Projekty a granty

Studium vlastností vysokohodnotného betonu s přídavkem mikrovláken

SP2025/098

Studium vlastností vysokohodnotného betonu s přídavkem mikrovláken (Study of the properties of high-performance concrete with the addition of microfibers) Klíčová slova: vysokohodnotný beton; mikrovlákna; experiment (high-performance concrete; microfibers; experiment) Rozbor stavu problematiky Moderní a současné stavebnictví staví na principech udržitelnosti, což se promítá do návrhu, konstrukce a provozu budov s důrazem na minimalizaci negativního dopadu na životní prostředí, zlepšování kvality života a efektivní využití surovinových zdrojů [1]. Z pohledu stavebních materiálů a betonu je zejména aktuální možnost využití ekologického cementu, který s sebou přináší snížení uhlíkové stopy, alternativních pojivových systémů, možnosti využít recyklované suroviny anebo použit pokročilých řešení, kde patří také vláknobeton [2], vysokopevnostní beton (HPC) nebo ultravysokohodnotný beton (UHPC) [3]. Uvedené množnosti je dále možno kombinovat. Předložený projekt se věnuje oblasti vláknobetonu a HPC betonu, kdy se pokračuje v řešené problematice předešlého projektu SGS2024, kde byla ověřena možnost využít vláken pro suché betonové směsi ve vybraných případech. Jednou z řešených variant byla polymerní vlákna [4], kdy s ohledem na možnou variabilitu návrhu betonové matrice a typu vláken a dávkování [5] se pozornost dále soustřeďuje na možnost užití mikrovláken, kdy se jedná o velmi jemná vlákna (délka max. 12 mm, průměr do 1 mm), která se přidávají do betonových směsí za účelem zlepšení jeho vlastností [6], kde se především jedná o odolnosti proti vzniku trhlin, zvýšení pevnosti v tahu, zlepšená odolnost proti otěru, zvýšení duktility a lomové energie [7, 8]. Mikrovlákna se vyrábějí nejčastěji ve formě polypropylenových vláken [8] (nejčastěji používaná mikrovlákna, pomáhají snižovat smršťovací trhliny a zlepšují zpracovatelnost), skelných vláken (zvyšují pevnost a odolnost proti korozi) a ocelových vláken ve formě mikrovlákna (zvyšují pevnost a odolnost základní betonové matrice) [7]. Oblast navrhovaného řešení je značně ovlivněna dostupností klíčových informací, které jsou nezbytné pro konstrukční návrh (téma disertační práce Ing. Pavky). V tomto kontextu byl navržen experimentální program, jehož cílem je analyzovat charakteristiky betonové směsi a vláknobetonu, kdy vhodné je stanovit vlastnosti v závislosti na stupni vyztužení s využitím stanovení regresivní závislosti [9]. Při studiu vláknobetonu je nutné věnovat pozornost studiu mikrostruktury, kde se vytvářejí hydratačních produkty a vazby. Je možné využít digitální a elektronové mikroskopie. Mezi citlivé a důležité části patří také stanovení granulometrie všech vstupních surovinových složek, kde patří minerální příměsi, jako jsou mikrosilika nebo jemně mletá vysokopecní struska [10]. Je rovněž nutné upravit technologii výroby a ošetřování čerstvého betonu, aby se předešlo vzniku smršťovacích trhlin [11]. Pro celkový návrh betonových směsí je důležité volba plastifikační přísady s ohledem kompatibilitu a na dispergování cementových aglomerátů a snižování potřebného množství vody, stejně jako ve vztahu k reologickým vlastnostem. Nově vstupuje do uvedené oblasti a tvorby hydratačních produktů také vliv eko cementů. Souhrnně to vytváří výzkumnou oblast vláknobetonu s mikrovlákny, která je navržena k řešení v rámci experimentálního programu pro efektivní způsob, jak zlepšit aplikační možnosti. Využití vlastností mikrovláken v betonové směsi může být klíčové pro dosažení požadavků moderního stavebnictví využívající progresivní technologické řešení. Reference: [1] Aïtcin, P.-C.; Mindess, S. Sustainability of Concrete. Spon Press: New York, NY, USA, 2011. [2] Ye Shi, Guangcheng Long, Cong Ma, Youjun Xie, Jionghuang He, Design and preparation of ultra-high performance concrete with low environmental impact, Journal of Cleaner Production, Volume 214, 2019, Pages 633-643, ISSN 0959-6526, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.12.318. [3] Xuanhan Zhang, Zemei Wu, Jing Xie, Xiang Hu, Caijun Shi, Trends toward lower-carbon ultra-high performance concrete (UHPC) – A review, Construction and Building Materials, Volume 420, 2024, 135602, ISSN 0950-0618, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.135602. [4] Afroughsabet V., Biolzi L., Ozbakkaloglu T. High-performance fiber-reinforced concrete: a review. Journal of Materials Science, 51 (14), pp. 6517 - 6551, 2016. DOI: 10.1007/s10853-016-9917-4 [5] Marcalikova, Z.; Cajka, R.; Bilek, V.; Bujdos, D.; Sucharda, O. Determination of Mechanical Characteristics for Fiber-Reinforced Concrete with Straight and Hooked Fibers. Crystals 2020, 10, 545. https://doi.org/10.3390/cryst10060545 [6] de Assis H.J.B., da Silva Bezerra A.C., de Paula J.N., Moravia W.G. Utilization of recycled synthetic fibers in concrete with a focus on structural properties enhancement: a critical literature review (2024) Discover Materials, 4 (1), art. no. 77, DOI: 10.1007/s43939-024-00150-1 [7] Marcalikova Z., Cajka R. Determination of Mechanical Properties of Fiber Reinforced Concrete for Numerical Modelling (2020) Civil and Environmental Engineering, 16 (1), pp. 86 - 106,DOI: 10.2478/cee-2020-0010 [8] Brandt, A.M. Fiber reinforced cement-based (FRC) composites after over 40 years of development in building and civil engineering. Compos. Struct. 2008, 86, 3–9. [9] Utilization of fibers in ultra-high performance concrete: A review, Composites Part B: Engineering, Volume 241,2022, 109995, ISSN 1359-8368, https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109995. [10] Jalal M., Pouladkhan A., Harandi O.F., Jafari D. Comparative study on effects of Class F fly ash, nano silica and silica fume on properties of high performance self compacting concrete (2015) Construction and Building Materials, 94, art. no. 6816, pp. 90 - 104, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.07.001 [11] Collepardi, M, The New Concrete, Grafiche Tintoretto, s. 436. 2010. ISBN 8890377720 Metody a postupy řešení: a) Charakterizace vstupních surovin s využitím granulometrie (Jeřábek – proškolen s granulometrem) b) Vývoj a návrh receptur (Pavka) c) Zkoušky čerstvého betonu a cementové kaše (Pavka) d) Zjištění konzistence betonu rozlitím minikužele (Jeřábek) e) Zkoušky – Pevnost v tlaku, v tahu za ohybu (Pavka, Jeřábek) f) Zkoušky – Mrazuvzdornost a odolnost vůči chemickým a rozmrazovacím látkám (Pavka) g) Měření – Dynamický modul pružnosti (Pavka, Jeřábek) e) Studium mikrostruktury (Jeřábek – proškolen s mikroskopem, Pavka) Předpokládaný rozsah cca 90 zkušebních vzorků a přes 100 doplňkových/specializovaných měření. Experimentální program bude rozdělen do min. 3 zkušebních sérií. Vzhledem k množství zkušebních těles je nutné z úspory materiálu a času i pro zjednodušení manipulace připravit tělesa menších velikostí (zejména zkušebních trámců 40x40x160 mm dle ČSN EN 196-1), což bude možné díky jemnozrnnosti připravovaných směsí. Harmonogram prací je sestaven s ohledem na toto množství. Další podrobnosti jsou uvedeny u harmonogramu. Pro provádění zkoušek a experimentů jsou uvedeny výchozí standardy a doporučení: [1] ČSN EN 12350-2. Zkoušení čerstvého betonu – Část 2 Zkouška sednutím. