Přísady do betonu na počátku 21. roku 21. století

17. 3. 2021 - Technologie | | Stáhnout článek v PDF

Prvok — první dům vyrobený technologií 3D tisku v ČR — detail stěny (foto: Scoolpt)

Přísady do betonu – chemické látky, které upravují některou z vlastností čerstvého nebo ztvrdlého betonu – prošly za posledních třicet let neuvěřitelným vývojem a tento vývoj stále pokračuje. V článku je stručně zmíněna historie jejich použití, avšak hlavní pozornost je věnována tomu, jak jsou přísady v dnešní době schopny ovlivnit a přizpůsobit požadavkům projektantů, stavbařů a investorů některé základní vlastnosti betonu jako např. konzistenci, rychlost hydratace či trvanlivost. Pozornost je věnována i environmentálnímu hledisku a v neposlední řadě také českým technologům betonu, kteří často patří k pionýrům  v inovaci a použití nových přísad.

Trocha historie

Obecně se ví, že staří stavitelé používali různé materiály pro modifikaci vlastností betonu. Buď pro zjednodušení jeho zpracování, nebo pro prodloužení trvanlivosti konstrukce. Avšak počátky použití přísad do betonu vyráběných průmyslově byly zaznamenány až na počátku 20. století, a to jen ojediněle. Tehdy se zjistilo, že provzdušňovací přísady zlepšují vodonepropustnost a odolnosti proti mrazu a tání. Po druhé světové válce se ve světě začala chemie do betonu zavádět masivněji, protože s pomocí lignosulfonátů a později výrazněji i melaminsulfonátů a naftalensulfonátů bylo možné zlepšit zpracovatelnost betonu při snížení vodního součinitele, popř. snížit množství cementu pro danou třídu betonu.

V ČR a v ostatních východoevropských zemích nastal zlom v 90. letech, kdy přísady etablovaných firem ze západní Evropy postupně nahradily těch několik lokálních produktů na trhu. Výhodou pro výrobce betonu bylo široké portfolio specializovaných produktů a doprovodný servis, který firmy poskytovaly při zavádění produktů bezplatně. V té době jsem ještě slýchal i názory některých betonářů, že chtějí poctivý beton, a ten je bez chemie. Zapomínali na to, že hydratace betonu je také chemická reakce, díky níž materiály vložené do záměsi následně vzájemně reagují a mění se na hydratační produkty s jiným chemickým složením. Takže co naplat, všude kolem nás chemie je a naším úkolem je využít ji k prospěchu a současně zamezit jejím nežádoucím projevům. Obzvláště to platí v případě betonu, nejčastěji používaného materiálu ve stavebnictví. Na konci tisíciletí už ale výrobce betonu v ČR nepoužívající přísady byl jen výjimkou. Od té doby se používání přísad ještě rozšířilo a nyní právě technologové betonu v ČR patří často k pionýrům v oblasti inovací a použití nových přísad.

Ovlivnění konzistence betonu

V současnosti se mezi celosvětově nejpoužívanější přísady řadí skupina superplastifikačních přísad na bázi polykarboxylát éterů (PCE), jejichž výhodou je, že molekuly PCE působí nejen elektrostatickým odpuzováním, jako tomu bylo u předchozích superplastifikačních přísad, ale i sterickým odpuzováním molekul vody a cementu. PCE byly představeny v Japonsku v roce 1986 po cca jedenáctiletém výzkumu, ale jejich zavádění v Evropě začalo až na konci let devadesátých. A ani tehdy vzhledem k ceně nebylo jejich použití časté. Avšak jakmile se zjistil jejich přínos a potřebné suroviny se začaly vyrábět i v Evropě, došlo ke snížení nákladů na výrobu, jejich použití masivně vzrostlo. Ačkoliv byl vliv PCE přísad na konzistenci významný – jejich účinnost byla dramaticky vyšší než u dosavadních surovin na bázi melaminsulfonátu či naftalensulfonátu –, nebyly současně dostatečně robustní, aby mohly být snadno eliminovány změny složek betonu či standardní kolísání vlastností složek betonu. Až možnost projektovat stavbu molekuly dané přísady, tzn. vyrábět a spojovat různé polymery, měnit délku hlavního řetězce a postranních řetězců či elektrický náboj, vytvořila podmínky pro revoluci v použití přísad. Zatímco do konce 90. let jsme měli k dispozici složky na vývoj superplastifikační přísady, které by se daly spočítat na prstech jedné ruky, za posledních 15 let se počet polymerů na bázi PCE, ale i jiných surovin několikanásobně rozrostl. To znamená, že jsme schopni reagovat na požadavky projektu, a dokonce umožnit projektantům a statikům dříve netušené možnosti. Je třeba prodloužit dobu zpracovatelnosti na 4 h a i déle? Potřebujeme čerstvý beton čerpat do výšky 500 m? Výrazně zrychlit hydrataci? Použijeme vhodnou kombinaci polymerů a beton je schopen tento požadavek splnit. 

