Akustické vlastnosti betonu s recyklovaným kamenivem

Dynamický vývoj v oblasti výzkumu výroby betonu s použitím recyklovaného kameniva jde ruku v ruce s rozšiřováním jeho uplatnění v konstrukcích na reálných stavbách. V současné době se beton s recyklovaným kamenivem uplatňuje spíše u doplňkových nenosných konstrukcí, jako jsou např. podkladní betony, výplňové nenosné konstrukce, příp. prefabrikované prvky z prostého betonu pro tížné dělicí opěrné stěny. Jedním z důvodů je nedostatečná normativní opora pro širší uplatnění recyklovaného kameniva při výrobě betonu i navrhování konstrukcí a s tím související nižší důvěra investorů a projektantů, kteří by tento materiál mohli do nových projektů navrhovat.

Zatímco mechanické parametry a trvanlivost betonu s recyklovaným kamenivem byly zkoumány v mnoha vědeckých pracích a např. vliv recyklovaného kameniva na pevnost betonu je již vcelku dobře známý, tak užitným vlastnostem, jako je např. zvuková izolace materiálu, už tolik prostoru věnováno nebylo. V bytových stavbách jsou jako mezibytové příčky často navrhovány železobetonové stěny, jelikož zároveň plní i ztužující funkci celého objektu. Vedle základních mechanických vlastností, které se u dělicích konstrukcí bytových staveb posuzují,  je jedním z hlavních parametrů taktéž vzduchová neprůzvučnost konstrukce. Aktuál­nost výzkumu této užitné vlastnosti materiálu dokládá i fakt, že nedostatečná zvuková izolace mezi sousedními byty je v dnešní době častým důvodem sporů mezi obyvateli novostaveb a developery.

Pro ověření, zda konstrukce mezibytové stěny z betonu s recyklovaným kamenivem vyhoví požadavkům ČSN 73 0532 [1] na zvukovou izolaci mezi dvěma obytnými místnostmi sousedních bytů, byl realizován praktický experiment. Spolu s laboratorním měřením akustické neprůzvučnosti byly testovány základní mechanické parametry betonu a stanoveny fyzikální materiálové konstanty popisující akustické vlastnosti materiálu.

Hlavním cílem experimentu bylo laboratorně zjistit akustickou neprůzvučnost železobetonových stěn vy­robených z betonu obsahujícího recyklované kamenivo a ověřit tak, zda je tento druh betonu vhodný do konstrukcí s přísnějšími požadavky na zvukovou izolaci, převážně pak do stěn mezi obytnými místnostmi. Pilířem experimentu byla výroba tří železobetonových stěn o rozměrech 3,57 × 0,2 × 3,73 m, které byly vyztuženy u obou povrchů vázanou výztuží Ø 10/100  mm v obou směrech. Beton pro výrobu stěn byl specifikován dle [2] a [3] jako C25/30 — XC2, stupeň konzistence S4. Je nutné zmínit, že takto specifikovaný beton nelze dle uvedených norem s použitím recyklovaného kameniva (v dávkách uvedených dále) vyrobit. V tuto chvíli je nutné pro výrobu takového betonu vydat stavebně technické osvědčení výrobku. Železobetonové stěny byly vyrobeny na jedné z betonáren společnosti TBG Metrostav, kde byly zároveň vhodné podmínky pro výrobu betonu i se 100% obsahem recyklovaného kameniva. Po přípravě formy bednění a vyvázání výztuže proběhla dne 21. června 2022 postupně betonáž všech tří stěn. Během betonáže byly odebrány vzorky pro zkoušky čerstvého betonu a byla vyrobena zkušební tělesa na zkoušky ztvrdlého betonu (více o těchto zkouškách je uvedeno dále). Laboratorní zkoušky akustické neprůzvučnosti proběhly dne 16. srpna 2022 v akreditované zkušební laboratoři TZÚS v Teplicích, kam byly vzorky převezeny v den konání zkoušek. Vzorky měly být původně vyzkoušeny ihned po vyzrání betonu (28 dní), nicméně z důvodu uzavření laboratoře v průběhu léta se zkoušky konaly s delším časovým odstupem. To však není na závadu, protože u reálné stavby nebude zvukoizolační schopnost stěn požadována dříve než při uvedení stavby do užívání, a to zpravidla nebývá dříve než za dva měsíce po betonáži konstrukcí.

