Udržitelná budoucnost betonu aneb stavba není laboratoř

Článek se zabývá problematikou snižování uhlíkové stopy betonu a dopady souvisejících opatření na kvalitu, trvanlivost a realizovatelnost staveb. V úvodu je analýza tří klíčových oblastí spojených s udržitelnou výrobou betonu – těžby surovin, spotřeby vody a emisí CO₂.  V návaznosti na to je představen vliv typu cementu a jeho slínkového faktoru na uhlíkovou stopu, pevnostní charakteristiky, mrazuvzdornost a odolnost betonu vůči vodě a chemickým rozmrazovacím látkám. Na základě praktických měření a dat z reálné výroby článek ukazuje, že přechod k nízkoemisním cementům, zejména CEM II a CEM III, může znamenat nejen environmentální přínosy, ale i technologická rizika – pomalejší nárůst pevností, vyšší citlivost na ošetřování a zhoršenou odolnost povrchových vrstev. Podle autorů skutečná udržitelnost spočívá v rovnováze mezi ekologickými cíli a kvalitou a životností konstrukcí. Článek přináší cenný pohled na hledání optimální cesty k nízkoemisním betonům bez ztráty trvanlivosti a funkčnosti betonových konstrukcí, a to formou mezioborové spolupráce mezi producenty základních surovin, výrobci betonu a realizačními firmami.

Obr. 1 Recyklované kamenivo může v celkové spotřebě nahradit maximálně 10 % kameniva přírodního (foto: archiv autorů)

Beton je hned po vodě nejpoužívanějším materiálem na světě. Základním stavebním materiálem se stal nejen díky svým všestranným mechanickým vlastnostem a velké odolnosti, ale také díky široké dostupnosti a relativně nízké ceně. Téměř žádná moderní stavba se neobejde bez použití betonu. Stavby, jako jsou silnice, mosty, přehrady a další významné infrastrukturní a inženýrské stavby, jsou na použití betonu zcela závislé. Bez nadsázky lze říci, že celá naše současná civilizace je vybudovaná na betonu. Právě díky jeho široké oblibě přesahuje celosvětová spotřeba betonu ročně 30 miliard tun [1]. Velká spotřeba betonu s sebou však nese i spoustu negativních aspektů, týkajících se převážně životního prostředí a dlouhodobé udržitelnosti tohoto odvětví.

Udržitelný rozvoj a výroba betonu

S výrobou betonu jsou spjaty tři hlavní problémy, které se týkají udržitelného rozvoje: těžba nerostných surovin, spotřeba pitné vody a emise skleníkových plynů. Níže jsou jednotlivé oblasti stručně představeny.

Těžba nerostných surovin

Prvním problémem je těžba nerostných surovin, na kterých je výroba betonu zcela závislá. Jedná se primárně o těžbu stavebního kamene, využívaného jako plnivo do betonu, a vápence, který je potřeba pro výrobu cementu. Ačkoliv je zásoba těchto surovin celosvětově stále vysoká, jejich dostupnost v některých oblastech výrazně klesá. Nízká dostupnost paradoxně nebývá způsobena pouze nedostatkem či vyčerpáním zásob dané suroviny, ale také omezenou těžební kapacitou stanovenou právními předpisy. Těžba těchto surovin má mnoho negativních environmentálních dopadů. Lomy významně zasahují do krajiny v místě těžby, což může vést k ohrožení lokálních ekosystémů, fragmentaci krajiny, ovlivnění hladiny podzemních vod, erozi a dalším negativním jevům. Samotná těžba s sebou pak může nést zhoršení životních podmínek pro okolní obyvatele, např. ve formě zvýšeného hluku, prašnosti a nákladní dopravy. Z těchto a mnoha dalších důvodů je otevírání nových či prodlužování stávajících lomů v právním státě čím dál tím složitější, neboť často naráží na odpor místních obyvatel nebo spolků. Tento problém samozřejmě stoupá se zvyšující se hustotou zalidnění. (Více v článku: Ložiska stavebních surovin jako ložiska strategického významu)

Spotřebu a nedostupnost přírodního kameniva lze částečně řešit využíváním kameniva recyklovaného, nejčastěji získaného zpracováním stavebního a demoličního odpadu (SDO). Využívání recyklovaného kameniva v betonu se věnovaly články v předchozích číslech časopisu [2] až [5]. Zde je vhodné pouze připomenout, že recyklované kamenivo může nahradit pouze malou část spotřeby přírodních zdrojů. Realistické odhady se pohybují okolo 10 %, a to pouze za určitých předpokladů. Výroba betonu tak zůstane i nadále závislá na těžbě velkého množství nerostných surovin.

