě betonu bez jediného zrnka cementu. V našem případě jsme pro tento účel vybrali vysokopecní strusku, která vzniká jako vedlejší produkt při výrobě železa. Struska se v současné době už do betonu přidává, a to především ve formě vysokopecních a směsných cementů. My jsme se rozhodli nahradit cement struskou úplně,“ přibližuje Hana Šimonová. „Aby se ve strusce plně probudily pojivové vlastnosti je potřeba k ní přidat vhodný alkalický, tedy zásaditý aktivátor. Nejčastěji se jedná o vodní sklo či hydroxid sodný. Pak přimícháme kamenivo a máme beton.“ Její projekt Pokročilý popis šíření trhlin v kompozitech na bázi alkalicky aktivované matrice podpořila Grantová agentura ČR.

Chování materiálu při zatěžování

Přestože se beton dlouhodobě zkoumá v celosvětovém měřítku, stále existují nepříliš probádané oblasti jeho chování, mezi které patří právě popis vzniku a šíření trhlin při zatěžování, což je zcela zásadní z hlediska jeho praktického využití. „Cílem projektu tedy bylo popsat mechanické, lomové a také únavové vlastnosti tohoto materiálu pomocí pokročilých experimentálních metod a matematických modelů, což obnášelo prohloubení a další rozvíjení mezioborové spolupráce s kolegy v Česku i v zahraničí,“ vysvětlila Hana Šimonová.

Její tým při řešení projektu překvapilo odlišné chování použitého alkalicky aktivovaného materiálu ve srovnání s tradičním cementem, a to ani ne z hlediska lomových vlastností, kde se s rozdíly počítalo, ale spíše při běžné manipulaci se vzorky. Již na první pohled a poté i na omak byl patrný rozdíl, který se záhy projevil například tím, že na zkušebních tělesech najednou špatně držely senzory a další nalepené příslušenství nezbytné pro provedení plánovaných měření. Vzhledem k vyššímu pH tedy museli být výzkumníci při jakékoli práci se vzorkem opatrnější.

Výzvou byl i samotný návrh složení zkoumaného materiálu. „Obecně zde platí, že pokud chceme vyrobit materiál s vyšší pevností, musíme počítat s vyšší náchylností na smršťování doprovázené vznikem trhlin již během procesu tvrdnutí, tzn. bez účinků působení jakéhokoliv externího zatížení. S ohledem na to, že jsme se chtěli věnovat vzniku a rozvoji trhlin v materiálu během zatěžování, byl tento fakt pro účely projektu nepřípustný. Potřebovali jsme, aby tam ty trhliny nebyly předem. Nicméně i to se nám úpravou složení a vhodným ošetřováním zkušebních těles podařilo překonat,“ podotkla Hana Šimonová.

Cenná data

Z hlediska praktického jsou informace o chování materiálu při lomu klíčové pro návrh stavebních konstrukcí. Vzhledem k rozsahu provedených měření byl získán komplexní soubor materiálových vlastností včetně lomových a únavových, který zkoumané oblasti poskytuje dosud chybějící souvislosti.

Experimentálně získaná data jsou cenná pro vývoj matematických modelů, využívaných pro simulace skutečného chování materiálu v konstrukci během zatěžování. S ohledem na náročnost provedených měření je vývoj matematických modelů stěžejní. Hodnotě získaných výsledků přidává i fakt, že materiálové vlastnosti byly sledovány z dlouhodobého hlediska, což není zcela obvyklé.

Právě výsledky dlouhodobých zkoušek mohou lépe odhalit plný potenciál pro využití materiálu v praxi a jsou užitečné pro efektivní návrh konstrukcí z hlediska životnosti a udržitelnosti. V neposlední řadě lze mezi cenné přínosy zahrnout využití kombinovaného módu namáhání, který lépe vystihuje reálné namáhání konstrukcí v praxi.

Dobře fungující tým

Jako u většiny mezioborových projektů, i tady bylo největší výzvou složit dobře fungující tým, kdy někteří jeho členové se před začátkem projektu ani neznali. V tomto případě se navíc jednalo o kolektiv převážně mladých pracovníků na počátku jejich vědecké kariéry.

„Abychom téma tříletého projektu pokryli od pochopení samotné podstaty materiálu, přípravy zkušebních vzorků, přes jejich destruktivní i nedestruktivní testování až po vyhodnocení lomového chování a tvorbu výpočetního modelu byli do projektu zapojeni kolegové ze tří různých ústavů Fakulty stavební VUT: Ing. Lucie Malíková, Ph.D., doc. Ing. Barbara Kucharczyková, Ph.D., Ing. Petr Miarka, Ph.D., a doc. Mgr. Libor Topolář, Ph.D. S ohledem na složitost problematiky byl do týmu také zapojen kolega Ing. Vlastimil Bílek, Ph.D., z Fakulty chemické VUT,“ dodala Hana Šimonová.

Experimentální i numerická část projektu byla také konzultována a diskutována s externisty z řad kolegů ze zahraničních institucí, ať už v rámci setkání na mezinárodních konferencích či v rámci individuálních návštěv partnerských univerzit.

Ing. Hana Šimonová, Ph.D., je členkou Ústavu stavební mechaniky Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně. Po absolvování doktorského studia v oboru Konstrukce a dopravní stavby strávila více než rok na vědecké stáži na rakouské Technische Universität Wien. V rámci výzkumné činnosti se zabývá lomem a únavovými charakteristikami kvazikřehkých kompozitů. Spolupracuje s řadou pracovišť v České republice a zahraničí (Rakousko, Srbsko, Polsko, Španělsko a další) v oblasti lomové mechaniky materiálů s křehkou matricí.