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020. [2] ČSN EN 12350-5. Zkoušení čerstvého betonu – Část 5 Zkouška rozlitím. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020. [3] ČSN EN 12390-3. Zkoušení ztvrdlého betonu: Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020. [4] ČSN EN 12390-5. Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 5 Pevnost v tahu ohybem zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020. [5] ČSN 73 1322. Stanovení mrazuvzdornosti betonu. Praha: Úřad pro normalizaci a měření, 1968. [6] ČSN EN 73 1326. Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek. Praha: Úřad pro normalizaci a měření, 1984. [7] ČSN 73 1371. Nedestruktivní zkoušení betonu – Ultrazvuková impulzová metoda. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011. [8] ČSN EN 1015–3 Zkušební metody malt pro zdivo – Část 3: Stanovení konzistence čerstvé malty (s použitím střásacího stolku), 2000. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. [9] ČSN EN 12390-6. Zkoušení ztvrdlého betonu: Část 6: Pevnost v příčném tahu zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2010. [10] ČSN EN 196-1. Metody zkoušení cementu – Část 1 Stanovení pevnosti. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2016. [11] ČSN EN 196-3 Metody zkoušení cementu – Část 3: Stanovení dob tuhnutí a objemové stálosti, 2017. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Náklady: Stipendia: Výše stipendia byla stanovená po dohodě řešitelského kolektivu na základě rozdělení a časové náročnosti jednotlivých úloh projektu. 1. Ing. Přemysl Pavka – hlavní řešitel, (2. ročník doktorského studia), koordinace projektu, práce v laboratoři, vyhodnocení dat, příprava publikačních výstupů (8 000 Kč), téma DiP: Návrh vláknobetonu a jeho vlastností pro konstrukční použití. Doktorand studuje řádně v souladu dle OSP, kdy aktivní zapojení do VaV včetně spolupráce s doktorandy a práce v laboratoři jsou nezbytné pro řešení témat u DiP na Katedře stavebních hmot a diagnostiky staveb. Celkový rozsah předpokládaných hodin zapojení do projektu je cca 120 hodin, kdy přímo v laboratoři to bude 60 hodin (dle potřeby realizace experimentálního programu). Řešitel projektu skloubí koordinaci týmu FAST, kdy školitel projektu (doc. Sucharda) i doktorand se aktivně zapojí do koordinace řešení projektu. téma DiP: Návrh vláknobetonu a jeho vlastností pro konstrukční použití 2. Ing. Jan Jeřábek – spoluřešitel (3. ročník doktorského studia) – práce na specializovaných zkouškách, granulometrické měření, práce s mikroskopem, vyhodnocení dat, publikační činnost (8 000 Kč), Zapojení v projektu rozsahu 110 hod. téma DiP: Identifikace lomově-mechanických parametrů a studium mikrostruktury u vybraného vysokohodnotného betonu Náklady na stipendia celkem: 16 000 Kč Dosavadní výsledky řešitelského kolektivu: 4x Jimp 1x Jscopus,1x D 1. JERABEK, J., MARCALIKOVA, Z., PAVKA, P. Aspects and optimization of the mixture for high performance concrete. Conference Paper. E3S Web of ConferencesThis link is disabled., 2024, 550, 01033 (D) 2. GANDEL, R., JERABEK, J., MARCALIKOVA, Z. Reinforced Concrete Beams Without Shear Reinforcement Using Fiber Reinforced Concrete and Alkali-Activated Material. Civil and Environmental Engineering, 2023, 19(1), pp. 348-356. DOI: 10.2478/cee-2023-0031 (Jimp) 3. NEMEC, J., GANDEL, R., JERABEK, J., SUCHARDA, O., BILEK, V. Properties of Selected Alkali-Activated Materials for Sustainable Development, Civil and Environmental Engineering, 2024, 20(1), pp. 307-318. DOI: 10.2478/cee-2024-0024 (Jimp) 4. MARCALIKOVA, Z., JERABEK, J., GANDEL, R., GABOR, R., BILEK, V., SUCHARDA, O. Mechanical Properties, Workability, and Experiments of Reinforced Composite Beams with Alternative Binder and Aggregate, Buildings, 2024, 14(7), 2142, DOI: 10.3390/buildings14072142 (Jimp) 5. SUCHARDA, O., GANDEL, R., CMIEL, P., JERABEK, J., BILEK, V. Utilization of High-Performance Concrete Mixtures for Advanced Manufacturing Technologies, Buildings, 2024, 14(8), 2269, DOI: 10.3390/buildings14082269 (Jimp) 6. JEŘÁBEK, J. Comparison of Concrete Mixtures and Alkaline Activated Material with Regard to Selected Properties for Structural Design. Defect and Diffusion Forum, 2024, 432, pp. 25–30 (Jscopus) Materiálové náklady: 1. Materiál pro výrobu zkušebních těles – silikátů, cca 90 zkušebních těles (drátky, kamenivo aktivátory, pojivo, stavební chemie) 32 000 Kč 2. Zkušební přípravky 5 000 Kč 3. Spotřební materiál pro účely laboratoře (nářadí – lžíce, oopp) 2 000 Kč Náklady na materiál celkem: 39 000 Kč Služby: 1. Publikační náklady a jazykové korekce 38 879 Kč (zbylá část publikačních nákladů se bude hradit z voucheru od řešitele) 2. Náklady laboratoře stavebních hmot – dle zásad pravidel SGS (kalibrace, resp. opravy a údržba – služba – poměrná část nákladů, domluveno s VK223) – 1 000 Kč 3. Aktivní účast na semináři Kobylí (Udržitelný beton) – 4 000 Kč Náklady na Služby celkem: 43 879 Kč Cestovné: 1x Seminář – Betony pro udržitelný rozvoj konstrukcí: cestovné a ubytování – 2 002 Kč Náklady na cestovné celkem: 2 002 Kč Režie: 11 208 Kč Harmonogram prací: Leden-Únor Podrobná rešerše literatury týkající se problematiky vláknobetonu s mikrofibers. Návrh zkušebních receptur Březen Výroba zkušebních sérií. Testování vlastností čerstvé a zrající směsi. Úprava navržených receptur s ohledem na zjištěné vlastnosti. Duben-Květen Výroba zkušebních sérií Testování vlastností čerstvé a zrající směsi. Testování vývoje pevnostních charakteristik v závislosti na čase a ošetřování. Normové testování mechanických vlastností vyrobených zkušebních těles. Duben Vyhodnocení a analýza dosavadních provedených zkoušek experimentálního programu. Červen Další výroba zkušebních sérií Červenec Normové testování mechanických vlastností vyrobených zkušebních těles. Studium mikrostruktury. Počátek dlouhodobých zkoušek s ohledem na trvanlivost a odolnost (stanovení mrazuvzdornosti a odolnosti proti chemickým rozmrazovacím látkám). Srpen-Září Provedení dlouhodobých zkoušek s ohledem na trvanlivost a odolnost. Říjen–Listopad: Finální statistické vyhodnocení naměřených dat Příprava publikace (Jscopus). Prosinec Účast na semináři: Betony pro udržitelný rozvoj konstrukcí Rozsah prací po optimalizaci testovaných receptur bude činit přibližně 3 až 4 testovací série, každá o minimálně cca 30 testovací tělesech/vzorcích.