Obr. 1 Výšková budova Burdž Chalífa, Dubaj, Spojené arabské emiráty (beton se čerpal do výšky 586 m pod tlakem 80 MPa)

O dynamickém a inovačním rozvoji superplastifikačních přísad na bázi PCE, příp. cíleně vyvíjených přísad kombinovaných, svědčí i porovnání skladby typů přísad používaných v letech 2001 a 2016 (tj. během 15 let), spotřebovaných při výrobě transportbetonu jedním z jeho významných výrobců v ČR (obr. 2).

Obr. 2 Porovnání podílu jednotlivých typů přísad používaných při výrobě transportbetonu v letech 2001 a 2016

Právě náhradou dřívějších surovin přísadami na bázi PCE bylo možné přejít od běžně používané plastické konzistence (sednutí 100 až 150 mm) na tekutou konzistenci (sednutí nad 200 mm nebo lépe rozlití od 550 do 850 mm). Tento přechod zlepšil homogenitu zhutnění čerstvého betonu, jeho čerpatelnost i rychlost zpracování. Bylo možné zlepšit také povrch betonu a trvanlivost. Bez superplastifikačních přísad na bázi moderních polymerů by nebylo možné zavedení technologií jako vysoce odolné až ultra vysoce odolné betony, u nichž je třeba snížit vodní součinitel až pod 0,2 při zajištění tekuté konzistence, či samozhutnitelné betony a samonivelační potěry s extrémní tekutostí.

S vysokou konzistencí je spojeno riziko segregace čerstvého betonu v případě kolísání kvality vstupních materiálů. Zvláště pro samozhutnitelné betony byly vyvinuty nové typy stabilizačních přísad. Původně používané práškové přísady nebyly komfortní pro běžné používání vzhledem k tomu, že na betonárnách bývají jen dávkovače na tekuté přísady. Roku 2007 byla představena inovativní přísada zachycující přebytečnou vodu ve směsi do matrice polymeru, která byla následně patentována. Její použití v samozhutnitelném betonu umožnilo snížit množství cementu či příměsi na m3. Dalším krokem ve vývoji bylo představení nového typu stabilizační přísady v roce 2020, která umožňuje udržet pohyblivost čerstvého betonu v průběhu jeho ukládání, ale razantně zvyšuje třecí síly, jakmile je beton v klidu. To zamezuje nežádoucímu krvácení“ čerstvého betonu po uložení, což je pozorovaný nežádoucí jev např. při provádění hlubších pilot, kdy vlivem hydrostatického tlaku dochází k vyždímání“ vody z čerstvého betonu po uložení, ještě než proběhne fáze tuhnutí.

Ovlivnění rychlosti hydratace

Nejen konzistence betonu doznala změny. Běžným požadavkem investorů je zrychlení procesu výstavby. Z hlediska urychlení vývoje počátečních pevností betonu lze beton v prefě proteplit, což je ale spojeno s mikrotrhlinami zkracujícími jeho trvanlivost. Další možností je použití přísad urychlujících tvrdnutí betonu. Tradiční chemie umožňovala dosáhnout obvyklou počáteční pevnost cca 15 až 20 MPa potřebnou pro odbednění po 12 až 15 h dle druhu betonu, třídy cementu, hodnoty vodního součinitele, teploty prostředí atd. Avšak vývoj přísad dosáhl i v této oblasti značného posunu. V roce 2009 byla patentována přísada očkující beton CSH krystaly. Po přidání krystalů CSH fáze do směsi dochází ke zrychlení průběhu hydratace, takže pevnosti až 40 MPa potřebné pro řezání lan předpjatých nosníků je možné dosáhnout již po 8 h, a to bez proteplení. Samozřejmě tomu musí odpovídat i třída cementu a vodní součinitel. Pro výrobce to znamená dříve nedosažitelné možnosti urychlení výroby a také efektivnější využití nákladné formovací techniky. V důsledku toho lze např. betonovat na jedné dráze i třikrát denně (pokud je odbedňovací pevnost např. 20 MPa). Na stavbách výškových budov lze i v zimním období dosahovat taktu výstavby jedno podlaží za 6 dní jako např. při stavbě 155 m vysoké budovy Marienturm ve Frankfurtu nad Mohanem (požadovaná odbedňovací pevnost 26 MPa byla i v zimním období dosahována do 12 h) (obr. 3).