Pro výrobu betonových stěn byly použity tři receptury s různým podílem recyklovaného kameniva v betonu. První receptura (NAC) obsahovala pouze přírodní těžené kamenivo a sloužila jako receptura referenční. V receptuře RAC-50 bylo hrubé přírodní kamenivo nahrazeno hrubým recyklovaným směsným kamenivem, drobné kamenivo bylo zachováno přírodní těžené. V poslední receptuře (RAC-100) bylo nahrazeno drobné i hrubé přírodní kamenivo recyklovaným směsným kamenivem. Základní parametry použitého kameniva jsou uvedeny v tab. 1. Recyklované kamenivo se oproti kamenivu přírodnímu vyznačuje násobně vyšší mírou nasákavosti. Drobné recyklované kamenivo frakce 0 – 8 mm má navíc vyšší podíl jemných odplavitelných částic, které zhoršují především pevnost betonu a mají dopad i na jeho zpracovatelnost.

Recyklované směsné kamenivo frakce 0 – 8 a 8 – 16 mm použité pro výrobu stěn je na následujícím obr. Z fotografií je patrné znečištění hrubé složky recyklovaného kameniva dřevěnými částicemi, které mohou mít následně dopad na mechanické i užitné vlastnosti betonu. V tomto případě bylo znečištění způsobeno nedokonalým odstraněním dřevěných materiálů před zpracováním (drcením) stavebního a demoličního odpadu na recyklované kamenivo do betonu. Při běžné výrobě betonu s recyklovaným kamenivem jsou dřevěné částice nežádoucí, nicméně v tomto experimentu lze horší kvalitu recyklovaného kameniva pojmout jako příklad podprůměrných podmínek pro výrobu betonu s potenciálem pro jejich zlepšení.

Grafy na dalším obr. zobrazují křivky zrnitosti drobné a hrubé složky přírodního i recyklovaného kameniva po­užitého v experimentu. Z křivek je opět patrný vyšší podíl odplavitelných částic v drobné frakci recyklovaného kameniva a vyšší podíl zrna o průměru 8 mm v hrubé frakci 8 – 16 mm.

Ve všech uvedených recepturách byl použit portlandský směsný cement CEM II/B‑S 32,5 R Radotín. Při použití recyklovaného kameniva dochází ke snížení pevnosti betonu, proto byla zvýšena dávka cementu. V recepturách byl v závislosti na dávce cementu použit také popílek. Ve všech recepturách byla použita stejná superplastifikační přísada na bázi PCE. Množství záměsové vody se upravovalo při samotném míchání pro docílení požadované konzistence. Vzhledem k vysoké nasákavosti recyk­lovaného kameniva byla potřeba vody u receptur RAC-50 a RAC-100 výrazně vyšší.

Zkoušky čerstvého betonu

U všech receptur byla provedena zkouška konzistence čerstvého betonu dle ČSN EN 12350 – 2, stanovena objemová hmotnost dle ČSN EN 12350 – 6 a změřena teplota betonu. Výsledky těchto zkoušek jsou shrnuty v tab. 2.

Zkoušky ztvrdlého betonu

Z každé receptury byly odebrány vzorky pro výrobu zkušebních těles na zkoušky ztvrdlého betonu, resp. krychle o hraně 150 mm na zkoušku krychelné pevnosti betonu v tlaku dle ČSN EN 12390 – 3 a zkoušku hloubky průsaku tlakovou vodou dle ČSN EN 12390 – 8, trámce 400 × 100 × 100 mm na zkoušku pevnosti betonu v tahu dle ČSN EN 12390 – 5 a válce 150 × 300 mm na zkoušku statického modulu pružnosti dle ČSN ISO 1290-10. U každého tělesa byla též stanovena objemová hmotnost ztvrdlého betonu dle ČSN EN 12390 – 7. Objemová hmotnost ztvrdlého betonu byla stanovena na nevysušeném vzorku bez ocelové výztuže, tudíž se bude lišit od objemové hmotnosti železobetonových stěn, které byly podrobeny akustickým zkouškám. Krychelná pevnost betonu v tlaku byla zkoušena ve stáří betonu 2, 7 a 28 dní (tři tělesa), výsledky pevnosti v tlaku jsou znázorněny v následujícím grafu. Výsledky ostatních zkoušek jsou shrnuty v tab. 3.