2025

2025

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Pavka Přemysl Ing.

Studium vlastností vysokohodnotného betonu s přídavkem mikrovláken

SP2025/098

Studium vlastností vysokohodnotného betonu s přídavkem mikrovláken (Study of the properties of high-performance concrete with the addition of microfibers) Klíčová slova: vysokohodnotný beton; mikrovlákna; experiment (high-performance concrete; microfibers; experiment) Rozbor stavu problematiky Moderní a současné stavebnictví staví na principech udržitelnosti, což se promítá do návrhu, konstrukce a provozu budov s důrazem na minimalizaci negativního dopadu na životní prostředí, zlepšování kvality života a efektivní využití surovinových zdrojů [1]. Z pohledu stavebních materiálů a betonu je zejména aktuální možnost využití ekologického cementu, který s sebou přináší snížení uhlíkové stopy, alternativních pojivových systémů, možnosti využít recyklované suroviny anebo použit pokročilých řešení, kde patří také vláknobeton [2], vysokopevnostní beton (HPC) nebo ultravysokohodnotný beton (UHPC) [3]. Uvedené množnosti je dále možno kombinovat. Předložený projekt se věnuje oblasti vláknobetonu a HPC betonu, kdy se pokračuje v řešené problematice předešlého projektu SGS2024, kde byla ověřena možnost využít vláken pro suché betonové směsi ve vybraných případech. Jednou z řešených variant byla polymerní vlákna [4], kdy s ohledem na možnou variabilitu návrhu betonové matrice a typu vláken a dávkování [5] se pozornost dále soustřeďuje na možnost užití mikrovláken, kdy se jedná o velmi jemná vlákna (délka max. 12 mm, průměr do 1 mm), která se přidávají do betonových směsí za účelem zlepšení jeho vlastností [6], kde se především jedná o odolnosti proti vzniku trhlin, zvýšení pevnosti v tahu, zlepšená odolnost proti otěru, zvýšení duktility a lomové energie [7, 8]. Mikrovlákna se vyrábějí nejčastěji ve formě polypropylenových vláken [8] (nejčastěji používaná mikrovlákna, pomáhají snižovat smršťovací trhliny a zlepšují zpracovatelnost), skelných vláken (zvyšují pevnost a odolnost proti korozi) a ocelových vláken ve formě mikrovlákna (zvyšují pevnost a odolnost základní betonové matrice) [7]. Oblast navrhovaného řešení je značně ovlivněna dostupností klíčových informací, které jsou nezbytné pro konstrukční návrh (téma disertační práce Ing. Pavky). V tomto kontextu byl navržen experimentální program, jehož cílem je analyzovat charakteristiky betonové směsi a vláknobetonu, kdy vhodné je stanovit vlastnosti v závislosti na stupni vyztužení s využitím stanovení regresivní závislosti [9]. Při studiu vláknobetonu je nutné věnovat pozornost studiu mikrostruktury, kde se vytvářejí hydratačních produkty a vazby. Je možné využít digitální a elektronové mikroskopie. Mezi citlivé a důležité části patří také stanovení granulometrie všech vstupních surovinových složek, kde patří minerální příměsi, jako jsou mikrosilika nebo jemně mletá vysokopecní struska [10]. Je rovněž nutné upravit technologii výroby a ošetřování čerstvého betonu, aby se předešlo vzniku smršťovacích trhlin [11]. Pro celkový návrh betonových směsí je důležité volba plastifikační přísady s ohledem kompatibilitu a na dispergování cementových aglomerátů a snižování potřebného množství vody, stejně jako ve vztahu k reologickým vlastnostem. Nově vstupuje do uvedené oblasti a tvorby hydratačních produktů také vliv eko cementů. Souhrnně to vytváří výzkumnou oblast vláknobetonu s mikrovlákny, která je navržena k řešení v rámci experimentálního programu pro efektivní způsob, jak zlepšit aplikační možnosti. Využití vlastností mikrovláken v betonové směsi může být klíčové pro dosažení požadavků moderního stavebnictví využívající progresivní technologické řešení. Reference: [1] Aïtcin, P.-C.; Mindess, S. Sustainability of Concrete. Spon Press: New York, NY, USA, 2011. [2] Ye Shi, Guangcheng Long, Cong Ma, Youjun Xie, Jionghuang He, Design and preparation of ultra-high performance concrete with low environmental impact, Journal of Cleaner Production, Volume 214, 2019, Pages 633-643, ISSN 0959-6526, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.12.318. [3] Xuanhan Zhang, Zemei Wu, Jing Xie, Xiang Hu, Caijun Shi, Trends toward lower-carbon ultra-high performance concrete (UHPC) – A review, Construction and Building Materials, Volume 420, 2024, 135602, ISSN 0950-0618, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.135602. [4] Afroughsabet V., Biolzi L., Ozbakkaloglu T. High-performance fiber-reinforced concrete: a review. Journal of Materials Science, 51 (14), pp. 6517 - 6551, 2016. DOI: 