Mezerovitý beton, známý také jako lehký beton, představuje klíčový materiál v moderním stavebnictví, nabízející široké spektrum aplikací od tepelně izolačních výplní až po konstrukční prvky. Článek stručně uvádí současný stav lehkého betonu u nás a v zahraničí z hlediska vstupních materiálů (zejména lehkých kameniv), návrhu, technologie výroby a ukládání.
Historie lehkého betonu
Lehké betony mají své kořeny již v antickém období cca v období 3 000 let př. n. l., kdy byla v éře Harappské civilizace (doba bronzová) vybudována slavná města Mohenjo-Daro a Harappa. V Evropě došlo k prvnímu použití lehkého betonu před dvěma tisíci lety, kdy Římané vybudovali slavný Pantheon, akvadukty a Koloseum v Římě. Variabilita vlastností přírodního kameniva byla při výstavbě Pantheonu řešena jeho ručním tříděním dle objemové hmotnosti s ohledem na konečnou objemovou hmotnost betonu. Kromě stavebních konstrukcí Římané používali přírodní kameniva a čistý jíl pro výstavbu tzv. „Opus Caementum“ (druh římského litého zdiva).
Vývoj umělých kameniv
S rostoucí poptávkou a nedostupností přírodních kameniv po celém světě byly vyvinuty technologie pro jejich výrobu průmyslovými postupy. V roce 1918 Stephen J. Hayde patentoval kamenivo „Haydite“. Byl první, kdo zavedl technologii expandace břidlic. Toto kamenivo se dodnes v USA vyrábí. Umělá kameniva tohoto typu byla všeobecně přijata do prostého, železového i předpjatého betonu. Jedny z časných aplikací byly válečné lodě postavené na konci první světové války.
V Německu byla zavedena první výroba kameniva na bázi expandovaného jílu v letech 1935 až 1939 v Sommerfeldu a v Rudesdorfu poblíž Berlína. Výrobu i aplikace však zde provázela řada potíží. Obecně lze považovat za zakladatele výroby tohoto typu kameniva Dánsko, kde byla v roce 1939 založena továrna poblíž Kalundborgu. V Evropě bylo kolem roku 1960 postaveno mnoho továren na výrobu kameniva na bázi expandovaných jílů. Např. v roce 1955 a 1964 byly vybudovány dva závody v tehdejším Československu, a to v Bratislavě a ve Vintířově. Byly zde dokonce v letech 1967 a 1968 pořádány mezinárodní konference na toto téma.
Na rozdíl od USA, Evropané používají jako surovinu pro výrobu kameniva elektrárenský popílek. Tato technologie se začala užívat v roce 1960 ve Velké Británii, v roce 1973 v Německu a v roce 1985 v Nizozemí.
Čtěte také: Drenážní beton: Co potřebujete vědět
V Rusku historie umělého kameniva začala v roce 1930, kdy profesor Kostyrko zavedl výzkum výroby těchto typů kameniv. Zde bylo kamenivo nazváno Keramzit. Jeho práce byla během druhé světové války pozastavena, takže první rotační pec byla postavena až v roce 1955 ve Volgogradu. V roce 1980 bylo aktivních více jak tři sta výroben. Výzkum a vývoj pokrýval speciální institut v Kujbyševu, v celé zemi bylo postaveno mnoho budov včetně panelových z tzv. keramzitbetonu, ale reálná efektivita výroby byla nízká. Objemové hmotnosti kameniv byly vysoké, pouze 10 % produkce bylo pod 400 kg/m3.
První objekty z lehkého vyztuženého betonu byly postaveny ve Velké Británii v roce 1958. Dalším mezníkem v historii je vývoj lehkého vysokopevnostního betonu, který probíhal zejména v Norsku. Impulsem pro tento vývoj byla rozsáhlá výstavba mostních konstrukcí, přímořských konstrukcí a plovoucích plošin.
