Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Konopný beton jako kompozit s využitím přírodního vlákna

Příspěvek pojednává o využití konopného pazdeří jako přírodního ekologického plniva do stavebních materiálů, zvláště pak betonů určených jako tepelně izolační výplňový materiál kolem nosné konstrukce dřevostaveb.

1. Úvod

Se vzrůstajícími nároky na udržitelnost výstavby a požadavky na snížení energetické náročnosti staveb roste poptávka po materiálech s dobrými tepelně izolačními vlastnostmi. Řešením mohou být například lehké betony, které mají výhodné tepelně izolační vlastnosti [1, 2, 3], navíc v případě rekonstrukcí budov je jejich další výhodou nízká objemová hmotnost [4]. Další možností je aplikace přírodních organických obnovitelných materiálů jako stavebního materiálu, což přináší výhody jak ekonomické, tak ekologické [5]. Příspěvek je věnován použití konopného pazdeří jako přírodního ekologického plniva do stavebních materiálů, zvláště pak do betonů určených jako tepelně izolační výplňový materiál kolem nosné konstrukce dřevostaveb.

2. Možnosti použití konopí ve stavebnictví

2.1. Seté neboli technické konopí

Ve stavebnictví se používá konopí seté. Konopí seté (Cannabis sativa L.) je teplomilná plodina náročná na vodu, půdu, živiny i agrotechniku. Je to dvoudomá, nebo i jednodomá přadná a kulturní plodina, dorůstající výšky 2–6 metrů. Potlačuje růst plevele, má rekultivační a protierozní schopnosti, odčerpává z půdy nečistoty, jedovaté látky a těžké kovy. Při jeho pěstování nejsou třeba pesticidy ani herbicidy, které zatěžují životní prostředí. Obsahuje cca 23 % vlákna a cca 75 % dřevité hmoty – tzv. pazdeří. Vegetační období trvá 100–120 dní, na 1 ha pěstební plochy během této doby naroste minimálně dvaapůlkrát více dřevité hmoty, než na 1 ha lesa, který roste několik desítek let. [6]

2.2 Konopí ve stavebnictví

Od počátku 20. století docházelo k poklesu pěstování konopí z důvodu dovozu levnějšího bavlněného vlákna a také díky nátlaku monopolů vyrábějících syntetická vlákna. K oživení pěstování došlo na krátkou dobu v meziválečném období, kdy se v Evropě pěstovalo konopí na 50 000 ha hlavně pro potřeby armády. Po druhé světové válce ale nastal úpadek pěstování konopí v důsledku převahy bavlny a umělých vláken. Svou roli sehrála i protidrogová kampaň. S pěstováním konopí se v bývalém Československu skončilo v roce 1956. Opětovně se konopí seté začalo v ČR pěstovat od roku 1996. V roce 2007 bylo touto plodinou oseto v České republice celkem 1 600 ha a v provozu byla i čtyři zpracovatelská centra na zpracování konopného stonku. V období 2010–2013 dosahovala osevní plocha konopí již pouze kolem 200 ha. [6]

Pojem konopí v mnoha lidech vyvolává myšlenky na nezákonnou drogu, ve skutečnosti se konopí používá v mnoha odvětvích a ve stavebnictví již celá staletí.

Jako základní surovina pro výrobu konopného betonu je využito konopné pazdeří z konopí setého (Cannabis sativa L.). Tento druh totiž obsahuje méně než 0,2 % obsahu THC (tetrahydrokanabinol). V České republice je zákonem číslo 167/1998 Sb. o návykových látkách zakázáno pěstovat druhy a odrůdy rostliny konopí, které mohou obsahovat více než 0,3 % látek ze skupiny tetrahydrokanabinolů. Není tedy zakázáno pěstovat certifikovanou odrůdu tzv. technického konopí, ale pěstitel musí splnit všechny ohlašovací povinnosti dle vyhlášky 151/2005 Sb.