Krychelná pevnost betonu v tlaku byla vzhledem ke stanovené pevnostní třídě betonu u všech tří receptur splněna s dostatečnou rezervou. U receptury RAC-100 byl zaznamenán pokles pevnosti o přibližně 5 MPa, a to i přes zvýšenou dávku cementu v receptuře. Objemová hmotnost betonu byla u receptur RAC-50 a RAC-100 nižší oproti referenční směsi s přírodním kamenivem, a to přibližně o 5, resp. 10 %. Vyšší pokles byl zaznamenán u statického modulu pružnosti, který dosahoval 18 % u směsi RAC-50 a až 39 % u směsi RAC-100. Pokles objemové hmotnosti a modulu pružnosti betonu v závislosti na podílu recyklovaného kameniva v betonu odpovídá i dříve prezentovaným výsledkům [4]. Vliv recyklovaného kameniva na pevnost betonu v tahu a hloubku průsaku tlakovou vodou lze považovat za zanedbatelný a v případě průsaku splňuje i nejpřísnější požadavek 20 mm.

Zkoušky akustické neprůzvučnosti

Pro stanovení akustické neprůzvučnosti železobetonových stěn se postupovalo dle ČSN EN ISO 10140 – 2 [5]. Při měření neprůzvučnosti je zkoušený prvek nainstalován do otvoru mezi dvěma vertikálně oddělenými místnostmi (místností zdroje a místností příjmu). Přenos zvuku bočními cestami je při zkoušce zcela eliminován a stanovené hodnoty vyjadřují neprůzvučnost zkoušené konstrukce. V místnosti zdroje se během zkoušky vytvoří difuzní zvukové pole. Následně se v místnostech zdroje i příjmu měří průměrné hladiny akustického tlaku v rozsahu středních kmitočtů pásem 1/3 oktávy od 100 do 5 000 Hz. Neprůzvučnost se posléze stanoví ze vztahu:

kde L₁ je průměrná hladina akustického tlaku v místnosti zdroje [dB], L₂ průměrná hladina akustického tlaku v místnosti příjmu [dB], S plocha zkoušené dělicí konstrukce [m²] a A ekvivalentní pohltivá plocha místnosti příjmu [m²]. Výsledkem zkoušky je vážená laboratorní neprůzvučnost R_w a faktory přizpůsobení spektru C a C_tr, které jsou shrnuty v tab. 4. Graf na dalším obr. zobrazuje naměřené výsledky akustické neprůzvučnosti v celém rozsahu zvukoizolačního pásma (plné čáry) s posunutými směrnými křivkami (čárkované čáry) dle [6], které v pásmu 500 Hz stanovují váženou laboratorní neprůzvučnost konstrukce R_w. Svislé čárkované čáry vyznačují zvukoizolační pásmo směrných křivek.

Pro stanovení vážené stavební neprůzvučnosti R’_w je nutné od vážené laboratorní neprůzvučnosti R_w odečíst korekci přenosu zvuku vedlejšími cestami k₁, která se pro dělicí konstrukci z monolitického železobetonu s těžkými bočními konstrukcemi uvažuje dle ČSN 73 0532 [5] hodnotou 2. Z průběhu naměřených křivek vyplývá, že největší rozdíl mezi prvkem z betonu s přírodním kamenivem a prvky z betonu s recyklovaným kamenivem nastává v okolí pásma 100 a 250 Hz, kde je neprůzvučnost betonu s přírodním kamenivem vyšší o přibližně 15, resp. 10 dB. Ve zbytku pásem se hodnoty liší minimálně a průběh je víceméně totožný. Výsledná vážená laboratorní neprůzvučnost konstrukcí s recyklovaným kamenivem se liší od referenční konstrukce o 3 dB. Ačkoliv je objemová hmotnost konstrukce z betonu RAC-100 o dalších 110 kg/​​m³ nižší než konstrukce z betonu RAC-50, tento rozdíl se v naměřené akustické neprůzvučnosti významně neprojevil, a proto je průběh posunutých směrných křivek s výslednou hodnotou vážené laboratorní vzduchové neprůzvučnosti totožný. Všechny tři konstrukce tak splňují požadavek na váženou stavební neprůzvučnost dle ČSN 73 0532 mezi dvěma obytnými místnostmi sousedních bytů, kde je stanovena mezní hodnota 53 dB. Železobetonové stěny byly zkoušeny bez dalších přídavných vrstev. V případě mezibytových stěn lze předpokládat, že by na stěnu byla z obou stran aplikována vrstva omítky, která by stěnu ještě zesílila a zlepšila tak vzduchovou neprůzvučnost celé konstrukce.

