Vodopropustné betony z hutných a lehkých kameniv

Téma vodního hospodářství (water management) se v poslední době diskutuje také v oblasti stavebnictví, kde se hledají řešení přátelská k životnímu prostředí a na trh vstupují jednotlivé materiály nebo celé konstrukční systémy, které napomáhají právě k ochraně vody zejména v zastavěných územích. Lehké kamenivo a vodopropustný beton ve formě mezerovitého beton s přírodního či lehkého kameniva se jeví jako velmi účinná součást těchto systémů.

Celosvětově se městská prostředí zahušťují a narůstá procento horizontálních povrchů pokrytých konstrukcemi s pevnými a nepropustnými povrchy. V Evropě průměrně žije cca 70 % obyvatel ve městech. V poslední zprávě EU Soil Sealing Guideline [1] byla popsána ekologická rizika nadměrného živelného zastavování měst spojeného s nárůstem zabírání půdy s upozorněním, že uzavření zemského povrchu je jedním z hlavních degradačních procesů na Zemi. Právě uzavření povrchu zpevněných ploch či komunikací má negativní vliv na pronikání vody do podloží, a tím na záplavy a současně na zmenšení zelené infrastruktury a snižování retence podzemních vod. Během tohoto století se předpokládá zvýšení průměrné teploty z 3,2 na 6,4 °C a jako výsledek klimatických změn je očekáván každoroční stálý nárůst množství srážek o 12–24 %. Pokud se může povrchová voda dostat do země, má to výhodu pro doplňování podzemních vod a následně pro dostatečnou zásobu vody pro flóru i faunu a udržení nižší teploty městského prostředí.

Vodopropustný beton jako součást konstrukčního řešení má schopnost propouštět velké objemy vody (např. při přívalových deštích), proto se jeví jako vhodný nástroj pro zmírnění vlivu změn klimatu nejen v městských prostředích, ale i v příměstských aglomeracích. Průkopníkem v této oblasti bylo Finsko a vodopropustný beton se v současné době využívá zejména v USA, Finsku, Japonsku a začíná být uplatňován i v dalších evropských zemích [1,2].

Vodopropustný beton

Cílem vývoje vodopropustných betonů (pervious concrete – PC) je navrhnout nejen složení, ale i technologii zpracování a ukládání betonové směsi tak, aby se dala použít jako vrchní pojížděná vrstva vozovek, parkovišť či pochozích ploch. Technologie vodopropustného betonu se odvíjí od technologie mezerovitého betonu, avšak v tomto případě je nutné plynule procházet. Spodní vrstvy jsou z různých násypů z frakcí hrubého přírodního či lehkého kameniva, v případě potřeby vylepšení kvality podkladu doplněných geotextiliemi či dalšími opatřeními.

Vodopropustný beton je současným vkladem do budoucnosti, a proto historie tohoto typu betonu není nikterak rozsáhlá. Ze zahraniční literatury přebíráme název pervious concrete čili propustný beton, respektive vodopropustný beton, z čehož vyplývá zkratka PC. Mezi průkopníky patří v Evropě hlavně Finsko, kde státní výzkumný projekt započal v roce 2012 a o zásadních výsledcích se začalo psát v odborných publikacích v letech 2014 a 2015.

V letech 2000–2013 se zvýšil podíl zastavěné plochy v ČR o 3,5 %, což odpovídá cca 28,7 tisíc hektarů. Podíl zastavěné plochy u nás tedy přesáhl 10 %. Meziročně se zastaví 2,9 tisíc hektarů. Příklad takového vodopropustného systému můžeme vidět na obr. 1. V tomto případě tvoří vrchní vrstvu dlažba, která může být také lisovaná z vodopropustného betonu.

Požadavky na vodopropustné betony

Technologicky nevyřešenou vrstvou vodopropustného systému je horní vrstva vodopropustného betonu, která bude přímo ovlivňována faktory souvisejícími s provozem. Základním požadavkem je pevnost, která je úzce spjata s vodopropustností, respektive porozitou betonu. Platí zásada, že čím více pórů beton obsahuje, tím horší budou jeho fyzikálně-mechanické vlastnosti. S tím přímo souvisí i odolnost vůč obrusu či působení CHRL. Problémy a z toho pramenící požadavky budou vznikat i v provozu. Poletující prachové částice, písek a další nečistoty budou postupně zanášet pórovou strukturu PC, což by mohlo vést až k jeho ucpání.