10.1007/s10853-016-9917-4 [5] Marcalikova, Z.; Cajka, R.; Bilek, V.; Bujdos, D.; Sucharda, O. Determination of Mechanical Characteristics for Fiber-Reinforced Concrete with Straight and Hooked Fibers. Crystals 2020, 10, 545. https://doi.org/10.3390/cryst10060545 [6] de Assis H.J.B., da Silva Bezerra A.C., de Paula J.N., Moravia W.G. Utilization of recycled synthetic fibers in concrete with a focus on structural properties enhancement: a critical literature review (2024) Discover Materials, 4 (1), art. no. 77, DOI: 10.1007/s43939-024-00150-1 [7] Marcalikova Z., Cajka R. Determination of Mechanical Properties of Fiber Reinforced Concrete for Numerical Modelling (2020) Civil and Environmental Engineering, 16 (1), pp. 86 - 106,DOI: 10.2478/cee-2020-0010 [8] Brandt, A.M. Fiber reinforced cement-based (FRC) composites after over 40 years of development in building and civil engineering. Compos. Struct. 2008, 86, 3–9. [9] Utilization of fibers in ultra-high performance concrete: A review, Composites Part B: Engineering, Volume 241,2022, 109995, ISSN 1359-8368, https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109995. [10] Jalal M., Pouladkhan A., Harandi O.F., Jafari D. Comparative study on effects of Class F fly ash, nano silica and silica fume on properties of high performance self compacting concrete (2015) Construction and Building Materials, 94, art. no. 6816, pp. 90 - 104, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.07.001 [11] Collepardi, M, The New Concrete, Grafiche Tintoretto, s. 436. 2010. ISBN 8890377720 Metody a postupy řešení: a) Charakterizace vstupních surovin s využitím granulometrie (Jeřábek – proškolen s granulometrem) b) Vývoj a návrh receptur (Pavka) c) Zkoušky čerstvého betonu a cementové kaše (Pavka) d) Zjištění konzistence betonu rozlitím minikužele (Jeřábek) e) Zkoušky – Pevnost v tlaku, v tahu za ohybu (Pavka, Jeřábek) f) Zkoušky – Mrazuvzdornost a odolnost vůči chemickým a rozmrazovacím látkám (Pavka) g) Měření – Dynamický modul pružnosti (Pavka, Jeřábek) e) Studium mikrostruktury (Jeřábek – proškolen s mikroskopem, Pavka) Předpokládaný rozsah cca 90 zkušebních vzorků a přes 100 doplňkových/specializovaných měření. Experimentální program bude rozdělen do min. 3 zkušebních sérií. Vzhledem k množství zkušebních těles je nutné z úspory materiálu a času i pro zjednodušení manipulace připravit tělesa menších velikostí (zejména zkušebních trámců 40x40x160 mm dle ČSN EN 196-1), což bude možné díky jemnozrnnosti připravovaných směsí. Harmonogram prací je sestaven s ohledem na toto množství. Další podrobnosti jsou uvedeny u harmonogramu. Pro provádění zkoušek a experimentů jsou uvedeny výchozí standardy a doporučení: [1] ČSN EN 12350-2. Zkoušení čerstvého betonu – Část 2 Zkouška sednutím. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020. [2] ČSN EN 12350-5. Zkoušení čerstvého betonu – Část 5 Zkouška rozlitím. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020. [3] ČSN EN 12390-3. Zkoušení ztvrdlého betonu: Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020. [4] ČSN EN 12390-5. Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 5 Pevnost v tahu ohybem zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020. [5] ČSN 73 1322. Stanovení mrazuvzdornosti betonu. Praha: Úřad pro normalizaci a měření, 1968. [6] ČSN EN 73 1326. Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek. Praha: Úřad pro normalizaci a měření, 1984. [7] ČSN 73 1371. Nedestruktivní zkoušení betonu – Ultrazvuková impulzová metoda. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011. [8] ČSN EN 1015–3 Zkušební metody malt pro zdivo – Část 3: Stanovení konzistence čerstvé malty (s použitím střásacího stolku), 2000. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. [9] ČSN EN 12390-6. Zkoušení ztvrdlého betonu: Část 6: Pevnost v příčném tahu zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2010. [10] ČSN EN 196-1. Metody zkoušení cementu – Část 1 Stanovení pevnosti. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2016. [11] ČSN EN 196-3 Metody zkoušení cementu – Část 3: Stanovení dob tuhnutí a objemové stálosti, 2017. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Náklady: Stipendia: Výše stipendia byla stanovená po dohodě řešitelského kolektivu na základě rozdělení a časové náročnosti jednotlivých úloh projektu. 