Šedý pórobeton: zhodnocení odpadových produktů z procesu spalování uhlí

Technické vlastnosti
Pórobeton je lehký stavební materiál, spojující v sobě vlastnosti tepelně-izolačního a konstrukčního materiálu. Podle barevnosti se dělí na bílý a šedý, a to podle plniva, které je při výrobě použito. Šedý autoklávovaný pórobeton je vyroben z křemičitých druhotných surovin vznikajících z jílů, křemene, slídy a jiných příměsí uhlí při jeho spalovaní. Charakteristické šedé zbarvení způsobují oxidy železa a malý podíl nespáleného uhlí.
O výběru plniva rozhodují technické a ekonomické aspekty. Ekonomika je rozhodující při používaní úletového popílku z hlediska nižších výrobních nákladů i z hlediska ekologického. Použití popílku ze suchého odstraňování (elektrofiltry) umožňuje situovat výrobu pórobetonu bezprostředně při zdroji popílku ? nejčastěji tepelné elektrárny nebo teplárny. Na transport se využívá pneumatická doprava, čímž se eliminuje převoz. Současně je k dispozici technologický zdroj vodní páry a horké vody.
Výrobní náklady jsou při použití popílku jako plniva nižší než u písku. V případě, že jsou na výrobu pórobetonu použity popílky s vyšším obsahem CaO, vzniká malá úspora pojiva. Z hlediska omezení mletí pojiva se snižuje energetická náročnost jeho výroby. Z pohledu producentů popílků je nezanedbatelná i úspora nákladů za uložení odpadu a ochrana životního prostředí. V současnosti existuje i z tohoto důvodu doporučení Americké asociace výrobců pórobetonu na náhradu až 75 % písku popílkem [4, 5].
Objemová hmotnost vyjadřuje vztah hmotnosti pórobetonu k objemu, který zabírá spolu s póry. Je to důležitá základní vlastnost, na které v rozhodující míře závisí jeho ostatní parametry. Zvýšení objemové hmotnosti doprovází růst pevnosti. Naopak, čím je objemová hmotnost pórobetonu menší, tím větší je jeho schopnost tepelné izolace.
Šedý pórobeton se vyrábí v rozsahu tříd hustoty od 400 do 700 kg.m^-3, kde nízké objemové hmotnosti 400?500 kg.m^-3 umožňují konstrukci teplých jednovrstvých obvodových stěn. Tento materiál dosahuje stejné hodnoty součinitele tepelné vodivosti při objemových hmotnostech vyšších o 40?50 kg/m³ než bílé pórobetony na bázi písku. Je to dáno tím, že jemnou pórovitou strukturu šedého pórobetonu tvoří minerální struktura, která má nižší tepelnou vodivost než krystaly křemene a živce stmelené pojivovou tobermoritickou fází, tvořící základ bílých pórobetonů. [3]

¤ Obr. 1. Snímek z elektronového řádkovacího mikroskopu (SEM) pórobetonu vyrobeného z popílku. Vlevo: tobermoritická pojivová struktura ? popílek je zcela přereagovaný. Vpravo: neúplně přereagovaná volná zrnka popílku s vytvořenou pojivovou strukturou na povrchu.

Zdravotní nezávadnost
Materiál vyrobený na bázi popílků může vyvolávat asociace možného rizika. Všechny použité suroviny jsou však v pórobetonových výrobcích pevně chemicky vázány a nemůže dojít k jejich únikům do vnitřního prostoru budov. Navíc pórobetonové výrobky nemají přímý kontakt s interiérem stavby, protože jsou opatřeny omítkami nebo obklady.
Na základě zhodnocení fyzikálně-chemických vlastností pórobetonových výrobků, vyhodnocení výsledků analýz arzénu ve vodním výluhu a v sušině, emanace radonu a objemové aktivity rádia stejně jako i zhodnocení kritérií a koncentrací škodlivých látek, které jsou uvedené v předpisech na ochranu zdraví a ochranu životního prostředí, je možné konstatovat, že šedý pórobeton je považován za zdravotně neškodný a nepředstavuje riziko ohrožení zdraví ani životního prostředí.