Fyzikální materiálové konstanty

Spolu s akustickou neprůzvučností železobetonových stěn byly stanoveny i fyzikální materiálové konstanty všech tří betonových směsí použitých v experimentu. Stanoven byl dynamický modul pružnosti betonu v tahu, rychlost šíření podélných vln materiálem a také ztrátový činitel. Parametry byly stanoveny vždy na třech tělesech o rozměrech 100 × 50 × 600 mm rezonanční metodou podle postupu uvedeného v měřicí metodice P 04 0013 – VÚPS 22/548/79. Výsledky měření jsou shrnuty v tab. 5. Je nutné vzít v potaz, že zkoušená tělesa nebyla vyztužena, a proto se reálné hodnoty železobetonových stěn mohou od těch naměřených lišit. Cílem měření bylo ověřit vliv recyklovaného kameniva na tyto parametry vzhledem k jeho odlišným vlastnostem oproti kamenivu přírodnímu, a to zejména kvůli výskytu částic z nežádoucích materiálu, jako je např. dřevo.

Z výsledků je opět patrný negativní vliv recyklovaného kameniva na dynamický modul pružnosti. Při náhradě hrubé frakce recyklovaným kamenivem u receptury RAC-50 poklesla hodnota modulu o přibližně 8 %. U receptury se 100% podílem recyk­lovaného kameniva byl oproti referenční receptuře pokles modulu přibližně 25 %. V porovnání se statickým modulem pružnosti byl vliv recyklovaného kameniva na dynamický modul pružnosti nižší. Rychlost šíření podélných vln se mezi měřenými vzorky znatelně lišila pouze u receptury RAC-100, a to přibližně o 200 m/​​s. Ztrátový činitel stoupl u směsí s recyklátem o přibližně 9 %.

Mnohem důležitější rozdíl však nastává při srovnání naměřených hodnot rychlosti šíření podélných vln a ztrátového činitele s hodnotami udávanými literaturou. Naměřené hodnoty rychlosti šíření podélných vln jsou přibližně o jednu třetinu nižší. Naopak hodnoty ztrátového činitele jsou více než čtyřnásobné oproti hodnotám uvedeným v literatuře, a to i v případě betonu s přírodním kamenivem. Hodnoty uvedené ve skriptech pocházejí z roku 1998 a je tedy otázkou, zda jsou výsledky srovnatelné nejen z hlediska použité měřicí metody, ale také z hlediska složení betonu, vezmeme-li v úvahu vývoj technologie betonu od té doby. Naměřené výsledky však mohly být ovlivněny i povahou zkoušky, u které se počítá s dokonalým vetknutím v místě úchytu vzorku do měřicího zařízení. Míra vetknutí je závislá na rovinatosti povrchu v místě úchytu, která byla u jednoho povrchu zkušebních těles problematická, a to převážně z důvodu rozměrů zkušebních těles a hrubozrnné povaze betonových směsí.

Předložený článek prezentuje výsledky experimentálního ověření akustické neprůzvučnosti železobetonových stěn vyrobených z betonu s 0%, 50% a 100% podílem recyklovaného směsného kameniva získaného zpracováním stavebního a demoličního odpadu. Spolu s neprůzvučností byly stanoveny i základní mechanické parametry betonu a fyzikální materiálové veličiny popisující jeho další akustické vlastnosti.

Ačkoliv bylo pro výrobu betonu použito recyklované kamenivo s vysokým podílem jemných částic u drobné frakce a znečištěním dřevěnými třískami u frakce hrubé, výsledné parametry byly pro zamýšlenou konstrukci nosné dělicí stěny bytového objektu vyhovující. Akustická neprůzvučnost se při použití recyklovaného kameniva snížila o 3 dB, a to při nahrazení přírodního kameniva z 50 i 100 % kamenivem recyklovaným. Ve všech případech byly při uvažovaných podmínkách splněny požadavky na zvukovou izolaci dle platných norem a lze očekávat i mírné zlepšení v případě aplikace návazných vrstev.

Změřené materiálové veličiny, rychlost šíření podélných vln a ztrátový činitel se neshodovaly s hodnotami uváděnými v literatuře. Rychlost šíření podélných vln byla u všech variant podhodnocená a ztrátový činitel naopak oproti literatuře nadhodnocený. Zkoušky by tak bylo vhodné v budoucnu zopakovat a ověřit, zda změřené výsledky stále odpovídají těm doporučeným.