Spotřeba vody

Druhým problémem je velká spotřeba vody, která se využívá jak pro výrobu betonu, tzv. záměsová voda, tak i pro oplach provozních a strojních zařízení. Požadavky na záměsovou vodu jsou jasně stanovené v normě ČSN EN 1008. Ve většině případů se využívá pitná voda z vodovodního řadu nebo lokálních zdrojů. Částečně lze za určitých podmínek pitnou vodu nahradit vodou získanou při recyklaci na betonárně. Využití dešťové vody je problematické a splaškovou vodu použít nelze vůbec. Tedy i zde jsou možnosti, co se týče omezení spotřeby pitné vody, limitované.

Uhlíková stopa

Třetím významným problémem výroby betonu jsou emise skleníkových plynů, zejména oxidu uhličitého – CO2. Největší část emisí CO2 vzniká při výrobě cementu, ta je zodpovědná za 5 – 8 % celosvětových emisí CO2. Při výrobě jedné tuny čistého portlandského slínku vznikne přibližně 0,75 – 0,95 t CO2, konkrétní hodnota závisí na účinnosti pece a typu paliva. Z této hodnoty je přibližně 50 % výsledek kalcinace, tedy chemického procesu, při kterém dochází k uvolňování CO2 při výpalu vápence. Emise ze spalování paliv k dosažení teplot okolo 1 450 °C pro výpal vápence tvoří přibližně 40 %. Za zbylých 10 % je zodpovědná spotřeba elektřiny a transport materiálu. [6], [7]

Zatímco emise ze spalování paliv lze snížit, např. využíváním tuhých alternativních paliv (TAP) místo plynu nebo uhlí, emise způsobené kalcinací snížit nelze. Momentálně je jedinou možností vyprodukovaný CO2 zachytit a uložit pomocí technologie Carbon Capture and Storage (CCS), příp. zachytit a znovu využít technologií Carbon Capture and Utilization (CCU). Tyto technologie jsou však finančně nákladné, technologie CCS je dnes v provozu v průmyslovém měřítku pouze na jedné cementárně na světě. Nejúčinnějším a nejrychlejším řešením je proto snižování produkce slínku, což se projevuje přechodem na směsné a vysokopecní cementy, namísto cementu portlandského.

Z pohledu výroby betonu má tedy největší podíl na uhlíkové stopě typ a množství cementu ve směsi. Z tohoto důvodu je to i hlavní proměnná, kde se hledají největší úspory emisí CO2. Další emise, které se započítávají do uhlíkové stopy betonu, se týkají zejména těžby surovin, přepravy jednotlivých materiálů a provozu betonáren. Se zvyšující se přepravní vzdáleností, např. mezi lomem a betonárnou, podíl přepravy na uhlíkové stopě betonu stoupá.

Nástroje snižování uhlíkové stopy

K naplňování klimatických cílů Evropské unie se využívají dva hlavní nástroje, které jsou primárně založeny na finanční motivaci. Prvním je systém emisních povolenek a druhým pak hodnocení firem pomocí ESG reportingu.

Emisní povolenky

Evropský systém pro obchodování s emisemi (EU ETS) zavedl institut emisních povolenek. Množství emisních povolenek, resp. množství CO2, které mohou podniky v EU dohromady vypustit do ovzduší, postupně každý rok klesá, což má následně vliv na cenu povolenek na evropských energetických burzách. Jak již bylo vysvětleno výše, emise z výroby cementu vznikají primárně při výpalu slínku. Aby cementárny omezily emise uhlíku, musí vyrábět méně slínku. Poptávka po cementu je však stále stejná, a je tedy nutné slínek substituovat příměsemi, jako je např. mletý vápenec, vysokopecní granulovaná struska, elektrárenský popílek aj. Výsledkem těchto substitucí slínku jsou již zmíněné směsné cementy.

ESG reporting

ESG reporting je systém nefinančního hodnocení firem, který hodnotí firmy na základě toho, jak se chovají k životnímu prostředí, jaký mají vztah k lidem a společnosti, ale také jak je daný podnik řízen a kontrolován. Na základě tohoto hodnocení se pak mj. může odvíjet dostupnost finančních úvěrů pro danou firmu. ESG reporting proto začíná hrát významnou roli i u nových developerských projektů. Výše úrokové sazby, kterou banky investorovi poskytnou, se může odvíjet právě na základě ESG ratingu, což zásadně ovlivňuje možnosti financování projektu. V praxi se to projevuje tak, že v projektech bývá nově stanovena i maximální uhlíková stopa jednotlivých druhů betonu, které jsou v projektu navrženy. Omezení uhlíkové stopy betonu však často není v souladu s technickým požadavky betonu. Zadavatelé neberou vždy v potaz dopad na dobu výstavby, která se může výrazně prodloužit vlivem použití nízkoemisních cementů, nebo vytváří tlak na snižování rezerv pevnosti betonu kvůli snižování obsahu cementu ve směsi. Projektů s požadavkem na omezení uhlíkové stopy betonu jsou momentálně jednotky, nicméně do budoucna lze počítat s tím, že soutěží na základě uhlíkové stopy bude přibývat.