¤ Graf 1. Rozptyl pevnosti v tlaku pórobetonu v závislosti na objemové hmotnosti

Energetické faktory výroby a provozu
Žádaný a stále rostoucí standard pobytu v interiérech budov je v důsledku historického vývoje velmi náročný na spotřebu primárních zdrojů energie. Důležitým faktorem řešení tohoto problému jsou hlavně tepelně-izolační vlastnosti konstrukcí budov. Proto je z pohledu úspor energií samozřejmý zájem všech výrobců stavebních hmot na vývoji a realizaci materiálů s co nejvyššími tepelně-izolačními parametry.
Produkce šedého pórobetonu z popílků, z klasického a odsiřovacího procesu spalování uhlí, spojuje ekonomickou efektivnost s pozitivními vlivy na životní prostředí planety v souladu s koncepcí udržitelného rozvoje, který uspokojuje dnešní potřeby bez toho, aby oslaboval možnosti budoucích generací naplňovat jejich vlastní potřeby. Kritérii vlivu na složky životního prostředí jsou nízké spotřeby přírodních surovin, vysoký podíl zhodnocování odpadů, nízké spotřeby vložené energie a vysoká míra recyklace produktu ve výrobním procesu. V tabulce 1 jsou uvedeny podíly vložených energií a emisí CO2 šedého pórobetonu získané metodou Life Cycle Assessment, která analyzuje problematiku z hlediska celého životního cyklu ? od úplného počátku (přípravy surovin) až po konec transformačního řetězce (zhodnocování stavebního materiálu po užití) [1, 2].

Tab. 1. Analýza spotřeby přírodních materiálů a energií při výrobě 1 m3 produktu (Life Cycle Assessment)

Tab. 2. Energetická náročnost výroby

Konstrukční řešení použití pórobetonu
Nejčastěji se pórobeton používá ve formě zdicích materiálů ? tvárnic. Přesné prvky (tvárnice, dílce) se spojují jen tenkou vrstvou zdicí malty, což přináší úsporu materiálu. Stavební systémy na bázi pórobetonu jsou vícenásobně úsporné. Úsporu přináší jednoduchá manipulace se stavebními prvky, která snižuje náklady na jejich dopravu, ale také na výstavbu. Další výhodou je, že obvodové zdivo u staveb splňujících požadavky norem, není potřebné dodatečně zateplovat. Tepelně-izolační vlastnosti pórobetonu současně přinášejí dlouhodobou úsporu provozních nákladů na vytápění a ochlazení (klimatizaci) obytných budov. Na trhu je kompletní řada výrobků ze šedého pórobetonu ? přesné tvárnice a příčkovky; překlady nosné i nenosné; stropní vložky a stropní systém, umožňující výstavbu hrubé stavby, která současně nabízí zajímavé možnosti při obnově a dotváření interiérů. Umožňuje i vytváření neobvyklých architektonických detailů.

¤ Obr. 2. Rodinný dům postavený z tvárnic QPOR ze šedého pórobetonu

Pórobeton a tepelná ochrana budov
Analýzou spotřeby fosilních paliv a energií ve vyspělých zemích severní polokoule se zjistilo, že energie spotřebovaná v budovách na bydlení představuje třetinu její celkové spotřeby. Energetické nároky provozu budov jsou dány hlavně spotřebou tepla na vytápění, které je určené celkovou tepelnou ztrátou objektu. Ztráty jsou, jak ukazuje tabulka 3, diferencované, závisí na použitých materiálech obalu budovy, ale i na jejím tvaru, konstrukčním řešení a situování [1].

Tab. 4. Výpočtové údaje pro bungalov (b) a pro rodinný dům s obytným podkrovím (p)

Použitelnost šedého pórobetonu na výstavbu nízkoenergetických domů 
Na základě výsledků technických studií, které realizovali výrobci pórobetonu ve spolupráci s výrobci izolačních hmot, byly pro demonstraci použitelnosti šedého pórobetonu na výstavbu nízkoenergetických domů vybrány dva modelové domy ? nepodsklepený bungalov půdorysu 13,40x13,60 m (faktor tvaru budovy 1,05, projektovaná ztráta větráním 1799 W) a rodinný dům s obytným podkrovím (půdorys 9,75x13,80 m, FTB 0,65, ztráta větráním 3012 W). Ve výpočtech se uvažovalo o dvou variantách konstrukce stavby zabezpečující parametry klasifikace budovy do energetické třídy B a nízkoenergetického domu bez dodatkových technických řešení vytápění (solární systémy, rekuperátory tepla).