Složení vodopropustného betonu

Z výše popsaných požadavků na vodopropustný beton pramení návrhy různých receptur tohoto materiálu. Důležitým aspektem je smíchání různých frakcí kameniva, respektive vytvoření vhodné křivky zrnitosti tak, aby byl beton propustný pro kapaliny, ale zároveň aby jeho struktura nebyla příliš pórovitá, a nedocházelo tak k enormním ztrátám pevnosti. Zvláště citlivá bude směs na dávkování vody. Předpokládá se, že směs bude pouze zavlhlá a nesmí dojít k předávkování vodou, což by vedlo k následné segregaci, případně rozmísení. Konkrétně hovoříme o vodním součiniteli 0,27–0,33. Vedle cementu lze použít i různé přísady či příměsi pro upravení vlastností směsi. Předávkování směsi vodou bude znamenat odloučení části příliš tekuté cementové kaše/ mléka od zrn kameniva a usazení ve spodních částech vytvořené konstrukce. Tento jev výrazně zhorší nebo úplně zabrání vodopropustnosti ve ztvrdlém stavu.

Nejpodstatnější záležitostí je optimalizovat křivku zrnitosti pro vodopropustný beton tak, aby kamenivo vytvářelo propustnou, mezerovitou kostru. Co se týče rozsahu použitých frakcí kameniva, tradičně použijeme frakce 0–4, 4–8 a 8–16 mm. Ve finském výzkumu byla použita ještě frakce 8–12 mm namísto 8–16 mm, ovšem v českých podmínkách není tato frakce rozšířená, a proto se prosazují receptury s kamenivem o rozsahu 0–8 mm a nebo 0–16 mm. Příklady křivek zrnitosti jednotlivých frakcí kameniv dokumentuje graf na obr. 2.

Požadované vlastnosti vodopropustného betonu

Z výše popsaných požadavků na vodopropustný beton pramení návrhy různých receptur tohoto materiálu. Důležitým aspektem je smíchání různých frakcí kameniva. Vodopropustný beton je svou mezerovitou strukturou zásadně odlišný od tradičního betonu, a proto se i výsledné fyzikálně-mechanické vlastnosti budou výrazně lišit. Novou vlastností u tohoto druhu betonu bude vodopropustnost kapaliny. Doposud české normy nemají zkoušku či předpis, jak tuto vlastnost zkoušet, a proto bude třeba tyto postupy vytvořit, případně normalizovat. Mezerovitost vodopropustných betonů je zcela zásadní pro prostup kapaliny tímto betonem. Z již známých výzkumů je ovšem patrno, že se stoupající mezerovitostí, respektive vodopropustností, klesá pevnost betonu, což je zcela logické. Efektivní pórovitost pro uspokojivou vodopropustnost je 15–30 %. Mezery ve struktuře jsou od 1 do 8 mm. S touto porozitou je úzce spojena i objemová hmotnost, která činí okolo 70 % v porovnání s tradičním hutným betonem, konkrétně se tedy dostáváme k hodnotám 1600–2000 kg/m³. Pokles pevnosti v tlaku bude znamenat i pokles dalších parametrů, které jsou úměrné. Mezi ně patří pevnost v tahu za ohybu a taktéž moduly pružnosti. Důležitým faktorem je dosažení běžných odolností povrchů vůči působení CHRL a cyklického zmrazování pro prostředí XF4 a dále obrusnost povrchů. Vodopropustný beton bude tvořit finální vrstvu pojížděných a pochozích povrchů, proto bude denně namáhán na obrus. Povrch vodopropustného betonu je členitý (obr. 3), a to z důvodu nutnosti otevřené struktury pro prostup kapaliny, což bude při pojezdech kol či zimní údržbě způsobovat vytržení zrn kameniva.