Environmentální prohlášení produktu (EPD)

K soutěžení zakázek na základě uhlíkové stopy je však nutné dodat ještě jednu poznámku. Momentálně jediným podkladem pro porovnání betonových směsí z pohledu uhlíkové stopy je Environmentální prohlášení produktu (EPD). EPD si každý výrobce zpracovává sám a následně jej nechá ověřit nezávislou třetí stranou. Nicméně subjektů, které ověřování EPD provádí, je více a jejich metody ověřování se mohou lišit. Nabízí se tedy otázka, zda EPD jednotlivých výrobců jsou zcela porovnatelná a zda by neměla existovat jednotná metodika, jak EPD vypracovávat.

Uhlíková stopa stavby a podíl betonu

Řešíme-li uhlíkovou stopu betonu, je dobré se na ni dívat v kontextu celého životního cyklu stavby. U běžných civilních a rezidenčních staveb má totiž největší podíl na emisích skleníkových plynů fáze provozu stavby, a to až 70 %. Těžba surovin a výroba stavebních materiálů je pak zodpovědná přibližně za 20 % [9]. U dopravních a inženýrských staveb bude tento poměr samozřejmě jiný, jelikož v provozní fázi se významně snižují či úplně odpadají emise např. z vytápění, chlazení aj.

Podíváme-li se na to z druhé strany, tedy v jaké fázi je největší potenciál ke snížení emisí skleníkových plynů, pak zde největší význam hraje fáze plánování a projektování. Největší úspory emisí můžeme totiž docílit např. tím, že místo novostavby zvolíme variantu rekonstrukce a prodloužení životnosti stávající stavby. Dále je velký potenciál ve fázi návrhu a jeho optimalizace. Následuje fáze výstavby, kde je potenciál již nižší. Tu je možné ovlivnit např. dekarbonizací stavebních materiálů nebo zvýšením efektivity výstavby. Nejnižší potenciál je pak ve fázi provozu a údržby [10].

Důležitou roli hraje také životnost stavby, která by se měla brát v úvahu při posuzování celkových emisí. Stavba, na niž byly využity kvalitní materiály s uhlíkovou stopou o 20 % vyšší, ale s životností 100 let, bude mít z pohledu uhlíkové stopy menší dopad než stavba, na které se použily nízkoemisní materiály, ale jejíž životnost bude na konci cyklu pouze 50 let.

Nízkoemisní betony – betony budoucnosti?

Z výše uvedeného lze vypozorovat jasný trend, a to že tlak na využívání nízkoemisních betonů bude čím dál tím větší. Současně lze předpokládat, že cesta k nízkoemisním betonům vede skrze směsné cementy s nižším podílem slínku. Ačkoliv je snaha o snižování uhlíkové stopy bezesporu správná, je nutné si uvědomit i všechny praktické důsledky, které to přináší.

Výhody a rizika nízkoemisních betonů

Slínkový faktor a dávka cementu v betonu

Jak bylo uvedeno výše, hlavní vliv na uhlíkovou stopu cementu má obsah slínku, tzn. slínkový faktor. Slínkový faktor tedy udává, kolik procent z cementu tvoří slínek. Výrobci cementu tento faktor pozorně sledují a snaží se ho postupně snižovat. Snižováním slínkového faktoru se snižuje uhlíková stopa cementu, a tím potřeba emisních povolenek.

Snižování uhlíkové stopy ale ne vždy plně koresponduje se snižováním uhlíkové stopy betonu. Ke snížení uhlíkové stopy betonu sice dojde, ale zdaleka ne tolik jako u cementu, protože se dávkování cementu většinou zvýší, což je ukázáno v následujícím příkladu.

Obr. 2 Emise CO2 z výroby portlandského slínku (přepracovaná grafika z [8])

V příkladu je uvedeno statistické vyhodnocení provzdušněných betonů z jedné betonárny za období zhruba dvou roků. Zde jsou uvedeny betony s cementem CEM I 42,5 R (CEM I) a CEM II/B‑S 32,5 R (CEM II). V grafu na obr. 3 je uvedena závislost pevnosti na množství cementu. V tomto případě došlo při záměně cementu z CEM I na CEM II k nárůstu dávkování o cca 13 % pro dosažení stejné pevnosti. Cement CEM II má ale o zhruba 24 % nižší uhlíkovou stopu, a tak i přes navýšení množství cementu ke snížení uhlíkové stopy dojde. V grafu na obr. 4 je uvedena uhlíková stopa betonu (ale pouze od cementu) v závislosti na pevnosti v tlaku, ve vztahu k použitému cementu. Pro beton s cílovou pevností v tlaku 50 MPa tak dojde v uvedeném příkladu použitím cementu CEM II místo CEM I ke snížení uhlíkové stopy betonu finálně jen o 14 %.