Vstupní materiály pro lehký beton
Suroviny pro výrobu lehkého kameniva jsou přírodního původu (jíly, břidlice, lupky) i na bázi vedlejších průmyslových produktů (polétavý a ložový popílek, vysokopecní struska). Používá se i syntetické organické kamenivo. Dříve se používalo přírodní kamenivo většinou sopečného původu (pemza, škvára, tuf atd.). Tato kameniva byla používána jako jemné i hrubé kamenivo do betonu a malt. Přírodní kameniva jsou známa jako aktivní pucolánový materiál v případě použití jako jemné kamenivo (filer). Tzn. že kamenivo reaguje s hydroxidem vápenatým, který vzniká při hydrataci cementu a produkuje CSH produkty, které zpevňují strukturu a upravují strukturu pórů, což má za následek zvýšení životnosti betonu. V Malajsii, Indonésii a Nigérii používají jako přírodní kamenivo zemědělské odpady. Umělá kameniva lze vyrábět i bez tepelného zpracování, např. za studena sbalkovaná popílková kameniva (Aardelit v Holandsku).
Vlastnosti lehkého kameniva
Lehké kamenivo je dnes používáno v širokém rozmezí objemových hmotností od 50 kg/m3 u expandovaného perlitu po 1 000 kg/m3 u např. popílkového kameniva, ale také v širokém rozmezí pevností a velikostí zrn. Díky tomu je možné navrhnout beton ve velmi širokém spektru pevností a objemových hmotností, což ho předurčuje jak pro aplikace tepelně izolačního výplňového mezerovitého betonu, tak pro aplikace lehkého hutného konstrukčního betonu.
Důležité jsou fyzikálně-mechanické vlastnosti lehkého kameniva, zejména objemová hmotnost, pevnost a nasákavost, které se u jednotlivých druhů lehkých pórovitých kameniv mohou lišit. Distribuce zrn a maximální zrno lehkého kameniva jsou při výrobě lehkého betonu rozhodující. Doporučená maximální velikost zrna je limitována požadavky na pevnost betonu, větší zrna lehkého kameniva mají sklon snižovat pevnost a inklinují k segregaci způsobené rozdílnou objemovou hmotností jednotlivých složek. Stejně jako u přírodního kameniva měrný povrch lehkého kameniva ovlivní zpracovatelnost v čase, a to zejména v případě, kdy tvar povrchu představuje otevřenou pórovou strukturu. Pevnost lehkého kameniva je spíše nízká a je potvrzeno, že jako primární faktor omezuje možnosti dosažení horní meze pevnosti LC. Mezní působení pevnosti lehkého kameniva na výslednou pevnost LC se zvyšuje s klesajícím vodním součinitelem. Zajímavá je vlastnost tzv. „vnitřního samoošetřování“ lehkého kameniva. Voda nasáklá v jeho pórech může být později „využita“ pro hydrataci během zrání betonu, což má za následek redukci smrštění způsobené samovysýcháním ztvrdlého betonu, zvláště u betonů s nízkým vodním součinitelem.
Čtěte také: Složení betonu
Vlastnost povrchu lehkého kameniva ovlivňuje volbu výběru ostatních vstupních surovin a technologického postupu výroby. Některé typy lehkých kameniv (expandované jíly, břidlice) mají zřetelné rozdíly mezi hutností vnější slupky a pórovitým vnitřkem zrna. Např. u popílkového kameniva nebo kameniva na bázi expandovaného skla není žádný odlišný rozdíl v celé struktuře zrna kameniva.
Označení a klasifikace mezerovitého betonu
Hutné lehké betony se používají obdobně jako obyčejné betony. Pouze se svým zatříděním liší svou objemovou hmotností, která je definována do 2 000 kg/m3. Lehké betony se navrhují podle stejných pravidel, zohledňují se ale samozřejmě rozdílné vlastnosti. Pro navrhování konstrukcí z mezerovitých lehkých betonů platí odlišná pravidla hlavně v použití pro vyztužené betony. Již zaniklá norma ČSN 73 2402 (Provádění a kontrola konstrukcí z lehkého betonu z umělého pórovitého kameniva) klasifikovala lehké mezerovité betony (označení MLB).