1. Ing. Přemysl Pavka – hlavní řešitel, (2. ročník doktorského studia), koordinace projektu, práce v laboratoři, vyhodnocení dat, příprava publikačních výstupů (8 000 Kč), téma DiP: Návrh vláknobetonu a jeho vlastností pro konstrukční použití. Doktorand studuje řádně v souladu dle OSP, kdy aktivní zapojení do VaV včetně spolupráce s doktorandy a práce v laboratoři jsou nezbytné pro řešení témat u DiP na Katedře stavebních hmot a diagnostiky staveb. Celkový rozsah předpokládaných hodin zapojení do projektu je cca 120 hodin, kdy přímo v laboratoři to bude 60 hodin (dle potřeby realizace experimentálního programu). Řešitel projektu skloubí koordinaci týmu FAST, kdy školitel projektu (doc. Sucharda) i doktorand se aktivně zapojí do koordinace řešení projektu. téma DiP: Návrh vláknobetonu a jeho vlastností pro konstrukční použití 2. Ing. Jan Jeřábek – spoluřešitel (3. ročník doktorského studia) – práce na specializovaných zkouškách, granulometrické měření, práce s mikroskopem, vyhodnocení dat, publikační činnost (8 000 Kč), Zapojení v projektu rozsahu 110 hod. téma DiP: Identifikace lomově-mechanických parametrů a studium mikrostruktury u vybraného vysokohodnotného betonu Náklady na stipendia celkem: 16 000 Kč Dosavadní výsledky řešitelského kolektivu: 4x Jimp 1x Jscopus,1x D 1. JERABEK, J., MARCALIKOVA, Z., PAVKA, P. Aspects and optimization of the mixture for high performance concrete. Conference Paper. E3S Web of ConferencesThis link is disabled., 2024, 550, 01033 (D) 2. GANDEL, R., JERABEK, J., MARCALIKOVA, Z. Reinforced Concrete Beams Without Shear Reinforcement Using Fiber Reinforced Concrete and Alkali-Activated Material. Civil and Environmental Engineering, 2023, 19(1), pp. 348-356. DOI: 10.2478/cee-2023-0031 (Jimp) 3. NEMEC, J., GANDEL, R., JERABEK, J., SUCHARDA, O., BILEK, V. Properties of Selected Alkali-Activated Materials for Sustainable Development, Civil and Environmental Engineering, 2024, 20(1), pp. 307-318. DOI: 10.2478/cee-2024-0024 (Jimp) 4. MARCALIKOVA, Z., JERABEK, J., GANDEL, R., GABOR, R., BILEK, V., SUCHARDA, O. Mechanical Properties, Workability, and Experiments of Reinforced Composite Beams with Alternative Binder and Aggregate, Buildings, 2024, 14(7), 2142, DOI: 10.3390/buildings14072142 (Jimp) 5. SUCHARDA, O., GANDEL, R., CMIEL, P., JERABEK, J., BILEK, V. Utilization of High-Performance Concrete Mixtures for Advanced Manufacturing Technologies, Buildings, 2024, 14(8), 2269, DOI: 10.3390/buildings14082269 (Jimp) 6. JEŘÁBEK, J. Comparison of Concrete Mixtures and Alkaline Activated Material with Regard to Selected Properties for Structural Design. Defect and Diffusion Forum, 2024, 432, pp. 25–30 (Jscopus) Materiálové náklady: 1. Materiál pro výrobu zkušebních těles – silikátů, cca 90 zkušebních těles (drátky, kamenivo aktivátory, pojivo, stavební chemie) 32 000 Kč 2. Zkušební přípravky 5 000 Kč 3. Spotřební materiál pro účely laboratoře (nářadí – lžíce, oopp) 2 000 Kč Náklady na materiál celkem: 39 000 Kč Služby: 1. Publikační náklady a jazykové korekce 38 879 Kč (zbylá část publikačních nákladů se bude hradit z voucheru od řešitele) 2. Náklady laboratoře stavebních hmot – dle zásad pravidel SGS (kalibrace, resp. opravy a údržba – služba – poměrná část nákladů, domluveno s VK223) – 1 000 Kč 3. Aktivní účast na semináři Kobylí (Udržitelný beton) – 4 000 Kč Náklady na Služby celkem: 43 879 Kč Cestovné: 1x Seminář – Betony pro udržitelný rozvoj konstrukcí: cestovné a ubytování – 2 002 Kč Náklady na cestovné celkem: 2 002 Kč Režie: 11 208 Kč Harmonogram prací: Leden-Únor Podrobná rešerše literatury týkající se problematiky vláknobetonu s mikrofibers. Návrh zkušebních receptur Březen Výroba zkušebních sérií. Testování vlastností čerstvé a zrající směsi. Úprava navržených receptur s ohledem na zjištěné vlastnosti. Duben-Květen Výroba zkušebních sérií Testování vlastností čerstvé a zrající směsi. Testování vývoje pevnostních charakteristik v závislosti na čase a ošetřování. Normové testování mechanických vlastností vyrobených zkušebních těles. Duben Vyhodnocení a analýza dosavadních provedených zkoušek experimentálního programu. Červen Další výroba zkušebních sérií Červenec Normové testování mechanických vlastností vyrobených zkušebních těles. Studium mikrostruktury. Počátek dlouhodobých zkoušek s ohledem na trvanlivost a odolnost (stanovení mrazuvzdornosti a odolnosti proti chemickým rozmrazovacím látkám). Srpen-Září Provedení dlouhodobých zkoušek s ohledem na trvanlivost a odolnost. Říjen–Listopad: Finální statistické vyhodnocení naměřených dat Příprava publikace (Jscopus). Prosinec Účast na semináři: Betony pro udržitelný rozvoj konstrukcí Rozsah prací po optimalizaci testovaných receptur bude činit přibližně 3 až 4 testovací série, každá o minimálně cca 30 testovací tělesech/vzorcích.