Obr. 3 Závislost pevnosti v tlaku na množství cementu u provzdušněných betonů, v závislosti na typu cementu
Obr. 4 Závislost uhlíkové stopy cementu na pevnosti v tlaku u provzdušněných betonů, v závislosti na typu cementu

Používání nízkoemisních cementů z pohledu uhlíkové stopy betonu tedy smysl má, i když významně nižší, než by se zdálo pouze z uhlíkové stopy cementu. Jak bude vidět z dalších částí textu, použití nízkoemisních cementů může způsobit jiné problémy.

Odolnost betonu v prostředí s mrazovými cykly

Typ cementu a způsob jeho výroby má velký vliv na odolnost betonu v mrazových cyklech. Beton je mrazovými cykly namáhán dvěma způsoby a dvěma způsoby je i zkoušen. V prostředí XF1 a XF3, kde je předpokládáno namáhání mrazovými cykly za přítomnosti vody, je odpovídající zkouškou mrazuvzdornost betonu dle ČSN 73 1322 [11]. Při této zkoušce se porovnává pokles pevnosti v tahu za ohybu zmrazovaného tělesa a tělesa referenčního. Oproti tomu v prostředí XF2 a XF4 je předpokládáno namáhání betonu mrazovými cykly za přítomnosti vody a chemických rozmrazovacích látek (CHRL). V tomto případě se dle postupu uvedeného v ČSN 73 1326 [12] stanovuje hmotnost odpadu z povrchu zkušebního tělesa na jednotku plochy.

Mrazuvzdornost betonu

K dosažení dobré mrazuvzdornosti je potřeba zejména dobré provzdušnění betonu (obr. 5). Ukazuje se, že obsah vzduchu je mnohem důležitější než obsah cementu nebo pevnost betonu a že minimální hodnota obsahu vzduchu daná normou ČSN EN 206+A2 není dostatečná pro mrazuvzdornost T150.

Obr. 5 Mrazuvzdornost v závislosti na obsahu vzduchu v čerstvém betonu

Typ cementu může naopak mrazuvzdornost ovlivnit výrazně (obr. 6). Z grafu je vidět, že betony z cementů CEM I 42,5 R a CEM II/B‑S 32,5 R mají při podobném obsahu vzduchu podobné mrazuvzdornosti. Oproti tomu beton z cementu CEM III/B 32,5 L – LH/SR, při obsahu vzduchu na spodní hranici dané normou, má výsledky významně lepší. Otázkou je, jestli je to dáno lepšími parametry cementu pro dosažení mrazuvzdornosti, nebo zkreslením zkoušky z důvodu velmi pomalého nárůstu pevností. Každopádně se v tomto případě ukazuje, že snížení uhlíkové stopy použitím cementu
CEM III/B vede k lepším výsledkům mrazuvzdornosti. Je to tedy ideální případ, kde lze uhlíkovou stopu omezovat bez negativních následků na trvanlivost.

Obr. 6 Mrazuvzdornost v závislosti na množství a typu cementu

Uvedené výsledky nejsou z běžné výroby, ale ze zkušebního míchání, jehož hlavním účelem bylo měření hydratačních tepel.

Odolnost betonu proti vodě a CHRL

V případě odolnosti betonu proti vodě a CHRL se nejdůležitějším parametrem ukazuje kvalitativní stálost a složení cementu. V grafu na obr. 7 jsou uvedeny mediány odpadů při zkoušce odolnosti povrchu betonu proti vodě a CHRL (po 75 cyklech metodou „C“) za období zhruba 2 let. Všechny výsledky jsou naměřeny na provzdušněných betonech pevnostní třídy C30/37. Celkově bylo vyhodnoceno téměř 150 výsledků.

Obr. 7 Medián odpadu při zkoušce odolnosti betonu pevnostní třídy C30/37 proti vodě a CHRL po 75 cyklech metodou „C“, v závislosti na typu cementu

Cement CEM III/B 32,5 L – LH/SR nebyl vyhodnocen z důvodu nedostatečného množství statistických dat z běžné výroby. Provedené zkoušky na menším vzorku dat zatím ukazují spíše horší výsledky s velkou variabilitou.

Referenční beton je beton s cementem CEM I 42,5 R. Jedná se o portlandský cement, který obsahuje 95 – 100 % slínku. Tento cement je tedy složením téměř čistý slínek bez dalších příměsí.

