Objemová hmotnost (značka ρ), jinak také zdánlivá hustota, je poměr hmotnosti tělesa k jeho objemu. Hmotnost betonu se liší podle složení, druhu a použití. Při návrhu stavebních konstrukcí je znalost objemové hmotnosti betonu nezbytná. Zohledňuje se při návrhu základů, stropních desek, nosných stěn i mostních konstrukcí. Příliš vysoká hmotnost betonu může zvyšovat zatížení konstrukce, což vede k náročnějšímu dimenzování nosných prvků. Při odhadu hmotnosti kubíku betonu je třeba brát v potaz, jaké bylo využito kamenivo, jaká je pevnostní třída směsi a k čemu se bude používat. Kamenivo tvoří podstatnou část betonu. Různé druhy cementu mají odlišné objemové hmotnosti. Nižší objemová hmotnost naznačuje, že v materiálu je větší procento pórů a dutin, což zvyšuje izolační vlastnosti, za cenu snížené pevnosti v tlaku.
Typy betonu podle objemové hmotnosti
Hmotnost (objemová) betonu může nabývat hodnot od cca 400 kg/m3 do cca 6000 kg/m3.
- Lehčený/lehký beton: Dosahuje hmotnosti od 300 kg/m3 do 2 000 kg/m3. Betony s objemovou hmotností pod 1200 kg/m3 lze označit jako ultralehké (ULC). Jedná se o typ s velmi nízkou pevnostní třídou, jehož výhodou je dobrá tepelná izolace. Beton o hmotnosti do 1000 kg/m3 dokonce plave. Většinou se používají na nenosné konstrukce, jako jsou spádové, vyrovnávací a izolační vrstvy. Používá se například pro opravy kleneb, zhotovení roznášecích vrstev podlah ve vyšších patrech, ale i pro vytvoření spádové vrstvy ploché střechy. Lehký beton se používá zejména při rekonstrukcích starých staveb, kde je potřeba ze statického hlediska dodržet maximální hmotnost konstrukce. Dominantní konkurenční výhodou lehčených betonů je nižší vlastní hmotnost, která se efektivně prosazuje u větších velkorozponových objektů, jako jsou mosty. U menších prvků, jako jsou prefabrikáty, se pak převážně jedná o nižší manipulační hmotnost prvků, což umožňuje manipulaci s prvky pomocí mechanismů s menší nosností.
- Normální/konstrukční beton: Má hmotnost od 2 000 kg/m3 do 2 500 kg/m3. Standardní objemová hmotnost betonu je 2 000 - 2 500 kg/m3. Jedná se o nejvíce využívané pevnostní třídy C12/15 až C50/60. Běžný konstrukční beton představuje nejpoužívanější variantu a je základem pro většinu nosných prvků budov, jako jsou stropy, stěny, základy a sloupy. Takový beton se používá nejčastěji pro budování základů, základové desky, stropů, překladů, pozedních věnců apod.
- Těžký/vysokopevnostní beton: Je speciální směsí třídy C50/60 nebo vyšší. Díky tomu často váží i více než 2500 kg/m3. Betony s vysokou objemovou hmotností se nejčastěji používají na stínící konstrukce v provozech s některým druhem záření (radiologická oddělení v nemocnicích, výzkumných ústavech apod.).
Perlit jako lehké kamenivo
Perlit je amorfní vulkanické sklo s vysokým obsahem vody. V přírodě se běžně vyskytuje a mezi jeho zvláštní vlastnosti patří, že po dosažení určité teploty velmi výrazně zvětšuje svůj objem (expanduje). Při dosažení teploty 850-900 °C perlit měkne (jako každé sklo) a vázaná voda se uvolňuje a působí rozpínání materiálu. Nárůst objemu je sedmi- až patnáctinásobný. Expandovaný materiál má bílou barvu způsobenou reflexivitou vzniklých bublinek. Objemová hmotnost neexpandovaného („surového“) perlitu je přibližně 1 100 kg·m-3 (1,1 g·cm-3), zatímco objemová hmotnost expandovaného perlitu se pohybuje v rozmezí 30-150 kg·m-3. Pro svou nízkou hustotu a díky své příznivé ceně našel perlit široké využití. Ve stavebnictví se přidává do lehkých omítek a malt, izolací, stropních tvárnic a filtrů. V zahradnictví zajišťuje provzdušňování kompostu a díky svým retenčním vlastnostem je vhodným prostředím pro hydroponické a tropické rostliny, kaktusy či cykasy.
Perlitbeton v praxi: Odvětrané fasády LIFEBRICK®
Možnosti využití fasádních obkladů z betonu a perlitbetonu pro řešení odvětraných a tepelněizolačních fasád jsou rozmanité. Odvětrané fasády Lifebrick® jsou fasádní systémy suchého zdění z betonových, či perlitbetonových obkladových cihel, které chrání vloženou tepelně-izolační vrstvu vůči povětrnostním vlivům a zajišťují funkci odvětrání vlhkosti ze stávajícího obvodového pláště. Z hlediska tepelného řešení a způsobu odvodu par lze použít dva typy odvětrané fasády Lifebrick®: Aktivně odvětrávanou fasádu Lifebrick® standard, nebo difuzně otevřenou fasádu Lifebrick® therm. Podstatným rozdílem obou typů je použitý materiál obkladových cihel, jejich pórovitost a z toho vyplývající objemová hmotnost a následně plošná hmotnost obkladu.
