Inovativní kompozitní systém Tyfo® HM

Kompozitní systém TYFO^® HM na bázi bazaltového vlákna byl zkoumán a rozvíjen v projektu OPERHA. Jeho testování probíhalo v laboratoři i na historicky cenných stavbách v jižní Evropě a severní Africe. Je inovativní cestou pro zesilování zdiva a betonu.

V podvědomí laické i odborné veřejnosti je zesilování pomocí externí výztuže spjato s ocelovým sepnutím sloupů nebo s použitím uhlíkových pásků (lamel). Skutečná nabídka materiálů pro zesilování je však mnohem 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.

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 nazvaného 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 z hlediska dalšího vývoje bylo zvoleno řešení s rovingovou tkaninou vyrobenou z pramenců bazaltových vláken a spojenou s cemento­polymerní matricí, vyvinutou pro tento účel. V začátcích projektu byly samozřejmě uvažovány i jiné materiálové kombinace (bez použití cementu, skelná vlákna a podobně), které však nedosahovaly požadovaných pevností nezbytných pro zesilovací systém nebo požadované dlouhodobé trvanlivosti. Pro komerční využití byl tento vyvinutý systém pojmenován TYFO^® HM. Na evropském trhu tento systém nabízí firma FYFE EUROPE S.A., která je na českém trhu zastoupená firmou Betosan, s. r. o.

Bazaltová vlákna
Bazaltová vlákna byla pro použití v tomto typu zesilujícího systému zvolena díky mnoha výhodám, která mají například oproti skelným vláknům. Jedná se zejména o:

• trvalou odolnost vůči alkalickému prostředí,
• vysoký modul pružnosti,
• vysokou teplotní odolnost,
• příznivou cenu.

Pro tento typ zesílení byla tedy zvolena bazaltová vlákna utkaná do formy dvousměrné (0/90°) rovingové tkaniny s oky 25 × 25 mm, která byla pojmenovaná TYFO^® EP-B. Kombinací s cementopolymerní maltou TYFO^® C-Matrix se vytvoří cementovláknitý kompozitní materiál s výbornými mechanickými charakteristikami a vynikající životností (obr. 1). Malta, která je matricí kompozitu spojující jednotlivá vlákna dohromady a zároveň zajišťující přídržnost kompozitu k podkladu, je aplikována v tloušťce 10 až 20 mm. Po aplikaci první poloviny vrstvy malty je do jejího povrchu „vmáčknuta“ bazaltová tkanina a následně je vše opět překryto cementovou maltou tak, aby bylo zajištěno dostatečné mechanické zakotvení vláknité výztuže (obr. 3 a 4).

Adhezivní zakotvení k podkladu může být v náročnějších aplikacích doplněno tzv. vláknitými kotvami, pojmenovanými TYFO^® Fibrwrap^® Basalt Anchors (obr. 2), rovněž vyrobenými 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.
–>–>
Experimentální program projektu
V rámci tohoto rozsáhlého vývojového projektu bylo provedeno velké množství zkoušek pro optimalizaci a ověření navrženého zesilovacího systému. Konkrétně se jednalo o zkoušky samotných bazaltových rovingů (pramenců vláken), nezesílených a zesílených cihelných stěn (obr. 5), cihelných kleneb (obr. 6) a trámců vyrobených slepením (standardní maltou) dvou dutých betonových bloků (obr. 7 a 8). 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 se bez použití vláknitých kotev zvýšila únosnost o 23 % a za použití kotev se únosnost zvýšila až o 77 %. Dále při zkouškách zesílení cihelných kleneb bylo dosaženo desetinásobného zvýšení únosnosti při zesílení pouze na spodním líci klenby a při zesílení z obou líců klenby bylo dosaženo více než 25násobného zvýšení únosnosti.
 
Výhody vyvinutého systému
Hlavní přednosti tohoto nově vyvinutého zesilovacího systému oproti systémům sklo-epoxid a uhlík-epoxid uvádíme dále.
Za prvé jde o relativně příznivou cenu zesilovacího systému, byť je nutné uvést, že tyto systémy mají výrazně vyšší mechanické vlastnosti, které však mnohdy nejsou ve všech případech prakticky využitelné. Tudíž lze zvolit novou alternativu s nižšími mechanickými vlastnostmi, ale za příznivější cenu.

Za druhé se tento materiálový systém dá snáze aplikovat, takže lze využít i nekvalifikovanou pracovní silou. Zejména oproti systémům na bázi dvousložkových epoxidových pryskyřic je tento nový systém snazší z hlediska zpracování, protože materiál cementopolymerní matrice se pouze rozmíchává s vodou, takže její zpracování je obdobné jako u ostatních maltových směsí.

Za třetí je u systému TYFO^® HM eliminována hlavní nevýhoda kompozitních materiálů spojovaných epoxidovou pryskyřicí, kterou je nízká odolnost vůči vysokým teplotám a požáru.

V případě epoxidových pryskyřic se kritická teplota pohybuje mezi 60 a 80 °C. Epoxidy spojující 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 tak vzlíná voda. V celé řadě případů je jediným řešením umožnit této vodě odpar z povrchu konstrukce, neboť úplná obnova hydroizolační vrstvy je prakticky nemožná.

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

Použití bazaltových vláken s sebou přináší další výhody. Jejich pevnostní charakteristiky, respektive fyzikálně-mechanické vlastnosti přibližně odpovídají vlastnostem vláken skelných, jsou však přibližně o 10 % vyšší. Zásadní ovšem je, že oproti skelným vláknům nevyžadují vlákna bazaltová při styku s alkalickým prostředím cementem pojených materiálů povrchovou úpravu. Tato úprava u skelných vláken je sice běžná, ale mezi odbornou veřejností probíhají diskuse o trvanlivosti této ochrany a následné chemické korozi nechráněného skelného vlákna. Na rozdíl od toho vlákna bazaltová ze své chemické podstaty žádnou ochranu vůči alkáliím nepotřebují, tudíž jsou jejich mechanické vlastnosti trvalé a bez jakékoliv korozní degradace.

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 (obr. 9 a 10), kde byly stabilizovány a zpevněny obvodové stěny, dále pak o cihelný dům Galal v Egyptě (obr. 11 a 12), kde byla zesílena boční stěna. 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 zesilovacího systému lepeného z ex­teriéru po celém obvodu budovy. V rámci projektu byly samozřejmě provedeny další praktické aplikace, ke kterým se v dnešní do­bě přidávají první aplikace komerčního rázu.

Závěr
Použití cementovláknitých kompozitů s bazaltovou orientovanou výztuží je vhodnou alternativou k zesilování pomocí kompozitů s uhlíkovými nebo skelnými vlákny spojovanými epoxidovými pryskyřicemi. Pro volbu tohoto druhu zesílení mluví zejména ověřená účinnost zesílení, nižší materiálové náklady, snazší aplikace, lepší teplotní odolnost, dobrá paropropustnost, zachování charakteru povrchu a výborná korozní odolnost jak samotných vláken, tak i celého materiálového systému, a tudíž jeho dlouhodobá trvanlivost.

Ing. Pavel Dohnálek, MSCE, Michael J. Karantzikis, MEng., Ing. Zdeněk Vávra
FOTO: archiv autorů

Pavel Dohnálek a Zdeněk Vávra pracují ve firmě Betosan, s. r. o., v Praze a Michael J. Karantzikis ve firmě Fyfe Europe S. A. v Athénách.

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.