Vodopriepustný betón (pervious concrete)

Predstavenie vodopriepustného betónu

Vodopriepustný betón (v angličtine pervious concrete, skratkou PC) je z dôvodu jeho mnohých výhod široko využívaný už od 80. rokov v rôznych variáciách a to predovšetkým v USA, Japonsku a severských krajinách (Fínsko). PC bol doteraz úspešne aplikovaný hlavne na menej frekventovaných cestách, parkoviskách, chodníkoch, nádvoriach, príjazdových komunikáciách, golfových cestách, oporných múroch, francúzskych kanalizáciách, dlažbe atď.

V Českej republike a na Slovensku je výroba vodopriepustného betónu zatiaľ len v prvopočiatkoch, prebieha primárne produkcia podkladových vrstiev. V našich krajinách navyše chýba skúška vodopriepustnosti, ktorá je základom porovnania kvality PC. V súčasnosti sú k testovaniu vodopriepustnosti používané len skúšky, ktoré nie sú celkom presného charakteru: americká testovacia metóda skúmajúca rýchlosť vsakovania vody do priepustného betónu a skúšobná metóda podľa ČSN EN pre asfaltové zmesi za horúca. Je potrebné spomenúť aj spoločnosť ZAPA betón, ktorá za svoj drenážny betón ZAPA Drop (až 95% priepustnosť aj pri intenzívnych zrážkach, cena cca 2.000 Kč za m3) získala v minulom roku čestné uznanie veľtrhu FOR ARCH. Zapa Drop je v ČR doposiaľ jediným vodopriepustným betónovým materiálom, ktorý je možné využiť nielen na podkladové, ale tiež na finálne povrchové vrstvy a to v rôznych farebných variantoch za použitia minerálnych pigmentov a s možnosťou výberu medzi variantom z guľatého alebo drveného kameniva.

Položenie betónu Zapa Drop bolo úspešne realizované na mnohých miestach v Českej aj Slovenskej republike a to predovšetkým v miestach novej zástavby, kde by inak z dôvodov vysokých požiadaviek na zachovanie vsakovacích pomerov bolo potrebné budovanie retenčných nádrží. Projekty slovenských parkov Gaštanica a Jama v Bratislave boli dokonca z dôvodov výrazných environmentálnych pozitív financované z nórskych fondov. Podotkneme však, že na projekt Zapa v prezidentskom paláci v Bratislave, kde spoločnosť realizovala položenie tohto produktu do podkladových vrstiev, na finálnu vrstvu boli použité žulové kocky.

Výroba, materiály

Je potrebné rozlišovať medzi vodopriepustným betónom a betónom medzerovitým alebo drenážnym. PC nemôžeme zamieňať v žiadnom prípade s valcovanými betónmi. Drenážny betón býva využívaný hlavne ako podkladová časť konštrukcie, vodopriepustný betón má značne zložitejšie prevedenie. Nejedná sa len o jednu vrstvu, ale o súvrstvie s plynulým prechodom vody s potrebou dodržať zásady, ako je napríklad stavba pod úrovňou oblasti, ktorá nie je zamrznutá alebo dodržanie hrúbky násypu vrstiev.

„Receptúr“ pre produkciu vodopriepustného betónu je mnoho, materiál je stále predmetom bádania stoviek výskumných centier po celom svete. Fundamentálne je v prípade výroby PC využívané rovnakých materiálov ako pri konvenčnom betóne, avšak s výnimkou, že jemný agregát je obvykle celkom vylúčený a triedenie hrubého kameniva je veľmi presné za účelom lepších vytvrdzovacích vlastností. Výsledkom je zmes, ktorá vyžaduje rôzne eventuality pri miešaní, umiestňovaní, zhutňovaní či vytvrdzovaní. Vlastnosti výslednej zmesi sú menej vodoodpudivé než pri bežnej betónovej zmesi a pre dosiahnutie požadovaných výsledkov je nevyhnutná prísna kontrola dávkovania všetkých zložiek.