Fasádní cihly Lifebrick® jsou vyráběny z betonové, nebo perlitbetonové směsi vibrolisováním, jednotlivé prvky jsou probarveny v celé tloušťce a mají štípanou pohledovou strukturu o rozměru 80 x 220 mm s průběžnou vodorovnou fazetou o rozměru 10 mm. Dle technického návrhu je možné použít buď betonovou cihlu Lifebrick® standard, nebo perlitbetonovou cihlu Lifebrick® therm, případně jejich kombinaci.
Čtěte také: Vlastnosti a výhody lehčeného betonu s perlitem
Lifebrick® therm (perlitbeton)
Základem cihly Lifebrick® therm je 100% hydrofobizovaný expandovaný perlit, díky čemuž má výrobek nízkou objemovou hmotnost. Hmotnost jedné cihly je 0,6 kg a součinitel tepelné vodivosti λu je 0,091 W/(m·K). Cihly Lifebrick® therm mají nízký faktor difuzního odporu (μ = 3), a proto se používají pro realizaci difuzně otevřených fasád. Jsou vhodné pro zateplení novostaveb, panelových domů, či rekonstruovaných objektů, kde není problém s poškozenou vodorovnou hydroizolací. Vzlínající vlhkost z vnitřního prostředí stavby tak přirozeně odchází zdivem přes tepelnou izolaci (rovněž s nízkým difuzním odporem) a perlitbetonovou cihlu Lifebrick therm.
Lifebrick® standard (beton)
Cihla Lifebrick® standard je vyrobena z drceného kameniva, její hmotnost je 2 kg a součinitel tepelné vodivosti λu je 1,22 W/(m·K). Díky použitým materiálům má vysoký difuzní odpor a velkou pevnost v tlaku (až 15 MPa), objemová hmotnost činí 2 255 kg/m3. Cihla standard se používá pro realizaci aktivně odvětraných fasád především u starších objektů se zvýšenou vlhkostí. Může sloužit také jako náhrada sanační omítky. Spojení betonu s perlitem přináší inovativní přístup k fasádám: lehkost, tepelnou izolaci i výjimečnou požární odolnost. V odvětraném systému funguje jako přirozený štít budovy - chrání, izoluje a zároveň dýchá. Perlitbeton je nehořlavý materiál třídy A1, který zároveň odolává srážkám, mrazu a biologickému napadení. Jedná se o masivní a stabilní materiál, který nevyžaduje pravidelné nátěry ani ochranné vrstvy.
Odvětrané fasády Lifebrick® lze hodnotit z hlediska užitných vlastností, postupu montáže bez technologických přestávek a z estetického hlediska jako zajímavé řešení zateplení stávajících budov i novostaveb. Použitý stavební materiál se vyznačuje tvarovou i barevnou stálostí. Je odolný vůči mechanickému poškození, vůči vzniku plísní a řas, s minimálním dopadem na životní prostředí a je vhodným materiálem pro využití dotace z programu Nová zelená úsporám.
Vývoj vysokohodnotného ultralehkého betonu s nízkou objemovou hmotností
Výzkum se zabýval 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.
Nízké objemové hmotnosti lehkého betonu je dosaženo nejčastěji použitím pórovitého kameniva (plniva). U mezerovitého lehkého betonu je nízké objemové hmotnosti dosaženo upravenou křivkou zrnitosti a omezením množství cementového tmelu. 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 a vylehčení je dosaženo přidáním plynotvorné látky, kterou je v ČR nejčastěji hliníkový prášek.
Čtěte také: Charakteristika expandovaného perlitu
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, tak laboratorně, nicméně i v tomto případě docházelo k velké variabilitě vlastností pěny, a tedy i výsledků.
Použité materiály a výrobní postup
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.
| Frakce | Sypná hmotnost [kg/m3] |
|---|---|
| 4-8/350 | 350 |
| 1-4/500 | 500 |
| 0-2/575 | 575 |
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 lehký beton by byl mezerovitý, špatně zpracovatelný a nedostatečné pevnosti. Bylo tedy nezbytné přijmout ještě další opatření pro snížení objemové hmotnosti, které muselo 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. Aby se zabránilo odebírání vody z čerstvého betonu v průběhu míšení, bylo kamenivo před mícháním navlhčeno tzv. dodatkovou vodou. Tato voda se nezapočítává do vodního součinitele, nezmenšuje tedy pevnost betonu, 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 pracovišti smísením polykarboxylátového superplastifikátoru a polymelaminu. Jedině tak mohlo být dosaženo dobře zpracovatelného a přitom stabilního lehkého betonu požadované objemové hmotnosti.
Vlastnosti a využití vyvinutého ultralehkého betonu
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. Jak se při zkouškách ukázalo, existuje relativně přímý vztah mezi pevností a objemovou hmotností, který 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. Průměrný modul pružnosti lehkého betonu s označením LC 12/13, D1,0 byl při experimentech naměřen s průměrnou hodnotou 8,6 GPa s výběrovou směrodatnou odchylkou 0,5 GPa, což se liší od vypočtené hodnoty 5,6 GPa pro objemovou hmotnost 1000 kg/m3.
Čtěte také: Ochrana fasády před povětrnostními vlivy
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. Příkladem zajímavé dlouhodobé komerční aplikace lehkého konstrukčního betonu na bázi Liaporu je výroba prostorových modulových prefabrikovaných koupelen. Zásadním důvodem pro jeho použití 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.
tags: #perlit #beton #objemova #hmotnost