Efektivní hodnocení trvalé udržitelnosti betonu s přírodním pucolánem

Celosvětová snaha o směřování k uhlíkové neutralitě vede k tzv. trvalé udržitelnosti, definované jako zachování životního prostředí. Beton, který je nejčastěji používaným stavebním materiá­lem, je zodpovědný za vznik 5 až 7 % z celkové produkce CO2. Pro potřeby managementu v betonovém stavitelství je proto výhodné používat nástroje umožňující hodnocení variant složení betonu také z hlediska udržitelnosti. Jednou z možností je využití tzv. indikátoru udržitelnosti. Tento nástroj je představen na příkladu betonů obsahujících pucolánovou příměs, která slouží mj. ke snížení spotřeby slínku, podílejícího se významně na produkci CO2.

Indikátor trvalé udržitelnosti materiálu

Možné aspekty budoucnosti navrhovaní betonových konstrukcí představené v [1] souvisí i s využitím indikátoru udržitelnosti materiálu kSB , který by měl být v současné době zařazen do revidované ČSN P 73 2404 [2]. Hodnocení betonu lze provádět pomocí tohoto indikátoru definovaného vztahem (1). Jedná se o modifikaci potenciálu udržitelnosti materiálu představeného H. Müllerem v [3]. Indikátor kSB byl již formulován [4] nejprve v jednodušším tvaru, bez veličiny C, která pak byla zahrnuta do finálního vztahu (1) uvedeného též v [5]. Tato úprava je vhodná zejména pro situace, kdy je nutné brát na zřetel kromě udržitelnosti i cenu výrobku, což lze očekávat např. v období hospodářského propadu vlivem koronavirové pandemie, kdy bude stěží přijatelné volit „zelená“ řešení, ne vždy ekonomicky výhodná. Indikátor kSB umožňuje při hodnocení variant přihlížet současně k ekonomickému i ekologickému hledisku.

kSB =(R/Rref ∙ L/Lref )/(E/ErefC/Cref ) (1)

Ve vztahu (1):

  • veličina R představuje vhodnou mechanickou charakteristiku betonu, a to nejlépe pevnost v tlaku,
  • životnost L musí být stanovena pro použití posuzovaného betonu v návrhovém prostředí a pro navrhovaný typ použití. Pomocí vhodného analytického modelu (např. [6], [7]) se pak určí životnost L [roky]. Není-li vhodný model či nástroj k dispozici, lze pro L použít také tzv. pseudoživotnost, tj. hodnotu veličiny, která by vystupovala při analýze skutečné životnosti – např. difuzní součinitel při prostupu chloridových iontů betonem apod. [9], [10],
  • ekologické náklady E jsou fiktivními náklady, které by mohly být vynaloženy na redukci dopadů na životní prostředí na udržitelnou úroveň a zahrnují vliv těžby a zpracování materiálů a s tím také související svázané emise různého druhu, spotřebu energií atd. Jednotlivé složky lze nalézt v příslušných databázích, např. [8], a výsledek je součtem dílčích položek,
  • cena betonu C, tj. cena materiálu, je převážně závislá na regionu či zemi, což by mohlo při hodnocení a srovnávání různých typů betonů vést ke zkreslení. Vzhledem k tomu je možné vliv ceny ve vztahu (1) vynechat jednoduchým zavedením referenční hodnoty C = Cref.  Naopak v případech, kdy je cenové hledisko z různých důvodů rozhodující, je možno jeho vliv zvýraznit vhodným váhovým koefi­cientem, kterým se cena C upraví (obvykle zvýší),
  • referenční hodnoty Rref, Lref, ErefCref ve vztahu (1) jsou libovolně zvolené hodnoty, nejlépe však hodnoty příslušné jednomu betonu. To zajišťuje bezrozměrnost indikátoru udržitelnosti kSB . Při hodnocení a porovnávání variant betonů je tedy nejprve nutno uvážit, jakým způsobem a v jakém prostředí má být beton využíván. Pro každý beton v hodnocené skupině se potom určí hodnoty R, L, EC, dosadí se do vztahu (1) a varianta s nejvyšší hodnotou kSB určuje nejvýhodnější beton z pohledu trvalé udržitelnosti.

Hodnocení betonů s příměsí přírodního pucolánu

Na ilustrativním příkladu je ukázána aplikace prezentované metodologie posuzování betonu se zřetelem na degradační působení chloridů. Z rozsáhlé studie [9] provedené v USA byly vybrány a z hlediska trvalé udržitelnosti posouzeny betony s částečnou náhradou portlandského cementu přírodním pucolánem vulkanického původu, tj. ultra jemnou pemzou.

Využití pemzy zlepšuje dlouhodobou odolnost betonu vůči korozi vlivem chloridů a při vhodném poměru nahrazení cementu dochází také ke zvýšení trvanlivosti, ke zlepšení mechanických vlastností [9], [11], [12] a ke snížení vzniku skleníkových plynů. V České republice se pemza v betonářském průmyslu obvykle nepoužívá, běžně je používána v zemích se surovinovým zdrojem jako je Itálie, Německo, Čína a Řecko [13].