Tato norma od roku 2004 neplatí a v současné době neexistuje norma, která by zahrnovala lehké mezerovité betony. Pro tento účel lze použít normu ČSN EN 1520 (Prefabrikované vyztužené dílce z mezerovitého betonu z pórovitého kameniva), která velmi dobře klasifikuje lehký mezerovitý beton a jeho základní vlastnosti.
Struktury mezerovitých lehkých betonů
- a) struktura mezerovitého LC - napěněná struktura
- b) struktura mezerovitého LC - napěněná struktura + pórovité kamenivo
Dávkování a zpracování lehkého betonu
Různá objemová hmotnost zrn různých frakcí se projeví při podrobném sledování křivek zrnitosti kameniva. Tento vliv je ještě výraznější při kombinaci lehkého a hutného kameniva. Křivka zrnitosti kameniva v betonu je totiž obvykle sestavována podle hmotnostního podílu zrn dílčích frakcí kameniva. Zrna lehkého kameniva větších frakcí (i v rozmezí jedné frakce) mají však menší objemovou hmotnost než zrna drobných frakcí a celkově mají zrna lehkého kameniva výrazně nižší objemovou hmotnost než zrna hutného kameniva. Tím vzniká určitý rozdíl mezi objemovým podílem, který různá zrna v betonu skutečně zaujímají, a jejich hmotnostním podílem. Při ověřování vhodnosti objemového či hmotnostního dávkování bylo zjištěno, že při hmotnostním dávkování lehkého kameniva nejsou jednotlivé receptury reprodukovatelné při požadavku, aby se dosáhlo požadovaných již jednou ověřených vlastností včetně zpracovatelnosti konkrétní receptury. Důvod je jednoduchý. Výrobce uvádí deklarovanou odchylku hodnot objemových hmotností jednotlivých frakcí lehkého kameniva až ± 15 % (dle normy). Z tohoto důvodu je vhodnější místo hmotnostního dávkování uplatnit dávkování objemové.
Význam vody při výrobě lehkého betonu
U lehkých kameniv obecně je vliv vody na hmotnostní vlhkost podstatně větší než u hutných kameniv. Rovněž rozptyl výrobních tolerancí některých vlastností lehkého kameniva, i když jsou menší než normami povolené, způsobuje nerovnoměrnost sypné a objemové hmotnosti zrna. Z toho vyplývá, že při dávkování lehkého kameniva je nutná častější kontrola vlhkosti, sypné a objemové hmotnosti kameniva. Lehká kameniva mohou mít na rozdíl od hutných kameniv podstatnou vnitřní vlhkost. Má však vliv na celkovou vlhkost betonu, dobu vysychání, další nasákavost kameniva při míchání a dopravě betonu, čerpatelnost lehkého betonu atd. Vyšší nasákavost lehkých kameniv ve srovnání s obyčejným hutným kamenivem je nutno zohlednit při návrhu dávek vody. Záměsová voda při míchání lehkého betonu z pórovitého nasákavého kameniva sestává z vody přídavné a vody účinné. Přídavná voda je voda, která se sice přidává do čerstvého betonu, ale která se vsákne do lehkého kameniva během míchání a neúčastní se bezprostředně na tvorbě cementového tmele. Přídavná voda se tedy nezapočítává do vodního součinitele. Je nutné si uvědomit, že díky nasákavosti lehkého kameniva lehký beton vyžaduje větší množství vody. Při použití suchého lehkého kameniva se musí dodat přídavná voda potřebná pro jeho nasáknutí. Přídavná voda by se měla stanovit na základě skutečné vlhkosti a nasákavosti použitého lehkého kameniva a času nezbytného pro míchání, dopravu a uložení betonu.