Dalším vyhodnoceným betonem je beton s cementem CEM II/B‑S 32,5 R, což je portlandský struskový cement, který obsahuje 65 – 79 % slínku a 21 – 35 % strusky.

Posledním vyhodnoceným betonem je beton s cementem CEM II/A‑S 52,5 N WHITE. Jedná se o portlandský struskový cement, který obsahuje 80 – 94 % slínku a 6 – 20 % strusky. Tento cement je specifický tím, že má bílou barvu. Bílé barevnosti je dosaženo jednak výběrem suroviny a jednak palivy použitými pro výpal slínku. Pro běžné cementy jsou kvůli snížení uhlíkové stopy cementu využívána tuhá alternativní paliva (TAP), která jsou vyráběna z odpadu. Využití TAP ale u bílých cementů kvůli zajištění barevnosti není možné, což má sice za následek významně vyšší uhlíkovou stopu, ale na druhou stranu není cement ovlivněn typem TAP a kolísáním jeho kvality.

V grafu na obr. 7 je vidět, že medián odpadů při zkoušce odolnosti betonu proti vodě a CHRL na betonu s cementem CEM II/B‑S 32,5 R je téměř 3,5× vyšší než u referenčního betonu. Důvodů pro tyto výsledky může být více a nelze je jednoznačně definovat. Kvalitu cementu může ovlivnit kvalitativní kolísání použité příměsi (strusky). Na druhou stranu proces výroby cementu v tomto případě, při srovnání s referenčním betonem z cementu CEM I, nebude mít vliv, protože se jedná o cementy ze stejné cementárny, se stejným slínkem, vypalovaným pomocí stejného paliva. Ostatní vstupní materiály používané pro výrobu porovnávaných betonů jsou stejné (kamenivo, přísady).

Oproti tomu je medián odpadů na betonu s bílým cementem CEM II/A‑S 52,5 N na výrazně nižší úrovni, a to cca pětinový oproti referenčnímu betonu. Cement má sice své nevýhody, velmi brzy reaguje a má rychlý a vysoký vývoj hydratačního tepla, ale z pohledu odolností proti vodě a CHRL je na významně vyšší úrovni než ostatní cementy. Důvodů pro tento jev může být opět více a pro jasné nalezení příčiny by se musel provést rozsáhlý výzkum. Uvedené výsledky ukazují tuto skutečnost, ale ne její důvody. Jedním z důvodů může být způsob výroby a výpalu použitého slínku, kdy se pro výpal nepoužívají TAP, která mohou mít velký vliv na kompatibilitu cementu s chemickými přísadami.

Vyhodnocení cementů s ohledem na trvanlivost

Na základě vyhodnocení odolnosti betonu v prostředí s mrazovými cykly lze konstatovat následující:

  • vždy je nutno správně posoudit způsob mrazových cyklů, jakými je beton namáhán. Tzn. specifikace správného stupně vlivu prostředí je základ,
  • mrazuvzdornost a odolnost povrchu betonu proti vodě a CHRL mohou vyžadovat jiný způsob návrhu složení betonu, je tedy nutno pečlivě volit mezi stupni vlivu prostředí XF1, XF3 a XF2, XF4,
  • typ cementu má významný vliv na odolnost betonu, resp. trvanlivost konstrukce,
  • pro konstrukce namáhané vodou a CHRL jsou vhodné portlandské cementy nebo cementy s nižší dávkou příměsí,
  • mrazuvzdornost betonů s cementem o vysokém obsahu strusky je obecně vyhovující, zásadní je v tomto případě provzdušnění betonu. Odolnost proti vodě a CHRL je ale u betonů s tímto cementem často nedostatečná,
  • odolnost betonu je velmi důležitým parametrem z pohledu udržitelnosti. Beton odolný vlivům prostředí je základem pro trvanlivou konstrukci. Teprve reálná životnost konstrukce určí, které řešení je z pohledu uhlíkové stopy lepší,
  • u konstrukcí v agresivnějších prostředích je základem návrh betonu s co nejdelší trvanlivostí. Návrh betonu se sníženou uhlíkovou stopou může být v tomto prostředí kontraproduktivní.

Ošetřování a trvanlivost reálných betonových povrchů

Výše uvedené výsledky byly naměřeny na tělesech v perfektním laboratorním prostředí, ať už z pohledu teploty, tak vlhkosti. V časech, kdy se většina betonů vyráběla z portlandského cementu, měly tyto výsledky dobrou vypovídající hodnotu. Pro nízkoemisní betony to ale bude pravděpodobně jiné.