Varianta č. 1
Konstrukce obvodové stěny: přesné perodrážkové tvárnice z šedého pórobetonu třídy P3/520, šířky 375 mm se zateplením z desek z minerální vlny 140 mm (bungalov) a 100 mm (dvoupodlažní dům).

Dosažený součinitel prostupu tepla:
U = 0,149 W/m².K, resp. 0,175 W/m².K;
okna s izolačními dvojskly: U = 1,30 W/m².K;
izolace podlahy tloušťky 100 mm: R = 2,77 m².K/W;
izolace stropu celkem tloušťky 350 mm ? minerální vlna: U = 0,11 W/m².K;
účinnost systému vytápění: ?_sys = 85 % (klasický kotel na zemní plyn a radiátory).

Varianta č. 2
konstrukce obvodové stěny: šedý pórobeton tloušťky 300 mm + Frontrock Max tloušťky 240 mm;
dosažený součinitel prostupu tepla: U = 0,115 W/m².K;
okna s izolačním trojsklem s kryptonovou náplní: U = 0,85 W/m².K;
podlaha Steprock HD tloušťky 200 mm: R = 5,47 m².K/W;
strop Multirock tloušťky 400 mm: U = 0,10 W/m².K;
účinnost systému vytápění: ?_sys = 91 % (kondenzační kotel na zemní plyn a podlahové vytápění).

Stropní konstrukce byla navržena z pórobetonového stropního systému šířky 250 mm, ztužující věnec z pórobetonových U-profilů QPOR a betonu, překlady nad otvory z nosných překladů s řešením tepelných mostů vloženou izolací z polystyrenu.
Z šedého pórobetonu je v současnosti realizována stavba energeticky úsporného domu, větraného a vytápěného jednotkou s výkonem 3 kW, která zabezpečuje dvouzónové cirkulační vytápění a větrání s rekuperací tepla s účinností cca 85 %. Projekt využívá potenciál solární architektury s účinně zastíněnými velkými prosklenými plochami jižní fasády (izolační trojskla s kryptonovou náplní). Dům je navržen jako samostatně stojící, nepodsklepený, jednopodlažní s plochou střechou. Zastavěná plocha je 110 m². Obvodové nosné konstrukce jsou realizovány z přesných perodrážkových tvárnic třídy P3/520, šířky 250 mm, vnitřní svislé nosné a nenosné konstrukce a stropní konstrukce jsou vyhotoveny z pórobetonových prvků. Před vytápěcí jednotkou je navržen zemní výměník vzduch-kapalina v délce 130 m. Zdroj tepla tvoří integrovaný zásobník objemu 625 l s elektrickým ohřevem a připojeným solárním systémem, který zabezpečuje také ohřev teplé užitkové vody. Měrná spotřeba tepla na vytápění tohoto domu je 24 kWh/ m².rok.

Závěr 
Šedý pórobeton je příkladem jedné z cest trendu trvale udržitelného rozvoje. Rovnoměrně rozptýlené póry a dobrá difúze par zabezpečují vnitřní klima s vyrovnáváním teploty a vlhkosti. Konvenční zdicí pórobetonové materiály mají také akumulační vlastnosti, využívající efekty solární architektury a dodatkového vytápění biomasou v krbech. Výše uvedené parametry hovoří ve prospěch využívání tohoto ekologického materiálu ve výstavbě i rekonstrukcích a výsledky technických studií a realizovaný projekt energeticky úsporného domu prokázaly, že jsou tyto materiály vhodné i pro výstavbu nízkoenergetických domů.

Použitá literatura
[1] http://www.energ.cz, červenec 2007
[2] Némethy, L.: Environmentální aspekty životního cyklu pórobetonových výrobků na bázi popílků, Sborník z mezinárodní konference TOP 2008, Častá, červen 2008
[3] Carroll, R. A., Guest, J. E.: Sborník konference o pórobetonu, Londýn 2005
[4] Holt, E., Raivio, P.: Use of gasifikation residues in aerated autoclaved concrete, Cem. Concr. Res. 35, 2005, 796?802
[5] Autoclaved Aerated Concrete, AAC Products Association, 1999, http://www.babb.com

¤ Obr. 3. Tvárnice a U-dílec typu QPOR

¤ 

¤ Obr. 5. Montáž stropní konstrukce