Čtěte také: Betonová dlažba Brož
Některé výzkumy hovoří o tom, že plného nasycení lehkého kameniva je možné docílit za normálního tlaku až po měsících ponoření a vyplnění všech pórů může být dosaženo tlakem vody min. 50 barů. Kamenivo na bázi expandovaných jílů má nižší procento vzájemně spojených pórů než např. kamenivo na bázi spékaných popílků. Kamenivo na bázi expandovaného skla obsahuje zejména uzavřené póry, tudíž je jeho nasákavost pouze povrchová. Důležitá je rychlost počáteční nasákavosti lehkého kameniva. V případě kameniv na bázi expandovaných jílů, které se používají v technologii lehkých betonů nejčastěji, se při návrhu směsi stanovuje množství přídavné vody obvykle, jako nasáknutí lehkého kameniva za 1 h. Pro návrh množství přídavné vody se dle ČSN EN 206 - 1 bere v případě hrubého lehkého kameniva v lehkém betonu hodnota nasákavosti zjištěná po 1 h podle metody uvedené v EN 1097 - 6, příloha C, přičemž se jako základní bere hodnota pro kamenivo obvyklé vlhkosti, nikoli hodnota pro vysušené kamenivo.
Kromě nasákavosti za atmosférického tlaku má u lehkého kameniva význam i nasákavost za vysokého tlaku, tj. tlaku, kterému může být kamenivo vystaveno v potrubí s betonem během čerpání. Tato vlastnost se uplatňuje pouze při čerpání betonu.
Předvlhčení kameniva
Nasákavost lehkého kameniva a hlavně nasákavost lehkého kameniva pod tlakem je možno omezit nebo eliminovat předvlhčením kameniva. Předvlhčení je možné provést postřikem na skládce, zkrápěním na páse během dopravy do zásobníků nebo přímo v míchačce na začátku procesu míchání, kdy se změní postup dávkování složek a prodlouží doba míchání pouze směsi lehkého kameniva a části dávkované vody. Vodu, která se použije na předvlhčení kameniva a ještě před vstupem do míchačky se do kameniva vsákne tak, že neulpívá na povrchu jako povrchová voda, můžeme nazývat předmáčecí vodou. Tato voda se rovněž nezahrnuje do výpočtu vodního součinitele ani se s ní nepracuje při návrhu betonu.
Čerpatelnost lehkého betonu
Při návrhu složení betonové směsi pro čerpatelné lehké betony z lehkého pórovitého kameniva a při samotném čerpání lehkých betonů je nutno zohlednit určité skutečnosti, které se při čerpání obyčejných betonů nebo při použití lehkých betonů bez čerpání nevyskytují, nebo jsou nevýznamné. Při čerpání betonu dochází ke vtlačení části vody z cementového tmele do zrn lehkého kameniva. Množství vtlačené vody závisí převážně na druhu použitého kameniva, jeho okamžité vlhkosti a na maximálním dosaženém tlaku v potrubí. Významným aspektem při čerpání lehkého betonu je vtlačování vody do zrn lehkého kameniva vlivem tlaku v potrubí. Aby tlak v potrubí při čerpání mohl být co nejnižší, musí být betonová směs co nejvíce tekutá a pohyblivá a přitom stabilní a dostatečně robustní. Během realizace čerpaného lehkého betonu je nutno sledovat konzistenci ve třech etapách, a to ihned po namíchání, po dopravě a v průběhu ukládání. Návrh a průkazní zkoušku čerpaného lehkého betonu provádíme tak, aby složení betonu odpovídalo stavu po čerpání. V recepturách pro čerpatelné betony je vhodné uvádět množství účinné i přídavné vody. Při laboratorní průkazní zkoušce se musí zvolit dávka záměsové vody tak, aby v okamžiku hutnění zkušebních vzorků obsahovala betonová směs dávku účinné vody. Lehké kamenivo musí při laboratorní průkazní zkoušce obsahovat vodu, kterou obsahuje po čerpání, tj. rozdíl mezi záměsovou a účinnou vodou uvedenou v receptuře.