2025

2025

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Pavka Přemysl Ing.

Studium vlastností vysokohodnotného betonu s přídavkem mikrovláken

SP2025/098

Studium vlastností vysokohodnotného betonu s přídavkem mikrovláken (Study of the properties of high-performance concrete with the addition of microfibers) Klíčová slova: vysokohodnotný beton; mikrovlákna; experiment (high-performance concrete; microfibers; experiment) Rozbor stavu problematiky Moderní a současné stavebnictví staví na principech udržitelnosti, což se promítá do návrhu, konstrukce a provozu budov s důrazem na minimalizaci negativního dopadu na životní prostředí, zlepšování kvality života a efektivní využití surovinových zdrojů [1]. Z pohledu stavebních materiálů a betonu je zejména aktuální možnost využití ekologického cementu, který s sebou přináší snížení uhlíkové stopy, alternativních pojivových systémů, možnosti využít recyklované suroviny anebo použit pokročilých řešení, kde patří také vláknobeton [2], vysokopevnostní beton (HPC) nebo ultravysokohodnotný beton (UHPC) [3]. Uvedené množnosti je dále možno kombinovat. Předložený projekt se věnuje oblasti vláknobetonu a HPC betonu, kdy se pokračuje v řešené problematice předešlého projektu SGS2024, kde byla ověřena možnost využít vláken pro suché betonové směsi ve vybraných případech. Jednou z řešených variant byla polymerní vlákna [4], kdy s ohledem na možnou variabilitu návrhu betonové matrice a typu vláken a dávkování [5] se pozornost dále soustřeďuje na možnost užití mikrovláken, kdy se jedná o velmi jemná vlákna (délka max. 12 mm, průměr do 1 mm), která se přidávají do betonových směsí za účelem zlepšení jeho vlastností [6], kde se především jedná o odolnosti proti vzniku trhlin, zvýšení pevnosti v tahu, zlepšená odolnost proti otěru, zvýšení duktility a lomové energie [7, 8]. Mikrovlákna se vyrábějí nejčastěji ve formě polypropylenových vláken [8] (nejčastěji používaná mikrovlákna, pomáhají snižovat smršťovací trhliny a zlepšují zpracovatelnost), skelných vláken (zvyšují pevnost a odolnost proti korozi) a ocelových vláken ve formě mikrovlákna (zvyšují pevnost a odolnost základní betonové matrice) [7]. Oblast navrhovaného řešení je značně ovlivněna dostupností klíčových informací, které jsou nezbytné pro konstrukční návrh (téma disertační práce Ing. Pavky). V tomto kontextu byl navržen experimentální program, jehož cílem je analyzovat charakteristiky betonové směsi a vláknobetonu, kdy vhodné je stanovit vlastnosti v závislosti na stupni vyztužení s využitím stanovení regresivní závislosti [9]. Při studiu vláknobetonu je nutné věnovat pozornost studiu mikrostruktury, kde se vytvářejí hydratačních produkty a vazby. Je možné využít digitální a elektronové mikroskopie. Mezi citlivé a důležité části patří také stanovení granulometrie všech vstupních surovinových složek, kde patří minerální příměsi, jako jsou mikrosilika nebo jemně mletá vysokopecní struska [10]. Je rovněž nutné upravit technologii výroby a ošetřování čerstvého betonu, aby se předešlo vzniku smršťovacích trhlin [11]. Pro celkový návrh betonových směsí je důležité volba plastifikační přísady s ohledem kompatibilitu a na dispergování cementových aglomerátů a snižování potřebného množství vody, stejně jako ve vztahu k reologickým vlastnostem. Nově vstupuje do uvedené oblasti a tvorby hydratačních produktů také vliv eko cementů. Souhrnně to vytváří výzkumnou oblast vláknobetonu s mikrovlákny, která je navržena k řešení v rámci experimentálního programu pro efektivní způsob, jak zlepšit aplikační možnosti. Využití vlastností mikrovláken v betonové směsi může být klíčové pro dosažení požadavků moderního stavebnictví využívající progresivní technologické řešení. Reference: [1] Aïtcin, P.-C.; Mindess, S. Sustainability of Concrete. Spon Press: New York, NY, USA, 2011. [2] Ye Shi, Guangcheng Long, Cong Ma, Youjun Xie, Jionghuang He, Design and preparation of ultra-high performance concrete with low environmental impact, Journal of Cleaner Production, Volume 214, 2019, Pages 633-643, ISSN 0959-6526, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.12.318. [3] Xuanhan Zhang, Zemei Wu, Jing Xie, Xiang Hu, Caijun Shi, Trends toward lower-carbon ultra-high performance concrete (UHPC) – A review, Construction and Building Materials, Volume 420, 2024, 135602, ISSN 0950-0618, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.135602. [4] Afroughsabet V., Biolzi L., Ozbakkaloglu T. High-performance fiber-reinforced concrete: a review. Journal of Materials Science, 51 (14), pp. 6517 - 6551, 2016. DOI: 10.1007/s10853-016-9917-4 [5] Marcalikova, Z.; Cajka, R.; Bilek, V.; Bujdos, D.; Sucharda, O. Determination of Mechanical Characteristics for Fiber-Reinforced Concrete with Straight and Hooked Fibers. Crystals 2020, 10, 545. https://doi.org/10.3390/cryst10060545 [6] de Assis H.J.B., da Silva Bezerra A.C., de Paula J.N., Moravia W.G. Utilization of recycled synthetic fibers in concrete with a focus on structural properties enhancement: a critical literature review (2024) Discover Materials, 4 (1), art. no. 77, DOI: 10.1007/s43939-024-00150-1 [7] Marcalikova Z., Cajka R. Determination of Mechanical Properties of Fiber Reinforced Concrete for Numerical Modelling (2020) Civil and Environmental Engineering, 16 (1), pp. 86 - 106,DOI: 10.2478/cee-2020-0010 [8] Brandt, A.M. Fiber reinforced cement-based (FRC) composites after over 40 years of development in building and civil engineering. Compos. Struct. 2008, 86, 3–9. [9] Utilization of fibers in ultra-high performance concrete: A review, Composites Part B: Engineering, Volume 241,2022, 109995, ISSN 1359-8368, https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109995. [10] Jalal M., Pouladkhan A., Harandi O.F., Jafari D. Comparative study on effects of Class F fly ash, nano silica and silica fume on properties of high performance self compacting concrete (2015) Construction and Building Materials, 94, art. no. 6816, pp. 90 - 104, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.07.001 [11] Collepardi, M, The New Concrete, Grafiche Tintoretto, s. 436. 2010. ISBN 8890377720 Metody a postupy řešení: a) Charakterizace vstupních surovin s využitím granulometrie (Jeřábek – proškolen s granulometrem) b) Vývoj a návrh receptur (Pavka) c) Zkoušky čerstvého betonu a cementové kaše (Pavka) d) Zjištění konzistence betonu rozlitím minikužele (Jeřábek) e) Zkoušky – Pevnost v tlaku, v tahu za ohybu (Pavka, Jeřábek) f) Zkoušky – Mrazuvzdornost a odolnost vůči chemickým a rozmrazovacím látkám (Pavka) g) Měření – Dynamický modul pružnosti (Pavka, Jeřábek) e) Studium mikrostruktury (Jeřábek – proškolen s mikroskopem, Pavka) Předpokládaný rozsah cca 90 zkušebních vzorků a přes 100 doplňkových/specializovaných měření. Experimentální program bude rozdělen do min. 3 zkušebních sérií. Vzhledem k množství zkušebních těles je nutné z úspory materiálu a času i pro zjednodušení manipulace připravit tělesa menších velikostí (zejména zkušebních trámců 40x40x160 mm dle ČSN EN 196-1), což bude možné díky jemnozrnnosti připravovaných směsí. Harmonogram prací je sestaven s ohledem na toto množství. Další podrobnosti jsou uvedeny u harmonogramu. Pro provádění zkoušek a experimentů jsou uvedeny výchozí standardy a doporučení: [1] ČSN EN 12350-2. Zkoušení čerstvého betonu – Část 2 Zkouška sednutím. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020. [2] ČSN EN 12350-5. Zkoušení čerstvého betonu – Část 5 Zkouška rozlitím. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020. [3] ČSN EN 12390-3. Zkoušení ztvrdlého betonu: Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020. [4] ČSN EN 12390-5. Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 5 Pevnost v tahu ohybem zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2020. [5] ČSN 73 1322. Stanovení mrazuvzdornosti betonu. Praha: Úřad pro normalizaci a měření, 1968. [6] ČSN EN 73 1326. Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek. Praha: Úřad pro normalizaci a měření, 1984. [7] ČSN 73 1371. Nedestruktivní zkoušení betonu – Ultrazvuková impulzová metoda. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011. [8] ČSN EN 1015–3 Zkušební metody malt pro zdivo – Část 3: Stanovení konzistence čerstvé malty (s použitím střásacího stolku), 2000. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. [9] ČSN EN 12390-6. Zkoušení ztvrdlého betonu: Část 6: Pevnost v příčném tahu zkušebních těles. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2010. [10] ČSN EN 196-1. Metody zkoušení cementu – Část 1 Stanovení pevnosti. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2016. [11] ČSN EN 196-3 Metody zkoušení cementu – Část 3: Stanovení dob tuhnutí a objemové stálosti, 2017. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. Náklady: Stipendia: Výše stipendia byla stanovená po dohodě řešitelského kolektivu na základě rozdělení a časové náročnosti jednotlivých úloh projektu. 