V grafu na obr. 8 je porovnána krychelná pevnost těles stáří 28 dnů, zhotovených z betonu C30/37 XA2 s cementem CEM III/B. Část vzorků byla uložena a ošetřována ve standardním prostředí, teplota 20 ± 2 °C a relativní vlhkost ≥ 95 %. Druhá část vzorků byla odformována po třech dnech a následně uložena v prostorách laboratoře, zcela bez ošetřování. Je vidět, že i tato změna ošetřování, nijak dramatická, způsobila pokles pevnosti betonu s cementem CEM III/B o 25 %, což může být třeba u stropních konstrukcí rizikové. U rychlejších cementů takto velký pokles pevností pozorován není. Na stavbě mohou být podmínky z pohledu ošetřování výrazně horší a zároveň rezervy betonu nebudou tak vysoké. U bílých van velké riziko nehrozí, protože je předpoklad dotování vlhkosti z přiléhající zeminy do betonu a zároveň bývají konstrukce masivnější, takže jejich vysychání trvá déle.

Obr. 8 Krychelná pevnost betonu z cementu CEM III/B v závislosti na ošetřování

Dalším příkladem jsou extrémně namáhané povrchy v prostředí XF4, např. římsy a vozovky. V prostředí XF4, kde o trvanlivosti konstrukce rozhoduje pár centimetrů od povrchu konstrukce, může být efekt naprosto zásadní. Nepředpokládá se využití nízkoemisních cementů např. pro cementobetonové kryty, na trhu jsou ale dostupné betony z těchto cementů, určené pro konstrukce v prostředí XF4. Tyto povrchy jsou ošetřovány pouze postřiky proti odparu, lze tedy předpokládat, že mohou mít vlivem nedokonalého zhydratování snížené odolnosti proti vodě a CHRL. V laboratoři na zkušebních tělesech přesto mohou vyjít vyhovující výsledky, obzvláště po 90 dnech.

Na základě dostupných výsledků je nejvhodnějším cementem pro prostředí XF4 CEM I, alternativně pak v omezené míře ještě CEM II/A‑S, a to nikoliv z pohledu laboratorních výsledků, podle kterých mohou dosahovat potřebné parametry i vzorky vyrobené z CEM II a CEM III, ale zejména z důvodu trvanlivosti skutečných konstrukcí. Trvanlivost skutečných konstrukcí je klíčem pro udržitelnost v dopravním stavitelství.

Vývoj hydratačního tepla a rychlost odbedňování

Obsah slínku, a s tím spojená uhlíková stopa cementu, ovlivňuje u betonu i vývoj hydratačního tepla a rychlost odbedňování konstrukce.

Jsou konstrukce, kde je snížení vývinu hydratačního tepla vyžadováno. Jde zejména o masivní konstrukce, resp. o konstrukce, kde je předepsána maximální přípustná teplota v konstrukci během hydratace investorem, jako např. Ředitelstvím silnic a dálnic nebo Správou železnic. Dalším případem mohou být vodonepropustné konstrukce, známé jako bílé vany. V těchto případech je požadavek na snižování uhlíkové stopy ve shodě s technickými požadavky na kvalitní dílo a výběr cementu hraje zásadní roli při návrhu složení betonu.

Jiná situace je u běžných konstrukcí, kde jsou tloušťky konstrukcí nižší a jedním z hlavních požadavků je rychlost výstavby. U stěnových konstrukcí většinou s pomalejším náběhem pevností problém není. Rizikové jsou zejména sloupy a stropy. U stropů je častý požadavek na brzké dosažení 70 % cílové pevnosti betonu pro odbednění. U běžně používaných betonů to problém není, ale u betonů s požadavkem na zásadní omezení uhlíkové stopy toto spojení požadavků může být protichůdné.

Pro názornost jsou v grafu na obr. 9 znázorněny náběhy krychelných pevností na betonech z cementů CEM I 42,5 R, CEM II/B‑S 32,5 R a CEM III/B 32,5 L – LH/SR.

Obr. 9 Vývoj pevnosti betonu v tlaku v závislosti na typu cementu

Jedná se o pevnostní třídu C30/37 a vzorky byly uloženy v laboratorních podmínkách (teplota okolo 20 °C). Průměrné denní teploty okolo 20 °C se v ČR vyskytují zhruba dva až tři měsíce v roce a zbytek roku jsou denní průměry nižší. U běžných betonů se hydratace téměř zastavuje při teplotách pod 5 °C (cca čtyři  měsíce v roce). Z vlastní zkušenosti můžeme říct, že u betonů s cementem CEM III/B 32,5 L – LH/SR se nárůst pevností zastavuje ještě dříve. První tři dny po betonáži je teplota betonu v konstrukci ovlivněna vyvíjeným hydratačním teplem, ale poté se teplota betonové konstrukce s teplotou prostředí srovná a dále ji kopíruje. Čtyři měsíce v roce, kdy je teplota prostředí pod 5 °C, se tedy pevnost betonu zastaví na hodnotě dosažené po třech dnech, pokud konstrukci nezahříváme vnějším zdrojem. Dle grafu na obr. 8 lze konstatovat následující:

