Lehčené betony se využívají obdobně jako běžný beton na monolitické konstrukce pozemních a inženýrských staveb.
Výsledné vlastnosti lehčeného betonu ovlivňuje zvolený materiál. Jako lehčený beton se nejčastěji vyrábějí směsi objemových hmotností 300 kg/m3 až 2000 kg/m3 s pevností v tlaku od 0,2 MPa až do 37 MPa. S ohledem na jejich vlastnosti by se dalo zjednodušeně říci, že čím je betonová směs těžší, tím má vyšší pevnost v tlaku, ale menší tepelný odpor.
V individuální výstavbě se lehčený beton úspěšně uplatňuje při rekonstrukcích a půdních vestavbách na vytvoření spádových vrstev plochých střech nebo jako výplňová tepelně izolační vrstva pro stropy, podlahy, případně terasy.
Druhy lehkých betonů
Při volbě plniva v podobě technické pěny vzniká jeden z nejlehčích typů betonů (cca 300 - 900 kg/m3), který se nazývá pěnobeton.
Lehký je také polystyren-beton (cca 500 - 1500 kg/m3). Ten díky uzavřené struktuře polystyrenu nemá tendenci přijímat vodu. Je dodáván v zavlhlé nebo nižší konzistenci, proto je nesnadné jeho čerpání a je většinou ukládán pomocí bádií.
Čtěte také: Proč zvolit lehké betonové panely pro váš projekt?
Beton lehčený polystyrenem se hodí například pro spádové vrstvy plochých střech, sanace kleneb a dalších prostor, a dále pro tepelně izolační vrstvy v podlahových konstrukcích. Betony lehčené uměle vyráběným kamenivem mívají objemovou hmotnost 1000 - 2000 kg/m3, tedy až o 2/3 nižší, než u běžných betonů.
Ultralehký beton (ULC)
Betony s objemovou hmotností pod 1200 kg/m3 lze dle [1] označit jako ultralehké (ULC). Ultralehký beton (ULC) byl vyvíjen na FAST VUT v Brně v rámci projektu MPO ČR TIP FR-TI4/159 „Light structures“.
Tento projekt se zabývá návrhem prefabrikovaných segmentů z lehkého betonu, u kterých se předpokládá využití především pro konstrukce ekoduktů. ULC by zde měl tvořit ochrannou konstrukci, která by chránila subtilní jádro z vysokopevnostního betonu před nárazy, vnějšími vlivy a ohněm.
Výroba a Vlastnosti Ultralehkého Betonu
Nízké objemové hmotnosti je dosaženo nejčastěji použitím pórovitého kameniva (plniva). Hutný lehký beton je nejvíce podobný běžnému betonu, a to díky podobně uzavřené (kompaktní) struktuře.
U mezerovitého lehkého betonu je nízké objemové hmotnosti dosaženo upravenou křivkou zrnitosti a omezením množství cementového tmelu. Některé frakce kameniva, zejména jemné, jsou zde značně potlačeny nebo úplně vynechány. Množství cementového tmelu je redukováno pouze na obalení zrn kameniva.
Čtěte také: Recenze brankářských betonů pro juniory
Další dvě skupiny lehkých betonů jsou vytvořeny obvykle bez přidání pórovitého kameniva. Pěnobeton je zpravidla tvořen pouze z cementu, vody a pěny. U pórobetonu zaujímají póry až 80 % z celkového objemu.
Vylehčení (vytvoření pórů) je dosaženo přidáním plynotvorné látky, kterou je v ČR nejčastěji hliníkový prášek. Tato látka v čerstvém betonu vyvolá chemickou reakci s alkalickým prostředím a za uvolnění vodíku způsobí tzv. „nakynutí“ směsi.
Pro vylehčení betonu bylo v první fázi výzkumu použito lehké plnivo a pěna. Vylehčení pomocí pěny bylo zkoušeno jak poloprovozně v prostorách Prefy Brno, tak laboratorně na FAST VUT v Brně. Beton měl dosahovat pevností v tlaku 1,0 a 13,5 MPa.
Laboratorně vyrobený pěnobeton na FAST VUT v Brně dosahoval při vysušené objemové hmotnosti 1440 kg/m3 průměrné krychelné pevnosti 12,9 MPa. I v tomto případě docházelo k velké variabilitě vlastností pěny, a tedy i výsledků.
V další fázi se tedy vývoj zaměřil na vylehčení pomocí lehkého keramického kameniva, tedy na hutný lehký beton. Jako plnivo bylo zvoleno kamenivo z expandovaného jílu, které se v ČR prodává pod obchodním názvem Liapor.
Čtěte také: Brankářské betony: Na co se zaměřit?
V jeho složení převládá minerál illit a kaolinit, dále oxidy křemíku, hliníku, železa a dalších prvků. Obsahuje i úlomky slíd a fosilní zbytky. Tyto fosilní zbytky a další hořlavé příměsi způsobují expanzi materiálu při výpalu. Díky výpalu na teplotu přes 1000 °C získává Liapor i své charakteristické vlastnosti.