Zkouška vodopropustnosti PC

Nutností je vyvinout spolehlivou zkoušku na testování vodopropustných betonů. Výsledkem zkoušky má být množství vody, které je schopno protéct betonem v určitém čase. Celé množství by mělo být ideálně vztaženo na jednotku plochy. Na VUT FAST byla jednoduchá zkouška pro tyto účely navržena (obr. 4).

Postup zkoušky je následující. Připraví se vzorek vodopropustného betonu o rozměrech 200×200 mm, tloušťky 100 ± 20 mm. Následně je vzorek položen na kovový rošt a pod vzorek postavíme kbelík tak, aby voda tekoucí přes vzorek byla zachycena do tohoto kbelíku. Na zkoušený vzorek přiložíme zkušební přístroj a zkontrolujeme, zda těsnění dokonale sedí na vzorku. Přes příložnou desku přístroj zatížíme závažím. Poté kulový ventil zavřeme a naplníme odměrný válec vodou tak, aby se vodní hladina dotýkala černé rysky znázorňující objem 1090 ml. Protože objem vnitřní části kulového ventilu a prostoru pod ním je právě 90 ml, dojde při otevření ventilu k poklesu hladiny vody ve válci na rysku 1000 ml. Ze samotného zkoušení máme naměřeny hodnoty velikosti plochy a a b zkoušeného vzorku a čas, za který projde vzorkem 900 ml vody, tedy t₉₀₀. Tyto veličiny dosazujeme do následujícího vzorce:

kde je: V_válce … množství vody prošlé betonem za měřený čas; je dán kapacitou přístroje – 0,9 l;
t₉₀₀ – čas, za který projde betonem množství vody V_válce;
a, b – plocha zkoušeného vzorku.

Výsledná hodnota je počet litrů, který je beton schopen propustit za jednu minutu plochou jednoho metru čtverečního. Vzhledem ke shodnosti jednotek lze také říci, že se jedná o množství srážek v milimetrech, které je beton schopen propustit za jednu minutu.

Experimentální ověření

Při experimentálním ověření bylo navrženo a poté odzkoušeno osm receptur s D_max 8 mm. Objemová hmotnost se pohybovala v rozmezí od 2050 do 2110 kg/m³, pevnost v tlaku mezi 22,4 a 33,8 MPa a propustnost byla 21,6 až 12,5 l/m². Pro D_max 16 mm pak bylo testováno dalších osm receptur, u kterých se objemová hmotnost pohybovala v rozmezí od 2080 do 2160 kg/m³, pevnost v tlaku mezi 24,9 a 34,7 MPa a propustnost od 37,1 do 74,2 l/m². Na vzorcích byla zkoušena i obrusnost povrchů podle ČSN EN 1338 Betonové dlažební bloky – měření obrusnosti metodou Bohme. Hodnoty u D_max 16 mm se pohybovaly kolem 13 000 mm³/5000 mm², což jsou i pro pojížděné povrchy nadějná čísla. Byla provedena i zkouška mrazuvzdornosti podle ČSN 73 1322 na 100 zmrazovacích cyklů. Poklesy pevností zmrazovaných vzorků v tlaku se pohybovaly od 8 do 15 %. Pro příklad je uvedena na grafu na obr. 5 závislost mezi objemovou hmotností a propustností.

Lehké kamenivo v konstrukčním systému vodopropustných ploch

Lehké kamenivo na bázi expandovaných jílů má velké objemy pórů a povrchové plochy, což z něj činí ideální médium pro biologické ošetření vody. Používá se pro řadu různých aplikací úpravy vody a odpadních vod (fyzikální filtrace, biologická filtrace, předúprava při desalinizaci).

Zásypy z tohoto kameniva slouží jako rezervoár pro nahromaděnou dešťovou vodu, která se postupně vsakuje do okolní půdy a také se vypařuje do okolního vzduchu, čímž ochlazuje okolní prostředí. Toto kamenivo také pomáhá zlepšit podmínky velmi jílové půdy a v kombinaci s úrodnou půdou (cca 80 % kameniva a 20 % půdy) slouží jako úrodné růstové médium pro rostliny a stromy vhodné zejména do městských aglomerací.