Rovnako ako v prípade tradičných betónových zmesí, je možné do zmesi vodopriepustného betónu využiť ako spojivo portlandský cement a iné zmiešané cementy. V PC sa starostlivo riadené množstvo vody a cementových materiálov používa k vytvoreniu pasty, ktorá tvorí hrubý povlak okolo agregovaných častíc. Použitie dostatočného množstva pasty k viazaniu hrubých častíc spolu vytvára systém prepojených dutín, ktoré sú vysoko priepustné. Ako doplnky sú často používané cementové materiály ako oxid kremičitý, popolček, puzolán a vysokopecná troska, ktoré zvyšujú trvanlivosť materiálu tým, že znižujú praskanie, ale aj požadovanú priepustnosť. Pevnosť PC môže byť maximalizovaná okrem iného inštaláciou podkladových hladín alebo jemných agregátov pod betónom. Z chemických prímesí sa používajú v prípade vodopriepustného betónu spravidla spomaľovače a prísady stabilizujúce hydratáciu.

Na chodníky v parku Jama v Bratislave bol zvolený drenážny betón ZAPA drop, ktorý prepúšťa dažďovú vodu. Tá je potom pomocou drenážneho potrubia odvádzaná do jazierka, ktoré slúži k zavlažovaniu zelene celého areálu

Aplikácia, realizácia

Už pred začatím samotného projektovania a neskôr pri stavbe dopravných plôch je potrebné dbať na použitie vodopriepustných aj mrazuvzdorných materiálov nielen pre kryt, ale tiež pre podklad konštrukcie. Pomocou vhodných hydrogeologických prieskumov je potrebné zistiť vodopriepustnosť pôdy a najvyšší stav podzemnej vody v podloží (v súvislosti s potrebou udržania dostatočnej vzdialenosti od podzemných vôd). Podkladová vrstva musí tiež byť schopná odvádzať presakujúcu dažďovú vodu (v niektorých prípadoch je žiaduce odvodnenie zemnej pláne drenážou). Dažďová voda je vo vzduchu a pri stekaní z povrchu ciest viac či menej znečisťovaná škodlivinami, preto musí byť tiež zabezpečená ochrana podzemnej vody a blízkej zástavby. Materiál musí obstáť v ekologických skúškach (schopnosť zadržiavať olej, benzín a ťažké kovy).

PC je na stavenisko dodávaný bežnými sklápačmi a umiestnený do štandardných foriem. Vzhľadom ku skutočnosti, že priepustný betón je hustejší než tradičný betón, k jeho vyrovnaniu sa používa mechanické vibrovanie. Nasleduje zhutnenie ťažkým oceľovým valčekom.

Vodopriepustný betón má nízky obsah vody, je teda obzvlášť dôležitý ďalší krok – vytvrdzovanie. Aby bola umožnená plná hydratácia cementu, povrch sa zaleje vodou a zakryje plastovou fóliou. Takto sa betón udržiava vlhký najmenej 7 dní.

Nie je však už potrebné – na rozdiel od realizácie pokládky tradičného betónu – spracovávať vodopriepustný betón napríklad pomocou hladidiel. Tieto dokončovanie operácie by totiž príliš utesnili povrch betónu a tak nežiaducim spôsobom znížili prienik vody.

Vlastnosti

Fyzikálne charakteristiky vodopriepustného betónu sa veľmi zreteľne líšia od vlastností betónu konvenčného. V prípade PC je samozrejme stopercentne žiaduca veľmi vysoká priepustnosť vody a vzduchu. Na prestup kvapaliny vodopriepustným betónom sú teda celkom zásadné hodnoty pórovitosti. Prieduchy medzi zrnami v betóne vznikajú použitím úzkej frakcie zŕn a vytvárajú súvislé dutiny. Efektívna medzerovitosť pre uspokojivú vodopriepustnosť je 15 – 30 %. Medzery v štruktúre sú priemerne 1 - 8 mm. S pórovitosťou je úzko spojená aj objemová hmotnosť PC, ktorá činí cca 70 % v porovnaní s konvenčným betónom. Prietok vody cez PC je obvykle okolo 0,34 cm/s, čo predstavuje 200 l/m2/min (ale v niektorých prípadoch aj oveľa viac).