Jednotlivé betony byly složeny z cementu typu TII‑V a pemzy ℗ – jedná se tedy o tzv. dvousložkový beton. Cement typu TII‑V je odolný proti střední a vysoké úrovni působení síranů [15], [16]. Označení (ID) jednotlivých betonů v následujících tabulkách je podle cementových materiálů a jejich procentuální náhrady, např. 85TII‑V/15P značí obsah 85 % cementu typu TII‑V a 15 % pemzy o velikosti částic 3 µm [16]. Poměr voda/​​cement byl u všech betonů roven 0,40.

Pomocí laboratorních experimentů byly v širší studii [9] zkoumány základní informace o difuzním koeficientu a pevnosti v tlaku. Hodnoty difuzních koeficientů byly vypočteny z naměřených hodnot povrchového odporu betonu pomocí postupů popsaných např. v [14]. Relevantní hodnoty materiálových parametrů jsou uvedeny v tab. 2. Indikátor udržitelnosti kSB byl analyzován pomocí rovnice (1), v tomto případě pro stáří betonu 91 dní, kdy změna pevnostních a difuzních charakteristik již není tak významná jako v prvních týdnech [9], [14].

Tab. 2 obsahuje pro úplnost i hodnoty odpovídající stáří betonu 28 dní. Je patrné, že poměr mezi příměsí pucolánu a cementem není vždy v přímé úměře k pevnosti. Nejvyšší pevnost vykazuje beton s 15 % příměsi pucolánu. Směsné cementy zrají podstatně déle, než cementy se 100 % slinku a proto hodnocení udržitel­nosti vztahujeme v této studii k hodnotám v 91 dnech. Ty ukazují, že všechny betony s příměsí pemzy poskytují lepší výsledek než beton referenční. V tomto kontextu jsou důležité také ekologické náklady a cena betonu, které jsou u všech dvousložkových betonů lepší než u referenčního betonu a také klesají s vyšším množstvím pucolánu. Je nutno poznamenat, že se jedná o náklady vztažené k oblasti původu dat, tj. USA.

Nejdůležitějším parametrem v tab. 2 je výše popsaný indikátor udržitelnosti kSB , který ukazuje, který ze zkoumaných betonů je z pohledu trvalé udržitelnosti a ceny nejvhodnější. Všechny dvousložkové betony mají indikátor kSB výrazně vyšší, než je referenční hodnota pro TII‑V. Díky největší odolnosti vůči pronikání chloridům je nejhodnotnější beton 75TII‑V/25P, a to přesto, že jeho hodnota pevnosti je menší než u dalších dvou dvousložkových betonů.

Závěrečné poznámky

V tomto textu popsaná a aplikovaná metodika hodnocení trvalé udržitelnosti betonu poskytuje sice jen pořadí ve studované skupině betonů, ale jedná se o širší pohled se zohledněním vlivu trvanlivosti, materiálových vlastností i ekologických a ekonomických hledisek. Výhodou tohoto postupu je možnost přihlédnout k různým degradačním efektům či jejich kombinacím, a to buďto s využitím matematického modelování životnosti, nebo pomocí experimentálních měření na vzorcích betonu. Přitom se jedná o hodnocení materiálu, které lze využít zejména na začátku návrhového procesu betonové konstrukce, kde se mj. volí také typ betonu.

Metodika byla představena na souboru betonů s pucolánovou příměsí. Data byla převzata ze studie [9] a analyzována za účelem určení nejvhodnějšího betonu z hlediska trvalé udr­žitel­nosti. Na předkládaných výsled­cích je jasně vidět, že trvalá udrži­tel­nost betonu s vhodnou příměsí jako náhradou za cement může být v porovnání se standardním betonem významně vyšší, a to i přes jisté rozdíly, např. v ceně anebo pevnosti. Je zřejmé, že zejména u vícesložkových pojiv je výběr vhodné kombinace a vzájemného poměru jednotlivých složek složitý a mnohdy nejednoznačný. Aplikace indikátoru udržitelnosti může být v tomto ohledu efektivním nástrojem, který volbu materiálu usnadní.

 

Tento článek byl zpracován v rámci výzkumného projektu GACR 18 – 07949S „Pravděpodobnostní modelování trvanlivosti železobetonových konstrukcí s uvážení spolupůsobení karbonatace, chloridů a mechanického zatížení“ financovaný českou Grantovou agenturou a vznikl také za podpory mezifakultního specifického výzkumu VUT, evidovaného pod číslem FAST/ÚSI-J-19 – 5901.

Autoři děkují také prof. RNDr. Pavle Rovnaníkové, Ph.D., za cenné konzultace a rady.

 

Článek byl posouzen odborným lektorem.

 

Literatura

[1]          VESELÝ, V., TEPLÝ, B., ROVNANÍKOVÁ, P. Budoucnost navrhování betonových konstrukcí. Beton TKS – historie, současnost, budoucnost. Čtvrté mimořádné číslo. 2019, s. 172.