  • u portlandského cementu CEM I 42,5 R bude po třech dnech dosaženo 100 % pevnosti pevnostní třídy C30/37, strop může být bez problémů odbedněn,
  • u struskoportlandského cementu CEM II/B‑S 32,5 R bude dosaženo po třech dnech pevnosti přibližně 25 MPa, což je necelých 70 %. Pevnost konstrukce bude potřeba pro jistotu nedestruktivně zkontrolovat a odbedňovat se bude dle aktuálních podmínek po cca třech až sedmi dnech. Betonu bude potřeba v chladnějším počasí pomoct externím zdrojem tepla,
  • u vysokopecního cementu CEM III/B 32,5 L – LH/SR bude dosaženo po třech dnech pouhých cca 14 MPa. V laboratorních podmínkách by beton požadavku na 70 % pevnosti (26 MPa) dosáhl po zhruba 10 dnech, což je ale v reálných klimatických podmínkách dosažitelné pouze dva až tři měsíce v roce. V chladném počasí (čtyři měsíce v roce) pak bude potřebovat externí ohřev po delší dobu. Nedá se předpokládat, že by externí ohřev dokázal konstrukci prohřát na 20 °C, vývoj pevnosti tak bude významně pomalejší, než je znázorněno v grafu. Reálné zkušenosti ukazují, že k odbednění stropů z tohoto cementu může dojít v chladném počasí až po několika měsících, za předpokladu topení na stavbě. Beton ještě navíc může vlivem strusky reálně zezelenat (obr. 10).
Obr. 10 Beton z cementu CEM III/B po dlouhém uložení v bednění (foto: archiv autorů)

Momentálně je pro většinu standardních betonů používán cement CEM II, který přináší optimální poměr mezi cenou, rychlostí a uhlíkovou stopou. V případě poptávky na betony se silně redukovanou uhlíkovou stopou je nutno navrhnout betony z nízkoemisních cementů, ale zároveň upozornit na rizika uvedená výše. Poptávky na nízkouhlíkové betony totiž většinou obsahují požadavek, že zvolené řešení nesmí mít vliv na rychlost výstavby a kvalitu díla.

Může být UHPC ekologicky šetrné?

Portlandský cement CEM I je nyní základem pro speciální produkty, které jsou extrémně náchylné na kolísání parametrů. Jedním z těchto produktů je např. ultra vysokohodnotný beton (UHPC). UHPC je sice z pohledu uhlíkové stopy vysokoemisním produktem na 1 m3 objemu, ale pokud se vezme v úvahu stavba jako celek, proces výstavby i životnost konstrukce, může být UHPC velmi udržitelným řešením. Hlavní příklady využití UHPC jsou následující:

  • prefabrikované konstrukce lávek a mostů, kde je díky UHPC snížen objem použitého materiálu a prodloužena životnost konstrukce,
  • sanace starých konstrukcí, které mohou být díky přibetonávce z UHPC zachovány a jejich životnost prodloužena,
  • kombinované konstrukce, kde odolnou obálku vůči agresivnímu prostředí tvoří UHPC a výplň, která konstrukci dodává tuhost a stabilitu, může tvořit materiál z nízkoemisních cementů a druhotných surovin.

Pokud tedy skutečně v následujících letech dojde k postupnému omezování nabídky portlandských cementů, je nutné se vyvarovat komplikacím zejména u prémiových typů betonů, tedy např. UHPC, betonů pro dopravní stavby v kategorii XF4, ale i třeba u směsí pro injektáže kanálků předpínací výztuže. Způsob řešení popisovaných potíží bez dopadů na kvalitu konstrukcí nebo jejich životnost však zatím znám není. S ohledem na kvalitu výstavby těch nejnáročnějších stavebních konstrukcí se jeví jako přirozené, zachovat ještě po nezbytnou dobu alespoň omezenou dostupnost portlandských cementů.