Ve stavebnictví se konopí používá například ve formě rohoží vyrobených z konopných vláken s příměsí pojivých dvousložkových vláken a roztoku sody jako ochrany proti hoření a plísním. Rohože vznikají metodou pneumatického rounotvoření, následně jsou tepelně opracovány a posléze nařezány na požadované rozměry.

Vápeno-konopná stavební hmota je perspektivní stavební a tepelně izolační materiál, ze kterého lze postavit celý dům. Není třeba použití další tepelné izolace. Tento trend se rozšiřuje z Francie do dalších evropských zemí. Ve Francii se směs pazdeří a vápna používala již v 16. a 17. století pro stavbu hrázděných domů. Ačkoliv v Evropě stojí z konopného betonu již stovky staveb, v České republice není tento materiál a technologie výrazně rozšířená. [6]

Konopné zdivo, někdy též konopný beton (z anglického názvu HempCrete) tvoří směs konopného pazdeří (vnitřky stonku konopí), hašeného vápna, cementu a vody. Jde o recyklovatelný materiál, který nabízí vysokou tepelnou i zvukovou izolaci. Největší výhodou je nesporně rychlost výstavby, konopný beton totiž tvrdne velmi rychle. [6]

Technologie zpracování konopného betonu je poměrně nenáročná. Při stavbě stěn se konopný beton nejčastěji vtlouká palicemi do falešného bednění. Při izolování střechy se spíše volně rozhrabuje. Při použití na podlahy se finální vrstva konopného betonu zatahuje klasickým zednickým způsobem. Při omítání se konopný beton klasicky nahazuje, použít se dá i stříkací pistole. Pro finální omítky je vhodné pazdeří prosít a použít jen jemnější částečky. Při práci je třeba používat ochranné pracovní pomůcky, protože vápno je agresivní.

Kromě toho, že konopný beton je univerzálně funkční a cenově dostupný stavební materiál, je také environmentálně šetrný, jeho ekologická bilance je A+. [6] K výrobě 1 m3 konopí je potřeba primárně (tedy bez instalace, dopravy a recyklace) pouze 50–80 kWh energie. [7] Na stavbu běžného rodinného domu je potřeba 12 až 15 tun pazdeří. Na 1 ha půdy lze vyprodukovat až 10 tun konopí, ze kterého je cca 60 % právě pazdeří.

3. Experimentální ověření užití konopného pazdeří pro výrobu betonu

V rámci experimentálních prací byl výroben konopný beton a bylo provedeno porovnání vlastností konopného betonu s jinými dosud běžně používanými tepelně izolačními materiály na trhu.

3.1. Postup experimentálních prací

  • Mineralizace konopného pazdeří.
  • Byl proveden návrh a příprava směsi konopného betonu, kdy mineralizované konopné pazdeří tvořilo cca 75 % celkového objemu směsi.
  • Byla stanovena objemová hmotnost čerstvého konopného betonu podle EN 12 350-6 [8]
  • Byla vyrobena zkušební tělesa pro stanovení objemové hmotnosti podle ČSN EN 12390-7 [9] a pevnosti v tlaku podle ČSN EN 12390-3 [10]. Uvedené vlastnosti byly sledovány v době po 7, 28 dnech a po vysušení v sušárně při teplotě 105 °C po dobu 24 hodin.
  • Stanovení součinitele tepelné vodivosti λ metodou topného drátu podle EN 993-14 [11].

3.2. Mineralizace konopného pazdeří

Obr. 1: Konopné pazdeří během mineralizace (foto autor)
Obr. 1: Konopné pazdeří během mineralizace (foto autor)

Konopné pazdeří je velmi savé a obsahuje velké množství SiO2. Po smíchání s vápnem tedy dochází k procesu mineralizace (někdy označovaný jako petrifikace nebo přeměna v kámen), kdy materiál spotřebovává okolní CO2 ze vzduchu. Tento proces probíhá řadu let, takže se konopný beton v čase zpevňuje.