Postup dávkování a dopravy
Pokud se pro míchání čerstvého betonu použije předvlhčené kamenivo, postup dávkování surovin do míchačky je shodný s normálními betony. Použije-li se suché lehké kamenivo, nejdříve se nechají delší dobu (min. 5 min) promísit jednotlivé frakce kameniva s přídavnou vodou. Doprava na stavbu pomocí domíchávačů a jejich ukládání pomocí košů a žlabů probíhá za stejných podmínek jako u normálních betonů.
Aplikace mezerovitého betonu
Základní výhodou použití lehkého betonu je snížení zatížení konstrukcí, které mohou výrazně snížit náklady celé stavby, dalšími výhodami jsou nižší přepravní náklady hotových dílců, používání lehčí výrobní a manipulační techniky a v neposlední řadě také vyvstává v dnešní době otázka šetrnosti k životnímu prostředí. Lehké betony jsou využitelné v oblasti monolitických konstrukcí pozemních, občanských a dopravních staveb, stejně tak i pro výrobu prefabrikovaných dílců pro stejné určení. Lehké betony lze použít jako prosté, vyztužené i předpjaté.
Mezerovitý drenážní beton
Jedná se o stejnozrnný beton s definovanou mezerovitostí. Mezerovitý drenážní beton lze využít jako pojezdový či pochozí povrch, určený k drenáži povrchových srážkových vod a jejich lokálnímu vsakování, případně akumulaci v retenčních nádržích, dále pak jako drenážní výplň za rubem opěrných či zárubních zdí a mostních opěr, nebo jako vyplnění liniových drenáží. Drenážním betonem lze nahradit např. hospodaření se srážkovými vodami považujeme za ekologicky významné téma. Smyslem mezerovitého drenážního betonu v našem pojetí je pozitivní dopad vsaku srážkových vod v dané lokalitě. Minimální tloušťka vrstvy je 100 mm, maximální tloušťka kladená v jedné vrstvě 300 mm.
Další aplikace
- Suché a zavlhlé směsi o konzistenci S0 až S2 se míchají na betonárnách k okamžitému odběru sklápěcími vozy. Jedná se především o mazaniny a cementové stabilizace.
- Cementobetonové kryty, zkráceně označované jako CB kryty, jsou silniční betony pro stavbu dálnic, silnic, letištních drah a dalších pozemních komunikací. Na stavbu jsou dopravovány sklápěcími vozy v konzistenci S2 a ukládání betonu probíhá strojově.
- TERRAFLOW® je velmi tekutá cementopísková směs určená pro rychlé vyplnění stavebních výkopů a jam bez nutnosti hutnění. Absence použití hutnící techniky vylučuje poškození rozvodů kanalizace.
- Betonbloky TBG se vyrábí na betonárnách ze zbytkového betonu, který by se v jiném případě musel recyklovat.
Kombinace kameniv
Pro výrobu LC se často používá kombinace lehkého a hutného přírodního kameniva. U lehkého kameniva je nejčastěji dosažitelná jemná frakce 0 - 1 mm pouze v drcené formě. V těchto případech se potřeba vody rapidně zvýší a je zhoršena zpracovatelnost. Experimentálními pracemi se prokázalo, že není vhodné používat velké frakce přírodního kameniva, nejvhodnější je využívat přírodní písek frakce 0 - 4 mm s malým množstvím jemných podílů. Tzn. že nejčastěji je doporučováno kombinovat přírodní kamenivo s max. zrnem 4 mm a lehké kamenivo s max. zrnem 8 mm. V praxi se ale již používá přírodní kamenivo i s max. zrnem 8 mm stejně jako u lehkého kameniva.
tags: #mezerovity #beton #oznaceni