Závěr

Snižování uhlíkové stopy betonu je jistě potřebné, ale je nutné najít řešení komplikací, které to může způsobit:

  • uhlíková stopa cementu ovlivňuje uhlíkovou stopu betonu, ale kvůli navýšení množství cementu méně, než by se dalo očekávat,
  • snižování obsahu slínku v cementu má za následek pomalejší nárůsty pevností a vyšší citlivost na teploty prostředí během zrání,
  • betony s cementy s nižším obsahem slínku mají horší odolnosti povrchu proti vodě a CHRL. U cementu CEM II 32,5 R je medián výsledků 3,5× vyšší, než u cementu CEM I 42,5 R,
  • bílý cement, který je vyráběn bez využití tuhých alternativních paliv, vykazuje lepší výsledky odolností proti vodě a CHRL. Medián odpadů činí necelých 20 % z odpadů cementu CEM I,
  • mrazuvzdornost betonu snižováním obsahu slínku příliš ovlivněná není. Naopak je pozorováno zlepšení u betonů z cementu CEM III/B,
  • nízkouhlíkové cementy mohou významně ovlivňovat rychlost výstavby, příp. náklady na bednění a vytápění,
  • pomalejší nárůsty pevností betonů s nízkoemisními cementy přináší riziko související s nedostatečně prodlouženým ošetřováním,
  • nedostatečně dlouhé ošetřování nízkoemisních betonů může způsobit zhoršené odolnosti povrchových vrstev,
  • požadavek na snižování uhlíkové stopy je v souladu s požadavkem na snižování maximální dosažené teploty v masivních konstrukcích. U mrazem a CHRL namáhaných konstrukcí se ale musí dbát na prodloužené ošetřování,
  • pro extrémně namáhané konstrukce a speciální produkty (např. UHPC) by bylo přínosné zachovat alespoň v omezené míře výrobu portlandského cementu CEM I.

Udržitelnost, nejenom ve stavebnictví, je dnes velkým tématem, které ovlivňuje život celé společnosti. Cílem tohoto článku není odsuzovat kroky, které mají vést ke snížení uhlíkové stopy ve stavebnictví, ale poukázat na možné dopady v dobré víře zaváděných inovací. Autoři článku zejména vyzdvihují potřebu hledání komplexního řešení, a to mezi všemi účastníky výrobního řetězce, tedy mezi výrobci surovin, výrobci betonu a stavebními firmami. Změna kvality nebo zkrácení životnosti konstrukcí by totiž ve svém důsledku nemuselo přinést celkové snížení produkce CO2, ale pravý opak.

Zdroje:

[1] Concrete Needs to Lose Its Colossal Carbon Footprint. Nature 597, 593 – 594 (2021). Editorial. Doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021 – 02612‑5.

[2] HLAVSA, Z. Beton s recyklovaným kamenivem a jeho role v moderním stavebnictví. Beton TKS. 2024, roč. 24, č. 2024, s. 108 – 114. ISSN 1213 – 3116.

[3] HURTIG, K., RYDVAL, M., KOLÍSKO, J. Opětovné využití stavebního a demoličního odpadu jako recyklovaného kameniva do betonu. Beton TKS. 2023, roč. 23, č. 1, s. 14 – 19. ISSN 1213 – 3116.

[4] SLÁNSKÝ, B., ZELINKA, P., ČERMÁK J. Beton z recyklovaného kameniva. Beton TKS. 2021, roč. 2021, č. 1, s. 32 – 37. ISSN 1213 – 3116.

[5] HRABOVÁ, K., TEPLÝ, B., VESELÝ, V. Posuzování konstrukčního betonu s recyklovaným kamenivem s ohledem na trvalou udržitelnost. Beton TKS. 2021, roč. 2021, č. 2, s. 62 – 65. ISSN 1213 – 3116.

[6] U. S. Cement Industry Carbon Intensities (2019). United States Environmental Protection Agency. 2021. EPA 430-F-21 – 004. Dostupné na: https://epa.gov/

[7] CHENG, D., REINER, D. M., YANG, F. et al. Projecting Future Carbon Emissions from Cement Production in Developing Countries. Nat Commun 14, 8213 (2023). Doi: https://doi.org/10.1038/s41467-023 – 43660‑x

[8] Fakta o klimatu. Jakou roli hrají emise CO2 z výroby cementu v klimatické změně? Faktaoklimatu.cz [online]. © 2025 [cit. 2025-10-14]. Dostupné z: https://faktaoklimatu.cz/explainery/emise-vyrobacementu?q=cemen

[9] BARIČ, K. Udržitelnost a uhlíková stopa materiálů. Beton University 2023. Dostupné na: https://www.betonuniversity.cz/.

[10] VESELÁ, A., HAGUE, B. Snižování emisí CO2 během životního cyklu budov v České republice. Institut Cirkulární Ekonomiky. 2024. Dostupné na: https://incien.org/

[11] ČSN 73 1322. Stanovení mrazuvzdornosti betonu. Praha: UHM, 1969.

[12] ČSN 73 1226. Stanovení odolnosti povrchu cementového betonu proti působení vody a chemických rozmrazovacích látek. Praha: ÚNMZ, 1984.