Je však logické a z výskumov značné, že so stúpajúcou hladinou poréznosti klesá pevnosť betónu, jeho pružnosť za ohybu a tlaku (minimálna potrebná pevnosť v tlaku by mala činiť 40 MPa), odolnosť betónu voči mrazu, oteru a oderu a teda celková trvanlivosť betónu na pojazdných komunikáciách. Aj preto je výskum vodopriepustného betónu naďalej naliehavý.

Výhody

Začneme teda najdiskutovanejšími, teda ekologickými výhodami. Použitie vodopriepustného betónu v prvom rade zmierni odtok vody do kanalizácie, prirodzene tak doplní hladiny spodných vôd a tým eliminuje znečisťujúce látky ako sú uhľovodíky z asfaltových dlažieb a tesnenie, ktoré môžu kontaminovať povodia riek a poškodzovať ekosystém, tak ako sa to deje v prípade umelého zhromažďovania dažďovej vody a jej masového vypúšťania do vodných tokov (výskumy dokazujú, že 97 - 99 % olejov zavedených do priepustných betónov je zachytených a prirodzene biodegradovaných). Vodopriepustné betónové terény sú tiež oceňované aj za svoje druhotné vlastnosti ako je všeobecné zlepšovanie kvality vody, prispenie k nárastu okolitej vegetácie a celkové skvalitnenie susediaceho ekosystému.

PC je preukázateľne ekonomickejším variantom spevnenia plôch, redukuje totiž prvotné náklady stavby, eliminuje potrebu kanalizačných väzníkov, redukuje náklady na inštaláciu podzemných potrubí a odtokových vpustí, nie je potrebná ani investícia do pozemkov za účelom výstavby retenčných rybníkov či filtračných systémov. Majitelia nehnuteľností môžu tak využiť okolitú pôdu podstatne efektívnejšie a maximalizovať návratnosť svojich vkladov. Z hľadiska sumárnych potrebných investícií je teda vodopriepustný betón absolútnym víťazom.

Vodopriepustné chodníky sú cez všetky prekážky (ako je nadštandardná pórovitosť) schopné odolať tlaku presahujúceho 20,7 MPa), teda sú dostatočne silné aj pre prípadný vjazd hasičského vozu. Z pohľadu šoféra automobilu na ceste je tiež veľmi prínosný textúrovaný finálny povrch priepustného betónu. Počas jazdy v zložitejších poveternostných podmienkach, napríklad pri daždi či snehových prehánkach, zlepšuje priepustný betón bezpečnosť jazdy. Dážď sa totiž do betónu vstrebá, nezostáva na povrchu, čím je vylúčené združovanie vody a tým výrazne znížené riziko tzv. aquaplaningu na mokrej vozovke.

Nevýhody

Okrem vyššie uvedenej zníženej pevnosti priepustného betónu z dôvodu nižšieho obsahu malty a vysokej pórovitosti je potrebné povedať, že je PC pre svoje vysoké hodnoty poréznosti zatiaľ väčšinou menej trvanlivý než betóny konvenčné, ktoré sú štandardne využívané na frekventovaných cestách vyšších tried. Je tiež známe, že otvorený porézny betón má nedostatočnú tuhosť v porovnaní s tradičnými betónovými pokladmi.

V oblastiach s chladnejšou klímou  ako sú škandinávske krajiny môžu byť aplikácie materiálu PC navyše značne problematické. Životnosť pórovitého betónu je znížená v dôsledku dlhodobého poškodzovania pravidelným zmrazovaním a rozmrazovaním vody, ktorá nie je schopná odtiecť bočne z poréznej povrchovej vrstvy. Výskumy, predovšetkým vo Fínsku, však dokazujú, že špeciálny betón vyvinutý pre nordické klimatické podmienky môžu mať životnosť viac než 15 rokov.

Musíme tiež pripomenúť, že existujú aj potenciálne problémy s prípadným upchatím priepustného betónu. Na povrchu PC sa môže zhromažďovať vegetačná hmota, čo môže viesť až k jeho upchatiu. Tento problém je však ľahko riešiteľný zametením či vysatím. Prieskumy ukázali, že tlakové čistenie betónu celkom obnoví pôvodnú poréznosť upchatého priepustného betónu.