[2]          ČSN P 73 2404. Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda – Doplňující informace. Informativní příloha: Hodnocení trvalé udržitelnosti betonu. (plánováno na říjen 2020)

[3]          MÜLLER H. S. Sustainable structural concrete – from today´s approach to future challenge. Structural Concrete. 2013, Vol. 14, No. 4, 299 – 300.

[4]          HRABOVÁ, K., TEPLÝ, B., HÁJEK, P. Concrete, Sustainability and Limit States. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 1 June 2019, Vol. 290. https://doi.org/10.1088/1755 – 1315/290/1/012049

[5]          VESELÝ, V., TEPLÝ, B. Beton a klima. Stavebnictví. 2020, č. 1 – 2.

[6]          TEPLÝ, B., NOVÁK, D. Predikce degradace betonových konstrukcí výpočetním modelováním. Beton TKS. 2014, roč. 14, č. 2, s 56 – 57.

[7]          TEPLÝ, B., VOŘECHOVSKÁ, D., CHROMÁ, M. Probabilistic based models for material degradation processes. Chapter in fib Bulletin No. 86. Lausanne: The International Federation of Structural Concrete, 2018.

[8]          Eco Costs, Data Design-4-Sustainability: Inspiration and knowledge by designers for designers [online]. Available from: www.design-4-sustainability.com/ecocosts

[9]          TRAN, Q., GHOSH, P. Infuence of pumice on mechanical properties and durability of high performance concrete. Construction and Building Materials. 2020, Vol. 249.

[10]       LEHNER, P., GHOSH, P., KONEČNÝ, P. Statistical analysis of time dependent variation of diffusion coefficient for various binary and ternary based concrete mixtures. Construction and Building Materials. 2018, Vol. 183, pp. 75 – 87. ISSN 09500618.

[11]       RAMASAMY, U., TIKALSKY, P. Evaluation report of hess pumice. Concrete and Materials Research and Evaluation Laboratory, Department of Civil and Environmental Engineering, The University of Utah. 2012. Report for Hess Pumice Products.

[12]       KHOTBEHSARA, M. M., MOHSENI, E., OZBAKKALOGLU, T., RANJBAR, M. M. Durability characteristics of self-compacting concrete incorporating pumice and metakaolin. Journal of Materials in Civil Engineering. 2017, Vol. 29, Issue 11.

[13]       CHAPPEX, T., SCRIVENER, K. Alkali fixation of C‑S‑H in blended cement pastes and its relation to alkali silica reaction. Cement and Concrete Research. 2012, Vol. 42, Issue 8, pp. 1049 – 1054.

[14]       GHOSH, P. Computation of Diffusion Coefficients and Prediction of Corrosion Initiation in Concrete Structures. Doctoral Thesis. Department of Civil and Environmental Engineering, The University of Utah. 2011.

[15]       ASTM C150-04. Standard Specification for Portland Cement [online]. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2004. Dostupné z: www.astm.org

[16]       TRAN, Q. Investigation of durability and compressive strength of hpc mixtures and modeling the corrosion initiation time through the electrical rezistivity. Master Thesis. Faculty of California State University, Fullerton. 2015.

Autoři

The global effort to move towards carbon neutrality leads to sustainability, defined as protecting the environment for future generations. Concrete, the most used construction material, is responsible for generation of 5 to 7 % of total CO2 production. For concrete constructions management, it is advantageous to use tools enabling the evaluation of mixture variants also from the point of view of sustainability. One of the possibilities is the use of the so-called sustainability indicator. It is presented on the example of mixtures containing pozzolanic admixture and reducing the utilization of clinker which contributes significantly to CO2 production.

3/2020 Sanace a rekonstrukce | 15. 6. 2020 | Úvodník

Sanácie stavieb…

Milé kolegyne a kolegovia, vážení čitatelia časopisu Beton, dnes sa nedá začať  inou témou ako Covid 19. V každej dobe, keď sa v spoločnostiach akéhokoľvek zriadenia vyskytli krízy, či už z pohľadu zdravotného, ekonomického, povojnového..., stavebníctvo bolo jedno z prvých odv...
3/2020 Sanace a rekonstrukce | 15. 6. 2020 | Sanace a rekonstrukce

Sanácia havarijného stavu polyfunkčného objektu centroom v Piešťanoch

Prvé problémy objektu Centroom v Piešťanoch sa objavili skorým vznikom trhlín na nenosných murovaných konštrukciách ešte počas zhotovovania v roku 2010. Po pasportizácii trhlín a jej vyhodnotení odborný posudok [5] jednoznačne poukazoval na významné nerovnomerné sadanie v stre...
3/2020 Sanace a rekonstrukce | 15. 6. 2020 | Sanace a rekonstrukce

Rekonštrukcia kolonádového mosta v Piešťanoch

Kolonádový most cez Váh spája mestské centrum Piešťan s Kúpeľným ostrovom. Svojou dĺžkou takmer 157 m sa radí k najdlhším krytým mostom na Slovensku. Objekt je zapísaný do Ústredného zoznamu kultúrnych pamiatok Slovenskej republiky a do svetového zoznamu špičkových diel funkci...