Statybų pramonėje naudojamos vis tobulesnės medžiagos, kurios leidžia įgyvendinti kaskart sudėtingesnius architektūrinius sprendimus. Betonas - seniai naudojama statybinė medžiaga. Tačiau ką galėtume pasakyti apie ypač stiprų betoną - vieną iš naujų statybinių medžiagų? Lietuvos statybų rinkoje dirbantiems specialistams stiprusis betonas dar nėra labai žinomas. Jokia naujiena, kad įprastas betonas vis dar populiariausia statybų pramonėje naudojama medžiaga, kurio gniuždymo stipris siekia apie 30 MPa.
Teigiama, kad terminas „ypač stiprus betonas“ (angl. „ultra-high performance concrete“ (UHPC)) galbūt nėra visiškai tikslus. Jis vis dar neapibrėžtas ne tik Lietuvos, bet ir kitų Europos Sąjungos valstybių narių bei pasaulio šalių techniniuose, teisiniuose dokumentuose, reglamentuose ir projektavimo normose, be kurių ši išskirtinė statybinė medžiaga negali būti gaminama gamyklose. Tiesa, teko paieškoti šiokių tokių kompromisų, kuriuos priėmus sensacingas betono mišinio gniuždymo stipris, išgautas laboratorijoje, sumažėjo.
Gamybos pažanga ir realūs rekordai
Tačiau šioje situacijoje vis tiek buvo pasiektos dvi didelės pergalės. Paaiškėjo, kad gamybos sąlygomis gali pavykti išgauti 130-150 MPa gniuždymo stiprio betoną. Teigiama, kad ypač stiprus betonas išsiskiria ne tik savo mechaninėmis, bet ir ilgaamžiškumo savybėmis. Tyrėjai prisipažįsta, kad naująją UHPC formulę išrado visai netikėtai. „Atlikdami įvairius tyrimus ar bandymus statybos ir architektūros srityje, mūsų specialistai nuolat stengiasi panaudoti perdirbtas medžiagas. Pabandymas į betoninį mišinį įmaišyti specialiai paruošto smulkinto stiklo pranoko visus lūkesčius. Maloniai nustebino faktas, kad betono gniuždymo stipris žymiai padidėjo“, - teigė KTU SAF Statybinių medžiagų katedros vedėjas profesorius Dr. Pagal.
KTU ypač stipraus betono formulę naudojamos vietinių atsargų medžiagos ir perdirbti stiklo milteliai. „Be to, mūsų galutinis produktas ir lengvesnis, ir pigesnis“, - pabrėžė KTU mokslo darbuotojas V. Ši ypač stipri statybinė medžiaga kitaip dar vadinama reaktyviu milteliniu betonu. Dėl savo unikalios struktūros ir išskirtinių savybių toks betonas gali būti naudojamas net ir „agresyvių“ sąlygų architektūroje bei įrenginiuose.
Taikymo galimybės ir privalumai
Pavyzdžiui, UHPC gali pakeisti branduolinėse elektrinėse naudojamą armatą plieną, t. y. skirtingai nei kai kurie metalai, UHPC atsparus korozijai, todėl jis gali tapti plieninių ašinių sijų arba sijų, kurios dar išlaikytų ir didelį svorį, pamaina. KTU sukurtas ypač stiprus betonas pirmą kartą buvo panaudotas 3-iosios saugumo klasės seifo, atsparaus vandeniui ir ugniai, gamybai. Architektūriniuose sprendimuose tai reiškia, kad įvairių konstrukcijų - kolonų, perdangos plokščių, sijų ir kitų elementų - matmenys taip pat galėtų būti sumažinti.
Tyrėjai žino ne vieną UHPC alternatyvą. Nacionalinė cemento importuotojų asociacija ją apibrėžia kaip portlandcemenčio mišinį, silicio dioksido dervą, kvarco miltus, smulkaus silicio smėlį, vandenį ir pluoštus iš plieno arba organinių medžiagų. Tačiau, pasak KTU mokslininkų, alternatyvūs ypač stipraus betono mišiniai savo sudėtyje turi daug didesnį cemento kiekį ir ne visuomet gali būti pagaminami iš vietinių žaliavų. Šiuo metu žinomos UHPC alternatyvos pasaulyje, palyginti su lietuvišku betonu, kainuoja gerokai daugiau. Palyginimui: jei įprastinio C30/37 klasės betono kaina būtų iki 60 Eur už kv. metrą, ypač stipraus betono mišinio - keliskart didesnė. Tačiau KTU SAF mokslininkų sukurto betono mišinis gali būti gaminamas iš vietinių žaliavų be sudėtingos technologinės įrangos.
Kainos ir gamyba Lietuvoje
„Šios priežastys ir lemia pigesnę išskirtinio betono gamybą“, - pažymėjo profesorius dr. V. Vaitkevičius. - „Mūsų ypač stipraus betono kubinio metro rinkos kaina gali siekti apie 200-250 eurų.“ Už tai, regis, labiausiai turėtų būti dėkingi architektai ir statybų srities atstovai.