Údržba

Vodopriepustný betón vyžaduje pravidelnú údržbu. Jedná sa o príležitostné zametenie, tlakové čistenie či vysatie vozovky za účelom obnovenia priepustnosti materiálu, ako už spomíname vyššie. Okrem toho sa dá povedať, že je PC silný a vysoko odolný materiál. Napríklad korektne vyprojektované a skonštruované parkovacie plochy môžu mať životnosť 20-40 rokov a to s veľmi občasnou alebo dokonca nulovou potrebou údržby.

Vývoj, trendy, novinky

Nedávne štúdie (United States Environmental Protection Agency – EPA) ukazujú že porézny betónový povrch môže výrazne znížiť efekt mestského tepelného ostrova, ktorý vykazuje zreteľne vyššie letné teploty, než jeho okolie. Chladiaci účinok je spôsobený predovšetkým absorpciou obrovského výparného tepla pri odparovaní vlhkosti pod poréznym betónovým povrchom. Rovnaká štúdia dokazuje tiež schopnosť priepustných betónov zvýšiť povrchové trenie a tým znížiť riziko aquaplaningu, či znížiť hluk pneumatík až o 8 decibelov.

Tiež Americká odborná spoločnosť stavebného inžinierstva už v roku 2013 zverejnila štúdiu, v ktorej autori popisujú meranie absorpčného koeficientu. Bolo preukázané, že je možné s pomocou PC zredukovať hluk spôsobený pneumatikami motorového vozidla o 4 až 8 decibelov. Prieskum dokazuje, že redukcia hluku je závislá na konkrétnej charakteristike danej zmesi a na hrúbke betónu a že ideálne hodnoty sú 80 mm hrubý betón s maximálnou veľkosťou agregátu 9,5 mm. Skúška vlastnosti pohltenia hluku bola prevedená na bežnej betónovej dlažbe pokrytej pórovitým betónom v oblasti blízko pneuservisu, kedy bola meraná hlučnosť pri rôznych rýchlostiach jazdy automobilov.

Čo sa pevnosti povrchu vodopriepustného betónu týka, vedci tiež ukazujú rôznorodé možnosti posilnenia tejto vlastnosti a to napríklad pridaním odpadného kompozitného materiálu z uhlíkových vlákien. Výskumníci z oddelenia stavebného environmentálneho inžinierstva na Washingtonskej Štátnej Univerzite pridali uhlíkový šrot spoločnosti Boeing do betónovej zmesi. Využili mechanické frézovanie k vytvarovaniu kompozitných vzoriek do ideálnych veľkostí a tvarov. Pridaný materiál výrazne zvýšil či už trvanlivosť, tak pevnosť priepustného betónu. Dr. Somayeh Nassiri: „Pokiaľ sa jedná o pevnosť v ohybe, máme skutočne výborné výsledky, ktoré dosahujú až kvalít konvenčného betónu.“

Záver

Je možné povedať, že vývoj vodopriepustného betónu je stále ešte na začiatku. Výskum ide síce pomerne rýchlo vpred, ale je naďalej potrebné vyriešiť mnohé problematické body s týmto materiálom súvisiace, a to tak, aby bol využiteľný v rôznych klimatických podmienkach a dokázal úspešne čeliť silnej konkurencii – tradičnému betónu.

Zdroje:

https://news.wsu.edu/2018/03/01/carbon-fiber-improves-permeable-pavement/
http://publish.illinois.edu/lcaconference/files/2018/01/52_Porous-pavement-conference-paper-2017.1.27-submit.pdf
http://www.zapa.cz/aktuality/i/cestne-uznani-na-veletrhu-for-arch
http://eagri.cz/public/web/file/32514/Prirode__blizke_odvodneni_dopravnich_ploch_v_sidlech.pdf
https://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=145142
  https://www.vtt.fi/files/sites/class/COIN2014_CLASS_paper_20140612.pdf
http://www.perviouspavement.org/index.html
https://www.concretenetwork.com/pervious/
https://www.epa.gov/sites/production/files/2014-08/documents/coolpavescompendium_ch5.pdf
https://ascelibrary.org/doi/pdf/10.1061/%28ASCE%29MT.1943-5533.0000809