Mineralizace konopného pazdeří byla provedena pomocí směsi vápenného hydrátu s vodou dle receptury uvedené v Tabulce 1. Takto připravená směs musí odležet, aby se z organického konopného pazdeří stalo anorganické plnivo, ve kterém organická složka po smíchání s cementovým pojivem neovlivňuje proces hydratace. Negativně působí především cukry, které mají vliv na zpomalení hydratace. V našem případě probíhala mineralizace 3 dny. Tato doba mineralizace se ukázala jako nedostatečná, protože následné tvrdnutí konopného betonu po umístění do forem bylo delší než u normálních betonů, cca 2,5 dne.

Tabulka 1: Složení receptury pro přípravu mineralizovaného konopného pazdeří
SložkaMnožství na 1 m3
konopné pazdeří100 kg
vápenný hydrát110 kg
voda565 kg
Obr. 2: Konopný beton v čerstvém stavu (foto autor)
Obr. 2: Konopný beton v čerstvém stavu (foto autor)

3.3. Aplikace mineralizovaného konopného pazdeří do cementové matrice

Poté, co konopné pazdeří zmineralizovalo, mohlo dojít k jeho smícháním s cementem. Míchací proces probíhal v míchačce s nuceným oběhem. Vhledem k tomu, že konopné pazdeří bylo stále vlhké, je zbytek záměsové vody přidaný do betonu nízký. Množství záměsové vody bylo dávkováno vzhledem k dosažení vhodné zpracovatelnosti konopného betonu. Receptura konopného betonu je uvedena v Tabulce 2.

Tabulka 2: Složení receptury konopného betonu
SložkaMnožství na 1 m3
CEM II/B-M (S-V-LL) 32.5 R380 kg
mineralizované konopné pazdeří775 kg
voda80 kg

3.4. Výsledky vlastností konopného betonu

3.4.1. Stanovení objemové hmotnosti a pevnosti v tlaku konopného betonu

Objemová hmotnost čerstvého konopného betonu stanovená podle EN 12350-6 [8] byla 1290 kg/m3. Tvrdnutí směsi probíhalo v laboratorních podmínkách při teplotě 20 °C a vlhkosti 50 % 3 dny. Po 3 dnech byla tělesa odformována. Po zatvrdnutí byla zkušební tělesa na první pohled vysoce pórovitá, bylo patrné, že jednotlivá vlákna jsou mezi sebou spojena cementovou matricí, i tak však byla tělesa vysoce kompaktní. Výsledky pevnosti v tlaku a objemové hmotnosti konopného betonu jsou uvedeny v Tabulce 3.

Tabulka 3: Pevnost v tlaku a objemová hmotnost konopného betonu
Čas [dny]D [kg/m3]fc [MPa]
7 dní12000,9
28 dní10202,1
Po vysušení8101,5

Z naměřených výsledků vyplývá, že vyrobená tělesa dosahují i přes vysokou dávku cementu (380 kg CEM II/B-M (S-V-LL) 32.5 R) nízké pevnosti v tlaku, to však mohlo být způsobeno vyšším vodním součinitelem, který byl způsoben především vlhčím pazdeřím po mineralizaci. I tak jsou však tyto hodnoty srovnatelné například s běžně vyráběnými pěnobetony určenými pro podobné využití. Pevnost v tlaku se u konopného betonu časem může mírně zvýšit i díky tomu, že vlákna mineralizací postupně tvrdnou.

3.4.2. Stanovení součinitele tepelné vodivosti konopného betonu

Pro zjištění tepelně izolačních vlastností bylo provedeno měření součinitele tepelné vodivosti λ na přístroji Shotherm QTM od firmy Shova Denco, který pracuje na principu metody horkého drátu. Měření bylo provedeno podle EN 993-14 [11].