Vienas iš sunkumų - aukštos kainos. Tačiau tyrėjai teigia, kad naudojant malto stiklo atliekas ir kitus vietinius priedus galima pasiekti tiek savybių, tiek kainos patrauklumo. „Esame sukūrę sudėtį, kurioje panaudojame malto stiklo atliekas ir gauname ženklų savybių pagerėjimą bei kainos sumažėjimą, tokiu atveju pigiausias variantas - 200 eur/m3.“
Paklausus, kaip ši medžiaga atlaiko šalčio poveikį, E. Šerelis atsakė, kad ypatingai stiprus betonas gali būti iki 1000 karto atsparesnis šalčio poveikiui ir šio betono mechaninės bei ilgaamžiškumo savybės yra kur kas artimesnės granito ar bazalto uolienai nei įprastiniam betonui.
Laboratoriniai tyrimai ir praktiniai aspektai
Pasak mokslininko, ypatingai stiprus betonas turi galimybę būti gaminamas be sudėtingos technologinės įrangos, tačiau šioje srityje yra būtina specializuota įranga bei technologiniai reikalavimai, kurie šiuo metu trūksta daugelyje įmonių. Nepaisant to, UHPC formulė leidžia pasiekti sugebėjimą naudoti lengvesnes ir plonesnes konstrukcijas bei kurti išskirtinius architektūrinius sprendimus.
Gamybos apimčių optimizavimas ir vietinių žaliavų panaudojimas gali sumažinti gamybos sąnaudas. 3D spausdinimo ar kitų naujųjų technologijų kontekste UHPC gali atverti galimybes kurti sudėtingas geometrines formas ir itin mažą konstrukcijų masę.
Techniniai duomenys ir praktiniai pavyzdžiai
Betono stiprio gniuždant klasė Lietuvos kontekste dažnai skamba kaip 30 MPa įprastam betonui, o UHPC laboratorinėmis sąlygomis gali viršyti 100 MPa, o kartais siekti 250 MPa. Gali būti įmanoma iki 8 kartų didesnis gniuždymo stipris lyginant su įprastiniu betonu. Nors realioje gamyboje ši riba gali priklausyti nuo sąlygų, medžiagų sudėties ir technologijų, vizija - įrankių ir architektūrinių sprendimų atskleidimas mažesniais matmenimis ir svoriu.
Seifo gamyboje 3-iosios saugumo klasės konstrukcijos pademonstravo UHPC taikymo galimybes, ypač ten, kur svarbus atsparumas aplinkos poveikiui ir ilgaamžiškumas.
Techninių terminų ir reglamentų nesutarimai
Teigiamai, kad Lietuvoje dar nėra vieningos UHPC apibrėžties, tačiau mokslininkai siekia parodyti galimą kryptį - naudojant vietines žaliavas, pigesnį gamybos modelį ir aukštą mechaniškai stiprų rezultatą. Kas tam tikra prasme išsprendė kai kuriuos reglamentų trūkumus - būtina sujungti mokslo ir projektavimo standartus, kad UHPC galėtų būti plačiau naudojamas komercinėje statyboje.
Kur slypi pagrindinės kliūtys ir perspektyvos
Vienas iš pagrindinių trukdžių - reguliavimo ir standarto trūkumas visose rinkose. Be to, įrenginių ir technologijų sudėtingumas bei kainos. Tačiau pagal mokslininkų pastebėjimus, naudojant vietines žaliavas ir net paprastą technologinę įrangą galima pasiekti labai gerų rezultatų, o kainos gali būti artimos įprastiniam betonui.
- Suprasti UHPC sąvoką ir tiksliai apibrėžti, ką laikome įprastu betonu ir kokios yra UHPC ribos.
- Aptarti technines galimybes, kurios leidžia naudojti UHPC mažesniuose ar didesniuose konstrukciniuose elementuose.
- Nustatyti į rinką įtraukiamus parameter į rinką: kaina, gamybos šaltiniai, perdirbtos medžiagos ir t. t.
Kalbant apie praktinę kryptį, galima įtraukti išskirtines konstrukcijas, kurios sumažintų medžiagos kiekį ir perteklinę apkrovą, ir tuo pačiu užtikrintų didelį atsparumą ir ilgaamžiškumą. Architektai galėtų naudoti šią medžiagą kurdami plonesnes sienas, kolonas ar perdangos plokštes su cortčiais, o inžinieriai rastų galimybių pritaikyti UHPC daugelyje pramoninių objektų.
| Medžiagos tipas | Gniuždymo stipris (MPa) | Kainos (EUR/m3) | Sandara |
|---|---|---|---|
| Įprastas betonas (C30/37) | ~30 | ~60 | Portl. cemento pagrindas, mineraliniai užpildai |
| UHPC (ypač stiprus betonų variantas) | >100 (laboratorijoje iki 250 MPa) | ~200-250 | Portlandcementas, stiklo milteliai, kvarco miltai, pluoštai |
Šioje straipsnyje įtrauktas tyrimų kontekstą atskleidžia, kad UHPC gali būti svarbus įrankis architektūrai ir inžinerijai bei gali suteikti naujų galimybių plonoms, lengvoms ir atsparioms konstrukcijoms, kurioms įprastinis betonas nėra tinkamas.