Efektivní hodnocení trvalé udržitelnosti betonu s přírodním pucolánem

Možné aspekty budoucnosti navrhovaní betonových konstrukcí představené v [1] souvisí i s využitím indikátoru udržitelnosti materiálu k_SB , 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 k_SB 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 k_SB umožňuje při hodnocení variant přihlížet současně k ekonomickému i ekologickému hledisku.

k_SB =(R/R_ref ∙ L/L_ref )/(E/E_ref . C/C_ref ) (1)

Ve vztahu (1):

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 k_SB 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 k_SB , který ukazuje, který ze zkoumaných betonů je z pohledu trvalé udržitelnosti a ceny nejvhodnější. Všechny dvousložkové betony mají indikátor k_SB 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.

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.