Před započetím měření byl povrch zkušebního vzorku upraven tak, aby odchylka od rovinnosti dvou bodů nebyla větší než 0,2 mm. Poté se na povrch zkušebního vzorku volně položila zkušební sonda. Rozměry zkušebního vzorku musí být min. o 50 mm větší než rozměry zkušební sondy, přičemž minimální tloušťka zkušebního vzorku je 100 mm. Po přiložení zkušební sondy bylo provedeno temperování měřící soustavy (min. 60 sekund) a byl zahájen měřící proces. Měření bylo na každém zkušebním vzorku opakováno 5×. Výsledná ekvivalentní hodnota součinitele tepelné vodivosti byla stanovena jako aritmetický průměr z naměřených hodnot. Průměrná hodnota součinitele tepelné vodivosti byla 0,2 W/m.K. Tato hodnota není z hlediska tepelně izolačního příliš pozitivní. Pro srovnání – běžný beton má součinitel tepelné vodivosti λ = 1,3 W/m.K, lehký beton λ = 0,45 W/m.K, beton z expandovaného kameniva Liapor λ = 0,3 W/m.K, dřevocementové desky λ = 0,11 W/m.k a pěnobetony λ = 0,08 W/m.K. Lepších výsledků tepelně izolačních vlastností konopného betonu lze dosáhnout zvýšením poměru plniva vůči pojivu a snížením objemové hmotnosti kompozitu. Této oblasti se věnujeme v navazujících experimentálních pracích.

Závěr

Experimentální práce prokázaly možnost užití konopné pazdeří jako lehkého přírodního plnivo do lehkých betonů. Byl ověřen způsob výroby konopného betonu. Pozitivní je ekonomické hledisko užití konopného pazdeří. V souladu s legislativními normami je možné pěstovat technické konopí a tím získat levný materiál z přírodních zdrojů. Významné je i hledisko ekologické, kdy konopné pazdeří je organický materiál z obnovitelných zdrojů.

Dle naměřených výsledných hodnot fyzikálně mechanických zkoušek (objemová hmotnost cca 1000 kg/m3, pevnost v tlaku cca 2,0 MPa, součinitel tepelné vodivosti cca 0,2 W/m.K) lze konstatovat, že parametry konopného betonu se blíží ostatním v praxi běžně používaným lehkým betonům. Například jako jsou pěnobetony, polystyrenbetony, perlitbetony apod. o srovnatelné objemové hmotnosti pohybující se v rozmezí 600 až 1000 kg/m3, kdy jejich pevnosti v tlaku z pravidla nepřesahují 5 MPa. Slabou stránkou konopného betonu je nutná příprava konopného pazdeří procesem mineralizace. Pro dosažení mineralizaci je třeba nechat konopné pazdeří smísené s vápnem a vodou odležet, což vyžaduje velký objem takto upravovaného materiálu a snižuje to denní výkon zpracování konopného betonu.

Poděkování

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.