Obr. 3 Pohled na stavbu Marienturm, Frankfurt nad Mohanem, Německo (požadovaná odbedňovací pevnost 26 MPa byla i v zimním období dosahována do 12 h)

Leštění průmyslových podlah se provádí s určitým odstupem od uložení betonu. Odstup určuje většinou teplota prostředí a čerstvého betonu, ale i další faktory. Pokud se průmyslová podlaha nachází v obytné oblasti, může být leštění problém kvůli zákazu rušení nočního klidu. V takovém případě je možné použít přísadu na bázi CSH krystalů a přestávku před leštěním výrazně zkrátit. Anebo použít přísadu zpomalující tuhnutí a leštit druhý den. Samozřejmě je v takovém případě potřeba zajistit dostatečné ošetření betonu. Ještě zajímavěji je možné si hrát s průběhem hydratace v případě stříkaných betonů. Požadovaná zpracovatelnost po dobu 4 h je běžně zaručena superplastifikační přísadou s polymerem pro udržení tekuté konzistence tak, aby bylo možné zpracovat stříkacím robotem celý autodomíchávač. Po přečerpání stříkacím robotem se na trysce přidá speciální přísada pro urychlení tuhnutí a tvrdnutí (urychlovač pro stříkané betony), takže se konzistence během několika sekund mění z tekuté na extrémně lepivou a během několika minut získává beton pevnosti umožňující spojení s ostěním tunelu a ztvrdnutí. Navíc lze v případě potřeby dobu udržení tekuté konzistence dokonce prodloužit chemií ze 4 h na 24 h, aniž by byl ovlivněn průběh tuhnutí a tvrdnutí po následném přidání urychlovače pro stříkané betony.

Speciální kapitolou je vývoj přísad pro výstavbu domů technologií 3D tisku. Zde se jedná o celý komplex druhů chemie a vláken k zajištění udržení tvaru vrstvy, soudržnosti vrstev, sníženého smrštění, vyloučení trhlin, snadné čerpatelnosti a současně rychlého vývoje počátečních pevností, takže optimalizovat průběh hydratace je jedním z klíčových předpokladů. Jedním z prvních domů vytištěných robotem je tzv. Prvok (obr. 4), a to českou firmou Scoolpt, která se zvládla vypořádat s požadavky na konzistenci i na průběh hydratace. Vytištění Prvoka proběhlo v minulém roce v ČR po cca dvouletém vývoji. (více v článku v Beton TKS 5/2020, pozn. red.)

Obr. 4 Prvok – první dům vyrobený technologií 3D tisku v ČR (foto: Stanislav Krupař, archiv Stavební spořitelny Buřinka)

Vývoj proběhl také v oblasti přísad redukujících smrštění — podařilo se zvýšit jejich efektivnost. V současné době je možné jejich pomocí v kombinaci s rozptýlenou výztuží polymerovými vlákny např. snížit počet dilatačních spár u průmyslových podlah, což umožňuje uspořit náklady i zrychlit výstavbu.

Trvanlivost betonu

Výše zmíněné provzdušňovací přísady, které stály na počátku rozvoje přísad, jsou stále běžně používané pro zajištění odolnosti proti mrazu a tání (zvláště v kontaktu s posypovými solemi). Jejich účinnost však závisí na velikosti pórů, které vzniknou po zamíchání (pro odolnost betonu proti cyklování mrazem jsou vhodné jen mikropóry do velikosti 0,3 mm). Většina pórů vzniklá přidáním provzdušňovací přísady je však větší než 0,3 mm a ty bohužel zapříčiňují pokles pevnosti betonu. Velikost pórů je ovlivněna množstvím okolností, které není jednoduché vždy uhlídat, takže se může stát, že změnou podmínek či míchání dojde k nežádoucí změně celkového obsahu vzduchu i snížení obsahu tolik potřebných mikropórů. Kromě toho je nutné obsah vzduchu před ukládáním betonu pravidelně zkoušet, což znamená dodatečné náklady.

Novinkou pro dosažení odolnosti proti mrazu a tání se solemi je použití tzv. mikrokuliček a příp. superabsorbérů. Ty mají definovanou velikost a po zamíchání do směsi vytvoří mikropóry pouze potřebné velikosti, a to i v případě změny složek betonu nebo změny míchání. Tím odpadá potřeba zkoušek obsahu vzduchu čerstvého betonu a současně je garantována odolnost betonu, i když se změní podmínky míchání či ukládání. Ukládání čerstvého betonu tak lze zrychlit, beton je robustnější a dosahuje vyšších pevností, protože v něm nevzniknou velké póry jako nežádoucí produkt přidání provzdušňovací přísady.

Krystalizační práškové přísady jsou používány desetiletí a v případě nedostatečného ošetření betonu vyplní vzniklé mikrotrhliny pomocí krystalů. Oříškem bylo vyvinout tekutou krystalizační přísadu tak, aby nezačala krystalizovat již před zamícháním do betonu. Tekutá krystalizační přísada byla vyvinuta v ČR před několika lety a od té doby se rozšířila i na další kontinenty.

