Dnes již neplatí žádná univerzální definice, jak beton připravit a jak má výsledek vypadat. Existuje totiž velké množství druhů betonu. Pryč jsou doby, kdy musel být beton pouze fádní, šedý, jednolitý blok čehosi, co se nakonec něčím zakryje. Pozornější oko tak může spatřit i pohledový beton nahrazující fasádu, hladký i s reliéfem, barevný beton, a dokonce lze na beton obtisknout již i fotografii. Využít je přitom možné i různých funkčních kvalit betonů.
Beton, neboli umělý kámen, je stavební surovina skládající se z plniva, pojiva, vody a speciálních příměsí. U běžného betonu je pojivem kvalitní portlandský cement. Třída betonu původně označovala jeho pevnost v tlaku. Ta se určovala podle velikosti napětí, které bylo potřeba k porušení struktury zkušebního betonového vzorku. Pevnost betonu (Stress strenght of concrete) je velikost napětí dosaženého v místě porušení při zániku celistvosti betonu. Jednodušeji řečeno: je to pevnost betonu, při které se zkušební těleso poruší.
Typy betonů dle objemové hmotnosti a pevnosti
Mezi speciální typy betonů patří:
- Těžký beton: beton, který má po vysušení při 105°C objemovou hmotnost větší než 2 600 kg/m3.
- Vysokopevnostní beton: beton, který se vyznačuje vysokou pevností.
- Ohnivzdorný beton: beton, který je vyráběn z kameniva s co nejmenším obsahem živce a křemene. Nejčastěji se používá čedič, diabas nebo sopečné tufy.
- Předpjatý beton: beton, který má výztuž předem předpjatou ve výrobě nebo dodatečně předpjatou.
Betony se sníženou objemovou hmotností, které je dosaženo použitím lehkého či pórovitého plniva (kameniva), jsou označovány jako lehké betony. Betony s objemovou hmotností pod 1200 kg/m3 lze dle [1] označit jako ultralehké (ULC).
Typy lehkých betonů
- Hutný lehký beton: Je nejvíce podobný běžnému betonu, a to díky podobně uzavřené (kompaktní) struktuře. Nízké objemové hmotnosti je dosaženo nejčastěji použitím pórovitého kameniva (plniva).
- Mezerovitý lehký beton: U něj 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.
- Pěnobeton: Je zpravidla tvořen pouze z cementu, vody a pěny.
- Pórobeton: U něj 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.
Vývoj a vlastnosti ultralehkého betonu (ULC)
Příspěvek se zabývá vývojem receptury vysokohodnotného lehkého betonu s objemovou hmotností nepřekračující 1000 kg/m3. Vysokohodnotným jej lze nazvat vzhledem k nízké objemové hmotnosti při současně relativně vysoké pevnosti, která průměrně dosahuje 19,4 MPa. 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.
Čtěte také: Využití Liapor Mix v moderním stavitelství
Pro vylehčení betonu bylo v první fázi výzkumu použito lehké plnivo a pěna. S lehkým plnivem se však nepodařilo dosáhnout požadovaného vylehčení, tj. objemové hmotnosti pod 1000 kg/m3. Vylehčení pomocí pěny bylo zkoušeno jak poloprovozně v prostorách Prefy Brno, tak laboratorně na FAST VUT v Brně. Pěnobeton vyrobený laboratorně 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. 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.
Vlastnosti materiálu Liapor
| Frakce | Sypná hmotnost [kg/m3] | Objemová hm. (kg/m3) |
|---|---|---|
| 4-8/350 | 350 | |
| 1-4/500 | 500 | |
| 0-2/575 | 575 |
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.
Příprava a zkoušení ULC
Čerstvý beton byl připraven v laboratorní míchačce s nuceným mícháním. Při volbě postupu přípravy LC jsme vycházeli ze zkušeností poskytnutých firmou Lias Vintířov [7]. 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.
Čtěte také: Lehký beton ve stavebnictví
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.
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. Platí pro objemovou hmotnost v rozmezí 800-1000 kg/m3. 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.