Literatura

  • [1] Hubertova, M., Hela, R., Stavinoha, R. EXPANDED CLAY THERMO INSULATING CONCRETE, Ed. by: Hajek, P; Tywoniak, J.; Lupisek, A.; et al., Conference on Central Europe towards Sustainable Building, Prague, CZECH REPUBLIC, 2010, pp: 391–394.
  • [2] Hubertova, Michala; Hela, Rudolf: Durability of Lightweight Expanded Clay Aggregate Concrete, Ed. by: Bujnak, J.; Vican, J., 6th International Conference on Concrete & Concrete Structures, Terchova, SLOVAKIA, 2013, Procedia Engineering, Vol.: 65, pp: 2–6.
  • [3] VÁLEK, J.; NOVOSAD, P.; BODNÁROVÁ, L. Alkali-activated matrix based on metakaoline with lightweight aggregate. Advanced Materials Research. 2013. 2013 (787). p. 250–255.
  • [4] HELA, R.; HUBERTOVÁ, M.; BODNÁROVÁ, L.; KLEČKA T., Lightweight Self Compacting Concrete (LWSCC) in the ready mix, In The 6th International Symposium on Cement and Concrete; CANMET/ACI International Symposium on Concrete Technology for Suistainable Development, XI AN, ChinA Foreign Languages Press Beijing, 2006, pp. 1381–1390, ISBN 7-119-02249-0.
  • [5] MIKULICA, Karel. Porovnání technických vlastností a technologií pokládky lehkých stavebních hmot pro podlahové konstrukce. Brno, 2014. 124 s., Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technologie stavebních hmot a dílců. Vedoucí práce prof. Ing. Rudolf Hela, CSc.
  • [6] VONDRA, Nicol. Konopí ve stavebnictví [online]. [cit. 2016-01-20]. Dostupné z:
    http://www.ekostavivo.cz/konopi-ve-stavebnictvi/
  • [7] Chybík J.: Přírodní stavební materiály, p. 272, 2009, ISBN: 978-80-247-2532-1, Grada, Czech Republic.
  • [8] ČSN EN 12 350-6. Zkoušení čerstvého betonu – Část 6: Objemová hmotnost. Praha: Český normalizační institut, 10/2009. Třídící znak 12 350-6.
  • [9] ČSN EN 12 390-7. Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 7: Objemová hmotnost ztvrdlého betonu. Praha: Český normalizační institut, 11/2009. Třídící znak 12 390-7.
  • [10] ČSN EN 12 390-3. Zkoušení ztvrdlého betonu – Část 3: Pevnost v tlaku zkušebních těles. Praha: Český normalizační institut, 10/2009. Třídící znak 12 390-3.
  • [11] ČSN EN 993-14. Zkušební metody pro žárovzdorné výrobky tvarované hutné – Část 14: Stanovení tepelné vodivosti metodou topného drátu (křížové uspořádání). Praha: Český normalizační institut, 2/1999. Třídící znak 72 6020.
 
Komentář recenzenta Ing. Pavel Reiterman, Ph.D., ČVUT Praha, UCEEB

Příspěvek je zaměřen na použití konopného pazdeří na výrobu betonu se zvýšenými tepelně-izolačními vlastnostmi. Praktické použití konopí v oblasti stavebnictví má více než tisíciletou tradici a v současné době zažívá jistou renezanci z důvodů hledání cest k posílení trvalé udržitelnosti ve stavebnictví, což je předmětem práce řady vědeckých týmů i celých výzkumných center. Tento materiál má řadu výhod, ale jak je patrné z provedeného programu, i úskalí. Bylo by zajímavé a předmětné, kdyby tento pilotní program byl v budoucnu doplněn o stanovení doby potřebné k mineralizaci vláken. Rovněž doporučuji další pozornost zaměřit na studium vlastností tohoto kompozitu v závislosti na vlhkosti. Dodaný příspěvek doporučuji k publikaci.

English Synopsis
Hempcrete – cement composites using natural fibres

The paper describes the use of hemp shiv as a natural organic fillers for building materials, especially concrete designed as heat - insulating filler material around the load-bearing structure of wooden buildings. In construction, yet hemp used in the form of mats made of hemp fiber, with the addition of bonding bicomponent fibers and soda solution as protection against burning and rots. Mats are formed by pneumatic fleece, they are subsequently cooked and subsequently cut to the desired dimensions. Calcium-hemp building material is a revolutionary construction and thermal insulating material with which to build the entire building, it is not necessary bricks or other insulation. The trend is spreading across Europe from France, where the mixture shiv and lime used in the 16th and 17th centuries for the construction of timber-framed houses. Although Europe is worth from hemp concrete for hundreds of buildings in our country with its use only timidly begin. Concrete is a mixture of hemp shiv, slaked lime, cement and water. It is a recyclable material that offers high thermal and sound insulation. The biggest advantage is undoubtedly the speed of construction, namely hemp concrete hardens very quickly.