Životní prostředí

Jak bylo uvedeno výše, dříve bylo hlavním důvodem pro použití chemie do betonu zajištění trvanlivosti betonu, příp. usnadnění jeho zpracování. Před cca 50 lety začalo být velkou motivací i snížení nákladů na m3 betonu. V současné době se k tomu ještě přidávají požadavky na urychlení výstavby, zavádění nových technologií (výstavba 3D tiskem, samozhutnitelný beton, vysoce odolný beton atd.) a aktuálně i komplexní požadavek na ochranu životního prostředí.

I v minulosti chemie do betonu přispívala také k ochraně prostředí, jen se to nekvantifikovalo. Bralo se to jako takový bonus. Přísady do betonu tím, že zvyšují trvanlivost betonu, prodlužují životnost staveb, což znamená i snížení potřeby rekonstruovat. Současně dochází redukcí množství vody do betonu při stejné zpracovatelnosti pomocí přísad ke značnému snížení čerpání spodních vod. Při množství výroby 10 milionů m3 betonu v ČR (údaj za 2017) a odhadem průměrné spotřeby záměsové vody na m3 cca 180 l a dále průměrném faktoru redukce spotřeby vody přísadami cca 15 % (odhady autora) docházíme k úspoře spodní vody ve výši 270 milionů litrů za jediný rok (10 000 000 m3 × 180 l × 15 %). Za 60 let by tato voda naplnila např. brněnskou přehradu (v překladu Prýgl). Dále tím, že se redukuje množství vody do betonu, klesá při stejném vodním součiniteli i hmotnost cementu v m3 betonu. Při předpokladu snížení spotřeby vody o 15 % je při stejném vodním součiniteli také spotřeba cementu nižší o 15 %. Jak je známo, emise CO2 při výrobě cementu tvoří nezanedbatelnou část celkových emisí CO2, jejichž snižování je součástí snahy o zachování klimatu.

To jsou např. pozitiva přísad do betonu, která dostáváme jaksi mimoděk. V současné době ovšem dochází k daleko větší snaze o ochranu životního prostředí, která cílí na další snižování výroby slínku (a tudíž používání nových náhradních pojiv), na náhradu tradičního kameniva za recyklované, na náhradu ocelové výztuže za polymerní rozptýlenou výztuž. To jsou výzvy, kterým budeme čelit v budoucnu stále více. S velkým potěšením jsem se v posledních dvou letech zúčastnil zavádění technologie betonu se 100% náhradou přírodního kameniva za recyklované kamenivo z demolice (předrcený beton, a dokonce předrcená cihelná suť). Vzhledem k neobvyklým vlastnostem recyklátu bylo v případě běžných přísad na bázi PCE hlavním problémem udržet požadovanou konzistenci po dobu 120 minut. Splnění požadavku umožnila až inovativní molekula pro superplastifikační přísadu. I v tomto případě se jednalo o pionýrskou práci technologů v ČR (v tomto případě firem ERC-TECH a Skanska) a současně světový unikát.

Závěrem

Požadavky betonářského průmyslu jsou motivací k neustálému zlepšování se v technologii, ke spolupráci nejen ve stavebnictví, ale i napříč průmyslovými odvětvími, ke kontaktu s technology (i v ostatních zemích), s projektanty, s investory a ke sdílení poznatků. Znamená to, že je třeba neustále vyvíjet nové báze přísad tak, aby bylo možné udržet kvalitu betonu dle požadavků v nových podmínkách a čelit novým výzvám. Inovativní chemie do betonu umožnila zavedení náročných technologií jako samozhutnitelné betony, ultra vysoce odolné betony, výstavbu 3D tiskem, masivní využití recyklátů a náhrad cementu atd. a její vývoj bude pokračovat. To by ovšem nebylo možné bez zápalu lidí spolupracujících na projektech, kteří měli vizi, dokázali překonat počáteční nezdary a dotáhli zavedení jednotlivých technologií do zdárného cíle. Naštěstí i v ČR se můžeme pyšnit odborníky a vizionáři, kteří se dokáží prosadit i ve světovém měřítku a posouvají betonářský průmysl dopředu.

Autor
1/2021 Technologie | 17. 3. 2021 | Materiály a technologie

Beton z recyklovaného kameniva

Jednou z možností, jak v některých konstrukcích z betonu nahradit přírodní kamenivo, kterého je nedostatek, neboť stávající lomy jsou dočerpávány a otevření nových se nedaří povolovat, může být použití kameniva recyklovaného. Dlouholetá snaha pracovníků ze společnosti ERC-TECH...