V kombinaci s vodopropustným betonovým povrchem v městských aglomeracích může lehké kamenivo pomoci vyřešit problémy s nahromaděním srážkové přívalové vody, kterou předčistí a napomůže vrátit zpět do prostředí (obr. 6, 7 [3]).

Lehké kamenivo lze využít i v technologii vodopropustných betonů, je však třeba zohlednit jeho horší pevnosti a obrusnost. Pro další vylehčení lze také napěnit cementovou matrici. Pro míchání a dopravu lehkého mezerovitého betonu platí stejné zásady jako u mezerovitého betonu z přírodního kameniva. Technologie výroby a ukládání je odlišná v tom, že se musí počítat s nasákavostí lehkého kameniva. Čerstvý beton je zpravidla pouze zavlhlý, a proto probíhá hutnění pomocí válcování či dusání. Vzhledem k otevřené struktuře je tento beton také náchylnější k odpaření vody během zrání, a proto musí být konstrukce chráněna před přímým slunečním svitem.

Závěr

Základní sledovanou vlastností vodopropustných betonů je schopnost propouštět vodu. Doposud není stanoven požadavek, kolik vody musí protéct betonem za jednotku času, a ani postup, jak tento údaj změřit. Požadavek minimálního množství vody procházejícího přes beton se dá odvodit z množství srážek. Betony testované v této práci vykazovaly vodopropustnost v rozmezí 10–80 l/min·m², což odpovídá schopnosti pojmout 10–80 mm srážek za minutu. Historicky nejvíce v České republice spadlo 345 mm za 24 hodin. I ta co do vodopropustnosti nejhorší vytvořená směs by takovéto množství propustila za cca 35 minut a ta nejlepší do 5 minut. I v těch největších extrémech přívalových srážek se nepředpokládá srážková činnost intenzivnější než zmíněné hodnoty vodopropustnosti, což znamená, že propustnost těchto betonů je dostatečná. Ukazuje se, že i takto propustné betony lze vyrobit pro pevnostní třídu C 30/37.

Neméně podstatnou vlastností PC je schopnost odolávat vnějším vlivům a tedy účinkům povětrnosti, pojezdu vozidel atd. Tato schopnost se dá demonstrovat zkouškou stanovení obrusnosti dle Bohma. Normy pro betonové dílce přikazují obrusnost do 18 000 mm³/5000 mm², přičemž směsi PC vykazovaly hodnoty od 11 000 do 14 000 mm³/5000 mm².

Poděkování
Tento příspěvek vznikl v rámci řešení programu MPO TRIO FV40343 Konstrukční systémy zpevněných ploch a komunikací na bázi silikátů pro ekologické hospodaření se srážkovou vodou.

RUDOLF HELA, MICHALA HUBERTOVÁ

Literatura:
1) Soil Sealing Guideline EU (online, cit. květen 2019). Dostupné z http://ec.europa.eu/environment/soil/sealing_guidelines.htm.
2) KUOSA, Hannele a Erika HOLT. Vývoj trvanlivého vodopropustného betonu pro potřeby hospodaření s dešťovou vodou ve Finsku. Espoo: 2014, VTT Technical Research Centre of Finland.
3) Leca water management (online). Dostupné z https://www.leca.com/en/our-solutions/watermanagement/water-management-1.

Ing. Rudolf Hela, CSc., (*1959)
– působí jako profesor v oboru technologie stavebních hmot na Fakultě stavební VUT v Brně, v ústavu technologie stavebních hmot a dílců. Hlavní oblastí jeho činnosti je technologie betonů a stavebních dílců. Je soudním znalcem v oboru ekonomika a stavebnictví a autorizovaným inženýrem v oboru zkoušení a diagnostika.

Ing. Michala Hubertová, Ph. D., MBA, (*1978)
– je absolventkou Fakulty stavební v Brně, obor fyzikální a stavebněmateriálové inženýrství. Specializuje se na technologii výroby a aplikace lehkého kameniva a betonu.