Pro experiment byl použit Liapor frakcí s označením 4-8/350, 1-4/500 a 0-2/575.
Optimalizace a Příprava Směsi
V rámci teoretické přípravy návrhu LC jsme nejprve definovali optimální křivku zrnitosti vytvořenou z výše uvedených frakcí. Z poměrného zastoupení užitých frakcí pak mohla být vyčíslena průměrná objemová hmotnost směsi kameniva cca 850 kg/m3.
Při objemové hmotnosti cementového tmelu 2270 kg/m3 a požadované výsledné objemové hmotnosti betonové směsi 1000 kg/m3 vychází maximální dávka cementového tmelu cca 105 l.
Tento objem je vzhledem k běžné spotřebě cementového tmelu cca 300 l nedostatečný. Takto navržený LC by byl mezerovitý, špatně zpracovatelný a nedostatečné pevnosti. Bylo tedy nezbytné přijmout ještě další opatření pro snížení objemové hmotnosti LC, které (jak vyplynulo z teoretického rozboru) musí být směrováno k vylehčení cementového tmelu.
Jako nejefektivnější se jevilo provzdušnění tmele, které vytváří v betonu malé vzduchové póry o průměru 10-300 µm. Pro ULC byl použit cement CEM I 52,5R.
Čerstvý beton byl připraven v laboratorní míchačce s nuceným mícháním. Abychom zabránili odebírání vody z čerstvého betonu v průběhu míšení, bylo kamenivo před mícháním navlhčeno tzv. dodatkovou vodou. Tato voda se podle [3] nezapočítává do vodního součinitele, nezmenšuje tedy pevnost betonu, která závisí na vodním součiniteli, a navíc ve ztvrdlém betonu působí jako ošetřující voda.
Následně byl přidán cement, práškové příměsi a 90 % účinné vody s rozpuštěnou provzdušňující a kombinovanou polyfunkční přísadou. Kombinovaná polyfunkční přísada byla připravena na našem pracovišti smísením polykarboxylátového superplastifikátoru a polymelaminu. Jedině tak mohlo být dosaženo dobře zpracovatelného a přitom stabilního LC požadované objemové hmotnosti.
Čerstvý LC vykazoval rozlití kužele cca 450 mm, což zdánlivě není mnoho. Je třeba si ale uvědomit, že při objemové hmotnosti řádově 1000 kg/m3 působí na čerstvý lehký beton při flow-testu úměrně nižší síly.
Pevnost a Modul Pružnosti
Pro použití v konstrukčních prvcích jsou nejvýznamnějšími vlastnostmi LC jejich pevnost a modul pružnosti. Jak se při zkouškách ukázalo, existuje relativně přímý vztah mezi pevností a objemovou hmotností. Z toho vyplývá, že pokud známe objemovou hmotnost betonu určitého základního složení, lze s velkou mírou pravděpodobnosti určit dopředu i jeho krychelnou pevnost.
V našem případě byla průměrná krychelná pevnost celkového souboru 20 vzorků 19,4 MPa s výběrovou směrodatnou odchylkou 2,2 MPa.
Průměrný modul pružnosti lehkého betonu s označením LC 12/13, D1,0 lze podle [4] vypočítat pomocí vztahu Elcm = Ecm ‧ ηE, kde Ecm je modul pružnosti obyčejného betonu odpovídající pevnostní třídy a ηE je zmenšující součinitel závislý na objemové hmotnosti.
Pro objemovou hmotnost 1000 kg/m3 vychází hodnota modulu pružnosti 5,6 GPa. Naproti tomu jsme při experimentech naměřili průměrnou hodnotu modulu 8,6 GPa s výběrovou směrodatnou odchylkou 0,5 GPa.
Závěr
Původně byla plánována celá norma pouze pro lehký beton. Podařilo se vyvinout ultralehký beton pevnostní třídy 12/13 při třídě objemové hmotnosti D1,0. Průměrná objemová hmotnost ULC po vysušení byla 950 kg/m3 při průměrné krychelné pevnosti 19,4 MPa.
Přitom na trhu lze běžně nalézt jen lehký konstrukční beton s pevnostní třídou pouze 8/9 při třídě objemové hmotnosti D1,2 [5]. Vyvinutý ultralehký beton je předurčen pro použití v prefabrikovaných segmentech v konstrukcích ekoduktů.
Své využití jistě najde i v dalších oblastech, kde se efektivně uplatní jeho nízká objemová hmotnost při relativně vysoké pevnosti.
Tabulka: Vlastnosti Liaporu
| Vlastnosti materiálu | Frakce | Sypná hmotnost [kg/m3] | Objemová hmotnost |
|---|---|---|---|
| Liapor | 4-8/350 | - | - |
| Liapor | 1-4/500 | - | - |
| Liapor | 0-2/575 | - | - |