1. Ing. Přemysl Pavka – hlavní řešitel, (2. ročník doktorského studia), koordinace projektu, práce v laboratoři, vyhodnocení dat, příprava publikačních výstupů (8 000 Kč), téma DiP: Návrh vláknobetonu a jeho vlastností pro konstrukční použití. Doktorand studuje řádně v souladu dle OSP, kdy aktivní zapojení do VaV včetně spolupráce s doktorandy a práce v laboratoři jsou nezbytné pro řešení témat u DiP na Katedře stavebních hmot a diagnostiky staveb. Celkový rozsah předpokládaných hodin zapojení do projektu je cca 120 hodin, kdy přímo v laboratoři to bude 60 hodin (dle potřeby realizace experimentálního programu). Řešitel projektu skloubí koordinaci týmu FAST, kdy školitel projektu (doc. Sucharda) i doktorand se aktivně zapojí do koordinace řešení projektu. téma DiP: Návrh vláknobetonu a jeho vlastností pro konstrukční použití 2. Ing. Jan Jeřábek – spoluřešitel (3. ročník doktorského studia) – práce na specializovaných zkouškách, granulometrické měření, práce s mikroskopem, vyhodnocení dat, publikační činnost (8 000 Kč), Zapojení v projektu rozsahu 110 hod. téma DiP: Identifikace lomově-mechanických parametrů a studium mikrostruktury u vybraného vysokohodnotného betonu Náklady na stipendia celkem: 16 000 Kč Dosavadní výsledky řešitelského kolektivu: 4x Jimp 1x Jscopus,1x D 1. JERABEK, J., MARCALIKOVA, Z., PAVKA, P. Aspects and optimization of the mixture for high performance concrete. Conference Paper. E3S Web of ConferencesThis link is disabled., 2024, 550, 01033 (D) 2. GANDEL, R., JERABEK, J., MARCALIKOVA, Z. Reinforced Concrete Beams Without Shear Reinforcement Using Fiber Reinforced Concrete and Alkali-Activated Material. Civil and Environmental Engineering, 2023, 19(1), pp. 348-356. DOI: 10.2478/cee-2023-0031 (Jimp) 3. NEMEC, J., GANDEL, R., JERABEK, J., SUCHARDA, O., BILEK, V. Properties of Selected Alkali-Activated Materials for Sustainable Development, Civil and Environmental Engineering, 2024, 20(1), pp. 307-318. DOI: 10.2478/cee-2024-0024 (Jimp) 4. MARCALIKOVA, Z., JERABEK, J., GANDEL, R., GABOR, R., BILEK, V., SUCHARDA, O. Mechanical Properties, Workability, and Experiments of Reinforced Composite Beams with Alternative Binder and Aggregate, Buildings, 2024, 14(7), 2142, DOI: 10.3390/buildings14072142 (Jimp) 5. SUCHARDA, O., GANDEL, R., CMIEL, P., JERABEK, J., BILEK, V. Utilization of High-Performance Concrete Mixtures for Advanced Manufacturing Technologies, Buildings, 2024, 14(8), 2269, DOI: 10.3390/buildings14082269 (Jimp) 6. JEŘÁBEK, J. Comparison of Concrete Mixtures and Alkaline Activated Material with Regard to Selected Properties for Structural Design. Defect and Diffusion Forum, 2024, 432, pp. 25–30 (Jscopus) Materiálové náklady: 1. Materiál pro výrobu zkušebních těles – silikátů, cca 90 zkušebních těles (drátky, kamenivo aktivátory, pojivo, stavební chemie) 32 000 Kč 2. Zkušební přípravky 5 000 Kč 3. Spotřební materiál pro účely laboratoře (nářadí – lžíce, oopp) 2 000 Kč Náklady na materiál celkem: 39 000 Kč Služby: 1. Publikační náklady a jazykové korekce 38 879 Kč (zbylá část publikačních nákladů se bude hradit z voucheru od řešitele) 2. Náklady laboratoře stavebních hmot – dle zásad pravidel SGS (kalibrace, resp. opravy a údržba – služba – poměrná část nákladů, domluveno s VK223) – 1 000 Kč 3. Aktivní účast na semináři Kobylí (Udržitelný beton) – 4 000 Kč Náklady na Služby celkem: 43 879 Kč Cestovné: 1x Seminář – Betony pro udržitelný rozvoj konstrukcí: cestovné a ubytování – 2 002 Kč Náklady na cestovné celkem: 2 002 Kč Režie: 11 208 Kč Harmonogram prací: Leden-Únor Podrobná rešerše literatury týkající se problematiky vláknobetonu s mikrofibers. Návrh zkušebních receptur Březen Výroba zkušebních sérií. Testování vlastností čerstvé a zrající směsi. Úprava navržených receptur s ohledem na zjištěné vlastnosti. Duben-Květen Výroba zkušebních sérií Testování vlastností čerstvé a zrající směsi. Testování vývoje pevnostních charakteristik v závislosti na čase a ošetřování. Normové testování mechanických vlastností vyrobených zkušebních těles. Duben Vyhodnocení a analýza dosavadních provedených zkoušek experimentálního programu. Červen Další výroba zkušebních sérií Červenec Normové testování mechanických vlastností vyrobených zkušebních těles. Studium mikrostruktury. Počátek dlouhodobých zkoušek s ohledem na trvanlivost a odolnost (stanovení mrazuvzdornosti a odolnosti proti chemickým rozmrazovacím látkám). Srpen-Září Provedení dlouhodobých zkoušek s ohledem na trvanlivost a odolnost. Říjen–Listopad: Finální statistické vyhodnocení naměřených dat Příprava publikace (Jscopus). Prosinec Účast na semináři: Betony pro udržitelný rozvoj konstrukcí Rozsah prací po optimalizaci testovaných receptur bude činit přibližně 3 až 4 testovací série, každá o minimálně cca 30 testovací tělesech/vzorcích.

2025

2025

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Pavka Přemysl Ing.