Pevnostní třídy betonu a normy
Pevnostní třída betonu se volí dle jeho určení. Nejvíce zažitá byla stará norma ČSN 73 2400:1989. Tu po letech nahradila SN EN 206-1. V roce 2018 pak vyšla nová, aktuálně platná, norma ČSN EN 206+A1. Podle tvaru zkušebního tělesa, na kterém se zkouška provádí, jde buď o pevnost v tlaku krychelnou nebo válcovou. Indikativní (minimální) třída betonu závisí na stupni vlivu prostředí, který je definován v tabulce 4.1 normy EN 1992-1-1. Jak vidíme, při výběru vhodné třídy betonu je nutné brát v potaz jeho zatížení fyzickými, chemickými a mechanickými vlivy. Jednotlivé třídy jsou rozděleny velmi podrobně, nemělo by se proto stát, že budete váhat mezi dvěma alternativami.
Indikativní třída betonu dle stupně vlivu prostředí
| Stupeň vlivu prostředí | Indikativní pevnostní třída |
|---|---|
| X0 | C12/15 |
| XC1 | C20/25 |
| XC2 | C25/30 |
| XC3 | C30/37 |
| XC4 | C30/37 |
| XD1 | C30/37 |
| XD2 | C30/37 |
| XD3 | C35/45 |
| XS1 | C30/37 |
| XS2 | C35/45 |
| XS3 | C35/45 |
| XF1 | C30/37 (C25/30) |
| XF2 | C25/30 (provzd. min.4%) |
| XF3 | C30/37 (C25/30 provzd. min.4%) |
| XF4 | C30/37 (provzd. min.4%) |
| XA1 | C30/37 (C25/30) |
| XA2 | C30/37 |
| XA3 | C35/45 |
Poznámka: hodnoty v závorce odpovídají národní příloze pro Česko, tabulce E1.CZ. Pokud není splněn požadavek na minimální provzdušnění, je nutné použít vyšší třídu.
Čtěte také: Vlastnosti lehkého betonu
Použití a komerční aspekty lehkých betonů
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.
Společnost Baumit, známá svou širokou nabídkou stavebních materiálů, byla založena v roce 1988 spojením rakouských firem Wopfinger Baustoffindustrie a Wietersdorfer. V České republice byla pobočka založena v roce 1993 a od roku 1997 působí jako Baumit, spol. s r.o. Baumit nabízí průmyslově vyráběnou suchou lehčenou betonovou směs s keramickým kamenivem 4 mm, lehký beton třídy LC 12/13 s keramickým kamenivem. Obsah pytle se zamíchá s cca 4 l čisté vody v běžné stavební míchačce nebo ve vhodné nádobě elektrickým pomaluběžným míchadlem po dobu 2-3 minuty. Vždy je třeba zamíchat obsah celého pytle. Namíchanou směs v rovnoměrné a dostatečné tloušťce rozprostřít na předem připravený podklad a přiměřeně zhutnit. Minimální tloušťka vrstvy je 50 mm.
Komerční aplikace lehkého konstrukčního betonu na bázi Liaporu ve třídě LC 15 (jednodenní pevnost 8,5 MPa, 28denní pevnost 21 MPa) a LC 20/22 (28denní pevnost 36,7 MPa) je mimořádně zajímavá při výrobě prostorových modulových prefabrikovaných koupelen. Ty jsou uvnitř kompletně vybaveny rozvody, zařizovacími předměty i keramickým obkladem a jsou na tahačích převáženy z pražské výrobny prakticky do celé Evropy včetně např. Skandinávie. V tomto případě zásadním důvodem pro použití lehkého konstrukčního betonu na bázi Liaporu je takové snížení celkové hmotnosti prefabrikátu, které umožní jeho převoz nákladními automobily z výrobny přímo až na staveniště. Současně jsou při této výrobě kladeny i vysoké nároky na dosažení manipulačních jednodenních pevností. Vzhledem k interiérové aplikaci je však problematika karbonatace betonu, resp. zajištění elektrochemické stability výztuže méně akutní.